新的鐵路用柴油機(jī)排氣顆粒濾清器

姜代華

摘要：近年來，我國鐵路設(shè)備公司正在聯(lián)合美國GTE公司進(jìn)行進(jìn)一步機(jī)車減排的研究。早年間，美國環(huán)保局就以對(duì)機(jī)車NOx與其排放物的排放量進(jìn)行了要求，但因各種原因?qū)е麓艘笤?015年才開始生效。國內(nèi)外學(xué)者通過研究排氣過程中顆粒的結(jié)構(gòu)特征，有助于更好地采用柴油機(jī)后處理技術(shù)降低顆粒排放.關(guān)于柴油機(jī)顆粒的結(jié)構(gòu)特征，證實(shí)了柴油機(jī)顆粒表面官能團(tuán)與缸內(nèi)碳煙氧化性的關(guān)系，并采集柴油機(jī)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(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)排氣顆粒濾清器;減排;設(shè)計(jì)

引言：因部分鐵路用戶以開始要求較少對(duì)PM的排放量，因此，國家鐵路設(shè)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(jī)車平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的選擇方案，美國GTE公司便相其推薦“純鐵路用”柴油機(jī)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(fā)電行業(yè)提供催化柴油機(jī)排氣顆粒濾清器。在作出減少顆粒物排放的相關(guān)要求時(shí)，美國GET公司便將SUD公司所生產(chǎn)的濾芯出入至消聲器之內(nèi)。濾清器是由一個(gè)具備多個(gè)進(jìn)口與出口通道的多孔陶瓷蜂窩形狀的基底所構(gòu)成，其進(jìn)口與出口通道皆由一種棋盤圖形交替堵上。因柴油機(jī)排氣脈動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向發(fā)生反彈;隨著顆粒運(yùn) 動(dòng)，其基本碳粒子的微晶碳層排列結(jié)構(gòu)趨于無序，而工質(zhì)的重力、黏性對(duì)排氣流場的影響很小，帶有顆粒物的廢氣在進(jìn)入濾清器的入口通道的過程當(dāng)中，會(huì)被強(qiáng)制性的通過多孔道壁，燃燒時(shí)裂解形成小分子物質(zhì)和自由基，經(jīng)脫氫、環(huán)化、聚合等反應(yīng)生成芳香烴，再經(jīng)聚合、加成等反應(yīng)形成顆粒廢氣當(dāng)中的顆粒物便會(huì)沿著通道壁被截留至濾清器之內(nèi)。SUD濾芯當(dāng)中含有一種由貴金屬所構(gòu)成的催化劑，此催化劑遍布于濾清器每個(gè)角落。此催化劑能夠?qū)λ亓襞c濾清器內(nèi)部的顆粒物氧化溫度進(jìn)行大幅度降低，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)在正常溫度之下將顆粒物徹底清除。濾清器依據(jù)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?yàn)V清器具備一定的催化作用，其發(fā)動(dòng)機(jī)溫度只需達(dá)到征程溫度便無需再使用誘導(dǎo)性的方法去對(duì)濾清器的再生進(jìn)行引發(fā)。

