康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

 

性能特点和作用说明

解析康明斯柴油发电机后处理装置

 

柴油发电机一般在平均过量空气系数大于1.2的较稀的混合气下燃烧。所以，虽然柴油发电机的压缩比比汽油机高，但其燃烧最高温度及排气温度都比汽油机低，而且排气中CO、HC排放量也明显少于汽油机。柴油发电机的主要有害尾气排放物是NO_x和微粒，以及CO和HC。汽油机在理论空燃比下燃烧时可通过三效催化转化器同时净化NO_x、CO和HC排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油发电机由于平均空燃比比较大，不能用三效催化转化器。所以，根据其有害尾气排放物，在柴油发电机上所采用的主要后处理技术有氧化催化转化器、NO_x的催化还原装置、微粒滤清器以及DPNR装置等。

 

一、氧化催化转化器

 

氧化催化转化器（DOC）只是将排气中的CO和HC以及PM中的SOF氧化为CO₂和H₂O。氧化催化剂主要采用Pt（铂）和Pd（钯）等贵金属。为了氧化HC和CO，将Pt、Pd独立或两者组合作为催化剂。实际使用的Pt和Pd的质量之比在2.3/1附近，一般多采用质量比为2/1或2.5/1的催化剂。Pd易受Pb（铅）的侵蚀，而Pt则容易受热劣化。

 

影响催化反应的基本因素是反应物的含量、温度及体积流量（又称空间速度）。所以，为了提高反应效率，需要适当控制这些因素。一般催化剂的工作温度为300℃以上，空间速度（气体的体积流量）为每小时数万升以下。在反应物的含量中很重要的影响因素是氧气的含量和被氧化物质（CO、HC、H₂）的含量之间的平衡关系。因此，为了在排气过程中氧化HC和CO排放物，或者作为排气净化装置，在采用催化装置时，需要向排气系统供给新鲜的空气，称此空气为二次空气。但是如果柴油中含硫量较多时，氧化催化反应将会生成较多的硫酸盐，反而使微粒排放增加。所以采用DOC的柴油发电机应选用含硫量低的柴油。

 

二、NO_x的催化还原装置

 

柴油发电机为了降低排气中的NO_x排放量，采用以氨为还原剂的选择型催化还原装置（Se-lective Catalytic Reduction，SCR）。催化剂一般采用V₂O₃-TiO₂、Ag-Al₂O₃以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。在催化还原装置前供给相对燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（图1），用排气热进行加水分解反应所产生的NH₃（氨）对NO进行选择型还原，其还原反应式为

 

 

 ...........................(公式1)

 

 

 

 

上述反应所需要的工作温度范围是250～500℃。当工作温度过低时，上述NO的还原反应不能有效进行；如果温度过高，会造成催化剂过热而损伤，而且还会使还原剂NH₃直接氧化而损耗并产生新的NO_x。特别是可能生成强温室气体N₂O，即

2 NH₃+2O₂→N₂0+3H₂O  ....................(公式2)

因此，开发SCR催化还原装置时必须注意避免N₂O的生成。

通过机内措施和SCR型催化还原装置的配合使用，在不用DPF（或DPT）下可满足2005年度实施的欧洲排放法规。在柴油发电机稳定工况下，通过各参数的优化控制，不仅对柴油发电机尾气排放物的净化效率可达到90％以上，也可以改善200℃以下的低温过渡工况下的净化效率。

 

图1 SCR催化还原系统

 

 

三、微粒滤清器

 

