CN101936202A

CN101936202A - 一种汽车尾气电子净化装置

Info

Publication number: CN101936202A
Application number: CN 201010261026
Authority: CN
Inventors: 陶显芳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2011-01-05

Abstract

一种汽车尾气电子净化装置，这种装置主要由一个条栅或网格结构带高压正电的阳极极板、一组相互绝缘并分别带高压正电和负电的烟尘收集板、以及高压电源等三部份组成。这种汽车尾气电子净化装置安装在汽车废气排放管的末端，当废气微粒经过电子净化装置时，废气微粒首先经过带高压正电的阳极极板，并被极化带电或电离带电；在排气流的推动下，带电废气微粒从分别带高压正电和负电的烟尘收集板之间经过，由于烟尘收集板之间存在很强的电场，在强电场力的作用下，带正电的废气微粒会被带负电的收集板收集，而带负电的废气微粒会被带正电的收集板收集，使带电废气微粒分别被吸附、固化在烟尘收集板上，最后通过打火脱落被排出，从而减少废气污染。

Description

一种汽车尾气电子净化装置

【技术领域】

本发明涉及一种汽车尾气净化装置，尤其是一种利用高压静电对汽车尾气(废气)中的烟尘微粒进行电离、充电，然后再通过强电场对带电烟尘微粒进行吸引收集的汽车尾气电子净化装置。利用这种汽车尾气电子净化装置，能非常有效地对汽车排放废气中的有害气体及烟尘微粒进行吸引收集，使废气中一氧化碳转化成二氧化碳，然后再把二氧化碳分解为氧气和碳素物质，使汽车废气中的有害烟尘微粒牢牢地被吸附、固化在汽车尾气电子净化装置中的烟尘收集板上，然后待烟尘收集板上收集的有害烟尘废物被积累到一定厚度之后，在强电场力的作用下通过极间打火，使已被固化在烟尘收集板上的有害烟尘废物脱落并被排出，从而减少废气污染净化环境，有益于人类健康。

【背景技术】

目前，汽车尾气净化装置有多种形式，如：现在普遍使用的三元催化剂净化器，还有多元催化剂净化器(如89108840.7、92104498.4等发明专利)，以及，臭氧净化器(如01229769.0实用新型专利)，臭氧加水气净化器(如01252449.2实用新型专利)，臭氧加催化剂净化器(如92112614.x发明专利)。

但这些专利技术各有欠缺，三元催化剂净化器以及多元催化剂式净化器，虽然对碳氢化合物及一氧化碳和氮氧化物的吸收起到一定的作用，但对其它烟尘微粒吸收作用甚微，而且催化剂的使用寿命一般很短，需要经常更换，成本高；还有，催化剂一般都含有稀有重金属，活性重金属对人体是有毒的，因此，对催化剂使用过后有毒物质的回收也是个麻烦事情。臭氧加水气净化器结构复杂，且笨重，还需经常更换水，成本高，使用不方便。臭氧加催化剂净化器与三元催化剂净化器在技术性能方面，并没有明显增加，但成本增加了不少，同样存在很多缺点。

针对目前汽车尾气净化装置的缺点，本发明的一种汽车尾气电子净化装置，不但避免了很多上述发明技术的不足之处，并使汽车尾气净化处理能力进一步加强。

【发明内容】

汽车尾气污染物主要包括：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒(某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾)、臭气(甲醛等)。目前，汽车尾气已经成为城市空气污染的“元凶”，严重影响人们的身体健康，很多城市，由于汽车尾气污染，已经达到令人感到难以忍受的地步。本发明的一种汽车尾气电子净化装置的目的，就是为了减少汽车尾气对人类生存环境的污染，保护人类的身体健康，而发明的。

本发明的一种汽车尾气电子净化装置主要由一个条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板、一组相互绝缘并分别带高压正电和负电的烟尘收集板、以及高压电源等三部份组成；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板安装在烟尘收集板的前面，并与烟尘收集板用绝缘材料固定于一个壳体中，烟尘收集板中的阳极极板与阴极极板之间也用绝缘材料进行隔离，并固定于同一个壳体之中；高压电源有两组高压电输出，一组用于条栅结构或网格结构的阳极极板，另一组用于烟尘收集板，两组高压电输出的负极都连接在一起，并与烟尘收集板中的阴极极板连接；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板称为第一高压阳极极板，与它连接的高压电源的一组高压电的正极称为第一高压阳极，烟尘收集板中的阳极极板称为第二高压阳极极板，与它连接的高压电源的另一组高压电的正极称为第二高压阳极。

