CN1673496A - 在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，包括在一邻近引擎排气端的排气管道内设置一前段的还原型触媒(reduction catalyst)，且将二次空气导入于还原型触媒后方的排气管道内，并在二气空气导入位置后方的排气管道内设置另一后段的氧化型触媒(oxidation catalyst)；藉此，利于引擎排气端含氧量较少的废气以空燃比小于或等于14.7的条件通过还原型触媒，提增还原型触媒将废气中氮氧化物(NO_x)转化成无害的氮(N₂)及氧(O₂)的能力，随后再由二次空气导入定量的氧气(O₂)，使通过氧化型触媒的废气空燃比大于14.7，利于将废气中一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)转化成无害的二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)，并藉此提升机车引擎的废气排放品质。

Description

在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法

技术领域

本发明在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，特别是涉及一还原型触媒、氧化型触媒以及指定二次空气导入位置的配置技术，同时也包含运用此配置来约制废气空燃比的技术应用。

背景技术

在本发明中所称废气的空燃比(A/F)，即是指废气中所含空气(Air)与燃油(Fuel)的混合比例。一般引擎运作环境中最为理想的空燃比(A/F)是控制在14.7前后既定范围内(如图1斜线区域所示)，此表示引擎的运转效率愈佳，愈不易发生燃烧不完全现象，且利于引擎排气管道内的触媒愈容易与废气中的有害物质进行氧化(oxidation)及还原(reduction)反应。

传统的的机车，除了配置有引擎控制单元(Engine Control Unit，ECU)及含氧感知器(O2 Sensor)的引擎作业环境，较能稳定的控制排放废气中的空燃比之外，并无其它更有效的方法。且知，传统较小排气量的机车引擎基于成本的考虑，并没有装配含氧感知器的设计。这些未设含氧感知器的机车引擎，无法精确的控制并取得趋近于14.7的废气空燃比值，以至于引擎运转效率较低，燃烧不完全生成有害废气的现象较为严重。

影响机车引擎净化废气效率的原因，尚包括触媒的装设技术与二次空气(机车引擎上有所谓一次空气及二次空气的导入技术，二者虽然都是取自外界的新鲜空气，但用途不同，所以有一次与二次空气之分，其中一次空气是指自外界导入化油器或供油系统内的新鲜空气，其与燃油混合成一定比率的空气燃油混合气之后，再导入活塞室内激活引擎运转。所谓二次空气是导引至排气管内的新鲜空气，其作用是供给充足的氧气促进触媒净化废气的效率等)导入位置等技术。传统的现阶段作法，是将一只或一只以上披覆有铂(Pt)、钯(Pd)及铑(Rh)等贵金属的金属载体组设于排气管道内，并在该触媒载体之前的机车引擎排气管道内导入二次空气。其中二次空气可借机车引擎运转时产生的间歇性负压，将外界的新鲜空气导入排气管道内，藉以补足废气中定量的氧气(O₂)，使废气的空燃比大于14.7，藉以促进上述触媒氧化一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)的转化效率。但由于废气中已增加了氧气(O₂)含量，迫使通过触媒载体的废气空燃比无法小于或等于14.7，同时因氧化反应时会生成高温，如此一来，将导致触媒还原氮氧化物(NO_x)的转化效率更为低落，以至于排放至大气中的氮氧化物(NO_x)含量只增不减，是造成酸雨及破坏臭氧层的主因，影响自然环境甚为严重。

发明内容

本发明提高触媒净化氮氧化物效率的方法，旨在维持原有氧化型触媒(oxidation catalyst)净化废气中一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)等有害物质的既有效力情况下，再提高还原型触媒(reduction catalyst)净化氮氧化物(NO_x)有害物质的能力。

为能达到上述之目的，本发明的技术包括有下列步骤：

1、利用引擎排气端排出的有害废气中含氧量较少的特性，而至少于引擎的前段排气管道内设置一段还原型触媒，接触引擎排气端导入的含氧量不足的前段废气[空燃比(A/F)≤14.7]，以利于将氮氧化物(NO_x)还原成无害的氮气(N₂)及氧(O₂)；

2、利用引擎负压或电动泵作为动力源，将二次空气导入上述还原型触媒后方的排气管道内，供给定量的氧气(O₂)，使后段废气的空燃比(A/F)＞14.7；

3、将至少一段氧化型触媒设置于上述二气空气导入位置后方的排气管道内，接触空燃比(A/F)＞14.7的后段废气，以利于将一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)氧化成无害的二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)，并排放至外界。

