柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究

柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究 Vol.24No.1 第24卷第1期 山东建筑大学学报 JOURNALOFSHANDONGJIANZHUUNIVERSITY Feb.2009 2009年2月 文章编号:1673-7644(2009)01-0026-05 柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究 张勇1,张春玲2,刘鲁宁3,许伯彦1,齐运亮1 (1.山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101;2.济南工程职业技术学院,山东济南250200;3.济南大 学机械工程学院,山东济南250022) 摘要:我国目前使用的柴油含硫量高,易造成贵金属催化剂失效。针对这一问题,设计开发了两种适用于高含 硫柴油的尾气净化装置(DPF),它们分别使用碳化硅纤维无纺布和金属丝网材料作为过滤载体。台架试验和 装车运行试验表明,这两种DPF具有良好的性能,碳烟捕集率高,再生方便,对于降低城市公交车的碳烟具有明 显效果。 关键词:柴油机颗粒过滤器;再生;数据采集 中图分类号:TK414.5 文献标识码:A Anexperimentalstudyofimprovingthedieselparticulatefilter ZHANGYong1,ZHANGChun2ling2,LIULu2ning3,etal. (1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ShandongJianzhuUniversity,Jinan250101,China;2.Jinan EngineeringVocationalTechnicalCollege,Jinan250200,China;3.SchoolofMechanicalEngineering,JinanUniver2 sity,Jinan250022,China) Abstract:TwotypesofDPFaredevelopedtoaccommodatethepresentsituationofhighersulfurin dieselinchina;onefilterismadeofSiCnon2wovenfabrics,theotherismadeofmetalmesh.There2 sultsboththebenchtestandroadtestshowthat,bothtypesofDPFhavehighsmoketrapefficiency andcouldberegeneratedwithconvenience. Keywords:dieselparticulatefilter;regeneration;datacollection 等)催化剂的DPF称之为连续再生DPF。催化剂可 0 引言 以降低PM燃烧的着火点,因此捕集了碳烟的DPF 以柴油为燃料的卡车和城市公交车排出的碳烟 可以利用柴油机的排气温度来实现边捕集边再生, (PM)和氮氧化物(NOx)已成为城市大气的主要污 而柴油中的硫含量是这一技术使用的先决条件。目 染源之一。为了同时减少PM和NOx,目前国际上 前国际上欧美、日本等国使用的柴油中的含硫量一 普遍采用内部含有催化剂的DPNR装置。一般是由 般低于50×10-6。如果柴油中硫含量过高,燃烧后 DPF+SCR(DieselParticulateFilter+SelectiveCata2 生成的SO2会与催化剂发生反应,造成催化剂中毒 lyticReduction)装置组成[1]。其中DPF主要用于对 失效。目前,除北京、上海、广州等少数大城市之外, 黑烟PM的处理,国外广泛采用含有贵金属(Pt,Pa 其它大部分城市和地区供应的柴油的硫含量超标问 :2008-11-10 收稿日期 :20070112 基金项目山东省科技攻关计划项目(GGB3) :1982-. 