采用低温等离子体降低柴油机微粒排放的实验及理论研究

摘要

柴油机的微粒排放量较高,已成为大气中可吸入微粒的重要来源,严重威胁着人类的身体健康,成为柴油机进一步发展所必须解决的课题。目前柴油机微粒排放后处理技术还不成熟,寻求并研发新的柴油机微粒后处理技术及方法具有重要意义。本文尝试将低温等离子体应用于柴油机排气后处理,进行了低温等离子体降低柴油机微粒排放的实验及理论研究。
　　 本文采用介质阻挡放电的方式产生低温等离子体,设计了采用串联谐振式全桥逆变开关电源供电的介质阻挡放电特性实验装置,利用该装置研究了介质阻挡放电装置的动态负载特性及电学参数、运行参数、结构参数对介质阻挡放电装置工作性能的影响,并对串联谐振逆变高压电源与介质阻挡放电装置负载之间的优化匹配进行了实验研究及理论分析。研究结果表明,采用较小的放电气隙、较大介电系数、较薄的阻挡介质,可提高介质阻挡放电装置的放电功率；温度的升高使介质阻挡放电装置放电功率变大；放电气隙气流速度的增加使介质阻挡放电装置放电功率降低；介质阻挡放电装置负载的介质等效电容值随放电功率的上升而增加,气隙等效电容值随着放电功率的上升而减小；电源输出电压频率为介质阻挡放电装置气隙击穿前的谐振频率时,放电最易启动,而在装置能正常启动放电的情况下,使其工作频率尽可能接近气隙击穿后介质阻挡放电装置负载回路的谐振频率,有利于装置放电功率的提高。
　　 采用三种不同结构类型的小气隙准均匀场强低温等离子体反应器进行了柴油机台架实验研究,研究结果表明,低温等离子体可有效分解柴油机排气中的微粒,排气微粒的降低率随能量密度的增加而增大；低温等离子体只能使柴油机排气中N0x的存在形态由NO向NO2转变,而不能使NOx总量减少；全流式低温等离子体反应器比部分流式低温等离子体反应器对柴油机排气中PM的分解率及能量利用率高；在相同的能量密度下,提高排气在低温等离子体反应器中的滞留时间,可有效提高微粒的分解率。
　　 为了提高低温等离子体对微粒的分解率及能量利用效率,提出了大气隙同轴圆柱结构低温等离子体反应器的设计思想,设计了线-管式大气隙同轴圆柱结构低温等离子体反应器,并对其工作特性进行了研究,发现线-管式低温等离子体反应器存在介质阻挡电晕放电和介质阻挡丝状放电两种不同的放电形式,可以通过电源输入电压与反应器工作电压峰值的变化关系来判定放电形式的变化。柴油机台架实验结果表明,介质阻挡丝状放电较介质阻挡电晕放电对微粒的处理效果更好,能量利用效率也更高；柴油机转速相同时,排气烟度增大将导致相同能量密度下排气烟度降低率下降,但烟度降低的绝对数值增加,低温等离子体反应器的能量利用效率提高；当排气波许烟度相同时,相同能量密度下柴油机转速的增加将使反应器对排气中微粒的处理效率降低。
　　 为了提高介质阻挡放电分解微粒的经济性及分解效果,提出了将过滤体置入低温等离子体反应器放电气隙中,连续捕集柴油机排气中的微粒,然后通过放电对捕集的微粒集中分解的技术思想,并制订了以介质球填充大气隙同轴圆柱结构低温等离子体反应器,对柴油机排气中微粒进行捕集-分解的技术方案。实验研究了介质球填充对低温等离子体反应器工作性能的影响,研究结果表明,采用介质球填充放电区域可有效降低低温等离子体反应器的起始放电电压,增加低温等离子体反应器的放电功率,在较大放电区域容积、较小介质球粒径的情况下低温等离子体反应器放电功率增加更为显著,证实了上述技术方案的可行性。柴油机台架实验结果表明,低温等离子体可有效分解介质球填充床捕集的微粒,再生作为过滤体的介质球填充床；微粒在介质球填充床内的累积,将导致低温等离子体反应器工作电压及放电功率降低；采用介质球填充低温等离子体反应器放电气隙的技术方案,可有效提高低温等离子体反应器对微粒的分解效果；通过捕集的方式将柴油机排气中质量浓度较小的微粒集中于低温等离子体反应器放电气隙中,使同时与低温等离子体中的活性物质接触的微粒质量增加,将显著提高低温等离子体分解微粒的能量利用效率。