所述还原型触媒包含如下贵金属：

铑(Rh)：0.5％--15％

铂(Pt)：0.2％--10％

钯(Pd)：0.2％--5％

所述氧化型触媒包含如下贵金属：

铂(Pt)：0.5％--15％

钯(Pd)：0.5％--15％

铑(Rh)：0.1％-5％

这些贵金属披覆于一般金属或陶瓷载体内，形成本发明触媒；其贵金属和载体二者重量配比约为1/9～9/1。

然而，为能再加详述本发明，兹配合图式详细说明如后：

附图说明

图1：揭示一理想的转化率与空燃比间的线形图，说明空燃比驱近于14.7时可得到NO_x及CO与HC的最佳转化率。

图2：揭示出本发明在一排气管道内的配置示意图，说明前段废气、还原型触媒、导入二次空气位置、后段废气及氧化型触媒之间的运作流程。

图3：揭示出本发明的转化率与空燃比之间的线形图，说明当在转化NO₂时前段废气的空燃比≤14.7，以及在转化CO与HC时后段废气的空燃比＞14.7的关连。

附图标号如下：1引擎排气端；10、11排气管道；12前段废气；13后段废气；14二次空气导入口；15导入二次空气；2还原型触媒；3氧化型触媒；4消音室；41隔板。

具体实施方式

首观图2所示，揭示出将本发明实施于一机车排气管上的配置示意图，包括有下列架构内容：

在一邻近引擎排气端1的排气管道10内设置至少一前段的还原型触媒(reduction catalyst)2。此还原型触媒2是利用金属或陶瓷载体内披覆至少含有铑(Rh)成份的贵金属所制成，用以转化来自引擎排气端1通过还原型触媒2内的前段废气12。之所以称之为“金属或陶瓷载体内披覆贵金属”，是因为该触媒的载体是用一层平坦状的金属薄板(或者陶瓷)以及另一层波浪状的金属薄板卷(或者陶瓷)绕成型有如蜂巢状的结构体，因此载体内具有极多的金属薄板表面积可供披覆(coating)触媒之用。此外，该还原型触媒2的贵金属成份，在实施上亦可是由铑(Rh)、铂(Pt)及钯(Pd)等组成的三元触媒(three-way catalyst)。

在上述还原型触媒2后方的排气管道11内开设出一个二次空气导入口14，用以导入二次空气15。当还原型触媒2为设置一段以上时，该二次空气导入口14的位置在最末一段还原型触媒2的后方。

并在二气空气导入口14位置后方的排气管道11内设置后段的至少一段氧化型触媒(oxidation catalyst)3。此氧化型触媒3在实施上是利用金属或陶瓷载体内披覆至少含有铂(Pt)及钯(Pd)成份的贵金属所制成，用以转化已通过还原型触媒2的后段废气13。此外，氧化型触媒3的贵金属成份，亦可是由铑(Rh)、铂(Pt)及钯(Pd)等组成的三元触媒(three-way catalyst)。

所述触媒中贵金属和载体的配比，采用现有技术该类触媒的常规配比范围均可，此点不是本发明的要点，例如氧化型触媒中贵金属和载体的重量配比从1/9～9/1之间的各种比例都可用，有时业者会依据铂(Pt)及钯(Pd)等二种贵金属的市价高低，而决定其用量及配比。同理，至少含有铑(Rh)的还原型触媒，其配比及用量也非固定不变。

在本发明上述架构中，自引擎排气端1排入排气管道10内的前段废气12中含有多量的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_x)等有害物质，以及因引擎内未完全燃烧所残留的氧气(O₂)，所以前段废气12中的空燃比是处于(A/F)≤14.7的情况，也因此有利于依据排气管道10内的废气流向，而规划出实施本发明之下列步骤及方法，包括：

(1)进行还原反应；利用前段的还原型触媒2净化来自引擎排气端1排入排气管道10内的前段废气12，使空燃比(A/F)≤14.7之前段废气12中的氮氧化物(NO_x)还原成无害的氮气(N₂)及氧气(O₂)。

