排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機顆粒捕集器試驗

濮曉宇，蔡憶昔，施蘊曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應欣

（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機顆粒捕集器試驗

濮曉宇，蔡憶昔※，施蘊曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應欣

（江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮江 212013）

為探究低溫等離子體（non-thermal plasma，NTP）對無外加熱源的柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的再生過程與再生效果，搭建了排氣余熱輔助 NTP再生 DPF的試驗系統。借助發動機停機后的排氣余熱，利用DBD（dielectric barrier discharge）型NTP發生器，對處于降溫過程的DPF進行再生試驗研究。結果表明：隨著DPF溫度的下降，NTP中O3的分解反應減弱，PM（particulate matter）氧化反應加劇，DPF內部出現溫度不降反升的現象，氧化區域自DPF前端逐漸向后端延伸，DPF徑向中點處氧化反應最為劇烈，DPF軸向剖面上殘余積碳呈現ω形。再生后DPF內部殘余積碳中可溶性有機成分SOF（soluble organic fraction）明顯減少，且NTP處理能夠降低PM中SOF及DS（dry soot）的表觀活化能。整個再生過程中，DPF內部大量積碳被氧化去除。排氣余熱輔助的NTP再生技術，實現了對無外加熱源的DPF的有效再生，使得DPF排氣背壓下降達69%。該文證實了排氣余熱輔助NTP再生DPF的可行性，為NTP再生DPF技術的應用提供了試驗依據。

柴油機；排放控制；試驗；低溫等離子體；柴油機顆粒捕集器；再生；排氣余熱；表觀活化能

0 引 言

顆粒物（particulate matter，PM）是柴油機主要的排放污染物，嚴重危害大氣環境和人體健康[1-7]。將于2018年1月1日全面實施的“國五”排放標準對柴油機PM的排放控制提出了更高的要求，PM的限值已由“國四”的0.025 g/km 降至 0.0045 g/km[8-9]。柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）技術被認為是目前降低PM最為有效的后處理手段，捕集效率可達90%以上[10-13]。但隨著對排氣中PM的不斷捕集，DPF會被堵塞，導致柴油機排氣背壓升高、性能下降、油耗增加等后果。因此DPF技術的關鍵在于適時地清除DPF上沉積的PM，即DPF的再生[14-16]。

低溫等離子體（non-thermal plasma，NTP）技術是一種新型工業污染物處理手段，在汽車尾氣凈化領域具有廣泛的應用前景[17-20]。近年來，利用NTP技術再生DPF成為DPF再生研究的熱點。王軍等[21]利用低溫等離子體噴射系統進行了降低柴油機排放及再生 DPF的試驗研究，結果表明NTP發生器產生的活性物質對柴油機排氣中HC、PM及NO均有一定的轉化效果，同時能實現對DPF的連續再生。Okubo等[22-23]將NTP發生裝置產生的活性物質通入排氣管中 DPF上游，發現 DPF可在低于300 ℃的實際排氣氛圍下實現再生。大流量的發動機排氣會極大地稀釋NTP，并縮短活性物質在DPF孔道內的滯留時間，因此王軍等[21]的試驗利用NTP實現了對柴油機有害排放物的轉化，但并未獲得良好的DPF再生效果。而Okubo等[22-23]從主排氣道中引流出少量排氣，與NTP混合后通入DPF，實現了DPF的有效再生。為了避免排氣對DPF再生的影響，Shi Yunxi等[24]進行了NTP離線再生DPF的試驗研究，試驗中DPF放置在一臺獨立于排氣系統的恒溫爐內，結果表明試驗溫度為 80℃時，DPF再生效果較好。Okubo和Shi Yunxi等[22-24]的試驗研究回避了排氣影響DPF再生的問題，但均未從根本上解決該問題，引流排氣、脫離排氣系統等措施反而限制了這 2種DPF再生方式的實用性。且雖都獲得了良好的DPF再生效果，但再生過程中DPF放置于加熱裝置內，即再生過程需要外加熱源。

