CN205895370U - 一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器，包括壳体和安置于壳体内的载体，所述载体为壁流式蜂窝陶瓷载体，所述载体的轴向上设置有用于汽车尾气通过的孔道，所述孔道的一端设置有用于封闭孔道的孔底；相邻所述孔道的孔底分别位于所述载体在轴向上的不同端；所述孔道具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁。本实用新型的三元催化器，在有效降低发动机尾气气体排放物HC，CO和NOX的同时，也可有效捕集发动机颗粒污染物，降低颗粒污染物的排放；这种机外净化技术，不需要重新开发发动机相关硬件及系统，降低了单车成本；相对于单独的三元催化器加颗粒捕集装置，有效降低了排气后处理系统的背压，为整车动力性能贡献力量。
Description
技术领域
本实用新型属于车辆尾气后处理领域，特别涉及一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器。
背景技术
发动机的污染物主要有：颗粒排放物质(PM/PN)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。传统进气道喷射发动机的后处理系统主要针对气体排放物碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)，这三种污染物通过在催化器的载体孔道表面发生氧化还原反应，进而生产无害的二氧化碳、水及氮气。但是其颗粒物排放主要依靠发动机的缸内净化技术来满足法规要求。压燃式发动机的颗粒物排放也是依靠发动机的缸内技术来满足法规要求。柴油机尾气排放的黑烟问题已成为了环保和排放关注的热点。另外，在能源和环保要求日趋严格的今天，随着机动车油耗法规和排放法规的日益严格，缸内直喷(GDI)技术已成为新型汽油车大功率输出并高效节油的新趋势。但缸内直喷技术在降低油耗的同时也带来了新的排放问题：采用缸内直喷技术后，由于湿壁及缸内燃烧的不充分，颗粒物排放量较采用非直喷技术时上升。日趋严格的排放法规对车辆的颗粒物排放要求，使内燃机的燃烧及后处理面临很大的挑战。现有技术中采用直流式结构载体的催化器(参见图1和图2)对发动机的污染物进行处理，但是一般只能对碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的转换起到作用，而对于颗粒排放物质(PM/PN)，其不具备处理功能。
综上可知，现有技术的催化器，不能在对碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)进行转换的同时，对颗粒污染物进行有效捕集。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器，不仅能对碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)进行转换，还能对颗粒污染物进行有效捕集。
本实用新型提供一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器，包括壳体和安置于壳体内的载体，所述载体为壁流式蜂窝陶瓷载体，所述载体的轴向上设置有用于汽车尾气通过的孔道，所述孔道的一端设置有用于封闭孔道的孔底；相邻所述孔道的孔底分别位于所述载体在轴向上的不同端；所述孔道具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁。
优选地，所述孔底的厚度为8-10mm。
优选地，所述载体是孔隙率为60-65％的堇青石陶瓷。
优选地，所述载体为圆柱体结构，所述载体的底面直径为118-144mm，高度为100-200mm；孔密度为200-360cpsi；孔道壁厚度为8-12mil。
其中，cpsi，代表每平方英寸横截面上的孔道数，就是俗称的目数；mil，即密耳，为英制长度单位，意义为千分之一英寸，1mil＝1密耳＝1/1000inch＝0.001英寸＝0.0254mm。
优选地，所述载体的底面直径为118.4mm、132mm或者143.8mm。
优选地，所述载体的底面直径为118.4mm，高度为138mm。
优选地，所述载体的孔密度为300cpsi。
优选地，孔道壁厚度为8mil。
优选地，孔道壁厚度为10mil。
本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，实现了对车辆尾气排放处理中的气体排放处理功能和颗粒物排放处理功能的整合，在有效降低发动机尾气气体排放物HC，CO和NOX的同时，也可有效捕集发动机颗粒污染物，降低颗粒污染物的排放；
(2)孔道具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁，使得载体的孔隙率变小，孔径变小，增加了气流在载体中运动的流阻，在处理碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的同时提高了颗粒物穿透的难度，对颗粒物的截留效果更好，进一步降低颗粒物排放量；
