排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機(jī)顆粒捕集器試驗(yàn)

濮曉宇，蔡憶昔，施蘊(yùn)曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應(yīng)欣

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機(jī)顆粒捕集器試驗(yàn)

濮曉宇，蔡憶昔※，施蘊(yùn)曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應(yīng)欣

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

為探究低溫等離子體（non-thermal plasma，NTP）對無外加熱源的柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的再生過程與再生效果，搭建了排氣余熱輔助 NTP再生 DPF的試驗(yàn)系統(tǒng)。借助發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后的排氣余熱，利用DBD（dielectric barrier discharge）型NTP發(fā)生器，對處于降溫過程的DPF進(jìn)行再生試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著DPF溫度的下降，NTP中O3的分解反應(yīng)減弱，PM（particulate matter）氧化反應(yīng)加劇，DPF內(nèi)部出現(xiàn)溫度不降反升的現(xiàn)象，氧化區(qū)域自DPF前端逐漸向后端延伸，DPF徑向中點(diǎn)處氧化反應(yīng)最為劇烈，DPF軸向剖面上殘余積碳呈現(xiàn)ω形。再生后DPF內(nèi)部殘余積碳中可溶性有機(jī)成分SOF（soluble organic fraction）明顯減少，且NTP處理能夠降低PM中SOF及DS（dry soot）的表觀活化能。整個(gè)再生過程中，DPF內(nèi)部大量積碳被氧化去除。排氣余熱輔助的NTP再生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對無外加熱源的DPF的有效再生，使得DPF排氣背壓下降達(dá)69%。該文證實(shí)了排氣余熱輔助NTP再生DPF的可行性，為NTP再生DPF技術(shù)的應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

柴油機(jī)；排放控制；試驗(yàn)；低溫等離子體；柴油機(jī)顆粒捕集器；再生；排氣余熱；表觀活化能

0 引 言

顆粒物（particulate matter，PM）是柴油機(jī)主要的排放污染物，嚴(yán)重危害大氣環(huán)境和人體健康[1-7]。將于2018年1月1日全面實(shí)施的“國五”排放標(biāo)準(zhǔn)對柴油機(jī)PM的排放控制提出了更高的要求，PM的限值已由“國四”的0.025 g/km 降至 0.0045 g/km[8-9]。柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）技術(shù)被認(rèn)為是目前降低PM最為有效的后處理手段，捕集效率可達(dá)90%以上[10-13]。但隨著對排氣中PM的不斷捕集，DPF會(huì)被堵塞，導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高、性能下降、油耗增加等后果。因此DPF技術(shù)的關(guān)鍵在于適時(shí)地清除DPF上沉積的PM，即DPF的再生[14-16]。

低溫等離子體（non-thermal plasma，NTP）技術(shù)是一種新型工業(yè)污染物處理手段，在汽車尾氣凈化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[17-20]。近年來，利用NTP技術(shù)再生DPF成為DPF再生研究的熱點(diǎn)。王軍等[21]利用低溫等離子體噴射系統(tǒng)進(jìn)行了降低柴油機(jī)排放及再生 DPF的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明NTP發(fā)生器產(chǎn)生的活性物質(zhì)對柴油機(jī)排氣中HC、PM及NO均有一定的轉(zhuǎn)化效果，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對DPF的連續(xù)再生。Okubo等[22-23]將NTP發(fā)生裝置產(chǎn)生的活性物質(zhì)通入排氣管中 DPF上游，發(fā)現(xiàn) DPF可在低于300 ℃的實(shí)際排氣氛圍下實(shí)現(xiàn)再生。大流量的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣會(huì)極大地稀釋NTP，并縮短活性物質(zhì)在DPF孔道內(nèi)的滯留時(shí)間，因此王軍等[21]的試驗(yàn)利用NTP實(shí)現(xiàn)了對柴油機(jī)有害排放物的轉(zhuǎn)化，但并未獲得良好的DPF再生效果。而Okubo等[22-23]從主排氣道中引流出少量排氣，與NTP混合后通入DPF，實(shí)現(xiàn)了DPF的有效再生。為了避免排氣對DPF再生的影響，Shi Yunxi等[24]進(jìn)行了NTP離線再生DPF的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中DPF放置在一臺(tái)獨(dú)立于排氣系統(tǒng)的恒溫爐內(nèi)，結(jié)果表明試驗(yàn)溫度為 80℃時(shí)，DPF再生效果較好。Okubo和Shi Yunxi等[22-24]的試驗(yàn)研究回避了排氣影響DPF再生的問題，但均未從根本上解決該問題，引流排氣、脫離排氣系統(tǒng)等措施反而限制了這 2種DPF再生方式的實(shí)用性。且雖都獲得了良好的DPF再生效果，但再生過程中DPF放置于加熱裝置內(nèi)，即再生過程需要外加熱源。

