排气余热辅助低温等离子体再生柴油机颗粒捕集器试验

濮晓宇，蔡忆昔，施蕴曦，王 静，顾林波，田 晶，崔应欣

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

排气余热辅助低温等离子体再生柴油机颗粒捕集器试验

濮晓宇，蔡忆昔※，施蕴曦，王 静，顾林波，田 晶，崔应欣

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

为探究低温等离子体（non-thermal plasma，NTP）对无外加热源的柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的再生过程与再生效果，搭建了排气余热辅助 NTP再生 DPF的试验系统。借助发动机停机后的排气余热，利用DBD（dielectric barrier discharge）型NTP发生器，对处于降温过程的DPF进行再生试验研究。结果表明：随着DPF温度的下降，NTP中O3的分解反应减弱，PM（particulate matter）氧化反应加剧，DPF内部出现温度不降反升的现象，氧化区域自DPF前端逐渐向后端延伸，DPF径向中点处氧化反应最为剧烈，DPF轴向剖面上残余积碳呈现ω形。再生后DPF内部残余积碳中可溶性有机成分SOF（soluble organic fraction）明显减少，且NTP处理能够降低PM中SOF及DS（dry soot）的表观活化能。整个再生过程中，DPF内部大量积碳被氧化去除。排气余热辅助的NTP再生技术，实现了对无外加热源的DPF的有效再生，使得DPF排气背压下降达69%。该文证实了排气余热辅助NTP再生DPF的可行性，为NTP再生DPF技术的应用提供了试验依据。

柴油机；排放控制；试验；低温等离子体；柴油机颗粒捕集器；再生；排气余热；表观活化能

0 引 言

颗粒物（particulate matter，PM）是柴油机主要的排放污染物，严重危害大气环境和人体健康[1-7]。将于2018年1月1日全面实施的“国五”排放标准对柴油机PM的排放控制提出了更高的要求，PM的限值已由“国四”的0.025 g/km 降至 0.0045 g/km[8-9]。柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）技术被认为是目前降低PM最为有效的后处理手段，捕集效率可达90%以上[10-13]。但随着对排气中PM的不断捕集，DPF会被堵塞，导致柴油机排气背压升高、性能下降、油耗增加等后果。因此DPF技术的关键在于适时地清除DPF上沉积的PM，即DPF的再生[14-16]。

低温等离子体（non-thermal plasma，NTP）技术是一种新型工业污染物处理手段，在汽车尾气净化领域具有广泛的应用前景[17-20]。近年来，利用NTP技术再生DPF成为DPF再生研究的热点。王军等[21]利用低温等离子体喷射系统进行了降低柴油机排放及再生 DPF的试验研究，结果表明NTP发生器产生的活性物质对柴油机排气中HC、PM及NO均有一定的转化效果，同时能实现对DPF的连续再生。Okubo等[22-23]将NTP发生装置产生的活性物质通入排气管中 DPF上游，发现 DPF可在低于300 ℃的实际排气氛围下实现再生。大流量的发动机排气会极大地稀释NTP，并缩短活性物质在DPF孔道内的滞留时间，因此王军等[21]的试验利用NTP实现了对柴油机有害排放物的转化，但并未获得良好的DPF再生效果。而Okubo等[22-23]从主排气道中引流出少量排气，与NTP混合后通入DPF，实现了DPF的有效再生。为了避免排气对DPF再生的影响，Shi Yunxi等[24]进行了NTP离线再生DPF的试验研究，试验中DPF放置在一台独立于排气系统的恒温炉内，结果表明试验温度为 80℃时，DPF再生效果较好。Okubo和Shi Yunxi等[22-24]的试验研究回避了排气影响DPF再生的问题，但均未从根本上解决该问题，引流排气、脱离排气系统等措施反而限制了这 2种DPF再生方式的实用性。且虽都获得了良好的DPF再生效果，但再生过程中DPF放置于加热装置内，即再生过程需要外加热源。

