（动力机械及工程专业论文）ntp技术转化柴油机nox及再生dpf的实验研究和机理分析.pdf

摘要 摘要 汽车工业的发展在推动经济与社会发展的同时，不可避免地造成大气污染， 严重危及人类健康及生存环境。目f j i 柴油机的n o x 、p m 排放后处理技术还不成熟， 有必要对其进行改进。本文从实用角度提出了利用低温等离子体技术转化柴油机 n o x 及再生微粒捕集器的技术路线，探讨了低温等离子体转化n o x 及再生微粒捕 集器的可行性。首先通过静态实验系统研究了介质阻挡放电产生低温等离子体的 各主要电学参量的变化规律，并以此为基础设计了适于柴油机后处理的低温等离 子体反应器；然后研究了n o c 3 h 6 c 0 2 0 2 n 2 气氛在低温等离子体反应器中的变化 规律，并试图揭示其化学反应机理；最后搭建柴油机台架实验系统，将低温等离 子体反应器产生的活性物质喷入到柴油机排气系统中，研究活性物质对柴油机各 排放物的处理效果及能力，并研究其对柴油机微粒捕集器的再生能力。本文在以 下几方面开展了系统的研究工作： ( 1 ) 依据介质阻挡放电理论，进行了静态实验，利用q vl i s s a j o u s 图形法系 统研究了介质厚度、放电气隙、放电频率、激励峰值电压对介质阻挡放电功率、 等效电容、电荷传输量、电场强度等表征参数的影响，为研制适于柴油机后处理 的低温等离子体反应器提供设计依据。实验结果表明：采用较薄的放电介质以及 提高激励峰值电压均可有效提高放电功率、增大电场强度；增大放电频率也可提 高放电功率，但其对电场强度的影响不大。 ( 2 ) 在静态实验研究工作基础上，综合考虑所设计的低温等离子体反应器应 满足工作持续时间长、气体过流量大等条件，最后确定同轴单介质低温等离子体 反应器的关键结构参数为：石英介质厚度为3 m m 、放电气隙为2 m m ，并对其进行 了1 2 小时耐久实验测试，实验结果表明，该反应器持续工作时性能稳定、运行可 靠。 ( 3 ) 通过搭建模拟气实验系统，详细研究了低温等离子体对0 2 n 2 、n o 0 2 n 2 、 n o c 3 h d o e n 2 以及n o n 2 、n o c 3 h 6 n 2 气氛中n o 的转化效率及影响因素，并试 图揭示其化学反应机理。实验结果表明：低温等离子体反应器产生的活性物质作 用于0 2 n 2 气氛时，会产生0 3 及n 0 2 物质；活性物质作用于n o 0 2 n 2 气氛时， n o 主要通过氧化反应转化为n 0 2 ，降低0 2 及n o 初始浓度，可提高n o 转化率； 江苏大学博士学位论文：n t p 转化柴油机n o x 及再生d p f 的实验研究及理论分析 活性物质作用于n o c a h 6 0 2 n 2 气氛时，n o 同时存在氧化和还原两种途径，c 3 h 6 初始浓度越高，n o 通过还原反应转化为n 2 的趋势越明显，同时有c o 产生；活 性物质作用于n o n 2 气氛时，n o 只发生还原反应，转化率低、能耗高，当在其中 加入c 3 h 6 后，可有效提高n o 还原效率，并有c o 生成。 ( 4 ) 通过低温等离子体喷射系统处理柴油机模拟排气实验，系统研究了模拟 排气温度不同时，低温等离子体反应器产生的活性物质对各模拟排气成分的转化 效果。在温度较低时，活性物质主要用于氧化n o 为n 0 2 ，n o x 浓度随激励峰值电 压的提高基本保持不变；随着温度的升高，活性物质将同时与n o 和c 3 h 6 反应， 将n o 氧化为n 0 2 ，与c 3 h 6 反应生成c o ；当温度继续升高时，活性物质主要与 c 3 h 6 之间发生氧化反应，生成大量的c o ，活性物质对n o 的作用相对减弱，故 n o 转化率降低。 ( 5 ) 通过将低温等离子体反应器产生的活性物质喷射到柴油机排气系统中， 研究柴油机不同工况下活性物质对各排气组分的转化效果及其对微粒捕集器的再 生效果。结果表明t 柴油机排气温度对转化效果的影响较大，排气温度较低时， 活性物质对n o 的氧化作用加强，排气中有更多的n 0 2 生成；排气温度较高时， 活性物质同时作用于排气中的n o x 、h c 、p m ，此时n o 转化为n 0 2 的反应不再 明显，另外，由于活性物质对p m 作用时会将其表面的有机可溶性成分转化为气 态h c 物质，故h c 浓度略有升高；排气温度更高时，活性物质主要用于分解柴油 机排气中的h c 及p m ，此时c o 排放量升高、h c 浓度降低。 ( 6 ) 利用活性炭吸附管对柴油机台架实验两排气支路中微粒捕集器后端的微 粒进行吸附，并进行索氏萃取，再利用g c m s 对微粒中的有机可溶性成分进行对 比分析。结果表明：低温等离子体反应器产生的活性物质对微粒捕集器确有再生 作用，当柴油机在高速大、中负荷工况下运转时，低温等离子体活性物质可以将 构成有机可溶性成分的大分子h c 物质进行分解或转化，使其部分从微粒表面脱离 而转化为气态h c ，从而达到再生微粒捕集器的目的；当柴油机在低负荷工况下运 转时，由于排气温度较低，活性物质对微粒中有机可溶性成分的分解作用变弱。 