新型高效汽车尾气颗粒物的吸附装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及汽车集尘设备领域，尤其是一种新型高效汽车尾气颗粒物的吸附
目.0
【背景技术】
[0002]近年来，生活在大中型城市的人们越来越关注空气质量问题，雾霾、PM2.5等新词汇与新概念也成为热门话题。我每天穿梭于繁华的城市中心，常被冒着黑烟的公共汽车和大货车熏得无所适从，尤其是一些柴油车辆在红绿灯路口启动时冒出阵阵黑烟，几乎让人窒息。前段时间备受全球关注的“大众汽车尾气门”事件更引起了我对高污染柴油车尾气治理的兴趣。
[0003]汽油机中的排气微粒主要有三种来源:含铅汽油中的铅、有机微粒(包括碳烟)与汽油中的硫元素通过化学变化产生的硫酸盐。对调整良好的汽油机有机微粒排放只在使用很浓的混合气时才会遇到，且目前普遍采用无铅汽油，故而相对于柴油机汽油机的微粒排放极少。柴油机微粒是一种成分可变的复杂混合物。它包括了直接来自柴油机燃烧过程产生的微粒以及在从排气管进入大气的过程中，尤其在后处理设备内，气态、液态和固态化学成分之间发生一系列化学或物理变化而产生的微粒。它主要包括以碳元素为主的碳烟、高沸点碳氢化合物、硫酸盐、与硫酸盐结合的水以及含有金属成分的灰尘等杂质。其中，固体碳烟颗粒DS(dry soot)生成的条件是高温缺氧，尽管柴油机总是富氧燃烧，但由于燃油与空气的混合不均匀，局部缺氧导致碳烟的生成，未燃燃料浓度越高，温度越高，碳烟的生成速度也越高，柴油机微粒排放增加;另一方面，温度越高，氧浓度越高，柴油机微粒的被氧化的效果也就越显著，最终的微粒生成量便会因此减少。因此可以认为最终的柴油机微粒排放量是由其生成和氧化过程的竞争决定的。高沸点碳氢化合物是由燃油和润滑油的未燃及未完全燃烧成分组成的，其吸附在碳颗粒的表面，可以被有机溶剂溶解、萃取，故也被称为可溶性有机物S0F(soluble organic fract1n)。硫酸盐则主要是柴油中的硫元素通过化学变化产生的，其所占比例很少。
[0004]越来越多的统计研究和流行病学研究表明:微粒对人体健康有很大影响。不同粒径的微粒在大气和体内的沉降率不同，大于2.5μπι (ΡΜ2.5)的微粒在上呼吸道有较高的沉降率，粒径小于2.5ym(PM2.5)的微粒在肺部沉降率较高，超细微粒甚至在支气管中都有较高的沉降率，而且沉降率会随着粒径的减小而升高。微粒越小，悬浮于空气中的时间越长，微粒与人体接触的机会越大，也增加了微粒在大气中吸收阳光和其他物质作用而产生化学反应的机会。此外，由较细小颗粒组成的复杂结构集合体比由较大颗粒组成的简单结构集合体比表面积大，所以更容易吸附对人体健康有害的重金属和有机物，因而其生物毒性更大。据统计，在欧洲，ΡΜ2.5每年导致38.6万人死亡，并使欧盟国家人均期望寿命减少8.6个月。中国每年有60万人死于肺癌，而且肺癌发病率每年增长26.9%，如不及时采取措施，预计到2025年中国的肺癌患者将达到100万，成为世界第一肺癌大国，世界卫生组织国际癌症机构确认，柴油汽车中排放的ΡΜ2.5颗粒物与肺癌、膀胱癌有关。其他研究机构的数据显示，愈来愈多的非吸烟者患上肺癌的原因与柴油汽车尾气中排放的PM2.5颗粒物有关。
[0005]大气中PM2.5的来源非常广泛，然而毋庸置疑的是车用发动机(特别是柴油机)是大气中PM2.5的重要来源之一。Kittelson研究获得的典型柴油机微粒排放质量和数量浓度的粒度分布，当前柴油机排出的微粒无论在质量和数量上均占有极大的比重。同时，2014年北京市发布的PM2.5来源解析报告中指出:北京市全年PM2.5来源中区域传输贡献约占28-36%，本地污染排放贡献占64-72%。然而，在本地污染贡献中，机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源，分别占31.1%、22.4%、18.1%和14.3%，餐饮、汽车修理、畜禽养殖、建筑涂装等其他排放约占PM2.5的14.1%。故而，为提高我国城市空气质量、降低大气中PM2.5，有效消除柴油车微粒排放是一个关键环节。