第一高压阳极极板是一种条栅结构或网格结构，用导电材料制作的阳极极板，中间有很多空隙，很容易让烟尘物质通过，它与高压电源的一组高压输出正极连接。

烟尘收集板是一组包括至少一个带高压正电的阳极极板，也称第二高压阳极极板，和至少一个阴极极板，并且上述阳极极板和阴极极板之间相互绝缘。

第一阳极极板、第二阳极极板及阴极极板是由导电材料制成，也可以由表面电镀或喷涂了一层导电材料的绝缘材料制成。

高压电源是一个开关式变压器输出、用二极管、电容器倍压升压的电源，包括倍压升压整流电路、用于控制高压电源工作状态的控制电路、以及取样电路。

高压电源的倍压升压整流电路由多节，由高压整流二极管与高压电容器组成的倍压整流电路组成。高压电源的取样电路主要由跨接于高压电源输出端的阴极，即烟尘收集板的阴极极板，与高压电源电路中的冷地，即开关变压器次级线圈的冷端，之间的电阻组成，此电阻称为取样电阻，取样信号从取样电阻的两端输出，取样信号通过一个电阻或一个二极管被送到控制电路，为了改变取样信号的相位和对取样信号输出幅度进行限幅，在取样电阻的两端还可以跨接一个电容器和一个稳压二极管。

控制电路最少有一个电压比较电路或电压比较器，即当输入电压超过某个设定值时，电路就有控制信号输出，以控制高压电源的工作状态。

上述高压电源的倍压高压整流电路部分须用绝缘材料进行灌注封装，以防止电路与空气接触，产生电腐蚀，降低绝缘性能。

由于第一高压阳极极板带正电，在第一高压阳极极板的周围存在着很强的电场，当汽车尾气中的各种废气物质靠近或从第一高压阳极极板的网格中间穿过的时后，就会被极化带电或电离带电。当物体(包括气体)在强电场力的作用下，它会向阳极极板发射电子，使自身带正电；特别是，由于汽车尾气的温度一般都比较高，受热物体发射电子的能力也相应增强，使物体更容易带电。

一些不容易发射电子的物质，在强电场力的作用下，也会产生极化带电，使物体的一端带正电，另一端带负电，一些结构不太稳定的物体在强电场力之下很容易改变其原来的形态，甚至被一分为二，变成两个各带异电的物体。

在排气流的推动下，带电废气微粒将会从分别带高压正电和负电的烟尘收集板之间经过，由于相邻的两块烟尘收集板互相带异电，在烟尘收集板之间将产生很强的电场，在强电场力的作用下，带正电的废气微粒会被带负电的烟尘收集板收集，而带负电的废气微粒会被带正电的烟尘收集板收集，并受到电场力的挤压；一些从第一高压阳极极板经过时，仅被极化带电的物体，在烟尘收集板中强大电场力的作用下，很容易就被一分为二，变成两个各带异电的物体，然后分别被烟尘收集板中的正、负极板吸收；一些不容易被一分为二的物体，最后可作为电中性物体，而被离自己最近的带电烟尘收集板吸收。

这样，通过对汽车尾气中的废气微粒进行电离、充电，然后再把带电物质引入分别带正负电的烟尘收集板中进行吸收，带电物质就很容易被吸附、固化在烟尘收集板上，当被收集的物质在烟尘收集板上积累到一定的厚度之后，两块烟尘收集板之间就会发生放电、打火，最后通过打火使积物从烟尘收集板上脱落被排出，从而减少废气污染。

这里顺便指出，任何一个带电物体，都可以把它看成是一个电容，当两个带电体互相靠近或接触的时候，两个带电体就会互相充放电，即两个带电体中的电荷将要重新进行分布。

另外，对于氧气这种活性气体，一旦带电或被极化带电，将会对自己的分子结构进行重新分布，并很容易产生臭氧。臭氧是一种很强的活性气体，它对一氧化碳有很强的复合作用，通过复合作用，一氧化碳就会转化成二氧化碳。二氧化碳在强电场的作用下，还可以被分离成炭和氧气，因为炭和氧气组合时会产生接点电位差，它们之间的组合主要就是依靠接点电位差的作用，但在强电场的作用下，接点电位差很容易被破坏，使两种不同性质的物质被分离。

因此，本发明的一种汽车尾气电子净化装置对汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒(某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾)、臭气等，均有很强的收集作用。

