柴油机尾气净化装置DPF再生系统的开发研究

- 1 -1 前言1.1 柴油机排放及其危害1.1.1 柴油机排气微粒及其危害柴油机排出的微粒的结构很复杂，一般认为这些微粒由三种成分组成：未燃烧的HC、固态的颗粒聚集物以及一些无机盐类，其中无机盐类主要指硫燃烧产生的硫化物。这些颗粒对环境以及人体健康危害很大。研究表明，柴油机微粒的产生与柴油的优劣以及使用方法有关。颗粒的大小、形状及浓度对人体危害情况也是不同的，美国一些科研机构的研究表明，哮喘病、心肺疾病的发病率都与大气中微粒的浓度有直接的关系。并且，大部分的柴油机排放微粒都能致癌1。环保方面，大气中的颗粒物对环境以及能见度的危害也一直困扰着环保部门。而柴油机所排放的PM是能见度降低的罪魁祸首，这是由于PM会散射照射到地球上的太阳光。有研究人员发现，数量较少的PM就能使某地区的能见度严重降低。1.1.2 NOx 的危害氮氧化物的种类很多，柴油机尾气中一般以几种氧化物共同存在，但主要为NO和二氧化氮。汽车是人类排放NOx的一大功臣NOx对人体健康危害严重，NO与血红蛋白结合的程度是CO的一百倍。人体吸入氮氧化物后，会感到眼以及呼吸道系统刺痛，严重时甚至危害神经系统，危机生命。除此之外，氮氧化物还能与大气成分产生各种化学反应，产生的光化学烟雾能造成橡胶老化、燃料褪色等，同时严重危害人体健康。还有，NOx也是形成酸雨的罪魁祸首之一。酸雨严重时会改变季节变化和昼夜变化，如著名的伦敦烟雾事件；酸雨还能严重削弱太阳光中紫外线成分，降低空气透明度，增加人类及其他动物皮肤病的发病概率;还有，酸雨还能使土壤酸碱度变化，导致土壤酸化，影响动植物正常发育，使农作物减产2。另外，NOx也是主要的温室气体之一。1.1.3 柴油机排放标准柴油机始于1892年，到现在已有百年历史。从80年代以来，柴油机在我国也有了长足的发展。随着柴油机使用的增多以及对其排放物的危害认识加深，柴油机排放标准也逐渐被严格控制。美国是这一方面一直走在前列的国家，日本欧洲紧随其后也相继制定了自己的法律法规。目前国际上主要为美国、日本及欧洲三大体系，其中欧洲标准使用最为广泛。随着时代和科技的发展，为了进一步降低柴油机尾气- 2 -的排放，此次推出的“欧III”标准较之前的“欧II”要求更加严格3。年份 HC CO NOx PM NMHC1990 1.3 15.5 6.0 0.61991 1.3 15.5 5.0 0.251994 1.3 15.5 5.0 0.12004 1.3 15.5 4.0 0.1 0.502007 1.3 15.5 2.0 0.1 0.24表1 美国环境保护署（EPA）对重型柴油机排放的限制 单位:g/(hph）在国内，我国主要以欧洲标准为蓝本制定相应的法律法规，但由于目前我国柴油机的品质与国外还有差距，所以国家标准也较三大法规体系相对宽松。目前，我国为满足欧洲标准，一些柴油机厂纷纷改进柴油机结构。其主要措施有：1）在原有柴油机供油系统的基础上大幅度提高喷油压力和喷油速率。2）为降低柴油机尾气中有害物质排放，严格控制雾化和燃烧，具体措施是将喷油器改为P型（比普通的喷孔多） 。3）在高速柴油机中安装带放气阀的废气涡轮增压器，以提高压气机的效率和增加高效区的范围。4）有条件的柴油机安装催化转化器，将废气燃烧掉，降低排放。5）部分柴油机采用EGR（Exhaust Gas Recirculation）技术，降低NOx排放4。这些措施在国内的有效实施很好的降低了我国柴油机尾气的排放量，柴油机净化问题也有很大改善。