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机械工程在货车尾气后处理技术中的创新应用探讨

2024-09-05 55 上传者：管理员

摘要：本文探讨了机械工程在货车尾气后处理技术中的创新应用。介绍了尾气排放对环境和人类健康的影响，以及当前尾气治理的现状和挑战。重点分析了机械工程在尾气后处理技术方面的创新应用，包括颗粒物过滤器、氮氧化物催化还原剂、SCR技术等。通过对这些技术的原理、优势和局限性进行分析，探讨了它们在实际应用中的效果和发展前景。总结了机械工程在货车尾气后处理技术中的创新应用对环境保护和可持续发展的重要意义。

关键词：
创新应用
尾气后处理技术
机械工程
环境保护
货车
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货车是现代物流运输系统中不可或缺的一部分，但是其尾气排放所带来的环境污染和健康风险日益凸显。尾气中的颗粒物、氮氧化物等有害物质对大气环境和人类健康造成严重影响，引起了广泛关注和重视。为了减少货车尾气排放对环境的负面影响，尾气后处理技术成为了当前研究和应用的热点之一。

1、气排放对环境和人类健康的影响

货车作为现代物流运输系统中重要的组成部分，其发动机燃烧燃料产生的尾气排放对环境和人类健康造成了不可忽视的影响。尾气排放主要包括颗粒物、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物等有害物质，其中颗粒物和氮氧化物是尾气排放中最为关键的污染物。

颗粒物是指直径小于或等于10μm的固体颗粒或液滴，主要包括颗粒物物质和颗粒物核心。这些颗粒物进入大气环境后，会对空气质量产生显著影响，形成雾霾天气，影响人们的视觉舒适度。更严重的是，颗粒物中的细颗粒物(PM2.5)可以穿透呼吸道防御系统进入人体内部，对呼吸系统和心血管系统造成直接损害，增加呼吸道疾病和心血管疾病的发病率，严重影响人类健康。

氮氧化物是指一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等氮氧化合物，在发动机燃烧过程中产生并排放至大气中。氮氧化物是典型的大气污染物之一，其在大气中参与光化学反应生成臭氧和硝酸盐等二次污染物，加剧了大气污染程度。另外，氮氧化物还会引发酸雨的形成，对土壤和水体造成损害，影响生态系统的稳定性和健康。

除了颗粒物和氮氧化物外，尾气排放中的一氧化碳、碳氢化合物等也对环境和人类健康构成一定威胁。一氧化碳进入人体后与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，导致血液输送氧气能力降低，严重时可导致中毒甚至死亡。碳氢化合物则参与大气光化学反应产生臭氧等有害物质，加剧了大气污染和光化学污染的程度。

货车尾气排放中的各类有害物质对环境和人类健康都具有重要影响，需要采取有效的措施进行控制和治理。尾气后处理技术的发展和应用成为了当前研究和实践的重点之一，对减少尾气排放对环境和人类健康的影响具有重要意义。

2、尾气后处理技术的现状和挑战

随着现代工业和交通运输的发展，尾气排放对环境和人类健康的影响日益凸显，促使了尾气后处理技术的不断发展和应用。但是，尾气后处理技术在实际应用中面临着诸多挑战，这些挑战直接影响了技术的效率和可持续性。

第一，尾气后处理技术的成本是当前面临的主要挑战之一。

现有的尾气治理设备和材料的生产成本较高，导致相关技术在商业化和大规模应用方面受到限制。特别是对于中小型货车企业或发展中国家来说，投资尾气治理设备的成本往往过高，难以承受。所以，如何降低尾气后处理技术的成本，提高其经济性和可行性，成为亟需解决的问题。

第二，尾气后处理技术的效率和稳定性也是需要重点关注的挑战之一。

尽管现有技术如颗粒物过滤器、氮氧化物催化还原剂等在减排方面取得了一定成效，但在实际运行过程中常常面临着效率下降、材料老化、反应副产物等问题，影响了技术的长期稳定性和效果持久性。如何提高尾气后处理技术的净化效率和稳定性，保证其长期可靠运行，是当前技术研发和改进的重要方向。

第三，尾气排放标准的不断提高也给尾气后处理技术带来了挑战。

随着环保法规和标准的不断严格化，尾气排放限值也在不断降低，对尾气后处理技术的净化性能和技术指标提出了更高要求。所以，研发符合新标准要求的尾气处理技术和设备，具有更高的净化效率和适应性，是当前技术发展的迫切需求。

第四，尾气后处理技术的可持续性和环境影响也值得关注。

部分尾气治理设备的生产和使用过程中可能产生一些环境污染物或排放物，可能会对周围环境和生态系统造成一定影响，需要进行合理评估和管理。

表1 轻型国六实验排放限值（6a)

3、机械工程在尾气后处理技术中的创新应用

3.1 颗粒物过滤器

颗粒物过滤器是用于捕捉和过滤尾气中颗粒物的关键设备之一，其主要作用是通过物理或化学方式将颗粒物从尾气中截留和清除，有效减少颗粒物排放。机械工程在颗粒物过滤器的创新应用主要集中在材料和结构方面。

图1 隔热层材料

第一，在材料方面，机械工程师通过研发新型高温耐久材料，提高了颗粒物过滤器的耐高温性能，使其在高温尾气处理中具有更长的使用寿命和稳定性。例如，采用耐高温陶瓷材料或金属纤维材料制备过滤器滤芯，能够有效应对高温尾气环境下的颗粒物过滤需求。

第二，在结构方面，机械工程师设计了更高效的过滤器结构，优化了颗粒物的捕捉和清除过程，提高了过滤效率和能耗效率。例如，引入多孔结构和流体动力学优化设计，减少颗粒物在过滤器中的阻力和压降，提高了过滤器的运行效率和稳定性。

