新的鐵路用柴油機排氣顆粒濾清器

姜代華

摘要：近年來，我國鐵路設備公司正在聯合美國GTE公司進行進一步機車減排的研究。早年間，美國環保局就以對機車NOx與其排放物的排放量進行了要求，但因各種原因導致此要求在2015年才開始生效。國內外學者通過研究排氣過程中顆粒的結構特征，有助于更好地采用柴油機后處理技術降低顆粒排放.關于柴油機顆粒的結構特征，證實了柴油機顆粒表面官能團與缸內碳煙氧化性的關系，并采集柴油機排氣管不同位置的顆粒，采用高倍透射電鏡分析顆粒的微晶結構特征的變化規律。

關鍵詞：柴油機排氣顆粒濾清器;減排;設計

引言：因部分鐵路用戶以開始要求較少對PM的排放量，因此，國家鐵路設備公司要求美國GTE佛你公司幫助起制定功率在447kw——597kw范圍的機車平臺標準的選擇方案，美國GTE公司便相其推薦“純鐵路用”柴油機排氣顆粒濾清器裝置。

正文

自2002年以來，美國GET公司便一直致力于為發電行業提供催化柴油機排氣顆粒濾清器。在作出減少顆粒物排放的相關要求時，美國GET公司便將SUD公司所生產的濾芯出入至消聲器之內。濾清器是由一個具備多個進口與出口通道的多孔陶瓷蜂窩形狀的基底所構成，其進口與出口通道皆由一種棋盤圖形交替堵上。因柴油機排氣脈動和管壁主要影響排氣管近壁流場中顆粒的沉降，排氣彎管附近的氣流運動方向發生反彈;隨著顆粒運 動，其基本碳粒子的微晶碳層排列結構趨于無序，而工質的重力、黏性對排氣流場的影響很小，帶有顆粒物的廢氣在進入濾清器的入口通道的過程當中，會被強制性的通過多孔道壁，燃燒時裂解形成小分子物質和自由基，經脫氫、環化、聚合等反應生成芳香烴，再經聚合、加成等反應形成顆粒廢氣當中的顆粒物便會沿著通道壁被截留至濾清器之內。SUD濾芯當中含有一種由貴金屬所構成的催化劑，此催化劑遍布于濾清器每個角落。此催化劑能夠對所截留與濾清器內部的顆粒物氧化溫度進行大幅度降低，進而使發動機在正常溫度之下將顆粒物徹底清除。濾清器依據所使用的燃油種類的不同，期能夠清楚的顆粒物在90%以上，因濾清器具備一定的催化作用，其發動機溫度只需達到征程溫度便無需再使用誘導性的方法去對濾清器的再生進行引發。

