一種汽車尾氣電子凈化裝置

榮獲：第二屆深港技術(shù)創(chuàng)新大賽航盛杯汽車電子應(yīng)用方案大賽 二等獎(jiǎng)
陶顯芳 2010-12-1

一、獲獎(jiǎng)感言

他與商店中柜臺上擺放的商品相比，他的樣子顯得很丑陋；但他與肖克利發(fā)明的晶體管相比，并不顯得遜色。他現(xiàn)在還不是一個(gè)產(chǎn)品，他只代表一種新的技術(shù)正在誕生；也許將來，他也會與肖克利發(fā)明的晶體管一樣進(jìn)入歷史的博物館。他的誕生，不是要給人們展示自己的美麗和漂亮，而是要給人類造福。本發(fā)明的《汽車尾氣電子處理裝置》技術(shù)，將使人們擺脫，一直以來忍受汽車尾氣污染空氣之苦。





二、一個(gè)人類緊迫需要解決的問題

截止到2010 年3 月，全國機(jī)動車保有量約1．92 億輛，其中，汽車7000 多萬輛，并且繼續(xù)保持較快增長勢頭，估計(jì)到2010 年年底超過7500 萬輛，年平均遞增17%。在汽車數(shù)量強(qiáng)勁增長的同時(shí)，中國的汽油年消耗量也達(dá)到5500 萬噸，汽油在汽車發(fā)動機(jī)中燃燒以后，大部份物質(zhì)都被轉(zhuǎn)化成有毒氣體向空中排放，使空氣污染越來越嚴(yán)重。

汽車尾氣污染物主要包括：一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔?、二氧化硫、煙塵微粒（某些重金屬化合物、鉛化合物、黑煙及油霧）、臭氣（甲醛等）。目前，汽車尾氣已經(jīng)成為城市空氣污染的“元兇”，在一些城市中，汽車尾氣污染已經(jīng)占空氣污染源的80%。由于汽車尾氣污染，很多城市，已經(jīng)令人感到難以忍受的地步，人們已經(jīng)看不到藍(lán)天，渾濁的空氣使大白天的能見度不到200 米，不但交通事故增加，還會使人們精神壓抑，呼吸困難，增生各種疾病，嚴(yán)重影響人們的身體健康。

為了人類的健康，解決汽車尾氣污染問題——即汽車尾氣凈化處理問題，已經(jīng)成為人類緊迫需要解決的問題。

本人參加航盛杯汽車電子應(yīng)用方案大賽的目的，就是想向所有關(guān)心汽車尾氣污染問題的人們展示自己的一種技術(shù)設(shè)想——一種能夠?qū)崿F(xiàn)汽車尾氣凈化處理的技術(shù)方案，或一種汽車尾氣凈化裝置。

三、一種汽車尾氣電子凈化裝置

目前，汽車尾氣凈化裝置有多種形式，如：現(xiàn)在普遍使用的三元催化劑凈化器，還有多元催化劑凈化器，以及，臭氧凈化器，臭氧加水氣凈化器，臭氧加催化劑凈化器。

但這些現(xiàn)有技術(shù)各有欠缺，三元催化劑凈化器以及多元催化劑式凈化器，雖然對碳?xì)浠衔锛耙谎趸己偷趸锏奈掌鸬揭欢ǖ淖饔?，但對其它煙塵微粒吸收作用甚微，而且催化劑的使用壽命一般很短，需要經(jīng)常更換，成本高；還有，催化劑一般都含有稀有重金屬，活性重金屬對人體是有毒的，因此，對催化劑使用過后有毒物質(zhì)的回收也是個(gè)麻煩事情。臭氧加水氣凈化器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且笨重，還需經(jīng)常更換水，成本高，使用不方便。臭氧加催化劑凈化器與三元催化劑凈化器在技術(shù)性能方面，并沒有明顯增加，但成本增加了不少，同樣存在很多缺點(diǎn)。

針對目前汽車尾氣凈化裝置的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一種汽車尾氣電子凈化裝置，不但避免了很多上述汽車尾氣凈化裝置在技術(shù)方面的不足之處，并使汽車尾氣凈化處理能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

