CN103953438A - 汽车三元催化器自动循环清洗机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车三元催化器的自动循环清洗机，机箱（1）内设有配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），机箱（1）上方设进水口（5）连接自来水管，机箱（1）下方设排水口（6）与配料罐上的排水管相连，自来水通过管路流入配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），配料罐、过滤器和循环泵之间通过管路连接，管路上设有若干电磁阀（7）来控制管路的通和断，配料罐的顶部设投料门（8），配料罐下部设有电加热器（9），机箱上设有两个输出端口（10）分别连接三元催化器的输入和输出接头。本发明的清洗机内形成加热封闭循环系统，辅以震荡手段，达到快速恢复三元催化器的催化性能，改善发动机排气背压，恢复尾气净化能力。

Description

汽车三元催化器自动循环清洗机

技术领域

本发明涉及自动清洗装置，具体是一种汽车三元催化器自动循环清洗机。 

背景技术

三元催化器，是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。HC、CO 是有毒气体，过多吸入会导致人死亡，而NOX 会直接导致光化学烟雾的发生，城市的环境污染、大气雾霭现象，有大部分来自于未完全催化的汽车尾气。 

当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的催化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化，如下图6和图7所示。 

三元催化反应器类似消声器。它的外面用双层不锈薄钢板制成筒形。在双层薄板夹层中装有绝热材料----石棉纤维毡。内部在网状隔板中间装有净化剂。 净化剂由载体和催化剂组成。

载体一般由三氧化二铝制成，其形状有球形、多棱体形和网状隔板等。净化剂实际上是起催化作用的，也称为催化剂。催化剂用的是金属铂、铑、钯。将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。 

常温下三元催化转化器不具备催化能力，催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250—350℃，正常工作温度一般在400—800℃。催化转化器工作时会产生大量的热量，同时它的工作温度也取决于排气温度，温度越高，氧化的温度也愈高，当温度超过1000℃时，其内涂层的催化剂就会烧结坏死，同时也极易发生车辆自燃事故。因此发动机故障引起的排气温度升高，如点火时间过迟或点火次序错乱、断火等，这都会使未燃烧的混合气进入催化反应器，造成排气温度过高，影响催化转化器的效能。 

当汽车长期工作于低温状态时，三元催化器无法启动，发动机排出的炭烟会附着在催化剂的表面，造成无法与CO和HC接触，长期下来，便使载体的孔隙堵塞，影响其转化效能。 

  催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅通常来自于汽油，磷和锌来自于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成氧化物颗粒易被吸附在催化剂的表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去了催化作用，即所谓的“中毒”现象。 

另外，由于目前我国的车用燃油质量标准低，为改进汽油的抗爆指标而加入的MMT，成为现在导致三元催化器早期失效的一种主要原因。 

MMT是methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl的简称，分子式为C₉H₇MnO₃。中文名字为甲基环戊二烯基三羰基锰。是一种有机金属液态化合物，锰含量24.4%(质量)；熔点较低，常温下为液体；比重1.38，不易结晶；沸点较高(233 ℃)，安全性好；不溶于水；与油品的化学兼容性好；在空气和黑暗环境中不分解。这些性质基本能满足抗爆剂的主要品质要求。在汽油中加入万分之一MMT，锰含量不超过18mg/L，可提高汽油辛烷值2～3个单位。并且还可以提高汽车动力性、降低油耗。 

MMT之所以被广泛使用，主要原因是其成本低廉。如果 要提高标号，每吨汽油添加MMT差不多只增加30元成本，而添加其他添加剂可能增加100多元。但在汽车发动机工作中，MMT中的锰会残留在为其中，沉积在发动机部件中，造成诸如催化转换装置的堵塞。即使是在纯粹的燃油调出的高标号油品的燃烧残余物中，金属锰的含量也达到了6-8%。因为，金属锰广泛的存在于汽车零部件，润滑油当中。在一定程度上，锰也是一种很好的润滑剂，同时也可以增强零部件的强度和刚度。 

