CN110821603A - 一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，包括叶栅式三元催化器；叶栅式三元催化器包括依次连接形成外壁的叶栅式三元催化器进口管、多级渐扩管、锥形收缩管和叶栅式三元催化器出口管，以及多级涡轮动静叶栅组；多级涡轮动静叶栅组的级数不多于多级渐扩管的渐扩级数，各级涡轮动静叶栅组之间的直径逐级增加，分别对应设置在渐扩管的渐扩部分；沿尾气流向，各级涡轮动静叶栅组沿支撑轴顺序分布，各级涡轮动静叶栅组中的动叶轮和静叶轮交错设置；多级渐扩管同轴转动设置一支撑轴，动叶轮以串联方式依次固定于支撑轴上，静叶轮周向固定于渐扩管上；多级渐扩管内侧面、多级涡轮动静叶栅表面和支撑轴表面都涂覆三元催化的催化剂涂层。

Description

一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置
技术领域
本发明涉及汽车尾气净化装置，具体为一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置。
背景技术
随着社会经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，汽车发展和更新换代进程不断加快，汽车保有量呈快速增长趋势。汽车保有量的快速增长，导致了大量有害尾气，包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物和颗粒物等进入大气，对大气的污染十分严重，同时也极大地危害着我们的健康，尾气污染问题不容忽视。
目前现行的汽车尾气处理设备是：在汽车的排气系统内安装多孔介质的三元催化器，将排出汽车尾气中的有害气体在催化剂的作用下通过氧化和还原反应转化为无害气体，多孔介质三元催化器在一定程度上减缓了有害气体排放所造成的污染，但其仍然存在问题：
1)传统三元催化器的载体是多孔陶瓷材料，如图10和图11所示，尾气与催化剂接触并发生催化反应时须通过设置在容器100中的多孔陶瓷材料200，多孔陶瓷材料200通过衬垫300密封固定在容器100中，因此在进行催化反应时会受到较大的阻力，产生油耗增加、发动机的燃烧效率降低、汽车动力下降等不良后果，进而使汽车的动力性能受到不利影响；
2)油品不好燃烧不充分的情况下多孔三元催化器载体中的小孔易阻塞，造成发动机工作不正常、三元催化器失效和尾气超标等后果；
3)由汽车尾气所造成的雾霾颗粒所占比重高达22.2％，传统的尾气净化器能将有害气体在一定程度上转化为无害气体，但对尾气中的固体颗粒物处理效率极为低下，排放的尾气中大量颗粒物仍然存在，严重威胁人们的身体健康。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，设计合理，尾气处理效率高，尾气流体阻力低，能够降低尾气对环境造成的危害。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，包括叶栅式三元催化器；
所述的叶栅式三元催化器包括依次连接形成外壁的叶栅式三元催化器进口管、多级渐扩管、锥形收缩管和叶栅式三元催化器出口管，以及设置在多级渐扩管中的多级涡轮动静叶栅组；
多级涡轮动静叶栅组的级数不多于多级渐扩管的渐扩级数，各级涡轮动静叶栅组之间的直径逐级增加，分别对应设置在渐扩管的渐扩部分；沿尾气流向，各级涡轮动静叶栅组沿支撑轴顺序分布，各级涡轮动静叶栅组中的动叶轮和静叶轮交错设置，同一组中的动叶轮设置在前，静叶轮设置在后；
多级渐扩管同轴转动设置一支撑轴，动叶轮以串联方式依次固定于支撑轴上，静叶轮周向固定于渐扩管上，支撑轴穿过静叶轮设置；
多级渐扩管内侧面、多级涡轮动静叶栅表面和支撑轴表面都涂覆三元催化的催化剂涂层。
优选的，所述多级涡轮动静叶栅组中，每级叶栅组与相邻叶栅组的静叶轮叶片错开布置，各级动静叶栅组之间间距相等。
优选的，所述多级涡轮动静叶栅组中，第一到倒数第二级叶栅组均包括依次设置的一个动叶轮和一个静叶轮的两个叶轮；最后一级动静叶栅组包括依次设置的一个动叶轮、一个静叶轮和一个动叶轮的三个叶轮。
优选的，多级渐扩管分为水平中开的上下两部分，两部分管壁外侧分别设置的连接架，成对的连接架由螺柱和螺母连接成一个整体；在支撑轴上和动叶轮轮毂上开有键槽，键槽内设置有用于周向固定的键，沿径向穿过动叶轮轮毂与支撑轴设置的螺钉用于径向和轴向固定。
优选的，所述多级涡轮动静叶栅组的级数和多级渐扩管的渐扩级数均为五级；
第一级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:48mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：2.51mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：2.51mm；
