專利名稱：一種用于汽油機(jī)冷啟動(dòng)工況的hc排放凈化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽油機(jī)排放污染控制領(lǐng)域，尤其涉及用于凈化汽油機(jī)車廢氣中所含HC 的排放控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)汽油機(jī)處于冷啟動(dòng)階段時(shí)，其節(jié)氣門開(kāi)度較小，進(jìn)氣管的真空度很高，進(jìn)氣流速和溫度均很低，導(dǎo)致汽油霧化不良，蒸發(fā)差，難以與空氣形成均勻的可燃混合氣；另一方面， 缸內(nèi)殘余廢氣濃度高，燃燒室的溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)失火等不正常燃燒現(xiàn)象，造成大量的未燃碳?xì)浠衔锷?。研究表明冷啟?dòng)階段排放的HC有70%至90%來(lái)自于冷啟動(dòng)后的200s。汽油機(jī)通常裝有三效催化轉(zhuǎn)化器處理排氣。從發(fā)動(dòng)機(jī)到催化轉(zhuǎn)化器的排氣流動(dòng)可稱為排氣流。催化轉(zhuǎn)化器中的催化劑可對(duì)排氣流中的HC的氧化進(jìn)行催化?？蓡?dòng)時(shí)往往因?yàn)榇呋魑催_(dá)到起燃溫度，導(dǎo)致一部分有害氣體未經(jīng)凈化就排放，若是在冬天，有害成分未經(jīng)凈化就排放的時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。為了達(dá)到高要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，很多學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)排放控制做了研究。如，前置催化轉(zhuǎn)化器、電加熱催化轉(zhuǎn)化器、化學(xué)加熱催化器、排氣燃燒器、碳?xì)湮狡?、二次空氣噴射技術(shù)、旁通系統(tǒng)和耦合催化轉(zhuǎn)化器等。這些研究主要有兩個(gè)重點(diǎn)方向，一是通過(guò)物理或者化學(xué)方法快速加熱催化器；二是設(shè)計(jì)一個(gè)HC吸附裝置，通過(guò)暫時(shí)貯存HC有害物質(zhì)，待到催化器達(dá)到活化時(shí)再將這些有害物質(zhì)釋放，以利于催化器凈化，達(dá)到減少HC排放的目的。本發(fā)明主要通過(guò)第二種方法，設(shè)置有HC吸附裝置，結(jié)合前置催化器，對(duì)吸附催化裝置進(jìn)行合理布局，并安裝控制閥門，使廢氣流速和路徑可控，來(lái)完成HC的吸附和凈化。另外，一般采用沸石分子篩作為吸附劑。沸石種類繁多，如SAP0-5、SAP0-34、 MCA-41、13X、5A、ZSM-5、i3型等等。這些沸石的吸附性能主要以吸附量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，脫附性能主要以脫附溫度為主要指標(biāo)，其中ZSM-5-3型沸石吸附量達(dá)7. 87mL · β -2沸石對(duì)丙烯、丙烷的初始脫附溫度達(dá)400 410°C，脫附峰值溫度為470°C左右?？梢钥紤]將它們進(jìn)行一定比例物理混合后，作為吸附劑。吸附器和吸附催化器一般為蜂窩體或網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部構(gòu)造也同樣影響吸附或者催化性能，文中提出一種特殊的構(gòu)造，以增強(qiáng)廢氣同涂層的接觸，來(lái)提高吸附和凈化性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種減少?gòu)U氣中HC排放的系統(tǒng)，包括前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節(jié)流閥5、控制單元6、流速傳感器7、節(jié)流閥上游側(cè)HC濃度傳感器8、節(jié)流閥下游側(cè)HC濃度傳感器9、第一排氣管路10和第二排氣管路11。該系統(tǒng)可以更加高效率的凈化汽油機(jī)尾氣中所含有的碳?xì)浠衔铩榱诉_(dá)到該目的，本發(fā)明的工作方式是冷啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)，廢氣從前置三效催化器1進(jìn)入系統(tǒng)，控制閥4使得HC從第一排氣管路11進(jìn)入吸附器2被吸附，此時(shí)節(jié)流閥5處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)入吸附器的HC能被高效地吸附，當(dāng)流速傳感器7檢測(cè)到流速上升時(shí)，控制系統(tǒng)6 控制節(jié)流閥5逐漸打開(kāi)至一定角度，以降低排氣背壓，同時(shí)保證HC繼續(xù)被有效的吸附，剩余廢氣流入吸附催化器3中將其加熱。