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柴油車(chē)尾氣中所含的黑煙顆粒物（PM）是造成大氣污染的原因。作為可大幅削減PM的裝置，“顆粒捕捉器”（DPF）受到了關(guān)注。由于僅需安裝在消音器上，較為簡(jiǎn)單，因此作為可迅速采取的尾氣對(duì)策備受期待。

日本東京都自1999開(kāi)始推進(jìn)柴油車(chē)對(duì)策，2000年1月，神戶地方法院又對(duì)尼崎公害訴訟案作出了判決，在這樣的背景下，進(jìn)入2000年之后，顆粒捕捉器（DPF，Diesel Particulate Filter）成為備受關(guān)注的汽車(chē)技術(shù)。這是一種可去除汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣中所含的石墨等顆粒物狀物質(zhì)（PM）、對(duì)尾氣進(jìn)行凈化的過(guò)濾裝置。

亟需對(duì)巴士及卡車(chē)采取尾氣對(duì)策。照片／每日新聞社

2000年3月22日晚，在東京都政府大樓舉行了關(guān)于顆粒捕捉器的研討會(huì)。主題為“細(xì)顆粒物去除過(guò)濾器開(kāi)發(fā)最前沿”。開(kāi)會(huì)前在會(huì)場(chǎng)外大廳中展示的全球4家企業(yè)生產(chǎn)的顆粒捕捉器瞬間被人群所包圍。

“今天請(qǐng)各企業(yè)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(duì)于顆粒捕捉器的理解。”

致開(kāi)幕辭的東京都環(huán)保局局長(zhǎng)齋藤哲哉介紹了舉行研討會(huì)的目的。

有意見(jiàn)指出，排放到空氣中的柴油車(chē)尾氣中所含的顆粒物會(huì)對(duì)呼吸器官等造成惡劣影響。作為減少顆粒物的方法，除了采用顆粒捕捉器，還應(yīng)對(duì)作為燃料的柴油及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改良。在這些方法中，顆粒捕捉器之所以能一躍成為焦點(diǎn)，是因?yàn)榕c其他方法相比，可迅速發(fā)揮作用。

柴油車(chē)尾氣問(wèn)題受到了很大關(guān)注，對(duì)于各汽車(chē)廠商及陸路運(yùn)輸業(yè)來(lái)說(shuō)，亟需采取相應(yīng)對(duì)策。因此，首先需要針對(duì)處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的柴油車(chē)采取尾氣對(duì)策。不能僅僅坐等可減少顆粒物發(fā)生量的新車(chē)登場(chǎng)，以及需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間的燃料開(kāi)發(fā)。

顆粒捕捉器備受關(guān)注的另一個(gè)原因在于，易于安裝到正在使用的車(chē)輛中。在尾氣對(duì)策中，如果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身進(jìn)行改良，會(huì)花費(fèi)相當(dāng)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(jiǎn)便。而且從技術(shù)上來(lái)看，顆粒捕捉器已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段。

安裝在消音器中，收集顆粒物。

充分過(guò)濾微細(xì)顆粒物，如何處理是關(guān)鍵

顆粒捕捉器的原理非常簡(jiǎn)單。首先，利用過(guò)濾器過(guò)濾尾氣中所含的顆粒物并進(jìn)行收集。顆粒物達(dá)到一定量之后，就進(jìn)行燃燒將之轉(zhuǎn)變?yōu)槎�氧化碳（CO2）排出。雖然原理非常簡(jiǎn)單，但如果作為實(shí)際裝置進(jìn)行開(kāi)發(fā)，卻沒(méi)那么簡(jiǎn)單。

從顆粒捕捉器的性能來(lái)看，需要解決兩個(gè)技術(shù)課題。一是開(kāi)發(fā)可充分捕獲顆粒物的過(guò)濾器。

柴油車(chē)尾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(guò)濾器需要具備能夠完全過(guò)濾大小不一的微細(xì)顆粒物的結(jié)構(gòu)。

