（动力机械及工程专业论文）DBD型低温等离子体转化NOltxgt的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 柴油机以其优越的燃油经济性、动力性和较低的c 0 2 、c o 、h c 排放， 正逐渐成为重要的车用动力源。但是，柴油机存在p m 和n o x 排放量高且难 以控制的问题，加之汽车排放法规日益严格，如何降低柴油机排气中的有害 物，尤其是n o x ，成为目前的一个研究热点。由于介质阻挡放电型低温等离 子体具有能同时处理多种污染物、无二次污染、低能耗等特点，是一项具有 广泛发展前景的降排技术。 为设计等离子体反应器，进一步探索了大气压下空气中介质阻挡放电的 各种影响因素。通过建立平板型介质阻挡放电装置，采用q ，李萨如图形测 量方法，研究了阻挡介质厚度、放电气隙宽度、激励电压和激励频率对放电 功率、等效电场强度、等效电容和单周期电荷传输量、平均放电电流等放电 特性参量的影响规律。试验结果表明增大激励电压和激励频率、采用薄介质 和小放电气隙可以得到较大的电场强度、单周期电荷传输量和平均放电电流。 考虑到放电稳定性，放电气隙宽度和介质厚度的最佳设置范围为1 - 3 m m ， 激励电压峰峰值不大于2 3 k v ，激励频率不大于1 4 k h z 。 设计了介质阻挡放电型低温等离子体反应器，建立了低温等离子体柴油 机模拟排气处理系统。为了研究低温等离子体反应器转化n o x 的反应机理， 以及放电特性、0 2 浓度、n o 和c 3 h 6 初始浓度等因素对n o 氧化转化和还原 转化的影响，分别将n 2 0 2 、n 2 n o 、n z o z n o 和n 2 0 2 n o c 3 h 6 混合气通 过反应器，在大气压下进行试验，并检测n o 、n 0 2 和0 3 等气体成分的体积 分数。探索研究表明：对于不同的混合气体，能量密度对n o x 转化有不同的 江苏大学硕士学位论文 作用效果，一般来说在能量密度约为5 0 0 j l 时，n o 的还原转化率和氧化转 化率都有一个峰值；n o 在n 2 气氛中的还原转化率很低，且能耗大；0 2 浓度 对n o 的转化反应影响较大，0 2 浓度越高，n o 氧化为n 0 2 的趋势越强，而 n o 的还原转化率越低，总的n o 转化率也随氧浓度的升高而降低；c 3 h 6 的 存在可提高n o 的还原转化率和氧化转化率，并能有效降低转化能耗。总之， 在柴油机富氧排气环境中，仅采用低温等离子体很难实现直接将n o 全部转 化为n 2 ，但可有效的将n o 氧化为n 0 2 ，为催化剂催化还原n o x 创造条件。 关键词：低温等离子体，介质阻挡放电，柴油机，排放，后处理，n o x 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e s e le n g i n eh a sg r a d u a l l yb e c o m et h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h o i c e s f o rv e h i c l e s ，b e c a u s eo fi t sp o w e ra d v a n t a g e ，s u p e r i o rf u e le c o n o m ya n dl o w e r c 0 2 ，h ca n dc oe m i s s i o n s h o w e v e r , n o xa n dp me m i s s i o n sa r eh i g ha n d d i f f i c u l tt oc o n t r o l ，a n dv e h i c l ee m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa r ei n c r e a s i n g l ys t r i n g e n t h e n c er e m o v a lo fh a r m f u le m i s s i o n sf r o md i e s e l e x h a u s t ，e s p e c i a l l yn o x ， b e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o t n o n - t h e r m a lp l a s m ap r o d u c e db yd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g ei sap r o m i s i n ge m i s s i o nc o n t r o lt e c h n i q u e ，w h i c hc a ns i m u l t a n e o u s l y r e d u c ev a r i o u sp o l l u t a n t s ，h a sn os e c o n d a r yp o l l u t i o n ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i