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車輛排放控制技術之發展概況
林姿伶 .2019/05/31
摘要 隨著科技進步,不僅促進工業化與城市化的快速發展,更帶來了許多的空氣汙染問題。依據Frost & Sullivan的研究指出,50%的氮氧化物排放量來自於車輛的移動污染源,另外的30%與20%分別來自於工廠與發電廠的固定污染源;也就是說,車輛排放物為造成空氣汙染的主要來源。因此,車輛排放控制技術成為近年來熱門的研究主題。以下將對車輛排放物的分類、車輛排放物的控制方法、新興技術開發、未來目標與挑戰進行說明。

一、車輛排放物的分類
車輛排放出的氣體可分為空氣污染物(Criteria Air Contaminants;CAC)與溫室氣體(Greenhouse Gases;GHG)兩大類;空氣汙染物(CAC)包含氮氧化物、硫氧化物、揮發性有機物、懸浮微粒、氨;溫室氣體(GHG)包含二氧化碳、甲烷、氧化亞氮。

二、車輛排放物的控制方法
下列將介紹如何減少車輛行駛所排出的氮氧化物的相關技術。
(一)控制引擎(Engine Control)的方式:藉由可變氣門正時技術(Variable Valve Timing;VVT)與高壓共軌燃油直噴技術(Common rail direct fuel injection),以降低燃燒溫度,並提高燃油利用率。
(二)排放氣體再循環系統(Exhaust Gas Recirculation;EGR):將引擎排出的部分氣體重新引導回燃燒室,再與新鮮空氣、燃料混合,並結合催化劑,以降低氮氧化物的生成速度。
(三)三向觸媒轉換器(Three-way Catalytic Converter;TWC):藉由鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)的活性催化劑,可減少碳氫化合物、一氧化碳與懸浮微粒的排放量。僅適用於使用汽油、壓縮天然氣、液化石油氣的引擎,其中,使用於汽油的引擎,最高可減少90%的氮氧化物。
(四)選擇性觸媒還原法(Selective Catalytic Reduction;SCR):利用氨氣或尿素水(urea)作為還原劑,可將氮氧化物還原成氮氣,並改善燃料消耗率。另外,該系統與顆粒過濾器結合使用,還可減少顆粒物排放。
(五)柴油氧化觸媒(Diesel Oxidation Catalyst;DOC):利用不鏽鋼容器與蜂巢結構的基板作為觸媒,將一氧化氮轉換成二氧化氮,並可減少90%可溶性有機成分(Soluble Organic Fractions;SOF)。適用於柴油、生質柴油、乙醇/柴油混合燃料。
(六)柴油濾煙器(Diesel Particulate Filter;DPF):可過濾碳微粒,減少85-99%柴油引擎所排放的懸浮微粒,亦有效減少重型與輕型柴油引擎的氮氧化物排放。
(七)稀薄燃燒氮氧化物吸附轉化器(Lean NOx Trap;LNT):採用鋇與稀土金屬用作為吸附劑,將氮氧化物轉化為氮氣,應用於柴油引擎的轉化效率為50-90%。
(八)汽油微粒過濾器(Gasoline Particulate Filters;GPF):可捕集所有尺寸的顆粒,以顆粒尺寸以攔截或撞擊方式過濾,最多可減少排放氣體中95%的懸浮微粒。

三、新興技術開發案例
(一)約80%的排放氣體在燃料點燃時間排放,美國Precision Combustion Inc、德國馬牌公司(Continental Automotive)開發出可縮短燃料點燃時間之觸媒,以減少汙染物排放量。
(二)愛爾蘭伊頓公司(Eaton Corporation Plc)開發出iEGR技術,為新一代排放氣體再循環技術,可減少冷卻系統的負擔,最佳化引擎的燃燒系統。
(三)英國Cambustion公司開發出新型量測氮氧化物排放量的冷光測定分析Cambustion CLD 500 (Chemiluminescence Detection;CLD),可縮短量測時間,增加量測準確性。
(四)德國馬勒公司(Mahle Behr)開發出應用再循環前冷卻排放氣體的方法,在EGR系統中,可減少油耗量、減少汙染物排放量。
(五)美國維吉尼亞大學(University of Virginia)開發出應用於天然氣車輛的新型低成本觸媒,可提升碳氫化合物、氮氧化物的轉化率。
(六)美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)開發出新型引擎控制系統,可藉以減少三向觸媒轉換器(TWC)的尺寸、降低成本。
(七)美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)開發出車用燃料重整催化劑技術,可提高火星點燃引擎(SI engine)的效率,並能結合三向觸媒轉換器(TWC)。
(八)日本馬自達公司(Mazda Motor Corporation)開發出SkyActiv-X技術,應用於壓均質進氣壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI),能夠控制點燃時間,藉以減少油耗量、提升扭力。

四、未來目標與挑戰
(一)美國加州空氣資源委員會(California Air Resources Board)制定在2025年底,新車汙染排放標準為每英里的溫氣體排放量為54.5公克,且車輛燃油效率應提高一倍;在歐洲地區,在2021年的汽車排放標準的目標為,平均每輛車的二氧化碳排放量達95公克,。
(二) 2018年9月,測試標準改為全球輕型車測試規範(Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure;WLTP),取代汽車運行工況(New European Driving Cycle;NEDC)。
(三)中國、印度等國家宣布將在2020年前採用歐盟第6期標準(Euro 6)排放檢驗。
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資料來源 Frost & Sullivan