热电转化汽车尾气净化研究

郭铜民　熊彦　李鉴

摘 要：汽车尾气排放的废气污染是引起大气污染的主要途径，也是当今雾霾的主要成因。热电转化汽车尾气净化采用汽车尾气的残余热量为能源，整体设计为温差热电转化系统，通过热电转换实现对装置整体进行供能;三效催化系统及高压静电吸附系统完成对汽车尾气小型颗粒物及污染物的催化氧化及吸附作用。结构紧凑，性能稳定，节约资源，降低能耗，使用方便。

关键词：热电转化;汽车尾气;净化;设计

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

1 前言

保护环境，促进可持续发展是当今社会人们关注的主要问题之一[1]。汽车尾气的主要污染物是一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅、硫化物等。它们对环境的污染主要表现为产生温室效应，破坏臭氧层，产生酸雨、黑雨等现象[2]。汽车尾气排放的气体污染是引起大气污染的主要途径，也是当今雾霾的主要成因，为了保护大气环境，防治汽车有害尾气，减少环境污染已经成为刻不容缓的环境治理问题，这就需要我们当代人共同努力，为了我们的子孙后代，在环境保护科技创新、汽车节能减排等方面不断创新，加强防治汽车尾气对环境的污染[3]。

热电转化汽车尾气净化原理是根据国家及相关部门要求，汽车尾气净化系统要严格遵循节能减排的可持续发展理念，在汽车尾气净化过程中，通过合理热电转化汽车尾气净化系统的机械结构设计、集成热电转化系统设计，高压静电除尘系统设计，三效催化系统设计，特别是利用发动机废气热量来自主完成能量收集及转化，达到高度集成效果，通过合理的机械结构改进可适用于大部分车辆的尾气净化作用，从而对治理我国由于汽车尾气造成大气污染及环境问题做出贡献。

2 热电转化汽车尾气净化设计

2.1 热电转化汽车尾气净化原理

19世纪中期，德国的研究学者塞贝克偶然发现了热电效应，定义两种金属一种为P型热电材料，另一种为N型热电材料，当两个不同的金属构成了一个通路以后，如果两个金属导体两个端面的温度不相同从而产生了温度差，产生电压，所产生的电动势称温差电动势。塞贝克效应的出现奠定了温差发电技术的理论基础。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度的不同。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。根据塞贝克效应原理，利用汽车废气热量完成自身能量转化及对提供一定的电能。通过单电体复合结构，冷却板和紧固装置组成的高温热电转换系统。再通过高压稳压升压电路，静电吸附装置，除油污装置，微小颗粒物吸附装置组成的高压静电吸附系统。通过夹片接合设计，利于更换，方便清洗。通过金属蜂窝状载体，催化剂，活化涂层组成的催化系统。通过油污过滤网，高压静电吸附铁丝网，螺旋式催化氧化废气，空气滤清器等净化设计，完成对汽车尾气进行一系列净化处理。

2.2 热电转化汽车尾气净化结构特点

热电转化汽车尾气净化结构中，装置壳体采用金属冲压成型，外形为采用六方棱柱，过渡区域为六方锥体。六方锥体的一端与进气管相连接，另一端与出气管相连接，构成坚固的装置外壳。热电转换系统设计位于六方棱柱外壳之外，采用紧固装置与外壳相连，装置的冷却板与六方棱柱的外壳之间放置热电转化模块，采用风冷作为其冷却方式。在壳体内侧连接放置有高温稳壓电路，稳压电路之后分别连接放置油污过滤网、高压静电吸附材料和几道铁丝网。催化系统载体设计成斜六方单体，呈螺旋形分布于六方棱柱壳体装置内侧，以便有效的扰流及催化氧化汽车发动机的废气。催化装置后方连接放置空气滤清器，当尾气温度较低时保证空气滤清器的使用寿命及使用可靠性。

在热电转化汽车尾气净化设计中，高压静电吸附网设计在吸附发动机废气中灰尘等颗粒物的过程中容易囤积在装置内部，随着时间延长，就会增加净化装置整体的重量，降低汽车尾气净化效果。为了防止这种现象发生，采用插片式设计，另在铁丝网底部设计抽卸式沟槽，利用汽车自身启动的惯性作用对灰尘及颗粒物进行收集以满足实际净化需要。传统催化剂载体难以满足对汽车尾气不同污染气体的综合催化效果，达不到净化装置所需的实际催化效果，其对净化装置自身使用寿命也有一定的影响。通过采用金属蜂窝状催化载体，利用金属载体几何比表面积、开孔率均比陶瓷载体高、热膨胀系数高、金属载体热传导系数高、可以与催化净化器的壳体实现很好的热膨冷缩匹配，并利用热容量低、机械强度高等特点来综合催化，增地可靠性，延长整个装置的使用寿命。

3 汽车尾气净化催化剂与载体的选择

催化剂载体的性能的好坏对催化剂的活性和使用寿命影响极大[4]。理想的催化剂载体一是具有足够的机械强度，催化剂载体工作时要承受调整气流的热冲击，以及路面不平整和汽缸振动引起的剧烈振动。二是具有足够的耐热性，以适应汽车发动机较宽的排气温度范围。三是具有合适的孔隙结构或开孔率，具备低的热容量和高的导热率和较大的比表面积。载体材料的热容量低，热导率高则可使其达到催化反应所需温度的时间缩短，提高催化净化效率。载体比表面积大，活性成分分布均匀，有利于提高活性成分的利用率，降低成本。也要有适当的吸水率，便宜的价格。使得排出气体的接触几何表面积大，有利于催化反应;由于流通阻力小，对发动机性能的影响小;载体的热传导好可延缓催化剂的热老化。

参考文献：

[1]翁端.环境材料学[M].北京：清华大学出版社，2001（10）.

[2]任丽华.汽车尾气净化器的结构设计[J].环境污染治理技术与设备，2000，1（06）：75-79.

[3]叶松，孙平.Mn担载对CeO2催化颗粒物氧化的试验研究[J].广西大学学报（自然科学版），2017，42（03）：939-946.

[4]王刚，郭晨海.两种技术路线的重型车整车载荷对排放的影响[J].广西大学学报（自然科学版），2017，42（03）：882-888.

作者简介：郭铜民（1964-），男，陕西西安人，本科，副教授，研究方向：材料成型与加工技术。