本發(fā)明涉及一種空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，低溫等離子體物理與應(yīng)用已經(jīng)是一個具有全球影響的重要的科學(xué)與工程，對高科技經(jīng)濟的發(fā)展及傳統(tǒng)工業(yè)的改造有著巨大的影響。例如，隨著電子通訊的迅猛發(fā)展，大約三分之一微電子器件設(shè)備采用等離子體技術(shù)處理；塑料包裝材料百分之九十都要經(jīng)過低溫等離子體的表面處理和改性。科學(xué)家預(yù)測：二十一世紀(jì)低溫等離子體科學(xué)與技術(shù)將會產(chǎn)生突破。據(jù)估計，低溫等離子體技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)、聚合物薄膜、材料防腐蝕、等離子體電子學(xué)、等離子體合成、等離子體冶金、等離子體煤化工、等離子體廢氣處理等領(lǐng)域的潛在市場每年將達(dá)一千幾百億美元。而汽車尾氣低溫等離子體凈化系統(tǒng)采用的電暈放電技術(shù)，由于其特殊的優(yōu)勢而備受關(guān)注。

目前，防治汽車尾氣污染的控制技術(shù)主要分為三類：（1）機內(nèi)凈化技術(shù)：包括燃燒系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和點火系統(tǒng)的改造；廢氣再循環(huán)；渦輪增壓技術(shù)等；（2）機外凈化技術(shù)：包括排氣管內(nèi)噴射二次空氣、氧化催化技術(shù)；微粒捕集器、再生技術(shù)；氮氧化物吸附催化還原、選擇性催化還原等；（3）車用燃料和混合動力技術(shù)：如采用天然氣燃料、油電混合動力和純電力等。其中三元催化轉(zhuǎn)化器是目前國際公認(rèn)的能大幅度削減汽油車排放污染物的主流技術(shù)，但使用三元催化轉(zhuǎn)化器的汽車必須使用無鉛汽油并要求實現(xiàn)發(fā)動機空燃比可以被精確控制，這使得該類型轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用受到了限制。而對于車用柴油機，由于其排放物中的顆粒物需要進(jìn)行氧化，而處理氮氧化物則需要對其進(jìn)行還原，才能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求，因而現(xiàn)階段主要采用NH3-SCR系統(tǒng)來還原氮氧化物，但采用此系統(tǒng)常常會存在催化劑硫中毒的問題。因而，隨著汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，催化轉(zhuǎn)化技術(shù)以及NH3-SCR技術(shù)已不能適應(yīng)未來高新技術(shù)汽車的發(fā)展需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種處理效率高的空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置，包括高壓直流電源、相對設(shè)置的兩個絕緣板，其中一個所述絕緣板上設(shè)置有至少一個尾氣進(jìn)口，另一個所述絕緣板上設(shè)置有至少一個尾氣出口，兩個所述絕緣板之間設(shè)置有接地電極和多個導(dǎo)電管，所述接地電極與所述高壓直流電源的接地端相連接，多個所述導(dǎo)電管均與所述高壓直流電源的高壓端相連接，多個所述導(dǎo)電管呈環(huán)狀分布，每個所述導(dǎo)電管沿長度方向均設(shè)置有多個鋼針。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述絕緣板呈圓形，所述鋼針朝向所述絕緣板的圓心方向設(shè)置。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述接地電極與所述絕緣板同軸設(shè)置。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述接地電極外包裹有絕緣介質(zhì)管。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述高壓直流電源包括直流電源模塊、與所述直流電源模塊連接的逆變電路、與所述逆變電路連接的升壓變壓器以及與所述升壓變壓器連接的高壓硅堆。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述逆變電路包括第一電感、驅(qū)動模塊、IGBT和LC串聯(lián)諧振電路，所述第一電感的一端、驅(qū)動模塊均與所述直流電源模塊相連接，所述第一電感的另一端與所述IGBT的集電極相連接，所述驅(qū)動模塊與所述IGBT的基極相連接。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述導(dǎo)電管為銅管、鋁管或鐵管。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置進(jìn)一步包括所述絕緣介質(zhì)管采用石英玻璃制成。

