CN216894596U - 一种汽油机尾气后处理***及其车辆 - Google Patents

一种汽油机尾气后处理***及其车辆 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种汽油机尾气后处理***及其车辆，包括三元催化器、颗粒捕集器和用于向颗粒捕集器提供氢气的氢气喷射装置；其中，颗粒捕集器位于三元催化器的下游；氢气喷射装置设置于三元催化器的尾部出气段；三元催化器的催化剂载体的孔道内设置有用于使尾气中的至少一部分NO氧化为NO2的贵金属涂层；颗粒捕集器的载体孔道内设有用于吸附NO2后与H2反应生成NH3的第一涂层，以及能够与NO反应生成N2的第二涂层；第一涂层设置于第二涂层的上游部分。本实用新型提供的汽油机尾气后处理***能够使汽车发动机处于稀薄燃烧状态时，汽油机尾气后处理***依旧能够对尾气中的NO进行处理。

Description

一种汽油机尾气后处理***及其车辆
技术领域
本实用新型涉及汽车技术领域，具体而言，涉及一种汽油机尾气后处理***及其车辆。
背景技术
目前，汽油机的尾气后处理***主要由两大部分组成，一部分是三元催化器，另一部分是GPF(颗粒捕集器)。尾气后处理主要通过三元催化器完成，三元催化器所催化的三元素是尾气中的CO、HC、NO这三种主要污染物，将三者净化处理为无害物质。在三元催化器中，NO的净化处理主要通过与CO或HC反应生成氮气来实现的。
当下汽车行业已经开始研究稀薄燃烧技术。所谓稀薄燃烧技术通俗的讲，就是增加发动机汽缸内的空气量(常规汽油机的理论空燃比是14.7:1，而稀薄燃烧已经在挑战(20～30):1)。但当发动机处于稀薄燃烧状态时，三元催化器会出现不能净化处理NO的情况，这是因为发动机处于稀薄燃烧状态时，尾气中CO的排放会骤减到原来的30％～40％，而CO与HC又都会优先与O2反应，因此CO排放的不足将直接导致没有足够的CO来与NO反应，从而造成NO排放的增加。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种汽油机尾气后处理***及其车辆，以使汽车发动机处于稀薄燃烧状态时，也可以有效净化处理尾气中的NO。
为实现上述目的，第一方面，本实用新型提供了一种汽油机尾气后处理***，包括三元催化器和颗粒捕集器，颗粒捕集器位于三元催化器的下游，其特征在于，所述***还包括用于喷射H2的氢气喷射装置，所述氢气喷射装置设置于所述颗粒捕集器的上游；
其中，所述三元催化器的催化剂载体的孔道内设置有用于使尾气中的至少一部分NO氧化为NO2的贵金属涂层；
所述颗粒捕集器的载体孔道内设有用于吸附NO2后与H2反应生成NH3的第一涂层，以及用于使NH3与NO反应生成N2的第二涂层。
可选地，所述三元催化器包括催化器壳体，所述催化器壳体沿尾气流动方向依次分为头部进气段、中间段和尾部出气段，所述催化剂载***于所述中间段内，所述氢气喷射装置设置于所述三元催化器的尾部出气段；所述氢气喷射装置包括氢气喷嘴；所述氢气喷嘴的出气口伸入所述三元催化器的尾部出气段内部，并且所述氢气喷嘴的氢气喷射方向与尾气流动方向相反。
可选地，所述催化剂载体靠近所述尾部出气段的一端为出气端，所述氢气喷嘴的出气口距所述出气端的距离，为所述氢气喷嘴管径的3-5倍。
可选地，所述三元催化器的尾部出气段内还设置有多个叶片，多个所述叶片均位于所述氢气喷射装置的下游，以将所述氢气喷嘴喷射的H2与尾气混合均匀。
可选地，所述贵金属涂层为Pt涂层。
可选地，所述第一涂层设置于所述第二涂层的上游，其中，所述第一涂层为BaCO3涂层或者BaO涂层；所述第二涂层为V2O5涂层或WO3涂层。
可选地，所述***还包括控制***、氮氧传感器和氨传感器；其中，所述控制***用于接收所述氮氧传感器检测到的氮氧化物的含量，并基于接收到的氮氧化物的含量控制所述氢气喷射装置的H2喷射量；
