CN109854342B - 基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，包括DBD排气管、管状连接头、变电器、车载电源调节器和烟气浓度测量装置；DBD排气管包括外管状金属电极、中心杆状金属电极、中心绝缘套管和两组“人”字形支撑架；管状连接头分别与汽车尾气管和外管状金属电极相连接；中心杆状金属电极通过导线与变压器连接，变压器和车载电源调节器均与车载电瓶相连接；中心绝缘套管通过“人”字形支撑架与管状连接头和外管状金属电极连接；每组“人”字形支撑架均包括三根圆柱形的支撑杆。本发明在不影响汽车发动机内部本身结构的基础上，以对汽车最小改动为目标，有效去除汽车尾气中的NOX、CO、HC等主要污染物，并且依靠车载电瓶供电。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾气净化技术领域，特别是一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置。
背景技术
随着我国汽车产业的飞速发展，汽车保有量激增，汽车尾气对城市空气质量的影响开始凸显，虽然电动汽车的出现有望在一定程度上应对尾气污染问题，但是受制于电池技术和充电问题，电动汽车续航里程不高，充电尤其是非大城市地区的充电问题尤为突出，且锂电池的制造和废弃本身也带来严重的环境污染。因此，解决好常规燃油汽车尾气污染问题仍然是当务之急。
汽车尾气主要污染物有NOX、CO、HC等，当前主要的汽车尾气净化方法有如下两种：
1、采用三元催化器，通过其中的净化剂促使以上污染物发生氧化-还原化学反应。然而，这种方法需受制于催化剂活性条件，还需要对其进行加热，既耗费了能量，又容易引起汽车自燃，另外催化剂寿命十分有限。
2、采用水洗方式对汽车尾气进行过滤也是得到广泛研究的方法，但是，这种方法仅对碳粒子有效，且对水箱容积要求更高。
随着非平衡等离子体辅助燃烧技术的发展，其在提高燃烧效率、缩短点火延迟、稳定火焰方面展现了不俗的能力。等离子体分为平衡态等离子体和非平衡态等离子体，其中电弧放电产生等离子体属于平衡态等离子体，常被用于发动机点火。然而通过放电产生平衡态等离子体过程中对电极腐蚀十分严重，导致通常难以长时间维持。典型的非平衡发生方式主要有介质阻挡放电、纳秒脉冲放电、微波放电等，这些放电方式中纳秒脉冲放电电源系统复杂、体积很大，且伴随强烈的电磁干扰等问题；微波放电产生等离子体则可能对人体带来伤害，不适合车载。
公开号为CN102230410A 的中国发明专利申请，其发明名称为“一种基于等离子体实现光催化的汽车尾气净化装置”，其用到了二氧化钛，该物质一旦泄漏，被人体吸入会长期难以排除。
公开号为CN103352744的中国发明专利申请，其发明名称为“一种汽车尾气的等离子体净化器”，结构复杂，有额外的水槽、电源，中间箱体存在不利于在现有汽车上布局，影响了汽车发动机设计。
公开号为CN109351140A的中国发明专利申请，其发明名称为“一种热等离子体废气处理装置”，其中，放电产生的等离子属于热等离子体，电极工作寿命短，且需要耐火材料防护，变径段的加工难度高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，该基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置在不影响汽车发动机内部本身结构的基础上，以对汽车最小改动为目标，有效去除汽车尾气中的NOX、CO、HC等主要污染物，并且依靠车载电瓶供电。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，包括DBD排气管、管状连接头、变电器、车载电源调节器和烟气浓度测量装置。
DBD排气管包括外管状金属电极、中心杆状金属电极、中心绝缘套管和两组“人”字形支撑架。
管状连接头包括中间段和位于中间段两端的连接端，其中一个连接端与汽车尾气管相连接，另一个连接端与外管状金属电极相连接。
中心杆状金属电极外周包覆中心绝缘套管，包覆有中心绝缘套管的中心杆状金属电极同轴插设在外管状金属电极中。
中心杆状金属电极通过导线与变压器连接，变压器和车载电源调节器均与车载电瓶相连接。
