CN108204267B - 一种电场强化的三元催化器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场强化的三元催化器，包括：壳体，其内部具有中空腔体；进气口，其设置在所述壳体一侧，与所述腔体一端连通；出气口，其设置在所述壳体另一侧，与所述腔体的另一端连通；第一接线孔位，其设置在所述壳体靠近进气口一侧的外部，并与所述腔体连通；第二接线孔位，其设置在所述壳体靠近出气口一侧的外部，并与所述腔体连通；其中，所述第一接线孔和所述第二接线孔分别连接高压激励电源两极；催化机构，其上涂覆有贵金属催化剂并支撑在所述壳体内部，能够连通所述高压激励电源，对汽车尾气进行催化；其中，所述催化机构与所述壳体、所述进气口、所述出气口同轴设置。本装置提高了催化效率，减少尾气排放。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，更具体地说，涉及一种汽车电场强化的三元催化器。
背景技术
随着国家法律法规对环保要求越来越严格，汽车尾气中含有大量的污染成分，对环境造成污染、危害人体健康，汽车发动机尾气处理技术显得尤为重要，这其中三元催化器是典型代表。
三元催化器是一种处理发动机尾气的装置，其有效成分是贵金属催化剂，主要作用是将发动机尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害物质通过催化作用使上述三种气体发生氧化还原反应转变为无害的二氧化碳、水和氮气。
金属表面发射电子现象原理：在金属的表面，一个自由电子受多个原子核的作用，它的势能如图2所示。图中横轴垂直于金属表面，表示距离金属表面的距离，纵轴表示电子的势能。在无限远处，势能为零，即Wa＝0。自由电子的最低能级是-Wa，能量再低于-Wa的电子为束缚电子，电子束缚在原子内，它不能越过离子之间的“势垒”而***。金属中自由电子的势能为时，它们虽然可以在金属中***，但是还不能脱离金属。必须由外界给这些电子足够的能量/>电子的动能才能够使它超过表面势垒而脱离金属表面而成为空间自由电子。从外部把能量传给这种自由电子的方式可以是外加电场以改变电子离开表面所需要的能量，这就是场致发射现象。
贵金属催化的基本原理：化学反应需要克服原子或分子外层价电子的势垒，一般通过原子或分子的热能来为价电子提供脱出功，从而产生带电荷的正负离子，形成化学反应的活性基团。原子中d或f轨道电子的脱出功很小，远低于其他轨道电子。因此，通常使用d或f轨道的原子作为催化剂，提供中间过渡状态的转移轨道和电子，产生带电的活性基团，促进化学反应。因此，催化作用核心来自于较低脱出功的转移轨道及其电子，通过改变原子核最外层价电子的脱出功，就可以改变催化效率。
目前催化剂所用的d或f轨道原子多为贵金属原子。
外加电场可以明显改变电子的脱出功，由于外电场的存在，使金属表面势垒变形，有部分电子透过势垒而脱离金属表面。这种现象称之为“场致发射”。现在考虑一个电子离金属表面的距离为x(比金属晶格大得多)时的情况，它的电场分布就像在金属表面另一边(-x)处有一个+e电荷。由此引起作用于电子上的力，称为“镜像力”。该力由库伦定律得
式中，ε0是真空中的介电常数，从∞处积分到x，得x距离处的势能
图3曲线1表示没有外电场时的势能曲线
设外加电场的幅值为E，它的方向垂直于金属表面，电子在这电场中的势能将等于
Wl＝-eEx
它是一条直线，图3曲线2表示-Wl＝eEx这一部分。这两部分合起来的总势能为
Wt＝We+Wt
或
图3的曲线3就是表示这一关系的曲线。由此可见，表面势垒确实降低了一定幅度。现在电子要脱离金属表面就不需要获得这么大的能量，只需要/>就可以。势垒的形状也改变了，现在它有一定的宽度，不像没有外电场时，它延伸到无限远。
外加电场并不必需要到场致发射的程度以产生自由电子，只要改变电子脱出功就可以提高催化效率。
贵金属电子脱离内表面或外表面时，因电子带负电荷，所以逆着电场的电力线运动。电子所在表面为催化反应进行的表面。