為探索NTP對無外加熱源的DPF的再生過程和再生效果，并達(dá)到節(jié)省能源、簡化試驗(yàn)裝置的目的，本文搭建了排氣余熱輔助NTP再生DPF的試驗(yàn)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后DPF處于高溫狀態(tài)并逐漸降溫，本文基于NTP技術(shù)，利用這部分殘余熱量，對DPF進(jìn)行再生試驗(yàn)研究。停機(jī)再生的策略從根本上避免了排氣對DPF再生的影響，更加貼近實(shí)際應(yīng)用。通過再生前后DPF排氣背壓的變化來表征再生效果，通過監(jiān)測再生產(chǎn)物中碳氧化物的體積分?jǐn)?shù)和DPF內(nèi)部溫度的變化來探究PM氧化分解的過程，并利用熱重分析（Thermogravimetric analysis, TGA）研究了NTP處理對PM物化特性的影響，以期為NTP再生DPF技術(shù)的應(yīng)用提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 PM捕集試驗(yàn)

為了加快DPF的積碳加載，采用一臺(tái)186F單缸柴油機(jī)進(jìn)行PM的捕集，圖1a為DPF捕集PM的試驗(yàn)裝置示意圖。單缸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)先經(jīng)排氣支路（閥門2所在管路）進(jìn)行30 min的熱機(jī)，然后經(jīng)主排氣道（閥門1所在管路）進(jìn)行時(shí)長為180 min的PM捕集試驗(yàn)，PM捕集過程中發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定在100%負(fù)荷（2 400 r/min、20.3 N·m）?？紤]到PM捕集過程中，DPF處的排氣溫度會(huì)對DPF加載積碳的成分造成一定影響，通過調(diào)整排氣管路長度將DPF前端排氣溫度控制在150℃左右。采用堇青石壁流式DPF，主要參數(shù)如表2所示。

圖1 PM捕集、DPF再生、O3分解驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for particulate matter collection, diesel particulate filter regeneration and O3 decomposition

表1 186F柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of 186F diesel engine

表2 DPF參數(shù)Table 2 Diesel particulate filter specifications

1.2 DPF再生試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

排氣余熱輔助NTP再生DPF的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1b所示，該系統(tǒng)主要包括：NTP噴射系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及試驗(yàn)測量儀器。

