利用等離子體化學(xué)復(fù)合系統(tǒng)還原柴油機微粒和氮氧化物

1、利用等離子體化學(xué)復(fù)合系統(tǒng)還原柴油機微粒和氮氧化物J.O.Chae仁荷大學(xué) 機械工科 燃燒工學(xué)實驗室V.I. Demidiouk莫斯哥大學(xué) 化學(xué)系日進電器公司摘要 這項研究介紹了柴油機微粒(DPM)，NOX和CO后處理過程中等離子體/化學(xué)連續(xù)發(fā)生復(fù)合系統(tǒng)。在客車測量中，用CVS-75程序，利用測力計和測功義來測定催化劑溫度、等離子體能量密度和排氣特性。經(jīng)實際試驗，施加能量為80W時，除煙塵率為70%，除PM率為68%，隨著電極類型和溫度不同，NOX還原率夜達到了20%。結(jié)果表明，大部分DPM、CO和30% NOX被消除。因此，等離子體/化學(xué)連續(xù)發(fā)生復(fù)合系統(tǒng)是再生柴油機微粒的有前途的方法。用語：

2、等離子體/化學(xué)連續(xù)發(fā)生復(fù)合系統(tǒng)，柴油機微粒物質(zhì)(DPM)，CVS-75測試程序緒論 需要對環(huán)境增強認(rèn)識，促使人們消除柴油機排氣中NOX和PM。過去的噴射條件是以調(diào)整燃燒因素來得到了改善。但，僅使用這種方式不能解決被提議的2004EPA規(guī)則，應(yīng)需某種后處理調(diào)整技術(shù)。傳統(tǒng)的催化劑，例如3-WAY催化劑(TWC)在稀薄燃燒下效率不高。與催化劑復(fù)合對NOX選擇性還原提供可能性的低溫等離子體和PM，不需要添加劑而同時存在于富氧排氣中。等離子體放出具有能量的電子，這些電子與后來的氣體分子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生多種成份-原子，自由基。這些屬于產(chǎn)生污染物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)。 本研究介紹了等離子體和催化劑復(fù)合連續(xù)再生系統(tǒng)。再

3、生原理基礎(chǔ)于柴油機PM易被NO2氧化。在550度以上，碳黑中的碳元素明顯地被氧化。250度時，此過程開始發(fā)生。 這個系統(tǒng)包括兩個部分-位于下游的鉑基氧化催化劑和上游的等離子體反應(yīng)器。以靜電除塵器的方式累積在反應(yīng)器內(nèi)的PM連續(xù)被NO2氧化。PM再生所需的NO2是從柴油機排氣中的NO被氧化催化劑氧化而得到。 柴油機發(fā)動機的NOX含有約95%NO和5%NO2。實驗表明，催化劑系統(tǒng)使NO2增至總NOX的50%。經(jīng)過等離子體反應(yīng)器后的NO2體積，隨著催化劑和反應(yīng)器的溫度降低到約20%-30%。在PM氧化過程中，NO2被還原為NO或N2。再生速度隨著溫度和NO2轉(zhuǎn)化濃度增加而增加。被等離子體反應(yīng)器已氧化的

4、PM量，也隨著反應(yīng)器里的碳黑量的增加而增加。 PM再生研究背景 柴油機排氣后處理系統(tǒng)與再生方式、它對發(fā)動機的符合性相關(guān)。但，發(fā)動機過濾器由于再生所引起的問題而發(fā)生故障， 它分為兩種類型：1。)再生微小，2。)快速“不經(jīng)控制”的再生 微小的再生引起過濾裝置中碳黑的增加，因而降壓會增加。結(jié)果會引起系統(tǒng)的完全堵塞。這是在被動系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的事情，也就是說，在排氣溫度充份高的情況下，系統(tǒng)的自動再生。在低溫排氣下，捕集器的長時間操作，例如結(jié)束怠速過程會堵塞過濾系統(tǒng)。 大量PM開始被點燃時，快速再生會發(fā)生。這種再生稱為“不經(jīng)控制”或“失控”再生。這與連續(xù)再生方式IDEAL相對。被點燃的PM迅速燃燒，放出大