第二级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:68mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：3.56mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚、静叶轮栅距：3.56mm；
第三级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:88mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：4.61mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：4.61mm；
第四级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:108mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：5.66mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：5.66mm；
第五级动静叶栅组参数：第五级有两个动叶轮及一个静叶轮组成，动叶轮外径D2:128mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：6.7mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：6.7mm。
优选的，支撑轴的输出端通过一级联轴器连接旋转轴的一端，旋转轴的另一端伸出外壁设置，且依次连接二级联轴器、齿轮变速箱和发电机，发电机的输出端连接稳压升压模块和蓄电池。
进一步，多级渐扩管的末端和锥形收缩管的大口端通过S型弯管连接；叶栅式三元催化器进口管和S型弯管的入口端同轴，叶栅式三元催化器出口管和S型弯管的出口端同轴，叶栅式三元催化器进口管位于叶栅式三元催化器出口管上方；旋转轴穿出S型弯管设置，发电机通过发电机支座与叶栅式三元催化器出口管固定。
进一步，还包括静电除尘装置；所述静电除尘装置包括消音器和两级平板式静电除尘器；
所述消音器包括消音器外壳、中间隔板、消音器上进气管和消音器下出气管；中间隔板设置在消音器外壳内将消音器内腔分隔为进气腔室和出气腔室，中间隔板上设置有内部导气管；消音器上进气管一端连接叶栅式三元催化器出口管，另一端从出气腔室一侧上方插入消音器外壳至进气腔室，消音器下出气管的进气端从进气腔室一侧下方插入消音器外壳至出气腔室；
进气腔室中，中间隔板上设置一静电除尘阴极板，与中间隔板相对的一端设置有后静电除尘阳极板，形成一级平板式静电除尘器；出气腔室中，中间隔板上设置另一静电除尘阴极板，与中间隔板相对的一端设置有前静电除尘阳极板，形成二级平板式静电除尘器；静电除尘阴极板、后静电除尘阳极板和前静电除尘阳极板分别与蓄电池的正负极对应连接。
再进一步，消音器外壳底部分别对应后静电除尘阳极板和前静电除尘阳极板的作用面设置有收集槽口，收集槽口下部设置有集尘匣，槽口处设置由汽车本身安装的速度传感器控制的开闭槽口片阀；
当汽车处于工作状态时，有尾气通过，传感器接收到传输信号，此时悬浮粒吸附于后静电除尘阳极板上，槽口片阀闭合；
当汽车停止运行时，无尾气通过，传感器接收到传输信号，吸附于静电除尘器上的悬浮粒掉落，槽口片阀开启，落入集尘匣内。
再进一步，消音器上进气管的出气端轴向和周向等间距设置上进气管出气孔；呈长方体设置的消音器外壳外覆盖有吸音材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将传统的多孔三元催化器改为多组串联的较高密度叶栅式三元催化器，增加了尾气与催化剂接触的面积，提高了尾气的催化处理效率，且减少了尾气在排气系统中所受阻力，使得发动机燃烧效率提高、油耗降低、动力性能提高。
进一步的，原三元催化器将汽车排气余压能转化为热能直接排放到大气中，而本发明通过多级动静叶栅式结构，根据流体机械原理，将汽车排气余压能转化为叶片旋转的机械能，并进一步利用发电机与稳压增压模块，将机械能转化为电能，回收了部分尾气能量，实现了发动机排气余压能的回收利用；并将转化为电能供给静电除尘装置利用，实现了尾气余能的梯度回收利用。
进一步的，在消声器内增设平板式静电除尘装置，吸收尾气中的颗粒物，使尾气中的悬浮颗粒物沉积，降落到尾气片槽中，降低尾气中尘埃的排放；并且由于从尾气中有害气体以及尾气中悬浮颗粒物两方面进行改善，尾气净化的能力及效率明显提高。