為探索NTP對無外加熱源的DPF的再生過程和再生效果，并達到節省能源、簡化試驗裝置的目的，本文搭建了排氣余熱輔助NTP再生DPF的試驗系統。發動機停機后DPF處于高溫狀態并逐漸降溫，本文基于NTP技術，利用這部分殘余熱量，對DPF進行再生試驗研究。停機再生的策略從根本上避免了排氣對DPF再生的影響，更加貼近實際應用。通過再生前后DPF排氣背壓的變化來表征再生效果，通過監測再生產物中碳氧化物的體積分數和DPF內部溫度的變化來探究PM氧化分解的過程，并利用熱重分析（Thermogravimetric analysis, TGA）研究了NTP處理對PM物化特性的影響，以期為NTP再生DPF技術的應用提供試驗及理論依據。

1 試驗系統及方法

1.1 PM捕集試驗

為了加快DPF的積碳加載，采用一臺186F單缸柴油機進行PM的捕集，圖1a為DPF捕集PM的試驗裝置示意圖。單缸機的主要技術參數如表 1所示。試驗時，柴油機先經排氣支路（閥門2所在管路）進行30 min的熱機，然后經主排氣道（閥門1所在管路）進行時長為180 min的PM捕集試驗，PM捕集過程中發動機工況穩定在100%負荷（2 400 r/min、20.3 N·m）?？紤]到PM捕集過程中，DPF處的排氣溫度會對DPF加載積碳的成分造成一定影響，通過調整排氣管路長度將DPF前端排氣溫度控制在150℃左右。采用堇青石壁流式DPF，主要參數如表2所示。

圖1 PM捕集、DPF再生、O3分解驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram for particulate matter collection, diesel particulate filter regeneration and O3 decomposition

表1 186F柴油機技術參數Table 1 Parameters of 186F diesel engine

表2 DPF參數Table 2 Diesel particulate filter specifications

1.2 DPF再生試驗

1.2.1 試驗系統

排氣余熱輔助NTP再生DPF的試驗系統如圖1b所示，該系統主要包括：NTP噴射系統、空氣供給系統、發動機臺架及試驗測量儀器。

NTP噴射系統用于為DPF再生提供強氧化性的NTP活性物質，包括NTP發生器、冷卻水泵、氧氣氣源和電源供給裝置。NTP發生器為介質阻擋放電型：低壓電極為外徑48 mm的不銹鋼管；阻擋介質為內徑52 mm、厚2 mm的石英管；高壓電極為緊貼于石英管外壁的細鐵絲網，軸向長度為400 mm；同軸布置的不銹鋼管與石英管之間形成截面為環形的放電間隙。NTP噴射系統以氧氣為氣源，產生的主要活性物質為 O3。當氧氣流量小于10 L/min時，O3產量隨氧氣流量的增加而增加，然而當氧氣流量超過10 L/min，過大的氣源流量縮短待電離氣體在NTP發生器內的滯留時間，從而不充分的電離抑制了O3產量的進一步升高，因此氣源流量控制為10 L/min。在NTP發生器放電過程中，冷卻水可有效降低放電區域溫度，保證NTP發生器的穩定工作。電源供給裝置由等離子體電源、示波器、分壓電路組成。等離子體電源采用CTP-2000K智能電子沖擊機，電壓工作區間及頻率調節范圍分別為0～25 kV和7～20 kHz；TDS3034B示波器用于監測等離子體電源放電工況的變化，采樣頻率為 50 MHz；電路中分壓電容C1、C2之比為1:1000，傳輸電荷測量電容Cm=0.47μf。

