CN102322319A

CN102322319A - 一种用于汽油机冷启动工况的hc排放净化系统

Info

Publication number: CN102322319A
Application number: CN201110194824A
Authority: CN
Inventors: 邓元望; 刘腾; 鄂加强; 韩卫; 朱浩; 曾谊晖
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明提供了一种用于汽油机冷启动工况的HC排放净化系统。属于汽油机排放污染控制领域，尤其涉及用于净化汽油机车废气中所含HC的排放控制系统。首先通过对吸附剂材料的选择和对吸附器、吸附催化器内部结构的改进，提高吸附和净化效率；然后通过合理布置各个部分，达到对HC的控制。吸附剂选用吸附量较大的ZSM-5-3型沸石和解吸温度较高的β-2沸石进行物理混合得到；吸附器和吸附催化器的废气通道上游较下游宽，使得废气流可以和吸附剂、催化剂进行更加充分的接触；在冷启动暖机时，流速传感器7和节流阀上下游侧浓度传感器8、9传递信号给控制单元6，来适当的改变控制阀4和节流阀5的开闭程度，从而控制HC的吸附和净化过程。

Description

一种用于汽油机冷启动工况的HC排放净化系统

技术领域

本发明属于汽油机排放污染控制领域，尤其涉及用于净化汽油机车废气中所含HC的排放控制系统。

背景技术

当汽油机处于冷启动阶段时，其节气门开度较小，进气管的真空度很高，进气流速和温度均很低，导致汽油雾化不良，蒸发差，难以与空气形成均匀的可燃混合气；另一方面，缸内残余废气浓度高，燃烧室的温度低，发动机燃烧不稳定，容易出现失火等不正常燃烧现象，造成大量的未燃碳氢化合物生成。研究表明冷启动阶段排放的HC有70％至90％来自于冷启动后的200s。

汽油机通常装有三效催化转化器处理排气。从发动机到催化转化器的排气流动可称为排气流。催化转化器中的催化剂可对排气流中的HC的氧化进行催化。可启动时往往因为催化器未达到起燃温度，导致一部分有害气体未经净化就排放，若是在冬天，有害成分未经净化就排放的时间将会更长。

为了达到高要求的排放标准，很多学者从各个方面对排放控制做了研究。如，前置催化转化器、电加热催化转化器、化学加热催化器、排气燃烧器、碳氢吸附器、二次空气喷射技术、旁通系统和耦合催化转化器等。这些研究主要有两个重点方向，一是通过物理或者化学方法快速加热催化器；二是设计一个HC吸附装置，通过暂时贮存HC有害物质，待到催化器达到活化时再将这些有害物质释放，以利于催化器净化，达到减少HC排放的目的。本发明主要通过第二种方法，设置有HC吸附装置，结合前置催化器，对吸附催化装置进行合理布局，并安装控制阀门，使废气流速和路径可控，来完成HC的吸附和净化。

另外，一般采用沸石分子筛作为吸附剂。沸石种类繁多，如SAPO-5、SAPO-34、MCA-41、13X、5A、ZSM-5、β型等等。这些沸石的吸附性能主要以吸附量为评价指标，脱附性能主要以脱附温度为主要指标，其中ZSM-5-3型沸石吸附量达7.87mL·g^-1，β-2沸石对丙烯、丙烷的初始脱附温度达400～410℃，脱附峰值温度为470℃左右。可以考虑将它们进行一定比例物理混合后，作为吸附剂。

吸附器和吸附催化器一般为蜂窝体或网格体结构，其内部构造也同样影响吸附或者催化性能，文中提出一种特殊的构造，以增强废气同涂层的接触，来提高吸附和净化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种减少废气中HC排放的系统，包括：前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制阀4、节流阀5、控制单元6、流速传感器7、节流阀上游侧HC浓度传感器8、节流阀下游侧HC浓度传感器9、第一排气管路10和第二排气管路11。该系统可以更加高效率的净化汽油机尾气中所含有的碳氢化合物。

为了达到该目的，本发明的工作方式是：冷启动暖机时，废气从前置三效催化器1进入系统，控制阀4使得HC从第一排气管路11进入吸附器2被吸附，此时节流阀5处于关闭状态，进入吸附器的HC能被高效地吸附，当流速传感器7检测到流速上升时，控制系统6控制节流阀5逐渐打开至一定角度，以降低排气背压，同时保证HC继续被有效的吸附，剩余废气流入吸附催化器3中将其加热。当节流阀上游侧HC浓度传感器8检测到HC时，即此时吸附器2已开始解吸HC，控制阀4逐渐打开，节流阀5逐渐关闭，大部分废气从第二排气管路11进入吸附催化器3，吸附催化器继续升温，小部分废气从第一排气管路10携带被解吸的HC缓慢流入吸附催化器3中，进入吸附催化器3的HC将有小部分被二次吸附，大部分被直接净化，当节流阀下游侧HC浓度传感器9检测不到HC时，即此时解吸完毕，节流阀5完全关闭，控制阀4使得全部废气经由第二排气管路11进入吸附催化器3。利用该系统，可以达到排放各项指标要求。

