一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置
技术领域
本发明属于尾气处理
技术领域
，具体涉及到一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置。背景技术
柴油机尾气是指柴油发动机燃烧柴油后喷出的尾气，尾气中含有上百种不同的化合物，这种气体排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身体健康，世界卫生组织专家认定柴油发动机尾气与石棉、砒霜等物质一样，具有高度致癌性。
2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，柴油发动机排气在一类致癌物清单中。
柴油车目前在我国机动车中只占有不到10%的比例但是它所带来的污染远超过其他类型的机动车，柴油机尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮颗粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等，尾气在直接危害人体健康的同时，还会对人类生活环境产生深远的影响，比如酸雨、温室效应等，对人类的生存带来的极为严峻的挑战。
由于柴油车运行严重的分散性和流动性，给尾气净化处理技术带来了一定的限制，目前，柴油机的尾气净化现有技术措施主要分为机内净化和机外净化两种方式，机内净化通过对发动机的调制，提高燃烧质量降低尾气有害物，但与此同时也会降低柴油机的动力性能，提高成本，很难达到越来越严苛的排放标准，相较于机内净化着重于减少尾气的产生，机外净化则更加着重于消除已经产生的有害气体。
现在常用的方法分为两种一种是前处理技术另一种是后处理技术，目前应用比较广泛的是后处理技术，后处理技术又分为三个主要的方法：DOC系统，SCR系统和PDF系统它们分别是对应尾气中的不同成分作用的，DOC系统利用加热是CO和O2进行氧化反应来生成CO2和H2O，但它的处理面很单一；SCR系统则是利用喷射氨气使之与氮氧化物发生还原反应生成N2和H2O，但它存在氨气泄漏的隐患会对人造成伤害；PDF系统类似过滤系统它会将柴油机尾气中产生的PM，但随着时间的累积PM积累在过滤网上影响柴油机排气，影响柴油机的动力，三个后处理技术面临着同一个问题各自的处理面呢单一没法实现对柴油机尾气中复杂的污染物进行一次去除。
等离子体是继固态、液态、气态后的物质第四态，体系中富含高能电子、离子、激发态原子、自由基等活性成分，是一种新型的分子活化手段。大气压低温等离子体是一种利用气体放电在敞开大气压条件下产生的非平衡态等离子体，由于体系中电子温度远高于重粒子温度，可以在获得较高化学活性的同时维持接近室温的气体温度，已经被广泛应用于农业、工业、军事、环境、通信等领域。
低温等离子体技术由于其净化效率高,能同时处理多种污染物以及无二次污染等优点,在尾气净化领域的应用中引起人们的特别关注，等离子体处理尾气主要是利用其产生的高能电子、自由基等活性粒子和尾气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应最终转化成CO2和H2O等无污染物的气体，以达到处理尾气的目的，目前已有部分学者利用低温等离子体技术脱除柴油机尾气中的NOx、CO、PM，研究了放电电压、尾气流量等因素对脱除效率的影响，并初步研究了其净化机理，尽管低温等离子体净化汽车尾气的技术已被研究人员证明其可行性，但大多数研究还停留在实验室阶段，实验用的电源和电极体积较大，无法实现车载利用，因此，为满足需求，本发明提供直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于设计一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置, 主要解决这三个问题：
1.选择问题：能对柴油机尾气中的各种污染物都能具有一定的去除率；
2.安全问题：该装置对柴油机尾气进行处理的同时，不能引入新的污染物或产生对人体有危害的物质；
3.动力问题：处理柴油机尾气的同时不能以牺牲柴油机动力为代价。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置，包括中空柱体，中空柱体作为地电极，中空柱体内设置高压电极。
所述的中空柱体外部设置高压电源模块，所述中空柱体的一端开设槽口，槽口内设置绝缘垫片，所述的中空柱体内部配合绝缘垫片设置旋流器，旋流器的下方连接在高压电极上，所述的旋流器包括连接体、中心轴和若干导流叶片，导流叶片设置在连接体内部，且均连接在中心轴上，所述的高压电极设置为锥形，锥形的大头连接在中心轴上，所述的连接体外侧粘在绝缘垫片的内侧。
