（车辆工程专业论文）柴油机四效催化转化技术研究.pdf

武汉理工人学博士学位论文 摘要 柴油机以其优越的动力性和燃油经济性，近年来得到更普遍的应用。柴油 机排气的主要有害成分包括微粒、n o x 、h c 、c o ，其中h c 与c o 浓度较低且 易在富氧环境中氧化，所以柴油机排气控制的重点是微粒与n q 。目前，柴油机 机内控制技术已经使柴油机排放降低到较低的水平，但仍不能满足未来严格的 排放法规，迫切需要排气后处理新技术，以及多种现有技术的有机集成来同时 对柴油机的有害排放物进行净化。 本文首先分析了国内外车用柴油机四效催化转化装置的研究进展，认为国 内外已经发展了许多用于柴油机排气后处理的技术，但各自又都面临一些问题， 尚没有开发出较好的排气后处理技术。低温等离子体技术与催化转化技术的集 成技术，因其理论上有可能达到较好的效果，而且避免了其他四效催化转化装 置的主要问题，诸如要求排气温度较高，需要复杂的还原剂供应装置等，具有 重要的研究价值。 。 本文研究了催化剂的制各，结果显示，烧结法和溶胶凝胶法都能制备 l a o 9 k o 1 c 0 0 3 钙钛矿型复合氧化物。通过提高烧结温度，都能进一步提高产物的 纯度，同时晶粒粒度会增大，比表面积减小。在相同烧结温度下，溶胶一凝胶法 生成的产物与烧结法相比更纯一些，粒度更小，比表面积和孔径更大。因而， 溶胶凝胶法是制备l a o 9 k o 1 c 0 0 3 钙钛矿型复合氧化物的较理想方法。 在小样试验中，发现用溶胶凝胶法在1 0 5 0 烧结温度下制备的 l a o 9 k o 1 c 0 0 3 钙钛矿型复合氧化物催化剂，具有更低的碳烟点火温度、更低的 n q 起始反应温度，更低的反应副产物c o 浓度，因而催化性能优于烧结法制备 的催化剂；通过适当提高烧结温度和采用溶胶凝胶法可以提高催化剂净化p m 和n q 的性能。然后尝试分别利用贵金属p t 、l a o 9 k o 1 c 0 0 3 、p t 和l a o 9 k o 1 c 0 0 3 共同，三种方案作为p m 和n q 反应的催化剂。结果n 和9 k o 1 c 0 0 3 共同应 用则效果不佳；p t 催化剂在各反应温度指标上都略优于l a o 9 1 4 0 1 c 0 0 3 ，但它也 有一定的缺陷，包括对n q 的转化效率较低，最后残余c o 、h c 等污染气体没 有反应，使用贵金属，成本较高等；因而综合考虑溶胶凝胶法在1 0 5 0 。c 烧结温 度下制备的l a o 9 k o 1 c 0 0 3 是较理想的净化p m 和n q 的催化剂。最后研究了这 种催化剂的工作条件，与发动机高速大负荷运转时的排气状况相符合。 武汉理工大学博士学位论文 在柴油机台架试验中，l a o 9 k o 1 c 0 0 3 催化剂在一定温度下不仅能够同时降低 柴油机排气中的p m 和n q ，还可以降低h c 和c o 的排放，但是对p m 和n q 的转化效率还比较低，在最好的情况下只有1 5 - - - - - 2 0 ；需与低温等离子体技术 技术协同作用，以提高净化效果。 在对低温等离子体技术的理论分析中，重点分析了低温等离子体技术的能 耗问题，设计了并联式的介质阻挡放电反应器，以及确定了与之相匹配的高压 脉冲电源参数，用经验公式计算了反应器的功率。 研究了等离子体技术与钙钛矿型催化剂技术的协同作用，与单独用催化剂 技术相比，可提高对柴油机排气净化效果，但对反应温度降低较小，仍然在3 0 0 左右。 在低温等离子体台架实验中，所设计的并联式的介质阻挡放电反应器，可 正常工作，并达到净化柴油机排气的效果；采用催化剂后置，低温等离子体发 生器前置的布置形式，难以达到催化剂工作温度；催化剂前置，低温等离子体 发生器后置的布置形式，有利于满足催化剂的工作条件，使催化剂有效发挥作 用。低温等离子体辅助柴油机四效催化转化技术对n o x 和微粒有较好的净化效 果，尤其是对n q ，净化率最高可达8 1 2 。对于固定式柴油机改进后基本具备 实际应用的条件；对于车载柴油机，在解决高压脉冲电源小型化、可移动的问 题后，也具有较广阔的应用前景。 关键词：柴油机；排气后处理；催化剂；等离子体技术 u 武汉理一t = 人学博士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp o w e ra n de c o n o m yi nf u e l ，d i e s e li sw i d e l ya p p l i e di n r e c e n t ly e a r s t h em a i nn o x i o u sc o n t e n t so fd i e s e le m i s s i o na r ep a r t i c l e s ，c o ，h c ， a n dn o x ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fh ca n dc oi sr e l a t i v e l ys l o wa n dt h e yc a ne a s i l y b eo x i d i z e dw h e no x y g e ni se