（动力机械及工程专业论文）非平衡等离子体辅助催化技术降低柴油机有害排放的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们环保意识的增强和汽车排放法规的日益严格，降低柴油机有害排放 的研究已成为柴油机技术进一步发展的重要课题。相关研究表明，单纯依靠发动 机机内净化的技术措施还不能完全有效地解决排放问题，有必要辅助有效的机外 后处理措施。非平衡等离子体后处理技术是从2 0 世纪如年代兴起的柴油机排放 控制技术，它将等离子体物理、高压电源技术、发动机排放控制、化学反应动力 学等多种学科综合在一起，辅助催化技术可以有效转化柴油机的有害排放。 本研究课题通过对介质阻挡放电物理特性和化学过程的研究，设计出介质阻 挡放电非平衡等离子体试验装置，采用交流高压高频电源产生等离子体，辅助催 化剂系统，从理论和试验两个方面对非平衡等离子体处理柴油机有害排放物进行 了研究。 本文对非平衡等离子体处理柴油机有害排放技术做了探索性研究。在分析非 平德等离子体转化排气中有害排放物的反应机理上，对介质阻挡放电等离子体发 生器及电源等性能进行了静态模拟试验，分析了非平衡等离子体发生器的特征参 数( 电源频率、放电电压和放电间隙等) 对发生器起晕电压和放电功率的影响， 优化了非平衡等离子体发生器的设计；结合辅助催化剂系统进行了柴油机台架试 验研究，得到了一些有价值的结论。 关键词：非平衡等离子体，介质阻挡放电，柴油机，台架试验，催化剂 江苏大学硕士学位论文 w i t ht h er a i s eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h es t r i n g e n to fv e h i c l e e m i s s i o ns t a n d a r d s ，t h ea u t o m o t i v ea n dt r u c km a n u f a c t u r e sa r ec o m p e l l e dt of o c u so n d e v e l o p i n gm o r ee f f i c i e n te x h a u s ta f t e r - t r e a t m e n td e v i c e st ol o w e rh a r m f u le m i s s i o n s f r o md i e s e le n g i n e sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t r e s u l t ss h o wt h a to n l yu s i n gi n - c y l i n d e r p u r i f i c a t i o nm e a s u r oc a nn o tc o m p l e t e l yc o n t r o ld i e s e le m i s s i o n s ，a n dt h ed i e s e l a f t e r - t r e a t m e n tm e a s u f ei sn e e d e d t h et e c h n i q u eu s i n gn o n - t h e r m a lp l a s m ai san o v e l e m i s s i o nc o n t r o lm e t h o de m e r g i n gi nt h e1 9 9 0 s ，c o v e r i n gp l a s m ap h y s i c s ，h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l y , e n g i n ee m i s s i o nc o n 仃o l ，a n dc h e m i c a lr e a c t i o nd y n a m i c s , e t c , a n dc a n e f f i c i e n t l yc o n t r o ld i e s e lh a r m f u le m i s s i o n sw i t hc a t a l y s ts y s t e m a f t e rs o m er e s e a r c h0 1 1p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dc h e m i c a lp r o c e s s e so f d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ei nt h ep a p e r ，t h en o n - t h e r m a lp l a s m aa f t e r - t r e a t m e n t e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a sc o n s i d e r e da n dd e s i g n e db a s e do nt h ed