CN1704565A - 一种汽车尾气电直热三效净化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电直热汽车尾气净化装置,包括电源、电直热尾气净化器、蜂窝陶瓷主催化剂,电直热尾气净化器、蜂窝陶瓷主催化剂安装于与排气管相连的净化器封装外壳内,电直热尾气净化器由泡沫陶瓷电直热催化剂单元构成,泡沫陶瓷电直热催化剂单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的三效尾气净化催化剂、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体两端的石墨电极基座、与二个石墨电极基座分别相连的金属电极构成,电源通过金属电极为导电碳化硅泡沫陶瓷载体供电。本发明催化剂具有良好、可控的导电性能,在车载电源供电的情况下,实现对汽车冷启动阶段排放污染物的提前净化,使排放结果达到更严格的净化标准,具有效果好、汽车改造简单、成本低的特点。

Description

一种汽车尾气电直热三效净化的装置
技术领域
本发明涉及一种汽车尾气三效净化的装置,具体地说是一种以导电碳化硅泡沫陶瓷为催化剂载体、能有效消除汽车冷启动污染,具有智能化控制系统的电直热净化装置。
背景技术
随着经济发展和汽车保有量的增加,汽车尾气造成的环境污染已成为严重的社会问题。为更好的控制尾气污染,我国制订了一系列排放控制法规。当前我国大部分地区执行的法规相当于EU-I标准,并将于2004年7月1日内全面推行EU-II标准。
与净化标准的先进性相比,我国汽车行业和净化技术的现状却不容乐观:一方面汽车制造工艺和生产线比较落后,除非进行巨大的资金投入,否则难以大量生产低排放的汽车;另一方面,由于国外尾气净化技术和专利的领先地位,我国的尾气净化器或进口或采用国外技术生产,因而在尾气净化领域长期受制于人。因此,开发具有自主知识产权的、能与我国汽车制造业现状相匹配的新型净化技术是迫在眉睫的任务。
研究表明,在安装普通三效汽车尾气催化剂的情况下,汽车工况测试过程中90%左右的污染物排放集中在冷启动阶段,也就是汽车启动200秒内。因此,要进一步减少污染物排放,就必须降低冷启动阶段的排放量,与之相对应的技术就是冷启动净化技术。
采用电加热方式提高冷启动阶段的尾气温度是一种行之有效的冷启动技术,在国外有相当多的专利和研究文章,但在国内尚未见报道。综合各种文献,可知当前电加热技术具有以下特点:①以高电压的供电设备为电加热净化器供电,通常为24V或36V的直流或交流电源;②均采用蜂窝金属载体作为导电介质;③为减少热容,电加热器的体积比较小,一般在50~100ml之间;④金属电加热器上有催化活性涂层,贵金属活性组元的含量比较高,最高可达到5g/L,在通电加热的同时可对尾气进行部分净化。
采用电加热方式可以明显降低冷启动阶段的污染物排放量,使排放测试结果达到更高标准。但是,现有电加热技术也存在以下几个明显的缺点:①供电设备复杂,需要对现有车载电源进行根本性改造或附加第二电源,将使汽车制造成本大幅度提高;②蜂窝金属载体的抗氧化性较差,使用寿命短;③由于膨胀系数的巨大差异,氧化铝活性涂层和金属载体之间结合强度较低,因而在汽车排气这种温度波动频率极高的使用条件下,涂层容易从载体表面剥离,造成净化能力下降;④电加热器体积小,所以在冷启动过程中,电加热器的催化净化只能起到辅助作用。由于上述缺陷的存在,电加热净化技术大部分处于实验室研究阶段,真正走向市场的很少。
发明内容
针对传统电加热净化技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种新的电直热净化汽车尾气的装置,装备该装置能够大量消除汽车在冷启动阶段排放的污染物,使汽车工况测试结果能满足更高的净化法规。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种汽车尾气电直热三效净化的装置,包括电源、蜂窝陶瓷主催化剂,蜂窝陶瓷主催化剂安装于与汽油发动机排气管相连的净化器封装外壳内,还包括电直热尾气净化器及电控部分,其中电直热尾气净化器与蜂窝陶瓷主催化剂一起安装于与汽油发动机排气管相连的净化器封装外壳内,由泡沫陶瓷电直热催化剂单元构成,泡沫陶瓷电直热催化剂单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的三效尾气净化催化剂、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体两端的石墨电极基座、与二个石墨电极基座分别相连的金属电极构成,电源通过金属电极与导电碳化硅泡沫陶瓷载体构成回路,为导电碳化硅泡沫陶瓷载体供电;电控部分与电直热尾气净化器电极相连。
所述电控部分由控制单元和功率组件组成,所述控制单元由电源处理单元供电,包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、主控电路,其中:频率信号处理单元以单稳态触发器为核心,输入端接汽车转速传感器产生的频率信号,其输出信号接至主控电路的一个输入端;水温信号处理单元以第一三极管为核心,其基极接汽车水温传感器产生的水温信号,发射极至主控电路的另一个输入端;所述主控电路由第一~二比较器、与非门电路及定时器组成,第一~二比较器分别接至频率信号处理单元处理的线性电压信号及水温信号处理单元的放大电压信号,其输出端依次经与非门电路、第二三极管与定时器相连,定时器输出端接至功率组件;所述功率组件为二级推动结构,其输出端与负载的电极相连;另外,功率组件的第一接触器的输出端与主控电路的第二比较器U4的输出端相连。
所述功率组件由第三三极管、第一接触器和第二接触器组成,其中第三三极管输入信号为定时器输出端信号,其发射极接有二级接触器,最后一级接触器接负载;其集电级和二级接触器均与12V相连。
