【技術回顧】柴油車尾氣對策的殺手？——顆粒捕捉器

　　柴油車尾氣中所含的黑煙顆粒物（PM）是构成大氣污染的原因。作為可大幅削減PM的裝置，“顆粒捕捉器”（DPF）受到了關注。由於僅需安裝在消音器上，較為簡單，因而作為可敏捷採取的尾氣對策備受等待。

　　日本東京都自1999開始推進柴油車對策，2000年1月，神戶地办法院又對尼崎公害訴訟案作出了判決，在這樣的布景下，進入2000年之后，顆粒捕捉器（DPF，Diesel Particulate Filter）成為備受關注的汽車技術。這是一種可去除汽車柴油發動機排放的尾氣中所含的石墨等顆粒物狀物質（PM）、對尾氣進行淨化的過濾裝置。

　　2000年3月22日晚，在東京都政府大樓舉行了關於顆粒捕捉器的研討會。主題為“細顆粒物去除過濾器開發最前沿”。開會前在會場外大廳中展现的全球4家企業生產的顆粒捕捉器瞬間被人群所包圍。

　　“今日請各企業介紹一下各自的顆粒捕捉器的作业原理及淨化效果，希望能加深我们對於顆粒捕捉器的了解。”

　　有意見指出，排放到空氣中的柴油車尾氣中所含的顆粒物會對呼吸器官等构成惡劣影響。作為減少顆粒物的办法，除了採用顆粒捕捉器，還應對作為燃料的柴油及發動機進行改进。在這些办法中，顆粒捕捉器之所以能一躍成為焦點，是因為與其他办法比较，可敏捷發揮效果。

　　柴油車尾氣問題受到了很大關注，對於各汽車廠商及陸路運輸業來說，亟需採取相應對策。因而，第一步是要針對處於運營狀態的柴油車採取尾氣對策。不能僅僅坐等可減少顆粒物發生量的新車登場，以及需花費較長時間的燃料開發。

　　顆粒捕捉器備受關注的另一個原因在於，易於安裝到正在运用的車輛中。在尾氣對策中，假如對發動機自身進行改进，會花費相當大的本钱及人力物力。而运用顆粒捕捉器僅需安裝在消音器中段，十分簡便。并且從技術上來看，顆粒捕捉器已經進入了實用化階段。

　　顆粒捕捉器的原理十分簡單。首要，运用過濾器過濾尾氣中所含的顆粒物並進行搜集。顆粒物達到必定量之后，就進行燃燒將之轉變為二氧化碳（CO2）排出。雖然原理十分簡單，但假如作為實際裝置進行開發，卻沒那麼簡單。

　　從顆粒捕捉器的功用來看，需求解決兩個技術課題。一是開發可充沛捕獲顆粒物的過濾器。

　　柴油車尾氣中所含的顆粒物直徑為0.01～1.0微米左右，十分小，巨细也各不相同。過濾器需求具備能夠彻底過濾巨细不一的微細顆粒物的結構。

　　第二個課題是捕獲到的顆粒物的處理办法。假如隻進行搜集，不久過濾器就會被裝滿，不能繼續發揮效果。假如安裝在消音器上的過濾器阻塞，便會影響尾氣排放，下降發動機功用，并且還或许引發毛病。

　　因而，對於由碳（C）构成的顆粒物，最天然的處理办法便是燃燒，並使之轉變為二氧化碳。此處的關鍵是顆粒物燃燒機制。

　　進行捕獲的過濾器結構與顆粒物燃燒办法，各家公司在開發顆粒捕捉器時都著重於這兩點，並作為所開發的顆粒捕捉器的特點直接表現了出來。

　　“纖維結構的過濾器體形較小，同時還能捕獲很多顆粒物，并且不易阻塞過濾網。”

　　開發出獨一無二過濾器的五十鈴汽車公司陶瓷研讨所技術第4部部長鈴木省伍滿懷信心肠這樣說道。

　　如上表所示，顆粒捕捉器的首要過濾器結構分為“纖維結構”及“蜂窩結構”兩種。五十鈴用於顆粒捕捉器系統的，是將碳化硅（SiC）制作的陶瓷細纖維加工成板狀的過濾器。

　　過濾器結構的不同，直接构成了怎么捕獲顆粒物的“過濾办法”的差異。纖維板狀過濾器是充沛的运用過濾资料的厚度、整體捕獲顆粒物的“深層過濾式”設備。五十鈴制作的顆粒捕捉器重疊运用2片厚度為3毫米的“粗過濾網”及“密過濾網”。構成過濾網的纖維長度均為50毫米，但纖維直徑不同，粗過濾網為14微米，密過濾網為9微米。