再生試驗采用排量為1.995 L的常柴4F20CTCI柴油機，主要技術參數如表 3所示。發動機排氣管上安裝有已捕集PM的DPF。

表3 常柴4F20CTCI柴油機技術參數Table 3 Parameters of Changchai 4F20CTCI diesel engine

DPF內部布置了12個K型熱電偶（-200～260 ℃），用于監測DPF內部的溫度分布及變化。圖2為DPF內部溫度測點分布示意圖及熱電偶布置實物。在DPF軸向上選取1、2、3、4四個界面（界面3將DPF等分成前后兩段，界面1和界面2將前半段三等分，界面4將后半段二等分），徑向上選取a、b、c三個位置（位置b位于徑向中點處）。熱電偶在DPF內部的測點分布于不同軸向及徑向位置，基本可以反映出內部溫度的變化。熱電偶線由 2根不同材質的金屬絲及表面絕緣層組成，一端為測溫端，另一端與顯示儀表連接。布置時，通過調整熱電偶線伸入DPF濾孔的長度來控制測點在軸向上的位置。熱電偶線的截面尺寸為2×Φ0.4 mm，DPF的濾孔為2 mm×2 mm的方孔，熱電偶線截面積約為濾孔截面積的1/16，基本不影響DPF內部氣體的流動及積碳的氧化。

排氣管上安裝的皮托管壓差計用于測量DPF的排氣背壓。采用紅外氣體分析儀測量再生過程中 PM 氧化生成的CO和CO2的濃度。

圖2 DPF內部溫度測點分布示意圖及熱電偶布置實物Fig.2 Distribution of temperature measuring points and layout of thermocouples inside DPF

1.2.2 試驗方法

為了與再生過程中DPF內部溫度變化進行對比，在DPF再生前模擬了DPF通空氣的自然降溫過程。運行常柴 4F20CTCI發動機，將柴油機調節至合適工況，使得DPF內部溫度到達250℃左右，快速停機。打開球閥1，關閉球閥 2，壓縮空氣通過質量流量控制器（mass flow controller，MFC）精確調節流量至10 L/min，經噴嘴噴入排氣管中DPF上游。每5 min記錄一次降溫過程中DPF內部12個測點的溫度，直至DPF內部溫度基本降至室溫。

再次運行發動機，調節至合適工況，使得DPF內部溫度到達250℃左右。提前開啟NTP噴射系統，打開球閥 2，關閉球閥 1，快速關閉發動機并向 DPF上游通入NTP，對DPF進行時長為300 min的再生。試驗時，等離子體電源放電電壓為15 kV，放電頻率為8 kHz。氣體分析儀可實時監測PM氧化生成的CO及CO2的體積分數，每5 min記錄一次DPF內部測點的溫度。

為了評估DPF再生后排氣背壓的下降情況，選取發動機50%負荷下的3個不同轉速的工況點（2 000 r/min、66 N·m，2 200 r/min、67.5 N·m，2 400 r/min、66.5 N·m），分別測量DPF再生前后的排氣背壓。

噴嘴入口處布置一個 K型熱電偶（量程-200～260℃），用于監測噴嘴入口處氣流溫度。試驗中測得噴嘴入口處空氣氣流平均溫度為 36.7℃，NTP氣流平均溫度為 36.2℃，兩者溫度相近，因此通入空氣氣流可以有效地模擬后續NTP再生DPF過程中的氣體流動情況，其區別僅在于NTP可與PM發生復雜的氧化放熱反應[25-26]。因此這兩個過程中DPF內部溫度變化趨勢的對比分析，可以很好地反映出DPF再生過程中氧化反應的進行。

