低温等离子体降低柴油机微粒和NOx排放试验研究

徐 辉, 蔡忆昔, 李小华, 施蕴曦, 李伟俊

(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)



低温等离子体降低柴油机微粒和NOx排放试验研究

徐 辉, 蔡忆昔, 李小华, 施蕴曦, 李伟俊

(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

为降低柴油机微粒(PM)和NOx排放,基于介质阻挡放电原理设计低温等离子体(NTP)发生器；利用NTP,对加装柴油机微粒捕集器的柴油机进行试验研究.结果表明：该工况下,柴油机微粒排放的粒径分布呈单峰分布,93%的微粒是超细微粒；柴油机微粒捕集器(DPF)对微粒数量的捕集效率约为93.8%；NTP活性气体通入后,与未通入NTP的DPF下游微粒的数量密度相比,DPF下游微粒排放的数量密度减小了68%,粒径尺寸在25.5～124.1nm减小幅度相对较大,约为80%,微粒的几何平均直径也有所减小；DPF和NTP活性气体双重作用可在降低微粒排放的同时降低NOx排放；微粒数量密度减小98%,NOx转化效率约为57%.

柴油机；低温等离子体(NTP)；微粒(PM)；氮氧化物(NOx)

柴油机凭借良好的燃油经济性、动力性、可靠性等优点被广泛应用于农业机械和汽车工程领域[1-2].与汽油机相比,柴油机因具有较高的热效率,CO和碳氢化合物(hydrocarbon,HC)排放较低；但NOx与微粒(particulatematter,PM)排放明显较高,其中PM排放约为汽油机的30～60倍[3-4].PM排放的问题给人类健康和生态环境造成巨大的危害.

我国第五阶段《轻型汽车污染排放限值及测量法规》中不仅对微粒质量进行严格的限制,还对微粒的数量提出了要求[5].目前,柴油机微粒捕集器(dieselparticulatefilter,DPF)技术是降低柴油机PM排放最有效的技术之一.由于微粒的沉积,DPF排气背压增大,排气背压过大会影响发动机的性能,要适时对DPF进行再生.

低温等离子体技术(non-thermalplasma,NTP)是一种新型的DPF再生技术.Masaaki等[6-8]利用NTP对DPF进行再生研究,发现DPF可在250 ℃的环境下实现完全再生,且NO2和O3起主要作用.Shi等[9]利用自行设计的NTP发生器对DPF进行离线再生试验,发现当试验温度为80 ℃时,再生效果较好,再生过程中DPF内部温度远低于DPF最高适用温度.文献[6]和[9]都详细分析了DPF的再生过程,但均未探究NTP对加装DPF柴油机PM和NOx排放的影响.

为探究NTP对加装DPF柴油机PM和NOx排放的影响,本文搭建NTP处理发动机排气的试验台架,利用发动机废气排放颗粒物粒径谱仪(TSI3090)和Testo350XL,测量DPF前后端PM和NOx排放.通过该试验,以揭示NTP对加装DPF柴油机排放的影响规律,尤其对是微粒数密度、粒径分布、NOx排放的影响规律.

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

试验样机为常柴4F20CTCI柴油机,主要技术参数如表1所示.与柴油机匹配的DPF为堇青石壁流式DPF,其具体的结构参数如下：长152mm,直径144mm,孔目数200CPSI.

