INTP作用下颗粒物理化特性及净化效果的影响因素研究

摘要

随着人们对环境问题的日益关注，柴油机排气净化成为柴油机发展的重要研究方向之一。低温等离子体（Non-thermal plasma, NTP）技术在柴油机尾气后处理领域凭借转化效率高、装置简单、无二次污染等优点成为目前的研究热点。目前的研究主要集中在利用直接低温等离子体技术净化柴油机尾气，关于利用间接低温等离子体（Indirect non-thermal plasma, INTP）技术净化柴油机颗粒物（Particulate matter, PM）的研究较少。本文搭建了INTP净化柴油机PM的试验台架，展开了INTP作用下颗粒物理化特性及净化效果的影响因素研究。主要的研究工作如下： （1）为探究INTP技术对PM理化性质的影响，对采样获得的PM进行了热重试验，分析了INTP作用前后PM组分和特征温度的变化，根据阿伦尼乌斯法计算了INTP作用前后PM组分的表观活化能。利用傅立叶红外光谱分析仪和扫描电镜分析仪探究了不同负荷工况下INTP作用前后柴油机PM表面官能团和表观形貌的变化。研究结果表明，颗粒物组分中的挥发性物质相较于固体碳表观活化能较低，INTP作用后，挥发性物质含量占比下降，固体碳含量占比上升。INTP作用后，PM的特征温度和表观活化能均下降，INTP降低了PM的氧化温度，提高了PM的氧化活性。INTP作用后，PM表面的烷基官能团减少，生成了新的含氧官能团和芳香环。INTP作用后， PM的堆叠结构变得相对平滑。 （2）为深入探究INTP技术对柴油机颗粒物中可溶性有机成分（Soluble organic fraction，SOF）的影响，利用微量天平测量了INTP作用前后PM的质量，随后利用索氏萃取将8个PM样品中的SOF溶解萃取。采用气相色谱-质谱仪对萃取样品进行了分析，探究了INTP技术对柴油机颗粒物SOF组分、碳原子数、支链烷烃含量和含氧组分含量的影响。研究结果表明，INTP作用后，在不同负荷工况下PM的质量均有不同程度减小。INTP作用后SOF组分中生成烯烃、脂类和醇类物质，碳原子数较小的C11~C14含量上升，支链烷烃含量下降，含氧组分含量上升。 （3）对NTP喷射系统的气源流量进行了优化，探究了气源流量对INTP净化颗粒物的影响。利用柴油机粒径分析仪测量了原机PM和不同NTP喷射系统气源流量下PM的数量浓度和质量浓度，对超细颗粒物、核态颗粒物和聚集态颗粒物的浓度和占比进行了分析，通过计算得到了INTP作用前后PM数量浓度几何平均粒径和质量浓度几何平均粒径的变化。利用热重分析仪对不同气源流量下PM的组分、特征温度和表观活化能进行了分析。研究结果表明，气源流量对NTP喷射系统产生的O3浓度和产量影响较大。在不同NTP喷射系统气源流量下，INTP作用后PM的数量浓度和质量浓度均下降。气源流量为10 L/min时，PM的数量浓度和质量浓度下降幅度最大。气源流量对挥发性物质的氧化活性影响较小，对固体碳的氧化活性影响较大。

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1.1研究背景

1.2颗粒物的主要成分和生成机理

1.3颗粒物的危害

1.4排放法规

1.5柴油机颗粒物净化技术

1.6低温等离子体技术

1.7低温等离子体技术处理柴油机颗粒物排放的研究现状

1.8本文主要研究内容

2.1试验装置及方法

2.1.1试验装置

2.1.2试验方法

2.2试验结果及分析

2.2.1热重分析

2.2.2傅立叶红外光谱分析

2.2.3扫描电镜分析

2.3本章小结

3.1试验装置及方法

3.1.1试验装置

3.1.2试验方法

3.2试验结果及分析

3.2.1 INTP对颗粒物质量的影响

3.2.2 INTP对颗粒物中SOF组分的影响

3.3本章小结

4.1试验装置及方法

4.1.1试验装置

4.1.2试验方法

4.2试验结果及分析

4.2.1 O3浓度和产量

4.2.2气源流量对柴油机颗粒物粒径分布和浓度的影响

4.2.3气源流量对柴油机颗粒物成分的影响

4.3本章小结

5.1全文总结

5.2研究展望

发表学术论文

申请专利

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