摘要：機(jī)動車尾氣旋轉(zhuǎn)式排放法是采用導(dǎo)流管或風(fēng)葉，將汽車尾氣由原直線運(yùn)動方式轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動方式排出，主要適用于消聲器、顆粒捕集器、催化器等尾氣處理系統(tǒng)，可以有效解決尾氣排放噪聲、后處理系統(tǒng)堵塞、排放超標(biāo)等問題。本文以消聲器、顆粒捕集器DPF、催化器SCR為例，介紹了旋轉(zhuǎn)式排放方法不同類型的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，為機(jī)動車尾氣排放治理提供了新的方法和思路，該方法同樣可以應(yīng)用于廢氣排放處理系統(tǒng)的其他領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：減排降污；旋轉(zhuǎn)排放；尾氣處理；污染防治；機(jī)動車輛

中圖分類號：U467.4+8""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673?6478（2023）04?0041?04

Research and Application of Rotating Exhaust Method for Motor Vehicles

YANG Anke ZHANG Jinrui

（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

近年來，隨著我國在用汽車數(shù)量的不斷增加，汽車排放已經(jīng)成為大氣污染物的主要來源。機(jī)動車尾氣排放的污染物占大氣污染物的70%，特別是NOx對大氣污染的危害相當(dāng)嚴(yán)重[1]。汽車尾氣排放在嚴(yán)重的時候，甚至還會威脅人體生命健康，汽車尾氣在排放的過程中形成了霧霾以及酸雨等大氣污染現(xiàn)象，可能會危及人體的呼吸道以及肺部等部位[2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，全國汽車保有量為31"903萬輛，比上年末增加1"752萬輛[3]。按車型分類，貨車排放的NOx和PM明顯高于客車，其中重型貨車是主要貢獻(xiàn)者；客車CO和HC排放量明顯高于貨車。按燃料分類，柴油車排放的NOx接近汽車排放總量的70%，PM超過90%；汽油車CO和HC排放量較高，CO超過汽車排放總量的80%，HC超過70%[4?5]。

汽車在日常使用過程中，隨著時間的推移會發(fā)生機(jī)械磨損和老化，使車輛的排放和油耗超標(biāo)，怎樣治理機(jī)動車尾氣排放，提高機(jī)動車尾氣排放治理效率，使在用排放超標(biāo)車輛恢復(fù)良好技術(shù)狀況，滿足或低于污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，是我們面臨的新問題、新課題，也是我們經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展必須接受的新挑戰(zhàn)。

1 旋轉(zhuǎn)式排放方法的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

汽車發(fā)動機(jī)做功后產(chǎn)生的廢氣，最初通過排氣支管經(jīng)消聲器直接排出，后來隨著大氣污染治理對機(jī)動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求越來越高，汽油車采取加裝三元催化器對尾氣排放污染物進(jìn)行處理，柴油車采取加裝后處理系統(tǒng)顆粒捕集器DPF和催化器SCR對尾氣排放污染物進(jìn)行處理，經(jīng)相關(guān)的氧化還原反應(yīng)處理后才能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[6]。

為提高污染物處置效率，提高尾氣處理能力，我們提出采取結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的方式，改變機(jī)動車尾氣排放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，將尾氣原來的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，通過增大接觸面積、增加反應(yīng)時間、增強(qiáng)霧化程度等，提高催化物氧化還原反應(yīng)效果，進(jìn)而提高尾氣污染物處理系統(tǒng)的處置能力。

旋轉(zhuǎn)式排放方法的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)分為兩類，一是環(huán)繞式排氣法。尾氣在經(jīng)過尾氣處理系統(tǒng)時，利用環(huán)繞式導(dǎo)流管改變原來的排放方向，通過與系統(tǒng)內(nèi)壁碰撞發(fā)生吸附、反射，壓力、熱能通過旋轉(zhuǎn)方式釋放，能量迅速衰竭，達(dá)到降低噪聲、降低溫度、減少壓力等目的。二是風(fēng)葉式排氣法。利用風(fēng)葉轉(zhuǎn)動改變尾氣排放方向，廢氣由原來的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)殡x心式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。利用尾氣排放的速度能量，通過設(shè)置風(fēng)葉改變尾氣排放的旋轉(zhuǎn)方向，速度越大單位時間內(nèi)離心力越大，通過這種方式增加顆粒物的吸附作用，形成的渦旋氣流同時增加了尾氣霧化強(qiáng)度，增大了反應(yīng)接觸面和反應(yīng)時間，從而提高反應(yīng)治理效率。

旋轉(zhuǎn)式排放方法的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)均已申報國家發(fā)明專利。結(jié)合不同的實(shí)際場所情況，兩種方法可分別應(yīng)用，也可同時應(yīng)用。