作为本发明进一步的描述，所述的高压电极包括焊接端口、锥形电极和电极前端收口，焊接端口设置在锥形电极的大头，且焊接端口与中心轴的端部焊接在一起。
作为本发明进一步的描述，所述的绝缘垫片设置为陶瓷绝缘垫片，绝缘垫片的高度高于槽口的深度，所述的绝缘垫片露出槽口3-8mm。
作为本发明进一步的描述，所述的导流叶片最多设置五个，导流叶片的旋转角度随着数量的增多逐渐降低。
作为本发明进一步的描述，所述的导流叶片设置五个，导流叶片的旋转角度为72°。
作为本发明进一步的描述，所述的旋流器与高压电极均采用不锈钢材质。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：
本发明提供了一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置，直接使用柴油机本身的电瓶提供能量，直接装设在尾气管排气处，便携性和集成性更高，通用性更强；通过旋流器的设置，可以在直通进气的情况下形成旋转滑动弧等离子体，并且可在变化的气流下，自动切换电弧的滑动速度和活性粒子密度，解决了实际柴油机尾气气流的动态变化工况问题；可以通过调节输入电流的大小来针对不同尾气排放程度，灵活地调节，兼容性更广；采用旋转滑动弧等离子体放电原理，来进行柴油机尾气的处理，在不加任何催化剂协同催化的条件下，即可完成对柴油机尾气进行处理。
附图说明
图1为本发明的整体结构分解视图；
图2为本发明的整体结构组装视图；
图3为本发明的旋流器结构视图；
图4为本发明的整体框架视图；
图5为本发明的工作状态下的电压电流波形图；
图6为本发明电压峰峰值以及电流峰峰值随气体流速的变化的趋势折线图；
图7为本发明放电时发射光谱数据分析视图；
图8为本发明N2（0, 0）和N2（0, 1）光谱强度随气体流速变化趋势图；
图9为本发明不同流速下放电发光图像。
图中，1.中空柱体，11.高压电源模块，12.槽口，2.高压电极，21.焊接端口，22.锥形电极，23.电极前端收口，3.绝缘垫片，4.旋流器，41.连接体，42.中心轴，43.导流叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置，参考图1-3所示，包括中空柱体1，中空柱体1作为地电极，中空柱体1内设置高压电极2。
所述的中空柱体1外部设置高压电源模块11，所述中空柱体1的一端开设槽口12，槽口12内设置绝缘垫片3，所述的中空柱体1内部配合绝缘垫片3设置旋流器4，旋流器4的下方连接在高压电极2上，所述的旋流器4包括连接体41、中心轴42和若干导流叶片43，导流叶片43设置在连接体41内部，且均连接在中心轴42上，所述的高压电极2设置为锥形，锥形的大头连接在中心轴42上，所述的连接体41外侧粘在绝缘垫片3的内侧。
上述公开了本发明包括的技术特征，通过绝缘垫片3的设置，对旋流器4与地电极（中空柱体1）之间起到绝缘的作用。
所述的高压电极2包括焊接端口21、锥形电极22和电极前端收口23，焊接端口21设置在锥形电极的大头，且焊接端口21与中心轴42的端部焊接在一起。
上述公开了高压电极2的设置方式，通过锥形电极的设置，以便于通电时首先在锥形电极曲率半径最大处产生，电极前端收口23为弧状锥形，加长了等离子体电弧滑行的距离。
所述的绝缘垫片3设置为陶瓷绝缘垫片，绝缘垫片3的高度高于槽口12的深度，所述的绝缘垫片3露出槽口3-8mm。
上述公开了槽口12的设置，槽口12便于放置绝缘垫片3，绝缘垫片3有一部分露在外面，绝缘效果好，防止在外部拉弧。
如图3所示，所述的导流叶片43最多设置五个，导流叶片43的旋转角度随着数量的增多逐渐降低，所述的导流叶片43设置五个，导流叶片43的旋转角度为72°。
上述内容公开了导流叶片43的设置，导流叶片43起到对进气尾气导流的作用，以方便电弧等离子体的旋转运动，导流叶片43设置的越少旋转角度越高，但是导流叶片43不能设置过多，设置过多会影响气流的旋转。
所述的旋流器4与高压电极2均采用不锈钢材质。
本发明中各部件的参数公开如下：
中空柱体1：内直径10-30mm，外直径20-40mm，高度50-100mm，作为地电极；
槽口12：内直径10-30mm，外直径15-35mm，深度5-20mm；
连接体41：内直径10-30mm，外直径15-30mm；
中心轴42：直径2-8mm，高度5-20mm；
导流叶片43：高度5-25mm；
焊接端口21：直径2-8mm，高度1-5mm；
锥形电极22：高度40-70mm；