1.3 O3分解試驗

以氧氣為氣源放電產生的NTP氣體具有極強的氧化活性[27]，然而其最主要的活性成分O3在高溫下易發生分解。參與再生的NTP中O3的濃度較大地影響PM的氧化，因此探究O3在不同溫度下的分解規律，有助于對DPF的再生過程進行深入分析。為了排除溫度以外的影響因素，進行了獨立的O3分解試驗。圖1c為O3分解試驗的裝置示意圖。試驗中，控制氧氣流量及等離子體電源放電工況與DPF再生試驗時一致。氧氣經NTP發生器放電產生活性氣體，通入放置于恒溫箱的金屬管內，金屬管軸心位置布置有一個K型熱電偶，采用Model Mini-Hicon高濃度臭氧分析儀測量恒溫箱前后端的O3濃度。試驗時，將恒溫箱溫度調節至250℃后通入NTP，關閉恒溫箱電源使其自然冷卻，每下降5℃讀取一次臭氧濃度。

1.4 熱重試驗

為探究 NTP處理對顆粒物化特性的影響，采用TGA/DSC1熱重分析儀對DPF再生前后內部的積碳進行了熱重試驗，研究了 PM 的氧化動力學性能。選用氧氣為反應氣，氮氣為保護氣，氧氣流量設為50 mL/min。升溫速率設為20 ℃/min，顆粒物樣品從50℃升溫至800℃。

2 結果與分析

2.1 PM的氧化分解

2.1.1 PM的氧化產物分析

柴油機顆粒物（PM）主要由干碳煙（dry soot，DS）、可溶性有機組分（soluble organic fraction，SOF）和無機鹽3種成分組成[28-29]。NTP中活性物質（主要成分為O3）可與DS和SOF發生復雜的氧化反應，主要氧化產物為CO和CO2。

再生產物體積分數及O3分解的變化趨勢如圖3所示。

圖3 再生產物濃度及O3分解的變化趨勢Fig.3 Variation trend of regeneration products concentration and O3 decomposition

由圖3a可見，CO、CO2體積分數隨再生時間先急劇升高，隨后上升速率減緩并趨于平穩。反應生成 CO2的體積分數高于CO的體積分數，表明NTP氧化PM生成的不完全氧化產物相對較少，氧化較為充分。再生初期，DPF內部溫度較高，O3高溫下易分解的特性致使NTP活性成分的氧化性大幅下降，因此再生初期生成的CO、CO2的體積分數相對較小。

由圖3b可見，O3分解率隨溫度的下降而下降，當溫度高于 200 ℃時，O3分解率接近 100%；當溫度低于60℃時，O3幾乎不發生分解。

由再生過程中熱電偶測得的數據可知，再生過程的前20 min，DPF內部平均溫度由228 ℃降至189 ℃（DPF內部平均溫度取 12個測點的平均溫度），相對應地，參與反應的NTP中O3的濃度由0.1 mg/L升至1.8 mg/L。盡管O3濃度上升較小，但在數值上增加了一個數量級，這也是再生前20 min內CO、CO2體積分數急劇上升的重要原因。隨著DPF溫度的下降，參與再生的O3濃度逐漸升高，PM氧化產生的CO、CO2的體積分數也隨之上升，但由于溫度下降對 PM 氧化反應的抑制作用，上升速率有所減緩。

2.1.2 PM的分解量計算

對圖3a中的曲線進行積分計算后，分別得到整個再生過程中生成的CO、CO2的物質的量，計算方法如式（1）和式（2）所示。

式中n1、n2分別為CO及CO2總的物質的量，mol；φ1、φ2分別為CO、CO2的體積分數，%；q為NTP的流量，q=10 L/min；Vm為氣體摩爾體積，Vm=22.4 mol/L。

進一步計算可以得到整個再生過程中去除的 PM 中C元素的質量，計算方法如式（3）所示。

式中m(C)為PM中C的質量，g；MC為C元素的摩爾質量，MC=12 g/mol。

通過計算得到，被氧化的PM中C元素的質量為6.28 g。

圖4為再生前后DPF排氣背壓對比圖。由圖4可見，再生后DPF的排氣背壓下降明顯，平均排氣背壓下降達69%，表明再生效果良好，進一步驗證了 DPF內部大量PM被氧化去除。相較于再生后DPF排氣背壓的下降值，排氣背壓下降比例能更客觀地反映出DPF的性能恢復情況，排氣背壓下降比例的計算公式如式（4）所示。