常見的機(jī)動車尾氣處理系統(tǒng)示意圖如圖1，分別是排氣消聲器和后處理系統(tǒng)DPF、SCR。采用旋轉(zhuǎn)式排氣方法的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，能夠明顯提高消聲器減音降噪效果，顯著提高后處理系統(tǒng)工作效率，同時還可有效避免排放不暢、動力下降等關(guān)聯(lián)問題。

2 旋轉(zhuǎn)式排放方法的實(shí)用性

2.1 在消聲器中的應(yīng)用

氣缸工作容積是曲軸活塞上止點(diǎn)到下止點(diǎn)所掃過的實(shí)際容積，又為單缸排量。發(fā)動機(jī)排量是各氣缸工作容積的總和，一般用毫升（CC）來表示。單缸排量大小取決于缸徑和活塞的行程，計(jì)算公式是圓周率× 氣缸半徑平方 × 活塞有效行程（π × ² × ），總排量是單缸排量乘以缸數(shù)[7-8]。

汽車尾氣從排氣管排出時，氣流是脈動的，以壓力組的形式在排氣系統(tǒng)內(nèi)傳播，壓力越大，速度就越大，能量也越大。尾氣最初的壓力大小由氣缸工作容積、做功頻率和做功速度共同決定，如果直接排入大氣中，就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的排氣噪聲。為減少噪聲和消除廢氣中的“尾火”，在排氣管路一般都裝有消聲器，廢氣通過消聲器時，吸收廢氣能量，平衡氣流壓力波，從而減少噪聲[9?10]。

2.1.1 環(huán)繞式排氣法在消聲器上的應(yīng)用

環(huán)繞式排氣法在消聲器上應(yīng)用的示意圖如圖2，尾氣從排氣管排出，進(jìn)入消聲器進(jìn)氣口①后，途經(jīng)內(nèi)管環(huán)繞導(dǎo)管②，導(dǎo)管的螺旋遞進(jìn)結(jié)構(gòu)改變排氣方向，經(jīng)右端的內(nèi)管③和隔板上的圓孔進(jìn)入中間管④，再經(jīng)中間管左端上的圓孔進(jìn)入外殼⑤，流到消聲器排氣口⑥排出。

環(huán)繞式導(dǎo)流在消聲器內(nèi)管以內(nèi)嵌方式螺旋遞進(jìn)環(huán)繞，將尾氣流動的直線運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)行，形成氣體渦流?？梢愿鶕?jù)消聲器型號、尺寸、大小等設(shè)置多段導(dǎo)管環(huán)，氣流幾經(jīng)轉(zhuǎn)換形成疊加效應(yīng)，促使氣體能量快速衰竭，使尾氣的速度、壓力、溫度迅速下降，從而提高消聲器的降噪消聲效果。

2.1.2 風(fēng)葉式排氣法在消聲器上的應(yīng)用

風(fēng)葉式排氣法在消聲器上的應(yīng)用示意圖如圖3，尾氣從排氣管排出，從消聲器進(jìn)氣口①進(jìn)入，氣體推動風(fēng)葉③轉(zhuǎn)動，壓力、速度越大，風(fēng)葉轉(zhuǎn)速越大。風(fēng)葉帶動氣流旋轉(zhuǎn)形成渦流，經(jīng)右端內(nèi)管④和隔板上的圓孔進(jìn)入中間管⑤，流至中間管的左端再經(jīng)中間管上的圓孔進(jìn)入外殼⑥，經(jīng)隔板上的圓孔和出氣管到消聲器排氣口⑦排出。

風(fēng)葉通過不同角度改變尾氣排放的旋轉(zhuǎn)方向，尾氣排放的速度、能量、力度越大，單位時間內(nèi)形成的離心力也就越大。在這個過程中，氣流幾經(jīng)轉(zhuǎn)換方向、發(fā)生碰撞或摩擦，增加了折射、反射頻率，使氣流的速度、壓力、溫度迅速下降，增強(qiáng)降噪效果。

環(huán)繞式排氣法結(jié)構(gòu)簡單，易養(yǎng)護(hù)、耐高溫，但是節(jié)能降噪效果不如風(fēng)葉式排氣法好。相比環(huán)繞式排氣法，風(fēng)葉式排氣法雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是實(shí)際效果更為明顯。在具體應(yīng)用過程中，可結(jié)合消聲器的實(shí)際尺寸及結(jié)構(gòu)要求，合理運(yùn)用，如果環(huán)繞式和風(fēng)葉式排氣法能夠同時應(yīng)用，效果會更好。

