发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法与流程

本发明涉及一种尾气治理方法，属于发动机尾气治理技术领域。

背景技术：

发动机(包括汽油、柴油机)排放尾气中的主要污染物为一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)、氮氧化合物(nox)、硫化物和微粒(由碳颗粒、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰等组成)。其净化方法是尾气通过催化剂氧化还原的化学反应将生成的h2o、co2和n2等排放到大气中。

根据科学研究表明：nox、硫化物和微粒排放是我国当前雾霾产生的最主要原因，事实上，对于柴油车，最大污染物是氮氧化合物(nox)，单从质量上讲，氮氧化合物(nox)排放是pm排放的50-200倍，是对生物产生毒害的主要因素。目前，我国的尾气处理装置的能力有限，不能彻底除去尾气中的有害成分，存在以下缺点：1、不能除去尾气中主要有害成分有co、hc和nox；2、如果尾气处理装置堵塞会造成排气背压增大，降低发动机的功率。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术问题，进而提供发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法。

本发明的技术方案：

发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法包括以下步骤：

步骤一、制备具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末；

具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末：按重量份数比将45～55份稀土、4～6份铁粉、4～6份铝粉、4～6份锌粉、4～6份硅粉、6～7份镁粉、4～6份钠粉、4～6份钙粉和3～4份硬脂酸锂放入高速均质机中匀30～40分钟；

步骤二、制备金属磨损自修复材料组合物；

金属磨损自修复材料组合物按重量份数比由4～11份氯化镍粉、4～11份铝粉、19～31份镍粉、14～21份三氧化二铁粉、4～11份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和12～49份矿物润滑油组成；

步骤三、发动机预处理；

对发动机进行磨损自修复预处理前，确保发动机辅助部件运行良好，确保涡轮增压器、气门及油封不漏油前提下更换机油，并将步骤一制备的具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末加注到发动机机油箱中，运行1500公里；

步骤四、发动机自修复前处理；

在步骤三过程中，进行发动机磨损自修复预处理后，更换发动机机油，并将步骤二中制备的金属磨损自修复材料组合物与更换的机油同时加注到发动机机油箱中，继续行驶12800公里，修复完毕之后更换机油；

步骤五、加装scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置对发动机尾气进行后处理；

在车辆、船身中加装scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置，使得发动机燃烧后排放的尾气首先进入scr尾气后处理系统，在scr尾气后处理系统的作用下去除氮氧化合物，经过scr尾气后处理系统处理过后的尾气进入氧化转化器和微粒捕集装置，在氧化转化器和微粒捕集装置的作用下去除尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、硫化物和微粒。

优选的：所述的步骤一中的稀土、铁粉、铝粉、锌粉、硅粉、镁粉、钠粉和钙粉的粒度均小于2微米。

优选的：所述的步骤二中金属磨损自修复材料组合物按重量份数比由4～11份氯化镍粉、4～11份铝粉、19～31份镍粉、14～21份三氧化二铁粉、4～11份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和12～49份矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟即可。

优选的：所述的步骤二中所述的氯化镍粉的粒度为0.5～2微米，所述的铝粉的粒度为20～100纳米，所述的镍粉的粒度为100～200纳米，所述的三氧化二铁粉的粒度为50～200纳米，所述的二氧化硅粉的粒度为200纳米～100微米。

优选的：所述的微粒捕集装置包括前锥桶、过滤腔和后锥桶，所述的过滤腔呈筒形结构，过滤腔前端连接前锥桶，过滤腔的后端连接后锥桶，所述的前锥筒的另一端连接柴油机尾气进气口，后锥筒的另一端连接尾气过滤后的排气口；所述的过滤腔内依次安装有氧化转化器和颗粒捕集器。

优选的：所述的scr尾气后处理系统包括scr本体、尿素储存罐、尿素泵、计量泵、混合区和排气尾管，所述的尿素储存罐通过尿素泵与计量泵连通，所述的scr本体的两端分别连有混合区和排气尾管，所述的计量泵通过尿素喷射管与混合区连通，所述的scr本体内设置有温度传感器，温度传感器与计量泵电连接，所述的排气尾管内设置有氮氧化合物检测器，所述的氮氧化合物检测器与计量泵电连接。