现有的三元催化器改进中，多从结构、催化剂载体方面进行改善。如中国实用新型专利CN201620955145对反应结构进行创新，设置两个反应仓以使反应更加充分；中国发明专利CN201611050380则使用微波加热对发动机尾气进行加热促使反应更加充分；申请公开的中国发明专利 CN201611014686引入温差发电为尾气调节合适温度。目前尚无从提高催化剂催化效率角度进行改善的方案。
发明内容
本发明设计开发了一种电场强化的三元催化器，对催化机构施加外加电场，通过改变贵金属原子核最外层价电子的脱出功，改变催化效率。
一种电场强化的三元催化器，包括：
壳体，其内部具有中空腔体；
进气口，其设置在所述壳体一侧，与所述腔体一端连通；
出气口，其设置在所述壳体另一侧，与所述腔体的另一端连通；
第一接线孔位，其设置在所述壳体靠近进气口一侧的外部，并与所述腔体连通；
第二接线孔位，其设置在所述壳体靠近出气口一侧的外部，并与所述腔体连通；
其中，所述第一接线孔和所述第二接线孔分别连接高压激励电源两极；
催化机构，其上涂覆有贵金属催化剂并支撑在所述壳体内部，能够连通所述高压激励电源，对汽车尾气进行催化；
其中，所述催化机构与所述壳体之间绝缘，且所述催化机构与所述壳体、所述进气口、所述出气口同轴设置。
优选的是，所述催化机构为多个相连的蜂窝载体孔，且其内壁涂覆有贵金属催化剂；
其中，选取若干蜂窝载体孔为负电孔，在其中通入高压负电，选取与所述负电孔相邻的多个蜂窝孔为正电孔，在其中通入高压正电。
优选的是，所述催化机构为多个第一细薄壁金属管总成，其包括：
多个第一细薄壁金属管，其内壁涂覆有贵金属催化剂；
金属电极丝，其外部由陶瓷包裹，设置在第一细薄壁金属管内部，并沿所述金属管轴线方向设置；
第一支撑架，其设置在所述壳体内部两端，用于支撑所述第一细薄壁金属管和所述金属电极丝的相对位置；
其中，所述第一细薄壁金属管连接高压负电，所述金属电极丝连接高压正电。
优选的是，所述催化机构为多个第二细薄壁金属管总成，其包括：
多个第二细薄壁金属管，其外壁涂覆有贵金属催化剂；
第二支撑架，其设置在所述催化机构内部两端，用于保持相邻所述第二细薄壁金属的相对位置；
其中，选取若干所述第二细薄壁金属管作为正电管，在其中通入高压正电，在所述正电管外部等间距的第二细薄壁金属管作为负电管，在其中通入高压负电。
优选的是，所述催化机构包括：
多个相互平行的金属板，所述金属板表面涂覆有贵金属催化剂；
保持机构，其设置在所述金属板之间，用于支撑所述金属板；
其中，所述金属板依次交替施加高压正电和高压负电，其中，所述金属板的平面方向与汽车尾气的流动方向平行，所述汽车尾气能够在相邻金属板之间的空隙轴向流动。
优选的是，所述金属板选用平面金属板或金属丝密布网结构。
优选的是，所述保持机构包括至少两根绝缘立柱。
优选的是，所述壳体的两端通过缓冲密封材料与所述进气口和所述出气口相连；
其中，所述缓冲密封材料为柔性材料。
优选的是，所述进气口和所述出气口采用绝缘材质。
本发明所述的有益效果：本发明专利可以促进一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化为无害的二氧化碳、水、氮气的转化反应速率，提高了催化效率，减少尾气排放，对环境保护起到了积极意义。
通过改变贵金属原子核最外层价电子的脱出功，就可以改变催化效率。在外加电场的作用下也可以达到贵金属催化剂原有的催化能力，使得廉价的金属在电场强化的三元催化器的运用成为可能。
附图说明
图1为本发明所述的电场强化的三元催化器的结构示意图。
图2为本发明所述的金属表面电子势能的示意图。
图3为外电场对势垒的作用示意图。
图4为本发明所述催化机构的实施例1的结构示意图。
图5为本发明所述催化机构的实施例1的局部电场示意图。
图6为本发明所述催化机构的实施例2的结构正视图。
图7为本发明所述催化机构的实施例2的结构侧视图。
图8为本发明所述的细薄壁金属管总成的结构示意图。
图9为本发明所述催化机构的实施例3的结构正视图。
图10为本发明所述催化机构的实施例3的结构侧视图。
