柴油机用颗粒氧化型催化器（POC）

xiaokeyizu

1．        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。

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2．        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20%上升到了40%。
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%。

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3．        排放法规
欧洲和日本计划在2004年和2005年达到更高的排放标准。使用先进的发动机制造技术和柴油氧化型催化器可以达到这个标准。
重型柴油车也有类似趋势，最困难的一步是达到US07标准。

4．        技术要求
柴油机的发展潜力远远高于专家在几年前所做的预测。
采用柴油机排气后处理技术，不必在排气系统里安装任何其他装置就可以达到新的排放限值。
但是，同其他燃烧技术一样，如果要使排气污染物尽可能地降低为0的话，就要破坏发动机的其他性能。比如使用高效废气再循环系统减少氮氧化物的排放，就会降低发动机的燃油经济性。

排气后处理技术可以减少尾气污染物的排放，因此，发动机生产商有更大的自由空间开发更为经济的发动机。  
现在，许多奇特新颖的柴油机排气控制技术都在研发之中。
目前用于商业上的是选择性催化还原（SCR）系统；柴油颗粒捕集器（DPF/CRT），氧化型催化器以及采用上述技术相结合的综合治理技术路线，组成不同的模块。
柴油连续性再生颗粒捕集系统（CRT），由两个串连安装的模块组成：氧化型催化器在前，陶瓷捕集器在后。
对于US07排气系统来说，要达到最严格的限值可能需要多个模块。
为了达到US07的排放标准，几个演示显示了如何在同一个消声器里串连安装硫酸盐捕集器，氮氧化物捕集器和颗粒捕集器的方法。

就发动机设计而言，SCR系统给了工程师最大的自由度。
发动机的经济效率几乎不受氮氧化物的影响。SCR系统减少氮氧化物排放的同时，发动机可以在最大效率下工作。

颗粒捕集器是减少颗粒污染物的有效装置，但它对发动机的不良工作状况非常敏感。与其它排气后处理装置相比较，它的弊端最大。甚至会造成车辆在行驶过程中短暂的熄火。
如果滤器不能得到及时的再生，则尾气很容易在捕集器处堵塞。
在芬兰首都赫尔辛基，数千辆城市公交车上已经淘汰了陶瓷捕集器，因为其背压过高、油耗太大。
颗粒捕集器严重堵塞，有时候机械师不得不用一根金属杆在捕集器上打个洞以便迅速地重新发动汽车。
如果汽车处于长时间的低温怠速环境下，也会对颗粒捕集器造成损害。 捕集器必须定期维护，如去除碳黑。

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5．        柴油氧化型催化器（DOC）

就降低柴油机颗粒污染物排放方面而言，柴油氧化型催化剂是最可靠的。
柴油车尾气温度非常低，所以机械和化学的劣化程度几乎为零。
柴油氧化催化器（DOC）里的载体孔道畅通，所以尾气可以很顺畅地通过孔道。也出现过柴油氧化催化器孔道堵塞的特殊情况，但都与发动机工作不正常有关。
在过去十年里里，世界各地许多车辆都安装了柴油氧化型催化器，它被证明是柴油机的经济解决方案。
催化器的免维修性能以及发动机的寿命是重要的参考指标，对于实行柴油机翻新改造的国家尤为重要。
在排气系统里安装柴油氧化催化器是非常容易而快捷的。车辆可以很快就能正常行驶。即使是一个小小的车间都可以完成安装柴油氧化催化器的任务，而不需要借助其他特殊的工具或电动设备。通常，所需的安装时间和更换一个排气管所需时间差不多，甚至还要更短。

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试验  
6．        颗粒氧化型催化器（POC）
开米拉研发出了一种新型的柴油氧化型催化器，主要氧化尾气中的颗粒污染物。这也是它被称作是颗粒氧化型催化器（POC）的原因。本文件就介绍了颗粒氧化型催化器。
它包括两个主要部分：一种新型载体EcoCat 和一种新的低温涂层。
将对两辆轻型车、两辆重型车以及一个重型发动机进行不同的排放测试。
轻型车辆是要达到欧3和欧4排放标准的，重型车辆是要达到欧洲0到欧3标准的。

