机动车尾气旋转式排放方法的研究与应用.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.011 机动车尾气旋转式排放方法的研究与应用 杨安科 1，张金瑞2（1.焦作市道路运输服务中心，河南 焦作 454000；2.河南省运输事业发展中心，河南 郑州 450016）摘要：机动车尾气旋转式排放法是采用导流管或风叶，将汽车尾气由原直线运动方式转变为旋转运动方式排出，主要适用于消声器、颗粒捕集器、催化器等尾气处理系统，可以有效解决尾气排放噪声、后处理系统堵塞、排放超标等问题。本文以消声器、颗粒捕集器 DPF、催化器 SCR 为例，介绍了旋转式排放方法不同类型的创新结构，为机动车尾气排放治理提供了新的方法和思路，该方法同样可以应用于废气排放处理系统的其他领域。关键词：减排降污；旋转排放；尾气处理；污染防治；机动车辆 中图分类号：U467.4+8 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0041-04 Research and Application of Rotating Exhaust Method for Motor Vehicles YANG Anke1,ZHANG Jinrui2(1.Jiaozuo Road Transport Service Center,Jiaozuo Henan 454000,China;2.Henan Transportation Development Center,Zhengzhou Henan 450016,China)Abstract:The rotary exhaust method of motor vehicle exhaust is to change the original linear motion mode of motor vehicle exhaust into rotary motion mode by using a guide pipe or a fan blade.It is mainly applicable to exhaust treatment systems such as silencers,particle traps,catalysts,and can effectively solve the problems related to exhaust emission noise,post-treatment system blockage,and excessive emissions.Taking muffler,particle trap DPF and catalytic converter SCR as examples,this paper introduces different types of innovative structures of rotary emission methods,and provides new methods and ideas for vehicle exhaust emission control,which can also be used in other fields of exhaust emission treatment system.Key words:emission reduction and pollution reduction;rotary emission;tail gas treatment;pollution prevention;motor vehicles 0 引言 近年来，随着我国在用汽车数量的不断增加，汽车排放已经成为大气污染物的主要来源。机动车尾气排放的污染物占大气污染物的 70%，特别是 NOx对大气污染的危害相当严重1。汽车尾气排放在严重的时候，甚至还会威胁人体生命健康，汽车尾气在排放的过程中形成了雾霾以及酸雨等大气污染现象，可能会危及人体的呼吸道以及肺部等部位2。收稿日期：2023-04-23 作者简介：杨安科（1965-），男，陕西延长人，高级工程师，研究方向为载运工具应用、交通运输领域节能减排.（）通信作者：张金瑞（1987-），男，河南周口人，硕士，工程师，从事营运车辆技术管理工作.（）据统计，截至2022年底，全国汽车保有量为31 903万辆，比上年末增加 1 752 万辆3。按车型分类，货车排放的 NOx和 PM 明显高于客车，其中重型货车是主要贡献者；客车 CO 和 HC 排放量明显高于货车。按燃料分类，柴油车排放的 NOx接近汽车排放总量的 70%，PM 超过 90%；汽油车 CO 和 HC 排放量较高，CO 超过汽车排放总量的 80%，HC 超过 70%4-5。