【附图说明】

图1是一种汽车尾气电子净化装置的其中一个实施方案结构图；

图2是一种汽车尾气电子净化装置主要部份电路连接示意图；

图3是直流开关高压电源的工作原理图；

图4是一种圆形结构的汽车尾气电子净化装置示意图。

【实施方案】

图1是一种汽车尾气电子净化装置的其中一个实施方案结构图。图1、2、3中，“1”是第一高压阳极极板，它与图3直流开关高压电源中的第一高压阳极(HV1)连接，并与其它部件绝缘。“200”是烟尘收集板组件，它由多个阴极极板与多个阳极极板组成，“21”是烟尘收集板组件中的阴极极板，它与图3直流开关高压电源中的阴极连接，“22”是烟尘收集板组件中的阳极极板，也称为第二高压阳极极板，它与图3直流开关高压电源中的第二高压阳极(HV2)连接。

烟尘收集板组件中有多个阴极极板和多个阳极极板，所有的阴极极板通过电路互相连接在一起，同样，所有的阳极极板也通过电路互相连接在一起，并分别与图3直流开关高压电源中的阴极和第二高压阳极(HV2)连接。阴极极板与阳极极板之间，均按一定的间隔互相错开，并用绝缘材料进行固定，保证阴极极板与阳极极板之间绝缘良好。

图1、2中的“3”和“4”分别为直流开关高压电源中的两组高压电源，第一组高压电源输出电压与第二组高压电源输出电压进行串联迭加，所以第一组高压电源输出电压远远高于第二组高压电源输出电压。图1、2中的“5”是一种汽车尾气电子净化装置的金属外壳，一般，金属外壳都要与烟尘收集板组件中的阴极极板连接。一方面，相当于外壳也可起到烟尘收集板中阴极极板的作用，使结构变得简单；另一方面，金属外壳一般都要与汽车的排气管连接，其电位与大地基本相同，阴极极板与金属外壳连接，可使尾气电子净化装置线路连接简单，并且工作更安全。

但如果外壳不是由金属材料制造，烟尘收集板组件中的阴极极板就不需要与外壳连接。

当汽车排气管有废气排出时，由于废气原来基本上都是不带电的，即为“0”电位，不带电的废气在压力差的驱动下，首先要从第一高压阳极极板的网格中间经过，第一高压阳极极板是一个带正电的极板，在它的周围存在非常强的电场，当物体靠近它时就会产生电晕放电，此时，物体会向阳极极板发射电子，使物体带正电，特别是在高温环境下，物体发射电子的逸出功相对常温条件下要小很多，使物体向第一高压阳极极板发射电子的能力大大加强。一些不容易发射电子的物体，在强电场力的作用下，也会产生极化带电，即物体中的电荷也要进行重新分布，使物体靠近第一高压阳极极板的一端带负电，另一端带正电。

氧气在强电场中很容易被极化带电或电离带电，氧气经发射电子之后就会带正电(变成

)，带正电的氧气很容易与极化带电的氧气重新组合产成臭氧(O₃)，而臭氧又很容易与一氧化碳(CO)组合生成二氧化碳(CO₂)，使之变成无毒气体。

带电气体或带电废气微粒从烟尘收集板中经过的时候，由于在烟尘收集板的阳极极板与阴极极板之间存在很强的电场，使带正电的气体或带正电的废气微粒很容易被阴极极板吸引，带负电的气体或带负电的废气微粒将也很容易被阳极极板吸引，从而使烟尘收集板的阳极极板和阴极极板都被涂上一层由汽车尾气排放物生成的一种粘性物质。当这种被收集的粘性物质在烟尘收集板上积累到一定厚度的时候，阳极极板和阴极极板之间就会发生打火放电，强大的瞬间电流会把收集在阳极极板上和阴极极板上的物体起火膨胀脱落，并发出啪啪的放电声。因为，阳极极板和阴极极板之间存在一个数干P的分布电容，充满电的电容在放电时会产生很大的电流，电流会使放电气体产生爆炸，并发出啪啪声。

图3直流开关高压电源的输入电压为12V，因为汽车一般都是采用12V储电池供电，本实施例选用推挽式开关电源，因为在低压开关电源中，推挽式开关电源的工作效率最高。

另外，图3中的推挽式开关电源与一般的推挽式开关电源还有一些区别，就是这里的两个推挽管在交替工作的时候，交替时间不等于零，而是要延时(或错开)一定的时间，两个推挽管工作时的占空比大约只有48％。目的是为了防止两个推挽管在交替工作的瞬间，在前一个管还没有完全关断的时候，后一个管就开始导通，使两个管的导通和关闭时间互相重叠，增大开关管的损耗，降低直流高压开关电源的工作效率。

图3中选用IR2155作为驱动电路。IR2155普遍用于节能灯中作为半桥式开关管驱动电路，半桥式驱动与推挽式驱动在电路结构上区别比较大，所以图3中把IR2155原来用于半桥式开关驱动的电路做了较大的改动，把6脚直接接地(原来接半桥输出)，把8脚直接接到电源(原来接自举电容)。