中心绝缘套管的下游尾端为封闭端，该封闭端与外管状金属电极的下游尾端相齐平。
中心绝缘套管外壁面通过一组“人”字形支撑架与管状连接头的中间段内壁面相连接，通过另一组“人”字形支撑架与外管状金属电极内壁面相连接。
每组“人”字形支撑架均包括沿周向均匀布设的三根圆柱形的支撑杆。
中心绝缘套管与外管状金属电极之间的环状通道为汽车尾气处理通道，烟气浓度测量装置用于对汽车尾气处理通道出口烟气进行测量。
汽车尾气管、管状连接头和外管状金属电极的内径相等。
汽车尾气管、管状连接头和外管状金属电极的外径也相等。
管状连接头的两个连接端均为外螺纹连接端，外管状金属电极包括放电段和内螺纹连接段，内螺纹连接段的壁厚小于放电段的壁厚，内螺纹连接段与管状连接头的其中一个外螺纹连接端螺纹连接，另一个外螺纹连接端与汽车尾气管螺纹连接。
放电段的长度不超过内螺纹连接段长度的10倍。
放电段的内壁面加工有浅螺纹。
中心杆状金属电极与中心绝缘套管螺纹连接。
与管状连接头相连接的一组“人”字形支撑架中的一个支撑柱中开设有穿线过孔，与穿线过孔位置相对应的管状连接头上开设有外穿线孔，与穿线过孔位置相对应的中心绝缘套管上开设有内穿线孔，导线依次穿过外穿线孔、穿线过孔和内穿线孔后与中心杆状金属电极相连接。
管状连接头、中心绝缘套管以及支撑柱均为陶瓷材质。
本发明具有如下有益效果：
1、基于介质阻挡放电方式产生等离子体来控制汽车尾气污染物具有响应速度快、放电反应迅速、参数可调范围大、电极可长时间运行等优点。
2、易于加工，采用的构型与汽车尾气管结构兼容性非常好，模块化设计便于拆装，设计的中心杆状金属电极和支撑杆对尾气来流阻塞很小，且支撑杆能形成脱落涡和回流区，又使尾气的放电更充分。
3、能将NOX和CO等主要污染气体净化为无毒、无污染气体，且能对碳黑、碳氧化物颗粒实现吸附，并通过车载电源调节器实现对净化效果的调控，且该放电模式下放电功率通常小于100 W。
4、与原有汽车尾气管结构一体化，不占额外空间。
附图说明
图1显示了本发明一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置的整体结构图。
图2显示了DBD排气管的立体图。
图3显示了DBD排气管的轴向剖面图。
图4显示了DBD排气管的径向剖面图。
图5显示了中心杆状金属电极的立体图。
图6显示了中心绝缘套管的立体图。
图7显示了中心绝缘套管的轴向剖面图。
图8显示了管状连接头的立体图。
图9显示了管状连接头的轴向剖面图。
图10显示了外管状金属电极的立体图。
图11显示了外管状金属电极的轴向剖面图。
图12显示了支撑杆不含穿线过孔时的结构图。
图13显示了支撑杆含有穿线过孔时的结构图。
图14显示了支撑杆下游形成的回流区示意图。
图15显示了支撑杆下游形成的低流速区示意图。
图16显示了汽车尾气管内径为40mm时DBD排气管的尺寸布设示意图。
其中有：
10.DBD排气管；
11.外管状金属电极；111.内螺纹连接段；12.中心杆状金属电极；13.中心绝缘套管；131.内穿线孔；14.支撑杆；141.穿线过孔；
20.管状连接头；21.外螺纹连接端；22.中间段；221.外穿线孔；
30.变电器；40.车载电瓶；41.车载电源调节器；
50.烟气浓度测量装置；51.测量探头；
60.回流区；61.流线；62.低流速区。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，上游、下游是以尾气走向进行区分的，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，包括DBD排气管10、管状连接头20、变电器30、车载电源调节器41和烟气浓度测量装置50。
如图8和图9所示，管状连接头包括中间段22和位于中间段两端的连接端，中间段上优选开设有外穿线孔221。
管状连接头的两个连接端均优选为外螺纹连接端21，位于上游的外螺纹连接端与汽车尾气管螺纹连接，位于下游的外螺纹连接端与外管状金属电极螺纹连接。
管状连接头内径优选与汽车尾气管内径相等，中间段的外径优选与汽车尾气管外径相等。
管状连接头与汽车尾气管装配前，先在汽车尾气管的出口尾端内壁面开挖一段与上游外螺纹连接端长度相等的环形凹槽，然后在环形凹槽上车出内螺纹，使得管状连接头与汽车尾气管形成良好装配。
