專利名稱：一種汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車尾氣三效凈化的裝置，具體地說是一種以導電碳化硅泡沫陶瓷為催化劑載體、能有效消除汽車冷啟動污染，具有智能化控制系統的電直熱凈化裝置。
背景技術：
隨著經濟發展和汽車保有量的增加，汽車尾氣造成的環境污染已成為嚴重的社會問題。為更好的控制尾氣污染，我國制訂了一系列排放控制法規。當前我國大部分地區執行的法規相當于EU-I標準，并將于2004年7月1日內全面推行EU-II標準。
與凈化標準的先進性相比，我國汽車行業和凈化技術的現狀卻不容樂觀一方面汽車制造工藝和生產線比較落后，除非進行巨大的資金投入，否則難以大量生產低排放的汽車；另一方面，由于國外尾氣凈化技術和專利的領先地位，我國的尾氣凈化器或進口或采用國外技術生產，因而在尾氣凈化領域長期受制于人。因此，開發具有自主知識產權的、能與我國汽車制造業現狀相匹配的新型凈化技術是迫在眉睫的任務。
研究表明，在安裝普通三效汽車尾氣催化劑的情況下，汽車工況測試過程中90％左右的污染物排放集中在冷啟動階段，也就是汽車啟動200秒內。因此，要進一步減少污染物排放，就必須降低冷啟動階段的排放量，與之相對應的技術就是冷啟動凈化技術。
采用電加熱方式提高冷啟動階段的尾氣溫度是一種行之有效的冷啟動技術，在國外有相當多的專利和研究文章，但在國內尚未見報道。綜合各種文獻，可知當前電加熱技術具有以下特點①以高電壓的供電設備為電加熱凈化器供電，通常為24V或36V的直流或交流電源；②均采用蜂窩金屬載體作為導電介質；③為減少熱容，電加熱器的體積比較小，一般在50～100ml之間；④金屬電加熱器上有催化活性涂層，貴金屬活性組元的含量比較高，最高可達到5g/L，在通電加熱的同時可對尾氣進行部分凈化。
采用電加熱方式可以明顯降低冷啟動階段的污染物排放量，使排放測試結果達到更高標準。但是，現有電加熱技術也存在以下幾個明顯的缺點①供電設備復雜，需要對現有車載電源進行根本性改造或附加第二電源，將使汽車制造成本大幅度提高；②蜂窩金屬載體的抗氧化性較差，使用壽命短；③由于膨脹系數的巨大差異，氧化鋁活性涂層和金屬載體之間結合強度較低，因而在汽車排氣這種溫度波動頻率極高的使用條件下，涂層容易從載體表面剝離，造成凈化能力下降；④電加熱器體積小，所以在冷啟動過程中，電加熱器的催化凈化只能起到輔助作用。由于上述缺陷的存在，電加熱凈化技術大部分處于實驗室研究階段，真正走向市場的很少。
發明內容
針對傳統電加熱凈化技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種新的電直熱凈化汽車尾氣的裝置，裝備該裝置能夠大量消除汽車在冷啟動階段排放的污染物，使汽車工況測試結果能滿足更高的凈化法規。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案是一種汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，包括電源、蜂窩陶瓷主催化劑，蜂窩陶瓷主催化劑安裝于與汽油發動機排氣管相連的凈化器封裝外殼內，還包括電直熱尾氣凈化器及電控部分，其中電直熱尾氣凈化器與蜂窩陶瓷主催化劑一起安裝于與汽油發動機排氣管相連的凈化器封裝外殼內，由泡沫陶瓷電直熱催化劑單元構成，泡沫陶瓷電直熱催化劑單元為以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的三效尾氣凈化催化劑、安裝于導電碳化硅泡沫陶瓷載體兩端的石墨電極基座、與二個石墨電極基座分別相連的金屬電極構成，電源通過金屬電極與導電碳化硅泡沫陶瓷載體構成回路，為導電碳化硅泡沫陶瓷載體供電；電控部分與電直熱尾氣凈化器電極相連。
所述電控部分由控制單元和功率組件組成，所述控制單元由電源處理單元供電，包括頻率信號處理單元、水溫信號處理單元、主控電路，其中頻率信號處理單元以單穩態觸發器為核心，輸入端接汽車轉速傳感器產生的頻率信號，其輸出信號接至主控電路的一個輸入端；水溫信號處理單元以第一三極管為核心，其基極接汽車水溫傳感器產生的水溫信號，發射極至主控電路的另一個輸入端；所述主控電路由第一～二比較器、與非門電路及定時器組成，第一～二比較器分別接至頻率信號處理單元處理的線性電壓信號及水溫信號處理單元的放大電壓信號，其輸出端依次經與非門電路、第二三極管與定時器相連，定時器輸出端接至功率組件；所述功率組件為二級推動結構，其輸出端與負載的電極相連；另外，功率組件的第一接觸器的輸出端與主控電路的第二比較器U4的輸出端相連。
所述功率組件由第三三極管、第一接觸器和第二接觸器組成，其中第三三極管輸入信號為定時器輸出端信號，其發射極接有二級接觸器，最后一級接觸器接負載；其集電級和二級接觸器均與12V相連。
所述電源處理單元采用三端穩壓模塊給主控電路提供9V電源，三端穩壓模塊輸入端經車鎖開關接12V。
所述負載為電直熱尾氣凈化器。
所述金屬電極通過釬焊方式連接在石墨基座上。
所述電直熱尾氣凈化器為一個或至少二個泡沫陶瓷電直熱催化劑單元組成，當凈化器由二個或二個以上單元構成時，各單元之間為并聯關系，通過電極之間焊接的方式連成一個整體，電直熱尾氣凈化器的體積控制在100～400ml之間，厚度控制在10～50mm范圍內。
