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    1.車用柴油機的尾氣排放控制技術概述 

    柴油機自1892年問世以來，憑借其良好的動力性、經濟性和耐久性等優點在各種動力裝置、和車輛上得到日益廣泛的應用。歐洲和日本在20世紀70年代就基本實現了載貨汽車和大型客車的柴油機化。從80年代后期開始，轎車上也越來越多的應用柴油機，例如目前德國生產的1.4-2.0L排量的小轎車中，柴油機轎車占61%，而法國轎車柴油機的比例高達88%。從世界范圍來看，汽車柴油化已經成為一種不可逆轉的趨勢。

    車用柴油機主要排放物為PM(顆粒狀物質)和NOx，而CO和HC排放較低?？刂撇裼蜋C尾氣排放主要是控制顆粒物質PM和NO生成，降低PM和NOx的直接排放。柴油機與同等功率的汽油機相比，微粒和NOx是排放中兩種最主要的污染物。目前，世界各國都在致力于減少柴油機顆粒排放的技術研究，并且已經取得了實質性的進展。由于柴油機排氣微粒與NOx的生成機理不同，因此減少微粒的同時又增加了NOx的排放，同時微粒的減少又使得催化劑中毒得以有效的扼制，從而使采用機外催化技術凈化NOx成為可能。現代柴油機尾氣排放控制通常采取以下方法。

    2.柴油機尾氣排放的危害和生成機理

    柴油機NOx排放的危害。柴油機排出的NOx中，NO約占90%，NO2只是其中很少的一部分。NO無色無味、毒性不大，但高濃度時能導致神經中樞的癱瘓和痙攣，而且NO排入大氣后會逐漸被氧化為NO2。NO2是一種有刺激性氣味、毒性很強(毒性大約是NO的5倍)的紅棕色氣體，可對人的呼吸道及肺造成損害，嚴重時能引起肺氣腫。當濃度高達100×10-6體積濃度以上時，會隨時導致生命危險。NOx和HC在太陽光作用下會生成光化學煙霧，NOx還會增加周圍臭氧的濃度，而臭氧則會破壞植物的生長。此外，NOx還對各種纖維、橡膠、塑料、電子材料等具有不良影響。

    基于上述原因，柴油機排放物中的NOx對環境的嚴重污染引起了世界范圍的普遍關注，因此各國限制其排放的法規亦越來越嚴格。

    柴油機尾氣排放物的生成機理。迄今為止人們已經對NOx的生成機理進行了大量的研究，但尚未達成共識。比較容易接受的是策爾多維奇機理。該機理認為：柴油機排放中的NO并非來自燃油的燃燒，而是來自氮氣與氧氣的反應，它是在氧氣過剩的情況下由于燃燒室的持續高溫而形成的，在膨脹和排氣時有少量的分解，排到大氣后遇氧形成NOx和其它氮氧化物。

    柴油機燃燒過程中噴射各區均可以生成NO，其生成濃度與局部溫度、局部氮原子和氧原子的濃度、燃燒產物的冷卻速度和滯留時間(即高溫下所占燃燒循環的時間量)等因素有關。從理論上講，柴油機NOx排放的形成是無法避免的，但通過控制燃燒過程的最高溫度和富氧空氣在高溫中的滯留時間等可以加以限制。

    3.柴油機控制尾氣排放的機內主要凈化措施

    柴油機機內凈化的核心是對燃燒過程進行優化，使發動機達到混合均勻、燃燒充分、工作柔和、啟動可靠、排放較少的要求。采取機內凈化是治本之舉，它是通過改進柴油機結構參數或者增加附加裝置來改善燃燒性能，進而達到減少NOx排放的目的。

    提高噴油壓力和減小噴孔直徑。提高噴油壓力和減小噴孔直徑可明顯地降低PM的排放。為了避免高壓噴射導致的NOx的增加，要求適當降低空氣渦流運動，提高壓縮比和可變定時燃油噴射與其相適應。高壓噴油系統需要和燃燒室良好配合，以避免過多燃油噴射到汽缸的冷表面上，減少HC和PM中SOF(有機可溶物)的排放；同時減少噴嘴壓力室容積或采用無壓力室噴油嘴，能使PM和HC排放大大減少；通過燃油噴射率的優化，如采用雙彈簧噴油器，可降低PM和NOx的排放。