关键词：低温等离子体，介质阻挡放电，柴油机，氮氧化物，微粒捕集器，再生 a b s t r a c t t h o u g ha u t o m o b i l ei n d u s t r yp r o m o t e dt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d s o c i a l p r o g r e s s ，i ti n e v i t a b l yb r o u g h ta t m o s p h e r i cp o l l u t i o n a n dl e dt oh u m a nl i v i n g e n v i r o n m e n ta n dh e a l t he n d a n g e r e d a tt h ep r e s e n t ，t h ea f t e t r e a t r m e n tt e c h n i q u e sf o r c o n t r o l l i n gn o xa n dp me m i s s i o n so fd i e s e le n g i n ea r en o ty e ts o p h i s t i c a t e d ，a n dn e e d t 0b ei m p r o v e d i nt h i st e x t ，t h ea u t h o rp r e s e n t sat e c h n o l o g yr o u t eu s i n gn o n t h e r m a l p l a s m at oc o n v e r tn o xa n dr e g e n e r a t ed i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e rf r o map r a c t i c a lp o i n to f v i e wa n dd i s c u s s e si t sf e a s i b i l i t y f i r s t l yo fa l l ，m a i ne l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fd i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g eh a v eb e e ns t u d i e du s i n gs t a t i ce x p e r i m e n t a ls y s t e m o nt h i sb a s i s ，a n o n t h e r m a lp l a s m ar e a c t o ri sd e s i g n e dw h i c hi ss u i t a b l ef o rc o n t r o l l i n gt h ed i e s e l e n g i n ee m i s s i o n s s e c o n d l y , t h ea u t h o rs t u d i e st h ec h a n g i n go fn o c 3 h 6 c 0 2 0 2 f n 2 m i x t u r ei nt h en o n - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o ra n da t t e m p t st or e v e a lt h ec h e m i c a lr e a c t i o n m e c h a n i s m s l a s t l y , t h r o u g hb u i l d i n gd i e s e le n g i n eb e n c hs y s t e m ，t h ea c t i v es u b s t a n c e s p r o d u c e db yt h en o n - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o ra r ei n j e c t e di n t ot h ee x h a u s tp i p ea n di t s e f f e c t sf o rd e a l i n gw i t hd i e s e le n g i n ee m i s s i o n sa n dc a p a c i t yf o rr e g e n e r a t i n gd i e s e l p a r t i c u l a t ef i l t e ra r es t u d i e d s o m er e s e a r c h e sa r em a d ei nt h et e x t ： ( 1 ) b a s e do nd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g et h e o r y , as t a t i ce x p e r i m e n ts y s t e mi sb u i l t t or e s e a r c hd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee f f e c to fd i e l e c t r i ct h i c k n e s s ， d i s c h a r g eg a p ，d i s c h a r g ef r e q u e n c y , e x c i t a t i o np e a kv o l t a g eo nt h ew o r k i n gp a r a m e t e r s ， s u c ha st h ep o w e r , e q u i v a l e n tc a p a c i t a n c e ，c h a r g et r a n s f e rv a l u ea n de l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t y , a r es t u d i e du s i n gq - vl i s s a j o u sf i g u r e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ： a d o p t i n g t h i n n e rd i e l e c t r i cd i s c h a r g ea n ds m a l l e rd i s c h a r g eg a