（环境工程专业论文）低温等离子体净化汽车尾气动力学模型研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文对低温等离子体净化汽车尾气化学动力学模型进行了研究。 通过对化学动力学模型的分析，探讨低温等离子体净化汽车尾气的动 力学特点。通过对介质阻挡放电特性的分析，设计了一套实验系统。 根据尾气净化的化学反应机理，列出其相应的化学动力学方程。推导 了电子撞击n 2 和0 2 的反应速率常数计算公式，建立过程动力学模型， 用m a t l a b 编程求解，进行计算机模拟。根据模拟结果分析了电子浓 度和电子能量对n 2 分解的影响，模拟了n o 反应过程和其他副产物 n 0 2 、n 0 3 和n 2 0 5 的变化趋势。 根据所建立的模型，对n o 去除率随0 2 含量、输入电压、气体 流量的变化而变化的情况进行了模拟，并在设计的实验系统上进行了 验证，模拟结果与实验结果比较吻合，说明所建模型是可靠的。 根据模拟结果和实验验证，得出：随着0 2 含量的增加，n o 的 去除率降低而生成的n 0 2 增加，尾气中的0 2 不利于n o 的去除。提 高输入电压会使n o 的去除率增加，但当电压达到一定的值后，n o 的 去除率随电压升高变化很小，而n o ：浓度随着输入电压的升高先减少 后增加，所以输入电压并不是越高越好，达到一定的值1 5 1 6 k v 时， n o 的净化效果较好。n o 去除受到气体流量的影响，随着气体流量 的增加，n o 的去除率减小，所以减小气体流量有利于尾气净化。 关键词：低温等离子体，尾气，动力学，模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp 印e r ，t h em o d e lo fc h e m i c a lk i n e t i c sf o rt h ea u t o m o b i l e e x h a u s tc o n t r o lu s i n gn o n - t h e r m a lp l a s m ai sc a r r i e do u t b ya n a l y z i n g m i sm o d e l w eh a sd i s c u s s e dt h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i co fe m i s s i o nc o n t r 0 1 a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt h eq u a l i t yo fd i e l e c t r i c b a r r i e rd i s c h a r g e a c c o r d i n gt om e c h a n i s mo ft h ec h e m i c a lr e a c t i o n ，t h e c o r r e s p o n d i n g k i n e t i c e q u a t i o n i sl i s t e d f o r m u l ao fr e a c t i o nr a t e c o n s t a n tf o re l e c t r o ni m p a c t i n gn 2a n dt0 2i sd e r i v e d ak i n e t i cm o d e li s e s t a b l i s h e d ，i ti s s o l u t e dw i t hm a t l a bp r o g r a m m i n g ，a n dc a r r i e do n c o m p u t e rs i m u l a t i o n o nt h eb a s eo f s i m u l a t i o nr e s u l t ，e f f e c to fe l e c t r o n i c c o n c e n t r a t i o na n de l e c t r o n i ce n e r g yo nd e c o m p o s i t i o no fn 2i sa n a l y z e d ， a n dt h ec o u r s eo f n or e a c t i o na n dv a r i a t i o nt e n d e n c yo fo t h e rb y p r o d u c t s n 0 2 、n 0 3a n dn 2 0 5i ss i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h em o d e ls e tu p ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a