5、量熱量，使過濾系統(tǒng)的溫度上升，結(jié)果引起過濾材料的損壞(融化，破裂，熱燒結(jié))。不經(jīng)控制的再生會是被動和主動兩種過濾系統(tǒng)所引起的問題。在被動系統(tǒng)中，當(dāng)捕集器與PM形成過負(fù)荷時，不經(jīng)控制的再生會發(fā)生，隨后暴露在點燃累積PM的高溫點。電熱器或燃燒器使用于主動系統(tǒng)中的激發(fā)再生，而最大負(fù)荷被控制，這理論上不可能增加。精確的PM負(fù)荷和再生過程的控制對系統(tǒng)設(shè)計者來說是實際挑戰(zhàn)。實際操作中，很多主動過濾系統(tǒng)因PM過量負(fù)荷系統(tǒng)的再生而受損壞。 Table.1是再生柴油機過濾系統(tǒng)的類型。過濾系統(tǒng)必須含有再生的意義。尤其是自動再生。. Table 1 發(fā)動機過濾再生系統(tǒng)Regeneration MethodsPass

6、iveActive1. 1) With fuel additive2. 2) Catalyzed traps1) 3) Catalyst-trap2) Combinations 1) With fuel burner2) Electrical 所有的柴油機過濾系統(tǒng)，在微粒氧化產(chǎn)生氣體產(chǎn)物時利用熱再生。但，排氣溫度過低而不能形成捕集器的自動再生。這種問題可能用下列2種方法之一解決(1)降低發(fā)動機正常工作時PM著火所達到的溫度?；?2)升高沉積PM開始被氧化的溫度點。前者使用于被動捕集系統(tǒng)，后者使用于主動捕集系統(tǒng)。在被動系統(tǒng)里,正常車輛操作過程中,PM燃燒溫度低于自動再生。這些能從把氧化劑引入系統(tǒng)

7、而得到。催化劑能被直接使用于捕集器的表面，或以燃料添加劑形式利用于柴油機。催化捕集器一般使用鉑基催化劑。各種燃料添加劑活性成份包括Fe, Ce,Cu,Pt 或金屬混合物。不同性質(zhì)的催化劑被使用于CRT捕集器。位于過濾器順流方向的催化劑產(chǎn)生氧化PM的NO2。第二個方法是靠升高捕集器內(nèi)溫度的主動激發(fā)再生。所有的活性過濾系統(tǒng)使用電爐或燃料燈。這些過濾器可分為全流和分流系統(tǒng)。分流系統(tǒng)中，主流是在過濾器內(nèi)轉(zhuǎn)向，而僅少量排氣被加熱供再生。熱空氣再生能變化部分流動系統(tǒng)。在此，被少量預(yù)熱氣流再生的排氣，部分地經(jīng)過鉑基過濾器。分流和熱空氣再生系統(tǒng)需要更少的能量。IN-USED 技術(shù) 柴油機過濾器的再生是沉積在過

8、濾器的PM和被氧化的PM之間的動力平衡來決定。PM氧化速率依賴于過濾器溫度。通常所發(fā)現(xiàn)的溫度下，PM氧化速率是很小。所以，為了便利于過濾器再生，可以上升排氣溫度，也可以使用催化劑。催化劑可直接使用于過濾器，或以燃料添加劑形式來使用。整體式壁流是最普遍的柴油機過濾設(shè)計形式。過濾器源于直通式催化劑載體，但它們通過兩端輪流堵塞，因而迫使氣體通過作為過濾介質(zhì)的多孔壁面。整體式壁流是由特殊陶瓷制成，例如，塋青石。各種不同大小的過濾器已被開發(fā)制成并以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品來使用。 Fig. 1 柴油機過濾器內(nèi)壁流 Fig.1表示DPF典型的整體壁流。所有載有催化劑的發(fā)動機捕集器使用涂有催化劑的整體式壁流載體。高溫排氣過

