同轴大间隙介质阻挡放电低温等离子体放电特性理论分析和实验研究大学论文文档格式.docx
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低温等离子体（NTP：
Non-thermalPlasma）技术处理汽车尾气排放是一项应用前景广阔新兴技术，具有能耗低、效率高、无二次污染等特点。
低温等离子体发生装置是该技术成功运用的关键环节，介质阻挡放电（DBD：
DielectricBarrierDischarge）因其结构简单、成本低、效率高等特点成为NTP主要发生方法。
作为应用基础研究，本文结合实验与静电场理论、气体击穿理论，研究了同轴大间隙DBD装置结构参数对放电特性的影响。
为了以后研究NTP协同催化技术同时去除PM和NOx，本研究向放电间隙中填充γ-Al2O3介质球。
介质球主要作用是，用来吸附颗粒以便NTP对颗粒物作用，作为催化触媒的载体以同时处理NOx。
本文分析了等离子体形成的微观机理，建立了基于Lissajous图形法的实验平台，对同轴大间隙DBD装置结构参数对放电特性的影响进行了系统的实验研究，提出了一种基于实验的DBD功率模拟计算方法并通过实验验证了其精准性。
最后研究了γ-Al2O3介质球对放电起始电压和放电功率的影响。
结果表明，大间隙DBD装置内电极直径较小时发生电晕放电，介质电容随外加电压增大而减小，当放电间隙到达临界值时，随外加电压增加先增大后减小；
放电可持续状态下，气隙电容随放电间隙的增大而减小；
气隙电容和介质电容存在一个数量级的差异，放电时总电容主要取决于气隙电容。
放电间隙保持不变的情况下，同一外加电压内电极直径越大，放电功率越大。
放电功率与间隙的关系并不单调，存在一个临界间隙值，小于该值时，放电功率随间隙增大而增大；
大于该值时，同一外加电压下放电功率随间隙增大而减小。
γ-Al2O3介质球能有效降低放电起始电压、强化场强和放电功率，介质球半径越小，效果越显著。
关键词：
同轴大间隙低温等离子体介质阻挡放电放电特性
ExperimentalResearchonCharacteristicofDielectricBarrierDischargewithCoaxialElectrodeandLargeGasGap
AbstractAstherapidincreasingofinventoryofautomobiles,exhaustemissionfromvehicleshasgivenrisetoaseriousenvironmentalproblemthatdemandsurgentsolution.Thedieselengineisexpandingit’sapplicationfieldforit’sgoodpowerperformance,littlefuelconsumptionandothermerits.RemovalofPMandNOxhasbecomethekeypointofdieselemissioncontrol.ApplicationofNTP（non-thermalplasma）toremovingvehicleemissionisanewkindoftechnologywithbrighteningprospect,whichneedslesspower,hashighefficiencyandbringsnosecondarypollution.ThedevelopmentofNTPgeneratingdeviceisthecruxofthistechnology.Dielectricbarrierdischarge（DBD）hasbecomeoneofthemostimportantwaytogenerateNTPforitssimplestructure,lowcostandhighefficiency.Asfundamentalresearchbasedontheoryofelectrostaticfieldandaerialdischargeandexperiment,thispaperfocusontherelationbetweenstructuralparametersanddischargecharacteristicsandtheinfluenceofγ-Al2O3balls.γ-Al2O3ballsareusedtoadsorbPMandbarecatalyst,sothatNTPcanremovethemsimultaneously.Firstly,wegaveadescriptionoftheformationmechanismofNTP,thenweestablishedtheexperimentalplatformbasedonLissajousfigure,bywhichwehaveresearchedDBDcharacteristicssystematicallyandbroughtforwardamethodtocalculateDBDpowerwhoseaccuracyhadbeenprovedbythefollowingexperiment.Atlast,wetriedtofigureouttheimpactofγ-Al2O3ballsonDBDcharacteristics.Theresultindicatesthatcoronadischargetrendstohappenwhentheradiusofinnerelectrodeissmall.Thecapacityofdielectricdecreasesasthevoltageappliedincreasesandthenincreaseswiththeincrementofvoltagewhenthegapreachestoacriticalvalue.Thegascapacitygoesdownasaerialgapdiminishwhendischargekeepson.Thegascapacitydiffersfromthedielectriccapacitybyaorderofmagnitude,hencethewholeequivalentcapacityrestsonthegascapacity.Dischargepowerwillrisewiththeradiusofinnerelectrodewithotherconditionunchanged.Therelationbetweenthewidthofgapanddischargepowerisnotmonotone.Thereisacriticalvalueofwidthbeforewhichpowerriseswithincreasingofgapwidth.Whenthewidthpassesthiscriticalvalue,dischargepowerrunsdownwithincreasingofgapwidth.γ-Al2O3ballscanlowtheinitiatingvoltageandstrengthenfieldintensityanddischargepower.Thelowerthevalueofinnerelectrodeis,themoresignificantlyimpactγ-Al2O3ballscanmake.