　　重疊运用2片是為了进步捕獲功率。尾氣先從粗過濾網一側進入，過濾掉較大的顆粒物。接下來通過密過濾網，捕集較小的顆粒物。运用2層過濾網，就可對尾氣進行充沛過濾，最大极限地捕獲顆粒物。运用金屬網加熱器從兩面夾住過濾網進行折疊，並圍成圓筒形。通過折疊可增大外表積，並添加顆粒物捕獲量。

　　用於4噸級卡車的顆粒捕捉器採用的是直徑不到25厘米的圓筒形折疊過濾網，假如扩展開來，其長度將達到3.1米。五十鈴CV产品策劃室顆粒捕捉器組平野春樹負責人介紹道 ：“在開發時尽力寻求尺度與消音器的消音裝置平等緊湊，但仍具有高度捕獲才能的過濾器，最終設計出了現在的形狀。”

　　五十鈴以外的其他企業採用的是“蜂窩結構”圓筒狀過濾器。像蜂窩一樣帶有無數小洞，因而稱為“蜂窩”。

　　這些小洞前后並不貫通。如上圖所示，每個小洞都有一端是封閉的，出口處封閉的小洞與进口處封閉的小洞相鄰設置，之間夾有“過濾壁”。過濾壁上設置有可通過氣體的十分小的氣孔。

　　首要，進入過濾器內的尾氣會從沒有出口的洞中進入過濾壁內部。此時，無法進入氣孔的顆粒物會附著在過濾壁內側被捕獲。另一方面，尾氣會通過氣孔，進入相鄰的小洞並排放到空氣中。因而，相對於五十鈴的深層過濾式，像這樣用蜂窩過濾器捕獲顆粒物的办法被稱為“外表過濾式”。

　　開發出精细碳化硅陶瓷過濾器的揖斐電公司技術開發本部副本部長小森照夫說：“盡量使過濾壁變薄，以及過濾壁的氣孔採用合適尺度，是进步蜂窩過濾器過濾功用的關鍵。”

　　假如使過濾壁變薄，構成蜂窩結構的小洞就會變大。也便是說，小洞的外表積會添加，即使過濾器尺度相同，也可捕獲更多的顆粒物。

　　另一方面，讓尾氣通過的過濾壁氣孔也不能過大或许過小，尺度相差太大也不可。假如氣孔過大，顆粒物便會進入過濾壁內部，下降捕獲功用。反之假如過小，尾氣就不能順利通過，會導致發動機毛病。並且，假如直徑巨细不均，壓力損失會變大。

　　小森稱：“合適的氣孔尺度大約是10微米。”雖然單個顆粒物要小於這個尺度，但實際上，顆粒物是成團存在，不會進入氣孔中。

　　揖斐電成功開發出了氣孔直徑大多在10微米左右的蜂窩過濾器，據稱其顆粒物捕獲率高達99％。該公司又對0.35毫米的過濾壁厚度進一步進行削減，力爭使外表積添加2～3成。

　　捕獲的顆粒物的燃燒办法大致分為兩類。分別為“捕獲再生切換式”及“連續再生式”。日本的五十鈴和揖斐電屬於前者，美國恩格哈德公司（即現在的巴斯夫催化劑公司）及英國庄信萬豐公司（Johnson Matthey）屬於后者。

　　燃燒顆粒物需求500～600℃的溫度，僅靠柴油車尾氣的溫度無法滿足要求。假如因交通阻塞等原因而低速行駛，有時尾氣溫度會降到150℃左右。因而，五十鈴等兩家日本公司在過濾器上安裝了加熱器，运用加熱器进步溫度，吹入氧（O2）進行燃燒。

　　而這種办法的缺點是，燃燒時無法捕獲顆粒物。因而，必須在1輛車上配備2台以上的顆粒捕捉器，替换進行捕獲及燃燒（再生），該办法被稱為“捕獲再生切換式”。

　　运用過濾器前后側安裝的壓力傳感器和閥門進行切換。假如正在進行捕獲的過濾器中積攢了必定的顆粒物，過濾器前后就會出現壓力差。运用傳感器感知這一壓力差，切換閥門，中止送入尾氣，轉為燃燒顆粒物。在此期間會运用另一個過濾器進行捕集。

　　五十鈴制作的顆粒捕捉器，假如安裝在2噸級的卡車上，一般是在連續捕集約2個小時之后，進行15分鐘左右的再生，如此往復循環。不過，捕獲再生循環會因車輛的排量、行駛年數及當時的行駛速度等而不同，因而不能一概而論。

　　Engelhard與庄信萬豐開發的連續再生式顆粒捕捉器結構較為簡單，沒有加熱器及用於切換操控的附件。由於無需進行切換，因而1輛車僅需配備1台顆粒捕捉器。

　　不過，同樣是連續再生式設備，兩家公司產品的作业原理也天壤之别。恩格哈德的“DPX”是在蜂窩過濾器的尾氣流入孔內壁上，涂布貴金屬催化劑及基礎金屬。該公司亞太地區總經理秋吉正一稱：“這樣便構筑起了一邊捕獲顆粒物，一邊运用尾氣進行連續燃燒的系統。”

