汽车尾气等离子净化器及其控制系统的设计与研究-控制科学工程硕士论文

分类号：T P 2 7 3 密级： 单位代码：1 0 4 2 2 学号：2 0 0 9 1 2 7 6 2 蔡办霉 硕士学位论文 论文题目：汽车尾气等离子净化器及其控制系统的 设计与研究 T h e s i sT o p i c ：D e s i g na n dR e s e a r c ho fP l a s m aP u r i f i e ra n dI t s C o n t r o lS y s t e mt oR e d u c eA u t o m o b i l eE x h a u s t 作者姓名张建华 学院名称控制科学与工程学院 专业名称 指导教师 合作导师 控制科学与工程 马思乐副教授 2 0 1 2 年5 月1 4 日 m - J r l 一t 。I 。：- 。燧j 麟 豫J 。 二! 。 埔寸吖哮节”j 叩瞄- 毛繁蓐掣 绺蠢粼 ；鞭瓣 i 譬辫避絮 蒜荔醛 麓掣辫争 鬻 。i r r j 饕 惭姆黼螂 搿；n 环州獬 H 譬，卅舢 ，蹬 篇争 塾i黪蔷 甄娜酞坩 燃懈4蛳L州 咿私 ，f w冰蕊爆滋 州制 藩 J j q 玎 “ 晰竹 h ，J = 一 嘶蜉拦隧 蜊F ，、繁 “” 蚋誊 J _ 、 _ ， f 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缁日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者虢缉导师硌蚴期：巡哆 壤 i ，。FI 嶙1 1 i i - 叫r _ ：。- 。l I ：j 。r _ _ 。 脯醚) 黼擀 嘲 一 懈醚蝌卅 ：瓣嗽 -。 l 。， 群 黝醍捌 斜冀拶- i 胪t 口j 。础 _ 、j 叶 糍 蚌嘞考i ；趟i - _ 弘 矗n i 碰辩b 鹏 簿毒i ： i 酶戢； i 茧舢 鞣 。 “I - 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t h e r m a lP l a s m a 1 ( ) 2 2 1C h a r a c t e r i s t i c so f N o n t h e r m a lP l a s m a 1O 2 2 2M a i nP a r a m e t e r so f N o n t h e r m a lP l a s m a 1 0 2 2 3P r o d u c i n gW a yo f N o n t h e r m a lP l a s m a 1 1 2 3P u r i f i c a t i o nM e c h a n i s mo fP l a s m aR e a c t o r 14 2 4C h a p t e rS u m m a r y 17 C h a p t e r3O v e r a l lS c h e m eo f P u r i f i c a t i o nS y s t e m 1 9 3 1I n t r o d u c t i o no fO v e r a l lS c h e m e 19 ：；2D e s i g nS c h e m eo f P l a s m aR e a c t o r 1 9 3 2 1P r o d u c i n gW a yo f N o n - t h e r m a lP l a s m a 1 9 3 2 2D i e l e c t r i cB a r r i e rD i s c h a r g e s 2 0 3 2 3D e s i g no fP l a s m aR e a c t o r 2 8 ：；3P o w e rD e s i g no fP l a s m aS y s t e m 31 3 3 1R e q u i r e m e n tA n a l y s i sa n dD e s i g nI d e ao fP o w e r 31 3 3 2D e s i g no fF i r s t o r d e rC i r c u i t 3 3 3 3 3D e s i g no fS e c o n d - o r d e rC i r c u i t 3 4 ：；4C h a p t e rS u m m a r y 4 0 C h a p t e r4D e s i g no f C o n t r o lS y s t e m 4 1 i i i 山东大学硕士学位论文 4 1H a r d w a r eD e s i g n 4 1 4 1 1P o w e rM a n a g e m e n tM o d u l e 4 2 4 1 2M C 9 S 1 2 X S l 2 8S C MS y s t e m 4 3 4 1 3V o l t a g eA c q u