(3)壁流式载体的使用，特别是孔道的孔底厚度设置为8-10mm，可以使气体不能直接穿越做为通道的孔道，而只能穿过载体的墙壁(即，相邻孔道之间的孔道壁)，并从相邻通道排出；由此，在穿壁过程中，该载体可阻挡或吸附排气尾气中的颗粒物碳烟和灰分，使颗粒物留在载体的墙壁中或者载体的通道中，从而起到降低颗粒物排放的作用；
(4)要满足一定的捕集效率,就要求三元催化器必需具备一定大小的体积，而当载体的底面直径设置为118-144mm、高度设置为100-200mm时，可满足三元催化器的捕集效率，且在满足整车布置的前提下，保持其背压最低,降低背压对车辆性能的影响；同样地，孔密度设置为200-360cpsi、孔道壁厚度设置为8-12mil，也是为了提高三元催化器的捕集效率、降低整车背压；
(5)相对于机内颗粒物净化技术，这种机外净化的技术和方式，不需要重新开发发动机相关硬件及系统，直接在后处理系统进行零件开发及匹配，缩短了发动机的开发周期，降低了单车成本；同时，相对于用单独的三元催化器外加颗粒捕集装置，本实用新型的设计有效降低了排气后处理系统的背压，为整车动力性能贡献力量；
(6)载体是孔隙率为60-65％的堇青石陶瓷，在渗入涂层后，不仅可以堵截颗粒排放物，还可以处理气体排放物。
附图说明
图1为传统催化器的载体的垂直轴向方向的结构示意图；
图2为传统催化器的载体的轴向剖面结构示意图；
图3为本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器在一种具体实施方式中的部分透视图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为图3中载体的轴向剖面结构示意图；
图6为本实用新型车用集成颗粒物捕集的三元催化器的载体在实施例2中的微观孔结构示意图；
图7为本实用新型车用集成颗粒物捕集的三元催化器的载体在实施例1中的微观孔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本实用新型所提供的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，但本实用新型并不因此而受到任何限制。
如图3-5所示，本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，包括壳体1和安置于壳体1内的载体2，所述载体2为壁流式蜂窝陶瓷载体，所述载体2的轴向上设置有用于汽车尾气通过的孔道4，所述孔道4的一端设置有用于封闭孔道4的孔底41；相邻所述孔道4的孔底41分别位于所述载体2在轴向上的不同端；所述孔道4具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁。
这种设计，既可以降低碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的排放量，又可以降低颗粒排放物质(PM/PN)的排放量。
所述壁流式蜂窝陶瓷载体是在汽车尾气处理领域中的一种常用载体，它是在常规的尾气后处理载体-直流式载体设计的基础上改进而得到的，是在直流式载体的进、出气端进行错位堵孔，且孔道均为一端堵孔另一端开放。
壁流式蜂窝陶瓷载体的使用，使气体不能直接穿越做为通道的孔道4，而只能穿过载体2的墙壁(即，相邻孔道4之间的孔道壁)，并从相邻通道排出，在穿壁过程中，该载体2阻挡或吸附排气尾气中的颗粒物碳烟和灰分，使颗粒物留在载体2的墙壁中或者载体2的通道中，从而起到降低颗粒物排放的作用；载体具有依次被Pd涂层和Rh涂层渗入的孔道壁，使得载体的孔隙率变小，孔径变小，增加了气流在载体中运动的流阻，在处理碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的同时提高了颗粒物穿透的难度，对颗粒物的截留效果更好，进一步降低颗粒物排放量。
在一种实施方式中，孔道4中孔底41的厚度为8-10mm；
在一种实施方式中，载体2是孔隙率为60-65％的堇青石陶瓷。
高孔隙率的载体材料，可以更进一步地吸附排气尾气中的颗粒物碳烟和灰分，降低颗粒污染物的排放。
在一种优选的实施方式中，所述载体2为圆柱体结构，所述载体2的底面直径为118-144mm，高度为100-200mm；孔密度为200-360cpsi；孔道壁厚度为8-12mil。
各组数据均可根据实际需要进行调整。
在一种优选实施方式中，所述载体2的底面直径为118.4mm、132mm或者143.8mm。
在一种优选实施方式中，所述载体2的底面直径为118.4mm，高度为138mm。
在一种优选实施方式中，所述载体2的孔密度为300cpsi。
在一种优选实施方式中，所述孔道壁厚度为8mil。
在一种优选实施方式中，所述孔道壁厚度为10mil。
在一种实施方式中，孔道壁上Pd涂层(即Pd涂层浆料)和Rh涂层(即Rh涂层浆料)的总渗入量为30-150g/L。其中，渗入量是指体积为1L的载体所用的渗入物的烘干质量。
贵金属涂层浆料(Pd涂层浆料和Rh涂层浆料)的制备方法如下：
