專利名稱：一種用于汽油機冷啟動工況的hc排放凈化系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于汽油機排放污染控制領域，尤其涉及用于凈化汽油機車廢氣中所含HC 的排放控制系統。
背景技術：
當汽油機處于冷啟動階段時，其節氣門開度較小，進氣管的真空度很高，進氣流速和溫度均很低，導致汽油霧化不良，蒸發差，難以與空氣形成均勻的可燃混合氣；另一方面， 缸內殘余廢氣濃度高，燃燒室的溫度低，發動機燃燒不穩定，容易出現失火等不正常燃燒現象，造成大量的未燃碳氫化合物生成。研究表明冷啟動階段排放的HC有70%至90%來自于冷啟動后的200s。汽油機通常裝有三效催化轉化器處理排氣。從發動機到催化轉化器的排氣流動可稱為排氣流。催化轉化器中的催化劑可對排氣流中的HC的氧化進行催化。可啟動時往往因為催化器未達到起燃溫度，導致一部分有害氣體未經凈化就排放，若是在冬天，有害成分未經凈化就排放的時間將會更長。為了達到高要求的排放標準，很多學者從各個方面對排放控制做了研究。如，前置催化轉化器、電加熱催化轉化器、化學加熱催化器、排氣燃燒器、碳氫吸附器、二次空氣噴射技術、旁通系統和耦合催化轉化器等。這些研究主要有兩個重點方向，一是通過物理或者化學方法快速加熱催化器；二是設計一個HC吸附裝置，通過暫時貯存HC有害物質，待到催化器達到活化時再將這些有害物質釋放，以利于催化器凈化，達到減少HC排放的目的。本發明主要通過第二種方法，設置有HC吸附裝置，結合前置催化器，對吸附催化裝置進行合理布局，并安裝控制閥門，使廢氣流速和路徑可控，來完成HC的吸附和凈化。另外，一般采用沸石分子篩作為吸附劑。沸石種類繁多，如SAP0-5、SAP0-34、 MCA-41、13X、5A、ZSM-5、i3型等等。這些沸石的吸附性能主要以吸附量為評價指標，脫附性能主要以脫附溫度為主要指標，其中ZSM-5-3型沸石吸附量達7. 87mL · β -2沸石對丙烯、丙烷的初始脫附溫度達400 410°C，脫附峰值溫度為470°C左右。可以考慮將它們進行一定比例物理混合后，作為吸附劑。吸附器和吸附催化器一般為蜂窩體或網格體結構，其內部構造也同樣影響吸附或者催化性能，文中提出一種特殊的構造，以增強廢氣同涂層的接觸，來提高吸附和凈化性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種減少廢氣中HC排放的系統，包括前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節流閥5、控制單元6、流速傳感器7、節流閥上游側HC濃度傳感器8、節流閥下游側HC濃度傳感器9、第一排氣管路10和第二排氣管路11。該系統可以更加高效率的凈化汽油機尾氣中所含有的碳氫化合物。為了達到該目的，本發明的工作方式是冷啟動暖機時，廢氣從前置三效催化器1進入系統，控制閥4使得HC從第一排氣管路11進入吸附器2被吸附，此時節流閥5處于關閉狀態，進入吸附器的HC能被高效地吸附，當流速傳感器7檢測到流速上升時，控制系統6 控制節流閥5逐漸打開至一定角度，以降低排氣背壓，同時保證HC繼續被有效的吸附，剩余廢氣流入吸附催化器3中將其加熱。