试验台架主要包括：常柴4F20CTCI发动机、气源供给装置、NTP发生器、冷却装置和电源供给装置,其具体的布置方式如图1所示.气源供给和冷却装置分别向发生器提供氧气和冷却水；稳压箱减小进气波动,稳定进气流量；冷却水降低NTP发生器放电区域温度,保证发生器可靠稳定工作,用MX4红外测温仪检测NTP发生器放电区域温度.电源供给装置中,采用CTP-2000K智能电子冲击机并利用TDS3034B示波器和TekP6139A高压探头测取放电电压和放电频率.采用Mini-HiCon高密度臭氧分析仪,检测NTP发生器产生的O3密度.介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge,DBD)相较于电晕放电,介质阻挡放电的折合电场强度、电子能量等主要特性参数优于电晕放电,NTP发生器结构更紧凑,工作更稳定[10].因此,本文设计的NTP发生器为同轴圆柱结构介质阻挡放电式发生器,内电极为外径48mm的不锈钢管,阻挡介质为内径52mm、壁厚2mm的石英管,放电间隙2mm；外电极为紧贴于石英管外壁轴向长度400mm的铁丝网.根据NTP发生器性能参数优化试验,选取发生器的工作参数如下：O2流量为5L/min,放电频率为7.22kHz,放电电源电压为110V,产生的O3密度为42.6mg/L,发生器的功率为0.294kW,远低于热再生所需能耗[11].

表1 常柴4F20CTCI柴油机技术参数

Tab.1ParametersofChangchai4F20CTCIdieselengine

项目参数发动机型式4缸、水冷、四冲程缸径/mm×行程/mm84×90排量/L1.995进气形式增压中冷排放标准国-Ⅳ喷油系统高压共轨最大扭矩/N·m135(2200r/min)标定功率/kW40(3200r/min)

采用美国TSI公司的EEPS3090测取DPF前、后端微粒数量粒径分布.该仪器可以快速测取柴油机的排气微粒数量及粒径分布,测取粒径范围为5.6～560.0nm,在0.1s内可测取一个完整的微粒粒径分布图谱,并同步输出16个粒径通道的微粒数量及粒径分布.同时，采用Testo350XL测量发动机排气中NOx的体积分数.

1.2 试验方法

试验用燃油为商业国Ⅳ0#柴油,将柴油机工况调整至转速为2 000r/min,负荷为45 %.在柴油机稳定运行5min后,打开右侧蝶阀,关闭左侧蝶阀；使用EEPS和Testo350XL测量DPF前端的PM和NOx排放.在发动机运行480min后通入NTP活性气体,时长为120min,每隔10min使用EEPS和Testo350XL测量DPF后端的PM和NOx排放的变化情况.EEPS采样时间为120s,并取其平均值作为排放测试最终数据.使用U型管测量DPF的排气背压.

图1 低温等离子体(NTP)处理柴油机微粒和NOx排放的试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of disposing the particle and NOx emission of diesel engine by non-thermal plasma (NTP)

2 NTP分解PM和转化NOx的反应机理

O2经NTP发生器放电击穿后会产生大量O3、O等具有强氧化性的物质.放电过程中O3的形成一般认为经历了2个步骤.1)如式(1)、(2)所示,放电作用下,氧分子化学键断裂电离形成氧原子；2)氧原子自由基与三体反应生成O3,如式(3)所示(M为上述三体),具体的化反应动力学模型[12-14]如下：

(1)

(2)

O+O2+M→O3+M.

(3)

柴油机的NOx排放主要是NO.NOx的产生主要是燃料燃烧时与新鲜充量中的N2混合,在高温富氧的环境下产生的.PM主要是由碳烟(Soot)、表面吸附凝聚的有机可溶成分(soluable organic fraction, SOF)和无机盐3种成分构成,其生成的条件是高温缺氧.NTP通入后,NOx和PM均可与NTP活性物质发生复杂的化学反应(主要成分是O3),实现NOx转化、PM分解和DPF的再生,主要的反应如下：

C+O3→CO+O2，

(4)

C+2O3→CO2+2O2，

(5)

O3+SOF→CO(CO2)+O2+H2，

(6)

2NO+O2→2NO2，

(7)

NO+O3→NO2+O2，

(8)

2NO2→2NO+O2，

(9)

2C+2NO2→2CO2+N2，

(10)

4C+2NO2→4CO+N2.

