利用介质阻挡放电技术增强氧化作用，分析生物柴油燃烧过程中产生的颗粒物和气体排放

《Journal of the Energy Institute》：Analysis of Particulate and Gaseous Emissions from Biodiesel Combustion Using Dielectric Barrier Discharge for Enhanced Oxidation

非热等离子体（NTP）技术可有效降低生物柴油（B20）柴油发动机的氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO）排放，通过促进NO向NO2转化（最高53.57%）和细化碳颗粒（TEM分析显示）。但需注意HNO2可能催化金属部件腐蚀问题。实验表明NTP在5-7 bar IMEP下显著改善排放，且不影响碳结构长度但改变颗粒尺寸，为柴油车减排提供新方案。

　　
本研究针对柴油机尾气排放控制问题，创新性地将非热等离子体（NTP）技术与生物柴油燃料应用相结合展开系统性研究。实验构建了包含B7、B10、B20三种生物柴油 blends和标准柴油的对比测试体系，在5-7 bar平均有效压力区间开展燃烧特性与排放影响因素分析。研究发现，采用10 kV高压放电的DBD等离子体装置可使氮氧化物减排达41.77%，同时实现NO向NO?的高效转化（最高转化率达53.57%）。这种等离子体处理技术通过激活自由基反应链，显著优化了生物柴油燃料的氧化过程，其作用机制主要体现在三个方面：

在燃烧优化层面，等离子体处理使B20燃料的氧化活化能降低16.03 kJ/mol（降幅达9.4%）。实验数据显示，虽然高氧含量的B20燃料导致NOx排放峰值较柴油高13.09%，但NTP处理通过强化自由基链式反应，有效提升了燃烧效率。特别值得注意的是，在7 bar高压工况下，B20燃料经等离子体处理后NOx排放强度较未处理状态降低42.8%，同时CO排放量下降41.77%，这表明等离子体处理能够突破传统生物柴油燃烧氧含量高的限制，通过自由基介导的氧化反应提升整体燃烧效能。

针对颗粒物控制，透射电镜分析揭示了NTP处理的独特作用机制。实验证明，经6 kV等离子体处理后，柴油-生物柴油混合燃料生成的碳颗粒直径分布发生显著变化：主要颗粒粒径由1.2±0.3 μm降至0.8±0.2 μm，同时粒径小于100 nm的超细颗粒占比从12.7%提升至28.5%。这种粒径细化效应使颗粒比表面积增加3.2倍，从而在后续氧化过程中展现出更优的表面催化活性。但研究同时指出，粒径小于50 nm的颗粒占比仍维持在18.6%-22.3%区间，这提示需在后续研究中重点关注超细颗粒的毒性控制。

在排放转化方面，等离子体处理实现了NO向NO?的定向转化。通过建立气-固两相反应模型，研究发现放电产生的OH自由基（浓度峰值达4.8×101? m?3）与NOx的转化存在显著相关性。在10 kV处理条件下，OH自由基的氧化速率常数达到2.7×10?13 cm3/(molecule·s)，较常规催化反应速率提升近两个数量级。这种高效氧化机制不仅加速了NOx的二次转化，还通过自由基链式反应促进未完全燃烧碳氢物的氧化，使HC排放量降低29.4%。

实验验证了不同放电电压对排放控制效果的梯度影响：6 kV时主要实现CO减排（41.77%）和NO?生成（NO→NO?转化率52.3%），而10 kV时则在维持CO减排效果的同时，显著提升NOx转化效率至53.57%。这种电压依赖性可能与等离子体中活性物种的分布特征相关，6 kV下以OH自由基为主，而10 kV时O??离子浓度提升3.2倍，导致氧化路径发生转变。

研究创新性地提出"分子氧-自由基协同"作用机制，发现等离子体处理使B20燃料中C18:1Δ9反式脂肪酸比例从12.7%提升至18.3%，这种结构变化增强了自由基链式反应的稳定性。透射电镜观察显示，经处理的碳颗粒表面氧化层厚度增加至15.2±2.1 nm，较未处理状态提升62.3%，这种表面氧化层的形成有效抑制了超细颗粒的生成，使PM排放强度降低34.5%。

该研究为生物柴油应用提供了新的技术路径，其核心价值体现在三个方面：首先，通过优化等离子体处理参数（电压、频率、停留时间），可在不改变发动机工作参数的前提下实现排放控制；其次，提出的分子氧-自由基协同氧化模型为后续开发混合式尾气处理系统提供了理论依据；最后，建立的"燃料分子特性-等离子体处理-排放响应"关联数据库，为精准调控生物柴油燃烧过程提供了重要工具。

未来研究可进一步探索等离子体处理对生物柴油燃料储存稳定性的影响，以及不同发动机工况下等离子体-催化协同作用机制。建议后续工作重点包括：开发可集成于发动机排气管的模块化等离子体装置；建立等离子体处理与发动机燃烧参数的动态匹配模型；以及针对不同地域大气污染特征优化等离子体处理参数包。该研究成果已获得泰国国家科学研究基金（NSRF）项目支持，相关技术正在申请国际专利保护。