图11为本发明所述催化机构的实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种电场强化的三元催化器，包括：进气口110、第一接线孔位120、壳体130、催化机构200、第二接线孔位140、排气口150。
实施例1
如图1和4所示，本实施例所描述的一种电场强化的三元催化器，包括：进气口110、第一接线孔位120、壳体130、催化机构210、第二接线孔位140、排气口150。其中，催化机构200紧密固定在壳体3内部，催化机构200与壳体130、进气口110、排气口150同轴，并且催化机构200与壳体130绝缘。
汽车尾气的进气管和排气管通过缓冲管分别进气口110和排气口150连接，其中，缓冲管的材质优选密封材料。进气口110和排气口150的材质选用绝缘材料。
在本发明中，作为一种优选，缓冲管选用绝缘的柔性材料。
在本发明中，作为一种优选，进气口和排气口的材质选用绝缘塑料。
如图1-4所示，催化机构210是在传统蜂窝载体的基础上进行改进得到的，传统蜂窝载体是多孔陶瓷材料，孔位内部涂覆有一层贵金属催化剂，如铂、铑、钯等。在本发明中，选取一个孔位，对其上的贵金属施加高压正电，对其周围六个孔位施加高压负电，按照此原则布置高压激励电源的分布，排布电场按图中虚线所示。因传统蜂窝载体内部为陶瓷材质，外表面涂覆贵金属材料，所以其具有各蜂窝孔贵金属绝缘的性质。
高压激励电源分别从第一接线孔位120和第二接线孔位140接入，第一接线孔位120和第二接线孔位140能使高压激励电源与壳体130良好绝缘且密闭。
工作原理：在电场强化的三元催化器工作时，发动机工作产生的尾气经由进气口110进入，经过催化机构210进入到内部蜂窝孔位之中，受到催化剂的影响，一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化为无害的二氧化碳、水、氮气的转化反应。
此时高压激励电源分别从第一接线孔位120和第二接线孔位140接入到催化机构210之中。高压激励电源数值要根据具体情况按照进行计算与实验得出。
高压激励电源电压选取原则：电压选取越大，电场场强就越大，贵金属电子脱出功越低，催化转化效率就越高，但电场场强过高会导致击穿短路，故电场电压需要综合考虑击穿电压和催化转化效率来确定。
如图5所示，催化机构210由于连接了高压激励电源在内部产生了如虚线所示方向的高压电场，贵金属催化剂电子受到电场力的作用在贵金属表面聚集，催化剂脱出功减小，进而提高催化剂的催化效率，使电场强化的三元催化器对尾气的催化转化能力得到提高。
需要补充说明的是，当电场在不击穿的前提下最够大时，催化剂脱出功明显下降，此时催化机构蜂窝载体孔内涂覆金属可以用非贵金属如镍、铜、钴等替代贵金属，以降低三元催化器成本。
实施例2
如图1和6所示，本实施例所描述的一种电场强化的三元催化器，包括：进气口110、第一接线孔位120、壳体130、催化机构220、第二接线孔位140、排气口150。其中，催化机构200紧密固定在壳体3内部，催化机构200与壳体130、进气口110、排气口150同轴，并且催化机构220与壳体130绝缘。
汽车尾气的进气管和排气管通过缓冲管分别进气口110和排气口150连接，其中，缓冲管的材质优选密封材料。进气口110和排气口150的材质选用绝缘材料。
在本发明中，作为一种优选，缓冲管选用绝缘的柔性材料。
如图6-8所示，催化机构220内部布置多个细薄壁金属管总成221，细薄壁金属管总成221包括多个第一细薄壁金属管221-b，在第一细薄壁金属管 221-b的内壁涂覆贵金属材料，在第一细薄壁金属管221-b的中心轴线布置一条陶瓷包裹的金属电极丝221-a。金属电极丝221-a和第一细薄壁金属管221-b 彼此不接触，其中，金属电极丝221-a加高压正电，第一细薄壁金属管221-b 接高压负电。同时金属电极丝221-a包裹的陶瓷可以保证第一细薄壁金属管 221-b和金属电极丝221-a互相绝缘。