(11)

DPF的再生主要是DPF捕集的PM与强氧化性物质O3、NO2等,发生式(4)～(6)、(10)～(11)的反应,PM被分解为CO和CO2,NO2转化为N2.从上述反应机理可以看出,NTP系统可在实现DPF再生的同时,降低柴油机的NOx排放.

O3、NO2与PM所发生的化学反应在常温下即可发生,所需再生温度较低,反应放热相对缓慢,再生进行时DPF壁面温度较低；因此,相较于热再生[15]，其能耗较低,也不会出现DPF载体热损坏的现象.与催化再生[16-17]相比,NTP再生DPF无须使用催化剂,不受燃油品质的限制.

3 试验结果及分析

以每一级的微粒数量密度n为纵坐标,微粒分级后的特征粒径Dp的对数为横坐标,可得到微粒数量密度的粒径分布.柴油机排气中的微粒按照粒径尺寸大小可以分为核态(Dp≤50 nm)、聚集态(Dp>50 nm)、超细微粒(Dp≤100 nm)这3种模态；核态、聚集态、超细微粒的数量密度所占微粒总数量密度的百分比分别称为核态占比、聚集态占比和超细微粒占比,占比用λ表示.

定义DPF对微粒数量的捕集效率和微粒的几何平均直径,具体的计算公式如下.

1)DPF对微粒数量的捕集效率：

ηn=(1-nup/ndown)×100 .

(12)

式中：nup和ndown分别代表DPF上、下游的微粒数量密度.

2)微粒的几何平均直径：

Dg=exp [(∑nilnDpi)/ntotal] .

(13)

式中：Dg为微粒的几何平均直径；ni为第i个粒径区间的微粒数量密度；Dpi为第i个粒径区间的特征粒径,ntotal为微粒的总数量密度,即

ntotal=∑ni,

既可以反应微粒数量密度极大值的位置,又综合了粒径分布的形态[18].

3.1 DPF对微粒数量粒径分布的影响

在NTP活性气体通入前,试验测量DPF上、下游微粒数量的粒径分布,分析其总数量密度及不同模态占比的变化情况,具体结果如图2和3所示.由图2可见,在此工况下,DPF上游，即发动机的原排气中，微粒排放的粒径分布呈单峰分布,粒径尺寸在39.2～93.1 nm达到峰值；排气经扩散、拦截和惯性碰撞3个DPF捕集过程后,微粒的数量密度急剧减

图2 柴油机微粒捕集器(DPF)上、下游微粒数量密度的粒径分布Fig.2 Particle size distribution of number density under diesel particluate filter(DPF) upstream and downstream

图3 DPF上、下游微粒的总数量密度及各模态占比Fig.3 Total number density and different modesproportion under DPF upstream and downstream

小,微粒数量密度从1.91×108cm-3减小至1.18×107cm-3,经式(12)计算可得,微粒的捕集效率可达到93.8%；由图3可见,微粒主要集中于微粒尺寸小于100 nm的粒径范围内,属于超细微粒,占到总数量密度的93%,核态占比和聚积态占比分别为47%和53%.微粒经DPF捕集后,核态、聚集态和超细微粒占比均有所减小；经式(13)计算可知,DPF下游的微粒几何平均直径Dg相较于DPF上游有所减小,分别为48.8和45.6 nm；由于DPF对直径较大的微粒捕集效果更好,导致微粒经DPF捕集后其数量密度的峰值所对应的粒径尺寸有所减小

3.2 NTP对加装DPF柴油机微粒排放的影响

NTP对DPF后端微粒数量密度、粒径分布、各模态占比的影响如图4、5和6所示.由图4可见,在柴油机运行480 min后,NTP活性气体经喷射系统进入排气管,DPF下游的微粒数量密度迅速减小,约为3.75×106cm-3,相较于未通入NTP情况下DPF下游的微粒数量减少了67.6%.微粒数量密度的减小主要是由3个方面引起的.