    進氣系統的優化。對進氣系統進行優化設計，主要目的是在提高充氣效率的同時，合理組織進氣渦流，以利于混合氣的形成，提高燃燒速率，并盡量減少NOx的生成。

    進氣渦流的優化。提高渦流比可使燃燒加速并且完全，其結果可導致缸內最高燃燒壓力與溫度的升高，從而使NOx的排放明顯增加；若減少進氣渦流的強度雖可減少NOx的排放，但又勢必會犧牲柴油機的動力性和經濟性。因此，可采用可變渦流進氣道技術使渦流比在0.2-2.5范圍內變化，以兼顧柴油機在整個工況范圍內務個方面的性能。但采用可變渦流進氣道技術存在著結構復雜和成本較高的問題，因而限制了該技術的推廣。

    改進燃燒系統。改進燃燒系統指的是燃燒室的形狀、供油系統、進氣流動的最佳匹配。應保證在發動機整個工況范圍內，燃油在燃燒室中均勻分布，有合適的氣體流動，有合理的噴油規律。

    采用電控制噴油泵、電控泵噴嘴、電子調速器、可變渦流系統、多氣門化和中央配置噴油器等措施，既可改善柴油機性能，又可降低柴油機尾氣排放物，尤其是顆粒PM物質的排放。

    防止機油串入燃燒室。由于柴油機排放顆粒狀物質的相當部分，是由串入燃燒室的機油的不完全燃燒造成的，所以應盡可能地減少串機油量。防止和減少機油串入燃燒室，應通過加強機體剛度，改善汽缸蓋與機體的連接，減少汽缸工作面的變形，改善活塞、活塞環和汽缸表面的設計，加強機油控制，減少從氣門推桿泄漏機油等措施來實現。

    增壓中冷。柴油機采用進氣增壓技術后，由于壓縮溫度升高，在動力性與經濟性提高的同時，NOx的排量也必然增加。但增壓柴油機在采用中冷技術以后，增壓空氣在進入氣缸以前被冷卻，在一定程度上可以抑制NOx的排放。廢氣渦輪增壓提高了汽缸內平均有效壓力、過量空氣系數和整個循環的平均溫度，可使柴油機顆粒物的排放量降低50%左右，并減少CO和CH的排放。利用中冷技術，NO的排放量可降低60%-70%。目前，柴油機增壓中冷技術在中型柴油機上應用日益廣泛，小型柴油機上也逐漸在采用。一些新研制的轎車柴油機上也開始采用。廢氣渦輪增壓中冷技術的應用大大提高了汽車柴油機的動力性、改善了燃油經濟性，并且還在降低汽車排放有害物、減少溫室效應氣CO2、保護環境等方面起到了重要作用。為使汽車柴油機滿足歐洲I、Ⅱ法規，渦輪增壓中冷技術是一個很好的技術方案；為滿足更高的排放法規歐洲Ⅲ、Ⅳ的要求，則必須采用電控可變噴嘴渦輪增壓器。隨著渦輪增壓器技術和其他先進發動機技術的進一步發展，柴油機將會成為真正的低能耗、高環保性的汽車動力。

    采用柴油電控高壓噴射技術。柴油電控技術已從第一代的位置控制、第二代的時間控制發展到今天的共軌式電控高壓噴射。

    正在研制或裝機的共軌式噴油系統，可在柴油機運轉的整個特牲曲線范圍內改變噴油過程。如德國Bosch公司開發的共軌噴射系統，可自由選擇噴油壓力，高精度控制噴油量，靈活控制噴油定時，并可靈活進行預噴射和多級噴射，對顆粒和煙度的降低很有利。在采用共軌多級噴射系統和電控噴油器的柴油機試驗中觀察到，由于分段噴射加強了空氣的卷吸和紊流，加強了燃油和空氣的混合，可明顯降低煙度。電子控制柴油機高壓噴射技術(如電控高壓共軌噴射)的應用可使柴油機通過最佳噴油定時、最佳噴油率和預噴射，與發動機轉速、負荷之間的關系進行連續調節，使顆粒排放降低40%以上，并且發動機過渡工況的排放性能也可得到顯著改善。電控高壓噴射控制對噴油規律進行控制，能根據發動機運行工況實現最佳噴油，同時通過控制預混合燃燒與擴散燃燒的比例，可同時降低有害排放和控制發動機的空燃比，有利于實現有效的機外凈化措施。

