低溫等離子體降低柴油機NOX排放的研究進展

濮曉宇

江蘇大學汽車與交通工程學院 江蘇鎮江 212013

低溫等離子體降低柴油機NOX排放的研究進展

濮曉宇

江蘇大學汽車與交通工程學院 江蘇鎮江 212013

作為近年來處理柴油機氮氧化物（NOx）的新手段，低溫等離子體（NTP）技術具有極大的應用前景。低溫等離子體技術通過放電產生活性物質，可使常規條件下不易實現的化學反應得以啟動，實現對污染物分子的分解去除。本文回顧了低溫等離子體技術在降低柴油機NOx排放領域的相關文獻，對不同放電方式的NTP技術進行了綜合性歸納。近年來，為了達到更好的NOx去除效果，NTP與催化吸附相結合的方式也被廣泛研究。NTP技術作為發動機排放控制領域的一項新型技術，值得更多的學者進行深入探索與研究，以期實現NTP技術的實車應用。

低溫等離子體；氮氧化物去除；柴油機；催化劑；排放控制

一、引言

憑借低油耗、高熱效率、低HC及CO排放等優勢，柴油機被廣泛應用于固定及移動機械。然而相較于汽油機，柴油機排放大量的NOX及PM，其中NOx的危害有：酸雨、地表臭氧濃度升高、光化學煙霧等。

目前，已有多種用于降低NOx排放的發動機后處理技術，選擇性催化還原技術（SCR）、主動稀燃NOx技術、NOx吸附還原技術等都被廣泛應用于發動機的NOx排放控制。但這些處理技術都有一些固有的缺點。

低溫等離子體技術被認為能夠有效減少柴油機的尾氣排放。NTP尾氣處理方式將等離子體通入排氣中，能達到較為高效的NOx還原效率，具有極大的應用前景。產生NTP的放電方式有多種，如電暈放電、射頻放電、微波放電及介質阻擋放電（DBD）等。

已有研究中，多種不同放電方式的NTP被應用于降低柴油機NOx排放的研究。一些研究者采用介質阻擋放電型反應器及填充式DBD反應器對降低NOx排放進行研究，結合使用NTP及催化吸附的方式也得到廣泛的應用。

二、NTP技術降NOx排放的研究進展

（一）介質阻擋放電型

2008年，Rajanikanth等研究了兩種不同種類的DBD反應器（線－柱型和管－柱型）對模擬及真實排氣的處理。結果表明，管－柱型反應器由于其更小的放電間隙，產生了比線－管型更高的NOx去除效率。

2011年，Mohapatro等采用橫向流DBD反應器處理一臺3.75kW柴油機的NOx排放。試驗反應器包括9個放電電極，且氣流徑向流動通過電極，因此該反應器具有更穩定的放電工況和更長的氣體滯留時間，取得了良好的NOx去除效果。

（二）填充式介質阻擋放電型

2003年，Yamamoto等研究了低溫等離子體對一臺2kW柴油機不同工況下的尾氣處理效果。試驗采用了三種等離子體反應器：脈沖DBD反應器、脈沖填充式DBD反應器和交流填充式DBD反應器。試驗結果表明交流填充式DBD反應器和不帶吸附體的脈沖DBD反應器在放電功率和NOx去除效率上有更好的表現。研究者聲稱，等離子體催化吸附系統總的運行成本是傳統選擇性催化過程的1/4至1/3。

2009年，Srinivasan等研究了三種不同電壓激發方式（交流、直流、脈沖）的NTP反應器對于柴油機NOx的排放控制。試驗采用裝有電介質小球的填充式DBD反應器。結果表明，脈沖放電的反應器總體性能優于交流放電和直流放電的反應器，脈沖放電反應器輸入更低的能量密度就能達到與交流及直流放電反應器相同的NOx去除效率。

（三）介質阻擋放電結合催化吸附

2003年，Rajanikanth等將一個NTP結合催化吸附的串聯系統用于對NOx和HC的處理研究。串聯系統包括一個DBD反應器和一個下游的催化吸附反應器。使用了三種不同材料的吸附小球：活性氧化鋁、MS-13X和活性炭。試驗結果表明，相比于單一的凈化過程，NTP-催化吸附的串聯凈化過程有著更高的NOx去除效率，且NOx去除效率隨著時間基本保持不變。此外，活性炭和MS-13X吸附體對NOx和HC去除效率更高。

2009年，Rajanikanth等提出了一種新穎的為等離子體反應器提供高壓電源供給的方式。相比于傳統的重復脈沖或交流放電方式，采用一種太陽能高頻放電方式以提高能量密度。這種發生器能夠產生高達16kV的高壓，12.2kHz的放電頻率和24ns的脈沖上升時間。試驗結果表明。應用這種太陽能高頻交流發生器，能夠達到比其他發生器更高的NOx去除效率。

三、結論

低溫等離子體技術是一種極具應用前景的降低柴油機NOx排放的手段。已有大量專家學者對NTP降NOx的技術進行了探索研究，并對現有技術進行了改善，為提高NTP降NOx的效率提出了很多新的方法。該領域的已有研究表明，脈沖電源供給能更高效地產生等離子體，近年來被越來越多地加以應用。此外，相比單獨的NTP降NOx技術，NTP與催化吸附相結合的技術有更高的NOx去除效率。然而，絕大多數現有研究僅限于試驗室，尚不足以應用至實車上。從現有的文獻可知，能耗較大是NTP技術應用的主要挑戰，需要進行更加深入的研究以改進反應器的放電和設計。鑒于排放法規的日益嚴格，NTP技術在實車應用上具有極大的可行性。當然NTP技術得到更廣泛的應用，還需要進行更多的試驗與研究。

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