t eo f n or e m o v a la n d0 2c o n c e n t r a t i o n ，t h ei n p u tv o l t a g ea n dg a sf l u xi s s i m u l a t e d t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a te x p e r i m e n t a lr e s u l th a sag o o d c o h e r e n c ew i t ht h es i m u l a t i o n t h i sv a l i d a t e st h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e l w eh a v ed r a w nc o n c l u s i o n sf r o mt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ：w i t l lt l l ei n c r e a s eo f 0 2c o n c e n t r a t i o n t h en or e m o v i n gr a t eh a s d e c r e a s e da n dn 0 2c o n c e n t r a t i o nh a si n c r e a s e d s oo x y g e ni nt h ee x h a u s t m a k e sa g a i n s tt ot h ee l i m i n a t i o no fn o e n h a n c i n gi n p u tv o l t a g er a i s e s t h en o r e m o v i n ge f f i c i e n c y , b u ta f t e ri n p u tv o l t a g er e a c h i n gc e r t a i nv a l u e t h er a t ec h a n g e sw i t ht h ev o l t a g ev e r ys l i g h t l y a n dn 0 2 d e n s i t yh a sr i s e n f i r s ta n dt h e nr e d u c e dw i t hi n p u tv o l t a g er i s i n g t h e r e f o r ew h i l et h ei n p u t v o l t a g er e a c h i n g15 - 16 k v , t h ep u r i f i c a t i o nr e s u l to fn o i sb e t t e r n o e l i m i n a t i o ni sa l s oi n f l u e n c e db yg a sf l u x ，a n dw i t ht h ea d d i t i o no ft h e f l o wo fg a s ，t h er a t eh a sr e d u c e d ，s oi ti sf a v o r a b l et oe x a u s tr e m o v a lt o r e d u c et h eg a sf l u x k e yw o r d s ：n o n t h e r m a lp l a s m a ，e x h a u s t ，k i n e t i c s ，s i m u l a t i o n i l 江苏大学硕士学位论文 图目录 图1 - 1 流场计算的几何模型6 f i g 1 - 1g e o m e t r ym o d e lo f f l o wf i e l dt oc a l c u l a t e 6 图1 2c s t r 示意图7 f i g 1 2s k e t c hd i a g r a mo f t h ec s t r 7 图2 1 介质阻挡放电的电极结构1 4 f i g 2 一ld i a g r a mo f e l e c t r o d ec o n f i g u r a t i o ni nd b d 1 4 图2 2 理想电压电荷李萨如图”1 6 f i g 2 2i d e a lv o l t a g e c h a r g el i s s a j o u sf i g u r e 1 6 图2 3 高频介质阻挡放电电荷一电压李萨如图形1 7 f i g 2 3v o l t a g e c h a r g el i s s a j o u sf i g u r eo fh i g hf r e q u e n c yd b d 17 图3 - i 