CN1114028C - 一种汽车尾气净化用微波催化净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种汽车尾气净化用微波催化净化装置,由锥形同轴线、圆桶形谐振腔、锥形会聚腔、微波截止管顺序连接而成;带有催化剂的泡沫陶瓷与蜂窝陶瓷叠合到一起,由陶瓷纤维管包敷,嵌入谐振腔与会聚腔形成的腔体中。本发明可以使用常规的三效催化剂,体积小,且启动时间短。
Description
本发明涉及汽车尾气的净化技术,特别提供了一种汽车尾气净化用微波催化净化装置。
汽车尾气中的主要有害有毒成分—一氧化碳,非甲烷类碳氢化合物及氧化氮,是现代城市大气污染的主要来源。三效催化净化技术是现今国际上通用的机外净化方法。在汽车冷启动阶段,由于尾气温度低,难以在短时间内(一般为2~3分钟)净催化剂加热到起活温度,致使大量的高浓度一氧化碳和碳氢化合物未经净化就排入大气,形成所谓的冷启动污染,导致三效催化净化技术无法满足新一代更加严厉的尾气排放标准(TLEV)。为此,近十年来,电加热辅助三效催化净化、催化剂前置、在发动机排气口增设高温紧凑形净化器、增设碳氢吸附器等方法相继问世。电加热方法可在30秒内将催化剂快速加热到400~600℃,从而对冷启动污染给予高效净化,满足TLEV标准,但过高的功率需求(最低不小于2Kw)和蜂窝状金属载体的使用给催化剂担体与金属载体间的结合带来很大的困难,载体指蜂窝状金属体或蜂窝状陶瓷体或泡沫状陶瓷体,用于支撑催化剂涂层;担体指催化剂涂层中用于支撑催化剂的多孔氧化铝粉体,这两个问题使这一方法难以投入实用;第二、三两种方法,特别是第三种方法起到较好的冷启动净化效果,可基本满足TLEV标准,而且结构简单,易于使用,但主要代价是必须在现有的三效催化剂贵金属用量基础上,数倍地增加贵金属(Pt,Pd等)用量,达到10.6g/升。贵金属用量的增加将使贵金属价格大幅度上扬,致使催化剂成本提高,加之催化剂移至发动机口后,过高的气温使催化剂的热稳定性成为一个不容忽视的问题,这些因素使这两种方法的实用性遭到怀疑;由于难以找到合适的能在较高温度、高效吸附碳氢化合物的材料,同时吸附一氧化碳的难度很大,前面提到的最后一种方法难以满足TLEV标准。微波可以快速加热陶瓷材料,同时微波还具有加速化学反应的特点,因而完全有可能解决汽车的冷启动污染。美国人首先提出了用微波加热催化剂以消除冷启动时的一氧化碳和碳氢化合物的设想,其后,美国、加拿大、日本、韩国以及中国的一些研究机构对此开展了实验室原理性研究,证实了这种可能性,但在研制车载微波净化器方面遇到了许多困难,至今未获成功。这些困难主要涉及以下三个方面:第一,由于汽车底盘可用空间有限,净化器体积超过现有常规三效催化净化器体积几乎是不可能接受的,而要在与常规净化器相当的体积内,对超过100mm直径的催化剂进行快速均匀加热难度极大,已有的微波应用器设计方法无力解决这一问题;第二,产生微波功率的代价较高,加之由电能转化为微波能的效率一般不超过70%,因此,除了微波加热净化效果要优于电加热效果外,总功率还必须大大低于电加热方法,这样才可充分显示出微波净化方法的优势,但十分遗憾的是,在如何降低对微波功率的需求方面却未能取得令人满意的进展;第三,由于催化剂总量很小,仅靠催化剂的吸波能力是远不能使催化剂与馈入微波腔中的微波能达到合理的匹配,其结果不仅造成微波功率大量浪费,还同时导致微波发生器的损坏,因此,必须要求陶瓷载体具有良好的吸波能力。
本发明的目的在于提供一种汽车尾气净化用微波催化净化装置,其可以使用常规的三效催化剂,体积小,且冷启动时间短。