所述电源处理单元采用三端稳压模块给主控电路提供9V电源,三端稳压模块输入端经车锁开关接12V。
所述负载为电直热尾气净化器。
所述金属电极通过钎焊方式连接在石墨基座上。
所述电直热尾气净化器为一个或至少二个泡沫陶瓷电直热催化剂单元组成,当净化器由二个或二个以上单元构成时,各单元之间为并联关系,通过电极之间焊接的方式连成一个整体,电直热尾气净化器的体积控制在100~400ml之间,厚度控制在10~50mm范围内。
所述三效尾气净化催化剂,以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体,催化剂中涂层含量在100~150g/L催化剂之间,涂层中各物质的重量比为:Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO=(55~80)∶(25~35)∶(1~5)∶(2~10),催化剂中Pt和Rh的重量比为5∶(1~0.1),Pt和Rh总含量为2~5g/L催化剂,所述泡沫碳化硅陶瓷按重量分数计,其成份由90%~98%的碳化硅和10%~2%的硅组成,其电阻在50~70mΩ之间。
所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元,各基本单元相互连接形成三维连通网络;构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99%,平均晶粒尺寸在50nm~10μm。
所述三效尾气净化催化剂的制备过程具体如下:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2~5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5~10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100~150℃空气气氛中1~4小时烘干;
②取γ-Al2O3 110~160份、CeO2 50~70份、La2O3 2~10份、BaO 4~20份,混合后加水500份,球磨2~4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2~5分钟,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100~150℃空气气氛中干燥20~30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100~150g/L催化剂,最后于450~500℃焙烧4~5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10~15份、RhCl3 0.5~2份,加水500份配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10~15分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100~150℃,时间20~30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450~500℃还原2~4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
与现有技术相比,本发明更具有如下有益效果:
①采用导电碳化硅泡沫陶瓷为催化剂载体,该泡沫陶瓷载体的电阻可根据需要灵活调整。
②在导电碳化硅泡沫陶瓷载体表面制备的活性催化涂层与载体结合紧密,不易脱落,使用寿命长。
③该装置采用车载蓄电池作为电源,无须增加第二电源,汽车改造范围小,成本低。
④控制系统智能化,可根据水温、发动机转速等条件适时调整加热状态。
⑤采用钎焊的方式制备金属电极,使接触电阻降至最低,提高了能量利用效率。
⑥电直热尾气净化器由一个或几个电直热催化剂单元并联而成,总体积在100ml~400ml之间,这种结构既能保证净化器的使用寿命,又可以达到良好的净化效果。
⑦采用电直热尾气净化智能控制单元,该单元能够从控制单元中接收门锁开关信号、发动机转速和冷却水水温信号,并根据上述信号自主控制电直热系统通电与否的状态;此外,该控制单元可自由设定电直热通电时间的上限。
附图说明
图1为电直热尾气净化装置示意图。
图2为一个泡沫陶瓷电直热催化剂单元的示意图。
图3为本发明电控部分电路原理图。
具体实施方式
在导电碳化硅泡沫陶瓷载体上制备活性氧化铝涂层,并浸渍贵金属活性组元可得到泡沫陶瓷三效催化剂,采用按照《一种高强度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制备方法》(中国科学院金属研究所申请,申请号03134039.3)所做的导电碳化硅泡沫陶瓷为催化剂载体,其电阻控制在50~70mΩ之间。
其制备过程具体如下:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2~5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5~10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100~150℃空气气氛中1~4小时烘干;