但由于燃烧温度及燃油标准等的问题，国内仍有很多问题有待解决。同时，很多机械厂只是在老机型的基础上进行的改进和安装，并没有新机型的设计，因此并没有从根本上改变柴油机尾气排放的源头问题。因为对于此次新推出的欧III标准要求更为严格，所以如何退出有效的应对措施，从根本上解决适合我国国内柴油机尾气排放的难题，已经是迫在眉睫。1.2 DPF 的研究背景与汽油车相比, 柴油车具有动力性好, 燃油经济性高等各种优点，但是同时柴油车产生的颗粒物( PM )排放远远高于汽油车,其中的细小微粒对人体健康以及自然环境都有严重地危害。因此如何快速有效地减少柴油车有害物质的排放是未来柴油机车发展过程中亟待解决的问题。柴油机排放的混合气组成和所选用的扩散燃烧方式决定了柴油机不可避免地产生碳烟和微粒(PM)，因此以柴油为燃料的卡车和城市公交车排出的黑烟和氮氧化物也成为城市大气环境的主要污染源之一。而目前颗粒捕集器（DPF）的使用, 对于降- 3 -低柴油车颗粒污染物排放水平具有明显的作用。报告指出欧洲计划到2010 年后,使汽油车和柴油车的排放标准一致, 到时柴油机车会被强制要求安装颗粒物捕集器(DPF)以及氮氧化物净化装置(SCR)5。在此之前，2000年日本东京将降低柴油机微粒排放标准提到了议事日程, 并且修订了公害防治条例, 同时拟定了对柴油机车义务装用柴油机微粒过滤装置的政策,以达到柴油机车少排放或不排放的有害颗粒目的。欧美以及东京都等强国的带头示范作用, 使一些地区亦相应做出了类似的规定。因此，装与不装DPF不仅涉及到国产大客车能否在东京都等世界性地区运行的大问题, 同时也是能否进入日本市场, 以及欧洲、美国市场的关键6。所以，当今世界, 如何使柴油机微粒子过滤装置具有有效性和可实施性已成了社会的焦点问题。1.3 国内外研究现状在现阶段DPF 只是开发中的技术,也就是说在DPF是国内外正在竭尽全力开发的部件。日本四家公司DPF的共同特点是都将DPF装在排气系中,采用陶瓷作过滤捕集器, 然后利用外热源将捕集PM的等烧掉, 使过滤器功能恢复再生，然而制作DPF的陶瓷技术现在掌握在美国人手中。还有，DPF的技术瓶颈问题也就是DPF的再生问题依然困扰着国内外的科研工作者。在我国，从2000年，国家开始对DPF的研究开发工作给予了一定的财力物力支持，以科研基金的形式对高校研究工作进行了资金的支持。十多年的时间过去了，对于DPF的科研人员越来越多，技术方面也取得了令人满意的成绩，但是对于DPF的材质和DPF的再生问题仍然没有得到实质的进展。目前在我国除北京、上海、广州等少数大城市之外，其它大部分城市和地区供应的柴油的硫含量超标问题一直困扰和限制了我国国排放法规的真正实施，即使2010 年以后，柴油内的硫含量也只能控制在350ppm 的水平；另一方面，目前国内的80%以上的在用柴油车仍然采用传统的机械控制的燃料供给装置。检索表明目前国内报道的各种的消烟器和采用陶瓷滤芯的柴油微粒过滤器(DPF, Diesel Particulate Filter)等大都有着各种条件的先天不足，因此国内市场上还没有见到真正投产使用的DPF产品。- 4 -2 DPF再生方式的确定2.1 DPF的工作原理由于柴油机尾气颗粒大小不一致，因此在柴油机尾气排放之前安装DPF。DPF内部装有由金属丝或者过滤纤维，当柴油机尾气经过时，可以控制过滤装置的孔径大小使较小的尾气颗粒可以顺利通过，而较大的对环境和人体有害的颗粒则会被吸附在过滤装置上，留在DPF内。通过控制孔径的大小也可以控制尾气的排放标准7。