CN104564252A - 一种柴油车尾气后处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油车尾气后处理装置，包括套筒、进气管，套筒内设置有内端盖，套筒内一体式设置有净化装置、消声装置，净化装置包括载体催化器、颗粒捕集器，消声装置包括消声管、消音内端盖，消声管通过消音内端盖及隔板与筒体相连，消声管的末端为出气消声管，出气消声管伸出套筒外与出气端法兰相连，载体催化器为DOC载体催化器，以蜂窝陶瓷为载体，颗粒捕集器为PF/CPF半通透式颗粒捕集器，所述进气管上套接设置有锡箔波纹保温管或不锈钢双层隔热管。本发明基于实际市场与环保需求，具有结构简单、设计合理、安装方便、综合成本低等竞争优势。可解决柴油车在怠速或低负荷、频繁启动下的排放污染问题，达到国四、国五排放标准。

Description

一种柴油车尾气后处理装置

技术领域

本发明属于柴油车尾气处理技术领域，具体涉及一种柴油车尾气后处理装置。

背景技术

随着环保要求的不断提高，国家机动车污染物排放标准也更加严格，第四阶段与第五阶段的WHTC冷启动和热启动试验排放限值如表1所示，国IV与国V的ESC以及ETC试验下的尾气排放要求如表2所示。

表1 WHTC冷启动和热启动试验排放限值

表2 ESC和ETC试验排放要求

国四排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准，对于柴油车尾气处理所主要采用的EGR系统+DOC或EGR系统+DOC+POC技术路线。DOC即氧化催化剂，主要用于处理HC、CO、PM中的SOF颗粒，正常启燃温度在320度以上；POC为通透式颗粒捕集器，主要用于捕捉PM中的SOOT颗粒，并在一定温度下，对其进行连续被动再生，由于其结构及再生机理，低速或怠速下它的PM效率在40%-50%左右，甚至更低，因此无法确保该工况下的排放达标。

国四排放标准于2014年7月1日正式实施后，在具体实施过程中各类问题不断暴露，其中最为主要的在怠速、频繁启动情况下，发动机内排出的尾气经过排气歧管后不能达到DOC载体所需要的反应温度，POC载体也无法进行再生，导致汽车尾气有害成分部分或者是完全没反应，造成在怠速、频繁启动情况下出现排放超标和冒黑烟现象。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种柴油车尾气后处理装置，即DOC+PF/CPF。PF即不带催化剂半通透式颗粒捕集器，主要用于捕捉PM中的SOOT颗粒，并在一定温度下对其进行连续被动再生，PM效率在50%-70%；CPF即带催化剂的半通透式颗粒捕集器，主要用于捕捉PM中的SOOT颗粒，效率在50%-80%，可连续被动再生。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，包括套筒、进气管，进气管通过法兰与套筒相连，套筒内设置有内端盖，其特征在于所述套筒内一体式设置有净化装置和消声装置，所述净化装置包括载体催化器、颗粒捕集器，所述消声装置包括消声管、设置在消声管进气端的消音内端盖，所述消声管通过消音内端盖及隔板与筒体相连，消声管的末端为出气消声管或出气管，所述出气消声管或出气管伸出套筒外与出气端法兰相连，所述载体催化器为DOC载体催化器，以蜂窝陶瓷为载体，内涂含有活性组分Pt或Pt/Pd、氧化铝、分子筛及助剂的涂层，所述颗粒捕集器为PF/CPF半通透式颗粒捕集器，所述进气管上套接设置有保温管。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述颗粒捕集器进气端孔道全开，出气端相邻两个孔道一孔全开一孔封闭。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述载体催化器和颗粒捕集器之间间隔15～25mm，并与套筒内壁之间配合设置有膨胀衬垫。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述出气管为锡箔波纹保温管或不锈钢双层绝热管。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述锡保温管采用纽扣式包覆连接，或采用不锈钢双层隔热管的结构形式。

所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述进气管、出气消声管或出气管上均设置有压差传感器接头。

现有的DPF过滤器是壁流式过滤器，在相邻两个通道中，选择两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面，实现对颗粒物的捕集。DPF在设计时都要考虑能够承受一定负载率的碳烟。如果堆积的碳烟量超过其催大负载能力，DPF内部的颗粒物会对气流产生阻碍，从而使得压力降增加，最终导致DPF完全堵塞，因此DPF系统必须提供可靠的再生策略以确保上述问题不会发生。DPF对颗粒物的过滤效率可以达到90%以上，但是DPF再生及控制策略比较复杂，标定开发周期长，开发费用高，并且目前有能力进行DPF系统开发的公司较少。

