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性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明 |
柴油發(fā)電機的顆粒捕集器原理及可靠性試驗 |
摘要：柴油發(fā)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(fā)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(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，顆粒捕集器是公認的降低PM排放最有效的裝置之一，其捕集效率可達95%以上?？得魉乖?/span>文章中通過(guò)合理設計臺架可靠性試驗循環(huán)和過(guò)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(fā)電機顆粒捕集器的工作主體是濾芯，常用的過(guò)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(guò)濾器的過(guò)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。濾芯應滿(mǎn)足較高的性能指標，具有較高的過(guò)濾效率，具有大的過(guò)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(cháng)率低，適應再生能力強，質(zhì)量輕。
如圖 1 所示為 DPF系統的捕集原理圖，柴油發(fā)電機排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過(guò)排氣管道進(jìn)入 DPF ，捕集器內部為蜂窩狀結構，其兩端一邊是敞開(kāi)，一邊是堵塞的通道壁，廢氣從敞開(kāi)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(guò)大而無(wú)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)電機組空載或輕載運行中 ，排煙溫度只有 150 ℃左右 ，由于發(fā)電機剛啟動(dòng)時(shí)柴油發(fā)電機氣缸溫度較低 ，這時(shí)發(fā)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(fā)電機尾氣升溫 80 ℃到 120 ℃，這樣經(jīng)過(guò)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)電機輸出功率的 15 %到 20 %。另外 ，柴油發(fā)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(fā)電機組的負荷超過(guò) 30 %后 ，其排煙溫度一般可達到 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，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(jìn)入柴油發(fā)電機氣缸 ，煙塵凈化器應該水平安裝。另外 ，為了保證進(jìn)入煙塵凈化器的氣體溫度 ， 在柴油發(fā)電機煙塵凈化器之間的排管要求包保溫材料。
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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(fā)動(dòng)機臺架試驗燃燒實(shí)時(shí)自動(dòng)控制系統技術(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)機始終運行在目標燃燒狀態(tài)，同時(shí)能夠實(shí)時(shí)的監控和識別發(fā)動(dòng)機異常燃燒，實(shí)時(shí)地自動(dòng)采取保護動(dòng)作，從而提高燃燒開(kāi)發(fā)試驗的效率和質(zhì)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(jìn)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(jìn)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(huán)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(guò)程中溫度變化情況。DPF中心溫度傳感器布置如圖4所示。
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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(jiǎn)圖 |
3、加載再生可靠性試驗
按照上述工況進(jìn)行可靠性試驗和后處理評價(jià)。試驗臺架如圖5所示，試驗后各穩態(tài)工況點(diǎn)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(wú)任何黑煙，后處理過(guò)濾效果良好（加裝后對比圖如圖6所示）。DPF累碳量試驗過(guò)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(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(huán)共運行200次，可靠性過(guò)程中T_DPF_BED溫度在700～860℃內，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，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(huán)過(guò)程中T_DPF_BED最高溫度均在860～960℃范圍內，未超過(guò)1000℃。
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圖5 柴油發(fā)電機臺架布置圖 |
圖6 外特性下加裝后處理前后柴油機動(dòng)力性對比 |
三、結論
（1）耐久性試驗中，DOC、DPF內部溫度未超過(guò)900℃，同時(shí)DTI工況下DPF內部溫度最高值在1000℃以?xún)?，在載體安全溫度范圍內；
（2）耐久性試驗后，DOC、DPF外部無(wú)開(kāi)裂、載體無(wú)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(wú)惡化，DOC對THC氧化能力在80%以上，通過(guò)考核。通過(guò)此工況有效考核了DPF，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
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