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柴油发电机装配颗粒捕集器后的排放试验 |
随着发电机组排放法规的日趋严格，DPF 后处理是柴油机满足国三排放法规的主要技术方案。基于 DPF 设计基 础上，在台架上对 DPF 压差和极限情况下的碳载量等特性测试评价；累碳初期，压差增加较快，随后缓慢增加； 同时在最高温度允许情况下确定最大碳载量， 为后期再生标定提供模型输入。在转毂上进行 WLTC 循环的排放验 证试验，结果表明 DPF 的捕集效率达到 92% ，颗粒物数量低于排放限值 30% ，满足实际应用的工程目标。
一、试验方案
1、试验装置
试验台架主要包括 一台QSB3.9系列康明斯柴油发动机、DPF 后处理系统、 发动机燃油供给及油耗测量系统、 测功机及控制系统、 排放测试系统等。
2、 DPF 常规耐久工况
柴油发电机初、复始万有特性烟度偏大，综合考虑后选择 1500rpm@ 100Nm 作为累碳点，该点初始烟度为 7. 174 ，DPF 满载累碳时间约 1h 。再生时 DPF 前温度保持在 650℃左右， 进行 350 次。
3、 DTI 工况
DTI 试验降怠速时刻以再生时 DPF 内部温度 650C作为 触发条件，进入再生后，柴油发电机进入怠速工况。
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排烟污染物示意图 |
二、DPF 特性测试评价
DPF 的压差特性和极限情况下(DTI)的碳载量是评价 DPF 性能的关键指标， 为了准确的反应 DPF 性能， 设计相应的试验方法进行测试评价。
1、不同碳载量的压差特性
准确测试评价 GPF 捕集的碳烟产生压差，对后期的标定 具有重要意义，而柴油发电机气流通过 GPF 压差包括过滤壁压 差、 灰分产生的压差、 碳烟产生的压差之和， 即
△Ρ总=△Ρ过渡+△Ρ灰分+△Ρ碳烟=A*μ*Q+B*ρ*Q2................................（1）
△Ρ过滤=A滤*μ*Q＋B*ρ*Q2.................................................................（2）
△Ρ碳烟=A碳烟*μ*Q...............................................................................（3）
△Ρ灰分=A灰分*μ*Q...............................................................................（4）
A=A过滤+A碳烟+A灰分.........................................................................（5）
其中， △P 总为总压差；△P 过滤为过滤壁的压差；△P 总灰 分为灰分的压差；△P 碳烟为碳烟的压差；Q 为流量；A 碳烟、A 灰分、A 碳烟为计算因子； 在 GPF 初始状态的情况下， 灰分累积的量较少，可以忽略对压差的影响。
在压力传感器测试总压差、 和计算排气量通过过滤壁的 压差，即计算碳烟产生的压差。结果如下：
如图2所示，在累碳初期，压差增加较快，斜率比较大； 主要原因是开始累积的碳进入 DPF 过滤孔道内，这时产生的 压差较大；随着累碳量的增加，压差增加变缓，斜率变小， 主要因为碳累积覆盖在 DPF 过滤壁表面，形成蛋糕层，累碳量增加、压差增加，基本上形成正相关的关系。
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图2 不同碳载量下的DPF压差 |
2、循环下的 DPF 压差特性
图 3 所示为试验初始阶段再生循环过程中DPF 前后压力 变化曲线，从图中可以看出， 随着 DPF 碳载量不断增加其前 后压差在不断变大，当 DPF 满载时，其前后压差达到 7kPa 左右，随即进入再生工况， 压差减小，再生完全后 (即空载) DPF 前后压差保持在 2.5kPa 左右。
图4 所示为试验结束阶段最后 10 次再生循环过程中DPF 前后压力变化曲线，和图4 相比， DPF 满载时前后压差基本 一致，都保持在 7kPa 左右，但在试验结束阶段 DPF 空载时 压差约 3kPa 左右，比初始阶段压差增大 0.3~0.5kPa；说明 经过 350h 试验后，DPF 内储存了一定量的灰分 (从称重结果来看，灰分约 7.3g)。
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图3 DPF初始10次循环压差曲线图 |
图4 DPF最后10次循环压差曲线图 |
3、极限工况下的碳载量
降怠速极限情况下(DTI)的碳载量，通过试验测试不 同温度、碳载量情况下的再生最高温度，考虑 DPF 的允许载碳量 6~7g ，按照该目标进行相关的试验，确定最大累碳量， 作为后期标定的输入。
图 5 和图 6 所示为 DTI 试验过程中 DPF 中心温度变化曲 线。6g/L 碳载量 DTI 试验进入 DTI 时刻为 DPF 中心温度达 650℃，DPF 前温度达到 620C (再生温度) 距 DTI 时刻约 36S ；DPF 中心温度最高达 955℃，在安全范围内。7g/L 碳 载量 DTI 试验进入 DTI 时刻为 DPF 中心温度达 650℃，DPF 前温度达到 620℃ (再生温度) 距 DTI 时刻约 36S ；DPF 中心温度最高达 1067℃，小于碳化硅载体最高耐受温度 1200℃，在安全范围内。建议最大碳载量标定在 7g/L。
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图5 6g碳载量极限温度 |
图6 7g碳载量极限温度 |
三、WLTC 排放测试
DPF 的捕集效率是测试评价关键指标， 也是能否达到工程目标的核心性能指标。 因此按照 GB18352.6-2016要求，进行 WLTC 循环排放测试，试验三次。试验机使用滑行法加载，匹配计 算换档线，试验再 CVS-4000 型定容采样系统、 AMA-4000 型气态排放物分析系统以及 HORIBA 2000spcsPN 计数器， 以及 METTLER TOLEDO-XP2U (梅特勒-托利多) PM 称重设备的转毂试验室进行；经过系统分析后得到 PN 模态数据和试验结果。
从模态数据分析，随着试验的进行 DPF 逐渐提升，主要是累积的碳烟占据过滤壁，提高过滤的效率。在整机原排 PN 为 3.52×1012 的情况下， 加装 DPF 的 WLTC 测试结果如图 9 所示。在第一次试验中， 对 PN 的转 化效率只达到 82%；第三次试验时，PN 排放为 2.8×1011 ， 转化效率为 92% ，大于 90%设定转化效率， 最终排放值低于 4.2×1011 的工程设计目标。
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DPF捕集效率 |
四、结论
基于排放法规对柴油发电机颗粒物排放的要求，针对某型机的排放开发目标， 设计的 DPF 特性进行测试评价， 同时将测试数据提供给标定模型输入。通过对 DPF 测试发现：在压差特性方面，累碳初期，压差增加较快；主要原因是开始的碳进入 DPF 过滤孔道内，阻力迅速增加，产生的压差较大；随着累碳量的增加，压差增 加变缓。碳层在壁表面覆盖，形成蛋糕层，基本上形成正相关的关系。测试不同入口温度、载碳量情况下的最高温度， 确定最大碳载量。 并通过 WLTC 排放验证，结果表明，转化效率和 PN 排放满足工程应用目标。
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