pc a ni m p r o v et h e d i s c h a r g ep o w e ra n d e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h ，i n c r e a s i n gt h ed i s c h a r g ef r e q u e n c ym a ya l s o i m p r o v ed i s c h a r g ep o w e r , b u t i t si m p a c to nt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hi sl i t t l e ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h er e s u l t so fs t a t i ce x p e r i m e n t sa n dc o n s i d e r i n gt h a t t h e n o n - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o rs h o u l dm e e tt h el o n gw o r k t i m ea n dl a r g eg a sf l o w c o n d i t i o n s ，t h ek e ys t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ef i n a l l yd e t e r m i n e da sf o l l o w s ：q u a r t z t h i c k n e s si s3 m m ，d i s c h a r g eg a pi s2 m m i t s1 2 - h o u re n d u r a n c et e s tr e s u l ts h o w st h a t t h er e a c t o rc a n s t a b l yr u n f o rl o n gw o r k - h o u r s ( 3 ) t h r o u g hb u i l d i n gas i m u l a t i o ng a s e ss y s t e m ，n oc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r es t u d i e di nd e t a i lw h e n0 2 n 2 ，n o 0 2 n 2 ，n o c 3 h 6 0 2 f n 2a n d 江苏大学博士学位论文：m 曙转化柴油机n o x 及再生d p f 的实验研究及理论分析 n o n 2 ，n o c 3 h 6 n 2m i x t u r ep a s s i n gt h ed i s c h a r g ea r e ao ft h er e a c t o r , a n dt h ea u t h o r a l s oa t t e m p t st or e v e a lt h e s ec h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：0 3a n dn 0 2a r ep r o d u c e dw h e nt h e0 2 n 2m i x t u r ep a s s i n gt h ed i s c h a r g ea r e a o ft h en o n t h e r m a lp l a s m ar e a c t o r ；w h e na c t i v es u b s t a n c e sp r o d u c e db yt h er e a c t o r a c t i n go nt h en o 0 2 n 2m i x t u r e ，n oi sm a i n l yo x i d i z e di n t on 0 2 ，a n dt h ed e c r e a s eo f 0 2a n dn oi n i t i a lc o n c e n t r a t i o nc a ne n h a n c en oc o n v e r s i o nr a t e ； i nt h e n o c 3 i - 1 6 0 2 n 2m i x t u r e ，n oo x i d a t i o na n dr e d u c t i o nr e a c t i o n ss i m u l t a n e o u s l ye x i s t ， t h eh i g h e rc 3 h 6i n i t i a lc o n c e n t r a t i o ni s ，t h ee a s i e rn or e v e r t si n t on 2t h r o u g ht h e r e d u c t i o nr e a c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，c oi sp r o d u c e d ；w h e nt h en o n 2m i x t u r ep a s s i n g t h ed i s c h a r g ea r e ao ft h en o n - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o r , n or e d u c t i o nr e a c t i o no n l y o c c u r s ，i t sc o n v e r s i o nr a t ei sl o wa n di t se n e r g yc o n s u m p t i