低温等离子体对生物柴油发动机颗粒物排放的影响（学位论文-工学）.doc

Apr. 2008, Volume 2, No.4 (Serial No.5) Journal of Environmental Science and Engineering, ISSN1934-8932, USA50低温等离子体对生物柴油发动机颗粒物排放的影响 蔡忆昔，王 攀，李小华，王 军，王 静 （江苏大学汽车与交通工程学院，江 苏镇江 212013）摘 要：根据介质阻挡放电理论，设计出低温等离子体发生器，通过台架试验研究了低温等离子体对生物柴油颗粒排放的作用规律，并与 0＃柴油相比较运用 扫 描电镜和 X 射线能谱仪对柴油机排气中收集的颗粒物样品进行检测和分析，研究 结果表明：生物柴油含氧量 较高，因而燃 烧生成的颗粒物中碳烟成分较少，并且颗粒粒径也较小；元素分析结果表明：两个样品的差别在于 0#柴油颗粒物样品中检测到硫，而生物柴油的颗粒样品中未检测到硫成分存在低温等离子体技术 受燃料中硫的影响较小，是一 项有前途的柴油机排气后处理技术关键词：介质阻挡放电；低温等离子体；生物柴油；台架试验 本文是国家自然科学基金资助项目（项目编号：50776041）。

作者简介】蔡忆昔（1957－），男，教授，博士生导师；研究方向：发动机工作过程及排放控制王攀（1981－），男，博士研究生；研究方向：发动机工作过程及排放控制E-mail: wangpan176@.1. 概 述近年来，随着中国对能源战略 问题和环保问题的重视，对石油的替代品—生物柴油的研究成 为热点生物柴油一般是指从植物油或动物脂肪转化成的长链脂肪酸脂美国材料试验 学会（ASTM）将生物柴油定义为由动物脂肪或植物油类可再生油脂得到的长链脂肪酸的单烷基酯 [1]，主要用于柴油 发动机目前，柴油机排放研究的主要工作是在尽量少地影响燃油经济性和动力性的前提下，有效降低NOx 和 PM 排放，以满足日益严格的排放法规要求利用低温等离子体（NTP）处理柴油机排放物是 90年代后期兴起的一项新技术， 该技术具有处理效果好、使用范围广、能同时处理多种污染物、无二次污染等优点，将 NTP 技术应用于柴油机排气 净化，是柴油机排气后处理技术领域的一种新概念， 发展前景广阔 [2,3]为 此，本文基于发动机台架试验，采用 JXA-84A 扫描电子显微分析 仪和 PHO EN-TX60S-X 射线能谱仪，研究低温等离子体技术对生物柴油发动机颗粒物排放的影响规律。

2. NTP 转化柴油机有害排放模型2.1 生物柴油燃料成分分析本文根据介质阻挡放电理论设计出 NTP 发生器，在台架试验基础上对生物柴油和 0#柴油的排放特性进行比较研究采用美国安捷 伦（Agilent）公司6890GC/5973NMSD 气相色谱/ 质谱联用仪检测出生物柴油样品的主要成分为棕榈酸甲脂、油酸甲脂和亚油酸甲脂，色谱图如图 1 所示图 1 生物柴油的气相色谱图2.2 低温等离子体转化模型低温等离子体中含有大量的高能电子、激 发态低温等离子体对生物柴油发动机颗粒物排放的影响51粒子以及强氧化性的自由基体（OH、HO 2），柴油机排气通过等离子气相区时，颗 粒与强氧化性的活性粒子会发生一系列的物理和化学反应，转化生成CO 和 CO2目前，国 际上比较公认的 NTP 转化柴油机排气的技术路线为：C+2O CO2 （1）C+4OH CO2+2H2O （2）3C+4HO 3CO+2HO 3）3C+2O 3CO （4）3. 台架试验及 结果分析3.1 试验方案图 2 台架试验系统图图 3 低温等离子体发生器结构试验选用发动机型号是 CF186F 柴油机。

NTP发生器结构参数：放电间隙为 3mm，介质层厚度为3mm；NTP 发生器稳定工作参数：输入功率为360W，工作电压为 18777V，放 电频率为 12 KHz ，台架试验系统如图 2 所示NTP 反应器采用的是管状（蜂窝型）放电管设计，在电 极间插有绝缘介质－石英，以保证放电区域的均匀性和 稳定性 [2,4,6]，其结构如图 3 所示这种结构具有起 晕电压低和击穿电压高的优点，放电稳定，抗震性比较好，并且可以长时间稳定工作3.2 试验结果分析生物柴油和 0#柴油的燃油消耗率比较如图 4所示，试验结果表明燃用生物柴油 时，燃油消耗率有所上升，主要是由于生物柴油油脂分子较大（约为石化柴油的 4 倍），粘度较高，在发动机内不易雾化，与空气混合效果差 [7]图 4 生物柴油和 0#柴油燃油消耗率比较本文采用 JXA-84A 扫描电子显微分析仪和PHO EN-TX60S-X 射线能谱仪对燃用生物柴油和0#柴油的发动机排放中收集到的颗粒物样品进行分析扫描电镜分析前需作相 应的喷金处理 图 5和图 6 分别为 NTP 处理生物柴油和 0#柴油燃烧前后，颗粒物样品 10000 倍的表面形貌 图由 图 5 可以看到 NTP 作用前，0#柴油燃 烧产生的颗粒物粒径较大，排列疏松又粘结在一起； NTP 作用后， 颗粒物粒径变小，粘结程度有所降低，主要原因是等离子体中强氧化性的活性粒子和自由基体（OH，O，HO2）等物质与颗粒物和 HC 发生了一系列的氧化化学反应，将之转化 为无害成分，降低了颗粒物排放和颗粒物外表面 HC 化合物的吸附程度。