为探索NTP对无外加热源的DPF的再生过程和再生效果，并达到节省能源、简化试验装置的目的，本文搭建了排气余热辅助NTP再生DPF的试验系统。发动机停机后DPF处于高温状态并逐渐降温，本文基于NTP技术，利用这部分残余热量，对DPF进行再生试验研究。停机再生的策略从根本上避免了排气对DPF再生的影响，更加贴近实际应用。通过再生前后DPF排气背压的变化来表征再生效果，通过监测再生产物中碳氧化物的体积分数和DPF内部温度的变化来探究PM氧化分解的过程，并利用热重分析（Thermogravimetric analysis, TGA）研究了NTP处理对PM物化特性的影响，以期为NTP再生DPF技术的应用提供试验及理论依据。

1 试验系统及方法

1.1 PM捕集试验

为了加快DPF的积碳加载，采用一台186F单缸柴油机进行PM的捕集，图1a为DPF捕集PM的试验装置示意图。单缸机的主要技术参数如表 1所示。试验时，柴油机先经排气支路（阀门2所在管路）进行30 min的热机，然后经主排气道（阀门1所在管路）进行时长为180 min的PM捕集试验，PM捕集过程中发动机工况稳定在100%负荷（2 400 r/min、20.3 N·m）。考虑到PM捕集过程中，DPF处的排气温度会对DPF加载积碳的成分造成一定影响，通过调整排气管路长度将DPF前端排气温度控制在150℃左右。采用堇青石壁流式DPF，主要参数如表2所示。

图1 PM捕集、DPF再生、O3分解验装置示意图Fig.1 Schematic diagram for particulate matter collection, diesel particulate filter regeneration and O3 decomposition

表1 186F柴油机技术参数Table 1 Parameters of 186F diesel engine

表2 DPF参数Table 2 Diesel particulate filter specifications

1.2 DPF再生试验

1.2.1 试验系统

排气余热辅助NTP再生DPF的试验系统如图1b所示，该系统主要包括：NTP喷射系统、空气供给系统、发动机台架及试验测量仪器。

NTP喷射系统用于为DPF再生提供强氧化性的NTP活性物质，包括NTP发生器、冷却水泵、氧气气源和电源供给装置。NTP发生器为介质阻挡放电型：低压电极为外径48 mm的不锈钢管；阻挡介质为内径52 mm、厚2 mm的石英管；高压电极为紧贴于石英管外壁的细铁丝网，轴向长度为400 mm；同轴布置的不锈钢管与石英管之间形成截面为环形的放电间隙。NTP喷射系统以氧气为气源，产生的主要活性物质为 O3。当氧气流量小于10 L/min时，O3产量随氧气流量的增加而增加，然而当氧气流量超过10 L/min，过大的气源流量缩短待电离气体在NTP发生器内的滞留时间，从而不充分的电离抑制了O3产量的进一步升高，因此气源流量控制为10 L/min。在NTP发生器放电过程中，冷却水可有效降低放电区域温度，保证NTP发生器的稳定工作。电源供给装置由等离子体电源、示波器、分压电路组成。等离子体电源采用CTP-2000K智能电子冲击机，电压工作区间及频率调节范围分别为0～25 kV和7～20 kHz；TDS3034B示波器用于监测等离子体电源放电工况的变化，采样频率为 50 MHz；电路中分压电容C1、C2之比为1:1000，传输电荷测量电容Cm=0.47μf。

再生试验采用排量为1.995 L的常柴4F20CTCI柴油机，主要技术参数如表 3所示。发动机排气管上安装有已捕集PM的DPF。

表3 常柴4F20CTCI柴油机技术参数Table 3 Parameters of Changchai 4F20CTCI diesel engine

DPF内部布置了12个K型热电偶（-200～260 ℃），用于监测DPF内部的温度分布及变化。图2为DPF内部温度测点分布示意图及热电偶布置实物。在DPF轴向上选取1、2、3、4四个界面（界面3将DPF等分成前后两段，界面1和界面2将前半段三等分，界面4将后半段二等分），径向上选取a、b、c三个位置（位置b位于径向中点处）。热电偶在DPF内部的测点分布于不同轴向及径向位置，基本可以反映出内部温度的变化。热电偶线由 2根不同材质的金属丝及表面绝缘层组成，一端为测温端，另一端与显示仪表连接。布置时，通过调整热电偶线伸入DPF滤孔的长度来控制测点在轴向上的位置。热电偶线的截面尺寸为2×Φ0.4 mm，DPF的滤孔为2 mm×2 mm的方孔，热电偶线截面积约为滤孔截面积的1/16，基本不影响DPF内部气体的流动及积碳的氧化。

