一種汽車(chē)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(chē)電子應用方案大賽 二等獎
陶顯芳 2010-12-1

一、獲獎感言

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(lái)，他也會(huì )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(lèi)造福。本發(fā)明的《汽車(chē)尾氣電子處理裝置》技術(shù)，將使人們擺脫，一直以來(lái)忍受汽車(chē)尾氣污染空氣之苦。





二、一個(gè)人類(lèi)緊迫需要解決的問(wèn)題

截止到2010 年3 月，全國機動(dòng)車(chē)保有量約1．92 億輛，其中，汽車(chē)7000 多萬(wàn)輛，并且繼續保持較快增長(cháng)勢頭，估計到2010 年年底超過(guò)7500 萬(wàn)輛，年平均遞增17%。在汽車(chē)數量強勁增長(cháng)的同時(shí)，中國的汽油年消耗量也達到5500 萬(wàn)噸，汽油在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中燃燒以后，大部份物質(zhì)都被轉化成有毒氣體向空中排放，使空氣污染越來(lái)越嚴重。

汽車(chē)尾氣污染物主要包括：一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、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(chē)尾氣已經(jīng)成為城市空氣污染的“元兇”，在一些城市中，汽車(chē)尾氣污染已經(jīng)占空氣污染源的80%。由于汽車(chē)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)看不到藍天，渾濁的空氣使大白天的能見(jiàn)度不到200 米，不但交通事故增加，還會(huì )使人們精神壓抑，呼吸困難，增生各種疾病，嚴重影響人們的身體健康。

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

本人參加航盛杯汽車(chē)電子應用方案大賽的目的，就是想向所有關(guān)心汽車(chē)尾氣污染問(wèn)題的人們展示自己的一種技術(shù)設想——一種能夠實(shí)現汽車(chē)尾氣凈化處理的技術(shù)方案，或一種汽車(chē)尾氣凈化裝置。

三、一種汽車(chē)尾氣電子凈化裝置

目前，汽車(chē)尾氣凈化裝置有多種形式，如：現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，雖然對碳氫化合物及一氧化碳和氮氧化物的吸收起到一定的作用，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(guò)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構復雜，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(méi)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(chē)尾氣凈化裝置的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一種汽車(chē)尾氣電子凈化裝置，不但避免了很多上述汽車(chē)尾氣凈化裝置在技術(shù)方面的不足之處，并使汽車(chē)尾氣凈化處理能力進(jìn)一步加強。

本發(fā)明的一種汽車(chē)尾氣凈化裝置（專(zhuān)利申請號：201010261026.3），是一種利用高壓靜電對汽車(chē)尾氣（廢氣）中的煙塵微粒進(jìn)行電離、充電，然后再通過(guò)強電場(chǎng)對帶電煙塵微粒進(jìn)行吸引收集的汽車(chē)尾氣電子凈化裝置。由于電場(chǎng)力能夠穿透物質(zhì)的原子結構，強電場(chǎng)可以使分子電離或極化帶電，從而破壞物質(zhì)的分子結構，使汽車(chē)排放廢氣中的有害氣體物質(zhì)的分子結構或混合物被肢離破解，使之轉化成非有毒物質(zhì)。

利用這種汽車(chē)尾氣電子凈化裝置，能非常有效地對汽車(chē)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(chē)廢氣中的有害煙塵微粒牢牢地被吸附、固化在汽車(chē)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，在強電場(chǎng)力的作用下通過(guò)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(lèi)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(guò)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，在強電場(chǎng)的作用下，帶電的廢氣微粒與電解液一樣，同樣會(huì )導電，只是兩者的電導率和電位梯度差別比較大。當電解液中有電流通過(guò)的時(shí)候，帶正電的電解質(zhì)就會(huì )向負極板跑，而帶負電的電解質(zhì)就會(huì )向正極板跑，因此，電絮凝或電鍍就是一種電離子沉積的過(guò)程，利用電極通過(guò)電流，使金屬附著(zhù)在物體表面上。