所述控制***还用于接收所述氨传感器检测到的氨的含量，并基于接收到的氨的含量控制所述氢气喷射装置的H2喷射量。
可选地，所述氢气喷射装置还包括阀门；所述阀门，用于控制所述氢气喷嘴喷射H2。
可选地，所述控制***与所述阀门连接，所述控制***控制所述阀门是否开启。
第二方面，本实用新型提供一种车辆，包含上述第一方面所述的汽油机尾气后处理***。
本实用新型涉及一种汽油机尾气后处理***及其车辆，包括三元催化器、颗粒捕集器和用于向颗粒捕集器提供氢气的氢气喷射装置；其中，颗粒捕集器位于三元催化器的下游；氢气喷射装置设置于三元催化器的尾部出气段；三元催化器的催化剂载体的孔道内设置有用于使尾气中的至少一部分一氧化氮氧化为二氧化氮的贵金属涂层；颗粒捕集器的载体孔道内设有用于吸附二氧化氮后与氢气反应生成氨气的第一涂层，以及用于使氨气与一氧化氮反应生成氮气的第二涂层。本实用新型提供的汽油机尾气后处理***能够使汽车发动机处于稀薄燃烧状态时，汽油机尾气后处理***依旧能够对尾气中的NO进行处理。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型的汽油机尾气后处理***的结构示意图；
图2示出了本实用新型的另一汽油机尾气后处理***的结构示意图；
图3示出了本实用新型的汽油机尾气后处理***中三元催化器的催化剂载体剖面结构示意图；
图4示出了本实用新型的汽油机尾气后处理***中颗粒捕集器的载体的结构示意图；
图5示出了本实用新型的汽油机尾气后处理***中颗粒捕集器的载体剖面结构示意图。
附图标记说明：1、三元催化器；1-1、三元催化器的催化剂载体；1-2、贵金属涂层；1-3、三元催化器壳体；2、颗粒捕集器；2-1、颗粒捕集器的载体；2-2、第一涂层；2-3、第二涂层；3、氢气喷射装置；3-1、氢气喷嘴； 3-2、阀门；4、叶片；5、控制***；6、氮氧传感器；7、氨传感器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
相关技术中，车辆的排放***一般包括三元催化器和汽油机颗粒捕集器 (GPF)。其中，三元催化器所催化的三元素是尾气中的CO、HC、NO这三种主要污染物，通过如下反应式，使其被反应为无害物质：
CO+1/2O2→CO2 (1)
HC+O2→H2O+CO2 (2)
CO+NO→1/2N2+CO2 (3)
HC+NO→N2+H2O+CO2 (4)。
但当发动机处于稀薄燃烧状态时，尾气中CO的排放物会骤减到原来的 30％～40％，而CO与HC又都会优先与O2反应，因此CO排放的不足将直接导致没有足够的CO来与NO反应，从而造成NO排放的增加。由此会出现在稀薄燃烧情况下，现有汽油机尾气后处理***不能净化NOx的问题。
有鉴于此，本实用新型提供的汽油机尾气后处理***，当汽车发动机处于稀薄燃烧状态时，三元催化器内设置的贵金属涂层，如Pt涂层(可用Pt 涂层)，将尾气中的NO全部或部分氧化为NO2，GPF载体的孔道内，沿NO2流入方向的上游位置设置的第一涂层，当NO2流经GPF时，第一涂层中的 BaCO3(或者BaO)将NO2吸收固定，其原理如下：
BaO+2NO2+1/2O2→Ba(NO3)2 (5)
BaCO3+2NO2+1/2O2→Ba(NO3)2+CO2 (6)
但是，当GPF载体上50％的BaO或者BaCO3，反应生成Ba(NO3)2后，其公式(5)/公式(6)的反应就会变慢。因此，本实用新型借助氢气喷射装置向 GPF中提供氢气，与Ba(NO3)2发生反应，重新生成BaO或者BaCO3。本实用新型在GPF前设置“氢气喷射装置”，“氢气喷射装置”依托于氢气供给***进行工作。H2具有优秀的将Ba(NO3)2脱附出氮氧化物的能力。具体见下面公式：
Ba(NO3)2+CO2+8H2→BaCO3+5H2O+2NH3 (7)
Ba(NO3)2+CO2+3H2→BaCO3+2NO+3H2O (8)