i s i t i o nM o d u l e 4 6 4 1 4T e m p e r a t u r e A c q u i s i t i o nM o d u l e ：4 7 4 1 ! ；C o m m u n i c a t i o nM o d u l e 4 9 4 2S o f t w a r eD e s i g n 4 9 4 2 1M a i nP r o g r a mF l o w 4 9 4 2 2C o n t r o lA l g o r i t h mo f F u z z yP I D 5 4 4 3C h a p t e rS u m m a r y 5 8 C h a p t e r5S y s t e mS i m u l a t i o na n dR e s u l tA n a l y s i s 5 9 1 ；1O v e r v i e wo fS i m u l a t i o nT 0 0 1 5 9 5 2S i m u l a t i o no f P o w e r 5 9 5 2 1S i m u l a t i o no f C a r r i e rW a v e 5 9 5 2 2S i m u l a t i o no fS P W M 6 0 5 2 3S i m u l a t i o no f P o w e r O u t p u t 6 1 5 3S i m u l a t i o no f C o n t r o l A l g o r i t h m 6 2 5 4S i m u l a t i o no f P l a s m aR e a c t o r 6 5 1 ；4 1P a r to f I m p a c t 6 6 5 4 2P a r to fC h e m i c a lP u r i f i c a t i o n 一6 7 5 5C h a p t e rS u m m a r y 7 0 C h a p t e r6C o n c l u s i o n 7 1 R e f e r e n c e s 7 3 A c k n o w l e d g e m e n t 7 7 R e s e a r c hP r o j e c t sJ o i n e da sM a s t e r 7 9 山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着我国经济的发展和社会的进步，汽车作为寻常的交通工具进 入千家万户。毋庸置疑，汽车给人类带来便捷的同时，其尾气引起的环境污染 问题也成为一个公认的社会问题。为解决汽车尾气带来的污染问题，政府相关 部门制定了越来越严格的排放标准来限制汽车尾气的排放。法律法规作为强有 力的制约手段在一定程度上对控制汽车尾气污染起到了重要作用。然而，从长 远来看，仅仅依靠法律法规的强制作用远远不能解决愈来愈严重的尾气污染问 题。从根本上解决汽车尾气的污染问题要依赖科学技术手段，建立长效的汽车 尾气治理研究机制。 低温等离子技术作为卓有成效的科研成果，近年来被广泛应用于处理废气 废水等污染物之中。研究证明，其强有力的净化能力能够处理多种污染物，并 且可以避免二次污染的产生，从而达到彻底的净化效果，是一种非常理想的污 染物净化技术。据此我们可以推测，汽车尾气净化处理过程中引入低温等离子 技术具有非常广泛和实用的应用前景。 目前我国对汽车尾气等离子净化系统的研究还处于探索与试验阶段，还没 有成型的产品出现。究其原因，最大的瓶颈在于车载电源达不到等离子净化汽 车尾气所需的苛刻要求。为了能突破这一技术上的难题，本课题拟通过对低温 等离子技术的理论研究，提出了汽车尾气低温等离子净化的解决方案并进行了 设计，而且用M A T L A B 仿真验证了方案的正确性。本课题主要包括如下工作： 1 研究低温等离子的理论知识，选择适应于汽车尾气处理的等离子反应方 式，提出新的等离子反应器结构方案，以期达到更好的汽车尾气净化效果。 2 设计与等离子反应器相配套的高压高频交流电源，把车载的1 2 伏直流 电源转换成高压高频交流电，从而解决普通车载逆变电源达不到低温等离子反 应器要求的问题。 3 设计等离子净化器控制系统的硬件和软件。控制系统维持高压高频电源 的正常运行，并且根据汽车运转情况对电源的频率和幅值进行自动调节，保证 了等离子净化系统在完成尾气净化的前提下达到节能的目的。 I 山东大学硕士学位论文 4 研究模糊P I D 控制算法在汽车尾气等离子净化系统中的应用，实现系统 的可靠稳定输出。 5 用M A T L A B 仿真工具对系统方案的可行性进行验证，为系统的进一步 实施提供理论依据。 本课题将低温等离子空气净化技术引入到汽车尾气净化中，充分考虑汽车 尾气的特殊情况，创新性地提出了新型介质阻挡等离子反应结构，设计了与新 结构相匹配的车载高压高频交流电源，研究了模糊P I D 控制策略在控制系统中 的应用，用M A T L A B 仿真验证了设计方案的可行性。