    采用可變技術。一般發動機的壓縮比是不可變動的，因為燃燒室容積及氣缸工作容積都是固定的參數，在設計中已經定好。不過，為了使得現代發動機能在各種變化的工況中發揮更好的效率，以變對變來改善發動機的運行性能。其中氣門可變驅動技術早已實現，做為重要參數的壓縮比，也有人嘗試由固定不變改為“隨機應變”。近年紳寶(Saab)開發的SVC發動機以改變壓縮比來控制發動機的燃油消耗量。它的核心技術就是在缸體與缸蓋之間安裝楔型滑塊，缸體可以沿滑塊的斜面運動，使得燃燒室與活塞頂面的相對位置發生變化，改變燃燒室的客積，從而改變壓縮比。其壓縮比范圍可從8：1至14：1之間變化。在發動機小負荷時采用高壓縮比以節約燃油；在發動機大負荷時采用低壓縮比，并輔以機械增壓器以實現大功率和高扭矩輸出。紳寶SVC發動機是1.6L5缸發動機，每缸缸徑68mm，活塞行程88mm，最大功率166kW，最大扭矩305N·m，綜合油耗比常規發動機降低了30%，并且滿足歐洲Ⅳ號排放標準。

    柴油機采用可變技術使發動機在不同工況下的性能都較為理想，使不同工況下排放性能和經濟性都得到提高，這包括噴油定時的可變控制、可變渦流控制和增壓系統的可變控制，這些措施的合理使用可使HC和顆粒物排放減少近35%。

    改進潤滑系統設計，減少潤滑油轉化為50%，可有效降低柴油機的PM排放。增加活塞環壓力，減少裙部間隙，優化活塞環形狀設計，提高汽缸套圓度及改進進氣門挺桿的密封等措施，可有效地降低潤滑油消耗量，使串漏的潤滑油有效地燃燒，也可有效地降低排放。

    采用多氣門技術。在柴油機上采用多氣門技術是滿足更嚴格排放指標的有效途徑。由于缸蓋上的噴油嘴和活塞上的燃燒室凹坑布置在氣缸中央，從而優化了進氣渦流和油霧分布以及活塞與噴油器的冷卻條件，并可實現渦流比在不同轉速下的變化，這使混和氣的形成進一步優化，因而在提高動力性和經濟性的同時減少了NOx排放，但增加了成本和結構的復雜性。例如采用四氣門技術的缸蓋，可優化噴嘴位置，使其垂直置于燃燒室中央?；钊數娜紵野伎右餐瑯犹幱谥行奈恢没蛐D對稱位置，這樣就可在活塞頂燃燒室凹坑內形成均勻的氣流，多孔噴嘴噴出的油束處于沿任何方向流量均等的理想狀態，從而改善了進氣渦流和油霧分布的均勻性，達到了最佳的空氣利用率和降低顆粒排放的效果。四氣門結構不僅能提高發動機功率，而且改善了活塞和噴油器的冷卻條件，可在不同轉速下實現渦流比可變，優化了燃燒方式，降低了低轉速區的排放。

    四氣門結構可減少換熱損失，從而改善了低速扭矩。采用四氣門結構的缺點是增加了柴油機成本和結構的復雜性，為了達到歐美各國嚴格的排放法規，小缸徑柴油機上使用四氣門的也越來越多。最小的已在AVL缸徑為85mm的小型轎車柴油機上使用。在燃用汽油的大、中、小型轎車上，多氣門技術已經作為成熟技術得到了應用。在柴油機上應用多氣門技術是國際學術界研究熱點之一，國外內燃機的氣門最多時已達到5個，目前已在大型柴油機應用的基礎上，逐漸開始在小型柴油機上應用，國內在這方面的研究尚未成熟。

    4.噴油系統的優化

    噴油系統的優化就是使燃油噴射參數最佳化。這些參數包括噴油定時、噴油壓力、噴油速度和噴孔結構等。通過參數的優化來抑制預混合燃燒，即減少在滯燃期內形成的可燃混合氣量是降低NOx排放的有效途徑。