當節流閥上游側HC濃度傳感器8檢測到HC時，即此時吸附器2已開始解吸HC，控制閥4逐漸打開，節流閥5逐漸關閉，大部分廢氣從第二排氣管路11進入吸附催化器3，吸附催化器繼續升溫，小部分廢氣從第一排氣管路10攜帶被解吸的HC緩慢流入吸附催化器3中，進入吸附催化器3的HC將有小部分被二次吸附，大部分被直接凈化，當節流閥下游側HC濃度傳感器9檢測不到HC時，即此時解吸完畢，節流閥5 完全關閉，控制閥4使得全部廢氣經由第二排氣管路11進入吸附催化器3。利用該系統，可以達到排放各項指標要求。本發明采用的技術方案是首先，三效催化劑在冷啟動階段不能進行催化，所以先將廢氣中的HC進行吸附。吸附器中的沸石分子篩內部具有架狀結構，在它們的晶體內分子像搭架一樣連在一起，使得內部有許多空腔。流動的氣體大分子和微粒經過沸石時，由于溫度較低，不穩定的氣體大分子不夠活躍，將被沸石吸附成為穩定狀態，當溫度升高時，大分子變得活躍起來，將從沸石上解吸。然后，對吸附劑的選擇。吸附劑的性能主要由吸附量和解吸溫度為評價指標。由資料得知，以丙烷和丙烯為模擬氣體，在諸多用于吸附HC的沸石中，ZSM-5-3表現出較大的吸附容量，為7. 87mL · g-1,即其表現出好的吸附性能，但是其對HC的解吸溫度較低，初始解析溫度為130°C左右，解吸峰值溫度也僅為170°C左右。而0_2沸石的脫附起始溫度達4201 左右，脫附峰值溫度達470°C左右，并且在高脫附溫度的沸石里面，其吸附量達3. 24mL -g"1, 即其有好的脫附性和較好的吸附性。本專利中，將一定比例的ZSM-5-3沸石粉末和β-2沸石粉末倒入球磨機中進行研磨，得到混合物，從而改善吸附劑的吸附和解吸性能，然后在硝酸銀溶液中浸漬，通過水離子交換法使得混合物帶上Ag+，進一步提高混合物的吸附量和解吸溫度，作為更優良的吸附劑。第三，吸附器和吸附催化器的單元內部結構的改進。增加廢氣流和涂層的充分接觸可以提高吸附和凈化性能，本專利所提出的吸附器和吸附催化器的單元中，通道上游部分橫截面積較下游部分橫截面積大，這樣在廢氣流過的時候，其與涂層的接觸更加充分，HC 能被更加有效的被吸附和凈化。具體下游涂層占整個廢氣通道的30% 50%。最后，吸附器的吸附率和被吸附氣體的溫度、濃度、壓強有關，通過閥門的閉合程度改變HC的流速、流量，并改變其余廢氣的流向，可使吸附器達到最佳吸附效率。同時，當節流閥上游側HC濃度傳感器8檢測到HC時，節流閥逐漸關閉，減緩了被吸附器2解吸的HC 進入吸附催化器3的時間，使得吸附催化器3有更多的時間被經由第二排氣管路11進入的廢氣加熱到活化溫度，當被解吸的HC緩慢進入吸附催化器3時，大部分將被直接催化凈化掉。
圖1為本發明的結構簡圖2為吸附器和節流閥部分放大圖；圖3為吸附器和吸附催化轉化器橫截面示意圖；圖4為吸附器單元橫截面示意圖；圖5為吸附器單元A-A面剖視圖；圖6為吸附催化器單元橫截面示意圖；圖7為吸附催化器單元B-B面剖視圖；圖8為發動機冷啟動初始時系統示意圖；圖9為吸附器吸附時系統示意圖；圖10為吸附器解吸時系統示意圖；圖11為發動機穩定工作時系統示意圖。圖中前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節流閥5、控制單元6、 流速傳感器7、節流閥上游側HC濃度傳感器8、節流閥下游側HC濃度傳感器9、第一排氣管路10和第二排氣管路11、堇青石載體12，ZSM-5-3與β -2沸石分子篩混合物13，三效催化轉化劑14。