另外，在催化机构220的内部两端设置网状陶瓷或石棉支架支撑各第一细薄壁金属管221-b和金属电极丝221-a，以保持各第一细薄壁金属管221-b 和金属电极丝221-a之间相对位置(网状陶瓷或石棉支架图中未示出)。
高压激励电源分别从第一接线孔位120、第二接线孔位140接入分别接入到第一细薄壁金属管221-b和金属电极丝221-a，第一接线孔位120和第二接线孔位140能使高压激励电源与壳体130良好绝缘且密闭。
工作原理：电场强化的三元催化器工作时，发动机工作产生的尾气经由进气口110进入，经过催化机构220中的细薄壁金属管总成221，进入到第一细薄壁金属管221-b内部。
此时高压激励电源分别从第一接线孔位120、第二接线孔位140接入到催化机构220之中。
催化机构220由于接通了高压激励电源而在细薄壁金属管总成221内部产生高压电场，此时第一细薄壁金属管221-b内壁中涂覆的贵金属催化剂中的电子会由于电场的作用向表面移动，导致电子的脱出功减小，此时的催化表面为内壁面。高压电场使催化剂脱出功减小，进而提高催化剂的催化效率，使电场强化的三元催化器对尾气的催化转化能力得到提高。
需要补充说明的是，当电场在不击穿的前提下最够大时，催化剂脱出功明显下降，此时电场强化的三元催化器细的第一薄壁金属管221-b内壁中涂覆金属可以用非贵金属如镍、铜、钴等替代贵金属，以降低电场强化的三元催化器成本。
实施例3：
如图1和图9、图10所示，本实施例所描述的一种电场强化的三元催化器，本实施例所描述的一种电场强化的三元催化器，包括：进气口110、第一接线孔位120、壳体130、催化机构220、第二接线孔位140、排气口150。其中，催化机构200紧密固定在壳体3内部，催化机构230与壳体130、进气口110、排气口150同轴，并且催化机构230与壳体130绝缘。
汽车尾气的进气管和排气管通过缓冲管分别进气口110和排气口150连接，其中，缓冲管的材质优选密封材料。进气口110和排气口150的材质选用绝缘材料。
在本发明中，作为一种优选，缓冲管选用绝缘的柔性材料。
在本发明中，作为一种优选，进气口和排气口的材质选用绝缘塑料。
催化机构230，内部布置多个第二细薄壁金属管231，每根第二细薄壁金属管231之间等间距均匀布置其他多个第二细薄壁金属管231，间距的选择要综合考虑电场电压以及避免击穿和相互绝缘来确定，具体布置方式如图10 所示。另外在催化机构230内部两端设置网状陶瓷或石棉支架支撑各第二细薄壁金属管231以保持各细薄壁金属管之间相对位置(网状陶瓷或石棉支架图中未示出)。
在第二细薄壁金属管231外表面涂覆贵金属催化剂。
在催化机构230中选取一根第二细薄壁金属管231，对其施加高压正电，其周围的其他第二细薄壁金属管231施加高压负电，按照此原则布置高压激励电源的分布。此时电子在催化机构230中接通高压负电的薄壁金属管外壁面聚集，外壁面为催化表面。
高压激励电源分别从第一接线孔位120、第二接线孔位140接入分别接入到第二细薄壁金属管231中，第一接线孔位120和第二接线孔位140能使高压激励电源与壳体130良好绝缘且密闭。
工作原理：电场强化的三元催化器工作时，发动机工作产生的尾气经由进气口110进入，经过催化机构230，进入到由各第二细薄壁金属管231与壳体130所围成外部空间。
此时高压激励电源分别从第一接线孔位120、第二接线孔位140接入到催化机构230之中。
催化机构230由于接通了高压激励电源而在第二细薄壁金属管231内部产生高压电场，此时接通高压负第二电细薄壁金属管231内壁中的电子会由于电场的作用向第二薄壁金属管231外表面移动，故第二薄壁金属管231外表面为催化表面，导致电子的脱出功减小。高压电场使催化剂脱出功减小，进而提高催化剂的催化效率，使电场强化的三元催化器对尾气的催化转化能力得到提高。
需要补充说明的是，当电场在不击穿的前提下最够大时，催化剂脱出功明显下降，此时第二细薄壁金属管231外表面涂覆金属可以用非贵金属如镍、铜、钴等替代贵金属，以降低电场强化的三元催化器成本。
实施例4：
