小型化汽车尾气外置净化装置优化设计研究

2018-03-06

大众文艺 2018年3期

雾霾笼罩着全国各大城市。我国存在雾霾产生的特定气象条件，同时我国经济的高速发展造成污染物排放的不断增加，汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧、农作物焚烧、火山喷发等等污染源头之间的混合作用形成了雾霾天气。在城市空气污染中，机动车尾气对雾霾的形成有着关键作用。

一、现状分析

汽车尾气对PM2.5影响重大，截至2017年6月底，全国机动车保有量达3.04亿辆，其中汽车2.05亿辆，机动车的保有量仍在持续的增长，我国汽车的保有量仅次于美国位列全球第二。

国家通过制定政策、鼓励支持新能源车辆和建设交通快速通道来抑制机动车保有量快速增长：（1）调控机动车的购买与出行要求；例如上海、北京、广州、天津、贵阳、杭州六大城市施行了汽车限购，许多城市的部分路段对机动车采取单双号通行的规定。（2）以提供补助的形式鼓励市民购买新能源车辆；（3）全国有35个城市建造了BRT快速通道，以此来改善城市交通拥堵与公共交通的便利性，吸引更多居民使用公共交通来替代私车出行。

一些盈利性机构抓住市场需求运用App与交通工具结合，为出行提供更多便利，同时也有效的减少了私家车的购买与单独出行。“顺风车”每天可有效减少10%-25%的车辆出行。以北京500万辆车最低标准10%进行计算，除去北京市平均每天尾号限行的100万车辆，每天可减少40万辆，可减少一氧化碳排放120万千克、碳氢化合物8万千克、氮氧化合物2万千克。智能共享单车的让小汽车短途出行减少了55%。

通过政府与社会机构的举措与商业产品，有效的减少了机动车的增长率与出行率，但仍有约3亿机动车上路行驶，并且会越来越多，汽车尾气污染问题依旧存在并没有得到治理，目前各市政部门及社会上购买及使用净化设备如洒水车、雾炮车、净化塔等，治理每天的污染问题。

二、尾气净化装置分析与研究

（一）现有产品分析

空气污染严重，环保部门与科研机构持续的对治理空气污染的措施与设施进行研究。近几年国内使用了一些新的装置治理空气污染，从2014年西安园林局引进的雾炮车，利用水雾能够吸附空气中的细小粉尘和悬浮微粒的特点实现降尘。荷兰设计师丹·罗斯加德与他的设计团队设计并实现了世界上首座户外净化器——“雾霾净化塔”，将其放置于北京798工厂空旷的场地，其内部有一台功能强大的真空吸尘器，利用电离技术吸入雾霾，滤掉其中的有害颗粒，然后排出净化后的空气。

表1 净化装置对比分析

表1为市面上所使用的与研发中的净化装置对比，目前净化装置大部分是大型净化设备，该类产品所呈现的特点为：（1）设施运作成本高，购置机器以及材料费用高，后期需依靠人工运营以及维护。（2）沿道路安装或行驶的净化设备覆盖率大于固定于一点安装使用的净化设备。（3）固定安装的净化设备净化效果好。（4）搭载式大型设备可以同时满足固定时集中治理局部污染、移动时净化辐射到的范围更广。

（二）汽车尾气净化装置的优化方式研究

汽车尾气净化装置的主要功能是净化汽车的尾气，在满足这一基本功能的前提下需要做到通过优化使用方式或操作方式来实现净化效率的提高。提高净化效果有两种方式，一方面是污染具备针对性，另一方面是扩大净化的面积。因此汽车尾气净化装置优化方向可以具备以下特点：（1）.可达性。从个体角度来分析，可达性指个体所能取得反应了个体出行所能获取的机会、效用等。依据可达性的理念，分析净化污染气体高效率的关键是将污染源，而不是被污染所覆盖的区域作为净化的目标端点，实现更具备针对性的净化的污染目标。（2）移动性。使净化面积更广可以使用增强净化强度的方式，也可以让净化装置移动。对于小型化设备，其特点是占用空间小和供电条件有限。增强净化强度则需要用到空间占用率更大的等离子发生器，增强净化强度的方式不适用于小型化的净化设备。因此使净化设备在污染区域内移动，通过扩大净化的范围来提升净化的效率。汽车尾气净化装置具备可移动性是达到该产品的实用性的要求之一。（3）可维护性。净化器内部需要定期清理吸附回收的废弃物，还有依附在净化器上的杂质，以确保其正常运作。可维护性确保了设备在使用时的有效性，为了保障产品方便及时清理维护污垢确保正常运作与净化效率，以及故障排查检修中，其余设备能持续进行运转，该过程要求产品具备易更换易拆卸的特性，避免产品因维护而中断工作。

结合现有产品分析对比与优化方向研究的结果，汽车尾气净化装置的设计应该是小型化的、可跟随的、可移动的；机动车携带装置且固定于机动车尾气排放口附近最优，小型化的产品可以针对汽车尾气排放近距离处理污染气体，且每个装置跟随每辆汽车移动既能一直解决该车的污染同时也可以覆盖净化周围的空气。

三、汽车尾气净化装置设计优化需求

（一）技术需求

汽车尾气净化装置的净化技术需根据尾气污染物的种类和现有技术支持选择最适合的技术方法。机动车的排放物种类主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、臭氧、细颗粒物和超细颗粒物等，物质成分达140多种。

表2 净化技术对比

总结分析净化方式的特征，物理净化方式的特征为：（1）需要电力持续供给，（2）能净化微粒，（3）净化后的产物需要清理与回收；化学净化方式的特征为：（1）需要催化剂。（2）需要反应条件。（3）净化后产物无需回收。综上分析研究汽车尾气净化装置采用物理净化方式，选择等离子净化技术最优。实现等离子净化需要的构成部件为：气源、等离子发生器、高压电源；等离子发生器要求具有较好的密封性，气源进口与出口具有单一性。

（二）环境适应性

汽车尾气净化装置的使用环境在室外道路上，这种环境常常伴随着灰尘、雨水和泥泞；我国大多数城市道路存在拥堵的情况，复杂多变的路面交通，机动车司机常在行驶中急加速与急刹车。为了保证在这样的环境下设备能正常工作，装置需要满足以下条件：（1）安装牢固；（2）材料坚固，防挤压；（3）外壳易清洁、可用水冲洗；（4）结构具备防水和可拆卸的特性；（5）内部结构易拆卸清洁。

（三）功能需求

汽车尾气净化装置的主要功能是净化其固定的车辆的尾气污染，附属功能是净化空气中由汽车尾气释放的污染物。它需要具备针对性，固定于每辆汽车尾气排放口周围，固定的高度需要考虑不影响机动车的正常行驶、方便安装和尾气污染物悬浮高度；汽车用油大多数掺有防爆剂四乙基铅或甲基铅，燃烧后生成的铅及其化合物均为有毒物质，通常聚集在一米左右高度的空气中；汽车不充分燃烧的其他污染物常聚集于1.5米以下的空气中；因此装置的安装高度于1-1.5米区间内是最为合适的。

（四）造型需求

汽车尾气净化装置需要适应于不同类型的汽车和汽车形态，常见汽车形态分为轿车、客车、货车、越野车、专业车、自卸车和牵引车等；轿车主流市场分为运动型、商务型。要符合不同形态与造型，产品造型可以从两个方向设计：（1）简洁、百搭，可以满足不同汽车形态；（2）模块化外壳，有不同形态造型可替换选择，适合不同类型车与人群使用。