通过热重-质谱（TG-MS）实验评估模型和真实汽油直喷（GDI）烟尘在无催化剂和有催化剂条件下的燃烧行为

《Applied Catalysis A: General》：Evaluating the uncatalysed and catalysed combustion behaviour of model and real GDI soot from TG-MS experiments

汽油直喷发动机碳烟催化氧化研究表明，真实GDI碳烟较Printex-U模型碳烟具有更高氧化活性，尤其在低温低氧条件下，Ce-Pr催化剂可显著提升氧化速率和CO?选择性，其活性与催化剂组成、温度及氧气浓度密切相关，为满足Euro 7排放法规提供了技术依据。

　　在当前的交通领域中，汽油直接喷射（GDI）技术因其在提高燃油经济性方面的潜力而被广泛采用。这种技术通过将燃料以高压直接喷入每个气缸的燃烧室，实现了对燃料注入时间和量的精确控制，从而提高了发动机的功率输出并降低了排放。然而，GDI技术在提高燃油效率的同时，也带来了新的挑战，特别是颗粒物（PM）和颗粒数（PN）排放的增加。根据欧洲第七阶段排放标准（Euro 7），GDI车辆必须满足更严格的PM和PN排放限制，其中PN的限值甚至涵盖了直径为10纳米的微小颗粒。这一要求使得发动机制造商面临更大的技术挑战，因为这些微小颗粒的排放控制需要更高效的过滤和再生技术。

为了应对这一挑战，GDI发动机通常需要配备催化型汽油颗粒过滤器（cGPF），该装置不仅可以有效过滤颗粒物，还能够通过催化作用促进颗粒物的氧化再生。在这一背景下，研究催化材料对GDI颗粒物的氧化效率具有重要意义。特别是，某些含有二氧化铈（CeO?）和镨（Pr）的混合氧化物已被证明在惰性气氛下能够释放活性氧物种，从而显著提高颗粒物的氧化效率。因此，本研究旨在通过分析未催化和催化条件下的GDI颗粒物燃烧行为，深入理解颗粒物的氧化机制及其对cGPF再生性能的影响。

在实验设计中，研究人员选择了三种具有代表性的温度条件（500℃、525℃和550℃）以及三种不同的氧气浓度（0.25%、1.3%和16.6%），以模拟GDI发动机排气系统中的实际运行情况。这些温度和氧气浓度的选择，是为了反映城市驾驶条件下的上限温度以及高速公路驾驶条件下的下限温度。氧气浓度的变化则代表了从非常低的浓度（由λ控制调节）到高浓度（代表燃料切断事件，其中被动滤清再生被促进）的不同场景。通过这样的条件设置，研究人员能够更全面地评估不同颗粒物在各种催化和非催化条件下的燃烧特性。

实验中使用了两种颗粒物样品：一种是商业碳黑（Printex-U），另一种是来自CMT-UPV的GDI颗粒物。Printex-U在许多研究中被用作柴油颗粒物的替代物，而GDI颗粒物则代表了真实发动机的排放情况。在实验过程中，研究人员采用了热重-质谱（TG-MS）分析技术，以监测颗粒物在不同条件下的氧化过程。同时，还进行了相关的物理化学表征，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）分析，以进一步揭示颗粒物的结构和组成特性。

研究结果显示，在未催化条件下，氧气浓度和温度对颗粒物的氧化速率和选择性具有显著影响。例如，在0.25%氧气浓度下，颗粒物的氧化速率较低，而在16.6%的高浓度下，氧化速率显著提高。此外，随着温度的升高，颗粒物的氧化速率和选择性也发生变化。在500℃时，颗粒物的氧化速率较低，但随着温度升高到550℃，氧化速率显著提升。这一趋势表明，温度在颗粒物氧化过程中起着关键作用，尤其是在低氧气浓度条件下，温度的增加对颗粒物的氧化更为重要。

对于GDI颗粒物而言，其氧化活性高于Printex-U，尤其是在较低温度和氧气浓度条件下。这可能与GDI颗粒物的物理化学特性有关，例如更高的灰分含量和挥发性物质含量，以及较低的固定碳含量。这些特性使得GDI颗粒物在氧化过程中表现出更高的反应性。然而，随着温度的升高，两种颗粒物之间的活性差异逐渐减小，最终在550℃时趋于一致。这一现象说明，虽然GDI颗粒物的反应性较高，但在高温条件下，其特性对氧化过程的影响可能被减弱。

在催化条件下，研究人员选择了三种不同的Ce_xPr_1-xO_2-δ催化剂，其中Ce_0.3Pr_0.7O₂表现出最高的催化活性。实验结果表明，这些催化剂能够显著促进GDI颗粒物的氧化，特别是在低氧气浓度条件下。催化剂的作用不仅体现在提高颗粒物的氧化速率，还体现在增强CO向CO₂的转化率，从而提高燃烧过程的选择性。这表明，这些催化剂在促进颗粒物氧化方面具有很高的效率，并且能够有效减少有害气体的排放。

在实验过程中，研究人员发现，当使用Ce_0.3Pr_0.7O₂催化剂时，GDI颗粒物的氧化速率和选择性均优于Printex-U。这可能是因为GDI颗粒物的结构和化学组成更适合与这些催化剂相互作用，从而提高其氧化效率。此外，实验还表明，催化剂的氧化活性与颗粒物的化学组成密切相关，特别是在低氧气浓度和低温条件下，催化剂的活性显得尤为重要。

研究还探讨了催化剂对颗粒物氧化过程的影响。例如，在催化剂存在的情况下，颗粒物的氧化过程更加迅速，且没有明显的诱导期。这一特性对于GPF的再生过程具有重要意义，因为快速的氧化反应可以减少再生所需的时间，从而提高整个系统的效率。同时，催化剂的使用还能够提高燃烧过程中CO向CO₂的转化率，这有助于减少有害气体的排放。

总的来说，本研究通过分析GDI颗粒物和Printex-U在不同条件下的燃烧行为，揭示了催化剂在提高颗粒物氧化效率方面的重要作用。研究结果表明，Ce_0.3Pr_0.7O₂等催化剂在促进颗粒物氧化和提高CO选择性方面表现出色。这些发现对于设计和优化cGPF系统具有重要的指导意义，尤其是在应对欧洲第七阶段排放标准所提出的新挑战方面。此外，研究还强调了在实际应用中需要考虑颗粒物的物理化学特性，以及催化剂的性能如何与这些特性相互作用，从而影响整个燃烧过程的效率和环保性。