低温等离子体协同木纤维净化柴油机尾气台架试验1)

杜丹丰 郭秀荣 李明宝 张莉 马超 徐岳峰

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (德州学院) (东北林业大学)

柴油发动机因其动力足、燃油效率高、耐久性强等优点，在汽车工业中发展迅速，但其排放的NO为汽油机的2～20倍，微小颗粒物(PM)为汽油机的10～100倍[1-2]，对环境造成严重污染。低温等离子体(NTP)净化柴油车尾气技术被视为一种非常有前景的后处理技术，低温等离子体具有结构简单、适用温度范围广、无二次污染等优点[3-4]。实验室中产生低温等离子体的形式很多，包括辉光放电、介质阻挡放电、微波放电和电晕放电等[5]。电晕放电是一种自持放电，可分为高压直流电晕放电与脉冲电晕放电，其中脉冲电晕放电具有更多优势，在常温常压下即可产生大量的低温等离子体，电子能量可达到5～20 eV[6]。Beckers et al.[7]利用柴油发动机产生NO，用电晕等离子体放电方法脱除低质量分数的NO，当质量分数为2×10-6～10×10-6时，脱除效率为60%～80%，去除10×10-6NO的比能量输入值(SEI)是7 J/L。Vinh et al.[8]通过试验发现，在低温等离子体条件下，发动机中排放出来的PM能够很大程度上提高NO的脱除效果。Xie et al.[9]使用同轴低温等离子体反应器模拟在雾中氧化去除NO，研究显示NO的去除率可达到93%。Wang et al.[10]利用电晕放电与碱液吸收相结合的方法，证明了电晕放电预氧化的NO对于碱液吸收NO产生影响，并且此方式的NO去除效果随着电压的升高而增加。

电晕放电等离子体可产生浓度较大的活性粒子，如高能电子、H、O、N和OH等，这些活性粒子对NO和PM均有良好的净化效果[11-12]。木纤维是天然多孔生物质材料，其自身的微观结构可有效过滤PM[13]。在等离子体作用下木纤维不但可过滤PM，还可以为NO和PM提供有效的反应空间，以促进其同时去除。本文将低温等离子体与多孔结构的木纤维滤芯相结合，设计低温等离子体协同木纤维净化柴油机尾气净化器(即等离子木纤维净化器，本文简称净化器)，并在此基础上，对电压及温度对净化器工作性能的影响进行试验研究；旨在为提高柴油机尾气净化技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 净化器设计

将松木加工成尺寸为60 mm×60 mm×200 mm的木方，然后用削片机对木方进行顺纹切削，制成微米级厚度的刨花；再用揉丝机将其揉制成长度为30～50 mm、宽度为1～2 mm、平均厚度约为50 μm的微米木纤维(见图1)。

图1 微米级厚度刨花及微米木纤维

将绝缘丝网加工成直径为130 mm和10 mm、长为100 mm的两个圆筒，把圆筒同轴放置，两端用电木制成的圆环封住，制成滤芯壳体(见图2)。将微米木纤维均匀塞入滤芯壳体中，制成微米木纤维滤芯。借鉴文献[14]，本文滤芯填充率为0.3。

图2 微米木纤维滤芯壳体

图3为可拆装式等离子木纤维柴油机尾气净化器结构示意图，该净化器由法兰盘、排气口、电极线、前净化室、后净化室、木纤维滤芯、进气口、滤芯支撑架、绝缘支撑架、绝缘锥形塞组成。1(法兰盘)与7(进气口)密封焊接，使尾气净化器易于安装在发动机排气系统上，在使用时安装在排气管后方；3(电极线)为L型铜棒，一端插入10(绝缘锥形塞)中，另一端通过绝缘支撑架固定在净化室的轴线位置；净化室分为前后2个净化室，且采用管螺纹连接，使净化室便于拆装，在更换滤芯和清洗时可以保证净化器的密封性；5(木纤维滤芯)通过8(滤芯支撑架)使其与净化室保持同轴。等离子木纤维净化器净化室尺寸：直径140 mm、长度150 mm。

(a)净化器结构示意图 (b)净化室

1为法兰盘；2为排气口；3为电极线；4-1为后净化室；4为净化室；4-2为前净化室；5为木纤维滤芯；6为导流冒；7为进气口；8为滤芯支撑架；9为导线支撑架；10为绝缘锥形塞。

图3等离子木纤维柴油机尾气净化器

1.2 试验设计

本次试验主要测试等离子木纤维净化器对柴油机尾气中NO和PM的净化效率和过滤阻力。图4为等离子木纤维净化器工作性能测试试验台。

1为柴油机；2为消音器；3为管翅式冷却器；4为计算机；5为等离子木纤维净化器；6为高压脉冲电源。

图4等离子木纤维净化器工作性能测试试验台

试验中使用的是高压脉冲电源(0～30 kV可调，频率为50 Hz)和宁波斯巴克发动机有限公司生产的D170F单缸柴油机。D170F柴油发动机性能参数：缸径为70 mm、排量为0.21 L、油箱容积为2.5 L、额定转速为3 000 r/min、行程为55 mm、压缩比为20∶1、最大功率为2.63 kW、发动机净质量为25 kg。

试验中尾气温度由自行研制的管翅式冷却器控制(见图5)[15]。该冷却器可通过控制尾气温度保证滤芯不被高温灼烧。等离子木纤维净化器工作性能测试试验台测试系统硬件，主要包括温度传感器、压力传感器、NO传感器、NO2传感器、ADAM4017+检测模块、RS232/RS485转换器等；测试软件为三维力控组态软件。PM的净化效率由NHT-6不透光烟度计测定。