MMT在燃油氧化的初始阶段起提高辛烷值的作用,当燃烧室的温度升高后,它开始分解,在温度最高时形成了锰.当排放温度降至1300～1500 ℃时,锰很快转化为Mn3O4和锰的磷化物,其中主要为二价锰,磷酸盐约53%,硫酸盐约32%,氧化锰约15%.Ter G L等,MMT的燃烧排放物是一种直径分布范围在0.1～0.4 m的微小颗粒,与铅的排放物大小相似,燃料中的MMT总锰量中5%～45%以颗粒物的形式排放到空气中,8%穿入机油中,剩下的存在于发动机,催化器和排气系统中。 

 MMT燃烧以后，部分生成四氧化三锰 Mn3O4 ，Mn3O4是不溶于水的氧化物，仅仅溶于盐酸的强酸和部分溶解于弱酸。注意Mn3O4是不溶于有机溶液。Mn3O4主要沉淀于燃烧室、火花塞、三元催化器等部件。 

长期使用了MMT燃油的车辆，在经过3-5万公里的行驶以后，活塞和三元催化器表面已经有很多的沉积物了，由于三元催化器表面其实已经与排出的废气隔离，这种车辆的催化性能已经大幅下降，不会在正常的情况下排放出正常的废气。切开堵塞的催化转换装置，可以直观的发现棕红色的金属沉积物造成的堵塞。 

实际长期跟踪随访观察还表明，除了锰添加剂的影响，国内当前的实际市内路况也是造成三元催化器早期损坏的主要原因。长期拥堵路面，发动机经常处于不完全燃烧状态，三元催化器也无法达到正常工作温度，会在氧传感器和三元催化器内形成积炭。正是由于诸多因素，造成氧传感器和三元催化器中毒失效、三元催化器堵塞以及EGR阀被沉积物阻塞卡滞等故障，造成发动机工作不正常，造成油耗增加、动力下降、加油唑车和尾气超标等问题。 

实际上，由于发动机的排气背压被精确整定过，即使表面看起来并不严重的少量阻塞，不仅影响排气品质，也会影响发动机的行驶性能，如下图实例一台行程7万公里的富康，可见附着物并没有严重阻塞孔道，但实测排气背压已经提高了20%，车主是资深车友，感觉加速力度衰减；并且排气有味，无法通过年检。 

由于国内已经禁止使用含铅汽油，铅使催化剂板结“中毒”的现象已经比较罕见。现在继续推广的国4乃至国5标准的汽油，只是对硫含量等进行更严格限制，对于锰添加剂的含量并没有进行严格限制，因此我们在国内没有观察到更高标准的汽油，能够改善三元催化器的寿命。目前有3种方案对付三元催化器的失效： 

1.更换；大部分三元催化器厂家对其产品在国内的标定寿命其实就是5-10万公里，这与我们的观察测试基本等同，其实也是三元催化器被积碳和锰化合物覆盖阻塞以致失效的寿命。由于含有贵金属或稀土元素，其价格昂贵，一般车型在3-4千元，大排量的高档车由于需要更大的催化器，价格通常上万，这显然不是一个性价比很好的方案。

2. 输液法三元催化器积碳清理；输液法是一种免拆卸清洗的方法。即向汽车燃油系统注入适量助剂，从进气道喷入，或者切断原有供油管路，直接向喷油系统注入替代汽油的清洗燃烧剂，提高三元催化器的工作温度，以此方式高温“烧掉”积累在三元催化器上的积碳等残留物，但对因汽油添加剂所带来的诸如Mn3O4等金属沉淀物，却起不到任何作用。即使是积碳，由于此时三元催化器也并非被均匀的整体提升温度，也无法彻底清除。因此，在实践中，即使略有效果的少数车辆，在几千公里之后，所有车辆都故态复萌。更为严重的是，这种清理方法，由于导致排气温度的人为异常升高，很多车辆的排气门会被烧坏，导致气缸密封不严，进而引起怠速不稳，机械性能下降的人为故障，需要大修发动机才能解决。这些损坏的根源在于汽油发动机并没有针对其他燃料作相应的对应设计,在所有厂家手册中，都禁止输入除了合格汽油以外的其他燃料。因此，我们认为,这种目前广为采用的方法应该被禁止。 