e s i no r d e rt od e s i g np l a s m ar e a c t o r , av a r i e t yo ff a c t o r so fd i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) u n d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r ea t a i rw e r er e s e a r c h e d t h r o u g h e s t a b l i s h i n gf l a t p a n e l - t y p ed i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ed e v i c e ，t h ee f f e c t so f a p p l i e dv o l t a g ea n df r e q u e n c y , t h ed i s c h a r g eg a pd i s t a n c ea n dt h et h i c k n e s so f b a r r i e ro nd i s c h a r g ep o w e r , e q u i v a l e n tf i e l d ，e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e ，s i n g l ec y c l e c h a r g et r a n s p o r ta n da v e r a g ed i s c h a r g ec u r r e n tw e r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h e 留一， l i s s a j o u sf i g u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a td i s c h a r g ep a r a m e t e r s a r ed e c i d e db ya p p l i e dv o l t a g ea n df r e q u e n c y , t h ed i s c h a r g eg a pd i s t a n c ea n dt h e t h i c k n e s so fb a r r i e r i n c r e a s i n g a p p l i e dv o l t a g e a n df r e q u e n c y , u s i n gt h i n d i e l e c t r i cb a r r i e ra n ds m a l ld i s c h a r g eg a pd i s t a n c ec a l lg e ts t r o n g e re l e c t r i cf i e l d ， l a r g e rs i n g l ec y c l ec h a r g et r a n s p o r ta n da v e r a g ed i s c h a r g ec u r r e n t t a l 【i n gi n t o a c c o u n tt h es t a b i l i t yo fd i s c h a r g e ，d i s c h a r g eg a pd i s t a n c ea n dt h et h i c k n e s so f b a r r i e rh a db e t t e rb ei nt h er a n g eo f1 3 m m ，e x c i t a t i o nv o l t a g ei sn o tm o r et h a n 2 3 k v , a n de x c i t a t i o nf r e q u e n c yi sn o tm o r et h a n1 4 k h z 江苏大学硕士学位论文 an o n t h e r m a lp l a s m ar e a c t o rw a sm a d ea n de x p e r i m e n te q u i p m e n to fp o s t p r o c e s s i n gs y s t e m f o rs i m u l a t e de x h a u s to fd i e s e le n g i n ew a sd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t so fn o x c o n v e r s i o nw e r ec a r r i e do u ti nt h en 2 0 2 、 a n dn 2 0 2 n o c 3 1 - 1 6s y s t e m sa ta t m o s p h e r i c ，f o ra i m e dt o w