車載空氣凈化器的設計與性能研究

王 領 何志超 張 巖 李 彬 王曉妮

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

隨著時代發展，以及人們生活水平的提高，汽車逐步成為人們出行的主要交通工具，因此車內空氣質量也越來越被消費者所關注[1]。相關研究表明[2]，車內空氣污染程度是城市空氣污染的10倍。在車輛行駛過程中，由于車外空氣質量和車內人員吸煙等因素的影響，導致車內的浮塵、細菌和有毒有害氣體的濃度過高，危害人體健康[3]。再者由于汽車在制作過程中，使用了塑料泡沫劑，以及大量的皮革等材料，導致車內空氣質量較差；特別是溫度較高的暴曬條件，皮革會揮發出強烈的苯，甲醛等有害物質，對駕駛人員的身體健康造成了二次傷害[4]。

為改善車內空氣質量問題，凈化車內空氣；大量不同類型的車載空氣凈化器應運而生。目前市場上車載空氣凈化器[5]，很多都存在產品尺寸過大、顆粒物CADR值偏低、功能存在缺陷、濾網利用率不到等問題[6]。例如上進風前出風的循環模式，導致該濾網的利用效率較低，進而影響性能。

目前市場上車載空氣凈化器種類較多，按原理主要分為四類[7]：濾網式、集塵式、臭氧、負離子；本文將綜合市場上車載空氣凈化器的優缺點，同時兼顧其應用場景和用戶舒適性等因素，設計一款結構尺寸小，凈化性能高，附帶殺病毒功能的車載空氣凈化器；增加車載空氣凈化器的市場豐富性，為消費者提供更多選擇。

1 車載空氣凈化器結構設計

產品設計主要包括風機的選用，循環方式的選擇，以及整機結構的設計等三大主要板塊[7]，其他零部件均需要以以上三大結構進行合理設計與安裝。

1.1 風機選用

風機是樣機性能參數的重要零部件，在選用風機時，需考慮風速、風壓及與整機裝配，同時還要考慮產品的尺寸要求。一般普通家用汽車車內空間為（3～5）m3，考慮到駕駛員以及乘客抽煙情況，車外揚塵等因素，綜合以上因素，選用大風量離心風機。這款風機額定電壓為12 V，結構小巧，噪音小、散熱效果好。

1.2 循環方式設計

循環方式的選擇對樣機的性能有直接影響，目前市場上車載常用的是上進風，前后或者左右出風的方式，但是這種循環方式在降低濾網的使用效率的同時，還會增加整機尺寸高度。本文結合以上因素，設計一款上四周進風，下四周出風的特殊循環方式，并同時將有弧度濾網放在風機出風口的合適位置。這種循環方式可以區分進風和出風的流場，能夠更好的與車內空間進行空氣交換，提高凈化效率，同時濾網的放置也充分利用了整個濾網面積，降低了整機的尺寸高度。

1.3 新結構設計及相關特點分析

目前市場上常用的結構為上下疊加方式，從上至下依次為上蓋，過濾網，底殼，風機，底板；該結構會大大增加產品本身的高度，同時還會降低濾網的使用效率，如圖1所示，產品為上進風前出風的循環方式；其中濾網呈正方形，覆蓋在圓形的帶殼離心風機上，風機運行時，循環空氣通過濾網的中心位置，這導致濾網的四角沒有被充分利用，該結果導致濾網的使用壽命變短，產品的整機凈化效果變差[8,9]。

圖1 市場車載空氣凈化器

本文設計一款新的產品結構，充分考慮以上缺點，將風機放置在底殼固定，濾網做成弧形，擺放在風機出風口合適位置，上面設計成四周進風的環形上蓋，以上裝置構成了一套風機系統，如圖2所示，這種結構設計降低的整機高度，濾網面積基本全部被利用，整機凈化效率有所提高，同時延長濾網壽命。

圖2 新型車載空氣凈化器

產品還自帶了儲電量為2 500 mAh充電電池，放置在產品最前端的電器盒里；該電器盒內側呈弧形，與風機形成的流場契合。風機上端為遮擋板，該裝置能夠與底座扣合，同時密封電器盒；遮擋板兩側有弧形口，用于安裝弧形濾網。產品頂端是懸浮板和上蓋面板的組合件，通過上蓋面板后端的卡扣和前端的磁鐵固定在遮擋板上。以上結構組合成了本文設計的樣機，尺寸為180*160*58 mm。

