車輛研究測試中心  環保能源部  陳佳良

內燃機引擎車輛自發明以來，讓人員及貨物的移動更為便利快速，卻也帶來環境破壞，因此，各國政府透過環保法規以限制污染排放量，故現今車輛排放的氣狀污染物大幅降低，包括一氧化碳(Carbon Monoxide,CO)、碳氫化合物(Hydrocarbon ,HC)及氮氧化物(Nitrogen Dioxide, NOx)等，甚至部分污染物幾乎是零排出的情況。

近年由於全球石油存量議題及擁油國家政治動盪，燃油價格長年居於高點，消費者對於車輛省油的要求與日俱增，於是有更多消費者選擇使用柴油引擎車輛。早期柴油引擎車輛因排放大量的粒狀污染物(黑煙)，而有烏賊車之惡名，但在柴油引擎污染控制技術不斷翻新，及使用濾煙器等污染防治設備後，新一代的柴油引擎車輛已經大幅降低黑煙的排放，並且濾煙器幾乎已成為新一代柴油引擎車輛之標準後處理裝置。

濾煙器的工作原理是使引擎排氣通過具有微小孔隙的濾材，如圖1，並藉由濾材截留排氣中的粒狀污染物，而達到過濾的效果。濾煙器濾集的粒狀污染物成分中，可簡單區分為碳微粒與灰份。碳微粒可以以額外加熱的方式燃燒成二氧化碳(Carbon Dioxie,CO2)並排出濾煙器，這個過程稱為再生(regeneration)；而灰份則無法由燃燒去除，所幸灰份在粒狀物中所佔比例極少。

圖1：車輛濾煙器

來源：http://www.dieselpowermag.com/tech/general/0705dp_clean_diesel_engine_tech/photo_14.html

為防止濾煙器沈積太多粒狀污染物造成阻塞，進而影響引擎運轉，現在車輛的控制系統都會在一定週期或由各項車輛狀況的判斷，讓濾煙器再生。濾煙器再生的基本原理為提高排氣溫度至550~650℃之間，透過觸媒的輔助，則只需要提高排氣溫度到300~400℃，讓碳微粒反應成CO2排出濾煙器，這樣提高排氣溫度有可能改變車輛其他污染物的排放狀況。以同一輛柴油車連續進行多筆污染測試為例，量測項目包括氣狀污染物的每公里排放重量、粒狀污染物的每公里排放重量(particle matter ,PM)及粒狀污染物每公里排放數目(particle number ,PN)，初期的測試結果，各項污染物測試值都相當穩定，卻有一次的測試結果，車輛的NOx排放突然飆高，如圖2 的Test3，後續追查其原因，發現執行該筆測試時，濾煙器執行過再生程序，研判車輛控制系統為讓排氣溫度升高，也使得引擎溫度升高，反而有利於NOx的生成。

圖2：濾煙器再生前後氮氧化物排放

然濾煙器再生完成後，NOx的排放值雖回復正常，如圖2的Test4；但再生結束後第一筆測試的PN測試值卻升高，如圖3的Test4，且須經過3次測試後，才逐漸恢復到正常。2007年歐洲Particle Measurement Programme所公佈的試驗報告中也提到相同測試結果趨勢，如圖4所示，第1筆數據為濾煙器再生後第1筆測試結果，約經過3次測試程序，PN排放值才趨於正常水平。

圖3：濾煙器再生前後粒狀污染物排放數目

圖4：濾煙器再生後粒狀污染物排放數目(Particle Measurement Programme)

資料來源：Particle Measurement Programme, Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise (ILCE_LD) Final Report, 2007

 
此現象可由Ekathai Wirojsakunchai等人於2007年所發表之論文來說明，當濾煙器剛完成再生，濾材上完全沒有粒狀污染物附著，此時，濾煙器捕集粒狀污染物的能力其實是最低的，引擎所排放的粒狀污染物幾乎全數排出。當測試持續進行一段時間後，引擎所排出的粒狀污染物漸漸在濾材表面形成一層“cake layer”，濾煙器捕集效率達到最高，持續至下次濾煙器再生。

有鑑於濾煙器的再生動作明顯影響測試結果，因此歐盟法規規定，車輛具有週期性再生的污染防制設備，其污染物排放結果必須乘上再生係數Ki方為最後測試結果。再生係數Ki為濾煙器再生週期中所有包含再生及非再生情況下污染測試的平均值與非再生情況下污染測試結果平均值的比值。

使用濾煙器能有效降低引擎生成之粒狀污染物排放到大氣中，但因為粒狀污染物只是暫時存留在濾煙器中，需要周期性的將其燃燒成CO2，這過程不僅會影響各污染物的排放量，且剛再生後的濾煙器補集效率差，粒狀污染物排放量會升高。在柴油車數量逐漸增加的情形下，是否可設計出利用不同原理的濾煙器，既可以降低粒狀污染物的排放，又可免除再生時的缺點，仍是車輛產業努力的一個方向。