CN106246296B - 空气等离子体处理汽车尾气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空气等离子体处理汽车尾气的装置，包括高压直流电源、相对设置的两个绝缘板，其中一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气进口，另一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气出口，两个所述绝缘板之间设置有接地电极和多个导电管，所述接地电极与所述高压直流电源的接地端相连接，多个所述导电管均与所述高压直流电源的高压端相连接，多个所述导电管呈环状分布，每个所述导电管沿长度方向均设置有多个钢针。本发明还涉及一种空气等离子体处理汽车尾气的方法。本发明可以获得较大的处理空间；能够快速将本装置安装到汽车排气管上，随时随地方便汽车尾气的处理；能够实现车载化；高效分解且处理能耗低。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气等离子体处理汽车尾气的装置及方法。
背景技术
近年来，低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如，随着电子通讯的迅猛发展，大约三分之一微电子器件设备采用等离子体技术处理；塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测：二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体废气处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。而汽车尾气低温等离子体净化系统采用的电晕放电技术，由于其特殊的优势而备受关注。
目前，防治汽车尾气污染的控制技术主要分为三类：（1）机内净化技术：包括燃烧系统、供油系统、喷射系统和点火系统的改造；废气再循环；涡轮增压技术等；（2）机外净化技术：包括排气管内喷射二次空气、氧化催化技术；微粒捕集器、再生技术；氮氧化物吸附催化还原、选择性催化还原等；（3）车用燃料和混合动力技术：如采用天然气燃料、油电混合动力和纯电力等。其中三元催化转化器是目前国际公认的能大幅度削减汽油车排放污染物的主流技术，但使用三元催化转化器的汽车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，这使得该类型转化器的应用受到了限制。而对于车用柴油机，由于其排放物中的颗粒物需要进行氧化，而处理氮氧化物则需要对其进行还原，才能达到高标准的排放要求，因而现阶段主要采用NH3-SCR系统来还原氮氧化物，但采用此系统常常会存在催化剂硫中毒的问题。因而，随着汽车尾气排放标准的日益严格，催化转化技术以及NH3-SCR技术已不能适应未来高新技术汽车的发展需要。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种处理效率高的空气等离子体处理汽车尾气的装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空气等离子体处理汽车尾气的装置，包括高压直流电源、相对设置的两个绝缘板，其中一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气进口，另一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气出口，两个所述绝缘板之间设置有接地电极和多个导电管，所述接地电极与所述高压直流电源的接地端相连接，多个所述导电管均与所述高压直流电源的高压端相连接，多个所述导电管呈环状分布，每个所述导电管沿长度方向均设置有多个钢针。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述绝缘板呈圆形，所述钢针朝向所述绝缘板的圆心方向设置。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述接地电极与所述绝缘板同轴设置。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述接地电极外包裹有绝缘介质管。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述高压直流电源包括直流电源模块、与所述直流电源模块连接的逆变电路、与所述逆变电路连接的升压变压器以及与所述升压变压器连接的高压硅堆。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述逆变电路包括第一电感、驱动模块、IGBT和LC串联谐振电路，所述第一电感的一端、驱动模块均与所述直流电源模块相连接，所述第一电感的另一端与所述IGBT的集电极相连接，所述驱动模块与所述IGBT的基极相连接。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述导电管为铜管、铝管或铁管。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的装置进一步包括所述绝缘介质管采用石英玻璃制成。
