汽車空調(diào)對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾機(jī)理和效果分析

孫少杰，朱布博

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，陜西 西安 710018）

0 引言

目前，我國(guó)空氣中最主要的、危害最大的污染物是可吸入顆粒物。可吸入顆粒物，一般指的是空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于10 μm的細(xì)小顆粒物[1]。它們?cè)诳諝庵虚L(zhǎng)期漂浮，被人體吸入后，會(huì)長(zhǎng)期積累在呼吸系統(tǒng)中，引發(fā)許多疾病，對(duì)人體危害巨大。顆粒物的粒徑越小，對(duì)人體的危害越大，一般來(lái)說(shuō)，直徑在100 μm以上的顆粒物會(huì)很快從空氣中沉淀，不會(huì)被人體吸入。而大部分10 μm以上的顆粒物可以被鼻腔里的鼻毛、粘液阻擋在外，不會(huì)進(jìn)入上呼吸道，當(dāng)顆粒物直徑 5 μm＜d＜10 μm時(shí)，鼻腔將很難起到阻擋作用，它們會(huì)隨空氣進(jìn)入并沉積于上呼吸道。當(dāng)顆粒物直徑小于5 μm時(shí)，它們就能夠進(jìn)入肺部。如果顆粒物直徑小于0.1 μm，那么它們當(dāng)中的50%以上將在肺部沉積，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)塵肺病等呼吸系統(tǒng)疾病。當(dāng)前，可吸入顆粒物是造成我國(guó)霧霾天氣的重要原因。2013年，中國(guó)遭遇了最嚴(yán)重的霧霾天氣，危害涉及全國(guó)25個(gè)省，100多個(gè)大中型城市。我國(guó)的平均霧霾天數(shù)高達(dá)29.9天，污染天氣持續(xù)天數(shù)達(dá)到52年以來(lái)的最高水平[2]。

隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量重視程度的提高，大家對(duì)車內(nèi)空氣的凈化也提出了更高的要求，因此汽車空調(diào)系統(tǒng)的空氣凈化效果就受到了人們的廣泛關(guān)注，車輛在使用過(guò)程中，車內(nèi)外空氣可以通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行交換，如果空氣得不到有效過(guò)濾，那車外環(huán)境中的NOx、CO等有害氣體和可吸入顆粒污染物等就會(huì)進(jìn)入車內(nèi)，危害駕乘人員健康。為了有效過(guò)濾可吸入顆粒物和有害氣體，我國(guó)各汽車廠家紛紛推出了雙效空調(diào)過(guò)濾器，以提高對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率，同時(shí)過(guò)濾有害氣體。有相關(guān)研究論文就雙效過(guò)濾器在特定空氣流速下對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率進(jìn)行了研究，如長(zhǎng)安大學(xué)李陽(yáng)陽(yáng)等的雙效汽車空調(diào)過(guò)濾器對(duì)細(xì)顆粒物過(guò)濾效果的試驗(yàn)研究[3]，但缺乏不同風(fēng)速、不同使用環(huán)境以及靜電駐極處理等新技術(shù)的采用對(duì)雙效過(guò)濾器過(guò)濾效率和使用壽命的影響相關(guān)的研究，此方面僅有王磊的無(wú)紡布對(duì)空氣中顆粒物過(guò)濾效率的實(shí)驗(yàn)研究[4]，王磊針對(duì)單效過(guò)濾器在不同風(fēng)速下的過(guò)濾效率進(jìn)行了研究，但并未涉及雙效過(guò)濾器。并且目前缺乏在相同實(shí)驗(yàn)條件下單效與雙效過(guò)濾器的過(guò)濾效率對(duì)比研究。故本文將單、雙效過(guò)濾器的過(guò)濾效率進(jìn)行對(duì)比分析，并就不同風(fēng)速、不同使用環(huán)境以及靜電駐極處理等新技術(shù)的采用對(duì)雙效過(guò)濾器過(guò)濾效率和使用壽命的影響進(jìn)行研究，探究影響過(guò)濾器過(guò)濾效率和使用壽命的因素。

1 汽車空調(diào)系統(tǒng)的凈化作用

汽車空調(diào)系統(tǒng)是車內(nèi)制熱、制冷的重要裝置，同時(shí)也是凈化車內(nèi)空氣的主要途徑。它可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣與車外新鮮空氣的交換，也可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣循環(huán)凈化。具有外、內(nèi)循環(huán)和自動(dòng)模式三種控制方式。

