柴油机用颗粒氧化型催化器.doc

柴油机用颗粒氧化型催化器（POC）一、摘要与汽油车不同的是，只有少数新型柴油车采用了排气后处理技术。车用柴油机生产企业一直是通过改进发动机及其控制系统来满足尾气排放标准的。世界通行的新排放标准迫使车用柴油机生产企业采用排气后处理技术。柴油车排气后处理系统比汽油车的复杂很多。最难的部分是在低温稀燃环境下同时减少微粒和氮氧化物的排放。采用柴油机稀燃除氮氧化物催化器和柴油机微粒滤清器在内的排气后处理技术可以达到最佳效果。这种技术虽然现在已经存在，但很昂贵。 大多数情况下，使用先进的柴油氧化型催化器可以达到即将实行的欧4标准。本章介绍了一种新型的颗粒氧化型催化器POC，其新增的特点是颗粒燃烧。该颗粒氧化型催化器由一个新型的低温涂层和一种称作ECOCAT的金属载体构成。它可以减少60%的颗粒物, 同时，对HC和CO转化率达80%-90%。已经在几个轻型和重型发动机和由该类型发动机驱动的车辆上（达到欧洲0号到4标准的发动机）进行了测试。该方案的最大优点是价格相对便宜，不必维护。但要求柴油中硫含量低。二、导言在把化学能转化为机械能方面，柴油机的热效率显然要高于其他内燃机。柴油的高热效率以及良好的机械耐久性能保证了在为新型车选择一种先进的动力设备时，柴油机应当是首选。柴油机在欧洲的市场份额很快就翻了一番。 在德国，五年内所占比例从近年来，柴油发动机长足发展。西方国家逐渐淘汰了冒着黑烟的卡车，而柴油发动机越来越广泛地应用于新型环保型旅行车。可见黑烟的问题解决了，但小颗粒物成为了关注的焦点。当研究出新的测量技术来分析这些微粒并逐渐加深它们对人类影响的了解以后，颗粒污染物就成为在车辆高度集中的城市里最大的污染源。柴油发动机的正常排气情况是：稀燃，排气温度低。柴油机排气情况和汽油机排气情况有很大的区别，同样，排气后处理系统不一定同时适用于汽油机和柴油机。总的来说，对于先进的柴油机，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颗粒污染物。柴油氧化型催化器的特点是减少HC，CO ，显著降低颗粒物的排放，氮氧化物平均可以减少10%-15%。三、排放法规颗粒氧化型催化器具有同普通柴油氧化型催化器类似的优点：免维修，不会堵塞，对颗粒的转化效率高。颗粒氧化型催化器的新涂层除了新型载体外，还需要开发一种新型的低温涂层。新型KDN 1.3 涂层的起燃温度。和以前相比，HC 的起燃温度要低40度，而CO的起燃温度要低50度。在低温下, 新型涂层可以把一部分NO氧化成NO2。和O2相比，对煤烟微粒，NO2是一种非常活跃的氧化剂。好的微粒氧化性能是建立在以下基础之上的：EcoCat载体在孔道收集“湿”颗粒的能力以及KDN1.3涂层把NO 氧化成NO2的能力。 在这个研究中,颗粒氧化型催化器方案在轻型和重型柴油机上都做了测试，测试结果见下章。八、新型涂层的起燃温度 新型颗粒氧化型催化器因为综合了新型的载体和经过改良的涂层（KDN1.3）的特点，因此适用于许多种柴油车辆。图10显示了CO 和HC 的起燃温度（未经改良的KD涂层 vs. KDN1.3涂层）。 很明显在新的KDN1.3里的CO和HC 的起燃温度要低。 九、轻型柴油机测试结果使用POC串联系统（0.5升前催 1.9升底盘催化器(主催化器)）对2.3升的柴油大篷车进行测试，目标是达到欧4。测试结果如图11所示。颗粒物转化率很高，达到53%，HC和CO 的转化达75%。