上述步骤中，含有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NO_x)等有害物质的前段废气12，在通过还原型触媒2时，由所含主要成份铑(Rh)转化之后，因空燃比(A/F)≤14.7，故仅剩下一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)等有害物质尚未被完全净化，且因氮氧化物(NO_x)被还原时生成氧(O₂)，为数虽然不多，但仍有助于后段废气13进行氧化反应时的需求。

(2)导入二次空气；自外界导入二气空气15于上述还原型触媒2后方的排气管道11内，以便随引擎转速定量供给氧气(O₂)进入后段废气13中，以提高后段废气13的空燃比至(A/F)＞14.7状态。

上述步骤中，控制二次空气导入的方式，在实施上是可采用引擎负压作为动力源，包括利用一只二次空气控制阀，并将该阀体装设于引擎或化油器的负压端，接受间歇性的负压吸力而运作，进而将外界新鲜空气(即二次空气)导入还原型触媒2后方的排气管道11内。这种方式易使二次空气导入量随着引擎运转速率的高低而增减，换言之，可使得二次空气导入量与排气量成正比关系，将有助于提高还原型触媒2后方之排气管道10内废气的含氧量，即使后段废气13的空燃比(A/F)＞14.7(如图3所示)。此外导入二次空气的方式，亦可采用一电动泵强制唧气进入后方的排气管道11内。

(3)进行氧化反应；利用后段的氧化型触媒3净化来自上述的后段废气13，使空燃比为(A/F)＞14.7之后段废气13中残留的一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)尽速氧化成无害的二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)。

上述步骤中，后段的氧化型触媒3中至少含有主要成份的铂(Pt)及钯(Pd)等贵金属，能够在后段废气13空燃比(A/F)＞14.7的情况下发挥既有理想的转化率。

上述(1)至(3)步骤的作法，将可有效提升前段的还原型触媒2净化氮氧化物(NO_x)时的转化率，同时也一并维持了后段之氧化型触媒3净化一氧化碳(CO)与碳氢化合物(HC)时的转化率(如图3所示)，因此，确实足以达提升机车引擎的废气排放品质。

再者，本发明上述例举的图2实施方式，其中所指衔接自引擎排气端1排放废气用的排气管道10及11，也包含于导引废气排放的消音室4；换言之，只要是将上述前段的还原型触媒2、导入二次空气15的位置以及后段的氧化型触媒3，依序设置在排气管道10、11或消音室4的隔板41上(如图2所示)，废气的排放流道之内，藉以进行上述的还原及氧化反应，这些均属本发明构思及应用。

综合上述实施例之说明，相信已详加揭示本发明的技术内容及其可供实施的高度利用性，但本发明之技术并不局限于此，举凡依据上述以及后述申请专利范围等内容而作出简略修饰的等效技术均应隶属于本发明之应用范畴。

Claims (8)

1、一种在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，是在引擎排气端所衔接的排气管道内配置至少一前段还原型触媒及至少一后段的氧化型触媒，并将二次空气导入排气管道内，藉以进下列步骤：

(1)进行还原反应；利用前段的还原型触媒净化来自引擎排气端排入排气管道内的前段废气，将空燃比(A/F)≤14.7的前段废气中的氮氧化物(NO_X)还原成无害的氮气(N₂)及氧气(O₂)；

(2)导入二次空气；自外界导入二次空气于上述还原型触媒后方的排气管道内，供给足量氧气(O₂)进入后段废气中，以提高后段废气的空燃比至(A/F)＞14.7；

(3)进行氧化反应；利用后段的氧化型触媒净化来自上述的后段废气，将空燃比为(A/F)＞14.7的后段废气中残留的一氧化碳(CO)及碳氢化合物(HC)氧化成无害的二氧化碳(CO₂)及水(H₂O)，并排放上述废气至外界。

2、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中该还原型触媒的载体内至少披覆有铑(Rh)。

3、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中该还原型触媒的载体内披覆有铑(Rh)、铂(Pt)及钯(Pd)。

4、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中是以引擎负压导入二次空气。

5、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中是以电动泵强制导入二气空气。

6、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中该氧化型触媒的载体内至少披覆有铂(Pt)及钯(Pd)。

7、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中该氧化型触媒的载体内披覆有铂(Pt)、钯(Pd)及铑(Rh)。

8、如权利要求1所述在机车排气管道内提高触媒净化氮氧化物效率的方法，其中该排气管道包含导引废气排放的消音室。

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