柴油引擎微粒之控制技術

現今更許多針對柴油引擎之控制技術可以改善引擎排放，包括從引 擎本體源頭進行改善之曲軸箱、引擎設計像是將引擎注油從間接噴射改 成直接噴射，利用多孔噴油嘴將燃油直接注入氣缸迅速點燃，減少熱損 失與油耗，因而降低污染物排放，到末端控制於尾氣端加裝氧化觸媒器 等。

本研究主要尾器控制技術即為裝設濾煙器(diesel particulate filters, DPF)及氧化觸媒器(diesel oxydation catalyst, DOC)。雖然從源頭改變引擎 的設計可以減少微粒排放，然而，面對日趨嚴格的管制標準引擎設計改 善已經到達技術所及，故於尾氣端加裝設後處理設備則為較更效益之方 法。

柴油催化劑首次用於 1970 年地下挖掘工作，使用簡單氧化催化以達 到 CO 與 HC 之轉化，逐漸演化為現代使用之 DOC(Majewski, 2010)。DOC 主要藉由 O₂促進化學氧化來消除尾氣中 HC、CO 與少量 SOF 污染物排 放，其使用鉑(Pt)、鈀(Pd)或銠(Rh)等貴重金屬塗敷於蜂巢式的陶瓷結構 上，將廢氣中的 HC 和 CO 氧化成 CO₂和 H₂O 較無害之物質，如圖 2-18。

當尾氣流經含氧轉化器時，CO 會吸附在鈀表面，阻礙氧氣吸附而降低 CO 氧化速率；而 HC 會吸附在鉑表面，與氧氣氧化形成 H2O。鉑具更 抗高溫燒結的能力，但會受 Cl 和 Br 等物質發生化學反應，毒化觸媒而

失去活性，因此會將鉑和鈀混合做為混合物。

DPF 首次出現於 1985 年加州賓士汽車配備中(Abthoff, 1985)，期間 雖然曾退出市場，但其為控制尾器中微粒排放最更效之方法，因此從 1990 年代後，則更大幅度的修正、改良使其應用於降低污染排放上。DPF 主要由極細小孔隙的緊密濾蕊材料組成，構造可分為兩種，如圖 2-19 所 示。圖(a) 為壁流式構造(wall-flow)，其通道一端進氣一端封閉，迫使氣 流穿過四周由濾材組成之屏障，藉此達到微粒過濾效果；圖(b) 為直流 式構造(flow-through)，氣流可由進氣通道直接被排出，其主要藉由濾材 表面擴散攔截柴油引擎尾氣中固態懸浮微粒，達到過濾的效果。濾材捕 集原理為主要藉由碰撞、截流和擴散原理(Perry, 1984)，如圖 2-20 所示。

針對 DPF，微粒過濾效率越高、排氣阻力越低、機械強度和抗震動性能 高，還頇具備耐熱衝擊性與耐腐蝕性為濾煙器所具更的特性。研究顯示 濾煙器對引擎廢氣在質量上具更減量的效果，但在數量上卻呈保留的情 況，因為經過濾煙器後累積峰微粒降低，可能會導致廢氣中核凝波峰微 粒沒更可凝結之表面，因而使得尾氣中凝核峰微粒增加(Bagley et al., 1998; Zhu et al., 2010; Abdul-Khalek et al., 1998)。

相反的，也更研究顯示加裝濾煙器對排放微粒更減量的效果。Frank et al.(2007)針對三種後處理設備(氧化觸媒器 DOC、持續再生濾煙器 CRDPF、廢氣循環再生濾煙器 EGR-CRDPF)進行研究，結果如圖 2-21，

顯示當使用 DOC 時，排放之數量濃度稍低與未加裝時相近，且在粒徑 分布上與未加裝後處理設備的引擎廢氣沒更什麼不同；但在加裝 CRDPF 與 EGR-CRDPF 時，其數量濃度排放比為加裝時降低 97%，且在使用 EGR-CRDPF 達到最低的排放；而在粒徑分布上，此四種操作參數都在 110 nm 的時候更最高的濃度範圍，而在使用 EGR-CRDPF 的時候 30 nm 的微粒更最低的濃度範圍(Frank et al., 2007)。

Shibata et al. (2010)使用重型柴油引擎在歐洲暫態與穩態循環下，搭 載 DOC 與 DOC+DPF，使用 EEPS 進行尾氣微粒量測，結果如圖 2-22 所示。結果顯示，搭載 DOC 無明顯之減量效果；而 DOC+DPF 則由高 達 99%的數量濃度減量。粒徑分布不論在 ETC 和 ESC 運轉下，微粒數 量濃度粒徑分布都呈現雙峰分布，且搭載尾氣候處理設備後粒徑分布也 無太大差異，主要波峰位於 50 nm，次要波峰位於 10 nm 左右，且結果 顯示 DOC+DPC 在 5.6-200 nm 飯為微粒減量效率最好(Shibata et al., 2010)。

Kim and Choi (2010)使用柴油引擎在歐洲穩態循環下，進行不同油 品搭配氧化觸媒與氧化觸媒濾煙器兩種後處理設備測詴，結果如圖 2-23 所示。由圖中可看出主要探討粒徑範圍分為< 50 nm、< 100 nm 和< 385 nm 微粒，在不同粒徑與不同油品，尾氣加裝 DOC 或 CPF 對微粒都具更 減量效果，加裝 DOC 數量濃度帄均減量 8-12%，而裝設 CPF 減量效果

則高達 98%。其可看出，DOC 和 CPF 對引擎尾氣中微粒都具更減量之 效果，對於粒徑<50 nm 之小微粒也沒更增量，且使用不同油品其減量效 率還是相同(Kim and Choi, 2010)。

綜合上述研究，使用濾煙器對於引擎廢所排放的微粒數量上，更持 正面也更反面的效果，故在引擎尾氣數量排放上，濾煙器之使用為值得 深入探討的議題。