CN111120048A - 石墨烯柴油发动机尾气净化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯柴油发动机尾气净化装置，包括外筒，外筒上下两端分别连接有外筒上盖和外筒下盖，外筒内设置有内筒，内筒内设置有金属层，金属层内由上到下依次间隔设置的碳化硅颗粒捕集器和石墨烯层，内筒下端内侧壁上固定有内筒端盖，内筒端盖侧壁上均匀设置有多个孔，内筒端盖上表面固定有多个硬质弹簧，多个硬质弹簧共同支撑连接有隔板，外筒上盖上固定有排气管，外筒下盖上固定有尾气进气管，尾气进气管连接在外筒下盖上的一端依次穿过内筒端盖、隔板，尾气进气管位于隔板上方的一端设置有挡环。本发明解决了现有技术中存在的催化剂附着在陶瓷表面使用时间长会出现催化剂失效以及发生堵塞需要拆卸的问题。

Description

石墨烯柴油发动机尾气净化装置
技术领域
本发明属于尾气净化装置技术领域，涉及一种石墨烯柴油发动机尾气净化装置。
背景技术
机动车排放与燃煤、工业生产排放一起，已成为我国大气PM2.5污染的主要来源。
国家大气污染防治攻关联合中心日前公布的研究结果显示，从2011至2015年，全国机动车氮氧化物排放占比由26％上升到31％，其中柴油货车的排放分担率过半。
2016年，全国柴油车(其中货车约占85％)总数为1878万辆，仅占机动车保有量的6.4％，但其氮氧化物排放量为367.3万吨，占比高达63.6％，柴油车排放的颗粒物更是占到机动车排放的99％以上。
研究发现，柴油机的排气污染物主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)。
治理柴油车超标排放的首要目标是减少颗粒物排放。为此有两种技术路线，一种是发动机前端处理技术，通过改进燃料在发动机内的燃烧状况从源头上减少污染物的排放，另一种是发动机后端处理技术，对柴油车排放的尾气进行减排处理。
柴油车尾气净化装置目前多采用后端处理技术，后端处理技术方式有DOC+DPF、DOC+CDPF、两种。
DOC-Diesel Oxidation Catalyst柴油氧化催化剂，过滤/催化有害气体。
DOC即柴油机氧化催化器，一般以金属或陶瓷作为催化剂的载体，涂层种主要活性成为是珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属与稀有金属。当柴油机的尾气通过催化剂时，带有有害气体(HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)、NOX(氮氧化物))的尾气进入DOC“柴油氧化催化剂”，会在催化剂的作用下被快速氧化，含量有效降低，使排出的尾气达到排放要求，因DOC可对尾气中的PM进行高温(300°)燃烧。
DPF-Diesel Particulate Filter柴油颗粒过滤器，捕捉排气中颗粒物；
DPF(Diesel Particulate Filter)系统由回收装置、再生装置和控制系统三部分组成。
回收装置安装在柴油车排气系统中，尾气通过专门的通道进入碳化硅(SiC)捕集器，经过其内部精密设置的壁流式通道，将碳烟微粒吸附在捕集器上，吸附率可达99％以上。碳化硅过滤器是一种较好的新型过滤材料，它具有流通性好、过滤效率高、耐高温、通过性好等特点。随着微粒吸附量的增加，压力不断增加，控制系统将压力信号传送到监视器。当压力达到设定值后，监视器发出报警提示，此时把捕集器换下，放入再生装置中进行处理，消除沉积在捕集器上的碳烟微粒，通过高温氧化使其PM颗粒变成无害气体，排入大气中。
DOC+CDPF(Catalyst Continuously Regenerating Trap)，简称CCRT系统。CCRT系统实现了连续被动再生，是由氧化催化剂(DOC)和带有贵金属涂层的颗粒捕集器(CDPF)组成。氧化催化剂(DOC)，可以将尾气中的CO、HC和部分碳烟颗粒转化为无害的CO2和H2O，并将NO转化为NO2来作为后端颗粒捕集器再生时所需要的氧化剂，其中没有被处理掉的碳烟颗粒，被位于后端的颗粒捕集器捕集，被捕集到的颗粒物在贵金属的催化作用和强氧化剂NO2的氧化作用下，对颗粒物可以实现在200度的低温条件下氧化再生，使得该系统可以更完全的去除滤网上的颗粒物。
