性能特點和作用說明

解析康明斯柴油發電機后處理裝置

 

柴油發電機一般在平均過量空氣系數大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發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。柴油發電機的主要有害尾氣排放物是NO_x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化器同時凈化NO_x、CO和HC排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發電機由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉化器。所以，根據其有害尾氣排放物，在柴油發電機上所采用的主要后處理技術有氧化催化轉化器、NO_x的催化還原裝置、微粒濾清器以及DPNR裝置等。

 

一、氧化催化轉化器

 

氧化催化轉化器（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的質量之比在2.3/1附近，一般多采用質量比為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。

 

影響催化反應的基本因素是反應物的含量、溫度及體積流量（又稱空間速度）。所以，為了提高反應效率，需要適當控制這些因素。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）為每小時數萬升以下。在反應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（CO、HC、H₂）的含量之間的平衡關系。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的柴油發電機應選用含硫量低的柴油。

 

二、NO_x的催化還原裝置

 

柴油發電機為了降低排氣中的NO_x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），用排氣熱進行加水分解反應所產生的NH₃（氨）對NO進行選擇型還原，其還原反應式為

 

 

 ...........................(公式1)

 

 

 

 

上述反應所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當工作溫度過低時，上述NO的還原反應不能有效進行；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生新的NO_x。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SCR催化還原裝置時必須注意避免N₂O的生成。

通過機內措施和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。在柴油發電機穩定工況下，通過各參數的優化控制，不僅對柴油發電機尾氣排放物的凈化效率可達到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過渡工況下的凈化效率。

 

圖1 SCR催化還原系統

 

 

三、微粒濾清器

 

作為專門控制柴油發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）。這種濾芯的結構特點是，每兩個相鄰的孔道，一個在進口處被堵住，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電機排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內，長度不超過150mm。大排量柴油發電機可采用數個濾芯并聯工作。在柴油發電機運行過程中，DPF 濾芯上沉積的PM逐漸增多，使得排氣流動阻力增加，直接影響柴油發電機的性能。因此，必須及時清除堆積在濾芯上的PM，以恢復到原來的低阻力狀態，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燒掉PM。DPF的再生方法有以下幾種。

 

1．電加熱再生系統

 

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，但結構復雜。

2．連續再生系統

圖3所示為連續再生系統，其結構特點是將DOC和DPF前后安裝在同一殼體內。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 中所產生的含有NO2氣體的廢氣直接進入DPF，在排氣流動過程中直接進行再生。或者，在DPF中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。

 

圖2 電加熱再生系統

圖3 連續再生系統

 

3．強制氧化催化再生系統

 

這是一種通過柴油發電機的控制和DOC的結合，使DPF強制升溫的DPF再生系統。柴油發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，使之達到前段DOC中催化劑的活性溫度。也可以結合柴油發電機控制，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使其達到再生的目的（圖4）。

 

圖4 強制氧化催化再生系統

 

DPF的主要再生方法見表6-2。

表6-2 DPF的再生方法

再生方法		備 注
強制再生	電加熱
	微濃加熱
	輕柴油燃燒加熱
	低溫等離子氧化
	逆流空氣噴射清洗	逆洗后，用電加熱器燒掉PM
	柴油發電機控制＋氧化催化	進排氣節流，燃料后噴，排氣系噴油
連續再生	催化劑載體DPF
	前段氧化催化	生成NO2
	催化劑載體＋前段氧化
	燃料添加型催化器	燃料添加劑

 

四、DPNR裝置

 

目前，在柴油發電機上比較成功的同時降低NO_x和微粒排放量的控制技術，主要由高壓共軌電控噴射系統、低溫燃燒控制技術、排氣燃料添加系統及后處理系統（DPNR裝置＋氧化催化器）組成。這項技術通過噴油器啟噴壓力為180MPa的高壓共軌噴射系統，進行多階段噴射控制，同時以1MPa的壓力向排氣噴燃料，以便使DPNR內的NO_x還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統受燃料中硫的侵蝕。

DPNR（Diesel Particulate and NO，Reduction）裝置的結構如圖5、圖6 所示。其特點是，采用陶瓷蜂窩狀結構，入口和出口交叉堵塞。在載體內壁設有細孔，保證微粒順利流動。而在載體壁面和細孔內部固化NO_x吸附還原型催化劑，以便將排氣中的NO_x吸附還原。即當稀混合氣燃燒時將排氣中的NO_x吸附，而在濃混合氣燃燒時，釋放被吸附的NO_x，并在排氣中的HC、CO及還原劑（Pt）的作用下使之還原為N₂。

 

圖5 DPNR系統組成圖

圖6 DPNR催化器截面圖

 

 

對微粒的氧化機理是，在空燃比（混合氣濃稀）交變的運轉過程中，通過吸附和釋放NO_x時的氧化還原反應，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進微粒的氧化，實現低溫領域對微粒的氧化（圖7）。

 

圖7 DPNR的凈化原理圖

 

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