试验装置示意图2 2 f i g 3 - ls k e t c hd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 2 2 图3 2 等离子体发生器示意图2 4 f i g 3 - 2s k e t c hd i a g r a mo f d b dr e a c t o r 2 4 图3 3 电源电压波形图2 6 f i g 3 3v o l t a g eo s c i l l o g r a mo f p o w e r 2 6 图4 1 电子能量对电子碰撞反应速率常数的影响3 3 f i g 4 1e f f e c to fe l e c t r o ne n e r g yo nt h er a t ec o n s t a n to fe l e c t r o ni m p a c tr e a c t i o n 3 3 图4 2 电子平均能量和折合电场强度的关系曲线3 4 f i g 4 2r e l a t i v ec u r v eo fa v e r a g ee l e c t r o ne n e r g ya n de l e c t r i cf e l di n t e n s i t y 3 4 图4 3 电子能量对n 2 分解的影响3 7 f i g4 3e f f e c to f e l e c t r o n i ce n e r g yo nd e c o m p o s i t i o no f n 2 3 7 图4 - 4 电子浓度对n 2 分解的影响3 7 f i g 4 - 4e f f e c to f e l e c t r o n i cd e n s i t yo nd e c o m p o s i t i o no f n 2 3 7 图4 - 5n o 浓度变化曲线”3 9 f i g 4 5t h ev a r i a t i o nc u r v eo f n oc o n c e n t r a t i o n 3 9 图4 - 6n 0 2 浓度变化曲线4 0 f i g 4 6t h ev a r i a t i o nc u r v eo f n 0 2c o n c e n t r a t i o n 4 0 图4 7n 0 3 浓度变化曲线4 1 v 江苏大学硕士学位论文 f i g 4 7t h ev a r i a t i o nc u r v eo f n 0 3c o n c e n t r a t i o n 4 1 图4 - 8n 2 0 5 浓度变化曲线4 1 f i g 4 8 t h e v a r i a t i o n c u r v e o f n 2 0 5c o n c e n t r a t i o n 4 l 图4 - 9 在0 2 含量不同条件下n o 去除率的变化曲线4 2 f i g 4 - 9t h e v a r i a t i o nc u r v eo f n or e m o v a lw i t hd i f f e r e n t0 2c o n t e n t s 4 2 图4 1 0 在0 2 含量不同条件下n 0 2 浓度的变化曲线4 3 f i g4 - 1 0t h e v a r i a t i o nc u r v eo f n 0 2d e n s i t yw i t hd i f f e r e n t0 2c o n t e n t s 4 3 图5 10 2 对n o 去除率的影响4 5 f i g 5 - l e f f e c to f0 2c o n t e n to nr a t eo fn or e m o v a l ”4 5 图5 20 2 对n 0 2 生成浓度的影响4 5 f i g 5 - 2e f f e c to f0 2c o n t e n to nn 0 2c o n c e n t r a t i o n 4 5 图5 3 输入电压对n o 去除率的影响4 6 f i g 5 - 3e f f e c to f i n p u tv o l t a g eo nr a t eo f n or e m o v a l 4 6 图5 4 输入电压对n 0 2 生成浓度的影响4 7 f i g 5 - 4e f f e c to f i n p u tv o l t a g eo nn 0 2c o n c e n t r a t i o n 4 7 图5 5 气体流量对n o 去除率的影响4 8 f i g 5 - 5e f f e c to f g a sf l u xo n r a t eo f n or e m o v a l 4 8 图5 - 6 气体流量对n 0 2 生成浓度的影响4 9 f i g 5 - 6e f f e c to f g a sf l u xo n n 0 2c o n