性能特點和作用說明

柴油發電機的顆粒捕集器原理及可靠性試驗

 

摘要：柴油發電機排氣的有害成分主要有CO、HC、NOx、硫化物以及顆粒物、臭味氣體等，由于柴油發電機使用的混合氣平均空燃比比理論空燃比大，故其CO及HC排放明顯低于汽油機，但NOx、顆粒物及臭味氣體卻較高。目前，尾氣處理技術常用技術有選擇性催化還原（SCR），氧化催化（DOC），顆粒捕捉器（DPF）等技術。其中，顆粒捕集器是公認的降低PM排放最有效的裝置之一，其捕集效率可達95%以上。康明斯在文章中通過合理設計臺架可靠性試驗循環和過程分析，有效驗證DPF系統可靠性。

 

一、顆粒捕集器原理及結構

 

      柴油發電機顆粒捕集器的工作主體是濾芯，常用的過濾材料有泡沫陶瓷、壁流式蜂窩陶瓷、金屬絲網、陶瓷纖維等。濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術的使用和再生效果。濾芯應滿足較高的性能指標，具有較高的過濾效率，具有大的過濾面積、耐熱沖擊性好、較強的機械性能指標、熱穩定性好及能承受較高的熱負荷、較小的熱膨脹系數，在外形尺寸相同的情況下背壓小， 背壓增長率低，適應再生能力強，質量輕。

      如圖 1 所示為 DPF系統的捕集原理圖，柴油發電機排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進入 DPF ，捕集器內部為蜂窩狀結構，其兩端一邊是敞開，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開的一端進入，穿越多孔的蜂窩壁，然后從相鄰的通道排出。 大部分微粒由于體積過大而無法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上而不會排放到空氣中。

      在發電機組空載或輕載運行中 ，排煙溫度只有 150 ℃左右 ，由于發電機剛啟動時柴油發電機氣缸溫度較低 ，這時發電機的排煙情況是最差的。因此 ，我們在催化劑陶瓷載體前增加了加熱裝置 ，將柴油發電機尾氣升溫 80 ℃到 120 ℃，這樣經過催化劑陶瓷載體時的氣溫可以保持在 220 ℃以上 ，加熱器總功率約占發電機輸出功率的 15 %到 20 %。另外 ，柴油發電機排煙管安裝溫度監測裝置 ，用于控制加熱裝置投入工作 ，當柴油發電機組的負荷超過 30 %后 ，其排煙溫度一般可達到 220 ℃以上 ，這時候溫控裝置切斷加熱裝置電源 ，讓其脫離工作。

      由于溫度對煙塵凈化器的工作影響很大 ，溫度越高 ，其工作效果越好 ，因此煙塵凈化器的安裝位置要求盡量靠近柴油發電機，示意圖如圖2所示。由于煙塵凈化器內部有陶瓷和水泥 ，為了防止水泥粉塵進入柴油發電機氣缸 ，煙塵凈化器應該水平安裝。另外 ，為了保證進入煙塵凈化器的氣體溫度 ， 在柴油發電機煙塵凈化器之間的排管要求包保溫材料。

 

圖2 顆粒捕集器原理圖

圖1 顆粒捕集器安裝圖

 

二、試驗方案

 

1、試驗方案

      采用發動機臺架試驗燃燒實時自動控制系統技術方案（組成如圖3所示），可以實時地自動控制發動機始終運行在目標燃燒狀態，同時能夠實時的監控和識別發動機異常燃燒，實時地自動采取保護動作，從而提高燃燒開發試驗的效率和質量，保護試驗安全，節約試驗費用。該方案為工況1連續運行11次，為確保進入工況2前DPF內部碳煙燒完，第11次再生完成后全負荷工況運行40min，再進入工況2，工況1：工況2=11：1。取整后可靠性共運行220次加載再生循環累計385h。

2、傳感器布置

      在DPF前后以及DPF載體內部布置溫度傳感器，監控再生過程中溫度變化情況。DPF中心溫度傳感器布置如圖4所示。

 

圖3  柴油機尾氣排放臺架試驗裝置

圖4  DPF中心溫度傳感器布置簡圖

 

3、加載再生可靠性試驗

      按照上述工況進行可靠性試驗和后處理評價。試驗臺架如圖5所示，試驗后各穩態工況點THC轉化效率均在80%以上，DOC氧化性能再指標范圍內。DOC+DPF后端測得的FSN值均小于0.01，且排氣尾管無任何黑煙，后處理過濾效果良好（加裝后對比圖如圖6所示）。DPF累碳量試驗過程中均在6.5±0.5g/L范圍內，與標定值基本一致，隨可靠性試驗進行，累碳能力稍微下降，220次循環后累碳量在18.9g，這是因為部分機油參與燃燒，DPF內部累積灰分，導致碳的加載量減少。

      常規再生循環共運行200次，可靠性過程中T_DPF_BED溫度在700～860℃內，自動循環中碳載量不同最高溫度有所不同，但均在900℃范圍內，安全域度較大。DTI工況共運行20次，DTI工況中，T_DPF_BED迅速上升，36s后達到最高溫度955℃，，DTI循環過程中T_DPF_BED最高溫度均在860～960℃范圍內，未超過1000℃。

 

圖5  柴油發電機臺架布置圖

圖6  外特性下加裝后處理前后柴油機動力性對比

 

三、結論

 

（1）耐久性試驗中，DOC、DPF內部溫度未超過900℃，同時DTI工況下DPF內部溫度最高值在1000℃以內，在載體安全溫度范圍內；

（2）耐久性試驗后，DOC、DPF外部無開裂、載體無裂紋；

（3）DOC的CO、HC轉化效率未出現惡化現象，PM捕集效率未出現惡化現象；

（4）DPF累碳能力無惡化，DOC對THC氧化能力在80%以上，通過考核。通過此工況有效考核了DPF，保證了產品質量。

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