所述三效尾氣凈化催化劑，以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體，催化劑中涂層含量在100～150g/L催化劑之間，涂層中各物質的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝(55～80)∶(25～35)∶(1～5)∶(2～10)，催化劑中Pt和Rh的重量比為5∶(1～0.1)，Pt和Rh總含量為2～5g/L催化劑，所述泡沫碳化硅陶瓷按重量分數計，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅組成，其電阻在50～70mΩ之間。
所述碳化硅泡沫陶瓷以多邊型封閉環為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網絡；構成多邊形封閉環單元的陶瓷筋的相對致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
所述三效尾氣凈化催化劑的制備過程具體如下①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100～150℃空氣氣氛中1～4小時烘干；②取γ-Al2O3110～160份、CeO250～70份、La2O32～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬2～5分鐘，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100～150℃空氣氣氛中干燥20～30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100～150g/L催化劑，最后于450～500℃焙燒4～5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610～15份、RhCl30.5～2份，加水500份配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10～15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100～150℃，時間20～30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450～500℃還原2～4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
與現有技術相比，本發明更具有如下有益效果①采用導電碳化硅泡沫陶瓷為催化劑載體，該泡沫陶瓷載體的電阻可根據需要靈活調整。
②在導電碳化硅泡沫陶瓷載體表面制備的活性催化涂層與載體結合緊密，不易脫落，使用壽命長。
③該裝置采用車載蓄電池作為電源，無須增加第二電源，汽車改造范圍小，成本低。
④控制系統智能化，可根據水溫、發動機轉速等條件適時調整加熱狀態。
⑤采用釬焊的方式制備金屬電極，使接觸電阻降至最低，提高了能量利用效率。
⑥電直熱尾氣凈化器由一個或幾個電直熱催化劑單元并聯而成，總體積在100ml～400ml之間，這種結構既能保證凈化器的使用壽命，又可以達到良好的凈化效果。
⑦采用電直熱尾氣凈化智能控制單元，該單元能夠從控制單元中接收門鎖開關信號、發動機轉速和冷卻水水溫信號，并根據上述信號自主控制電直熱系統通電與否的狀態；此外，該控制單元可自由設定電直熱通電時間的上限。
圖1為電直熱尾氣凈化裝置示意圖。
圖2為一個泡沫陶瓷電直熱催化劑單元的示意圖。
圖3為本發明電控部分電路原理圖。
具體實施例方式
在導電碳化硅泡沫陶瓷載體上制備活性氧化鋁涂層，并浸漬貴金屬活性組元可得到泡沫陶瓷三效催化劑，采用按照《一種高強度致密的泡沫碳化硅陶瓷材料及其制備方法》(中國科學院金屬研究所申請，申請號03134039.3)所做的導電碳化硅泡沫陶瓷為催化劑載體，其電阻控制在50～70mΩ之間。
其制備過程具體如下①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100～150℃空氣氣氛中1～4小時烘干；②取γ-Al2O3110～160份、CeO250～70份、La2O32～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100～150℃空氣氣氛中干燥20～30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100～150g/(L催化劑)，最后于450～500℃焙燒4～5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610～15份、RhCl30.5～2份，加水500份配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10～15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100～150℃，時間20～30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450～500℃還原2～4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