②取γ-Al2O3 110~160份、CeO2 50~70份、La2O3 2~10份、BaO 4~20份,混合后加水500份,球磨2~4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100~150℃空气气氛中干燥20~30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100~150g/(L催化剂),最后于450~500℃焙烧4~5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10~15份、RhCl3 0.5~2份,加水500份配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10~15分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100~150℃,时间20~30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450~500℃还原2~4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
催化剂中涂层含量在100~150g/(L催化剂)之间,涂层中各物质的重量比为:Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO=(55~80)∶(25~35)∶(1~5)∶(2~10);
Pt和Rh的重量比为5∶(1~0.1),总含量为2~5g/(L催化剂)。
⑤根据催化剂的电阻以及贵金属含量的具体要求选用一个或多个制备完毕后的催化剂单元,如果采用多个催化剂单元,则各单元之间为并联关系,并通过在金属电极上焊接金属板的方式连接成一个整体,以2mm厚的不锈钢板封装后即可得到所需的电直热尾气净化器。
如图1~2所示,电直热尾气净化装置包括蜂窝陶瓷主催化剂9、电直热尾气净化器12及电控部分,其中电直热尾气净化器12与蜂窝陶瓷主催化剂9一起安装于与汽油发动机排气管相连的净化器封装外壳8内,电直热尾气净化器12由泡沫陶瓷电直热催化剂单元构成,泡沫陶瓷电直热催化剂单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的三效尾气净化催化剂、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体14两端的石墨电极基座15、16、与二个石墨电极基座15、16分别相连的金属电极10、11构成,电源通过金属电极10、11与导电碳化硅泡沫陶瓷载体14构成回路,为导电碳化硅泡沫陶瓷载体14供电;电控部分与电直热尾气净化器12电极相连。
汽车启动后,汽车尾气由汽油发动机1排出,经由排气管13到达电直热尾气净化器12;此时,由发动机冷却水水温传感器2和转速传感器3监测到的冷却水水温和转速信号被控制单元4接收,然后再将信号传送至功率组件5,当冷却水水温低于30℃并且发动机转速大于800转时,功率组件5接通电路,车载蓄电池6即开始通过电缆7给电直热尾气净化器12供电,通电时间可由控制单元设定;10和11为电直热尾气净化器12的两个电极,一端被钎焊到导电碳化硅泡沫陶瓷上,另一端与电缆相连;尾气在经过电直热尾气净化器时被加热并得到部分净化,然后再流经蜂窝陶瓷主催化剂9,被进一步净化。8为净化器封装外壳,蜂窝陶瓷主催化剂9为大连华克汽车配件公司生产的EU-II标准尾气催化剂,体积为1.5升。
图2中14为导电碳化硅泡沫陶瓷载体;15、16为石墨电极基座,其作用是在金属电极和泡沫陶瓷之间起到过渡作用;10、11为金属电极,通过钎焊方式与石墨基座连接。一个完整的电直热尾气净化器可由一个或多个催化剂单元组合而成。在组合情况下,各催化剂单元通过电极之间焊接的方式连成将一个整体。净化器的体积控制在100~400ml之间,厚度控制在10~50mm范围内。
如图3所示,本发明电控部分由控制单元4、功率组件5组成,所述控制单元4由电源处理单元供电,包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、主控电路,其中:频率信号处理单元以单稳态触发器U1为核心,输入端(4脚)接汽车转速传感器3产生的频率信号,并将其转化成线性电压信号,其输出信号(经6脚)接至主控电路的一个输入端;水温信号处理单元以第一三极管T1为核心,对水温信号进行放大,其基极接汽车水温传感器2产生的水温信号,其发射极将放大的电压信号输入到主控电路的另一个输入端;所述主控电路由第一~二比较器U3~U4、与非门电路U5及定时器U6组成,第一~二比较器U3~U4分别对频率信号和水温信号进行判断处理(其中第一比较器U3同相端接经频率信号处理单元处理的线性电压信号,第二比较器U4负相端接由水温信号处理单元处理的放大电压信号),输出端经与非门电路U5进行逻辑与操作,再经第二三极管T2进行功率放大,然后接至定时器U6进行信号延时处理,最后将延时处理后的信号送至功率组件5;所述功率组件5由第三三极管T3、第一接触器J1和第二接触器J2组成,以二级推动结构接负载R1;具体为:所述第三三极管T3输入信号为定时器U6输出端信号,其发射极接有二级接触器,最后一级接触器接负载R1的两个电极10和11上;第三三极管T3集电级和二级接触器均与车载蓄电池12V相连;所述负载R1为电直热尾气净化器12;电源处理单元采用三端稳压模块U2给主控电路提供9V电源,三端稳压模块U2输入端经车锁开关K接车载蓄电池12V;另外,第一接触器J1的输出端与第二比较器U4的输出端相连,用以维持第二比较器U4工作过程中的高电平,本发明所述负载R1为电直热尾气净化器12。
本实施例中,单稳态触发器U1采用CD4098芯片;第一~三三极管T1~T3采用芯片BU406;三端稳压模块U2采用芯片7809;第一~二比较器U3~U4共用芯片LM339;与非门电路U5采用CD4011芯片,电路连接利用芯片中的两个与非门,其中一个与非门输入端分别接第一~二比较器U3~U4的输出端,与另一个与非门串连,输出端接至第二三极管T2基极;定时器U6采用555芯片,进行信号延时处理;第一接触器J1(9V)和第二接触器J2(400A)负责给负载R1供电。
