CN101219338B

CN101219338B - 一种低温等离子体汽车尾气净化装置

Info

Publication number: CN101219338B
Application number: CN2007100772755A
Authority: CN
Inventors: 徐扬生; 徐国卿; 邓雷
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Guangdong Carbon Neutralization Research Institute Shaoguan
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: CN101219338A

Abstract

本发明公开了一种低温等离子体汽车尾气净化装置，其包括高频电源，功率放大器，变电器，控制器和放电腔，经过所述高频电源产生10KHz到100KHz的高频振荡信号，此信号经过所述功率放大器进行功率放大后送到所述变电器产生多路高压脉冲信号，并送到放电腔放电产生低温等离子体；所述放电腔设置在汽车的排气管中。本发明低温等离子体汽车尾气净化装置由于采用低温等离子体处理尾气中的颗粒物、二氧化硫及氨氧化物等危害物质，以及先进电源技术的引入，与传统三元催化转化的尾气处理技术相比，有害气体脱除率不易受空燃比，发动机工作状态变化的影响，使用寿命长，并且成本低廉。

Description

一种低温等离子体汽车尾气净化装置

技术领域

本发明涉及一种汽车尾气净化装置，尤其涉及的是一种采用低温等离子体净化汽车尾气的尾气处理装置，可以用于一般汽车尾气处理，减少汽车有害气体排放。

背景技术

汽车是现代工业文明的一个标志，它的蓬勃兴起只不过100多年的历史。第二次世界大战结束后，汽车数量的日益增加，2000年未，全世界汽车保有量已超过6亿辆。中国汽车保有量在2005年达到3356万辆，2020年将达到13103万辆。汽车排放的废气成了世界上许多大城市主要空气污染源之一。

目前，全世界有10亿多城市人口的健康受到汽车废气造成的空气污染的威胁。中国的汽车尾气排放标准比大多数发达国家落后近10年，并且执行情况参差不齐，即使是达到排放标准的车辆，其排放的一氧化碳(CO)数量也是欧洲车辆的2倍左右，碳氢化合物(HC)和氮氧化物排放数量是欧洲车辆的3倍以上。与美国标准相比，中国汽车CO排放量上限高出56％，NOx高出32％，HC则高出3倍以上。有关资料显示，我国各大城市污染正在从煤烟型污染向汽车尾气型污染转化。

汽车尾气对环境的污染给国民经济造成了巨大损失。以北京为例，北京现在每年在大气治理上要花费100亿元人民币，到2008年总共要花费近1000亿元人民币，其中用于机动车尾气治理的有几百亿。如果把全国的情况算起来，那将是一个天文数字。

同时，覆盖在中国城市上空的以汽车尾气为主的烟雾更导致了庞大的医疗成本。世界银行发布的报告显示：中国肺病发病率在过去30年翻了一番。因空气污染导致的医疗成本增加以及工人生病丧失生产力使得中国GDP的5％被抵消掉。

总之，世界范围内汽车尾气成为最重要的空气污染源之一，严重影响居民的生活和健康，给国民经济造成了巨大损失，因此，限制和治理汽车尾气已经成为十分紧迫的任务。

为了控制和防治汽车尾气污染，世界各国的科技工作者做了大量的研究工作，可归纳为三个发展阶段：第一阶段：强调机内净化的初期污控技术，如燃油品质改善，曲轴箱强制通风系统，燃油蒸发回收系统，燃烧系统、供油系统和点火系统的改造，废气再循环，排气管内喷射二次空气，高能点火与稀薄燃烧等；第二阶段：氧化催化技术，即除了上述的一些行之有效的方法而外，采取机外净化技术，在汽车排气系统上安装氧化型催化转化器，用以氧化净化排气中的CO和HC等；第三阶段：氧化还原催化技术与电控技术相结合，即将电喷技术与三元催化转化技术相结合，同时去除汽车排气中的HC、CO和NOx等。

三元催化转化器是目前国际公认的能高效大幅度削减汽油车排放污染物的主流技术。通常应用的三元催化转化器，是将催化元素钯(Pd)、铂(Pt)、铑(Rh)等贵金属(或是这些贵金属与稀土金属元素的复合体)负载于蜂窝状陶瓷载体，制成具有不锈钢外壳的罐状物安装在车辆排气管上。当车辆排放尾气通过三元催化转化器时，由于催化载体具有较大的表面积，将尾气中的HC、CO和NOx等污染物通过氧化还原反应转换成N2、H2O、C2O等无害或低害物质。

