论文部分内容阅读
摘要： 随着人类环保意识的增强，人们对汽车尾气排放的要求越来越严格。主要针对低温等离子汽车尾气处理系统设计进行探讨，重点对于放电方式、等离子反应器选型设计和电源方案进行分析，对于提高汽车尾气处理系统设计具有一定借鉴作用。
关键词： 低温等离子；汽车尾气处理；放电方式；离子反应器
中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310178－01
1 放电方式选择
低温等离子体主要是由气体放电产生的。气体放电是最适合用于处理汽车尾气用的等离子发生方法，放电方式可分为辉光放电（Glow discharge）、
电晕放电（Corona discharge）、介质阻挡放电（DBD-Dielectric barrier
discharge）、射频放电（Radio frequency discharge）及微波放电（Mi
Crowave discharge）等。由于处理汽车尾气一般都在常压（105pa）下进行，所以目前国内外在常压下产生低温等离子的方式主要有电晕放电和介质阻挡放电两种。
本文中，汽车尾气排放物的净化处理是在大气压下进行，而且其废气流量较大，气缸排出气流温度较高，容易对净化装置造成污染等等，这些因素是选择等离子体放电方式及设计反应装置所必须考虑的。介质阻挡放电是一种能够在常压下产生低温等离子体的有效放电形式，兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点，电子密度高，而且快脉冲微放电通道是产生等离子体的主要空间，它们的大量存在有利于增加等离子体反应空间，从而提高反应装置的有效利用率。
由于介质阻挡放电电路中包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电现象有所不同。通常认为，当介质阻挡电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含未放电和放电两个不同的状态，当装置处于未放电状态时，整个介质阻挡放电电路可以认为由介质阻挡层电容Cd和气隙电容Cg串联构成；当装置处于放电状态时，气隙电容被击穿，此时气隙电容可以等效为一个电压方向与输入电压相反的电压源或一个处于反相击穿状态的齐纳二极管，而且气隙击穿电压是基本上维持不变的，这个电压被称为放电维持电压Uz。
2 等离子反应器的选型与设计
低温等离子反应器的设计情况直接影响汽车尾气的净化效率、电源能耗、放电稳定性能及反应器的使用寿命等。在设计过程中还应考虑与电源匹配的匹配问题，既能把能量有效地注入反应器，又无沿传输线反应，还能降低能耗。由于汽车排放的尾气气流速度和温度较高，而且随着汽车发动机的工况变化范围大，同时汽车发动机工作时伴有一定强度的机械振动。这就要求用于汽车尾气处理的等离子反应装置要能够适应这些特点，在设计时要考虑以下几点原则：1）等离子反应器应具有较低的排气背压，不应对汽车发动机机的动力性，燃油经济性产生明显的影响；2）等离子反应器应对发动机排放的有害物质均有明显的净化作用；3）等离子反应器应该不引入其他污染，如噪音等。
2.1 等离子反应器的结构设计。这里采用了具有双层石英介质（内外两个石英管．中间为反应区域）的介质阻挡放电的同轴管式反应器。它展现了低温等离子体发生器与出口套筒两部分可拆卸的特征。出口套筒做成可拆卸的一方面是为了便于对反应器进行清理，另一方面还可以根据需要在其中放置一些催化剂，利用催化剂与等离子协同反应净化汽车尾气，其有效长度可达40mm，可以达到更好的效果，降低净化难度。延长反应容器的使用寿命。
2.2 等离子反应器的结构分析。电子的能量与产生的低温等离子体有直接关系，而在介质阻挡放电的条件下，电子的平均能量取决于放电的折合电场强度。电子能量与电场强度有直接的关系，两者几乎成线性关系。低温等离子体发生器的放电区域的设计方案采用内外腔放电，将高压脉冲电源产生的高压脉冲加载到净化器中的低温等离子体反应器的正负极上，在作为介质的石英管的阻挡下产生介质阻挡放电，从而在低温等离子体反应器的腔体内产生低温等离子体，该腔体包括内腔与外腔，内腔的低温等离子由小石英管作为阻挡介质，由中心不锈钢丝和铜管作为电极；接通电源时，则铜管、小石英管和不锈钢钢丝三者之间又组成线．筒式介质阻挡放电，该放电区域称为内腔放电区域。外腔由大石英管作为阻挡介质，由铜管和外围不锈环形钢丝作为电极。接通电源时，其三者之间就组成筒．筒式介质阻挡放电，该放电区域称为外腔放电区域。该等离子反应器在常温常压下工作，无噪音，且理论上可以实现无限次放电，操作方便，低温等离子反应区的范围是可调的，并且出口套筒区可方便拆卸，同时可以加入一些填充剂以改善处理效果。