我们相信，随着相关研 究的不断推进，低温等离子净化汽车尾气的产品必将逐步成型和完善，为改善 人类所处的环境作出应有的贡献。 关键词：汽车尾气；低温等离子；高压高频电源 I I 山东大学硕士学位论文 A B S T R A C T I nr e c e n ty e a r s ，w i t hC h i n a Se c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a lp r o g r e s s ， a u t o m o b i l eh a sb r o u g h tc o n v e n i e n c et oh u m a n s ，h o w e v e r ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p r o b l e m sc a u s e db ye x h a u s tg a sh a v ea l s ob e c o m er e c o g n i z e ds o c i a lp r o b l e m s T o s o l v et h ep o l l u t i o np r o b l e m sc a u s e db yv e h i c l ee x h a u s t ，t h er e l e v a n tg o v e r n m e n t d e p a r t m e n t sd e v e l o pm o r ea n dm o r es t r i n g e n te m i s s i o ns t a n d a r d st ol i m i tv e h i c l e e x h a u s te m i s s i o n s L a w sa n dr e g u l a t i o n sa sp o w e r f u lm e a n sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h ec o n t r o lo fv e h i c l ee x h a u s tp o l l u t i o n H o w e v e r ，i nt h el o n gr u n ，l a w sa n d r e g u l a t i o n sC a nn o ts o l v et h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp r o b l e m so fe x h a u s tp o l l u t i o n N o n t h e r m a lp l a s m at e c h n o l o g ya saf r u i t f u lr e s e a r c hr e s u l ti sw i d e l yu s e di n d e a l i n gw i t ha i ra n dw a t e rp o l l u t a n t s S t u d i e sh a v es h o w nt h a tN o n - t h e r m a lp l a s m a t e c h n o l o g yh a sap o w e r f u la b i l i t yt op u r i f yav a r i e t yo fp o l l u t a n t s ，i tc a na v o i d s e c o n d a r yp o l l u t i o na n di ti sa ni d e a lp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y N o n t h e r m a lp l a s m a t e c h n o l o g yh a sab r o a dp r o s p e c ti na u t o m o b i l ee x h a u s tp u r i f i c a t i o n A tp r e s e n t ，C h i n a Sa u t o m o b i l ee x h a u s tp l a s m ap u r i f i c a t i o ns y s t e mi ss t i l li nt h e e x p l o r a t i o na n dp i l o tp h a s e T h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi st h a tt h ev e h i c l ep o w e r s u p p l yd o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s