附图说明
图1是本发明实例中所述装置的主视结构示意图。
图2是本发明实例中所述装置的右视结构示意图。
图3是本发明实例中所述装置的俯视结构示意图。
图4是本发明实例中所述的多级动叶轮结构示意图。
图5是本发明实例中所述的多级动叶轮与发电机结构示意图。
图6a是本发明实例中所述的下部渐扩管与其上多级静叶轮的截面示意图。
图6b是本发明实例中所述的下部渐扩管与其上多级静叶轮的轴侧示意图。
图7是本发明实例中所述的下部渐扩管与其上多级静叶轮前视结构示意图。
图8动叶翼型截面结构示意图。
图9动叶轮主视图结构示意图。
图10为现有技术中三元催化器在多孔陶瓷材料处的截面示意图。
图11为现有技术中三元催化器的结构示意图。
图中：1-叶栅式三元催化器进口管，2-五级渐扩管，3-支撑轴，4-旋转轴，5-齿轮变速箱，6-发电机支座，7-发电机，8-稳压升压模块，9-蓄电池，10-消音器上进气管，11-上进气管出气孔，12-消音器外壳，13-后静电除尘阳极板，14-消音器下出气管，15-集尘匣，16-槽口片阀，17-内部导气管，18-静电除尘阴极板，19-收集槽口，20-二级联轴器，21-锥形收缩管，22-第一级动静叶栅组，23-第二级动静叶栅组，24-第三级动静叶栅组，25-第四级动静叶栅组，26-第五级动静叶栅组，27-前静电除尘阳极板，28-中间隔板，29-叶栅式三元催化器出口管，30-消音器内腔，31-吸音材料，32-动叶轮，33-静叶轮，34-一级联轴器，35-S型弯管，36-连接架，37-螺柱，38-螺母，39-第一级动叶轮，40-第二级动叶轮，41-第三级动叶轮，42-第四级动叶轮，43-第五级动叶轮，44-第一级静叶轮，45-第二级静叶轮，46-第三级静叶轮，47-第四级静叶轮，48-第五级静叶轮。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，能够适用于各种类型的机动车辆，主要包括叶栅式三元催化器和涡轮发电系统，还可以包括静电除尘器。其基本工作原理是：尾气从发动机气缸排气门排出后经排气歧管进入安装有多组串联的涡轮动静叶栅三元催化器的流道内，在此过程中，尾气中的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物在催化剂铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等贵金属催化作用下被氧化、还原为无害的二氧化碳、水和氮气。同时根据流体机械原理，高温高压的尾气通过叶栅式三元催化器时，使得动叶栅旋转做功，将汽车排气余压能和余热能转化为叶片旋转的机械能，并进一步通过涡轮发电系统中的发电机转化为电能，进行供电或蓄电，能够为后续的静电除尘使用或者为蓄电池充电等所用。
当配有静电除尘器使用时，其次，初步处理过的气体进入装有静电除尘器的消音室，尾气通过该空间时，由于静电吸附作用，尾气中的细微颗粒将会被吸附和收集起来；最后排气管排出清洁的气体。静电除尘器可以优选为平板静电除尘器。
从而有效解决了传统三元催化器所存在的缺陷，减轻了尾气所造成的污染与危害。该发明装置既实现了汽车尾气的减排减阻，同时实现了发动机排气余能的回收利用，而且该回收利用进一步降低了尾气中尘埃的排放。有效解决了传统三元催化器所存在的缺陷，减轻了尾气所造成的污染与危害。
本发明中的叶栅式三元催化器，包括渐扩式的多级渐扩管2、多组串联涡轮动静叶栅组、旋转轴4和支撑轴3，涡轮动静叶栅组的级数不多于多级渐扩管2的渐扩级数，动静叶栅组作为三元催化的催化剂载体。支撑轴3优选的采用陶瓷导流体制成。
多级渐扩管2内转动安装一支撑轴3，多组动静叶栅组的动叶轮以串联方式固定安装于支撑轴3。在支撑轴3上和叶轮轮毂上开有键槽，通过键来进行周向固定，利用螺柱通过叶轮轮毂径向螺孔与支撑轴3径向螺孔进行动静叶轮径向与轴向固定，支撑轴3穿过动叶轮作为其转动轴，静叶轮直接固定于多级渐扩管2上，静叶轮由固定于渐扩管的上下对称两部分组成，上下对称两部分呈周向布置；旋转轴4和支撑轴3通过一级联轴器34刚性连接。
多级渐扩管2为三元催化器催化转化尾气提供了反应空间，支撑轴为叶片提供了支撑，如图1所示。排气冲程阶段，高压余能的尾气从发动机排气门经排气歧管进入叶栅式三元催化器，根据空气动力学原理，高温高压的流动尾气吹过叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差产生动力，令叶轮旋转并不断横切风流。动静叶栅组的叶片作为三元催化器的载体，其上覆盖有催化剂涂层，在此过程中，叶片上的三元催化剂有效接触表面积由导流体表面积，动静叶片表面积以及风扇扫过的面域三部分组成。其总面积较传统的多孔状三元催化器面积较大，所以其催化剂的涂层面积也很大，有利于排出尾气与涂层的接触，从而进一步提高催化效率。有害气体如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等在催化剂作用下转化为无害的二氧化碳、氮气和水。同时涡轮动静叶栅式结构可有效减小尾气在这一过程中的流动阻力。