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

本發(fā)明的一種汽車(chē)尾氣電子凈化裝置主要由一個(gè)條柵結構或網(wǎng)格結構帶高壓正電的陽(yáng)極極板、一組相互絕緣并分別帶高壓正電和負電的煙塵收集板、以及高壓電源等三部份組成；條柵結構或網(wǎng)格結構帶高壓正電的陽(yáng)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(yáng)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，一組用于條柵結構或網(wǎng)格結構的陽(yáng)極極板，另一組用于煙塵收集板，兩組高壓電輸出的負極都連接在一起，并與煙塵收集板中的陰極極板連接；條柵結構或網(wǎng)格結構帶高壓正電的陽(yáng)極極板稱(chēng)為第一高壓陽(yáng)極極板，與它連接的高壓電源的一組高壓電的正極稱(chēng)為第一高壓陽(yáng)極，煙塵收集板中的陽(yáng)極極板稱(chēng)為第二高壓陽(yáng)極極板，與它連接的高壓電源的另一組高壓電的正極稱(chēng)為第二高壓陽(yáng)極。

圖1、圖2、圖3 分別是一種汽車(chē)尾氣電子凈化裝置的案結構圖、電氣連接圖、高壓開(kāi)關(guān)電源電原理圖。圖1、2、3 中，“1”是第一高壓陽(yáng)極極板，它與圖3 直流開(kāi)關(guān)高壓電源中的第一高壓陽(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)高壓電源中的陰極連接，“22”是煙塵收集板組件中的陽(yáng)極極板，也稱(chēng)為第二高壓陽(yáng)極極板，它與圖3 直流開(kāi)關(guān)高壓電源中的第二高壓陽(yáng)極（HV2）連接。

當汽車(chē)排氣管有廢氣排出時(shí)，由于廢氣原來(lái)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動(dòng)下，首先要從第一高壓陽(yáng)極極板的網(wǎng)格中間經(jīng)過(guò)，第一高壓陽(yáng)極極板是一個(gè)帶正電的極板，在它的周?chē)嬖诜浅姷碾妶?chǎng)，當物體靠近它時(shí)就會(huì )產(chǎn)生電暈放電，此時(shí)，物體會(huì )向陽(yáng)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(yáng)極極板發(fā)射電子的能力大大加強。一些不容易發(fā)射電子的物體，在強電場(chǎng)力的作用下，也會(huì )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(yáng)極極板的一端帶負電，另一端帶正電。

氧氣在強電場(chǎng)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(huì )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(wú)毒氣體。

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

當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(yáng)極極板和陰極極板之間就會(huì )發(fā)生打火放電，強大的瞬間電流會(huì )把收集在陽(yáng)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。因為，陽(yáng)極極板和陰極極板之間存在一個(gè)數千P 的分布電容，充滿(mǎn)電的電容在放電時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的電流，電流會(huì )使放電氣體產(chǎn)生爆炸，并發(fā)出啪啪聲。

四、汽車(chē)尾氣電子凈化裝置高壓電源工作原理

圖3 是直流開(kāi)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），因為汽車(chē)一般都是采用12V 儲電池供電。直流開(kāi)關(guān)高壓電源是一個(gè)推挽式開(kāi)關(guān)電源，因為在低壓開(kāi)關(guān)電源中，推挽式開(kāi)關(guān)電源的工作效率最高。

另外，圖3 中的推挽式開(kāi)關(guān)電源與一般的推挽式開(kāi)關(guān)電源還有一些區別，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)（或錯開(kāi)）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(méi)有完全關(guān)斷的時(shí)候，后一個(gè)管就開(kāi)始導通，使兩個(gè)管的導通和關(guān)閉時(shí)間互相重疊，增大開(kāi)關(guān)管的損耗，降低直流高壓開(kāi)關(guān)電源的工作效率。

圖3 中選用IR2155 作為驅動(dòng)電路。IR2155 普遍用于節能燈中作為半橋式開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路，半橋式驅動(dòng)與推挽式驅動(dòng)在電路結構上區別比較大，所以圖3 中把IR2155 原來(lái)用于半橋式開(kāi)關(guān)驅動(dòng)的電路做了較大的改動(dòng)，把6 腳直接接地（原來(lái)接半橋輸出），把8 腳直接接到電源（原來(lái)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(kāi)關(guān)變壓器T1 初級線(xiàn)圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢進(jìn)行整流后，與12V電源疊加（變?yōu)?4V）再通過(guò)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(kāi)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(chǎng)效應管，或集電極電流比較大的IBGT 管。

