NTP去除柴油机微粒与 NOx 的试验研究

张耀武（呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

摘 要院构建低温等离子体（NTP）辅助催化还原试验平台，对 NTP 去除 NOx 过程中影响去除率的放电电压、能量注

入密度等进行试验分析，对以 HC 为还原剂的选择性催化还原技术（HC原SCR）应用过程中的还原剂喷射、不同温度条件

下的温度活性等进行研究，对低温情况下 NTP 对 HC原SCR的促进作用进行试验研究。研究结果表明：NTP 对低温下的

HC原SCR 净化率有明显的促进作用，对 NOx 去除率提高程度达到一倍以上，为柴油机排放控制中的应用提供了依据。

关键词院柴油机微粒；低温等离子体；NOx；选择性催化还原

中图分类号院U464.172曰U464.11+4曰XB31曰TQ116.02 文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2013冤04-0045-03

Experimntal study on diesel particulate and NOx removal by NTP

ZHANG Yao-wu（Hohhot Vocational College，Hohhot 010051，China）

Abstract: This article constructed the non-thermal plasma （NTP）assisted catalytic reduction testplatform. Impacts of discharge voltage and energy density on NOx removal rate in NTP removingprocess were tested and analyzed， the reducing agent injection in the application process ofselective catalytic reduction technology which took HC as reductant （HC-SCR） and temperatureactivities at different temperature were studied， such as the promotion effect of the lowtemperature circumstances（NTP） for HC-SCR were studied. Experimental results show that underthe low temperature NTP can promote HC-SCR purification rate obviously，NOx removal level isdouble to the mormal level. This paper can be reference for applying NTP to control dieselengine emission.Key words: diesel particulate；non-thermal plasma；NOx；HC-SCR

收稿日期院2013-01-05曰收到修改稿日期院2013-02-26基金项目院国家自然科学基金项目（71133003/031302）作者简介：张耀武（1968-），男，内蒙古包头市人，副教授，硕士，

主要从事交通运输教学研究工作。

0 引 言在柴油机排气中预先将 NO 氧化成 NO2，提高了

NOx转化为 N2 的效率，并延长了催化剂的使用寿命。

所以采用低温等离子体与选择性还原相结合的方

法，NOx 的转化效率更高、催化剂的寿命更长[1]。本文

对 NOx 净化的研究主要采用低温等离子体辅助催

化下的 HC原SCR 技术。试验分两步进行，先对只有

等离子体参与下的氧化反应进行研究，然后再利用

NOx 在 NTP 参与下对其氧化[2]。本文所设计的试验

分为以下 3 部分：

（1）低温等离子体对 NOx 的去除试验。

（2）等离子体辅助催化下 HC-SCR 的 NOx 去除

试验[3]。（3）微粒与 NOx 的同时去除试验。

1 低温等离子体净化系统组成试验在东风朝柴生产的 QD32T原6A 柴油发动机

上进行，构建了低温等离子体辅助催化还原（NTP原SCR）试验平台，主要包括流量控制系统、加热系统、

微粒过滤装置、等离子体装置、SCR 系统、AVL 五气

分析仪及控制系统 7 大部分。

（1）流量控制系统。流量控制系统由孔板式流量

计和电控节流阀组成。

（2）加热系统。加热系统由温度传感器和加热箱

组成，用来控制发动机排气温度。

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.39 No.4July，2013第 39 卷第 4 期2013 年 7 月

中国测试 2013 年 7 月中国测试

0 5 10 15 20 25 30 35 405

101520253035

能量密度/渊J窑L-1冤图4 同一工况下的能量密度与NOx去除率关系

（3）微粒过滤系统。采用壁流式蜂窝陶瓷过滤体

过滤发动机排气微粒。

（4）催化还原系统。催化还原系统由还原剂喷射

系统、温度传感器和催化器组成。

（5）控制部分。硬件包括计算机、USB7310 高

速输入模块、USB7322 高速输出模块以及相对的

输入信号转换电路和外设驱动电路；软件用 VC++编写。

2 NTP对 NOx 的去除试验研究柴油机的负荷、进气温度、转速、进气压力对

NOx的生成有着重要的影响，因此同一工况下 NOx的

生成量不可避免的存在波动范围[4-5]。为了尽量减少

这种波动对试验结果造成的影响，本文对 QD32T原6A柴油机部分稳定工况的 NOx 排放特性进行了研究。

试验结果如图 1 所示。

结果是同一转速下扭矩越大，NOx 浓度越高；同

一扭矩下，NOx 浓度大体上随着转速的升高而升高；

当发动机转速达到 2400 r/min 以上时，排气中的 NOx浓度较为稳定，对 NOx 的去除试验有利。因此，本文

所进行的 NOx 去除试验大都选择在 2 400 r/min 这

一工况。

等离子体中的高能电子对 NOx 的去除起着重

要作用。装置结构一定时，等离子体中的电子从外加

电场取得的能量很多取决于电场强度的大小，电场

强度的大小又由放电电压所决定，因此本文对不同电

压下等离子体反应器的 NOx 去除效果进行了研究。

试验条件如下：发动机转速稳定在 2 400 r/min，油门保持在 52%，排气流量控制在 28 m3/h，NOx 浓度

为68mg/L，排气先流经壁流式陶瓷过滤体，进入等离

子体装置，再排入大气。图 2 为放电电压与去除率关

系图，图 3 为放电电流与去除率关系图。

结论是当电压增大到 8 kV 左右时，NOx 的去除

率与低电压比有大幅提高。从整体来看，去除率最高

达到 18%。放电电流与 NOx 去除率的关系也有相似

规律。要 E/P 保持在 3 以上，电压至少要在 2 kV 以

上。随着电压的逐步增大，NOx 的去除率逐渐上升。

在柴油机排气中，水蒸气占 2.60%，CO2 占 7.10%，O2占 15.00%，N2 占 75.21%[6]。

从图 4 可以看出对于本文研制的等离子体装置

而言，当等离子体所注入能量密度大约为 20 J/L 时，

NOx 有较高的去除率。

3 NTP辅助催化下HC原SCR的NOx去除试验用等离子体辅助催化还原（NTP-SCR）时，将还

800700600500400300200100

0

1000 11001200 13001400 16001700 18001900 21002200 23002400 26002700 28002900 30003100 32003300 34003500 3600