汽车在日常使用过程中，随着时间的推移会发生机械磨损和老化，使车辆的排放和油耗超标，怎样治42 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 理机动车尾气排放，提高机动车尾气排放治理效率，使在用排放超标车辆恢复良好技术状况，满足或低于污染物排放标准，是我们面临的新问题、新课题，也是我们经济社会发展必须接受的新挑战。1 旋转式排放方法的结构创新 汽车发动机做功后产生的废气，最初通过排气支管经消声器直接排出，后来随着大气污染治理对机动车尾气排放标准的要求越来越高，汽油车采取加装三元催化器对尾气排放污染物进行处理，柴油车采取加装后处理系统颗粒捕集器 DPF 和催化器 SCR 对尾气排放污染物进行处理，经相关的氧化还原反应处理后才能达到排放标准6。为提高污染物处置效率，提高尾气处理能力，我们提出采取结构创新的方式，改变机动车尾气排放系统的结构形式，将尾气原来的直线运动转变为旋转运动，通过增大接触面积、增加反应时间、增强雾化程度等，提高催化物氧化还原反应效果，进而提高尾气污染物处理系统的处置能力。旋转式排放方法的创新结构分为两类，一是环绕式排气法。尾气在经过尾气处理系统时，利用环绕式导流管改变原来的排放方向，通过与系统内壁碰撞发生吸附、反射，压力、热能通过旋转方式释放，能量迅速衰竭，达到降低噪声、降低温度、减少压力等目的。二是风叶式排气法。利用风叶转动改变尾气排放方向，废气由原来的直线运动转变为离心式旋转运动。利用尾气排放的速度能量，通过设置风叶改变尾气排放的旋转方向，速度越大单位时间内离心力越大，通过这种方式增加颗粒物的吸附作用，形成的涡旋气流同时增加了尾气雾化强度，增大了反应接触面和反应时间，从而提高反应治理效率。旋转式排放方法的创新结构均已申报国家发明专利。结合不同的实际场所情况，两种方法可分别应用，也可同时应用。常见的机动车尾气处理系统示意图如图 1，分别是排气消声器和后处理系统 DPF、SCR。采用旋转式排气方法的创新结构，能够明显提高消声器减音降噪效果，显著提高后处理系统工作效率，同时还可有效避免排放不畅、动力下降等关联问题。图 1 机动车尾气处置系统 Fig.1 Motor vehicle exhaust disposal system 2 旋转式排放方法的实用性 2.1 在消声器中的应用 气缸工作容积是曲轴活塞上止点到下止点所扫过的实际容积，又为单缸排量。发动机排量是各气缸工作容积的总和，一般用毫升（CC）来表示。单缸排量大小取决于缸径和活塞的行程，计算公式是圆周率 气缸半径平方 活塞有效行程（2），总排量是单缸排量乘以缸数7-8。汽车尾气从排气管排出时，气流是脉动的，以压力组的形式在排气系统内传播，压力越大，速度就越大，能量也越大。尾气最初的压力大小由气缸工作容积、做功频率和做功速度共同决定，如果直接排入大气中，就会产生强烈的排气噪声。为减少噪声和消除废气中的“尾火”，在排气管路一般都装有消声器，废气通过消声器时，吸收废气能量，平衡气流压力波，从而减少噪声9-10。2.1.1 环绕式排气法在消声器上的应用 环绕式排气法在消声器上应用的示意图如图 2，尾气从排气管排出，进入消声器进气口后，途经内管环绕导管，导管的螺旋递进结构改变排气方向，经右端的内管和隔板上的圆孔进入中间管，再经中间管左端上的圆孔进入外壳，流到消声器排气口排出。图 2 环绕式排气法在消声器上的应用 Fig.2 Application of wrap-around exhaust method on muffler 环绕式导流在消声器内管以内嵌方式螺旋递进环绕，将尾气流动的直线运行转变为旋转运行，形成气体涡流。可以根据消声器型号、尺寸、大小等设置多段导管环，气流几经转换形成叠加效应，促使气体能量快速衰竭，使尾气的速度、压力、温度迅速下降，从而提高消声器的降噪消声效果。2.1.2 风叶式排气法在消声器上的应用 风叶式排气法在消声器上的应用示意图如图 3，尾气从排气管排出，从消声器进气口进入，气体推动风叶转动，压力、速度越大，风叶转速越大。风叶带动气流旋转形成涡流，经右端内管和隔板上的第 4 期 杨安科等，机动车尾气旋转式排放方法的研究与应用 43 圆孔进入中间管，流至中间管的左端再经中间管上的圆孔进入外壳，经隔板上的圆孔和出气管到消声器排气口排出。图 3 风叶式排气法在消声器上的应用 Fig.3 Application of fan blade exhaust method on muffler 风叶通过不同角度改变尾气排放的旋转方向，尾气排放的速度、能量、力度越大，单位时间内形成的离心力也就越大。