本發(fā)明的一種汽車尾氣凈化裝置（專利申請?zhí)枺?01010261026.3），是一種利用高壓靜電對汽車尾氣（廢氣）中的煙塵微粒進(jìn)行電離、充電，然后再通過強(qiáng)電場對帶電煙塵微粒進(jìn)行吸引收集的汽車尾氣電子凈化裝置。由于電場力能夠穿透物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，強(qiáng)電場可以使分子電離或極化帶電，從而破壞物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，使汽車排放廢氣中的有害氣體物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)或混合物被肢離破解，使之轉(zhuǎn)化成非有毒物質(zhì)。

利用這種汽車尾氣電子凈化裝置，能非常有效地對汽車排放廢氣中的有害氣體及煙塵微粒進(jìn)行吸引收集，還可以使廢氣中一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，然后再把二氧化碳分解為氧氣和碳素物質(zhì)，使汽車廢氣中的有害煙塵微粒牢牢地被吸附、固化在汽車尾氣電子凈化裝置中的煙塵收集板上，然后待煙塵收集板上收集的有害煙塵廢物被積累到一定厚度之后，在強(qiáng)電場力的作用下通過極間打火，使已被固化在煙塵收集板上的有害煙塵廢物脫落并被排出，從而減少廢氣污染凈化環(huán)境，有益于人類健康。

煙塵收集板的工作原理與電絮凝或電鍍的工作原理非常相似，只不過電絮凝或電鍍槽中兩個(gè)電極之間的電介質(zhì)是電解液，而煙塵收集板之間的電介質(zhì)是帶電的廢氣微粒，在強(qiáng)電場的作用下，帶電的廢氣微粒與電解液一樣，同樣會導(dǎo)電，只是兩者的電導(dǎo)率和電位梯度差別比較大。當(dāng)電解液中有電流通過的時(shí)候，帶正電的電解質(zhì)就會向負(fù)極板跑，而帶負(fù)電的電解質(zhì)就會向正極板跑，因此，電絮凝或電鍍就是一種電離子沉積的過程，利用電極通過電流，使金屬附著在物體表面上。

根據(jù)這個(gè)原理，在煙塵收集板中，帶電煙塵物質(zhì)在強(qiáng)電場的作用下，廢氣煙塵微粒將很容易被沉積、附著在帶電的煙塵收集板表面上。因此，這種汽車尾氣電子凈化裝置與其它汽車尾氣凈化器相比，不但結(jié)構(gòu)簡單而且對汽車尾氣凈化處理非常有效。

本發(fā)明的一種汽車尾氣電子凈化裝置主要由一個(gè)條柵結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)帶高壓正電的陽極極板、一組相互絕緣并分別帶高壓正電和負(fù)電的煙塵收集板、以及高壓電源等三部份組成；條柵結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)帶高壓正電的陽極極板安裝在煙塵收集板的前面，并與煙塵收集板用絕緣材料固定于一個(gè)殼體中，煙塵收集板中的陽極極板與陰極極板之間也用絕緣材料進(jìn)行隔離，并固定于同一個(gè)殼體之中；高壓電源有兩組高壓電輸出，一組用于條柵結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的陽極極板，另一組用于煙塵收集板，兩組高壓電輸出的負(fù)極都連接在一起，并與煙塵收集板中的陰極極板連接；條柵結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)帶高壓正電的陽極極板稱為第一高壓陽極極板，與它連接的高壓電源的一組高壓電的正極稱為第一高壓陽極，煙塵收集板中的陽極極板稱為第二高壓陽極極板，與它連接的高壓電源的另一組高壓電的正極稱為第二高壓陽極。

圖1、圖2、圖3 分別是一種汽車尾氣電子凈化裝置的案結(jié)構(gòu)圖、電氣連接圖、高壓開關(guān)電源電原理圖。圖1、2、3 中，“1”是第一高壓陽極極板，它與圖3 直流開關(guān)高壓電源中的第一高壓陽極（HV1）連接，并與其它部件絕緣。“200”是煙塵收集板組件，它由多個(gè)陰極極板與多個(gè)陽極極板組成，“21”是煙塵收集板組件中的陰極極板，它與圖3 直流開關(guān)高壓電源中的陰極連接，“22”是煙塵收集板組件中的陽極極板，也稱為第二高壓陽極極板，它與圖3 直流開關(guān)高壓電源中的第二高壓陽極（HV2）連接。