本发明提供了一种汽车尾气净化用微波催化净化装置,具有壳体和有多孔陶瓷或泡沫陶瓷担载的催化剂,其特征在于:该净化装置由锥形同轴线(3)、圆桶形谐振腔(4)、锥形会聚腔(5)、微波截止管(6)顺序连接而成;锥形同轴线(3)为两个带缩颈的薄壁锥面体同轴装置构成的腔体,颈端环面封闭,内导管伸出,颈部侧壁与标准同轴线(1)相接,一耦合环(2)将标准同轴线(1)与锥形同轴线的行波腔连系到一起;锥形同轴线(3)的开放端外导管与圆桶形谐振腔(4)相接,谐振腔(4)的另一端接锥形会聚腔(5)的开放口,会聚腔(5)的收缩口接筒形微波截止管(6);带有催化剂的泡沫陶瓷(8)与蜂窝陶瓷(9)叠合到一起,由陶瓷纤维管(10)包敷,嵌入谐振腔(4)与会聚腔(5)形成的腔体中。
本发明中泡沫陶瓷(8)靠近会聚腔(5);泡沫陶瓷(8)与蜂窝陶瓷(9)的体积比为1∶10~1∶2;泡沫陶瓷(8)为具有强吸收微波能力的材料,如碳化硅,碳化钛,四氧化三铁,γ-三氧化二铁,Mg系铁氧体,Ni系铁氧体,Ba系铁氧体,Sr系铁氧体等,最好选用同时具备电损耗和磁损耗的吸波材料(称为双损耗材料),碳化硅+Mg系铁氧体复合材料,碳化硅+锶(或钡)系铁氧体复合材料,碳化钛+锶(或钡)系铁氧体复合材料,碳化硅+碳化钛+锶(或钡)系铁氧体复合材料,碳化硅+碳化钛+锰系铁氧体复合材料等均可作为双损耗吸波泡沫陶瓷使用。
从发动机排出的尾气经微波截止管(6)进入微波净化器,通过泡沫陶瓷(8)和蜂窝陶瓷(9)催化剂净化后,从锥形同轴线(3)的内导管即调谐管排出净化器。微波能通过耦合环,经磁耦合方式引入微波腔,从磁耦合环馈入的微波能经锥形同轴线(3)耦合到圆桶形谐振腔(4)中,锥形会聚腔(5)将微波能会聚到泡沫状吸波陶瓷催化剂(8),并使之得以快速均匀加热,沿净化器轴向调节调谐管在腔中位置,使腔体的谐振频率与微波源频率一致,改变耦合环(2)的闭路面积,使微波腔处于最佳耦合状态(临界耦合),净反射功率控制在10%以内。
本发明具有下述特点:
1.用具有磁损耗和电损耗的双向吸波泡沫陶瓷载体和蜂窝陶瓷载体组合代替常规的三效催化净化器中两段蜂窝陶瓷载体组合具有如下几点好处:
a.显著减小对微波功率的需求。这是由于泡沫陶瓷载体有比蜂窝陶瓷载体数倍的气阻,为保持与常规的三效催化净化器相同的气阻,必须数倍地减小泡沫陶瓷的厚度,其结果等价于数倍减小需微波加热的体积,因而可数倍减小对微波功率的需求。
b.可使泡沫陶瓷催化剂整体几乎同时被微波均匀、快速加热。这是由于泡沫陶瓷的双吸波功能所致。微波能可以均匀地分布在微波腔中,但由于电磁波中电场分量与磁场分量的不可分离性,使电场分量与磁场分量在整个微波腔中不可能均匀分布,这样,只具有电损耗或磁损耗陶瓷载体必将因电场或磁场的不均匀分布产生不均匀加热;相反,具有电损耗和磁损耗适当配合的双吸波陶瓷载体将通过电损耗与磁损耗的互补得以均匀加热。
上述两个优点从材料设计角度为大幅度降低对微波功率需求和在最小的腔体体积内实现最大程度的均匀加热提供了有利条件。
2.在微波腔体的设计中,锥形同轴线(3)、圆桶形谐振腔(4)、锥形会聚腔(5)组合,使微波能均匀地从陶瓷载体四周透入,从而有效防止传统的单边馈入(波导或同轴线)易造成靠近馈入口的陶瓷载体部分过烧失效。
3.采用标准小尺寸同轴线经耦合环从锥形同轴线(3)的小尺寸端将微波能馈入微波净化器中的设计方案,较之与常规的波导馈入方式(无论是轴向还是径向馈入)或单纯的同轴线馈入方式都显著减小微波净化器的体积,使之与常规三效净化器外形尺寸和体积相同或更小,这一结果是已有的设计方法所达不到的。
下面通过实施例详述本发明。