o ni sh i g h ，a f t e ra d d i n gc 3 1 - 1 6 i nt h en o n 2m i x t u r e ，n or e d u c t i o ne f f i c i e n c yc a nb ee f f e c t i v e l yi m p r o v e d ，a n dc oi s a l s op r o d u c e d ( 4 ) t h r o u g hb u i l d i n gan o n t h e r m a lp l a s m ai n j e c t i o ns y s t e mt od e a lw i t hd i e s e l e n g i n es i m u l a t i o ne x h a u s t ，t h et r a n s f o r m a t i o no fs i m u l a t i o ne x h a u s tc o m p o n e n t si s s t u d i e da tt h ed i f f e r e n tg a st e m p e r a t u r ew h e na c t i v es u b s t a n c e sp r o d u c e di nn o n - t h e r m a l p l a s m ar e a c t o ra r ei n j e c t e di n t ot h ee x h a u s tp i p e a tt h el o w e rt e m p e r a t u r e ，t h ea c t i v e s u b s t a n c ep r o d u c e db yt h er e a c t o rm a i n l yo x i d i z en oi n t on 0 2 ，t h en o xc o n c e n t r a t i o n i sa l m o s tc h a n g e l e s sw h e ne x c i t a t i o np e a kv o l t a g ei n c r e a s e s ；w h e nt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e s ，t h ea c t i v es u b s t a n c ep r o d u c e db yt h er e a c t o rs i m u l t a n e o u s l yr e a c t sw i t hn o a n dc a h 6 ，n oi sc o n v e r t e dt on 0 2 ，c oi sp r o d u c e db e c a u s ec 3 h 6i so x i d i z e db yt h e a c t i v es u b s t a n c e ；w h e nt h et e m p e r a t u r ec o n t i n u e st o r i s e ，t h eo x i d a t i o nr e a c t i o n b e t w e e nt h ea c t i v es u b s t a n c ea n dc a i - ep l a y sam a j o rr o l e ，a n dg e n e r a t eal a r g en u m b e r o fc 0 ，a c t i v es u b s t a n c ew h i c ho x i d i z en ob e c o m e sl e s s ，s ot h en oc o n v e r s i o nr a t e d r o p s ( 5 ) t h r o u g hi n j e c t i n g a c t i v es u b s t a n c ep r o d u c e db yt h en o n - t h e r m a lp l a s m a r e a c t o ri n t ot h ed i e s e le x h a u s tp i p e ，t h et r a n s f o r m a t i o ne f f e c to fe x h a u s tc o m p o n e n t s a n dr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo fd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e ra r es t u d i e du n d e rt h ed i e s e l d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：d i e s e le x h a u s tt e m p e r a t u r eh a v e as i g n i f i c a n ti m p a c to nt h et r a n s f o r m a t i o ne f f i c i e n c y w h e ne x h a u s tt e m p e r a t u r ei sl o w , n oo x i d a t i o nr e a c t i o nw i t ht h ea c t i v es u b s t a n c e sw i l lb es t r e n g t h e n e d ，m o r en 0 2i s g e n e r a t e d ；w h e ne x h a u s tt e m p e r a t u r ei sh i g h ，t h ea c t i v es u b s t a n c e ss