導言

在把化學能轉化為機械能方面，柴油機的熱效率顯然要高于其他內(nèi)燃機。

柴油的高熱效率以及良好的機械耐久性能保證了在為新型車選擇一種先進的動力設備時，柴油機應當是首選。

柴油機在歐洲的市場份額很快就翻了一番。 在德國，五年內(nèi)所占比例從20%上升到了40%。

近年來，柴油發(fā)動機長足發(fā)展。西方國家逐漸淘汰了冒著黑煙的卡車，而柴油發(fā)動機越來越廣泛地應用于新型環(huán)保型旅行車。

可見黑煙的問題解決了，但小顆粒物成為了關注的焦點。

當研究出新的測量技術來分析這些微粒并逐漸加深它們對人類影響的了解以后，顆粒污染物就成為在車輛高度集中的城市里最大的污染源。

柴油發(fā)動機的正常排氣情況是：稀燃，排氣溫度低。

柴油機排氣情況和汽油機排氣情況有很大的區(qū)別，同樣，排氣后處理系統(tǒng)不一定同時適用于汽油機和柴油機。

總的來說，對于先進的柴油機，其原始排放中HC 和CO 的含量很少，主要污染物是氮氧化物和顆粒污染物。

柴油氧化型催化器的特點是減少HC，CO ，顯著降低顆粒物的排放，氮氧化物平均可以減少10%-15%。

排放法規(guī)

歐洲和日本計劃在2004年和2005年達到更高的排放標準。使用先進的發(fā)動機制造技術和柴油氧化型催化器可以達到這個標準。

重型柴油車也有類似趨勢，最困難的一步是達到US07標準。

技術要求

柴油機的發(fā)展?jié)摿h遠高于專家在幾年前所做的預測。

采用柴油機排氣后處理技術，不必在排氣系統(tǒng)里安裝任何其他裝置就可以達到新的排放限值。

但是，同其他燃燒技術一樣，如果要使排氣污染物盡可能地降低為0的話，就要破壞發(fā)動機的其他性能。比如使用高效廢氣再循環(huán)系統(tǒng)減少氮氧化物的排放，就會降低發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

排氣后處理技術可以減少尾氣污染物的排放，因此，發(fā)動機生產(chǎn)商有更大的自由空間開發(fā)更為經(jīng)濟的發(fā)動機。

現(xiàn)在，許多奇特新穎的柴油機排氣控制技術都在研發(fā)之中。

目前用于商業(yè)上的是選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)；柴油顆粒捕集器（DPF/CRT），氧化型催化器以及采用上述技術相結合的綜合治理技術路線，組成不同的模塊。

柴油連續(xù)性再生顆粒捕集系統(tǒng)（CRT），由兩個串連安裝的模塊組成：氧化型催化器在前，陶瓷捕集器在后。

對于US07排氣系統(tǒng)來說，要達到最嚴格的限值可能需要多個模塊。

為了達到US07的排放標準，幾個演示顯示了如何在同一個消聲器里串連安裝硫酸鹽捕集器，氮氧化物捕集器和顆粒捕集器的方法。

就發(fā)動機設計而言，SCR系統(tǒng)給了工程師最大的自由度。

發(fā)動機的經(jīng)濟效率幾乎不受氮氧化物的影響。SCR系統(tǒng)減少氮氧化物排放的同時，發(fā)動機可以在最大效率下工作。

顆粒捕集器是減少顆粒污染物的有效裝置，但它對發(fā)動機的不良工作狀況非常敏感。與其它排氣后處理裝置相比較，它的弊端最大。甚至會造成車輛在行駛過程中短暫的熄火。

如果濾器不能得到及時的再生，則尾氣很容易在捕集器處堵塞。

在芬蘭首都赫爾辛基，數(shù)千輛城市公交車上已經(jīng)淘汰了陶瓷捕集器，因為其背壓過高、油耗太大。

顆粒捕集器嚴重堵塞，有時候機械師不得不用一根金屬桿在捕集器上打個洞以便迅速地重新發(fā)動汽車。

如果汽車處于長時間的低溫怠速環(huán)境下，也會對顆粒捕集器造成損害。 捕集器必須定期維護，如去除碳黑。

柴油氧化型催化器（DOC）

就降低柴油機顆粒污染物排放方面而言，柴油氧化型催化劑是最可靠的。

柴油車尾氣溫度非常低，所以機械和化學的劣化程度幾乎為零。

柴油氧化催化器（DOC）里的載體孔道暢通，所以尾氣可以很順暢地通過孔道。也出現(xiàn)過柴油氧化催化器孔道堵塞的特殊情況，但都與發(fā)動機工作不正常有關。