當(dāng)汽車排氣管有廢氣排出時(shí)，由于廢氣原來基本上都是不帶電的，即為“0”電位，不帶電的廢氣在壓力差的驅(qū)動下，首先要從第一高壓陽極極板的網(wǎng)格中間經(jīng)過，第一高壓陽極極板是一個(gè)帶正電的極板，在它的周圍存在非常強(qiáng)的電場，當(dāng)物體靠近它時(shí)就會產(chǎn)生電暈放電，此時(shí)，物體會向陽極極板發(fā)射電子，使物體帶正電，特別是在高溫環(huán)境下，物體發(fā)射電子的逸出功相對常溫條件下要小很多，使物體向第一高壓陽極極板發(fā)射電子的能力大大加強(qiáng)。一些不容易發(fā)射電子的物體，在強(qiáng)電場力的作用下，也會產(chǎn)生極化帶電，即物體中的電荷也要進(jìn)行重新分布，使物體靠近第一高壓陽極極板的一端帶負(fù)電，另一端帶正電。

氧氣在強(qiáng)電場中很容易被極化帶電或電離帶電，氧氣經(jīng)發(fā)射電子之后就會帶正電（變成O+2 ），帶正電的氧氣很容易與極化帶電的氧氣重新組合產(chǎn)成臭氧（O3），而臭氧又很容易與一氧化碳（CO）組合生成二氧化碳（CO2），使之變成無毒氣體。

帶電氣體或帶電廢氣微粒從煙塵收集板中經(jīng)過的時(shí)候，由于在煙塵收集板的陽極極板與陰極極板之間存在很強(qiáng)的電場，使帶正電的氣體或帶正電的廢氣微粒很容易被陰極極板吸引，帶負(fù)電的氣體或帶負(fù)電的廢氣微粒將也很容易被陽極極板吸引，從而使煙塵收集板的陽極極板和陰極極板都被涂上一層由汽車尾氣排放物生成的一種粘性物質(zhì)。

當(dāng)這種被收集的粘性物質(zhì)在煙塵收集板上積累到一定厚度的時(shí)候，陽極極板和陰極極板之間就會發(fā)生打火放電，強(qiáng)大的瞬間電流會把收集在陽極極板上和陰極極板上的物體起火膨脹脫落，并發(fā)出啪啪的放電聲。因?yàn)?，陽極極板和陰極極板之間存在一個(gè)數(shù)千P 的分布電容，充滿電的電容在放電時(shí)會產(chǎn)生很大的電流，電流會使放電氣體產(chǎn)生爆炸，并發(fā)出啪啪聲。

四、汽車尾氣電子凈化裝置高壓電源工作原理

圖3 是直流開關(guān)高壓電源的工作原理圖，其輸入電壓為12V（也可以為24 伏），因?yàn)槠囈话愣际遣捎?2V 儲電池供電。直流開關(guān)高壓電源是一個(gè)推挽式開關(guān)電源，因?yàn)樵诘蛪洪_關(guān)電源中，推挽式開關(guān)電源的工作效率最高。

另外，圖3 中的推挽式開關(guān)電源與一般的推挽式開關(guān)電源還有一些區(qū)別，就是這里的兩個(gè)推挽管在交替工作的時(shí)候，交替時(shí)間不等于零，而是要延時(shí)（或錯(cuò)開）一定的時(shí)間（兩個(gè)推挽管工作時(shí)的占空比大約只有48%）。目的是為了防止兩個(gè)推挽管在交替工作的瞬間，在前一個(gè)管還沒有完全關(guān)斷的時(shí)候，后一個(gè)管就開始導(dǎo)通，使兩個(gè)管的導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)間互相重疊，增大開關(guān)管的損耗，降低直流高壓開關(guān)電源的工作效率。

圖3 中選用IR2155 作為驅(qū)動電路。IR2155 普遍用于節(jié)能燈中作為半橋式開關(guān)管驅(qū)動電路，半橋式驅(qū)動與推挽式驅(qū)動在電路結(jié)構(gòu)上區(qū)別比較大，所以圖3 中把IR2155 原來用于半橋式開關(guān)驅(qū)動的電路做了較大的改動，把6 腳直接接地（原來接半橋輸出），把8 腳直接接到電源（原來接自舉電容）。