另外，IR2155的工作电压为15.6V，但图3中的输入电压为12V，为了提高IR2155的工作电压，图3中采用整流二极管D2、D4对开关变压器T1初级线圈产生的反电动势进行整流后，与12V电源叠加(变为24V)再通过电阻R1对U1(IR2155)供电，以保证IR2155的工作电压为15.6V。

正常工作时，图3中的直流开关高压电源输出功率并不大，大约只有20W左右，但在烟尘收集板处于打火的情况下，其输出功率很大，可达100W以上，由于两个推挽管Q5、Q6的工作电压比较低，故工作电流比较大，因此Q5、Q6必须选用漏极电流比较大的场效应管，或集电极电流比较大的IBGT管，图3中Q5、Q6选用IBGT管。

IR2155的输出功率很小，不能用它直接驱动推挽管Q5、Q6工作，必须对IR2155的输出信号进行放大，图3中采用两组推拉式跟随放大电路(Q1、Q2和Q3、Q4)分别对IR2155的两组输出信号进行放大，以保证给两个推挽管Q5、Q6在开通和关断瞬间提供足够的驱动电流，以减少Q5、Q6导通和关断时产生的开关损耗。C5、R5和C6、R6是微分电路，对加速Q5、Q6的导通和关断时间有一定的作用。

C1是开关变压器退磁电路，当电源开关断开的时候，由于C1存储的电荷可维持电源继续工作一段时间，使开关变压器初级线圈的工作电压慢慢下降，最后为零。这个过程，使每次关机都可保证，开关变压器铁芯的磁化曲线能够回到坐标的原点，即铁芯完全退磁，防止开关电源再次工作时，由于变压器铁芯带磁而出现磁饱和。如果没有C1的作用，当电源开关断开时，开关变压器铁芯的磁化曲线将被停止在某一非零值点上，下次开机时很容易出现变压器饱和。

D21、D22、D23、D24和C21、C22、C23、C24组成倍压整流电路，HV1的输出电压大约为1万多伏，而HV2的输出电压大约为5千多伏。

U3为电压比较器，其内部已经设定了一个基准比较电压(大约为2.5V)，另一个输入比较电压由R24与R10分压取得，R10为取样电阻。正常工作时，由于R10的取样输出电压比较高，即U3的输入电压比较高，所以U3的工作状态是导通的。U3的作用主要是用来控制另外一个电压比较器U4的输入信号的接通或关断，由于C7对R10取样信号的积分作用，使取样控制过程被延时。U4也是一个电压比较器，其内部也设定了一个基准比较电压(大约为2.5V)。

当U3导通的时候，电压比较器U4的输入信号是被关断的。U4的输入信号由二极管D6输入，而D6的输入信号则通过取样电阻R11取得。由于R11的一端与烟尘收集板的阴极极板连接，因此流过阴极极板的电流也将全部流过R11，由此在R11上会产生一个电压降，这个电压就是取样电阻R11的取样电压，或称取样输出电压。正常工作时R11的取样电压是很小的，再加上U3导通，R11的取样电压经过D6后被U3旁路，因此，R11的取样电压无法加到U4的输入端，此时，U4是截止的。

当烟尘收集板之间出现打火的时后，由于输出电流突然变大，首先是HV2高压输出电压要降低，因为R23产生的电压降会增大，从而使HV2高压输出电压降低，由此取样电阻R10输出的取样电压也要降低，R10输出的取样电压经C7积分延时之后，会使U3由导通变为截止。此时，R11的取样电压经过D6，再经过积分电路C8、R7、C9进行积分，使取样信号的相位被延时，延时后的取样信号最后被加到U4的输入端，使U4导通。

U4导通后，通过R8使U1的锯齿波振荡器输出信号被旁路，U1无驱动信号输出，使两个推挽管Q5、Q6停止工作，致使开关电源无电压输出。待积分电路中的C8、C9完全放完电以后，U4又会回复到之前的截止状态，此后，直流开关电源又开始正常工作。因此，烟尘收集板之间出现打火是间歇性的，每打火一次，直流开关电源就要被关断一次，以此保护直流开关电源工作的安全。

另外，打火保护的门限也是可以改变的，改变取样电阻R10和R11的大小就可以改变打火保护的门限。有些小的打火，只要其损耗功率不会超过直流高压开关电源的最大输出功率，直流高压开关电源就不需要保护，这样反而可以提高汽车尾气电子净化装置的工作效率。因此，打火保护的门限和连续打火时间的长短，可根据使用效果来决定。