一种空气等离子体处理汽车尾气的方法，包括以下步骤：
（1）通过尾气进口将待处理汽车尾气通入两个绝缘板之间；
（2）开启高压直流电源，空气放电产生等离子体与汽车尾气作用，净化后的汽车尾气经由尾气出口排出；
（3）关闭高压直流电源。
本发明一个较佳实施例中，空气等离子体处理汽车尾气的方法进一步包括所述步骤（2）中，高压直流电源的输出电压为10kV-18kV。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具有以下有益效果：
（1）该结构的设置能够获得最佳参数，利用聚集电极表面的电荷能量提高放电效率。
（2）产生强电场，能够静电除尘。
（3）采用自行研制的微型高压直流电源，驱动阵列针状电极结构，可以获得放电密度分布均匀、体积较大的等离子体，获得较大的处理空间。
（4）结构简单，操作方便，安全稳定。
（5）能够快速将本装置安装到汽车排气管上，随时随地方便汽车尾气的处理。
（6）能够实现车载化。
（7）高效分解且处理能耗低，在汽车尾气处理方面具有极强的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的装置的结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的右视图；
图3是本发明的优选实施例的高压直流电源的电路原理图；
图4是本发明的优选实施例一的电晕等离子体气体成分光谱图；
图5是本发明的优选实施例二的电晕等离子体气体成分光谱图；
图6是本发明的优选实施例三的电晕等离子体气体成分光谱图；
图7 是本发明的优选实施例四的电晕等离子体气体成分光谱图；
图8 是本发明的优选实施例五的电晕等离子体气体成分光谱图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示，一种空气等离子体处理汽车尾气的装置，包括高压直流电源2、相对设置的两个绝缘板4，其中一个绝缘板4上设置有至少一个尾气进口6，另一个绝缘板4上设置有至少一个尾气出口8，两个绝缘板4之间设置有接地电极10和多个导电管12，接地电极10与高压直流电源2的接地端相连接，多个导电管12均与高压直流电源2的高压端相连接，多个导电管12呈环状分布，每个导电管12沿长度方向均设置有多个钢针14。多个导电管12和多个钢针14形成高压电极。
本发明优选绝缘板4呈圆形，钢针14朝向绝缘板4的圆心方向设置，可以获得放电密度分布均匀、体积较大的等离子体，从而获得较大的处理空间。这样两个绝缘板4与多个导电管12形成圆柱状结构，可将尾气进口6设置成圆形，这样就可以直接将汽车排气管插入尾气进口6，实现该装置安装在汽车排气管上，安装方便快捷，但并不局限于此种方式，也可以在圆柱状结构外套设绝缘外壳，将汽车排气管插入绝缘外壳即可。
本发明优选接地电极10与绝缘板4同心设置。进一步优选接地电极10外包裹有绝缘介质管16，能够抑制火花放电。
如图3所示，本发明优选高压直流电源2包括直流电源模块18、与直流电源模块18连接的逆变电路20、与逆变电路20连接的升压变压器22以及与升压变压器22连接的高压硅堆24。进一步优选逆变电路20包括第一电感L1、驱动模块26、IGBT28和LC串联谐振电路30，第一电感L1的一端、驱动模块26均与直流电源模块18相连接，第一电感L1的另一端与IGBT28的集电极相连接，驱动模块26与IGBT28的基极相连接。优选驱动模块26的型号为EXB841。LC串联谐振电路30包括第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2、第三电容C3，第二电感L2、第二电容C2、第三电容C3依次串联连接，第一电容C1的一端与IGBT28的集电极、第二电感L2的一端相连接。直流电源模块18为驱动模块26供电，驱动模块26给IGBT28提供控制信号，实现IGBT28的导通或关断。工作时，直流电源模块18输出的直流稳压电通过第一电感L1向逆变电路20充电，逆变电路20由于IGBT28的导通或关断，电能不断的在第一电容C1、第二电感L2、第二电容C2、第三电容C3之间传递，将输入的直流电转化为高频交流电输出至升压变压器22的初级线圈，经过升压后升压变压器22的次级线圈产生高压交流输出，最后经高压硅堆24整流输出高压直流电。本发明优选直流电源模块18为汽车电瓶，实现车载化。
本发明优选绝缘板4采用聚四氟乙烯制成，但并不局限于聚四氟乙烯，也可以为聚乙烯、聚丙烯等。本发明优选导电管12为铜管，但并不局限于铜管，也可以为铝管、铁管等。本发明优选钢针14采用不锈钢材质制成，但并不局限于不锈钢，也可以为铜、铁等。本发明优选绝缘介质管4采用石英玻璃制成。