具體實施例方式如圖3所示，吸附器2和吸附催化器3均采用網格體(具有46. 5個單元/cm2，壁厚0.0152cm且催化劑容量1.0L的堇青石整體載體)結構。其中吸附器2的單元橫截面示意圖如圖4所示，圖5為其A-A面剖視圖。將一定量的ZSM-5-3沸石和β_2沸石粉末，硅石溶膠和純水倒入球磨機中研磨，得到吸附劑淤漿溶液。將該淤漿溶液涂覆在堇青石載體上，于空氣流除去單元中過量淤漿溶液之后在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時，重復以上涂覆步驟，直到烘烤之后涂層重量為350g/dm3。然后，將吸附劑淤漿溶液再次涂覆到從通道下端起30% 50%長度的區域上， 重復涂覆步驟直到下端涂層重量為350g/dm3。之后，將其浸入100°C硝酸銀水溶液，并且硝酸銀水溶液的PH值不會破壞沸石的晶體結構，使得Ag+進入沸石中，而沸石中的金屬陽離子被置換出來，然后在50°C空氣流中干燥30分鐘。這樣即可得到攜帶Ag+的吸附劑涂層。圖6為吸附催化器單元橫截面示意圖，圖7為其B-B面的剖視圖。將一定量的 ZSM-5-3沸石和β -2沸石粉末，硅石溶膠和純水倒入球磨機中研磨，得到吸附劑淤漿溶液。 將該淤漿溶液涂覆在堇青石載體上，于空氣流除去單元中過量淤漿溶液之后在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時，重復以上涂覆步驟，直到烘烤之后涂層重量為350g/dm3。之后，將其浸入100°C硝酸銀水溶液，并且硝酸銀水溶液的PH值不會破壞沸石的晶體結構，使得Ag+進入沸石中，而沸石中的金屬陽離子被置換出來，然后在50°C空氣流中干燥30分鐘。這樣即可得到攜帶Ag+的吸附劑涂層。然后將三效催化劑粉末和純水倒入球磨機中研磨，得到的催化劑淤漿溶液涂覆在吸附劑上， 用空氣流除去過量的淤漿溶液后，在50°C空氣流中干燥30分鐘，然后在150°C空氣流中干燥15分鐘，再在400°C下烘烤1小時，重復以上步驟，直到涂層重量為66. 7g/dm3。然后，將催化劑淤漿溶液再次涂覆到從通道下端起30% 50%長度的區域上，重復涂覆步驟直到下端涂層重量為66. 7g/dm3。這樣即可得到催化劑涂層。 如圖8所示，整個裝置串接在發動機排氣管之后，廢氣從前置催化器1左端截面進入裝置，使其迅速升溫，控制閥4使得廢氣從第一排氣管路10進入吸附器2，此時節流閥5 處于關閉位置，進入的HC在吸附器中被充分吸附。當流速傳感器7檢測到廢氣的流速上升時，節流閥5逐漸打開，降低整個系統的排氣背壓，同時可以保持吸附器2高效吸附HC，其余廢氣進入吸附催化器3，并將其加熱，如圖9所示。當吸附器達到飽和，并開始釋放HC時，前置催化器已經達到活化溫度，進入系統的廢氣中暫無HC，當節流閥上游側的HC濃度傳感器 8檢測到HC時，吸附器2開始解吸HC，由控制單元6控制閥門4，使它逐漸打開，同時控制單元控制節流閥5，使它逐漸關閉，如圖10所示。這樣，一部分無HC廢氣從第二排氣管路11 直接進入吸附催化器3，并使其繼續升溫；另一部分無HC廢氣進入第一排氣管路10，并帶著解吸的HC流向吸附催化器3。同時，由于第一排氣管路中流速緩慢，再加上節流閥5關閉， 使得HC進入吸附催化器3的時間延長，這樣吸附催化器3獲得更多的升溫時間。到達吸附催化器3的HC小部分被二次吸附，然后被凈化，大部分被直接凈化。當節流閥下游側HC濃度傳感器9檢測不到HC存在時，吸附器2解吸HC完畢，此時第一排氣管路10中已無HC，控制閥4和節流閥5完全關閉，如圖11所示，此時發動機穩定運行，產生的HC被前置催化器和吸附催化器凈化處理。以此達到超低排放甚至零排放的目的。