排气管上安装的皮托管压差计用于测量DPF的排气背压。采用红外气体分析仪测量再生过程中 PM 氧化生成的CO和CO2的浓度。

图2 DPF内部温度测点分布示意图及热电偶布置实物Fig.2 Distribution of temperature measuring points and layout of thermocouples inside DPF

1.2.2 试验方法

为了与再生过程中DPF内部温度变化进行对比，在DPF再生前模拟了DPF通空气的自然降温过程。运行常柴 4F20CTCI发动机，将柴油机调节至合适工况，使得DPF内部温度到达250℃左右，快速停机。打开球阀1，关闭球阀 2，压缩空气通过质量流量控制器（mass flow controller，MFC）精确调节流量至10 L/min，经喷嘴喷入排气管中DPF上游。每5 min记录一次降温过程中DPF内部12个测点的温度，直至DPF内部温度基本降至室温。

再次运行发动机，调节至合适工况，使得DPF内部温度到达250℃左右。提前开启NTP喷射系统，打开球阀 2，关闭球阀 1，快速关闭发动机并向 DPF上游通入NTP，对DPF进行时长为300 min的再生。试验时，等离子体电源放电电压为15 kV，放电频率为8 kHz。气体分析仪可实时监测PM氧化生成的CO及CO2的体积分数，每5 min记录一次DPF内部测点的温度。

为了评估DPF再生后排气背压的下降情况，选取发动机50%负荷下的3个不同转速的工况点（2 000 r/min、66 N·m，2 200 r/min、67.5 N·m，2 400 r/min、66.5 N·m），分别测量DPF再生前后的排气背压。

喷嘴入口处布置一个 K型热电偶（量程-200～260℃），用于监测喷嘴入口处气流温度。试验中测得喷嘴入口处空气气流平均温度为 36.7℃，NTP气流平均温度为 36.2℃，两者温度相近，因此通入空气气流可以有效地模拟后续NTP再生DPF过程中的气体流动情况，其区别仅在于NTP可与PM发生复杂的氧化放热反应[25-26]。因此这两个过程中DPF内部温度变化趋势的对比分析，可以很好地反映出DPF再生过程中氧化反应的进行。

1.3 O3分解试验

以氧气为气源放电产生的NTP气体具有极强的氧化活性[27]，然而其最主要的活性成分O3在高温下易发生分解。参与再生的NTP中O3的浓度较大地影响PM的氧化，因此探究O3在不同温度下的分解规律，有助于对DPF的再生过程进行深入分析。为了排除温度以外的影响因素，进行了独立的O3分解试验。图1c为O3分解试验的装置示意图。试验中，控制氧气流量及等离子体电源放电工况与DPF再生试验时一致。氧气经NTP发生器放电产生活性气体，通入放置于恒温箱的金属管内，金属管轴心位置布置有一个K型热电偶，采用Model Mini-Hicon高浓度臭氧分析仪测量恒温箱前后端的O3浓度。试验时，将恒温箱温度调节至250℃后通入NTP，关闭恒温箱电源使其自然冷却，每下降5℃读取一次臭氧浓度。

1.4 热重试验

为探究 NTP处理对颗粒物化特性的影响，采用TGA/DSC1热重分析仪对DPF再生前后内部的积碳进行了热重试验，研究了 PM 的氧化动力学性能。选用氧气为反应气，氮气为保护气，氧气流量设为50 mL/min。升温速率设为20 ℃/min，颗粒物样品从50℃升温至800℃。

2 结果与分析

2.1 PM的氧化分解

2.1.1 PM的氧化产物分析

柴油机颗粒物（PM）主要由干碳烟（dry soot，DS）、可溶性有机组分（soluble organic fraction，SOF）和无机盐3种成分组成[28-29]。NTP中活性物质（主要成分为O3）可与DS和SOF发生复杂的氧化反应，主要氧化产物为CO和CO2。

再生产物体积分数及O3分解的变化趋势如图3所示。

图3 再生产物浓度及O3分解的变化趋势Fig.3 Variation trend of regeneration products concentration and O3 decomposition