i m u l t a n e o u s l ya c t o nn o x 、h c 、p mi nt h ee m i s s i o np i p e ，a tt h i st i m e ，n oo x i d a t i o nr e a c t i o ni sn o t i v o b v i o u s i na d d i t i o n ，h cc o n c e n t r a t i o nw i l ls l i g h t l yi n c r e a s e sb e c a u s ea c t i v es u b s t a n c e s w i l lo x i d i z es o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o ni n t og a s e o u sh c ；w h e ne x h a u s tt e m p e r a t u r ei s m o r eh i g h e r , t h ea c t i v es u b s t a n c ea r em a i n l yu s e df o rt h ed e c o m p o s i t i o no fh ca n dp m ， s oc oc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e da n dh cc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e d ( 6 ) i nt h eb e n c ht e s t ，p a r t i c u l a t em a t t e ra f t e rd i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e rw h i c ha r e f i x e di nd i e s e le n g i n ee x h a u s tp i p ea r ea d s o r b e du s i n ga c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o nt u b e a f t e rs o x h l e te x t r a c t i o n ，t h es o fi sa n a l y z e db yt h eu s eo fg c m s t h er e s u l t ss h o w t h a t ：t h ea c t i v es u b s t a n c ep r o d u c e db yt h en o n - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o rc a ns t r i c t l y r e g e n e r a t ed i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r v b t h e nt h ed i e s e le n g i n er u n sa th i g hs p e e d ，b i go r m e d i u ml o a do p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，h cm a c r o m o l e c u l e si nt h es o fc a nb ed e c o m p o s e d o rt r a n s f o r m e db yt h ea c t i v ec o m p o s i t i o np r o d u c e db yt h er e a c t o ra n da r ed i v o r c e df r o m p a r t i c u l a t em a t t e rs u r f a c e ，c o n s e q u e n t l y , d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e ri sr e g e n e r a t e d ；w h e nt h e d i e s e le n g i n er u n sa tl o wl o a dc o n d i t i o n s ，t h ed e c o m p o s i t i o no fs o f b ya c t i v em a t e r i a l b e c o m e sw e a k e rd u et ot h el o we x h a u s tg a st e m p e r a t u r e 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 le n g i n e ， n o x ，d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ，r e g e n e r a t i o n 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。 不保密团。 虢易系鼠形 砖月中日 扣7 锄月日 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己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：易毒 日期：班多月e l 第一章绪论 第一章绪论 柴油发动机在克服工作粗暴，振动噪声大、低温起动困难等技术难题的基础 上，以其低油耗、强动力、较好的耐久性和环保性等突出优势正日益受到市场欢 迎，其数量和应用领域正在逐年扩大。