将贵金属溶液溶解入基础浆料中，即得到贵金属涂层浆料；其中，贵金属溶液为Pd和/或Rh的强酸溶液；基础浆料的组分包括氧化铝、氧化锆、稀土元素氧化物(比如镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)等常规稀土元素氧化物)以及助剂；助剂包括用作粘结剂的硝酸盐或醋酸盐等，优选还包括用作pH调节剂的硝酸、酒石酸、磷酸盐或铵盐等，更优选还包括抑制剂(一般是为了抑制气体中特殊气味的化学品，比如为了抑制硫化氢气体的臭鸡蛋气味所用的镍)。
在一种优选实施方式中，孔道壁上Pd涂层的渗入量为15-75g/L，优选30g/L。
在进一步优选的实施方式中，所述Pd涂层中贵金属Pd的含量是3-7g/ft3，比如5g/ft3。
“Pd涂层中贵金属Pd的含量是5g/ft3”是指体积为1ft3的载体所用的渗入物中贵金属Rh的质量为5g。
在一种优选实施方式中，孔道壁上Rh涂层的渗入量为15-75g/L，优选30g/L。
在进一步优选的实施方式中，所述Rh涂层中贵金属Rh的含量是3-7g/ft3，比如5g/ft3。
“Rh涂层中贵金属Rh的含量是5g/ft3”是指体积为1ft3的载体所用的渗入物中贵金属Rh的质量为5g。
在一种实施方式中，载体的吸水率为10-30wt％，比如20wt％，涂层的颗粒度为5-20μm，优选15-20μm。
在一种具体的实施例1中，如图3-5、7所示，本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，包括壳体1和安置于壳体1内的载体2，所述载体2为壁流式蜂窝陶瓷载体；所述载体2的轴向上设置有用于汽车尾气通过的孔道4，所述孔道4的一端设置有用于封闭孔道4的孔底41；相邻所述孔道4的孔底41分别位于所述载体2在轴向上的不同端；所述孔道4具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁；载体2是孔隙率为60％的堇青石陶瓷；所述载体2的底面直径为118.4mm，高度为138mm，孔密度为300cpsi，孔道4的孔底厚度为8mm；孔道4的孔道壁厚度为8mil；Pd涂层的渗入量为30g/L，Pd涂层中贵金属Pd的含量是5g/ft3；Rh涂层的渗入量为30g/L，Rh涂层中贵金属Rh的含量是5g/ft3；载体的吸水率为20wt％，Pd涂层和Rh涂层的颗粒度为15-20微米；其中，
具有贵金属涂层(Pd涂层和Rh涂层)结构的载体2的制备方法如下：
1、基础浆料a的制备：按照氧化铈、氧化锆、氧化铝、硝酸镁及去离子水的质量比例为0.7：0.25：0.07：0.02：1将氧化铈、氧化锆、氧化铝及硝酸镁加入到去离子水中，后搅拌均匀，得到基础浆料a；
2、基础浆料b的制备：按照氧化铈、氧化锆、氧化铝、硝酸镁及去离子水的质量比例为0.7：0.25：0.07：0.02：1将氧化铈、氧化锆、氧化铝及硝酸镁加入到去离子水中，后搅拌均匀，得到基础浆料b；
3、浆料研磨：将步骤1和2的基础浆料a和b分别进行球磨机研磨，球磨机转速270转/分，持续运转至浆料颗粒度为15-20μm；
4、Pd贵金属涂层浆料的制备：将贵金属溶液Pd(NO3)2缓慢加入到步骤3研磨后的基础浆料a中，持续搅拌7h，使贵金属溶液完全分散在基础浆料a中，并加入硝酸调节pH至5，得到Pd贵金属涂层浆料；
5、Rh贵金属涂层浆料的制备：将贵金属溶液Rh(NO3)2缓慢加入到步骤3研磨后的基础浆料b中，持续搅拌7h，使贵金属溶液Rh(NO3)2完全分散在基础浆料b中，并加入酒石酸调节pH至5，得到Rh贵金属涂层浆料；
6、Pd贵金属涂层涂敷：将载体(壁流式蜂窝陶瓷载体)放置于涂敷机的涂敷工位，用步骤4得到的Pd贵金属涂层浆料对其进行浸渍涂敷；其中，Pd贵金属涂层浆料在载体上的渗入量(渗入量是指体积为1L的载体所用的渗入物的烘干质量)为30g/L，体积为1ft3的载体所用的渗入物中贵金属Rh的质量为5g；
7、Pd贵金属涂层烘干煅烧：将步骤6中涂敷后的载体放入200℃的烘干炉中烘干1h，然后放入温度保持在600℃的煅烧炉中煅烧2.5h；
8、Rh贵金属涂层涂敷：将步骤7得到的载体放置于涂敷机的涂敷工位，用步骤5得到的Rh贵金属涂层浆料对其进行浸渍涂敷；其中，Rh贵金属涂层浆料在载体上的渗入量(渗入量是指体积为1L的载体所用的渗入物的烘干质量)为30g/L，体积为1ft3的载体所用的渗入物中贵金属Rh的质量为5g；
9、Rh贵金属涂层烘干煅烧：将步骤8中涂敷后的载体放入200℃的烘干炉中烘干1h，然后放入温度保持在600℃的煅烧炉中煅烧2.5h，得到同时具有Pd涂层和Rh涂层的载体2。
将上述得到的具有稳定的贵金属涂层结构的载体2(即上述同时具有Pd涂层和Rh涂层的载体2)装入壳体1内，得到上述的车用集成颗粒物捕集的三元催化器。
对比例1
如图3-6所示，一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器，除孔道4不具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁(即孔道4的孔道壁未渗入有Pd涂层和Rh涂层)外，其余均与实施例1相同。