由图3a可见，CO、CO2体积分数随再生时间先急剧升高，随后上升速率减缓并趋于平稳。反应生成 CO2的体积分数高于CO的体积分数，表明NTP氧化PM生成的不完全氧化产物相对较少，氧化较为充分。再生初期，DPF内部温度较高，O3高温下易分解的特性致使NTP活性成分的氧化性大幅下降，因此再生初期生成的CO、CO2的体积分数相对较小。

由图3b可见，O3分解率随温度的下降而下降，当温度高于 200 ℃时，O3分解率接近 100%；当温度低于60℃时，O3几乎不发生分解。

由再生过程中热电偶测得的数据可知，再生过程的前20 min，DPF内部平均温度由228 ℃降至189 ℃（DPF内部平均温度取 12个测点的平均温度），相对应地，参与反应的NTP中O3的浓度由0.1 mg/L升至1.8 mg/L。尽管O3浓度上升较小，但在数值上增加了一个数量级，这也是再生前20 min内CO、CO2体积分数急剧上升的重要原因。随着DPF温度的下降，参与再生的O3浓度逐渐升高，PM氧化产生的CO、CO2的体积分数也随之上升，但由于温度下降对 PM 氧化反应的抑制作用，上升速率有所减缓。

2.1.2 PM的分解量计算

对图3a中的曲线进行积分计算后，分别得到整个再生过程中生成的CO、CO2的物质的量，计算方法如式（1）和式（2）所示。

式中n1、n2分别为CO及CO2总的物质的量，mol；φ1、φ2分别为CO、CO2的体积分数，%；q为NTP的流量，q=10 L/min；Vm为气体摩尔体积，Vm=22.4 mol/L。

进一步计算可以得到整个再生过程中去除的 PM 中C元素的质量，计算方法如式（3）所示。

式中m(C)为PM中C的质量，g；MC为C元素的摩尔质量，MC=12 g/mol。

通过计算得到，被氧化的PM中C元素的质量为6.28 g。

图4为再生前后DPF排气背压对比图。由图4可见，再生后DPF的排气背压下降明显，平均排气背压下降达69%，表明再生效果良好，进一步验证了 DPF内部大量PM被氧化去除。相较于再生后DPF排气背压的下降值，排气背压下降比例能更客观地反映出DPF的性能恢复情况，排气背压下降比例的计算公式如式（4）所示。

图4 再生前后DPF排气背压Fig.4 Backpressure of diesel particulate filter before and after regeneration

式中φ为再生后DPF的排气背压下降比例，%；ΔP0为空白DPF的排气背压，kPa；ΔP1为再生前DPF的排气背压，kPa；ΔP2为再生后DPF的排气背压，kPa。

2.2 DPF内部温度变化

2.2.1 再生过程温度变化

图5为再生过程中DPF内部各测点温度随再生时间变化的曲线，其特点如下：1）每个测点温度都经历了先快速下降后减缓的过程，这是由于PM氧化是放热反应，随着温度的下降，NTP活性物质中O3浓度升高，氧化放热反应加剧，反过来抑制温度的下降。2）界面1处的三个测点的温度一直处于下降趋势，原因是界面1处于DPF前端，受到NTP气流的直接冲击，氧化反应产生的热量被气流迅速带走。3）界面2处的三个测点的温度在下降减缓后先上升再下降，原因是随着温度的下降、O3浓度的升高，达到了极为适合 PM 氧化反应的条件点，氧化反应的剧烈放热使得该界面处温度不降反升，最终随着该界面处PM被氧化殆尽，反应减缓，温度再次下降。4）界面3及界面4处的测点温度在下降减缓后缓慢上升，且界面4处的上升趋势较为平缓，这是由于界面4靠近气流出口处，部分热量被气流带走。5）径向上，位置 c处测点温度明显低于位置a及位置b处的测点温度，原因是位置c处于DPF外侧，散热较快；位置a、b处的测点温度走势基本重叠，而位置b处散热情况优于位置a处，推测径向上位置b处氧化反应最为剧烈。

图6为DPF再生后的轴向剖面图，图6中所示ω形的积碳残余，进一步表明了径向上位置 b处氧化反应最为剧烈。

图5 再生过程DPF内部测点温度随时间的变化Fig.5 Temperature of measuring points in DPF during regeneration