n o u g h s ot h ef o c o u so fd i e s e le m i s s i o nc o n t r o li sn 0 j c a n dp a r t i c l e s a tp r e s e n t ，i n t e r n a lm e a s u r e sc a t lr e d u c et h ee m i s s i o nt ob er e l a t e v e l y l o w ，b u ti tc a nn o tm e e tt h er e g u l a t i o ni nf u t u r e t h ea l t e r - t r e a t m e n ta n dc o m b i n i n g v a r i o u st e c h n o q u et o g e t h e rt op u f f f yt h ed i e s e le x h a u s t sa r en e e d e d t h ed e v e l o p m e n to ff o u r - w a yc a t a l y s ta l lo v e rt h ew o r l di sa n a l y z e d m a n y p u f f f y i n gt e c h n i q u e s i nd i e s e lh a v eb e e nd e v e l o p e db u tt h e r es t i l le x i s ts o m e s h o r t c o m i n g s c o m b i n et h et e c h n o l o g yo fl o w t e m p e r a t u r ep l a s m at e c h n o l o g yw i t h c a t a l y t i cc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yc a no b t a i nb e t t e re f f e c tt h e o r e t i c a l l y , a n dt h em a i n p r o b l e m se x i s t e di no t h e rf o u r - w a yc a t a l y s tc a nb eo v e r c o m e ，s u c ha sh i g he m i s s i o n t e m p e r a t u r e ，c o m p l e xs u p p l ye q u i p m e n tf o rr e d u c e r , w h i c hi so fi m p o r t a n tv a l u e t h e nt h ec a t a l y s tt h ep e r o v s k i t et y p el a 0 9 k 0 1 c 0 0 3w a sp r e p a r e dt h r o u g hb o t h c a l c i n a t i o na n ds o l g e lm e t h o d t h ep u r i t yo fl a o 9 k o 1c 0 0 3p o w d e r sc a nb ei n c r e a s e d b yr a i s i n gt h ec a l c i n i n gt e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，t h ep a r t i c l ed i a m e t e ri n c r e a s e d ， b e ts u r f a c ea r e ad e c r e a s e u n d e rt h es a m ec a l c i n i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec h a r a c t i c p r o p e r t i e so ft h e l a o 9 k o ic 0 0 3p o w d e r ss y n t h e s i z e db ys o l - g e lm e t h o di sb e t t e r t h a nt h o s es y n t h e s i z e db ys o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d ，s u c ha sp u r e rp h a s e ，s m a l l e r p a r t i c l ed i a m e t e r , w h i c hc a nb eu s e da sas a t i s f a c t o r yc a t a l y s ti nd i e s e lw a s t eg a s c l e a n i n g i ns m a l ls a m p l ee x p e r i m e n t ，t h ec a