    優化噴油定時。NOx排放對噴油定時極為敏感。延遲噴油可降低NOx排放，但必須合理調整燃燒系統及噴油系統的其他參數以減少油耗、煙度和微粒排放方面的損失。為減少延遲噴油對經濟性的不利影響，可采用較高的壓縮比和較高的噴油壓力。采用電控技術和根據運行工況調節噴油始點，可降低NOx的排放。

    優化噴油壓力。提高噴油壓力可有效地改善燃料的霧化性能，使混合氣的混合質量得以改善，燃燒更加充分，燃燒溫度上升，NOx排放增加。因為提高噴油壓力能改善燃燒過程，故可以補償由于延遲噴油造成的油耗上升，但這又使延遲噴油以降低NOx排放的目的落空。為減少NOx排放應該降低噴油壓力，而噴油壓力降低后又會使微粒排放增加。

    優化噴油速度。當噴油提前角一定時，提高噴油速率，縮短噴油持續期，可以使柴油機產生的NOx較少。提高噴油速度與延遲噴油相結合亦可減少NOx的排放。另外，噴油速度還與HC、碳煙的排放及燃油消耗、噪聲有關，應綜合權衡以謀求各參數的最佳值。

    優化噴孔結構。噴油器噴孔直徑和數目對柴油機排放也有明顯的影響。當循環供油量與啟噴壓力一定時，減少孔徑會減少初期噴油量，抑制預混合燃燒和最高燃燒溫度，以減少NOx的生成。當噴油壓力、噴油速度及噴孔總面積不變的情況下，增加噴孔直徑或增加孔數，可降低流阻，改善燃油的霧化和分布，因而能降低NOx的排放。

    5.燃燒室的結構和參數優化

    優化壓縮比。柴油機壓縮比控制著著火延遲期的長短。降低壓縮比，有利于著火延遲，能夠減少峰值壓力，可使燃燒最高溫度降低，NOx排放減少，碳煙增加。但壓縮比過低，柴油機難于著火。壓縮比對NOx的影響較為復雜，選取壓縮比時應綜合考慮。

    燃燒室型式的優化。燃燒室型式與NOx(的排放有著密切關系。直噴式柴油機NOx排放明顯高于非直噴式柴油機，這是因為非直噴式柴油機前期的燃燒發生在混合氣過濃的預燃室或渦流室里，由于缺氧NOx的生成受到了抑制，又因在主燃燒室中的燃燒開始較晚，且是在較低溫度下進行的。對于同一類型但結構不完全相同的燃燒室，其NOx的排量也有差異。例如在直噴式柴油機中，渦流最強的球型燃燒室最高，淺盆型燃燒室最低。

    燃燒室噴水冷卻技術。水具有較高的比熱，在燃燒過程中吸熱可降低燃燒最高溫度；水與油混合噴入燃燒室還可以降低燃油密度，從而使燃燒溫度進一步降低。該技術在降低NOx排放的同時，還有利于改善燃油經濟性和排氣煙度，并有降噪的作用。噴水冷卻有如下形式：進氣管噴水；用超聲波將燃油與水乳化后噴入燃燒室；通過附加噴嘴把水直接噴入燃燒室；在噴嘴的兩個燃燒層之間填充水，并分層噴入燃燒室。但如何控制噴水的時機、數量和噴嘴的腐蝕等問題還有待于進一步研究。

    6.燃油的改質

    提高柴油機十六烷值。十六烷值在柴油機燃料參數中對NOx排放影響最大。十六烷值較高時，由于其穩定性變差，極易裂解為碳煙。柴油機排氣煙度較高，但其發火性能好，柴油機點火延遲期縮短，缸內溫度與壓力降低，NOx排放亦降低。當十六烷值從40提高到50時，NOx排放可降低10%左右。

    降低燃油中的含硫量。在燃燒過程中，柴油中的硫約有98%轉化為SO2，其余的2%成為硫酸鹽顆粒，部分SO2被進一步氧化與燃燒過程中生成的H2O結合，形成H2SO4和硫酸鹽(CaSO4等)，增加了微粒的排放量。當燃料中的S從0.12%下降到0.05%時，微粒排放量將減少8%-10%；減少燃油中的芳香烴成分，可以減少NOx的排放；根據燃油餾程，合理提高燃油的十六烷值，能有效地降低發動機尾氣PM、CO和NOx排放。

