静电预荷电+滑动放电再生：柴油机DPF后处理的新路径

基于日本丰桥技术科学大学Mizuno团队ESP-DPF组合与非热等离子体再生研究解读

关键词
Diesel particulate filter, Electrostatic precipitator, Non-thermal plasma, Sliding discharge, Regeneration, 柴油机后处理, 纳米颗粒物控制

柴油机排放中的颗粒物控制，正从单一过滤向“静电预处理+智能再生”的复合技术演进。传统柴油颗粒捕集器（DPF）虽然对PM有很高的捕集效率，但在高压降、纳米颗粒穿透、再生温度过高和载体寿命等方面依然存在明显瓶颈。而静电除尘器（ESP）在电厂、垃圾焚烧等固定源领域已经非常成熟，却因为尺寸、振打再飞扬等问题，一直难以直接移植到车用后处理系统。

日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）环境与生命科学系的Hideaki Hayashi、Kazunori Takashima、Akira Mizuno团队，针对这一矛盾提出了两步式思路：一是将紧凑型ESP布置在DPF前端，对柴油颗粒物（DEP）进行静电荷电和凝聚，再由DPF完成深度捕集；二是在DPF内部引入非热等离子体滑动放电，实现低温条件下的在线再生。这项工作最初发表于国际静电除尘领域会议论文集，充分利用了静电除尘与非热等离子体技术在车用排放控制中的潜在优势。

在颗粒物前端控制部分，研究团队设计了一套迷你管式ESP作为预荷电单元。放电电极为直径0.2 mm的不锈钢细线，负极直流高压供电，外侧为不锈钢圆筒集尘极，中间通过陶瓷管绝缘。典型工况下，排气温度约为70 ℃，气体在放电区的停留时间约0.024 s，电压维持在-12.5 kV，对应电流约为-0.45～-1.25 mA。下游布置直径50 mm、长度128 mm的DPF，两者串联构成ESP-DPF组合系统。

实验采用3 kW小型柴油发电机作为排气源，在2.6 kW高负荷工况下运行以降低可溶性有机物（SOF）比例，从而突出碳烟颗粒本体对系统性能的影响。总排气流量控制在250 L/min，通过发动机颗粒粒径谱仪（EEPS）在线测量颗粒数浓度及粒径分布，同时监测DPF两端压降变化，用以评估静电预处理对DPF负荷和过滤性能的影响。

在仅使用ESP、未配置DPF的条件下，团队首先给出了独立ESP的颗粒控制能力评价。未经处理的柴油排气中，颗粒数浓度峰值粒径出现在约70 nm附近，典型的柴油纳米颗粒分布特征。在-12.5 kV电压下，ESP对这一粒径段颗粒的收集效率稳定在95%以上，这说明在紧凑结构和较短停留时间下，静电除尘器依然能够对纳米级颗粒发挥有效控制作用，对后续DPF而言，相当于显著降低了其进气端颗粒负荷。

当在ESP后端串联DPF形成ESP-DPF组合后，系统表现出更明显的协同增效。实验中将ESP按照10 min周期通断，比较两种状态下的整体颗粒数效率。结果显示，单独DPF运行时，整个系统的纳米颗粒数效率约为98%；而当ESP投入运行后，下游颗粒数浓度进一步下降，总体过滤效率接近100%。换句话说，在DPF本身已经具有较高效率的前提下，静电预荷电和凝聚仍然能够在纳米颗粒控制上再挖出2%以上的“尾矿”，对满足未来更严苛的颗粒数（PN）法规具有现实意义。

更值得关注的是ESP对DPF压降增长的影响。实验记录显示，在相同发动机工况下，仅用DPF时，其压降在启机后快速爬升，大约9 min即达到约35 kPa的较高水平；而加入前置ESP后，压降上升显著放缓，在相同时间尺度内压降约低10%左右。对于实际工程应用，这意味着相同在用时间下DPF回压更低、发动机燃油经济性更好，且DPF再生周期有望延长，有助于降低整车运行成本。

为了追踪这种“压降减缓”背后的颗粒形态机理，研究团队在ESP后端布置石英纤维滤膜替代DPF表面，利用扫描电子显微镜（SEM）观察颗粒沉积形态。当ESP关闭时，滤膜上以孤立、近球形微粒为主，颗粒尺寸较细且分散；而在-12.5 kV条件下开启ESP后，可以明显看到大团絮状、链状的颗粒凝聚体沉积在滤膜纤维之间，局部呈现类似“珍珠链”的排列结构。这种形貌变化揭示出两个关键信息：一是由于静电荷电和在ESP内部的重复沉积-再飞扬过程，细小颗粒发生了明显团聚，二是带电颗粒在滤材纤维附近的局部电场作用下，沿电力线方向重新排布，形成典型的电凝聚结构。对于DPF而言，较大且疏松的团聚体更容易被捕获，且堆积层孔隙率更高，有助于减缓压降增长，这正是ESP-DPF组合系统表现出宏观优势的微观原因。