目前DOC+DPF技术不能实现连续再生，DOC+CDPF结构复杂成本较高，如何实现CDPF技术自动连续再生，可以极大降低柴油车尾气净化装置成本，也就是在简化柴油发动机尾气净化装置结构的情况下，将DOC+CDPF中共用CDPF中的催化剂且能实现自动再生。实现尾气净化装置的连续使用。无需DOC+DPF技术路线中更换DPF人工消除积碳颗粒的问题。
中国专利《一种石墨烯型发动机尾气净化与双发电一体化装置》(公开号：CN109519259A，申请日：20181204)，该专利提供了一种不可再生的CDPF+温差发电，其技术主要是利用尾气余热发电，其辅助功能是利用三维石墨烯的多孔性提高碳颗粒吸附能力及催化剂表面积的作用，从而实现CDPF的技术功能，但是无法实现自动再生。传统的CDPF技术中载体碳化硅(SiC)存在如下问题：
(1)碳化硅(SiC)载体是一种人造的的多孔结构，其空间几何特性造成空间表面积较小。
(2)催化剂涂层珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属是通过喷涂等技术附着在碳化硅(SiC)载体表面，载体孔隙内部很难被催化剂覆盖,从而导致催化作用面减少，催化作用降低。
(3)催化剂涂层珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属等催化剂在碳化硅(SiC)载体表面喷涂的技术会出现喷涂不均匀且使用时间过长脱落的问题，催化剂热老化是指在高温作用下发生烧结和晶粒长大，中间层和贵金属晶体表面积都会缩小，导致活性下降。
(4)目前CDPF尾气净化设备使用的是碳化硅(SiC)载体，在使用的过程中会出现炭颗粒堵塞等情况。因为无法自动再生，需要将其拆卸，高温燃烧后恢复器过滤流通性，使用十分的不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨烯柴油发动机尾气净化装置，解决了传统CDPF的催化剂附着在碳化硅(SiC)载体表面使用时间长会出现催化剂失效以及发生堵塞需要拆卸的问题。
本发明所采用的技术方案是，石墨烯柴油发动机尾气净化装置，包括外筒，外筒上下两端分别连接有外筒上盖和外筒下盖，外筒内与外筒同中心轴设置有内筒，内筒内与内筒同中心轴设置有金属层，金属层内由上到下设置有多个呈均匀间隔分布的碳化硅(SiC)颗粒捕集器，相邻的两个碳化硅(SiC)颗粒捕集器之间设置有石墨烯层，内筒下端内侧壁上固定有内筒端盖，内筒端盖侧壁上均匀设置有多个孔，内筒端盖上表面固定有多个硬质弹簧，多个硬质弹簧共同支撑连接有隔板，外筒上盖上固定有排气管，外筒下盖上固定有尾气进气管，尾气进气管连接在外筒下盖上的一端依次穿过内筒端盖、隔板，尾气进气管位于隔板上方的一端设置有挡环。
本发明的特征还在于，
金属层和内筒之间设置有隔热层。
位于金属层最上端的碳化硅(SiC)颗粒捕集器上设置有压力监测传感器，压力监测传感器通过线缆电连接有控制装置。
位于金属层中间的相邻的碳化硅(SiC)颗粒捕集器和石墨烯层之间设置有温控监测传感器，温控监测传感器通过线缆电连接控制装置。
金属层的一侧还通过线缆电连接控制装置，控制装置通过线缆电连接有开关，开关通过线缆电连接金属层的另一侧。
外筒上盖和外筒下盖通过螺纹结构与外筒连接。
外筒上盖和外筒下盖与外筒的连接处还固定有螺钉。
碳化硅(SiC)颗粒捕集器采用喷涂技术喷涂有催化剂，石墨烯层采用生长技术生长有催化剂。
控制装置包括电源，电源通过线缆电连接的控制器，温控监测传感器和压力监测传感器分别通过线缆电连接控制器，金属层的一侧通过线缆电连接电源，控制器通过线缆电连接有开关。
本发明的有益效果是：