本发明采用车载电瓶进行供电，高压电源模块11（微秒脉冲电源模块）通过脉冲变压器对车载电瓶输出的直流电进行升压处理，使得电压能够驱动本发明的装置工作，当工作时，柴油机尾气从进气口进入，经本发明的装置处理后，从尾气出口排出。
本发明在正常工作时，柴油机尾气从旋流器4的一端进气，经过旋流器4导流之后再高压电极2与低压电极之间形成旋转的气流，此时高压电源模块11通电，在高压电极2与地电极最接近处产生电弧，在旋转气流的推进下产生旋转式的电弧等离子体。
处理结束后，关闭高压电源模块11，本发明的装置直接套设在柴油机尾气管处。
本发明体积较小，操作简单，大大提高了尾气处理的及时性与便捷性。
本发明提供了一种直通进气式旋转滑动弧等离子体柴油机尾气处理装置，直接使用柴油机本身的电瓶提供能量，直接装设在尾气管排气处，便携性和集成性更高，通用性更强；通过旋流器的设置，可以在直通进气的情况下形成旋转滑动弧等离子体，并且可在变化的气流下，自动切换电弧的滑动速度和活性粒子密度，解决了实际柴油机尾气气流的动态变化工况问题；可以通过调节输入电流的大小来针对不同尾气排放程度，灵活地调节，兼容性更广；采用旋转滑动弧等离子体放电原理，来进行柴油机尾气的处理，在不加任何催化剂协同催化的条件下，即可完成对柴油机尾气进行处理。
如图5所示，公开了工作状态下的电压电流波形图，本发明所提出的装置可以正常进行放电工作，输入电流为15mA，调整质量流量计使气体流速为8.0 L/min，同时使用质量流量计调整气体的流速依次分别为8.5 L/min，9.0 L/min，9.5 L/min以及10.0 L/min，以气体流速为变量得到在各个条件下的电压电流波形图，进一步得到旋转滑动弧放电时的周期，电压峰峰值以及电流峰峰值随气体流速的变化而出现的变化趋势折线图，如图6所示。
可以看出放电周期随着气体流速的提高则有着十分明显的缩短趋势，在气体流速为8.0 L/min时放电周期为40ms，而在气体流速为9.0 L/ min时放电周期降到了30ms，下降百分比为25%，当气体流速为10L/min时放电周期为27ms，下降百分比为10%，周期下降有趋势减缓，但整体放电周期是随着气体流速的增加而缩短。
从图5、图6公开的电气测试实验结果波形可以看出，本发明所提出的装置在不同动态尾气流速的条件下，仍旧可以正常放电工作，完成尾气有害气体的处理功能。
对于尾气有害物质，本发明所提装置是否具备分解处理能力的实验验证，需要从光学特性上去分析其应用效果，即从发射光谱强度和放电时的发光图像来分析，当输入电流为15mA，气体流速为8.0 L/min的条件下，采用本发明所提装置，测得的放电时发射光谱数据，如下图7所示。
由图7可以看到第二正态系下氮气的发射光谱强度在各个波长下的分布图，其中第二正态系C-B下，最高的光谱强度在N2（0, 0）337nm处，光谱强度为12140 a.u，其次在N2（0, 1）345nm处，光谱强度为10754 a.u.，从而验证了本发明装置放电过程可以对进气气体分子进行分解成其他活性粒子，从而与尾气成分发成降解反应，放电机理上理论上可行。
同时，通过质量流量计调整气体流速，得到第二正态系（C-B）下的N2（0, 0）337nm处的光谱强度和N2（0, 1）345nm处光谱强度随气体流速的变化趋势图，如图8所示从趋势图中可以看出第二正态系（C-B）下的N2（0, 0）337nm处的光谱强度和N2（0, 1）345nm处光谱强度随气体流速的上升呈现出先下降后升高的趋势。
同时结合所拍摄的放电发光图像来对本发明所提装置的可行性实验进行分析，图9为15mA输入电流时，从左至右分别为气体流速从8.0 L/min依次递增至10 L/min时使用数码相机拍摄的滑动弧放电时的发光图像，可以看出，随着气体流速的增加，滑动弧放电发光图像就越亮，故放电过程中旋转滑动弧的密度处理气体的密度也就越大。
在输入电流一定的时候，不断提高气体流速，光谱强度会出现先下降再升高的变化趋势，而光谱强度整体随着气体流速增大而升高，同时结合不同气体流速下的放电发光图像分析，气体流速越大，其放电的强度越大，产生等离子体的密度也越大，说明气体与等离子体的反应也越充分，证实本发明所提装置的应用效果就越好。
其次当流速一定，适当地提高输入电流时，发现光谱强度很明显的不断增大，同时放电图像的亮度和密度也明显随电流的增大而增大，说明增大输入电流能够明显的促进反应器的放电过程，使得放电效果更强，反应更加充分，说明本发明装置同时可以通过调节输入功率的给定来提高装置的处理效果。因此，本发明可以通过调节输入电流的大小实现对不同程度污染源的处理，实现对柴油机尾气的有效处理。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