t a l y t i cp e r f o r m a n c eo ft h e l a 0 9 k o 1 c 0 0 3 p e r o v s k i t ec o m p o s i t eo x i d ec a t a l y s ts y n t h e s i z e db ys o l g e lm e t h o ds i n t e r e da t 1 0 5 0 ( 2i sb e t t e rt h a nt h a to ft h ec a t a l y s ts y n t h e s i z e db ys o l i ds t a t er e a c t i o nm e t h o d c a t a l y s t ，s u c ha sl o w e ri g n i t i o nt e m p e r a t u r eo f t h ed i e s e ls o o tp a r t i c u l a t e s ，l o w e rs t a r t t e m p e r a t u r eo fn o rt r e a t m e n t ，c r e a t i n gl o w e rc o n c e n t r a t i o no fb y p r o d u c tc o ，s oi t h a sb e t t e rc a t a l y z i n ge f f e c t b yi n c r e a s i n gt h es i n t e r i n gt e m p e t a t u r ea p p r o p r i a t e l ya n d u s i n gt h es o l - g e lm e t h o d ，t h ee f f e c to fc a t a l y s tt op u r l f yp m a n dn o xc a nb ei m p r o v e d t h r e em e a s u r e s ，ie ，u s i n gp ta n dl a o 9 k o 1 c 0 0 3r e s p e c t i v e l ya n db o t ha sc a t a l y s tt o c l e a rp ma n dn o xw e r et a k e n i ti si n d i c a t e dt h a ti ti sn o te f f i c i e n tu s i n gp ta n d i i i 武汉理工大学博士学位论文 l a o 9 k o 1 c 0 0 3b o t h ，t h ee f f e c to fp ti sal i t t l es u p e r i o rt ol a 0 9 k 0 i c 0 0 3 ，b u tt h e c o n v e r s i o nr a t et on o xi ss l o wa n di tc a nn o tt r e a tw i t hc oa n dh c ，a tt h es a m e t i m e ，i ti se x p e n s i v e c o n s i d e r i n gt h ew h o l ec o n d i t i o n s ，t h eb e t t e rc a t a l y s tw a sc h o s e n a sl a o 9 k o 1c 0 0 3p r e p a r e db ys o l g e lm e t h o da n ds i n t e r e da t10 5 0 t h ew o r k i n g c o n d i t i o n so ft h ec a t a l y s tw a si n v e s t i g a t e d ，w h i c hi sc o i n c i d e n tw i t ht h ee x h a u s tg a s w h e nt h ee n g i d ei si nh i g hs p e e da n dl a r g el o a d i nt h ed i e s e lt e s tb e n c he x p e r i m e n t a l ，l a 0 9 i ( 0 1 c 0 0 3c a t a l y s tc a nn o to n l yr e d u c e t h ep ma n dn o x ，b u ta l s or e d u c eh ca n dc oe m i s s i o n t h ec o n v e r s i o nr a t et op m a n dn 0 j ci ss t i l ll o w , w h i c hi sa b o u t15 - - - 2 0 o nt h eo p t i n u mc o n d i t i o n ，s oi ti s n e s s i s s a r yt oc o m b i n ew i t hl o w t h e r m a lp l a s m st e c h n i q