目前，国内外捕捉尾气颗粒的主要方式有碰撞吸附法、惯性拦截法、扩散拦截法、重力沉降原理法等。2.2 DPF的再生目前世界上道路运输用和非道路运输用的柴油机上应用最广泛的两种排气后处理装置是含有催化剂的氧化型催化转化器（DOC）和降低颗粒物（碳烟）的过滤器（DPF） 。什么是DPF的再生？简言之，为了减少柴油机尾气中碳烟和有毒颗粒（PM）的排放，通常的方法是将这些有害气体收集起来，这可以用过滤的方法实现。碳烟的收集并不难，但问题是，随着气体排放量的增多，用以收集碳烟和有毒颗粒的容器（DPF）被堵塞，背压显著增高，以致不能再继续工作。这时，就需要将DPF中的碳烟和有毒颗粒定期地清除掉，这就是DPF的再生8。很容易想到的再生方式就是将碳烟烧掉, 碳烟的燃点温度为550左右，然而在一般工况下柴油机排气很难达到碳烟的燃点温度,这可以有两种方式来解决: 一是采用外部加热使排气温度升高到碳烟燃烧所需的温度,然后实现燃烧二是采用催化剂或其他方式降低碳烟的燃点。这两种方式又被称为强制再生式DPF和连续再生式DPF。根据方法原理的不同，柴油机尾气净化技术又可以分为微粒过滤与再生型、催化转化技术、等离子体净化技术、静电补集技术等9。- 5 -图2.1，颗粒过滤器安装示意图图2.2 DPF 工作原理简图- 6 -图2.3 连续再生式DPF的结构简图图2.4 DPF 仿真模型示意图2.3 DPF再生方式的确定目前国内外研究较多的是直接对过滤器进行再生，各种再生技术见2.1所述。其中对于主动再生方式，主要的技术有：喷油助燃型、电加热型和微波加热型再生方式。通常情况下所说的被动再生就是采用催化剂型的再生10。由于催化技术对于燃油品质有很高的要求。而正如前言所述，我国柴油品质较欧美有一定差距。同时，目前中国大部分地区使用的柴油含硫量在1000ppm 以上，并且有绝大部分用户在用柴油车的同时仍采用机械控制的燃料喷射系统，文献调研和试验结果表明虽然柴油含硫量对柴油机动力性、经济性、非硫排放物和缸内燃烧过程基本无影响，但是柴油机硫酸盐和气态SO2 排放量均随硫含量上升而线性增加11。因此，在反复比较目前柴油车所涉及的各种的DPF 装置以及不同DPF再生方式的基础上，本研究进行了较深入的开发研究，并确定使用主动再生方式进行DPF的再生。 另外结果表明，在当今中国，大多数的城市公交车的行驶里程在200km/天内，适宜采用本研究提出的固定式外部加热再生式DPF 装置，即连续式再生式DPF。从而在短期内能够迅速实用化，能够解决城市公交车冒黑烟严重污染环境的目的12。本研究研发的LPG 加热再生+DPF 装置具有成本低、可靠性高、加热再生快速、方便等优点，一台加热装置便可以轻松满足20 台/天以上城市公交车DPF的加热再生。- 7 -3 LPG加热再生DPF装置3.1 以往 DPF 再生的缺点为实现DPF的再生需要我们要么采用外加热源的方法来升高排气温度, 或借助催化剂或添加剂的作用来降低氧化所需的温度。但同时值得注意的是, 颗粒物燃烧时会产生高温，这有可能使过滤器融化和捕集器断裂。所以, 怎样实现点火再生同时又不损坏捕集器是开发颗粒捕集器的关键问题之一。目前, 国内外研究的DPF 大多数采用壁流式DPF,其滤芯一般为筒状, 尾气净化装置多采用轴向过滤的形式，反吹再生时热空气也为轴向流动。经试验发现发现轴向过滤式反吹再生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13。