本發(fā)明涉及一種帶熱交換的電三元催化器。

背景技術(shù)：

1、在社會車輛保有量巨大的前提下，車輛尾氣導(dǎo)致的空氣污染問題一直是熱點，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，內(nèi)燃機熱效率偏低，造成能源的巨大浪費，大部分能量被以高溫廢氣方式帶走的同時，大量污染物也伴隨著廢氣一起排放到大氣中，造成了大氣的污染，其主要污染成分為氮氧化物、一氧化碳和碳氫化合物。

2、現(xiàn)有的汽車尾氣處理主要是使用三元催化器，主流的三元催化器是通過在載體（如氧化鋁）表面覆蓋鉑、銠、鈀貴金屬及稀土涂層作為催化劑，在合適的溫度下促進尾氣的氧化還原反應(yīng)以達到凈化目的；而貴金屬的使用決定了其造價相對高昂。

3、基于貴金屬和稀土涂層催化劑的尾氣處理裝置，其良好的工作溫度范圍一般在400-800攝氏度，低于200攝氏度一般不起作用，而超過1000攝氏度則容易燒結(jié)造成永久失效，這也造成了車輛啟動階段和環(huán)境溫度較低的情況下排放不達標的情況。

4、排放標準的提升，特別是對顆粒排放的日益苛刻，更是對傳統(tǒng)三元催化技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種帶熱交換的電三元催化器，第一步尾氣通過等離子網(wǎng)，在缺氧環(huán)境下將氮氧化物離子化，離子態(tài)氧與尾氣中剩余的一氧化碳和碳氫化合物發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳和水，離子態(tài)氮在缺氧環(huán)境下重新生成氮氣；第二步是處理后的尾氣通過繞流隔板后，引入低通量外部有氧空氣，與尾氣混合后通過低溫燃燒網(wǎng)，剩余一氧化碳和碳氫化合物在有氧條件下燃燒生成二氧化碳和水；第三步是充分燃燒后的尾氣通過換熱器充分降溫，并通過換熱器實現(xiàn)能量回收利用；第四步是降溫后的尾氣通過活性炭濾網(wǎng)（或陶瓷濾網(wǎng)）和hepa濾網(wǎng)，實現(xiàn)尾氣無害化和顆粒捕獲；不使用貴金屬可降低成本，基于尾氣的熱回收利用可提高熱效率，尾氣降溫后方便進行顆粒捕獲可提升排放標準。

2、本發(fā)明實現(xiàn)方案分4個功能區(qū)域，包括了氮氧化物等離子分解區(qū)；一氧化碳及碳氫化合物低溫等燃燒區(qū)；熱交換降溫及能量回收區(qū)；降溫后尾氣無害化過濾及顆粒捕獲區(qū):

3、（1）氮氧化物等離子分解：作為尾氣主要污染物之一的氮氧化合物，是在高溫燃燒的過程中由氮氣與氧氣反應(yīng)生成，一般在超過1200攝氏度的情況下會大量生成，對燃燒溫度和供氧量的精準控制可減少氮氧化物的生成；而高溫條件下氮氧化物生成和分解是一個可逆的化學(xué)平衡反應(yīng)，富氧環(huán)境條件將促進氮氧化物的合成，而缺氧環(huán)境條件將促進氮氧化物的分解；在發(fā)動機工況正常的前提下，排出的尾氣處于缺氧的狀態(tài)，在等離子網(wǎng)陣列通入預(yù)設(shè)電壓的高壓直流電前提下，尾氣中氮氧化物通過等離子網(wǎng)陣列時被離子化，氮氧化物被分解為離子態(tài)氮和離子態(tài)氧，其中離子態(tài)氧更容易與殘余一氧化碳及碳氫化合物成分反應(yīng)，生成二氧化碳和水，而離子態(tài)氮在缺氧的狀態(tài)下將重新生成氮氣；

4、（2）一氧化碳及碳氫化合物低溫燃燒：尾氣通過等離子網(wǎng)陣列后，氮氧化物得到還原，但剩余的一氧化碳和碳氫化合物在缺氧的環(huán)境下很難去除，在使用繞流擋板與等離子網(wǎng)陣列分隔的前提下，使用微型氣泵（建議采購工業(yè)成品）引入低通量外部空氣，在提供氧氣的同時適當(dāng)降低尾氣的溫度，避免氮氧化物的再次生成，含氧空氣與尾氣混合后形成低濃度可燃氣，通過低溫燃燒網(wǎng)時在點火電壓（低于等離子分解電壓）作用下實現(xiàn)點火，實現(xiàn)可燃氣的低溫燃燒，將剩余一氧化碳和碳氫化合物氧化為二氧化碳和水，由于燃燒溫度較低，此過程不易生成新的氮氧化物；

5、（3）熱交換降溫及能量回收：尾氣通過等離子網(wǎng)陣列后總體溫度會有小幅的升高，與外部空氣混合后將會明顯下降，通過低溫等離子燃燒網(wǎng)后溫度又將輕微上升，總體溫度保持穩(wěn)定，尾氣中尚有較大熱能，通過換熱器的過程中，使用外界空氣作為冷卻介質(zhì)（冷媒），從設(shè)備尾端入口進入冷卻通道，在換熱器繞流擋板的作用下，沿螺旋曲線路線行進，高效吸取熱量后溫度升高從出口導(dǎo)出，高溫空氣可作為能量源進行發(fā)電、供暖或直接供給具有熱能回收的發(fā)動機使用，適當(dāng)調(diào)整換熱器的行程，可以將尾氣溫度降低至接近環(huán)境溫度，溫度降低的同時，尾氣中的水蒸汽將會變成液態(tài)水，換熱器后方設(shè)置有排水口，在排水口加裝自動排水器（建議采購工業(yè)成品），可實現(xiàn)在隔離外界空氣的前提下實現(xiàn)自動排水；