a r d su n d e r s t a n d i n gt h e e f f e c t so fd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd i e s e le n g i n ee x h a u s tc o m p o s i t i o no nn o c o n v e r s i o nc h e m i s t r yi nn o n t h e r m a lp l a s m a s t u d yr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ee n e r g y d e n s i t yh a sd i f f e r e n te f f e c to nt h en o xc o n v e r s i o ni nd i f f e r e n ts y s t e m s g e n e r a l l y , w h e nt h ee n e r g yd e n s i t yi sa ta b o u t5 0 0 j l ，b o t ho fr e d u c t i o na n do x i d a t i o n c o n v e r s i o nr a t eo fn oh a v eap e a k n oc o n v e r s i o nr a t ei sv e r yl o wi nn 2 ，a n d l e a d st o s i g n i f i c a n te n e r g yc o n s u m p t i o n 0 2c o n c e n t r a t i o n h a ss i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h en oc o n v e r s i o n w h e n0 2c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e s ，t h eo x i d a t i o n t r e n dw h i c hl e a d sn ot on 0 2b e c o m e ss t r o n g e r , a sw e l la st h en or e d u c t i o n c o n v e r s i o nr a t ed e c r e a s e s t h et o t a ln oc o n v e r s i o nr a t ea l s od e c l i n e sw i t ht h e o x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g t h ee x i s t e n c eo fc 3 h 6c a ne n h a n c ec o n v e r s i o n r a t eo fr e d u c t i o na n do x i d a t i o n ，a l s oc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e e n e r g y c o n s u m p t i o n i naw o r d ，n oc a nb eh a r d l yc o n v e n e d i n t on 2d i r e c t l yb y n o n t h e r m a lp l a s m ai no x y g e ne n r i c h e da t m o s p h e r eo fd i e s e le n g i n ee x h a u s t ，b u t c a nb ee f f e c t i v e l yc o n v e n e dt on 0 2 ，w h i c hc r e a t et h ec o n d i t i o n sf o rc a t a l y t i c r e d u c t i o no fn o x k e yw 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 l e n g i n e ， e m i s s i o n s ，p o s tp r o c e s s i n g ，n o x i v 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 糊姗虢m 臌名：& 巧 为哆年易月弓e l 如7 年易月弓日 独创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 五凤互 日期：? 卵年6 月乡e l 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 汽车的发明使我们的生活、经济有了极大的进步。近几年我国汽车工业快速发展，汽 车消费呈现出了爆发式的增长。汽车保有量从1 0 0 0 万增长到2 0 0 0 万仅用了3 年时间，而 且大多数汽车在城市内行驶。