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性能特點和作用說明 |
解析康明斯柴油發(fā)電機后處理裝置 |
柴油發(fā)電機一般在平均過量空氣系數(shù)大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發(fā)電機的壓縮比比汽油機高，但其燃燒最高溫度及排氣溫度都比汽油機低，而且排氣中CO、HC排放量也明顯少于汽油機。柴油發(fā)電機的主要有害尾氣排放物是NOx和微粒，以及CO和HC。汽油機在理論空燃比下燃燒時可通過三效催化轉(zhuǎn)化器同時凈化NOx、CO和HC排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發(fā)電機由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉(zhuǎn)化器。所以，根據(jù)其有害尾氣排放物，在柴油發(fā)電機上所采用的主要后處理技術(shù)有氧化催化轉(zhuǎn)化器、NOx的催化還原裝置、微粒濾清器以及DPNR裝置等。
一、氧化催化轉(zhuǎn)化器
氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）只是將排氣中的CO和HC以及PM中的SOF氧化為CO2和H2O。氧化催化劑主要采用Pt（鉑）和Pd（鈀）等貴金屬。為了氧化HC和CO，將Pt、Pd獨立或兩者組合作為催化劑。實際使用的Pt和Pd的質(zhì)量之比在2.3/1附近，一般多采用質(zhì)量比為2/1或2.5/1的催化劑。Pd易受Pb（鉛）的侵蝕，而Pt則容易受熱劣化。
影響催化反應(yīng)的基本因素是反應(yīng)物的含量、溫度及體積流量（又稱空間速度）。所以，為了提高反應(yīng)效率，需要適當(dāng)控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上，空間速度（氣體的體積流量）為每小時數(shù)萬升以下。在反應(yīng)物的含量中很重要的影響因素是氧氣的含量和被氧化物質(zhì)（CO、HC、H2）的含量之間的平衡關(guān)系。因此，為了在排氣過程中氧化HC和CO排放物，或者作為排氣凈化裝置，在采用催化裝置時，需要向排氣系統(tǒng)供給新鮮的空氣，稱此空氣為二次空氣。但是如果柴油中含硫量較多時，氧化催化反應(yīng)將會生成較多的硫酸鹽，反而使微粒排放增加。所以采用DOC的柴油發(fā)電機應(yīng)選用含硫量低的柴油。
二、NOx的催化還原裝置
柴油發(fā)電機為了降低排氣中的NOx排放量，采用以氨為還原劑的選擇型催化還原裝置（Se-lective Catalytic Reduction，SCR）。催化劑一般采用V2O3-TiO2、Ag-Al2O3以及含Cu、Pt、Co或Fe的人造沸石等。在催化還原裝置前供給相對燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（圖1），用排氣熱進(jìn)行加水分解反應(yīng)所產(chǎn)生的NH3（氨）對NO進(jìn)行選擇型還原，其還原反應(yīng)式為
...........................(公式1)
上述反應(yīng)所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當(dāng)工作溫度過低時，上述NO的還原反應(yīng)不能有效進(jìn)行；如果溫度過高，會造成催化劑過熱而損傷，而且還會使還原劑NH3直接氧化而損耗并產(chǎn)生新的NOx。特別是可能生成強溫室氣體N2O，即
2 NH3+2O2→N20+3H2O ....................(公式2)
因此，開發(fā)SCR催化還原裝置時必須注意避免N2O的生成。
通過機內(nèi)措施和SCR型催化還原裝置的配合使用，在不用DPF（或DPT）下可滿足2005年度實施的歐洲排放法規(guī)。在柴油發(fā)電機穩(wěn)定工況下，通過各參數(shù)的優(yōu)化控制，不僅對柴油發(fā)電機尾氣排放物的凈化效率可達(dá)到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過渡工況下的凈化效率。
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圖1 SCR催化還原系統(tǒng) |
三、微粒濾清器
作為專門控制柴油發(fā)電機微粒排放量的控制裝置，有以壁流式蜂窩狀陶瓷為濾芯的微粒濾清器（DPF）。這種濾芯的結(jié)構(gòu)特點是，每兩個相鄰的孔道，一個在進(jìn)口處被堵住，另一個在出口處被堵住。這樣排氣從孔道流入后，必須穿過多孔性陶瓷壁面才能通過相鄰孔道流出，此時將排氣中的PM過濾在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面積為2mm×2mm，壁厚為0.4mm左右。蜂窩狀陶瓷濾芯體積一般是柴油發(fā)電機排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內(nèi)，長度不超過150mm。大排量柴油發(fā)電機可采用數(shù)個濾芯并聯(lián)工作。在柴油發(fā)電機運行過程中，DPF 濾芯上沉積的PM逐漸增多，使得排氣流動阻力增加，直接影響柴油發(fā)電機的性能。因此，必須及時清除堆積在濾芯上的PM，以恢復(fù)到原來的低阻力狀態(tài)，這已成為DPF非常重要的問題。而這一清除濾芯上的PM的過程稱為DPF的再生。由于PM中絕大部分為可燃物，所以DPF再生的最簡便的方法就是定期地?zé)鬚M。DPF的再生方法有以下幾種。
1．電加熱再生系統(tǒng)