3.拆卸清洗；要对“中毒”的三元催化器进行彻底的再生清洗，拆卸三元催化器，用特制清洗液进行特定的循环冲洗，是唯一可行的方式。同时，由于紧邻发动机，免拆卸用清洗液清洗，虽然技术上可行，但面临清洗液进入发动机缸内的风险，也不被推荐。 

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车三元催化器的自动循环清洗机，将汽车三元催化器拆下，将其进气和排气两端密封并通以清洗再生液，加热封闭循环，必要时辅以震荡手段，达到快速恢复三元催化器的催化性能，改善发动机排气背压，恢复尾气净化能力。 

本发明的技术方案是这样实现的：汽车三元催化器自动循环清洗机，机箱（1）内设有配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），机箱（1）上方设进水口（5）连接自来水管，机箱（1）下方设排水口（6）与配料罐上的排水管相连，自来水通过管路流入配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），配料罐、过滤器和循环泵之间通过管路连接，管路上设有若干电磁阀（7）来控制管路的通和断，配料罐的顶部设投料门（8），配料罐下部设有电加热器（9），对清洗液进行加热，并自动保持恒定温度，并通过加热的清洗液，使整个三元催化器都处于恒温状态，由于使用加压的高温液体循环清洗，能显著加快清洗和反应的速度，提高清洗效率。加热后的清洗液，通过一组交换阀切换，可以正向和反向流经催化器，达到更好的清洗效果。机箱上设有两个输出端口（10）分别连接三元催化器的输入和输出接头。进水口前端设有粗滤器。配料罐上设有液位检测器（11）和温度检测器（12）。由于清洗反应过程中会产生气体，配料罐内部是开口常压状态。配料罐的顶部设有排气阀（13）（单向阀）向排水口排气。配料罐的顶部设有溢流口（14）。机箱内设有照明装置，机箱底部装有滚轮（15）。 

机箱内设有程序控制器连接温度检测器（12）、液位检测器（11）、电加热器（9）自动控制清洗机的工作状态，并通过机箱上面的显示屏（16）显示温度、液位、时间、当前流量、电磁阀开闭状态、电压和电流参数。 

    循环泵将清洗液加热后循环流经三元催化器，加快清洗和与反应速度。配料罐能够自动吸液并溶解粉末状清洗剂，由于三元催化的接口可能封闭不严，导致少量渗漏，设备能在整个清洗过程中自动补液，自动保持清洗液的浓度和容量。 

   机箱内的过滤器，对循环液进行过滤，以免杂质沉积在设备内。 

    在定时清洗时间到达后，设备自动排液，将三元催化、配料罐、过滤器以及所有管路内的液体排空。排空时，清洗液反向流经过滤器，直接将大部分过滤杂质冲出过滤器，延长过滤器使用寿命，延长滤芯更换间隔时间。排空后，设备自动再次进水，并用热清水和冷清水2次循环清洗整个系统，用以稀释冲净三元催化器和本设备本身的管路及容器。 

本发明的有益效果为：本发明的清洗机能是针对汽车三元催化器设计的一款自动循环清洗机，内部形成加热封闭循环系统，通过程序设定自动完成清洗工作，快速恢复三元催化器的催化性能，改善发动机排气背压，恢复尾气净化能力。 

附图说明

图1是清洗机的工艺流程图。 

图2是机箱主视图。 

图3是机箱后视图。 

图4是机箱的右视图。 

图5是机箱的左视图。 

图6是三元催化器的工作原理图。

图7是三元催化器的结构示意图。

图中：1、机箱；2、配料罐；3、过滤器；4、循环泵；5、进水口；6、排水口；7、电磁阀；8、投料门；9、电加热器；10、输出端口；11、液位检测器；12、温度检测器；13、排气阀；14、溢流口；15、滚轮；16、显示屏。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明。 