其中，多级渐扩管2之所以采用渐扩式管道的原因：高温高压气体在涡轮动叶栅流动做功的过程是压力温度降低的过程，气体体积有较大程度的膨胀，因此借鉴热力机械的渐扩式流道，同时与五组动静叶栅组的结构形式相对应。采用不锈钢制成，优选的可以采用SUS304材料，具有耐高温氧化等优良特性。支撑轴3也采用不锈钢制成。
如图1和图2所示。采用涡轮动静叶栅组形式较符合高温高压尾气流动特点，既能有效转化压能，又能有效转化热能，相比于传统的小孔尾气流道，其流动阻力更小，流动更加顺畅。各级叶栅组的动叶片翼型拟采用美国NACA系列翼型，如图8所示。
动静叶栅组呈高密度和多组串联的布置方式，这样的动静叶栅组布置方式使得尾气能够与附着于叶片上的催化剂充分接触反应，从而保证尾气转化效率。
动静叶栅组采用泡沫陶瓷制成，与其他材料的载体相比，泡沫陶瓷材料具有优越的抗热、抗震性能和导热导电性。在动静叶栅组的叶片表面涂覆活性涂层，所述的活性涂层采用贵金属催化剂涂层，贵金属催化剂包括Pt、Pd和Rh贵金属及稀土化合物中的一种，贵金属催化剂具有高的活性、良好的选择性、热稳定性和机械强度等优点。利用还原催化反应将将尾气中的有害气体转化为可排放到大气的气体。
5组动静叶栅组的静叶轮上布置时应注意，该组静叶片与其对应的上一组静叶片错开布置，即：将第二组叶片与第一组中的叶片错开布置，第三组与第二组错开布置，第四组与第三组错开布置。保证尾气能顺利通过这5组涡轮的动静叶栅组并与其充分接触并反应，在催化反应过程中，动叶片和静叶片由于表面都附有催化剂，所以都能起到催化作用，对于尾气流动来说，动叶片负责将气流的能量转化为旋转的机械能，静叶片起到引流并改变流动方向，使气流流入下一级动静叶栅组做功并催化。
具体的，五级根据图4、图7、图8和图9，第一级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:48mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：2.51mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：2.51mm；
第二级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:68mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：3.56mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚、静叶轮栅距：3.56mm；
第三级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:88mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：4.61mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：4.61mm；
第四级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:108mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：5.66mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：5.66mm；
第五级动静叶栅组参数：第五级有两个动叶轮及一个静叶轮组成，动叶轮外径D2:128mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：6.7mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：6.7mm。
本发明中的涡轮发电系统可以对流经叶栅式三元催化器的高温高压的汽车尾气余能进行转化，转化为电能储存于蓄电池。
该系统包括形成涡轮的动静叶栅组(三元催化剂的主要载体)、直流发电机、蓄电池、控制器、逆变器和电线。根据流体机械原理，高温高压的尾气由静叶栅导流，进入涡轮动叶栅，由于动叶栅叶片工作面与背面的压差，产生翼型升力，翼型升力作用于旋转轴，产生转矩，使涡轮旋转，并不断剪切尾气流增加尾气与催化剂的接触几率，通过动叶栅旋转带动发电机发电。该涡轮发电系统发出的电经过控制器的整流，向蓄电池充电。蓄电池中存储的电能将为静电除尘器提供电源。为避免发电机在高温环境下工作，将旋转轴4向后延伸至三元催化器室外，将发电机外置在叶栅催化器腔体后部，使得尾气不与发电机接触，发电机处于低温区。保证发电机绕组线圈的能够正常工作及其构件不受损坏。