本发明的石墨烯柴油发动机尾气净化装置将碳化硅(SiC)颗粒捕集器和石墨烯层结合，由于石墨烯生长技术在生成的过程中将珀(pt)系、钯(Pd)系分子衍生在石墨烯结构内部，有效避免了单独采用陶瓷过滤珀(pt)系、钯(Pd)系分子无法喷涂到陶瓷结构内部深处，避免了喷涂时间过长造成的资源浪费，且本发明通过内筒端盖、硬质弹簧、隔板的设计，发生堵塞后恢复其流通性时不需要将整体设备拆卸，可直接进行泄压，通过加热金属层加热催化剂，简单方便，人力成本和技术成本以及时间成本低。
附图说明
图1是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置的外部结构示意图；
图2是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置的内部结构示意图；
图3是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置泄压时的结构示意图；
图4是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置的内部俯视图；
图5是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置的电路连接图；
图6是本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置中石墨烯微观结构图。
图中，1.排气管，2.外筒上盖，3.碳化硅(SiC)颗粒捕集器，4.石墨烯层，5.内筒，6.外筒，7.外筒下盖，8.尾气进气管，9.内筒端盖，10.温控监测传感器，11.压力监测传感器，12.碳化硅(SiC)颗粒捕集器a，13.隔热层，14.金属层，15.控制装置，16.开关，17.螺钉，18.硬质弹簧，19.隔板，20.螺纹结构，21.孔，22.挡环；
15-1.电源，15-2.控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其结构如图1-2所示，包括外筒6，外筒6上下两端分别连接有外筒上盖2和外筒下盖7，外筒6内与外筒6同中心轴设置有内筒5，内筒5内与内筒5同中心轴设置有金属层14，金属层14内由上到下设置有多个呈均匀间隔分布的碳化硅(SiC)颗粒捕集器3，相邻的两个碳化硅(SiC)颗粒捕集器3之间设置有石墨烯层4，内筒5下端内侧壁上固定有内筒端盖9，内筒端盖9侧壁上均匀设置有多个孔21，内筒端盖9上表面固定有多个硬质弹簧18，多个硬质弹簧18共同支撑连接有隔板19，外筒上盖2上固定有排气管1，外筒下盖7上固定有尾气进气管8，尾气进气管8连接在外筒下盖7上的一端依次穿过内筒端盖9、隔板19，尾气进气管8位于隔板19上方的一端设置有挡环22，内筒5与外筒6之间设置有碳化硅(SiC)颗粒捕集器a12。
自然状态下，即就是隔板19上方没有压力的情况下，隔板19位于内筒端盖9设置孔21的上方。
金属层14和内筒5之间设置有隔热层13。
位于金属层14最上端的碳化硅(SiC)颗粒捕集器3上设置有压力监测传感器11，压力监测传感器11通过线缆电连接有控制装置15。
位于金属层14中间的相邻的碳化硅(SiC)颗粒捕集器3和石墨烯层4之间设置有温控监测传感器10，温控监测传感器10通过线缆电连接控制装置15。
金属层4的一侧还通过线缆电连接控制装置15，控制装置15通过线缆电连接有开关16，开关16通过线缆电连接金属层4的另一侧。
外筒上盖2和外筒下盖7通过螺纹结构20与外筒6连接。
外筒上盖2和外筒下盖7与外筒6的连接处还固定有螺钉17。
碳化硅(SiC)颗粒捕集器3采用喷涂技术喷涂有催化剂，石墨烯层4采用生长技术生长有催化剂。
控制装置15包括电源15-1，电源15-1通过线缆电连接的控制器15-2，温控监测传感器10和压力监测传感器11分别通过线缆电连接控制器15-2，金属层14的一侧通过线缆电连接电源15-1，控制器15-2通过线缆电连接有开关16。