1.1 內(nèi)循環(huán)模式

汽車空調(diào)的內(nèi)循環(huán)指的是車外空氣入口處的風(fēng)門關(guān)閉，車內(nèi)空氣循環(huán)入口的風(fēng)門開(kāi)啟，車內(nèi)不與車外進(jìn)行空氣交換，車內(nèi)空氣僅進(jìn)行自循環(huán)的模式。如圖1所示。當(dāng)車外空氣質(zhì)量較差時(shí)，比如霧霾天、揚(yáng)塵天或者堵車時(shí)段尾氣嚴(yán)重的道路環(huán)境中都應(yīng)該開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)模式，這樣可以防止外界的可吸入顆粒物、沙塵和有害氣體等進(jìn)入車內(nèi)損害駕乘人員的健康。此外，當(dāng)車內(nèi)需要保暖或降溫時(shí)，可以開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)模式，以阻止外界炎熱或寒冷的空氣進(jìn)入車內(nèi)，從而達(dá)到快速制熱或制冷的目的。在內(nèi)循環(huán)模式下，空調(diào)系統(tǒng)只需對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行循環(huán)凈化，故可以在很短的時(shí)間內(nèi)就能完成空氣凈化過(guò)程。并且可以有效阻止外界顆粒物或有害氣體等污染物進(jìn)入車內(nèi)。

圖1 汽車空調(diào)內(nèi)循環(huán)模式Fig.1 Internal circulation mode of automobile air conditioner

1.2 外循環(huán)模式

汽車空調(diào)的外循環(huán)指的是車內(nèi)空氣循環(huán)入口的風(fēng)門關(guān)閉，車外空氣入口處的風(fēng)門開(kāi)啟，車內(nèi)外空氣可以進(jìn)行交換的模式。如圖2所示。當(dāng)車外空氣質(zhì)量較好時(shí)，可以開(kāi)啟外循環(huán)模式，將車內(nèi)CO2迅速排出，并將車外新鮮空氣引入車內(nèi)，從而降低車內(nèi)CO2濃度，提高氧氣含量。在外循環(huán)模式下，空調(diào)系統(tǒng)將對(duì)車外空氣進(jìn)行過(guò)濾，將顆粒物和有害氣體阻擋在外，提高進(jìn)入車內(nèi)空氣的潔凈度。

圖2 汽車空調(diào)外循環(huán)模式Fig.2 External circulation mode of automobile air conditioner

1.3 自動(dòng)模式

目前，很多中高端車型除了內(nèi)、外循環(huán)模式之外，還具有自動(dòng)控制模式，即CLEAN AIR功能，所謂CLEAN AIR，指的是內(nèi)外循環(huán)會(huì)自動(dòng)切換，當(dāng)選擇CLEAN AIR功能時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)即會(huì)進(jìn)入內(nèi)循環(huán)，從而將外界空氣與車內(nèi)隔絕，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空氣的快速凈化。當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，車內(nèi)的濕度會(huì)上升，CO2濃度也上升，當(dāng)傳感器檢測(cè)到車內(nèi)濕度和CO2含量超過(guò)上限時(shí)，空調(diào)控制器會(huì)自動(dòng)同時(shí)打開(kāi)外循環(huán)，將車外新鮮空氣引入車內(nèi)，將車內(nèi)多余的水分和CO2排出車外，當(dāng)外循環(huán)運(yùn)行一段時(shí)間之后，它會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，重新進(jìn)入完全內(nèi)循環(huán)模式。在自動(dòng)模式下，空調(diào)系統(tǒng)可以將車內(nèi)濕度、O2含量和空氣質(zhì)量控制在最優(yōu)的狀態(tài)。

2 不同類型汽車空調(diào)過(guò)濾器的過(guò)濾效果分析

汽車空調(diào)過(guò)濾器一般安裝于空調(diào)管道中鼓風(fēng)機(jī)的前方?？梢栽趦?nèi)、外循環(huán)時(shí)分別對(duì)車內(nèi)外空氣進(jìn)行過(guò)濾，使車內(nèi)空氣的潔凈度提高，保護(hù)車內(nèi)人員的身體健康。

