CN102162388B - 一种汽车尾气光催化减排装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车尾气光催化减排装置，包括汽缸、尾气排放口、尾气排气管、泡沫陶瓷过滤器、光催化反应段和排气管循环旁路。泡沫陶瓷过滤器、光催化反应段设在尾气排气管内，汽车尾气经泡沫陶瓷过滤器进行“预处理”，然后经过光催化反应段，紫外光激发涂覆在排气管道内壁上的催化剂，将尾气中的CO₂、CO、HC等催化还原为甲醇等物质。最后经过光催化还原的尾气部分排放，部分再经排气管循环旁路循环至汽缸进气口，作为汽缸进气的一部分，这部分循环气体因含有甲醇等成分可起助燃作用。本发明的汽车尾气污染物控制装置不仅使用寿命长，可达到节能减排的目的，另外，其结构简单，制造成本低。

Description

一种汽车尾气光催化减排装置

技术领域

本发明主要涉及一种汽车尾气减排装置，特别涉及一种汽车尾气光催化减排装置。

背景技术

   目前，汽车尾气净化装置主要集中在涡轮增压技术，这样可以减少部分污染物排放。其他技术则集中在催化剂开发，以成型的三元催化转化器为主。三元催化转化器只有在空燃比达到14.7（α＝1）很小的范围内，才能做到转换效率最高，同时寿命最长。而且贵金属催化剂价格昂贵，主要用于催化转化NOx。同时，三元催化剂一般采用蜂窝状成型载体，容易粘附尾气中的细微颗粒，造成堵塞，影响催化净化的效果。因此，考虑到汽车尾气污染物的成分复杂，而且气相、微粒等共存，适宜采用不同方式来分别控制。本装置在现有汽车排气管的基础上，增加泡沫陶瓷、紫外光催化挡板和部分循环管道，即可以实现不同污染物的控制，操作简单，具有很大的应用潜力。

目前公开的专利主要有：

1、大连理工大学的石川等人发明的一种同时脱除汽车尾气中氮氧化物和一氧化碳的催化剂，专利号200610200688，该专利以制备催化剂为主要发明点，以Ag和Co协同效应负载在催化剂上实现污染物CO，NO，和HC的去除，脱除效果受温度影响较大。

2、广州市的张学华发明的实用新型专利一种汽车尾气净化装置，专利号00228511，该专利以水作为净化液，使汽车尾气经过润洗后排放，可以有效去除颗粒物但对于CO，NOx等污染物却几乎没有效果。

3、吉林省的冯宝华发明的使用新型专利一种汽车尾气净化装置，专利号86210554，该专利以溴水作为氧化剂，汽车尾气中的SO2，NOx，CO等被氧化后再经过活性炭吸附层，实现污染物的去除。污染物去除率30%-90%，但是氧化剂和活性炭需要经常更换，而且吸附后的活性炭不易处理。

4、广东省东莞市的罗伟周发明的实用新型专利一种汽车尾气净化装置，专利号200920000907，其和专利号002285112相似，该专利是以冷气水进水作为过滤液，去除颗粒物，对气相污染物没有效果。

5、辽宁省大连市的任雪华发明的一种尾气催化剂以及尾气催化转换器，专利号200910133395，该专利以蜂窝状物质载体为催化转换器基底，利用不同物质浸渍得到催化剂的多层负载。催化剂制备过程较复杂。在同一容器中实现颗粒物过滤和污染物去除，去除效果易受到颗粒物沉积影响。

综上所述，目前的汽车尾气净化装置均存在在使用时使催化剂效果受温度影响较大，易发生颗粒物堵塞而导致催化剂老化，从而影响汽车尾气净化装置的使用寿命，即普遍存在使用寿命短等问题，因此迫切需要寻求一种性能可靠、价格适中、适用面广而且使用寿命长的尾气净化装置。本装置就是基于这些理念而研发制作的。