1)喷嘴距DPF前端有250 mm的流通距离,NTP活性气体通入后,由于DPF前端微粒的数量密度较大,使得O3迅速与微粒发生式(4)和(5)反应,微粒被分解成CO和CO2,导致进入DPF的微粒数量密度减小,DPF后端的数量密度大幅减小.

图4 DPF下游微粒总数量密度随时间的变化Fig.4 Change of total number density with time under DPF downstream

图5 NTP对DPF下游微粒数量密度的粒径分布的影响Fig.5 Effect of NTP on particle size distribution of number density under DPF downstream

图6 NTP对DPF下游微粒总数量密度及各模态占比的影响Fig.6 Effects of NTP on total number density and different modesproportion under DPF uptstream and downstream

2)当O3流经DPF时,O3将沉积DPF的微粒分解的同时,由于DPF的节流作用,排气流速降低,使得O3与微粒接触更加充分,此段排气中的微粒也可被分解.

3)由于柴油机排气中处于富氧状态,以及活性气体的通入,排气中的NO发生式(7)和(8),被转化成具有强氧化性的物质NO2；其与PM发生式(10)和(11)反应,促使PM分解.NTP活性气体通入后,微粒在DPF捕集和NTP活性气体的双重作用下,其数量密度减小了98%.由图5可见,粒径尺寸在25.5～124.1 nm的微粒由于其粒径尺寸较大,数量密度较大,微粒与O3的反应速率也相对较大,此粒径范围内的微粒数量密度减小幅度相对较大,为80%.由图6可见,通入NTP与未通入NTP相比,微粒的核态占比略有增加,聚集态占比略有减小,超细微粒占比减小10%；微粒的几何平均粒径Dg由45.3 nm减小至41.6 nm；结果表明,通入NTP后,DPF后端的微粒粒径尺寸有减小的趋势；超细微粒由于其数量密度较大,与O3反应速率较大,其占比变化较大,减小约10%.NTP未通入前PM总数密度排放虽有一定波动但幅度较小,而微粒的粒径分布存在明显的差异,粒径尺寸在45.3～124.1 nm,微粒的数量密度较大.NTP通入后,同一工况下,其反应温度和反应物密度一定,在未使用催化剂的情况下,其反应活化能和反应级数一定.粒径在45.3～124.1 nm,由于微粒数量密度较大,NTP活性气体与微粒的氧化反应的速率较大；此外,由于该粒径范围内的微粒直径较大,微粒与活性气体的接触面积较大,微粒的氧化速率较大.从而导致PM的核态占比、超细微粒占比和几何平均粒径减小.

由U型管测得的DPF排气背压可知,NTP活性气体通入后,DPF排气背压虽仍在上升,但上升速率由3.45 Pa/min降至1.0 Pa/min.

3.3 NTP对加装DPF柴油机NOx排放的影响

排气中NOx的体积分数用φ(NOx)表示,NOx的转化效率用η(NOx)表示.该工况下,DPF上游即发动机的原NOx排放：NO的体积分数为480×10-6,NO2的体积分数为74.5×10-6,NOx的体积分数为555×10-6,排温为240 ℃.NTP活性气体通入后,测量DPF下游排气中NOx的体积分数；NTP对排气中NOx的影响如图7所示.由图7可见,NTP活性气体通入后,排气中的NO发生式(7)和(8)的反应,NO被转化为NO2,转化效率约为60%.NO2是具有强氧化性物质,其可与排气中和DPF沉积的微粒发生式(10)和(11)反应,将其转化为CO和CO2,NO2被转化成NO和N2.由于排温小于380 ℃,NO2分解速率较低[19],绝大部分NO2发生上述反应,其转化率约为70%.NO2的主要来源有2个部分组成：1)发动机燃料与新鲜充量中的N2混合,在高温富氧的燃烧环境下产生的NO2；2)是由上述燃烧过程产生的NO在NTP活性气体作用下发生式(7)和(8)的反应而产生的NO2.可见,NTP活性气体的通入,使得排气中的NO被转化成NO2,NO2又与排气和DPF沉积的微粒发生反应,最终转化为NO和N2,NOx的体积分数降低,其转化效率约为57%.