催化劑中涂層含量在100～150g/(L催化劑)之間，涂層中各物質的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝(55～80)∶(25～35)∶(1～5)∶(2～10)；
Pt和Rh的重量比為5∶(1～0.1)，總含量為2～5g/(L催化劑)。
⑤根據催化劑的電阻以及貴金屬含量的具體要求選用一個或多個制備完畢后的催化劑單元，如果采用多個催化劑單元，則各單元之間為并聯關系，并通過在金屬電極上焊接金屬板的方式連接成一個整體，以2mm厚的不銹鋼板封裝后即可得到所需的電直熱尾氣凈化器。
如圖1～2所示，電直熱尾氣凈化裝置包括蜂窩陶瓷主催化劑9、電直熱尾氣凈化器12及電控部分，其中電直熱尾氣凈化器12與蜂窩陶瓷主催化劑9一起安裝于與汽油發動機排氣管相連的凈化器封裝外殼8內，電直熱尾氣凈化器12由泡沫陶瓷電直熱催化劑單元構成，泡沫陶瓷電直熱催化劑單元為以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的三效尾氣凈化催化劑、安裝于導電碳化硅泡沫陶瓷載體14兩端的石墨電極基座15、16、與二個石墨電極基座15、16分別相連的金屬電極10、11構成，電源通過金屬電極10、11與導電碳化硅泡沫陶瓷載體14構成回路，為導電碳化硅泡沫陶瓷載體14供電；電控部分與電直熱尾氣凈化器12電極相連。
汽車啟動后，汽車尾氣由汽油發動機1排出，經由排氣管13到達電直熱尾氣凈化器12；此時，由發動機冷卻水水溫傳感器2和轉速傳感器3監測到的冷卻水水溫和轉速信號被控制單元4接收，然后再將信號傳送至功率組件5，當冷卻水水溫低于30℃并且發動機轉速大于800轉時，功率組件5接通電路，車載蓄電池6即開始通過電纜7給電直熱尾氣凈化器12供電，通電時間可由控制單元設定；10和11為電直熱尾氣凈化器12的兩個電極，一端被釬焊到導電碳化硅泡沫陶瓷上，另一端與電纜相連；尾氣在經過電直熱尾氣凈化器時被加熱并得到部分凈化，然后再流經蜂窩陶瓷主催化劑9，被進一步凈化。8為凈化器封裝外殼，蜂窩陶瓷主催化劑9為大連華克汽車配件公司生產的EU-II標準尾氣催化劑，體積為1.5升。
圖2中14為導電碳化硅泡沫陶瓷載體；15、16為石墨電極基座，其作用是在金屬電極和泡沫陶瓷之間起到過渡作用；10、11為金屬電極，通過釬焊方式與石墨基座連接。一個完整的電直熱尾氣凈化器可由一個或多個催化劑單元組合而成。在組合情況下，各催化劑單元通過電極之間焊接的方式連成將一個整體。凈化器的體積控制在100～400ml之間，厚度控制在10～50mm范圍內。
如圖3所示，本發明電控部分由控制單元4、功率組件5組成，所述控制單元4由電源處理單元供電，包括頻率信號處理單元、水溫信號處理單元、主控電路，其中頻率信號處理單元以單穩態觸發器U1為核心，輸入端(4腳)接汽車轉速傳感器3產生的頻率信號，并將其轉化成線性電壓信號，其輸出信號(經6腳)接至主控電路的一個輸入端；水溫信號處理單元以第一三極管T1為核心，對水溫信號進行放大，其基極接汽車水溫傳感器2產生的水溫信號，其發射極將放大的電壓信號輸入到主控電路的另一個輸入端；所述主控電路由第一～二比較器U3～U4、與非門電路U5及定時器U6組成，第一～二比較器U3～U4分別對頻率信號和水溫信號進行判斷處理(其中第一比較器U3同相端接經頻率信號處理單元處理的線性電壓信號，第二比較器U4負相端接由水溫信號處理單元處理的放大電壓信號)，輸出端經與非門電路U5進行邏輯與操作，再經第二三極管T2進行功率放大，然后接至定時器U6進行信號延時處理，最后將延時處理后的信號送至功率組件5；所述功率組件5由第三三極管T3、第一接觸器J1和第二接觸器J2組成，以二級推動結構接負載R1；具體為所述第三三極管T3輸入信號為定時器U6輸出端信號，其發射極接有二級接觸器，最后一級接觸器接負載R1的兩個電極10和11上；第三三極管T3集電級和二級接觸器均與車載蓄電池12V相連；所述負載R1為電直熱尾氣凈化器12；電源處理單元采用三端穩壓模塊U2給主控電路提供9V電源，三端穩壓模塊U2輸入端經車鎖開關K接車載蓄電池12V；另外，第一接觸器J1的輸出端與第二比較器U4的輸出端相連，用以維持第二比較器U4工作過程中的高電平，本發明所述負載R1為電直熱尾氣凈化器12。
本實施例中，單穩態觸發器U1采用CD4098芯片；第一～三三極管T1～T3采用芯片BU406；三端穩壓模塊U2采用芯片7809；第一～二比較器U3～U4共用芯片LM339；與非門電路U5采用CD4011芯片，電路連接利用芯片中的兩個與非門，其中一個與非門輸入端分別接第一～二比較器U3～U4的輸出端，與另一個與非門串連，輸出端接至第二三極管T2基極；定時器U6采用555芯片，進行信號延時處理；第一接觸器J1(9V)和第二接觸器J2(400A)負責給負載R1供電。
其工作原理如下當車鎖開關K打開時，控制單元4識別汽車的轉速信號；當轉速信號＜800轉/分時，功率組件5等待；當轉速信號＞800轉/分時，控制單元4識別汽車的水溫信號；當水溫信號大于預設溫度時，功率組件5等待；當水溫信號小于預設溫度時，功率組件5接通，通過汽車車載蓄電池給催化劑載體加熱，同時控制單元4開始記時；當時間等于預設時間，控制單元4使功率組件5斷開，停止車載蓄電池給催化劑載體加熱；完成一次循環，等待下一次車鎖開關K打開。
