氧气流量控制策略对低温等离子体技术再生柴油机微粒捕集器的影响

施蕴曦,蔡忆昔,李弘扬,李小华,徐辉,李伟俊

(江苏大学汽车与交通工程学院,212013,江苏镇江)



氧气流量控制策略对低温等离子体技术再生柴油机微粒捕集器的影响

施蕴曦,蔡忆昔,李弘扬,李小华,徐辉,李伟俊

(江苏大学汽车与交通工程学院,212013,江苏镇江)

以O2为气源,利用自行设计的低温等离子体喷射系统对柴油机微粒捕集器(DPF)进行再生试验研究;在O2总量相同、O2流量为3～7 L/min时,设计了3种O2流量控制策略,即恒流量法、递增流量法和递减流量法;通过监测再生产物中CO、CO2体积流量变化,分析了O2流量控制策略对微粒(PM)的氧化分解和DPF再生效果的影响。研究结果表明,O2流量增大,O3流量增大,进入DPF的O3增多,PM的氧化得到促进。反应初始时3种流量控制方案下CO、CO2流量均急剧上升;随着反应的进行,恒流量法的CO、CO2流量趋于平稳;递增、递减流量法的CO、CO2体积流量在跨越试验阶段分别呈直线上升、下降趋势,在同一个试验阶段保持稳定。CO、CO2、CO+CO2中C的质量变化趋势相同,质量大小由高到低为递减流量法—递增流量法—恒流量法。变O2流量法的DPF再生效果优于恒O2流量法,采用递减流量法时PM被分解的质量最多且其控制的O2流量随再生阶段由大到小变化时可达到较优的DPF再生效果。

柴油机;微粒捕集器;低温等离子体技术;再生

根据环保部《关于实施第五阶段机动车排放标准的公告》,自2016年4月1日起,包括北京市在内的东部11省市,所有进口、销售和注册登记的轻型汽油车、轻型柴油客车、重型柴油车(仅公交、环卫、邮政用途),须符合国五标准要求。国五排放标准除了对国四现有的排放指标限值更为严格外,还新增了颗粒物粒子数量(PN)限值要求。新法规的实行,必将对颗粒物排放控制技术提出更高的要求。柴油机微粒捕集器(DPF)凭借其对微粒(PM)的高效捕捉能力,已成为汽车后处理排放控制技术的必然选择,而该技术的关键在于实现DPF的再生[1-3]。DPF再生是指将已沉积的PM通过燃烧或氧化方法去除,避免堵塞通道内壁,保持正常的捕集效率,以免造成较高的排气背压,恶化燃油经济性。

低温等离子体(NTP)技术能够有效降低NOx和PM排放,且不会产生二次污染,在汽车尾气治理方面展现出巨大的应用前景[4-6]。将NTP技术应用于DPF再生,也成为近年来DPF再生领域一个新的研究热点。已有研究表明[7-15],NTP活性物质具有强氧化性,在200 ℃以下可氧化分解PM,生成CO和CO2,实现DPF的再生。目前,应用较为广泛的DPF再生方法主要分为两类:主动再生和被动再生[16-22]。主动再生通常要求DPF的温度达到650 ℃以上,而PM的燃烧是个放热反应,再生过程中的热冲击会导致DPF出现热融化及内部坍塌现象。被动再生通过催化剂可使PM的燃烧温度降低到400 ℃甚至更低,但这类方法多采用贵金属做催化剂,需反复添加或涂覆催化剂,成本较高,且存在DPF再生不完全等问题。通过对比可以看出,NTP技术实现了DPF的低温再生,且使用不受限制,展现出巨大的优势。

本文在前期的研究基础上[15,23-24],以O2为气源,选取80 ℃为试验温度,利用自行设计的NTP喷射系统,对DPF进行再生试验。在O2总量相同的条件下,设计了3种O2流量控制策略:恒流量法、递增流量法和递减流量法,O2流量变化范围为3～7 L/min。通过监测再生产物中COx的浓度变化,对PM的氧化和DPF再生效果进行了研究,以寻求更为合理的气源控制策略,提高氧气的利用率,进一步降低DPF的再生成本。

1 试验系统与方法

1.1 DPF采样试验

试验所用柴油机型号为YD480Q,主要技术参数见表1。图1为DPF采样系统。试验所用DPF为壁流式蜂窝陶瓷,材料为堇青石,尺寸为Φ144 mm×152.4 mm,孔密度为15.5个/cm2。对DPF进行采样试验时,发动机转速为2 500 r/min,负荷为75%。每次采样均选用洁净的DPF,采样时间均为120 min,待DPF冷却后取出。