如图1-5所示，汽车三元催化器自动循环清洗机，机箱1内设有配料罐2、过滤器3和循环泵4，机箱1上方设进水口5连接自来水管，机箱1下方设排水口6与配料罐上的排水管相连，自来水通过管路流入配料罐2、过滤器3和循环泵4，配料罐、过滤器和循环泵之间通过管路连接，管路上设有若干电磁阀7来控制管路的通和断，配料罐的顶部设投料门8，配料罐下部设有电加热器9，对清洗液进行加热，并自动保持恒定温度，并通过加热的清洗液，使整个三元催化器都处于恒温状态，由于使用加压的高温液体循环清洗，能显著加快清洗和反应的速度，提高清洗效率。加热后的清洗液，通过一组交换阀切换，可以正向和反向流经催化器，达到更好的清洗效果。机箱上设有两个输出端口10分别连接三元催化器的输入和输出接头。进水口前端设有粗滤器。配料罐上设有液位检测器11和温度检测器12。由于清洗反应过程中会产生气体，配料罐内部是开口常压状态。配料罐的顶部设有排气阀13（单向阀）向排水口排气。配料罐的顶部设有溢流口14。机箱内设有照明装置，机箱底部装有滚轮15。 

机箱内设有程序控制器连接温度检测器12、液位检测器11、电加热器9自动控制清洗机的工作状态，并通过机箱上面的显示屏16显示温度、液位、时间、当前流量、电磁阀开闭状态、电压和电流参数。 

整机有循环清洗、高温冲洗、低温清洗3个清洗方式，每个方式3个主要工作流程: 

（一）循环清洗方式：

1.配液

   再生清洗剂是粉末状的制剂，直接从配料罐投入罐内。配液流程中，换向电磁阀V1-V4关闭，旁路电磁阀v5打开，进液电磁阀v6打开，反吹电磁阀v7关闭，正向过滤电磁阀v8、v11打开，排液电磁阀v9关闭，循环电磁阀v10关闭，补液电磁阀v12关闭。循环泵工作，纯净水进液经过粗滤器，从v6-循环泵-v5-v8-过滤器-v11的顺序，从配料罐顶部进入配料罐，配料罐内空气从顶部溢流口排出。当液位监视器LI检测到配料罐内液面达到规定高度后，进液电磁阀v6关闭，循环电磁阀v10打开，其余电磁阀状态不变。液体从配料罐底部抽出，经同样顺序从配料罐顶部返回配料罐，进入封闭循环状态。

    同时电加热器开始工作，与温度监测器TIR构成闭环。自动将溶解后的清洗液温度加热到设定的清洗温度。如果溶解导致体积变化使液位降低到一定程度，进液电磁阀v6打开，循环电磁阀v10关闭，进行自动补液。 

    由于循环泵持续工作，管路和容器内所有液体被加热到设定温度后，进入循环清洗流程。 

2.循环清洗 

    在循环清洗流程开始前，三元催化器应完成与机器对应输出和输入管路接口的封闭连接。换向电磁阀v1,v4打开，换向电磁阀v2v3关闭，旁路电磁阀v5关闭，进液电磁阀v6关闭，反吹电磁阀v7关闭，正向过滤电磁阀v8、v11打开，排液电磁阀v9关闭，循环电磁阀v10打开，液体从配料罐底部经v10进入循环泵，被注入三元催化器，从三元催化器返回的液体经v4，v8，过滤器，v11，从配料罐顶部返回配料罐。由于三元催化器内部初始是空气，清洗液被充入三元催化器，将引起配料罐内液体减少，液面下降。这时补液电磁阀v12打开，通过液面监测器LI的闭环控制，自动补充液体，直至三元催化器被充满。