第二個(gè)課題是捕獲到的顆粒物的處理方法。如果只進(jìn)行收集，不久過(guò)濾器就會(huì)被裝滿，不能繼續(xù)發(fā)揮作用。如果安裝在消音器上的過(guò)濾器堵塞，便會(huì)影響尾氣排放，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功能，而且還可能引發(fā)故障。

因此，對(duì)于由碳（C）形成的顆粒物，最自然的處理方法就是燃燒，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)槎�氧化碳。此處的關(guān)鍵是顆粒物燃燒機(jī)制。

進(jìn)行捕獲的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)與顆粒物燃燒方法，各家公司在開(kāi)發(fā)顆粒捕捉器時(shí)都著重于這兩點(diǎn)，并作為所開(kāi)發(fā)的顆粒捕捉器的特點(diǎn)直接表現(xiàn)了出來(lái)。

獨(dú)自開(kāi)發(fā)出纖維板狀結(jié)構(gòu)，五十鈴實(shí)現(xiàn)小型化

“纖維結(jié)構(gòu)的過(guò)濾器體形較小，同時(shí)還能捕獲大量顆粒物，而且不易堵塞過(guò)濾網(wǎng)�！�

開(kāi)發(fā)出獨(dú)一無(wú)二過(guò)濾器的五十鈴汽車(chē)公司陶瓷研究所技術(shù)第4部部長(zhǎng)鈴木省伍滿懷信心地這樣說(shuō)道。

如上表所示，顆粒捕捉器的主要過(guò)濾器結(jié)構(gòu)分為“纖維結(jié)構(gòu)”及“蜂窩結(jié)構(gòu)”兩種。五十鈴用于顆粒捕捉器系統(tǒng)的，是將碳化硅（SiC）制造的陶瓷細(xì)纖維加工成板狀的過(guò)濾器。

過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的不同，直接形成了如何捕獲顆粒物的“過(guò)濾方式”的差異。纖維板狀過(guò)濾器是充分利用過(guò)濾材料的厚度、整體捕獲顆粒物的“深層過(guò)濾式”設(shè)備。五十鈴制造的顆粒捕捉器重疊使用2片厚度為3毫米的“粗過(guò)濾網(wǎng)”及“密過(guò)濾網(wǎng)”。構(gòu)成過(guò)濾網(wǎng)的纖維長(zhǎng)度均為50毫米，但纖維直徑不同，粗過(guò)濾網(wǎng)為14微米，密過(guò)濾網(wǎng)為9微米。

五十鈴生產(chǎn)的顆粒捕捉器利用纖維結(jié)構(gòu)的過(guò)濾器進(jìn)行捕獲。

重疊使用2片是為了提高捕獲效率。尾氣先從粗過(guò)濾網(wǎng)一側(cè)進(jìn)入，過(guò)濾掉較大的顆粒物。接下來(lái)通過(guò)密過(guò)濾網(wǎng)，捕集較小的顆粒物。利用2層過(guò)濾網(wǎng)，就可對(duì)尾氣進(jìn)行充分過(guò)濾，最大限度地捕獲顆粒物。利用金屬網(wǎng)加熱器從兩面夾住過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行折疊，并圍成圓筒形。通過(guò)折疊可增大表面積，并增加顆粒物捕獲量。

用于4噸級(jí)卡車(chē)的顆粒捕捉器采用的是直徑不到25厘米的圓筒形折疊過(guò)濾網(wǎng)，如果伸展開(kāi)來(lái)，其長(zhǎng)度將達(dá)到3.1米。五十鈴CV商品策劃室顆粒捕捉器組平野春樹(shù)負(fù)責(zé)人介紹道 ：“在開(kāi)發(fā)時(shí)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(guò)濾器，最終設(shè)計(jì)出了現(xiàn)在的形狀�！�

其他公司是蜂窩狀過(guò)濾器，利用有微細(xì)孔的表面捕捉顆粒物

五十鈴以外的其他企業(yè)采用的是“蜂窩結(jié)構(gòu)”圓筒狀過(guò)濾器。像蜂窩一樣帶有無(wú)數(shù)小洞，因此稱(chēng)為“蜂窩”。

