汽车尾气高压静电除尘装置设计探析

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摘要：传统汽车尾气净化装置只能在一定程度上处理尾气中的化学物质，但是对于固体颗粒物等其他危害物质没有任何处理效果。基于此，笔者设计了一种新的汽车尾气除尘装置，该装置通过高压静电吸附的原理，利用电分解及催化反应的共同作用，处理汽车尾气中的PM2.5以及其他有害物质。实验结果表明，该装置明显提升了对汽车尾气中有害物质的过滤效果，有效降低了空气污染指数，应用前景广阔。

关键词：静电；除尘；汽车尾气

1研究背景及意义

随着国民经济的快速发展，我国已经成为世界汽车产销量大国。虽然电动汽车已经进入市场，但是燃油汽车仍占主流，汽车在给人们带来便利的同时也加剧了空气污染。汽车尾气已经成为城市空气污染最主要的来源之一。在燃油汽车排放的大量废气中，除二氧化碳和水蒸气为无害成分外，大部分都为有害成分。这些污染物本身就有很强的毒性，有的甚至通过相互作用形成二次污染。近年来，国家采取了一系列措施来减少汽车尾气的排放。目前，我国对汽车尾气的处理方法主要为“氧气-催化”的一段净化法，主要是利用氧化催化燃料装置。该装置虽然有一定的处理能力，但是对一氧化氮和固体颗粒物（PM2.5）没有处理作用。基于此，笔者设计了一种新的汽车尾气除尘装置。

2设计原理

2.1设计思路该装置的静电处理系统是以高压静电的方式对汽车尾气进行处理的。即利用高压静电除尘器的吸附效果，对尾气中的固体颗粒物进行吸附。当集尘板吸附大量的固体颗粒物（PM2.5）后，由位于各电极板下方的储尘机构进行收集，消灭其二次污染，解决废物的处理问题。同时利用稀土催化剂和高压静电，催化分解有害气体，从而达到对尾气中化学成分进行处理的目的，实现物理化学组合优化，对尾气进行全面净化处理。

2.2静电处理装置原理

2.2.1静电除尘系统。静电处理尾气的基本原理可以概括为：以高压静电的方式对汽车尾气进行处理，利用高压静电除尘器的吸附效果，对尾气中的固体颗粒物进行吸附，为后面的除尘做准备工作，从而达到对尾气中有害气体及固体颗粒物的处理目的[1]。它由静电发生器、阴极针、阳极板和储尘器组成。高温的汽车尾气通过净化装置时，经由阳极板与阴极针构成的静电场，使尾气中的固体颗粒物吸附到阳极板，通过震动，吸附在阳极板的PM2.5微粒掉落到极板下方的除尘器中，被集中收集，从而完成对固体颗粒物的处理。2.2.2储尘器及储尘监控系统。将含尘气体中的尘粒阻留在纤维织物上，从而使固体颗粒物可以被可靠地收集到储尘器中。因过滤织物通常做成袋状，所以设计袋式储尘器。传感器安装在汽车集尘袋的设计，可以有效监测集尘袋是否装尘过量，提示积尘装置的状态，可以让车主及时更换，从而延长集尘袋的使用寿命。2.2.3多功能催化器系统。将活性元素La、Ce组成的复合氧化物，涂到三个气室内壁及极板壁上，组成汽车尾气催化器。其中的催化剂是由活性涂层和贵金属组成的活化层构成的，主要作用是对有害物质进行处理。当尾气通过第二、三气室时碰撞极板，静电会与附着在气室表面的稀土催化剂配合分解尾气，在经过第一气室时尾气中的化学物质会进行初步电分解，再经由二、三气室促进催化分解作用，完成最终的处理。此过程即为化学电解促催尾气过程，对有害化学气体进行最终处理。