圖4 再生前后DPF排氣背壓Fig.4 Backpressure of diesel particulate filter before and after regeneration

式中φ為再生后DPF的排氣背壓下降比例，%；ΔP0為空白DPF的排氣背壓，kPa；ΔP1為再生前DPF的排氣背壓，kPa；ΔP2為再生后DPF的排氣背壓，kPa。

2.2 DPF內部溫度變化

2.2.1 再生過程溫度變化

圖5為再生過程中DPF內部各測點溫度隨再生時間變化的曲線，其特點如下：1）每個測點溫度都經歷了先快速下降后減緩的過程，這是由于PM氧化是放熱反應，隨著溫度的下降，NTP活性物質中O3濃度升高，氧化放熱反應加劇，反過來抑制溫度的下降。2）界面1處的三個測點的溫度一直處于下降趨勢，原因是界面1處于DPF前端，受到NTP氣流的直接沖擊，氧化反應產生的熱量被氣流迅速帶走。3）界面2處的三個測點的溫度在下降減緩后先上升再下降，原因是隨著溫度的下降、O3濃度的升高，達到了極為適合 PM 氧化反應的條件點，氧化反應的劇烈放熱使得該界面處溫度不降反升，最終隨著該界面處PM被氧化殆盡，反應減緩，溫度再次下降。4）界面3及界面4處的測點溫度在下降減緩后緩慢上升，且界面4處的上升趨勢較為平緩，這是由于界面4靠近氣流出口處，部分熱量被氣流帶走。5）徑向上，位置 c處測點溫度明顯低于位置a及位置b處的測點溫度，原因是位置c處于DPF外側，散熱較快；位置a、b處的測點溫度走勢基本重疊，而位置b處散熱情況優于位置a處，推測徑向上位置b處氧化反應最為劇烈。

圖6為DPF再生后的軸向剖面圖，圖6中所示ω形的積碳殘余，進一步表明了徑向上位置 b處氧化反應最為劇烈。

圖5 再生過程DPF內部測點溫度隨時間的變化Fig.5 Temperature of measuring points in DPF during regeneration

圖6 再生后DPF軸向剖面圖Fig.6 Axial section of DPF after regeneration

2.2.2 DPF徑向中點處溫度變化

由于在DPF再生過程中位置b處氧化反應最為劇烈，因此以位置b處測點溫度變化趨勢為例，與通空氣時DPF的降溫趨勢進行對比，進一步分析排氣余熱輔助NTP再生DPF的反應特點。圖7為位置b處測點溫度變化趨勢的對比圖，其特點如下：1）對 DPF前端通入空氣時，DPF內部位置b處溫度下降較快，150 min后基本降至室溫。2）位置b處4個測點都出現了NTP曲線與空氣曲線逐漸分離的現象，原因是在NTP再生DPF的過程中，隨著氧化反應加劇，反應放出更多熱量，減緩了溫度的下降速度，逐漸與通空氣降溫的曲線發生分離。3）位置 b處不同測點的曲線并不是在同一時刻開始分離的。測點1b、2b、3b、4b的曲線分離時刻逐漸推遲，測點上2曲線的分離表明該測點處進行著較為明顯的氧化反應，即測點位置越靠近DPF前端越早發生明顯的氧化反應。4）測點2b、3b、4b處NTP曲線的最低點出現時刻逐漸推遲（分別為120、135、160 min時），溫度自最低點起不降反升，氧化反應極為劇烈，也就是說劇烈氧化反應也是從DPF前端向后端依次進行的。5）總體來說，再生過程中DPF內部有著氧化區域自DPF前端逐漸向后端延伸的趨勢。

圖7 通入不同氣體時DPF位置b處測點溫度變化趨勢對比Fig.7 Comparison of temperature variation in position b under different gas atmospheres

