CN1109578C - 一种汽车排气净化催化剂及其净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车排气净化催化剂、催化颗粒及其净化装置，其中净化催化剂至少由一个催化发生层和一个基体组成，其特点在于所述基体是所述催化发生层的生成母体；所述母体的材料为一种经氧化能自动生成所述催化发生层的稀土合金，所述催化发生层为一种钙钛矿型稀土复合氧化物；使用环境温度为250℃∽950℃。利用与该剂等效的催化颗粒制成净化装置能长期保持高效催化效果，能适应多元污染物和不同排气污染状况的净化，使用寿命长，成本低。
Description
本发明专利涉及一种气体净化，尤其涉及一种汽车尾气的净化装置。
目前，世界各国在汽车尾气净化方面，主要在机内净化和机外净化两方面开展研究，而在机外净化方面，又主要采用的是在排气系统中安装催化转化器来解决尾气净化问题。如，CN1184698、CN1188843。目前，一般通用的催化转化器是以贵金属铂、铑、钯或具有钙钛矿结构的稀土复合氧化物单独或组合使用作为催化剂，并将其制作成含催化剂的涂料涂复在陶瓷或金属载体上，组合成催化转化器。采用这种方法制成的催化转化器，由于汽车运行进程中震动比较严重，导致催化单元之相互磨擦、载体强度不足，再加上目前国内汽车的尾气均为高浓度污染源，所以上述因素促使催化表面耗损，载体损坏，再加上会产生催化剂中毒现象，从而造成催化转化器过快失去部分或全部功能，大大降低了催化转化器的使用寿命。此外，现有国内目前使用的汽车排气污染程度各不相同，各城市对排气净化要求也不尽相同，再加上现有的催化转化器往往适用范围窄，性能单一，或者产品成本较高，从而在一程度上影响了催化转化器的广泛使用。
本发明的发明目的是提供一种能够通过不断自生更新的汽车净化催化剂，通过这种生成新生态催化剂，来长期保持高效的催化效果，提高汽车排气净化度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种汽车排气净化催化剂，至少由一个催化发生层和一个基体组成，其特点在于所述基体是所述催化发生层的生成母体；所述母体的材料为一种经氧化能自动生成所述催化发生层的稀土合金AB，所述催化发生层为一种钙钛矿型稀土复合氧化物ABO3使用环境温度为250℃～950℃。
上述的净化催化剂，所述母体的材料AB为LaCu0.6Mn0.4(原子比)，则所述催化发生层ABO3为(LaCu0.6Mn0.4)O3(原子比)。其中，合金含量也可以用重量百分比表达，LaCu0.6Mn0.4即为La∶Cu∶Mn＝69.8∶19.16∶11.04。原子量×原子数比：138.9 38.124 21.976 ∑199重量百分比：69.8％∶19.16％∶11.04％。
上述的净化催化剂，所述母体AB为La1.4Ba0.6Cu，所述催化发生层ABO3则为(La1.4Ba0.6Cu)O3；
上述的净化催化剂，其特点在于使用的最佳环境温度为650℃～850℃。
将这种净化催化剂制作成涂料涂复在陶瓷或金属载体上，组合成不同类型的催化转化器安装的汽车排气管上，即可解决因催化表面耗损造成催化转化器过快失效的问题，从而大大提高了催化转化器的使用寿命。
本发明还有一个发明目的是提供一种更能发挥这种不断再生出新的汽车净化催化剂的物质形态，并通过其充分组合，来提高净化效果和延长使用寿命。
为了实现这一目的，本发明还提供了一种汽车排气净化用催化颗粒，其特点在于所述催化颗粒由母核和由该母核氧化后再生的子层组成，所述子层为钙钛矿型稀土复合氧化物ABO3，所述母核为一种经氧化能自动生成所述子层的稀土合金AB，所述催化颗粒直径为2～20mm；使用环境温度为250℃～950℃。
上述的催化颗粒，其特点在于所述催化颗粒直径为3～4mm；所述催化转化器的安装位置在排气温度为650℃～850℃范围内。