6.1 新型的EcoCat 载体
EcoCat载体是由平板金属薄片和波纹片卷曲而成，并由凹槽装置固定，防止互相挤压叠欠。
该载体的生产可以在一个生产阶段中由一条自动生产线完成。除了金属薄片外不需要其他任何材料。（图7显示了EcoCat的简单结构）
催化器两半外壳上有凹槽，使得载体与外壳紧密封装。
EcoCat的生产过程也非常经济，和传统的铜焊金属载体相比，EcoCat的生产成本要节省达30%。
和传统的直孔通道的载体相比，EcoCat独特的孔道设计相当好地平衡了背压损失和气流传质、传热方面的关系。
图8通过计算流体动力学CFD模拟该载体孔道气流的形式。
由于孔道内部高低起伏不平，使得在平流层里产生涡旋，这样就增加了“湿”颗粒对催化器表面冲击。

聚集起来的颗粒是如何增加背压损失的（硅碳微粒滤清器vs.传统的金属载体催化器 vs.  EcoCat载体）。
它们的性能差异很明显。
在硅碳微粒滤清器中，背压迅速增加直至过滤器完全堵塞。
而另外两个催化器，其背压损失的增加趋于饱和，20个小时后背压损失增加的速度减慢。
在这个测试里催化器并未堵塞。这表明催化器不必维修，而滤器则需要定期再生。
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。

8．        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。

9．        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50％－60％。

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。

9b. 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。
10．重型柴油机测试结果
10a. 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。

对达到欧洲0标准的车辆进行测试
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。

11．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能起到微粒滤清器的作用。
-        可以预测将来如果改进了燃油喷射系统，颗粒会更小。 这意味着氧化型催化器将更容易燃烧颗粒，那么在解决柴油机颗粒物排放方面，氧化型催化器会成为更加具有竞争力的选择之一。
-        颗粒转化率的高低和铂的含量以及涂层配方有关。同时要求NO2的含量高。 采用颗粒氧化型催化器可以达到欧洲4号标准。

uly0011

学习之，非常感谢！

旂朩鉲鉲徆

学习了，非常好。
有以下几个问题请教楼主：
    1、为什么要做成POC串联系统？  比如上面说的2.4升的 为什么要做成前0.9+底盘的1.5，而不是就一个2.4升的
    2、如何根据发动机排量确定催化器升数，文中提到的6升排量的用的是2.3  14升的用的则是7.9的？

V5的心

那POC的再生是怎么实现的（已知POC已堵，前后压差超过限值并产生动力不足）

kgumvj

POC 通常只能依靠被动再生
捕集效率不如DPF.  

|锟斤拷锟斤拷锟

谁有POC颗粒氧化催化转化器的图

463159426

xiaokeyizu 发表于 31-5-2009 15:33
5．        柴油氧化型催化器（DOC）

就降低柴油机颗粒污染物排放方面而言，柴油氧化型催化剂是最可靠的。

楼主，你好。有没有DOC市场分析报告。急求！！！！！！

yangmanlotus

楼主，图呢???

573765027

poc现在正规过排放上公告都不让用了

573765027

V5的心 发表于 25-10-2011 12:26
那POC的再生是怎么实现的（已知POC已堵，前后压差超过限值并产生动力不足）

poc不能不主动再生，现在国家已经不给上公告了，poc也不准卖。准确的说poc是钻空子，他捕集颗粒，但是不能主动燃烧颗粒，导致城郊工况出现一两千公里会猛地喷出一股浓烟，如果一直跑高速时没有感觉的，排气流量大直接吹走的，就怕一直城郊工况就不行了