附图1为汽车尾气净化用微波催化净化装置结构示意图。
实施例
微波净化器的内部结构如图1。由锥形同轴线(3)、圆桶形谐振腔(4)、锥形会聚腔(5)、微波截止管(6)顺序连接面成;锥形同轴线3为两个带缩颈的薄壁锥面体同轴设置构成的腔体,颈端环面封闭,内导管伸出,可以同时作为调谐管、出气口及微波截止管,颈部侧壁与标准同轴线(1)相接,一耦合环(2)将标准同轴线(1)与锥形同轴线的行波腔连系到一起;锥形同轴线(3)的开放端外导管与圆桶形谐振腔(4)相接,谐振腔(4)的另一端接锥形会聚腔(5)的开放口,会聚腔(5)的收缩口接筒形微波截止管(6);带有催化剂的泡沫陶瓷(8)与蜂窝陶瓷(9)叠合到一起,由陶瓷纤维管(10)包敷,嵌入谐振腔(4)与会聚腔(5)形成的腔体中。主要外形尺寸为最大外径140mm,总长259mm圆桶形谐振腔长度100mm。堇青石蜂窝陶瓷载体和吸波泡沫陶瓷载体的直径均为100mm,高度分别为50mm和15mm。载体上担载的催化剂与常规的三效催化剂相同。发动机1.8升排量,空燃比14.6±0.3。冷启动时,在前30秒内,使用400W微波功率,30秒后降低到200W,维持30秒,而后,微波功率降低100W,维持1分钟,最后关闭微波源,转入常规催化净化。净化效果见表1。如不用微波,达到90%以上净化率需5分钟。
表1
序号 | 泡沫陶瓷材料 | 发动机冷启动20秒后HC和CO转化率 | 发动机冷启动60秒后HC和CO转化率 | ||
HC | CO | HC | CO | ||
1 | 碳化硅 | 62 | 75 | 89 | 94 |
2 | 碳化硅+锶铁氧体 | 90 | 90 | 95 | 97 |
3 | 碳化硅+镁铁氧体 | 50 | 62 | 81 | 90 |
4 | 碳化钛+锶铁氧体 | 78 | 90 | 85 | 98 |
5 | 碳化硅+碳化钛+钡铁氧体 | 91 | 85 | 92 | 94 |
6 | 碳化硅+碳化钛+锶铁氧体 | 92 | 90 | 96 | 97 |
Claims (6)
1.一种汽车尾气净化用微波催化净化装置,具有壳体和有多孔陶瓷或泡沫陶瓷担载的催化剂,其特征在于:该净化装置由锥形同轴线(3)、圆桶形谐振腔(4)、锥形会聚腔(5)、微波截止管(6)顺序连接而成;锥形同轴线(3)为两个带缩颈的薄壁锥面体同轴7设置构成的腔体,颈端环面封闭,内导管伸出,颈部侧壁与标准同轴线(1)相接,一耦合环(2)将标准同轴线(1)与锥形同轴线的行波腔连系到一起;锥形同轴线(3)的开放端外导管与圆桶形谐振腔(4)相接,谐振腔(4)的另一端接锥形会聚腔(5)的开放口,会聚腔(5)的收缩口接筒形微波截止管(6);带有催化剂的泡沫陶瓷(8)与蜂窝陶瓷(9)叠合到一起,由陶瓷纤维管(10)包敷,嵌入谐振腔(4)与会聚腔(5)形成的腔体中。
2.按照权利要求1所述汽车尾气净化用微波催化净化装置,其特征在于:泡沫陶瓷(8)靠近会聚腔(5)。
3.按照权利要求2所述汽车尾气净化用微波催化净化装置,其特征在于:泡沫陶瓷(8)与蜂窝陶瓷(9)的体积比为1∶10~1∶2。
4.按照权利要求1、2或3所述汽车尾气净化用微波催化净化装置,其特征在于:泡沫陶瓷(8)为同时具有电损耗和磁损耗的双吸波材料。
5.按照权利要求1、2或3所述汽车尾气净化用微波催化净化装置,其特征在于:担载催化剂为常规三效催化剂。
6.按照权利要求4所述汽车尾气净化用微波催化净化装置,其特征在于:担载催化剂为常规三效催化剂。
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