现代科学仪器
Modern Scientific Instruments
第3期2013年6月
N o.3 J u n. 201337
收稿日期：2012-12-18作者简介：郭秀丽（1974—），女，博士，研究方向：汽车实验学和机械设计 郭秀丽
（大连大学机械工程学院 辽宁大连 116622）
摘 要 面对日益严格的排放法规，等离子体NO x /PM 后处理综合控制技术逐渐成为柴油机尾气后处理策略的发展趋势。本文介绍了等离子体柴油机尾气净化技术的机理和研究状况。研究表明电晕放电和介质阻挡放电等离子体净化柴油机尾气有着能耗过高的缺陷，在应用中不得不结合催化剂同时使用。为解决这一问题，笔者提出了电弧放电用于柴油机尾气净化的新思路，分析证明该思路具有一定的可行性。
关键词 等离子体；柴油机；排放；电弧放电中图分类号 TK421+.5 文献标识码:A
Research on the Plasma Purification Method for PM Emitted by a Diesel Engine
Guo Xiuli
(School of Mechanical Engineering,Dalian University,Dalian 116622)
Abstract In the face of the increasingly stringent emission regulations,the plasma NOx/PM processing integrated control technology has gradually become a development trend of diesel engine exhaust after treatment strategy.In this paper,the mechanism and the current situation of the plasma purification technology for diesel exhaust are introd
u ced. The research indicates that cleaning the diesel exhaust with the plasms produced by corona discharge or Dielectric Barrier Discharge has too high energy consumption to direct use without catalyst.To solve this problem,the paper gives some new ways about cleaning diesel exhaust with arc discharge.
Key words Plasma;Diesel;Exhaust;Arc discharge
按照欧洲议会通过的有关规定，欧V 标准已经实施。欧V 标准主要针对柴油和汽油轿车及轻型商用卡车，而欧VI 标准单独针对柴油轿车。欧V 和欧VI 排放标准大幅度提高了对轿车和客车在碳烟颗粒（PM，particulate material）和NO X 排放量方面的要求。根据这一标准，欧V 柴油轿车每公里NO X 的排放量不应超过180毫克，该标准将比目前欧IV 标准规定的排放量减少28％，颗粒物排放量则比目前欧IV 标准规定的减少80％，到时所有的柴油轿车都必须解决柴油机颗粒和NO x 的排放污染问题[1]。2011年我国机动车保有量约为2.25亿辆，其中柴油车约6500万辆。一旦实施欧V 标准，将会有大批柴油车因不能满足排放标准而被禁止运行。因此，符合我国具体国情的柴油车尾气排放控制技术研究已迫在眉睫。
降低柴油机排放污染通常采用机内处理和机外处理的方法，尽管多年来人们在柴油机结构上进行了大量的改进，但是仍然无法满足日益严格的汽车尾气排放标准，因此机外处理(亦称为后处理)日益受到研究者的重视[2]。
在后处理技术中，等离子体技术不仅对微粒物
有很好的净化效果，而且能对NO X 、HC、CO 等有害物实现同步净化[3]，克服了柴油机微粒和NO x 排放量较高的“先天不足”。采用等离子体技术净化柴油机尾气是近些年来国内外有关学者研究的新课题。
1 等离子体净化技术机理
利用低温等离子体技术处理柴油机尾气的净化机理是：在常压下产生低温等离子体，利用等离子体中含有的大量高能电子、激发态粒子、原子和自由基等，引发一系列的物理和化学反应，从而达到对尾气中有害物净化的目的。
低温等离子体净化柴油机尾气时，可能发生各种类型的反应，既有氧化反应，又有还原反应，这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及其共存的气体成分等[4]。
柴油机的排气成分与汽油机有较大不同。柴油机的颗粒排放一般是汽油机的30～50倍，甚至更高；NO x 的排放和汽油机属于同一个数量级；但HC、CO 的排放却相对较低。低温等离子体技术主要是净化柴油机尾气中的碳烟颗粒和NO x 。
