文献综述

1.1课题背景及意义

内燃机自19世纪60年代问世以来，以其较高的能源利用率、便捷的配套设施、良好的机动性和优良的动力等特点得到了广泛的应用。其中柴油机更是内燃机的主要组成部分，被广泛应用于机械、车辆和船舶等运载工具。随着我国车辆的增多，尾气排放越来越严重。柴油机尾气中主要的成分是氮氧化合物和碳黑颗粒，对城市环境污染十分严重，使人们呼吸系统发病增多，过量的尾气造成的雾霾天气很容易导致血管痉挛，血压波动，心脏负荷加重等。

为了有效地保护环境，汽车尾气排放法规正日益严格。美国在2010年执行最为严格的尾气排放标准：氮氧化合物（NO_x）0.27g/Kw.h，碳黑颗粒（PM）0.013 g/Kw#183;h，我国现在还在执行欧Ⅲ标准^[1]。柴油机尾气排放的控制主要从燃料的品质，内燃机的燃烧效率，和尾气后处理技术。为了应对这些严格的排放标准，引擎的改造已经不能够满足这些标准。因此需要在汽车尾气排放的上游和下游去控制氮氧化合物（NO_x）和碳黑颗粒（PM）的排放。其中上游控制提升燃料的品质主要指柴油脱硫技术和柴油十六烷值控制。

现阶段柴油机尾气控制技术包括：1.柴油机颗粒物过滤器（DPF）；2.氧化催化转化器（OCC）；3.等离子体辅助催化技术；4.氮氧化合物净化技术等。通过改善燃料品质，改良引擎结构，和下游尾气处理能够有效地解决柴油机尾气排放的问题。为人类的自然环境保护做出巨大的贡献，给人体塑造一个自然和谐安全的生态环境。

1.2 汽车尾气的净化方法

1.2.1碳黑颗粒（PM）捕获技术

碳黑颗粒（PM）捕获技术是借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等作用使微粒从气流分离的方法，是公认有效的PM排放控制技术。PM捕集技术先用DPF (Diesel Particulate Filters)捕集废气中的PM，然后对碳黑颗粒进行氧化反应使DPF还原。PM捕集技术的关键技术是过滤材料和再生技术。目前，广泛使用的过滤材料包括蜂窝陶瓷泡沫陶瓷、泡沫金属、金属网板和陶瓷纤维等，其中以菫青石最为常用^[2]。过滤器的再生是捕捉器的关键问题之一。如果捕捉器中捕捉的碳颗粒不能得到及时的还原，就会造成排气管的堵塞影响柴油机的正常工作。捕捉器的再生途径主要有一下两种：被动再生和主动再生。

被动再生是指通过在燃油中加入添加剂或者在过滤器表面涂催化层来降低碳黑颗粒的活化能，使碳黑颗粒能够在较低的温度和氧气的条件下进行氧化反应，将过滤器得到还原。在燃油中加入金属成分（Fe、K、Cu、Mn、Ce等）的添加剂能够将碳黑颗粒氧化反应所需温度降到300℃以下^[3]。Engelhard和Cummins Engine等公司在捕集器材料表面上涂覆贵金属、金属氧化物、稀土等催化剂的产品，这些产品可使过滤器的再生温度下降到400℃以下。但是，PM捕获技术对燃油中硫含量要求很严格，尾气中的硫会使催化剂中毒，从而使催化效果下降，使用寿命缩短。

柴油机的正常工作的尾气温度范围200~500℃，PM的燃点一般为550~600℃，依靠柴油机的排气很难使捕集器再生。因此利用外界能量来提高DPF内的温度使PM着火燃烧的方法（主动再生）对颗粒物捕集器进行再生是一个新的解决方案。目前，主动再生方法有喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生逆向喷气再生^[4]等。主动再生装置需要一套较复杂的附加装置，成本较高。同时，主动再生装置温度较高，很容易将捕捉器烧坏。因此再生系统的设计必须在控制一定温度前提下，确保过滤器的总体性能最佳。