低溫等離子汽車尾氣處理系統(tǒng)探討

1、低溫等離子汽車尾氣處理系統(tǒng)探討    摘要： 隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，人們對(duì)汽車尾氣排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格。主要針對(duì)低溫等離子汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，重點(diǎn)對(duì)于放電方式、等離子反應(yīng)器選型設(shè)計(jì)和電源方案進(jìn)行分析，對(duì)于提高汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定借鑒作用。 關(guān)鍵詞： 低溫等離子；汽車尾氣處理；放電方式；離子反應(yīng)器 中圖分類號(hào)：U4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16717597（2011）031017801 1 放電方式選擇 低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的。氣體放電是最適合用于處理汽車尾氣用的等離子發(fā)生方法，放電方式可分為輝光放電（Glow disch

2、arge）、 電暈放電（Corona discharge）、介質(zhì)阻擋放電（DBD-Dielectric barrier discharge）、射頻放電（Radio frequency discharge）及微波放電（Mi Crowave discharge）等。由于處理汽車尾氣一般都在常壓（105pa）下進(jìn)行，所以目前國(guó)內(nèi)外在常壓下產(chǎn)生低溫等離子的方式主要有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電兩種。 本文中，汽車尾氣排放物的凈化處理是在大氣壓下進(jìn)行，而且其廢氣流量較大，氣缸排出氣流溫度較高，容易對(duì)凈化裝置造成污染等等，這些因素是選擇等離子體放電方式及設(shè)計(jì)反應(yīng)裝置所必須考慮的。介質(zhì)阻擋放電是一種能夠在常壓下產(chǎn)

3、生低溫等離子體的有效放電形式，兼有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行的特點(diǎn)，電子密度高，而且快脈沖微放電通道是產(chǎn)生等離子體的主要空間，它們的大量存在有利于增加等離子體反應(yīng)空間，從而提高反應(yīng)裝置的有效利用率。 由于介質(zhì)阻擋放電電路中包含氣隙和介質(zhì)阻擋層，因此其放電現(xiàn)象與一般放電現(xiàn)象有所不同。通常認(rèn)為，當(dāng)介質(zhì)阻擋電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，電路在一個(gè)完整的周期內(nèi)包含未放電和放電兩個(gè)不同的狀態(tài)，當(dāng)裝置處于未放電狀態(tài)時(shí)，整個(gè)介質(zhì)阻擋放電電路可以認(rèn)為由介質(zhì)阻擋層電容Cd和氣隙電容Cg串聯(lián)構(gòu)成；當(dāng)裝置處于放電狀態(tài)時(shí)，氣隙電容被擊穿，此時(shí)氣隙電容可以等效為一個(gè)電壓方向與輸入電壓相反的電壓源或一個(gè)處于反相擊穿

4、狀態(tài)的齊納二極管，而且氣隙擊穿電壓是基本上維持不變的，這個(gè)電壓被稱為放電維持電壓Uz。 2 等離子反應(yīng)器的選型與設(shè)計(jì) 低溫等離子反應(yīng)器的設(shè)計(jì)情況直接影響汽車尾氣的凈化效率、電源能耗、放電穩(wěn)定性能及反應(yīng)器的使用壽命等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)考慮與電源匹配的匹配問(wèn)題，既能把能量有效地注入反應(yīng)器，又無(wú)沿傳輸線反應(yīng)，還能降低能耗。由于汽車排放的尾氣氣流速度和溫度較高，而且隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化范圍大，同時(shí)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)伴有一定強(qiáng)度的機(jī)械振動(dòng)。這就要求用于汽車尾氣處理的等離子反應(yīng)裝置要能夠適應(yīng)這些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下幾點(diǎn)原則：1）等離子反應(yīng)器應(yīng)具有較低的排氣背壓，不應(yīng)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟(jì)性

5、產(chǎn)生明顯的影響；2）等離子反應(yīng)器應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有害物質(zhì)均有明顯的凈化作用；3）等離子反應(yīng)器應(yīng)該不引入其他污染，如噪音等。 2.1 等離子反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里采用了具有雙層石英介質(zhì)（內(nèi)外兩個(gè)石英管中間為反應(yīng)區(qū)域）的介質(zhì)阻擋放電的同軸管式反應(yīng)器。它展現(xiàn)了低溫等離子體發(fā)生器與出口套筒兩部分可拆卸的特征。出口套筒做成可拆卸的一方面是為了便于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行清理，另一方面還可以根據(jù)需要在其中放置一些催化劑，利用催化劑與等離子協(xié)同反應(yīng)凈化汽車尾氣，其有效長(zhǎng)度可達(dá)40mm，可以達(dá)到更好的效果，降低凈化難度。延長(zhǎng)反應(yīng)容器的使用壽命。 2.2 等離子反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分析。電子的能量與產(chǎn)生的低溫等離子體有直接關(guān)系，而