在我国，柴油车保有量明显增加，在机动 车辆中的比例也在逐年增大，预计我国柴油车保有量在2 0 1 0 年将达到1 2 0 0 万辆 左右【1 】o 然而，柴油机排放物中的氮氧化物( n o x ) 和微粒口m ，p a n i c u l a t em a a e r ) j e 严重破坏着人类的生存环境，随着人们环保意识的增强和排放法规的日益严格， 柴油机n o x 和p m 排放已成为其进一步应用的瓶颈。为了确保国家“十一五”提出 的节能减排目标的实现，促进国民经济健康快速发展，加大机动车辆排气污染控 制力度、严格实施机动车尾气排放标准已势在必行。开发新型的柴油机尾气净化 装置以满足日益严格的排放标准是亟待解决的问题，也是当f j 汽车排放控制领域 的研究热点。 1 1柴油机排气中n o 。和p m 的形成及危害 从燃烧方式及燃油性质的角度考虑， 油机压缩比和缸内燃烧压力高于汽油机； 柴油机与汽油机的主要区别在于：柴 柴油机平均混合气浓度和燃烧温度低 于汽油机；柴油密度高于汽油密度，分子中碳原子数较多。这些因素使得柴油 机在排气污染物的形成特点、量值大小以及影响参数等方面都与汽油机有很大的 差别。表1 1 列出了柴油机与汽油机主要排放污染物含量比较【2 】，由表可见，柴油 机排放污染物的控制重点是n o x 和p m 。但迄今为止，还没有成功研发出可同时降 低柴油机n o x 和p m 排放的后处理装置。 表1 1柴油机与汽油机主要排放污染物含量比较 t a b 1 1m a m p o l l u t a n te x h a u s 忸f r o mg 硒o l i n ea n dd i e s e le n g i n e 江苏大学博士学位论文：n t p 转化柴油机n o x 及再生d p f 的实验研究及理论分析 111 氯氧化物 内燃机排放污染物中的氢氧化物绝大部分是一氧化氮( n o ) ，少量是二氧化氮 ( n 0 2 ) ，般用n o ：表示。柴油机工作时的高温、富氧环境以及持续时问决定着 n o ；的牛成，战过督空气系数( 以) 在1o l _ 2 范围时为柴油机n o ，高乍成匣。 实验表明，n o ：的排破逗随发动机喷油提| i i 角、瓜缔比及进7l 温度的增加而增加n 凶此采川推迟喷油、废气冉循环( e g r ，e x h a u s tg a sr e c i r c u i a t i o n ) 、增址中冷等 技术于段可降低n o ； ；1 i = 放。排气zt 1n o 本身的薄性并不大，但其在空l 巾会被氧 化成n 0 2 ，n 0 22 黄褐色，h 有姒烈刺激性气味，埘人体心肺有搬强的毒害作用， 当n 0 2 在空。t 中的禽昌超过1 5 1 06 时，会和皿红蛋白结合，并超过2 0 x 1 0 4 时， 会影响肺的功能i 另外，n o ，与h c 物质存刚光作川下会产生光化学反应形成柏害 的光化学烟雾。 112 微粒 柴油机排放污染物。”的p m 足多种物质的混合物，荚围环境保护局( e p a ，us e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ) 将其定义为：稀释到5 1y c 以下的柴油机排气流 过带柏聚四氟己烯树脂的滤纸刚，被滤纸过滤f 柬阡句所有物质n 按! f 这个定义过 滤获得的柴油机排7l rp m 的f 要成分包含：以碳，c 袭为主的碳煳( s o o t ) ，未氧 化或术完全氧化的碳氧化合物、硫酸盐以及硫酸赫结合的水及其他物质p l 。根据 r i c a r d o 公司川气棚色谱分析追溯p m 柬源的结粜为：碳烟：。j4 1 ，末燃燃剿- 7 ，未燃润滑油占2 5 硫化物和水- ，1 4 ，乩官物质- i1 3 ，如同11 所示： 圉ll 柴油机微粗的成分 f i g1 _ 1c x ，m p o s i t i o n o f p m 也有妇就指出：川足啪佛和液体的复杂聚合体f 碳烟及其吸附和凝聚的柏 第一章绪论 机可溶性成分( s o f , s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 和硫酸盐三种基本物质组成 吲，粒 径范围为0 0 1 2 t m ，图1 2 为柴油机p m 的组成和气相混合物示意图。图1 3 为在较为理想状态下柴油机排气中p m 基于粒数浓度和质量浓度的粒径分布n0 j ，从 粒数浓度分布看，其形态为单峰的对数正态分布，9 0 粒数的p m 集中在成核态； 从质量浓度分布看，其形态为三峰的对数正态分布，大部分p m 质量则集中在聚集 态区域内，在成核区和粗颗粒区也出现了2 个小峰。柴油车排气中p m 的粒数浓度 的粒径分布一般为双峰的对数正态分布。 h c 质 被吸收的h 硫酸盐( s 0 4 2 ) 烟 0 檗0 暮1 器罗 并吸收h c o 被吸收 液体凝固的h c 质点 。水合作用生成硫酸盐 图1 3 理想状态下柴油机尾气颗粒物基于粒数和质量的粒径分布 f 噜1 3 s c h e m a t i co fm a s s - b a s e da n dn u m b e r - b a s e dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n sf r o md i e s e le n g i n e s 当空气中含有大量p m 时，将降低空气的能见度。流行病学和实验研究均表 明：由于柴油机的p m 直径大多小于0 3i t m ，悬浮在空气中的时间较长，被吸入 3 ： c 十 o 洲赫 江苏大学博士学位论文：n t p 转化柴油机n o x 及再生d p f 的实验研究及理论分析 到人体支气管及肺部中的比例较大，易引发呼吸系统疾病及心肺疾病【1 1 1 羽，而且 癌症国际研究机构和美国加州气象局己将p m 中s o f 的主要成分：多坏芳香烃 ( p a s s ，p o l y a r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ) 列为致癌物质n4 j ，因此柴油机排放物中的p m 对人体健康有极大危害，必须加以控制。 