c e n t r a t i o n 4 9 图5 7 汽油机尾气h c 的组成5 l f i g 5 - 7h ci n g r e d i e n to f g a s o l i n ee n g i n ee x h a u s t 5 1 图5 8 输入电压对h c 去除的影响5 1 f i g 5 - 8e f f e c to f i n p u tv o l t a g eo nh cr e m o v a l 5 1 图5 - 9 没有乙烯5 2 f i g5 - 9w i t h o u tc 2 i - h 5 2 图5 1 0 含有乙烯5 3 f i g 5 - 1 0w i t hc 2 h 4 5 3 v i 江苏大学硕士学位论文 表目录 表1 1 轻型汽车污染物排放限值( i i ) ( 相当于欧i i ) 3 t a b l e l - le m i s s i o nl i m i t sf o rt h el i g h t - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e s ( i i ) ( e q u i v a l e n tt oe u r o i i ) 3 表1 2 欧i i i 型式认证和生产一致性排放限值4 t a b l e l 2e u r o i i i p a t t e r na u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c f i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s 4 表1 3 欧型式认证和生产一致性排放限值4 t a b l e l 3e u r o p a t t e ma u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s 4 表2 1 微放电的主要特征1 4 t a b l e2 - 1t h em a i nc h a r a c t e ro f m i c r o d i s c h a r g e 1 4 表3 1 汽油机尾气中n o x 和h c 的含量2 7 t a b l e3 1n o xa n dh cc o n t e n t si ng a s o l i n ee n g i n ee x h a u s t 2 7 表4 1 速率常数k i 和k 2 ( c m 3 i s ) 3 2 t a b l e4 1r a t ec o n s t a n tk la n dk 2f c m 。s ) 3 2 表4 2n o 去除发生的主要化学反应3 5 t a b l e4 2t h em a i nr e a c t i o n sf o rn or e m o v a l 3 5 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。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 学位论文作者签名：脓松验 签字日期；劲口舜6 月、7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 聊躲路耘 签字日期：扣嗒年g 月7 日 电话： 邮编： 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。除文中已经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：陈松验 日期：训d 多年6 月7 日 第一章引言 第一章引言 1 1 概述 1 1 1 汽车尾气污染现状及其危害 近年来我国交通事业日益发达，汽车数量迅速增加。自2 0 世纪8 0 年代以来， 我国汽车保有量迅速增长，由8 0 年代初的几十万辆到现在年生产、使用近2 0 0 0 万辆，年增长率达1 4 左右。尤其是近几年，随着经济建设的飞速发展，国民收 入的提高，汽车增长量更快，根据中国汽车工业总公司行业预测中心推测：到2 0 1 0 年我国汽车保有量将达到4 4 0 0 5 0 0 0 万辆，汽车保有量将居世界前列。而机动车所 产生的空气污染量比任何其他单一的人类活动所产生的空气污染量都大【”，汽车尾 气成为大气污染的主要污染源。在发达国家，空气污染物中8 7 h c ，6 1 c o ， 5 5 n o x 是由汽车排放造成的【2 1 。 汽车排放的污染物主要来源于内燃机，其有害成分包括一氧化碳、碳氢化合 物、氮氧化物、硫化物、颗粒物( 有机铅、碳黑、油雾等) 、臭气( 甲醛、丙烯 醛) 等，其中c o 、h c 和n o x 是汽车尾气的主要有害成分，约占汽车尾气有害成 分总排放量的8 0 ，对人体的危害程度更大。 