本发明中的静电除尘器，优选的采用平板式静电除尘器，具体的包括两组平板式静电除尘器和消声器。首先，利用由涡轮发电系统中产生的并进一步存储于蓄电池中的电为该静电除尘装置提供所需电能，将两组平板式静电除尘装置安装于消声器内腔30内，结合尾气在消声器腔内的流动路线及特点，在其前后两端及中间各安装一组平板式静电除尘器，一组放置在接近消声器进气口的位置，另一组放置在接近消声器出气口的位置，如图1所示，这样的布置方式使得尾气与静电除尘装置更容易接触，将会起到显著的吸尘效果。根据静电吸附时细微颗粒沉积于阳极这一特点，在平板式静电除尘器阳极板的下方，对应的消声器的筒壁上开一小槽，并在槽口处设置片阀。在电路中安装传感器控制开关，当汽车处于工作状态时，有尾气通过，传感器接收到传输信号，开关闭合，电路处于接通状态，此时悬浮粒吸附于静电除尘器上，槽口片阀闭合；当汽车停止运行时，无尾气通过，传感器接收到传输信号，开关断开，电路处于断电状态，吸附于静电除尘器上的悬浮粒掉落，槽口片阀开启，落入设好的集尘匣内。尾气通过该静电除尘装置，即可完成催化净化和颗粒吸附。
本发明所述的汽车尾气净化装置为解决传统的多孔介质三元催转化器所存在的缺陷而设计。首先，从结构层面上，将原多孔介质结构的三元催化器改进为5组较高密度涡轮动静叶栅式结构，并其串联，使其达到更好的净化效果，这将会有效减小尾气在排气系统中受到的阻力；其次，在排气系统中增设平板式静电除尘装置，利用静电除尘原理除去尾气中携带的悬浮颗粒。
采用本发明所述的涡轮动静叶栅式结构的催化器载体，便可降低尾气在排气系统中所受阻力，同时，本装置在此处设置多组、高密度的涡轮动静叶栅，保证尾气净化效率；其次，汽车在工作状态下，发动机排出高温高压的尾气使得三元催化器的叶片转动，涡轮动静叶栅式叶片形式的转子能有效转化压能与动能，使得发动机排出的尾气中携带高温高压有效转化为机械能。利用这一原理在此处设置一涡轮发电机，并安装一蓄电池与稳压升压模块，将该风力发电系统产生的电储存，可为平板式静电除尘器及其他车载设备提供电源；
利用静电除尘原理除去尾气中携带的颗粒物：在消音室内安装静电除尘板，尾气通过多组串联涡轮动静叶栅的叶栅式三元催化器，初步完成催化转化后进入消声器，气体通过进气管和出气管发生气流回环时，尾气中所含悬浮微粒便吸附沉积在静电除尘器的阳极板上，大大降低了尾气中颗粒物的排放量。
尾气净化流程如下，尾气从发动机排气口排出→进入叶栅式三元催化器→流动尾气作用叶片转动→有害气体完成转化→涡轮发电系统发电→蓄电池充电→静电除尘装置→颗粒物被吸收→排出清洁气体，如图1所示。通过上述尾气净化流程，即可完成尾气净化、管道减阻、颗粒吸附等功能。
遵从上述技术方案，如图1至图9所示，本实施例给出一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，包括5组串联的涡轮动静叶栅的叶栅式三元催化器、电能转化装置和静电除尘装置三部分组成。尾气从发动机气缸排气门排出后经排气歧管进入安装有5组串联的涡轮动静叶栅三元催化器的五级渐扩管流道内，在此过程中，尾气中的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物与涡轮叶片表面、五级渐扩管表面接触，被叶片与渐扩管表面的贵金属催化剂的催化作用下氧化、还原为无害的二氧化碳、水和氮气。同时根据流体机械原理，高温高压的尾气通过该三元催化器时，使得动叶栅旋转做功，在这一过程中动叶栅由于压力差将不断旋转，静叶栅则将经过上一级动叶栅的气流引入下一级动叶，起到改变尾气流动方向和引流的作用，而且气流流经叶片时不易阻塞，最终将汽车排气余压能和余热能转化为动叶栅旋转的机械能，通过联轴器传至齿轮变速箱，并进一步通过电能转化装置中的发电机与稳压升压模块转化为电能，为蓄电池充电或位于消音器内的静电除尘器所用；静电除尘装置为装有静电除尘器的消音器，从多级动静叶栅组中流出的初步处理过的气体经锥形管经进入装有静电除尘器的消音器，尾气通过该空间时，由于静电吸附作用，尾气中的细微颗粒将会被吸附沉积于阳极板下方，落入收集槽口，收集起来；最后排气管排出清洁的气体。