本发明采用的技术方案是：首先，三效催化剂在冷启动阶段不能进行催化，所以先将废气中的HC进行吸附。吸附器中的沸石分子筛内部具有架状结构，在它们的晶体内分子像搭架一样连在一起，使得内部有许多空腔。流动的气体大分子和微粒经过沸石时，由于温度较低，不稳定的气体大分子不够活跃，将被沸石吸附成为稳定状态，当温度升高时，大分子变得活跃起来，将从沸石上解吸。

然后，对吸附剂的选择。吸附剂的性能主要由吸附量和解吸温度为评价指标。由资料得知，以丙烷和丙烯为模拟气体，在诸多用于吸附HC的沸石中，ZSM-5-3表现出较大的吸附容量，为7.87mL·g^-1，即其表现出好的吸附性能，但是其对HC的解吸温度较低，初始解析温度为130℃左右，解吸峰值温度也仅为170℃左右。而β-2沸石的脱附起始温度达420℃左右，脱附峰值温度达470℃左右，并且在高脱附温度的沸石里面，其吸附量达3.24mL·g^-1，即其有好的脱附性和较好的吸附性。本专利中，将一定比例的ZSM-5-3沸石粉末和β-2沸石粉末倒入球磨机中进行研磨，得到混合物，从而改善吸附剂的吸附和解吸性能，然后在硝酸银溶液中浸渍，通过水离子交换法使得混合物带上Ag⁺，进一步提高混合物的吸附量和解吸温度，作为更优良的吸附剂。

第三，吸附器和吸附催化器的单元内部结构的改进。增加废气流和涂层的充分接触可以提高吸附和净化性能，本专利所提出的吸附器和吸附催化器的单元中，通道上游部分横截面积较下游部分横截面积大，这样在废气流过的时候，其与涂层的接触更加充分，HC能被更加有效的被吸附和净化。具体下游涂层占整个废气通道的30％～50％。

最后，吸附器的吸附率和被吸附气体的温度、浓度、压强有关，通过阀门的闭合程度改变HC的流速、流量，并改变其余废气的流向，可使吸附器达到最佳吸附效率。同时，当节流阀上游侧HC浓度传感器8检测到HC时，节流阀逐渐关闭，减缓了被吸附器2解吸的HC进入吸附催化器3的时间，使得吸附催化器3有更多的时间被经由第二排气管路11进入的废气加热到活化温度，当被解吸的HC缓慢进入吸附催化器3时，大部分将被直接催化净化掉。

附图说明

图1为本发明的结构简图；

图2为吸附器和节流阀部分放大图；

图3为吸附器和吸附催化转化器横截面示意图；

图4为吸附器单元横截面示意图；

图5为吸附器单元A-A面剖视图；

图6为吸附催化器单元横截面示意图；

图7为吸附催化器单元B-B面剖视图；

图8为发动机冷启动初始时系统示意图；

图9为吸附器吸附时系统示意图；

图10为吸附器解吸时系统示意图；

图11为发动机稳定工作时系统示意图。

图中：前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制阀4、节流阀5、控制单元6、流速传感器7、节流阀上游侧HC浓度传感器8、节流阀下游侧HC浓度传感器9、第一排气管路10和第二排气管路11、堇青石载体12，ZSM-5-3与β-2沸石分子筛混合物13，三效催化转化剂14。

具体实施方式

如图3所示，吸附器2和吸附催化器3均采用网格体(具有46.5个单元/cm²，壁厚0.0152cm且催化剂容量1.0L的堇青石整体载体)结构。其中吸附器2的单元横截面示意图如图4所示，图5为其A-A面剖视图。将一定量的ZSM-5-3沸石和β-2沸石粉末，硅石溶胶和纯水倒入球磨机中研磨，得到吸附剂淤浆溶液。将该淤浆溶液涂覆在堇青石载体上，于空气流除去单元中过量淤浆溶液之后在50℃空气流中干燥30分钟，然后在150℃空气流中干燥15分钟，再在400℃下烘烤1小时，重复以上涂覆步骤，直到烘烤之后涂层重量为350g/dm³。然后，将吸附剂淤浆溶液再次涂覆到从通道下端起30％～50％长度的区域上，重复涂覆步骤直到下端涂层重量为350g/dm³。之后，将其浸入100℃硝酸银水溶液，并且硝酸银水溶液的pH值不会破坏沸石的晶体结构，使得Ag⁺进入沸石中，而沸石中的金属阳离子被置换出来，然后在50℃空气流中干燥30分钟。这样即可得到携带Ag⁺的吸附剂涂层。