權利要求
1.一種用于汽油機車冷啟動時HC排放的凈化系統，通過控制HC的流量和優化吸附器及吸附催化器內部結構，來達到凈化HC的目的。其包括前置三效催化器1、吸附器2、吸附催化器3、控制閥4、節流閥5、控制單元6、流速傳感器7、節流閥上游側HC濃度傳感器8、節流閥下游側HC濃度傳感器9、第一排氣管路10、和第二排氣管路11。
2.如權利要求1所述的汽車尾氣排放控制系統，主要目的是為了高效率的吸附汽油機廢氣中所含的碳氫化合物。其特征是，首先通過流速傳感器7控制節流閥5開啟，然后通過 HC濃度傳感器8、9控制節流閥5關閉，同時通過控制閥4改變廢氣流路徑，來完成HC吸附和凈化；并且在吸附器2和吸附催化器3中有特殊的內部結構設計，以使HC能被更好的吸附和凈化。
3.如權利要求1所述的吸附器2，其內部為特殊網格體結構。網格體每個單元具有作為廢氣通道的堇青石載體，具有HC吸附能力的ZSM-5-3和β -2沸石混合物涂覆在堇青石載體上。涂層上游和下游的吸附劑橫截面積不同，上游涂層的吸附劑橫截面積較下游涂層的吸附劑橫截面積大，具體下游涂層占整個廢氣通道的30% 50%。
4.如權利要求1所述的吸附催化器3，其內部為特殊網格體結構。網格體每個單元具有作為廢氣通道的堇青石載體，具有HC吸附能力的ZSM-5-3和β -2沸石混合物作為底部涂層，涂覆在堇青石載體上；對HC、NOx和CO有凈化作用的三效催化劑作為頂部涂層，涂覆在吸附劑涂層上。涂層上游和下游的吸附催化劑橫截面積不同，上游涂層的吸附催化劑橫截面積較下游涂層的吸附催化劑橫截面積大，具體下游涂層占整個廢氣通道的30% 50%。
5.如權利要求3和權利要求4所述的ZSM-5-3和β-2沸石混合物，主要通過物理的方式按一定比例混合，并且單獨對不同比例的混合物進行吸附及解吸試驗，選出吸附及解吸性能最佳的一組作為吸附劑。
6.如權利要求5所述的沸石混合物，可以通過離子交換法使其帶上銀離子以提高HC吸附容量和脫附溫度。
全文摘要
本發明提供了一種用于汽油機冷啟動工況的HC排放凈化系統。屬于汽油機排放污染控制領域，尤其涉及用于凈化汽油機車廢氣中所含HC的排放控制系統。首先通過對吸附劑材料的選擇和對吸附器、吸附催化器內部結構的改進，提高吸附和凈化效率；然后通過合理布置各個部分，達到對HC的控制。吸附劑選用吸附量較大的ZSM-5-3型沸石和解吸溫度較高的β-2沸石進行物理混合得到；吸附器和吸附催化器的廢氣通道上游較下游寬，使得廢氣流可以和吸附劑、催化劑進行更加充分的接觸；在冷啟動暖機時，流速傳感器7和節流閥上下游側濃度傳感器8、9傳遞信號給控制單元6，來適當的改變控制閥4和節流閥5的開閉程度，從而控制HC的吸附和凈化過程。
文檔編號F01N9/00GK102322319SQ20111019482
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月13日 優先權日2011年7月13日
發明者劉騰, 曾誼暉, 朱浩, 鄧元望, 鄂加強, 韓衛 申請人:湖南大學