本发明提供了一种以石墨烯(石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料)为载体的CDPF尾气净化装置，充分利用石墨烯材料的物理化学特性，即石墨烯的多孔结构、石墨烯的导电、导热性，本发明的主要特点是使用石墨烯材料载体替代碳化硅(SiC)载体设计的一种可再生的CDPF装置。
本发明的石墨烯柴油发动机尾气净化装置将碳化硅(SiC)颗粒捕集器和石墨烯层结合，使用特有的石墨烯生长技术在生成的过程中将珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属分子衍生在石墨烯结构内部，从而极大的增加了催化剂珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属分子的催化作用面，提高催化性能，能达到减小载体体积的作用。
本发明的自动再生是利用石墨烯的导电、导热、电加热性能实现石墨烯载体的自动再生，其原理是当柴油发动机尾气进入本发明提供的石墨烯载体时，衍生在石墨烯结构中的珀(pt)系、钯(Pd)系等贵重金属就会起到催化作用，当柴油机的尾气通过催化剂时，带有有害气体(HC(碳氢化合物)、CO(一氧化碳)、NOX(氮氧化物))的尾气会在催化剂的作用下被快速氧化，含量有效降低，使排出的尾气达到排放要求，其燃烧产生的颗粒会被吸附在多孔的石墨烯载体中，当石墨烯载体中的的颗粒达到一定的数量，导致尾气净化装置内部压力上升，压力传感器的感应压力达到设定值时，控制器15-2控制开关16打开接通石墨烯电源15-1，石墨烯电加热启动，在催化剂的作用下，当温度达到300°时颗粒物就会全部被烧掉清除，同时当导致尾气净化装置内部压力上升时，为了不影响发动机工作，尾气会推出隔层，进入到备用夹层中，备用夹层中设有有贵金属涂层的碳化硅(SiC)颗粒捕集器(滕州蓝驰商贸有限公司、南京赛福环保科技有限公司等均有生产)，起到临时的尾气净化作用，当石墨烯载体中碳颗粒被清除后，尾气净化装置内部压力降低，隔层关闭，尾气再次进入到石墨烯载体中进行净化处理，从而实现完全自动的再生，延长柴油发动机尾气进化装置的使用寿命，降低使用成本，提高尾气净化效果。
本发明的碳化硅(SiC)颗粒捕集器3和石墨烯层4上均有催化剂，用喷涂技术喷涂在碳化硅(SiC)颗粒捕集器3或生长技术生长于石墨烯层4，主要对于柴油燃烧的废气(主要为CO、HC、NOx等有害气体)穿过碳化硅(SiC)颗粒捕集器3及石墨烯层4时增强CO、HC、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在高温下氧化成无色无毒的二氧化碳气体，HC化合物在高温下分解成水(H2O)和二氧化碳，NOx还原成氮气和氧气等。
催化剂主要成份有Pt、Pd、Rh、Al2O3、Ce、La、Zr、Cu、Mn等。
本发明石墨烯柴油发动机尾气净化装置的工作原理为：
(1)正常尾气过滤时：
尾气从尾气进气管8进入到石墨烯柴油发动机尾气净化装置，进入到石墨烯柴油发动机尾气净化装置内筒5内，分别通过碳化硅(SiC)颗粒捕集器3、石墨烯层4，碳化硅(SiC)颗粒捕集器3与石墨烯层4能有效过滤废气中的碳烟颗粒等有害颗粒物。
(2)当碳化硅(SiC)颗粒捕集器3或石墨烯层4发生堵塞时：
当碳化硅(SiC)颗粒捕集器3或石墨烯层4发生堵塞时，有爆缸的风险，为预防这一风险，在内筒5内压力过大时，硬质弹簧18在一定压力下，发生形变向下压，柴油发动机尾气通过内筒端盖9侧壁设置的孔21进入碳化硅(SiC)颗粒捕集器a12，再由进气管8内壁排出，有效的预防了爆缸风险，如图3所示。