NTP噴射系統(tǒng)用于為DPF再生提供強(qiáng)氧化性的NTP活性物質(zhì)，包括NTP發(fā)生器、冷卻水泵、氧氣氣源和電源供給裝置。NTP發(fā)生器為介質(zhì)阻擋放電型：低壓電極為外徑48 mm的不銹鋼管；阻擋介質(zhì)為內(nèi)徑52 mm、厚2 mm的石英管；高壓電極為緊貼于石英管外壁的細(xì)鐵絲網(wǎng)，軸向長度為400 mm；同軸布置的不銹鋼管與石英管之間形成截面為環(huán)形的放電間隙。NTP噴射系統(tǒng)以氧氣為氣源，產(chǎn)生的主要活性物質(zhì)為 O3。當(dāng)氧氣流量小于10 L/min時(shí)，O3產(chǎn)量隨氧氣流量的增加而增加，然而當(dāng)氧氣流量超過10 L/min，過大的氣源流量縮短待電離氣體在NTP發(fā)生器內(nèi)的滯留時(shí)間，從而不充分的電離抑制了O3產(chǎn)量的進(jìn)一步升高，因此氣源流量控制為10 L/min。在NTP發(fā)生器放電過程中，冷卻水可有效降低放電區(qū)域溫度，保證NTP發(fā)生器的穩(wěn)定工作。電源供給裝置由等離子體電源、示波器、分壓電路組成。等離子體電源采用CTP-2000K智能電子沖擊機(jī)，電壓工作區(qū)間及頻率調(diào)節(jié)范圍分別為0～25 kV和7～20 kHz；TDS3034B示波器用于監(jiān)測等離子體電源放電工況的變化，采樣頻率為 50 MHz；電路中分壓電容C1、C2之比為1:1000，傳輸電荷測量電容Cm=0.47μf。

再生試驗(yàn)采用排量為1.995 L的常柴4F20CTCI柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表 3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上安裝有已捕集PM的DPF。

表3 常柴4F20CTCI柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 3 Parameters of Changchai 4F20CTCI diesel engine

DPF內(nèi)部布置了12個(gè)K型熱電偶（-200～260 ℃），用于監(jiān)測DPF內(nèi)部的溫度分布及變化。圖2為DPF內(nèi)部溫度測點(diǎn)分布示意圖及熱電偶布置實(shí)物。在DPF軸向上選取1、2、3、4四個(gè)界面（界面3將DPF等分成前后兩段，界面1和界面2將前半段三等分，界面4將后半段二等分），徑向上選取a、b、c三個(gè)位置（位置b位于徑向中點(diǎn)處）。熱電偶在DPF內(nèi)部的測點(diǎn)分布于不同軸向及徑向位置，基本可以反映出內(nèi)部溫度的變化。熱電偶線由 2根不同材質(zhì)的金屬絲及表面絕緣層組成，一端為測溫端，另一端與顯示儀表連接。布置時(shí)，通過調(diào)整熱電偶線伸入DPF濾孔的長度來控制測點(diǎn)在軸向上的位置。熱電偶線的截面尺寸為2×Φ0.4 mm，DPF的濾孔為2 mm×2 mm的方孔，熱電偶線截面積約為濾孔截面積的1/16，基本不影響DPF內(nèi)部氣體的流動(dòng)及積碳的氧化。

排氣管上安裝的皮托管壓差計(jì)用于測量DPF的排氣背壓。采用紅外氣體分析儀測量再生過程中 PM 氧化生成的CO和CO2的濃度。

圖2 DPF內(nèi)部溫度測點(diǎn)分布示意圖及熱電偶布置實(shí)物Fig.2 Distribution of temperature measuring points and layout of thermocouples inside DPF

1.2.2 試驗(yàn)方法

為了與再生過程中DPF內(nèi)部溫度變化進(jìn)行對比，在DPF再生前模擬了DPF通空氣的自然降溫過程。運(yùn)行常柴 4F20CTCI發(fā)動(dòng)機(jī)，將柴油機(jī)調(diào)節(jié)至合適工況，使得DPF內(nèi)部溫度到達(dá)250℃左右，快速停機(jī)。打開球閥1，關(guān)閉球閥 2，壓縮空氣通過質(zhì)量流量控制器（mass flow controller，MFC）精確調(diào)節(jié)流量至10 L/min，經(jīng)噴嘴噴入排氣管中DPF上游。每5 min記錄一次降溫過程中DPF內(nèi)部12個(gè)測點(diǎn)的溫度，直至DPF內(nèi)部溫度基本降至室溫。