3高压静电除尘装置整体设计

3.1静电除尘系统设计

静电除尘器设计十分关键，它通过对设备主体的整体计算得知尾气除尘的最优方案。主要用来确定除尘器的大小、开孔数，以及集尘板的面积、效率、距离、高度、尾气的流动方向、储尘器的尺寸大小、材料选型、电源线路、所需功率等关键性的数据。1）静电除尘器的型号选用多区除尘器，即在不同区域进行对粒子的捕集，集尘极和放电极也放置在多个区域。本次设计由于烟气量大，故采用多级板分流式电除尘器[2]。2）电场风速的确定。尾气在电除尘器内流速大小的选取，由电除尘器规格大小和被处理尾气特性而定，一般在0.5m/h～1.5m/h的范围内。电场风速与收尘效率无关，但对具有一定尺寸收尘极板面积的电除尘器而言，过高的电场风速不仅使电场长度增加，占地面积增大，而且会引起粉尘二次飞扬，降低除尘效率。反之，在一定的处理烟气量条件下，过低的电场风速必然需要大的电场断面。这样导致设备大，不经济实用。所以电场风速的选取要适当，本设计中电场风速取1m/s。3）电除尘器截面积公式：F=Qv=18003600*1=0.5m2其中：F———电除尘器截面积m2；Q———处理烟气流量m3/h；V———电场风速m/s。静电除尘的新型高压直流电源的组成及原理主要是利用车载电瓶作为电源基础的，电瓶电源输出后经直流发生器和脉冲电压发生器产生所需电压。脉冲电压发生器的输出电压经电容后，和直流发生器的直流输出电压相叠加，使输出电压运行在高频调幅信号以下，同时输出电压平均值较高，保证了除尘效果。经全桥整流并滤波后变为较平滑的直流电，再经逆变器变为高频交流电，这是该电源的核心部分。由于多种因素的影响，频率一般选择在20kHz～40kHz，电源工作频率约为37kHz。采用集成电路，提供驱动信号，使之输出合适的电压和电流。通过调节设定电压值和电流值，可以调节直流发生器的输出电压，使它低于闪烁电压；调节脉冲电压发生器的输出电流，使它稍小于闪烁时的电流。因此，系统通过反馈电压来使直流输出电压恒定，通过比较设定电流值与反馈电流值来调节输出电流。电源模块中选用2个IGBT模块作为开关型全桥直-交变逆变器，每个IGBT模块中的2个功率管分别由输出的2个相位差180°的驱动信号，经光电隔离后进行门极驱动[3]。逆变电路工作在PWM控制方式。改变驱动信号的占空比将改变输出交流电压的脉冲宽度及有效值。当驱动信号占空比为0.5时，输出电压中的基波分量最大。

3.2多功能催化系统设计

静电分解系统是利用高压静电与介质发生非弹性碰撞，使能量转化成电子态介质的内能，发生激发、离解、电离等一系列过程使污染介质处于活化状态。污染介质在高压静电的作用下，产生活性自由电子，活化后的污染分子经过高压静电定向链式化学反应后被脱离。当离子平均能量超过污染介质中化学链结合能时，分子链断裂，污染介质分解，并在高压静电除尘发生器吸附场的作用下被收集。在低温静电除尘中，可能由污染介质成分决定发生的各类化学反应，这主要取决于高压静电除尘的平均能量、离子密度、气体温度、污染物介质浓度及共存的介质成分。现有汽车尾气除尘器功能比较单一，清洗不方便，且对尾气的处理不够全面、彻底，因此笔者设计出高压静电除尘装置，它可以有效地对汽车尾气中的有害颗粒物进行充分过滤，同时提高有害气体（如NOx、CO、CHx、SO2）的氧化还原反应，对汽车尾气进行彻底的净化处理。由高压静电发生器提供的高压静电，通过发生器产生的高压静电经导线传输到达阳极板、阴极板，在极板上堆积的电压由于间隙比较小，通电后在电场的作用下产生电晕放电，这些自由移动的离子改做定向移动，带负电荷的阴离子由于静电作用向阳极板移动，带正电荷的阳离子则向阴极板移动，并在两极上发生氧化还原反应。借助直流高压发生器引起氧化还原反应，在极板上就能把电能转化为化学能。发生器与直流电源负极相连的电极板叫阴极板，与直流电源正极相连的电极板叫阳极板。将尾气中的固体颗粒牢牢地吸附在集尘极板上，为后期的储尘做准备工作。在分解的过程中含有氮气，它无色无味，自然环境中约占空气体积的4/5。氮气化学性质不活泼，在汽车发动机工作时，汽缸中的空气中的氮气得到氧气，在阳极板与阴极板的电晕放电作用下电离分解产生一氧化氮。由于尾气中气体成分含量比较多，一氧化氮也会在得到氧气后生成二氧化氮。当一氧化碳经过极板时，在阴极板和阳极板的电晕放电作用下，会在排气管道内得到氧气，生成二氧化碳，在汽车尾气中还可以得到少许的氢氧根离子，最终生成二氧化碳和水。尾气中碳氢化合物在排气管道内得到氧气，能够生成二氧化碳和水，也能在汽车尾气中因得到少许的氢氧根离子而生成二氧化碳和水，从而起到净化作用。二氧化硫在阴阳极板的电晕放电分解作用下得到氧气，从而生成三氧化硫和少许的硫原子，达到充分的氧化还原反应，突出电解设备净化原理。在汽车内燃机为汽油型内燃机时，汽缸内会有大量的铅离子得到氧气后氧化还原生成氧化铅。