i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g et h e o r y a cp o w e rw i t hh i g h - v o l t a g ea n dh i g h - f r e q u e n c yw a si 酽t o p r o d u c en o n t h e r m a lp l a s m a a na c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n p r o c e s s i n gh a r m f u le m i s s i o n sf r o md i e s e l 翻咖b yn o n - t h e r m a lp l a s m aa s s i s t e d c a t a l y s tt e c h n o l o g yw a sc a r r i e do u t i nt h i s t h e s i s , t h eh a r m f u le m i s s i o nc o n t r o lt e c h n i q u eb yu s i n gn o n - t h e r m a l p l a s mw a si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y b a s e do nt h ea n a l y s i so fc h e m i c a lr e a c t i o n b e t w c e nd i e s e lh a r m f u le m i s s i o n sw i t hn o n - t h e r m a lp l a s m am e c h a n i s m , s t a t i c s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ea f f e c t i n g 蠡i c c 0 幅o n b r e a k d o w nv o l t a g ea n dd i s c h a r g ep o w e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e mi n c l u d i n gp o w e r f r e q u e n c y 、d i s c h a r g av o l t a g ea n dg a sg a pe t e t h ee x p e r i m e n t so i ld i e s e le n g i n ew a s c a r r i e do u la n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c e so ft h en o n t h e r m a lp l a s m a r e a c t o ra s s i s t e dc a t a l y s ts y s t e ma n dd i e s e lh a r m f u le m i s s i o n sw a si n v e s t i g a t e d ，a n d s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sw e r ed r a w nb a s e do nt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：n o n - t h e r m a lp l a s m a ，d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，d i e s e le n g i n e ， b e n c ht e s t ，c a t a l y s t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名： 年月曰 雠：氟馐 2 ，c 啼6 月f 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 世界范围内，汽车是旅客和货物运输最重要的交通工具。而在2 1 世纪相当长 的时期内。内燃机仍将是汽车的主要动力。柴油机与汽油机相比，具有功率大、 燃油热效率高、使用寿命长和可靠性好等优点【1 引。另外，随着柴油机排放控制技 术的不断提高，使其在车用动力中逐渐占据重要地位。在一些发达国家，1 0 0 的 重型车都使用柴油机；在欧洲，约2 0 的轿车、9 0 的商用车是柴油车，在德国 等国家几乎所有的出租车都使用柴油车；法国新车销售中柴油车所占的比重由 1 9 9 8 年的4 0 、1 9 9 9 年的4 4 上升至2 0 0 0 年前8 个月的4 8 ；在美国，约 的商用车为柴油车；在我国，尽管1 9 9 9 年柴油车的产量已占到汽车总产量的 5 3 1 ，但9 0 以上为重型载货汽车和大型客车，微型轿车中鲜有柴油车出现。低 油耗、低排放、高效率的柴油车是世界上应用最广泛的汽车类型。近十几年来， 随着世界范围内环保意识的增强，各国纷纷颁布严格的汽车排放法规来限制汽车 的有害排放。