熱電轉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，也是當今霧霾的主要成因。熱電轉化汽車尾氣凈化采用汽車尾氣的殘余熱量為能源，整體設計為溫差熱電轉化系統，通過熱電轉換實現對裝置整體進行供能;三效催化系統及高壓靜電吸附系統完成對汽車尾氣小型顆粒物及污染物的催化氧化及吸附作用。結構緊湊，性能穩定，節約資源，降低能耗，使用方便。

關鍵詞：熱電轉化;汽車尾氣;凈化;設計

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

1 前言

保護環境，促進可持續發展是當今社會人們關注的主要問題之一[1]。汽車尾氣的主要污染物是一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物、鉛、硫化物等。它們對環境的污染主要表現為產生溫室效應，破壞臭氧層，產生酸雨、黑雨等現象[2]。汽車尾氣排放的氣體污染是引起大氣污染的主要途徑，也是當今霧霾的主要成因，為了保護大氣環境，防治汽車有害尾氣，減少環境污染已經成為刻不容緩的環境治理問題，這就需要我們當代人共同努力，為了我們的子孫后代，在環境保護科技創新、汽車節能減排等方面不斷創新，加強防治汽車尾氣對環境的污染[3]。

熱電轉化汽車尾氣凈化原理是根據國家及相關部門要求，汽車尾氣凈化系統要嚴格遵循節能減排的可持續發展理念，在汽車尾氣凈化過程中，通過合理熱電轉化汽車尾氣凈化系統的機械結構設計、集成熱電轉化系統設計，高壓靜電除塵系統設計，三效催化系統設計，特別是利用發動機廢氣熱量來自主完成能量收集及轉化，達到高度集成效果，通過合理的機械結構改進可適用于大部分車輛的尾氣凈化作用，從而對治理我國由于汽車尾氣造成大氣污染及環境問題做出貢獻。

2 熱電轉化汽車尾氣凈化設計

2.1 熱電轉化汽車尾氣凈化原理

19世紀中期，德國的研究學者塞貝克偶然發現了熱電效應，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，當兩個不同的金屬構成了一個通路以后，如果兩個金屬導體兩個端面的溫度不相同從而產生了溫度差，產生電壓，所產生的電動勢稱溫差電動勢。塞貝克效應的出現奠定了溫差發電技術的理論基礎。塞貝克效應的實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，該電勢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。半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。根據塞貝克效應原理，利用汽車廢氣熱量完成自身能量轉化及對提供一定的電能。通過單電體復合結構，冷卻板和緊固裝置組成的高溫熱電轉換系統。再通過高壓穩壓升壓電路，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。通過夾片接合設計，利于更換，方便清洗。通過金屬蜂窩狀載體，催化劑，活化涂層組成的催化系統。通過油污過濾網，高壓靜電吸附鐵絲網，螺旋式催化氧化廢氣，空氣濾清器等凈化設計，完成對汽車尾氣進行一系列凈化處理。

2.2 熱電轉化汽車尾氣凈化結構特點

熱電轉化汽車尾氣凈化結構中，裝置殼體采用金屬沖壓成型，外形為采用六方棱柱，過渡區域為六方錐體。六方錐體的一端與進氣管相連接，另一端與出氣管相連接，構成堅固的裝置外殼。熱電轉換系統設計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化模塊，采用風冷作為其冷卻方式。在殼體內側連接放置有高溫穩壓電路，穩壓電路之后分別連接放置油污過濾網、高壓靜電吸附材料和幾道鐵絲網。催化系統載體設計成斜六方單體，呈螺旋形分布于六方棱柱殼體裝置內側，以便有效的擾流及催化氧化汽車發動機的廢氣。催化裝置后方連接放置空氣濾清器，當尾氣溫度較低時保證空氣濾清器的使用壽命及使用可靠性。

在熱電轉化汽車尾氣凈化設計中，高壓靜電吸附網設計在吸附發動機廢氣中灰塵等顆粒物的過程中容易囤積在裝置內部，隨著時間延長，就會增加凈化裝置整體的重量，降低汽車尾氣凈化效果。為了防止這種現象發生，采用插片式設計，另在鐵絲網底部設計抽卸式溝槽，利用汽車自身啟動的慣性作用對灰塵及顆粒物進行收集以滿足實際凈化需要。傳統催化劑載體難以滿足對汽車尾氣不同污染氣體的綜合催化效果，達不到凈化裝置所需的實際催化效果，其對凈化裝置自身使用壽命也有一定的影響。通過采用金屬蜂窩狀催化載體，利用金屬載體幾何比表面積、開孔率均比陶瓷載體高、熱膨脹系數高、金屬載體熱傳導系數高、可以與催化凈化器的殼體實現很好的熱膨冷縮匹配，并利用熱容量低、機械強度高等特點來綜合催化，增地可靠性，延長整個裝置的使用壽命。

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械強度，催化劑載體工作時要承受調整氣流的熱沖擊，以及路面不平整和汽缸振動引起的劇烈振動。二是具有足夠的耐熱性，以適應汽車發動機較寬的排氣溫度范圍。三是具有合適的孔隙結構或開孔率，具備低的熱容量和高的導熱率和較大的比表面積。載體材料的熱容量低，熱導率高則可使其達到催化反應所需溫度的時間縮短，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。也要有適當的吸水率，便宜的價格。使得排出氣體的接觸幾何表面積大，有利于催化反應;由于流通阻力小，對發動機性能的影響小;載體的熱傳導好可延緩催化劑的熱老化。

參考文獻：

[1]翁端.環境材料學[M].北京：清華大學出版社，2001（10）.

[2]任麗華.汽車尾氣凈化器的結構設計[J].環境污染治理技術與設備，2000，1（06）：75-79.

[3]葉松，孫平.Mn擔載對CeO2催化顆粒物氧化的試驗研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2017，42（03）：939-946.

[4]王剛，郭晨海.兩種技術路線的重型車整車載荷對排放的影響[J].廣西大學學報（自然科學版），2017，42（03）：882-888.

作者簡介：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。