當(dāng)節(jié)流閥上游側(cè)HC濃度傳感器8檢測(cè)到HC時(shí)，即此時(shí)吸附器2已開(kāi)始解吸HC，控制閥4逐漸打開(kāi)，節(jié)流閥5逐漸關(guān)閉，大部分廢氣從第二排氣管路11進(jìn)入吸附催化器3，吸附催化器繼續(xù)升溫，小部分廢氣從第一排氣管路10攜帶被解吸的HC緩慢流入吸附催化器3中，進(jìn)入吸附催化器3的HC將有小部分被二次吸附，大部分被直接凈化，當(dāng)節(jié)流閥下游側(cè)HC濃度傳感器9檢測(cè)不到HC時(shí)，即此時(shí)解吸完畢，節(jié)流閥5 完全關(guān)閉，控制閥4使得全部廢氣經(jīng)由第二排氣管路11進(jìn)入吸附催化器3。利用該系統(tǒng)，可以達(dá)到排放各項(xiàng)指標(biāo)要求。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先，三效催化劑在冷啟動(dòng)階段不能進(jìn)行催化，所以先將廢氣中的HC進(jìn)行吸附。吸附器中的沸石分子篩內(nèi)部具有架狀結(jié)構(gòu)，在它們的晶體內(nèi)分子像搭架一樣連在一起，使得內(nèi)部有許多空腔。流動(dòng)的氣體大分子和微粒經(jīng)過(guò)沸石時(shí)，由于溫度較低，不穩(wěn)定的氣體大分子不夠活躍，將被沸石吸附成為穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度升高時(shí)，大分子變得活躍起來(lái)，將從沸石上解吸。然后，對(duì)吸附劑的選擇。吸附劑的性能主要由吸附量和解吸溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由資料得知，以丙烷和丙烯為模擬氣體，在諸多用于吸附HC的沸石中，ZSM-5-3表現(xiàn)出較大的吸附容量，為7. 87mL · g-1,即其表現(xiàn)出好的吸附性能，但是其對(duì)HC的解吸溫度較低，初始解析溫度為130°C左右，解吸峰值溫度也僅為170°C左右。而0_2沸石的脫附起始溫度達(dá)4201 左右，脫附峰值溫度達(dá)470°C左右，并且在高脫附溫度的沸石里面，其吸附量達(dá)3. 24mL -g"1, 即其有好的脫附性和較好的吸附性。本專利中，將一定比例的ZSM-5-3沸石粉末和β-2沸石粉末倒入球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，得到混合物，從而改善吸附劑的吸附和解吸性能，然后在硝酸銀溶液中浸漬，通過(guò)水離子交換法使得混合物帶上Ag+，進(jìn)一步提高混合物的吸附量和解吸溫度，作為更優(yōu)良的吸附劑。第三，吸附器和吸附催化器的單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。增加廢氣流和涂層的充分接觸可以提高吸附和凈化性能，本專利所提出的吸附器和吸附催化器的單元中，通道上游部分橫截面積較下游部分橫截面積大，這樣在廢氣流過(guò)的時(shí)候，其與涂層的接觸更加充分，HC 能被更加有效的被吸附和凈化。具體下游涂層占整個(gè)廢氣通道的30% 50%。最后，吸附器的吸附率和被吸附氣體的溫度、濃度、壓強(qiáng)有關(guān)，通過(guò)閥門的閉合程度改變HC的流速、流量，并改變其余廢氣的流向，可使吸附器達(dá)到最佳吸附效率。同時(shí)，當(dāng)節(jié)流閥上游側(cè)HC濃度傳感器8檢測(cè)到HC時(shí)，節(jié)流閥逐漸關(guān)閉，減緩了被吸附器2解吸的HC 進(jìn)入吸附催化器3的時(shí)間，使得吸附催化器3有更多的時(shí)間被經(jīng)由第二排氣管路11進(jìn)入的廢氣加熱到活化溫度，當(dāng)被解吸的HC緩慢進(jìn)入吸附催化器3時(shí)，大部分將被直接催化凈化掉。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2為吸附器和節(jié)流閥部分放大圖；圖3為吸附器和吸附催化轉(zhuǎn)化器橫截面示意圖；圖4為吸附器單元橫截面示意圖；圖5為吸附器單元A-A面剖視圖；圖6為吸附催化器單元橫截面示意圖；圖7為吸附催化器單元B-B面剖視圖；圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)初始時(shí)系統(tǒng)示意圖；圖9為吸附器吸附時(shí)系統(tǒng)示意圖；圖10為吸附器解吸時(shí)系統(tǒng)示意圖；圖11為發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)系統(tǒng)示意圖。