其中，多组串联的叶栅式三元催化器包括叶栅式三元催化器进口管1，五级渐扩管，S型管35，作为支撑轴3的陶瓷导流体，旋转轴4，五级涡轮动静叶栅组22、23、24、25、26，锥形收缩管21，叶栅式三元催化器出口管29。如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，五级涡轮动静叶栅组22、23、24、25、26的每一级均包括动叶轮39、40、41、42、43和静叶轮44、45、46、47、48；叶栅式三元催化器进口管1与五级渐扩管2、S型管35、锥形收缩管21、叶栅式三元催化器出口管29依次相连接构成外壁，该外壁内设置支撑轴3、旋转轴4以及五级涡轮动静叶栅组22、23、24、25、26，五级动静叶栅组22、23、24、25、26与五级渐扩管2的阶梯相对应布置，五级动静叶栅组22、23、24、25、26高密度、多组串联，如上所述的动叶轮32和静叶轮33布置方式使得尾气能够与附着于叶片上的催化剂充分接触反应，从而保证尾气转化效率，安装5组叶片时应注意，每组叶片与其对应的上一组叶片错开布置，即：将第二组叶片与第一组中的叶片错开布置，第三组与第二组错开布置，第四组与第三组错开布置。第五组与第四组错开布置。保证尾气能顺利通过这5组涡轮动静叶栅的叶栅式三元催化器并与其充分接触并反应。其中第一到四级动静叶栅组22、23、24、25由一个动叶轮32和一个静叶轮33组成，动叶轮32在前，静叶轮33在后，第五级动静叶栅组26由动叶轮32、静叶轮33、动叶轮32三个叶轮组成，各级动静叶栅组之间间距相等，各级动静叶栅组直径大小不同，根据图4动叶轮旋转方向为顺时针，动叶轮32和静叶轮33中叶片的旋向相反，支撑轴3穿过五级动静叶栅组的动叶轮39、40、41、42、43，作为其转动轴，旋转轴4与支撑轴3固定连接，旋转轴4穿过锥形收缩管21上方的圆孔伸到管外。如图1和图2，五级渐扩管2的末端和锥形收缩管21的大口端通过S型弯管36连接，从而为发电机7外置与尾气管路外提供安装空间和布置位置，旋转轴4穿出S型弯管35设置，如图1所示，优选的，穿出的圆孔与锥形收缩管21的大口端和S型弯管35连接位置相邻。支撑轴3穿过五级动静叶栅组的动叶39、40、41、42、43，作为其转动轴；五级动静叶栅组的静叶44、45、46、47、48直接固定于渐扩管2上，周向布置，与渐扩管的上下两部分组成一体，多级渐扩管分为上下两部分，通过分别位于上下渐扩体上的四个连接架36以及螺栓37和螺母38进行组合，动叶轮和静叶轮交错布置，同一组动静叶轮，动叶在前，静叶在后，旋转轴4和支撑轴3通过一级联轴器34刚性连接；动叶轮39-43、旋转轴4和支撑轴3三者同步转动，静叶轮44-48固定不动；静叶轮在多级渐扩管2上的布置如图6、7所示，动叶轮在支撑轴上的布置如图5、图1所示，动叶轮、静叶轮与多级渐扩管2的位置关系如图1所示。
如图1、图3和图5所示，电能转化装置包括二级联轴器20、齿轮变速箱5、发电机支座6、发电机7、稳压升压模块8、蓄电池9组成，为避免发电机在高温环境下工作，将旋转轴4向后延伸至三元催化器室外，将发电机外置在涡轮催化器腔体后部，使得尾气不与发电机接触，发电机处于低温区。保证发电机绕组线圈的能够正常工作及其构件不受损坏。通过二级联轴器20将支撑轴4与齿轮变速箱相连接，发电机7通过发电机支座6与叶栅式三元催化器出口29固定。
如图1和图3所示，静电除尘装置包括消音器和位于消音器内部的平板式静电除尘器，其包括消音器上进气管10，上进气管出气孔11，消音器外壳12，后静电除尘阳极板13，消音器下出气管14，集尘匣15，槽口片阀16，内部导气管17，静电除尘阴极板18，收集槽口19，前静电除尘阳极板27，中间隔板28，消音器内腔30，消音器外覆吸音材料31。利用由涡轮发电系统中产生的并进一步存储于蓄电池9中的电为后静电除尘阳极板13、静电除尘阴极板18、前静电除尘阳极板27提供所需电能。将后静电除尘阳极板13和静电除尘阴极板18形成一组，以及静电除尘阴极板18和前静电除尘阳极板27形成的另一组，共计两组平板式静电除尘装置安装于消声器的内腔30内，结合尾气在消声器腔内的流动路线及特点，在其前后两端及中间各安装一组平板式静电除尘器，一组放置在接近上进气管出气孔11的位置，另一组放置在接近消音器下出气管14的位置，这样的布置方式使得尾气与静电除尘装置更容易接触，将会起到显著的吸尘效果。消音器上进气管10与叶栅式三元催化器出口管29连接；上进气管出气孔11位于消音器上进气管10出气端，其在轴向和周向等间距排列；消音器外壁为长方体结构，外覆盖有吸音材料31；底部开有收集槽口19和集尘匣15，消音室内部中间有中间隔板28，中间隔板28上开有孔，供内部导气管17穿过，内部导气管连通前后两个静电除尘室，以便提供更多的静电除尘反应空间，实现尾气在前后两个静电除尘室的流动。前静电除尘阳极板27与后静电除尘阳极板13位于消音器外壳12的前后两侧。收集槽口19处设置槽口片阀16。在电路中安装传感器控制开关，用于控制槽口片阀16的开闭；用于控制静电除尘器上槽口处的悬浮粒掉落到集尘匣15中。
本发明上述实例的工作过程如下所示：