对柴油机而言，其排气中c o 和h c 比汽油机少很多，但是n o ；和 p m 颗粒排放量难以有效控制，这不仅严重污染了空气，也影响了柴油机的发展。 如何有效降低柴油机所产生的n o i 和p m 颗粒排放，仍然是未来柴油机发展的重 要课题。 国内外研究表明，要最大程度地降低柴油机的有害排放，仅仅依靠改进发动 机自身结构已很难实现，必须辅之以有效的机外净化技术。目前，采用非平衡等 离子体技术转化柴油机的有害排放，已成为国内外研究的热点。非平衡等离子体 技术用于处理污染物具有处理效果好、使用范围广、能同时处理多种污染物、无 二次污染等优点，是目前废气处理领域颇具竞争力的一种方法，具有广阔的发展 前景f 3 1 。与国外相比，国内对非平衡等离子体技术在内燃机中的应用研究不多， 主要停留在实验摸索阶段，对非平衡等离子体与有害排放气体之间的相互转化效 果及影响规律有待进一步研究。 本文将对有关非平衡等离子体技术的原理进行一些介绍，根据介质阻挡放电 理论设计了非平衡等离子体发生器；通过静态模拟试验优化发生器的结构设计， 江苏大学硕士学位论文 确定发生器的最佳稳定工作参数；利用优化设计后的发生器装置并辅助催化剂系 统进行发动机台架试验，较为全面地分析该技术对降低柴油机有害排放的影响。 通过本文的研究，为柴油机后处理研究领域提供一些参考，以提高我国柴油机有 害排放机外净化技术。 1 2 柴油机的排放法规和发展趋势 柴油车在动力性、经济性方面都具有很大的优势，尤其是在节能与环保方面 的优势，则是包括汽油机在内的所有热力发动机无法取代的。但是，柴油机的n 仉 和p m 颗粒排放问题较为严重m 。柴油发动机的尾气排放中所含的大量有害颗粒 物，即所谓“冒黑烟”问题能否得到有效解决，成为影响我国大量使用既节能又 经济的柴油车的关键因素之一。 欧美城市在上世纪6 0 、7 0 年代曾出现过严重的机动车排放污染，后来通过不 断提高汽车排放控制标准和加强车辆管理的办法，使之得到了很大改善。在上个 世纪9 0 年代，欧美国家开始实旌欧1 或相当于欧1 排放标准，然后每四五年都将 标准提高一级。欧洲2 0 0 0 年已经开始实施欧3 标准，2 0 0 5 年实施欧4 标准，到2 0 1 0 年将实行更为严格的欧5 排放标准；美国也实施了非常严格的排放控制标准，在加 州已出台实施超低排放法规和零排放法规。欧洲重型柴油机排放法规如表1 1 所 示。 表1 1 欧洲重型柴油机排放法规 单位：k w h t a b 1 - 1e m i s s i o ns t a n d a r d s o f h e a v y - d u t y d i e s e l c i l g i n o $ o f e t u o p e 等级实施时问测试循环 c og k w h h c g 戊w hn o 。g k w h i mg 戊w hs m o k em _ 1 1 9 9 2 8 5 删1 1& o0 3 6 e c 翻脚 1 螂1 04 0l 17 o0 欧2 1 螂1 04 o1 17 00 1 5 1 9 9 9 1 0l - s0 2 57 00 0 2o 1 5 欧3 0 咖1 0z l0 脚5 oo 1 帆1 3 0 8 e 9 c 髓i j l 欧42 啷1 01 50 4 60 0 20 5 欧52 瞄1 01 , 50 崩2 o0 j 0 20 5 江苏大学硕士学位论文 注：表中为单缸排量小于0 7 5 l 和额定功率转速大于3 0 0 0 r r a i n 的柴油机 ( e s 卜欧洲稳态循环；且欧洲负荷响应循环) 我国目前是参照欧洲标准体系来制定柴油机排放标准，但是实际执行时间要 推迟一些。这主要是因为我国的产品技术水平不高，排放控制水平还比较落后。 重型柴油车排放标准如表1 2 所示。 表1 - 2 中国重型柴油车排放标准( g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ) 单位：g jk w h t a b 1 - 2e m i s s i o ns t a n d a i d so f h e a v y - d u t yd i e s de n g i n 龉o f ( 】a i n a ( g b l 7 6 9 1 - 2 0 0 1 ) o oh cn o xp mp m 检验类别实施日期备注 g k w hs k w hg k w h 璺5 k w 戤敷w 型式认证试验2 1 9 14 51 18 0o 6 10 3 6相当于欧 生产一致检查2 1 9 14 91 - 2 39 00 6 80 4 01 排放 型式认证试验 2 0 0 3 9 14 01 17 00 1 50 1 5 生产一致检查 2 1 4 9 14 o1 王7 o o 1 5 o t l 5 相当于欧 型式认证试验 2 0 晒1 14 01 17 0 o 1 50 1 5 2 排放 生产一致检查 2 6 1 14 o1 17 oo 1 5o 1 5 我国柴油车排放控制水平的落后主要表现在：( 1 ) 与汽油车相比，柴油车的 n o x 、p m 排放量和噪声相对较大；( 2 ) 与发达国家相比，我国柴油车的排放控制 平均水平落后。