2 性能測試

2.1 實驗部分

2.1.1 顆粒物潔凈空氣量實驗

將車載凈化器置于3 m3試驗艙中，按GB/T18801-2015《空氣凈化器》標準注入一定濃度的顆粒物（0.3 μm 以上顆粒物初始濃度 2×106個/升），車載凈化器連續運20 min，每2 min記錄顆粒物數值，并計算顆粒物的衰減濃度及顆粒物潔凈空氣量（Clean air Delivery Rate，CADR），研究空氣凈化器提供潔凈空氣的速率。

2.1.2 氣態污染物潔凈空氣量實驗

將車載凈化器置于3 m3試驗艙中，按GB/T18801-2015《空氣凈化器》標準注入一定濃度的顆粒物甲醛氣態污染物（初始濃度：甲醛 1 mg/m3），車載凈化器連續運轉60 min，每2 min記錄顆粒物數值，最后計算車載凈化器對甲醛物質的凈化效果。

2.1.3 病毒殺滅試驗

將車載凈化器置于3 m3試驗艙中，參照《消毒技術規范》（2002年版），注入一定濃度病毒接種液，待背景濃度達到規定值后，車載空凈開啟高風擋進行循環凈化，運行90 min后，記錄病毒數值。實驗分為對照組和實驗組分別進行，采用甲型流感病毒A/PR8/34（H1N1），腸道病毒EV71，冠狀病毒HCoV-229E。該部分實驗由廣州市微生物研究所有限公司完成。

2.2 實驗結果及分析

通過以上實驗，得出相關測試，并通過數據繪制了顆粒物和甲醛污染物濃度衰減曲線，如圖3，圖4；從顆粒物污染物衰減曲線中可以發現，隨著時間的增加，車載空凈通過濾網攔截，持續的凈化實驗艙內膽污染物，前10 min凈化速率較快，后續速率變慢，可能是因為艙內污染物濃度下降，導致污染物凈化器梯度不明顯；或者車載空氣凈化器的濾網表面附著大量顆粒物，導致濾網凈化器效果不明顯。通過相關計算公式得到顆粒物潔凈空氣量為18.46 m3/h。

圖3 顆粒物污染物濃度衰減曲線

圖4 甲醛污染物濃度衰減曲線

通過分析甲醛污染物衰減曲線，艙內總體甲醛濃度在持續下降，濾網分解甲醛機理為：濾網表面的除醛活性炭利用手相不對稱Darzens反向催化反應將甲醛氣態污染物常溫高效轉化為無害的羥酸等物質。再利用納米構造技術和非極性材料斥水汽特性，在單分子擔載雙氨基酸來實現對甲醛的完全轉換。通過計算每次取樣的甲醛濃度，得出甲醛潔凈空氣量為12.6 m3/h。

車載空氣凈化器的病毒殺滅試驗是通過委托外部測試得出試驗結論[10]，根據表1中數據可知，車載空氣凈化器對流感病毒、腸道病毒和冠狀病毒的殺滅率均在99.9 %以上，效果明顯。

表1 車載空氣凈化器病毒殺滅率統計表

根據以上測試結果，結合市場調研情況，繪制車載空氣凈化器各指標對比表，如表2所示，結合表中數據，綜合考慮各項性能指標，本產品具有明顯優勢。

表2 車載空氣凈化器各指標對比表

3 結論

本文設計了一種新式車載空氣凈化器，并在風機選型，循環方式，結構設計等方面和市場上現有產品進行對比，綜合分析了各因素對整機尺寸，凈化效率的影響，并通過性能試驗，得出本設計新型產品的各項指標，即尺寸為180*160*58 mm，顆粒物潔凈空氣量為18.46 m3/h，甲醛潔凈空氣量為12.6 m3/h，同時對流感病毒、腸道病毒和冠狀病毒的殺滅率均在99.9 %以上；結合市場現有樣機指標，該新型樣機指標有較大優勢，處于行業前列。

在產品設計過程中，樣機的尺寸不能無限追求小巧，需要同時考慮噪聲等因素，因此在后續開發新型車載空氣凈化器過程中，需要綜合考慮相關矛盾因素的影響。