柴油发电机的颗粒捕集器机理及可靠性试验

摘要：柴油发电机排气的有害成分具体有CO、HC、NOx、硫化物以及颗粒物、臭味气体等，因为柴油发电机使用的混合气平均空燃比比理论空燃比大柴油发电机组成图解，故其CO及HC排放明显低于柴油机，但NOx、颗粒物及臭味气体却偏高。目前，尾气处置技术主用技术有选用性催化还原（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减轻PM排放较有效的装备之一，其捕集效率可达95%以上。康明斯在

      柴油发电机颗粒捕集器的工作主体是过滤器，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。滤芯决定滤芯的过滤效率、工作可靠性、使用时限以及再生技术的使用和再生效果。滤清器应满足较高的性能指标，具有过高的过滤效率，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过高的热负载、较小的热膨胀系数，在外形尺寸相同的情况下背压小， 背压延迟率低柴油发电机型号规格及功率，适应再生能力强，品质轻。

      如图 1 所示为 DPF系统的捕集机理图，柴油发电机排放的含有大量碳烟微粒的污染物通过排烟管道进入 DPF ，捕集器内部为蜂窝状构成，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。 大部分微粒因为体积过量而不能穿越壁孔，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转中 ，排烟温度只有 150 ℃左右 ，因为发电机刚起动时柴油发电机气缸温度较低 ，这时发电机的排气状况是较差的。因此 ，康明斯发电机公司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 ，加热器总容量约占发电机输出容量的 15 %到 20 %。另外 ，柴油发电机排烟管装配温度监测设备 ，用于控制加热装备投入工作 ，当柴发机组的负载超过 30 %后 ，其排烟温度一般可达到 220 ℃以上 ，这时候温控设备切断加热装备电源 ，让其脱离工作。

      因为温度对烟尘净化器的作业影响很大 ，温度越高 ，其工作效果越好 ，因此烟尘净化器的装配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 ，为了预防水泥粉尘进入柴油发电机气缸 ，烟尘净化器该当水平装配。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。

      采用发电机台架试验燃烧实时自动控制装置技术方案（构造如图3所示），可以实时地自动控制发电机始终运行在目标燃烧状态，同时能够实时的监控和辨识发电机异常燃烧，实时地自动采取保护动作，从而增强燃烧开发试验的效率和品质，保护试验安全，节约试验费用。该途径为工况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转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。

      在DPF前后以及DPF载体内部布置温度探头，监控再生程序中温度变化情形。DPF中心温度传感器布置如图4所示。

      按照上述工况进行可靠性试验和后解除评价。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，与标定值基础一致，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，这是由于部分机油参与燃烧，DPF内部累积灰分，致使碳的加载量降低。

      常规再生循环共运行200次，可靠性流程中T_DPF_BED温度在700～860℃内柴油机常见故障诊断及排除，自动循环中碳载量不一样较发烫度有所不一样，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后达到较发热度955℃，，DTI循环步骤中T_DPF_BED较高温度均在860～960℃范围内，未超过1000℃。

（1）耐久性试验中，DOC、DPF内部温度未超过900℃，同时DTI工况下DPF内部温度较高值在1000℃以内，在载体安全温度范围内；

（4）DPF累碳能力无恶化，DOC对THC氧化能力在80%以上，通过考核。通过此工况高效考核了DPF，保证了产品品质。