所以，我国要实现柴油车排放控制水平与国际接轨的目标还面临 着相当大的挑战1 2 , 6 1 。2 0 0 1 年超；我国开始实施柴油车排放控制第一阶段标准，相 当于欧i 柴油发动机的标准要求；2 0 0 3 年，国家环保总局、原经贸委和科技部联合 发布了柴油车排放污染防治技术政策，使我国目前柴油车排放控制达到相当于 欧柴油发动机的标准水平；2 0 0 5 年，国家环保总局又公布了我国柴油车排放控制 第三、四、五阶段标准，该标准已于2 0 0 7 年1 月起实施，力争到2 0 0 8 年使我国柴油 车排放控制标准达到相当于欧标准要求，并于2 0 1 0 年使我国柴油车排放控制标 准与国际接轨。这些法规的颁布将有力地促进我国汽车、内燃机行业的发展和排 放控制水平的提高。 1 3 降低柴油机有害排放的措施 3 - 江苏大学硕士学位论文 1 3 1 柴油机排放特点 柴油机排气中的有害成分主要有c o 、h c 、n o x 、p m 以及硫化物等。柴油机 与汽油机相比，柴油机混合气的空然比较大，故c o 和 i c 排放比较低，约为汽 油机的3 0 ；柴油机n o x 的排放与汽油机大体相当，p m 颗粒捧放量远高于汽油 机，试验表明柴油机颗粒排放可达汽油机的数_ 卜倍。柴油机与其它燃料发动机的 n o x 和p m 颗粒排放比较如图1 - 1 所示。 肇播撬我抽文瞄瞄甲羹辜 图1 - 1 柴油机与其它燃料发动机的n o x 和p m 排放比较( 假定柴油机为i ) f i g 1 1c o m p a r i s o n so f a n d p mn 删r m d i 刚咖ea n do t h e r 州蛐g i n e 柴油机排放特点是n o x 和p m 颗粒的排放高，其它污染物却比较低。然而， 柴油机排放的n o x 和p m 生成条件有相反的倾向，因此在研究减少n o x 排放的 控制技术时要兼顾对p m 生成量的影响，也要考虑对燃油消耗率和输出功率的影 响，取得两者兼顾的控制技术才有实用价值门这样就加大了柴油机捧放控制的 难度。因此，如何有效降低柴油机n o x 和p m 颗粒的排放是柴油机排放控制技术 研究的重点。 1 3 2 柴油机n o x 和p m 颗粒排放机内净化措施 ( 1 ) 采用电控技术 在柴油机工况变化的过程中，通过对供油系统、涡轮增压系统、废气再循环 系统及配气结构进行优化控制，可以大大改善柴油机的动力性、经济性和排放性 能。其中电控燃油喷射系统能够精确控制喷油定时和喷油规律，p m 颗粒排放可以 降低4 0 以上，成为柴油机发展的主要研究方向之一。 ( 2 ) 高压喷射技术 提高喷射压力可以减小油雾的平均粒径，加大蒸发面积，降低燃烧室内局部 2 i 尊 毒 l o l 尊 口 睁 江苏大学硕士学位论文 缺氧的可能性。这样可以减少p m 颗粒排放量，更加快了后期燃烧速度，从而有 利于调整预混燃烧和扩散燃烧，以解决n o x 和p m 排放之间的矛盾。改善燃料与 空气混合可以促进碳颗粒燃烧，是降低碳烟排放的重要途径。另外，增加喷油孔 数，减小喷射直径，适当增加喷油提前角等措施亦可以有效降低p m 颗粒排放量。 ( 3 ) 改进缸盖结构 为了使燃油与空气充分混合，降低燃油在高温缺氧条件下裂解的可能性，可 以对缸盖结构进行适当改进。 通过对缸盖结构的适当改进，可以改善燃油与空气雾化质量，降低燃油在高 温缺氧条件下裂解的可能性。首先是气道的改进，试验表明随着进气涡流强度的 增加，颗粒质量浓度有下降的趋势，因此可以采用可变涡流进气道技术，适应柴 油机工况的变化。其次采用多气门技术，将喷油器布置在燃烧室中心，使燃油均 匀地分布到各个油束中，油束与活塞顶匹配也更加合理，不易产生燃料局部过浓 的部位，为燃油和空气的良好混合创造有利条件，并且有利于抑制微粒的产生。 另外还可以加大进气流通面积，以增加充气效率，提高了柴油机的动力性和经济 性，降低有害排放量。 ( 4 ) 废气再循环( e g r ) 发动机燃烧室内n o 。的生成主要是受高温和富氧的影响，因此为了减少n o x 排放，需要采取适当方法来降低燃烧室内的温度和氧含量i s 。废气再循环技术是把 气缸内燃烧气体再度回复到进气一侧的废气再循环系统，使其再次进入气缸进行 燃烧的控制技术。废气添加到进气中可以起到稀释作用，可以有效降低燃烧室内 燃烧温度和氧含量，从而同时降低燃油消耗和n o x 排放。与汽油机相比，柴油机 中0 2 的含量较高。因此，运用废气再循环技术降低柴油机n o x 排放是可行的。 直喷式柴油机的废气再循环量可以超过进气总量的6 0 ，非直喷式柴油机的废气 再循环量可以达到3 0 。由于直喷式柴油机允许较大的废气再循环量，所以在使 用废气再循环的情况下，直喷式柴油机和非直喷式柴油机的n o x 排放量相当。 ( 5 ) 增压和增压中冷技术 采用增压措施，可以提高柴油机的充气效率，再结合有效的冷却措施可以达 到节省燃油消耗和降低排放的目的。充气效率的增加可以大幅度降低颗粒排放， 同时由于冷却使得燃烧最高温度得以降低，在一定程度上抑制了由于增压带来的 江苏大学硕士学位论文 n o x 排放量的增加。 ( 6 ) 燃料的改进 采用高十六烷值和低硫燃油可以降低柴油机的p m 颗粒排放。在柴油机p m 颗 粒排放中，燃油含硫部分占1 5 。