发明内容

本发明目的为了解决上述的问题而提出了一种汽车尾气光催化减排装置。

    由于化石燃料燃烧给环境带来巨大的危害，在环境压力下人们开始寻求污染物减排措施，汽车尾气减排是一个重要的内容。汽车尾气减排中一个重要方面就是CO₂的排放控制，因为它是汽车尾气的主要成分，另外还有微粒、CO、HC（气态有机物）等污染物控制。考虑到汽车体积较小，自身重量太大会影响行驶性能，因此，本发明利用简单的改造将CO₂和多种污染物进行同时控制，极大地改善汽车等移动源污染物排放的状况。

本发明的技术方案

在已有的汽车尾气净化装置中，常见的就是单污染物控制技术，如涡轮增压、臭氧氧化、贵金属催化剂催化等，这些装置对于同时处理的其他污染物往往没有效果甚至本身性能受到影响而削减。本发明采取多种方法进行有机组合，每一个环节是对前一环节的深化，前一环节对后一环节起到预处理的作用。从发动机燃烧过程和燃烧后阶段同时控制，提高不同处理方式的转化效率。

一种汽车尾气光催化减排装置，包括汽缸、挡板及安装其上的紫外光源组成的光催化反应段、尾气排气管、陶瓷过滤器、和排气管循环旁路；

所述的汽缸包括进气管及排气口，汽缸的排气口与尾气排气管相连，在尾气排气管的前端距汽缸的排气口0.1～0.3m处设有泡沫陶瓷过滤器，在泡沫陶瓷过滤器后面0.1～0.3m处按等间距设置5～10个光催化反应段，相邻两个光催化反应段的距离约70～150mm，所述的尾气排气管的末端为尾气排放口，在尾气排放口前的排气管上设有一排气管循环旁路，该排气管循环旁路的另一端与发动机的进气管相连；

所述的泡沫陶瓷过滤器的过滤具有一定的耐温耐腐蚀性和良好强度的硅酸盐过滤体，平均孔径为10μm，孔隙率约70%；

所述的光催化反应段的挡板为扇形板，通过圆弧段两端与排气管的管壁加装铆钉连接，在挡板背向气体流向的一侧安装5～20W的紫外灯管，灯管呈“M”形，选择M形是考虑到挡板的形状、大小，增大灯管可利用空间，同时便于固定灯管。在不同位置放置卡箍用以固定灯管，卡箍通过螺丝钉固定在挡板上；所述的挡板的高度为排气管直径的1/2～2/3倍；

所述的挡板及灯管的连接及安装方式不限于上述表述，本领域技术人员可以想到的其他连接方式均在本发明的保护范围内。

安装有光催化反应段的尾气排气管内壁安装有光催化反应段的尾气排气管内壁及尾气排气管内的光催化反应段的各个挡板的迎向气体流向一侧均涂覆光催化剂纳米二氧化钛或碳掺杂纳米二氧化钛。

上述的一种汽车尾气光催化减排装置，在优选的实施例中，还包括涡轮室、增压器，所述的涡轮室在汽缸进气口，增压器在涡轮室内。

上述的一种汽车尾气光催化减排装置的工作路线如下：

由柴油车汽缸的进气管进入的空气经压缩后进入汽缸燃烧，空气经燃烧后的尾部烟气从汽缸经汽缸的排气口排出，再经过泡沫陶瓷过滤器滤去烟炱等颗粒物后，再经由光催化反应段进行光催化反应，在光催化反应段的紫外光照射下，尾气排气管内壁的催化剂受激发产生电子空穴对，电子空穴对迁移到催化剂表面，与尾部烟气中的水和过量的氧气发生作用，将尾部烟气中的CO₂、CO、H₂O等物质催化还原为甲醇等有机物质；部分尾部烟气经由循环支路管道3返回，并与进气口2的空气汇合进入燃烧室作为汽缸燃烧所需气体的一部分，另一部分尾部烟气经由尾气排放口排入大气，从而实现节能减排。

其作用的机理如下：

TiO₂ ( e- )— TiO₂ + e-                     (1)

CO+O₂—CO₂                                                                   (2)

CO₂ + 2H₂O + 6e- — CH₃OH + 3/2O₂            (3)