9、程中，催化劑允許過濾器自動再生，而使PM燃燒溫度降低。增加貴金屬和賤金屬形式的過濾催化劑已經(jīng)被開發(fā)。催化陶瓷捕集器顯示出很好的過濾效率， 但與排氣高壓的下降有關(guān)。(3)(4)Johnson Mattey已經(jīng)把控制柴油機微粒的CRT系統(tǒng)商品化， 它利用了捕集器微粒的捕集器壁流。被捕集的微粒被從氧化催化劑得到的NO2連續(xù)再生。在正常操作下CRT應(yīng)使用無硫燃料(5) 在被動的柴油機捕集器系統(tǒng)中，為了降低碳黑的燃燒溫度、促進過濾器再生而使用燃料添加劑，亦稱為可溶性燃料催化劑。最普遍的添加劑包括Fe, Ce, Cu, Pt。許多實驗研究向評價各種柴油機過濾器的方向進行。例如，Nextel光纖使用添加劑。

10、Ce添加劑被利用于已商品化的、Peugeot設(shè)計的柴油機trap系統(tǒng)中。(6)-(11) 柴油機捕集器的電再生需要配置開關(guān)board. 通過電熱器加熱的隨機再生對電力系統(tǒng)施加額外負(fù)載。部分流動設(shè)計或熱氣再生更有能量效率。Danaldson研究了裝在車上的、熱空氣再生捕集器系統(tǒng)。這個系統(tǒng)已在美國城市2000多車輛公共汽車上試驗過。Engelhard公司研究出已商品化的、具有場外的electric再生系統(tǒng)， 稱STX。 為了促進過濾器再生，燃燒器向捕集器逆方向利用于增加排氣溫度。 燃料燈過濾器分為單點系統(tǒng)和全流系統(tǒng)。全流系統(tǒng)可在汽車正常操作情況下再生，但為了保證熱平衡再生，需要復(fù)雜的控制手段。De

11、utz開發(fā)研究的DPFS過濾器是對電控全流燃料燈再生起重要作用的先進系統(tǒng)。(13) 低溫等離子體技術(shù)對還原各種柴油機、汽車排氣包括NOx、PM和CH起很大作用。 等離子體研究焦點是氮氧化物的還原。氧化反應(yīng)在稀薄排氣的等離子體放電中占優(yōu)勢。 僅利用等離子體還原NOx是無效的，等離子體-催化劑復(fù)合系統(tǒng)曾被提議研究過。最初研究指出， 等離子體可能提高催化劑選擇性和效率?，F(xiàn)在，等離子體排氣處理技術(shù)還在研究階段， 而它們是否對控制排放有選擇性尚未知道。(14)-(19)本論文中，等離子體催化劑復(fù)合系統(tǒng)被利用于在輕型非直噴式柴油機發(fā)動機微粒的連續(xù)消除和再生。鉑基氧化催化劑位于排放歧管的下游。通過排氣歧管的

12、等離子體反應(yīng)器的DC電暈放電以靜電力增加PM堆積程度。此外，占少數(shù)的氧化反應(yīng)發(fā)生。經(jīng)氧化催化劑連續(xù)產(chǎn)生的約占50%的NO2，與等離子體反應(yīng)器內(nèi)堆積的碳微粒發(fā)生反應(yīng)。NO2產(chǎn)率決定于溫度和NO濃度。結(jié)果表明-在復(fù)合系統(tǒng)中，尤其在低溫下，NO2 產(chǎn)生比率逐漸增加，CO被還原。 實驗裝置 柴油機發(fā)動機測試床 固定的非直噴式柴油機發(fā)動機是用來研究使用催化劑和等離子體后排氣性質(zhì)。發(fā)動機規(guī)格、測試條件如Table2, Fig 2所示。D-13修正模式用來測等離子體反應(yīng)器對煙塵的性質(zhì)。Fig. 3表示實驗裝置。由此得出結(jié)果，測力實驗顯示等離子體/催化劑連續(xù)再生復(fù)合系統(tǒng)是對柴油機微粒具有前途的方法。 Tabl