优选的：所述的颗粒捕集器内安装有滤芯，所述的滤芯交叉布置组成尾气流通通道。

优选的：所述的过滤腔的内壁上附着有一层高温岩棉保温层。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明是通过制备具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末对发动机摩擦副表面进行共渗改性强化的预处理，为发动机磨损进行快速自修复创造条件；

2、本发明通过快速自修复发动机机械摩擦组织表面微观缺陷与金属磨损表面宏观磨损缺陷，补偿磨损部位几何尺寸。修复层组织是以金属及合金为粘接相、陶瓷颗粒为硬质相组成的金属陶瓷；

3、发动机磨损快速自修复可修复汽车缸套、活塞、活塞环表面的磨损，提高纤维硬度一倍以上，降低摩擦系数一个数量级、耐高温1600度、耐强酸强碱腐蚀；

4、发动机快速自修复的修复时间缩短了二分之一，修复行驶里程由原来2.5万公里缩短到现在的1.28万公里；

5、利用发动机快速自修复(俗称发动机前处理)和尾气pm颗粒物过滤装置(俗称发动机后处理)两种治理方法集成，可使发动机燃烧充分，大幅度降低pm颗粒物和氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化物的排放，不容易使pm颗粒物过滤器产生堵塞，提高发动机动力，降低油耗；

6、利用发动机前处理和后处理两种方法集成，可优势互补、标本兼治，效果更突出，弥补了目前国内发动机单纯安装微粒捕集装置(后处理)造成发动机动力下降，油耗上升，捕集装置容易堵塞的缺陷，为今后高排放机动车尾气科学防治提供了一条有效途径；

7、过滤腔内壁上附着有一层高温岩棉保温层，使微粒捕集装置(dpf)启动升温快，临时停机保温二次启动快。

附图说明

图1是微粒捕集装置的结构视图；

图2是滤芯的结构视图；

图3是scr尾气后处理系统工艺流程图；

图中1-前锥桶，2-过滤腔，3-后锥桶，4-进气口，5-排气口，6-氧化转化器，7-颗粒捕集器，8-滤芯，9-scr本体，10-尿素储存罐，11-尿素泵，12-计量泵，13-混合区，14-排气尾管，15-尿素喷射管，16-温度传感器，17-氮氧化合物检测器，18-高温岩棉保温层。

具体实施方式

具体实施方式一、发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法包括以下步骤：

步骤一、制备具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末；

具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末：按重量份数比将45～55份稀土、4～6份铁粉、4～6份铝粉、4～6份锌粉、4～6份硅粉、6～7份镁粉、4～6份钠粉、4～6份钙粉和3～4份硬脂酸锂放入高速均质机中匀30～40分钟；

步骤二、制备金属磨损自修复材料组合物；

金属磨损自修复材料组合物按重量份数比由4～11份氯化镍粉、4～11份铝粉、19～31份镍粉、14～21份三氧化二铁粉、4～11份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和12～49份矿物润滑油组成；

步骤三、发动机预处理；

对发动机进行磨损自修复预处理前，确保发动机辅助部件运行良好，确保涡轮增压器、气门及油封不漏油前提下更换机油，并将步骤一制备的具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末加注到发动机机油箱中，运行1500公里；

步骤四、发动机自修复前处理；

在步骤三过程中，进行发动机磨损自修复预处理后，更换发动机机油，并将步骤二中制备的属磨损自修复材料组合物与更换的机油同时加注到发动机机油箱中，继续行驶12800公里，修复完毕之后更换机油；

步骤五、加装scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置对发动机尾气进行后处理；

在车辆、船身中加装scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置，使得发动机燃烧后排放的尾气首先进入scr尾气后处理系统，在scr尾气后处理系统的作用下去除氮氧化合物，经过scr尾气后处理系统处理过后的尾气进入氧化转化器和微粒捕集装置，在氧化转化器和微粒捕集装置的作用下去除尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、硫化物和微粒。

本发明的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法，通过治理发动机磨损修复，使其发动机燃油燃烧完全进而降低尾气排放中污染物的排放量，同时通过加装微粒捕集装置氧去除尾气中的有害粉尘和颗粒；

本发明实现发动机尾气治理具体方法包括三步：

第一步发动机预处理。在发动机磨损修复之前需采用预处理材料混合粉末，其组份包括：稀土、镁、硅、钠、钙、铝、锌和硬脂酸锂，其中稀土等元素通过发动机高温高压产生共渗使金属磨损表面强化；其他元素分体起到磨料抛光的作用，优点是：1、清理发动机摩擦副表面的变质层、腐蚀点和油渍等；2、使稀土、镁、硅等在高温高压作用下对发动机摩擦副表面进行共渗性强化，为下一道工序发动机磨损快速自修复创造有利条件；

