一种三元催化尾气净化器和尾气净化方法与流程

本发明涉及汽车尾气净化领域，尤其涉及一种传热管式热电发电储能三元催化尾气净化器以及尾气净化方法。

背景技术：

三元催化器是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂(常用金属铂、铑、钯)将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H₂O)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN201412211，名称为三元催化转化器，该实用新型所述的三元催化转化器包括有管体和装在该管体内用于三元催化的净化剂，所述管体的前端和后端分别通过一个具有中心通孔的端盖与一个连接法兰相连接，在所述净化剂与所述管体之间装有衬垫层。但这种三元催化转化器在工作时进气口散热较快，催化剂处的催化温度较低，或达到理想催化状态温度(最佳的工作温度是400℃到800℃左右)的时间较长，以致催化转化效率低，甚至可能造成在发动机启动初期的催化转化效果达不到标准要求。为此，中国专利申请号为CN201210157728.6，名称为机动车尾气排放装置及机动车发动机尾气催化器，该系统所述机动车发动机尾气催化器包括有筒体和装在该筒体内用于三元催化的催化剂，以及进气端连接法兰，所述筒体前端与所述进气端连接法兰之间设有由内筒，套在该内筒外的外筒，以及装在所述内筒和所述外筒之间的隔热材料构成的进气管。由于机动车发动机尾气催化器可直接安装在发动机舱内，催化转化器能很快达到正常工作温度，有利于催化器启燃，更能提高催化剂的催化效率和使用时间，减少污染气体的排放。

同时，催化器工作时会产生大量的热量，热量使三元催化器内的温度升高，当温度超过1000℃时，催化体上的催化剂涂层就会烧结坏死，也极易发生车辆自燃事故。为了防止催化体烧结及防止车辆自燃，需要及时对三元催化器冷却降温。中国专利申请号为201510951237.2，名称为三元催化器风冷系统，该系统包括四通管、通气管、涡轮增压器、温度传感器和车载电脑，温度传感器固定在三元催化器上并连接至车载电脑。该发明意在提供一种三元催化器风冷系统，以汽车尾气为动力抽取空气冷却温度过高的三元催化器，同时保证冷却过程中三元催化器继续正常工作。但是，该专利技术不能解决催化器低温运行时催化效率低的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种三元催化尾气净化器，既能在发动机冷启动时快速达到催化温度，又能在工作时间过长后催化温度过高时，及时冷却催化剂涂层的温度，防止烧结坏死，还能同时回收利用冷却时散发的热能，极大地提高能源利用效率。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种三元催化尾气净化器，同时可以满足催化剂涂层快速升温和及时冷却的性能要求，还可以回收利用废弃热能，提高能源利用效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种三元催化尾气净化器，包括传热管、换热翅片、电磁感应线圈、温度传感器、温差发电片、电磁感应加热装置、自动升降压器、储电电瓶和逆变器，其中所述传热管具有热端和冷端，所述传热管热端设置于净化器外壳内部，所述传热管冷端设置于净化器外壳外部；所述传热管热端的表面设置有热端换热翅片和所述电磁感应线圈；所述传热管热端的表面和热端换热翅片上均覆盖有三元催化剂，所述温度传感器设置在所述热端换热翅片上，并与所述电磁感应加热装置相连；所述传热管冷端的表面设置有冷端换热翅片和所述温差发电片；所述温差发电片与所述自动升降压器相连，所述自动升降压器的输出端与所述储电电瓶的输入端相连，所述储电电瓶的输出端与所述逆变器的输入端相连，所述逆变器的输出端与所述电磁感应加热装置的输入端相连。

进一步地，所述净化器外壳采用具有防腐蚀性能的不锈钢材料。

进一步地，所述传热管采用中温热管，所述传热管的工质工作温度范围为400-800℃。

进一步地，所述热端换热翅片和冷端换热翅片采用导热金属材料。

进一步地，所述三元催化剂采用金属铂、铑或钯。

进一步地，所述温差发电片为圆弧形状。

本发明还提供了一种三元催化尾气净化方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、提供如权利要求1-6任一一种三元尾气净化器；