這種方法是用電加熱器加熱DPF，并供給一定量的空氣來燒掉PM，使DPF再生（圖2）。這種再生法采用關(guān)閉DPF流動的方法來再生，所以需要多個DPF。這樣每個DPF再生所需要的能量少，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
2．連續(xù)再生系統(tǒng)
圖3所示為連續(xù)再生系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點是將DOC和DPF前后安裝在同一殼體內(nèi)。安裝在前段的DOC生成氧化活性很強的NO2，由此再生安裝在其后段的DPF。為了提高DPF的再生效果，將特殊的DOC安裝在DPF的前段，這樣在排氣過程中前置DOC 中所產(chǎn)生的含有NO2氣體的廢氣直接進(jìn)入DPF，在排氣流動過程中直接進(jìn)行再生?；蛘撸贒PF中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。
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圖2 電加熱再生系統(tǒng) |
圖3 連續(xù)再生系統(tǒng) |
3．強制氧化催化再生系統(tǒng)
這是一種通過柴油發(fā)電機的控制和DOC的結(jié)合，使DPF強制升溫的DPF再生系統(tǒng)。柴油發(fā)電機的控制主要包括噴射時期、EGR、VGS/VNT、排氣制動等的控制，由此提高排氣溫度，使之達(dá)到前段DOC中催化劑的活性溫度。也可以結(jié)合柴油發(fā)電機控制，實施燃料后噴射（如下止點附近噴射），以排出未燃HC，使之在前段DOC中燃燒，由此加熱DPF使其達(dá)到再生的目的（圖4）。
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圖4 強制氧化催化再生系統(tǒng) |
DPF的主要再生方法見表6-2。
表6-2 DPF的再生方法
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再生方法 |
備 注 |
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強制再生 |
電加熱 |
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微濃加熱 |
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輕柴油燃燒加熱 |
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低溫等離子氧化 |
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逆流空氣噴射清洗 |
逆洗后，用電加熱器燒掉PM |
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柴油發(fā)電機控制＋氧化催化 |
進(jìn)排氣節(jié)流，燃料后噴，排氣系噴油 |
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連續(xù)再生 |
催化劑載體DPF |
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前段氧化催化 |
生成NO2 |
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催化劑載體＋前段氧化 |
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燃料添加型催化器 |
燃料添加劑 |
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四、DPNR裝置
目前，在柴油發(fā)電機上比較成功的同時降低NOx和微粒排放量的控制技術(shù)，主要由高壓共軌電控噴射系統(tǒng)、低溫燃燒控制技術(shù)、排氣燃料添加系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)（DPNR裝置＋氧化催化器）組成。這項技術(shù)通過噴油器啟噴壓力為180MPa的高壓共軌噴射系統(tǒng)，進(jìn)行多階段噴射控制，同時以1MPa的壓力向排氣噴燃料，以便使DPNR內(nèi)的NOx還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統(tǒng)受燃料中硫的侵蝕。
DPNR（Diesel Particulate and NO，Reduction）裝置的結(jié)構(gòu)如圖5、圖6 所示。其特點是，采用陶瓷蜂窩狀結(jié)構(gòu)，入口和出口交叉堵塞。在載體內(nèi)壁設(shè)有細(xì)孔，保證微粒順利流動。而在載體壁面和細(xì)孔內(nèi)部固化NOx吸附還原型催化劑，以便將排氣中的NOx吸附還原。即當(dāng)稀混合氣燃燒時將排氣中的NOx吸附，而在濃混合氣燃燒時，釋放被吸附的NOx，并在排氣中的HC、CO及還原劑（Pt）的作用下使之還原為N2。
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圖5 DPNR系統(tǒng)組成圖 |
圖6 DPNR催化器截面圖 |
對微粒的氧化機理是，在空燃比（混合氣濃?。┙蛔兊倪\轉(zhuǎn)過程中，通過吸附和釋放NOx時的氧化還原反應(yīng)，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進(jìn)微粒的氧化，實現(xiàn)低溫領(lǐng)域?qū)ξ⒘５难趸▓D7）。
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圖7 DPNR的凈化原理圖 |
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