打火时间的长短主要由积分电路中的C7和C8、R7、C9的时间常数以及C10的时间常数来确定，时间常数越大打火的时间就越长，同时间歇的时间也越长。同原来上来说，U3和U4都属于取样放大电路，U3属于电源输出电压取样，U4属于电源输出电流取样，但两个取样放大电路的输入信号的相位都要被延时，在延时作用上相当于两个延时时间串联，但积分电路放电的时候，在时间上并不是串联，这样，就可以分别调整积分电路的充、放电时间，使打火持续时间尽量长一些，而恢复时间尽量短一些，以提高工作效率。

D5为取样电阻R10输出电压的限幅二极管，当取样输出电压超过12V电源电压时，限幅二极管D5就导通，避免U3因输入电压过高而损坏。DZ1也是限幅二极管，当R11的取样输出电压超过稳压二极管的稳压值时，DZ1就导通，避免U4因输入电压过高和U3因工作电压过高而损坏。

图3电路也可以采用24V直流电源供电，但电路需要有些改动：把二极管D1换成一个电阻，电阻R1和二极管D2、D4去掉，二极管D3短路，并且开关变压器初级线圈的匝数也要增加。

图4是一种汽车尾气电子净化装置的另一个实施方案结构图——一种圆形结构的汽车尾气电子净化装置示意图。在图4中，汽车尾气电子净化装置的结构基本上是个圆筒形，图4与图1只是在结构和外形上有所不同，但工作原理完全一样。图4中的烟尘收集板组件中的阳极极板和阴极极板的下方都开有一个缺口，这个缺口的用途是为了让收集在阳极极板上和阴极极板上的废气物质在打火放电脱落时容易排出。

Claims

1.一种汽车尾气电子净化装置，这种装置主要由一个条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板、一组相互绝缘并分别带高压正电和负电的烟尘收集板、以及高压电源等三部份组成；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板安装在烟尘收集板的前面，并与烟尘收集板用绝缘材料固定于一个壳体中，烟尘收集板中的阳极极板与阴极极板之间也用绝缘材料进行隔离，并固定于同一个壳体之中；高压电源有两组高压电输出，一组用于条栅结构或网格结构的阳极极板，另一组用于烟尘收集板，两组高压电输出的负极都连接在一起，并与烟尘收集板中的阴极极板连接；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板称为第一高压阳极极板，与它连接的高压电源的一组高压电的正极称为第一高压阳极，烟尘收集板中的阳极极板称为第二高压阳极极板，与它连接的高压电源的另一组高压电的正极称为第二高压阳极。

2.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子净化装置，其特征在于，所述第一高压阳极极板是一种条栅结构或网格结构，用导电材料制作的阳极极板，中间有很多空隙，很容易让烟尘物质通过，它与高压电源的一组高压输出正极连接。

3.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子净化装置，其特征还包括，所述烟尘收集板是一组包括至少一个带高压正电的阳极极板，也称第二高压阳极极板，和至少一个阴极极板，并且上述阳极极板和阴极极板之间相互绝缘。

4.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子净化装置，其特征在于，所述第一阳极极板、第二阳极极板及阴极极板是由导电材料制成，也可以由表面电镀或喷涂了一层导电材料的绝缘材料制成。

5.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子吸装置，其特征在于，所述高压电源是一个开关式变压器输出、用二极管、电容器倍压升压的电源，包括倍压升压整流电路、用于控制高压电源工作状态的控制电路、以及取样电路。

6.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子吸装置，其特征在于，所述高压电源的倍压升压整流电路由多节，由高压整流二极管与高压电容器组成的倍压整流电路组成。

7.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子吸装置，其特征在于，所述高压电源的取样电路主要由跨接于高压电源输出端的阴极，即烟尘收集板的阴极极板，与高压电源电路中的冷地，即开关变压器次级线圈的冷端，之间的电阻组成，此电阻称为取样电阻，取样信号从取样电阻的两端输出，取样信号通过一个二极管或一个电阻送到控制电路，为了改变取样信号的相位和对取样信号输出幅度进行限幅，在取样电阻的两端还可以跨接一个电容器和一个稳压二极管。

8.一种如权力要求7所述的控制电路，其特征在于，控制电路最少有一个电压比较电路或电压比较器，即当输入电压超过某个设定值时，电路就有控制信号输出，用以控制高压电源的工作状态。

9.一种如权力要求1所述的汽车尾气电子净化装置，其特征在于上述高压电源的倍压高压整流电路部分须用绝缘材料进行灌注封装，以防止电路与空气接触，产生电腐蚀，降低绝缘性能。