u et oi m p r o v et h ep u r i f y i n g e f f e c t t h e ne n e r g yc o n s u m p t i o no fl o w t h e r m a lp l a s m at e c h n i q u ew a sa n a l y z e da s f o c o u s ，a n dt h es h u n td i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ep l a s m ar e a c t o rw a sd e s i g n e d ，t h e n t h ec o r r e s p o n d i n gh i g h p u l s ep o w e rp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d t h ep o w e ro ft h e r e a c t o rw a sc a l c u l a t e db ye x p e r i e n t i a lf o r m u l a t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h e r e a c t o r sp o w e ri si nt h el o w e rr a n g eo ft h ed i e s e le n g i n e t h el o w t h e r m a lp l a s m at e c h n i q u ew a sc o m b i n e dw i t ht h el a 0 9 i ( o 1 c 0 0 3 p e r o v s k i t ec o m p o s i t eo x i d ec a t a l y s tf o rt h ef i r s tt i m e c o m p a r e dw i 廿lu s i n gs i n g l e c a t a l y s t ，t h ec o m b i n e dt e c h n i q u ec a ni m p r o v et h ec l e a r i n ge f f e c t ，b u ti tr e d u c et h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r el i t t l e ，w h i c hi ss t i l la ta b o u t3 0 0 。c i nt h ee m p l a c eb e n c he x p e r i m e n t a l ，t h ed e s i g n e ds h u n td i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g ep l a s m ar e a c t o rc a nw o r kw e l l b a l a n c e d ，a n dt h ed i e s e le x h a u s tc a nb e t r e a t e d w h e nc a t a l y s tw e r ee m p l a c e db e h i n da n dl o w - t h e r m a lp l a s m ar e a c t o rw e r e e m p l a c e df r o n t a l ，t h et e m p e r a t u r ew a sn o th i g he n o u g hf o rt h ec a t a l y s t t ow o r k w h i l ew h e nc a t a l y s tw e r ee m p l a c e df r o n t a la n dl o w t h e r m a lp l a s m ar e a c t o rw e r e e m p l a c e db e h i n d ，t h ec a t a l y s tc a nw o r ke f f i c i e n t l y f o u r - w a yc a t a l y s tt e c h n i q u e c o m b i m e dw i t hl o w t h e r m a lp l a s m st e c h n i q u ec a l lp u r i f yp ma n dn o lm o r e e f f i c i e n t l y , e s p e c i a l l yf o rp m ，t h ep u r i f y i n gr a t ec a t lr e a c h8 1 2 t h i st e c h n i q u ei s f e a s i l i l ef o ri m p r o v e df i x e dd i e s e le n g i n e ，a n df o rm o b i l ed i e s e le n g