一種汽車尾氣處理系統的設計

楊博澳 劉天宇 王靜怡 張方勇 李少波

【摘 要】一種汽車燃油催化器安裝于濾清器出油口的尾部，汽油流經催化器，由催化劑進行催化反應，使汽車充分燃燒，并配合汽車尾氣檢測的自供能傳感器提供的自供能傳感器，通過檢測電路輸出的電流或電壓實現對汽車尾氣中NO2氣體的測定。該設計安全可靠，不會對發動機造成理化傷害，應用簡單，對汽車結構、電路和機械特性均無影響。

【關鍵詞】燃油;尾氣;處理;催化劑

一、前言

目前，汽車已經是人們生活中必不可少的交通工具，隨著汽車的普及，燃油需求量越來越大，而且燃油燃燒產生的各種尾氣排放量嚴重超標，對大氣的污染也越來越嚴重，特別是汽車尾氣對人類生存環境更是造成了嚴重污染，機動車尾氣污染已上升為主要的大氣污染[1]，如何對其進行治理是人類面臨的重大課題。燃油作為一種固有的不可再生資源，合理化、最大化的應用效果是目前的一大趨勢[2]，解決了燃油充分燃燒的問題，就可以緩解迫在眉睫的資源消耗浪費及大氣污染等問題。

二、設計構思及方案

本論文主要是設計一種汽車尾氣處理系統，包括結構主體，結構主體為中空的柱狀結構，結構主體的兩端分別設有蓋體，蓋體上設有油管連接口，結構主體內套設有中空的載體殼，載體殼內填充有燃油催化芯，燃油催化芯包括蜂窩催化劑載體，蜂窩催化劑載體表面涂覆有燃油催化，蜂窩結構有規律的細孔將燃油均勻分流并催化，功效穩定、持久，且燃油與燃油催化劑的接觸面積大，而且不會掉粉，也不會堵塞，燃油可以順暢通過，而且結構簡單，安裝方便。

（一）燃油催化部分

燃油催化器設置有兩個溶劑腔，可以有效存儲足量催化劑。燃油催化芯上采用蜂窩金屬催化劑載體和蜂窩陶瓷催化劑載體兩種模式，將燃油分流并充分與燃油催化劑充分接觸。設計時預留出催化劑添加口，使得更換更加快捷方便。

燃油催化劑由電氣石、氧化鋁、氧化鐵、三氧化二鈰按比例混合后球磨致細構成。可吸附燃油里面的硫和醇，提升燃油質量，并將燃油的大分子有機物經過遠紅外線分解成小分子團碳氫燃料，能提高燃油含氧量，使被經過凈化和遠紅外線裂解細化的燃油分子燃燒更充分徹底，并保證自身不進入發動機使之受到理化傷害。

（二）尾氣監測部分

尾氣監測裝置采用以尾氣通過傳感器時產生的感應電荷為自身供電，并依靠氣敏薄膜對NO2的選擇性吸附通過傳感器轉化為電信號，進而顯示出尾氣中含氮化合物的濃度。同時，將數據上傳到專屬的APP以便人們快捷了解車輛排放情況。

（三）關鍵技術

如附圖1所示，一種燃油催化器，包括結構主體1，結構主體1為中空的柱狀結構，結構主體1的兩端分別設有蓋體2，蓋體2上設有油管連接口23，結構主體1內套設有中空的載體殼3，載體殼3內填充有燃油催化芯4，燃油催化芯4包括蜂窩催化劑載體5，蜂窩催化劑載體5表面涂覆燃油催化劑。

使用時，該燃油催化器連接于發動機外，燃油進入燃油催化器后，蜂窩催化劑載體上的流道將燃油分流并充分與燃油催化劑充分接觸， 燃油催化劑不溶于各種碳氫燃料，球磨后比表面積增加，使其具有更好的吸附凈化能力，吸附燃油里面的硫和醇，起到凈化燃油、提升燃油質量的作用。催化劑能發射波長在4-14微米、發射率在0.92以上的遠紅外線，這些遠紅外線可以有效地破壞各種碳氫燃料分子間的氫鍵，從而減小碳氫燃料分子之間的締和度，生成小分子團碳氫燃料。電氣石和三氧化二鈰具有儲氧和放氧功能，提高燃油含氧量，使被經過凈化和遠紅外線裂解細化的燃油分子燃燒更充分徹底。提高內燃機的動力和功率，進而降低能耗，減少積炭形成，減少發動機磨損，延長發動機壽命，提升動力15-25%。