据公安部交通管理局统计，截至2 0 0 8 年底，全国汽车达到 6 4 6 7 万辆，与2 0 0 7 年底相比增加7 7 0 多万量，增长1 3 2 。 柴油机有其它类型发动机不可替代的优势：热效率高( 汽油机的燃烧热效率约为3 0 ， 而柴油机的热效率约为4 0 , - 4 5 ) 、燃油消耗率低、输出功率大、低排放、安全性能高。 随着人们对全球变暖问题的日益关注，柴油机低c 0 2 排放的优点也越来越突出。同时， 柴油机自身技术的不断发展，其高速性能、加速性能、操作性能、乘坐舒适性和噪声方面 已经完全可以与现代汽油机相媲美，且在不断提高。正由于这些特点，柴油机正逐渐成为 汽车的主要动力。近2 0 年来，高速直喷式柴油机在欧洲越来越普及，目前其市场占有率 已超过4 0 ，约2 0 的轿车、9 0 的商用车采用柴油机；在美国，约9 0 的商用车采用 柴油机；在日本，约9 2 的轿车和3 8 的商用车采用柴油机【。近几年，国内柴油机的 产销增势也较大，2 0 0 6 年柴油机的生产量达到1 5 4 8 6 万辆，同比增长2 1 5 5 ，占发动机 总生产量的2 4 7 。 然而，随着汽车工业的快速发展，汽车尾气排放在污染源中所占的比例日益增长，其 带来了严重的环境问题也日渐突出。目前在整个大气污染中，汽车尾气排放的污染分担率 高达6 0 - 7 0 。加之我国的汽车单车排放量较高，汽车排放成为大气污染主要来源。因 此，汽车排放带来的环境问题亟待解决。如何降低汽车尾气中的有害物质，已成为目前研 究的热点。尤其车用柴油机面临着前所未有的挑战，其微粒和氮氧化合物的综合处理是排 放控制的重点。要最大程度的降低这些排气污染物，单纯依靠改进发动机自身结构已经很 难实现，必须辅之以各种机外净化技术。目前尚未出现能够有效综合处理p m 和n o ；的 后处理技术，柴油中硫的存在对各种后处理装置都会产生影响；三效催化转化技术在柴油 机富氧环境下不适用；微粒捕集器很难实现可靠和实用的再生；s c r 技术很难在轻型轿 车上使用。 低温等离子体( 呼，n o n t h e r m a lp l a s m a ) 是一种新型废气处理技术，具有处理效 江苏大学硕士学位论文 果好、处理范围广、能同时处理多种污染物、净化彻底且无二次污染等优点，在废气处理 领域具有潜在的应用前景【2 l 。近2 0 年来，将n t p 技术应用于降低车用发动机排放成为国 内外研究的热点，利用此项技术去除n o x 、p m 和有机可溶物，以及脱除s 0 2 的研究取得 了一定的成果【3 咖。但是，由于低温等离子体作用过程复杂，反应机理还没有研究清楚， 目前对于该技术的研究尚处于技术基础性研究阶段。 近几年来，本课题组对气体放电及介质阻挡放电产生n t p 的机理及影响因素开展了 大量的研究工作，取得了一定成果，掌握了介质阻挡放电产生低温等离子体的关键技术， 同时对低温等离子体用于汽车尾气的处理做了大量的研究工作，以及在低温等离子体对 d p f 的低温再生、过滤效率和催化剂改性方面进行了尝试性研究，并取得了初步效果。 本文将在课题组已取得成果的基础上，继续探询利用介质阻挡放电型n t p 技术降低 柴油机n o 。排放的规律和机理。这对于降低柴油机污染物排放、保护大气环境具有非常 重要的现实意义。 1 2 柴油机尾气排放特征及主要排放污染物 1 2 1 柴油机尾气排放特征 柴油机排气的有害成分主要是微粒、n o ：、h c 、c o 、硫化物、臭氧和其它光化氧化 剂等。柴油机与汽油机相比，工作的混合气体浓度较低、缸内燃烧压力较大，因此在不使 用任何后处理装置的情况下，c o 和h c 的排放比汽油机低很多，分别比汽油机低9 5 和 2 5 左右。由于柴油机热效率高，温室气体c 0 2 排放量也较低。n o x 排放量与汽油机差别 不大，但柴油机在富氧状态下工作，传统的三效催化转化器( t w c ，t h r e ew a yc a t a l y s t ) 不能有效地降低柴油机的n o ；。柴油机进气和燃油混合不均匀，局部燃烧不完全，导致 p m 的产生，柴油机p m 的排放量一般是汽油机的几十倍同，因此柴油机有害排放控制的 重点为n o 。和p m 。 1 2 2 柴油机中n o ；的形成及危害 氮氧化合物( n o i ) 是n o 、n 2 0 3 、n 2 0 5 等多种氮的氧化物的总称。柴油机排放的 n o x 主要包括n o 和n 0 2 ，其中大部分为n o ，一般占n o 。总量的9 0 - - - , 9 9 s l 。n o x 主要 是由空气中参与燃烧的n 2 与0 2 反应生成。燃油本身含氮量很低，不足以产生显著的n o 。 根据扩展的泽尔多韦奇机理，由空气中氮导致的n o ( 也可称为“热n o ”) 生成的主要反 2 江苏大学硕士学位论文 应为： 0 2 专2 0( 1 1 ) n 2 + o n o + n ( 1 2 ) 0 2 + n 专n o + 0( 1 3 ) n + o h 专n o + h ( 1 4 ) 反应式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 3 ) 主要发生在充量系数( p 。) 