如果增加底盘催化剂铂含量，就可以使颗粒物的转化率增加到59%。最重要的发现是前催化器的作用尤为重要！颗粒物70的转化率都是由前催化器来完成，而且对HC和CO的转化率达5060。同样，我们在2.8升大篷车上也做了类似实验（满足欧3标准）。使用同样结构的颗粒氧化型催化器，对颗粒物的转化率要少15，但CO和HC的转化率则有一定程度的提高。颗粒物转化率之所以不同，也许是因为欧4发动机里排出的颗粒比欧3发动机里排出的颗粒小，容易氧化。我们在保持前催化器不变，而改变底盘催化器贵金属含量的基础上做了同样的测试。当铂和铅的比为1：1时，测试结果很有趣。我们还需要做更多的测试研究。 贵金属含量的影响把底盘催化器铂含量从70克/立方英尺 增加到120克/立方英尺，颗粒物转化率减少8%。可能是在颗粒氧化型催化器里形成了硫酸盐。该测试中柴油里的硫含量低于50ppm.。加上银后颗粒转化率更加糟糕。 十、重型柴油机测试结果催化器的体积分别使用三个不同的双床催化器在6.9升的重型柴油机（满足欧3标准）上进行测试。表格1显示了测试样品的参数。测试包括三个稳态循环，其中排放污染物用g/kw.h表示。表格2是欧洲稳态循环测试结果转化器的尺寸并不是最关键的。最小的催化器在低温循环条件下转化效率最高，而最大的催化器在高温时转化效果最好。最小的催化器的平均转化率是29%。转化率之所以这么低很明显是因为NO2形成率低。另一个催化器的影响可以忽略不计。对两辆欧0车辆进行了测试以便进行翻新改造：一个是14升重型载货车，一辆是1986年产6升货车。 在底盘测功机上，使用Braunschweig循环以匀速72千米/小时进行测试。 柴油中硫含量为51ppm。用于测试的EcoCat催化器参数如下： 350目 ；铂，40克/立方英尺。6升货车上安装的是2.3升催化器而14升重型货车上安装的是7.9升催化器。测试结果表明HC 和CO 的转化率很高。同时，微粒的转化率也很高，主要因为微粒中液态可挥发性有机物（VOF）含量高。十一、结论测试结果表明颗粒氧化型催化器对PM的转化率达60%（满足欧0 欧4的轻型和中型车）。欧0车辆排出的微粒中VOF的含量很高，这也说明了颗粒转化率高的原因。而欧4车辆排出的微粒又干又小，其结构和前者不同，因此，欧4车辆的颗粒转化率同样能够很高。而对欧3发动机的测试结果表明其转化率低于欧0和欧4的发动机。HC 和CO 的转化率很高，甚至超过了90%。柴油中硫含不得超过百万分之五十（50ppm）。催化器的尺寸不会对颗粒物的转化产生影响，前催化器的体积虽然小，但对颗粒物的转化率也很高。可以看出在对无催化剂但有涂层的转化器进行的堵塞测试中，催化器的前部捕集了大部分的微粒。对双床催化器的测试也得出同样的结果。即使第一层催化器只占整个催化器体积的五分之一，它仍然可以转化掉大部分的颗粒。 在较大的催化器系统里，测试发现第二层催化器很干净。 理论上来讲是催化器只能捕集“湿”颗粒（VOF的含量大约20%或更多）。 当颗粒物聚集在第一层催化器或较大的催化器前部时，大部分的VOF被氧化，但是不能捕集到颗粒物， 因为带有NO2的颗粒的氧化过程很慢，NO2无法使尾气中的颗粒燃烧。要提高颗粒氧化型催化器的转化效率，应该着重提高催化器入口部的转化效率。在进一步研究时，要考虑以下几个参数：横截面 贵金属含量 目数 涂层结构此次研究表明与柴油连续性再生捕集器（CRT）一样的功能不能在颗粒粒氧化型催化器中得到发挥。双床催化器的第二层不