而此項技術在機車之上擁有還是存有較多獨特性的挑戰問題。其中，最為顯著的問題便是機車的震動與沖擊，為能夠令陶瓷元件能夠承受住機車震動與沖擊的負荷，SUD公司便采取了一門全新的技術，此技術將濾清器以四個為一組組裝于一處，并將一層用來吸收振動與沖擊負荷的隔離層包裝于其外部，在一切準備工作完成后，將其置放與一個十分牢固的罩殼當中，隨后將其焊接于消音器體之內。將CDEF安裝于機車之上，物理限制其中最具有挑戰性的問題，而空間與重量要求對固定式發電站來講是一項難以解決的問題，然而，此問題對于機車而言，其則是一項更為艱巨的問題。因NREC公司想將減少顆粒物排放作為標準的選擇方案，所以，CDPF則必須安裝于Genset機車的標準平臺。據 NREC公司的一名工程師 Amar Chhajed說：“這個新裝置必須安裝在與常規消聲器相同的位置。進口與出口的聯接不能移動，物理空間是一樣的。其他設備都設計好了，不得不就這樣了。”理想的做法是，消聲器體再大一點，以使得有更多的空間放置多個濾清器，這樣就可以最大限度地減少背壓的影響。然而，在這種情況下，GTE In2dustries公司不得不在現有消聲器體內找到這個空間。普通的圓形濾清器設計在邊角和濾清器之間留下太多的未占用的空間，所以 GTE Industries公司采用了能夠幾乎填滿整個橫斷面積的方形濾清器。最后，采用方形濾清器的設計比采用圓形濾清器的設計背壓更小，結果是消聲器和濾清器組件成為用于最大功率為 560kW 的標準 Genset機車的意外替代品。為了滿足未來政府排放法規的要求，鐵路用戶已開始對他們的機車提出 PM 減排要求。了解了這個情況后，GTE Industries公司確立了這樣的目標：使減排產品易于設計和安裝，從而使鐵路用戶將要求減少 PM 排放并非單純是因為要滿足政府排放法規的要求，而是因為做這件事對環境有益。要實現綠色環保也許并不總是容易的或廉價的，但GTE Industries公司和 Süd2Chem ie公司正在努力改變它。新的 Cumm ins QSK50型機車柴油機在成功獲得其排放達標證書之后，將于2010年初投入運用。該型發動機最近獲得美國環保局（U.S.EPA）40CFR Part1033 Tier 2 排放標準和歐盟（EU）Stage3a排放標準達標證書，并且被美國加利福尼亞州大氣資源局認可為一種超低排放的機車（ULEL）發動機。這種 V 16 50 L QSK型發動機標定功率為 1342～1491 kW，可用于干線機車和調車機車，其 NOx排放量比 Tier 1排放標準限值減少 45%以上。QSK50型發動機的氣缸和燃油系統與功率為 522kW 的直列式、6缸 QSK19型發動機和功率為 1119 kW 的 V形、12缸 QSK38型發動機的相同。并且氣缸蓋與排氣管連接處設為采樣點0，排氣管內與其間隔1、2、3m處分別為采樣點186F

其在最大扭矩工況下，采用多階沖擊器 MOUD在不同采樣點采集顆粒.采用JEM——2100（HR）型透射電鏡測量并分析顆粒的微晶尺寸彎曲度和分形維數等結構特征。基本碳粒子的微觀結構層是基本碳粒子微觀結構層示意圖。微晶尺寸La=dx，其中dx為微晶碳層中2個相鄰像素點間的距離.彎曲度k=Ls/Lb其中Lb為微晶兩端點的直線距離.采用分形維數[9]對基本碳粒子的結構疏密程度進行定 量表征，LgN=DfLg（R9/r9）+Lgkg其中N為基本碳粒子數目，Rg為回轉半徑，Kg為結構系數，rg為基本碳粒子的平均半徑。

Cumm ins公司稱，雖然公司僅交付了少量的 QSK50機車發動機，但是該系列發動機已廣泛應用于石油和天然氣、船舶和礦山等領域。Cmm ins公司進一步補充說，裝用 QSK50型發動機的機車目前正在制造中，有望在 2010年初在北美和西歐投入運用。Cmm ins公司的模塊化共軌系統（MCRS）已用于 QSK50型發動機，以達到“行業領先的低排放水平 ”。

結語：

據 Cmm ins公司聲稱，與普通的泵 2噴嘴燃油噴射系統相比，MCRS燃油系統可以保持高的噴射壓力，而與發動機轉速無關，因而在任何轉速下都可以獲得卓越的性能，提高燃油經濟性，降低運用成本和具有良好的響應和加載特性，與此同時，具有低的噪聲和振動。

參考文獻：

[1]魏明銳.劉近平.彭飛.碳煙顆粒生長演變歷程環境因素的影響 [J].燃機學報，2015.33（1）：35—43.

[2]杜家益.常真真.周仁雙.DOF對柴油機燃用生物柴油顆粒物微觀形貌及SOF組分的影響[J].中國環境科學.2018.28（1）：83—90.