在過去十年里里，世界各地許多車輛都安裝了柴油氧化型催化器，它被證明是柴油機的經(jīng)濟解決方案。

催化器的免維修性能以及發(fā)動機的壽命是重要的參考指標，對于實行柴油機翻新改造的國家尤為重要。

在排氣系統(tǒng)里安裝柴油氧化催化器是非常容易而快捷的。車輛可以很快就能正常行駛。即使是一個小小的車間都可以完成安裝柴油氧化催化器的任務，而不需要借助其他特殊的工具或電動設備。通常，所需的安裝時間和更換一個排氣管所需時間差不多，甚至還要更短。

顆粒氧化型催化器（POC）

開米拉研發(fā)出了一種新型的柴油氧化型催化器，主要氧化尾氣中的顆粒污染物。這也是它被稱作是顆粒氧化型催化器（POC）的原因。本文件就介紹了顆粒氧化型催化器。

它包括兩個主要部分：一種新型載體EcoCat 和一種新的低溫涂層。

將對兩輛輕型車、兩輛重型車以及一個重型發(fā)動機進行不同的排放測試。

輕型車輛是要達到歐3和歐4排放標準的，重型車輛是要達到歐洲0到歐3標準的。

新型的EcoCat 載體

EcoCat載體是由平板金屬薄片和波紋片卷曲而成，并由凹槽裝置固定，防止互相擠壓疊欠。

該載體的生產(chǎn)可以在一個生產(chǎn)階段中由一條自動生產(chǎn)線完成。除了金屬薄片外不需要其他任何材料。（圖7顯示了EcoCat的簡單結構）

催化器兩半外殼上有凹槽，使得載體與外殼緊密封裝。

EcoCat的生產(chǎn)過程也非常經(jīng)濟，和傳統(tǒng)的銅焊金屬載體相比，EcoCat的生產(chǎn)成本要節(jié)省達30%。

和傳統(tǒng)的直孔通道的載體相比，EcoCat獨特的孔道設計相當好地平衡了背壓損失和氣流傳質、傳熱方面的關系。

圖8通過計算流體動力學CFD模擬該載體孔道氣流的形式。

由于孔道內(nèi)部高低起伏不平，使得在平流層里產(chǎn)生渦旋，這樣就增加了“濕”顆粒對催化器表面沖擊。

聚集起來的顆粒是如何增加背壓損失的（硅碳微粒濾清器vs.傳統(tǒng)的金屬載體催化器 vs. EcoCat載體）。

它們的性能差異很明顯。

在硅碳微粒濾清器中，背壓迅速增加直至過濾器完全堵塞。

而另外兩個催化器，其背壓損失的增加趨于飽和，20個小時后背壓損失增加的速度減慢。

在這個測試里催化器并未堵塞。這表明催化器不必維修，而濾器則需要定期再生。

顆粒氧化型催化器具有同普通柴油氧化型催化器類似的優(yōu)點：免維修，不會堵塞，對顆粒的轉化效率高。

顆粒氧化型催化器的新涂層

除了新型載體外，還需要開發(fā)一種新型的低溫涂層。

新型KDN 1.3 涂層的起燃溫度。

和以前相比，HC 的起燃溫度要低40度，而CO的起燃溫度要低50度。

在低溫下, 新型涂層可以把一部分NO氧化成NO2。

和O2相比，對煤煙微粒，NO2是一種非?；钴S的氧化劑。

好的微粒氧化性能是建立在以下基礎之上的：EcoCat載體在孔道收集“濕”顆粒的能力以及KDN1.3涂層把NO 氧化成NO2的能力。

在這個研究中,顆粒氧化型催化器方案在輕型和重型柴油機上都做了測試，測試結果見下－章。

新型涂層的起燃溫度

新型顆粒氧化型催化器因為綜合了新型的載體和經(jīng)過改良的涂層（KDN1.3）的特點，因此適用于許多種柴油車輛。

圖10顯示了CO 和HC 的起燃溫度（未經(jīng)改良的KD涂層 vs. KDN1.3涂層）。 很明顯在新的KDN1.3里的CO和HC 的起燃溫度要低。

輕型柴油機測試結果

使用POC串聯(lián)系統(tǒng)（0.5升前催 ＋ 1.9升底盤催化器(主催化器)）對2.3升的柴油大篷車進行測試，目標是達到歐4。

測試結果如圖11所示。顆粒物轉化率很高，達到53%，HC和CO 的轉化達75%。

如果增加底盤催化劑鉑含量，就可以使顆粒物的轉化率增加到59%。

最重要的發(fā)現(xiàn)是前催化器的作用尤為重要！顆粒物70％的轉化率都是由前催化器來完成，而且對HC和CO的轉化率達50％－60％。

同樣，我們在2.8升大篷車上也做了類似實驗（滿足歐3標準）。