图7 NTP对NOx排放的影响Fig.7 Effect of NTP on NOx emission

4 结 论

(1)在2 000 r/min、45%负荷的工况下,柴油机微粒排放的粒径分布呈单峰分布,93%的微粒属于超细微粒,DPF对微粒数量的捕集效率约为93.8%；微粒经DPF捕集后,其核态占比、聚集态占比和几何平均直径Dg有所减小.

(2)NTP活性气体通入后,DPF下游微粒的数密度相较于未通入NTP的DPF下游微粒的数量密度减小了67.6%；微粒在DPF捕集和NTP活性气体的双重作用下数量密度减小了98%,其几何平均直径Dg有所减小；粒径尺寸在25.5～124.1 nm的微粒数量密度减小幅度相对较大,为80%.

(3)NTP活性气体对柴油机NOx排放具有较好的转化效果；NTP活性气体通入后,排气中NO转化成NO2,利用NO2强氧化性将微粒分解,同时NO2转化为N2,NOx的转化效率可达到57%.

[1] 龚金科,吴刚,王曙辉,等.径向柴油机微粒捕器流速分布特性数值分析[J].农业工程,2010,26(4)： 119-126. GONG Jin-ke, WU Gang, WANG Shu-hui, et al. Numerical analysis on distribution characteristics of flow velocity in a radial style diesel particulate filter [J]. Transactions of The CASE, 2010, 26(4): 119-126.

[2] 李向荣,张薇,王长园,等.柴油机密集喷雾特性研究[J].内燃机学报,2008,26(6)： 513-518. LI Xiang-rong, ZHANG Wei-wei, WANG Chang-yuan, et al. Research on diesel fuel thick spray characteristics [J]. Transactions of CSICE, 2008, 26(6): 513-518.

[3] 刘巽俊.内燃机的排放与控制[M]. 北京：机械工业出版社,2003,18-19.

[4] HWANAM K, YONGHA S, KILSUNG J, et al. Size distributions and number concentration of particle from the DOC and CDPF [J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2008, 22(9): 1793-1799.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段): GB18352.5-2013 [S]. 北京：中国标准出版社,2013.

[6] MASAAKI O, NAOKI A, TOMOYUKI K, et al. Continuous regeneration of ceramics particulate filter in stationary diesel engine by nonthermal-plasma-inducedozone injection [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(5): 1568-1574.

[7] MASAAKI O, NAOKI A, TOMOYUKI K, et al. Carbon particulate matter incineration in diesel engine emissions using indirect non-thermal plasma processing [J]. Thin Solid Films, 2007, 515(9): 4289-4295.

[8] MASAAKI O, NAOKI A, TOMOYUKI K, et al. Continuous regeneration of ceramic particulate filter in stationary diesel engine by nonthermal-plasma-inducedozone injection [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(5): 1568-1574.

[9] SHI Y X, CAI Y X, LI X H, et al. Study on the mechanism and method of DPF regeneration by oxygen radical generated by NTP technology [J]. International Journal of Automotive Technology, 2014, 15(6): 871-876.

[10] 蔡忆昔,赵卫东,李小华,等.低温等离子体降低柴油机颗粒物排放的试验[J].农业机械学报,2008,39(2)： 1-6. CAI Yi-xi, ZHAO Wei-dong, LI Xiao-hua, et al. Experimental study on non-thermal plasma aftertreatment of particulate matter in diesel engine [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(2): 1-6.

[11] 赵航,王务林.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社,2010,152-153.