当碳化硅(SiC)颗粒捕集器3或石墨烯层4发生堵塞卸压的同时，压力监测传感器11处压力增大，打开开关16，金属层14通电加热，石墨烯层4与碳化硅(SiC)颗粒捕集器3加热，温控监测传感器10在石墨烯层与碳化硅(SiC)颗粒捕集器3的夹层处，控制器15-2监测该处温度并控制开关16达到控制温度的目的，温度达到300°度，并在催化剂涂层的作用下碳烟颗粒会被燃烧掉，使得陶瓷蜂窝载体具有再生功能，能继续进行碳烟颗粒的过滤和净化，保证了排出的柴油发动机尾气不会污染环境，该过滤层依然可以继续使用，碳烟颗粒的净化率约达到85％以上，当反应温度达到500摄氏度时催化剂和碳烟颗粒反应从而完全燃烧掉，该过滤层依然可以继续使用。

Claims (9)

1.石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，包括外筒(6)，所述外筒(6)上下两端分别连接有外筒上盖(2)和外筒下盖(7)，所述外筒(6)内与所述外筒(6)同中心轴设置有内筒(5)，所述内筒(5)内与所述内筒(5)同中心轴设置有金属层(14)，所述金属层(14)内由上到下设置有多个呈均匀间隔分布的碳化硅(SiC)颗粒捕集器(3)，相邻的两个碳化硅(SiC)颗粒捕集器(3)之间设置有石墨烯层(4)，所述内筒(5)下端内侧壁上固定有内筒端盖(9)，所述内筒端盖(9)侧壁上均匀设置有多个孔(21)，所述内筒端盖(9)上表面固定有多个硬质弹簧(18)，多个所述硬质弹簧(18)共同支撑连接有隔板(19)，所述外筒上盖(2)上固定有排气管(1)，所述外筒下盖(7)上固定有尾气进气管(8)，所述尾气进气管(8)连接在外筒下盖(7)上的一端依次穿过内筒端盖(9)、隔板(19)，所述尾气进气管(8)位于隔板(19)上方的一端设置有挡环(22)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述金属层(14)和内筒(5)之间设置有隔热层(13)。
3.根据权利要求1所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，位于所述金属层(14)最上端的碳化硅(SiC)颗粒捕集器(3)上设置有压力监测传感器(11)，所述压力监测传感器(11)通过线缆电连接有控制装置(15)。
4.根据权利要求3所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，位于所述金属层(14)中间的相邻的碳化硅(SiC)颗粒捕集器(3)和石墨烯层(4)之间设置有温控监测传感器(10)，所述温控监测传感器(10)通过线缆电连接所述控制装置(15)。
5.根据权利要求4所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述金属层(4)的一侧还通过线缆电连接所述控制装置(15)，所述控制装置(15)通过线缆电连接有开关(16)，所述开关(16)通过线缆电连接所述金属层(4)的另一侧。
6.根据权利要求1所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述外筒上盖(2)和外筒下盖(7)通过螺纹结构(20)与所述外筒(6)连接。
7.根据权利要求6所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述外筒上盖(2)和外筒下盖(7)与外筒(6)的连接处还固定有螺钉(17)。
8.根据权利要求1所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述碳化硅(SiC)颗粒捕集器(3)采用喷涂技术喷涂有催化剂，所述石墨烯层(4)采用生长技术生长有催化剂。
9.根据权利要求5所述的石墨烯柴油发动机尾气净化装置，其特征在于，所述控制装置包括电源(15)，所述电源(15)通过线缆电连接的控制器(15-2)，所述温控监测传感器(10)和压力监测传感器(11)分别通过线缆电连接所述控制器(15-2)，所述金属层(4)的一侧通过线缆电连接所述电源(15-1)，所述控制器(15-2)通过线缆电连接有开关(16)。
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