图2 封装结构-直桶式

图3 封装结构-S型

图4 封装结构-U型

图5 封装设计———计算域

3.2 氮氧化物催化还原剂

氮氧化物(NOx)是尾气排放中的重要污染物之一，在尾气后处理技术中创新应用了氮氧化物催化还原剂技术，通过催化还原反应将氮氧化物转化为无害氮和水，实现氮氧化物的有效净化。

在氮氧化物催化还原剂技术中的创新主要包括催化剂设计和反应器工程。针对催化剂设计，研发了高效活性的催化剂材料，如铜铁氧化物、钒钛氧化物等，提高了催化剂对氮氧化物的转化效率和稳定性，降低了催化剂的成本和资源消耗。

在反应器工程方面，设计了高效的反应器结构和运行模式，优化了反应条件和催化剂分布，提高了反应器的催化效率和能量利用率。例如，采用多级反应器和循环流动系统，实现对尾气中氮氧化物的有效捕捉和转化，减少了对催化剂的损耗和废弃物产生，具有较好的环境和经济效益。

3.3 SCR技术工作过程

尿素箱用于尿素溶液的储存与供给。在尿素箱上安装有液位及温度传感器。液位传感器用于系统诊断、尿素用量监控及低液位报警等。温度传感器则用于监测尿素溶液的温度，以确定是否需要启动或者关闭加热装置，防止溶液冻结或过热。对尿素箱的加热大多利用发动机冷却液来完成，其冷却液管路的控制电磁阀由发动机电控单元控制。

压缩空气罐用于给定量给料单元提供压缩空气。压缩空气经空气滤清器过滤后再进入定量给料单元。定量给料单元是SCR尾气后处理系统的核心单元，也是一个高精度元件。它的微处理器受发动机电控单元ECM 控制，用于将与发动机运行工况所产生的氮氧化物量相匹配的尿素量喷入排气管。在给料工作时，其内部的电动泵根据微处理器接收到的指令从尿素箱吸入所需要量的尿素溶液，尿素溶液与压缩空气混合并雾化进入喷射管路。为了保证其正常工作，该单元还具有自除气和自清洁功能。即在每次工作前，电动泵以最大工作流量从尿素箱吸入尿素溶液并经回流管返回，以除去管路中可能存在的空气对计量精度的影响，该过程被称作除气过程。在电动泵停止工作后，压缩空气会持续供给直至将管路中的尿素溶液吹除干净，以防止尿素在管路中残留结晶阻塞管路，该过程被称作清洁过程。定量给料单元与尿素箱之间有两条管路相连，即供给管和回流管。供给管用于给料及除气过程尿素溶液的供给。回流管则主要用于除气过程中尿素溶液的回流。

为了保证在较低环境温度条件下后处理系统的正常工作，防止管路中尿素溶液冻结，该两条管路采用了电加热装置来进行有效保护。电加热装置的控制继电器也是由发动机电控单元控制。

喷嘴安装于催化器前的排气管道内，通过喷射管道与量给料单元相连。主要作用是在给料过程中将雾化的尿素溶液均匀地喷入发动机排气中，这样将使尿素溶液遇热后分解出的氨能更均匀地分布到排气中。

催化器是SCR 尾气后处理系统的另一个核心单元，兼有尾气催化转化和噪音消声两个功能。其内部由三个独立、串联的单元组成，分别是氨扩散器、催化转化器和消声器。扩散器的主要作用是将氨均匀地分布到催化器表面。氮氧化物与氨经催化还原反应最终生成无害的氮气和水的过程则是在催化转化器内完成的。催化器还对燃油提出了特殊的要求，即必须使用符合规定的低硫含量的燃油。若使用高硫含量的燃油，则其产生的硫化氨会污染催化转化器表面，这样就会降低催化器尤其是在低温时的转化效率。在催化器的入口和出口处各安装有一只温度传感器，用于检测催化器是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行，并据此确定需要喷入的尿素量。催化还原反应所要求的最低排气温度为200℃。催化器上还安装有一只氮氧化物传感器，用于监测经过催化器处理后尾气中氮氧化物的排放是否达到预期的效果。

选择性催化还原(SCR)技术是一种高效减排的尾气处理技术，通过在适宜温度下将氨或尿素溶液喷入尾气中，与氮氧化物发生选择性催化还原反应，将其转化为无害氮和水，从而实现对氮氧化物的有效净化。在SCR技术中的创新应用主要体现在催化剂设计和喷射系统工程方面。

对于催化剂设计，针对SCR技术研发了高效活性的SCR催化剂，如钒钨钛等复合氧化物催化剂，具有较高的选择性和稳定性，在较宽的温度范围内能够实现对氮氧化物的高效净化。

在喷射系统工程方面，设计了精准控制和高效喷射的喷射系统，确保尿素溶液的适量喷入尾气中，并实现与氮氧化物的良好反应接触，提高了SCR技术的反应效率和净化效果。

4、结论

机械工程在货车尾气后处理技术中的创新应用，为环境保护和可持续发展提供了重要支持。颗粒物过滤器、氮氧化物催化还原剂和SCR技术等技术的发展与应用，有效降低了尾气排放对环境和人类健康的影响。未来应继续加强技术研发和工程实践，推动尾气后处理技术不断创新，为建设清洁、美丽的环境贡献力量。

参考文献:

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文章来源:汪俊,胡义伍,曹君,等.机械工程在货车尾气后处理技术中的创新应用探讨[J].内燃机与配件,2024,(17):112-114.