第二步发动机自修复。采用金属自修复材料组合物，包括氯化镍粉、铝粉、镍粉、三氧化二铁粉、二氧化硅粉、粉体悬浮剂、表面改性剂和矿物润滑油组成，其工作机理是利用摩擦副摩擦瞬间产生的一个较低能量，以二氧化硅颗粒作为摩擦副之间压力传递介质，在一定的摩擦瞬间温度下(不小于350℃)，压力传递介质将压力作用在组合物中的纳米铝粉上，使纳米级的铝粉与氧发生氧化反应放出大量的热，通过颗粒作用在局部接触表面产生超高压强和材料反应放热的综合能量下，来达到修复金属摩擦副表面的目的。通过改变压力传递介质颗粒的粒径来控制摩擦副的间隙，从而实现对摩擦副表面修复厚度的自动控制。

自修复材料组合物沉积在摩擦微观表面的凸凹处，氯化镍在摩擦时对金属摩擦副表面产生活化作用，金属摩擦表面处在一个及不稳定的活性状态，造成组合物会吸附在摩擦副表面的凸凹处，在摩擦产生一定的温度下，压力传递介质将高压作用在摩擦表面吸附的组合物上，纳米铝粉首先与三氧化二铁反应，释放出大量的反应热，在摩擦瞬间产生高温的基础上增加了热能与在二氧化硅颗粒传递的高压力双重作用下，修复组合物与金属摩擦副表面、修复改性层表面进行快速反应，铁与镍形成铁镍合金，铁镍合金和被氯化镍活化的金属摩擦副表面、修复改性层表面发生反应，在纳米铝粉与三氧化二铁的反应中，铝粉被强烈氧化，释放出大量的反应热，铁被还原。经过大量的试验，对铝粉进行差热分析，粒径20微米的铝粉在630摄氏度时，会放出一个氧化反应放热峰值，10微米的铝粉在580摄氏度时，会放出一个放热峰值，纳米铝粉在350摄氏度时，会放出一个放热峰值，在温度加上二氧化硅将高压力作用在铝粉上的条件下，铝粉的放热峰值的温度在350摄氏度以下，摩擦瞬间能够充分满足这个温度条件。

铝粉在氧化还原铁的同时形成了金属氧化物陶瓷三氧化二铝，与镍铁化合形成镍铁合金基金属氧化物金属陶瓷层，二氧化硅作为摩擦副压力传递的介质，由于一小部分会在传递压力的同时会破碎，破碎的二氧化硅又与镍铁合金形成了镍铁合金基非金属氧化物金属陶瓷层，最终形成以镍铁合金基金属氧化物、非金属氧化物的复相金属陶瓷修复改性层。修复改性层与金属摩擦副表面是原子和分子间的健合，在二氧化硅颗粒作为压力传递介质的条件下(若干个二氧化硅颗粒传递着整个摩擦副的载荷，接触局部压强高达几百兆帕至及g帕)，有些反应是一个非平衡过程，元素的浓度不受平衡相图控制，可以得到超出平衡相图所规定的新结构。具有一定弹性变形能力的二氧化硅类球形颗粒在作为压力传递介质中，将颗粒变形、破碎发生的机率降低在10％以下，这些都是因为二氧化硅在添加到本发明组合物中经过一些特殊处理，使具有较高硬度和脆性的二氧化硅颗粒具有一定的弹性变形能力和具有类球形颗粒优化处理的结果。

第三步加装scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置对发动机尾气进行后处理。采用尾气处理装置(scr、doc和dpf)使得废气在壳体内形成多气流通道，产生稳流效应，从而更好地起到过滤，降低氮氧化物与大幅度降低pm颗粒物。

通过前三步，使得发动机燃烧充分，大幅度降低pm颗粒物和氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化物的排放，提高动力，降低油耗。与现有单纯加装发动机尾气处理装置相比，由于发动机经过长时间的运行缸套、活塞、活塞环表面产生磨损，其燃油得不到充分燃烧，排放的烟气极易造成dpf(微粒捕集器)的内过滤孔道堵塞，如此循环下去，dpf系统堵塞，产生“突突突”的尾气憋堵现象，使发动机动力下降，油耗上升。而通过本发明的工艺方法，可有效修复发动机内部磨损部位，使得发动机磨损表面得到预处理和自修复，燃烧充分，动力提升，油耗下降，有助于解堵。