2.2 風(fēng)葉式排氣法在顆粒捕集器上的應(yīng)用

風(fēng)葉式排氣法在DPF上應(yīng)用的示意圖如圖4，汽車尾氣從排氣消聲器排出，進(jìn)入DPF進(jìn)氣口①，用蜂窩陶瓷等高孔隙率材料制成“倒放桶式”圓柱過濾載體④內(nèi)管，也就是空心圓柱過濾載體，圓柱內(nèi)管安裝風(fēng)葉③，右端有擋板全封閉，用來改變排氣方向。通過尾氣壓力使風(fēng)葉轉(zhuǎn)動，帶動氣流旋轉(zhuǎn)形成渦流，通過過濾載體由圓柱表面到金屬纖維過濾網(wǎng)⑤排出，進(jìn)入外殼⑥，流到DPF排氣口⑦排出。

柴油不完全燃燒是尾氣排放顆粒物的最主要來源。柴油機(jī)顆粒物捕集系統(tǒng)DPF以蜂窩陶瓷或碳化硅等高孔隙率材料為基礎(chǔ)，構(gòu)成閉流式過濾通道載體，過濾、捕集排放尾氣中的顆粒物，當(dāng)捕集到的尾氣顆粒物達(dá)到設(shè)定值后，顆粒物捕集系統(tǒng)通過特殊設(shè)計(jì)的再生設(shè)備，在貴金屬催化和強(qiáng)氧化劑作用下，將捕集到的顆粒物進(jìn)行二次氧化，最后轉(zhuǎn)化為二氧化碳排?出?[11?12]。

在原顆粒捕集器結(jié)構(gòu)上，過濾器多位于圓柱底端，尾氣排出機(jī)體前，從過濾載體的左端進(jìn)入、右端排出，經(jīng)過濾芯達(dá)到顆粒捕集和尾氣過濾效果，由于濾芯孔通氣孔面積較小，容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。采用風(fēng)葉式排氣法和“圓柱桶式”過濾載體，不僅可以改變尾氣排出的流向、增加渦流旋轉(zhuǎn)效果，還可以增加尾氣與濾芯的接觸面積與概率，大大提升顆粒捕集和尾氣過濾效果。同時，還可以有效降低過濾器堵塞和動力因排氣不暢下降等問題。

2.3 風(fēng)葉式排氣法在SCR系統(tǒng)上的應(yīng)用

風(fēng)葉式排氣法在SCR（催化器）系統(tǒng)上應(yīng)用的示意圖如圖5，尾氣從DPF排出后，進(jìn)入SCR進(jìn)氣口①時與尿素噴管噴出的尿素液在混合器④管內(nèi)混合，在尾氣的作用下，帶動混合氣管內(nèi)的風(fēng)葉③轉(zhuǎn)動，使尿素混合更加充分。尾氣通過SCR催化器⑤時，催化反應(yīng)更快、效率更高，最后尾氣通過SCR排氣口⑥排?出。

SCR（催化器）系統(tǒng)是柴油車尾氣處理排放污染物NOx 的一項(xiàng)常用技術(shù)工藝，工作原理是：尾氣與還原劑氨或尿素在催化劑的作用下，把尾氣中的NO_x 還原成N₂ 和H₂O（NO_x + NH₃→N₂ + H₂O）。復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)包括：尿素水溶液的噴射、霧化、融合、蒸發(fā)，混合氣體在SCR 系統(tǒng)催化劑作用下生成N₂ 和H₂O，催化反應(yīng)大大降低了排放到大氣中的污染物濃度，從而達(dá)到減排降污的目的[13-14]。

采用風(fēng)葉式排氣法，在混合器內(nèi)利用尾氣自身壓力使風(fēng)葉按設(shè)計(jì)方向快速旋轉(zhuǎn)，改變尾氣原有的單一運(yùn)動方向，通過氣體離心力形成氣體渦旋流，增加氣體的混合效果和霧化程度，使化學(xué)反應(yīng)更充分，增加催化器的工作效率，從而達(dá)到減排效果。

3 結(jié)語

尾氣排放是大氣污染物排放的重要貢獻(xiàn)者，隨著汽車保有量的逐年增加，尾氣排放對大氣污染的影響越來越嚴(yán)重。雖然國家大力推廣新能源汽車應(yīng)用，不斷出臺系列新能源汽車購置刺激政策，但是傳統(tǒng)燃料汽車在目前和近期一段時間都將是我國汽車市場的主體。

旋轉(zhuǎn)式排氣法在結(jié)構(gòu)上對消聲器、顆粒捕集器DPF、催化器SCR進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，通過改變氣體流動方向、增強(qiáng)氣流摩擦、形成渦旋氣流等多種方式，增強(qiáng)消聲器消聲降噪的效果，提升顆粒捕集器DPF和催化器SCR的工作效率，達(dá)到減排降污效果。此外，旋轉(zhuǎn)式排氣法還可以廣泛應(yīng)用于大型火力發(fā)電、鍋爐或水泥等生產(chǎn)企業(yè)的廢氣處置系統(tǒng)。

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