3.3主体结构设计

系统主体结构分成三大部分，分别为静电除尘器、多功能催化器、储尘机构。1）静电除尘器。静电除尘器气室之间以扩充型环形通道连接并加装均风网，从而进一步稳定气体，使其在静电分解中达到高效电离。储尘器机构位于各电极板下方，以汽车行驶震动和传动弹簧为基础吸附电离后的尘垢。电极板同样使尾气在三元净化基础上进一步加强净化，三个气室是在考虑计算相对体积基础下能最大效率稳流与最大限度降低尾气温度；也为最重要的处理部分创造了条件。2）多功能催化器。多功能催化器是由Ca、Sr和Ba等碱土金属元素以及Fe和In等过渡金属元素组成的复合氧化物，在氧化还原反应时进行第一步处理。静电除尘器吸附是有害气体分解的地方，同时也是本次创新的主题和内容。静电吸附除尘器通过密封管路与多功能催化器以及储尘器相连，管路中设置缓流装置，控制尾气平稳流动，尽可能地接触尾气，从而扩大反应面积。3）储尘机构。储尘器通过布袋集尘原理回收有害的固体颗粒物，属于储存器件，其上部还是集尘板的主要分布区域，是尾气处理的重要元件。静电除尘分解装置与除尘装置合二为一，目的在于减小面积的同时提高利用率，这是仅次于静电除尘的主要功能，主要是通过电离分解尾气中的有害部分从而达到处理目的的重要元件。

4应用前景

传统汽车尾气处理装置主要是利用三元催化原理对尾气中有害气体成分进行处理，由于这种处理方式会导致固体颗粒物得不到净化，所以汽车尾气仍是空气污染的主要来源。本设计创新点在于将传统尾气处理与高压静电处理方式相结合，从而实现了汽车尾气的全面净化处理，从根本上解决了汽车尾气排放污染问题[4]。目前，在人们对汽车的需求量不断攀升的同时，汽车尾气带来的环境问题如全球气温变暖、空气污染加剧等也值得关注。出于为环境保护尽一份力量的理念，笔者设计了这款利用高压静电除尘原理来对汽车尾气进行全面净化处理的作品。该装置可以大幅度减少汽车尾气中的有害气体和固体颗粒物，明显改善空气质量。本设计适用于各类大中小型汽油、柴油动力汽车，具有广泛的应用推广价值。

参考文献：

[1]陈杨，钱幺，李君喜.静电在空气净化器中的应用[J].纺织科技进展，2020(6)：38-41.

[2]王建军，黄世杰，童朱珏.高压静电型空气净化器研究及改进[J].家电科技，2017(8)：39-41.

[3]郑洋，孙婷婷，徐晓帆.智能控制技术在车辆工程的应用[J].南方农机，2017，48(3)：79+86.

[4]袁琳嫣.室内空气净化器技术应用研究进展[J].洁净与空调技术，2015(3)：46-50.

作者:杜伟伟 单位:黄冈职业技术学院