作者简介张勇(),男,山东威海人,山东建筑大学机电工程学院在读硕士,主要从事柴油机尾气净化研究 第1期 张勇等:柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究 27 题一直困扰和限制了国?排放法规的真正实施,并 是材料的耐高温程度。要求DPF的捕集能够使尾 且在2009年12月底前难于改变。即使2010年以 气的排放达到国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,同时又要考虑所产生的排 后,柴油内的硫含量也只能控制在350×10-6的水 气背压以及再生过程中产生的超过1000?的高温 平[2,3]。 的情况。 我国从上世纪80年代中期就开始了DPF问题 强制再生式DPF的碳烟颗粒过滤材质是一种 的探索和研究工作,但进展缓慢,对于DPF的材质 专门的碳化硅纤维无纺布,并在滤芯内部装置加热 和DPF的再生问题的研究依然没有得到实质性进 丝。加热时接汽车蓄电池和发动机同时对电热丝提 展。目前,我国从事研发和生产DPF的企业不多, 供电源。当排气背压达到限定值时,通过控制单元 国内基本无法提供具有成熟应用的DPF产品。奥 控制自动进行再生,利用加热时产生的热量使捕集 运前夕,北京政府招标100台DPF,安装在公交、环 的碳烟进行燃烧从而保持连续的捕集工作。 卫、邮政等系统的柴油车上作试点,其中标单位全为 图1为DPF台架试验台,表1为试验使用的测 外企[4]。 试设备。发动机采用6105Q直接喷射式发动机。 针对我国柴油品质高含硫以及城市公交车的使 DPF滤芯的内部有三个过滤体,结构如图2所示,正 用特点,根据柴油机微粒捕集器在材质和再生方式 常工作时,同一时刻有两个过滤体捕集微粒,一个过 所面临的障碍,本文从短期内能够实用化,能够降低 滤体通电加热再生。试验时,将发动机预热至冷却 城市公交车冒黑烟的目的出发,分别开发了适用于 水温80?,机油温度60?,然后将负荷自动设定为 长途公交车的边捕集边再生的,使用SiC纤维无纺 300N,2500r/min。连续运行30min后,分别测得再 布作为过滤材质的强制再生式DPF和适用于市区 生前后DPF入口处的排气背压的变化如图3所示, 内固定行驶路线使用,每天行驶距离在200km以内 可以看到在发动机大负荷工作状态下发动机运转 的使用金属丝网作为过滤材质的固定反吹再生式 20min后发动机排气背压从106kPa上升到 DPF。并通过大量的台架试验和道路车载试验,分 113.5kPa,增加了约7.5kPa,说明了过滤体在捕集 别对所开发的两种DPF进行了性能测试,结果表明 了20min后有必要开始通电再生。否则,随着捕集 所开发的DPF完全可以满足使用,具有很高的碳烟 时间的进一步增加,排气背压上升将导致柴油机燃 捕集效果。 料经济性下降。图4是安装DPF前后排气温度、排 气烟度的时间曲,表明了安装DPF后在大负荷工况 下碳烟捕集达到70%以上。 1 强制再生式DPF试验研究 表1 试验设备名称与型号 阻力特性和微粒捕集能力是过滤材料的两个最 设备名称型号 为重要的指标。一般来说对同一种材料,在相同的 发动机测控系统普联FC2000 电涡流测功机GW160 过滤面积下,要减小排气阻力则需降低对微粒捕集 不透光烟度计AVLDISMOKE4000 效率的要求。在实际应用中只能追求二者的综合 智能油耗仪FC2210Z 性。DPF再生过程中对材质要求另外一项重要指标 图 台架试验台 图 DF解剖构造12P 28 山东建筑大学学报 2009年 为了验证DPF微粒捕集的作用,通过实验分别 再生后20min的排气压力,说明再生前,微粒附着在 测得转速2500r/min,扭矩250N瑨m下,DPF微粒捕 过滤体上,使得排气不通畅,再生后由于微粒已经燃 集完毕时的排气压力与DPF再生30min后的排气 烧随气流排出,使得过滤体流通面积增加,排气压力 压力,实验时间均为20min,DPF内部微粒再生以前 降低。从而可以得知,如果DPF得不到及时再生, 和再生以后排气压力对比曲线如图3所示。