I no r d e rt ob r e a kt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ， w es t u d yt h et h e o r yo fN o n - t h e r m a lP l a s m aa n dd e s i g nan e wk i n do fn o n - - t h e r m a l p l a s m ap u r i f i c a t i o ns y s t e m M A T L A Bs i m u l a t i o nv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e m T h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 S t u d yt h et h e o r yo fN o n - t h e r m a lP l a s m a ，d e s i g nan e wn o n - t h e r m a lp l a s m a r e a c t o ra n di m p r o v et h ee f f e c to fa u t o m o b i l ee x h a u s t p u r i f i c a t i o n 2 D e s i g nt h eh i g h v o l t a g ea n dh i g h - f r e q u e n c yA Cp o w e rw h i c hm a t c h e st h e p l a s m ap u r i f i c a t i o ns y s t e m 12V D C i sc o n v e r t e dt o h i g hv o l t a g eh i g hf r e q u e n c y a l t e r n a t i o nc u r r e n t ，S Oa st os o l v et h ep r o b l e mo f o r d i n a r ya u t o m o b i l ep o w e rf a i l i n g t om a t c ht h es y s t e m 3 D e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o lm o d u l ew h i c hm a i n t a i nt h e 山东大学硕士学位论文 n o r m a lo p e r a t i o no fh i g hv o l t a g eh i 曲疔e q u e n c yp o w e rs u p p l y P o w e rf r e q u e n c y a n da m p l i t u d eC a nb ea d j u s t e da u t o m a t i c a l l yt oe n s u r et h ep u r i f i c a t i o ns y s t e mt o s a v ee n e r g yu n d e rt h ep r e m i s eo fe x h a u s tp u r i f i c a t i o n 4 S t u d yt h ef u z z yP I Dc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ei m p l e m e n t a t i o no fv e h i c l e e x h a u s tp u r i f i c a t i o ns y s t e mt oa c h i e v er e l i a b l ea n ds t a b l eo ft h es y s t e m 5 M A T L A Bs i m u l a t i o nv a l i d a t e st h e f e a s i b i l i t yo fs y s t e ms o l u t i o n s ，a n d p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e ri m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m W eu s en o n - t h e r m a lp l a s m at ot h ep u r i f i c a t i o no fa u t o m o b i l ee x h a u s t W e d e s i g nn e wd i e l e c t r i cb a r r i e rp l a s m ar e a c t o r , h i