管状连接头的存在，也能起到确保放电仅发生在管状连接头下游的外管状金属电极与中心杆状金属电极之间的环形通道。由于管状连接头本身为陶瓷，因此管状连接头与内螺纹段的螺纹连接段较下游放电段多了一层陶瓷绝缘介质的阻挡，使得施加电压后放电段会优先发生放电，而此螺纹连接段则不发生放电。
如图2至图4所示，DBD排气管包括外管状金属电极11、中心杆状金属电极12、中心绝缘套管13和两组“人”字形支撑架。
如图11和图12所示，外管状金属电极包括放电段和内螺纹连接段111，内螺纹连接段的壁厚小于放电段的壁厚，具体操作方法为：先在外管状金属电极的上游端内壁面开挖一段与内螺纹连接段长度相等的环形凹槽，然后在环形凹槽上车出内螺纹，从而形成内螺纹连接段，便于使外管状金属电极的内外径与汽车尾气管和管状连接头保持一致，防止从发动机出来的尾气在管道中流动不畅，如果不一致，可能导致下游内径变小而发生气体拥塞等问题。
放电段的内壁面加工有浅螺纹，用于强化放电。放电段的长度不超过内螺纹连接段长度的10倍。
中心杆状金属电极，如图5所示，其外周包覆中心绝缘套管，中心杆状金属电极与中心绝缘套管优选螺纹连接。
包覆有中心绝缘套管的中心杆状金属电极同轴插设在外管状金属电极中。
如图6和图7所示，中心绝缘套管的上游端开口设置，下游尾端为封闭端，该封闭端与外管状金属电极的下游尾端相齐平。中心绝缘套管的设计，可以实现对其内部中心杆状金属电极的包裹与位置固定，且下游尾端封闭后能实现防DBD排气管出口发生边缘放电。
中心绝缘套管与外管状金属电极之间的环状通道为汽车尾气处理通道，也称空气间隙或放电间隙。
中心绝缘套管外壁面通过一组“人”字形支撑架与管状连接头的中间段内壁面相连接，通过另一组“人”字形支撑架与外管状金属电极内壁面相连接。
“人”字型支撑杆除了起到支撑和固定中心杆状金属电极和中心绝缘套管的作用，还能隔绝高压导线与外管状金属电极，防止高压导线与外管状金属电极之间优先放电。
每组“人”字形支撑架均包括沿周向均匀布设的三根支撑杆14，如图12所示，每根支撑杆均呈圆柱形。
位于上游的“人”字形支撑架中的一个支撑柱中开设有有如图13所示的穿线过孔141，该穿线过孔与外穿线孔位置相对应，与穿线过孔位置相对应的中心绝缘套管上开设有内穿线孔131。
管状连接头、中心绝缘套管以及支撑柱均为陶瓷材质。
上游“人”字形支撑架的位置设置，一方面能使外管状金属电极的内外径与汽车尾气管和管状连接头保持一致；另一方面，由于管状连接头为陶瓷材料，便于开设外穿线孔，便于导线穿过，防止导线与下游DBD排气管中的外管状金属电极之间发生放电。
另外，上游“人”字形支撑架与外管状金属电极上游端（也即内螺纹连接段上游端）之间的轴向距离不小于放电间隙厚度尺寸，从而防止高压导线与外管状金属电极之间优先放电。
本发明中，外管状金属电极接地，形成地电极；中心杆状金属电极通过导线与变压器连接，形成高压电极；其中，导线依次穿过外穿线孔、穿线过孔和内穿线孔后与中心杆状金属电极相连接。
变压器和车载电源调节器均与车载电瓶40相连接，放电类型优选为微秒、毫秒脉冲放电或高频交流放电。
烟气浓度测量装置50用于对汽车尾气处理通道出口烟气进行测量。烟气浓度测量装置优选为手持式烟气浓度分析仪，将其测量探头51放置在汽车尾气处理通道的出口，即可对汽车尾气处理通道出口烟气进行测量。
下面以具体事例，将汽车尾气管、管状连接头和外管状金属电极的内径相等的布设方法进行详细介绍。
如图16所示，针对通常小汽车排气管，汽车尾气管内径为40mm，图中尺寸单位为mm。
管件连接头的内径为40mm，其外螺纹连接端壁厚3-10mm，中间段壁厚6-15 mm，两段螺纹连接端轴向长度大于20 mm，且在能保证可靠连接的基础上长度尽可能小；外穿线孔、穿线过孔和内穿线孔的直径均为1-3mm。
支撑杆直径6-15mm，其中，位于上游的“人”字形支撑架其进口端轴向位置距离中心绝缘套管开口端大于5 mm，以保证中心绝缘套管和电极受力平衡。
另外，位于上游的“人”字形支撑架中支撑杆的中心与上游外螺纹连接端开口之间的距离不少于8 mm。这样的好处是防止导线与最近的外电极之间直接发生放电，而在下游该放电区域未发生放电。