图6 再生后DPF轴向剖面图Fig.6 Axial section of DPF after regeneration

2.2.2 DPF径向中点处温度变化

由于在DPF再生过程中位置b处氧化反应最为剧烈，因此以位置b处测点温度变化趋势为例，与通空气时DPF的降温趋势进行对比，进一步分析排气余热辅助NTP再生DPF的反应特点。图7为位置b处测点温度变化趋势的对比图，其特点如下：1）对 DPF前端通入空气时，DPF内部位置b处温度下降较快，150 min后基本降至室温。2）位置b处4个测点都出现了NTP曲线与空气曲线逐渐分离的现象，原因是在NTP再生DPF的过程中，随着氧化反应加剧，反应放出更多热量，减缓了温度的下降速度，逐渐与通空气降温的曲线发生分离。3）位置 b处不同测点的曲线并不是在同一时刻开始分离的。测点1b、2b、3b、4b的曲线分离时刻逐渐推迟，测点上2曲线的分离表明该测点处进行着较为明显的氧化反应，即测点位置越靠近DPF前端越早发生明显的氧化反应。4）测点2b、3b、4b处NTP曲线的最低点出现时刻逐渐推迟（分别为120、135、160 min时），温度自最低点起不降反升，氧化反应极为剧烈，也就是说剧烈氧化反应也是从DPF前端向后端依次进行的。5）总体来说，再生过程中DPF内部有着氧化区域自DPF前端逐渐向后端延伸的趋势。

图7 通入不同气体时DPF位置b处测点温度变化趋势对比Fig.7 Comparison of temperature variation in position b under different gas atmospheres

2.3 热重分析

再生后DPF内部不同位置的积碳受到NTP不同程度的氧化，为了对比不同NTP处理程度下PM的物化特性，热重样品分别取自于再生前DPF前端面的积碳（样品1，未经NTP处理）、再生后DPF内部最后端的积碳（样品2，经NTP处理程度轻）、再生后DPF内部氧化前沿的积碳（样品3，经NTP深度处理）。经热重试验发现，再生前DPF内部及前端面各位置的积碳热重分解趋势基本一致，因此选取再生前DPF前端面的积碳作为样品1，代表未经NTP处理的积碳。样品2及样品3的取样位置如图6所示。图8为不同积碳样品的TG（thermogravimetric）及 DTG（derivative thermogravimetric）曲线。积碳样品在氧气氛围下热解的过程中，积碳中的水分、SOF及DS会被依次蒸发或氧化，而无机盐成分无法通过氧化去除。考虑到样品中水分及无机盐的含量极微，将整个样品分解失质量的过程看作SOF及DS氧化分解的过程。一般的，PM的失质量过程分为2个阶段，50～450 ℃为SOF的分解，450～800 ℃为DS的分解[30]。

图8 不同积碳样品的TG及DTG曲线Fig.8 Thermogravimetric and derivative thermogravimetric curves of different deposit samples

由图8可见，样品1及样品2的TG曲线在SOF和DS的温度区间内均出现了明显的快速失质量阶段，而样品3在SOF温度区间内未出现明显的失质量，说明样品3中 SOF成分含量较低。经计算可得，样品 1、样品 2及样品3中SOF含量占比分别为29%、23%及15%。SOF成分含有H、O等元素，易于被NTP氧化去除，而样品3为反应前沿的积碳，因此积碳中的SOF成分被大量氧化去除。与此同时，因为O3热分解及反应的消耗，少量O3到达DPF后端，DPF后端积碳中少量SOF成分被优先氧化去除，因此样品2中的SOF含量较样品1略有下降。

DTG曲线反映了积碳对于温度的失质量速率。由图8可见，不同积碳样品的DTG曲线在SOF及DS温度区间均出现了不同程度的峰值，且不同样品的DTG峰值出现的温度不同。在较低的温度下出现DTG峰值说明该样品易于发生氧化反应, 具有较高的氧化活性[17]。因此热重试验结果表明NTP处理不但会改变PM中成分的占比，同时也会影响PM中不同成分的氧化活性，经NTP处理后，SOF及DS的氧化活性得以增强。