作为专门控制柴油发电机微粒排放量的控制装置，有以壁流式蜂窝状陶瓷为滤芯的微粒滤清器（DPF）。这种滤芯的结构特点是，每两个相邻的孔道，一个在进口处被堵住，另一个在出口处被堵住。这样排气从孔道流入后，必须穿过多孔性陶瓷壁面才能通过相邻孔道流出，此时将排气中的PM过滤在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面积为2mm×2mm，壁厚为0.4mm左右。蜂窝状陶瓷滤芯体积一般是柴油发电机排量的1～2倍，其最大直径在150～200mm范围内，长度不超过150mm。大排量柴油发电机可采用数个滤芯并联工作。在柴油发电机运行过程中，DPF 滤芯上沉积的PM逐渐增多，使得排气流动阻力增加，直接影响柴油发电机的性能。因此，必须及时清除堆积在滤芯上的PM，以恢复到原来的低阻力状态，这已成为DPF非常重要的问题。而这一清除滤芯上的PM的过程称为DPF的再生。由于PM中绝大部分为可燃物，所以DPF再生的最简便的方法就是定期地烧掉PM。DPF的再生方法有以下几种。

 

1．电加热再生系统

 

这种方法是用电加热器加热DPF，并供给一定量的空气来烧掉PM，使DPF再生（图2）。这种再生法采用关闭DPF流动的方法来再生，所以需要多个DPF。这样每个DPF再生所需要的能量少，但结构复杂。

2．连续再生系统

图3所示为连续再生系统，其结构特点是将DOC和DPF前后安装在同一壳体内。安装在前段的DOC生成氧化活性很强的NO2，由此再生安装在其后段的DPF。为了提高DPF的再生效果，将特殊的DOC安装在DPF的前段，这样在排气过程中前置DOC 中所产生的含有NO2气体的废气直接进入DPF，在排气流动过程中直接进行再生。或者，在DPF中也可以固化氧化剂以提高低温活性。

 

图2 电加热再生系统

图3 连续再生系统

 

3．强制氧化催化再生系统

 

这是一种通过柴油发电机的控制和DOC的结合，使DPF强制升温的DPF再生系统。柴油发电机的控制主要包括喷射时期、EGR、VGS/VNT、排气制动等的控制，由此提高排气温度，使之达到前段DOC中催化剂的活性温度。也可以结合柴油发电机控制，实施燃料后喷射（如下止点附近喷射），以排出未燃HC，使之在前段DOC中燃烧，由此加热DPF使其达到再生的目的（图4）。

 

图4 强制氧化催化再生系统

 

DPF的主要再生方法见表6-2。

表6-2 DPF的再生方法

再生方法		备 注
强制再生	电加热
	微浓加热
	轻柴油燃烧加热
	低温等离子氧化
	逆流空气喷射清洗	逆洗后，用电加热器烧掉PM
	柴油发电机控制＋氧化催化	进排气节流，燃料后喷，排气系喷油
连续再生	催化剂载体DPF
	前段氧化催化	生成NO2
	催化剂载体＋前段氧化
	燃料添加型催化器	燃料添加剂

 

四、DPNR装置

 

目前，在柴油发电机上比较成功的同时降低NO_x和微粒排放量的控制技术，主要由高压共轨电控喷射系统、低温燃烧控制技术、排气燃料添加系统及后处理系统（DPNR装置＋氧化催化器）组成。这项技术通过喷油器启喷压力为180MPa的高压共轨喷射系统，进行多阶段喷射控制，同时以1MPa的压力向排气喷燃料，以便使DPNR内的NO_x还原、微粒氧化。这样也可以防止后处理系统受燃料中硫的侵蚀。

DPNR（Diesel Particulate and NO，Reduction）装置的结构如图5、图6 所示。其特点是，采用陶瓷蜂窝状结构，入口和出口交叉堵塞。在载体内壁设有细孔，保证微粒顺利流动。而在载体壁面和细孔内部固化NO_x吸附还原型催化剂，以便将排气中的NO_x吸附还原。即当稀混合气燃烧时将排气中的NO_x吸附，而在浓混合气燃烧时，释放被吸附的NO_x，并在排气中的HC、CO及还原剂（Pt）的作用下使之还原为N₂。

 

图5 DPNR系统组成图

图6 DPNR催化器截面图

 

 

对微粒的氧化机理是，在空燃比（混合气浓稀）交变的运转过程中，通过吸附和释放NO_x时的氧化还原反应，在催化剂表面上生成活性氧，由此促进微粒的氧化，实现低温领域对微粒的氧化（图7）。

 

图7 DPNR的净化原理图

 

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