再次運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)至合適工況，使得DPF內(nèi)部溫度到達(dá)250℃左右。提前開啟NTP噴射系統(tǒng)，打開球閥 2，關(guān)閉球閥 1，快速關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并向 DPF上游通入NTP，對DPF進(jìn)行時(shí)長為300 min的再生。試驗(yàn)時(shí)，等離子體電源放電電壓為15 kV，放電頻率為8 kHz。氣體分析儀可實(shí)時(shí)監(jiān)測PM氧化生成的CO及CO2的體積分?jǐn)?shù)，每5 min記錄一次DPF內(nèi)部測點(diǎn)的溫度。

為了評(píng)估DPF再生后排氣背壓的下降情況，選取發(fā)動(dòng)機(jī)50%負(fù)荷下的3個(gè)不同轉(zhuǎn)速的工況點(diǎn)（2 000 r/min、66 N·m，2 200 r/min、67.5 N·m，2 400 r/min、66.5 N·m），分別測量DPF再生前后的排氣背壓。

噴嘴入口處布置一個(gè) K型熱電偶（量程-200～260℃），用于監(jiān)測噴嘴入口處氣流溫度。試驗(yàn)中測得噴嘴入口處空氣氣流平均溫度為 36.7℃，NTP氣流平均溫度為 36.2℃，兩者溫度相近，因此通入空氣氣流可以有效地模擬后續(xù)NTP再生DPF過程中的氣體流動(dòng)情況，其區(qū)別僅在于NTP可與PM發(fā)生復(fù)雜的氧化放熱反應(yīng)[25-26]。因此這兩個(gè)過程中DPF內(nèi)部溫度變化趨勢的對比分析，可以很好地反映出DPF再生過程中氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

1.3 O3分解試驗(yàn)

以氧氣為氣源放電產(chǎn)生的NTP氣體具有極強(qiáng)的氧化活性[27]，然而其最主要的活性成分O3在高溫下易發(fā)生分解。參與再生的NTP中O3的濃度較大地影響PM的氧化，因此探究O3在不同溫度下的分解規(guī)律，有助于對DPF的再生過程進(jìn)行深入分析。為了排除溫度以外的影響因素，進(jìn)行了獨(dú)立的O3分解試驗(yàn)。圖1c為O3分解試驗(yàn)的裝置示意圖。試驗(yàn)中，控制氧氣流量及等離子體電源放電工況與DPF再生試驗(yàn)時(shí)一致。氧氣經(jīng)NTP發(fā)生器放電產(chǎn)生活性氣體，通入放置于恒溫箱的金屬管內(nèi)，金屬管軸心位置布置有一個(gè)K型熱電偶，采用Model Mini-Hicon高濃度臭氧分析儀測量恒溫箱前后端的O3濃度。試驗(yàn)時(shí)，將恒溫箱溫度調(diào)節(jié)至250℃后通入NTP，關(guān)閉恒溫箱電源使其自然冷卻，每下降5℃讀取一次臭氧濃度。

1.4 熱重試驗(yàn)

為探究 NTP處理對顆粒物化特性的影響，采用TGA/DSC1熱重分析儀對DPF再生前后內(nèi)部的積碳進(jìn)行了熱重試驗(yàn)，研究了 PM 的氧化動(dòng)力學(xué)性能。選用氧氣為反應(yīng)氣，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣，氧氣流量設(shè)為50 mL/min。升溫速率設(shè)為20 ℃/min，顆粒物樣品從50℃升溫至800℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM的氧化分解

2.1.1 PM的氧化產(chǎn)物分析

柴油機(jī)顆粒物（PM）主要由干碳煙（dry soot，DS）、可溶性有機(jī)組分（soluble organic fraction，SOF）和無機(jī)鹽3種成分組成[28-29]。NTP中活性物質(zhì)（主要成分為O3）可與DS和SOF發(fā)生復(fù)雜的氧化反應(yīng)，主要氧化產(chǎn)物為CO和CO2。

再生產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)及O3分解的變化趨勢如圖3所示。

圖3 再生產(chǎn)物濃度及O3分解的變化趨勢Fig.3 Variation trend of regeneration products concentration and O3 decomposition