进一步的，GPF载体的孔道内，沿NO2流入方向的下游位置设置的第二涂层(V2O5涂层或WO3涂层)，具有吸附NH3的能力，且可以把其周边流过的NO也同样吸附并促进其发生如下反应：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O (9)
更进一步的，NH3和NO的多少，与H2的喷射量有关，所以本实用新型在GPF后布置了氮氧传感器和氨(NH3)传感器，用于检测GPF后尾气中NH3和NO的含量变化。以供控制***控制氢气的喷射含量(当氢气喷嘴不喷射H2时，并不会出现Ba(NO3)2脱附出NO的现象；当氢气喷嘴喷射H2时，Ba(NO3)2脱附出NO。如果氨传感器监测到NH3超标(超过预设值)，可控制H2少喷，从公式(8)可知此时的NO会增多，NO会消耗掉GPF内的NH3。如果氮氧传感器监测到NO超标(超过预设值)可控制H2多喷，从公式(7)可知此时的NH3会增多。NH3会消耗掉NO)。
此外，为使进入GPF中的氢气能与尾气充分混合均匀，本实用新型将设置氢气喷嘴的出气口伸入三元催化器的尾部出气段内部，氢气喷嘴的H2喷射方向与尾气流动方向相反。并在三元催化器的尾部出气段内设置多个叶片，使得H2在进入GPF时已经与尾气充分混合均匀。
基于上述原理，本实用新型实施例提供了一种汽油机尾气后处理***，参考图1，图1示出了本实用新型实施例一种汽油机尾气后处理***的结构示意图，如图1所示，该***可以包括三元催化器1和颗粒捕集器2，颗粒捕集器2位于三元催化器1的下游，***还包括用于喷射H2的氢气喷射装置3，氢气喷射装置3设置于颗粒捕集器2的上游；其中，三元催化器1的催化剂载体1-1的孔道内设置有用于使尾气中的至少一部分NO氧化为NO2的贵金属涂层1-2；颗粒捕集器2的载体2-1的孔道内设有用于吸附NO2后与H2反应生成NH3的第一涂层2-2，以及用于使NH3与NO反应生成N2的第二涂层2-3。
其中，本实用新型通过在三元催化器1的催化剂载体1-1的孔道内设置贵金属涂层1-2，使流经三元催化器1的尾气中的至少一部分NO氧化为NO2； NO2进入颗粒捕集器2后，颗粒捕集器2的载体2-1的孔道内设置的第一涂层2-2吸附NO2后，可与氢气喷射装置3提供的H2发生反应生成NH3。同时，颗粒捕集器2的载体2-1的孔道内设置的第二涂层2-3能够使NH3与尾气中的NO反应生成N2，进而实现汽车发动机处于稀薄燃烧状态时，汽油机尾气后处理***依旧能够对尾气中的NO进行处理。
具体实现时，可继续参考图1，三元催化器1可以包括催化器壳体1-3，催化器壳体沿尾气流动方向依次分为头部进气段、中间段和尾部出气段，催化剂载体1-1位于中间段内，氢气喷射装置3设置于尾部出气段；氢气喷射装置3包括氢气喷嘴3-1；氢气喷嘴3-1的出气口伸入三元催化器的尾部出气段内部，并且氢气喷嘴3-1的H2喷射方向与尾气流动方向相反。在本申请中，催化剂载体1-1设置于中间段内，通过将氢气喷射装置3设置于三元催化器1的尾部出气段，并使氢气喷射装置3的氢气喷嘴3-1的出气口伸入三元催化器的尾部出气段内部，使得氢气喷嘴3-1的H2喷射方向与尾气流动方向相反，相当于H2的“流动路径被加长”，H2被吹散在三元催化器尾部内，使H2与尾气有更多混合的时间和空间，待H2与尾气形成一定的混合气流时，尾气带着H2一并进入颗粒捕集器2中。
在具体实现时，本申请一实施例中，催化剂载体1-1靠近尾部出气段的一端为出气端，氢气喷嘴3-1的出气口距出气端的距离，可以是氢气喷嘴3-1 管径的3-5倍。以保证氢气喷嘴3-1喷出的H2在三元催化器尾部有足够的移动距离和空间。