图6为吸附催化器单元横截面示意图，图7为其B-B面的剖视图。将一定量的ZSM-5-3沸石和β-2沸石粉末，硅石溶胶和纯水倒入球磨机中研磨，得到吸附剂淤浆溶液。将该淤浆溶液涂覆在堇青石载体上，于空气流除去单元中过量淤浆溶液之后在50℃空气流中干燥30分钟，然后在150℃空气流中干燥15分钟，再在400℃下烘烤1小时，重复以上涂覆步骤，直到烘烤之后涂层重量为350g/dm³。之后，将其浸入100℃硝酸银水溶液，并且硝酸银水溶液的pH值不会破坏沸石的晶体结构，使得Ag⁺进入沸石中，而沸石中的金属阳离子被置换出来，然后在50℃空气流中干燥30分钟。这样即可得到携带Ag⁺的吸附剂涂层。然后将三效催化剂粉末和纯水倒入球磨机中研磨，得到的催化剂淤浆溶液涂覆在吸附剂上，用空气流除去过量的淤浆溶液后，在50℃空气流中干燥30分钟，然后在150℃空气流中干燥15分钟，再在400℃下烘烤1小时，重复以上步骤，直到涂层重量为66.7g/dm³。然后，将催化剂淤浆溶液再次涂覆到从通道下端起30％～50％长度的区域上，重复涂覆步骤直到下端涂层重量为66.7g/dm³。这样即可得到催化剂涂层。

如图8所示，整个装置串接在发动机排气管之后，废气从前置催化器1左端截面进入装置，使其迅速升温，控制阀4使得废气从第一排气管路10进入吸附器2，此时节流阀5处于关闭位置，进入的HC在吸附器中被充分吸附。当流速传感器7检测到废气的流速上升时，节流阀5逐渐打开，降低整个系统的排气背压，同时可以保持吸附器2高效吸附HC，其余废气进入吸附催化器3，并将其加热，如图9所示。当吸附器达到饱和，并开始释放HC时，前置催化器已经达到活化温度，进入系统的废气中暂无HC，当节流阀上游侧的HC浓度传感器8检测到HC时，吸附器2开始解吸HC，由控制单元6控制阀门4，使它逐渐打开，同时控制单元控制节流阀5，使它逐渐关闭，如图10所示。这样，一部分无HC废气从第二排气管路11直接进入吸附催化器3，并使其继续升温；另一部分无HC废气进入第一排气管路10，并带着解吸的HC流向吸附催化器3。同时，由于第一排气管路中流速缓慢，再加上节流阀5关闭，使得HC进入吸附催化器3的时间延长，这样吸附催化器3获得更多的升温时间。到达吸附催化器3的HC小部分被二次吸附，然后被净化，大部分被直接净化。当节流阀下游侧HC浓度传感器9检测不到HC存在时，吸附器2解吸HC完毕，此时第一排气管路10中已无HC，控制阀4和节流阀5完全关闭，如图11所示，此时发动机稳定运行，产生的HC被前置催化器和吸附催化器净化处理。以此达到超低排放甚至零排放的目的。

Claims

1.一种用于汽油机车冷启动时HC排放的净化系统，通过控制HC的流量和优化吸附器及吸附催化器内部结构，来达到净化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、控制阀4、节流阀5、控制单元6、流速传感器7、节流阀上游侧HC浓度传感器8、节流阀下游侧HC浓度传感器9、第一排气管路10、和第二排气管路11。

2.如权利要求1所述的汽车尾气排放控制系统，主要目的是为了高效率的吸附汽油机废气中所含的碳氢化合物。其特征是，首先通过流速传感器7控制节流阀5开启，然后通过HC浓度传感器8、9控制节流阀5关闭，同时通过控制阀4改变废气流路径，来完成HC吸附和净化；并且在吸附器2和吸附催化器3中有特殊的内部结构设计，以使HC能被更好的吸附和净化。

3.如权利要求1所述的吸附器2，其内部为特殊网格体结构。网格体每个单元具有作为废气通道的堇青石载体，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载体上。涂层上游和下游的吸附剂横截面积不同，上游涂层的吸附剂横截面积较下游涂层的吸附剂横截面积大，具体下游涂层占整个废气通道的30％～50％。

4.如权利要求1所述的吸附催化器3，其内部为特殊网格体结构。网格体每个单元具有作为废气通道的堇青石载体，具有HC吸附能力的ZSM-5-3和β-2沸石混合物作为底部涂层，涂覆在堇青石载体上；对HC、NO_X和CO有净化作用的三效催化剂作为顶部涂层，涂覆在吸附剂涂层上。涂层上游和下游的吸附催化剂横截面积不同，上游涂层的吸附催化剂横截面积较下游涂层的吸附催化剂横截面积大，具体下游涂层占整个废气通道的30％～50％。

5.如权利要求3和权利要求4所述的ZSM-5-3和β-2沸石混合物，主要通过物理的方式按一定比例混合，并且单独对不同比例的混合物进行吸附及解吸试验，选出吸附及解吸性能最佳的一组作为吸附剂。

6.如权利要求5所述的沸石混合物，可以通过离子交换法使其带上银离子以提高HC吸附容量和脱附温度。