性能特點和作用說明 |
柴油發電機的顆粒捕集器原理及可靠性試驗 |
摘要:柴油發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,尾氣處理技術常用技術有選擇性催化還原(SCR),氧化催化(DOC),顆粒捕捉器(DPF)等技術。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。康明斯在文章中通過合理設計臺架可靠性試驗循環和過程分析,有效驗證DPF系統可靠性。
一、顆粒捕集器原理及結構
柴油發電機顆粒捕集器的工作主體是濾芯,常用的過濾材料有泡沫陶瓷、壁流式蜂窩陶瓷、金屬絲網、陶瓷纖維等。濾芯決定過濾器的過濾效率、工作可靠性、使用壽命以及再生技術的使用和再生效果。濾芯應滿足較高的性能指標,具有較高的過濾效率,具有大的過濾面積、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, 背壓增長率低,適應再生能力強,質量輕。
如圖 1 所示為 DPF系統的捕集原理圖,柴油發電機排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進入 DPF ,捕集器內部為蜂窩狀結構,其兩端一邊是敞開,一邊是堵塞的通道壁,廢氣從敞開的一端進入,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大而無法穿越壁孔,因而被吸附在通道壁上而不會排放到空氣中。
在發電機組空載或輕載運行中 ,排煙溫度只有 150 ℃左右 ,由于發電機剛啟動時柴油發電機氣缸溫度較低 ,這時發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 ,將柴油發電機尾氣升溫 80 ℃到 120 ℃,這樣經過催化劑陶瓷載體時的氣溫可以保持在 220 ℃以上 ,加熱器總功率約占發電機輸出功率的 15 %到 20 %。另外 ,柴油發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 ,當柴油發電機組的負荷超過 30 %后 ,其排煙溫度一般可達到 220 ℃以上 ,這時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入柴油發電機氣缸 ,煙塵凈化器應該水平安裝。另外 ,為了保證進入煙塵凈化器的氣體溫度 , 在柴油發電機煙塵凈化器之間的排管要求包保溫材料。
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
采用發動機臺架試驗燃燒實時自動控制系統技術方案(組成如圖3所示),可以實時地自動控制發動機始終運行在目標燃燒狀態,同時能夠實時的監控和識別發動機異常燃燒,實時地自動采取保護動作,從而提高燃燒開發試驗的效率和質量,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,監控再生過程中溫度變化情況。DPF中心溫度傳感器布置如圖4所示。
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圖 |
3、加載再生可靠性試驗
按照上述工況進行可靠性試驗和后處理評價。試驗臺架如圖5所示,試驗后各穩態工況點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,且排氣尾管無任何黑煙,后處理過濾效果良好(加裝后對比圖如圖6所示)。DPF累碳量試驗過程中均在6.5±0.5g/L范圍內,與標定值基本一致,隨可靠性試驗進行,累碳能力稍微下降,220次循環后累碳量在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。
常規再生循環共運行200次,可靠性過程中T_DPF_BED溫度在700~860℃內,自動循環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循環過程中T_DPF_BED最高溫度均在860~960℃范圍內,未超過1000℃。
圖5 柴油發電機臺架布置圖 |
圖6 外特性下加裝后處理前后柴油機動力性對比 |
三、結論
(1)耐久性試驗中,DOC、DPF內部溫度未超過900℃,同時DTI工況下DPF內部溫度最高值在1000℃以內,在載體安全溫度范圍內;
(2)耐久性試驗后,DOC、DPF外部無開裂、載體無裂紋;
(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累碳能力無惡化,DOC對THC氧化能力在80%以上,通過考核。通過此工況有效考核了DPF,保證了產品質量。
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