根據(jù)我國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《汽車空調(diào)過(guò)濾器技術(shù)條件》（QC/T998—2015）[5]的規(guī)定，將汽車空調(diào)過(guò)濾器分為顆粒式空調(diào)過(guò)濾器和雙效空調(diào)過(guò)濾器。顆粒式過(guò)濾器指的是用來(lái)分離和儲(chǔ)存空氣流中有形顆粒的汽車空調(diào)過(guò)濾器，也叫作灰塵過(guò)濾器或花粉過(guò)濾器，它僅能過(guò)濾空氣中的顆粒物，而不能過(guò)濾空氣中的有害氣體和異味，所以，也將其稱為單效過(guò)濾器。目前市面上的單效過(guò)濾器主要是無(wú)紡布空調(diào)過(guò)濾器。而雙效過(guò)濾器指的是用來(lái)分離、儲(chǔ)存和吸附空氣流中有形顆粒、有害氣體和異味的汽車空調(diào)過(guò)濾器，它不僅可以過(guò)濾空氣中的顆粒物，而且對(duì)CO、NOx、甲醛、苯類等有害氣體和異味都有吸附和過(guò)濾作用。由于單效過(guò)濾器和雙效過(guò)濾器的材料組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，所以過(guò)濾效果也有很大的區(qū)別。

2.1 單效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果

無(wú)紡布過(guò)濾器是最常用的單效過(guò)濾器，因此，本文以無(wú)紡布過(guò)濾器為例來(lái)探討單效過(guò)濾器的過(guò)濾效率。無(wú)紡布過(guò)濾器是利用其纖維結(jié)構(gòu)攔截空氣中的沙塵、花粉等顆粒物。因此顆粒物的直徑越大，其過(guò)濾效率就越高。目前，空氣中對(duì)人體危害最大的顆粒物是粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物，為了檢驗(yàn)無(wú)紡布過(guò)濾器在不同風(fēng)速下對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果，依據(jù)GB/T32085.1—2015制作模擬風(fēng)道，如圖3所示。在空調(diào)過(guò)濾器的前后方設(shè)置氣壓傳感器，在進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置風(fēng)速傳感器，出風(fēng)側(cè)設(shè)置空氣流量計(jì)，并裝備了風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置，測(cè)量條件如表1所示。在三種風(fēng)速下分別測(cè)量無(wú)紡布過(guò)濾器過(guò)濾前后空氣中可吸入顆粒物的濃度。測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖3 模擬風(fēng)道Fig.3 Simulated air duct

表1 測(cè)量風(fēng)速Tab.1 Measured wind speed

表2 無(wú)紡布過(guò)濾器過(guò)濾前后可吸入顆粒物的濃度Tab.2 Concentration of inhalable particulate matter before and after non-woven filter filtration

根據(jù)過(guò)濾效率公式[6]（1）可以計(jì)算出不同風(fēng)速下無(wú)紡布過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率，結(jié)果如表3所示。

表3 不同風(fēng)速下無(wú)紡布過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率Tab.3 Filtering efficiency of non-woven fabric filter for inhalable particles at different wind speeds

式中，η為過(guò)濾效率；C1為過(guò)濾前的顆粒物濃度，mg/m3；C2為過(guò)濾后的顆粒物濃度，mg/m3。

根據(jù)表3可以得知，無(wú)紡布過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率隨著顆粒直徑的增大而提高；當(dāng)風(fēng)速在0.2～0.8 m/s之間時(shí)，過(guò)濾效率隨著風(fēng)速的增大而提高，但是無(wú)論在何種情況下，無(wú)紡布過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率均低于50%，因此，可得出結(jié)論：無(wú)紡布過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率較低。

2.2 雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果

隨著人們對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量的重視程度逐漸提高，汽車空調(diào)過(guò)濾器的過(guò)濾效果也在逐漸升級(jí)。目前汽車上的雙效空調(diào)過(guò)濾器不僅可以過(guò)濾塵土、柳絮等大顆粒雜質(zhì)，而且對(duì)甲醛、汽車尾氣等有害氣體以及可吸入顆粒物等都有很好的過(guò)濾效果。一般來(lái)說(shuō)，雙效過(guò)濾器的內(nèi)部由三部分構(gòu)成[7]，第一層是孔隙較大的纖維層，可以阻擋較大粒徑的顆粒物，中間層是活性炭層，可以吸附CO、NOX、甲醛等有害氣體，第三層是孔隙狹小的致密纖維層，可以吸附和攔截細(xì)小的可吸入顆粒物等。

為了檢驗(yàn)雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果，故采用相同的方法測(cè)量某雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾情況。測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 某雙效過(guò)濾器過(guò)濾前后可吸入顆粒物的濃度Tab.4 Concentration of inhalable particulate matter before and after filtration by a double-effect filter