c o 与人体血红蛋白结合能力是氧气的2 0 0 3 0 0 倍，c o 通过人的呼吸进入人 的血液，和血红蛋白结合后生成碳氧血红蛋白，从而消弱血液向各组织输送氧的 功能，造成人体内部缺氧，危害中枢神经系统，造成感觉、反应、理解、记忆力 等机能障碍，重者危害血液循环系统，导致生命危险。 高温燃烧产生的n o x 主要包括n o 和n 0 2 ，且n o 含量较多。发动机尾气刚 一排出时，尾气中存在的n o 毒性较小，但n o 会很快被氧化成毒性较大的n 0 2 。 n 0 2 是一种褐色有毒气体，有特殊刺激臭味，损害人的眼睛，能引起呼吸道感染 和哮喘，进入肺泡后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生剧烈的刺激作用。亚硝 酸盐则能与人体内的血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上导致组 织缺氧。浓度3 5 1 0 4 ( 3 5 p p m ) 的n 0 2 作用- d , 时即可对人产生有害影响，而浓 第一章引言 度o 5 1 0 击( o 5 p p m ) 的n 0 2 作用- - d 时可对自然界中的某些敏感植物产生毒害 作用。 碳氢化合物( h c ) 的成分有上百种，其中含有致癌物质和对人体器官产生强 烈刺激和影响的物质。碳氢化合物( h c ) 与氮氧化物( n o x ) 在强阳光照射下，能 进行一系列的光化学反应，形成一种毒性很强的浅蓝色烟雾光化学烟雾，产 生危害更大的臭氧和微细的二次颗粒物等。光化学烟雾刺激人们的喉、眼、鼻等 粘膜，它不仅危害人们与动物，而且使生态环境遭到破坏，严重影响农作物的生 长，促使农业减产，同时还具有致癌作用。1 9 4 3 年美国洛杉矾市首次发生光化学 烟雾，造成4 0 0 多人丧生，大片松林枯死，柑橘减产。此后，在北美、罔本、澳 大利亚和欧洲部分地区等也先后出现这种烟雾，每次都造成很大的危害。中国兰 州、广州、上海等一些大城市也曾先后在部分街道出现过光化学烟雾征兆。因此， 汽车排放造成城市空气质量恶化，严重影响了城市居民的生活与健康，限制和治 理汽车尾气已成为十分紧迫的任务。 1 1 2 汽车尾气排放法规分析 为了控制和减少汽车的排放及其污染，保护人类赖以生存的大气环境，世界 各国纷纷采取了各种措施和控制对策，制定了一系列的排放法规。对于不同的国 家和地区，由于经济基础、社会状况等具体条件的不同，适宜的排放法规也是不 同的。若排放法规过于严格，会导致初投资和运行费用急剧增高；若法规过于宽 松，则失去了建立法规，保护环境的意义，因此各个国家制定的排放法规也不尽 相同。美国、日本和欧洲的汽车排放法规形成当今世界三大汽车排放法规体系。 许多其他国家都不同程度的采用了这些法规和标准。美国和日本最早于二十世纪 6 0 年代起开始汽车排放控制，美国排放法规要求最严，日本一直紧跟美国。1 9 9 4 年起美国执行极其严格的低污染汽车排放法规( l e v ) 后，美、日之间的距离略 为拉开。欧洲控制排放比美、日晚，且标准要求较松，但是到1 9 9 2 年实施欧洲第 一阶段( 欧i ) 排放法规后，步伐加快，已超过日本，接近美国l e v 计划【3 】。 由于世界三大排放标准体系中，欧洲法规在标准的松严程度、道路交通状况 等方面相对较适用于我国的实际情况，中国在充分吸收欧美的经验后，全面等效 采用欧盟( e u ) 指令、联合国欧洲经济委员会( e c e ) 技术内容和部分采用欧洲 2 一 第一章引言 经济共同体( e e c ) 法规的基础上形成了中国排放法规体系 4 1 。1 9 9 9 年中国颁靠了 四项等效采用欧洲排放法规的标准：g b 3 8 4 7 , 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发 动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法、g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车排放污染物限 值及测试方法、g b l 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污 染物限值及测试方法和g b t 1 7 6 9 2 1 9 9 9 汽车用发动机净功能测试方法。1 9 9 8 年我国实施的g b l 4 7 6 1 1 9 3 达到了e c e l 5 0 4 法规规定的限值，1 9 9 9 年1 月1r 北京率先实施相当于欧i 限值的g b l l 1 0 5 1 9 9 8 轻型汽车排气污染物排放标准， 2 0 0 0 年i 月1 日在全国实施了相当于欧i 限值的g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 标准，该标准于 2 0 0 1 年4 月1 6 日被g b l 8 3 5 2 1 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i ) 标准代替。