性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)的顆粒捕集器原理及可靠性試驗(yàn)

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)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(jī)，但NOx、顆粒物及臭味氣體卻較高。目前，尾氣處理技術(shù)常用技術(shù)有選擇性催化還原（SCR），氧化催化（DOC），顆粒捕捉器（DPF）等技術(shù)。其中，顆粒捕集器是公認(rèn)的降低PM排放最有效的裝置之一，其捕集效率可達(dá)95%以上。康明斯在文章中通過合理設(shè)計(jì)臺(tái)架可靠性試驗(yàn)循環(huán)和過程分析，有效驗(yàn)證DPF系統(tǒng)可靠性。

 

一、顆粒捕集器原理及結(jié)構(gòu)

 

      柴油發(fā)電機(jī)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(wǎng)、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(shù)的使用和再生效果。濾芯應(yīng)滿足較高的性能指標(biāo)，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(qiáng)的機(jī)械性能指標(biāo)、熱穩(wěn)定性好及能承受較高的熱負(fù)荷、較小的熱膨脹系數(shù)，在外形尺寸相同的情況下背壓小， 背壓增長(zhǎng)率低，適應(yīng)再生能力強(qiáng)，質(zhì)量輕。

      如圖 1 所示為 DPF系統(tǒng)的捕集原理圖，柴油發(fā)電機(jī)排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進(jìn)入 DPF ，捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(huì)排放到空氣中。

      在發(fā)電機(jī)組空載或輕載運(yùn)行中 ，排煙溫度只有 150 ℃左右 ，由于發(fā)電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)柴油發(fā)電機(jī)氣缸溫度較低 ，這時(shí)發(fā)電機(jī)的排煙情況是最差的。因此 ，我們?cè)诖呋瘎┨沾奢d體前增加了加熱裝置 ，將柴油發(fā)電機(jī)尾氣升溫 80 ℃到 120 ℃，這樣經(jīng)過催化劑陶瓷載體時(shí)的氣溫可以保持在 220 ℃以上 ，加熱器總功率約占發(fā)電機(jī)輸出功率的 15 %到 20 %。另外 ，柴油發(fā)電機(jī)排煙管安裝溫度監(jiān)測(cè)裝置 ，用于控制加熱裝置投入工作 ，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷超過 30 %后 ，其排煙溫度一般可達(dá)到 220 ℃以上 ，這時(shí)候溫控裝置切斷加熱裝置電源 ，讓其脫離工作。

      由于溫度對(duì)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(fā)電機(jī)，示意圖如圖2所示。由于煙塵凈化器內(nèi)部有陶瓷和水泥 ，為了防止水泥粉塵進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)氣缸 ，煙塵凈化器應(yīng)該水平安裝。另外 ，為了保證進(jìn)入煙塵凈化器的氣體溫度 ， 在柴油發(fā)電機(jī)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(yàn)方案

 

1、試驗(yàn)方案

      采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)燃燒實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)方案（組成如圖3所示），可以實(shí)時(shí)地自動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在目標(biāo)燃燒狀態(tài)，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控和識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒，實(shí)時(shí)地自動(dòng)采取保護(hù)動(dòng)作，從而提高燃燒開發(fā)試驗(yàn)的效率和質(zhì)量，保護(hù)試驗(yàn)安全，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。該方案為工況1連續(xù)運(yùn)行11次，為確保進(jìn)入工況2前DPF內(nèi)部碳煙燒完，第11次再生完成后全負(fù)荷工況運(yùn)行40min，再進(jìn)入工況2，工況1：工況2=11：1。取整后可靠性共運(yùn)行220次加載再生循環(huán)累計(jì)385h。

2、傳感器布置

      在DPF前后以及DPF載體內(nèi)部布置溫度傳感器，監(jiān)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(jī)尾氣排放臺(tái)架試驗(yàn)裝置

圖4  DPF中心溫度傳感器布置簡(jiǎn)圖

 

3、加載再生可靠性試驗(yàn)

      按照上述工況進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和后處理評(píng)價(jià)。試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示，試驗(yàn)后各穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)THC轉(zhuǎn)化效率均在80%以上，DOC氧化性能再指標(biāo)范圍內(nèi)。DOC+DPF后端測(cè)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(duì)比圖如圖6所示）。DPF累碳量試驗(yàn)過程中均在6.5±0.5g/L范圍內(nèi)，與標(biāo)定值基本一致，隨可靠性試驗(yàn)進(jìn)行，累碳能力稍微下降，220次循環(huán)后累碳量在18.9g，這是因?yàn)椴糠謾C(jī)油參與燃燒，DPF內(nèi)部累積灰分，導(dǎo)致碳的加載量減少。

      常規(guī)再生循環(huán)共運(yùn)行200次，可靠性過程中T_DPF_BED溫度在700～860℃內(nèi)，自動(dòng)循環(huán)中碳載量不同最高溫度有所不同，但均在900℃范圍內(nèi)，安全域度較大。DTI工況共運(yùn)行20次，DTI工況中，T_DPF_BED迅速上升，36s后達(dá)到最高溫度955℃，，DTI循環(huán)過程中T_DPF_BED最高溫度均在860～960℃范圍內(nèi)，未超過1000℃。

 

圖5  柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)架布置圖

圖6  外特性下加裝后處理前后柴油機(jī)動(dòng)力性對(duì)比

 

三、結(jié)論

 

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

（2）耐久性試驗(yàn)后，DOC、DPF外部無開裂、載體無裂紋；

（3）DOC的CO、HC轉(zhuǎn)化效率未出現(xiàn)惡化現(xiàn)象，PM捕集效率未出現(xiàn)惡化現(xiàn)象；

（4）DPF累碳能力無惡化，DOC對(duì)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(chǎn)品質(zhì)量。

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