這些小洞前后并不貫通。如上圖所示，每個(gè)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(shè)置，之間夾有“過(guò)濾壁”。過(guò)濾壁上設(shè)置有可通過(guò)氣體的非常小的氣孔。

蜂窩過(guò)濾器捕獲顆粒物的工作原理如下。

其他企業(yè)利用蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行捕獲。

首先，進(jìn)入過(guò)濾器內(nèi)的尾氣會(huì)從沒(méi)有出口的洞中進(jìn)入過(guò)濾壁內(nèi)部。此時(shí)，無(wú)法進(jìn)入氣孔的顆粒物會(huì)附著在過(guò)濾壁內(nèi)側(cè)被捕獲。另一方面，尾氣會(huì)通過(guò)氣孔，進(jìn)入相鄰的小洞并排放到空氣中。因此，相對(duì)于五十鈴的深層過(guò)濾式，像這樣用蜂窩過(guò)濾器捕獲顆粒物的方式被稱(chēng)為“表面過(guò)濾式”。

開(kāi)發(fā)出精密碳化硅陶瓷過(guò)濾器的揖斐電公司技術(shù)開(kāi)發(fā)本部副本部長(zhǎng)小森照夫說(shuō)：“盡量使過(guò)濾壁變薄，以及過(guò)濾壁的氣孔采用合適尺寸，是提高蜂窩過(guò)濾器過(guò)濾性能的關(guān)鍵�！�

如果使過(guò)濾壁變薄，構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)的小洞就會(huì)變大。也就是說(shuō)，小洞的表面積會(huì)增加，即便過(guò)濾器尺寸相同，也可捕獲更多的顆粒物。

另一方面，讓尾氣通過(guò)的過(guò)濾壁氣孔也不能過(guò)大或者過(guò)小，尺寸相差太大也不行。如果氣孔過(guò)大，顆粒物便會(huì)進(jìn)入過(guò)濾壁內(nèi)部，降低捕獲性能。反之如果過(guò)小，尾氣就不能順利通過(guò)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障。并且，如果直徑大小不均，壓力損失會(huì)變大。

小森稱(chēng)：“合適的氣孔尺寸大約是10微米�！彪m然單個(gè)顆粒物要小于這個(gè)尺寸，但實(shí)際上，顆粒物是成團(tuán)存在，不會(huì)進(jìn)入氣孔中。

揖斐電成功開(kāi)發(fā)出了氣孔直徑大多在10微米左右的蜂窩過(guò)濾器，據(jù)稱(chēng)其顆粒物捕獲率高達(dá)99％。該公司又對(duì)0.35毫米的過(guò)濾壁厚度進(jìn)一步進(jìn)行削減，力爭(zhēng)使表面積增加2～3成。

配備2臺(tái)以上的顆粒捕捉器，交替進(jìn)行捕獲及燃燒

捕獲的顆粒物的燃燒方法大致分為兩類(lèi)。分別為“捕獲再生切換式”及“連續(xù)再生式”。日本的五十鈴和揖斐電屬于前者，美國(guó)恩格哈德公司（即現(xiàn)在的巴斯夫催化劑公司）及英國(guó)莊信萬(wàn)豐公司（Johnson Matthey）屬于后者。

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

而這種方法的缺點(diǎn)是，燃燒時(shí)無(wú)法捕獲顆粒物。因此，必須在1輛車(chē)上配備2臺(tái)以上的顆粒捕捉器，交替進(jìn)行捕獲及燃燒（再生），該方式被稱(chēng)為“捕獲再生切換式”。

利用2個(gè)過(guò)濾器交替進(jìn)行PM捕獲及燃燒

利用過(guò)濾器前后側(cè)安裝的壓力傳感器和閥門(mén)進(jìn)行切換。如果正在進(jìn)行捕獲的過(guò)濾器中積攢了一定的顆粒物，過(guò)濾器前后就會(huì)出現(xiàn)壓力差。利用傳感器感知這一壓力差，切換閥門(mén)，停止送入尾氣，轉(zhuǎn)為燃燒顆粒物。在此期間會(huì)利用另一個(gè)過(guò)濾器進(jìn)行捕集。