3.2 LPG 加热再生 DPF 装置的优点本文开发的反吹式再生DPF采用了高孔隙率金属丝网卷制而成的滤芯（如图3.1）, 尾气过滤采用径向均匀捕集的方式。图3.1 高孔隙率滤芯为了解决以上问题本设计还采用了以下设计：- 8 -（1）增加了DPF的体积容量。（2）使用瓶装LPG作为加热源提高了单位时间加热量，缩短了再生时间。（3）改进了加热装置与DPF 入口的连接方式，采用了杠杆锁紧结构，实现了加热装置与DPF 之间的快速连接与脱离，并且基本杜绝了在DPF 入口处的高温空气泄漏。改进设计后，经过大量的公交车道路实验表明，金属丝网DPF对于碳烟的捕集率有了大幅度的提升，整个加热再生时间缩短到20分钟以内，达到了用户的使用要求。图3.2 反吹再生DPF结构图3.3 LPG加热再生DPF装置的结构特点图3.3 LPG 加热再生装置试验和文献均表明如果当高温空气由金属丝网DPF外侧流向内侧中空部时，在此过程中，热量会不断地散失，结果导致远离DPF中央的部分温度不能达到燃烧要求（500-600)，从而，由这部分DPF捕集的碳烟和有毒气体就不能迅速地被燃烧完全。为了避免上述再生不充分以及散热损失大的问题，本设计提出，改变高温空气流入DPF 的流向，也就是将反吹热空气从滤芯内部进入DPF。同时高温空气从先从- 9 -DPF中心设置的导入管(管壁开有孔)流出后, 再向DPF滤芯的内侧向外周流出14。如图3.2所示。加热装置的改进：为实现对DPF的加热均匀，本设计采用将LEG产生的高温空气由DPF外周开的很多小孔向DPF滤芯的内侧中空部吹出的方案，这样一来高温气体所产生的热量可以尽可能多的用于对DPF的加热，减少了热量的损失，同时实现了对DPF的均匀加热15。DPF的改进：为进一步提高DPF对碳烟的捕集率，本研究采取了增加DPF外径和改变过滤网网孔等方法，有效地增加了碳烟通过网孔的时间、减少了网孔大小，从而大大提高了DPF对碳烟的捕集率。连接件的改进：为方便DPF入口与设备的连接，便于进行再生，本设计将DPF入口的连接部分设计成了球面形状结合，并且采用杠杆把手设计，用手柄就可以轻松夹紧加热装置，如图3.4和3.5所示。图3.4 把手夹紧装置 图3.5球面结合部分装卸装置的改进：以往设计的装卸装置多采用螺栓法兰固定的方式，这个方法的缺点是，为使 DPF 的入口与加热装置连接时，需要反复调整 DPF 入口处法兰的位置，以对准螺孔。这不仅费时，而且需要很高的操作经验。本设计经过研究，决定使用上述的球形结构。这样不要求操作，而且即使安装位置有偏离，也能准确定位。- 10 -4 LPG+DPF 再生装置控制部件4.1 电源电压问题器件名称 所需电压烧嘴控制器 单相 AC200V /50Hz 看装置如何处理，降压或直接使用 220v高压鼓风机 3 相 AC200V /50Hz 单相 200v 通过变频器可转变为 3 相燃烧机 单相 AC100V 看装置如何处理，或降压处理温控表 单相 AC100V -240V 可直接用 220v变频器 单相 AC200V 看装置如何处理，降压或直接使用 220v风压开关火焰检测杆4.2 烧嘴控制器4.2.1 型号品牌：yamatake，山武型号：FSG-15 系列，R4715B1011-1 型 + C7007A，C7008A（火焰监测杆）电压：AC200V /50Hz燃烧安全控制系统中使用限位、联锁限制安全动作范围，通过检测燃烧装置火焰的火焰监测器，监视燃烧状态。来自火焰监视器的信号，经过烧嘴控制器，转换成操作部必要的信号，使安全切断阀动作。