负离子发生器车内微颗粒净化效率研究

谢琼丹 黄英凡

摘 要：由于汽车的普及，车内的空气质量引发消费者越来越多的关注。糟糕的车内空气质量会增大人们罹患某种特定疾病的概率，因此控制与减少车内空气污染成为汽车生产设计商所追求的目标。微颗粒污染物，即PM2.5是车内空气污染物的重要来源之一。负离子因能有效沉降空气中的微颗粒，成为车内快速去除微颗粒污染的重要手段。在文章中，我们通过在车内进行微颗粒沉降实验，记录微颗粒物浓度在负离子仪以及车内空调内/外循环净化模式下的变化，并通过SPSS与MATLAB对污染物浓度进行数学建模分析。结果表明：单独使用负离子仪器并无法有效降低车内空气的颗粒浓度，而必须配合车内空气循环系统。在负离子作用下，结合车内空气循环系统，微颗粒浓度迅速下降，下降速度与空气交换速度和微颗粒在空气中的迁移速度相关。

关键词：负离子;车内净化;PM2.5;微颗粒

中图分类号：X513  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）05-79-05

Abstract： With the increasing popularity of cars， air quality in an automobile cabin has become a concern for the automobile users because a worse air quality will increase the chances for contracting related diseases. Built-in techniques for controlling and diminishing pollution inside a vehicle have attracted attentions from automobile designers. Micro-particle pollutants， such as PM2.5 is one of the major pollutants in the automobile air environment. Negative ions can efficiently remove micro-particle pollutes via the agglomerations and settlement of particles. Therefore， it has become the main technique to remove particle pollutes inside a car. In this study， changes of micro-particle concentration were monitored with an particle counter in different car air circulation modes with or without negative ions. Data were collected and analyzed by SPSS and MATLAB. The results show negative ions can not effectively remove particle pollutants and the combination of negative ions and air circulation is necessary. Under the influences of negative ions， concentration of micro-particles in the vehicle is governed by air exchange rate and particle diffusion rate.

Keywords： Negative ion; Air quality; Micro particle

前言

空氣动力学直径小于等于 2.5 微米的颗粒物，能较长时间悬浮于空气中，含量浓度越高，空气污染越严重。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性大，易附带重金属、微生物等有害物质，能随着呼吸道深入到肺中，因此危害很大。PM 2.5污染性微颗粒作为汽车车内空气污染物之一，主要来源于司乘人员抽烟行为和户外污染。[1]负离子能有效的沉降空气中的微粒污染物，且硬件成本低廉，得到了广泛应用，例如在空调及新风系统过滤器就普遍使用负离子仪;甚至有空气净化仪器完全不用滤棉，而仅依靠负离子来沉降颗粒。[2]为了净化车内空气，负离子发生器与空气过滤器结合的空气处理设备也出现在现代汽车的设计中[3，4];例如吉利汽车中的缤瑞系列的空气循环系统就安装了负离子仪。空气过滤器配合上负离子对空气中的微颗粒物的聚集和沉降作用，使车内的可吸入微颗粒物浓度迅速下降，并在很短的时间内达到车内空气优良状态。为了应对很多城市出现的PM2.5污染，在新上市的一些车型的空气循环系统配置了负离子发生器。这个设计在很大程度上改善了乘车人与驾驶人的乘车环境;即使在户外高度污染的情况下也能给乘车人与驾驶人一个舒适健康的空气环境[4]。而且依据研究，负离子也广泛存在于自然状态，并对人体有其他有益的功效。[5，6]