但是，使用三元催化转化器必须使用无铅汽油并要求实现发动机空燃比可以被精确控制，这使得该类型的转化器应用受到了限制。此外，使用催化转化器还存在诸多不足，包括催化剂活性组分贵金属价格昂贵，尾气可能致使催化剂活性组分中毒失活，工作环境致使催化转化器的使用寿命普遍较短，这些问题目前仍未得到较好解决。随着人们环境意识的日益增强，汽车尾气排放标准也将愈来愈严格，催化转化技术已不能适应未来高标准的要求。

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第4种物质存在形态，按粒子的温度，等离子体可分为热等离子体和低温等离子体。热等离子体处于热平衡态，离子和电子具有相同温度；低温等离子体被称为非平衡等离子体，主要是由气体放电产生的，放电气体的电子温度一般要高达数万开氏度，而其他粒子的温度只有300～500K。低温等离子体具有以下特点：

1.等离子体中的电子具有较中性粒子大得多的能量或更高的温度；

2.带电粒子的数密度远远小于中性粒子总的数密度，电离度小；

3.该等离子体为准电中性的，即正电荷载流子密度总体上等于负电荷载流子密度。

低温等离子体的高速电子通过碰撞作用将其在电场中获得的能量传递给周围的原子或分子，使其激发离解或产生活性基团。因此，在低温等离子体体系中含有大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有很强氧化还原性能的自由基等活性物种。在气相化学过程中，这些活性物种跟尾气中的CO、HC、NOx、SOx等污染物发生化学反应，使之转变为无害或者低害的气体。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温等离子体汽车尾气净化装置，致力于解决汽车尾气排放引起的环境污染问题，为有效去除汽车尾气中的有害污染物，减轻汽车尾气造成的空气污染，实现一种合理可行的低温等离子体汽车尾气净化装置。

本发明的技术方案包括：

一种低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，其包括高频电源，功率放大器，变电器，控制器和放电腔，经过所述高频电源产生10KHz到100KHz的高频振荡信号，此信号经过所述功率放大器进行功率放大后送到所述变电器产生多路高压脉冲信号，并送到放电腔放电产生低温等离子体；所述放电腔设置在汽车的排气管中。

所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，所述放电腔包括至少一个放电结构片；该放电结构片包括一支架，该支架呈环形，连接设置所述排气管内壁上；从所述支架向内设置有凸起的多个径向电极，以及一中心电极，设置各径向电极中央；所述中央电极和径向电极分别电连接所述变电器，用于在所述排放管中产生放电电弧。

所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，所述电极设置为径向分布在与尾气气流方向垂直的截面上。

所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，所述放电结构片设置为多个，沿所述排气管间隔预定距离分布。

所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，所述放电结构片之间的距离设置为相邻的中心电极之间存在中心放电电弧。

所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其中，所述控制器用于控制所述电极的极性，以及，所述放电腔中的径向电弧分布进行时变，以形成一个转动的分布运动。

本发明所提供的一种低温等离子体汽车尾气净化装置，由于采用低温等离子体处理尾气中的颗粒物、二氧化硫及氨氧化物等危害物质，以及先进电源技术的引入，与传统三元催化转化的尾气处理技术相比，有害气体脱除率不易受空燃比，发动机工作状态变化的影响，使用寿命长，并且成本低廉。

附图说明

图1为本发明低温等离子体汽车尾气净化装置的功能框图；

图2A和图2B分别为本发明低温等离子体汽车尾气净化装置的放电结构片示意图；

图3为本发明低温等离子体汽车尾气净化装置的装配结构示意图。

附图标记说明：1径向放电电弧；2中心电极连接架；3放电结构片的支架；4中心电极；5径向电极；6连接结构；7中心放电电弧；8电源与控制箱；9放电结构片；10汽车尾气排放管。

具体实施方式

下面结合附图，将详细描述本发明的技术方案。

本发明低温等离子体汽车尾气净化装置，如图1所示的，包括五个功能模块，包括高频脉冲电源，功率放大器，变电器，控制器和放电腔，整个装置安装在汽车尾气排放管上，如图3所示，其中放电腔安装在汽车尾气排放管中，使汽车尾气流过整个放电腔，在放电腔电极产生的低温等离子体环境中发生复杂的电化学反应，使得尾气中的CO、HC、NOx、SOx等污染物转变为无害或者低害的气体，然后从尾气排放管中排出。