i n e ，w h e nt h e v o l u m eo ft h eh i g hv o l t a g ep u l s ep o w e rc a l lb er e d u c e da n di tc a nb el o c o m o t i v e ，t h e t e c h n i q u em a yb ew i d e l ya p p l i e di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l o w - t h e r m a lp l a s m st e c h n i q u e ；c a t a l y s t ；d i e s e le n g i n e ；a f t e r - t r e a t m e n t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确说明并表示了感谢。 研究生签名：至! 圣日期：三竺竺：壁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以使用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名：至! 塾导师签 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 多曲8 弋、l r 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着全球经济的飞速发展，伴随着现代内燃机技术的进步，世界范围内的 汽车保有量越来越大。2 0 世纪5 0 年代初，全球的汽车保有量只有0 6 亿辆左右， 近年来出现了跳跃性的发展，9 0 年代初达到了6 亿余辆。2 0 0 7 年，中国汽车工 业协会发布的统计显示，2 0 0 7 年中国汽车产量为8 8 8 2 4 万辆，同比增长2 2 0 2 ，比上年净增1 6 0 2 7 万辆；汽车销量8 7 9 1 5 万辆，同比增长2 1 8 4 ，比上 年净增1 5 7 8 0 万辆【l 】。汽车的大量使用一方面极大地促进了现代工业和经济的 发展；另一方面也带来了日益危及人类生存状况的环境污染问题。汽车能源消 耗与环境污染已成为本世纪人类所关注的热点问题之一。 汽车发动机中，汽油机凭借着电控汽油喷射和三效催化转化器，可以将有 害排放物控制在较低的水平。而柴油机凭借良好的动力性、经济性和耐久性， 越来越受到人们的重视，城市公共汽车、大型客车和载重车基本上都采用了柴 油机。近些年来，随着增压中冷、电控高压喷射、四气门等新技术的应用，柴 油机迅速进入轿车领域，并将成为2 l 世纪汽车产业的主导产品。目前世界范围 内汽车动力装置柴油机化的趋势越来越明显，欧洲已将发展柴油车作为缓解空 气污染和削减汽车二氧化碳排放量的策略。 柴油机排气的有害成分主要有c o 、h c 、n o x 和微粒( p m ，p a t i c u l a rm a t t e r ) 。 由于柴油机使用混合气的平均空燃比理论空燃比大，故其c o 与h c 排放明显低 于汽油机，但微粒浓度远远高于汽油机，而且n q 的排放水平也与汽油机相当。 柴油机排气中有9 0 ( 质量比) 以上的微粒，其粒径大部分在1 0 0 一1 0 0 0 0 n m 之间 ( 如图1 1 ) 【2 】【3 1 4 1 ，能长时间悬浮在大气中，很容易通过呼吸系统进入人体肺 泡中并沉积下来，较小微粒甚至能进入人体血液中。同时，吸附在柴油机排气 微粒表面的可挥发性物质和可溶性物质( s o f ，s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 具有诱 变作用，这些物质9 0 以上是致癌物质，对人类的健康危害极大。若用危险率 与排放量的乘积表示致癌的可能性，则柴油机排气致癌可能性明显高于汽油机【4 】 【5 】【6 1 。 武汉理工人学博士学位论文 因此，柴油机的排放可以认为是人口稠密的城市中心区的主要污染源。这 是与世界各国对人类生存环境保护日益提高的要求是不相适应的，对现代柴油 机的持续发展带来了很大的挑战。从上世纪八十年代以来，世界许多国家先后 制定了限制柴油机污染物排放量的法规，并且这些法规的要求越来越严格。严 格的法规是当今柴油机发展的一大推动力，同时也使得柴油机的排放控制技术 成为柴油机行业研究的重点。所以开展柴油机排放控制技术的研究具有巨大的 社会效益和经济效益。 0 0 0 10 0 1 0o 1 0 01 0 0 01 0 0 1 x i 囊径f i l m 图1 1 不同微粒粒径在肺部的沉积速率 1 2 柴油机排气微粒与n o x 控制标准 当汽车有害排放物污染问题引起世界的关注后。为了保护环境，各国相继 制订了排放法规，用以控制汽车污染物排放【7 】。目前国际上汽车排放法规主要分 为三大体系，即美国排放法规、欧洲排放法规和日本排放法规，其他各国基本 上是按照或参考这三大体系来制定本国的排放法规，我国主要参照的是欧洲排 放法规。 1 2 1 国外对柴油机排放的要求 美国是世界上控制汽车排放最早的、最严格的国家。