在DPF再生技术方面，该团队没有采用传统高温燃烧路线，而是提出了利用非热等离子体滑动放电实现低温氧化再生的方案。再生装置结构上，在石英玻璃管内插入一小段DPF（直径30 mm、长度25 mm），其前端布置一组表面放电电极，通过交流高压产生沿介质表面发展的阻挡放电；DPF下游则设置一片不锈钢网格，并接入直流电源。交流表面放电产生的等离子体在直流电场推动下沿载体通道“滑动”延伸，使非热等离子体能够深入DPF蜂窝细孔内部，从而直接作用于壁面所附着的PM沉积层。

再生实验中，先用同一柴油机排气以20 L/min的流量向DPF加载30 min，使其内部累积足够量的颗粒物，然后切换为合成气体（4 L/min N₂ + 1 L/min O₂），并将再生反应器置于鼓风烘箱中控制环境温度，温度范围覆盖室温至150 ℃。上游采用直流电源（4 kV或8 kV）配合可调幅值和频率的交流高压电源（8–12 kV峰峰值、0.5–2.0 kHz），通过测量DPF前后质量差计算PM氧化量，并以g/kWh形式折算为再生效率，同时用FTIR跟踪出口气中臭氧及相关气态产物变化，以辅助判断非热等离子体反应强度。

在室温下，随着表面放电交流电压从8 kVₚ₋ₚ提升至12 kVₚ₋ₚ，DPF内部PM氧化效率明显升高，证明滑动放电产生的活性物种（以O₃、O、OH等为主）确实在参与碳烟氧化反应。有趣的是，在所有交流电压条件下，配用4 kV直流电时的再生效率均高于8 kV直流电。这表明对本结构而言，再生效果主要受交流放电强度支配，直流端电压过高反而可能改变放电分布或电晕特性，不利于形成均匀有效的滑动放电区，提示工程设计中需要对AC/DC匹配进行优化。

环境温度对PM氧化同样有显著促进作用。在AC 12 kVₚ₋ₚ、1.0 kHz、DC 4 kV条件下，当再生温度从室温逐步提高至150 ℃时，单位能耗的PM氧化效率可提升至约11 g/kWh量级。考虑到传统被动再生通常需要靠NO₂或高于600 ℃的高温来完成碳烟烧结燃烧，这种在150 ℃即可实现较高PM氧化量的方式，意味着可以在更接近排气管实际温度区间内进行“温和再生”，降低DPF热冲击和失效风险，具有明显的系统寿命优势。

在交流频率影响方面，实验发现，当维持AC电压12 kVₚ₋ₚ、DC 4 kV、环境温度约150 ℃不变，仅提高表面放电频率（0.5–2.0 kHz）时，单位能耗的氧化效率变化不大，但在相同30 min放电时间内的绝对PM氧化量随频率升高而近似线性增加。这说明从能效角度，频率提升并不会显著改变“每千瓦时”可氧化的PM质量，但从工程角度看，增加频率可以在限定时间内实现更多碳烟清除，为高负荷短时间快速再生提供了操作弹性。

综合来看，丰桥技术科学大学Mizuno团队的这项研究，实际上勾勒出了未来柴油机后处理的一种值得关注的技术路线：前端采用紧凑型静电除尘器对柴油颗粒物进行预荷电、凝聚与部分捕集，通过改变颗粒形貌与堆积特性，提升整体颗粒数控制能力并减缓DPF压降；后端借助非热等离子体滑动放电，在远低于传统再生温度的条件下实现持续、可控的PM低温氧化，大幅降低对额外燃油喷射、外部加热以及高耐温涂层的依赖。在“双碳”目标和更严苛排放法规背景下，这种基于静电除尘器与非热等离子体DPF再生相结合的整体思路，有望成为重型柴油车、非道路移动机械乃至船舶动力领域值得产业界深度布局的后处理方向。

对国内静电除尘与烟气治理行业而言，这项工作一方面验证了ESP在移动源后处理小型化应用的可行性，另一方面也为非热等离子体再生技术提供了系统性的实验数据和参数窗口（电压、频率、温度与效率关系），为未来面向国七乃至更严标准的柴油后处理系统开发提供了重要的技术参考。

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