低温等离子体降低柴油机NOX排放的研究进展

濮晓宇

江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013

低温等离子体降低柴油机NOX排放的研究进展

濮晓宇

江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013

作为近年来处理柴油机氮氧化物（NOx）的新手段，低温等离子体（NTP）技术具有极大的应用前景。低温等离子体技术通过放电产生活性物质，可使常规条件下不易实现的化学反应得以启动，实现对污染物分子的分解去除。本文回顾了低温等离子体技术在降低柴油机NOx排放领域的相关文献，对不同放电方式的NTP技术进行了综合性归纳。近年来，为了达到更好的NOx去除效果，NTP与催化吸附相结合的方式也被广泛研究。NTP技术作为发动机排放控制领域的一项新型技术，值得更多的学者进行深入探索与研究，以期实现NTP技术的实车应用。

低温等离子体；氮氧化物去除；柴油机；催化剂；排放控制

一、引言

凭借低油耗、高热效率、低HC及CO排放等优势，柴油机被广泛应用于固定及移动机械。然而相较于汽油机，柴油机排放大量的NOX及PM，其中NOx的危害有：酸雨、地表臭氧浓度升高、光化学烟雾等。

目前，已有多种用于降低NOx排放的发动机后处理技术，选择性催化还原技术（SCR）、主动稀燃NOx技术、NOx吸附还原技术等都被广泛应用于发动机的NOx排放控制。但这些处理技术都有一些固有的缺点。

低温等离子体技术被认为能够有效减少柴油机的尾气排放。NTP尾气处理方式将等离子体通入排气中，能达到较为高效的NOx还原效率，具有极大的应用前景。产生NTP的放电方式有多种，如电晕放电、射频放电、微波放电及介质阻挡放电（DBD）等。

已有研究中，多种不同放电方式的NTP被应用于降低柴油机NOx排放的研究。一些研究者采用介质阻挡放电型反应器及填充式DBD反应器对降低NOx排放进行研究，结合使用NTP及催化吸附的方式也得到广泛的应用。

二、NTP技术降NOx排放的研究进展

（一）介质阻挡放电型

2008年，Rajanikanth等研究了两种不同种类的DBD反应器（线－柱型和管－柱型）对模拟及真实排气的处理。结果表明，管－柱型反应器由于其更小的放电间隙，产生了比线－管型更高的NOx去除效率。

2011年，Mohapatro等采用横向流DBD反应器处理一台3.75kW柴油机的NOx排放。试验反应器包括9个放电电极，且气流径向流动通过电极，因此该反应器具有更稳定的放电工况和更长的气体滞留时间，取得了良好的NOx去除效果。

（二）填充式介质阻挡放电型

2003年，Yamamoto等研究了低温等离子体对一台2kW柴油机不同工况下的尾气处理效果。试验采用了三种等离子体反应器：脉冲DBD反应器、脉冲填充式DBD反应器和交流填充式DBD反应器。试验结果表明交流填充式DBD反应器和不带吸附体的脉冲DBD反应器在放电功率和NOx去除效率上有更好的表现。研究者声称，等离子体催化吸附系统总的运行成本是传统选择性催化过程的1/4至1/3。

2009年，Srinivasan等研究了三种不同电压激发方式（交流、直流、脉冲）的NTP反应器对于柴油机NOx的排放控制。试验采用装有电介质小球的填充式DBD反应器。结果表明，脉冲放电的反应器总体性能优于交流放电和直流放电的反应器，脉冲放电反应器输入更低的能量密度就能达到与交流及直流放电反应器相同的NOx去除效率。

（三）介质阻挡放电结合催化吸附

2003年，Rajanikanth等将一个NTP结合催化吸附的串联系统用于对NOx和HC的处理研究。串联系统包括一个DBD反应器和一个下游的催化吸附反应器。使用了三种不同材料的吸附小球：活性氧化铝、MS-13X和活性炭。试验结果表明，相比于单一的净化过程，NTP-催化吸附的串联净化过程有着更高的NOx去除效率，且NOx去除效率随着时间基本保持不变。此外，活性炭和MS-13X吸附体对NOx和HC去除效率更高。

2009年，Rajanikanth等提出了一种新颖的为等离子体反应器提供高压电源供给的方式。相比于传统的重复脉冲或交流放电方式，采用一种太阳能高频放电方式以提高能量密度。这种发生器能够产生高达16kV的高压，12.2kHz的放电频率和24ns的脉冲上升时间。试验结果表明。应用这种太阳能高频交流发生器，能够达到比其他发生器更高的NOx去除效率。

三、结论

低温等离子体技术是一种极具应用前景的降低柴油机NOx排放的手段。已有大量专家学者对NTP降NOx的技术进行了探索研究，并对现有技术进行了改善，为提高NTP降NOx的效率提出了很多新的方法。该领域的已有研究表明，脉冲电源供给能更高效地产生等离子体，近年来被越来越多地加以应用。此外，相比单独的NTP降NOx技术，NTP与催化吸附相结合的技术有更高的NOx去除效率。然而，绝大多数现有研究仅限于试验室，尚不足以应用至实车上。从现有的文献可知，能耗较大是NTP技术应用的主要挑战，需要进行更加深入的研究以改进反应器的放电和设计。鉴于排放法规的日益严格，NTP技术在实车应用上具有极大的可行性。当然NTP技术得到更广泛的应用，还需要进行更多的试验与研究。

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