    進行柴油的乳化處理。在柴油中加入適當的乳化劑，通過燃料中水的汽化，降低汽缸套的溫度和燃燒溫度，減少NOx的排放；另外，乳化燃料中的水分子迅速汽化膨脹，成為微細的燃料油滴，促進了與空氣的迅速混合，加速了燃燒，減少了汽缸內的激冷層，有利于HC的生成。

    使用柴油添加劑。在柴油中摻燒一定比例的消煙添加劑。將金屬鋇、鎂、鋅等可溶性堿化鹽或中性鹽作為消煙添加劑，通過促進碳煙粒子在膨脹過程中再燃燒，來促進和消除噴油器頭部的積炭，可以減少30%-50%的碳煙顆粒排放；但使用添加劑會導致二次污染。

    使用代用燃料。采用代用燃料將是控制柴油機和汽油機排放的重要方法之一。目前代用燃料主要有天然氣(壓縮天然氣CNG，液化天然氣LNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇、乙醇、氫燃料及與柴油摻燒的復合燃料等，其中甲醇、天然氣、液化石油氣被認為是最有前途的清潔能源代用燃料。

    柴油機燃用醇類燃料時，基本可以實現無煙排放，在中、低負荷時NOx的排量也很低。近年來可以作為內燃機代用的醇類燃料很多，其中甲醇是目前應用最廣的內燃機代用燃料。但如果不采用適當措施，柴油機排放的HC、甲醛將成為重要的排氣污染物。以氫作為柴油機代用燃料時，NOx和其它污染物的排放都很低。將來太陽能利用及氫的存儲技術解決之后，氫將成為柴油機的主要燃料，但缺點是易于回火。如采用燃料電池，其電能轉化效率在40%-65%之間，遠遠高于柴油。燃料電池的工作溫度低于1000℃，此時基本不產生NOx，且其它污染物排放也很低。燃料電池的應用在技術上已不存在重大問題，唯一的障礙在于成本太高。燃用壓縮天然氣(CNG)或液化天然氣(LNG)，NOx和微粒排放可同時減少75%-80%。二甲基乙醚作為最新出現的液體燃料，其燃燒后無微粒產生且NOx的排放亦很低。

    代用燃料的熱值較低，增加發動機的體積，各種代用燃料的特點如下：一是天然氣成本低，儲量豐富，主要以CNG為代表。CNG燃料本身呈氣態，不需進行霧化，燃燒充分，尾氣中CO含量較低，無排煙，但動力降低10%，攜帶不便；二是甲醇具有高辛烷值、低發熱量、低公害和無排煙的特點。但甲醇的十六烷值低，著火性差，需要加裝點火裝置，冷啟動性差，有腐蝕性，并要解決潤滑油消耗量大和處理未燃甲醇來降低排放；三是液化石油氣NOx、PM排放較低，HC易氧化，可實現稀薄燃燒，以預燃電熱輔助點火和電控噴射液化石油氣排放為佳，通常采用雙燃料汽車。

隨著科技的發展，通過計算機輔助設計對柴油機燃燒系統、進排氣系統、燃油供給系統和燃燒室結構的優化設計，并采用新材料和新工藝，廣泛采用增壓中冷和電控高壓噴射控制技術并采用尾氣處理技術綜合控制，將是柴油機發展和進行尾氣控制的發展方向。

    7.排氣后處理技術——機外凈化措施

    由于機內控制排放并不能完全起到凈化效果，因此對已排出燃燒室但尚未排到大氣中的廢氣進行處理，采取機外控制技術顯得很有必要。NOx的機外凈化主要是采用催化轉化技術。由于柴油機的富氧燃燒使得廢氣中含氧量較高，這使得利用還原反應進行催化轉化比汽油機困難。例如在汽油機上使用三元催化轉化器，其有效凈化條件是過量空氣系數大約為1。若空氣過量時，作為NOx還原劑的CO、H2和HC便首先與氧反應；空氣不足時，CO、HC不能被氧化。顯然，用三元催化轉換器降低NOx的技術在柴油機上是不適用的。柴油機排氣后處理可以用氧化催化轉化器，以降低HC和CO的排放量和PM中的有機成分；用選擇性還原催化轉換器在寓氧條件下還原NOx；用微粒過濾裝置收集柴油機排氣中的顆粒狀物質等。