实施例一：高压直流电源的输出电压为10 kV。
实施例二：高压直流电源的输出电压为12 kV。
实施例三：高压直流电源的输出电压为14 kV。
实施例四：高压直流电源的输出电压为16 kV。
实施例五：高压直流电源的输出电压为18 kV。
实施例一的一种空气等离子体处理汽车尾气的方法，使用上述装置，包括以下步骤：
（1）通过尾气进口6将待处理尾气接入两个绝缘板4之间；
（2）开启高压直流电源2，输出电压为10kV，空气放电产生等离子体与汽车尾气作用，净化后的汽车尾气经由尾气出口8排出；
（3）关闭高压直流电源2。
其中步骤（2）中提到的等离子体与汽车尾气作用是指利用高频高压电晕流柱放电的非热平衡等离子体来处理尾气中的各种污染物。在等离子体反应区，富含大量的活性物质，如高能电子、离子、自由基和激发态分子等，尾气中的C、NOx、PM等有有害气体可与这些具有较高能量的物质发生反应，使有毒物质在极短的时间内发生分解。这主要包括以下两个过程：一是高能电子作用，决定汽车尾气中有害气体被降解的难易程度是分子内化学键的键能，也即键能最薄弱的地方最易发生断裂，常见的汽车尾气中有害气体的化学键键能在10eV以下，高能电子能够将其化学键打断。二是高能电子会和废弃中物质发生物理化学反应，生成具有强氧化性的物质。图4是本发明的优选实施例一的等离子体气体成分光谱图，图中不同的峰代表气体里面不同的分子、离子的发光的特性，可以看出来空气里的哪些分子被电离了，大气当中是氧气键能最高，从光谱图看出有氧原子发光的峰，所以就证明了放电过程中氧气被电离了，因此其它的气体（包括废气的分子）也能被电离分解。放电过程中产生了一些强氧化性的物质，例如氢氧根和臭氧，这些活性离子和汽车尾气中的有害气体分子反应生成无害的物质。
实施例二-实施例五中的一种空气等离子体处理汽车尾气的方法与实施例一的方法步骤相同，不同在于，高压直流电源2的输出电压大小。图5-图8分别是本发明的优选实施例二-优选实施例五的电晕等离子体气体成分光谱图。
本发明的装置工作时两个绝缘板4之间温度通过热成像得知，气体温度为27.5℃左右，不会损坏汽车排气管。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，包括高压直流电源、相对设置的两个绝缘板，其中一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气进口，另一个所述绝缘板上设置有至少一个尾气出口，两个所述绝缘板之间设置有接地电极和多个导电管，所述接地电极与所述高压直流电源的接地端相连接，多个所述导电管均与所述高压直流电源的高压端相连接，多个所述导电管呈环状分布，每个所述导电管沿长度方向均设置有多个钢针。
2.根据权利要求1所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述绝缘板呈圆形，所述钢针朝向所述绝缘板的圆心方向设置。
3.根据权利要求1所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述接地电极与所述绝缘板同轴设置。
4.根据权利要求3所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述接地电极外包裹有绝缘介质管。
5.根据权利要求1所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述高压直流电源包括直流电源模块、与所述直流电源模块连接的逆变电路、与所述逆变电路连接的升压变压器以及与所述升压变压器连接的高压硅堆。
6.根据权利要求5所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述逆变电路包括第一电感、驱动模块、IGBT和LC串联谐振电路，所述第一电感的一端、驱动模块均与所述直流电源模块相连接，所述第一电感的另一端与所述IGBT的集电极相连接，所述驱动模块与所述IGBT的基极相连接。
7.根据权利要求1所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述导电管为铜管、铝管或铁管。
8.根据权利要求4所述的空气等离子体处理汽车尾气的装置，其特征在于，所述绝缘介质管采用石英玻璃制成。
9.一种空气等离子体处理汽车尾气的方法，其特征在于，使用如权利要求1-8中任一项所述的装置，包括以下步骤：
（1）通过尾气进口将待处理汽车尾气通入两个绝缘板之间；
（2）开启高压直流电源，空气放电产生等离子体与汽车尾气作用，净化后的汽车尾气经由尾气出口排出；
（3）关闭高压直流电源。
10.根据权利要求9所述空气等离子体处理汽车尾气的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，高压直流电源的输出电压为10kV-18kV。
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