本發明尾氣凈化裝置主要由上述電直熱尾氣凈化器和智能型控制單元兩部分構成，凈化器中的催化劑以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體，具有良好、可控的導電性能，載體上涂敷有催化劑涂層；智能控制單元能夠接收來自控制單元平臺的冷卻水水溫和發動機轉速信號，并根據信號自主控制電直熱凈化系統通電與否的狀態。在車載電源供電的情況下，即可實現對汽車冷啟動階段排放污染物的提前凈化，使排放結果達到更嚴格的凈化標準。該方法具有效果好、汽車改造簡單、成本低的特點。
實施例和相關比較例各實施例和相關比較例均在長春汽車檢測中心進行，實驗車輛為CA7180A2E型紅旗轎車，測試采用EU-III方式。
實施例1①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為3M的NaOH溶液中浸泡8分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于120℃空氣氣氛中2小時烘干；②取γ-Al2O3120克、CeO260克、La2O36克、BaO 12克，混合后加水500克，球磨3小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于120℃空氣氣氛中干燥20分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到120g/(L催化劑)，最后于450℃焙燒5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬12分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度120℃，時間30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中500℃還原2小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
⑤根據催化劑的電阻以及貴金屬含量的具體要求選用一個或多個制備完畢后的催化劑單元，如果采用多個催化劑單元，則各單元之間為并聯關系，并通過在金屬電極上焊接金屬板的方式連接成一個整體，以2mm厚的不銹鋼板封裝后即可得到所需的電直熱尾氣凈化器。
實施例2與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2M的NaOH溶液中浸泡10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100℃空氣氣氛中4小時烘干；②取γ-Al2O3110克、CeO270克、La2O35克、BaO 15克，混合后加水500克，球磨2小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100℃空氣氣氛中干燥30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到130g/(L催化劑)，最后于460℃焙燒4.5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100℃，時間30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450℃還原4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例3與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為4M的NaOH溶液中浸泡5分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于150℃空氣氣氛中1小時烘干；②取γ-Al2O3130克、CeO250克、La2O32克、BaO 8克，混合后加水500克，球磨4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于150℃空氣氣氛中干燥20分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100g/(L催化劑)，最后于500℃焙燒4小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度150℃，時間20分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中480℃還原3小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例4與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為5M的NaOH溶液中浸泡5分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100℃空氣氣氛中4小時烘干；②取γ-Al2O3160克、CeO260克、La2O38克、BaO 