等于1 附近，反应式( 1 4 ) 主要发生 在非常浓的混合气中。产生n o 的三个重要因素： ( 1 ) 温度：n o 只在高温条件下产生，提高温度不仅使n o 的化学平衡浓度增大， 更重要的是能加快n o 的生成速度。 ( 2 ) 氧浓度：足够的氧气是产生n o 的必要条件。 ( 3 ) 反应时间：由于n o 生成过程缓慢，即使在高温和富氧情况下，也必须要有足 够的反应时间才能生成n o 。 影响柴油机n o 排放的主要因素是缸内达到的最高燃烧温度。n o 排放随柴油机负荷 增大而显著增多。因为负荷增大，可燃混合气的空燃比减小，使氧浓度减小，但最高燃烧 温度升高占主导因素，使n o 排放增多。 n o 为无色气体，发动机排出的n o 在空气中不足以形成毒害人体的浓度，只有高浓 度的n o 能导致中枢神经障碍，影响心肺功能。n o 在大气中缓慢氧化为n 0 2 。n 0 2 是褐 色气体，有强烈的刺激味，在空气中的含量超过1 5 x 1 0 击时，它进入肺泡内能形成亚硝酸 和硝酸，亚硝酸和血红蛋白结合，在一定程度上导致组织缺氧。若超过2 0 x 1 0 缶，会影响 肺的功能。n 0 2 与h c 在阳光作用下产生光化学反应，形成有害的光化学烟雾。当光化学 烟雾中的光化学氧化剂达到一定浓度时，不仅使人呼吸困难、眼红喉痛、头昏晕沉，造成 中毒，而且还具有损害植物和橡胶制品等危害【9 1 。 1 2 3 柴油机中p m 的形成及危害 柴油机的微粒( p m ，p a r t i c u l a t em a t t e r ) 是在燃烧过程中经成核和凝聚而形成的，其 生成条件是高温和缺氧。柴油机混合气成分不均匀，存在高温缺氧的浓混合区，导致碳烟 ( d s ，d r ys o o t ) 生成。当气缸内燃气排出并被空气稀释时，组成有机可溶成分( s o f ， s o l u a b l eo r g a n i cf r a n c t i o n ) 的重质有机化合物通过吸附和凝结向排气中的d s 覆盖，从而 形成p m 。提高燃油雾化特性、改善可燃混合气的形成并适当增加过量空气系数，能够有 效减少液滴在高温缺氧条件下存在的机会，降低p m 的生成量0 0 。 3 江苏大学硕士学位论文 柴油机排放的p m 粒径较小，体积平均粒度为0 1 - 0 3 1 m a ，可进入人体肺部，造成 损伤，并具有不同程的诱变和致癌作用。微粒可以长时间停留在空气中，这样就增加了与 人体接触的机会，也增加了p m 在大气中参与其它化学反应的机会。因此，柴油机p m 排 放对人类及大气环境具有不容低估的危害作用【1 1 】。 1 3 柴油机排放法规 上世纪4 0 年代，由于汽车尾气大量排放，美国加州发生了光化学烟雾事件，于是美国 加州政府制定了汽车排放法规，这也是最早的汽车排放法规。随后各国先后根据自己的国 情制定了相应的排放法规，并且越来越严格。目前国际上主要有三大汽车排放法规体系： 欧洲排放法规、美国排放法规和日本排放法规，其它国家的排放法规基本上根据这三个排 放法规体系制定的。在上个世纪9 0 年代，欧盟国家开始实施欧i 排放标准，然后每四到五 年都将标准提高一级。美国自1 9 9 0 年颁布洁净空气法以来也在不断严格排放控制标准， 目前在加州已出台实施超低排放法规和零排放法规。汽车排放标准的加强，促进了汽车排 放控制技术的进步和汽车排放测试技术的提高。 我国的排放法规主要是借鉴欧盟的排放法规。根据我国的国情，在具体法规的执行日 期上要比欧盟的各发达国家滞后5 1 0 年。表i 1 列出了欧盟和我国轻型汽车排放标准的实 施年份。欧洲2 0 0 0 年已经开始实施欧i i i 标准，2 0 0 5 年开始实施欧标准。欧规定柴油机 排气中的各污染物在欧i i i 的基础上减少5 0 左右，由表1 2 所示。 表1 1 欧盟和我国轻型汽车排放标准的实施年份【1 2 l t a b1 1t h ei m p l e m e n t a t i o ny e a rf o re ua n dc h i n a sl i g h tv e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d s 4 江苏大学硕士学位论文 表1 2 欧i 标准和欧标准排放限值【1 3 1 t a b1 2d i e s e le n g i n ee m i s s i o n sr e g u l a t i o n so fe u r o a n de u r o l v 欧i i i 排放限值欧排放限值 测试循环 发动机启动4 0 s 后开始检测n e d c 循环，发动机启动后开始检测 c o 0 6 4o 5 0 排放限值 g k m d ( 轿车 h c + n o x 0 5 60 3 0 n o 。 o 5o 2 5 p c s ) p mo 0 50 0 2 5 表1 3 比较了我国第1 i 阶段和第1 i i 阶段的柴油机排放限制。我国柴油机排放标准的第一 阶段是在2 0 0 0 年9 月1 同起实施的，相当于欧i 排放法规；第二阶段b k 2 0 0 3 年9 月1 同起实施， 相当于欧i i 排放法规；自2 0 0 7 年7 月1 号后，除偏远的西部地区，其它城市注册和登记的n 类轻型柴油车必须达到第1 i i 阶段标准要求，也就是重型车第三阶段排放标准，相当于欧i i i 。 