采用这种催化颗粒的结构，由于催化颗粒表面的钙钛矿型稀土复合氧化物可以由其稀土合金母核经氧化自动再生，因此，当该催化表面一旦被损坏，其母核裸露部分便会不断被氧化，从而生成新的催化剂表层，如此周而复始地进行保证了催化转化器的高效和长寿命。同时，由于初生态活性高催化效果好，也可解决催化剂中毒等问题，此外利用多种不同特性的催化颗粒进行组合，也可适应各种汽车不同排气污染程度和多元污染物之净化需要。为了不断生成新的催化剂表层和保证增大催化比表面积，催化颗粒的大小被限定在一定范围内，这样即便于催化颗粒之间的碰撞磨擦，又可保证一定大的催化比表面积。此外，采用稀土合金作为生成催化剂的母核，由于其高寿命，也使得成本降低。
本发明的另一发明目的是提供一种能充分发挥上述催化颗粒功能的汽车尾气净化用催化转化器，来实现长期保持高效催化净化颗粒效果，并适应多元污染物和不同排气污染状况的净化，且产品使用寿命长，造成成本低。
为了实现这一上述目的，本发明还提供了一种含有上述催化颗粒的汽车排气净化装置，主要由从汽车发动机伸出的排气管、与该排气管直接连接的至少一个催化转化器、排气尾管组成，其特点在于：所述催化转化器由安装在壳体内的催化颗粒和支撑催化颗粒的多孔容器或金属网组成，在所述多孔容器或金属网上留有至少一个排气通道，所述排气通道上留有保证所述颗粒与由所述排气管排出的废气接触的孔隙或间隙，所述排气通道的通气截面积总和大于或等于所述排气管的标准通气截面积；所述废气通过所述排气通道和所述催化颗粒表面后由排气尾管排出。
上述的净化装置，其特点在于所述排气通道由多根螺旋金属弹性软管组成，所述弹性软管的两端固定在所述多孔容器或金属网两侧。
上述的净化装置，其特点在于所述多孔容器或金属网由3层组成，所述弹性管经中间一层多孔板或金属网交叉或旋转安装在两侧的多孔板或金属网上。
上述的净化装置，其特点在于所述多孔容器或金属网中间安装有由所述排气通道向四周幅射的多孔筋板或网片。
上述的净化装置，其特点在于在所述排气管与排气尾管之间还安装有一个消音器，所述催化转化器安装在所述消音器内直接相对所述排气管处。
上述的净化装置，其特点在于在还安装有一个补氧装置，所述补氧装置由通气管、阀、接头和风机组成，所述接头安装在所述催化转化器的催化反应区前部。
上述的净化装置，其特点在于在所述催化转化器与排气尾管之间还安装有一个强磁过滤器，所述强磁过滤器由安装在套筒内的多片重叠在一起的稀土强磁环和调距环组成，所述磁环和调距环套在排气管上或者所述磁环和调距环成为排气管中的一部分，其内表面与废气直接接触；此外，上述的净化装置，其特点在于在所述催化转化器为2个，在其间还安装有一个强磁过滤器，所述强磁过滤器由安装在套筒内的多片重叠在一起的稀土强磁环和调距环以及隔热层组成，所述磁环和调距环套在覆有隔热层的排气管上。
采用上述结构的汽车尾气净化装置，特别适合于催化颗粒表面的钙钛矿型稀土复合氧化物由其稀土合金母核经氧化自动再生，由于这种结构增加了催化颗粒之间的碰撞磨擦机会，促进了新生态催化剂的生成，从而长期保持了较好催化效果，也可解决催化剂中毒等问题。此外，多层结构和分区结构，更适用对多种不同特性的催化颗粒进行组合，以适应各种汽车不同排气污染程度和多元污染物之净化需要。在上述方案中，又由于设计了多种催化转化器内的排气通道结构和支撑多孔容器或金属网结构，使得废气可以与催化颗粒表面尽可能接触，从而大大提高了净化效果；此外，上述结构也十分易于安装。
为了进一步提高净化效果，在上述方案中还增加了磁化装置，对废气中含有的及催化过程中生成的各种物质进一步加强了磁化过滤，同时也有助于尾气与催化颗粒表面的接触加强催化作用，以便与催化转化器一起共同实现最佳的净化效果。
下面结合附图进一步说明本发明的实施例
图1是本发明所采用的复合催化颗粒结构示意图