步骤2、当发动机运行且传热管热端的表面催化剂温度低于300℃时，电磁感应加热装置利用电磁感应线圈对所述传热管热端的表面催化剂进行加热，直到所述催化剂温度迅速达到300℃；

步骤3、当传热管热端的表面温度超过400℃时，传热管热端的热量不断传递到传热管冷端；

步骤4、传热管冷端表面的温差发电片利用传递的热量进行发电并储存在储电电瓶中；

步骤5、储电电瓶为电磁感应加热装置提供电能。

本发明设计一种基于传热管式冷却及电磁加热启动的三元催化尾气净化器，采取的方案是：带翅片的传热管热端为三元催化剂载体，其外表面涂有三元催化剂(即金属铂、铑或钯)并缠绕电磁感应线圈，构成尾气净化器安装在发动机排气管道内；传热管冷端外表面紧贴带有冷却翅片的温差发电片，置于尾气排气管道外。当发动机运行且传热管热端外表面催化剂温度低于300℃时，电磁感应加热装置开始工作；传热管内工作工质的工作温度范围是400-800℃，即当传热管热端温度超过400℃时，传热管开始工作，传热管热端的热量不断传递到传热管冷端，一方面可对传热管热端上的三元催化剂进行冷却，防止三元催化剂温度过高，另一方面，传热管冷端上的温差发电片将利用传递的热量进行发电并储存在电瓶中，为电磁感应加热装置提供电能，从而实现发动机尾气废热有效利用。

本发明和现有技术相比的有益效果包括利用电磁高效加热性能，使三元催化剂很快达到正常工作温度，有利于催化器启燃，提高催化剂的催化效率和使用时间，减少污染气体的排放；同时利用传热管导热条件可控性及高导热性能，防止三元催化剂由于长时间工作导致其温度过高，有利于延长催化剂使用寿命。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三元催化尾气净化器结构示意图；

图2是图1中A-A线方向的剖面图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本发明所述的三元催化尾气净化器包括净化器外壳1，传热管热端2，热端换热翅片3，电磁感应线圈4，温度传感器5，传热管冷端6，温差发电片7，冷端换热翅片8，自动升降压器9，储电电瓶10，逆变器11，电磁感应加热装置12。

传热管热端2安装在净化器外壳1内，传热管热端2外表面贴有热端换热翅片3，并缠绕有电磁感应线圈4，电磁感应线圈4与电磁感应加热装置12的电输出端相连，传热管热端2外表面和热端换热翅片3均涂有三元催化剂，温度传感器5紧贴在热端换热翅片3上，并与电磁感应加热装置12的控制端相连；传热管冷端6安装在净化器外壳1外，传热管冷端5外表面粘贴带有冷端换热翅片8的温差发电片7，温差发电片7的正、负极分别与自动升降压器9电输入端相连，自动升降压器9电输出端与储电电瓶10电输入端相连，储电电瓶10电输出端与逆变器11电输入端相连，逆变器11电输出端与电磁感应加热装置12的电输入端相连。

净化器外壳1采用具有防腐蚀性能的不锈钢材料，传热管采用中温传热管，传热管工质工作温度范围为400-800℃，热端换热翅片3和冷端换热翅片8采用导热性能好的金属材料，涂敷在传热管热端2外表面和热端换热翅片3上的三元催化剂采用金属铂、铑或钯，温差发电片7为圆弧形状，自动升降压器9将不稳定的电压转化为稳定的储电电瓶10的充电电压(通常为12V或24V)，逆变器11则将储电电瓶10的直流输出电流转化为220V,50Hz的交流电流用于驱动电磁感应加热装置12。

当发动机运行且传热管热端2外表面催化剂温度低于300℃时，电磁感应加热装置12开始工作，利用电磁感应线圈4对传热管热端2外表面催化剂进行加热，指导催化剂温度迅速达到300℃；当传热管热端2温度超过400℃时，传热管开始工作，传热管热端2的热量不断传递到传热管冷端6，从而有效防止催化剂温度过高，传热管冷端6上的温差发电片7将利用传递的热量进行发电并储存在储电电瓶10中，为电磁感应加热装置12提供电能，从而实现发动机尾气废热有效利用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。