熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化研究

郭銅民　熊彥　李鑒

摘 要：汽車尾氣排放的廢氣污染是引起大氣污染的主要途徑，也是當(dāng)今霧霾的主要成因。熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化采用汽車尾氣的殘余熱量為能源，整體設(shè)計(jì)為溫差熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置整體進(jìn)行供能;三效催化系統(tǒng)及高壓靜電吸附系統(tǒng)完成對(duì)汽車尾氣小型顆粒物及污染物的催化氧化及吸附作用。結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，節(jié)約資源，降低能耗，使用方便。

關(guān)鍵詞：熱電轉(zhuǎn)化;汽車尾氣;凈化;設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.120

1 前言

保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今社會(huì)人們關(guān)注的主要問(wèn)題之一[1]。汽車尾氣的主要污染物是一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔?、鉛、硫化物等。它們對(duì)環(huán)境的污染主要表現(xiàn)為產(chǎn)生溫室效應(yīng)，破壞臭氧層，產(chǎn)生酸雨、黑雨等現(xiàn)象[2]。汽車尾氣排放的氣體污染是引起大氣污染的主要途徑，也是當(dāng)今霧霾的主要成因，為了保護(hù)大氣環(huán)境，防治汽車有害尾氣，減少環(huán)境污染已經(jīng)成為刻不容緩的環(huán)境治理問(wèn)題，這就需要我們當(dāng)代人共同努力，為了我們的子孫后代，在環(huán)境保護(hù)科技創(chuàng)新、汽車節(jié)能減排等方面不斷創(chuàng)新，加強(qiáng)防治汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染[3]。

熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化原理是根據(jù)國(guó)家及相關(guān)部門要求，汽車尾氣凈化系統(tǒng)要嚴(yán)格遵循節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展理念，在汽車尾氣凈化過(guò)程中，通過(guò)合理熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成熱電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，高壓靜電除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，三效催化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱量來(lái)自主完成能量收集及轉(zhuǎn)化，達(dá)到高度集成效果，通過(guò)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)可適用于大部分車輛的尾氣凈化作用，從而對(duì)治理我國(guó)由于汽車尾氣造成大氣污染及環(huán)境問(wèn)題做出貢獻(xiàn)。

2 熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化設(shè)計(jì)

2.1 熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化原理

19世紀(jì)中期，德國(guó)的研究學(xué)者塞貝克偶然發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，定義兩種金屬一種為P型熱電材料，另一種為N型熱電材料，當(dāng)兩個(gè)不同的金屬構(gòu)成了一個(gè)通路以后，如果兩個(gè)金屬導(dǎo)體兩個(gè)端面的溫度不相同從而產(chǎn)生了溫度差，產(chǎn)生電壓，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)。塞貝克效應(yīng)的出現(xiàn)奠定了溫差發(fā)電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，該電勢(shì)差取決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度的不同。半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)較大，可用作溫差發(fā)電器。根據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，利用汽車廢氣熱量完成自身能量轉(zhuǎn)化及對(duì)提供一定的電能。通過(guò)單電體復(fù)合結(jié)構(gòu)，冷卻板和緊固裝置組成的高溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)。再通過(guò)高壓穩(wěn)壓升壓電路，靜電吸附裝置，除油污裝置，微小顆粒物吸附裝置組成的高壓靜電吸附系統(tǒng)。通過(guò)夾片接合設(shè)計(jì)，利于更換，方便清洗。通過(guò)金屬蜂窩狀載體，催化劑，活化涂層組成的催化系統(tǒng)。通過(guò)油污過(guò)濾網(wǎng)，高壓靜電吸附鐵絲網(wǎng)，螺旋式催化氧化廢氣，空氣濾清器等凈化設(shè)計(jì)，完成對(duì)汽車尾氣進(jìn)行一系列凈化處理。

2.2 熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化結(jié)構(gòu)中，裝置殼體采用金屬?zèng)_壓成型，外形為采用六方棱柱，過(guò)渡區(qū)域?yàn)榱藉F體。六方錐體的一端與進(jìn)氣管相連接，另一端與出氣管相連接，構(gòu)成堅(jiān)固的裝置外殼。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)位于六方棱柱外殼之外，采用緊固裝置與外殼相連，裝置的冷卻板與六方棱柱的外殼之間放置熱電轉(zhuǎn)化模塊，采用風(fēng)冷作為其冷卻方式。在殼體內(nèi)側(cè)連接放置有高溫穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路之后分別連接放置油污過(guò)濾網(wǎng)、高壓靜電吸附材料和幾道鐵絲網(wǎng)。催化系統(tǒng)載體設(shè)計(jì)成斜六方單體，呈螺旋形分布于六方棱柱殼體裝置內(nèi)側(cè)，以便有效的擾流及催化氧化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣。催化裝置后方連接放置空氣濾清器，當(dāng)尾氣溫度較低時(shí)保證空氣濾清器的使用壽命及使用可靠性。

在熱電轉(zhuǎn)化汽車尾氣凈化設(shè)計(jì)中，高壓靜電吸附網(wǎng)設(shè)計(jì)在吸附發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中灰塵等顆粒物的過(guò)程中容易囤積在裝置內(nèi)部，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，就會(huì)增加凈化裝置整體的重量，降低汽車尾氣凈化效果。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，采用插片式設(shè)計(jì)，另在鐵絲網(wǎng)底部設(shè)計(jì)抽卸式溝槽，利用汽車自身啟動(dòng)的慣性作用對(duì)灰塵及顆粒物進(jìn)行收集以滿足實(shí)際凈化需要。傳統(tǒng)催化劑載體難以滿足對(duì)汽車尾氣不同污染氣體的綜合催化效果，達(dá)不到凈化裝置所需的實(shí)際催化效果，其對(duì)凈化裝置自身使用壽命也有一定的影響。通過(guò)采用金屬蜂窩狀催化載體，利用金屬載體幾何比表面積、開(kāi)孔率均比陶瓷載體高、熱膨脹系數(shù)高、金屬載體熱傳導(dǎo)系數(shù)高、可以與催化凈化器的殼體實(shí)現(xiàn)很好的熱膨冷縮匹配，并利用熱容量低、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)來(lái)綜合催化，增地可靠性，延長(zhǎng)整個(gè)裝置的使用壽命。

3 汽車尾氣凈化催化劑與載體的選擇

催化劑載體的性能的好壞對(duì)催化劑的活性和使用壽命影響極大[4]。理想的催化劑載體一是具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，催化劑載體工作時(shí)要承受調(diào)整氣流的熱沖擊，以及路面不平整和汽缸振動(dòng)引起的劇烈振動(dòng)。二是具有足夠的耐熱性，以適應(yīng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)較寬的排氣溫度范圍。三是具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)或開(kāi)孔率，具備低的熱容量和高的導(dǎo)熱率和較大的比表面積。載體材料的熱容量低，熱導(dǎo)率高則可使其達(dá)到催化反應(yīng)所需溫度的時(shí)間縮短，提高催化凈化效率。載體比表面積大，活性成分分布均勻，有利于提高活性成分的利用率，降低成本。也要有適當(dāng)?shù)奈?，便宜的價(jià)格。使得排出氣體的接觸幾何表面積大，有利于催化反應(yīng);由于流通阻力小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響小;載體的熱傳導(dǎo)好可延緩催化劑的熱老化。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：郭銅民（1964-），男，陜西西安人，本科，副教授，研究方向：材料成型與加工技術(shù)。