另外，在本发明的优选实施例中，在汽缸部分还运用了涡轮增压技术，即首先是涡轮增压，利用涡轮室和增压器，涡轮室布置在汽缸进气口，增压器布置在涡轮室内部来实现，压缩气体进入涡轮室冲击涡轮，带动同轴叶轮转动，叶轮压送空气增压进入汽缸，这样增大了燃烧室的进气量，增加了发动机的输出功率，相对于相同排量的发动机，涡轮增压使得排气量减少，污染物排放相应减少；

上述的涡轮增压技术及泡沫陶瓷过滤器的应用主要是对汽车尾气进行“预处理”，减少排放量同时过滤掉烟炱等物质，减少对光催化原件的粘附和冲刷，使光催化作用达到更好的效果；

在光催化反应阶段，在排气管内的泡沫陶瓷过滤器后面0.1m～0.3m处按等间距设置5～10个光催化反应段，其上的排气挡板，用于增加气体行程，延长尾气在光催化反应段的停留时间，以便将排气烟气中的CO₂、CO、H₂O等物质催化还原为甲醇等有机物质并作为汽缸燃烧所需气体的一部分，从而实现节能。

本发明的一种汽车尾气光催化减排装置，还可适用于各种重型机车甚至内燃机等多种燃烧产生烟气的光催化减排。

本发明的有益效果

本发明相对于现有技术的尾气净化装置而言，由于增加了泡沫陶瓷作为排气“预处理”，使用碳掺杂纳米二氧化钛，从而延长了尾气净化装置的使用寿命。

进一步，本发明的一种汽车尾气光催化减排装置，在不影响发动机工作性能的条件下，由于在尾气排气管内的泡沫陶瓷过滤器后面等间距设置的光催化反应段的挡板，可增加气体行程，延长尾气在光催化反应段的停留时间，以便将排气烟气中的CO₂、CO、H₂O等物质催化还原为甲醇等有机物质并作为汽缸燃烧所需气体的一部分，从而实现节能。

同时，由于本发明利用处理后的尾气进行循环，其中所含有的甲醇等助燃成分可以促进发动机气缸燃烧过程，增加燃烧效率，同时也进一步减少污染物排放，从而实现节能减排的目的。

再进一步、本发明的一种汽车尾气光催化减排装置，优选利用涡轮增压技术，即增大燃烧室的进气量，增加发动机的输出功率，相对于相同排量的发动机，涡轮增压使得排气量减少，污染物排放相应减少，也相对延长了尾气净化装置的使用寿命。

另外、本发明的装置设计简单使得其制造成本大大降低，有利于大规模的生产并投入应用。

附图说明

图1、汽车尾气光催化减排装置结构示意图

图2、尾气排气管中两个光催化反应段的安装结构示意图

图3、光催化反应段中紫外灯管、挡板在尾气排气管中的安装结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。

实施例1

一种汽车尾气光催化减排装置，其结构示意图如附图1所示。包括汽缸1，排气管循环旁管3，泡沫陶瓷过滤器5，光催化反应段6，尾气排放管7；所述的汽缸包括进气管2及排气口4，汽缸1的排气口4与尾气排气管7相连，泡沫陶瓷过滤器5设在尾气排气管的前端距汽缸的排气口4大约0.1m～0.3m处，在泡沫陶瓷过滤器5的后面0.1m～0.3m处按等间距设置5～10段光催化反应段6，相邻两个光催化反应段距离约100mm，所述的尾气排气管7的末端为尾气排放口，在尾气排放口前的排气管上设有一排气管循环旁管3，该排气管循环旁管3的另一端与汽缸的进气管2相连；

所述的陶瓷过滤器的平均孔径为10μm，孔隙率约70%；

上述的光催化反应段6包括挡板及安装在其上的紫外灯管。光催化反应段6的挡板在尾气排放管7中上下交替设置，相邻两个催化反应段的距离约70～150mm；光催化反应段6的每一块挡板背向气体流向的一侧安装有5～20W的紫外灯管。尾气排气管7中两个光催化反应段的安装结构示意图见附图2所示，图2中611为尾气排气管7中光催化反应段的上挡板，紫外灯管621安装在挡板611上，612为光催化光催化反应段的下挡板，紫外灯管622安装在挡板612上。