8克，混合后加水500克，球磨3小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于150℃空氣氣氛中干燥20分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到150g/(L催化劑)，最后于480℃焙燒4小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl31克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬12分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度150℃，時間20分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中500℃還原2小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例5與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2M的NaOH溶液中浸泡10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于150℃空氣氣氛中1小時烘干；②取γ-Al2O3150克、CeO260克、La2O310克、BaO 10克，混合后加水500克，球磨2小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100℃空氣氣氛中干燥30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到120g/(L催化劑)，最后于450℃焙燒5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl30.2克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100℃，時間30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450℃還原4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例6與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2M的KOH溶液中浸泡10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100℃空氣氣氛中4小時烘干；②取γ-Al2O3120克、CeO260克、La2O310克、BaO 20克，混合后加水500克，球磨2小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100℃空氣氣氛中干燥30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100g/(L催化劑)，最后于450℃焙燒5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100℃，時間30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450℃還原4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例7與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為3M的KOH溶液中浸泡8分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于120℃空氣氣氛中2小時烘干；②取γ-Al2O3110克、CeO250克、La2O34克、BaO 6克，混合后加水500克，球磨3小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于120℃空氣氣氛中干燥25分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到120g/(L催化劑)，最后于480℃焙燒4.5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬12分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度120℃，時間25分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中480℃還原4.5小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例8與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為5M的KOH溶液中浸泡5分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于150℃空氣氣氛中1小時烘干；②取γ-Al2O3160克、CeO270克、La2O38克、BaO 