3 电源方案设计
本文所讨论的等离子高压电源用于处理汽车尾气，因此其必须符合车载要求。众所周知，在汽车内部有一个输出12V的直流电，因此利用这一直流电为等离子高压电源提供输入电源。实现12V直流电（DC）到20KV高压交流电（AC）的转换有两种方案：① 12VDC直接经过逆变电路和升压变压器直接升为高压AC。这种方案变压器匝数比要达到约1:1700，会造成次级线圈匝数过多，体积太大，不利于车载需要，同时能量损耗过大，降低了传递效率。② 12VDC经过一级逆变放大后整流输出，再经过一级逆变升压得到高压AC。这种方案经过了两次DC、AC转换，减小了相对的升压比，有利于能量的传递和电路的稳定，提高能量利用率。因此采用第二种方案，利用汽车12VDC输入，经过一次逆变升压后，通过整流将12VDC变为高压直流电，然后对高压直流电再进行二次逆变后，通过高频高压变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。在二级逆变电路中由于电压和频率均较高，对开关器件要求较高，为了提高能量的传递效率，选用IGBT作为二次逆变电路的功率开关器件，输出电压的调节通过二次逆变中IGBT的关断来实现，而频率则借助于调整驱动控制芯片的振荡频率来调节。
4 系统总体设计
本文研究目标是通过对低温等离子的研究，研制出用于处理汽车尾气的低温等离子净化实验系统，为最终能够实现车载化奠定基础。这套系统能够直接使用车载直流电源进行升压处理，在常压下利用高压高频电源以介质阻挡放电方式产生低温等离子，直接对汽车尾气排放物进行处理，通过等离子体中的高能电子、带电粒子、自由基与自由原子、分子之间的复杂物理过程和化学反应，使汽车尾气排放中的有害成分得以氧化或分解，从而达到对排放物的净化目的。
5 结语
结合汽车尾气流量较大，气缸排出气流温度较高等具体情况，选择介质阻挡放电方式产生净化汽车尾气所需的低温等离子体，初步对等离子反应器结构进行设计和分析。最后分别对等离子高压电源和低温等离子汽车尾气净化系统进行了方案设计，对于今后汽车尾气处理系统设计具有一定帮助。
参考文献：
[1]丁兴贵、李居峰、夏卫东等，汽车尾气处理中等离子电源的控制算法研究[J].机械制造，2009.47（3）.
[2]任伟、杨润秀、黄红军，一套简易尾气净化系统的研制[J].中山大学学报（自然科学版），2007.46（z1）.
关键词： 低温等离子；汽车尾气处理；放电方式；离子反应器
中图分类号：U4 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310178－01
1 放电方式选择
低温等离子体主要是由气体放电产生的。气体放电是最适合用于处理汽车尾气用的等离子发生方法，放电方式可分为辉光放电（Glow discharge）、
电晕放电（Corona discharge）、介质阻挡放电（DBD-Dielectric barrier
discharge）、射频放电（Radio frequency discharge）及微波放电（Mi
Crowave discharge）等。由于处理汽车尾气一般都在常压（105pa）下进行，所以目前国内外在常压下产生低温等离子的方式主要有电晕放电和介质阻挡放电两种。
本文中，汽车尾气排放物的净化处理是在大气压下进行，而且其废气流量较大，气缸排出气流温度较高，容易对净化装置造成污染等等，这些因素是选择等离子体放电方式及设计反应装置所必须考虑的。介质阻挡放电是一种能够在常压下产生低温等离子体的有效放电形式，兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点，电子密度高，而且快脉冲微放电通道是产生等离子体的主要空间，它们的大量存在有利于增加等离子体反应空间，从而提高反应装置的有效利用率。
由于介质阻挡放电电路中包含气隙和介质阻挡层，因此其放电现象与一般放电现象有所不同。通常认为，当介质阻挡电路处于稳态时，电路在一个完整的周期内包含未放电和放电两个不同的状态，当装置处于未放电状态时，整个介质阻挡放电电路可以认为由介质阻挡层电容Cd和气隙电容Cg串联构成；当装置处于放电状态时，气隙电容被击穿，此时气隙电容可以等效为一个电压方向与输入电压相反的电压源或一个处于反相击穿状态的齐纳二极管，而且气隙击穿电压是基本上维持不变的，这个电压被称为放电维持电压Uz。
2 等离子反应器的选型与设计
