康明斯动力设备（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2 颗粒捕集器原理图

图1 颗粒捕集器安装图

 

二、试验方案

 

1、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。

2、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

 

3、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

 

三、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。

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