图1 QD32T柴油机NOx浓度与转速尧扭矩关系图

图2 放电电压与去除率关系图

6866646260585654

2 3 4 5 6 7 8 9 1002468101214161820

电压/kV

NOx浓度NOx去除率

6866646260585654 0

2468101214161820

0

NOx去除率NOx浓度

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8电流/A

图3 放电电流与去除率关系图

46

第 39 卷第 4 期

原剂的喷射位置布置在等离子体装置之前。Matsuei等[7]通过试验发现该方案的 NOx 去除率较好，原因

是还原剂等经离子体作用以后生成中氧化产物，提

高了 SCR 的效率。

采用等离子体辅助催化下的 HC原SCR 技术时，

必须找出两种技术的最佳结合点。等离子体放电的

重要可调参数是放电电压，而 HC-SCR 的一个关键

可调点就是还原剂的供给比例（气化后的还原剂与

NOx体积比）。试验结果如图 5 所示。

试验结果可以看出，当还原剂供给比例控制在

3 左右时，NOx 的去除率达到最大值，即 59.4%。

4 NTP对微粒的去除试验研究由于柴油机排气流速较高，要达到高净化效率，

对微粒的去除先捕集后去除。Van Setten 等[8]对微粒

和氧化催化剂之间不同的接触情况下的催化剂活性

进行试验研究，认为在柴油机排气中用催化剂载体

挂烟最理想。因为微粒能均匀附着在催化剂的载体

表面，且微粒和催化剂的接触与实际状态相符[9]。具

体如下：

将 酌-Al2O3 小球装入排气管中，两端用打孔金属

挡板将其约束，然后在柴油机排气气流中进行挂烟。

发动机转速稳定在 2400r/min，油门由 57%逐步过渡

到 77%，往复循环，持续挂烟 1 h，得到的 酌-Al2O3 小球。试验系统：试验采用的介质阻挡放电结构为杆原杆形，为了使微粒的去除与 NOx 的去除统一起来，整

个等离子体产生装置除长度与 NOx 去除试验所用

装置不同之外，其余尺寸完全相同。整个试验在大气

环境中进行，试验过程中，将挂烟的小球放入放电间

隙中，通过等离子体放电来去除附着在小球表面的

微粒。放电电压对微粒去除率的影响：环境温度为

15益条件下，从 0V开始逐步增大放电电压至 10.5kV，在介质小球周围就有微放电发生；随着电压的逐步

增大，微放电范围增大，亮度增加。加大电压至 8 kV，

放电持续 10min 再观察 酌-Al2O3 介质小球，小球表面

附着的微粒几乎完全被氧化。

5 微粒与 NOx同时去除的试验研究采用挂烟方法，将 酌-Al2O3 小球放入排气中挂烟

3 h 之后，装入等离子体装置中，小球在等离子体装

置中的堆积高度为 80mm。试验条件：柴油机排气流

经壁流式陶瓷过滤体后进入等离子体装置，放电电

压 8.5 kV，排气流量控制在 20 m3/h，发动机稳定在

2 400 r/min，油门从 52%变化到 77%，往复循环，累积

运行时间 1 h。运行时间 1 h 之后停止放电，拆开等离

子体装置对 酌-Al2O3 小球进行观察。放电之后的小

球比放电前表面上出现了许多斑点。这些斑点的形

成可能有 3 种原因：（1）碰撞与振动造成；（2）排气气

流冲击造成；（3）微粒与 NOx 或 O2 反应形成。

图 6 为第一次工况循环时测得的 NOx 去除效

果与排气中 O2 含量变化图。NOx 去除率增大主要是

由于 NOx 与微粒反应的结果，而且微粒与 NOx 的氧

化反应与 NOx 的初始浓度关系密切。此外，将挂烟

3 h 之后的 酌-Al2O3 小球取出一部分放入等离子体装

置中，在不产生等离子体的情况下，重复上述试验过

程。半小时后观察小球表面，没有发现斑点的形成。

再对装有小球（挂烟后）的装置进行振动与摇晃或用

气泵往装置中吹入压缩空气，都未发现小球表面有

斑点形成。因此小球表面斑点的形成只可能是第 3种原因。

整个试验过程柴油机排气温度始终处于较低

水平，在 110耀250益之间变化。虽然微粒与 NOx 的氧

化反应在较低的温度下得以进行，但反应速率较

小，氧化过程十分缓慢。同时由于柴油机排气的复杂

性以及微粒本身的特性，使得等离子放电过程趋于

复杂，能量利用率不高[10]。因此必须对整个反应速率

加以控制，使其朝着有利于微粒与 NOx 反应的方向

进行。

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0010203040506070

10.217.324.4

37.448.8

59.4 56.050.343.734.2

24.0 20.8

还原剂供给比例

图5 不同还原剂供给比例条件下NOx去除率

25

20

15

10

5

0 57 62 67 72 77 0246810121416

负荷/%

NOx去除率净化后O2浓度原机O2浓度

图6 微粒与NOx共同作用效果图

张耀武：NTP 去除柴油机微粒与 NOx 的试验研究

渊下转第 68 页冤

47