由圖3a可見，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)隨再生時(shí)間先急劇升高，隨后上升速率減緩并趨于平穩(wěn)。反應(yīng)生成 CO2的體積分?jǐn)?shù)高于CO的體積分?jǐn)?shù)，表明NTP氧化PM生成的不完全氧化產(chǎn)物相對較少，氧化較為充分。再生初期，DPF內(nèi)部溫度較高，O3高溫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的體積分?jǐn)?shù)相對較小。

由圖3b可見，O3分解率隨溫度的下降而下降，當(dāng)溫度高于 200 ℃時(shí)，O3分解率接近 100%；當(dāng)溫度低于60℃時(shí)，O3幾乎不發(fā)生分解。

由再生過程中熱電偶測得的數(shù)據(jù)可知，再生過程的前20 min，DPF內(nèi)部平均溫度由228 ℃降至189 ℃（DPF內(nèi)部平均溫度取 12個(gè)測點(diǎn)的平均溫度），相對應(yīng)地，參與反應(yīng)的NTP中O3的濃度由0.1 mg/L升至1.8 mg/L。盡管O3濃度上升較小，但在數(shù)值上增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是再生前20 min內(nèi)CO、CO2體積分?jǐn)?shù)急劇上升的重要原因。隨著DPF溫度的下降，參與再生的O3濃度逐漸升高，PM氧化產(chǎn)生的CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)也隨之上升，但由于溫度下降對 PM 氧化反應(yīng)的抑制作用，上升速率有所減緩。

2.1.2 PM的分解量計(jì)算

對圖3a中的曲線進(jìn)行積分計(jì)算后，分別得到整個(gè)再生過程中生成的CO、CO2的物質(zhì)的量，計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。

式中n1、n2分別為CO及CO2總的物質(zhì)的量，mol；φ1、φ2分別為CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)，%；q為NTP的流量，q=10 L/min；Vm為氣體摩爾體積，Vm=22.4 mol/L。

進(jìn)一步計(jì)算可以得到整個(gè)再生過程中去除的 PM 中C元素的質(zhì)量，計(jì)算方法如式（3）所示。

式中m(C)為PM中C的質(zhì)量，g；MC為C元素的摩爾質(zhì)量，MC=12 g/mol。

通過計(jì)算得到，被氧化的PM中C元素的質(zhì)量為6.28 g。

圖4為再生前后DPF排氣背壓對比圖。由圖4可見，再生后DPF的排氣背壓下降明顯，平均排氣背壓下降達(dá)69%，表明再生效果良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了 DPF內(nèi)部大量PM被氧化去除。相較于再生后DPF排氣背壓的下降值，排氣背壓下降比例能更客觀地反映出DPF的性能恢復(fù)情況，排氣背壓下降比例的計(jì)算公式如式（4）所示。

圖4 再生前后DPF排氣背壓Fig.4 Backpressure of diesel particulate filter before and after regeneration

式中φ為再生后DPF的排氣背壓下降比例，%；ΔP0為空白DPF的排氣背壓，kPa；ΔP1為再生前DPF的排氣背壓，kPa；ΔP2為再生后DPF的排氣背壓，kPa。

2.2 DPF內(nèi)部溫度變化

2.2.1 再生過程溫度變化

圖5為再生過程中DPF內(nèi)部各測點(diǎn)溫度隨再生時(shí)間變化的曲線，其特點(diǎn)如下：1）每個(gè)測點(diǎn)溫度都經(jīng)歷了先快速下降后減緩的過程，這是由于PM氧化是放熱反應(yīng)，隨著溫度的下降，NTP活性物質(zhì)中O3濃度升高，氧化放熱反應(yīng)加劇，反過來抑制溫度的下降。2）界面1處的三個(gè)測點(diǎn)的溫度一直處于下降趨勢，原因是界面1處于DPF前端，受到NTP氣流的直接沖擊，氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被氣流迅速帶走。3）界面2處的三個(gè)測點(diǎn)的溫度在下降減緩后先上升再下降，原因是隨著溫度的下降、O3濃度的升高，達(dá)到了極為適合 PM 氧化反應(yīng)的條件點(diǎn)，氧化反應(yīng)的劇烈放熱使得該界面處溫度不降反升，最終隨著該界面處PM被氧化殆盡，反應(yīng)減緩，溫度再次下降。4）界面3及界面4處的測點(diǎn)溫度在下降減緩后緩慢上升，且界面4處的上升趨勢較為平緩，這是由于界面4靠近氣流出口處，部分熱量被氣流帶走。5）徑向上，位置 c處測點(diǎn)溫度明顯低于位置a及位置b處的測點(diǎn)溫度，原因是位置c處于DPF外側(cè)，散熱較快；位置a、b處的測點(diǎn)溫度走勢基本重疊，而位置b處散熱情況優(yōu)于位置a處，推測徑向上位置b處氧化反應(yīng)最為劇烈。

