105柴油排氣後處理減少微粒排放
排氣後處理以減少顆粒物已經發展了大約20年，稱為煙灰捕集器或柴油微粒過濾器的微粒保留裝置通常稱為DPF。本文回顧了DPF技術在現有車輛（改裝）或新車上的應用(原始設備)。檢查DPF系統的性能。
使用乘用車測試了三個被動DPF系統：
- 具有催化表面的DPF（CSF）
- CSF與燃料催化劑（FBC）結合
- 使用FBC的無塗層DPF
這三種系統都具有再生的潛力，但僅用CSF的DPF低溫再生能力差，會產生過多的煙灰堆積。
關鍵詞：污染、發動機燃燒 /柴油發動機尾氣後處理、顆粒排放、顆粒捕集器、燃料催化劑
1.引言
DPF排氣後處理系統已經證明這種捕獲煙塵顆粒的技術非常有效，保留高達99％的固體顆粒材料在DPF中。由於排氣背壓增加，被困的煙灰必須定期燒掉（再生）以讓車輛繼續維持運作。自20世紀80年代初以來，已經測試過各種不同的再生方法，這些包括：
- 電加熱器（車輛上裝載或遠程供電）
- 燃燒器系統
- 具有切換批次的雙DPF再生系統
- 連續再生捕集（強生万豐 CRT™系統）
- 具有催化表面的DPF（催化煙灰過濾器或CSF）
- 使用金屬基燃料添加劑（燃料催化劑或FBC）
捕獲的煙灰，在沒有催化劑的情況下，需要約600℃的排氣溫度才能被燃燒掉，所以，電加熱器和燃燒器系統需要輸入很大的能量得以確保再生。如果這二種DPF再生方法在車輛上執行，會導致相當大的油料損耗。雖然可以排除在車輛上執行再生而導致燃油經濟性不利的因素，但DPF 在再生之前被移除，該車輛將無法操作直到再生完成為止。該系統已成功使用在堆高機上，經過一夜，拔起來的DPF可以再生。帶有轉換閥的雙DPF系統已經完成開發，不需拆除過濾器去做再生。但是，這些系統有重量，複雜性和高成本的問題，且再生的過程也會產生顯著的燃油消耗。
使用某種形式的催化劑輔助，可大大降低過濾器再生的溫度。在一項獨立研究中， Herzog（1）比較了不同系統和純碳的平衡溫度（煙灰累積率等於燃盡率和背壓保持不變的溫度），有CRT™，CSF和兩種FBC的類型。結果指出平衡溫度如下：
- 純碳600度
- 以鈰為基礎的FBC約380度
- CSF 約350度
- CRT™ 約305度
- 以鐵為基礎的FBC 約290度
CRT™和CSF都使用催化劑來輔助再生。CRT™將NO轉化為NO2，NO2在煤煙燃燒過程中將碳氧化，而CSF在DPF的表面上使用富含鉑(platinum)的催化劑去做DPF再生。兩種類型DPF的實際經驗顯示-在密集的城市交通中使用會導致煙灰堵塞，並可能損壞陶瓷DPF，因為氣體溫度太低而不允許再生。這兩種設備都沒有辦法很好地恢復，因為積累了大量沒有被催化燃燒的煙灰。赫爾佐格表示CRT和CSF兩者都有受到燃料中硫的不利影響，它們都要求燃料中的硫含量需低於30ppm，但在現實中這可能是一個重要的限制因素，因為滿足這種最大硫含量的燃料不是隨處可得的。
燃料催化劑則不會受到任何明顯影響，不論是燃料中的硫含量，或操作時的排氣溫度。含有合適金屬催化劑的燃料，其燃燒導致金屬氧化物在其中緊密混合分子與煙塵顆粒，使每個煙灰顆粒產生它自己的催化劑，這解釋了允許高含硫的燃料和DPF中的煙灰累積。一旦溫度達到300-350度範圍內，累積的煙灰會迅速燒掉。車輛測試數據表示，通常2-3分鐘就會燒光，即使積累了煙灰負擔達到15-20克/公升的DPF體積。
CRT™和CSF系統已被採用在重載（HD）改造的應用，CRT™更被運用在一些重載的原廠配備中。成功的應用與能否長期運作通常受限於適當的工作週期和非常低的燃料硫含量。CRT™和CSF系統的改造應用，一般是不用在輕載型車輛上的，因為通常被認為是不可行。但是，FBC系統已大量的使用於改造應用，包括輕型車輛，小型街道清潔車輛，堆高機，城市公交車，送貨卡車，垃圾車和越野施工車輛和採礦設備。FBC系統也成功應用於載客車輛作為原裝新車配備（OE）。OE系統不使用被動DPF，但通常使用發動機管理系統來提供閉環控制。閉環技術，通常是使用共軌噴射系統額外的注油，以提高排氣溫度來控制再生。
2.測試工作