由图6与图7的比较可知，孔道壁上渗入Pd涂层和Rh涂层后，载体的孔隙率变小，孔径变小。
效果试验1
将实施例1的车用集成颗粒物捕集的三元催化器安装到车辆(1.4T克鲁兹)上，但不拆除该车辆上原有的三元催化器，然后在整车排放试验中对其颗粒物捕集性能进行测试，试验循环为WLTP(即全球统一的轻型车排放测试规程)。其中，颗粒物的安装前排放量，是指车辆未安装本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器时的颗粒物排放量；颗粒物的安装后排放量，是指车辆安装了本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器后的颗粒物排放量。安装本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器前后，车辆的颗粒物排放量测试结果如表1所示。
表1对颗粒物的捕集性能试验结果
| 排放物 | 安装前排放量(#/km) | 安装后排放量(#/km) | 捕集效率 |
| 颗粒物PM | 3.5×1012 | 4.13×1011 | 88.2％ |
其中，#/km是指车辆每行驶1km所排放的粒径超过23nm的颗粒物粒子总数。
在整车排放试验中对其气体捕集性能进行测试，其中，气体的安装前排放量，是指车辆未安装本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器时的气体排放量；气体的安装后排放量，是指车辆安装了本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器后的气体排放量。安装本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器前后，车辆的气体排放量测试结果如表2所示。
表2对气体的捕集性能试验结果
| 气体排放物 | 安装前排放量(g/km) | 安装后排放量(g/km) | 转换效率 |
| NOx | 38 | 15 | 60％ |
| CO | 403 | 203 | 49.6％ |
| HC | 33 | 32 | 3％ |
由表1可知，本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，对颗粒物的捕集效率高，可以达到88.2％的颗粒物捕集效率。由表2可知，本实用新型的车用集成颗粒物捕集的三元催化器，对气体排放物，如，碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)一样具备处理能力。
注：
1)捕集效率＝(颗粒物的安装前排放量-颗粒物的安装后排放量)/颗粒物的安装前排放量×100％；
2)#/km是指车辆每行驶1km所排放的粒径超过23nm的颗粒物粒子总数；
3)转换效率＝(气体的安装前排放量-气体的安装后排放量)/气体的安装前排放量×100％；
4)1立方英尺(cuft)＝28.3168升(l)。
Claims (9)
1.一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器，包括壳体和安置于壳体内的载体，其特征在于，所述载体为壁流式蜂窝陶瓷载体，所述载体的轴向上设置有用于汽车尾气通过的孔道，所述孔道的一端设置有用于封闭孔道的孔底；相邻所述孔道的孔底分别位于所述载体在轴向上的不同端；所述孔道具有渗入有Pd涂层和Rh涂层的孔道壁。
2.根据权利要求1所述的三元催化器，其特征在于，所述孔底的厚度为8-10mm。
3.根据权利要求1或2所述的三元催化器，其特征在于，所述载体是孔隙率为60-65％的堇青石陶瓷。
4.根据权利要求3所述的三元催化器，其特征在于，所述载体为圆柱体结构，所述载体的底面直径为118-144mm，高度为100-200mm；孔密度为200-360cpsi；孔道壁厚度为8-12mil。
5.根据权利要求4所述的三元催化器，其特征在于，所述载体的底面直径为118.4mm、132mm或者143.8mm。
6.根据权利要求5所述的三元催化器，其特征在于，所述载体的底面直径为118.4mm，高度为138mm。
7.根据权利要求6所述的三元催化器，其特征在于，所述载体的孔密度为300cpsi。
8.根据权利要求4-7任一项所述的三元催化器，其特征在于，孔道壁厚度为8mil。
9.根据权利要求4-7任一项所述的三元催化器，其特征在于，孔道壁厚度为10mil。
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| CN201620749935.4U CN205895370U (zh) | 2016-07-15 | 2016-07-15 | 一种车用集成颗粒物捕集的三元催化器 |
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2016
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