圖6為DPF再生后的軸向剖面圖，圖6中所示ω形的積碳?xì)堄?，進(jìn)一步表明了徑向上位置 b處氧化反應(yīng)最為劇烈。

圖5 再生過程DPF內(nèi)部測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化Fig.5 Temperature of measuring points in DPF during regeneration

圖6 再生后DPF軸向剖面圖Fig.6 Axial section of DPF after regeneration

2.2.2 DPF徑向中點(diǎn)處溫度變化

由于在DPF再生過程中位置b處氧化反應(yīng)最為劇烈，因此以位置b處測點(diǎn)溫度變化趨勢為例，與通空氣時(shí)DPF的降溫趨勢進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析排氣余熱輔助NTP再生DPF的反應(yīng)特點(diǎn)。圖7為位置b處測點(diǎn)溫度變化趨勢的對比圖，其特點(diǎn)如下：1）對 DPF前端通入空氣時(shí)，DPF內(nèi)部位置b處溫度下降較快，150 min后基本降至室溫。2）位置b處4個(gè)測點(diǎn)都出現(xiàn)了NTP曲線與空氣曲線逐漸分離的現(xiàn)象，原因是在NTP再生DPF的過程中，隨著氧化反應(yīng)加劇，反應(yīng)放出更多熱量，減緩了溫度的下降速度，逐漸與通空氣降溫的曲線發(fā)生分離。3）位置 b處不同測點(diǎn)的曲線并不是在同一時(shí)刻開始分離的。測點(diǎn)1b、2b、3b、4b的曲線分離時(shí)刻逐漸推遲，測點(diǎn)上2曲線的分離表明該測點(diǎn)處進(jìn)行著較為明顯的氧化反應(yīng)，即測點(diǎn)位置越靠近DPF前端越早發(fā)生明顯的氧化反應(yīng)。4）測點(diǎn)2b、3b、4b處NTP曲線的最低點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)刻逐漸推遲（分別為120、135、160 min時(shí)），溫度自最低點(diǎn)起不降反升，氧化反應(yīng)極為劇烈，也就是說劇烈氧化反應(yīng)也是從DPF前端向后端依次進(jìn)行的。5）總體來說，再生過程中DPF內(nèi)部有著氧化區(qū)域自DPF前端逐漸向后端延伸的趨勢。

圖7 通入不同氣體時(shí)DPF位置b處測點(diǎn)溫度變化趨勢對比Fig.7 Comparison of temperature variation in position b under different gas atmospheres

2.3 熱重分析

再生后DPF內(nèi)部不同位置的積碳受到NTP不同程度的氧化，為了對比不同NTP處理程度下PM的物化特性，熱重樣品分別取自于再生前DPF前端面的積碳（樣品1，未經(jīng)NTP處理）、再生后DPF內(nèi)部最后端的積碳（樣品2，經(jīng)NTP處理程度輕）、再生后DPF內(nèi)部氧化前沿的積碳（樣品3，經(jīng)NTP深度處理）。經(jīng)熱重試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，再生前DPF內(nèi)部及前端面各位置的積碳熱重分解趨勢基本一致，因此選取再生前DPF前端面的積碳作為樣品1，代表未經(jīng)NTP處理的積碳。樣品2及樣品3的取樣位置如圖6所示。圖8為不同積碳樣品的TG（thermogravimetric）及 DTG（derivative thermogravimetric）曲線。積碳樣品在氧氣氛圍下熱解的過程中，積碳中的水分、SOF及DS會(huì)被依次蒸發(fā)或氧化，而無機(jī)鹽成分無法通過氧化去除?？紤]到樣品中水分及無機(jī)鹽的含量極微，將整個(gè)樣品分解失質(zhì)量的過程看作SOF及DS氧化分解的過程。一般的，PM的失質(zhì)量過程分為2個(gè)階段，50～450 ℃為SOF的分解，450～800 ℃為DS的分解[30]。