而此項(xiàng)技術(shù)在機(jī)車之上擁有還是存有較多獨(dú)特性的挑戰(zhàn)問題。其中，最為顯著的問題便是機(jī)車的震動(dòng)與沖擊，為能夠令陶瓷元件能夠承受住機(jī)車震動(dòng)與沖擊的負(fù)荷，SUD公司便采取了一門全新的技術(shù)，此技術(shù)將濾清器以四個(gè)為一組組裝于一處，并將一層用來吸收振動(dòng)與沖擊負(fù)荷的隔離層包裝于其外部，在一切準(zhǔn)備工作完成后，將其置放與一個(gè)十分牢固的罩殼當(dāng)中，隨后將其焊接于消音器體之內(nèi)。將CDEF安裝于機(jī)車之上，物理限制其中最具有挑戰(zhàn)性的問題，而空間與重量要求對(duì)固定式發(fā)電站來講是一項(xiàng)難以解決的問題，然而，此問題對(duì)于機(jī)車而言，其則是一項(xiàng)更為艱巨的問題。因NREC公司想將減少顆粒物排放作為標(biāo)準(zhǔn)的選擇方案，所以，CDPF則必須安裝于Genset機(jī)車的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。據(jù) NREC公司的一名工程師 Amar Chhajed說：“這個(gè)新裝置必須安裝在與常規(guī)消聲器相同的位置。進(jìn)口與出口的聯(lián)接不能移動(dòng)，物理空間是一樣的。其他設(shè)備都設(shè)計(jì)好了，不得不就這樣了?！崩硐氲淖龇ㄊ牵暺黧w再大一點(diǎn)，以使得有更多的空間放置多個(gè)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(xiàn)有消聲器體內(nèi)找到這個(gè)空間。普通的圓形濾清器設(shè)計(jì)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(gè)橫斷面積的方形濾清器。最后，采用方形濾清器的設(shè)計(jì)比采用圓形濾清器的設(shè)計(jì)背壓更小，結(jié)果是消聲器和濾清器組件成為用于最大功率為 560kW 的標(biāo)準(zhǔn) Genset機(jī)車的意外替代品。為了滿足未來政府排放法規(guī)的要求，鐵路用戶已開始對(duì)他們的機(jī)車提出 PM 減排要求。了解了這個(gè)情況后，GTE Industries公司確立了這樣的目標(biāo)：使減排產(chǎn)品易于設(shè)計(jì)和安裝，從而使鐵路用戶將要求減少 PM 排放并非單純是因?yàn)橐獫M足政府排放法規(guī)的要求，而是因?yàn)樽鲞@件事對(duì)環(huán)境有益。要實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保也許并不總是容易的或廉價(jià)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(jī)車柴油機(jī)在成功獲得其排放達(dá)標(biāo)證書之后，將于2010年初投入運(yùn)用。該型發(fā)動(dòng)機(jī)最近獲得美國環(huán)保局（U.S.EPA）40CFR Part1033 Tier 2 排放標(biāo)準(zhǔn)和歐盟（EU）Stage3a排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)證書，并且被美國加利福尼亞州大氣資源局認(rèn)可為一種超低排放的機(jī)車（ULEL）發(fā)動(dòng)機(jī)。這種 V 16 50 L QSK型發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為 1342～1491 kW，可用于干線機(jī)車和調(diào)車機(jī)車，其 NOx排放量比 Tier 1排放標(biāo)準(zhǔn)限值減少 45%以上。QSK50型發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸和燃油系統(tǒng)與功率為 522kW 的直列式、6缸 QSK19型發(fā)動(dòng)機(jī)和功率為 1119 kW 的 V形、12缸 QSK38型發(fā)動(dòng)機(jī)的相同。并且氣缸蓋與排氣管連接處設(shè)為采樣點(diǎn)0，排氣管內(nèi)與其間隔1、2、3m處分別為采樣點(diǎn)186F

其在最大扭矩工況下，采用多階沖擊器 MOUD在不同采樣點(diǎn)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(shù)等結(jié)構(gòu)特征?；咎剂Ｗ拥奈⒂^結(jié)構(gòu)層是基本碳粒子微觀結(jié)構(gòu)層示意圖。微晶尺寸La=dx，其中dx為微晶碳層中2個(gè)相鄰像素點(diǎn)間的距離.彎曲度k=Ls/Lb其中Lb為微晶兩端點(diǎn)的直線距離.采用分形維數(shù)[9]對(duì)基本碳粒子的結(jié)構(gòu)疏密程度進(jìn)行定 量表征，LgN=DfLg（R9/r9）+Lgkg其中N為基本碳粒子數(shù)目，Rg為回轉(zhuǎn)半徑，Kg為結(jié)構(gòu)系數(shù)，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(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)，但是該系列發(fā)動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于石油和天然氣、船舶和礦山等領(lǐng)域。Cmm ins公司進(jìn)一步補(bǔ)充說，裝用 QSK50型發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)車目前正在制造中，有望在 2010年初在北美和西歐投入運(yùn)用。Cmm ins公司的模塊化共軌系統(tǒng)（MCRS）已用于 QSK50型發(fā)動(dòng)機(jī)，以達(dá)到“行業(yè)領(lǐng)先的低排放水平 ”。

結(jié)語：

據(jù) Cmm ins公司聲稱，與普通的泵 2噴嘴燃油噴射系統(tǒng)相比，MCRS燃油系統(tǒng)可以保持高的噴射壓力，而與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，因而在任何轉(zhuǎn)速下都可以獲得卓越的性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低運(yùn)用成本和具有良好的響應(yīng)和加載特性，與此同時(shí)，具有低的噪聲和振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

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