使用低硫燃料可以直接降低s 0 2 硫酸盐颗粒物 排放，还可以减少大气中s 0 2 形成硫酸盐颗粒物的可能性。通过使用一定的燃油 添加剂可以防止和消除喷油器头部的积碳，进而减少碳烟排放。使用代用燃料已 成为控制柴油机排放的有效措施之一，具有良好的应用前景。 1 3 3 柴油机n o x 和p m 颗粒排放机外净化措施 通过机内控制技术来降低柴油机排气污染物，常常与提高功率及降低油耗发 生冲突，往往要做出一些妥协，牺牲某一方面的优点；例如采用高压喷射技术可 以有效减少大颗粒物的排放，但是小颗粒物数量有所增加，并且对人体的危害更 大。另外，研究表明要满足欧及其以上排放法规，单纯依靠机内净化措施是不 够的，有必要采取机外净化技术。 ( 1 ) 柴油机n o ；排放机外净化措施 如何降低n o x 排放是柴油机排放控制的重点与难点b 1 0 】。n o x 的后处理技术 主要采用催化转化方法，利用化学方法降低n o x 的方法有n o ：的分解、氧化和还 原。理论上可以将n o 。分解成n 2 和0 2 ， 的催化转换器在内燃机中没有实际应用； 但是过程进行得很慢。目前，分解n o x 而n o ：的氧化产物是亚硝酸盐、硝酸盐 等固体物质，对车用柴油机不适用；研究发现在柴油机排气中加入还原剂与n o x 进行还原反应是可行的。 目前，柴油机n o x 后处理方法有选择性催化还原( s c r ) 、选择性非催化还原 ( s n c r ) 、非选择性催化还原( n s c r ) 和吸附性催化还原等，如表卜3 所示。 表l _ 3 降低n o , 的机外后处理措施 机外后处理措施还原剂 n 0 ；最大转换率 稀n o 。( 主动) 喷入h c3 0 稀n o 。( 被动) h c 1 5 等离子体技术氨5 0 n o 。的吸附一催化技术h c 、c o 、h 2 5 4 s c r尿素、氨6 5 其中采用尿素、s i - 1 3 和h c ( 乙烯、丙稀和丁稀等) 作为还原剂的选择性催化系统 江苏大学硕士学位论文 已得到了广泛的研究。在反应中，n o 。的还原反应在选择性还原转化器中被加速， 还原剂的氧化反应受到抑制。以尿素作为还原剂的s c r 系统已经在发电厂和固定 式柴油机中得到广泛应用，而且作为载重车用柴油机排气后处理装置也是很有应 用前景的。对于车用柴油机而言，最好的还原剂是燃油中含有的h c ，因而以h c 作为还原剂的s c r 系统很受重视。试验表明，以h c 作为还原剂的s c r 系统对 n 0 ：的转化率可达2 0 左右，额外燃油消耗率为2 。 ( 2 ) 柴油机p m 颗粒排放机外净化措施 柴油机微粒主要是由于碳氢燃料不完全燃烧而生成的，其中可溶有机成分来 自不完全燃烧的燃油和润滑油，它们裂解后以固相碳氢化合物和碳的形态排出机 外。微粒大多是在扩散燃烧期火焰向燃油喷束中心传播时生成的，为高温缺氧产 物。 r i c a r d o 公司利用气相色谱分析颗粒组成部分为：碳烟占4 1 ，未燃燃料占7 ，未燃润滑油占2 5 ，硫化物和水占1 4 ，未知成分占1 3 。柴油机颗粒组成 如图1 2 所示。因为润滑油等其它因素的存在，所以仅仅靠优化燃烧过程来控制 柴油机颗粒排放是不够的，需要采取柴油机排气后处理机外净化措施。 图1 2 柴油机颗粒成分 f i g 1 - 2c o m p o n e n to f d i c lp ma n i s s i o n s 常用的颗粒机外净化装置有氧化催化转化器、颗粒捕集器和静电颗粒捕集器。 在诸多柴油机颗粒物净化技术中，最常用的是颗粒捕集器。颗粒捕集器由两部分 组成：颗粒过滤装置和再生装置。过滤装置由耐高温的过滤介质组成，通过扩散、 沉积和撞击机理捕集排气中的颗粒物，从而达到净化的目的。随着过滤体内颗粒 物的不断积累，将会引起过滤效率下降，同时排气阻力增加，因此需要由再生装 置进行再生。颗粒过滤器只能把颗粒从排气中过滤出来，收集在颗粒过滤器里， 江苏大学硕士学位论文 它本身并不能清除颗粒。积累的颗粒会增加排气中的流动阻力，增加柴油机排气 背压，影晌柴油机的换气和正常燃烧，增加燃油消耗。因此当排气背压达到一定 值时，必须采取措施消除积累的颗粒使过滤体得以再生。目前的再生技术有：燃 油助燃再生、催化再生、电加热再生、微波再生和逆向喷气再生等再生技术。 氧化转化器主要是用来降低颗粒物中的有机可溶成分( s o f ) 以及h c 和c o 排放。通过氧化催化器可以促进柴油机排气中c o 和h c 的氧化，并且对柴油机 的动力性和经济性影响很小。氧化催化器的催化剂一般有稀有金属铂、钯等负载 组成，并浸在氧化铝、二氧化硅等载体上，过滤体最大限度的接触气态和液态有 机成分。氧化催化转化器所面对的气体成分很复杂，其中润滑油和燃料添加剂的 非可燃沉积物以及排气中的二氧化硫形成的杂质，会缩短催化剂的使用寿命。柴 油机应用氧化催化转化器的先决条件是有效控制副产物一硫化物的生成，并且解 决催化剂中毒问题。 静电颗粒捕集器主要是通过附加电场对颗粒进行吸附脱除，从而达到降低p m 颗粒的目的。柴油机排出的p m 颗粒中有7 0 8 0 ( 质量百分比) 呈带电状态，每 个带电颗粒约带1 5 个基本正电荷或负电荷，整体保持电中性。柴油机排气颗粒 带电的特点为附加强电场对颗粒进行静电吸附提供了可实现的依据。