表1 柴油机主要技术参数

图1 DPF采样系统

1.2 DPF再生试验

图2为DPF再生试验系统,由NTP喷射系统、电学参数测量系统以及DPF再生系统组成。

图2 DPF再生试验系统

NTP喷射系统包括O2供给装置、等离子体电源、NTP发生器、风冷装置、水冷装置及红外测温仪,其中:O2供给装置包括氧气瓶、传输管路及流量计,流量计用于监测O2流量;等离子体电源采用CTP-2000K智能电子冲击机(0～25 kV,7～20 kHz);NTP发生器采用同轴圆柱结构,低压极采用外径为32 mm的不锈钢管,阻挡介质采用壁厚为2 mm、内径为36 mm的石英管,高压极采用轴长为100 mm的细铁丝网,紧贴于石英管外壁上,放电间隙为2 mm;风冷装置为冷却风机;水冷装置包括水泵、水阀和传输管路,管路中通以冷却水,冷却风机和冷却水用于降低放电电极表面的温度;红外测温仪TASI用于测量NTP发生器放电区表面温度。电学参数测量系统由TDS3034B型数字示波器和分压电路组成,示波器用于监测NTP发生器放电过程中的工作电压与频率。DPF再生系统由温控装置、压差计、O3分析仪和气体分析仪组成,其中温控装置用于控制DPF的试验环境温度,压差计用于测量DPF两端的压差,O3分析仪用于测量NTP活性气体中O3的质量浓度,气体分析仪用于测量PM的氧化分解产物CO和CO2的体积分数。

试验时开启等离子体电源,调节NTP发生器使之工作电压为20 kV、工作频率为9 kHz,控制放电表面温度为90 ℃。O2经NTP发生器放电后产生氧化性极强的活性气体,将活性气体通入已加热至试验温度的DPF中与捕集的PM进行反应,从而实现DPF的再生。温控装置控制DPF环境温度为80 ℃。

DPF再生试验均进行120 min,在O2总消耗量相同的条件下,设计了3种O2流量控制策略,即恒流量法、递增流量法和递减流量法。试验分为3个阶段,每阶段均进行40 min,如表2所示。由表2可知:恒流量法控制的O2流量在各阶段均保持5 L/min不变;递增流量法控制的O2流量随各试验阶段由3 L/min递增至7 L/min;递减流量法控制的O2流量随各试验阶段由7 L/min递减至3 L/min。

表2 O2流量控制策略 L/min

2 试验结果及分析

2.1 O2流量控制策略对PM氧化分解的影响

柴油机颗粒物的化学组分可分为两类,一类为可溶性有机组分(SOF),另一类为不可溶性有机组分(IOF),其主要成分为干碳烟(DS)。O2经NTP发生器放电击穿后产生活性物质O3、O等,可分解转化PM中的烟尘和SOF,实现DPF的再生,其中O3对PM的氧化起主要作用[11,25],主要化学反应方程式如下[9-11]

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(1)～式(4)可见,PM的主要分解产物为CO和CO2,对CO和CO2的监测可以反映PM的分解情况。由于各气体流量不同,所以气体分析仪测得的CO、CO2的体积分数反映了各气体的浓度,不能直接反映CO、CO2的产量。本文采用CO、CO2的体积流量作为PM分解效果的指标,其计算方法如下

Qv1(CO)=c1v

(5)

Qv2(CO2)=c2v

(6)

式中:c1为CO的体积分数;c2为CO2的体积分数;v为气体的流量,根据表2取值。图3和图4为3种O2流量控制策略下生成的CO、CO2体积流量随再生试验阶段的变化。

图3 CO体积流量随再生试验阶段的变化

图4 CO2体积流量随再生试验阶段的变化

不同的O2流量Qv(O2)对应产生的O3质量浓度w(O3)及质量流量Qm(O3)如表3所示。由表3可知,随着O2流量的增大,O3质量浓度减小,O3质量流量增大,相同时间内进入DPF的O3质量增大。经计算,3种策略进入DPF的O3总质量分别为24.6 g、24.2 g、24.2 g,可见递增流量法和递减流量法进入DPF的O3总质量相同,恒流量法的O3总质量略高于递增流量法和递减流量法。