由图 6 可以看出在 NTP 作用前，生物柴油燃 烧产生的颗粒物粒径较 0#柴油燃烧产生的颗粒物粒径小，且排列更致密，但是不呈现粘结状态，主要原低温等离子体对生物柴油发动机颗粒物排放的影响52因是生物柴油十六烷值高，燃 烧性能好于柴油，并且其高含氧量使得燃烧更加充分；在 NTP 作用后，颗粒物粒径变小，并且排列有所疏散，颗粒物排放得到一定程度降低图中所见 的纤维状的物质来自捕集颗粒的滤纸图 5 NTP 处理 0#柴油燃烧产生的颗粒物前后微观形貌图 6 NTP 处理生物柴油燃烧产生的颗粒物前后微观形貌图 7 和图 8 分别为 NTP 处理燃用生物柴油和0#柴油前后产生的颗粒物样品的 X 射线能谱图从元素分析结果可知这两个样品的主要成分为C、O、Si、Mg、Al，次要元素为 Ca、Cu、Zn 等C 为颗粒物的主要成分，在能谱分析 图中有 O 的存在，表明颗粒物表面吸附有碳氢燃料的不完全氧化物Si、Mg、Al、Ca、Cu、Zn 等元素主要来自润滑剂的添加剂Au 元素是由于样品表面喷金处理所致由图 7 可以发现在 NTP 作用前，生物柴油 颗粒物样品的能谱分析结果中未检测到硫 S 的存在，而在0#柴油的颗粒物样品中则检测到 S，这印证了生物柴油燃料中不含硫或硫含量很低。

由图 8 可以发现，在 NTP 作用后生物柴油燃料和 0#柴油颗粒物样品成分明显降低，表明 NTP 对柴油机 颗粒物具有很好的转化效果；另外，还可以发现 在 NTP 作用后，0#柴油颗粒物样品中硫 S 成分变化不明显，表明NTP 在处理柴油机排气过程中对硫 S 影响很小 [8-9]Apr. 2008, Volume 2, No.4 (Serial No.5) Journal of Environmental Science and Engineering, ISSN1934-8932, USA50图 7 NTP 处理前 0#柴油和生物柴油 产生的颗粒物 X 射线能谱图图 8 NTP 处理后 0#柴油和生物柴油 产生的颗粒物 X 射线能谱图4. 结 论（1）NTP 技术可以有效降低生物柴油发动机颗粒物排放，由于发生器产生背 压，因而 对燃油经济性有一定影响2）由电镜扫描试验结果可知，在 NTP 技术作用下，生物柴油和 0＃柴油颗 粒物粒径变小，排列有所疏松3）通过 X 射线能谱仪的元素分析可 检测出生物柴油和 0#柴油颗粒物的主要成分为 C 和 O，其它元素主要来自润滑油，NTP 作用过程中不受燃料中硫影响。

4）台架试验中，柴油机颗粒物排放流 经 NTP发生器气相区时间较短，对实际 反应结果有影响因此，对有效延长颗粒物滞留 时间的研究显得十分必要参考文献：[1] 张纪红，杨红 健，候 凯湖. 生物柴油研究进展[J]. 天津化工，2006 ，20（6）：15-17.[2] 张春润，王斌，资新运，邓成林，姜大海，李新. 柴油机排气低温等离子体净化技术[J]. 小型内燃机与摩托 车，2003，32（6）：29-31.[3] David Goulette, Tom Silvis, Darrell Herling, Monty Smith, Mark Hemingway. Evaluation of Corona Reactors of Several Geometries for a Plasma Assisted Nitrogen Oxide Emission Reduction Device. SAE. 2000-01-2899.[4] 蔡忆昔，王攀 . 非平衡等离子辅助催化对柴油机排放的影响[J]. 江苏大学学报：自然科学版，2006（27）：501-504.[5] XIAO Fu-ming. Plasma Treatment of Diesel Particulate for a Minibus. SAE. 2000-01-3459.[6] 罗毅，方志，邱毓昌. 材料性质对介质阻挡放电特性的影响[J]. 绝缘材料，2003（4）：45-47.[7] 袁文华，龚金科，李德桃，苏明华，谢斌. 生物柴油在柴油机上的应用研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2005（1）：55-57.[8] 梅德清，孙平，袁银南，陈启龙，刘伟. 柴油机燃用生物柴油的排放特性研究[J]. 内燃机学报，2006，24（4）：331-335.[9] Frank Willems. Experimental Study into Plasma-Assisted PM Removal for Diesel Engines. SAE. 2003-01-1878.（下转第 59 页）。