在这个过程中，气流几经转换方向、发生碰撞或摩擦，增加了折射、反射频率，使气流的速度、压力、温度迅速下降，增强降噪效果。环绕式排气法结构简单，易养护、耐高温，但是节能降噪效果不如风叶式排气法好。相比环绕式排气法，风叶式排气法虽然结构相对复杂，但是实际效果更为明显。在具体应用过程中，可结合消声器的实际尺寸及结构要求，合理运用，如果环绕式和风叶式排气法能够同时应用，效果会更好。2.2 风叶式排气法在颗粒捕集器上的应用 风叶式排气法在 DPF 上应用的示意图如图 4，汽车尾气从排气消声器排出，进入 DPF 进气口，用蜂窝陶瓷等高孔隙率材料制成“倒放桶式”圆柱过滤载体内管，也就是空心圆柱过滤载体，圆柱内管安装风叶，右端有挡板全封闭，用来改变排气方向。通过尾气压力使风叶转动，带动气流旋转形成涡流，通过过滤载体由圆柱表面到金属纤维过滤网排出，进入外壳，流到 DPF 排气口排出。图 4 风叶式排气法在 DPF 上的应用 Fig.4 Application of fan blade exhaust method on DPF 柴油不完全燃烧是尾气排放颗粒物的最主要来源。柴油机颗粒物捕集系统 DPF 以蜂窝陶瓷或碳化硅等高孔隙率材料为基础，构成闭流式过滤通道载体，过滤、捕集排放尾气中的颗粒物，当捕集到的尾气颗粒物达到设定值后，颗粒物捕集系统通过特殊设计的再生设备，在贵金属催化和强氧化剂作用下，将捕集到的颗粒物进行二次氧化，最后转化为二氧化碳排出11-12。在原颗粒捕集器结构上，过滤器多位于圆柱底端，尾气排出机体前，从过滤载体的左端进入、右端排出，经过滤芯达到颗粒捕集和尾气过滤效果，由于滤芯孔通气孔面积较小，容易出现堵塞现象。采用风叶式排气法和“圆柱桶式”过滤载体，不仅可以改变尾气排出的流向、增加涡流旋转效果，还可以增加尾气与滤芯的接触面积与概率，大大提升颗粒捕集和尾气过滤效果。同时，还可以有效降低过滤器堵塞和动力因排气不畅下降等问题。2.3 风叶式排气法在 SCR 系统上的应用 风叶式排气法在 SCR（催化器）系统上应用的示意图如图 5，尾气从 DPF 排出后，进入 SCR 进气口时与尿素喷管喷出的尿素液在混合器管内混合，在尾气的作用下，带动混合气管内的风叶转动，使尿素混合更加充分。尾气通过 SCR 催化器时，催化反应更快、效率更高，最后尾气通过 SCR 排气口排出。图 5 风叶式排气法在 SCR 系统上的应用 Fig.5 Application of fan exhaust method on SCR system SCR（催化器）系统是柴油车尾气处理排放污染物 NOx的一项常用技术工艺，工作原理是：尾气与还原剂氨或尿素在催化剂的作用下，把尾气中的 NOx还原成 N2和 H2O（NOx+NH3N2+H2O）。复杂的物理化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、融合、蒸发，混合气体在 SCR 系统催化剂作用下生成 N2和H2O，催化反应大大降低了排放到大气中的污染物浓度，从而达到减排降污的目的13-14。采用风叶式排气法，在混合器内利用尾气自身压力使风叶按设计方向快速旋转，改变尾气原有的单一运动方向，通过气体离心力形成气体涡旋流，增加气44 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 体的混合效果和雾化程度，使化学反应更充分，增加催化器的工作效率，从而达到减排效果。3 结语 尾气排放是大气污染物排放的重要贡献者，随着汽车保有量的逐年增加，尾气排放对大气污染的影响越来越严重。虽然国家大力推广新能源汽车应用，不断出台系列新能源汽车购置刺激政策，但是传统燃料汽车在目前和近期一段时间都将是我国汽车市场的主体。旋转式排气法在结构上对消声器、颗粒捕集器DPF、催化器 SCR 进行了创新改进，通过改变气体流动方向、增强气流摩擦、形成涡旋气流等多种方式，增强消声器消声降噪的效果，提升颗粒捕集器 DPF 和催化器 SCR 的工作效率，达到减排降污效果。此外，旋转式排气法还可以广泛应用于大型火力发电、锅炉或水泥等生产企业的废气处置系统。参考文献：1 万国宇.机动车尾气污染问题及防治措施J.时代汽车,2021(17):16-17.2 徐金贵.汽车尾气排放的危害及治理措施分析J.内燃机与配件,2021(21):225-226.3 国家统计局.中华人民共和国 2022 年国民经济和社会发展统计公报EB/OL.(2023-02-28)2023-04-10 https:/ 朱晓蕾.机动车尾气污染防治对策分析J.中国资源综合利用,2021,39(6):143-146.5 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