其工作原理如下:当车锁开关K打开时,控制单元4识别汽车的转速信号;当转速信号<800转/分时,功率组件5等待;当转速信号>800转/分时,控制单元4识别汽车的水温信号;当水温信号大于预设温度时,功率组件5等待;当水温信号小于预设温度时,功率组件5接通,通过汽车车载蓄电池给催化剂载体加热,同时控制单元4开始记时;当时间等于预设时间,控制单元4使功率组件5断开,停止车载蓄电池给催化剂载体加热;完成一次循环,等待下一次车锁开关K打开。
本发明尾气净化装置主要由上述电直热尾气净化器和智能型控制单元两部分构成,净化器中的催化剂以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体,具有良好、可控的导电性能,载体上涂敷有催化剂涂层;智能控制单元能够接收来自控制单元平台的冷却水水温和发动机转速信号,并根据信号自主控制电直热净化系统通电与否的状态。在车载电源供电的情况下,即可实现对汽车冷启动阶段排放污染物的提前净化,使排放结果达到更严格的净化标准。该方法具有效果好、汽车改造简单、成本低的特点。
实施例和相关比较例
各实施例和相关比较例均在长春汽车检测中心进行,实验车辆为CA7180A2E型红旗轿车,测试采用EU-III方式。
实施例1
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为3M的NaOH溶液中浸泡8分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于120℃空气气氛中2小时烘干;
②取γ-Al2O3 120克、CeO2 60克、La2O3 6克、BaO 12克,混合后加水500克,球磨3小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于120℃空气气氛中干燥20分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到120g/(L催化剂),最后于450℃焙烧5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl32克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍12分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度120℃,时间30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中500℃还原2小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
⑤根据催化剂的电阻以及贵金属含量的具体要求选用一个或多个制备完毕后的催化剂单元,如果采用多个催化剂单元,则各单元之间为并联关系,并通过在金属电极上焊接金属板的方式连接成一个整体,以2mm厚的不锈钢板封装后即可得到所需的电直热尾气净化器。
实施例2
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2M的NaOH溶液中浸泡10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100℃空气气氛中4小时烘干;
②取γ-Al2O3 110克、CeO2 70克、La2O3 5克、BaO 15克,混合后加水500克,球磨2小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100℃空气气氛中干燥30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到130g/(L催化剂),最后于460℃焙烧4.5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100℃,时间30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450℃还原4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例3
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为4M的NaOH溶液中浸泡5分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于150℃空气气氛中1小时烘干;
②取γ-Al2O3 130克、CeO2 50克、La2O3 2克、BaO 8克,混合后加水500克,球磨4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于150℃空气气氛中干燥20分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100g/(L催化剂),最后于500℃焙烧4小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍15分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度150℃,时间20分钟;烘干后的样品在氢气气氛中480℃还原3小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例4
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为5M的NaOH溶液中浸泡5分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100℃空气气氛中4小时烘干;