g b l 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) 等效于 欧i i 排放法规，自2 0 0 4 年7 月1 日起在全国实施。等效于欧的国家标准不久将 出台，计划北京在2 0 0 5 年提前实旆，全国在2 0 0 8 年全面实施。 欧洲从1 9 9 2 ：年起开始实施欧i ( 欧i 型式认证排放限值) 、1 9 9 6 - 年起开始实施 欧i i ( 欧i i 型式认证和生产一致性排放限值) 、2 0 0 0 ：午起开始实施欧i i i ( 欧i 型式 认证和生产一致性排放限值) 、2 0 0 5 年起开始实施欧i v ( 欧型式认证和生产一致 性排放限值) 。我国现行的汽车污染物排放标准落后于欧洲8 1 0 ：年左右，目前已 经全面实施了欧i i 标准，并计划2 0 0 8 年达到欧i 标准，2 0 1 0 年后争取与国际排 放标准接轨。 由表1 1 轻型汽车污染物排放限值( i i ) ( 相当于欧i i ) 、表1 2 欧i i i 型式认证和 生产一致性排放限值和表卜3 欧型式认证和生产一致性排放限值可以看出，欧i 和欧排放法规对汽车尾气的限制明显高于我国现行的相当于欧i i 的排放法规， 而欧i 和欧排放法规在我国将逐渐实行，排放法规的限制越来越严格。 表1 1 轻型汽车污染物排放限值( i i ) ( 相当5 - g 走i i ) f 5 】 t a b l e1 - 1e m i s s i o n l i m i t s f o r t h e l i g h t - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e s ( i i ) ( e q u i v a k n t t o e u r o l i y 7 5 】 车辆 基准质量 限值( g k r n ) ( r m ) ( c o )( h c + n o x ) ( f m ) 类型 点燃式压燃式点燃式 非直喷直喷压非直喷直喷压 压燃式燃式发压燃式燃式发 ( 堍) 发动机发动机发动机 发动机动机发动机动机 第一 全部2 21 oo 5o 70 9o 0 80 1 0 类车 r m 1 2 5 0 2 21 00 50 7 0 90 0 8 o 1 0 第二1 2 5 0 1 7 0 05 o1 50 71 2i 60 1 70 2 0 3 一 第一章引言 表1 - 2 欧i 型式认证和生产一致性排放限值【6 】 t a b l e1 - 2e u r oi i ip a t t e r na u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s l 6 】 车辆基准质量( r m ) 限值( g k m ) c o h c n o xh c + n o x p m 类型 ( k g ) 汽油机 柴油机 汽油机汽油机柴油机 柴油机柴油机 第一 全部 2 3o 6 40 2o 1 5o 5 00 5 60 0 5 类车 i 级 r m 1 3 0 52 30 6 40 20 1 50 5 00 5 6 0 0 5 第二 2 级 1 3 0 5 1 7 6 0 5 2 2o 9 5o 2 9o 2 l0 7 80 8 6o 1 0 表1 - 3 欧型式认证和生产一致性排放限值 6 1 t a b l e1 - 3e u r 0i vp a t t e r na u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s 6 】 车辆基准质量( r m ) 限值( g k m ) c oh c n o xh c + n o x p m 类型 ( k g ) 汽油机柴油机汽油机 汽油机 柴油机柴油机 柴油机 第一 全部1 o 0 5 0 0 1 00 0 8o 2 5 0 _ 3 00 0 2 5 类车 1 级r m 1 3 0 5 1 oo 5 0o 1 0o 0 80 2 50 3 00 0 2 5 第二 2 级 1 3 0 5 1 7 6 0 2 2 70 7 4o 1 6o 1 10 3 90 4 6 0 0 6 1 1 3 汽车尾气治理现状 目前有多种汽车尾气排放控制的技术，概括为机内净化与机外净化两大类。 机内净化是基于车辆燃烧系统工作过程，主要是通过对发动机中化油器的调制， 进气系统、点火系统( 采用电子控制燃油喷射，电子点火) 、燃烧室的改进，废气 再循环以及改善燃油品质( 燃油乳化、燃油添加剂) 等手段来降低有害物质的生 成，能使汽车尾气排放情况大大改善。但这些技术不同程度地对汽车的动力性和 经济性带来负面效应，且随着排放法规的不断严格。单纯依靠机内净化技术已很 难满足排放标准的要求。 