一種空氣等離子體處理汽車尾氣的方法，包括以下步驟：

（1）通過尾氣進(jìn)口將待處理汽車尾氣通入兩個絕緣板之間；

（2）開啟高壓直流電源，空氣放電產(chǎn)生等離子體與汽車尾氣作用，凈化后的汽車尾氣經(jīng)由尾氣出口排出；

（3）關(guān)閉高壓直流電源。

本發(fā)明一個較佳實施例中，空氣等離子體處理汽車尾氣的方法進(jìn)一步包括所述步驟（2）中，高壓直流電源的輸出電壓為10kV-18kV。

本發(fā)明解決了背景技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）該結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠獲得最佳參數(shù)，利用聚集電極表面的電荷能量提高放電效率。

（2）產(chǎn)生強電場，能夠靜電除塵。

（3）采用自行研制的微型高壓直流電源，驅(qū)動陣列針狀電極結(jié)構(gòu)，可以獲得放電密度分布均勻、體積較大的等離子體，獲得較大的處理空間。

（4）結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全穩(wěn)定。

（5）能夠快速將本裝置安裝到汽車排氣管上，隨時隨地方便汽車尾氣的處理。

（6）能夠?qū)崿F(xiàn)車載化。

（7）高效分解且處理能耗低，在汽車尾氣處理方面具有極強的應(yīng)用前景。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的右視圖；

圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的高壓直流電源的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實施例一的電暈等離子體氣體成分光譜圖；

圖5是本發(fā)明的優(yōu)選實施例二的電暈等離子體氣體成分光譜圖；

圖6是本發(fā)明的優(yōu)選實施例三的電暈等離子體氣體成分光譜圖；

圖7 是本發(fā)明的優(yōu)選實施例四的電暈等離子體氣體成分光譜圖；

圖8 是本發(fā)明的優(yōu)選實施例五的電暈等離子體氣體成分光譜圖；

圖9 是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的裝置工作時的溫度熱成像圖。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1、圖2所示，一種空氣等離子體處理汽車尾氣的裝置，包括高壓直流電源2、相對設(shè)置的兩個絕緣板4，其中一個絕緣板4上設(shè)置有至少一個尾氣進(jìn)口6，另一個絕緣板4上設(shè)置有至少一個尾氣出口8，兩個絕緣板4之間設(shè)置有接地電極10和多個導(dǎo)電管12，接地電極10與高壓直流電源2的接地端相連接，多個導(dǎo)電管12均與高壓直流電源2的高壓端相連接，多個導(dǎo)電管12呈環(huán)狀分布，每個導(dǎo)電管12沿長度方向均設(shè)置有多個鋼針14。多個導(dǎo)電管12和多個鋼針14形成高壓電極。

本發(fā)明優(yōu)選絕緣板4呈圓形，鋼針14朝向絕緣板4的圓心方向設(shè)置，可以獲得放電密度分布均勻、體積較大的等離子體，從而獲得較大的處理空間。這樣兩個絕緣板4與多個導(dǎo)電管12形成圓柱狀結(jié)構(gòu)，可將尾氣進(jìn)口6設(shè)置成圓形，這樣就可以直接將汽車排氣管插入尾氣進(jìn)口6，實現(xiàn)該裝置安裝在汽車排氣管上，安裝方便快捷，但并不局限于此種方式，也可以在圓柱狀結(jié)構(gòu)外套設(shè)絕緣外殼，將汽車排氣管插入絕緣外殼即可。

本發(fā)明優(yōu)選接地電極10與絕緣板4同心設(shè)置。進(jìn)一步優(yōu)選接地電極10外包裹有絕緣介質(zhì)管16，能夠抑制火花放電。

如圖3所示，本發(fā)明優(yōu)選高壓直流電源2包括直流電源模塊18、與直流電源模塊18連接的逆變電路20、與逆變電路20連接的升壓變壓器22以及與升壓變壓器22連接的高壓硅堆24。進(jìn)一步優(yōu)選逆變電路20包括第一電感L1、驅(qū)動模塊26、IGBT28和LC串聯(lián)諧振電路30，第一電感L1的一端、驅(qū)動模塊26均與直流電源模塊18相連接，第一電感L1的另一端與IGBT28的集電極相連接，驅(qū)動模塊26與IGBT28的基極相連接。優(yōu)選驅(qū)動模塊26的型號為EXB841。LC串聯(lián)諧振電路30包括第一電容C1、第二電感L2、第二電容C2、第三電容C3，第二電感L2、第二電容C2、第三電容C3依次串聯(lián)連接，第一電容C1的一端與IGBT28的集電極、第二電感L2的一端相連接。直流電源模塊18為驅(qū)動模塊26供電，驅(qū)動模塊26給IGBT28提供控制信號，實現(xiàn)IGBT28的導(dǎo)通或關(guān)斷。工作時，直流電源模塊18輸出的直流穩(wěn)壓電通過第一電感L1向逆變電路20充電，逆變電路20由于IGBT28的導(dǎo)通或關(guān)斷，電能不斷的在第一電容C1、第二電感L2、第二電容C2、第三電容C3之間傳遞，將輸入的直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流電輸出至升壓變壓器22的初級線圈，經(jīng)過升壓后升壓變壓器22的次級線圈產(chǎn)生高壓交流輸出，最后經(jīng)高壓硅堆24整流輸出高壓直流電。本發(fā)明優(yōu)選直流電源模塊18為汽車電瓶，實現(xiàn)車載化。