2.4 活化能分析

为进一步对比研究不同积碳样品的氧化活性，对样品中SOF及DS成分的活化能进行了分析。活化能是化学反应发生需要克服的最低能量障碍，由试验数据分析计算而得的活化能称为表观活化能，能够较好地反映出不同积碳样品的氧化活性。表观活化能较小的 PM 更易于在氧化氛围下发生氧化反应。结合图8中样品的TG曲线，根据Arrhenius公式能够计算出样品中不同成分的表观活化能。

定义任意时刻t时积碳样品的转化率

式中α为样品t时刻的转化率，%；m0为样品的初始质量，mg；m为样品t时刻的质量，mg。

在积碳样品热氧分解的过程中，PM的化学反应速率可以表示为样品单位时间内转化率的变化，计算公式如式（6）所示。

式中Sp为样品t时刻的总表面积，m2；2OP为氧气分压，Pa；k为化学反应速率常数；β及γ分别为PM及O2的反应级数。

假定PM的比表面积一定，则样品t时刻的总表面积可以通过式（7）计算而得。

式中Sg为PM的比表面积，m2/mg。

非基元反应的反应级数通常由试验测得，根据现有文献，PM的反应级数取1[31-32]。将式（7）代入式（6）

根据Arrhenius公式，化学反应常数k定义为式（9）。

式中Ea为PM的表观活化能，J/mol；T为t时刻的反应温度，K；A为指前因子；R为摩尔气体常数，R=8.314 J/(mol·K)。

将式（9）代入式（8），整理得到式（10）。

以1/T为横坐标，为纵坐标，可以作出散点图，若散点图基本符合线性关系，则可以代表线性拟合直线的斜率，并由此可得到Ea的值。

不同积碳样品的线性拟合情况如图 9所示。图中的数据点取自于DTG曲线上升温度区间内的连续数据点，此时 PM 氧化分解加速，该阶段的数据分析能够较好地反映出PM的氧化活性。由图9可见，与1/T之间有明显的线性关系，拟合直线的相关系数均超过0.98，表明用该方法分析PM的氧化动力学性能具有较好的可行性。

图9 不同积碳样品的线性拟合Fig.9 Linear fitting for different deposit samples

不同样品的表观活化能如表4所示。由表4可见,不同样品中DS成分的表观活化能明显高于SOF，进一步解释了SOF具有更高的氧化活性，易于被氧化去除。相比于样品1，样品2和样品3中SOF及DS成分的表观活化能均有不同程度的下降，且样品 3的表观活化能下降的更多，这表明NTP处理会降低PM的表观活化能，增强PM的氧化活性。样品3的积碳在反应前沿受到了更长时间、更高浓度的NTP的氧化，致使样品3的表观活化能低于另外两个样品。这与图8中DTG曲线的变化趋势是相符的，相较于样品1和样品2，样品3中SOF及DS温度区间内的DTG峰值出现在更低的温度。

表4 不同积碳样品的表观活化能Table 4 Apparent activation energy of different deposit samples

NTP处理能够有效降低PM的表观活化能，提高其氧化活性，加快了PM在后续再生过程中的氧化速率。

3 结 论

1）本文利用排气余热辅助NTP再生DPF，DPF排气背压下降达69%，无需外加热源即可实现对DPF的有效再生。

2）再生过程中，随着 DPF温度的下降，NTP中 O3的分解减弱，PM氧化反应加剧，再生产物CO、CO2的体积分数逐渐升高；另一方面，反应温度的下降不利于 PM的氧化，CO、CO2体积分数的上升趋势最终趋于平稳。整个再生过程中，氧化去除的PM中C元素质量约为6.28 g。

3）随着氧化反应的不断进行，DPF内部温度出现不降反升的现象，氧化区域自DPF前端逐渐向后端延伸。DPF径向中点处氧化反应最为剧烈，再生后DPF轴向剖面上残余积碳呈现ω形。

4）相较于DS，SOF因其较高的氧化活性在PM的氧化过程中被优先去除，经NTP处理后的PM中SOF成分占比明显下降。NTP处理能同时降低PM中SOF及DS成分的表观活化能，提高其氧化活性。

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Test on diesel particulate filter regeneration using non-thermal plasma technology aided by exhaust waste heat

Pu Xiaoyu, Cai Yixi※, Shi Yunxi, Wang Jing, Gu Linbo, Tian Jing, Cui Yingxin
(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang212013,China)