POC的过滤层通常采用金属网构成，其过滤通道为流通式结构，并成褶皱形状。这种结构使得废气在流动过程中要么沿着褶皱的通道前行，要么需要穿过过滤层。过滤层即用于捕集颗粒。POC的再生通常是在正常的驾驶条件下完成的，当发动机的排气达到一定温度时，废气中的NO₂会与碳烟颗粒反应实现被动再生。但当发动机低怠速、低负荷或频繁启动时，排气温度达不到被动再生温度要求，会产生吹灰和POC烧蚀现象。

与DPF和POC相比，PF由于载体的特殊结构，碳黑与灰分被收集在封闭的流道内，收集下来的碳黑只会被烧掉，而不会吹出，避免了POC在使用过程中产生的“吹灰”现象。同时由于PF过滤器约50%的通道为流通式，旁通流道保证碳黑加载时压力变化平缓，即使碳黑收集流道完全堵塞，压力损失只会增加50%，而不致于出现完全堵塞的状况，只要进入被动再生反应窗口，碳黑会被完全烧掉，从而实现PF的连续被动再生过程。

本发明基于实际市场与环保需求，具有结构简单、设计合理、安装方便、综合成本低等竞争优势。可解决柴油车在怠速或低负荷、频繁启动下的排放污染问题，达到国四、国五排放标准。

附图说明

图1为本发明结构示意图(DOC+PF+消声结构)；

图2为图1轴向剖视结构示意图；

图3为本发明无消声结构的结构示意图 (DOC+PF)；

图4为图3轴向剖视结构示意图；

图5为载体催化器进气端结构示意图；

图6为颗粒捕集器出气端结构示意图；

图中：1-保温管，2-法兰，3-进气管，4-套筒，5-压差传感器接头，6-出气端法兰，7-内端盖，8-膨胀衬垫，9-载体催化器，10-颗粒捕集器，11-消音内端盖，12-消声管，13-隔板，14-出气消声管，15-出气管。

具体实施方式

以下结合说明书附图来进一步说明本发明。

如图1-6所示，本发明一种柴油车尾气后处理装置，包括套筒4、进气管3，进气管3通过法兰2与套筒4连接，套筒4内设置有内端盖7，套筒4内一体式设置有净化装置和消声装置，净化装置包括载体催化器9、颗粒捕集器10，载体催化器9和颗粒捕集器10与套筒4之间配合设置有膨胀衬垫8；消声装置包括消声管12、设置在消声管进气端的消音内端盖11，消声管12通过消音内端盖11及隔板13与套筒4相连，消声管12的末端为出气消声管14或出气管，且出气消声管14或出气管15伸出套筒4外与出气端法兰6，在进气管3、出气消声管14或出气管15上均设置有压差传感器接头5；套筒4内置消声装置大大减少了封装成本及安装空间，同时本发明改变传统端盖结构为旋压结构，在生产制造过程中使用大口径旋压工艺，使封装成本大幅度降低。载体催化器9为DOC载体催化器，以蜂窝陶瓷为载体，内涂含有活性组分Pt或Pt/Pd、氧化铝、分子筛及助剂的涂层，可氧化CO和HC，同时将一部分NO氧化成NO₂，当颗粒捕集器10内达到一定温度后， NO₂与碳颗粒反应，将截留在颗粒捕集器10内的碳颗粒烧掉，使颗粒捕集器10进行被动再生。颗粒捕集器为PF/CPF半通透式颗粒捕集器，具体为颗粒捕集器10进气端孔道全开，出气端相邻两个孔道一孔全开一孔封闭，排气气流经过PF时，碳烟颗粒被截留在出气端封闭的孔道内，达到过滤颗粒物的效果。进气管3上套接设置有纽扣式包覆连接的锡箔波纹保温管1。

在使用EGR+DOC+PF(CPF)技术路线前，首先须对发动机原排提出要求，PM原排指标不得高于0.076g/kwh，DOC载体催化器技术应完全具备充分催化氧化HC\CO\SOF(总PM的60%)能力，PF/CPF半通透式颗粒捕集器对SOOT颗粒捕集再生能力应高于50%。锡箔波纹保温管1连接发动机与后处理装置，采用纽扣式包缚，拆卸便捷，可根据不同长度任意调整，不锈钢双层隔热管有着保温性能极佳，使用寿命长的效果。经大量试验验证，采用锡箔波纹管保温或采用不锈钢双层隔热管的结构形式，平均一米管道温度损失仅为10度左右，有利于排气保温。同时，该装置有别于金属POC封装方式，金属POC封装直接与筒体接触，之间没有衬垫进行保温储热，且不利于再生后的安全。该种装置充分考虑了这种风险，在设计时从储热、保温、安全及成本考虑，在颗粒捕集器10和载体催化器9之间间隔15～25mm，在防止载体之间发生摩擦的同时，还能解决堵塞颗粒捕集器的问题，解决堵塞问题之后还能减少背压过高的问题，套筒4里的载体催化器9跟颗粒捕集器之间的内凹，为旋压制成，这是为了防止载体在长期运作中会发生接触，颗粒捕集器10和载体催化器9与套筒内壁之间设置膨胀衬垫8代替非膨胀衬垫，在封装后，对膨胀衬垫8进行预处理，使其确保一定封装力，达到储热地、保温、隔热及安全的效果，同时该种衬垫的成本仅为非膨胀衬垫的十分之一。