针对本发明的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法，分别采用自由加速烟度法和车载法两种检测方法进行检验，并获得报告如下：

一、自由加速烟度法

选择三台发动机，同期出厂，同运行工况，统一检验车辆基本参数；

基本参数为：整车整备质量4220kg，最大总质量11580kg，燃油型号0#柴油，乘员人数3人，发动机型式(排列方式，气缸数，冲程数，冷却方式，进气方式，燃气方式，供油方式)直列、4缸、水冷、增压，发动机排量3983ml，分别检测自由烟度排放量获得如下数据：

将三台发动机，并分别做三种试验，包括将第一台发动机不做任何处理，作为对比检验基准，检测自由烟度排放量；将第二台发动机添加金属自修复磨损材料后，进行检测自由烟度排放量；将第三台发动机按照本发明专利的方法，依次进行预处理、金属自修复和加装尾气后处理系统后，进行检测自由烟度排放量；获得如下数据：

1、未做任何处理的发动机，作为对比检验基准，检测自由烟度排放量

2、发动机润滑油添加金属磨损自修复材料，行驶12800km后(192850km)，检测自由烟度排放量

3、发动机添加制备具有对发动机摩擦副表面变质层、腐蚀点清理和稀土共渗改性强化功能的预处理混合粉末预处理后，添加金属磨损自修复材料，后加scr尾气后处理系统、氧化转化器和微粒捕集装置后，行驶12800km后(含预处理1750km)，检测自由烟度排放量

通过上述自由加速烟度检测结果显示，添加金属磨损自修复材料的样车与未做任何治理的样车相比，其自由加速烟度排放量由综合值5.4降低到1.33，其样车润滑油添加金属磨损自修复材料能够修复发动机内部摩擦副之间的磨损，但是其排放量仍达不到标准限值(≤0.8)，而通过样车添加具有清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的预处理材料混合粉末进行预处理后，添加金属磨损自修复材料，再加装doc+scr+dpf系统后，检测自由烟度排放量综合值为0.37，远低于标准限值0.8，达到排放标准，且通过行驶里程看，单纯添加金属磨损自修复材料的检测样车需要行驶12800km能达到降低自由烟度排放值为1.33，而通过本发明方法的发动机尾气治理集成工艺样车行驶12800km后(含预处理1750km)确能达到自由烟度排放值为0.37，即完成自修复和达到尾气排放标准。

二、车载法

本发明还根据汽车排放污染物进行检测，其检验方法和检验结果如下：

检验方法：采用装备质量为4220kg、发动机排量为3983ml/85kw、最大设计装载质量为11580kg的发动机分别测量(1)原发动机排气污染物排放；(2)发动机润滑油添加金属磨损自修复材料后车辆污染物排放；(3)发动机采用预处理+金属材料自修复+尾气后处理装置的车辆污染物排放，获得数据如下：

第一次实验结果：原车排放(180050km)

第二次试验结果：样车润滑油添加金属磨损自修复材料，行驶12800km后(192850km)

第三次试验结果：样车采用清理发动机摩擦副表面变质层、腐败点和油渍功能的混合粉末预处理后，添加金属磨损自修复材料，后处理加装doc+dpf+scr系统后，行驶12800km后(192850km)

检验结果表明：经过“预处理”与“前处理”的自动修复，发动机的原车排放hc、co、co2的指标均下降。众所周知，碳排放下降意味着节油，提高动力，特别是co2在污染气体中的权重最大，它由原始的575.342下降到“预处理”加“前处理”后的536.294，这表明“预处理”与“前处理”可使发动机油耗下降、动力上升。当“后处理”加装颗粒捕集装置后co2由“预处理”加“前处理”后的536.294升到668.917，这表明“后处理”加装颗粒捕集装置后可使发动机油耗上升、动力下降。显而易见，“预处理”加“前处理”可有效弥补了“后处理”加装颗粒捕集装置后发动机油耗上升、动力下降的部分缺陷，实现优势互补，标本兼治。