低温等离子反应器的设计情况直接影响汽车尾气的净化效率、电源能耗、放电稳定性能及反应器的使用寿命等。在设计过程中还应考虑与电源匹配的匹配问题，既能把能量有效地注入反应器，又无沿传输线反应，还能降低能耗。由于汽车排放的尾气气流速度和温度较高，而且随着汽车发动机的工况变化范围大，同时汽车发动机工作时伴有一定强度的机械振动。这就要求用于汽车尾气处理的等离子反应装置要能够适应这些特点，在设计时要考虑以下几点原则：1）等离子反应器应具有较低的排气背压，不应对汽车发动机机的动力性，燃油经济性产生明显的影响；2）等离子反应器应对发动机排放的有害物质均有明显的净化作用；3）等离子反应器应该不引入其他污染，如噪音等。
2.1 等离子反应器的结构设计。这里采用了具有双层石英介质（内外两个石英管．中间为反应区域）的介质阻挡放电的同轴管式反应器。它展现了低温等离子体发生器与出口套筒两部分可拆卸的特征。出口套筒做成可拆卸的一方面是为了便于对反应器进行清理，另一方面还可以根据需要在其中放置一些催化剂，利用催化剂与等离子协同反应净化汽车尾气，其有效长度可达40mm，可以达到更好的效果，降低净化难度。延长反应容器的使用寿命。
2.2 等离子反应器的结构分析。电子的能量与产生的低温等离子体有直接关系，而在介质阻挡放电的条件下，电子的平均能量取决于放电的折合电场强度。电子能量与电场强度有直接的关系，两者几乎成线性关系。低温等离子体发生器的放电区域的设计方案采用内外腔放电，将高压脉冲电源产生的高压脉冲加载到净化器中的低温等离子体反应器的正负极上，在作为介质的石英管的阻挡下产生介质阻挡放电，从而在低温等离子体反应器的腔体内产生低温等离子体，该腔体包括内腔与外腔，内腔的低温等离子由小石英管作为阻挡介质，由中心不锈钢丝和铜管作为电极；接通电源时，则铜管、小石英管和不锈钢钢丝三者之间又组成线．筒式介质阻挡放电，该放电区域称为内腔放电区域。外腔由大石英管作为阻挡介质，由铜管和外围不锈环形钢丝作为电极。接通电源时，其三者之间就组成筒．筒式介质阻挡放电，该放电区域称为外腔放电区域。该等离子反应器在常温常压下工作，无噪音，且理论上可以实现无限次放电，操作方便，低温等离子反应区的范围是可调的，并且出口套筒区可方便拆卸，同时可以加入一些填充剂以改善处理效果。
3 电源方案设计
本文所讨论的等离子高压电源用于处理汽车尾气，因此其必须符合车载要求。众所周知，在汽车内部有一个输出12V的直流电，因此利用这一直流电为等离子高压电源提供输入电源。实现12V直流电（DC）到20KV高压交流电（AC）的转换有两种方案：① 12VDC直接经过逆变电路和升压变压器直接升为高压AC。这种方案变压器匝数比要达到约1:1700，会造成次级线圈匝数过多，体积太大，不利于车载需要，同时能量损耗过大，降低了传递效率。② 12VDC经过一级逆变放大后整流输出，再经过一级逆变升压得到高压AC。这种方案经过了两次DC、AC转换，减小了相对的升压比，有利于能量的传递和电路的稳定，提高能量利用率。因此采用第二种方案，利用汽车12VDC输入，经过一次逆变升压后，通过整流将12VDC变为高压直流电，然后对高压直流电再进行二次逆变后，通过高频高压变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。在二级逆变电路中由于电压和频率均较高，对开关器件要求较高，为了提高能量的传递效率，选用IGBT作为二次逆变电路的功率开关器件，输出电压的调节通过二次逆变中IGBT的关断来实现，而频率则借助于调整驱动控制芯片的振荡频率来调节。
4 系统总体设计
本文研究目标是通过对低温等离子的研究，研制出用于处理汽车尾气的低温等离子净化实验系统，为最终能够实现车载化奠定基础。这套系统能够直接使用车载直流电源进行升压处理，在常压下利用高压高频电源以介质阻挡放电方式产生低温等离子，直接对汽车尾气排放物进行处理，通过等离子体中的高能电子、带电粒子、自由基与自由原子、分子之间的复杂物理过程和化学反应，使汽车尾气排放中的有害成分得以氧化或分解，从而达到对排放物的净化目的。
5 结语
结合汽车尾气流量较大，气缸排出气流温度较高等具体情况，选择介质阻挡放电方式产生净化汽车尾气所需的低温等离子体，初步对等离子反应器结构进行设计和分析。最后分别对等离子高压电源和低温等离子汽车尾气净化系统进行了方案设计，对于今后汽车尾气处理系统设计具有一定帮助。
参考文献：
[1]丁兴贵、李居峰、夏卫东等，汽车尾气处理中等离子电源的控制算法研究[J].机械制造，2009.47（3）.
[2]任伟、杨润秀、黄红军，一套简易尾气净化系统的研制[J].中山大学学报（自然科学版），2007.46（z1）.