NTP技术转化柴油机NO及再生DPF的实验研究和机理分析

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。目前柴油机的NOx、PM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NOx及再生微粒捕集器的技术路线，探讨了低温等离子体转化NOx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NO/C3H6/CO2/O2/N2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—V Lissajous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3mm、放电气隙为2mm，并对其进行了12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O2/N2、NO/O2/N2、NO/C3H6/O2/N2以及NO/N2、NO/C3H6/N2气氛中NO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O2/N2气氛时，会产生O3及NO2物质；活性物质作用于NO/O2/N2气氛时，NO主要通过氧化反应转化为NO2，降低O2及NO初始浓度，可提高NO转化率；活性物质作用于NO/CaH6/O2/N2气氛时，NO同时存在氧化和还原两种途径，C3H6初始浓度越高，NO通过还原反应转化为N2的趋势越明显，同时有CO产生；活性物质作用于NO/N2气氛时，NO只发生还原反应，转化率低、能耗高，当在其中加入C3H6后，可有效提高NO还原效率，并有CO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NO为NO2，NOx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NO和C3H6反应，将NO氧化为NO2，与C3H6反应生成CO；当温度继续升高时，活性物质主要与C3H6之间发生氧化反应，生成大量的CO，活性物质对NO的作用相对减弱，故NO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：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NO的氧化作用加强，排气中有更多的NO2生成；排气温度较高时，活性物质同时作用于排气中的NOx、 HC、PM，此时NO转化为NO2的反应不再明显，另外，由于活性物质对PM作用时会将其表面的有机可溶性成分转化为气态HC物质，故HC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HC及PM，此时CO排放量升高、HC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GC—MS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HC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HC，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1柴油机排气中NOx和PM的形成及危害

1.1.1氮氧化物

1.1.2微粒

1.2柴油机排放标准

1.3柴油机排气后处理技术

1.3.1 NOx后处理净化技术

1.3.2 PM后处理净化技术

1.3.3 NOx和PM同步净化后处理技术

1.4本课题研究的意义和内容

第二章低温等离子体理论基础及其应用

2.1等离子体概述

2.2 NTP产生方法

2.2.1电晕放电

2.2.2介质阻挡放电

2.3 NTP化学反应过程

2.4 NTP技术降低柴油机排放的反应机理及研究现状

2.4.1 NTP降低柴油机排放的反应机理

2.4.2 NTP降低柴油机排放的研究现状

2.5本章小结

第三章介质阻挡放电理论及试验研究

3.1介质阻挡放电物理过程

3.2 DBD主要物理参量

3.2.1 DBD电场强度

3.2.2 DBD放电电压

3.2.3 DBD放电功率

3.2.4功率因数

3.3 Q-V Lissajuos图形法放电功率测试系统及方法

3.3.1 Q-V Lissajous图形法放电功率测试系统

3.3.2 Q-V Lissajous图形法放电功率测试方法

3.4 DBD演化过程中主要参量的变化

3.4.1 DBD放电功率的变化规律

3.4.2 DBD等效电容的变化规律

3.4.3 DBD周期电荷传输量的变化规律

3.4.4 DBD气隙电场强度的变化规律

3.4.5 DBD折合电场强度的变化规律

3.5本章小结

第四章低温等离子体转化NO的实验分析

4.1实验系统

4.1.1模拟气配气系统

4.1.2 DBD型NTP反应器

4.1.3气体测试设备

4.2实验流程

4.3实验结果及分析

4.3.1 NTP反应器放电特性

4.3.2 O2/N2混合气在NTP反应器中的化学反应

4.3.3 NO/O2/N2混合气在NTP反应器中的化学反应

4.3.4 NO/C3H46/O2/N2混合气在NTP反应器中的化学反应

4.3.5 NO/N2混合气在NTP反应器中的化学反应

4.3.6 NO/C3H6/N2混合气在NTP反应器中的化学反应

4.3本章小结

第五章NTP喷射系统处理柴油机模拟排气实验研究

5.1 NTP喷射系统及实验流程

5.2实验流程

5.3模拟排气实验结果分析

5.3.1 NTP反应器喷气量对NOx转化率的影响

5.3.2温度对柴油机模拟排气转化的影响

5.4本章小结

第六章NTP喷射系统再生DPF台架实验研究

6.1 DPF再生技术概述

6.1.1热再生和催化再生技术

6.1.2 NTP再生技术

6.2 NTP再生柴油机DPF台架实验系统

6.3实验流程

6.4实验结果及分析

6.4.1 NTP反应器工作特性

6.4.2柴油机不同负荷下排气温度的变化

6.4.3柴油机不同负荷下各排气组分的变化

6.4.4利用GC-MS分析有机物的研究结果

6.5本章小结

第七章全文总结和工作展望

7.1全文总结

7.2课题展望

附 表

参考文献

致 谢

发表论文及参加科研情况说明