改性沸石氮捕获系统对柴油机性能与尾气排放影响的创新研究

为解决柴油机尾气排放污染与性能优化难题，研究人员开发了基于PSA（压力摆动吸附）技术的氮过滤系统，采用酸处理及钙/锂离子交换改性的斜发沸石，实现实时氧富集（O2浓度提升至24.3%）。实验表明，该系统显著降低CO（12.5%）、HC（8.6%）和烟度（9.4%），同时提升扭矩（4.9%）和制动热效率（3.7%），为柴油机清洁化提供可持续解决方案。

　　

在全球气候变暖与环保法规日益严格的背景下，柴油机作为农业、运输等领域的主力动力源，其尾气排放问题尤为突出。传统方法如后处理系统成本高昂，而替代燃料又可能牺牲发动机性能。更棘手的是，多数减排技术会陷入“减排CO、HC却增加NO_X”的困境。如何在不影响动力输出的前提下实现清洁燃烧？这一矛盾催生了氧富集燃烧技术的研究。然而，现有氧富集方案依赖高压氧气瓶，难以持续供应，成为制约其实际应用的瓶颈。

针对这一挑战，来自中国的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表了一项突破性研究。他们摒弃传统氧气瓶方案，创新性地将压力摆动吸附（PSA）技术与改性沸石相结合，设计出可连续供氧的氮捕获系统。通过酸处理及钙（Ca²⁺）、锂（Li⁺）离子交换对斜发沸石进行改性，显著提升了其对氮气（N₂）的选择性吸附能力，使出口空气氧浓度最高达24.3%。该系统首次实现了柴油机进气氧含量的实时调控，为发动机清洁化提供了可持续解决方案。

研究团队采用三项关键技术：首先通过SEM/EDX（扫描电镜/能谱分析）表征沸石微观结构与元素组成；其次构建PSA系统，对比未改性、酸改性（AMZ）、钙改性（Ca-Z）和锂改性（Li-Z）沸石的氧富集效率；最后通过台架试验全面评估对柴油机排放（CO、HC、NO_X、烟度）与性能（扭矩、制动热效率BTE）的影响。

Zeolite modification techniques
研究发现，锂改性沸石（Li-Z）的Si/Al比降至4.21，钙改性（Ca-Z）则升至6.38，而酸处理使沸石比表面积扩大1.8倍。EDX分析显示Li-Z的锂含量达3.12wt%，显著增强N₂吸附能力。

Characterization of zeolites
SEM图像揭示改性后沸石形成更多介孔结构，锂离子成功嵌入沸石骨架，其N₂/O₂分离性能媲美商用Li-X沸石。

Conclusions
台架试验显示，采用Li-Z时效果最优：CO、HC和烟度分别降低12.5%、8.6%和9.4%，但NO_X增加8.3%。性能方面，扭矩提升4.9%，BTE提高3.7%，同时缸内压力峰值增长14%。值得注意的是，该系统避免了氧瓶方案的断续供氧缺陷，振动与噪声亦得到改善。

这项研究的核心突破在于将PSA技术与多维度沸石改性策略相结合，首次实现柴油机连续氧富集燃烧。锂改性沸石展现出媲美合成沸石的性能，但成本仅为后者的1/5。尽管NO_X升高问题仍需解决，但该技术为柴油机减排提供新思路——通过前置吸附净化而非后处理来优化燃烧。未来若与EGR（废气再循环）技术联用，或可突破NO_X控制瓶颈。正如作者Hanbey Hazar团队强调的，这项技术尤其适合在资源丰富地区推广，为交通与非道路机械的低碳化提供可行路径。