图2是本发明的一种使用催化颗粒并带补氧装置的催化转化器结构示意图
图3是催化转化器安装在消音器中的结构示意图
图4是图3中A-A处剖视图
图5是在催化转化器中采用螺旋金属软管作排气通道的结构示意图
图6是图5中A-A处剖视图
图7是一种安装磁化过滤装置与催化转化器连接在一起的汽车排气污染物净化装置的外观示意图
图8是一种同时安装催化转化器、消音器和磁化过滤装置的汽车排气污染物净化装置的外观示意图
图9是图8中磁化过滤装置的内部结构示意图
在图1中，本实施例中的复合催化颗粒3主要由稀土合金31及其氧化物32组成，复合催化颗粒3的母体31是一种经氧化能自动生成钙钛矿型氧化物的稀土合金，在本实施例中，该稀土合金采用LaCu0.6Mn0.4，其表层生成的氧化物为(LaCu0.6Mn0.4)O3，或者该稀土合金采用La1.4Ba0.6Cu，其表层生成的氧化物为(La1.4Ba0.6Cu)O3。此外，该稀土合金采用也可采用Nd2Fe14B，其Nd-Fe-B的氧化物也能生成钙钛矿型结构。为了保证较好的催化效果，催化颗粒3的直径应选在2~20mm；催化转化器的安装位置选择在与排气温度为250℃950℃范围相对应的排气管区段内。在对本实施例进行试验中，其最佳的实施方案是，催化颗粒3的直径为3~4mm；催化转化器的安装位置选择在排气温度为650℃~850℃范围内。在本实施例中，催化颗粒3可以制作成空心的，也可制作成实心的，根据所需催化颗粒的大小来确定，对于较大的颗粒，其中心可放置一个球形铁砂或者放置其它能促进表层生成钙钛矿型结构稀土合金氧化物的合金颗粒。
当然，利用同样原理和上述材料，也可以制作一种通用的汽车排气净化催化剂，只要将该稀土合金制作成涂料，再通过浸挂、涂覆等方法，负载在多孔的圆筒陶瓷基体上，即可制作出一种新型净化催化转换器。
在图2中，本发明的一个实施例为一种使用催化颗粒并安装补氧装置的催化转化器。该净化装置主要由排气管1、催化转化器和尾排气管组成，催化转化器由壳体2、催化颗粒3、多孔容器21、接头4、单向阀5、导管6和风机7组成，多孔容器21将催化颗粒3安装在多孔容器内，通过多孔容器上的小孔使由排气管1排出的气体与催化颗粒3充分接触，实现催化作用。为了使催化颗粒3不断生成钙钛矿型复合氧化物，该装置通过风机7向催化转化器内不断补充空气，以增氧促进钙钛矿型复合氧化物的生成。风机7由汽车电池驱动。在本实施例中，多孔容器21也可用金属网替代。此外，对于大多安装有氧传感器的汽车，也可不安装补氧装置。
在图3、图4中，本发明的另一个实施例是将催化转化器安装在消音器中，催化颗粒3安装在金属网21’中，在金属网21’上还安装有由中间的排气通道11向四周幅射的筋网11A，筋网11A将催化颗粒3平均分布在6个区域内，每片筋网11A相隔60°。催化转化器安装在消音器的中间，与进入消音器的排气管1直接相对。
在图5、图6中，本发明的另一个实施例是采用多根螺旋金属软管作为催化转化器中的排气通道11，该螺旋金属软管可采用与电炉丝一样的结构，所有螺旋金属软管的通气截面积之和大于或等于排气管1的标准通气截面积。为了提高螺旋金属软管的稳定性，金属网21由3层网组成，螺旋金属软管的两端通过旋转或交叉分别固定的两铡的金属网21’上，螺旋金属软管的中段固定在中间金属网21’上。
