机动车尾气旋转式排放方法的研究与应用

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。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。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所示，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（π×r2×s），总排量是单缸排量乘以缸数。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。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①后，途经内管环绕导管②，导管的螺旋递进结构改变排气方向，经右端的内管③和隔板上的圆孔进入中间管④，再经中间管左端上的圆孔进入外壳⑤，流到消声器排气口⑥排出。图2环绕式排气法在消声器上的应用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所示，尾气从排气管排出，从消声器进气口①进入，气体推动风叶③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④和隔板上的圆孔进入中间管⑤，流至中间管的左端再经中间管上的圆孔进入外壳⑥，经隔板上的圆孔和出气管到消声器排气口⑦排出。图3风叶式排气法在消声器上的应用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①，用蜂窝陶瓷等高孔隙率材料制成“倒放桶式”圆柱过滤载体④内管，也就是空心圆柱过滤载体，圆柱内管安装风叶③，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，气体通过过滤载体由圆柱表面到金属纤维过滤网⑤排出，进入外壳⑥，流到DPF排气口⑦排出。图4风叶式排气法在DPF上的应用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。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①时与尿素喷管喷出的尿素液在混合器④管内混合，在尾气的作用下，带动混合气管内的风叶③转动，使尿素混合更加充分。尾气通过SCR催化器⑤时，催化反应更快、效率更高，最后尾气通过SCR排气口⑥排出。图5风叶式排气法在SCR系统上的应用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+NH3→N2+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