由表4可以得出此雙效過(guò)濾器的過(guò)濾效率，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，當(dāng)風(fēng)速在0.2～0.8 m/s范圍內(nèi)時(shí)，雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率均在80%以上，并且過(guò)濾效率隨著風(fēng)速的增大而減小，根據(jù)雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾原理可知，可吸入顆粒物的粒徑較小，其直徑小于過(guò)濾器的孔隙，它除了通過(guò)碰撞被攔截以外，主要是靠靜電吸附作用被黏附在過(guò)濾器上，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度加快，更容易掙脫過(guò)濾器對(duì)其的吸附作用，因此過(guò)濾效率會(huì)隨著風(fēng)速的增大而減小，而對(duì)于粒徑大于過(guò)濾器孔隙的顆粒物而言，其過(guò)濾效率不會(huì)受到風(fēng)速的影響。此外，從表中還可看出，顆粒物的粒徑越大，過(guò)濾效率則越高，這是由于，隨著粒徑的增大，顆粒物在過(guò)濾器內(nèi)部發(fā)生碰撞攔截的概率增大，因此過(guò)濾效率升高。

表5 不同風(fēng)速下某雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率Tab.5 Filtering efficiency of a double-effect filter for inhalable particulate matter at different wind speeds

2.3 不同品牌雙效過(guò)濾器的過(guò)濾效果對(duì)比

為了檢驗(yàn)不同雙效過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果的差異性，選取5個(gè)不同品牌的雙效過(guò)濾器分別進(jìn)行檢測(cè)，其中2號(hào)過(guò)濾器經(jīng)過(guò)了靜電駐極處理。圖4為風(fēng)速0.8 m/s時(shí)不同雙效過(guò)濾器對(duì)PM3的過(guò)濾效率，圖5為不同過(guò)濾器的出風(fēng)量對(duì)比。從圖4可以看出，各過(guò)濾器對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率差異較大，過(guò)濾效率最大可相差20%左右，其中1號(hào)過(guò)濾器的過(guò)濾效率最高，4號(hào)過(guò)濾器的過(guò)濾效率最低，再結(jié)合圖5的出風(fēng)量可以看到，1號(hào)過(guò)濾器的出風(fēng)量最小，說(shuō)明其內(nèi)部過(guò)濾阻力最大，而4號(hào)過(guò)濾器的出風(fēng)量最大，說(shuō)明其內(nèi)部過(guò)濾阻力最小。因此，通過(guò)增大過(guò)濾阻力可以顯著提高可吸入顆粒物的過(guò)濾效率。但是，在2號(hào)與3號(hào)過(guò)濾器出風(fēng)量相近的情況下，2號(hào)過(guò)濾器的過(guò)濾效率卻顯著高于3號(hào)過(guò)濾器。因此，通過(guò)靜電駐極處理可以在不增大過(guò)濾阻力的前提下顯著提高對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效率。這里的靜電駐極處理指的是讓過(guò)濾材料纖維帶有電荷，因此帶電纖維間形成了大量的電極，在保證常規(guī)濾材物理碰撞阻隔大顆粒污染物的基礎(chǔ)上，增加了靜電吸附作用。帶電纖維不僅能夠像磁鐵一樣吸引環(huán)境中大部分的帶電微粒，同時(shí)也可將未帶電的部分顆粒極化，進(jìn)而有效地吸附小粒徑的可吸入顆粒物。

圖4 不同雙效過(guò)濾器對(duì)PM3的過(guò)濾效率Fig.4 Filtering efficiency of different double-effect filters for PM3

圖5 不同雙效過(guò)濾器的出風(fēng)量對(duì)比Fig.5 Comparison of air output of different double-effect filters

3 汽車空調(diào)過(guò)濾器更換周期對(duì)可吸入顆粒物過(guò)濾效果的影響

隨著時(shí)間的推移，空調(diào)過(guò)濾器的堵塞程度會(huì)逐漸增加，出風(fēng)量逐漸下降，并且會(huì)影響對(duì)顆粒物的過(guò)濾效果。為了檢驗(yàn)使用條件對(duì)空調(diào)過(guò)濾器壽命的影響，選取兩種環(huán)境下使用半年一萬(wàn)公里之后的兩個(gè)相同的雙效過(guò)濾器，在0.8 m/h的風(fēng)速下檢測(cè)其出風(fēng)量和過(guò)濾效率。其中1號(hào)舊過(guò)濾器長(zhǎng)期在沙石路面、工地?fù)P塵環(huán)境中使用，而2號(hào)舊過(guò)濾器長(zhǎng)期在城市道路中使用。從圖6可以看出新過(guò)濾器的出風(fēng)量最大，而兩個(gè)舊過(guò)濾器的出風(fēng)量均明顯下降。在相同的行駛里程和使用時(shí)間下，1號(hào)舊過(guò)濾器的出風(fēng)量明顯低于2號(hào)，并且1號(hào)舊過(guò)濾器對(duì)PM3的過(guò)濾效率明顯低于2號(hào)。這說(shuō)明在不同的使用環(huán)境下過(guò)濾器的堵塞程度差異較大。因此過(guò)濾器的更換周期也應(yīng)該隨著環(huán)境的不同而不同。