综合上述的措施，使得车辆在怠速式工况或低速工况或频繁启动下，可在30秒左右，使得废气进入进气管3达到套筒4的内端盖7的时候，其温度达到320°以上，其中，内端盖7采用双层结构，有利保温，不同发动机，由于功率、转速的不同，可能略有差异，使得废气中的HC\CO\SOF与DOC载体催化器发生化学反应，同时释放大量的热量，使温度短时间上升至400度以上，有利于后级PF有效地进行颗粒再生的需要。当前级DOC载体催化器传递来的温度无法达到起燃温度时，可对PF进行部分涂复贵金属CPF，则有利于二次反应放热升温通过CPF颗粒捕集器上的部分催化氧化反应，对排气温度再进行一次跳跃升温，通过试验验证，在相同结构下，带涂层的CPF颗粒捕集器可比不带涂层PF颗粒捕集器在5秒内提升30至70度，更加有利于PF的颗粒再生。再生效率在怠速或低负荷工况下可达到50%以上。根据国五PM限值0.02g/kwh、及DOC对SOF的转化效率、SOF与SOOT的占比，发动机原排PM值只要不超0.076g/kwh,该方案可实行国四升级国五的要求。

压差传感器接头5则配合车辆OBD有使用，当排气背压大于一定限值（整车排气系统背压损失不得高于2%，或后处理总成背压不得高于25Kpa）,如高于设计限值，则OBD系统报警，发动机ECU实施限扭，通知司乘人员对后处理进行检修。该装置在净化消声结构上，进行整体考虑，将DOC\PF的背压损失连同消声结构一并考虑，大大减少了封装成本及安装空间，如图1所示。同时在生产制造工艺上，实现大口径旋压工艺，对直径小于160mm的产品，均可采用筒体旋压工艺。对传统端盖工艺进行改变，采用旋压结构，仅封装成本可下降五分之一。以排量3.0L发动机为例，该装置制造价格可控制在1500元/套以内，相对于DOC+POC结构，成本可下降15%。

如依整车底盘布置需求，单一采用DOC+PF一体式封装工艺，则较该种净化消声一体的结构更为简单，综合成本会更低，如图4所示。

本发明结构经有限元分析，其载体流动均匀性系数大于0.9，载体偏心率小于0.6，氧传感器处流速大于100m/s,总压降小于25KPa。

Claims (6)

1. 一种柴油车尾气后处理装置，包括套筒(4)、进气管(3)，进气管通过法兰（2）与套筒相连，套筒内设置有内端盖（7），其特征在于所述套筒（4）内一体式设置有净化装置和消声装置，所述净化装置包括载体催化器（9）、颗粒捕集器（10），所述消声装置包括消声管（12）、设置在消声管（12）进气端的消音内端盖（11），所述消声管（12）通过消音内端盖（11）及隔板（13）与筒体相连，消声管的末端为出气消声管（14）或出气管，所述出气消声管（14）或出气管（15）伸出套筒（4）外与出气端法兰（6）相连，所述载体催化器（9）为DOC载体催化器，以蜂窝陶瓷为载体，内涂含有活性组分Pt或Pt/Pd、氧化铝、分子筛及助剂的涂层，所述颗粒捕集器（10）为PF/CPF半通透式颗粒捕集器，所述进气管（3）上套接设置有保温管（1）。

2. 根据权利要求1所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述颗粒捕集器（10）进气端孔道全开，出气端相邻两个孔道一孔全开一孔封闭。

3. 根据权利要求1所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述载体催化器（9）和颗粒捕集器（10）之间间隔15～25mm，并与套筒（4）内壁之间配合设置有膨胀衬垫（8）。

4. 根据权利要求1所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述出气管（1）为锡箔波纹保温管或不锈钢双层绝热管。

5. 根据权利要求1所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述锡保温管（1）采用纽扣式包覆连接，或采用不锈钢双层隔热管的结构形式。

6. 根据权利要求1所述的一种柴油车尾气后处理装置，其特征在于所述进气管（3）、出气消声管（14）或出气管（15）上均设置有压差传感器接头（5）。