预计到2 0 1 0 年左右达到与世界水平基本接轨的目标。对于柴油机的有害排放，法规明确量 化了p m 和n o ，排放的限制。随着柴油机在轿车领域中的推广，柴油机的排放控制技术必将 成为柴油机轿车化中的一项关键技术。并且我国已正式加入w t o ，同国外同行之间的竞争 必然同益激烈，这对国内发动机行业势必将是一个严峻的挑战。 表1 3 我国柴油机第1 i 阶段和第i 阶段排放限值【1 4 1 t a b1 3d i e s e le n g i n ee m i s s i o n sr e g u l a t i o n so ft h ei is t a g ea n dt h ei l ls t a g ei nc h i n a 第1 i 阶段排放限值第阶段排放限值 测试循环 柴油机启动柏s 后开始检测 柴油机启动后即开始检测 c o 1 00 6 4 排放限值 h c + n o x0 7 0 9 o 5 6 ( 乘用车) n o 。 o 5 0 鹰k m 1 p m0 0 8 0 1 00 0 5， 1 4 柴油机排放控制技术 随着排放法规的日益加强和完善，柴油机排放控制技术也逐渐形成。目前已经进入汽 车的低污染阶段，仅依赖某一项技术已经不能达到排放标准要求的限值，必须综合利用机 内净化和机外净化等各项技术措施。 1 4 1 燃料处理技术 燃料处理技术是指柴油喷入气缸之前，为控制排放对其进行处理，主要方法为提高柴 5 江苏大学硕士学位论文 油品质和在柴油中加入添加剂。通过燃油处理技术能有效降低柴油机的有害物排放量。 ( 1 ) 提高柴油着火性能 衡量柴油着火性能的指标是十六烷值( c n ) ，它对柴油机燃烧的滞燃期有很大影响， 直接影响柴油机燃烧的平稳性。如果十六烷值较低，则滞燃期较长，初期预混燃烧的燃油 量增加，导致最高燃烧温度较高，在柴油机富氧条件下n o 。排放量较多；同时也会使混合 气燃烧过于剧烈，产生太大的压力升高率，增大机械负荷。十六烷值越高，燃油自然性越 好，柴油机启动性能越好，可降低柴油机的c o 和h c 排放。同时高十六烷值的柴油允许 推迟喷油，这将有利于在保持燃油经济性的条件下降低n o 。排放。十六烷值从5 0 增加到 5 8 能使h c 和c o 下降2 0 左右，低负荷情况下n o ：可下降9 t 1 5 l 。十六烷值对p m 排放 的影响比较复杂，在不同条件下可能得出相反的结剁1 6 1 。我国现行柴油标准规定十六烷值 不小于4 5 。 在柴油机冷启动时和高海拔地区运转时，如果十六烷值较低，柴油机冷启动性能变差， 未燃烧柴油液滴组成的排气烟雾增多，蓝烟和白烟排放增多。 在柴油中添加硝酸烷基酯，它进入气缸后迅速离解，产生活性基，十六烷值提高，从而 改善柴油机的着火性能。 ( 2 ) 降低芳香烃含量 芳香烃是柴油中的有害组分。芳香烃在较高温度下易发生环破裂，而更容易直接发生缩 聚，生成微粒的前体多环芳香烃，加剧微粒的生成。所以柴油中芳烃含量越多，柴油机微粒 排放量越多。柴油机的c o 、h c 排放也随柴油中芳香烃含量的提高而增加，n o 。排放受柴 油芳香烃含量影响较小。柴油中芳香烃含量对其十六烷值有较大影响，其含量越大十六烷值 越低，排放性能也越差。只有添加十六烷值改善剂才能打破这种关系，如辛基硝酸酯。目前 一般要求柴油中芳香烃体积百分比小于3 5 。 ( 3 ) 降低硫含量 柴油中的硫含量比汽油高得多。柴油中的硫不仅能使有害排放物增多而且加剧柴油机腐 蚀磨损。柴油中的硫在燃烧后，大约9 8 以s 0 2 形式混合在排气中，2 左右生成硫酸和硫 酸盐微粒，它们构成了用分析滤纸采集的微粒质量的相当大的一部分。 利用化学催化法和物理法是降低柴油机排放的有效措施，但是这些催化净化装置对硫十 分敏感。催化剂会将排气中的s 0 2 氧化成s 0 3 ，进而生成硫化盐，硫酸盐容易在过滤体内沉 积，形成不可燃烧物，并导致过滤效率降低，排气阻力增加。同时由于排气中存在s 0 2 导致 催化剂中贵金属硫中毒，使得催化剂失效。因此要高效运转氧化催化器( d o c ) 、n o x 选择 6 江苏大学硕士学位论文 性催化还原转化器( s c r ) 、连续再生捕集器( c r t ) 等催化净化装置必须采用低硫或无硫 柴油。同时降低柴油中的硫含量也有助于减少柴油机排气令人恶心的味道。所以从柴油机排 气催化净化角度考虑，降低柴油中的硫含量是十分必要和迫切的。目前许多炼油厂降低柴油 中的硫含量是通过在炼油工艺中加氢精制或加氢改质工艺生成硫化氢而实现的，这是一种有 效的降硫措施。 ( 4 ) 使用柴油添加剂 柴油中还可能加入一些有机添加剂，如提高十六烷值、缩短滞燃期的硝酸烷基酯以及稳 定剂、表面活性剂等，它们一般都能改善柴油机在使用中的实际排放情况。加入多效柴油清 净剂也是提高柴油品质的有效措施。 ( 5 ) 降低柴油的密度、粘度和张力 密度、粘度和张力是柴油的重要理化指标。降低柴油的密度、粘度和张力可有效地提高 燃油的雾化质量，有利于油滴细化，使燃烧更加完全，降低h c 和碳粒排放。 ( 6 ) 使用代用燃料 醇类燃料、天然气和液化石油气、二甲基醚( d m e ) 、生物柴油等代用燃料不仅能解决 日益枯竭的石油资源，更能极大地降低柴油机微粒排放，目前正受到世界各国柴油机制造商 的重视。当然，这些代用燃料在推广过程中还有很多问题需要进一步研究和解决。 1 4 2 减少润滑油消耗 微粒中的有机可溶成分很大一部分来源于润滑油，由润滑油造成的微粒排放值与润滑油 消耗量近似成线性关系。为了减少由于润滑油造成的微粒排放，就要在保证发动机工作可靠 性的前提下尽可能降低润滑油消耗。这将涉及零部件的结构、材料、表面加工工艺、润滑剂 性能等一系列复杂的因素。涉及减少润滑油消耗量，优化柴油机结构的主要措施有：提高 气缸活塞组的控油能力，主要是优化气环和油环截面形状、开口形状和活塞环径向压力分布， 优化活塞的外部形状和活塞与气缸的配合间隙。优化机体结构、提高刚度，改善气缸与气 缸盖之问的密封，使气缸在工作时形状畸变尽可能小。 1 4 3 机内净化技术 机内净化技术主要是指通过改进柴油机本身的设计和优化燃烧过程来降低排放。柴油机 的低排放设计关键是改善燃油与空气的混合，防止易生成大量n o 。的i o a = 1 0 1 2 的区域和 易生成碳烟的p 。如6 的区域。与此同时，要设法降低柴油机的h c 排放，因为除了气态h c 本身的危害性外，重质h c 也是构成柴油机排气微粒的一部分。 7 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 气流组织和多气门技术 适当的缸内气流运动有利于燃烧室中燃油喷雾与空气充分混合，组织完善的燃烧过程， 降低有害排放物。当由于喷油系统的压力不够高而造成喷雾不够细时，一般要求较强的涡流 运动来加强油气混合。目。b 0 d 型高速直喷柴油机所需进气涡流比为1 5 - - 2 0 ，而重型车用的 直喷式柴油机需要的进气涡流比一般在1 0 以下【1 7 1 。这是因为小缸径柴油机燃烧室直径较小， 不能避免相当大的一部分燃油喷到燃烧室壁上，需要较强的气流运动来强化室壁上燃油油膜 的蒸发，加速可燃混合气的形成。大缸径柴油机形成油膜的可能性较小，不需要强烈的气流 运动。在进气系统设计过程中，可采用计算流体力学( c f d ) 对发动机的气体流动、混合气形 成与燃烧过程等进行数值模拟。c f d 的分析计算结果能为柴油机进气管的设计提供优化方 案。 强烈的进气涡流一般由螺旋进气道或切向进气道产生。它们都以增加进气阻力为代价获 得较强的涡流运动。其后果是泵气损失增大，充量系数下降。另外，小缸径高速柴油机工作 转速范围较大，在进气系统产生的涡流比基本恒定的情况下，不能兼顾高转速和低转速运转 情况下的气流速度，容易导致燃烧恶化或进气损失过大。这是因为在柴油机低速运转时，喷 油压力降低，燃油喷雾性能变差，要求有较强的涡流运动，以加强油雾与空气的混合；而在 高速时喷射压力提高，混合气形成所要求的涡流比降低。采用可变进气涡流是改善柴油机燃 烧过程的有效措施。在两气门柴油机上发展的可变涡流进气道主要有转换阀控制的双层气道 结构、副气道结构，但因为当涡流比增加时，充量系数下降很多，使它们较难得到应用。而 目前广泛发展的四气门直喷柴油机有两个进气道，可以在其中一个安装涡流控制阀，通过调 节阀的开度大幅度改变涡流比，同时又能保证充量系数下降较少。 多气门柴油机的主要优点是扩大进排气门的总流通面积，从而降低进排气流动阻力，提 高充量系数。因此四气门柴油机的微粒和h c 排放都低于二气门柴油机。但在四气门柴油机 中，从进气门进入气缸的两股独立的气流会彼此干扰，降低涡流强度，因此在大负荷工况下， 要在气缸中形成足够的涡流，通常不是一件容易的事情。柴油机的喷油器中心布置，平行于 气缸轴线，这为喷嘴喷油孔的均匀分布、改善燃烧室内的空气利用率提供了较大的潜力。 ( 2 ) 改善供油系统 目前所采用的主要供油系统包括：直列泵、分配泵、单体泵、泵喷嘴及高压共轨系统等。 随着排放要求的提高，对喷油压力、喷油量和喷油提前角的要求也越来越高，传统的机械结 构已经不能满足要求。 高压燃油喷射能使柴油更好雾化，实现柴油和空气更迅速更好地混合，大幅度降低柴 8 江苏大学硕士学位论文 油机的微粒排放。电喷技术在发达国家已大量采用，是继机械喷射技术、增压技术后的又 项高新技术。新一代的电喷系统采用时间控制，用新型高速电磁阀对高压燃油实现数字 化调节。近年来高压共轨系统得到了快速的发展，该系统不再采用通用的脉动原理，而是 采用压力时间计量原理。喷油量和喷油提前角可以根据发动机的需要，通过公用油道恒 定连续供油和各缸喷射过程的电磁阀控制相结合的方式实现喷油控制，实现节能、降低有 害排放和运行平稳性能的最佳优化匹配，是柴油机实现国i i i 排放标准的最佳手段。 采用无压力室喷油嘴可避免燃油以大油滴的形式滴入燃烧室内，降低h c 排放和微粒 排放。在高压喷射系统中，采用小喷孔喷油器可使油滴更加细小、均匀，有利于燃油和空 气良好混合。 ( 3 ) 直喷式柴油机燃烧室低排放设计 柴油机的发展历史形成了直喷式和非直喷式两种燃烧方式。但由于非直喷式柴油机燃 油消耗大于直喷式柴油机，且c 0 2 温室气体排放量大，所以现代生产的柴油机基本上都是 直喷式柴油机。