重康动力（深圳）有限公司

 

性能特点和作用说明

柴油发电机的颗粒捕集器原理及可靠性试验

 

摘要：柴油发电机排气的有害成分主要有CO、HC、NOx、硫化物以及颗粒物、臭味气体等，由于柴油发电机使用的混合气平均空燃比比理论空燃比大，故其CO及HC排放明显低于汽油机，但NOx、颗粒物及臭味气体却较高。目前，尾气处理技术常用技术有选择性催化还原（SCR），氧化催化（DOC），颗粒捕捉器（DPF）等技术。其中，颗粒捕集器是公认的降低PM排放最有效的装置之一，其捕集效率可达95%以上。康明斯在文章中通过合理设计台架可靠性试验循环和过程分析，有效验证DPF系统可靠性。

 

一、颗粒捕集器原理及结构

 

      柴油发电机颗粒捕集器的工作主体是滤芯，常用的过滤材料有泡沫陶瓷、壁流式蜂窝陶瓷、金属丝网、陶瓷纤维等。滤芯决定过滤器的过滤效率、工作可靠性、使用寿命以及再生技术的使用和再生效果。滤芯应满足较高的性能指标，具有较高的过滤效率，具有大的过滤面积、耐热冲击性好、较强的机械性能指标、热稳定性好及能承受较高的热负荷、较小的热膨胀系数，在外形尺寸相同的情况下背压小，背压增长率低，适应再生能力强，质量轻。

      如图1所示为DPF系统的捕集原理图，柴油发电机排放的含有大量碳烟微粒的污染物通过排气管道进入DPF，捕集器内部为蜂窝状结构，其两端一边是敞开，一边是堵塞的通道壁，废气从敞开的一端进入，穿越多孔的蜂窝壁，然后从相邻的通道排出。大部分微粒由于体积过大而无法穿越壁孔，因而被吸附在通道壁上而不会排放到空气中。

      在发电机组空载或轻载运行中，排烟温度只有150℃左右，由于发电机刚启动时柴油发电机气缸温度较低，这时发电机的排烟情况是最差的。因此，我们在催化剂陶瓷载体前增加了加热装置，将柴油发电机尾气升温80℃到120℃，这样经过催化剂陶瓷载体时的气温可以保持在220℃以上，加热器总功率约占发电机输出功率的15%到20%。另外，柴油发电机排烟管安装温度监测装置，用于控制加热装置投入工作，当柴油发电机组的负荷超过30%后，其排烟温度一般可达到220℃以上，这时候温控装置切断加热装置电源，让其脱离工作。

      由于温度对烟尘净化器的工作影响很大，温度越高，其工作效果越好，因此烟尘净化器的安装位置要求尽量靠近柴油发电机，示意图如图2所示。由于烟尘净化器内部有陶瓷和水泥，为了防止水泥粉尘进入柴油发电机气缸，烟尘净化器应该水平安装。另外，为了保证进入烟尘净化器的气体温度，在柴油发电机烟尘净化器之间的排管要求包保温材料。

 

图1  颗粒捕集器原理图

图2  颗粒捕集器安装图

 

二、应用优势

 

      颗粒捕集器（DPF）在柴油发电机组上的应用，通过高效物理拦截与再生技术解决了尾气颗粒物污染问题，尤其适用于需长期运行或位于敏感区域（如数据中心、医院）的机组。其核心优势体现在以下方面：

1、环保合规性提升

（1）高效净化颗粒物DPF对碳烟颗粒物（PM）的捕集效率达90%以上，处理后尾气林格曼黑度≤1级，满足《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-1996）二级要求，可直接低空排放，无需加高烟囱。特别针对PM2.5等可吸入颗粒物，显著降低对环境和人体健康的危害，符合国3等严苛法规。

（2）适应多样化场景：适用于医院、数据中心、机场等对排放敏感的场所，解决柴油机组负载运转时燃烧不充分产生的黑烟问题。

2、经济性与运维成本优化

（1）低能耗与长维护周期：采用被动再生技术时，利用尾气自身热量（＞250°C）自然清除碳烟，无需额外能源消耗。如康明斯DPF在燃油品质较差时，终生仅需1~2次清灰，维护成本极低。

（2）再生技术革新降低人工成本：电加热主动再生系统解决低温机型排气温度不足的痛点，再生耗时仅20~30分钟，耗电1~2度，无需拆卸滤芯；对比传统喷油再生或人工清理，综合成本降低50%以上。康明斯DPF采用可抽出单元式设计，堵塞时可直接水洗再生，大幅缩短维护时间。

3、性能与可靠性增强

（1）结构设计保障高效过滤：多孔陶瓷/金属滤芯（如康明斯合金丝滤芯）折波深度达4.5~5cm（优于市场常见的2~3cm），提升吸附能力和容碳量，延长堵塞周期。默认工作背压≤6kPa，超压至8kPa时触发旁通报警，保护发动机安全运行。