IR2155 的輸出功率很小，不能用它直接驅動(dòng)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(kāi)通和關(guān)斷瞬間提供足夠的驅動(dòng)電流，以減少Q5、Q6 導通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗。C5、R5 和C6、R6 是微分電路，對加速Q5、Q6 的導通和關(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(kāi)關(guān)變壓器的磁芯進(jìn)行退磁，在電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間，由于C1 存儲的電荷可維持開(kāi)關(guān)電源繼續工作一段時(shí)間，使開(kāi)關(guān)變壓器初級線(xiàn)圈的工作電壓慢慢下降，最后為零。這個(gè)過(guò)程，使每次關(guān)機都可保證，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線(xiàn)能夠回到坐標的原點(diǎn)，即鐵芯完全退磁，防止開(kāi)關(guān)電源再次工作時(shí)，由于變壓器鐵芯帶磁而出現磁飽和。如果沒(méi)有C1 的作用，當電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)變壓器鐵芯的磁化曲線(xiàn)將被停止在某一非零值的點(diǎn)上，下次開(kāi)機時(shí)很容易出現變壓器飽和，使兩個(gè)推挽管過(guò)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(wàn)伏，而HV2 的輸出電壓高于5 千伏。

U2 為電壓比較器（TL431），其內部已經(jīng)設定了一個(gè)基準比較電壓（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 處于導通狀態(tài)，即U2 的輸出電壓為2.5V。U2 的作用主要是用來(lái)控制另外一個(gè)電壓比較器Q7 的導通或關(guān)斷，正常工作時(shí)，由于加到穩壓二極管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(guò)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(guò)陰極極板的電流也將全部流過(guò)R10，由此在R10 上會(huì )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(chēng)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 導通，R10 的取樣電壓經(jīng)過(guò)D5 后被U2 旁路（被嵌位于2.5V 上），因此，R10 的取樣電壓無(wú)法使穩壓二極管DZ3 導通，此時(shí)，Q7 是截止的。

當煙塵收集板之間出現打火的時(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，因為R23 產(chǎn)生的電壓降會(huì )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(huì )使U2 由導通變?yōu)榻刂?，其輸出電壓大?.5V。此時(shí)，R10 的取樣電壓經(jīng)過(guò)D5，再經(jīng)過(guò)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)穩壓二極管DZ3，最后被加到Q7 的輸入端，使Q7 導通。

Q7 導通后，通過(guò)R8 使U1 的鋸齒波振蕩器輸出信號被旁路，U1 停止工作，無(wú)驅動(dòng)信號輸出，使兩個(gè)推挽管Q5、Q6 也停止工作，致使開(kāi)關(guān)電源無(wú)高電壓輸出。待積分電路中的C8、C9 完全放完電以后，Q7 又會(huì )回復到之前的截止狀態(tài)，此后，直流開(kāi)關(guān)電源又開(kāi)始正常工作。因此，煙塵收集板之間出現打火是間歇性的，每打火一次，直流開(kāi)關(guān)電源就要被關(guān)斷一次，以此保護直流開(kāi)關(guān)電源工作的安全。

另外，打火保護的門(mén)限也是可以改變的，改變取樣電阻R9 和R10 的大小就可以改變打火保護的門(mén)限。有些小的打火，只要其損耗功率不會(huì )超過(guò)直流高壓開(kāi)關(guān)電源的最大輸出功率，直流高壓開(kāi)關(guān)電源就不需要保護，這樣反而可以提高汽車(chē)尾氣電子凈化裝置的工作效率。因此，打火保護的門(mén)限和連續打火時(shí)間的長(cháng)短，可根據使用效果來(lái)決定。

打火時(shí)間的長(cháng)短主要由積分電路中的C7 和C8、R7、C9 的時(shí)間常數以及C10的時(shí)間常數來(lái)確定，時(shí)間常數越大打火的時(shí)間就越長(cháng)，同時(shí)間歇的時(shí)間也越長(cháng)。同原來(lái)上來(lái)說(shuō)，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，就可以分別調整積分電路的充、放電時(shí)間，使打火持續時(shí)間盡量長(cháng)一些，而恢復時(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，當取樣輸出電壓超過(guò)某一電壓值時(shí)，限幅二極管DZ1 就導通，避免U2 因輸入電壓過(guò)高而損壞。DZ2 也是限幅二極管，當R10 的取樣輸出電壓超過(guò)穩壓二極管的穩壓值時(shí)，DZ2 就導通，避免U2 因工作電壓過(guò)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(dòng)：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(kāi)關(guān)變壓器初級線(xiàn)圈的匝數也要增加。

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