另外，IR2155 的正常工作電壓為15.6V，但圖3 中的輸入電壓僅為12V，顯然這個(gè)電壓不能使IR2155 的正常。為了提高IR2155 的工作電壓，圖3 中采用整流二極管D2、D4 對開關(guān)變壓器T1 初級線圈產(chǎn)生的反電動勢進(jìn)行整流后，與12V電源疊加（變?yōu)?4V）再通過電阻R1 對U1（IR2155）供電，以保證IR2155 的工作電壓為15.6V。

在正常工作的情況下，圖3 中的直流開關(guān)高壓電源輸出功率并不大（小于20W），但在煙塵收集板處于打火的情況下，其輸出功率很大，可達(dá)100W 以上，由于兩個(gè)推挽管Q5、Q6 的工作電壓比較低，故工作電流比較大，因此Q5、Q6 必須選用漏極電流比較大的場效應(yīng)管，或集電極電流比較大的IBGT 管。

IR2155 的輸出功率很小，不能用它直接驅(qū)動推挽管Q5、Q6 工作，特別是Q5、Q6 工作于低電壓、大電流的情況下，必須對IR2155 的輸出信號進(jìn)行放大，圖3 中采用兩組推拉式跟隨放大電路（Q1、Q2 和Q3、Q4）分別對IR2155 的兩組輸出信號進(jìn)行放大，以保證給兩個(gè)推挽管Q5、Q6 在開通和關(guān)斷瞬間提供足夠的驅(qū)動電流，以減少Q(mào)5、Q6 導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗。C5、R5 和C6、R6 是微分電路，對加速Q(mào)5、Q6 的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間有一定的作用。

C1 是儲能濾波電容，但其主要作用是用于對開關(guān)變壓器的磁芯進(jìn)行退磁，在電源開關(guān)斷開的瞬間，由于C1 存儲的電荷可維持開關(guān)電源繼續(xù)工作一段時(shí)間，使開關(guān)變壓器初級線圈的工作電壓慢慢下降，最后為零。這個(gè)過程，使每次關(guān)機(jī)都可保證，開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線能夠回到坐標(biāo)的原點(diǎn)，即鐵芯完全退磁，防止開關(guān)電源再次工作時(shí)，由于變壓器鐵芯帶磁而出現(xiàn)磁飽和。如果沒有C1 的作用，當(dāng)電源開關(guān)斷開時(shí)，開關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線將被停止在某一非零值的點(diǎn)上，下次開機(jī)時(shí)很容易出現(xiàn)變壓器飽和，使兩個(gè)推挽管過流燒壞。

D21、D22、D23、D24 和C21、C22、C23、C24 組成倍壓整流電路，HV1的輸出電壓一般高于1 萬伏，而HV2 的輸出電壓高于5 千伏。

U2 為電壓比較器（TL431），其內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定了一個(gè)基準(zhǔn)比較電壓（大約為2.5V），另一個(gè)輸入比較電壓由R24 與R9 分壓取得，R9 為取樣電阻。正常工作時(shí)，由于R9 的取樣輸出電壓比較高，即U2 的輸入電壓比較高，所以U2 處于導(dǎo)通狀態(tài)，即U2 的輸出電壓為2.5V。U2 的作用主要是用來控制另外一個(gè)電壓比較器Q7 的導(dǎo)通或關(guān)斷，正常工作時(shí)，由于加到穩(wěn)壓二極管DZ3 的電壓（2.5V）低于擊穿電壓，Q7 處于關(guān)斷狀態(tài)。

U2 的輸出電壓或Q7 的輸入電壓由二極管D5 輸入，而D5 的輸入信號則通過取樣電阻R10 取得。由于R10 的一端與煙塵收集板的陰極極板連接，因此流過陰極極板的電流也將全部流過R10，由此在R10 上會產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這個(gè)電壓就是取樣電阻R10 的取樣電壓，或稱取樣輸出電壓。正常工作時(shí)R10 的取樣電壓是很小的，再加上U2 導(dǎo)通，R10 的取樣電壓經(jīng)過D5 后被U2 旁路（被嵌位于2.5V 上），因此，R10 的取樣電壓無法使穩(wěn)壓二極管DZ3 導(dǎo)通，此時(shí)，Q7 是截止的。