Keywords:
coaxiallargegapNTPDBDdischargecharacteristics
目录
第一章绪论1
1.1选题背景1
1.1.1柴油机机内净化技术1
1.1.2柴油机机外净化技术2
1.2NTP用于处理柴油机尾气研究现状3
1.3本文研究的内容和意义4
第二章DBD和NTP的相关基础理论5
2.1引言5
2.2低温等离子体概述5
2.2介质阻挡放电的概念6
2.3介质阻挡放电机理7
2.3.1气体的击穿、微放电和自由基准分子的形成机理7
2.3.1.1介质阻挡放电的击穿和微放电7
2.3.1.2介质阻挡放电中自由基和准分子的形成8
2.3.2微放电特性及其影响因素9
2.4介质阻挡放电特性参数10
2.4.1介质阻挡放电电场强度10
2.4.2介质阻挡的放电电压10
2.4.3介质阻挡的放电电流11
2.4.4介质阻挡放电的功率11
2.5本章小结12
第三章实验方案的制定及实验平台的搭建13
3.1引言13
3.2实验方法及原理13
3.3实验平台的搭建15
3.4实验步骤17
3.5本章小结18
第四章DBD装置结构参数对放电特性影响和基于实验的功率模拟19
4.1引言19
4.2DBD装置结构参数对放电起始电压的影响19
4.3基于实验的DBD放电功率模拟计算21
4.3.1同轴DBD功率模拟计算的数学模型21
4.3.2起始放电电压Vmin的确定22
4.3.3光滑修正系数m的确定22
4.3.4模拟计算与实验结果的比较23
4.4DBD结构参数对等效电容的影响24
4.4.1介质电容24
4.4.2气隙电容26
4.5DBD结构参数对放电功率的影响27
4.5.1外电极长度对放电功率的影响27
4.5.2内电极直径对放电功率的影响27
4.5.3放电间隙对放电功率的影响28
4.6本章小结29
第五章γ-Al2O3介质填充球对DBD放电特性的影响31
5.1引言31
5.2γ-Al2O3填充球对放电起始电压的影响31
5.3γ-Al2O3介质球对放电功率的影响33
5.4本章小结35
第六章全文总结与展望36
6.1全文总结36
6.2今后研究工作展望36
致谢38
参考文献39
第一章绪论
1.1选题背景
随着我国汽车保有量的增加，汽车尾气带来的环境污染问题已引起人们的广泛关注。
如何有效的净化汽车尾气，降低其中有害物质的排放，从而减少其对环境的污染已成为当前汽车技术和环境保护等学科面临的重要课题。
汽车动力源可分为汽油机、柴油机、代用燃料发动机、电池（铅蓄电池、燃料电池等）和混合动力。
虽然后三者在能源消耗、污染物排放等方面具有明显优势，但在成本、适用范围、技术成熟度等方面依然存在很多问题需要解决，因此短时期内很难取代传统汽油机和柴油机在汽车上的地位。
与汽油车相比，柴油车因其燃油经济性好（比汽油机低30%左右）、温室气体CO2排放少（比汽油机低30%左右）、安全性能高等优势正在逐渐扩大其在汽车动力中所占的比例。
同时，由于柴油发动机自身技术的不断改进使现代柴油机不仅具有高效、经济、环保的特点，而且在高速性能、加速性能、操作性能、乘坐舒适性和噪声方面已经完全可以与现代汽油机相媲美。
据调查，1995~2007年全球汽车产量已从4900万辆增至6650万辆，其中汽油车增加22%，柴油车增加58%[]，由此可见汽车柴油机化将是未来汽车发展的主要方向之一。
这也给柴油机尾气处理技术提出了更高的要求。
柴油机尾气处理的重点是氮氧化物（NOx）和微粒（PM）的去除，其技术可以分为机内净化技术和机外净化技术。
1.1.1柴油机机内净化技术
柴油机机内净化技术主要致力于改善燃烧效果，从而降低有害污染物的排放。
用于降低柴油机PM排放和减少NOx生成的主要方法分别如表1，2所示。
表1机内控制PM排放的技术措施
Table1ExternaltechnicalmeasuretocontrolPMemission
PM的降低方法
降低排放的措施
降低排放的技术
抑制其生成
促进燃料
空气混合
促进空气进入喷雾内
小喷孔喷嘴、控制涡流、增压
增加吸入的空气量
多气门技术、增压、改进进气系统
提高空气利用率
减少无效容积、改进燃烧室、高压喷射
加强紊流
高紊流燃烧室、控制涡流
使燃料均匀分布
喷嘴布置在中心位置
使喷雾微粒化
小喷孔喷嘴、高压喷射
表2机内控制NOx排放的技术措施
Table2ExternaltechnicalmeasuretocontrolNOxemission