圖8 不同積碳樣品的TG及DTG曲線Fig.8 Thermogravimetric and derivative thermogravimetric curves of different deposit samples

由圖8可見，樣品1及樣品2的TG曲線在SOF和DS的溫度區(qū)間內(nèi)均出現(xiàn)了明顯的快速失質(zhì)量階段，而樣品3在SOF溫度區(qū)間內(nèi)未出現(xiàn)明顯的失質(zhì)量，說明樣品3中 SOF成分含量較低。經(jīng)計(jì)算可得，樣品 1、樣品 2及樣品3中SOF含量占比分別為29%、23%及15%。SOF成分含有H、O等元素，易于被NTP氧化去除，而樣品3為反應(yīng)前沿的積碳，因此積碳中的SOF成分被大量氧化去除。與此同時(shí)，因?yàn)镺3熱分解及反應(yīng)的消耗，少量O3到達(dá)DPF后端，DPF后端積碳中少量SOF成分被優(yōu)先氧化去除，因此樣品2中的SOF含量較樣品1略有下降。

DTG曲線反映了積碳對于溫度的失質(zhì)量速率。由圖8可見，不同積碳樣品的DTG曲線在SOF及DS溫度區(qū)間均出現(xiàn)了不同程度的峰值，且不同樣品的DTG峰值出現(xiàn)的溫度不同。在較低的溫度下出現(xiàn)DTG峰值說明該樣品易于發(fā)生氧化反應(yīng), 具有較高的氧化活性[17]。因此熱重試驗(yàn)結(jié)果表明NTP處理不但會(huì)改變PM中成分的占比，同時(shí)也會(huì)影響PM中不同成分的氧化活性，經(jīng)NTP處理后，SOF及DS的氧化活性得以增強(qiáng)。

2.4 活化能分析

為進(jìn)一步對比研究不同積碳樣品的氧化活性，對樣品中SOF及DS成分的活化能進(jìn)行了分析?；罨苁腔瘜W(xué)反應(yīng)發(fā)生需要克服的最低能量障礙，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算而得的活化能稱為表觀活化能，能夠較好地反映出不同積碳樣品的氧化活性。表觀活化能較小的 PM 更易于在氧化氛圍下發(fā)生氧化反應(yīng)。結(jié)合圖8中樣品的TG曲線，根據(jù)Arrhenius公式能夠計(jì)算出樣品中不同成分的表觀活化能。

定義任意時(shí)刻t時(shí)積碳樣品的轉(zhuǎn)化率

式中α為樣品t時(shí)刻的轉(zhuǎn)化率，%；m0為樣品的初始質(zhì)量，mg；m為樣品t時(shí)刻的質(zhì)量，mg。

在積碳樣品熱氧分解的過程中，PM的化學(xué)反應(yīng)速率可以表示為樣品單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率的變化，計(jì)算公式如式（6）所示。

式中Sp為樣品t時(shí)刻的總表面積，m2；2OP為氧氣分壓，Pa；k為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；β及γ分別為PM及O2的反應(yīng)級(jí)數(shù)。

假定PM的比表面積一定，則樣品t時(shí)刻的總表面積可以通過式（7）計(jì)算而得。

式中Sg為PM的比表面積，m2/mg。

非基元反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)通常由試驗(yàn)測得，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，PM的反應(yīng)級(jí)數(shù)取1[31-32]。將式（7）代入式（6）