万一，因燃烧装置发生某种故障，导致烧嘴不着火或者断火等异常情况产生的场合，火焰监视器检测到燃烧火焰异常，传送信号至烧嘴控制器，使安全切断阀关闭，防止燃料流入燃烧室内。火焰检测器或- 11 -者烧嘴控制器发生故障的场合，燃料切断阀动作，但具有不起动烧嘴的安全回路功能。FSG 的目的是防止爆炸16。燃烧安全控制系统的功能 采用自动或者手动操作使烧嘴起动停止 。 按正确的顺序起动烧嘴 ， 监视动作中的燃烧火焰 。 在异常的温度或压力时提供保护 。 调节烧嘴燃烧量 。 维持烧嘴停止中的起动待机状态 。燃烧安全控制系统中燃烧火焰的检测具有重要作用，要求充分利用火焰的性质，进行准确无误地火焰检测。4.2.2 使用说明图 4.1 控制器与外部接线图- 12 -图 4.2 电源与阀的接线图 4.3 浪涌吸收器的接线- 13 -图 4.4 控制器内部功能模块图4.3 高压鼓风机品牌：Fuji，富士型号：VFZ 401A电压：3 相 AC200V /50Hz小风机型号Fuji electronic MotorTYPE VFC108AStatic Press 2.94KpaQuantity 0.35/0.50 m3/minOUTPUT 90/120wPoles 2Hz 50/60PHASE 3VOLT 200/2204.4 燃烧机品牌：日本加藤 KATO型号：FK-S2 电压：单相 AC100V /50Hz 如下图所示图 4.5 燃烧机- 14 -4.5 温控仪表品牌：日本欧姆龙型号：K2HB-HTA-L2AT11 电压：单相 AC100V -240V4.6 变频器品牌：富士型号：紧凑型变频器 - 15 -FRN1.5C1S-7J FRN0.2C1S-7J电压：单相 AC200V4.7 设备选型零件名称 产品型号 数量 备注燃烧头(必选) TKG-2 1 奥林匹亚程序控制器(必选) 1 西门子点火变压器(必选) 1 Danfoss 丹佛丝电磁阀组(必选) 1 BRAHMA安全阀(可选) 1低压保护开关（可选） 1空燃比阀(必选) 1风压开关(必选) 1 Dungs4.8 调压减压阀品牌 日本伊藤 ITOKOKI型号 C-10A-1P(入口压力) 0.07-1.56Mpa R(出口压力) R: 2.8Kpa备注 大气平衡口一般不用- 16 -M C UO M R O N温控仪表变频器 1 变频器 2压力检测I O 控制通讯接口等变频器 1 启动信号变频器 2 启动信号报警状态鼓风机 1 鼓风机 2A I ：0 - 5 VA I ：0 - 5 VA O ：0 - 5 VA O ：0 - 5 V预留接口4.9 关于控制部分的说明本设计的每个滤芯的尾气通路是有电动阀门交替开闭控制的，对过滤网的供电则是由柴油机发电机及蓄电池电源提供的，将由 DPF 捕集到的碳烟燃烧掉，同时由空气风机提供燃烧所需的氧气。控制系统由温度传感器、压力传感器、电磁阀、电控电源（ECU）等组成。本设计的温度传感器为 K 型热电偶，其主要特点为灵敏度高，直径小，压力传感器型号为 VESX100，输出电压为 1-5V，非线性度 0.25%17。本装置还设有显示器，能够方便的观察数据，以便根据数据了解 DPF 内部温度的变化。