圖中前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節(jié)流閥5、控制單元6、 流速傳感器7、節(jié)流閥上游側(cè)HC濃度傳感器8、節(jié)流閥下游側(cè)HC濃度傳感器9、第一排氣管路10和第二排氣管路11、堇青石載體12，ZSM-5-3與β -2沸石分子篩混合物13，三效催化轉(zhuǎn)化劑14。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，吸附器2和吸附催化器3均采用網(wǎng)格體(具有46. 5個(gè)單元/cm2，壁厚0.0152cm且催化劑容量1.0L的堇青石整體載體)結(jié)構(gòu)。其中吸附器2的單元橫截面示意圖如圖4所示，圖5為其A-A面剖視圖。將一定量的ZSM-5-3沸石和β_2沸石粉末，硅石溶膠和純水倒入球磨機(jī)中研磨，得到吸附劑淤漿溶液。將該淤漿溶液涂覆在堇青石載體上，于空氣流除去單元中過(guò)量淤漿溶液之后在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時(shí)，重復(fù)以上涂覆步驟，直到烘烤之后涂層重量為350g/dm3。然后，將吸附劑淤漿溶液再次涂覆到從通道下端起30% 50%長(zhǎng)度的區(qū)域上， 重復(fù)涂覆步驟直到下端涂層重量為350g/dm3。之后，將其浸入100°C硝酸銀水溶液，并且硝酸銀水溶液的PH值不會(huì)破壞沸石的晶體結(jié)構(gòu)，使得Ag+進(jìn)入沸石中，而沸石中的金屬陽(yáng)離子被置換出來(lái)，然后在50°C空氣流中干燥30分鐘。這樣即可得到攜帶Ag+的吸附劑涂層。圖6為吸附催化器單元橫截面示意圖，圖7為其B-B面的剖視圖。將一定量的 ZSM-5-3沸石和β -2沸石粉末，硅石溶膠和純水倒入球磨機(jī)中研磨，得到吸附劑淤漿溶液。 將該淤漿溶液涂覆在堇青石載體上，于空氣流除去單元中過(guò)量淤漿溶液之后在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時(shí)，重復(fù)以上涂覆步驟，直到烘烤之后涂層重量為350g/dm3。之后，將其浸入100°C硝酸銀水溶液，并且硝酸銀水溶液的PH值不會(huì)破壞沸石的晶體結(jié)構(gòu)，使得Ag+進(jìn)入沸石中，而沸石中的金屬陽(yáng)離子被置換出來(lái)，然后在50°C空氣流中干燥30分鐘。這樣即可得到攜帶Ag+的吸附劑涂層。然后將三效催化劑粉末和純水倒入球磨機(jī)中研磨，得到的催化劑淤漿溶液涂覆在吸附劑上， 用空氣流除去過(guò)量的淤漿溶液后，在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時(shí)，重復(fù)以上步驟，直到涂層重量為66. 7g/dm3。然后，將催化劑淤漿溶液再次涂覆到從通道下端起30% 50%長(zhǎng)度的區(qū)域上，重復(fù)涂覆步驟直到下端涂層重量為66. 7g/dm3。這樣即可得到催化劑涂層。 如圖8所示，整個(gè)裝置串接在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管之后，廢氣從前置催化器1左端截面進(jìn)入裝置，使其迅速升溫，控制閥4使得廢氣從第一排氣管路10進(jìn)入吸附器2，此時(shí)節(jié)流閥5 處于關(guān)閉位置，進(jìn)入的HC在吸附器中被充分吸附。當(dāng)流速傳感器7檢測(cè)到廢氣的流速上升時(shí)，節(jié)流閥5逐漸打開(kāi)，降低整個(gè)系統(tǒng)的排氣背壓，同時(shí)可以保持吸附器2高效吸附HC，其余廢氣進(jìn)入吸附催化器3，并將其加熱，如圖9所示。當(dāng)吸附器達(dá)到飽和，并開(kāi)始釋放HC時(shí)，前置催化器已經(jīng)達(dá)到活化溫度，進(jìn)入系統(tǒng)的廢氣中暫無(wú)HC，當(dāng)節(jié)流閥上游側(cè)的HC濃度傳感器 8檢測(cè)到HC時(shí)，吸附器2開(kāi)始解吸HC，由控制單元6控制閥門4，使它逐漸打開(kāi)，同時(shí)控制單元控制節(jié)流閥5，使它逐漸關(guān)閉，如圖10所示。這樣，一部分無(wú)HC廢氣從第二排氣管路11 直接進(jìn)入吸附催化器3，并使其繼續(xù)升溫；另一部分無(wú)HC廢氣進(jìn)入第一排氣管路10，并帶著解吸的HC流向吸附催化器3。同時(shí)，由于第一排氣管路中流速緩慢，再加上節(jié)流閥5關(guān)閉， 使得HC進(jìn)入吸附催化器3的時(shí)間延長(zhǎng)，這樣吸附催化器3獲得更多的升溫時(shí)間。到達(dá)吸附催化器3的HC小部分被二次吸附，然后被凈化，大部分被直接凈化。