2.3 熱重分析

再生后DPF內部不同位置的積碳受到NTP不同程度的氧化，為了對比不同NTP處理程度下PM的物化特性，熱重樣品分別取自于再生前DPF前端面的積碳（樣品1，未經NTP處理）、再生后DPF內部最后端的積碳（樣品2，經NTP處理程度輕）、再生后DPF內部氧化前沿的積碳（樣品3，經NTP深度處理）。經熱重試驗發現，再生前DPF內部及前端面各位置的積碳熱重分解趨勢基本一致，因此選取再生前DPF前端面的積碳作為樣品1，代表未經NTP處理的積碳。樣品2及樣品3的取樣位置如圖6所示。圖8為不同積碳樣品的TG（thermogravimetric）及 DTG（derivative thermogravimetric）曲線。積碳樣品在氧氣氛圍下熱解的過程中，積碳中的水分、SOF及DS會被依次蒸發或氧化，而無機鹽成分無法通過氧化去除。考慮到樣品中水分及無機鹽的含量極微，將整個樣品分解失質量的過程看作SOF及DS氧化分解的過程。一般的，PM的失質量過程分為2個階段，50～450 ℃為SOF的分解，450～800 ℃為DS的分解[30]。

圖8 不同積碳樣品的TG及DTG曲線Fig.8 Thermogravimetric and derivative thermogravimetric curves of different deposit samples

由圖8可見，樣品1及樣品2的TG曲線在SOF和DS的溫度區間內均出現了明顯的快速失質量階段，而樣品3在SOF溫度區間內未出現明顯的失質量，說明樣品3中 SOF成分含量較低。經計算可得，樣品 1、樣品 2及樣品3中SOF含量占比分別為29%、23%及15%。SOF成分含有H、O等元素，易于被NTP氧化去除，而樣品3為反應前沿的積碳，因此積碳中的SOF成分被大量氧化去除。與此同時，因為O3熱分解及反應的消耗，少量O3到達DPF后端，DPF后端積碳中少量SOF成分被優先氧化去除，因此樣品2中的SOF含量較樣品1略有下降。

DTG曲線反映了積碳對于溫度的失質量速率。由圖8可見，不同積碳樣品的DTG曲線在SOF及DS溫度區間均出現了不同程度的峰值，且不同樣品的DTG峰值出現的溫度不同。在較低的溫度下出現DTG峰值說明該樣品易于發生氧化反應, 具有較高的氧化活性[17]。因此熱重試驗結果表明NTP處理不但會改變PM中成分的占比，同時也會影響PM中不同成分的氧化活性，經NTP處理后，SOF及DS的氧化活性得以增強。

2.4 活化能分析

為進一步對比研究不同積碳樣品的氧化活性，對樣品中SOF及DS成分的活化能進行了分析?；罨苁腔瘜W反應發生需要克服的最低能量障礙，由試驗數據分析計算而得的活化能稱為表觀活化能，能夠較好地反映出不同積碳樣品的氧化活性。表觀活化能較小的 PM 更易于在氧化氛圍下發生氧化反應。結合圖8中樣品的TG曲線，根據Arrhenius公式能夠計算出樣品中不同成分的表觀活化能。