16克，混合后加水500克，球磨4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于150℃空氣氣氛中干燥20分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到150g/(L催化劑)，最后于500℃焙燒4小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度150℃，時間20分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中500℃還原4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例9與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為4M的KOH溶液中浸泡8分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于120℃空氣氣氛中2小時烘干；②取γ-Al2O3110克、CeO250克、La2O32克、BaO 4克，混合后加水500克，球磨3小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于120℃空氣氣氛中干燥25分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100g/(L催化劑)，最后于450℃焙燒5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl30.2克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬12分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度120℃，時間25分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450℃還原5小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例10與實施例1不同之處是①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為3M的KOH溶液中浸泡10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于150℃空氣氣氛中1小時烘干；②取γ-Al2O3150克、CeO260克、La2O36克、BaO 16克，混合后加水500克，球磨4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100℃空氣氣氛中干燥30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到150g/(L催化劑)，最后于500℃焙燒4小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610克、RhCl32克，加水500克配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度150℃，時間20分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中500℃還原4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
實施例及相關比較例的結果見表1。表1中實驗1～10為實施例，實驗11～13為相關比較例。將各實施例與比較例的結果與EU-III標準相比較，可以發現在沒有裝配電直熱尾氣凈化器的情況下，排放結果全面超標；而在比較例11和13兩種條件下所得到的結果雖然比比較例12有所提高，但距離EU-III標準仍有較大差距。而實施例1～10的結果均達到了EU-III標準，并擁有較高的富余量。表明在通電條件下，電直熱尾氣凈化器能起到預期的凈化效果。
表1
權利要求
1.一種汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，包括電源、蜂窩陶瓷主催化劑(9)，蜂窩陶瓷主催化劑(9)安裝于與汽油發動機排氣管相連的凈化器封裝外殼(8)內，其特征在于還包括電直熱尾氣凈化器(12)及電控部分，其中電直熱尾氣凈化器(12)與蜂窩陶瓷主催化劑(9)一起安裝于與汽油發動機排氣管相連的凈化器封裝外殼(8)內，由泡沫陶瓷電直熱催化劑單元構成，泡沫陶瓷電直熱催化劑單元為以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的三效尾氣凈化催化劑、安裝于導電碳化硅泡沫陶瓷載體(14)兩端的石墨電極基座(15、16)、與二個石墨電極基座(15、16)分別相連的金屬電極(10、11)構成，電源通過金屬電極(10、11)與導電碳化硅泡沫陶瓷載體(14)構成回路，為導電碳化硅泡沫陶瓷載體(14)供電；電控部分與電直熱尾氣凈化器(12)電極相連。
2.按照權利要求1所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述電控部分由控制單元(4)和功率組件(5)組成，所述控制單元(4)由電源處理單元供電，包括頻率信號處理單元、水溫信號處理單元、主控電路，其中頻率信號處理單元以單穩態觸發器(U1)為核心，輸入端接汽車轉速傳感器產生的頻率信號，其輸出信號接至主控電路的一個輸入端；水溫信號處理單元以第一三極管(T1)為核心，其基極接汽車水溫傳感器產生的水溫信號，發射極至主控電路的另一個輸入端；所述主控電路由第一～二比較器(U3～U4)、與非門電路(U5)及定時器(U6)組成，第一～二比較器(U3～U4)分別接至頻率信號處理單元處理的線性電壓信號及水溫信號處理單元的放大電壓信號，其輸出端依次經與非門電路(U5)、第二三極管(T2)與定時器(U6)相連，定時器(U6)輸出端接至功率組件(5)；所述功率組件(5)為二級推動結構，其輸出端與負載(R1)的電極相連；另外，功率組件(5)的第一接觸器(J1)的輸出端與主控電路的第二比較器U4的輸出端相連。