可以看 会使排气压力逐渐升高,使得发动机动力性和经济 出再生前后,再生前20min的排气压力要明显高于 性下降。 图3 再生前后DPF入口处排气压力对比曲线 图4 安装DPF前后排气烟度对比曲线 将3个热电偶分别埋入碳化硅无纺布的内层, 系统费成本较贵,在中国国内市场这样的高价显然 另外3个热电偶置于过滤体的入口,分别测得三个 是不能在道路公交车上使用的。因此,为了降低成 滤芯表面再生时的瞬时温度和其入口的温度的变化 本本文进一步开发了适用于城市公交车的固定式反 由外接直流电源对捕集后的强制再生DPF进行再 吹再生DPF。 生试验,再生过程中三个滤芯表面的温度变化如图 5所示。可以看出加热10min后,三个滤芯的表面 2 反吹再生式DPF的车载试验 温度都可以达到600?左右,因此可以认为被吸附 于碳化硅纤维无纺布表面的碳烟(SOOT)被加热开 针对上述强制再生式DPF制造成本高的不足, 始燃烧,DPF再生。显然这种过滤体方式的强制再 进一步设计开发了以金属丝网为过滤体的DPF装 生DPF在使用过程中与柴油的品质无关并且碳烟 置。目前,国内外研究的DPF多采用壁流式DPF, 捕集率也能达到70%以上,这种强制再生式DPF装 其滤芯多为筒状,尾气净化多采用轴向过滤。反吹 置目前已经在日本横滨市等公交车上使用。存在的 再生时热空气也为轴向流动。经试验发现发现轴向 不足是碳化硅纤维无纺布的捕集材料和复杂的控制 过滤式反吹再生DPF存在以下问题: (1)尾气轴向流动造成碳烟捕集不均,前端堆 积严重; (2)再生时由于碳烟捕集不均使得DPF滤体受 热不均易产生变形; (3)反吹热空气轴向流动在DPF外部热量损失大。 本文开发的反吹式再生DPF是采用高孔隙率 金属丝网卷制而成的滤芯如图6所示,尾气过滤为 径向均匀捕集,反吹热空气从滤芯内部进入避免热 量损失其结构简图如图7所示,高温空气从DPF中 P 心设置的导入管(管壁开有孔)流出后,再向DF滤 图5 再生温度变化曲线 芯的内侧向外周流出,同时发动机排气的流向也改 第1期 张勇等:柴油机尾气处理装置(DPF)的试验研究 29 为从其DPF滤芯的内侧向外流出,高温空气由导入 出时,高温空气的热量可以尽可能多的用于滤芯的 管外周开的很多小孔向DPF滤芯的内侧中空部吹 加热,热损失小,而且可以实现对DPF的均匀加热。 图6 高孔隙率滤芯 图7 反吹再生DPF 结构图 人力资源部组织结构图钢结构图纸会审六年级数学知识结构图单元知识结构图社区居委组织结构图 当开发的图7所示的金属丝网DPF安装在公 的尾气不产生过大的噪音。 交车后,必须预防的问题之一是假如流入高温空气 图9为开发的反吹再生装置。它以LPG为加 中央导管被堵塞或者是由于何种原因DPF没有及 热源,以市场上出售的LPG燃烧器燃烧专用辅助风 时再生时,捕集的大量碳烟将使得金属丝网DPF的 机与大容量鼓风机为基本构成,并配以本研究开发 排气背压变的过高而导致公交车熄火。为了防止这 的电控单元(ECU)。将LPG燃烧放出的热功率设 种突发故障,在DPF上设置了旁通阀以及旁通管 为23kW,为了帮助燃烧,燃烧器用辅助风机用的风 路,其旁通阀和旁通管路如图8所示,当排气背压大 量是0.6m3/min,燃烧后形成的高温燃烧气体进一 于旁通阀的弹簧所设定的压力时,旁通阀自动打开, 步在混合室内与大容量鼓风机压入的空气进一步均 使尾气经旁通阀?旁通管路排除。同时旁通管路内 匀混合(稀释),以设定的800?的高温流出,并进入 部结构就是一个消音器,以保证从旁通阀管路排出 DPF。 图8 DPF以及旁通管路 图9 LPG加热再生装置 道路试验所使用的济南公交总公司119路公交 上位机软件,共同构成了温度和压力的数据采集系 车(车号:鲁A27000)。一次往返行驶31km,每天 统,实现了在剧烈振动的恶劣环境条件下的数据采 工作6个循环,则公交车行驶里程为186km。为了 集和保存[5,6]。在进行车载试验前,针对试验用车 检测并实时监控过滤效果以及再生情况,除需采集 的排放特性进行了准确的测量。图10为采集软件 排气烟度值外,还需要确定公交车行驶以及再生过 随时采集的加热过程中DPF温度变化曲线。从图 程中DPF内部不同位置的温度和压力变化数值。 