13、e 2 發(fā)動機規(guī)格Engine TypeWater-cooled, IDI Diesel EngineBore ´ stroke (mm´mm)91.1 ´ 95Displacement (cc)2476Compression ratio21No. of Cylinder 4Rated power output (PS/rpm)73/4200Maximum torque (kgm/rpm)14.9/2500Idle speed (rpm)750±50Fig. 2 發(fā)動機測試條件Fig. 3實驗裝置圖考查碳黑的堆積，根據(jù)發(fā)動機的實驗條件，采取了13個不同的

14、負(fù)荷/速度點。為了得到比較可信的實驗結(jié)果，發(fā)動機工作時間為3小時。不同模式下測煙塵；與等離子體電極形態(tài)不同相一致，測定NOx排出狀況。整個實驗過程中隨時監(jiān)控等離子體反應(yīng)器背壓、催化劑和等離子體反應(yīng)器內(nèi)部溫度。NOx濃度的測定是，使用Teledyne Analytical Instruments生產(chǎn)的911模型分析儀器。利用GASTEC樣品來測定NO，NO2，CO，甲醛，SO2氣體；用Bosch smoke meter來測煙塵濃度。, 底盤測功機測試系統(tǒng)底盤測功機測試系統(tǒng)是根據(jù)使用于KOREA輕型柴油機發(fā)動機的 FTP75 測試程序來操行Grace發(fā)動機(2476cc級、現(xiàn)代汽車制造)而進行。實

15、驗使用兩種等離子體反應(yīng)器，底盤測力計(RPL 1220/12C,ZOELLNER),氣體分析儀(AMA 2000C, PIERBURG),PM分析儀(WT45， PIERGURG)。Fig.4，5 表示實驗裝置、測試程序。. Fig. 4 底盤測功機測試系統(tǒng)圖Fig. 5 FTP 測試程序結(jié)論與討論 Fig.6表示隨著等離子體反應(yīng)器內(nèi)電極形態(tài)所變化的電壓電流曲線。A，B，C類型體積為12L，D，E類型為25L。A，C類型結(jié)構(gòu)是singl pin-to-plate, B,C,E類型是multipin-to-plate。其中E類型能輸入更多的電能。根據(jù)結(jié)構(gòu)特性，從E類型所得結(jié)果比其他類型優(yōu)好。這種

16、結(jié)構(gòu)使用于實際車輛試驗、復(fù)合系統(tǒng)。圖1表示等離子體反應(yīng)器。Fig, 6 不同電極形式電壓-電流特性Photo. 1 等離子體反應(yīng)器等離子體反應(yīng)器內(nèi)Back pressureFig7表示1500rpm,100%負(fù)荷時等離子體反應(yīng)器和消聲器之間的背壓， 其數(shù)據(jù)是用壓力傳感器(Kistler Co. 6051A)來測。增加背壓 引起電能減少、燃料消耗增加。實驗結(jié)果，50Kpa-200K back pressure增加， 但背壓減少或維持了消聲器壓力。 所以發(fā)動機電能和燃料消耗量是在同一下被測定。Fig. 7 等離子體反應(yīng)器和消聲器背壓比較Fig8 表示，E類型反應(yīng)器隨著發(fā)動機實驗條件不同所得到的煙塵