1 9 5 9 年，美国加州就 提出立法，控制汽车污染物的排放。1 9 6 3 年美国开始颁布大气清洁法。美国加 州空气资源署建议从2 0 0 4 年起采用l e vi i ( l o we m i s s i o nv e h i c l ei i ) 排放标准， 2 誉翥拳耀避嚣鸳 蛳瓣静柏狮挎 o n a a强巍鼠包包o 2 8 6 毒2 8 6 4 2纰蝴啪似眦纵撇嘛蝴薹| 群蛏潮秘阻露 武汉理工大学博士学位论文 在该标准中，p m 和n q 的排放标准在所有的排气成分中明显限制得更加严格。 日本也最早于2 0 世纪6 0 年代就开始汽车排放控制，起步水平大致相当。1 9 9 4 年起美国执行极其严格的低污染汽车法规l e v ( l o we m i s s i o nv e h i c l e ) 后，美、日 之间的距离略为拉开。欧洲控制排放起步比美、日晚，而且标准要求较松，但 是到1 9 9 2 年实施欧洲第1 阶段( 欧i ) 排放法规后，进步明显，现已超过日本， 接近美国l e v 计划。 总的来说，美国、日本、欧洲等发达国家，相继采取了越来越严格的排放 法规。以欧盟为例，1 9 9 2 年以来欧盟的重型柴油机排放标准见表1 1 【8 】。重型车 用发动机1 9 9 8 年1 0 月前使用稳态发动机试验循环( e c er 一4 9 ) 。2 0 0 2 年1 0 月 开始使用欧洲固定试验e s c ( e u r o p e a ns t a t i o n a r yc y c l e ) 。e l r ( e u r o p e a nl o a d r e s p o n s e ) 为用于烟度测量的加载响应循环试验。其中，e e v s ( e n h a n c e d e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yv e h i c l e s ) 是指超环境友好车。 表1 - 1 欧盟的重型柴油机排放标准( 单位：g ( k w h ) ) 阶段实施时间测试循环 c oh cn o lp m 烟度m - 1 e u r oi 1 9 9 2 ，额定功率不大于8 5 k w 4 51 18 00 6 1 2 1 9 9 2 ，额定功率大于8 5 k w e c e r 4 94 51 18 0 o 3 6 e u r o i i1 9 9 6 1 04 0 1 1 7 00 2 5 1 9 9 8 1 04 01 17 oo 1 5 e u r o i i i1 9 9 0 1 0 ，仅对e e v s1 50 2 52 o0 0 20 1 5 2 0 0 0 1 0e s c & e l r2 10 6 65 o0 1 0o 8 0 1 3 注 e u r o i v2 0 0 5 1 01 50 4 63 5o 0 2o 5 e u r o v2 0 0 8 1 01 50 4 62 oo 0 20 5 注：使用于每个气缸的排气量小于0 7 l 和额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 从欧i i 到欧i i i ，微粒的排放量下降了3 3 ，而从欧l l l 至l j 欧，则下降了8 0 。 在欧v 标准中，排放限值仍然保持在0 0 2 ( k w h ) ，但n q 的排放则下降了4 3 ， 这个指标从欧i i i 鸷j 欧已经下降了3 0 。 3 武汉理一f 大学博士学位论文 1 2 2 国内对柴油机排放的要求 我国虽然早已认识到汽车排放对大气污染的严重性，但由于受国家经济技 术水平的限制，对汽车排放的控制开始较晚。1 9 8 9 年颁布了g b l l 6 4 8 9 排放标 准，采用变工况( 1 5 工况) 测量方法，可比较客观地衡量发动机的总体排放水 平。1 9 9 3 年颁布了g b l 4 7 6 1 ( 1 7 ) 9 3 等九个标准完全取代了1 9 8 3 和1 9 8 9 年的 标准，其排放限值有了大幅度的降低，但也只接近美国7 0 年代的水平。 表1 2 t 9 】是我国的车用柴油机排放标准。我国采用的标准限值与欧洲一致， 但在时间上落后后于欧洲。根据国家标准g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 车用压燃式发动机排 气污染物排放限值及测量方法规定，现阶段我国车用柴油机测功试验台架的 排放测试仍采用欧洲十三工况测试循环。 表1 2 我国车用柴油机排气污染物排放限值法规 比排放量( ( k w h ) ) 序号实施日期 p m c oh c n o x ! $ 5 k w 8 5 k w a 2 0 0 0 14 51 18 o0 6 1o 3 6 ( 2 0 0 1 1 )( 4 9 )( 1 2 3 )( 9 o )( o 6 8 )( 0 4 0 ) b 2 0 0 5 14 o1 17 o0 1 50 1 5 2 0 0 6 1 ( 4 0 )( 1 1 )( 7 0 )( o 1 5 )( 0 1 5 ) 注：括弧内数值是产品一致性检查限值 从上述国内外排放法规的发展历程来看，对汽车排放污染物的限制越来越 严。