尾气从发动机气缸排气门排出后经排气歧管进入叶栅式三元催化器进口管1，由叶栅式三元催化器进口管1进入装有五级涡轮动静叶栅组22、23、24、25、26的五级渐扩管2，由于作为三元催化剂的载体，其与五级渐扩管2、支撑轴3表面都附有催化剂涂层，根据空气动力学与流体机械原理，高温高压的流动尾气吹过动叶轮叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差产生翼型升力，翼型升力令叶轮旋转并不断横切风流。在该过程中汽车尾气与催化剂发生催化反应，有害气体如一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物等在催化剂作用下转化为无害的二氧化碳、氮气和水。翼型升力产生转矩，使涡轮的第一、二、三、四级动静叶栅组22、23、24、25、26中的动叶轮32旋转并带动支撑轴3以及和它相连接的旋转轴4转动，旋转轴4通过联轴器与外部的齿轮变速箱5以及发电机7相连接，再通过稳压与升压模块8与蓄电池9将电能储存或用于后静电除尘阳极板13。经五级渐扩管2与多级动静叶栅组的处理的尾气流经锥形收缩管21和叶栅式三元催化器出口29进入消音室静电除尘箱的消音器上进气管10，尾气由上进气管小孔11扩散出，尾气中的悬浮颗粒物由静电除尘器13聚集沉积于阳极板下方的收集槽口19，槽口处设置片阀16，由汽车本身安装的速度传感器控制阀门开闭，当汽车处于工作状态时，有尾气通过，此时悬浮粒吸附于后静电除尘阳极板13上，速度传感器接收到速度传输信号，槽口片阀16闭合；当汽车停止运行时，无尾气通过，吸附于静电除尘器13上的悬浮粒掉落，速度传感器接收到速度为零的传输信号，槽口片阀16开启，落入设好的集尘匣15内，经过一次静电除尘处理的尾气经内部导气管17进入下一个静电除尘室，再一次静电处理，经两次静电处理的尾气再由下出气管14流出，排出清洁气体。

Claims (10)

1.一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，包括叶栅式三元催化器；
所述的叶栅式三元催化器包括依次连接形成外壁的叶栅式三元催化器进口管(1)、多级渐扩管(2)、锥形收缩管(21)和叶栅式三元催化器出口管(29)，以及设置在多级渐扩管中的多级涡轮动静叶栅组；
多级涡轮动静叶栅组的级数不多于多级渐扩管的渐扩级数，各级涡轮动静叶栅组之间的直径逐级增加，分别对应设置在渐扩管的渐扩部分；沿尾气流向，各级涡轮动静叶栅组沿支撑轴(4)顺序分布，各级涡轮动静叶栅组中的动叶轮和静叶轮交错设置，同一组中的动叶轮设置在前，静叶轮设置在后；
多级渐扩管(2)同轴转动设置一支撑轴(3)，动叶轮以串联方式依次固定于支撑轴(3)上，静叶轮周向固定于渐扩管(2)上，支撑轴(3)穿过静叶轮设置；
多级渐扩管内侧面、多级涡轮动静叶栅表面和支撑轴(3)表面都涂覆三元催化的催化剂涂层。
2.根据权利要求1所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，所述多级涡轮动静叶栅组中，每级叶栅组与相邻叶栅组的静叶轮叶片错开布置，各级动静叶栅组之间间距相等。
3.根据权利要求1所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，所述多级涡轮动静叶栅组中，第一到倒数第二级叶栅组均包括依次设置的一个动叶轮(32)和一个静叶轮(33)的两个叶轮；最后一级动静叶栅组包括依次设置的一个动叶轮(32)、一个静叶轮(33)和一个动叶轮(32)的三个叶轮。
4.根据权利要求1所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，多级渐扩管(2)分为水平中开的上下两部分，两部分管壁外侧分别设置的连接架(36)，成对的连接架(36)由螺柱(37)和螺母(38)连接成一个整体；在支撑轴(3)上和动叶轮轮毂上开有键槽，键槽内设置有用于周向固定的键，沿径向穿过动叶轮轮毂与支撑轴(3)设置的螺钉用于径向和轴向固定。
5.根据权利要求1所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，所述多级涡轮动静叶栅组的级数和多级渐扩管的渐扩级数均为五级；
第一级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:48mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：2.51mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：2.51mm；