- 17 -M C UO M R O N温控仪表变频器 1 变频器 2压力检测I O 控制通讯接口等变频器 1 启动信号变频器 2 启动信号报警状态鼓风机 1 鼓风机 2A I ：0 - 5 VA I ：0 - 5 VA O ：0 - 5 VA O ：0 - 5 V预留接口鼓风机 1燃烧器点火变压器L P G火焰检测杆压力传感器热电偶空燃比减压阀主阀副阀烧嘴控制器31549空气管道L P G 管道风压开关电磁阀组- 18 -图4.6 LPG+DPF 再生装置控制部件简图图4.7 LPG 加热再生 DPF 装置机械简图- 19 -5 结论为了降低柴油机尾气颗粒的排放，DPF的使用将是一种必然。现阶段，虽然国内外有很多关于DPF及其再生的研究人员，但至今仍没有一种完全达到可以实用化批量生产的技术。因此，关于DPF的开发研究亟待解决。本研究充分分析国内外研究现状的同时，结合中国现状，提出了LEG+DPF再生系统的设计方案。 本研究从以下方面进行了优化设计1DPF流向的改进：为了避免再生不充分以及散热损失大的问题，本设计提出改变高温空气流入DPF的流向，也就是将反吹热空气从滤芯内部进入DPF。同时高温空气从先DPF中心设置的导入管(管壁开有孔)流出后, 再向DPF滤芯的内侧向外周流出；2加热装置的改进：为实现对DPF的加热均匀，本设计采用将LEG产生的高温空气由DPF外周开的很多小孔向DPF滤芯的内侧中空部吹出的方案，这样一来高温气体所产生的热量可以尽可能多的用于对DPF的加热，减少了热量的损失，同时实现了对DPF的均匀加热；3DPF的改进：为进一步提高DPF对碳烟的捕集率，本研究采取了增加DPF外径和改变过滤网网孔等方法，有效地增加了碳烟通过网孔的时间、减少了网孔大小，从而大大提高了DPF对碳烟的捕集率；4连接件的改进：以往设计的装卸装置多采用螺栓法兰固定的方式，这个方法的缺点是，为使DPF的入口与加热装置连接时，需要反复调整DPF入口处法兰的位置，以对准螺孔。这不仅费时，而且需要很高的操作经验。为方便DPF入口与设备的连接，便于进行再生，本设计将DPF入口的连接部分设计成了球面形状结合，并且采用杠杆把手设计，用手柄就可以轻松夹紧加热装置。 研究成果1本设计开发了适合中国高硫柴油机车的柴油尾气净化再生装置。操作简单、结构紧凑、成本较低；2大大降低了DPF的再生时间，碳烟颗粒（PM）的捕集效率高；3DPF安装前后对柴油机车噪音等其他性能没有大的影响，兼容性高。 存在的不足1本设计是基于减少柴油机车碳烟颗粒（PM）而研制的，如果同时从减少氮化合物出发，应重新开发新的DPF并进行道路试验；2本设计是能够适用于国内高硫柴油的DPF，但随着社会发展和中国的不断进步，柴油含硫量标准会越来越严格，到时本设计所提出的DPF会出现因资源的利用率和环保等原因的各种不足；3因本实验技术难度大，工况恶劣，受条件限制，关于本设计的实际操作- 20 -性测试较少，需要以后不断加强。 展望1LEG加热再生DPF装置将是未来的柴油机车的必然选择，值得研究；2目前制作DPF的陶瓷技术掌握在美国人手中，国内研究相对匮乏，加强材料的研究将大大有利于DPF及其再生的研究；3目前柴油机尾气净化装置的生产指标还没有制定，尽快制定相应的法规有助于DPF装置最快投入生产，服务社会；4关于以后本研究应与国际接轨，尽量使用国际标准，方便实现信息共享以及批量生产。- 21 -参 考 文 献1 魏雄武.柴油机微粒捕集器及其再生技术分析与研J.电子工业出版社,重型 汽车.2005:30 - 32.2 王国富.汽车发动机排放污染及净化J.桂林航天工业高等专科学校学报,2000. 19(3): 23-253 崔振福, 许伯彦, 齐运亮. 汽车排温数据采集系统的设计J.山东建筑大学学报,2007.22(2):136-137.4许伯彦,崔振福,张勇等.固定式反吹再生DPF的无线数据采集系统