g h - - v o l t a g ea n dh i g h - - f r e q u e n c yp o w e r a n di t sc o n t r o ls y s t e m M A T L A Bs i m u l m i o nv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h es u b j e c t W i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h es u b je c t ，t h en o n t h e r m a lp l a s m ap u r i f i c a t i o n w i l lg r a d u a l l yt a k es h a p ea n db e c o m ep e r f e c t T h et e c h n o l o g yw i l lc o n t r i b u t et ot h e e n v i r o n m e n t K e y w o r d s ：a u t o m o b i l ee x h a u s t ；n o n - t h e r m a l p l a s m a ；H i g h - v o l t a g e a n d h i g h f r e q u e n c yp o w e r I V 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第1 章绪论 从人类制造出第一辆汽车伊始至今，汽车从开始的代步工具逐渐演变成了 现代文明的重要组成部分与标志性符号。腾飞的汽车工业带动了相关行业的迅 猛发展，起到了促进社会发展“助推器的作用。随着竞争意识的增强，我国 大力重视汽车产业的自主创新发展，同时，人们的购车欲望也日渐加强，促使 我国的汽车产量和家庭汽车拥有量屡创新高。据最新统计数据显示，截至2 0 11 年底，中国的机动车保有量是2 2 5 亿辆。 汽车的快速普及在促进经济发展和带给人们便利的同时，也不可避免地带 来了一系列的问题，其中，汽车尾气污染成为导致空气污染的“头号杀手”，并 严重威胁人们的身体健康。研究证明，汽车尾气的有害成分主要有氮氧化合物 ( N O x ) 、颗粒物( 删) 、一氧化碳( C D ) 和碳氢化合物( H C ) 等。这些成分可以形 成光化学烟雾，引起眼睛和呼吸系统的疾病，造成大量树木和农作物枯死，生 成阴霾天气导致交通事故等。2 0 1 2 年2 月的山东省“两会”上，政协委员徐跃 通在提交的关于改善济南市空气质量的若干建议的提案中指出：济南市环 境保护科学研究院的调查发现，机动车排放的颗粒物中8 0 以上属于删2 5 ， 目前济南机动车所排放尾气占空气总污染物的2 5 以上，一年中市民人均吸入 汽车尾气5 0 多千克【1 1 。 世界各国相继制定并提高强制性的排放标准来控制汽车污染物的排放量 ( 如表1 1 所示) 。随着国际汽车排放标准的不断提高，我国面临着尾气治理压 力大的难题。2 0 1 2 年第十一届全国人大五次会议召开期间，北京提出要在全国 率先实施国V 排放标准。这就意味着，国v 的排放标准成为全国范围内的汽车 尾气排放标准将是大势所趋。然而，我国环保部发布的2 0 1 1 年度中国机动车 污染防治年报中显示，“十一五”期间，我国达到国I I I 排放标准以上( 含国I I I ) 的汽车仅占总数的4 1 1 ，约1 2 8 的汽车甚至不能达到国I 的排放标准【2 1 。因 此，为了加快我国与国际汽车尾气排放标准接轨的步伐，构建适宜的人居环境， 山东大学硕士学位论文 保障居民身体健康，必须亟待采取各项有效措施控制汽车尾气污染，尤其要重 视对能够降低汽车尾气污染物产生源头的技术的研究与开发。 表1 1 轿车排放标准( 单位：克千米) 标准等级C DH C N o 。 P M 欧12 7 2 共计0 9 7 欧22 2 共计9 5 欧3 2 30 20 1 5 欧410 10 0 8 欧510 10 0 60 0 0 5 我国目前控制汽车尾气污染的主要技术是在排气系统上安装三元催化转化 装置。然而单一的催化转化技术存在催化剂成本高、可能引发二次污染的问题， 已经不能满足人们对汽车尾气排放的高标准要求。而迅速发展的低温等离子技 术能够弥补催化转化法的不足。与传统的三元催化转化方法相比，低温等离子 技术在处理污染物方面具有处理范围广、效率高、净化彻底且无二次污染等优 势。实践证明，将低温等离子技术应用于环境污染物的处理，是目前国际上最 新采用的处理废气污染的一种高效安全的方法，并取得了良好的经济效益与社 会效益。相应地，如果将等离子技术应用于汽车尾气排放的处理中，势必具有 非常重要的现实意义与历史意义，并将会取得广阔的发展前景。 将低温等离子技术应用于处理汽车尾气的实践探索越来越受到人们的青 睐。