（2）集成降噪与空间节省：DPF兼具消声功能，可替代第二级消声器，减少设备体积和安装复杂度。其模块化设计（如镀锌外壳+可拆侧盖）便于检查滤芯，适应狭小空间安装。

4、技术适应性突破

（1）应对低温与极端工况：电加热再生技术解决低温车型（-30℃环境）再生难题，确保高寒地区设备稳定性。钛酸镁等新型DPF材料耐热性高、背压损失低，进一步提升过滤效率（实验室阶段）。

（2）兼容低品质燃油：康明斯DPF通过催化涂层优化，在燃油硫含量较高时仍保持高效再生，降低对燃油品质的依赖。

表1  柴油发电机颗粒捕集器主流再生技术对比

 

三、试验方案

 

      颗粒捕集器（DPF/GPF）试验的核心目的是系统验证其性能、可靠性和合规性，确保其在真实使用中能长期稳定地降低颗粒物排放，同时避免对柴油发电机组运行造成负面影响。

1、试验目的

（1）过滤效率测试：验证捕集器在不同工况（冷启动、高速、低速、急加速等）下对颗粒物（尤其是 PM（颗粒物质量） 和 PN（颗粒物数量））的拦截能力。

（2）再生能力验证

① 被动再生效率：测试在常规中运行时，利用尾气温度自然清除碳烟的效果。

② 主动再生触发逻辑：验证ECU在碳载量达到阈值时能否准确触发主动再生（如喷油策略、温度控制）。

③ 极端工况验证：模拟频繁低温低负荷，测试再生失败风险及系统应对策略。

（3）标准排放循环测试：在WLTC（全球统一循环）或RDE（实际运行排放）测试中，验证颗粒物排放是否符合法规限值。关键指标为PN/PM实时排放曲线、总累积排放量。

（4）诊断能力测试：确保故障诊断系统能按法规要求监测DPF/GPF状态（如压差超标、再生超时），并点亮故障灯（MIL）。

2、试验方案

      采用发动机台架试验燃烧实时自动控制系统技术方案（组成如图3所示），可以实时地自动控制发动机始终运行在目标燃烧状态，同时能够实时的监控和识别发动机异常燃烧，实时地自动采取保护动作，从而提高燃烧开发试验的效率和质量，保护试验安全，节约试验费用。该方案为工况1连续运行11次，为确保进入工况2前DPF内部碳烟烧完，第11次再生完成后全负荷工况运行40min，再进入工况2，工况1：工况2=11：1。取整后可靠性共运行220次加载再生循环累计385h。

3、传感器布置

      在DPF前后以及DPF载体内部布置温度传感器，监控再生过程中温度变化情况。DPF中心温度传感器布置如图4所示。

 

图3  柴油机尾气排放台架试验装置

图4  DPF中心温度传感器布置简图

 

4、加载再生可靠性试验

      按照上述工况进行可靠性试验和后处理评价。试验台架如图5所示，试验后各稳态工况点THC转化效率均在80%以上，DOC氧化性能再指标范围内。DOC+DPF后端测得的FSN值均小于0.01，且排气尾管无任何黑烟，后处理过滤效果良好（加装后对比图如图6所示）。DPF累碳量试验过程中均在6.5±0.5g/L范围内，与标定值基本一致，随可靠性试验进行，累碳能力稍微下降，220次循环后累碳量在18.9g，这是因为部分机油参与燃烧，DPF内部累积灰分，导致碳的加载量减少。

      常规再生循环共运行200次，可靠性过程中T_DPF_BED温度在700～860℃内，自动循环中碳载量不同最高温度有所不同，但均在900℃范围内，安全域度较大。DTI工况共运行20次，DTI工况中，T_DPF_BED迅速上升，36s后达到最高温度955℃，，DTI循环过程中T_DPF_BED最高温度均在860～960℃范围内，未超过1000℃。

 

图5  柴油发电机台架布置图

图6  外特性下加装后处理前后柴油机动力性对比

 

5、试验结论

（1）耐久性试验中，DOC、DPF内部温度未超过900℃，同时DTI工况下DPF內部温度最高值在1000℃以内，在载体安全温度范围内；

（2）耐久性试验后，DOC、DPF外部无开裂、载体无裂纹；

（3）DOC的CO、HC转化效率未出现恶化现象，PM捕集效率未出现恶化现象；

（4）DPF累碳能力无恶化，DOC对THC氧化能力在80%以上，通过考核。通过此工况有效考核了DPF，保证了产品质量。

 

总结：

DPF在柴油发电机组上的核心价值在于环保刚性需求、全生命周期低成本、安全可靠、集成优化等维度，随着数据中心备用电源需求激增（2028年柴发市场预计达131.6亿元），DPF已成为柴发环保升级的必选项，也是企业实现绿色运营的关键技术支撑。因此，颗粒捕集器试验的本质是在实验室中“模拟一生”，最终目标是为用户提供一个“无感却有效”的环保系统——既清洁了空气，又不增添成本负担。

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