柴油-酒精混合燃料驱动的柴油发动机中，柴油氧化催化剂和选择性催化还原催化剂的作用

《Fuel》：The activity of diesel oxidation and selective catalytic reduction catalysts in a diesel engine Powered by Diesel-Alcohol blends

柴油机尾气处理系统催化转化效率受酒精添加剂影响研究

　　

Ibrahim Aslan Resitoglu|Ilker Sugozu|Muhammed Arslan Omar

土耳其梅尔辛大学科学研究所纳米技术与先进材料系，TR-33343 梅尔辛

摘要

柴油发动机排放的污染物，尤其是氮氧化物（NO_x）和颗粒物（PM），对公共健康和环境构成了重大威胁。尽管诸如柴油氧化催化剂（DOC）和选择性催化还原（SCR）等后处理系统在排放控制方面非常有效，但其性能与燃料成分密切相关。随着醇类作为柴油添加剂越来越普遍，以提升性能和减少排放，我们仍迫切需要了解它们对这些关键催化剂系统的具体影响。

本研究系统地探讨了四种醇类添加剂（乙醇、甲醇、丙醇和丁醇）对传统催化剂和先进催化剂性能的影响。实验在多种负载条件下进行，使用了Pt/Al₂O₃（代表DOC）和V₂O_{53/TiO2与Ag/Al2O3（代表SCR催化剂）进行对比。通过精确测量催化剂前后CO、NO和NOx的浓度来评估它们的转化效率。}

结果表明，在低发动机扭矩下，醇类混合物显著提高了后处理系统的转化效率；而在高扭矩下，仅观察到微弱的下降。此外，Ag/Al₂O₃催化剂的表现明显优于传统的V₂O_{53/TiO2催化剂。}

总之，使用醇类柴油混合物是一种可行的策略，主要通过提升低负载运行条件下的后处理性能来改善整体排放控制。这些发现为利用醇类燃料帮助未来的柴油发动机符合日益严格的环境法规提供了坚实基础。

引言

空气污染日益被视为一个全球性问题。用于交通、农业及其他领域的内燃机对空气污染贡献巨大。特别是柴油发动机排放的氮氧化物（NO_x）和颗粒物（PM）是主要空气污染物，对人类健康和环境有负面影响。许多制造商在控制这些排放以符合法规标准（如Euro、Tier和日本标准）方面面临挑战。为了减少这些污染物，已经开发了多种技术和方法。后处理排放控制技术，如DOC、柴油颗粒过滤器（DPF）和SCR系统，能够有效降低柴油发动机的污染物排放（CO、HC、PM和NO_x）。

DOC能有效消除柴油发动机燃烧产生的CO和HC排放物，同时通过将NO排放物转化为NO₂来增强DPF和SCR的活性[1]。DOC通常由单块科迪埃莱特（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）基底制成，并涂覆有Rh、Pt和Pd等贵金属。DOC中的主要反应如下所示[2]： 2CO + O₂ → 2CO₂ 2C₃H₆ + 9O₂ → 6CO₂ + 6H₂ 2NO + O₂ → 2NO₂

DOC的活性受许多参数影响，如贵金属类型和负载量、排气气体温度、排气流量、基底结构、孔径大小等。Pt和Pd因其高转化效率而在应用中最为常用。这些贵金属在DOC中的负载量通常在50至90克/立方英尺之间。排气气体温度对DOC的活性至关重要，其激活温度需超过200°C，具体阈值因催化剂而异。转化效率随温度呈正比增加，但超过450–500°C可能导致DOC结构损坏[3]。

SCR技术利用还原剂有效控制NO_x排放。SCR技术中最常用的还原剂是含33%尿素（CO(NH₂)₂和67%纯水的尿素水溶液。NO_x在SCR催化剂中的转化反应如下所示[4]： NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂ 2NO + 2NH₃ + 1/2O₂ → 2N₂ + 3H₂ 3NO₂ + 4NH₃ → 7/2N₂ + 6H₂