表3 O3质量浓度及质量流量随O2流量的变化

由图3和图4可见,同一O2流量控制策略下,CO和CO2的体积流量的变化趋势基本一致。在反应初始时,3种策略下CO、CO2体积流量均急剧上升;随着反应的进行,恒流量法的CO、CO2体积流量趋于平稳,递增流量法的CO、CO2体积流量在转向下一个试验阶段时直线上升,递减流量法的CO、CO2体积流量在转向下一个试验阶段时直线下降;递增流量法和递减流量法的CO、CO2体积流量在同一个试验阶段内基本保持稳定。第I阶段3种策略的CO和CO2体积流量从大到小排序:递减流量法(7 L/min)-恒流量法(5 L/min)-递减流量法(3 L/min)。第I阶段初始时,CO、CO2的体积流量均急剧升高,可见活性物质一经通入DPF,就立即与PM发生氧化分解反应。由表3还可知,O2的流量越大,O3的质量流量越大,进入DPF的活性物质越多。第I阶段反应初始,由于DPF内PM的沉积量与分布情况相同,故进入DPF内的O3越多,PM的氧化分解反应越剧烈。第II阶段3种策略的CO和CO2体积流量从大到小排序:递减流量法(5 L/min)-递增流量法(5 L/min)-恒流量法(5 L/min)。3种策略在第II阶段O2的流量相同,O3的质量流量也相同,但PM的分解产物CO和CO2的体积流量却存在差异。由此可见,前阶段反应对后续阶段反应的影响很大。第III阶段3种策略的CO和CO2体积流量从大到小排序:递增流量法(7 L/min)-递减流量法(3 L/min)-恒流量法(5 L/min)。与前2个阶段相比,第III阶段3种策略的CO和CO2的体积流量的差值减小。对比恒流量法和递减流量法可知,递减流量法的气源流量低于恒流量法,进入DPF的O3的质量流量小,但递减流量法中CO和CO2的体积流量却高于恒流量法。可见,合理的O2流量控制策略可以提高NTP活性物质的利用率,有助于NTP对PM的氧化分解反应。NTP与PM的氧化分解反应受多项因素的影响,如气源流量、NTP活性物质的浓度、PM的沉积量与分布以及反应温度等。PM的氧化分解反应为放热反应,反应本身放出的热量会提高DPF内部温度,也会对后期反应造成影响。第I阶段初始时,只有O2流量这一因素存在差异,随着反应的进行,各项影响因素发生变化,所以每个阶段的CO和CO2的产量是各项因素综合作用的结果。

2.2 O2流量控制策略对DPF再生效果的影响

由于DPF的初始积碳量相同,PM被分解得越多,DPF的再生效果越好。由式(1)～式(4)可见,PM氧化分解的主要产物为CO和CO2,可近似认为CO和CO2中C的质量便是PM被分解的质量,并作为评价DPF再生效果的指标。C1为CO中的C,C2为CO2中的C,C1+2为CO和CO2中的C,计算方法如下

m(C1)=∫Qv1dt

(7)

m(C2)=∫Qv2dt

(8)

m(C1+2)=m(C1)+m(C2)

(9)

图5为3种策略下C1、C2和C1+2的质量变化。由图5可见,3种策略下C1、C2、C1+2的质量变化趋势相同,从质量大小上看递减流量法最大、递增流量法次之、恒流量法最小。所以,采用递减流量法时DPF的再生效果最为显著,被氧化分解的PM质量为恒流量法的1.82倍。为进一步分析3种策略下C1+2质量差异的原因,按式(7)～式(9)计算再生试验各阶段中C1+2的质量,得出C1+2质量随再生试验阶段的变化,如图6所示。

图5 不同O2流量控制策略下C1、C2和C1+2质量

图6 C1+2质量随再生试验阶段的变化

由图6可见:采用恒流量法时C1+2质量随试验阶段的进行基本保持平稳,仅略微增大,这是恒流量法控制的O2流量在各阶段均保持5 L/min不变,NTP活性气体与PM的反应较为平稳的缘故;采用递增流量法时,C1+2质量随着试验阶段的进行显著升高;采用递减流量法时,C1+2质量随着试验阶段的进行显著降低。这些均与各阶段O2流量的变化趋势一致。虽然第I阶段中递增流量法的C1+2质量比恒流量法小,但O2流量随着试验阶段的递增,O3的质量流量增大,PM被氧化的量增多,使C1+2质量亦随试验阶段递增。因此,在整个再生过程中递增流量法的C1+2质量比恒流量法大。