使用同樣結構的顆粒氧化型催化器，對顆粒物的轉化率要少15％，但CO和HC的轉化率則有一定程度的提高。

顆粒物轉化率之所以不同，也許是因為歐4發(fā)動機里排出的顆粒比歐3發(fā)動機里排出的顆粒小，容易氧化。

我們在保持前催化器不變，而改變底盤催化器貴金屬含量的基礎上做了同樣的測試。

當鉑和鉛的比為1：1時，測試結果很有趣。我們還需要做更多的測試研究。

9b. 貴金屬含量的影響

把底盤催化器鉑含量從70克/立方英尺 增加到120克/立方英尺，顆粒物轉化率減少8%。

可能是在顆粒氧化型催化器里形成了硫酸鹽。

該測試中柴油里的硫含量低于50ppm.。加上銀后顆粒轉化率更加糟糕。

10．重型柴油機測試結果

10a. 催化器的體積

分別使用三個不同的雙床催化器在6.9升的重型柴油機（滿足歐3標準）上進行測試。

表格1顯示了測試樣品的參數(shù)。

測試包括三個穩(wěn)態(tài)循環(huán)，其中排放污染物用g/kw.h表示。

表格2是歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)測試結果

轉化器的尺寸并不是最關鍵的。最小的催化器在低溫循環(huán)條件下轉化效率最高，而最大的催化器在高溫時轉化效果最好。

最小的催化器的平均轉化率是29%。轉化率之所以這么低很明顯是因為NO2形成率低。另一個催化器的影響可以忽略不計。

對達到歐洲0標準的車輛進行測試

對兩輛歐0車輛進行了測試以便進行翻新改造：一個是14升重型載貨車，一輛是1986年產(chǎn)6升貨車。

在底盤測功機上，使用Braunschweig循環(huán)以勻速72千米/小時進行測試。

柴油中硫含量為51ppm。

用于測試的EcoCat催化器參數(shù)如下： 350目 ；鉑，40克/立方英尺。

6升貨車上安裝的是2.3升催化器而14升重型貨車上安裝的是7.9升催化器。

測試結果表明HC 和CO 的轉化率很高。同時，微粒的轉化率也很高，主要因為微粒中液態(tài)可揮發(fā)性有機物（VOF）含量高。

結論

n 測試結果表明顆粒氧化型催化器對PM的轉化率達60%（滿足歐0 ―歐4的輕型和中型車）。

歐0車輛排出的微粒中VOF的含量很高，這也說明了顆粒轉化率高的原因。

而歐4車輛排出的微粒又干又小，其結構和前者不同，因此，歐4車輛的顆粒轉化率同樣能夠很高。

而對歐3發(fā)動機的測試結果表明其轉化率低于歐0和歐4的發(fā)動機。

n HC 和CO 的轉化率很高，甚至超過了90%。

n 柴油中硫含不得超過百萬分之五十（50ppm）。

n 催化器的尺寸不會對顆粒物的轉化產(chǎn)生影響，前催化器的體積雖然小，但對顆粒物的轉化率也很高。

n 可以看出在對無催化劑但有涂層的轉化器進行的堵塞測試中，催化器的前部捕集了大部分的微粒。對雙床催化器的測試也得出同樣的結果。

即使第一層催化器只占整個催化器體積的五分之一，它仍然可以轉化掉大部分的顆粒。 在較大的催化器系統(tǒng)里，測試發(fā)現(xiàn)第二層催化器很干凈。

理論上來講是催化器只能捕集“濕”顆粒（VOF的含量大約20%或更多）。

當顆粒物聚集在第一層催化器或較大的催化器前部時，大部分的VOF被氧化，但是不能捕集到顆粒物， 因為帶有NO2的顆粒的氧化過程很慢，NO2無法使尾氣中的顆粒燃燒。

要提高顆粒氧化型催化器的轉化效率，應該著重提高催化器入口部的轉化效率。在進一步研究時，要考慮以下幾個參數(shù)：

- ·橫截面

- ·貴金屬含量

- ·目數(shù)

- ·涂層結構

- 此次研究表明與柴油連續(xù)性再生捕集器（CRT）一樣的功能不能在顆粒粒氧化型催化器中得到發(fā)揮。雙床催化器的第二層不能起到微粒濾清器的作用。

- 可以預測將來如果改進了燃油噴射系統(tǒng)，顆粒會更小。 這意味著氧化型催化器將更容易燃燒顆粒，那么在解決柴油機顆粒物排放方面，氧化型催化器會成為更加具有競爭力的選擇之一。

- 顆粒轉化率的高低和鉑的含量以及涂層配方有關。同時要求NO2的含量高。 采用顆粒氧化型催化器可以達到歐洲4號標準。