    采用廢氣再循環技術。廢氣再循環(EGR)是將一部分排氣導入進氣系統中，通過降低燃燒室燃燒的最高溫度來降低NOx的排放。利用EGR來降低NOx的排放，需要與電子控制(ECU)結合，根據柴油機負荷、轉速、冷卻水溫度傳感器及啟動開關信號對廢氣進行隨機控制，保證在對柴油機性能影響不大的條件下，降低尾氣中NOx的排放。采用廢氣再循環(EGR)是降低NOx排放的一項極為有效的措施，EGR在所有負荷條件下都可以有效減少NOx排放。將定量廢氣引入柴油機進氣系統中，再循環到燃燒室內，有利于點火延遲，增加了參與反應物質的熱容量以及CO2、H2O、N2等惰性氣體的對氧氣的稀釋作用，從而可降低燃燒最高溫度，減少NOx的生成。大約60%-70%的NOx是在高負荷時產生的，此時采用合適的廢氣再循環率對于減少NOx是很有效的。廢氣再循環率為15%時，NOx排放可以減少50%以上，而廢氣再循環率為25%時，NOx排放可減少80%以上，但隨著廢氣再循環率的增加，發動機燃燒速度變慢，燃燒穩定性變差，HC和油耗增加，功率下降。若采用“熱EGR”還可以同時減少HC和PM的排放，并且不會增加油耗，在中、低負荷時凈化效果更佳。由于EGR氣門的升程信號會因氣門座積碳而不能正確反映EGR量，其響應速度較慢，所以廢氣再循環量應通過進氣流量和EGR氣門的升程信號相結合來反映。

    加裝氧化型催化轉化器。柴油機加裝氧化型催化轉化器是一種有效的機外凈化排氣中的可燃氣體和SOF的常用措施。加裝氧化型催化轉化器(以鉑、鈀貴重金屬作為催化劑)能使HC、CO減少50%，PM減少50-70%，其中的多環芳烴和硝基多環芳烴也有明顯減少。對于HC轉化效率較高的氧化催化器還可有效地減少排氣的臭味。但是，氧化催化器的缺點是會將排氣中的SOF氧化為SO2，生成硫酸霧或固態硫酸鹽顆粒，額外增加顆粒物質排放量。所以，柴油機氧化催化器一般適于含硫量較低的柴油燃料；并要保證催化劑及載體、發動機運行工況、發動機特性、廢氣的流速和催化轉換器的大小以及廢氣流入轉換器的進口溫度等正常，使凈化效果達到最佳。

    采用顆粒過濾及再生技術。顆粒過濾由顆粒過濾器和再生裝置組成。顆粒過濾器通過其中有極小孔隙的過濾介質(濾芯)捕集柴油機排氣中的固定碳粒和吸附可溶性有機成分的碳煙。顆粒過濾器對碳的過濾效率較高，可達到60%-90%。在過濾過程中，顆粒過濾在過濾器內會導致柴油機排氣背壓升高，當排氣背壓達到16-20kPa時，柴油機性能開始惡化，因此必須定期除去顆粒，使過濾器恢復到原來的工作狀態，即過濾器再生。

     NOx催化轉化器。NOx催化轉化器對柴油機尾氣中的NOx在溫度為350-550℃的范圍內進行良好的催化轉化，可使NOx排放降低20%-30%。NOx催化轉化技術可分為催化熱分解和選擇性催化還原反應兩種。催化熱分解是利用由金屬離子沸石、釩和鉬構成催化劑來降低NOx熱分解反應的活化，能使NOx分解成無毒的N2，該方法簡單且反應生成物無毒；選擇性的還原反應是在排氣中噴入飽和的HC和NOx，反應生成物為N、CO和H。

    氧化催化。利用鉑和鈀等貴重金屬作為催化劑的組成成分，以氧化鋁和二氧化硅制成蜂窩狀陶瓷作為載體，用于SOF的催化轉化。在正常的排氣溫度環境下，SOF在催化劑的作用下被氧化，并被催化劑吸附，SOF在高溫時脫離催化劑載體，隨廢氣排出而達到凈化。通過氧化催化，SOF降低率達到60%-80%，從而降低PM排放20%-30%。因此要求氧化催化載體具有低溫吸附SOF性好，高溫與SOF脫離性好的特點。