顆粒捕捉器：柴油車廢氣對策的殺手鐧

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【日經BP社報導】柴油車廢氣中所含的黑煙顆粒物（PM）是造成空氣污染的原因。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，因此作為可迅速採取的廢氣對策備受期待。

日本東京都自1999開始推進柴油車對策，2000年1月，神戶地方法院又對尼崎公害訴訟案作出了判決，在這樣的背景下，進入2000年之後，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引擎排放的廢氣中所含的石墨等顆粒物狀物質（PM）、對廢氣進行凈化的過濾裝置。

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示的全球4家企業生產的顆粒捕捉器瞬間被人群所包圍。

「今天請各企業介紹一下各自的顆粒捕捉器的工作原理及凈化效果，希望能加深大家對於顆粒捕捉器的理解。」

致開幕辭的東京都環保局局長齋藤哲哉介紹了舉行研討會的目的。

有意見指出，排放到空氣中的柴油車廢氣中所含的顆粒物會對呼吸器官等造成惡劣影響。作為減少顆粒物的方法，除了採用顆粒捕捉器，還應對作為燃料的柴油及引擎進行改良。在這些方法中，顆粒捕捉器之所以能一躍成為焦點，是因為與其他方法相比，可迅速發揮作用。

柴油車廢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。因此，首先需要針對處於運營狀態的柴油車採取廢氣對策。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，易於安裝到正在使用的車輛中。在廢氣對策中，如果對引擎本身進行改良，會花費相當大的成本及人力物力。而使用顆粒捕捉器僅需安裝在消音器中段，非常簡便。而且從技術上來看，顆粒捕捉器已經進入了實用化階段。  


安裝在消音器中，收集顆粒物。


充分過濾微細顆粒物，如何處理是關鍵

顆粒捕捉器的原理非常簡單。首先，利用過濾器過濾廢氣中所含的顆粒物並進行收集。顆粒物達到一定量之後，就進行燃燒將之轉變為二氧化碳（CO2）排出。雖然原理非常簡單，但如果作為實際裝置進行開發，卻沒那麼簡單。

從顆粒捕捉器的性能來看，需要解決兩個技術課題。一是開發可充分捕獲顆粒物的過濾器。

柴油車廢氣中所含的顆粒物直徑為0.01～1.0微米左右，非常小，大小也各不相同。過濾器需要具備能夠完全過濾大小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方法。如果只進行收集，不久過濾器就會被裝滿，不能繼續發揮作用。如果安裝在消音器上的過濾器堵塞，便會影響廢氣排放，降低引擎功能，而且還可能引發故障。

因此，對於由碳（C）形成的顆粒物，最自然的處理方法就是燃燒，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方法，各家公司在開發顆粒捕捉器時都著重于這兩點，並作為所開發的顆粒捕捉器的特點直接表現了出來。




獨自開發出纖維板狀結構，五十鈴實現小型化

「纖維結構的過濾器體形較小，同時還能捕獲大量顆粒物，而且不易堵塞過濾網。」

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

如上表所示，顆粒捕捉器的主要過濾器結構分為「纖維結構」及「蜂窩結構」兩種。五十鈴用於顆粒捕捉器系統的，是將碳化矽（SiC）製造的陶瓷細纖維加工成板狀的過濾器。

過濾器結構的不同，直接形成了如何捕獲顆粒物的「過濾方式」的差異。纖維板狀過濾器是充分利用過濾材料的厚度、整體捕獲顆粒物的「深層過濾式」設備。五十鈴製造的顆粒捕捉器重疊使用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。


五十鈴生產的顆粒捕捉器利用纖維結構的過濾器進行捕獲。

重疊使用2片是為了提高捕獲效率。廢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。利用2層過濾網，就可對廢氣進行充分過濾，最大限度地捕獲顆粒物。利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。通過折疊可增大表面積，並增加顆粒物捕獲量。

用於4噸級卡車的顆粒捕捉器採用的是直徑不到25釐米的圓筒形折疊過濾網，如果伸展開來，其長度將達到3.1米。五十鈴CV商品策劃室顆粒捕捉器組平野春樹負責人介紹道 ：「在開發時努力追求尺寸與消音器的消音裝置同等緊湊，但仍具有高度捕獲能力的過濾器，最終設計出了現在的形狀。」


其他公司是蜂窩狀過濾器，利用有微細孔的表面捕捉顆粒物

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，因此稱為「蜂窩」。

這些小洞前後並不貫通。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入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非常小的氣孔。

蜂窩過濾器捕獲顆粒物的工作原理如下。


其他企業利用蜂窩結構進行捕獲。

首先，進入過濾器內的廢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，廢氣會通過氣孔，進入相鄰的小洞並排放到空氣中。因此，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方式被稱為「表面過濾式」。

開發出精密碳化矽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寸，是提高蜂窩過濾器過濾性能的關鍵。」

如果使過濾壁變薄，構成蜂窩結構的小洞就會變大。也就是說，小洞的表面積會增加，即便過濾器尺寸相同，也可捕獲更多的顆粒物。

另一方面，讓廢氣通過的過濾壁氣孔也不能過大或者過小，尺寸相差太大也不行。如果氣孔過大，顆粒物便會進入過濾壁內部，降低捕獲性能。反之如果過小，廢氣就不能順利通過，會導致引擎故障。並且，如果直徑大小不均，壓力損失會變大。

小森稱：「合適的氣孔尺寸大約是10微米。」雖然單個顆粒物要小於這個尺寸，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，力爭使表面積增加2～3成。