采用递减流量法时C1+2质量随试验阶段递减,这是递减流量法控制的O2流量随试验阶段递减,O3质量流量减小,PM被氧化的量减少的缘故。虽然C1+2质量随试验阶段递减,但在整个再生过程中递减流量法的C1+2质量比递增流量法大,这是递减流量法的O2流量在第I阶段中取较大值7 L/min,而较大流量的O2经NTP发生器放电击穿后产生质量流量较大的O3,使位于DPF内部孔道前端的大量PM被氧化,有利于活性气体在第II、III阶段与DPF较深处的PM接触并发生氧化反应的缘故。递增流量法的O2流量在第I阶段中取较小值3 L/min,位于DPF内部孔道前端的PM被氧化的量较少,不利于活性气体与DPF较深处的PM直接接触并发生氧化反应。因此,在整个再生过程中递减流量法的C1+2质量比递增流量法大。

为验证3种策略对DPF的再生效果,在再生试验前后分别向DPF通入10 L/min的O2,测量DPF两端压差,如图7所示。

由图7可见,进行再生试验后,恒流量法的DPF两端压差最大,递增流量法次之,递减流量法最小,故采用递减流量法时DPF的背压下降的值最大。由于DPF再生前的积碳量相同,PM被氧化得越多,DPF的再生效果越好,DPF两端压差就越小。因此,递减流量法的DPF再生效果最好,递增流量法次之,恒流量法最差。这与前文以C1+2质量为评价指标对DPF再生效果的分析结果相吻合。

图7 再生试验前后DPF两端压差ΔpDPF的变化

综上分析可知,在O2总量相同的条件下,变O2流量法的DPF再生效果优于恒O2流量法。控制的O2流量随再生阶段由大到小变化,可达到较佳的DPF再生效果。

3 结 论

以O2为气源,利用自行设计的NTP喷射系统对DPF进行了再生试验。在O2总量相同的条件下,设计了3种O2流量控制策略:恒流量法控制的O2流量保持5 L/min不变,递增流量法控制的O2流量由3 L/min递增至7 L/min,递减流量法控制的O2流量由7 L/min递减至3 L/min。通过对PM分解产物CO、CO2的监测,研究了3种策略对NTP再生DPF的影响,结论如下。

(1)随着O2流量的增大,O3质量浓度减小,O3质量流量增大,在相同的时间内进入DPF的O3质量增多,有利于PM的氧化分解。

(2)CO和CO2的体积流量变化趋势基本一致:恒流量法的CO、CO2体积流量均先急剧升高后基本趋于平稳;递增流量法的CO、CO2体积流量均先急剧升高后呈阶梯状上升;递减流量法的CO、CO2体积流量均先急剧升高后呈阶梯状下降。

(3)3种策略下CO、C2、CO+CO2中的C的质量变化趋势相同,从大到小排序:递减流量法-递增流量法-恒流量法。可见,变O2流量法的DPF再生效果优于恒O2流量法。采用递减流量法时PM被分解的质量最多,在控制O2流量随再生阶段由大到小变化时,可达到较佳的DPF再生效果。

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(编辑 苗凌)

Effect of Oxygen Flow Control Strategy on Diesel Particulate Filter Regeneration by Non-Thermal Plasma Technology

SHI Yunxi,CAI Yixi,LI Hongyang,LI Xiaohua,XU Hui,LI Weijun

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

Regeneration of diesel particulate filter (DPF) is experimentally investigated by a self-designed non-thermal plasma (NTP) injection system with oxygen as the gas source. Three control schemes of oxygen flow are proposed - the oxygen flow for scheme 1 remains constant at 5 L/min; increases from 3 L/min to 7 L/min for scheme 2; and decreases from 7 L/min to 3 L/min for scheme 3. The total oxygen amount for three schemes keeps equal. The effects of the oxidation of PM and DPF regeneration are discussed by measuring the volume fractions of CO and CO2during the regeneration process. The results reveal that the mass flow rate of O3increases remarkably with the increasing oxygen flow to promote the oxidation of PM. The volume fractions of CO and CO2for scheme 1 rise sharply and then remain stable; the volume fractions of CO and CO2for scheme 2 tend upward by three steps; the volume fractions of CO and CO2for scheme 3 tend downward by three steps. The mass of carbon in CO, CO2, and CO+CO2has same varying trend, and the total carbon is in descending order of scheme 3, scheme 2 and scheme 1. The variable flow control has better regeneration effect of DPF than the constant flow control. The remarkable effect of DPF regeneration can be reached by gradually making oxygen flow decrease during the experimental period.

diesel engine; particulate filter; non-thermal plasma technology; regeneration

2016-02-02。 作者简介:施蕴曦(1988—),女,博士生;蔡忆昔(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176067);江苏省高校优势学科建设项目(PDPA);江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX15_1070)。

时间:2016-06-14

10.7652/xjtuxb201609012

TK421.5

A

0253-987X(2016)09-0074-06

网络出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160614.1719.010.html