NOx
的降
低
方法
降低燃烧温度
推迟喷油
控制喷射时间、控制喷射率波形
控制燃烧速率
引燃喷射、采用小喷口喷嘴、采用高压缩比
进气冷却
中冷器
添加非活性物质
EGR、水喷射
降低氧浓度
消除生成区
控制稀薄混合气区
控制涡流、喷嘴布置在中心
从表1、2可以看出，机内净化技术中PM降低方法主要是使燃油更充分与空气混合，使得燃烧更加充分；
而抑制NOx的主要途径是降低燃烧温度。
二者之间存在矛盾，因此单纯的机内净化技术很难满足日益严格的排放法规。
1.1.2柴油机机外净化技术
表3、4分别给出了柴油机PM和NOx机外排放的控制技术措施。
从各种技术的比较可以看出，单一的后处理无法有效的同时处理PM和NOx。
为了有效的去除PM和NOx需要两种或两种以上处理技术的结合。
因此，对目前已有技术进行进一步的优化、合理配置处理方法的组合和进一步开发新的处理方法成为目前研究人员的工作重点。
表3机外控制PM排放的技术措施
Table3InternaltechnicalmeasuretocontrolPMemission
PM
的
降
方
法
面临的问题
DPF结合再生技术
DPF装与排气管过滤PM，加热、后燃、反吹等方法再生
再生技术不成熟，再生效果
袋滤器捕集技术
袋状滤布、纤维介质过滤，然后将滤芯取出清洗
结构不紧凑，需拆卸手工清理，不方便
静电捕集技术
通过高压场强吸附尾气中带电粒子
设备机构复杂、体积大、成本较高
离心分离技术
引入离心机，利用离心力作用去除
只能处理较大颗粒，效果不明显
清洗技术
引入水、油、化学溶液清洗
去除率只有10%左右不适宜车用柴油机
表4机内控制PM排放的技术措施
Table4InternaltechnicalmeasuretocontrolNOxemission
选择性非催化还原（SNCR）
在1100~1400K效率高，效果受温度限制
非选择性催化还原（NSCR）
尾气中氧含量高，还原剂消耗量大
选择性催化还原（SCR）
需外部提供还原剂，利用HC还原技术有待进一步研究
催化吸附—还原（CAR）
贵金属或碱土金属烧结与基体上实现吸附还原
须在浓混合气条件下，在柴油机上应用效果较差
除了上述各表中所列的柴油机排放控制方法外，近年来兴起了一门新技术——低温等离子体（Non-thermalPlasma，NTP）技术。
该技术应用于处理污染物具有处理效果好、处理范围广、能同时处理多种污染物、净化彻底且无二次污染等优点，是目前废气处理领域颇具竞争力的一种方法，具有广阔的发展前景。
利用低温等离子体辅助催化降低NOx排放是研究NOx催化还原的一大热点。
国内外不少学者把等离子体和催化技术结合，寻求还原NOx的新途径。
1.2NTP用于处理柴油机尾气研究现状
等离子体用于净化处理的物理和化学过程,已有大量的研究报道[]。
2000年，Delphi公司开发出一套NTP同时净化柴油机排放物NOx和PM的系统[]。
该系统由NTP反应器、DPF、催化转化器组成，当柴油机排气流过NTP反应器时，排气中的NO会被氧化为NO2，还会产生一些活性物质及亚稳态物质，这些物质在柴油机排气温度下即可有效氧化下游DPF上吸附的PM，实现DPF连续再生，同时NO2会被重新还原为NO，最后利用催化转化器将其转化为N2排出，从而实现柴油机排放物中NOx和PM的同步去除。
该技术有如下优点：
①排气中的NO向NO2的转化在排气温度<
250℃即可实现；
②NTP反应器产生的其它活性物质有利于PM的低温氧化去除；
③NTP反应器对硫不敏感；
④NO向NO2的转化率可达70%。
2000年，Thomas报道了一种可高效净化柴油机PM排放的NTP反应器[]。
该反应器的特色之一是在放电区域中加载了催化剂陶瓷小球，当柴油机排气流过时，被吸附在陶瓷小球上，而NTP反应器放电区域的活性物质可迅速将其氧化分解去除，从而实现了PM的连续去除。
该装置加装于Nissan2.7L直喷式柴油机的排气管中消声器位置时，可去除微粒总质量分数的50%和60nm范围以内的微粒质量分数的90%。
该装置对NOx的去除效果不明显，须在其下游加装NOx催化还原装置。
Penetrante和Hoard等人也报道了NTP技术同时去除NOx和PM的可行性[]，研究表明，DPF能够捕集并氧化PM，但其对NOx还原效率较低。
1.3本文研究的内容和意义