五十鈴制造的顆粒捕捉器，如果安裝在2噸級(jí)的卡車(chē)上，一般是在連續(xù)捕集約2個(gè)小時(shí)之后，進(jìn)行15分鐘左右的再生，如此往復(fù)循環(huán)。不過(guò)，捕獲再生循環(huán)會(huì)因車(chē)輛的排量、行駛年數(shù)及當(dāng)時(shí)的行駛速度等而不同，因此不能一概而論。

采用催化劑技術(shù)的連續(xù)再生式顆粒捕捉器

Engelhard與莊信萬(wàn)豐開(kāi)發(fā)的連續(xù)再生式顆粒捕捉器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有加熱器及用于切換控制的附件。由于無(wú)需進(jìn)行切換，因此1輛車(chē)僅需配備1臺(tái)顆粒捕捉器。

不過(guò)，同樣是連續(xù)再生式設(shè)備，兩家公司產(chǎn)品的工作原理也截然不同。恩格哈德的“DPX”是在蜂窩過(guò)濾器的尾氣流入孔內(nèi)壁上，涂布貴金屬催化劑及基礎(chǔ)金屬。該公司亞太地區(qū)總經(jīng)理秋吉正一稱(chēng)：“這樣便構(gòu)筑起了一邊捕獲顆粒物，一邊使用尾氣進(jìn)行連續(xù)燃燒的系統(tǒng)�！�

美國(guó)、歐洲及臺(tái)灣地區(qū)等當(dāng)時(shí)已開(kāi)始在巴士及卡車(chē)上使用DPX，經(jīng)確認(rèn)可使用32萬(wàn)公里以上。并且，DPX僅需2個(gè)小時(shí)左右即可安裝完畢，使用起來(lái)非常簡(jiǎn)便。

另一方面，莊信萬(wàn)豐的“CRT”則是在過(guò)濾器前方設(shè)置白金類(lèi)氧化催化劑層（下圖）。莊信萬(wàn)豐日本公司汽車(chē)催化劑技術(shù)部董事村木秀昭稱(chēng)，該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于，“不是用氧燃燒顆粒物，而是用二氧化氮（NO2）燃燒”。

僅需利用1臺(tái)過(guò)濾器的連續(xù)再生式

設(shè)置氧化催化劑層，是為了利用尾氣中的氮氧化物（NOx）生成進(jìn)行燃燒所需的二氧化氮（NO2）。具體而言，就是是利用催化劑層生成二氧化氮，在過(guò)濾器內(nèi)捕獲顆粒物，同時(shí)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(wàn)公里之后，或者1年1次，將蜂窩過(guò)濾器反向安裝，便可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)使用。

技術(shù)已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平，但要實(shí)現(xiàn)普及必須完善體制建設(shè)

雖然CRT具備出色的性能，但當(dāng)時(shí)要在日本實(shí)現(xiàn)普及，還存在弱點(diǎn)。其原因在于不適合用于當(dāng)時(shí)日本國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售的柴油。

在瑞典等歐洲國(guó)家，CRT當(dāng)時(shí)已經(jīng)在近9000輛巴士及卡車(chē)上使用。之所以能得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)榕c當(dāng)時(shí)日本500ppm以下的標(biāo)準(zhǔn)相比，歐洲使用的柴油硫磺濃度為30～50ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本。

CRT運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)至少需要相當(dāng)于顆粒物量8倍以上的二氧化氮。不過(guò)，硫磺濃度超過(guò)50ppm的柴油會(huì)阻礙氧化催化劑層生成二氧化氮，而且會(huì)生成比發(fā)動(dòng)機(jī)出口處更多的硫化物。