在图7、图8和图9中，本发明的另一个实施例是一种磁化过滤装置与催化转化器连接在一起的汽车排气污染物净化装置。由于强磁场对烟雾净化有很好的作用，同时对采用钙钛矿型复合氧化物的催化转化器也有很好的辅助促进作用。本实施例将两者结合。为了减少高温对磁场的影响，在图7中，催化转化器采用2个，在其间安装有2个强磁过滤器，强磁过滤器由安装在多片重叠在一起的稀土强磁环和调距环以及隔热层组成，稀土强磁环和调距环套在覆有隔热层的2个排气管上。当然，在本实施例中，也可采用催化转化器、消音器和磁化过滤装置分置的方式，强磁过滤器由安装在套筒内的多片重叠在一起的稀土强磁环13、隔离环14和调距环15组成，稀土强磁环13、隔离环14和调距环15直接套在排气管上，这样即便可以利用磁场净化烟雾中的各种颗粒，又可以消除催化转化器催化处理过程中可能形成的或催化颗粒碰撞磨擦产生的颗粒物。此外，强磁过滤器也可直接成为排气管的一部分，这样稀土强磁环13、隔离环14和调距环15可直接与尾气接触。磁套筒总长范围100-300mm，可根据车型大小确定，磁通量度1000高斯以上效果明显。
采用本发明的净化装置安装在汽车上，尾性排放污染情况明显好转。经在一辆使用7年的长安车上试验，其检测表明，CO、HC、NOx含量明显减少，各种装置单独或组合使用可使CO含量下降12.5％-45.45％，HC含量下降10％-53.33％，而稀土复合催化剂的用量仅为500g，约为常规的25％左右。
Claims (10)
1、一种汽车排气净化催化剂，至少由一个催化发生层和一个基体组成，其特征在于所述基体是所述催化发生层的生成母体；所述母体的材料为一种经氧化能自动生成所述催化发生层的稀土合金(AB)，所述催化发生层为一种钙钛矿型稀土复合氧化物(ABO3)；使用环境温度为250℃～950℃。
2、根据权利要求所述的净化催化剂，所述母体材料(AB)为LaCu0.6Mn0.4则所述催化发生层(ABO3)为(LaCu0.6Mn0.4)O3；或者所述母体的材料(AB)为La1.4Ba0.6Cu，则所述催化发生层(ABO3)为(La1.4Ba0.6Cu)O3。
3、根据权利要求2所述的净化催化剂，其特征在于使用的最佳环境温度为650℃～850℃。
4、一种利用权利要求1所述净化催化剂制作的催化颗粒，其特征在于：所述催化颗粒由母核和由该母核氧化后再生的子层组成，所述子层为钙钛矿型稀土复合氧化物，所述母核为一种经氧化能自动生成所述子层的稀土合金；所述催化颗粒直径为2～20mm。
5、一种含有权利要求4所述催化颗粒的净化装置，主要由从发动机伸出的排气管、与该排气管直接连接的至少一个催化转化器、排气尾管组成，其特征在于：所述催化转化器由安装在壳体内的催化颗粒和支撑催化颗粒的多孔容器或金属网组成，在所述多孔容器或金属网上留有至少一个排气通道，所述排气通道上留有保证所述颗粒与由所述排气管排出的废气接触的孔隙或间隙，所述排气通道的通气截面积总和大于或等于所述排气管的标准通气截面积；所述废气通过所述排气通道和所述催化颗粒表面后由排气尾管排出。
6、根据权利要求5所述的净化装置，其特征在于：所述催化颗粒直径为3～4mm；所述催化转化器的安装位置在排气温度为650℃～850℃的范围内。
7、根据权利要求6所述的净化装置，其特征在于所述多孔容器或者金属网由3层组成，所述排气通道由多根螺旋金属弹性软管组成，所述弹性软管的两端固定在所述多孔容器或者金属网两侧所述弹性软管经中间一层多孔板或金属网交叉或旋转安装在两侧的多孔板或金属网上。
8、根据权利要求5或6所述的净化装置，其特征在于在所述排气管与排气尾管之间还安装有一个消音器，所述催化转化器安装在所述消音器内直接相对所述排气管处。
9、根据权利要求5或6所述的净化装置，其特征在于在还安装有一个补氧装置，所述补氧装置由通气管、阀、接头和风机组成，所述接头安装在所述催化转化器的催化反应区前部。
10、根据权利要求5或6所述的净化装置，其特征在于在所述催化转化器与排气尾管之间还安装有一个强磁过滤器，所述强磁过滤器由安装在套筒内的多片重叠在一起的稀土强磁环和调距环组成，所述磁环和调距环套在排气管上或直接制成排气管的一部分，稀土强磁环和调距环可与废气直接接触。
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