NTP处理柴油机PM排放研究

陈祎 程静峰 季亮

摘要：颗粒物是柴油机的主要污染物之一，柴油机颗粒捕集器是目前降低颗粒物排放最为有效的手段之一，是应对愈发严格的排放法规的必然选择。目前，柴油机颗粒捕集器技术基本趋于成熟，但其再生成为了新的研究重点。本文介绍了一种全新的柴油机颗粒捕集器再生技术，即低温等离子体再生技术。国际研究表明低温等离子体技术在柴油机颗粒捕集器的再生领域有着极大的前景。

关键词：柴油机；PM；NTP

引言

近年来，随着《第六阶段轻型汽车污染物排放限值及测量方法》的实施，车用柴油机的排放已成为问题。柴油机的颗粒物（Particulate matter， PM）和氮氧化物（NOX）排放较多，尤其是PM的排放，不仅易造成雾霾和能见度下降等环境问题，也严重危害人类健康，易引发呼吸系统疾病[1-2]。因此，降低柴油机的PM排放，尤为迫切。

相较于国V，国VI阶段对颗粒物排放限值加严了百分之三十左右。由于排放法规的日益严格，仅通过提高燃油质量和优化燃烧过程的方法已不能满足排放法规的要求，必须加装先进的后处理装置[3]。低温等离子体技术凭借转化效率高、装置简单、无二次污染等特点，成为目前柴油机排气后处理领域的研究热点[4-5]。

1 NTP处理PM的研究现状

1.1颗粒物的主要成分

柴油机PM的成分，主要由干碳烟、可溶性有机成分（Soluble organic fraction，SOF）、硫酸鹽和金属物质组成[6]。干碳烟是在高温缺氧的情况下，燃油经热裂解形成小分子不饱和烃，小分子不饱和烃通过环化反应生成多环芳香烃形成的。

1.2低温等离子体技术

低温等离子体（Non-Thermal Plasma，NTP）是继固态、液态、气态之后的物质第四态。NTP中的活性物质与PM发生一系列复杂物理化学反应，从而分解去除PM。NTP技术有处理效率高、装置简单、能耗低、抗颗粒干扰能力强等优点，处理柴油机的排气有明显的优势。

1.3 低温等离子体技术处理柴油机颗粒物排放的研究现状

大量试验证明NTP可降低柴油机排气中的PM，Babaie等人利用DBD放电产生臭氧处理柴油机排气中的PM，他通过研究PM、臭氧和二氧化碳的相互关系，发现在去除PM的过程中，臭氧发挥了主要的作用，而且当放电功率较高时，臭氧浓度可达几百ppm，PM的去除效率可达到50%以上[7]。M. Okubo 等人还提出了利用低温等离子体结合颗粒捕集器DPF去除PM的新思路，柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter， DPF）是目前降低柴油机PM排放最有效的技术之一，捕集效率可达90%以上[8]。但随着PM在DPF中的沉积，DPF会发生堵塞，造成排气背压升高，油耗增加，进而影响发动机的正常运行。目前再生DPF的方法主要有电加热再生、喷油再生、催化再生和连续再生，但都存在一定问题。因此，寻求一种新型高效再生DPF的方法是很有必要的。M. Okubo 等利用压缩空气作为气源通入到针-板式NTP反应器中产生活性物质，然后将其喷入DPF系统，通过监测DPF两端的压差和气体成分的变化来判断DPF的再生情况。研究结果表明，利用等离子体喷射系统在200℃就可以实现DPF再生；当温度控制在280℃时，连续工作2.5小时，PM去除率可达61%。

2结论

相较于其它净化技术，低温等离子体技术在降低柴油机排放的颗粒污染物方面有着巨大的优势，国内外学者对使用NTP净化柴油机排气已取得了一定的成果。相较于其它方法，NTP对氧化排气中的PM有着明显的效果。但目前大多数有关NTP处理柴油机排气污染物的研究仍停留在理论和试验阶段，离实际车载应用还存在很长的一段路要走。继续提高NTP的净化效率，提高NTP发生器与柴油机的匹配性，结合新型催化剂探究NTP与催化剂的协同催化氧化PM，依旧是低温等离子体净化柴油机排气的发展趋势。

参考文献：

[1]于京诺，王世杰.柴油机排放控制策略[J].中国农机化， 2004（5）： 43～45.

[2]Kim H， Sung Y， Jung K， 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.

[3]Feng X Y， Ge Y S， Ma C C， et al. Experimental study on the nitrogen dioxide and particulate matter emissions from diesel engine retrofitted with particulate oxidation catalyst[J]. Science of the Total Environment， 2014， 472： 56～62.

[4]姚琳.柴油机试验中颗粒物排放的后处理方法研究[J].铁道机车与动车， 2010（2）： 11～12.

[5]Thomas S E， Martin A R， Raybone D， et al. Non thermal plasma aftertreatment of particulates-theoretical limits and impact on reactor design[J]. Sae Technical Papers， 2000.

[6]沈言谨.柴油发动机颗粒排放物的组分研究[J]. 车辆与动力技术， 2005（04）： 12～14.

[7]Babaie M， Davari P， Talebizadeh P， et al. Performance evaluation of non-thermal plasma on particular matter， ozone and CO2 correlation for diesel exhaust emission reduction[J]. Chemical Engineering Journal， 2015（276）： 240-248.

[8]Masaaki Okubo， Naoki Arita， Kuroki Tomoyuki， et al. Carbon particulate matter incineration in diesel engine emissions using indirect nonthermal plasma processing [J]. Thin Solid Films， 2007， 515：4289-4295.