国内外试验 研究表明，通过静电捕集技术对碳粒进行处理后，碳粒的去除效率可达8 0 以上， 而且对发动机性能的影响不大。这种技术面临的主要问题是结构复杂，再生问题 以及车用中存在体积与捕集效率之间的矛盾。 1 3 4 同时降低n o x 和p m 后处理技术 为了同时降低n o ；和p m 颗粒排放，国内外研究机构往往采用多种形式并举 的措施，如：过滤器和s c r 技术、过滤器和n q 吸附器等。近年来，柴油机后处 理领域出现了一些新的技术：四元催化转化器由稀燃n o 。催化剂和柴油氧化 催化剂两种技术综合的单一装置。该技术需要用催化的方法，目前还处于探索性 试验阶段。同时降低p m 和n 0 ；催化构造如图1 3 所示【l 】。 江苏大学硕士学位论文 b 奇 图1 - 3 同时降低n o x 和p m 催化剂构造图 f g 1 - 3 s m | c i m e o f c a t a l y s t f o r r 。d i l c i n gs i m u l t a n e o u s l y n o x d i m e m i s s i o n s 1 4n t p 辅助催化技术降低柴油机n o x 和p m 排放 1 4 1 采用n r p 技术降低p m 排放 采用非平衡等离子体( n t p ) 技术降低p m 排放的研究，主要是通过对n o x 和 p m 颗粒进行氧化转化或直接捕集处理来进行的。非平衡等离子体中含有强氧化性 的0 3 、o h 基和o 基等活性基团，可以与碳烟进行氧化化学反应从而予以转化f 1 1 3 1 ； 目前，对利用非平衡等离子体技术捕集柴油机微粒的研究还处于实验室阶段，己 获得较满意的数据。n t p 碳烟颗粒捕集器的工作原理类似于静电除尘，柴油机废 气中的碳烟颗粒在高压电晕放电场中荷电，并在电场的作用下移向电极并积聚： 一定时间后可用燃烧的方法再生。由于它不像陶瓷易被破坏，因而能够较好地解 决再生的问题。等离子体静电捕集微粒装置的流动阻力小，对发动机的性能影响 较小，而且具有较高的捕捉效率，能解决微小微粒难于收集等问题的优点，这是 传统微粒捕捉器所不具有的。 1 4 2n t p 辅助催化技术降低n o x 排放 柴油机排气中的有害物经过n t p 反应器，会发生复杂的化学反应，其中n o 很容易被氧化成具有强氧化性的n 0 2 ，还可以在柴油机排气温度下将碳烟微粒氧 化成碳的氧化物，使微粒浓度降低；同时微粒中的c 还原了部分n o i ，致使n o x 的排放量下降。研究表明，n t p 可增强催化剂的选择性和活性，与催化剂结合能 对柴油机排气中的n o i 和微粒有很好的转化效果，同时还可减少柴油机排气中c o 和h c 排放，具体转化机理详见3 2 节。n t p 辅助催化技术具有流程短、转化效 率高( 微粒减少9 0 以上) 、处理彻底、无二次污染、能耗低和适应温度范围广、对 9 江苏大学硕士学位论文 燃油含硫量没有要求等优点，是一个有着良好应用前景的新技术，蕴藏着很高的 使用价值，是柴油机后处理研究的最新发展方向【3 ，1 4 1 。 1 5 本论文主要研究内容 课题研究中，利用介质阻挡放电方式产生非平衡等离子体，电离气体产生大 量反应活性很高的电子、原子、分子和氧化性很强的自由基体，与柴油机有害排 气发生化学反应。在化学反应过程中，添加合适的催化剂可以降低气体分子的活 性能从而加速化学反应，从而达到降低柴油机有害排放的目的。另外，该技术还 可以有效控制反应副产物的生成。因此，这一技术在气体环境治理领域中受到国 内外广泛关注。 本论文主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 通过静态模拟实验来确定n t p 发生器的电极形式、介质材料、放电间隙 和布置方式。 ( 2 ) 通过静态模拟实验和理论研究来分析影响发生器稳定工作的主要因素及 其规律。确定n t p 发生器最佳稳定工作参数，包括放电电压、电流和频率等。 ( 3 ) 通过对柴油机进行台架实验，研究在n t p 发生器最佳工作参数状态下， 发动机不同工况下的性能和排放变化情况；选取n t p 发生器作用效果较好的工况， 通过改变发生器参数来研究发生器参数变化对发动机性能和排放的影响及其规 律，主要以低速大扭矩、燃油经济性、加速烟度和排气烟度为优化目标，确定各 工况下最佳n 卵发生器的工作参数。 ( 4 ) 辅助催化系统，采用多种方案组合，研究柴油机n o 。和p m ：m 放的转化降 低规律，确定最佳装置组合方案。 ( 5 ) 根据实验研究结果，研究转化装置的优化设计和转化条件的选择和控制， 为n t p 技术用于汽车尾气净化领域的可行性提供科学依据。 本论文主要从理论和试验两方面对n t p 辅助催化技术降低柴油机n o x 和p m 排放进行了分析和研究。研究发动机不同运转工况下n t p 发生器参数对发动机性 能和排放的影响，综合考虑发动机的动力性、经济性，n o ；及排气烟度，确定该 工况下最佳发生器匹配工作参数，为n t p 技术在柴油机上的实用化研究提供了一 定的理论基础和技术依据。 江苏大学硕士学位论文 第二章n - t p 辅助催化技术理论基础 2 0 世纪印年代形成的n t p 化学是涉及高能物理、放电物理、放电化学和反 应工程学等领域的- f 交叉学科。