6、在介質(zhì)阻擋放電的條件下，電子的平均能量取決于放電的折合電場(chǎng)強(qiáng)度。電子能量與電場(chǎng)強(qiáng)度有直接的關(guān)系，兩者幾乎成線性關(guān)系。低溫等離子體發(fā)生器的放電區(qū)域的設(shè)計(jì)方案采用內(nèi)外腔放電，將高壓脈沖電源產(chǎn)生的高壓脈沖加載到凈化器中的低溫等離子體反應(yīng)器的正負(fù)極上，在作為介質(zhì)的石英管的阻擋下產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電，從而在低溫等離子體反應(yīng)器的腔體內(nèi)產(chǎn)生低溫等離子體，該腔體包括內(nèi)腔與外腔，內(nèi)腔的低溫等離子由小石英管作為阻擋介質(zhì)，由中心不銹鋼絲和銅管作為電極；接通電源時(shí)，則銅管、小石英管和不銹鋼鋼絲三者之間又組成線筒式介質(zhì)阻擋放電，該放電區(qū)域稱為內(nèi)腔放電區(qū)域。外腔由大石英管作為阻擋介質(zhì)，由銅管和外圍不銹環(huán)形鋼絲作為電極。接通電

7、源時(shí)，其三者之間就組成筒筒式介質(zhì)阻擋放電，該放電區(qū)域稱為外腔放電區(qū)域。該等離子反應(yīng)器在常溫常壓下工作，無(wú)噪音，且理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限次放電，操作方便，低溫等離子反應(yīng)區(qū)的范圍是可調(diào)的，并且出口套筒區(qū)可方便拆卸，同時(shí)可以加入一些填充劑以改善處理效果。 3 電源方案設(shè)計(jì) 本文所討論的等離子高壓電源用于處理汽車尾氣，因此其必須符合車載要求。眾所周知，在汽車內(nèi)部有一個(gè)輸出12V的直流電，因此利用這一直流電為等離子高壓電源提供輸入電源。實(shí)現(xiàn)12V直流電（DC）到20KV高壓交流電（AC）的轉(zhuǎn)換有兩種方案： 12VDC直接經(jīng)過(guò)逆變電路和升壓變壓器直接升為高壓AC。這種方案變壓器匝數(shù)比要達(dá)到約1:1700，會(huì)造

8、成次級(jí)線圈匝數(shù)過(guò)多，體積太大，不利于車載需要，同時(shí)能量損耗過(guò)大，降低了傳遞效率。 12VDC經(jīng)過(guò)一級(jí)逆變放大后整流輸出，再經(jīng)過(guò)一級(jí)逆變升壓得到高壓AC。這種方案經(jīng)過(guò)了兩次DC、AC轉(zhuǎn)換，減小了相對(duì)的升壓比，有利于能量的傳遞和電路的穩(wěn)定，提高能量利用率。因此采用第二種方案，利用汽車12VDC輸入，經(jīng)過(guò)一次逆變升壓后，通過(guò)整流將12VDC變?yōu)楦邏褐绷麟?，然后?duì)高壓直流電再進(jìn)行二次逆變后，通過(guò)高頻高壓變壓器升壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出為高頻高壓的正弦波。在二級(jí)逆變電路中由于電壓和頻率均較高，對(duì)開關(guān)器件要求較高，為了提高能量的傳遞效率，選用IGBT作為二次逆變電路的功率開關(guān)器件，輸出電壓的調(diào)節(jié)通過(guò)二次逆變中IGBT

9、的關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，而頻率則借助于調(diào)整驅(qū)動(dòng)控制芯片的振蕩頻率來(lái)調(diào)節(jié)。 4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文研究目標(biāo)是通過(guò)對(duì)低溫等離子的研究，研制出用于處理汽車尾氣的低溫等離子凈化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為最終能夠?qū)崿F(xiàn)車載化奠定基礎(chǔ)。這套系統(tǒng)能夠直接使用車載直流電源進(jìn)行升壓處理，在常壓下利用高壓高頻電源以介質(zhì)阻擋放電方式產(chǎn)生低溫等離子，直接對(duì)汽車尾氣排放物進(jìn)行處理，通過(guò)等離子體中的高能電子、帶電粒子、自由基與自由原子、分子之間的復(fù)雜物理過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)，使汽車尾氣排放中的有害成分得以氧化或分解，從而達(dá)到對(duì)排放物的凈化目的。 5 結(jié)語(yǔ) 結(jié)合汽車尾氣流量較大，氣缸排出氣流溫度較高等具體情況，選擇介質(zhì)阻擋放電方式產(chǎn)生凈化汽車尾氣所需的低溫等離子體，初步對(duì)等離子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。最后分別對(duì)等離子高壓電源和低溫等離子汽車尾氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，對(duì)于今后汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定幫助。 參考文獻(xiàn)： 1丁興貴、李居