新的铁路用柴油机排气颗粒滤清器

姜代华

摘要：近年来，我国铁路设备公司正在联合美国GTE公司进行进一步机车减排的研究。早年间，美国环保局就以对机车NOx与其排放物的排放量进行了要求，但因各种原因导致此要求在2015年才开始生效。国内外学者通过研究排气过程中颗粒的结构特征，有助于更好地采用柴油机后处理技术降低颗粒排放.关于柴油机颗粒的结构特征，证实了柴油机颗粒表面官能团与缸内碳烟氧化性的关系，并采集柴油机排气管不同位置的颗粒，采用高倍透射电镜分析颗粒的微晶结构特征的变化规律。

关键词：柴油机排气颗粒滤清器;减排;设计

引言：因部分铁路用户以开始要求较少对PM的排放量，因此，国家铁路设备公司要求美国GTE佛你公司帮助起制定功率在447kw——597kw范围的机车平台标准的选择方案，美国GTE公司便相其推荐“纯铁路用”柴油机排气颗粒滤清器装置。

正文

自2002年以来，美国GET公司便一直致力于为发电行业提供催化柴油机排气颗粒滤清器。在作出减少颗粒物排放的相关要求时，美国GET公司便将SUD公司所生产的滤芯出入至消声器之内。滤清器是由一个具备多个进口与出口通道的多孔陶瓷蜂窝形状的基底所构成，其进口与出口通道皆由一种棋盘图形交替堵上。因柴油机排气脉动和管壁主要影响排气管近壁流场中颗粒的沉降，排气弯管附近的气流运动方向发生反弹;随着颗粒运 动，其基本碳粒子的微晶碳层排列结构趋于无序，而工质的重力、黏性对排气流场的影响很小，带有颗粒物的废气在进入滤清器的入口通道的过程当中，会被强制性的通过多孔道壁，燃烧时裂解形成小分子物质和自由基，经脱氢、环化、聚合等反应生成芳香烃，再经聚合、加成等反应形成颗粒废气当中的颗粒物便会沿着通道壁被截留至滤清器之内。SUD滤芯当中含有一种由贵金属所构成的催化剂，此催化剂遍布于滤清器每个角落。此催化剂能够对所截留与滤清器内部的颗粒物氧化温度进行大幅度降低，进而使发动机在正常温度之下将颗粒物彻底清除。滤清器依据所使用的燃油种类的不同，期能够清楚的颗粒物在90%以上，因滤清器具备一定的催化作用，其发动机温度只需达到征程温度便无需再使用诱导性的方法去对滤清器的再生进行引发。

而此项技术在机车之上拥有还是存有较多独特性的挑战问题。其中，最为显著的问题便是机车的震动与冲击，为能够令陶瓷元件能够承受住机车震动与冲击的负荷，SUD公司便采取了一门全新的技术，此技术将滤清器以四个为一组组装于一处，并将一层用来吸收振动与冲击负荷的隔离层包装于其外部，在一切准备工作完成后，将其置放与一个十分牢固的罩壳当中，随后将其焊接于消音器体之内。将CDEF安装于机车之上，物理限制其中最具有挑战性的问题，而空间与重量要求对固定式发电站来讲是一项难以解决的问题，然而，此问题对于机车而言，其则是一项更为艰巨的问题。因NREC公司想将减少颗粒物排放作为标准的选择方案，所以，CDPF则必须安装于Genset机车的标准平台。据 NREC公司的一名工程师 Amar Chhajed说：“这个新装置必须安装在与常规消声器相同的位置。进口与出口的联接不能移动，物理空间是一样的。其他设备都设计好了，不得不就这样了。”理想的做法是，消声器体再大一点，以使得有更多的空间放置多个滤清器，这样就可以最大限度地减少背压的影响。然而，在这种情况下，GTE In2dustries公司不得不在现有消声器体内找到这个空间。普通的圆形滤清器设计在边角和滤清器之间留下太多的未占用的空间，所以 GTE Industries公司采用了能够几乎填满整个横断面积的方形滤清器。最后，采用方形滤清器的设计比采用圆形滤清器的设计背压更小，结果是消声器和滤清器组件成为用于最大功率为 560kW 的标准 Genset机车的意外替代品。为了满足未来政府排放法规的要求，铁路用户已开始对他们的机车提出 PM 减排要求。了解了这个情况后，GTE Industries公司确立了这样的目标：使减排产品易于设计和安装，从而使铁路用户将要求减少 PM 排放并非单纯是因为要满足政府排放法规的要求，而是因为做这件事对环境有益。要实现绿色环保也许并不总是容易的或廉价的，但GTE Industries公司和 Süd2Chem ie公司正在努力改变它。新的 Cumm ins QSK50型机车柴油机在成功获得其排放达标证书之后，将于2010年初投入运用。该型发动机最近获得美国环保局（U.S.EPA）40CFR Part1033 Tier 2 排放标准和欧盟（EU）Stage3a排放标准达标证书，并且被美国加利福尼亚州大气资源局认可为一种超低排放的机车（ULEL）发动机。这种 V 16 50 L QSK型发动机标定功率为 1342～1491 kW，可用于干线机车和调车机车，其 NOx排放量比 Tier 1排放标准限值减少 45%以上。QSK50型发动机的气缸和燃油系统与功率为 522kW 的直列式、6缸 QSK19型发动机和功率为 1119 kW 的 V形、12缸 QSK38型发动机的相同。并且气缸盖与排气管连接处设为采样点0，排气管内与其间隔1、2、3m处分别为采样点186F

其在最大扭矩工況下，采用多阶冲击器 MOUD在不同采样点采集颗粒.采用JEM——2100（HR）型透射电镜测量并分析颗粒的微晶尺寸弯曲度和分形维数等结构特征。基本碳粒子的微观结构层是基本碳粒子微观结构层示意图。微晶尺寸La=dx，其中dx为微晶碳层中2个相邻像素点间的距离.弯曲度k=Ls/Lb其中Lb为微晶两端点的直线距离.采用分形维数[9]对基本碳粒子的结构疏密程度进行定 量表征，LgN=DfLg（R9/r9）+Lgkg其中N为基本碳粒子数目，Rg为回转半径，Kg为结构系数，rg为基本碳粒子的平均半径。

Cumm ins公司称，虽然公司仅交付了少量的 QSK50机车发动机，但是该系列发动机已广泛应用于石油和天然气、船舶和矿山等领域。Cmm ins公司进一步补充说，装用 QSK50型发动机的机车目前正在制造中，有望在 2010年初在北美和西欧投入运用。Cmm ins公司的模块化共轨系统（MCRS）已用于 QSK50型发动机，以达到“行业领先的低排放水平 ”。

结语：

据 Cmm ins公司声称，与普通的泵 2喷嘴燃油喷射系统相比，MCRS燃油系统可以保持高的喷射压力，而与发动机转速无关，因而在任何转速下都可以获得卓越的性能，提高燃油经济性，降低运用成本和具有良好的响应和加载特性，与此同时，具有低的噪声和振动。

参考文献：

[1]魏明锐.刘近平.彭飞.碳烟颗粒生长演变历程环境因素的影响 [J].燃机学报，2015.33（1）：35—43.

[2]杜家益.常真真.周仁双.DOF对柴油机燃用生物柴油颗粒物微观形貌及SOF组分的影响[J].中国环境科学.2018.28（1）：83—90.