光催化反应段6的挡板为扇形板，通过圆弧段两端与尾气排放管7的管壁加装铆钉连接；

光催化反应段6的紫外灯管呈“M”形，在挡板不同位置放置卡箍用以固定灯管，卡箍通过螺丝钉固定在挡板上。光催化反应段6中紫外灯管、挡板在尾气排气管7中的安装结构示意图如附图3所示，附图3中71为尾气排气管外壁，72为尾气排气管内壁，61为挡板，62为紫外灯管，63为紫外灯管固定栓，所述的挡板61的高度为尾气排气管7直径的2/3。

安装有光催化反应段6的尾气排气管内壁72及尾气排气管7内的光催化反应段6的各个挡板61的迎向气体流向一侧均涂覆光催化剂纳米二氧化钛或碳掺杂纳米二氧化钛。

所述的紫外灯光源由外接电源供电，整个光催化反应段的紫外灯需用一台多接口0.3KW的电源同时供电。

实施例2

汽车发动机参数在一个较宽的范围内变动，以排量1.6L的发动机为例，排量约500L/min，流速约0.3m/s，不考虑温度随管道向排气口流动过程中的温度下降，此时，整个尾气排气管中排气停留时间约10s。经过蜂窝陶瓷过滤器后，气体流速进一步降低，停留时间增加，有利于光催化反应段的反应的进行。尾气排气管管径约60mm，光催化反应段的挡板高度40mm，挡板间距约100mm，共设置7个光催化反应段，光催化反应段气体停留时间约是3s。挡板顺气体流向一侧安装10W的小型紫外灯作为光源，逆气体流向一侧以及安装有挡板段的排气管内壁涂覆纳米二氧化钛涂层。然后将光催化段排出的气体经过循环管路送回至汽缸进气口，作为部分进气。利用处理后的尾气进行循环，其中所含有的甲醇等助燃成分可以促进发动机气缸燃烧过程，增加燃烧效率，同时也进一步减少污染物排放，从而实现节能减排的目的。

以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种汽车尾气光催化减排装置，包括汽缸、尾气排放口、尾气排气管，其特征在于还包括泡沫陶瓷过滤器、光催化反应段、排气管循环旁路；所述的汽缸包括进气管及排气口，汽缸的排气口与尾气排气管相连，在尾气排气管的前端距汽缸的排气口0.1～0.3m处设有泡沫陶瓷过滤器，在泡沫陶瓷过滤器后面0.1～0.3m处，按等间距设置5～10个光催化反应段，相邻两个光催化反应段的距离约100mm，所述的尾气排气管的末端为尾气排放口，在尾气排放口前的尾气排气管上设有一排气管循环旁路，该排气管循环旁路的另一端与汽缸的进气管相连；所述的光催化反应段包括挡板及安装在其上的紫外光源，所述的紫外光源安装在挡板顺气体流向一侧；所述的紫外光源为紫外灯管，所述的紫外灯管呈“M”形，其功率为5～20W；安装有光催化反应段的尾气排气管的内壁及尾气排气管内的光催化反应段的各个挡板的迎向气体流向一侧均涂覆有光催化剂纳米二氧化钛或碳掺杂纳米二氧化钛。

2.如权利要求1所述的一种汽车尾气光催化减排装置，其特征在于还包括涡轮室和增压器，涡轮室在汽缸进气口，增压器在涡轮室内部。

3.如权利要求1或2所述的一种汽车尾气光催化减排装置，其特征在于所述的泡沫陶瓷过滤器为硅酸盐过滤体，平均孔径为10μm，孔隙率约70%。

4.如权利要求1或2所述的一种汽车尾气光催化减排装置，其特征在于所述的

挡板优选为扇形板，通过圆弧段两端与排气管的管壁加装铆钉连接，且所述的挡板的高度为排气管直径的1/2～2/3倍。

5.如权利要求1或2所述的一种汽车尾气光催化减排装置，其特征在于所述的紫外灯管安装在挡板顺向气体流向的一侧，在不同位置放置卡箍用以固定灯管，卡箍通过螺丝钉固定在挡板上。

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