6、（4）降溫后尾氣過濾及顆粒捕獲：尾氣降溫并分離水分后，污染物已經(jīng)得到極大程度凈化，由于此時尾氣溫度已經(jīng)接近外界溫度，通過活性炭濾網(wǎng)（或陶瓷濾網(wǎng)）和高效空氣過濾（hepa）可以將尾氣進行更徹底的凈化，其中活性炭濾網(wǎng)可以吸附大部分有機污染物和過濾5微米以上顆粒，高效空氣過濾網(wǎng)（hepa）則可對2.5-5微米的顆粒實現(xiàn)高效過濾，陶瓷濾網(wǎng)也可達到相同的精度并能承受較高溫度。

7、本發(fā)明的三元催化器屬于主動型催化器，可對等離子網(wǎng)電壓、低溫燃燒網(wǎng)電壓和氣泵流量進行調(diào)節(jié)，并配合相應(yīng)溫度傳感器和氧傳感器的數(shù)據(jù)對催化器進行主動調(diào)整達到最佳運行狀態(tài)。

8、本發(fā)明采用可拆卸式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要部件如等離子網(wǎng)、過濾網(wǎng)可方便進行更換，降低維修和維護成本，高壓發(fā)生器、微型氣泵和自動排水器皆可使用成熟的工業(yè)成品，總體成本透明可控。

技術(shù)特征：

1.一種帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：沿尾氣排出方向，依次設(shè)置等離子網(wǎng)陣列、繞流隔板、外部進氣口、低溫等離子燃燒網(wǎng)、前傳感器、熱交換單元、后傳感器、排水口和過濾網(wǎng)，分別構(gòu)成等離子分解、低溫燃燒、換熱和過濾四個功能區(qū)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：三元催化器外殼使用不銹鋼材料，外表可噴涂或包裹隔熱材料。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：三元催化器外殼為可拆卸結(jié)構(gòu)，通過螺絲或螺栓等方式進行緊固連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：等離子網(wǎng)和低溫等離子燃燒網(wǎng)使用耐腐蝕高溫不銹鋼或鈦合金材質(zhì)，為蜂窩網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，邊沿和電極包裹陶瓷絕緣層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：相鄰的2個等離子網(wǎng)形成1個等離子體作用區(qū)域，通過電極分別連接等離子發(fā)生器的正負極，其正負電壓為對稱值，多組等離子網(wǎng)組成陣列，增加等離子作用區(qū)域范圍，尾氣通過等離子網(wǎng)后電荷總體呈現(xiàn)中性。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：相鄰的2個低溫燃燒網(wǎng)形成低溫燃燒區(qū)域，通過電極分別連接獨立的高壓發(fā)生器正負極，其點火電壓低于等離子網(wǎng)電壓，其正負電壓為對稱值，尾氣通過低溫燃燒網(wǎng)后總體電荷呈中性；也可將燃燒網(wǎng)首端（尾氣進入端）連接等離子發(fā)生器零電位，燃燒網(wǎng)次端（尾氣離開端）連接等離子發(fā)生器負電位，形成負電壓點火，尾氣通過低溫燃燒網(wǎng)后電荷總體呈現(xiàn)負性，具備負離子特征。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：換熱區(qū)管道和繞流隔板使用不銹鋼材質(zhì)，換熱冷媒一般使用空氣，在需提高換熱效率或特定情況下可使用水或油作為冷卻劑。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶熱交換的電三元催化器，其特征在于：過濾區(qū)沿尾氣行進方向分別安裝活性炭濾網(wǎng)（或陶瓷濾網(wǎng)）過濾網(wǎng)和高效空氣過濾網(wǎng)（hepa）。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種帶熱交換的電三元催化器，第一步尾氣通過等離子網(wǎng)，在缺氧環(huán)境下將氮氧化物離子化，離子態(tài)氧與尾氣中剩余的一氧化碳和碳氫化合物反應(yīng)生成二氧化碳和水，離子態(tài)氮在缺氧環(huán)境下重新生成氮氣；第二步是處理后的尾氣通過繞流隔板后，引入低通量外部有氧空氣，與尾氣混合后通過低溫燃燒網(wǎng)，剩余一氧化碳和碳氫化合物在有氧條件下燃燒生成二氧化碳和水；第三步是充分燃燒后的尾氣通過換熱器充分降溫，并通過換熱器實現(xiàn)能量回收利用；第四步是降溫后的尾氣通過活性炭（或陶瓷）和HEPA濾網(wǎng)，實現(xiàn)尾氣無害化和顆粒捕獲；不使用貴金屬以降低成本，基于尾氣的熱回收利用可提高熱效率，尾氣降溫后進行顆粒捕獲可提升排放標準。

技術(shù)研發(fā)人員：潘信睿,潘如奎
受保護的技術(shù)使用者：潘如奎
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23