为了满足愈加严格的排放法规，在保证发动机动力性、经济性的前提下， 加大汽车发动机排放控制技术方面的研究具有十分重要的意义。 1 3 国内外柴油机发展概况 据调查，全球柴油发动机汽车的销售增长了1 4 1 ，而新车市场的整体销量 仅增长1 4 。从目前的情况看，欧洲柴油车发展最快，而且轿车柴油化发展趋 势正在加速。据了解，导致欧洲柴油化的主要原因大致有三方面，一是柴油车 4 武汉理工大学博士学位论文 节能效果比较明显；二是在柴油车排放的排气中的氮氧化物、碳氢化合物等对 人体有害气体明显少于汽油车；三是欧洲国家的柴油机技术领先世界水平，发 展柴油车有利于欧洲保持其在汽车领域的领先地位。 上世纪9 0 年代初期，欧洲的轿车中大约有2 0 为柴油车，到9 0 年代末期，这 一比例达到了4 0 。现在的比例更高，柴油车在新车中的比例2 0 0 4 年为4 5 ， 到2 0 1 2 年将上升至5 3 。 与欧洲状况类似，日本的柴油化步伐也在加快，一些日本汽车企业已经在柴 油机领域取得了长足的发展。目前，丰田等公司已经开发了性能比较优越的柴 油机。韩国在柴油机发展方面大量借鉴欧洲的技术，现代公司的柴油机制造水 平亦达到相当的水平【l o 】。 我国柴油机产业自8 0 年代以来有了较快的发展，随着一批先进机型和技术 的引进，我国柴油机总体技术水平已经达到国外9 0 年代水平，一些国外柴油机 近几年开始采用的排放控制技术在少数国产柴油机上也有应用。 目前我国中重卡、大中型客车几乎全部使用柴油发动机，轻卡使用柴油发 动机的比例在9 0 以上，轻客的柴油车比例在5 0 以上，以轿车为主的乘用车 以及微型车比例相对较低。在汽车发动机制造领域中，柴油机的比重一直在节 节攀升。在相同的输出功率下，柴油机可以比汽油机节油2 5 - - 3 0 ，而在温室 气体排放方面则比汽油机降低了4 5 。2 0 0 6 年我国汽车用柴油机消费量已达到 1 5 3 万台，较0 5 年增长2 0 ；2 0 0 7 年1 7 月，车用柴油发动机消费量为1 2 0 万 台，同比增长3 1 ，预计到2 0 1 0 年，我国车用柴油机消费量将突破3 0 0 万台【l l j 。 上世纪八十年代前，国内柴油机主要用于农用车，车用柴油机不到车用内 燃机总数的1 0 ，对柴油机的研究主要集中在提高动力性和经济性上，忽略了 柴油机排放的研究，所以造成当时国产柴油机排放恶劣，噪音很大【1 2 】。从八十 年代末、九十年代初开始，由于国家的重视和排放法规的制定，各个厂家在大 力开发柴油机的同时逐渐重视对柴油机排放控制的研究。2 0 0 2 年以来，国内车 用柴油机产品升级换代步伐加快，大多数企业纷纷推出满足欧i i 排放标准的柴 油机，其主要措施是： 1 采用传统的供油系统，大幅提高喷油压力和喷油速率。中大功率柴油机多 采用p 7 1 0 0 喷油泵，最高喷射压力可达1 2 0 m p a 。部分小排量发动机采用v e 分 配泵，喷油压力也大大提高。 2 采用更多喷孔的p 型喷油器，以改善雾化和燃烧，降低了碳烟排放。小排 武汉理【大学博士学位论文 量柴油机多采用无压力室和小压力室喷油器。 3 增压中冷成为基本配置，压气机大多采用前倾后弯叶轮，提高了压气机的 效率和高效区的范围，高速柴油机多采用带放气阀的废气涡轮增压器。 4 部分柴油机采用e g r 技术，以降低n q 排放。 总体来看，国内达到欧i i 排放的柴油机仍是在现有的机型上进行改造，虽然 达到了国家排放要求，但还存在一系列问题。因为很多柴油机厂只是对老机型 进行改进，并未重新设计新机型，所以造成降低排放的同时影响了动力性和经 济性，并且由于燃烧温度的提高，增加了柴油机热负荷，可靠性有所下降。此 外，这些改进措施已经使现有机型降低排放潜力的达到了上限，难以满足欧i i i 排放法规的要求。国家规定从2 0 0 8 年开始全面实施欧i i i 排放法规，部分地区从 2 0 0 6 年开始试行，所以研究如何满足欧i i i 要求的发动机己经迫在眉睫。从欧美 的经验来看，主要的措施有：提高发动机的最大功率，使发动机的单位功率排 放降低；采用先进的燃油喷射技术，如电控燃油喷射，以降低排放和改善燃油 消耗率；采用增压中冷、多气门，喷油器中央垂直布置技术，采用机外净化措 施【13 1 。 1 4 柴油机尾气排放控制技术概述 车用柴油机尾气排放控制主要可以分为三大类：燃油技术、机内控制技术、 机外控制技术。低温等离子体( r c r p ， n o n t h e r m a lp l a s m a ) 净化技术早在7 0 年 代就成为人们治理环境污染的一门关键技术，将其应用于汽车排气净化领域开 始于2 0 世纪9 0 年代初期，主要体现在燃油技术与机外控制技术两大方面。 目前燃油技术主要包括三个方面：一是使用燃油添加剂，如十六烷值提升 剂、燃烧促进剂、消烟剂、抗氧化稳定剂、抗微生物剂等；另外一种是通过低 温等离子体技术裂解部分燃油，生成c o 与h 2 【1 4 】【1 6 】；第三就是使用清洁燃料， 如醇类燃料、生物燃料、二甲醚、压缩天然气等。这些燃料含硫量低，其密度 和芳族化合物含量也低于柴油，而含氧组分比柴油高。因而采用清洁燃料能显 著降低柴油机p m 和n q 排放量【1 7 】。目前来说，燃油技术面临着生产成本过高、 运输贮存不方便、二次污染等问题。 