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1.1 低温等离子体技术脱除柴油机颗粒的机理
低温等离子体去除碳烟颗粒，主要是OH 和O
将碳烟颗粒氧化降解为CO 和H 2，
NO X 通过吸附和氧化还原反应也能使碳烟颗粒氧化降解，生成NO 和CO。假设碳烟颗粒由C 和H 组成，并用C X H Y 表示，则碳烟颗粒降解的主要反应路径如下[5]：
(C X H Y )+OH →(C X-1H Y )-C-OH (1)(C X H Y )+O →(C X-1H Y )-C-O (2)(C X H Y )+NO 2→(C X-1H Y )-C-NO 2 (3)(C X H Y )+NO 2→(C X-1H Y )-C-ONO (4)(C X-1H Y )-C-OH →(C X-1H Y )+CO+1/2H 2 (5)
(C X-1H Y )-C-O →(C X-1H Y )+CO (6)(C X-1H Y )-C-NO 2→(C X-1H Y )+NO+CO (7)
(C X-1H Y )-C-ONO →(C X-1H Y )+NO+CO (8)
上面反应开始于碳烟颗粒吸附OH 和O 生成C-OH 和C-O 联合体，吸附NO 2生成C-NO 2和C-ONO 联合体。这些联合体降解吸附生成N 2、NO 和CO，碳烟颗粒的质量随着减小。因此，NO X 促进碳烟颗粒降解是提高柴油机尾气净化效率的较有效方法之一。
1.2 低温等离子体技术对NO x 的脱除机理
现有的研究结果表明，低温等离子体技术不仅
可以脱除柴油机排气中的微粒排放，对NO x 也有一定的去除作用。汽车尾气中NO x 在低温等离子体反应体系中的转化途径如图1所示[6]。图l 中除了电子-分子的碰撞反应外，没有包含其它带电粒子的反应。这是由于在NO x 脱除过程中，中性物种-中性物种的反应起主导作用，
因此带电粒子的反应可以忽略。
图1 汽车尾气中NO x 转变示意图
在图l 的等离子体化学反应中，电子仅仅在反应
开始时起到激发作用。而在真正的放电化学中，活性物质起着非常重要的作用。放电增强了物种的活性，引发了化学反应，甚至是一些常温常压下没有催化剂很难或根本不能发生的化学过程也会在活性物种的参与下发生。因此，体系中活性物质的量对整个反应体系而言非常重要，加大高能电子的激发力度，以产生更多的活性物质，将有助于尾气中NO x 的脱除[7]。
2 低温等离子体技术控制柴油机排放的研究状况
2.1 利用等离子体技术控制柴油机排放
美国西南研究所对填充床放电反应器分别在直喷和非直喷轻卡柴油机上做了实车研究，PM 的去除效率最大可达60%，NO x 的去除效率大于40%，有部分CO 生成，反应器在瞬态工况下也可正常工作[8]。
Fujjj 和Rea 设计了一种针板式湿式反应器，柴油机尾气测试NO x 去除效率达到95%，大于0.3μm 的微粒去除效率达到100%[9]。
Masuda Senichi 等利用高压脉冲电源放电产生的等离子体对汽车尾气中的NO X 进行分解，实验表明低温等离子体技术脱除NO X 是可行的[10]。
国内对低温等离子体应用于汽车尾气处理领域的研究开始于20世纪90年代初期，但发展很快。上海交通大学提出利用低温等离子体过程辅助催化氧化-还原反应，同时去除柴油机尾气中的PM 和NO x 的新方法，
并进行了探索性研究[11]。重庆大学对高压脉冲电晕放电产生的等离子体进行研究。实验表明，NO 的净化率能够达到50%以上，在风速不大的条件下，NO 转化的主要产物为NO 2[12]。
相关研究尽管取得了很大成就，但仍需在理论上继续深入。
2.2 大气压下等离子体不同产生方式的研究状况
2.2.1 等离子体的产生方式
低温等离子体产生方式从原理上来说主要有气体放电、热致电离和辐射电离三种。后两者的产生方式要通过高温燃烧、爆炸、击波或者X-射线、紫外光等，因此很难应用于柴油机尾气的净化技术上。
根据产生的机理，气体的压强范围、电源性质以
及电极的几何形状，气体放电等离子体主要分为以下几种形式：(l)辉光放电；(2)电弧放电；(3)电晕放
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第3期2013年6月电；(4)介质阻挡放电；(5)射频放电；(6)微波放电。
辉光放电可在低压下产生，但需要很低的气压。电晕放电 利用非对称电极(针-板电极、针-针电极等)可在常压下放电产生等离子体，但难以获得大体积的等离子体；介质阻挡放电则结合了前两者的优点，能在常压下产生大体积低温等离子体；射频放电和微波放电属无电极放电，可避免电极污染，获得较纯净的等离子体，但需要在低气压下发生。由于对汽车柴油机尾气的治理要求必须在常压下进行，能在常压(105Pa 左右)下产生低温等离子体的只有电弧放电、电晕放电和介质阻挡放电三种形式。
而目前研究主要以电晕放电和介质阻挡放电两种形式为主。电弧放电应用于柴油机尾气净化上还未见报道。