7 机外净化是在汽车排气管内加装净化装置，目前主要是加装废气催化转化器， 使汽车尾气经催化剂的催化活性将其中未燃烧及燃烧不充分产生的有害气体转化 一d 一 第一章引言 表1 - 2 欧i i i 型式认证和生产一致性排放限值嘲 t a b m1 - 2e u r ol i lp a t t e r na u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s l 6 】 车辆基准质量( r m ) 限值( 眺m ) c oh c n o xh c + n o x p m 类犁 ( k g ) 汽油机柴油机汽油机汽油机柴油机柴油机柴油机 第一 类术 全部 230 6 4 0 20 1 5 o 5 0 0 5 60 0 5 l 级 r m 1 3 0 52 30 6 40 ，20 1 50 5 00 5 60 0 5 第二1 3 0 5 1 7 6 0 5 2 2 0 9 502 90 2 10 7 80 8 60 1 0 表1 - 3 欧型式认证和生产一致性排放限值 t a b l e1 3e u m1 vp a g ：e ma u t h e n t i c a t i o na n dp r o d u c t i o nc o n s i s t e n c ye m i s s i o nl i m i t s 旧 车辆基准质量( r m ) 限值( g c k m ) c 0h c n o xh c + n o x p m 类型 ( k g ) 汽油机柴油机汽油机汽油机柴油机柴油机柴油机 第一 类车 全部 1 0 05 00 1 00 o 2 5o - 3 00 0 2 5 1 级 r m 1 3 0 51 00 5 0o 1 00 0 8o 2 5o - 3 00 0 2 5 第二1 3 0 5 1 7 6 0 22 707 4 o 1 60 1 10 3 90 4 60 0 6 1 1 3 汽车尾气治理现状 目前有多种汽车尾气排放控制的技术，概括为机内净化与机外净化两大类。 机内挣化是基于车辆燃烧系统工作过程，主要是通过对发动机中化油器的调制， 进气系统、点火系统( 采用电子控制燃油喷射，电子点火) 、燃烧室的改进，废气 再循环以及改善燃油品质( 燃油乳化、燃油添加剂) 等手段来降低有害物质的生 成，能使汽车尾气排放情况大大改善。但这些技术不同程度地剥汽车的动力性和 经济性带来负面效应，且随着排放法规的不断严格，单纯依靠机内净化技术已很 难满足排放标准的要求。 机外净化是在汽车排气管内加装净化装置，目前主要是加装废气催化转化器， 使汽车尾气经催化剂的催化活性将其中未燃烧及燃烧不充分产生的有害气体转化 使汽车尾气经催化剂的催化活性将其中未燃烧及燃烧不充分产生的有害气体转化 d 第一章引言 为无害物质。现在较为先进的技术是三元催化剂法，是目前国际公认的能高效大 幅度消减汽油机排放污染物的主流技术，1 9 9 5 年前后，我国的氧化还原型三元催 化转化器产品已具备产业化规模【7 】。通常所用的三元催化剂( t w c ) 是在峰窝状 堇青石或陶瓷载体上负载活性氧化铝和氧化铈后再浸渍钯( p d ) 、铂( p t ) 、铑( r h ) 三种贵金属而成的。由于催化剂要使用资源紧缺的贵金属，价格比较昂贵，近几 年已开始对非贵金属、稀土金属及复合材料作催化剂进行了大量的研究。无论是 采用贵金属、非贵金属还是采用稀土金属、复合材料，催化剂与汽车启动匹配问 题，使用过程中导致的催化剂“中毒”问题仍未能得到很好的解决，因而存在使 用寿命短的缺陷。此外，这种方法还存在需要使用无铅汽油和保持比较精确的空 然比的缺点。 随着排放法规对汽车排放要求越来越严格，传统的治理汽车尾气的方法已不 能满足要求，需要使用更新更有效的方法来治理汽车尾气。近十几年来，低温等 离子体技术已成功地运用于废物、废液、废气的处理，并且在环境保护应用领域 中日益为世人所瞩目【8 ，】。等离子体技术在环境污染处理方面的应用研究引起了极 大关注，其中许多技术已经商业化，取得了很好的经济效益与社会效益，被认为 是环境污染物处理领域中最有发展前途的技术之一。与催化转化法相比，等离子 体技术用于处理汽车尾气具有处理效果好、处理范围广、能同时处理多种污染物、 净化彻底无二次污染等优点，是目前废气处理领域颇具竞争力的种方法，具有 广阔的发展前景。等离子体净化汽车也分为机内净化和机外净化，机内等离子体 净化汽车尾气可使空气等离子体化，增强燃油的燃烧。而且可以使燃油部分氧化 裂解为较轻的组分，从而改变机内的操作条件以至改变燃烧平衡和尾气的组成， 主要是降低c o 、h c 、n o x 的含量。但从热力学角度来看机内等离子体净化汽车 尾气方法仍然不可能将尾气中的c o 、h c 、n o x 完全除去。机外等离子体净化利 用等离子体体系中的活性物种强化( 催化) 氧化一还原反应，将汽车尾气中的有害 物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质，以达到降低环境污染的目 的。