3.按照權利要求2所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述功率組件(5)由第三三極管(T3)、第一接觸器(J1)和第二接觸器(J2)組成，其中第三三極管(T3)輸入信號為定時器(U6)輸出端信號，其發射極接有二級接觸器，最后一級接觸器接負載(R1)；其集電級和二級接觸器均與12V相連。
4.按照權利要求2所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述電源處理單元采用三端穩壓模塊(U2)給主控電路提供9V電源，三端穩壓模塊(U2)輸入端經車鎖開關(K)接12V。
5.按照權利要求2所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述負載(R1)為電直熱尾氣凈化器(12)。
6.按照權利要求1所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述金屬電極(10、11)通過釬焊方式連接在石墨基座(15、16)上。
7.按照權利要求1所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述電直熱尾氣凈化器(12)為一個或至少二個泡沫陶瓷電直熱催化劑單元組成，當凈化器由二個或二個以上單元構成時，各單元之間為并聯關系，通過電極之間焊接的方式連成一個整體，電直熱尾氣凈化器(12)的體積控制在100～400ml之間，厚度控制在10～50mm范圍內。
8.按照權利要求1所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述三效尾氣凈化催化劑，以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體，催化劑中涂層含量在100～150g/L催化劑之間，涂層中各物質的重量比為Al2O3∶CeO2∶La2O3∶BaO＝(55～80)∶(25～35)∶(1～5)∶(2～10)，催化劑中Pt和Rh的重量比為5∶(1～0.1)，Pt和Rh總含量為2～5g/L催化劑，所述泡沫碳化硅陶瓷按重量分數計，其成份由90％～98％的碳化硅和10％～2％的硅組成，其電阻在50～70mΩ之間。
9.按照權利要求8所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述碳化硅泡沫陶瓷以多邊型封閉環為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網絡；構成多邊形封閉環單元的陶瓷筋的相對致密度≥99％，平均晶粒尺寸在50nm～10μm。
10.按照權利要求8所述汽車尾氣電直熱三效凈化的裝置，其特征在于所述三效尾氣凈化催化劑的制備過程具體如下①將導電碳化硅泡沫陶瓷在濃度為2～5M的NaOH或KOH溶液中浸泡5～10分鐘，去除其表面的油污等雜質，之后用水清洗、再于100～150℃空氣氣氛中1～4小時烘干；②取γ-Al2O3110～160份、CeO250～70份、La2O32～10份、BaO 4～20份，混合后加水500份，球磨2～4小時得到涂層漿料；③將泡沫陶瓷在漿料中浸漬2～5分鐘，以壓縮空氣吹去多余漿料，然后置于100～150℃空氣氣氛中干燥20～30分鐘，冷卻后再次浸漬料漿。如此重復多次，直至使涂層含量達到100～150g/L催化劑，最后于450～500℃焙燒4～5小時，涂層制備完畢；④取H2PtCl610～15份、RhCl30.5～2份，加水500份配制成混合溶液，然后將帶有活性涂層的泡沫陶瓷在溶液中真空浸漬10～15分鐘，之后將浸漬后的陶瓷在烘箱中烘干，烘箱溫度100～150℃，時間20～30分鐘；烘干后的樣品在氫氣氣氛中450～500℃還原2～4小時，可得到以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的汽車尾氣三效催化劑。
全文摘要
本發明公開一種電直熱汽車尾氣凈化裝置，包括電源、電直熱尾氣凈化器、蜂窩陶瓷主催化劑，電直熱尾氣凈化器、蜂窩陶瓷主催化劑安裝于與排氣管相連的凈化器封裝外殼內，電直熱尾氣凈化器由泡沫陶瓷電直熱催化劑單元構成，泡沫陶瓷電直熱催化劑單元為以導電碳化硅泡沫陶瓷為載體的三效尾氣凈化催化劑、安裝于導電碳化硅泡沫陶瓷載體兩端的石墨電極基座、與二個石墨電極基座分別相連的金屬電極構成，電源通過金屬電極為導電碳化硅泡沫陶瓷載體供電。本發明催化劑具有良好、可控的導電性能，在車載電源供電的情況下，實現對汽車冷啟動階段排放污染物的提前凈化，使排放結果達到更嚴格的凈化標準，具有效果好、汽車改造簡單、成本低的特點。
文檔編號F01N3/24GK1704565SQ20041002065
公開日2005年12月7日 申請日期2004年6月2日 優先權日2004年6月2日
發明者張勁松, 楊振明, 曹小明, 劉強 申請人:中國科學院金屬研究所