1 2 柴油机排放标准 二十世纪七十年代以来，随着全世界范围内环保意识的增强，环保法规的制 定日益完善，对发动机排放的要求越来越高。以美国加州颁布的第一个汽车排放 法规为始点，世界其它发达国家也相继出台了符合本国国情的汽车排放法规。目 前世界上形成了美国、欧洲、同本三大机动车排放体系，图1 4 为美、欧、同柴油 车n o 。和p m 的排放法规变化趋势，其中美国和欧洲的排放体系为各国广泛引用， 目前我国采用的是欧洲排放标准体系。 太 邑 尊 g z 太 邑 姜 o z 生产年( 美国) 生产年( 欧洲) 4 蚤 善 萎 山 爻 上 譬 邑 攀 芝 山 第一章绪论 圣 立 、r 量 呈 圣 堇 彗 厶 生产年( 日本) 图1 4 美、欧、日柴油机的p m 及n 0 x 排放限值的变化 f i g 1 4 e m i s s i o n sr e g u l a t i o n sf o rd i e s e lt r u c k si nu s a , e u r o p ea n dj a p a n 从表1 2 和表1 3 各排放物标准中对各种污染物的限值来看，要达到欧排放 法规的关键是要净化柴油机排放物中的n o x 和p m 。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的一项关键技术。 表1 2 欧洲柴油机稳态试验排放物标准单位：g k w h t a b 1 2e ue m i s s i o ns t a n d a r d sf o rd i e s e le n g i n e s ，e t ct e s t g k w h 条款日期与等级试验程序 c oh c n o ； p m 1 9 9 2 ， 8 5 k w 4 5 1 18 00 3 6 e c e r - 4 9 1 9 9 6 1 041 170 2 5 欧i i 1 9 9 8 1 0 41 170 1 3 1 9 9 9 1 0 ( e e v )1 50 2 52o 0 2 欧i i i 0 1 2 0 0 0 1 0 2 10 6 6 5 e s c * 0 1 3 欧2 0 0 5 1 01 50 4 63 50 0 2 欧v2 0 0 8 1 01 50 4 6 2 0 0 0 2 注：e c er 一4 9 ：1 3 工况标准测试循环； e e v 以公司的标准为准的环保车； 用于每缸排气量小于7 5 0 m l 和额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机； e s c ：欧洲稳态标准测试循环。申请欧h i ( 2 0 0 0 年) 时，厂家可选择常规试验循环 e s c 或过渡试验循环e t c ；申请欧( 2 0 0 5 年) 和e e v 车辆认证时，应进行e s c 和 e t c 两种循环试验。 5 江苏大学博士学位论文：n r p 转化柴油机n o x 及再生d p f 的实验研究及理论分析 表1 3 欧洲柴油机瞬态试验排放物标准单位：g k w h t a b 1 3e ue m i s s i o ns t a n d a r d sf o rd i e s e le n g i n e s ，e t ct e s t g k w h 条款 日期与等级试验程序 c o n m h cc i - 1 4 n o x p m 1 9 9 9 1 0 ( e e v * )3 00 4 00 6 52 00 0 2 欧i i i o 1 6 2 0 0 0 1 05 4 5o 7 81 65 0 e r c 0 2 1 欧 2 0 0 5 1 04 0o 5 51 13 50 0 3 欧v 2 0 0 8 1 04 00 5 51 12 00 0 3 注：仅用r 天然气发动机； 2 0 0 0 2 0 0 5 年不适用于汽油燃料发动机； 用于每缸排气量小于7 5 0 m 1 和额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机。 1 3 柴油机排气后处理技术 纵观柴油机排放控制技术的发展历程，从增压中冷到e g r ，再到高压燃油喷 射以及目前先进的高压共轨燃油喷射系统，这些措施都在一定程度上有效降低了 柴油机的有害排放物，特别是高压共轨燃油喷射系统，以其精确的喷油规律和极 高的喷油压力，大大优化了燃料的燃烧，提高了柴油机的动力性和经济性，有效 降低了n o x 和p m 排放。但随着排放控制法规的日益严格，单独依靠柴油机机内 净化技术将很难满足未来排放法规对n o x 和p m 的排放要求，因此，必须辅助以 有效的机外后处理措施n ，1 5 1 。 目前柴油机后处理技术的研究工作主要分为三类：n o ；的机外净化技术，p m 的捕集与净化，以及n o x 和p m 的同步去除技术等。 1 3 1n o ，后处理净化技术 采用催化转化技术是机外净化n o x 的一个主要措施，但由于传统的三元催化 转化器( t w c ，t h r e ew a yc a t a l y s t ) 只有在理论空燃比附近很小范围内j 一能充分发 挥其效能，故t w c 并不适合用于富氧柴油机有害排放物中n o ；的净化。随着近年 来全球性大气环境污染的加重及各国环保意识的增强，富氧n o x 还原技术正日益 受到人们的重视。 富氧n o x 催化转化技术包括直接催化分解、非选择性催化还原、选择性催化 6 第一章绪论 还原、存储还原催化系统以及稀燃n o ；催化系统等方法。由于直接催化分解与非 选择性催化还原技术自身的局限性，限制了它们在实际应用中的推广。下面主要 介绍上述后几种柴油机n o x 催化还原技术。 1 3 1 1 选择性催化还原技术 n o x 选择性催化还原( s c r ，s