具体实施方式二、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法所述的步骤一中的稀土、铁粉、铝粉、锌粉、硅粉、镁粉、钠粉和钙粉的粒度均小于2微米。此实施方式的混合粉末可以根据金属摩擦副之间的间隙确定需要清理的变质层、腐败点的厚度。

具体实施方式三、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法所述的步骤二中金属磨损自修复材料组合物按重量份数比由4～11份氯化镍粉、4～11份铝粉、19～31份镍粉、14～21份三氧化二铁粉、4～11份二氧化硅粉、2～5份粉体悬浮剂、0.5～1份表面改性剂和12～49份矿物润滑油放入高速均质机中均质30～40分钟即可。

具体实施方式四、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法步骤二中所述的氯化镍粉的粒度为0.5～2微米，所述的铝粉的粒度为20～100纳米，所述的镍粉的粒度为100～200纳米，所述的三氧化二铁粉的粒度为50～200纳米，所述的二氧化硅粉的粒度为200纳米～100微米。此实施方式的组合物适用于机械设备中的金属摩擦副，盖组合物可根据金属摩擦副之间的间隙确定修复改性层的厚度。

具体实施方式五、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法所述的微粒捕集装置包括前锥桶1、过滤腔2和后锥桶3，所述的过滤腔2呈筒形结构，过滤腔2的前端连接前锥桶1，过滤腔2的后端连接后锥桶3，所述的前锥筒1的另一端连接柴油机尾气进气口4，后锥筒3的另一端连接尾气过滤后的排气口5；所述的过滤腔2内依次安装有氧化转化器6和颗粒捕集器7。如此设置，氧气转化器可以除去尾气中的有害气体，颗粒捕集器可以去除尾气中的有害粉尘和颗粒。

具体实施方式六、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法所述的scr尾气后处理系统包括scr本体9、尿素储存罐10、尿素泵11、计量泵12、混合区13和排气尾管14，所述的尿素储存罐10通过尿素泵11与计量泵12连通，所述的scr本体9的两端分别连有混合区13和排气尾管14，所述的计量泵12通过尿素喷射管15与混合区13连通，所述的scr本体9内设置有温度传感器16，温度传感器16与计量泵12电连接，所述的排气尾管14内设置有氮氧化合物检测器17，所述的氮氧化合物检测器17与计量泵12电连接。如此设置，scr尾气后处理系统其基本工作原理就是通过优化柴油发动机缸内燃烧过程，对发动机排出尾气中含量较高的氮氧化物(nox)利用专门的车载后处理系统进行处理，以满足法规要求，在后处理过程中，定量给料单元会根据发动机电控单元给出的指令精确地将与发动机运行工况相匹配的尿素量喷入混合区13，在混合区13内，尿素与含有氮氧化物的尾气充分混合，尿素分解出的氨与氮氧化物在催化器中经过催化还原反应最后生成无害的氮气(n2)和水(h2o)。

具体实施方式七、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法步骤五中所述的颗粒捕集器7内安装有滤芯8，所述的滤芯8交叉布置组成尾气流通通道。如此设置，其中滤芯8交叉形成的尾气流通通道两端被一隔一的堵死，尾气从入口孔道进入后必须流过孔道壁，从相邻出口孔道排出，属于“壁流式”载体，在滤芯8的作用下，尾气中的pm絮状颗粒物被载体孔隙拦截，进而达到了尾气治理，采用“壁流式”拦截效率最低可达85％，最高可达99.5％，去除pm颗粒效果显著。

具体实施方式八、本实施方式的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法所述的过滤腔2的内壁上附着有一层高温岩棉保温层18。如此设置，高温岩棉保温层18安装在过滤腔2内侧壁上，通过加装高温岩棉保温层18能够将微粒捕集器(dpf系统)增加一重保温层；现有微粒捕集器(dpf系统)在进行发动机尾气处理时，需要先预热启动微粒捕集器(dpf系统)，待温度达到工作温度时，微粒捕集器(dpf系统)才能投入运行，实现发动机尾气烟气处理；

本发明的发动机预处理、自修复材料与尾气治理集成工艺方法在微粒捕集器(dpf系统)的过滤腔2内壁上加装有高温岩棉保温层18，即加装了一层岩棉预热保温层，这样在发动机后，微粒捕集器(dpf系统)启动过程预热快；在车、船发动机临时停车时，在岩棉保温层的作用下dpf系统处于保温状态；在临时停车时，二次启动快。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。