②取γ-Al2O3 160克、CeO2 60克、La2O3 8克、BaO 8克,混合后加水500克,球磨3小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于150℃空气气氛中干燥20分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到150g/(L催化剂),最后于480℃焙烧4小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 1克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍12分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度150℃,时间20分钟;烘干后的样品在氢气气氛中500℃还原2小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例5
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2M的NaOH溶液中浸泡10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于150℃空气气氛中1小时烘干;
②取γ-Al2O3 150克、CeO2 60克、La2O3 10克、BaO 10克,混合后加水500克,球磨2小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100℃空气气氛中干燥30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到120g/(L催化剂),最后于450℃焙烧5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 0.2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100℃,时间30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450℃还原4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例6
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2M的KOH溶液中浸泡10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100℃空气气氛中4小时烘干;
②取γ-Al2O3 120克、CeO2 60克、La2O3 10克、BaO 20克,混合后加水500克,球磨2小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100℃空气气氛中干燥30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100g/(L催化剂),最后于450℃焙烧5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100℃,时间30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450℃还原4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例7
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为3M的KOH溶液中浸泡8分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于120℃空气气氛中2小时烘干;
②取γ-Al2O3 110克、CeO2 50克、La2O3 4克、BaO 6克,混合后加水500克,球磨3小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于120℃空气气氛中干燥25分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到120g/(L催化剂),最后于480℃焙烧4.5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍12分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度120℃,时间25分钟;烘干后的样品在氢气气氛中480℃还原4.5小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例8
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为5M的KOH溶液中浸泡5分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于150℃空气气氛中1小时烘干;
②取γ-Al2O3 160克、CeO2 70克、La2O3 8克、BaO 16克,混合后加水500克,球磨4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于150℃空气气氛中干燥20分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到150g/(L催化剂),最后于500℃焙烧4小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍15分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度150℃,时间20分钟;烘干后的样品在氢气气氛中500℃还原4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例9