在具体实现时，参考图2，图2示出了本实用新型一汽油机尾气后处理***的结构示意图，如图2所示，在本实用新型一实施例中，尾部出气段内还设置有多个叶片4，多个叶片4均位于氢气喷射装置3的下游，每个叶片 4与尾部出气段的中轴线呈30-60度夹角，以将氢气喷嘴3-1喷射的H2与尾气混合均匀。本申请通过在三元催化器的尾部出气段内部设置多个叶片4，使H2与尾气在叶片4的作用下混合得更加均匀，进一步使得进入到颗粒捕集器2中的H2均匀的分布在载体2-1的每一个孔道内，避免出现H2在载体 2-1的部分孔道内的含量过高，导致部分孔道内的第一涂层2-2不能完全利用流经的H2造成H2部分浪费的问题，或者H2在载体2-1的部分孔道内的含量过低，导致部分孔道内的第一涂层2-2利用流经的H2产生的NH3不足，出现NO逃逸的问题。其中，每个叶片4与尾部出气段的中轴线的角度可以在30-60度范围内自由选择。
在具体实现时，参考图3，图3示出了本实用新型一汽油机尾气后处理***中三元催化器的催化剂载体剖面结构示意图。如图3所示，在本实用新型一实施例中，三元催化器1的催化剂载体1-1的孔道内的贵金属涂层1-2 可以为Pt涂层、Ag涂层或Rh涂层，Pt涂层中的贵金属Pt可以使尾气中的至少一部分NO氧化为NO2。具体应用时，可以将原三元催化器1中的Pd 涂层替换为Pt涂层。
在具体实现时，参考图4，图4示出了本实用新型一汽油机尾气后处理***中颗粒捕集器的载体结构示意图。如图4所示，在本实用新型一实施例中，第一涂层2-2设置于第二涂层2-3的上游，其中，第一涂层2-2为BaCO3涂层或者BaO涂层；第二涂层2-3为V2O5涂层或WO3涂层。
具体地，图4示出了颗粒捕集器2的载体2-1的结构示意图；参照图4 所示，载体2-1的孔道内设有第一涂层2-2结构(图中未示出)和第二涂层 2-3结构(图中未示出)。载体2-1的孔道内沿尾气流入方向的上游为第一涂层2-2，沿尾气流入方向的下游为第二涂层2-3(第一涂层2-2位于第二涂层 2-3的上游)。其中，第一涂层2-2与第二涂层2-3可以有不同的组合方式，以下进行详细说明：
示例的：在第一涂层2-2为BaCO3涂层的时候，第二涂层2-3可以为 V2O5涂层。具体参考图5，图5示出了颗粒捕集器2的载体2-1的剖面结构示意图，参照图5所示，颗粒捕集器2的载体2-1孔道与三元催化器1的催化剂载体结构相似；当尾气沿着流经方向进入颗粒捕集器2后，催化剂载体 2-1内部的第一涂层2-2(图中未示出)中的BaCO3材料首先吸附NO2后与H2反应生成NH3，进一步地，位于第一涂层2-2下游的第二涂层2-3(图中未示出)中的V2O5材料可实现NH3与NO反应生成N2，从而实现有效净化处理尾气中的NO。
示例的：在第一涂层2-2为BaCO3涂层的时候，第二涂层2-3还可以为 WO3涂层；
示例的：在第一涂层2-2为BaO涂层的时候，第二涂层2-3可以为V2O5涂层或者WO3涂层。
在具体实现时，在本申请一实施例中，***还包括控制***5、氮氧传感器6和氨传感器7；其中，控制***5用于接收氮氧传感器6检测到的氮氧化物的含量，并基于接收到的氮氧化物的含量控制氢气喷射装置3的H2喷射量；控制***5还用于接收氨传感器7检测到的氨的含量，并基于接收到的氨的含量控制氢气喷射装置3的H2喷射量。
继续参照图2所示，在本申请一实施例中，***还包括控制***5；控制***5用于接收氮氧传感器6检测到的氮氧化物的含量和氨传感器7检测到的氨的含量，如果氮氧传感器6监测到NO超标(超过预设值)，控制***5会控制H2多喷，此时，颗粒捕集器2内发生反应式7，产物中的NH3会增多。增加的NH3会消耗掉颗粒捕集器2内的NO(反应式9)。如果氨传感器7监测到NH3超标(超过预设值)，控制***5会控制H2少喷，此时，颗粒捕集器2内发生反应式(8)，产物中的NO会增加，增加的NO会消耗掉GPF内的NH3(反应式9)。
在具体实现时，在本申请一实施例中，氢气喷射装置3还包括阀门3-2，用于控制氢气喷嘴3-1喷射H2。
在具体实现时，在本申请一实施例中，控制***5与阀门3-2连接，由控制***5控制阀门3-2是否开启。
基于同一发明构思，本实用新型实施例还公开一种车辆，该车辆包括如本实用新型提供的汽油机尾气后处理***。其中，汽油机尾气后处理***的相关解释可参考上述实施例，在此不多赘述。