与机内等离子体净化相比，机外等离子体净化操作方便，成本较低，是一种 很有潜力的技术。本文研究等离子体机外净化汽车尾气技术。 5 第一章引言 1 2 等离子体净化汽车尾气的国内外研究现状 近年来，国内外对等离子体净化汽车尾气进行了大量的研究。国外如美国、 日本等研究的较早，而国内研究的相对较晚，但也进行了大量研究。对于低温等 离子体净化汽车尾气，不同的学者从不同的角度用不同的方法进行了研究，如： 流体力学方法、磁流体方法、物理化学方法等，既有理论分析又有实验研究。 ( 1 ) 李振宇等f io j 对等离子体发生器内高温空气化学反应流场进行了分析。空 气在高温环境下会发生离解、电离等化学反应使组分发生变化，从而引起流场状 态的改变。此文借鉴了燃烧学、流体力学和传热学的研究方法，对等离子发生器 内的物理化学过程和能量添加机制做了简化处理，得到了能够反映空气化学非平 衡流动特征的计算结果。以一个低温等离子体发生器模型为例，采用如图1 1 所示 的流场计算的几何模型，应用数值模拟的方法对七种组分，七个化学反应的流场 求解，并与纯空气流场的求解结果进行比较，分析化学反应流场流动和传热的特 点，计算结果给出了温度场、速度场及组分变化分布图。 霹 图1 1 流场计算的几何模型 f i g 1 - ig e o m e t r ym o d e lo f f l o wf i e l dt oc a l c u l a t e ( 2 ) 磁流体方法可以完整的描述介质阻挡放电( d b d ) 各种参量对放电的影 响。文献【1 l 】用磁流体力学方法分析了介质阻挡放电的击穿过程，建立了一个理论 模型来模拟各种参量对放电的影响，得出介质阻挡放电等离子体的性质取决于所 充气体、气体气压、介质材料以及放电间隙宽度与介质层厚度的比值，同时得到 电子浓度与宏观量的关系： 阼? = a 0 8 ，氏p a b ( e o ) p 2 e 6 第一章引言 其中n ? 为电子的最大浓度，山为与等效电容有关的量，可根据试验条件得到 跏印为介电常数，疡为电场强度，a 是与气体温度有关的一个常数，b 是与气体 温度和性质都有关的一个常数，p 为压力，p = d ，为放电间隙宽度，d 为介质厚 度。微放电击穿过程的时间间隔仅是几个n s 。 ( 3 ) v i n o g r a d o v 和w i e s e m a n n 【1 2 】应用光谱发射对用介质阻挡放电处理n 2 n o 和0 2 n o x 气体进行了研究，用一种新方法得到电子分布函数，根据试验数据对化 学反应机理进行了分析，认为n o 主要通过反应( 1 2 ) 去除： n o + n _ n 2 + o ( 1 - 2 ) n 2 主要通过反应( 1 3 ) 产生： n + n + m _ n 2 + m ( 1 - 3 ) ( 4 ) r u i n i a nl i 和x i nl i u 【昭】用活跃物种喷射和激发态簇射方法脱氮，用全混 流反应器模型( c s t r ) 进行模拟，建立动力学方程。c s t r 示意图如图1 2 所示： 匝圈 i 椰) 图1 - 2c s t r 示意图 f i g 1 - 2s k e t c hd i a g r a mo f t h ec s t r 此文中采用文献【1 4 】中确定主要基本反应的方法，筛选出了活跃物种喷射去除 n o 的主要基本反应和涉及到的主要物种，通过解动力学方程和比较所涉及反应的 反应速率，发现o h 、n 、n h 和n h 2 喷射的实际可行性受到自身的复合反应和低 浓度的限制。 7 第一章引言 ( 5 ) o r l a n d i n i 和r i e d e l f ”l 对电晕放电净化n o 的化学动力学进行了研究，提 出了一个体积平均模型，用来描述在常压低温情况下电晕放电净化汽车尾气中的 n o x 。此文对两种混合气体进行了研究：潮湿空气中含有n o 潮湿空气中含 有n o 和c 2 h 4 。两种情况下，都是通过氧化作用去除n o 。在第一种混合气体中， n o 主要被氧化为n 0 2 、f i n 0 2 、h n 0 3 ，主要发生如下三个反应： n o + o + m n 0 2 + m ( 1 - 4 ) n o + o h + m - - - i - n 0 2 + m ( 1 - 5 ) n 0 2 + o h + m h n 0 3 + m ( 1 6 ) 此种情况下，只有大约1 2 的n o x 被还原成n 2 ，在放电初始阶段，n o 浓度 很高，这时大部分的n 还原n o ： n o + n n 2 + o ( 1 - 7 ) 当n 0 2 成为系统中的主要成分时，发生如下反应： n 0 2 + n n 2 0 + 0 ( 1 - 8 ) 随着n m 浓度的继续升高，发生如下反应： n 0 2 + n n