根據(jù)Arrhenius公式，化學(xué)反應(yīng)常數(shù)k定義為式（9）。

式中Ea為PM的表觀活化能，J/mol；T為t時(shí)刻的反應(yīng)溫度，K；A為指前因子；R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)。

將式（9）代入式（8），整理得到式（10）。

以1/T為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，可以作出散點(diǎn)圖，若散點(diǎn)圖基本符合線性關(guān)系，則可以代表線性擬合直線的斜率，并由此可得到Ea的值。

不同積碳樣品的線性擬合情況如圖 9所示。圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)取自于DTG曲線上升溫度區(qū)間內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，此時(shí) PM 氧化分解加速，該階段的數(shù)據(jù)分析能夠較好地反映出PM的氧化活性。由圖9可見，與1/T之間有明顯的線性關(guān)系，擬合直線的相關(guān)系數(shù)均超過0.98，表明用該方法分析PM的氧化動(dòng)力學(xué)性能具有較好的可行性。

圖9 不同積碳樣品的線性擬合Fig.9 Linear fitting for different deposit samples

不同樣品的表觀活化能如表4所示。由表4可見,不同樣品中DS成分的表觀活化能明顯高于SOF，進(jìn)一步解釋了SOF具有更高的氧化活性，易于被氧化去除。相比于樣品1，樣品2和樣品3中SOF及DS成分的表觀活化能均有不同程度的下降，且樣品 3的表觀活化能下降的更多，這表明NTP處理會(huì)降低PM的表觀活化能，增強(qiáng)PM的氧化活性。樣品3的積碳在反應(yīng)前沿受到了更長時(shí)間、更高濃度的NTP的氧化，致使樣品3的表觀活化能低于另外兩個(gè)樣品。這與圖8中DTG曲線的變化趨勢是相符的，相較于樣品1和樣品2，樣品3中SOF及DS溫度區(qū)間內(nèi)的DTG峰值出現(xiàn)在更低的溫度。

表4 不同積碳樣品的表觀活化能Table 4 Apparent activation energy of different deposit samples

NTP處理能夠有效降低PM的表觀活化能，提高其氧化活性，加快了PM在后續(xù)再生過程中的氧化速率。

3 結(jié) 論

1）本文利用排氣余熱輔助NTP再生DPF，DPF排氣背壓下降達(dá)69%，無需外加熱源即可實(shí)現(xiàn)對DPF的有效再生。

2）再生過程中，隨著 DPF溫度的下降，NTP中 O3的分解減弱，PM氧化反應(yīng)加劇，再生產(chǎn)物CO、CO2的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高；另一方面，反應(yīng)溫度的下降不利于 PM的氧化，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)的上升趨勢最終趨于平穩(wěn)。整個(gè)再生過程中，氧化去除的PM中C元素質(zhì)量約為6.28 g。

3）隨著氧化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，DPF內(nèi)部溫度出現(xiàn)不降反升的現(xiàn)象，氧化區(qū)域自DPF前端逐漸向后端延伸。DPF徑向中點(diǎn)處氧化反應(yīng)最為劇烈，再生后DPF軸向剖面上殘余積碳呈現(xiàn)ω形。

4）相較于DS，SOF因其較高的氧化活性在PM的氧化過程中被優(yōu)先去除，經(jīng)NTP處理后的PM中SOF成分占比明顯下降。NTP處理能同時(shí)降低PM中SOF及DS成分的表觀活化能，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

濮曉宇，蔡憶昔，施蘊(yùn)曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應(yīng)欣. 排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機(jī)顆粒捕集器試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51676089）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（16KJA470002）；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目（PAPD）作者簡介：濮曉宇，男，主要從事柴油機(jī)排放控制研究。鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，212013。Email: PuXiaoyu160729@163.com

※通信作者：蔡憶昔，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事內(nèi)燃機(jī)工作過程及排放控制研究。鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，212013。

Email: qc001@mail.ujs.edu.cn