第二级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:68mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：3.56mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚、静叶轮栅距：3.56mm；
第三级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:88mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：4.61mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：4.61mm；
第四级动静叶栅组参数：动叶轮外径D2:108mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：5.66mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：5.66mm；
第五级动静叶栅组参数：第五级有两个动叶轮及一个静叶轮组成，动叶轮外径D2:128mm，动叶轮内径D1:24mm，动叶翼弦长度l：8mm，动叶片最大厚度Cmax：1.5mm，动叶轮栅距t：6.7mm，动叶轮叶片进口安放角β1:80°，动叶轮叶片出口安放角β2：55°，动叶轮与静叶轮间距：1.2mm，动叶轮叶片数：60，静叶轮叶片数：60，静叶片弦长：8mm，静叶片厚度：1mm、等厚；静叶轮栅距：6.7mm。
6.根据权利要求1所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，支撑轴(3)的输出端通过一级联轴器(34)连接旋转轴(4)的一端，旋转轴(4)的另一端伸出外壁设置，且依次连接二级联轴器(20)、齿轮变速箱(5)和发电机(7)，发电机(7)的输出端连接稳压升压模块(8)和蓄电池(9)。
7.根据权利要求6所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，多级渐扩管的末端和锥形收缩管(21)的大口端通过S型弯管(35)连接；叶栅式三元催化器进口管(1)和S型弯管(35)的入口端同轴，叶栅式三元催化器出口管(29)和S型弯管的出口端同轴，叶栅式三元催化器进口管(1)位于叶栅式三元催化器出口管(29)上方；旋转轴(4)穿出S型弯管(35)设置，发电机(7)通过发电机支座(6)与叶栅式三元催化器出口管(29)固定。
8.根据权利要求6所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，还包括静电除尘装置；所述静电除尘装置包括消音器和两级平板式静电除尘器；
所述消音器包括消音器外壳(12)、中间隔板(28)、消音器上进气管(10)和消音器下出气管(14)；中间隔板(28)设置在消音器外壳(12)内将消音器内腔(30)分隔为进气腔室和出气腔室，中间隔板(28)上设置有内部导气管(17)；消音器上进气管(10)一端连接叶栅式三元催化器出口管(29)，另一端从出气腔室一侧上方插入消音器外壳(12)至进气腔室，消音器下出气管(14)的进气端从进气腔室一侧下方插入消音器外壳(12)至出气腔室；
进气腔室中，中间隔板(28)上设置一静电除尘阴极板(18)，与中间隔板(28)相对的一端设置有后静电除尘阳极板(13)，形成一级平板式静电除尘器；出气腔室中，中间隔板(28)上设置另一静电除尘阴极板(18)，与中间隔板(28)相对的一端设置有前静电除尘阳极板(27)，形成二级平板式静电除尘器；静电除尘阴极板(18)、后静电除尘阳极板(13)和前静电除尘阳极板(27)分别与蓄电池(9)的正负极对应连接。
9.根据权利要求8所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，消音器外壳(12)底部分别对应后静电除尘阳极板(13)和前静电除尘阳极板(27)的作用面设置有收集槽口(19)，收集槽口(19)下部设置有集尘匣(15)，槽口处设置由汽车本身安装的速度传感器控制的开闭槽口片阀(16)；
当汽车处于工作状态时，有尾气通过，传感器接收到传输信号，此时悬浮粒吸附于后静电除尘阳极板(13)上，槽口片阀(16)闭合；
当汽车停止运行时，无尾气通过，传感器接收到传输信号，吸附于静电除尘器(13)上的悬浮粒掉落，槽口片阀(16)开启，落入集尘匣(15)内。
10.根据权利要求8所述的一种多级涡轮动静叶栅式汽车尾气净化装置，其特征在于，消音器上进气管(10)的出气端轴向和周向等间距设置上进气管出气孔(11)；呈长方体设置的消音器外壳(12)外覆盖有吸音材料(31)。
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