但是它存在烟度大、爆发压力高、振动大、机械负荷大等缺点。燃烧系统 的优化对直喷式柴油机十分重要，其中燃烧室的设计对室内气体流动、燃油和空气的混合 及混合气的燃烧有很大影响，也直接影响柴油机的排放性能。 直喷式柴油机燃烧室低排放设计要点主要有： 1 1 燃烧室有效容积比燃烧室容积与压缩室总容积之比称为有效容积比。设计柴油机 时应力求提高燃烧室的有效容积比，以完善混合气的燃烧、提高柴油机的冒烟界限，降低柴 油机的微粒排放。 2 ) 燃烧室的形状缩口型燃烧室可以有效的组织气体流动，扩大缩口直径可以增强燃 烧室内涡流保持率，从而能在n o x 排放量不变的情况下有效降低p m 排放。缩口偏置型燃 烧室具有更多的优势。哑铃型燃烧室有很好的排放性能，而且其良好的低速扭矩特性适合在 拖拉机和增压柴油机上使用，具有很好的应用前景。现在的趋势是尽量用口径比较大的浅平 燃烧室，配合小孔径的多喷孔喷嘴，实施高压喷射。 ( 4 ) 废气再循环( e g r ) 柴油机可通过废气再循环来降低n o ，的排放。柴油机的过量空气系数较大，允许较大 的e g r 量，最大可达到3 0 - 4 0 。采用该技术能降低参与燃烧的氧浓度和最高燃烧温度， 达到降低n o ；排放韵目的。美国的很多柴油机生产商就倾向于采用e g r + d p f d o c 的排放 控制路线。对轻型车用柴油机来说，主要在低速低负荷领域进行e g r 。对于重型车用柴油 机，除全负荷的很小范围外，几乎在整个工况领域均可进行e g r 。柴油机采用e g r 可能导 9 江苏大学硕士学位论文 致p m 排放增加，增加润滑油污染，容易形成进气管沉积物。而且在带有涡轮增压器的柴油 机上，进气压力在很多时候都比排气压力高，要实现e g r 较难。 最佳的e g r 要全面考虑n o ；和p m 排放，并通过标定试验来确定。现在应用在轻型柴 油机上的冷却过滤e g r 也逐渐成熟，能在一定程度上避免大负荷燃油经济性和排气烟度的 恶化，解决p m 对润滑剂的污染等问题。柴油机的e g r 控制比较复杂，尤其是增压柴油机， 一般都采用电子控制，e g r 率可以用热线式质量流量计直接监测。 ( 5 ) 涡轮增压中冷技术 排放控制形式的发展推动了涡轮增压中冷技术在柴油机上的广泛应用。此项技术由涡轮 增压器和装在涡轮增压器下游的中冷器组成。 目前不仅几乎所有重型车用柴油机采用增压技术，而且中、轻型车用柴油机也开始采用 增压技术。涡轮增压器利用排气惯性冲力对空滤器中的空气压缩增压，送入迸气管中，使进 入气缸的空气总量增加，得到大的平均空燃比，达到提高进气平均压力，提高功率和降低微 粒排放的目的。但如果不采取其它措施会使增压后进气温度提高，加之可燃混合气中氧浓度 增加，n o 。排放会增加，爆燃的可能性也变大。在微粒排放下降的前提下，可以采取推迟喷 油定时等办法来减少n o ，的排放，而不致使n o x 排放过分增加。采用中冷技术可以降低柴 油机的进气温度，进一步提高缸内空气密度，从而可进一步强化功率密度，同时最高燃烧温 度得到有效控制，减少n o ：的生成，因此现代车用柴油机越来越广泛采用增压中冷技术。 车用柴油机的工作转速范围很宽，一般为1 0 0 0 - - 4 5 0 0 r m i n ，普通涡轮增压器不能同时 兼顾高低转速的要求。为了解决这个问题，目前一般采用在增压器上安装一个排气旁通阀的 办法。采用可变喷嘴增压器( v n t ，v a r i a b l e n o z z l et u r b o c h a r g e r ) 可以从根本上解决涡轮 增压器与宽转速范围柴油机的匹配问题。车用柴油机大多采用径流涡轮增压器，这给采用 盯增压器提供了方便。 1 4 4 柴油机n 0 ，排放的后处理技术 机内控制排放技术往往要损失一定的功率和燃油经济性，而且随着排放标准的不断严 格，仅仅通过改善柴油机工作过程已经不能达到人们对降低排放的要求，因此必须要采用先 进的排气后处理技术。柴油机排气中n o x 的化学处理方法是车用柴油机的研究热点之一。 目前研究和应用的柴油机n o ；后处理技术有如下两种： ( 1 ) 选择性催化还原( s c r ，s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) s c r 技术已经比较成熟，目前被认为是最佳的n o x 控制技术，且对燃油中的硫敏感度 较低【1 即9 1 。目i j 欧洲很多国家倾向于采用机内控制p m ，结合s c r 技术降低n o 。的排放控 1 n 江苏大学硕士学位论文 制策略。实际上国内外已经开始在重型柴油机上采用氨还原s c r 技术。但是氨的泄漏、储 运和供应问题很难解决，不便于在车上适用，故采用向排气管中喷射尿素溶液的方式得到反 应需要的氨气。 近几年来，对h c 选择还原n o 。技术的研究逐渐升温，以期利用燃料来作为还原剂。尤 其对于轿车柴油机来说，从使用方便性出发，希望可以用燃油中的h c 作为还原剂，结合共 轨燃油喷射系统的应用，按照工况不同，后喷适当数量的燃油是完全可能实现的。但研究表 明，由于只有烯烃对n o x 有较好的选择还原活性，且n o x 的转化效率还不是很高，有待于 进一步开发。 s c r 技术对催化剂有很强的选择性