[12] TAKAKI K, CHANG J S. Atmospheric pressure of nitrogen plasmas in a ferro-electric packed bed barrier discharge reactor [J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2004, 11(3): 481-490.

[13] MORGAN N N, METAWA A, GARAMOON A. Planar atmospheric pressure dielectric barrier discharge for zone production [J]. Indian Journal of Physics, 2011, 85(11): 1631-1642.

[14] MUHAMMAD A M,DAVID H,RICHARD H. Surface plasma versus plasma: energy deposition and ozone generation in air and oxygen [J]. Plasma Chem Plasma Process, 2015, 35(4): 697-704.

[15] 孟忠伟,李路,陈鹏,等.DPF白载体传热特性的试验研究[J].内燃机工程,2014,35(4)： 103-108. MENG Zhong-wei, LI Lu, CHEN Peng, et al. Experimental study on heat transfer characteristics of bare DPF substrate [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014, 35(4): 103-108.

[16] 龚金科,龙罡,蔡皓,等. 基于铈基添加剂的微粒捕集器催化再生研究[J]. 内燃机学报,2011, 29(6)： 515-519. GONG Jin-ke, LONG Gang, CAI Hao, et al. Study on diesel particulate filter catalytic regenerating with ceria-based additive [J]. Transactions of CSICE, 2011, 29(2): 515-519.

[18] 胡志远,杨奇,谭丕强,等.在用共轨柴油机燃用沪四柴油的超细微粒排放[J].同济大学学报,2013,41(11)： 1721-1725. HU Zhi-yuan, YANG Qi, TAN Pi-qiang, et al. Ultrafine particle emission and size distribution of an on-used commom rail diesel engine fuled with Shanghai Ⅳ diesel [J]. Journal of Tongji University, 2014, 41(11): 1721-1725.

[19] FENG X Y, GE Y S, MA C C, et al. Experimental study on the nitrogen dioxide and particulate matteremission from diesel engine retrofitted with particulate oxidation catalyst [J]. Science of The Total Environment, 2014, 472: 56-62.

Experimentalstudyonreductionofparticleandnitrogenoxideemissionsofdieselenginebynon-thermalplasma

XUHui,CAIYi-xi,LIXiao-hua,SHIYun-xi,LIWei-jun

(SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Thenon-thermalplasma(NTP)reactorwasdesignedtodecreasedieselengineemissionbasedondielectricbarrierdischarge.Theexperimentwascarriedouttodisposetheharmfulemissionsofdieselenginewithdieselparticular(DPF)byNTP.Resultsshowthattheparticlenumbersizedistributionofdieselengineissinglepeakdistributionundertheoperationcondition,ofwhich93%ofparticulatematter(PM)aremicro-particles.ThetrappingefficiencyofDPFis93.8%forparticlenumber.AftertheactiveNTPgasesbeingpumpedin,theparticlenumberconcentrationoftheDPFdownstreamiscutdownby68%,comparingtothatoftheDPFdownstreamwithoutNTP；theaveragegeometryofPMisdecreased.Morever,theparticulatematterofsizedistributionbetween25.4and124.1nmiscutdownby80%obviously.WiththefunctionofDPFandNTP,PMemissionandNOxemissioncanbecutdownatthesametime.ThedecreasingrangeofparticlenumberconcentrationandNOxconversionrateare98%and57%,respectively.

dieselengine；non-thermalplasma(NTP)；particulatematter(PM)；nitrogenoxide(NOx)

2015-12-22.

国家自然科学基金资助项目(51176067)；江苏省高校优势学科建设资助项目(PDPA)； 江苏省“六大人才高峰”资助项目(2013-ZBZZ-036).

徐辉(1990—)，男，硕士，从事内燃机工作过程及排放控制研究.ORCID：0000-0003-2675-7979.E-mail: 18796015142@163.com

ORCID：0000-0001-5264-8173.E-mail:qc001@ujs.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.023

TK

A

X(2016)12-2418-06