定義任意時刻t時積碳樣品的轉化率

式中α為樣品t時刻的轉化率，%；m0為樣品的初始質量，mg；m為樣品t時刻的質量，mg。

在積碳樣品熱氧分解的過程中，PM的化學反應速率可以表示為樣品單位時間內轉化率的變化，計算公式如式（6）所示。

式中Sp為樣品t時刻的總表面積，m2；2OP為氧氣分壓，Pa；k為化學反應速率常數；β及γ分別為PM及O2的反應級數。

假定PM的比表面積一定，則樣品t時刻的總表面積可以通過式（7）計算而得。

式中Sg為PM的比表面積，m2/mg。

非基元反應的反應級數通常由試驗測得，根據現有文獻，PM的反應級數取1[31-32]。將式（7）代入式（6）

根據Arrhenius公式，化學反應常數k定義為式（9）。

式中Ea為PM的表觀活化能，J/mol；T為t時刻的反應溫度，K；A為指前因子；R為摩爾氣體常數，R=8.314 J/(mol·K)。

將式（9）代入式（8），整理得到式（10）。

以1/T為橫坐標，為縱坐標，可以作出散點圖，若散點圖基本符合線性關系，則可以代表線性擬合直線的斜率，并由此可得到Ea的值。

不同積碳樣品的線性擬合情況如圖 9所示。圖中的數據點取自于DTG曲線上升溫度區間內的連續數據點，此時 PM 氧化分解加速，該階段的數據分析能夠較好地反映出PM的氧化活性。由圖9可見，與1/T之間有明顯的線性關系，擬合直線的相關系數均超過0.98，表明用該方法分析PM的氧化動力學性能具有較好的可行性。

圖9 不同積碳樣品的線性擬合Fig.9 Linear fitting for different deposit samples

不同樣品的表觀活化能如表4所示。由表4可見,不同樣品中DS成分的表觀活化能明顯高于SOF，進一步解釋了SOF具有更高的氧化活性，易于被氧化去除。相比于樣品1，樣品2和樣品3中SOF及DS成分的表觀活化能均有不同程度的下降，且樣品 3的表觀活化能下降的更多，這表明NTP處理會降低PM的表觀活化能，增強PM的氧化活性。樣品3的積碳在反應前沿受到了更長時間、更高濃度的NTP的氧化，致使樣品3的表觀活化能低于另外兩個樣品。這與圖8中DTG曲線的變化趨勢是相符的，相較于樣品1和樣品2，樣品3中SOF及DS溫度區間內的DTG峰值出現在更低的溫度。

表4 不同積碳樣品的表觀活化能Table 4 Apparent activation energy of different deposit samples

NTP處理能夠有效降低PM的表觀活化能，提高其氧化活性，加快了PM在后續再生過程中的氧化速率。

3 結 論

1）本文利用排氣余熱輔助NTP再生DPF，DPF排氣背壓下降達69%，無需外加熱源即可實現對DPF的有效再生。

2）再生過程中，隨著 DPF溫度的下降，NTP中 O3的分解減弱，PM氧化反應加劇，再生產物CO、CO2的體積分數逐漸升高；另一方面，反應溫度的下降不利于 PM的氧化，CO、CO2體積分數的上升趨勢最終趨于平穩。整個再生過程中，氧化去除的PM中C元素質量約為6.28 g。

3）隨著氧化反應的不斷進行，DPF內部溫度出現不降反升的現象，氧化區域自DPF前端逐漸向后端延伸。DPF徑向中點處氧化反應最為劇烈，再生后DPF軸向剖面上殘余積碳呈現ω形。

4）相較于DS，SOF因其較高的氧化活性在PM的氧化過程中被優先去除，經NTP處理后的PM中SOF成分占比明顯下降。NTP處理能同時降低PM中SOF及DS成分的表觀活化能，提高其氧化活性。

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Test on diesel particulate filter regeneration using non-thermal plasma technology aided by exhaust waste heat

Pu Xiaoyu, Cai Yixi※, Shi Yunxi, Wang Jing, Gu Linbo, Tian Jing, Cui Yingxin
(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang212013,China)