[0006]目前，柴油机微粒的净化技术策略大体上可以分为两类:机内净化与机外净化。机内净化是指通过进气增压、高压喷射及缸筒-活塞环-活塞三者结合结构及材料改进等技术策略减少发动机缸内源头微粒的生成及排放量。然而，机内净化措施能有效的降低了微粒排放，但由于一是润滑油的消耗只能减少到一定的程度，任何一种发动机不可能不消耗润滑油；二是机内净化主要以油气充分混合为目的，如高压喷射技术对大微粒的减少是以增加细小微粒数量为代价，而细小微粒对人体和环境的危害更大;三是减少微粒与降低NOx的排放之间存在一定的矛盾。仅仅依靠机内净化技术对柴油机微粒排放的改善效果受到制约，难于适应未来汽车的清洁需求，必须同时采取机外净化技术。目前，国内外研究的微粒机外净化主要有等离子净化、溶液清洗、离心分离及微粒捕集器及静电分离等。
[0007](I)等离子净化技术:等离子净化技术是一种新的柴油机排气净化技术，该技术可同时降低柴油机排气中的多种有害成分。利用等离子体化学反应净化废气技术起始于八十年代初，主要应用于固定的排气设备、发电机和锅炉等。随着技术的不断更新，近几年人们开始将这个技术应用于柴油机的尾气排放净化。柴油机排气中的有害成分经过等离子反应器，会发生复杂的化学反应，其中NO很容易氧化成N02。由于N02有很强的氧化性，在柴油机排气温度下能把碳烟微粒氧化成碳的氧化物，所以研究人员通常认为碳烟微粒的降低是因N02的生成所致。
[0008](2)溶液清洗技术:溶液清洗技术是让排气通过水或油来清洗微粒的方法。这种方法简单，适合于固定的排气设备。瑞典研究人员曾尝试将车用柴油机的排气管做成文氏管，利用喉管处的负压将水分吸入排气中，稀释和清洗排气中的微粒和NOx，获得了一定的效果O
[0009](3)离心分离技术:离心分离技术是将排气引入旋风分离器中，利用微粒的离心力，将微粒从气流中分离出来。由于柴油机微粒很小，直径大多在Iym以下，这种技术只能分离微粒的5%?10%，效果较差。
[°01°] (4)微粒捕集器:微粒捕集器(DPF，diesel particulate filter)是目前一种柴油机微粒排放后处理应用最为广泛的方式，国际上对微粒捕集器的研究始于上个世纪70年代，现已逐步形成商品化产品。第一辆使用微粒捕集器的汽车是1985年德国奔驰公司生产的出口到美国加利福尼亚的轿车。随着排放法规的日趋严格，如今发达国家安装微粒捕集器的柴油车越来越多，如奥迪、大众和奔驰等部分乘用车安装了微粒捕集装置。目前，比较成熟且应用较多的产品是美国康宁(Corning)公司和日本的NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷微粒捕集器。美国的Johnson Matthey公司开发的连续催化再生微粒捕集器以高的捕集效率和再生效率受到关注。
[0011]微粒捕集器主要通过扩散机理、拦截机理、惯性碰撞机理和重力沉积机理等四种物理效应对微粒进行过滤捕集。其常用的过滤材料有陶瓷基、金属基和复合基三大类。虽然微粒捕集器是目前柴油机尾气微粒一种有效且应用极为广泛的后处理措施，然而由于该种措施对微粒的净化效率与过滤体几何结构密切相关，如果想获得较高的微粒过滤效率则需要增大过滤体的容积及孔隙率等几何参数，这一方面无疑将会使捕集器的体积增大，不利于整车安装和布置，且应用成本也会大幅度提高；另一方面也会对发动机原机排气系统造成极大影响，使得原机的动力性和经济性被牺牲。
[0012]虽然柴油机排气微粒整体上呈电中性，但是85%左右的微粒都为带电粒子，每个带电粒子有I?5个基本正电荷或负电荷。柴油机排气微粒的电阻率在106?108 Ω/cm数量级内变化，因此适合利用电