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)保意識的增強(qiáng)，人們對汽車尾氣排放的要求越來越嚴(yán)格。主要針對低溫等離子汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行探討，重點(diǎn)對于放電方式、等離子反應(yīng)器選型設(shè)計和電源方案進(jìn)行分析，對于提高汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計具有一定借鑒作用。 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：U4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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，電路在一個完整的周期內(nèi)包含未放電和放電兩個不同的狀態(tài)，當(dāng)裝置處于未放電狀態(tài)時，整個介質(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，氣隙電容被擊穿，此時氣隙電容可以等效為一個電壓方向與輸入電壓相反的電壓源或一個處于反相擊穿

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 低溫等離子反應(yīng)器的設(shè)計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)計過程中還應(yīng)考慮與電源匹配的匹配問題，既能把能量有效地注入反應(yīng)器，又無沿傳輸線反應(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)動機(jī)的工況變化范圍大，同時汽車發(fā)動機(jī)工作時伴有一定強(qiáng)度的機(jī)械振動。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)計時要考慮以下幾點(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)對汽車發(fā)動機(jī)機(jī)的動力性，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)對發(fā)動機(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。這里采用了具有雙層石英介質(zhì)（內(nèi)外兩個石英管中間為反應(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，其有效長度可達(dá)40mm，可以達(dá)到更好的效果，降低凈化難度。延長反應(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強(qiáng)度。電子能量與電場強(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，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，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，無噪音，且理論上可以實(shí)現(xiàn)無限次放電，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，同時可以加入一些填充劑以改善處理效果。 3 電源方案設(shè)計 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，會造

8、成次級線圈匝數(shù)過多，體積太大，不利于車載需要，同時能量損耗過大，降低了傳遞效率。 12VDC經(jīng)過一級逆變放大后整流輸出，再經(jīng)過一級逆變升壓得到高壓AC。這種方案經(jīng)過了兩次DC、AC轉(zhuǎn)換，減小了相對的升壓比，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)過一次逆變升壓后，通過整流將12VDC變?yōu)楦邏褐绷麟?，然后對高壓直流電再進(jìn)行二次逆變后，通過高頻高壓變壓器升壓來實(shí)現(xiàn)輸出為高頻高壓的正弦波。在二級逆變電路中由于電壓和頻率均較高，對開關(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)通過二次逆變中IGBT

9、的關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)，而頻率則借助于調(diào)整驅(qū)動控制芯片的振蕩頻率來調(diào)節(jié)。 4 系統(tǒng)總體設(shè)計 本文研究目標(biāo)是通過對低溫等離子的研究，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，直接對汽車尾氣排放物進(jìn)行處理，通過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)到對排放物的凈化目的。 5 結(jié)語 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，初步對等離子反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和分析。最后分別對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，對于今后汽車尾氣處理系統(tǒng)設(shè)計具有一定幫助。 參考文獻(xiàn)： 1丁興貴、李居