Diesel engines are widely applied in the field of transportation and manufacturing because of their dynamic and economic performance. Compared to gasoline engine, the hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions from diesel engine are much lower. However, diesel engine emits huge quantities of particulate matter (PM) which pose a great threat to human health and environmental protection. As emission regulations are becoming gradually stricter, it is imperative to stringently control diesel PM emission with a feasible after-treatment technic. The technology of diesel particulate filter (DPF)is considered as the most effective mean to reduce diesel PM emission. The key of DPF technology is regeneration of the DPF,which is to timely remove the carbon deposit captured by DPF. Non-thermal plasma (NTP) technology is a promising method to control diesel emission. Reactive species generated by NTP reactor can activate complicated chemical reactions under common condition. Therefore, NTP technology has been used to remove PM deposited in DPF and become a new research hotspot in the field of DPF regeneration. Other studies have shown DPF could be effectively regenerated by NTP when the regeneration temperature was precisely controlled by an extra heater. In this work, an experimental system of DPF regeneration was constructed to investigate the regeneration effect in which DPF was not heated by an external heat source.Aided by the exhaust waste heat after engine outage, an experimental study on DPF regeneration was conducted by using a dielectric barrier discharge (DBD) NTP reactor. In the process of DPF regeneration, reactive species and PM generated exothermic oxidation reactions. Infrared gas analyzer was used to measure the volume fraction of CO and CO2that were the main oxidation products in DPF regeneration. Twelve pairs of thermocouples were distributed in the interior of DPF to monitor the temperature change in the regeneration process. Based on NTP technology aided by exhaust waste heat, the regeneration process was investigated by analyzing the concentration change of oxidation products and the temperature change of each measuring point. Engine exhaust pipe was equipped with pitot tubes to measure the exhaust backpressure before and after regeneration. The regeneration effect was evaluated by backpressure variation of DPF after regeneration. In addition, an auxiliary test was conducted to explore the decomposition law of O3versus temperature, contributing to the analysis of regeneration process. Thermogravimetric analysis (TGA) was performed to compare the physicochemical properties of deposit before and after NTP treatment. Results showed that NTP technology aided by exhaust waste heat exerted a good regeneration effect on DPF without an external heat source, dramatically lowering the backpressure of DPF by 69%. With the decrease of temperature, the decomposition of O3in NTP was weakened. Therefore oxidation reaction of PM was intensified, causing the rising of the internal temperature of DPF instead of dropping. In the regeneration process, the oxidation area extended from the front of DPF to the back. The most vigorous oxidation reaction occurred at the radial midpoint of DPF and the remnant PM after regeneration on the axial section of DPF showed a ω shape. The soluble organic fraction (SOF) in the remnant deposit reduced after DPF regeneration. NTP treatment reduced the activation energy of PM both in SOF and in dry soot (DS). In the whole regeneration process, the mass of carbon in the PM decomposed was more than 6 g. This work proves the feasibility of the DPF regeneration by NTP without an external heat source, and provides experimental basis for vehicle application of the NTP technology.

diesel engines; emission control; experiments; non-thermal plasma; diesel particulate filter; regeneration; exhaust waste heat; apparent activation energy

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010

TK421+.5

A

1002-6819(2017)-14-0070-08

濮曉宇，蔡憶昔，施蘊曦，王 靜，顧林波，田 晶，崔應欣. 排氣余熱輔助低溫等離子體再生柴油機顆粒捕集器試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：70－77.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010 http://www.tcsae.org

Pu Xiaoyu, Cai Yixi, Shi Yunxi, Wang Jing, Gu Linbo, Tian Jing, Cui Yingxin. Test on diesel particulate filter regeneration using non-thermal plasma technology aided by exhaust waste heat [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 70－77. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.010 http://www.tcsae.org

2016-10-03

2017-06-21

國家自然科學基金項目（51676089）；江蘇省高校自然科學研究重大項目（16KJA470002）；江蘇省高校優勢學科建設資助項目（PAPD）作者簡介：濮曉宇，男，主要從事柴油機排放控制研究。鎮江 江蘇大學汽車與交通工程學院，212013。Email: PuXiaoyu160729@163.com

※通信作者：蔡憶昔，男，教授，博士生導師，主要從事內燃機工作過程及排放控制研究。鎮江 江蘇大學汽車與交通工程學院，212013。

Email: qc001@mail.ujs.edu.cn