当DOC置于SCR催化剂之前时，方程（1.4）所示的反应在NO和NO₂比例相等的情况下发生，转化效率最高。若SCR催化剂前没有DOC催化剂，则会发生方程（1.5）所示的反应，转化效率较低，因为NO未被转化为NO₂。如果使用过大的DOC催化剂，则会发生方程（1.6）所示的反应，由于NO过度转化为NO₂，转化效率最低。

尽管SCR技术中使用了多种类型的催化剂，但由于Fe-沸石、V₂O₅-WO₃/TiO₂、Ag/Al₂O₃和Cu-ZSM5催化剂具有较高的转化效率，因此它们被广泛使用[5]。

除了后处理排放控制技术外，在柴油发动机中添加燃料添加剂也是减少污染物排放的有效方法。醇类作为含氧燃料添加剂，具有羟基分子结构、低碳、高氧含量和可再生特性[6]。许多研究探讨了醇类在柴油发动机中的应用，以减少污染物排放。特别是醇类与生物柴油混合使用，可解决生物柴油的高密度和粘度问题[7]。醇类与生物柴油的混合使用提高了制动热效率，同时降低了CO、HC和NO_x排放[8],[9]。

乙醇、甲醇、丙醇和丁醇作为含氧添加剂，在研究和应用中得到广泛应用。乙醇和甲醇的十六烷值和热值较低，且润滑性能较差，这些限制了它们的使用[10]。另一方面，高醇类（如丁醇和戊醇）的燃料特性更接近柴油，使其更适合用作柴油添加剂[11],[12]。

关于DOC、SCR系统以及醇类作为燃料添加剂的科学研究具有很大价值。DOC和SCR的研究主要集中在替代催化剂[1],[13]、根据不同参数确定转化效率[2],[14]，特别是提高低温活性[4],[15]；而关于醇类作为柴油添加剂的研究则关注喷雾、燃烧、柴油发动机性能和排放特性的影响[11],[16],[17]。然而，这些含氧燃料对商业后处理系统现场性能的关键影响尚不明确。本研究通过全面分析四种不同醇类（乙醇、甲醇、丙醇和丁醇）的高比例（15%）混合物对DOC+SCR后处理系统转化效率的影响，填补了这一空白。此外，它还对传统的V₂O₅-WO₃/TiO₂ SCR催化剂与先进的Ag/Al₂O₃ SCR催化剂进行了独特比较，为选择适合可再生醇类燃料的催化剂提供了新的见解。

测试燃料的制备与表征

测试燃料的制备与表征

本研究选用乙醇、甲醇、正丙醇和正丁醇作为燃料添加剂，其分子式分别为C₂H₆O、CH₄O、C₃H₈O和C₄H₁₀O。这些醇类在文献和实际应用中最为常见[17]。所有实验用醇类均来自Merck品牌，纯度分别为乙醇和甲醇≥99.9%、正丙醇≥99.8%、正丁醇≥99.0%。

为了评估这些醇类对DOC和...

柴油与醇类混合物的排气气体温度

柴油发动机中的排气气体温度取决于燃烧结束时的温度。决定燃烧结束温度的参数包括发动机负载、混合比例、燃料性质等。

图2显示了醇类对排气气体温度的影响。如图2所示，醇类的加入会导致排气气体温度略微下降。主要原因在于醇类...

结论

本研究表明，将醇类与柴油混合使用可以积极影响DOC和SCR后处理系统的性能，尤其是在对实际柴油发动机运行至关重要的低负载条件下。醇类燃料的含氧性质改善了排气气体组成，促进了催化活性，从而提高了转化效率，同时不会影响系统稳定性。

发现醇类-柴油混合物可以降低排气气体...

作者贡献声明

Ibrahim Aslan Resitoglu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、资料准备、方法论、实验设计、数据分析、概念化。 Ilker Sugozu：撰写 – 审稿与编辑、监督、资料准备、方法论、实验设计。 Muhammed Arslan Omar：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、实验设计、数据分析。

资助

本工作得到了梅尔辛大学科学研究项目的支持（项目编号：2018-2-AP3-2964）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。