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为4M的KOH溶液中浸泡8分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于120℃空气气氛中2小时烘干;
②取γ-Al2O3 110克、CeO2 50克、La2O3 2克、BaO 4克,混合后加水500克,球磨3小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于120℃空气气氛中干燥25分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100g/(L催化剂),最后于450℃焙烧5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 0.2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍12分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度120℃,时间25分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450℃还原5小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例10
与实施例1不同之处是:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为3M的KOH溶液中浸泡10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于150℃空气气氛中1小时烘干;
②取γ-Al2O3 150克、CeO2 60克、La2O3 6克、BaO 16克,混合后加水500克,球磨4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100℃空气气氛中干燥30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到150g/(L催化剂),最后于500℃焙烧4小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10克、RhCl3 2克,加水500克配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度150℃,时间20分钟;烘干后的样品在氢气气氛中500℃还原4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
实施例及相关比较例的结果见表1。表1中实验1~10为实施例,实验11~13为相关比较例。将各实施例与比较例的结果与EU-III标准相比较,可以发现在没有装配电直热尾气净化器的情况下,排放结果全面超标;而在比较例11和13两种条件下所得到的结果虽然比比较例12有所提高,但距离EU-III标准仍有较大差距。而实施例1~10的结果均达到了EU-III标准,并拥有较高的富余量。表明在通电条件下,电直热尾气净化器能起到预期的净化效果。
表1
  实验编号   外形(mm3)   电阻(mΩ)   通电时间   Pt,Ph含量(g/L)及重量比              排放结果(g/km)
  CO   THC   NOx
  1   90×75×50   54   120   2.5(5∶1)   0.4774   0.1096   0.1239
  2   90×75×50   54   90   2.5(5∶1)   0.5734   0.133   0.0904
  3   90×75×50   58   100   2.5(5∶1)   0.4162   0.0962   0.0922
  4   90×75×50   64   90   2.5(5∶0.5)   0.4845   0.1323   0.1336
  5   90×75×50   64   105   2.5(5∶0.1)   0.5334   0.1198   0.1274
  6   90×75×30   58   100   2.5(5∶1)   0.5471   0.1276   0.1074
  7   90×75×20   60   100   2.5(5∶1)   0.5071   0.1252   0.1187
  8   90×75×50   54   100   4(5∶1)   0.4935   0.1131   0.0946
  9   90×75×50   54   100   5(5∶0.1)   0.5013   0.0985   0.1004
  10   90×75×50   54   100   2(5∶1)   0.6159   0.1128   0.1201
  11   90×75×30   55   120   0   0.7778   0.1657   0.1511
  12   无电直热净化器,仅使用蜂窝陶瓷载体主催化剂   2.168   0.28   0.2403
  13   90×75×50   54   0   2.5(5∶1)   1.968   0.2632   0.2149
                        EU-III标准限值   2.3   0.2   0.15

Claims (10)