尾氣監測裝置的自供能傳感器包括絕緣聚合物薄膜層和氣敏薄膜層，兩薄膜層面對面設置并相互隔離，在氣流作用下，完成兩薄膜層接觸-分離循環的形成。即引發柔性絕緣聚合物薄膜層振動，并與氣敏薄膜層接觸生成摩擦電荷，然后兩者相分離時產生電勢差，從而在外界電路上形成了電流輸出。同時氣敏薄膜層對NO2氣體選擇性吸附，通過叉指電極使得輸出脈沖電壓或電流信號可用于檢測汽車尾氣中NO2氣體的濃度。如圖2.

三、效果分析

（一）油耗

采用等速行駛燃油消耗量試驗GB/T12545.1-2008汽車燃料消耗量試驗方法的第1部分：乘用車燃料消耗量試驗方法進行油耗對比試驗。通過試驗數據我們得到車輛在90km/h的油耗變化率為-15.3%，在120km/h的油耗變化率為-19.1%，即采用催化劑提前催化燃油，可使得油耗較原來降低15%-20%左右。

（二）牽引功率

采用驅動輪輸出功率GB/T18276-2000汽動力性臺架試驗方法和評價指標進行牽引功率的對比試驗，并選取五組常用的不同梯段速度進行，同時設置了三組相同的試驗以保證試驗的嚴謹性。通過實驗結果我們可以得到三組牽引功率的平均變化率分別為15%、16.9%、16.6%，由此可見，應用催化劑可以使汽車牽引功率增加15%以上。

（三）排放量

采用汽油車排氣污染物對比GB/T14951-20007汽車節油技術評定方法測定使用催化劑前后汽車排放含量。結果顯示，使用催化劑后汽車主要排放的污染物含量減少近50%。CO排放污染物對比試驗，在沒使用催化劑之前CO在高怠速和低怠速排放污染物占比分別為6%和8%，使用催化劑后CO在高怠速和低怠速排放污染物占比分別為變為3%和5%。CH排放污染物對比試驗，在沒使用催化劑之前在高怠速和低怠速排放污染物占比分別為0.06%和0.09%，使用催化劑后高怠速和低怠速排放污染物占比分別為變為0.03%和0.05%。經過系統得三次測試后我們得到在加裝我們的燃油催化器后，降低油耗15-20%，有效減低原車費油率;可以提升動力15-25%;減少排氣污染物50%以上，效果非常顯著。

（四）監測效能分析

對自供能尾氣吸收傳感器裝置感受尾氣的效能，我們通過電流計讀數（偏轉的角度）判定待測氣體（汽車尾氣氣體）的濃度的方式測定。當不同濃度的汽車尾氣氣體通過時，此時電流計會偏轉，其偏轉角度與汽車尾氣中NO2氣體的濃度成正比。隨著待測氣體濃度的增加，自供能尾氣吸收傳感器的輸出電流增大，能與尾氣吸收數值形成正相關，達到了預期監測效力和目標。

四、結論

同傳統的二氧化氮傳感器相比[3]，本設計制備過程簡單、成本低、實用性高、不需要額外的供電系統;提出的自供能傳感器結構新穎且充分利用了自然界的能量，可廣泛用于汽車尾氣的檢測;能解決一般基于壓電效應的自供能氣體傳感器存在的敏感度低、輸出信號弱、需要外力作用源等問題[4]。積極發展節能環保型汽車，符合我國能源供給實際和大眾消費水平，有利于緩解能源緊張狀況，保護環境，對于落實國家能源發展戰略，加快建設資源節約型、環境友好型社會，具有重要意義。

【參考文獻】

[1]王宏，羅建軍，藺玉強.一種新型車載凈化器的設計工藝[J].2013（13）.

[2]肖益鴻，蔡國輝，鄭勇，魏笑峰，魏可鎂.滿足超低排放要求的凈化器研制[J].福州大學化肥催化劑國家工程研究中心，2011（S1）.

[3]A.Bonfils，Y.Creff，O.Lepreux，N.Petit.Closed-loopcontrolofaSCRsystemusingaNOxsensorcross-sensitivetoNH3，2014

[4]M.Bendrich，A.Scheuer，R.E.Hayes.M.Votsmeier.UnifiedmechanisticmodelforStandarSCR，FastSCR，andNO2SCRoveracopperchabazitecatalyst，2018.