本课题以低温等离子技术应用于汽车尾气处理中遇到的瓶颈问题为切入点， 创新性地设计了一种更加适用于汽车尾气处理的等离子反应器结构，并在此基 础上着重设计了与反应器相配套的高压高频电源及控制系统，最后通过仿真软 件对设计模型进行了正确性与可行性的验证工作。本课题期望通过这些初步的 研究成果，一方面能够进一步深化对低温等离子技术处理汽车尾气的研究创新， 为下一步的研究奠定一定的理论基础；另一方面能够加快等离子技术用于实际 的汽车尾气处理中的步伐，为缩小我国与国际汽车尾气最新排放标准和治理水 平的差距、保护地球整体生态环境、保障人们身体健康尽一份微薄力量。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 低温等离子技术处理汽车尾气的研究现状 1 2 1 汽车尾气处理技术介绍 汽车尾气处理就是采取各种有效措施，减少污染物的排放或使排放废气中 的C O 、们。、H C 分别被氧化或还原，生成无毒的C q 、H 2 0 和等。现阶 段，处理尾气污染比较可行的几项措施主要分为发挥法律的监督引导作用、试 行新能源汽车替代普通汽车、加强技术的改进与创新等诸多方面。而应用技术 手段是处理汽车尾气污染的根本措施，也是实施难度最大的一种措施。目前， 汽车尾气净化的现有技术措施主要分为机内净化与机外净化两种方式。 1 机内净化 所谓机内净化是在车辆燃烧工作过程中，通过对发动机的调制，提高燃烧 的质量和改善发动机内的燃烧条件，从而降低尾气有害物质产生的一种技术。 目前已经开始应用的方法包括：延时打火法，E C R ( 废气再循环装置) ，C S S ( 控 制燃烧装置) ，C A P ( 清洁空气装置) 等1 3 1 。 机内净化方法有效地提高了汽车尾气的净化水平，降低了汽车尾气带来的 污染危害。然而，这些方法的可操作性比较低，在具体的应用过程中不可避免 地提高了汽车的成本，对汽车的动力性能带来很大的影响。单纯的机内净化方 式也不可能达到国家越来越严苛的汽车排放法规的要求。由此，效果更好的机 外净化就成为弥补机内净化不足的另外一种途径。 2 机外净化 机外净化是相对于机内净化而言的。机内净化着重于减少尾气的产生，而 机外净化则着重于消除已经产生的有害气体，人们通常说的尾气净化就是指机 外净化。现在常用的方法是三效催化方法。 三效催化方法是使用特定的催化剂来综合排除汽车尾气中的一氧化碳、碳 氢化合物和氮氧化物的一种净化方法。催化剂的组成部分主要有四个：高度多 孔活性载体、氧化铝层、活性组分以及助剂1 4J 。这四个组成部分起到不同的作 用。载体具有良好的机械强度与热稳定性的优势，能够提供足够的表面积和微 孔结构。目前常用的载体是蜂窝状的堇青石陶瓷载体或金属载体。常见的蜂窝 3 山东大学硕士学位论文 状的载体如图1 1 所示。氧化铝涂层覆盖在载体的表面，起到了增大载体表面 积、加强催化活性、提高活性组分的均匀性和分散度、改善催化剂的热稳定性 等作用。活性组分是催化剂中最重要的物质，主要分为贵金属活性物( 如尸，、 尸6 、R h ) 、非贵金属( 如C o 、C u 、M n 、F e ) 和稀土金属( 如C e 、L a 、P r 、 N d ) 等。P t ( 铂) 可以促进一氧化碳和碳氢化合物转换成二氧化碳和水，R h ( 铑) 促进有害的氮氧化物转为无害物质，添加少量同等价格的P b ( 钯) 则可 以提高性能【5 1 。 翻 图卜1 蜂窝状的载体 三效催化技术是目前国际上公认的减少汽车尾气排放的主流技术，但是它 依然存在着致命的弱点，比如催化剂和汽车不容易匹配、催化剂“中毒”不好 解决、必须采用无铅汽油、空燃比要求非常精确等问题。 而低温等离子技术能够有效地解决三效催化技术制约机外净化的难题。 S A E ( 美国汽车工程协会) 把低温等离子控制汽车尾气技术作为2 0 0 0 年的世界 汽车工业十大技术之一【6 】。低温等离子具有净化效率高、能耗低、无二次污染 的优点，近年来逐渐应用于固、液、气态废弃物的处理中【7 1 。由此可以预见， 如果把低温等离子技术相应地应用于汽车尾气净化方面，无疑能给处理环境污 染带来更大的福音。 1 2 2 汽车尾气等离子净化技术的国内外研究现状 近年来，国内外许多国家积极致力于低温等离子技术应用于处理汽车尾气 的研究，并取得了一系列卓有成效的研究成果。 首先是对低温等离子技术在汽车尾气处理中的反应机理的研究。目前对其 反应机理的研究主要采取实验模拟、观察的方式，以宏观定性研究为主，很少 涉及对其微观机理的研究。国外的相关研究学者通过进行大量的模拟实验探寻 低温等离子技术的反应机理。R i c h t e r 特等人用低温等离子结合沸石N 旷4 离子 4 山东大学硕士学位论文 在1 0 0 的温度环境中将加转化为N ： S l 。R a v iV 等研究人员通过添加碳氢化 合物研究低温等离子对N O 的净化作用时，研究了不同的温度对 净化转化x N O 率的影响，例如，在各种温度下，添加乙烯能快速提高N O 的转化率阳3 。 C h r i