　　美國、歐洲及台灣地區等當時已開始在巴士及卡車上运用DPX，經確認可运用32萬公裡以上。並且，DPX僅需2個小時左右即可安裝完畢，运用起來十分簡便。

　　另一方面，庄信萬豐的“CRT”則是在過濾器前方設置白金類氧化催化劑層（下圖）。庄信萬豐日本公司汽車催化劑技術部董事村木秀昭稱，該系統最大的特點在於，“不是用氧燃燒顆粒物，而是用二氧化氮（NO2）燃燒”。

　　設置氧化催化劑層，是為了运用尾氣中的氮氧化物（NOx）生成進行燃燒所需的二氧化氮（NO2）。具體而言，便是是运用催化劑層生成二氧化氮，在過濾器內捕獲顆粒物，同時运用生成的二氧化氮燃燒顆粒物。

　　CRT不僅能夠去除顆粒物，還可削減90％以上的碳化氫（HC）及一氧化碳（CO）等。内行駛10萬公裡之后，或许1年1次，將蜂窩過濾器反向安裝，便可長時間持續运用。

　　雖然CRT具備超卓的功用，但當時要在日本實現遍及，還存在弱點。其原因在於不適合用於當時日本國內銷售的柴油。

　　在瑞典等歐洲國家，CRT當時已經在近9000輛巴士及卡車上运用。之所以能得到廣泛應用，是因為與當時日本500ppm以下的標准比较，歐洲运用的柴油硫磺濃度為30～50ppm，遠遠低於日本。

　　CRT運轉時至少需求相當於顆粒物量8倍以上的二氧化氮。不過，硫磺濃度超過50ppm的柴油會阻礙氧化催化劑層生成二氧化氮，并且會生成比發動機出口處更多的硫化物。

　　針對這種情況，五十鈴及Engelhard則大力宣傳自己的設備不會受硫磺濃度影響，可應用於日本標准的柴油。五十鈴陶瓷研讨所部長鈴木表明，五十鈴开始的目標便是“開發可运用現有柴油的顆粒捕捉器”。而Engelhard的DPX在過濾器內涂布的基礎金屬具備不會受硫磺成分影響的特性。

　　五十鈴與東京都协作，通過运用都營巴士及废物搜集車進行實証實驗，確認了其生產的顆粒捕捉器功用。其他還有一些擁有豐富業績的海外廠商也自報家門要進入日本市場，與歐美比较起步較晚的日本終於步入可採用顆粒捕捉器技術的階段。

　　另一方面，還需求進行由誰、在什麼当地、怎樣安裝顆粒捕捉器、怎樣進行維護等體制建設。這方面的發展動向，將極大地影響顆粒捕捉器的遍及程度，以及柴油車尾氣的改进程度。

　　當時，在大型卡車和巴士上配備顆粒捕捉器需求花費50萬～70萬日元。這是恩格哈德給出的DPX大致價格。雖然價位不一样，但要想配備在已投入到正常的运用中的車輛上，其他公司的顆粒捕捉器價格也十分高。

　　在2000年，五十鈴以月產200台左右的規模生產用於2噸級卡車顆粒捕捉器，可是為手工制作。當時的價格約為60萬日元，每月量產3500台左右時價格可降至40萬日元左右。並且，庄信萬豐稱，假如能夠量產用於小型卡車的CRT，其價格可操控在11萬～17萬日元。

　　通過量產確實可以更好的下降價格，但盡管如此，對於陸路運輸企業等用戶而言，本钱負擔依然很重。因而捕捉器生產廠商強烈意識到：“假如不树立具有強制性的體制，要求必須進行配備等，將難以在已投入到正常的运用中的車輛中遍及。”

　　當初，首要是針對巴士和卡車等討論採用顆粒捕捉器，后來乘用車加入了這一队伍。在歐洲，標致雪鐵龍公司在2000年6月上市的高級乘用車“607”上標配了顆粒捕捉器。

　　該顆粒捕捉器由標致開發，但過濾器是由日本揖斐電制作的。揖斐電力爭运用蜂窩過濾器單品來開拓市場。該公司的陶瓷過濾器採用碳化硅制成，碳化硅與Engelhard及庄信萬豐运用的堇青石资料比较，耐熱性等更為超卓，揖斐電對其過濾器的制作技術極為自傲。

　　從柴油車的數量來看，顆粒捕捉器潛在著巨大市場。從避免全球變暖這一视点來講，人們對柴油車的等待也很高。並且，汽車技術不斷進步，未來怎么底子無法預測。從長遠來看，顆粒捕捉器怎么定位還將首要取決於政府的方針方针。（日經动力環境網 供稿）