當(dāng)煙塵收集板之間出現(xiàn)打火的時(shí)后，由于輸出電流突然變大，首先是HV2 高壓輸出電壓要降低，因?yàn)镽23 產(chǎn)生的電壓降會增大，從而使HV2 高壓輸出電壓降低，由此取樣電阻R9 輸出的取樣電壓也要降低，R9 輸出的取樣電壓經(jīng)C7 積分延時(shí)之后，會使U2 由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，其輸出電壓大?.5V。此時(shí)，R10 的取樣電壓經(jīng)過D5，再經(jīng)過積分電路C8、R7、C9 進(jìn)行積分，使取樣信號的相位被延時(shí)，延時(shí)后的取樣信號經(jīng)穩(wěn)壓二極管DZ3，最后被加到Q7 的輸入端，使Q7 導(dǎo)通。

Q7 導(dǎo)通后，通過R8 使U1 的鋸齒波振蕩器輸出信號被旁路，U1 停止工作，無驅(qū)動信號輸出，使兩個(gè)推挽管Q5、Q6 也停止工作，致使開關(guān)電源無高電壓輸出。待積分電路中的C8、C9 完全放完電以后，Q7 又會回復(fù)到之前的截止?fàn)顟B(tài)，此后，直流開關(guān)電源又開始正常工作。因此，煙塵收集板之間出現(xiàn)打火是間歇性的，每打火一次，直流開關(guān)電源就要被關(guān)斷一次，以此保護(hù)直流開關(guān)電源工作的安全。

另外，打火保護(hù)的門限也是可以改變的，改變?nèi)与娮鑂9 和R10 的大小就可以改變打火保護(hù)的門限。有些小的打火，只要其損耗功率不會超過直流高壓開關(guān)電源的最大輸出功率，直流高壓開關(guān)電源就不需要保護(hù)，這樣反而可以提高汽車尾氣電子凈化裝置的工作效率。因此，打火保護(hù)的門限和連續(xù)打火時(shí)間的長短，可根據(jù)使用效果來決定。

打火時(shí)間的長短主要由積分電路中的C7 和C8、R7、C9 的時(shí)間常數(shù)以及C10的時(shí)間常數(shù)來確定，時(shí)間常數(shù)越大打火的時(shí)間就越長，同時(shí)間歇的時(shí)間也越長。同原來上來說，U2 和Q7 都屬于取樣放大電路，U2 屬于電源輸出電壓取樣，Q7 屬于電源輸出電流取樣，但兩個(gè)取樣放大電路的輸入信號的相位都要被延時(shí)，在延時(shí)作用上相當(dāng)于兩個(gè)延時(shí)時(shí)間串聯(lián)，但積分電路放電的時(shí)候，在時(shí)間上并不是串聯(lián)，這樣，就可以分別調(diào)整積分電路的充、放電時(shí)間，使打火持續(xù)時(shí)間盡量長一些，而恢復(fù)時(shí)間盡量短一些，以提高工作效率。

DZ1 為取樣電阻R9 輸出電壓的限幅二極管，當(dāng)取樣輸出電壓超過某一電壓值時(shí)，限幅二極管DZ1 就導(dǎo)通，避免U2 因輸入電壓過高而損壞。DZ2 也是限幅二極管，當(dāng)R10 的取樣輸出電壓超過穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值時(shí)，DZ2 就導(dǎo)通，避免U2 因工作電壓過高而損壞。

圖3 電路也可以采用24V 直流電源供電，但電路需要有些改動：把二極管D1換成一個(gè)電阻，電阻R1 和二極管D2、D4 去掉，二極管D3 短路，并且開關(guān)變壓器初級線圈的匝數(shù)也要增加。

本發(fā)明的汽車尾氣電子凈化裝置，估計(jì)成本在100 元～200 元之間。我相信這種汽車尾氣電子凈化裝置將來會擁有非常廣闊的市場。