外管状金属电极中放电段壁厚6-15 mm，保持与管状连接头装配后内外表面平齐；中心杆状金属电极直径8-15 mm，中心绝缘套管壁厚3-5 mm，且两者螺纹连接后出口断面平齐，中心绝缘套管封闭端壁厚3-6 mm。
具体装配方式为：管状连接头的一端与汽车排气管通过螺纹进行连接，另一端与DBD排气管外管状金属电极通过螺纹进行连接，以上螺纹采用密封型螺纹或者添加密封胶/带；将中心杆状电极旋入中心绝缘套管，即中心绝缘套管对中心杆状金属电极呈包裹态，封闭端的作用是轴向固定中心电极，两者采用螺纹连接；采用两组呈“人”字形支撑架支撑中心杆状金属电极和中心绝缘套管，单组“人”字形支撑架中相邻支撑杆之间呈120°布置，其中距离进气端的“人”字形支撑架中一个支撑杆中心开有1 mm穿线过孔，该穿线过孔与内穿线孔以及外穿线孔均对齐，以保证导线穿过并接触至中心杆状金属电极。
管状连接头、中心绝缘套管以及所有支撑杆均为陶瓷材质，中心杆状金属电极和外管状金属电极材质则可以是钢、铜等常见电极类金属。支撑杆和外管状金属电极、管状连接头、中心绝缘套管三者之间均采用螺纹连接。
支撑杆布局能保证气流受到的阻挡均匀，根据空气动力学原理，如图14所示，对尾气来流来说各个支撑杆下游会形成回流区60，从而还有利于延长尾气在DBD排气管的驻留时间，强化放电反应。
由于支撑杆为圆柱体，并垂直于排气管来流方向，所以形成了经典的圆柱绕流流场，该流场流线图如图14所示，可以看到由于圆柱体的存在，在圆柱体下游靠近圆柱体位置形成了一对回流区60，根据流体力学知识，回流区内流体质点甚至会向上游运动；图15则给出了圆柱体绕流流场速度分布云图，相对于来流而言是回流区明显是一个低流速区62，并且能影响到圆柱体下游较远位置，因此汽车尾气在经过每一个支撑杆后都会形成相应的回流区和下游的低流速区，使得尾气在其中驻留时间显著增加，而放电开始于管状连接头的支撑杆下游，即放电对每一个流体质点的作用时间变长，电离、分解、氧化等放电相关的反应进行得更彻底了，因而对尾气的净化效果更好。另外，由于采用了上游和下游两组、共计6个支撑杆的方案，在最大限度节省材料的同时，起到了良好的支撑和固定中心杆状金属电极与中心绝缘套管的作用，而利用圆柱绕流减速作用，使得DBD排气管对尾气的净化更彻底，并且对称形式的支撑架设计方案能最大限度保持排气管内气流流场结构的对称，使得对整个尾气的放电作用更均匀。
本发明中，对支撑杆数量和直径的选择，也是经过长期反复试验后设计出来的，经过上述分析可知，支撑杆直径越大，在尾气来流条件不变时，下游回流区和低流速区体积越大，使得尾气在其中驻留时间显著增加，尾气处理效果更好。然而，支撑杆直径太大，则会严重影响DBD排气管有效通过面积，可能导致尾气拥塞，且尾气温度较高，因为如果排气管通过面积过小，热量散不出去，会引发爆炸危险。
故而，本发明中，每组“人”字形支撑架均选择三根支撑杆，这样对通过面积影响最小并能节省材料，且直径设计上要保证具有一定的强度和刚度以有效支撑中心杆状金属电极。而且，三个支撑杆下游都会形成对称的回流区和低流速区，从而延长尾气驻留时间，使得对尾气电离处理更充分。
DBD排气管工作时，利用汽车自带的车载电瓶供电，通过变电器将车载电瓶的连续直流电压转变为微秒、毫秒脉冲电压或高频交流电压中的一种，并通过导线施加于DBD排气管电极上，将在中心绝缘套管和外管状金属电极之间形成介质阻挡放电，汽车发动机排放的气体通过一段管路（管状接头）后进入DBD排气管，在流经放电区域时被电离而形成典型的非平衡等离子体，其中发生一系列放电反应和传统化学反应，减少或消除有害气体和固体颗粒，从而形成清洁的尾气并排入大气。由于汽车起步、熄火以及不同档位等不同工况下尾气状态不同，为此可以在尾气车口利用手持式烟气分析仪对经过处理的尾气进行检测，将烟气分析仪的测量探头深入排气管末端管内即可测量产物中CO、NO、NO2、SO、SO2等物质浓度；再通过车载电源调节器条件施加于DBD排气管上的放电参数，并利用烟气分析仪监测尾气成分浓度变化，从而实现最优的电源控制。
实施过程