目前国内外试制成的用于处理柴油机有害排放物的NTP反应器为了保持放电的稳定常采用较小的放电间隙，这种结构可能会使反应器被PM堵塞，停止工作，影响处理装置的工作稳定性。
为此不少学者提出了新的解决方案，即先通过小间隙的NTP发生器产生等离子体，然后将其喷入尾气中。
但等离子体存在的条件非常苛刻，在输送的过程中很多活性粒子发生复合，能量大大降低，处理效果也因此下降。
因此有必要进一步研究能直接作用于尾气的NTP发生装置。
为了取得较好的处理效果同时而不过多的增加排气背压，因此加大NTP发生器的放电间隙。
本文依据静电场理论、气体放电理论设计了一种同轴大间隙介质阻挡放电（DBD）装置，对其与高压电源的匹配、放电特性、γ-Al2O3的影响关系进行了初步研究，旨在总结大间隙放电特性，为进一步设计实际用于柴油机有害污染物处理的NTP发生器、优化发生器与电源的匹配等工作提供参考。
研究工作的具体内容如下：
（1）设计同轴大间隙DBD型NTP发生器，提出了一种基于实验的DBD装置放电功率模拟计算方法，过实验测量内电极在某一介质层下的放电起始电压，进而确定其表面光滑系数，即可计算该内电极与不同介质层组成的DBD装置的放电功率。
（2）工频电压下，改变DBD装置外电极轴向长度，内电极直径，放电间隙等参数，利用Q-VLissajous图形研究气隙电容、介质电容放电功率等放电等参数随外加激励电压的变化关系，总结其放电特性。
（3）向DBD发生器中填充不同直径的γ-Al2O3介质球，研究γ-Al2O3介质球对起始电压、放电功率的影响，初步论证了的填充介质球用于协同NTP处理柴油机PM和NOx的可行性。
第二章DBD和NTP的相关基础理论
2.1引言
作为一种可以连续高效产生低温等离子体（NTP）的气体放电形式，介质阻挡放电（DBD）已成为很多NTP应用领域的首选。
本章首先简要介绍了低温等离子体的概念，然后详细介绍了DBD的概念、DBD的微观机理，最后对表征DBD放电特性的常见参量进行了总结。
2.2低温等离子体概述
等离子体是自然界物质存在的第四种状态，通常由自由电子，正、负离子（或者带正、负电荷的尘埃微粒），基态和激发态的原子（或分子），光子组成的混合体。
宏观上等离子体呈电中性。
气体在一定条件下都可能发生某种程度的电离，但不是所有电离气体都可称为等离子体，只有带电粒子密度达到一定程度，对体系性质发生明显影响时才可称为等离子体。
等离子体可分为热力学平衡态等离子体和非热力学平衡态等离子体[]。
前者是指等离子体中电子温度和中性粒子温度、离子温度相等，达到热力学上的平衡的等离子体；
后者是电子温度远高于电子温度和中性粒子温度和粒子温度，在热力学上处于非平衡状态。
区分产生的等离子体所处状态是否为平衡态，可以用一个参数来衡量，该参数称为约化电场，其定义为：
E/n，即电场与中性粒子浓度之比。
在高气压下，常采用提高放电电压的方法提高约化场强，从而保证形成低温等离子体[]。
非平衡态等离子体又称为低温等离子体，一般的气体放电产生的等离子体即属于这一类型。
低温等离子体的显著特点是电子温度高达数万度，而体系中的中性粒子（原子、分子、或尘埃颗粒）的温度却接近室温。
一方面体系中的电子具有足够高的能量使反应物分子激发或电离，另一方面整个体系温度却维持在很低的水平，降低了实际应用过程中对设备的要求和能量消耗，并且便于操作。
因此，低温等离子体在薄膜沉积、表面处理、废气去除等领域得到了广泛的应用。
中性气体转化为低温等离子体需要外界对其施加能量。
具有足够能量的电子、光子与气体中的原子、分子碰撞可以产生更多的电子、离子和光子，从而使中性气体转化为等离子体。
因此制备高能量的电子流和光子流成为等离子体技术的关键。
目前广泛应用的方法是通过对中性气体施加电场产生，即通过气体放电产生。
各种气体放电按电流形式可分为：
交流放电、直流放电、脉冲放电。
按所加电场又可以分为：
直流放电、低频放电、高频放电（射频放电）、微波放电等类型[]。
2.2介质阻挡放电的概念
介质阻挡放电（DBD）通常在大气压强下发生，至少有一个电极被介质所覆盖，阻挡介质与另一电极之间的空气间隙在高频（不是必须）高压电场的激励下，发生非平衡态气体放电。
由于电极间介质的存在，介质阻挡放电的工作电压可采用交变电压。
交变电压的频率发生变化，放电的特性也有所不同。
通常认为频率在100kH
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