因该车辆设置有该汽油机尾气后处理***，因此，该车辆能够实现当发动机处于稀薄燃烧状态时，汽尾气后处理***依旧能够对尾气中的NO进行处理，有效降低车辆尾气对环境的污染。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种汽油机尾气后处理***，包括三元催化器(1)和颗粒捕集器(2)，颗粒捕集器(2)位于三元催化器(1)的下游，其特征在于，所述***还包括用于喷射H2的氢气喷射装置(3)，所述氢气喷射装置(3)设置于所述颗粒捕集器(2)的上游；
其中，所述三元催化器(1)的催化剂载体(1-1)的孔道内设置有用于使尾气中的至少一部分NO氧化为NO2的贵金属涂层(1-2)；
所述颗粒捕集器(2)的载体(2-1)的孔道内设有用于吸附NO2后与H2反应生成NH3的第一涂层(2-2)，以及用于使NH3与NO反应生成N2的第二涂层(2-3)。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述三元催化器(1)包括催化器壳体(1-3)，所述催化器壳体沿尾气流动方向依次分为头部进气段、中间段和尾部出气段，所述催化剂载体(1-1)位于所述中间段内，所述氢气喷射装置(3)设置于所述尾部出气段；所述氢气喷射装置(3)包括氢气喷嘴(3-1)；所述氢气喷嘴(3-1)的出气口伸入所述三元催化器的尾部出气段内部，并且所述氢气喷嘴(3-1)的H2喷射方向与尾气流动方向相反。
3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述催化剂载体(1-1)靠近所述尾部出气段的一端为出气端，所述氢气喷嘴(3-1)的出气口距所述出气端的距离，为所述氢气喷嘴(3-1)管径的3-5倍。
4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述尾部出气段内还设置有多个叶片(4)，多个所述叶片(4)均位于所述氢气喷射装置(3)的下游，每个所述叶片(4)与所述尾部出气段的中轴线呈30-60度夹角，以将所述氢气喷嘴(3-1)喷射的H2与尾气混合均匀。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述贵金属涂层(1-2)为Pt涂层。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一涂层(2-2)设置于所述第二涂层(2-3)的上游，其中，所述第一涂层(2-2)为BaCO3涂层或者BaO涂层；所述第二涂层(2-3)为V2O5涂层或WO3涂层。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括控制***(5)、氮氧传感器(6)和氨传感器(7)；其中，所述控制***(5)用于接收所述氮氧传感器(6)检测到的氮氧化物的含量，并基于接收到的氮氧化物的含量控制所述氢气喷射装置(3)的H2喷射量；
所述控制***(5)还用于接收所述氨传感器(7)检测到的氨的含量，并基于接收到的氨的含量控制所述氢气喷射装置(3)的H2喷射量。
8.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述氢气喷射装置(3)还包括阀门(3-2)；所述阀门(3-2)，用于控制所述氢气喷嘴(3-1)喷射H2。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括控制***(5)，所述阀门(3-2)与所述控制***(5)连接，所述控制***(5)控制所述阀门(3-2)是否开启。
10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的汽油机尾气后处理***。
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