17、減少和能量密度曲線。這種等離子體反應(yīng)系統(tǒng)，利用很少能量充分減除煙塵。模式6，8 滿負(fù)荷、高溫排氣，盡管在這種條件下，等離子體反應(yīng)器正常工作，此時用80W能量減少75%煙塵。 Fig 9-11表示，分別在不同等離子體電極形式和排氣溫度下的NO減少效率。 從這些圖像中可看出：增加能量密度、降低排氣溫度，NO減少效率就增加。NO減少效率受電極形式影響，本實驗結(jié)果表明，E類型效果最好，F(xiàn)ig 6是有關(guān)解釋。Table 3表示不同反應(yīng)器類型時FTP75試驗結(jié)果。 PM減少效率達到68%， 煙塵78%。 Fig 12-14, Table4表示，隨著催化劑溫度變化，等離子體/化學(xué)連續(xù)發(fā)生復(fù)合系統(tǒng)對研究氧化性

18、能、碳黑減少效率的實驗結(jié)果。催化劑和等離子體反應(yīng)器上游和下游，測定 CO，NO，NO2濃度。這種系統(tǒng)分為兩部分-排氣岐管后面的催化劑和催化劑后面的等離子體反應(yīng)器。催化劑和等離子體反應(yīng)器是充分分離。Fig. 8 不同發(fā)動機試驗?zāi)Ｊ较聼焿m的消除效率和輸入的能量密度Fig. 9 不同電極形式下NO消除效率隨輸入的能量密度所變化曲線(100C)Fig. 10 不同電極形式下NO消除效率隨輸入的能量密度所變化曲線(175C)Fig. 11 不同電極形式下NO消除效率隨輸入的能量密度所變化曲線(250C)Table 3 使用FTP75程序試驗結(jié)果PM (km/l)Smoke (%)Base0.13325.

19、3Type B0.06212.5Type E0.0436.3 催化劑內(nèi)部 (鉑基氧化催化劑) 而且碳?xì)浠衔?SOF也部分氧化。 在等離子體反應(yīng)器內(nèi) (Multipin-to-plate 結(jié)構(gòu)) 等離子體本身也可以產(chǎn)生NO2。根據(jù)實驗結(jié)果，盡管在低溫情況下CO氧化率達到100%。NO轉(zhuǎn)化率受催化劑影響很大-分別25%到75%。此結(jié)果是在108，000升/小時，3個不同溫度條件下被測定，而且每個實驗條件達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間為3小時。我們可以解釋：在適當(dāng)溫度下，碳黑與NO2發(fā)生氧化。Fig 15表示NO2轉(zhuǎn)化率、再生率。它說明催化劑和等離子體反應(yīng)器內(nèi)，對碳黑再生，溫度是一個最重要的因素。也就是，為

20、提高碳黑再生，排氣溫度應(yīng)根據(jù)發(fā)動機排氣性質(zhì)來進行控制。 Fig. 12. 230C 時復(fù)合系統(tǒng)的排放特征Fig. 13. 280C時復(fù)合系統(tǒng)的排放特征Fig. 14 . 330C 時復(fù)合系統(tǒng)的排放特征Table 4 碳黑濃度(BSU)LoadBasePlasmaCatalystHybrid6(230C)0.600.608(280C)100.8010(330C)1.201.20Fig. 15 隨溫度所變化的NO2轉(zhuǎn)化效率和再生效率 結(jié)論本研究介紹了新開發(fā)的等離子體/化學(xué)連續(xù)發(fā)生復(fù)合系統(tǒng)。它與常規(guī)的消聲器相比，具有幾乎相同的背壓。我們的得出以下結(jié)論：1。 新開發(fā)的等離子體反應(yīng)器長時間正常工作。2。

21、等離子體性能隨著不同電極形式、體積而變化。3。 FTP75試驗說明：PM、煙塵各減少到68%、78%。4。電極形態(tài)最優(yōu)化時，使用DC電暈放電能使NO減少到5-20%。5。對提高碳黑氧化率起作用的NO2受催化劑影響很大。6。NO2經(jīng)過等離子體反應(yīng)器后被減少。它說明NO2與等離子體反應(yīng)器內(nèi)堆積的碳黑發(fā)生反應(yīng)。 參考資料1. Majewski W.A et al, “On Vehicle Exhaust Gas Cooling in a Diesel Emissions Control System”, SAE 921676, 19922. Mayer A., “Microfiber Knitss

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