柴油机的有害排放取决于柴油机混合气形成及缸内燃烧过程，而这些是由 喷油、气流、燃烧系统以及缸内工质的配合所决定的，其相应的机内控制技术 6 武汉理丁大学博士学位论文 也是围绕上述几个方面来展开，具体控制措施如表1 3 所示。 表1 - 3 机内控制技术 类别 对策技术 主要控制对象 推迟喷油提前角n q 燃油高压喷射p m 喷油系统 喷油率控制技术 n o i 、p m 小直径、多喷孔加速雾化混合p m 废气涡轮增压与中冷技术p m 进气系统 多气门技术p m 挤流口式燃烧系统 n 0 l 、p m 燃烧系统 非网转体型燃烧系统 n 0 k 、p m 无涡流高压喷射燃烧系统 n o l 、p m 废气再循环 e g r 、中冷e g r 、内部e g r n 0 l ( e g r ) 机内控制技术虽然能够有效地控制柴油机排放，但所能达到的效果有限， 有其局限性。因为对于柴油机来说，不均匀的油气混合气的压缩自燃方式很难 从根本上显著减少碳氢燃油脱氢碳化而生成的p m ，而降低其n q 排放的措施往 往与控制燃油消耗相矛盾。因而不同程度地对汽车的动力性与经济性带来了负 面影响。 随着对内燃机低排放的要求不断严格，改善内燃机工作过程的难度越来越 大，能统筹兼顾动力性、经济性、排放性的内燃机越来越复杂，成本也急剧上 升。机外控制技术的地位显得越来越重要，因此各国都大力开发排气后处理技 术，在不影响或较小影响内燃机其他性能的同时，降低排放到大气中的污染物。 当前车用柴油机机外后处理技术主要是降低c 0 、h c 、n q 和微粒，尤其是 降低n q 和微粒。对n q 处理的技术主要有稀燃n q 催化还原技术、非选择催 化还原( n s c r ，n o n - 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 ) 、选择性催化还原法( 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 ) 、选择性非催化还原法( s n c r ，s e l e c t i v e n o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 、等离子体技术、n q 吸附型催化还原技术等；对于微 7 武汉理_ 大学博士学位论文 粒主要采用氧化催化器( d o c ，d i e s e lo x i d a t i o nc a t a l y s t ) ( d o c ) 和微粒捕集 器( d p f , d i e s e lp a r t i c u l a t ef i l t e r ) 等。这些技术各有特点，且仍在不断改进过程 中。为了同时降低n 瓯和p m 排放，以达到日趋严格的排放标准，国内外的研 究机构往往采用多种方式并举的措施，如微粒捕集器和s c r 技术。 低温等离子体技术与催化转化技术的集成技术，因其理论上有可能达到较 好的效果，而且避免了其他四效催化转化装置的主要问题，诸如要求排气温度 较高，需要复杂的还原剂供应装置等，具有重要的研究价值。 1 5 机内净化技术与四效催化转化装置的协调 通常机外排气后处理技术对机内燃烧产物的浓度、温度、比例等都有一定 范围的要求，因而机内净化技术与四效催化转化装置要协调一致。通常采取三 种控制策略： 1 对机内燃烧产物不加限制，利用排放的n q 在氧化条件下还原微粒( p m ) ， 一般达不到较高的净化效果。 2 在柴油机内减少n q 的排放( 如e g r 、减小喷油正时等) ，在机外利用微 粒捕集器降低p m 的排放，净化效果提高。 3 在机内主要减少p m 的排放( 如提高喷射压力等) ，在机外主要降低n q 的排放。 0123 4 5n o xg ，帅 图1 2 发动机机内燃烧的控制策略图 燃油经济性也是未来柴油机面临的主要挑战。机内净化的发展趋势是采用 稀燃柴油机技术，提供更多的进气，从而改善燃烧状况，也就是通过优化发动 机燃烧，来提高燃油经济性。由于燃烧充分，p m 、c 0 2 的排放减少至较低的水 武汉理工大学博士学位论文 平，同时在富氧的条件下，n q 增加。因而上述第三条路是未来柴油机四效催化 转化装置的发展趋势。发动机机内净化与机外后处理的协调控制策略如图1 2 所 示【18 1 。 1 6 国内外研究现状分析 国内外已经开发了许多类型的车用柴油机四效催化转化装置，主要是以复 合技术为主，即对h c 、c o 和微粒的氧化技术，与对n q 的还原技术相结合。 近年也较注重对采用单一技术同时催化去除四种污染物的研究。 1 6 1 微粒机外控制技术 柴油机排气微粒的机外控制技术主要包括氧化催化器与微粒捕集器两大 类。低温等离子体技术在微粒的净化应用方面主要包括静电捕集与辅助再生两 项。 1 氧化催化器 氧化催化器是已广泛用于柴油车的排气后处理技术，在国外是一种商品化技 术，已在欧洲的柴油小轿车、轻型卡车以及美国重型柴油卡车上安装使用。催 化氧化技术是利用催化剂来降低柴油车排气中的碳氢化合物( c t l h m ) 、一氧化碳 和微粒中的可溶性有机成分等的化学反应活化能，使这些物质能与排气中的氧 气在较低的温度下进行氧化反应，转化为二氧化碳和