进入2 0 世纪踯年代后，将n t p 技术用于处理 各类污染物成为国内研究的热门之一。n t p 技术既可用于处理废气又可用于处理 废水、固体废物、污泥，甚至放射性废物。将该技术应用于汽车尾气治理领域是 一种全新概念。为了达到更好的处理污染物效果，人们开始研究非平衡等离子体 辅助催化系统。该系统包括n t p 反应器和催化剂系统两部分，包含两个部分：一 部分是n t p 反应器，用于将n o 转化为n 0 2 , 另一部分是催化剂系统，用于将 n 0 2 转化为n 2 。除了能有效降低n o i 排放外还可以降低部分p m 颗粒排放。德尔 富汽车公司联合太平洋西北国家实验室依据该技术研制了废气后处理系统用于降 低柴油机的排放【1 5 1 。 n t p 技术具有净化效率高、能耗低、处理彻底以及无二次污染等特点，在处 理柴油机排气研究领域内有广阔的应用前景。美国汽车工程协会( s a e ) 把n t p 汽 车尾气排放控制技术列为2 0 0 0 年世界汽车工业十大技术之- - 1 埘。 2 1 等离子体概述 等离子体是物质在高温或特定激励下的一种物质状态，是除了固态、液态和 气态以外物质的第四种存在形式。通常称等离子体是“物质的第四态”。它是由电 子、离子、中性粒子和自由基体组成的导电性流体，整体保持电中性【1 7 1 9 】。在等 离子体空间中，电子和离子无规则热运动超过它们的定向运动，其中离子的质量 比电子大得多，不易被加速；中性的自由基体完全不被加速，造成电子的平均动 能远大于离子和中性基团的动能，这样作为体系中质量主体的离子和自由基体温 度比电子低得多，逐渐形成电子温度与气体温度分离的体系，形成低温等离子体， 也可以称之为非平衡等离子体。 等离子体按热力学状态不同和中性气体温度高低可分为高温等离子体和低温 等离子体。低温等离子体又分为热平衡等离子体、非平衡等离子体和燃烧等离子 体【1 9 1 。热平衡等离子体为局域热力学平衡等离子体，其特点是重粒子( 原子、分子 江苏大学硕士学位论文 和离子1 温度接近于电子温度；非平衡态等离子体特点是电子的温度很高，可以达 到1 旷k 。而重离子或中性粒子的温度可以保持在常温，因此整个体系的表观温度 还是很低，故又将非平衡等离子体称为低温等离予体卿q ；燃烧等离子体通过燃烧 形成，其特点是电离度极低。等离子体中原子和分子被激发，产生电子、离子和 自由基体。它们都是很活泼的反应物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反 应能够快速有效地进行。 等离子体有着许多独特的物理化学性质，在工业生产与日常生活中已得到广 泛的应用。近年来，等离子体在处理环境污染领域的应用引起了人们的极大关注， 利用电晕放电技术处理环境污染物，其中许多技术已经商业化应用，并取得了很 好的经济效益和环境效益，被认为是环境污染物处理领域中最有发展前途的技术 之一。随着微电子学、环境科学、能源与材料科学等学科的高速发展，为等离子 体科学发展带来了新的机遇和挑战。利用等离子体技术降低柴油机有害排放，也 逐渐引起人们的重视并开展了深入研究。 2 2n t p 产生及分类 2 2 1n t p 产生的微观过程 根据非平衡等离子体的微观机制嘲，其产生过程如下： ( 1 ) 激发过程：包括碰撞激发和光致激发 a + p + w - a + o 式中：a 表示激发态原子；表示激发能。 ( 2 ) 电离过程：包括碰撞电离和光致电离 a + e a r 啦_ a + + 知 a + 如_ a + + e 式中；啊表示电离能。 ( 3 ) 复合过程：包括辐射复合、三体碰撞复合和解离复合 a + + e _ a + 加 a + + e + e - a + g 1 2 江苏大学硕士学位论文 ( 仰) + + e 一( 仰) 一a + 口 ( 4 ) 电子依附过程 a + e + 矸0 - a + 矸i + h v 式中：矸名表示电子动能。 ( 5 ) 转荷过程 a + + 曰a + 丑+ 由非平衡等离子体的化学反应可以看出；通过气体放电产生的高能电子与气 体分子碰撞，使之激发到更高的能级。这些激发态分子可以与许多气体分子活化， 产生大量氧化性极强的0 3 和0 2 、o 、o h 自由基体，使通常条件下难以实现的化 学反变得容易进行，可以有效地用于空气污染物的净化。 2 2 2 等离子体的产生类别 在实验室中，有很多方法和途径可以产生等离子体，如气体放电、激光压缩、 射线辐照及热电离等，但最常见和最主要的还是气体放电法。按照其产生的方式、 压强范围和电极形状可以分为：辉光放电等离子体( g l o wd i s c h a r g ep l a s m a ) 、电 晕放电等离子体( c o r o n a d i s c h a r g e p l a s m a ) 、介质阻挡放电等离子体d i e l e c t r i c - b a r r i e r d i s c h a r g ep l a s m a ) 、射频放电等离子体( r a d i of r e q u e n c yd i s c h a r g ep l a s m a ) 、微波 放电等离子体( m i c r o w a v ed i s c h a r g ep l a s m a ) 和滑动电弧放电等离子体僧i d ea r c d i s c h a r g eo fp l a s m aa r cp l a s m a ) , 按照其产生来源分，等离子体又可分为辐射等离 子体和放电等离子体 2 3 - 2 7 1 。