以某汽油车为例，当汽车发动机工作时燃料与空气发生反应，正常燃烧时生成CO2和H2O和过量的氧等物质，但是由于燃料中含有杂质，且燃料燃烧常常不完全，使得会排放出一些有害物质，主要是CO、NO、NO2以及一些碳颗粒。当发动机气动后通过车载电源调节器打开一体化汽车尾气净化装置，尾气离开发动机后不久立即进入一体化汽车尾气净化装置发生放电反应，其中电子碰撞反应速率常常远高于传统燃烧化学反应，非常有利于快速形成O、N、OH等活性基团并继续发生氧化反应等，例如：放电电离反应e+O2⟶e+O+O、e+N2⟶e+N+N，电离产生的活性粒子发生一系列氧化反应、还原反应O+CO⟶CO2、N + NO ⟶ O + N2、N +NO2 => O + O + N2、N + NO2 => N2 + O2、O + NO => N + O2、O + N2O => N2 + O2，从而达到净化尾气中的主要污染物CO、NO、NO2的目的。另外，尾气中的碳颗粒主要是碳黑以及一些金属氧化物等颗粒，碳黑和金属氧化物具有一定的导电性，施加放电后这些颗粒会按照各自带电状态分别定向运动并吸附在外管状金属电极和中心绝缘套管表面，由于一体化汽车尾气净化装置采用了模块化设计，当两者表面沉积杂质较多后可以拆除外管状金属电极后对两者内外表面进行清洗，再安装后继续使用。在尾气处理过程中可以利用手持式烟气分析仪在线监测尾气有害物CO、NO等物质浓度，当发现其浓度较高时，操作车载电源调节器，改变放电电压、脉冲频率、脉冲宽度等参数，从而改变放电特性，进而达到改变尾气有害物浓度效果，当调节放电参数后发现监测的尾气有害物浓度已经达标，即可保持该调节参数不变，否则继续改变调节参数直至尾气有害物浓度达标。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：包括DBD排气管、管状连接头、变电器、车载电源调节器和烟气浓度测量装置；
DBD排气管包括外管状金属电极、中心杆状金属电极、中心绝缘套管和两组“人”字形支撑架；
管状连接头包括中间段和位于中间段两端的连接端，其中一个连接端与汽车尾气管相连接，另一个连接端与外管状金属电极相连接；
中心杆状金属电极外周包覆中心绝缘套管，包覆有中心绝缘套管的中心杆状金属电极同轴插设在外管状金属电极中；
中心杆状金属电极通过导线与变压器连接，变压器和车载电源调节器均与车载电瓶相连接；
中心绝缘套管的下游尾端为封闭端，该封闭端与外管状金属电极的下游尾端相齐平；
中心绝缘套管外壁面通过一组“人”字形支撑架与管状连接头的中间段内壁面相连接，通过另一组“人”字形支撑架与外管状金属电极内壁面相连接；
每组“人”字形支撑架均包括沿周向均匀布设的三根圆柱形的支撑杆；
中心绝缘套管与外管状金属电极之间的环状通道为汽车尾气处理通道，烟气浓度测量装置用于对汽车尾气处理通道出口烟气进行测量；
管状连接头的两个连接端均为外螺纹连接端，外管状金属电极包括放电段和内螺纹连接段，内螺纹连接段的壁厚小于放电段的壁厚，内螺纹连接段与管状连接头的其中一个外螺纹连接端螺纹连接，另一个外螺纹连接端与汽车尾气管螺纹连接；
中心杆状金属电极与中心绝缘套管螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：汽车尾气管、管状连接头和外管状金属电极的内径相等。
3.根据权利要求2所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：汽车尾气管、管状连接头和外管状金属电极的外径也相等。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：放电段的长度不超过内螺纹连接段长度的8倍。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：放电段的内壁面加工有浅螺纹。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：与管状连接头相连接的一组“人”字形支撑架中的一个支撑柱中开设有穿线过孔，与穿线过孔位置相对应的管状连接头上开设有外穿线孔，与穿线过孔位置相对应的中心绝缘套管上开设有内穿线孔，导线依次穿过外穿线孔、穿线过孔和内穿线孔后与中心杆状金属电极相连接。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于介质阻挡放电的一体化汽车尾气净化装置，其特征在于：管状连接头、中心绝缘套管以及支撑柱均为陶瓷材质。
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