图5 管翅式冷却器

试验在室温20 ℃、空气相对湿度为(50±15)%、标准大气压101.3 kPa的环境下进行。试验所用滤芯填充率均为0.3[14]。柴油机稳定工作20 min后进行测试，试验过程柴油机转速为2 200 r/min、负荷为50%。

2 结果与分析

2.1 输入电压对净化器净化NO和PM及过滤阻力的影响

电晕放电反应器的输入功率是影响反应器内活性粒子浓度的主要因素，而输入电压幅值与输入功率呈正比关系，因此输入电压幅值是影响等离子木纤维净化器净化效率的主要因素[16-17]。在本试验中，温度设定为180 ℃，电压分别为12、15、18、21 kV。取4个填充率为0.3的木纤维滤芯，按照试验设计的方法进行测试。每个滤芯对应一种电压进行试验，其工作时长为10 h，每1 h记录1次数据。图6～图8为不同电压峰值时，NO、PM和过滤阻力随滤芯工作时间的变化曲线。

图6 不同电压时NO净化效率随滤芯工作时间的变化曲线

图7 不同电压时PM净化效率随滤芯工作时间的变化曲线

由图6～图8可见：滤芯工作7 h之前，净化器对NO和PM的净化效率以及过滤阻力均随时间增加而增加。过滤阻力增加的原因，是木纤维滤芯中吸附了越来越多的PM；NO和PM净化效率的提高，是由于柴油机排放的颗粒物中的碳烟、可溶性有机物、无机盐成分中的C原子，在经过等离子体的处理后，形成含有大量反应位点的SP3轨道碳链的炭基团，它们可以被活性粒子氧化为COx，随着时间的增加，滤芯中的PM会越来越多，而参加反应的NO和PM也会随之增多，故NO和PM的净化效率会增加。当使用时间超过7 h时，净化器对NO和PM的净化效率基本保持不变，过滤阻力却不断上升，这是因为随着木纤维滤芯对PM的不断过滤和吸附，净化器的过滤阻力继续增大，而净化器中参与反应的PM和活性粒子的量已基本达到一个平衡，因此净化效率不再继续增加。

图8 不同电压时过滤阻力随滤芯工作时间的变化曲线

由图6～图8可见：对于4个滤芯，当工作时间相同时，净化效率随电压的增加而增加；而过滤阻力反之，当电压峰值为21 kV时，过滤阻力急剧下降。由此可以得出，输入电压的大小从宏观上可以影响电晕放电的电场强度，进而影响净化器对NOx和PM的净化效率；但是当输入电压过高时，放电过程会形成辉光放电，对木纤维滤芯的使用造成一定的影响。试验结束后，拆开等离子木纤维净化器观察木纤维滤芯，发现在电压为21 kV的试验中木纤维滤芯已破损(见图9)，这是当电压为21 kV时滤芯的过滤阻力急剧下降的原因。

图9 已损坏的木纤维滤芯

考虑到21 kV时滤芯会损坏，因此输入电压为18 kV较为理想，当滤芯工作10 h时，NO和PM净化效率约为56%和93%，过滤阻力约为2 700 Pa。

2.2 尾气温度对等离子木纤维净化器净化NO和PM的影响

按照试验设计的方法，取4个填充率为0.3的滤芯进行试验。尾气温度分别为120、150、180、210 ℃，电压为18 kV。每个滤芯的工作时长为10 h，每1 h测定1次数据。图10～图12分别为4个滤芯在不同尾气温度时，NO、PM及过滤阻力随滤芯工作时间的变化曲线。

图10 不同尾气温度时NO随滤芯工作时间的变化曲线

图11 不同尾气温度时PM随滤芯工作时间的变化曲线

图12 不同尾气温度时过滤阻力随滤芯工作时间的变化曲线

由图10～图12可见：滤芯过滤阻力随滤芯工作时间的增加而逐渐升高；当滤芯使用时间在7 h以内时，滤芯净化效率随滤芯工作时间的增加而升高；当使用时间超过7 h后，滤芯对NO和PM的净化效率基本保持不变。上述现象的原因与图6～图8一致。

由图10～图12可见：当滤芯工作时间相同时，随温度的不断升高，NO和PM的净化效率均随之增强，而过滤阻力则随着温度的升高而降低。这是由于尾气温度的升高，使净化器内活性粒子的紊乱程度增加，促进了净化器内的氧化还原反应，从而使NO和PM净化效率增加；由于PM净化效率加强了，附着在滤芯上的PM量减少了，所以温度越高，过滤阻力越低。

考虑到木纤维的耐热温度最好控制在210 ℃以下[14]，因此，在电压为18 kV、温度为210 ℃时，本文研究的滤芯工作状态较为理想。当滤芯工作10 h时，NO和PM净化效率约为57%和97%，过滤阻力约为2 500 Pa，PM和过滤阻力达到了国家标准的相关要求[18]。

3 结论

本文设计了等离子木纤维净化器及净化器性能检测试验台，并对电压及温度对净化器工作性能的影响进行了试验研究。试验使用的等离子木纤维净化器滤芯内、外径为130 mm和10 mm，长为100 mm，净化室直径为140 mm、高为150 mm，木纤维滤芯填充率为0.3，试验结果表明：

随着输入电压的升高，等离子木纤维净化器净化性能增强，但过高的输入电压会造成滤芯结构的破坏，选用输入电压为18 kV时净化性能较好。

尾气温度的升高可增强净化器对NO和PM的净化效率，当尾气温度为210 ℃、电压为18 kV、工作时间为10 h时，NO和PM的净化效率可分别达到57%和97%，过滤阻力为2500 kPa，PM和过滤阻力达到了国家标准的相关要求。