配備2台以上的顆粒捕捉器，交替進行捕獲及燃燒

捕獲的顆粒物的燃燒方法大致分為兩類。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Engelhard公司及英國莊信萬豐公司（Johnson Matthey）屬於後者。

燃燒顆粒物需要500～600℃的溫度，僅靠柴油車廢氣的溫度無法滿足要求。如果因交通堵塞等原因而低速行駛，有時廢氣溫度會降到150℃左右。因此，五十鈴等兩家日本公司在過濾器上安裝了加熱器，利用加熱器提高溫度，吹入氧（O2）進行燃燒。

而這種方法的缺點是，燃燒時無法捕獲顆粒物。因此，必須在1輛車上配備2台以上的顆粒捕捉器，交替進行捕獲及燃燒（再生），該方式被稱為「捕獲再生切換式」。


利用2個過濾器交替進行PM捕獲及燃燒

利用過濾器前後側安裝的壓力感測器和閥門進行切換。如果正在進行捕獲的過濾器中積攢了一定的顆粒物，過濾器前後就會出現壓力差。利用感測器感知這一壓力差，切換閥門，停止送入廢氣，轉為燃燒顆粒物。在此期間會利用另一個過濾器進行捕集。

五十鈴製造的顆粒捕捉器，如果安裝在2噸級的卡車上，一般是在連續捕集約2個小時之後，進行15分鐘左右的再生，如此往復迴圈。不過，捕獲再生迴圈會因車輛的排量、行駛年數及當時的行駛速度等而不同，因此不能一概而論。


採用觸媒轉換器技術的連續再生式顆粒捕捉器

Engelhard與莊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控制的附件。由於無需進行切換，因此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，兩家公司產品的工作原理也截然不同。Engelhard的「DPX」是在蜂窩過濾器的廢氣流入孔內壁上，塗佈貴金屬觸媒轉換器及基礎金屬。該公司亞太地區總經理秋吉正一稱：「這樣便構築起了一邊捕獲顆粒物，一邊使用廢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使用DPX，經確認可使用32萬公里以上。並且，DPX僅需2個小時左右即可安裝完畢，使用起來非常簡便。

另一方面，莊信萬豐的「CRT」則是在過濾器前方設置白金類氧化觸媒轉換器層（下圖）。莊信萬豐日本公司汽車觸媒轉換器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」。


僅需利用1台過濾器的連續再生式

設置氧化觸媒轉換器層，是為了利用廢氣中的氮氧化物（NOx）生成進行燃燒所需的二氧化氮（NO2）。具體而言，就是是利用觸媒轉換器層生成二氧化氮，在過濾器內捕獲顆粒物，同時使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。在行駛10萬公里之後，或者1年1次，將蜂窩過濾器反向安裝，便可長時間持續使用。


技術已經達到實用水準，但要實現普及必須完善體制建設

雖然CRT具備出色的性能，但當時要在日本實現普及，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輛巴士及卡車上使用。之所以能得到廣泛應用，是因為與當時日本500ppm以下的標準相比，歐洲使用的柴油硫磺濃度為30～50ppm，遠遠低於日本。

CRT運轉時至少需要相當於顆粒物量8倍以上的二氧化氮。不過，硫磺濃度超過50ppm的柴油會阻礙氧化觸媒轉換器層生成二氧化氮，而且會生成比引擎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，可應用於日本標準的柴油。五十鈴陶瓷研究所部長鈴木表示，五十鈴最初的目標就是「開發可使用現有柴油的顆粒捕捉器」。而Engelhard的DPX在過濾器內塗佈的基礎金屬具備不會受硫磺成分影響的特性。

五十鈴與東京都合作，通過利用都營巴士及垃圾收集車進行實證實驗，確認了其生產的顆粒捕捉器性能。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，與歐美相比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，還需要進行由誰、在什麼地方、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普及程度，以及柴油車廢氣的改善程度。


高成本負擔也可能阻礙顆粒捕捉器普及

當時，在大型卡車和巴士上配備顆粒捕捉器需要花費50萬～70萬日元。這是Engelhard公司給出的DPX大致價格。雖然價位有所不同，但要想配備在已投入使用的車輛上，其他公司的顆粒捕捉器價格也非常高。

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，但是為手工製造。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，莊信萬豐稱，如果能夠量產用於小型卡車的CRT，其價格可控制在11萬～17萬日元。

通過量產確實可以降低價格，但儘管如此，對於陸路運輸企業等用戶而言，成本負擔仍然很重。因此捕捉器生產廠商強烈意識到：「如果不建立具有強制性的體制，要求必須進行配備等，將難以在已投入使用的車輛中普及。」

當初，主要是針對巴士和卡車等討論採用顆粒捕捉器，後來乘用車加入了這一行列。在歐洲，標緻雪鐵龍公司在2000年6月上市的高級乘用車「607」上標配了顆粒捕捉器。

該顆粒捕捉器由標緻開發，但過濾器是由日本揖斐電製造的。揖斐電力爭利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矽製成，碳化矽與Engelhard及莊信萬豐使用的堇青石材料相比，耐熱性等更為出色，揖斐電對其過濾器的製造技術極為自信。

從柴油車的數量來看，顆粒捕捉器潛在著巨大市場。從防止全球變暖這一角度來講，人們對柴油車的期待也很高。並且，汽車技術不斷進步，未來如何根本無法預測。從長遠來看，顆粒捕捉器如何定位還將主要取決於政府的方針政策。（《日經環保》特約撰稿人：松浦隆幸）

http://big5.nikkeibp.com.cn/news/auto/64772-20130220.html?ref=ML&start=0

顆粒捕捉器技術要求不高,香港應該考慮發展.