一般认为，电晕放电和介质阻挡放电( d b d ) 是比较 适合柴油机排气净化研究工作的放电形式1 2 s , 2 9 1 。 ( 1 ) 辉光放电等离子体( 霉娟，d i s c h a 增e p l a s m a ) 等离子体发出特有光辉的现象被称作辉光放电，其原因是由于电子的能量和 密度非常高，以至于在激发碰撞时产生可见光。大气压辉光放电由于具有放电效 率高、空问分布均匀的特点，所以在灭菌、消毒、废气处理、薄膜制备和聚 合物表面改性等方面具有广泛的应用价值。辉光放电可以提供活性物种或作为化 学反应的介质，同时还可以维持体系处于非平衡状态，在微电子工业、材料科学 和核能技术等领域有着广泛的应用前景。如等离子体刻蚀、固体薄膜沉积、等离 子体溅射喷涂、同位素分离及材料表面处理等【3 0 - 3 2 1 。其典型发生装置如图2 - 1 所 江苏大学硕士学位论文 不 图2 一l 平行平板大气压辉光放电装置 f i g 2 一le q u i p m d l to f p a r a l l e lf l a tg l o wd i s c h a r g e ( 2 ) 电晕放电等离子体( c o r o n a d i s c h a r g e p l a s m a ) 电晕放电是一种常见的气体放电形式。强电场作用下，在曲率半径很大的尖 端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励， 因而出现电晕放电。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场 间隙击穿过程中的初级阶段。一般在高压和强电场的作用下，不容易获得稳定的 电晕放电，而容易产生局部的电弧放电。所以，为提高电晕放电的稳定性，通常 将反应器做成非对称的电极形式；电晕放电也可以在大气压下工作，但需要足够 高的电压以增加电晕部位的电场。根据电源性质不同，电晕放电反应器的设计分 为直流电晕放电( d cc o r o n a ) 和脉冲式( p u l s e dc o r o n a ) 电晕放电两种。 目前在气体污染物治理方面应用研究较多的是直流电晕放电和脉冲电晕放 电，其在烟气脱硫脱硝、汽车尾气治理领域的应用研究已经取得了很多成果，是 气体污染物治理的一条有效途型3 3 1 。利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、 空气净化等。 ( 3 ) 介质阻挡放电等离子体( d i e l e c t r i c - b a r r i e rd i s c h a r g ep l a s m a ) 介质阻挡放电( d b d ) 是将绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。 介质可以覆盖在电极上，也可以悬挂在放电空间里。在两个放电电极之间充满某 种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂 在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中。当两电极间施加一定频率( 5 0 h z i m h z ) 的足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡 放电1 3 4 3 5 1 。在实际应用中，管线式的电极结构也被广泛采用，其电极和间隙结构 为同轴圆柱形，电场为非均匀分布在介质阻挡放电中，常见的管线式电极结构形 式如图2 2 所示。当击穿电压超过帕邢( p a s c h e n ) 击穿电压时，间隙中就会出现 江苏大学硕士学位论文 大量随机分布的微放电。这些微放电是由大量细微的快脉冲放电通道构成的，放 电特点是均匀、漫散和稳定，貌似低气压下的辉光放电。为了获得稳定的气体放 电，通常都是在电极间插入介质层以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电。 表2 - 1 为辉光放电、电晕放电和介质阻挡放电的特性参数。由表2 - 1 可以看 出介质阻挡放电的折合电场强度、电子能量等主要特性参数均要优于电晕放电和 辉光放电。 表2 - 1 等离子体放电的特征参数 参量 辉光放电 电晕放电介质阻挡放电 气体压强( p a ) 1 01 0 51 0 5 电场强度( v e r a ) 1 0 5 0 0 5 x1 0 1 0 2 1 0 5 电子能量( e v ) o 5 25l 1 0 电子密度( e r a ) l o - 8 l o 。1 1 1 0 3 ，可变 1 0 1 4 电离度 l o 1 0 4 小，可变 l o - 4 介质阻挡放电形式具有能量利用率高、放电过程容易控制并且操作条件不苛 刻等优点，目前在臭氧发生技术、辐射光源和挥发性有机物