    同时，除了充注三元催化器，由于设备与三元催化器的只是临时接口，可能有渗漏，通过自动控制v12也可以自动补液。 

    由于三元催化器的初始温度较低，以及自动补充的液体、系统的热量散失都会导致水温降低，整个循环过程中，电加热器和温度控制器的闭环都会持续工作，维持循环温度的恒定。 

 三元催化器清洗过程中，化学反应也会产生气体。气体也被循环经过滤器进入配料罐，从溢流口排出。 

在循环过程中，每隔一定时间，换向电磁阀v1v4关闭，v2v3打开，其余电磁阀保持工作和受控状态不变，输出到三元催化器的水流方向被反向，持续于一段时间后，再次返回v1-v4打开，v2v3关闭的状态，2种状态轮流切换。实际工作证明，2种水流方向可以有效地避免反应产生的气体在三元催化器中集聚，让三元催化器的内部核心更完全地被清洗液浸泡冲洗。 

3.排液 

  清洗结束后的排液过程中，电加热器被关闭。循环电磁阀v10打开，换向电磁阀v1v4打开，旁路电磁阀v5关闭，进液电磁阀v6关闭，反吹电磁阀v7打开，正向过滤电磁阀v8、v11关闭，排液电磁阀v9打开，补液电磁阀v12关闭。清洗液从罐底经v10被抽出，经循环泵，v1，三元催化器，v4，v7，过滤器，v9流入排水口。

 在这个流程中，清洗液反向经过过滤器被排出，可以有效地将清洗流程中过滤器中集聚的颗粒、脏污等反向排出，减少过滤器的更换次数，延长使用寿命，同时可以将过滤器内的液体尽可能的反向排空。 

 在排液过程中，v1v4关闭，v2v3打开，如此正反向循环，如此配合使用隔膜泵可以在液体排尽后继续反向向三元催化器内吹气，将残余液体尽可能排空。 

 每次清洗后的废液也可以循环利用，可以不用添加粉剂，可以从自来水进水端直接吸入，进行清洗循环。也可以使用在机器外部已经配好的药液，从自来水进水端直接吸入。 

（二）高温冲洗： 

  循环清洗之后，高温冲洗用于去除循环清洗后的剩余反应产物、稀释残余清洗液。

  除了不向配料罐中添加粉末清洗剂，高温清洗的流程与循环清洗基本相同，也要经历进液，加热，向三元催化器中灌注液体，正反向定时循环，正反向排液的所有过程。总冲洗的时间可以适当缩短。 

（三）低温清洗： 

  低温清洗在高温清洗之后，除了继续去除循环清洗后的剩余反应产物、稀释残余清洗液，还用以清洗机器本身内部的管路，防止腐蚀，延长机器的使用寿命。

   低温清洗中，不向配料罐中添加粉末清洗剂，自动电加热也被关闭。也要经历进液，加热，向三元催化器中灌注液体，正反向定时循环，正反向排液的所有过程。总冲洗的时间可以适当缩短。 

 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，机箱（1）内设有配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），机箱（1）上方设进水口（5）连接自来水管，机箱（1）下方设排水口（6）与配料罐上的排水管相连，自来水通过管路流入配料罐（2）、过滤器（3）和循环泵（4），配料罐、过滤器和循环泵之间通过管路连接，管路上设有若干电磁阀（7）来控制管路的通和断，配料罐的顶部设投料门（8），配料罐下部设有电加热器（9），机箱上设有两个输出端口（10）分别连接三元催化器的输入和输出接头。

2.根据权利要求1所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，进水口前端设有粗滤器。

3.根据权利要求1所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，配料罐上设有液位检测器（11）和温度检测器（12）。

4.根据权利要求1所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，配料罐的顶部设有排气阀（13）。

5.根据权利要求1或4所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，配料罐的顶部设有溢流口（14）。

6.根据权利要求1所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，机箱内设有照明装置，机箱底部装有滚轮（15）。

7.根据权利要求1或3所述的汽车三元催化器自动循环清洗机，其特征在于，机箱内设有程序控制器连接温度检测器（12）、液位检测器（11）、电加热器（9）自动控制清洗机的工作状态，并通过机箱上面的显示屏（16）显示温度、液位、时间、当前流量、电磁阀开闭状态、电压和电流参数。