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柴油發(fā)電機(jī)的顆粒捕集器原理及可靠性試驗(yàn)
發(fā)布時間:2022-10-10 15:27:56  ▏閱讀:

 

性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)的顆粒捕集器原理及可靠性試驗(yàn)

 

摘要:柴油發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī),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(rèn)的降低PM排放最有效的裝置之一,其捕集效率可達(dá)95%以上??得魉乖?/span>文章中通過合理設(shè)計臺架可靠性試驗(yàn)循環(huán)和過程分析,有效驗(yàn)證DPF系統(tǒng)可靠性。

 

一、顆粒捕集器原理及結(jié)構(gòu)

 

      柴油發(fā)電機(jī)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(wǎng)、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(shù)的使用和再生效果。濾芯應(yīng)滿足較高的性能指標(biāo),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(qiáng)的機(jī)械性能指標(biāo)、熱穩(wěn)定性好及能承受較高的熱負(fù)荷、較小的熱膨脹系數(shù),在外形尺寸相同的情況下背壓小, 背壓增長率低,適應(yīng)再生能力強(qiáng),質(zhì)量輕。

      如圖 1 所示為 DPF系統(tǒng)的捕集原理圖,柴油發(fā)電機(jī)排放的含有大量碳煙微粒的污染物通過排氣管道進(jìn)入 DPF ,捕集器內(nèi)部為蜂窩狀結(jié)構(gòu),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(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(fā)電機(jī)組空載或輕載運(yùn)行中 ,排煙溫度只有 150 ℃左右 ,由于發(fā)電機(jī)剛啟動時柴油發(fā)電機(jī)氣缸溫度較低 ,這時發(fā)電機(jī)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(jī)尾氣升溫 80 ℃到 120 ℃,這樣經(jīng)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(fā)電機(jī)輸出功率的 15 %到 20 %。另外 ,柴油發(fā)電機(jī)排煙管安裝溫度監(jiān)測裝置 ,用于控制加熱裝置投入工作 ,當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷超過 30 %后 ,其排煙溫度一般可達(dá)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(fā)電機(jī),示意圖如圖2所示。由于煙塵凈化器內(nèi)部有陶瓷和水泥 ,為了防止水泥粉塵進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)氣缸 ,煙塵凈化器應(yīng)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(jī)煙塵凈化器之間的排管要求包保溫材料。

 

顆粒捕集器原理圖.png

圖2 顆粒捕集器原理圖

顆粒捕集器安裝圖-柴油發(fā)電機(jī)組.png

圖1 顆粒捕集器安裝圖

 

二、試驗(yàn)方案

 

1、試驗(yàn)方案

      采用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)燃燒實(shí)時自動控制系統(tǒng)技術(shù)方案(組成如圖3所示),可以實(shí)時地自動控制發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行在目標(biāo)燃燒狀態(tài),同時能夠?qū)崟r的監(jiān)控和識別發(fā)動機(jī)異常燃燒,實(shí)時地自動采取保護(hù)動作,從而提高燃燒開發(fā)試驗(yàn)的效率和質(zhì)量,保護(hù)試驗(yàn)安全,節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。該方案為工況1連續(xù)運(yùn)行11次,為確保進(jìn)入工況2前DPF內(nèi)部碳煙燒完,第11次再生完成后全負(fù)荷工況運(yùn)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(yùn)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(nèi)部布置溫度傳感器,監(jiān)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。

 

柴油機(jī)尾氣排放臺架試驗(yàn)裝置.png

圖3  柴油機(jī)尾氣排放臺架試驗(yàn)裝置

柴油發(fā)電機(jī)組DPF中心溫度傳感器布置簡圖.png

圖4  DPF中心溫度傳感器布置簡圖

 

3、加載再生可靠性試驗(yàn)

      按照上述工況進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和后處理評價。試驗(yàn)臺架如圖5所示,試驗(yàn)后各穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)THC轉(zhuǎn)化效率均在80%以上,DOC氧化性能再指標(biāo)范圍內(nèi)。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(yàn)過程中均在6.5±0.5g/L范圍內(nèi),與標(biāo)定值基本一致,隨可靠性試驗(yàn)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?yàn)椴糠謾C(jī)油參與燃燒,DPF內(nèi)部累積灰分,導(dǎo)致碳的加載量減少。

      常規(guī)再生循環(huán)共運(yùn)行200次,可靠性過程中T_DPF_BED溫度在700~860℃內(nèi),自動循環(huán)中碳載量不同最高溫度有所不同,但均在900℃范圍內(nèi),安全域度較大。DTI工況共運(yùn)行20次,DTI工況中,T_DPF_BED迅速上升,36s后達(dá)到最高溫度955℃,,DTI循環(huán)過程中T_DPF_BED最高溫度均在860~960℃范圍內(nèi),未超過1000℃。

 

柴油發(fā)電機(jī)臺架布置圖.png

圖5  柴油發(fā)電機(jī)臺架布置圖 

外特性下加裝后處理前后柴油機(jī)動力性對比.png

圖6  外特性下加裝后處理前后柴油機(jī)動力性對比

 

三、結(jié)論

 

(1)耐久性試驗(yàn)中,DOC、DPF內(nèi)部溫度未超過900℃,同時DTI工況下DPF內(nèi)部溫度最高值在1000℃以內(nèi),在載體安全溫度范圍內(nèi);

(2)耐久性試驗(yàn)后,DOC、DPF外部無開裂、載體無裂紋;

(3)DOC的CO、HC轉(zhuǎn)化效率未出現(xiàn)惡化現(xiàn)象,PM捕集效率未出現(xiàn)惡化現(xiàn)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(chǎn)品質(zhì)量。


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