1、一种汽车尾气电直热三效净化的装置,包括电源、蜂窝陶瓷主催化剂(9),蜂窝陶瓷主催化剂(9)安装于与汽油发动机排气管相连的净化器封装外壳(8)内,其特征在于:还包括电直热尾气净化器(12)及电控部分,其中电直热尾气净化器(12)与蜂窝陶瓷主催化剂(9)一起安装于与汽油发动机排气管相连的净化器封装外壳(8)内,由泡沫陶瓷电直热催化剂单元构成,泡沫陶瓷电直热催化剂单元为以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的三效尾气净化催化剂、安装于导电碳化硅泡沫陶瓷载体(14)两端的石墨电极基座(15、16)、与二个石墨电极基座(15、16)分别相连的金属电极(10、11)构成,电源通过金属电极(10、11)与导电碳化硅泡沫陶瓷载体(14)构成回路,为导电碳化硅泡沫陶瓷载体(14)供电;电控部分与电直热尾气净化器(12)电极相连。
2、按照权利要求1所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述电控部分由控制单元(4)和功率组件(5)组成,所述控制单元(4)由电源处理单元供电,包括频率信号处理单元、水温信号处理单元、主控电路,其中:频率信号处理单元以单稳态触发器(U1)为核心,输入端接汽车转速传感器产生的频率信号,其输出信号接至主控电路的一个输入端;水温信号处理单元以第一三极管(T1)为核心,其基极接汽车水温传感器产生的水温信号,发射极至主控电路的另一个输入端;所述主控电路由第一~二比较器(U3~U4)、与非门电路(U5)及定时器(U6)组成,第一~二比较器(U3~U4)分别接至频率信号处理单元处理的线性电压信号及水温信号处理单元的放大电压信号,其输出端依次经与非门电路(U5)、第二三极管(T2)与定时器(U6)相连,定时器(U6)输出端接至功率组件(5);所述功率组件(5)为二级推动结构,其输出端与负载(R1)的电极相连;另外,功率组件(5)的第一接触器(J1)的输出端与主控电路的第二比较器U4的输出端相连。
3、按照权利要求2所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述功率组件(5)由第三三极管(T3)、第一接触器(J1)和第二接触器(J2)组成,其中第三三极管(T3)输入信号为定时器(U6)输出端信号,其发射极接有二级接触器,最后一级接触器接负载(R1);其集电级和二级接触器均与12V相连。
4、按照权利要求2所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述电源处理单元采用三端稳压模块(U2)给主控电路提供9V电源,三端稳压模块(U2)输入端经车锁开关(K)接12V。
5、按照权利要求2所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述负载(R1)为电直热尾气净化器(12)。
6、按照权利要求1所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述金属电极(10、11)通过钎焊方式连接在石墨基座(15、16)上。
7、按照权利要求1所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述电直热尾气净化器(12)为一个或至少二个泡沫陶瓷电直热催化剂单元组成,当净化器由二个或二个以上单元构成时,各单元之间为并联关系,通过电极之间焊接的方式连成一个整体,电直热尾气净化器(12)的体积控制在100~400ml之间,厚度控制在10~50mm范围内。
8、按照权利要求1所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述三效尾气净化催化剂,以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体,催化剂中涂层含量在100~150g/L催化剂之间,涂层中各物质的重量比为:Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO=(55~80)∶(25~35)∶(1~5)∶(2~10),催化剂中Pt和Rh的重量比为5∶(1~0.1),Pt和Rh总含量为2~5g/L催化剂,所述泡沫碳化硅陶瓷按重量分数计,其成份由90%~98%的碳化硅和10%~2%的硅组成,其电阻在50~70mΩ之间。
9、按照权利要求8所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于:所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元,各基本单元相互连接形成三维连通网络;构成多边形封闭环单元的陶瓷筋的相对致密度≥99%,平均晶粒尺寸在50nm~10μm。
10、按照权利要求8所述汽车尾气电直热三效净化的装置,其特征在于所述三效尾气净化催化剂的制备过程具体如下:
①将导电碳化硅泡沫陶瓷在浓度为2~5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5~10分钟,去除其表面的油污等杂质,之后用水清洗、再于100~150℃空气气氛中1~4小时烘干;
②取γ-Al2O3 110~160份、CeO2 50~70份、La2O3 2~10份、BaO 4~20份,混合后加水500份,球磨2~4小时得到涂层浆料;
③将泡沫陶瓷在浆料中浸渍2~5分钟,以压缩空气吹去多余浆料,然后置于100~150℃空气气氛中干燥20~30分钟,冷却后再次浸渍料浆。如此重复多次,直至使涂层含量达到100~150g/L催化剂,最后于450~500℃焙烧4~5小时,涂层制备完毕;
④取H2PtCl6 10~15份、RhCl3 0.5~2份,加水500份配制成混合溶液,然后将带有活性涂层的泡沫陶瓷在溶液中真空浸渍10~15分钟,之后将浸渍后的陶瓷在烘箱中烘干,烘箱温度100~150℃,时间20~30分钟;烘干后的样品在氢气气氛中450~500℃还原2~4小时,可得到以导电碳化硅泡沫陶瓷为载体的汽车尾气三效催化剂。
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