當(dāng)節(jié)流閥下游側(cè)HC濃度傳感器9檢測(cè)不到HC存在時(shí)，吸附器2解吸HC完畢，此時(shí)第一排氣管路10中已無(wú)HC，控制閥4和節(jié)流閥5完全關(guān)閉，如圖11所示，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)生的HC被前置催化器和吸附催化器凈化處理。以此達(dá)到超低排放甚至零排放的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于汽油機(jī)車?yán)鋯?dòng)時(shí)HC排放的凈化系統(tǒng)，通過(guò)控制HC的流量和優(yōu)化吸附器及吸附催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來(lái)達(dá)到凈化HC的目的。其包括前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節(jié)流閥5、控制單元6、流速傳感器7、節(jié)流閥上游側(cè)HC濃度傳感器8、節(jié)流閥下游側(cè)HC濃度傳感器9、第一排氣管路10、和第二排氣管路11。
2.如權(quán)利要求1所述的汽車尾氣排放控制系統(tǒng)，主要目的是為了高效率的吸附汽油機(jī)廢氣中所含的碳?xì)浠衔?。其特征是，首先通過(guò)流速傳感器7控制節(jié)流閥5開(kāi)啟，然后通過(guò) HC濃度傳感器8、9控制節(jié)流閥5關(guān)閉，同時(shí)通過(guò)控制閥4改變廢氣流路徑，來(lái)完成HC吸附和凈化；并且在吸附器2和吸附催化器3中有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以使HC能被更好的吸附和凈化。
3.如權(quán)利要求1所述的吸附器2，其內(nèi)部為特殊網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格體每個(gè)單元具有作為廢氣通道的堇青石載體，具有HC吸附能力的ZSM-5-3和β -2沸石混合物涂覆在堇青石載體上。涂層上游和下游的吸附劑橫截面積不同，上游涂層的吸附劑橫截面積較下游涂層的吸附劑橫截面積大，具體下游涂層占整個(gè)廢氣通道的30% 50%。
4.如權(quán)利要求1所述的吸附催化器3，其內(nèi)部為特殊網(wǎng)格體結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格體每個(gè)單元具有作為廢氣通道的堇青石載體，具有HC吸附能力的ZSM-5-3和β -2沸石混合物作為底部涂層，涂覆在堇青石載體上；對(duì)HC、NOx和CO有凈化作用的三效催化劑作為頂部涂層，涂覆在吸附劑涂層上。涂層上游和下游的吸附催化劑橫截面積不同，上游涂層的吸附催化劑橫截面積較下游涂層的吸附催化劑橫截面積大，具體下游涂層占整個(gè)廢氣通道的30% 50%。
5.如權(quán)利要求3和權(quán)利要求4所述的ZSM-5-3和β-2沸石混合物，主要通過(guò)物理的方式按一定比例混合，并且單獨(dú)對(duì)不同比例的混合物進(jìn)行吸附及解吸試驗(yàn)，選出吸附及解吸性能最佳的一組作為吸附劑。
6.如權(quán)利要求5所述的沸石混合物，可以通過(guò)離子交換法使其帶上銀離子以提高HC吸附容量和脫附溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于汽油機(jī)冷啟動(dòng)工況的HC排放凈化系統(tǒng)。屬于汽油機(jī)排放污染控制領(lǐng)域，尤其涉及用于凈化汽油機(jī)車廢氣中所含HC的排放控制系統(tǒng)。首先通過(guò)對(duì)吸附劑材料的選擇和對(duì)吸附器、吸附催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高吸附和凈化效率；然后通過(guò)合理布置各個(gè)部分，達(dá)到對(duì)HC的控制。吸附劑選用吸附量較大的ZSM-5-3型沸石和解吸溫度較高的β-2沸石進(jìn)行物理混合得到；吸附器和吸附催化器的廢氣通道上游較下游寬，使得廢氣流可以和吸附劑、催化劑進(jìn)行更加充分的接觸；在冷啟動(dòng)暖機(jī)時(shí)，流速傳感器7和節(jié)流閥上下游側(cè)濃度傳感器8、9傳遞信號(hào)給控制單元6，來(lái)適當(dāng)?shù)母淖兛刂崎y4和節(jié)流閥5的開(kāi)閉程度，從而控制HC的吸附和凈化過(guò)程。
文檔編號(hào)F01N9/00GK102322319SQ20111019482
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者劉騰, 曾誼暉, 朱浩, 鄧元望, 鄂加強(qiáng), 韓衛(wèi) 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)