改造碳化矽（SiC）DPF系統使用了鐵-鍶FBC-稱為Octel Octimax 4804，在1996年採用福斯 GOLF TDI乘客車進行了長達80,000公里的長期試驗，燃料硫含量為430ppm，該車使用的是被動式DPF，依賴添加量20mg / kg的金屬基燃料添加劑(鐵-鍶FBC)來實現再生。盡管在各種駕駛模式下，系統仍然能夠持續成功再生。但是，再生之前卻經歷因煙灰累積的高排氣背壓，如圖1，顯示怠速排氣背壓的變化，從累計距離超過3000公里的地方可以清楚看到，積累的煙塵和相應的背壓增加以及週期性的DPF再生。雖然沒有造成實際傷害，但是圖1中所示，煙灰累積的高背壓會產生燃油的消耗。
第二輛車上的被動式SiC DPF具有鉑(platinum)塗層，即催化煙灰過濾器（CSF），將它與鐵-鍶FBC做組合操作，在燃油中加入20mg / kg比例的金屬基燃料催化劑(鐵-鍶FBC)。測試車使用的是1999年的標致406，裝有2升共軌噴射系統的渦輪柴油引擎。這輛車的表現非常出色，顯現出與福斯GOLF TDI非常不同的排氣壓力模式，如圖2所示。
圖2顯示了怠速排氣背壓的變化，累計距離超過3000公里。FBC和CSF的組合操作與FBC單獨在被動式DPF中相比，前者提供了更好的排氣系統壓力特性，而且再生之前的煙灰累積情況，也比只有單獨使用FBC似乎要小得多了。同樣，汽車在高速道路上行駛時，CSF加FBC的組合會產生更大比例的連續再生。相信一些協同作用是由於FBC加CSF的組合的關係，但仍希望深入研究這一點，因此，第二輛標致406乘客車，一樣配有2升共軌噴射的渦輪增壓柴油引擎，採用被動式SiC DPF進行CSF改造。這款單獨只配置CSF的標緻406乘客車，主要是在城市中駕駛，發動機轉速很低，以確保平均排氣溫度保持在200℃，但仍發生了高於400℃的短期偏差。在此期間，排氣壓力穩步上升至400-450毫巴，顯示CSF內的煙灰累積，如3圖所示:
在此期間沒有顯現出再生的證據. 然後，讓車輛在高速公路上高速行駛，允許平均排氣溫度上升到300-350度，短期偏移超過500度。雖然這個階段的運作持續了幾個小時，但壓力只是緩慢下降，並沒有降低到一個水平，這表示並沒有完全燃燒煙灰。進一步限制之後，平均排氣溫度在200到250之間，背壓恢復到350-400mbar的水平，代表DPF有顯著的煙灰負擔。在圖3中顯示了前DPF壓力和前DPF的溫度，超過1小時操作，紀錄壓力和溫度的平均值，顯示在圖3的上半部和下半部的暗黑線。
以圖3中單獨僅使用CSF的車輛為基礎，將鐵基的FBC混入燃料中，添加量10mg / kg，讓車子高速運轉一小段時間使排氣溫度提高，確保可以完全燃燒被困的煤煙。再次監測使用CSF與FBC結合的車輛在溫度和壓力變化的過程。
一開始，汽車再次行駛在城市的環境中以確保低排氣溫度。由於單獨僅使用CSF，積累的煙塵使DPF背壓開始上升，如圖4所示，該圖也顯示前DPF壓力和前DPF溫度變化的平均值與圖3所顯示的結果相同。
大約經過15小時，平均排氣溫度在200到250度之間，但只要迅速產生超過400度C的溫度就足夠燒掉DPF中的煙灰，這種又快又完全的再生是在CSF與FBC結合中產生，這個結果顯示了單獨的CSF以及FBC與CSF組合之間實質上的不同。單獨僅用CSF，煙灰因為低溫操作積聚在過濾器中，並覆蓋催化劑表面，當發生這種情況時，表面催化劑的降低煙灰燃盡溫度的能力嚴重受損，煙灰燒壞變得很慢，因此，再生也變得更加難以實現. 長期單獨使用CSF是不可行的，因為大量的煙灰累積會導致DPF堵塞或嚴重放熱所引發的熱損害。 在CSF和FBC結合的情況下，由於使用FBC，捕集在DPF中的每個煙灰顆粒內都含有氧化鐵催化劑，因這個重要的因素，即使低速行駛和低排氣溫度導致煙灰累積，也能產生快速再生的效果 - 一旦排氣溫度短暫上升到一個合理水平，即可快速再生。使用組合的CSF和FBC的後續操作，在200-320℃的適度排氣溫度下，背壓沒有顯著的增加，如圖4所示。
3.長期測試
在圖3和圖4所示的初始結果之後，標致406測試車繼續運行FBC與CSF的組合，長達50,000公里的測試。累積煙煤的燃燒結果是可靠和一致的。