2.2.2 电晕放电和介质阻挡放电研究
清华大学设计了一种轻便的电晕放电装置，并用其进行了冷等离子体去除NO 的实验研究[13]。裴梅香[14]在模拟柴油机尾气条件下利用介质阻挡反
应器对等离子体去除NO x 进行了基础研究，
结果表明低温等离子体可以用于NO x 的去除，但当进气中
含有O 2时，
NO 转化为N 2的转化率较低，同时能耗增大。国内外许多专家、学者研究了O 2、
H 2O、HC、NO x 等各种成分对等离子体去除NO x 的净化作用
的影响，结果表明气体中H 2O、
O 2、HC 的存在有助于将 NO 氧化为NO 2，
而不是还原为N 2[15]。国内外的研究机构通常采用多种技术手段并举的方法，如DPF+SCR 技术，来同时降低NO x 和PM 的排放，以满足日趋严格的排放标准[16]。柴油
机排气中除含有NO x 、
PM 及CO 等污染物外，还有大量的O 2，因此，在富氧环境下利用柴油机自身排放
的NO x 和PM 发生氧化还原反应，
生成无害的CO 2和N 2是一种具有广阔前景的柴油机后处理技术。Yashida [17]首次对“soot-O 2-NO”三组分之间的氧化还原反应的可能性进行了研究，结果表明NO-C 的氧化反应能在在较低的温度下（300℃）进行。Johnson Matthey 公司[18]及苏庆运的研究结果如图2所示。
图2表明，NO 2对碳烟颗粒的氧化性强于O 2的氧化性。Cooper [19]等通过实验研究发现，N
O 在Pt 催化剂作用下被氧化成NO 2，
而NO 2能进一步氧化柴油机的碳烟。美国Lawrence Livermore 国家实验室的Penetrante 近年来一直致力于等离子体后处理技术的研究，他领导的研究小组对该方法的可行
性进行了理论和实验分析，指出等离子体直接净化
HC 和PM 的能耗过高，应将等离子体反应器与催化
装置配合使用[20]。
图2 NO 2与O 2分别氧化柴油机微粒的性能对比曲线
因此，无论是介质阻挡放电还是电晕放电，仅靠
等离子体进行NO x /PM 的同时去除，
难以进入实用阶段，必须辅助催化剂的使用以降低能耗。
3 进一步研究的方向
电晕放电的缺点在于电子仅在电极附近的小范围才有足够的能量，离电极较远处的电子所获能量甚小，故自由基或许多活性物种只能在电极附近产生，易将许多能量浪费在无效率的离子移动及分子内的振动上，致使单位体积能耗效率降低。而介质阻挡放电和电晕放电相比，尽管可以在常温常压下产生大空间的均匀放电，但是有相当部分电能转换成热能，能耗效率依旧不高。
为解决柴油机尾气净化过程中能耗过高的问题，有两种思路。第一种是可以使用辅助催化剂，增加净
化效率。第二种是可以在等离子体产生初期，加大 高能电子的 激发力度，以增加活性物质，促进尾气中的成分互相作用，提高净化效率。
笔者认为，第二种思路可以考虑采用电弧放电方式来解决。二氧化碳激光器自从被帕特尔(Patel)发明了之后，就成为能量转换效率较高和输出最强的气体激光器。而气体激光器的主要工作物质由CO 2和NO X 两种气体组成。其中CO 2是产生等离子体辐射的气体，NO x 为辅助气体。文献[21]介绍了气体温度与气压对激光器运行的影响，指出在温
度升高及NO x 存在的条件下，
在放电空间中，辉光放电会不稳定收缩，逐渐向弧光放电过渡。借助气体激光器的原理，可以利用柴油机尾气中的CO 2与
NO x ，
通过放电进行激发，使CO 2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转。在此过程中，由于这些氮的氧化物具有负电性，大量俘获电子形成负离子，使放电不稳定，形成弧光放电[22]。弧光放电利用
郭秀丽：基于等离子体的柴油机尾气净化方法研究
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的是尾气中本身具有的成分形成的等离子体环境，
不仅去除碳烟颗粒的效率将得到提升，而且能耗也
会相较其它放电方式更为降低[23]。
90年代初期Czenichovski A.提出了滑动弧放
电非平衡等离子体技术[24]。国内的杜长明等人也分
别研究了利用滑动弧放电同时脱除烟气中多环芳烃
(PAH)和碳黑颗粒的方法[25]。这些研究证明了电弧
放电等离子体进行NO
x
/PM的同时去除在理论上
是可行的。目前笔者所在课题组正在积极进行相关
理论和实验研究。
4 结论
面对日益严格的排放法规，等离子体NO
x
/PM
后处理综合控制技术逐渐成为柴油机尾气后处理策
略的发展趋势。近年来尤其以电晕放电和介质阻挡
放电为主的研究更为深入，在实际应用上进展也很
快。但是由于其能耗过高的缺陷，导致不得不结合
催化剂同时使用。极大增加了应用成本，过程中也
会产生二次污染。为解决这一问题，笔者提出了电
弧放电用于柴油机尾气净化的新思路。
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