圖6 某雙效過(guò)濾器使用前后出風(fēng)量和PM3過(guò)濾效率對(duì)比Fig.6 Comparison of air output and PM3 filtration efficiency of a double-effect filter before and after use

而目前各品牌汽車保養(yǎng)周期表上的空調(diào)過(guò)濾器建議更換周期都是按照固定里程或時(shí)間來(lái)給定的。比如有些廠家要求每?jī)扇f(wàn)公里或者每18個(gè)月更換一次空調(diào)過(guò)濾器（如表6所示）。這種固定的更換周期缺乏科學(xué)性。如果空氣質(zhì)量良好，道路條件良好，過(guò)濾器則需要很久才會(huì)達(dá)到過(guò)濾物的飽和；反之若空氣質(zhì)量差，道路條件惡劣，那么過(guò)濾器很快就會(huì)吸滿雜質(zhì)而失效。因此，相比于采用時(shí)間或里程作為空調(diào)過(guò)濾器的更換依據(jù)，采用空調(diào)過(guò)濾器出風(fēng)量的減少量作為更換依據(jù)會(huì)更加科學(xué)，因?yàn)槌鲲L(fēng)量的減少可以反映一個(gè)過(guò)濾器的實(shí)際堵塞情況，并且能夠反映其對(duì)可吸入顆粒物的過(guò)濾效果的變化情況。

表6 某品牌汽車保養(yǎng)周期表Tab.6 Maintenance cycle table of a brand car

4 結(jié)論

（1）汽車空調(diào)系統(tǒng)可以有效地阻隔車外污染空氣，還可以對(duì)空氣進(jìn)行凈化過(guò)濾，目前，很多中高端車上的空調(diào)系統(tǒng)采用自動(dòng)控制即CLEAN AIR模式來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外循環(huán)的自動(dòng)切換，從而將車內(nèi)濕度、O2含量和空氣質(zhì)量保持在最佳的狀態(tài)。

（2）單效空調(diào)過(guò)濾器對(duì)空氣中可吸入顆粒物的過(guò)濾效果較差，在不同風(fēng)速下的過(guò)濾效率均低于50%。可吸入顆粒物的過(guò)濾效率隨著顆粒直徑的增大和風(fēng)速的增大而增大。

（3）雙效空調(diào)過(guò)濾器對(duì)空氣中的可吸入顆粒物的過(guò)濾效果較好，過(guò)濾效率可達(dá)到80%以上，可吸入顆粒物的過(guò)濾效率隨著風(fēng)速的增大而減小。

（4）增大雙效過(guò)濾器的過(guò)濾阻力可以提高可吸入顆粒物的過(guò)濾效率。在相同的過(guò)濾阻力下，采用靜電駐極處理的雙效過(guò)濾器過(guò)濾效率顯著提高。

（5）在不同的使用環(huán)境下過(guò)濾器的堵塞程度差異較大。因此過(guò)濾器的更換周期也應(yīng)該隨著環(huán)境的不同而不同。因此，廠家給定的固定里程和時(shí)間的過(guò)濾器更換周期缺乏科學(xué)性，因此建議采用過(guò)濾器出風(fēng)量的減少量作為空調(diào)過(guò)濾器的更換依據(jù)，以確?？照{(diào)過(guò)濾器一直處于良好的使用狀態(tài)。

綜上所述，空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)控制和雙效過(guò)濾器的使用，可以有效提高車內(nèi)空氣的過(guò)濾效果，再結(jié)合雙效過(guò)濾器靜電駐極處理新技術(shù)的使用，可以在不犧牲風(fēng)量的情況下顯著提高可吸入顆粒物的過(guò)濾效率。與此同時(shí)，依據(jù)過(guò)濾器的堵塞程度選擇合理的更換周期，對(duì)維持良好的過(guò)濾效果具有重要的意義。