圖5顯示了安裝在測試車上的記錄儀的數據，追踪顯示最近的再生事件，即 從操作當天的大約17.40（2002年3月8日）發生的放熱中可以看出這一點。後DPF 溫度跡線顯然上升到前DPF溫度跡線的水平以上，而前DPF壓力在17.39和17.40之間迅速下降，雖然此時車輛和發動機的速度都在增加。這事件的組合提供了再生的典型的跡象。如跡線上17:36處所示，再生之前的怠速背壓是低的，然而，再生前的峰值壓力快速地到達約525毫巴。在快速再生事件之後得知，車速在50-100km /h範圍內，背壓通常小於 50mbar， 除了一個大約100mbar的峰值，它剛好對應了一個加速事件。
利用在燃料中僅添加10mg / kg金屬基燃料催化劑來顯示被動CSF和FBC之間的協同作用，並與先前僅單獨使用FBC(處理率為20mg / kg) 的福斯Golf TDI測試車的經驗相比，檢視圖4和圖5中的背壓模式，顯示了CSF和FBC組合的平均背壓非常低，從而消除了在高背壓下燃料消耗增加的擔憂。另外，在燃料中僅使用10mg / kg FBC和CSF的組合與單獨使用20mg / kg FBC操作的車輛相比，前者可減少長期的煙灰積累. 這種組合也可以用於OE應用，必要時，發動機管理控制系統可實現再生，以優化系統的背壓。若單獨僅使用CSF，需利用後燃料噴射以達到高排氣溫度來進行再生，卻因燃料在後段的工作週期引進使得燃燒不良，導致油稀釋的問題產生。通過CSF和FBC的組合，其中的FBC可加快再生速度，因此，可以消除該問題，或者可以非常顯著地減小該問題。
4.總結和結論
1.以配備有被動DPF排氣後處理系統的不同柴油乘用車進行測試。用以下方法協助DPF再生評估：
- 以鐵為基礎的燃料催化劑- FBC，處理率為20ppm金屬
- 單獨使用催化煙灰過濾器- CSF
- 催化煙灰過濾器- CSF與FBC結合使用
所有測試的乘用車都採用渦輪增壓直噴設計。經測試的兩輛標致406汽車配備了共軌噴射系統。
2.福斯GOLF TDI使用以鐵為基礎的FBC，處理率為20ppm，在運行80,000km的過程中確實可將煙灰燃盡，但是，DPF再生之前會經歷因煙灰累積所產生的高排氣背壓。
3. 單獨只使用CSF的標致406測試車顯示:在城市駕駛時，因煙煤累積覆蓋催化劑層，導致嚴重的背壓增加。高速公路長時間運行會產生高達500度的排氣溫度，但是煙灰燒壞速度非常緩慢，要經過幾個小時的高速駕駛才會部分完成再生。結論是CSF單獨使用在輕型車輛上，並不會有令人滿意的長期結果，最終可能因為CSF在再生過程中的嚴重放熱而導致DPF壞損。
4. 配備CSF的標致406與FBC相結合處理率為20ppm，表現出更低的系統背壓。有證據顯示:在高速公路駕駛中有大量連續再生的時期。
5. 配備CSF和FBC組合的試驗車，處理率為10ppm，在長時間的城市駕駛中，DPF累積了煙塵，當達到較高的排氣溫度時，FBC會使煙煤燃燒，而排氣溫度在400度以上，更會加速煙煤的燃燒。
6. 配備CSF和FBC組合的測試車，處理率10ppm，運行超過50,000km，結果如下：
- 當排氣溫度達到400-450度時，有一致且可靠的再生;
- 與單獨僅使用FBC操作的車輛相比，CSF和FBC的組合在再生前的背壓保持在中等水平;
- 再生後背壓很低，並將煙灰完全燒壞;
- 即便降低FBC的使用量，與單獨僅使用FBC的操作相比，前者煙煤累積的量還是會比較少
5.參考文獻
1. Herzog P L，排氣後處理技術
HSDI柴油發動機，Porto Cervo Special 1，ATA vol
2000年10月/ 11月第53號，第11/12號
2.Richards P J，Vincent M W和Cook S L，配備顆粒過濾器和使用燃料添加劑的柴油車的再生運行經驗，Warrendale，SAE文件號2000-01-0474
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4. Vincent M W和Richards P J，組合式柴油機微粒過濾器和長距離道路試驗燃料添加劑，Warrendale，SAE文件號2000-01-2849