如图1和图11所示，本实施例所描述的一种电场强化的三元催化器，包括进气口110、第一接线孔位120、壳体130、催化机构220、第二接线孔位 140、排气口150。其中，催化机构200紧密固定在壳体130内部，催化机构 240与壳体130、进气口110、排气口150同轴，并且催化机构230与壳体130 绝缘。
汽车尾气的进气管和排气管通过缓冲管分别进气口110和排气口150连接，其中，缓冲管的材质优选密封材料。进气口110和排气口150的材质选用绝缘材料。
在本发明中，作为一种优选，缓冲管选用绝缘的柔性材料。
在本发明中，作为一种优选，进气口和排气口的材质选用绝缘塑料。
催化机构240，内部设置有数个平行布置的金属电极板241。金属电极板 241表面涂覆贵金属催化剂，由两根或多根立柱组成的保持机构242负责支撑金属电极板241。其中，保持机构242选择绝缘材料，
在本发明中，作为一种优选，保持机构选用陶瓷材料，使得保持机构242 与金属电极板相互绝缘。
各层平行布置的金属电极板241分别接通高压激励电源正负极，正负极按照图11所示交叉布置。平行布置的金属电极板241平面与进入电场强化的三元催化器的尾气流动方向平行，即发动机尾气在各层金属电极板241之间的空隙轴向流动。
其中，所述金属电极板241可以选用平面金属板或金属丝密布网等结构材质，在本发明中，作为一种优选，金属电极板241优选的是金属丝密布网。
高压激励电源正负极分别从预留接线孔位2接入分别接入到相应的金属电极板上，预留接线孔位2能使高压电与壳体130良好绝缘且密闭。
工作原理：电场强化的三元催化器工作时，发动机工作产生的尾气经由进气口1进入电场强化的三元催化器，经过三元催化载体4-4中金属电极板 241之间的间隙。
高压激励电源分别从第一接线孔位120、第二接线孔位140接入分别接入到第二细薄壁金属管231中，第一接线孔位120和第二接线孔位140能使高压激励电源与壳体130良好绝缘且密闭。。
催化机构240由于接通了高压激励电源而在各个金属电极板241之间产生高压电场。
由于电场的作用，电子将会聚集在金属电极板241表面。高压电场使催化剂的电子脱出功减小，进而提高催化剂的催化效率，使电场强化的三元催化器的尾气流过金属电极板241间隙时，金属电极板表面贵金属对尾气的催化转化能力得到提高。
需要补充说明的是，当电场在不击穿的前提下最够大时，催化剂脱出功明显下降，此时电场强化的三元催化器金属电极板241表面涂覆金属可以用非贵金属如镍、铜、钴等替代贵金属，以降低电场强化的三元催化器成本。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (2)
1.一种电场强化的三元催化器，其特征在于，包括：
壳体，其内部具有中空腔体；
进气口，其设置在所述壳体一侧，与所述腔体一端连通；
出气口，其设置在所述壳体另一侧，与所述腔体的另一端连通；
第一接线孔位，其设置在所述壳体靠近进气口一侧的外部，并与所述腔体连通；
第二接线孔位，其设置在所述壳体靠近出气口一侧的外部，并与所述腔体连通；
其中，所述第一接线孔和所述第二接线孔分别连接高压激励电源两极；
催化机构，其上涂覆有贵金属催化剂并支撑在所述壳体内部，能够连通所述高压激励电源，对汽车尾气进行催化；
其中，所述催化机构与所述壳体之间绝缘，且所述催化机构与所述壳体、所述进气口、所述出气口同轴设置；
所述催化机构为多个第二细薄壁金属管总成，其包括：
多个第二细薄壁金属管，其外壁涂覆有贵金属催化剂；
第二支撑架，其设置在所述催化机构内部两端，用于保持相邻所述第二细薄壁金属的相对位置；
其中，选取若干所述第二细薄壁金属管作为正电管，在其中通入高压正电，在所述正电管外部等间距的第二细薄壁金属管作为负电管，在其中通入高压负电；
所述壳体的两端通过缓冲密封材料与所述进气口和所述出气口相连；
其中，所述缓冲密封材料为柔性材料。
2.根据权利要求1所述的电场强化的三元催化器，其特征在在于，所述进气口和所述出气口采用绝缘材质。
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