本發(fā)明優(yōu)選絕緣板4采用聚四氟乙烯制成，但并不局限于聚四氟乙烯，也可以為聚乙烯、聚丙烯等。本發(fā)明優(yōu)選導(dǎo)電管12為銅管，但并不局限于銅管，也可以為鋁管、鐵管等。本發(fā)明優(yōu)選鋼針14采用不銹鋼材質(zhì)制成，但并不局限于不銹鋼，也可以為銅、鐵等。本發(fā)明優(yōu)選絕緣介質(zhì)管4采用石英玻璃制成。

實施例一：高壓直流電源的輸出電壓為10 kV。

實施例二：高壓直流電源的輸出電壓為12 kV。

實施例三：高壓直流電源的輸出電壓為14 kV。

實施例四：高壓直流電源的輸出電壓為16 kV。

實施例五：高壓直流電源的輸出電壓為18 kV。

實施例一的一種空氣等離子體處理汽車尾氣的方法，使用上述裝置，包括以下步驟：

（1）通過尾氣進(jìn)口6將待處理尾氣接入兩個絕緣板4之間；

（2）開啟高壓直流電源2，輸出電壓為10kV，空氣放電產(chǎn)生等離子體與汽車尾氣作用，凈化后的汽車尾氣經(jīng)由尾氣出口8排出；

（3）關(guān)閉高壓直流電源2。

其中步驟（2）中提到的等離子體與汽車尾氣作用是指利用高頻高壓電暈流柱放電的非熱平衡等離子體來處理尾氣中的各種污染物。在等離子體反應(yīng)區(qū)，富含大量的活性物質(zhì)，如高能電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等，尾氣中的C、NOx、PM等有有害氣體可與這些具有較高能量的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使有毒物質(zhì)在極短的時間內(nèi)發(fā)生分解。這主要包括以下兩個過程：一是高能電子作用，決定汽車尾氣中有害氣體被降解的難易程度是分子內(nèi)化學(xué)鍵的鍵能，也即鍵能最薄弱的地方最易發(fā)生斷裂，常見的汽車尾氣中有害氣體的化學(xué)鍵鍵能在10eV以下，高能電子能夠?qū)⑵浠瘜W(xué)鍵打斷。二是高能電子會和廢棄中物質(zhì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成具有強氧化性的物質(zhì)。圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實施例一的等離子體氣體成分光譜圖，圖中不同的峰代表氣體里面不同的分子、離子的發(fā)光的特性，可以看出來空氣里的哪些分子被電離了，大氣當(dāng)中是氧氣鍵能最高，從光譜圖看出有氧原子發(fā)光的峰，所以就證明了放電過程中氧氣被電離了，因此其它的氣體（包括廢氣的分子）也能被電離分解。放電過程中產(chǎn)生了一些強氧化性的物質(zhì)，例如氫氧根和臭氧，這些活性離子和汽車尾氣中的有害氣體分子反應(yīng)生成無害的物質(zhì)。

實施例二-實施例五中的一種空氣等離子體處理汽車尾氣的方法與實施例一的方法步驟相同，不同在于，高壓直流電源2的輸出電壓大小。圖5-圖8分別是本發(fā)明的優(yōu)選實施例二-優(yōu)選實施例五的電暈等離子體氣體成分光譜圖。

圖9是本發(fā)明的裝置工作時兩個絕緣板4之間溫度熱成像圖，由圖可知，氣體溫度為27.5℃左右,不會損壞汽車排氣管。

以上依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定技術(shù)性范圍。