Diesel engines are widely applied in the field of transportation and manufacturing because of their dynamic and economic performance. Compared to gasoline engine, the hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions from diesel engine are much lower. However, diesel engine emits huge quantities of particulate matter (PM) which pose a great threat to human health and environmental protection. As emission regulations are becoming gradually stricter, it is imperative to stringently control diesel PM emission with a feasible after-treatment technic. The technology of diesel particulate filter (DPF)is considered as the most effective mean to reduce diesel PM emission. The key of DPF technology is regeneration of the DPF,which is to timely remove the carbon deposit captured by DPF. Non-thermal plasma (NTP) technology is a promising method to control diesel emission. Reactive species generated by NTP reactor can activate complicated chemical reactions under common condition. Therefore, NTP technology has been used to remove PM deposited in DPF and become a new research hotspot in the field of DPF regeneration. Other studies have shown DPF could be effectively regenerated by NTP when the regeneration temperature was precisely controlled by an extra heater. In this work, an experimental system of DPF regeneration was constructed to investigate the regeneration effect in which DPF was not heated by an external heat source.Aided by the exhaust waste heat after engine outage, an experimental study on DPF regeneration was conducted by using a dielectric barrier discharge (DBD) NTP reactor. In the process of DPF regeneration, reactive species and PM generated exothermic oxidation reactions. Infrared gas analyzer was used to measure the volume fraction of CO and CO2that were the main oxidation products in DPF regeneration. Twelve pairs of thermocouples were distributed in the interior of DPF to monitor the temperature change in the regeneration process. Based on NTP technology aided by exhaust waste heat, the regeneration process was investigated by analyzing the concentration change of oxidation products and the temperature change of each measuring point. Engine exhaust pipe was equipped with pitot tubes to measure the exhaust backpressure before and after regeneration. The regeneration effect was evaluated by backpressure variation of DPF after regeneration. In addition, an auxiliary test was conducted to explore the decomposition law of O3versus temperature, contributing to the analysis of regeneration process. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to compare the physicochemical properties of deposit before and after NTP treatment. Results showed that NTP technology aided by exhaust waste heat exerted a good regeneration effect on DPF without an external heat source, dramatically lowering the backpressure of DPF by 69%. With the decrease of temperature, the decomposition of O3in NTP was weakened. Therefore oxidation reaction of PM was intensified, causing the rising of the internal temperature of DPF instead of dropping. In the regeneration process, the oxidation area extended from the front of DPF to the back. The most vigorous oxidation reaction occurred at the radial midpoint of DPF and the remnant PM after regeneration on the axial section of DPF showed a ω shape. The soluble organic fraction (SOF) in the remnant deposit reduced after DPF regeneration. NTP treatment reduced the activation energy of PM both in SOF and in dry soot (DS). In the whole regeneration process, the mass of carbon in the PM decomposed was more than 6 g. This work proves the feasibility of the DPF regeneration by NTP without an external heat source, and provides experimental basis for vehicle application of the NTP technology.

diesel engines; emission control; experiments; non-thermal plasma; diesel particulate filter; regeneration; exhaust waste heat; apparent activation energy

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010

TK421+.5

A

1002-6819(2017)-14-0070-08

濮晓宇，蔡忆昔，施蕴曦，王 静，顾林波，田 晶，崔应欣. 排气余热辅助低温等离子体再生柴油机颗粒捕集器试验[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：70－77.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010 http://www.tcsae.org

Pu Xiaoyu, Cai Yixi, Shi Yunxi, Wang Jing, Gu Linbo, Tian Jing, Cui Yingxin. Test on diesel particulate filter regeneration using non-thermal plasma technology aided by exhaust waste heat [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 70－77. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010 http://www.tcsae.org

2016-10-03

2017-06-21

国家自然科学基金项目（51676089）；江苏省高校自然科学研究重大项目（16KJA470002）；江苏省高校优势学科建设资助项目（PAPD）作者简介：濮晓宇，男，主要从事柴油机排放控制研究。镇江 江苏大学汽车与交通工程学院，212013。Email: PuXiaoyu160729@163.com

※通信作者：蔡忆昔，男，教授，博士生导师，主要从事内燃机工作过程及排放控制研究。镇江 江苏大学汽车与交通工程学院，212013。

Email: qc001@mail.ujs.edu.cn