針對(duì)這種情況，五十鈴及Engelhard則大力宣傳自己的設(shè)備不會(huì)受硫磺濃度影響，可應(yīng)用于日本標(biāo)準(zhǔn)的柴油。五十鈴陶瓷研究所部長(zhǎng)鈴木表示，五十鈴最初的目標(biāo)就是“開(kāi)發(fā)可使用現(xiàn)有柴油的顆粒捕捉器”。而Engelhard的DPX在過(guò)濾器內(nèi)涂布的基礎(chǔ)金屬具備不會(huì)受硫磺成分影響的特性。

五十鈴與東京都合作，通過(guò)利用都營(yíng)巴士及垃圾收集車(chē)進(jìn)行實(shí)證實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了其生產(chǎn)的顆粒捕捉器性能。其他還有一些擁有豐富業(yè)績(jī)的海外廠商也自報(bào)家門(mén)要進(jìn)入日本市場(chǎng)，與歐美相比起步較晚的日本終于步入可采用顆粒捕捉器技術(shù)的階段。

另一方面，還需要進(jìn)行由誰(shuí)、在什么地方、怎樣安裝顆粒捕捉器、怎樣進(jìn)行維護(hù)等體制建設(shè)。這方面的發(fā)展動(dòng)向，將極大地影響顆粒捕捉器的普及程度，以及柴油車(chē)尾氣的改善程度。

高成本負(fù)擔(dān)也可能阻礙顆粒捕捉器普及

當(dāng)時(shí)，在大型卡車(chē)和巴士上配備顆粒捕捉器需要花費(fèi)50萬(wàn)～70萬(wàn)日元。這是恩格哈德給出的DPX大致價(jià)格。雖然價(jià)位有所不同，但要想配備在已投入使用的車(chē)輛上，其他公司的顆粒捕捉器價(jià)格也非常高。

在2000年，五十鈴以月產(chǎn)200臺(tái)左右的規(guī)模生產(chǎn)用于2噸級(jí)卡車(chē)顆粒捕捉器，但是為手工制造。當(dāng)時(shí)的價(jià)格約為60萬(wàn)日元，每月量產(chǎn)3500臺(tái)左右時(shí)價(jià)格可降至40萬(wàn)日元左右。并且，莊信萬(wàn)豐稱(chēng)，如果能夠量產(chǎn)用于小型卡車(chē)的CRT，其價(jià)格可控制在11萬(wàn)～17萬(wàn)日元。

通過(guò)量產(chǎn)確實(shí)可以降低價(jià)格，但盡管如此，對(duì)于陸路運(yùn)輸企業(yè)等用戶而言，成本負(fù)擔(dān)仍然很重。因此捕捉器生產(chǎn)廠商強(qiáng)烈意識(shí)到：“如果不建立具有強(qiáng)制性的體制，要求必須進(jìn)行配備等，將難以在已投入使用的車(chē)輛中普及�！�

當(dāng)初，主要是針對(duì)巴士和卡車(chē)等討論采用顆粒捕捉器，后來(lái)乘用車(chē)加入了這一行列。在歐洲，標(biāo)致雪鐵龍公司在2000年6月上市的高級(jí)乘用車(chē)“607”上標(biāo)配了顆粒捕捉器。

該顆粒捕捉器由標(biāo)致開(kāi)發(fā)，但過(guò)濾器是由日本揖斐電制造的。揖斐電力爭(zhēng)利用蜂窩過(guò)濾器單品來(lái)開(kāi)拓市場(chǎng)。該公司的陶瓷過(guò)濾器采用碳化硅制成，碳化硅與Engelhard及莊信萬(wàn)豐使用的堇青石材料相比，耐熱性等更為出色，揖斐電對(duì)其過(guò)濾器的制造技術(shù)極為自信。

從柴油車(chē)的數(shù)量來(lái)看，顆粒捕捉器潛在著巨大市場(chǎng)。從防止全球變暖這一角度來(lái)講，人們對(duì)柴油車(chē)的期待也很高。并且，汽車(chē)技術(shù)不斷進(jìn)步，未來(lái)如何根本無(wú)法預(yù)測(cè)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，顆粒捕捉器如何定位還將主要取決于政府的方針政策。（日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）