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、NOx、HC、CO，其中HC与CO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NOx。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La0．9K0．1CoO3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-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La0．9K0．1CoO3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1050℃烧结温度下制备的La0．9K0.1CoO3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NOx起始反应温度，更低的反应副产物CO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PM和NOx的性能。然后尝试分别利用贵金属Pt、La0．9K0.1CoO3、Pt和La0．9K0．1CoO3共同，三种方案作为PM和NOx反应的催化剂。结果Pt和La0．9K0．1CoO3共同应用则效果不佳；Pt催化剂在各反应温度指标上都略优于La0．9K0．1CoO3，但它也有一定的缺陷，包括对NOx的转化效率较低，最后残余CO、HC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1050℃烧结温度下制备的La0．9K0．1CoO3是较理想的净化PM和NOx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。在柴油机台架试验中，La0．9K0．1CoO3催化剂在一定温度下不仅能够同时降低柴油机排气中的PM和NOx，还可以降低HC和CO的排放，但是对PM和NOx的转化效率还比较低，在最好的情况下只有15％～20％;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300℃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NOx和微粒有较好的净化效果，尤其是对NOx，净化率最蒿可达81．2％。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。