上可以看出温度一开始变化不大,当温度迅速升高 为此开发研制了一套,采用日本制VEXS2100型压 时表明捕集的碳烟开始燃烧,当达最高值时,说明再 力传感器、高灵敏度K型热电偶、抗干扰能力强的 生基本结束,然后温度开始有一个小的回落,之后基 C89C2C12kitEEP 00 ST5R单片机和5B串行ROM存储 本稳定在6?左右。 A24C12isualasic.0 11P 器T5,并利用VB6编制了系统的 图为DF安装到公交车上连续行驶两个月 30 山东建筑大学学报 2009年 每天晚上公交车回到停车场后检测采集到的再生前 DPF再生后入口压力大都集中于3,4kPa。这也充 后DPF入口处的压力变化值。从图中以看出压力 分说明了再生过程进行的很彻底,再生后DPF入口 变化范围大都在5,13kPa。但是应当指出的是, 压力已低于安装消音器时的入口压力。 图10 再生随时采集温度曲线 图11 压力采集对比曲线 安装固定反吹再生式DPF后的公交车按照波 出的重量浓度并用重量浓度的变化求出DPF的捕 许烟度测量法测得的空载实加速时的碳烟排放。波 集率。 许烟度值(BoschNumber)和碳烟(PM)的重量浓度 表2是使用波许烟度计连续测定的三次DPF Cs(mg/(N鴘m3))的换算式可表示如下[7]: 有无时,由波许烟度值换算所得到DPF装置捕集率 Cs=3.87×10-5×Bs5-1.47×10-4×Bs4+ 的平均值。可以看到平均碳烟捕集率达到了 1.06×10-4×Bs3+1.26×10-2×Bs2 70.6%,达到了预期效果,使用后可以大大降低碳烟 式中:Bs是波许值(BoschNumber的缩写),由计算 排放。 表2 由测定的波许烟度值所得到的DPF捕集率(平均值) DPF旁通状态 DPF工作状态 捕集率/% 不透光度/% 波许值48.65.21461.925.22.87139.4 BsCs/(g鴘N-1 50.35.38499.225.52.9142.1 鴘m-3)不透 光度/%波许49.25.27474.725.32.88140.3 值BsCs/(g鴘 N-1鴘m-3) 49.25.27474.725.32.88140.3 平均值478.6平均值140.670.60 参考文献: 3 结论 [1] MizunoT,SuzukiJ.DevelopmentofanewDPNRcatalys[A].2004 SAEWorldCongressDetroit[C].USA:Warrendale,2004-01-0578. 在分析了我国使用的高含硫柴油现状后,开发 [2] DB11/239—2004,车用柴油—北京地方标准[S]. [3] GB/T19147—2003,车用柴油标准[S]. 了适用于它的强制再生式DPF和固定式反吹再生 [4] 李艳欣.柴油颗粒过滤器DPF在我国发展前景不明朗[OL].ht2 DPF,结论汇总如下: tp://www.enginexz.com/action2viewthread2tid24061.2007-12-07. (1)开发的强制再生式DPF可以边捕集碳烟边 [5] 崔振福,许伯彦,齐运亮.汽车排温数据采集系统的设计[J]. 再生,试验表明捕集率达到70%以上,可适用于移动 山东建筑大学学报,2007,22(2):136-137. [6] 许伯彦,崔振福,张勇,等.固定式反吹再生DPF的无线数据采 式长途运输车辆和公交车。 集系统的开发[J].内燃机工程,2008,29(5):67-70. (2)开发的固定式反吹再生DPF结构简单,成 [7] MatsuiY,KamimotoT,MatsuokaS.Formationandoxidationproces2 本低,捕集率高达70%以上它可适用于每天固定行 sesofsootparticulatesinaD.I.dieselengines:anexperimental 驶路线的公交车上,长达一年的道路试验表明其工 studviathetwocolormethodetroitA.1982AEorldCongressy2D[]SW []USW6C.A:arrendale.1982 -04-4. 作可靠,可以大规模推广使用。