本发明实施例中的放电腔设置包含了三个放电结构片，上面分布有电极，在控制器的控制下各电极可按照一定规律放电，形成一个低温等离子体场。由于本发明采用了先进的电源控制技术，每一个放电结构片的电极极性可控，并按照一定的时序控制，在空间可形成一个转动的低温等离子体场，这样就加大了低温等离子体与尾气的接触面积，提高了尾气净化效率。本发明三个放电结构片的时序不同，使得其电极间低温等离子体场的转动方向和速度不同，这样汽车排放的尾气经过三重反应，提高了尾气净化效率。显然，本发明所述尾气排放管中还可以设置更多个放电结构片，并相应由所述控制器进行控制其放电次序。

本发明实施例中的三个放电结构片中，每一放电结构片的中心设置安装有电极，相邻的两个放电结构片中心电极在同一时刻极性相反，从而在尾气排放管气流方向上也能形成一个低温等离子体场，进一步提高电化学反应面积，提高了尾气净化效率。

本发明所述高频电源输入可来自与汽车直流电压，在控制器的控制下产生10KHz到100KHz的高频振荡电压，此电压经过功率放大器放大之后送往变电器，所述变电器在控制器的控制下产生各种时序的高压电脉冲，这些电脉冲再被送到放电腔的各个放电电极，从而在放电腔的电极之间产生低温等离子体放电。

如图2A和图2B所示的，本发明的放电结构片示意图和放电腔结构示意图。整个放电腔由三个放电结构片9构成(并不限于三个放电结构片，可以设置更多)，每个环形放电结构片9的上安装设置有7个放电电极4、5，其中6个为径向电极5，1个为中心电极4，安装在放电结构片9的圆形边沿的放电结构片的支架3上；所述中心电极4依靠中心电极连接架2的结构支撑，安装在放电结构片9的中心。

整个放电腔设置在汽车尾气排放管中，电源与控制箱8依靠连接结构6安装在汽车尾气排放管上，在控制电路的控制下，放电电极间由于高压脉冲放电产生了放电电弧1、7分布。一方面，放电结构片9上的径向电极5之间产生径向放电电弧1，图2A中的虚线表现了径向放电电弧1的分布；另一方面，三个放电结构片9相邻的两个中心电极4之间也产生中心放电电弧7分布，如图3所示。

由于放电电极4、5的极性可控，在电源与控制箱8内的控制器电路控制下，可以形成一个转动的放电电弧1、7分布，从效果上来看，在一个放电结构片9平面内，径向放电电弧1可以像电风扇一样转动，这样，就有效提高了放电电弧1、7产生的低温等离子体与汽车尾气的接触面积，改善了尾气净化效果。

所述电源与控制箱8内的电路采用了先进的电力电子技术，使得整个装置的重量体积减小，可以直接安装在汽车尾气排放管10上。本发明低温等离子体汽车尾气净化装置可以整体安装在尾气排放管上，只需提供汽车用直流电源即可。这样，只需要对现有车辆更换一根装有本发明技术的汽车尾气排放管，就可以显著降低汽车尾气中有害气体的排放，达到保护环境的目的，其成本低廉，效果好。

应当理解的是，上述针对本发明各较佳实施例的描述较为具体，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种低温等离子体汽车尾气净化装置，其特征在于，其包括高频电源，功率放大器，变电器，控制器和放电腔，经过所述高频电源产生10KHz到100KHz的高频振荡信号，此信号经过所述功率放大器进行功率放大后送到所述变电器产生多路高压脉冲信号，并送到放电腔放电产生低温等离子体，所述放电腔设置在汽车的排气管中；所述放电腔包括至少一个放电结构片；该放电结构片包括一支架，该支架呈环形，连接设置所述排气管内壁上；从所述支架向内设置有凸起的多个径向电极，以及一中心电极，该中心电级设置于各径向电极中央；所述中心电极和径向电极分别电连接所述变电器，用于在所述排气管中产生放电电弧。

2.根据权利要求1所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其特征在于，所述径向电极和中心电极设置为径向分布在与尾气气流方向垂直的截面上。

3.根据权利要求1所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其特征在于，所述放电结构片设置为多个，沿所述排气管间隔预定距离分布。

4.根据权利要求3所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其特征在于，所述放电结构片之间的距离设置为相邻的中心电极之间存在中心放电电弧。

5.根据权利要求1所述的低温等离子体汽车尾气净化装置，其特征在于，所述控制器用于控制所述径向电极和中心电极的极性，以及控制所述放电腔中的径向电弧分布进行时变，以形成一个转动的分布运动。