负离子发生器的工作原理是把输入的直流电压通过电路处理变成负高压，再经过导电尖端，比如炭纤维或者金属尖端等进行空气击穿放电。处于放电尖端的空气被快速的电离，产生正电荷和负电子;正电荷吸附于负高压电极端，而电子被负电压排斥，并被空气中的分子吸附形成负离子。在负高压电场的作用下，负离子形成离子风。负离子与空气中的微颗粒相结合，引起微颗粒团聚并沉降或者吸附于低电势的物体上，如接地的窗户或者接地电器表面。[7]由于空气过滤棉过滤大颗粒的污染物效率更高，负离子仪与过滤棉的配合能有效提高空气过滤器的效率。虽然负离子已经应用于汽车的空气处理，但是如何科学的应用负离子进行车内空气净化;负离子的净化效率以及如何与车内空气循环系统相互配合等问题仍需要进一步的研究。本文作者通过对比实验，研究负离子技术在汽车内部空气处理中不同空气循环状况下的应用效率。实验研究内容包括以下两个部分：

（1）在无负离子的情况下，汽车空气内循环和外循环净化模式对微颗粒净化速率的影响。内循环状态是指关闭了车内外的气流通道，形成车辆内部的气流循环。外循环状态是利用风机将车外的空气抽吸到车内，将车内外空气进行置换。 这部分实验主要分析内/外空气循环模式情况下空气中的颗粒浓度减少速度并进行数学模型拟合。针对目前未配置负离子技术车型，这部分实验结果对指导司乘人员处理未配置负离子仪的车内颗粒污染有指导意义，结果也作为配置负离子仪的车内空气净化效率的对比？

（2）在户外空气高度污染的情况下，只能通过车内内部循环来过滤净化车内空气。因此第二部分实验模拟车内通过空气内循环系统配合负离子仪进行空气粒子净化，分析内循环模式下不同的空气流速对污染颗粒浓度降低速影响并进行数学模型拟合，并对比仅开负离子仪，车内空气污染颗粒的浓度变化情况。

实验设计：在一辆丰田凯美瑞2012款车内通过燃烧香烟来人为模拟颗粒性污染。這个模拟方法有实际的意义，因为车内的颗粒污染物通常来源于司乘人员的抽烟行为。先使微颗粒浓度达到一定值，浓度的监测采用粒子计数仪，并选取PM2.5中颗粒粒度最小的PM0.5～PM1.0来进行颗粒浓度监测。PM0.5～PM1.0对人体伤害相比于PM2.5中粒径更大的微粒更大，同时对于负离子的团聚作用敏感，因此我们利用颗粒计数器来跟踪这部分污染性颗粒的浓度变化。先将车内空气中PM0.5～PM1.0的微颗粒数量达到25000（颗粒计数仪数值），然后开始净化程序并监控颗粒浓度随着时间的变化。 所用的负离子发生仪为外置的负离子小功率负离子发生仪（<0.5 W，输出电压：～8 KV）;置于汽车驾驶舱内的中部;而粒子计数器置于驾驶舱的挡位手柄处。微颗粒浓度变化以相对于起始浓度百分比来表示，因此初始的相对粒子浓度为1.0。

1 无负离子条件下汽车空气循环颗粒净化效率

1.1 无负离子/内循环的微粒净化效率

1.1.1 内循环空气微颗粒净化效果

图1为在无负离子发生仪条件下，不同档位风速的内循环对微颗粒沉降速度影响。由图可知，车内空气中的颗粒物下降的比较慢，下降的速度与内循环空气速率相关：内循环空气速度越快（档位越高），浓度下降速率越快。车内空气微颗粒物的相对浓度随时间呈指数衰减，可用公式（1）进行拟合：

式中：V：某一刻车内相对粒子浓度;V0：初始相对浓度1.0;k：相对浓度衰减指数，s-1;t：时间，s。在本文后续出现公式中，V、V0、k、t与式（1）中所代表的含义不变。

车内空气中的微颗粒物沉降的比例在很长一段时间内都保持比较高的水平，对该实验数据中车内空气处在各档内循环风速下统计动态相对浓度变化。档数越高，车内空气循环速度越快，利用公式1拟合计算得出内循环各档下相对浓度与时间的关系：

1.1.2 结果分析

在汽车空气内循环模式下，微颗粒相对浓度指数型衰减，衰减的速度取决于内循环的空气流速。而经过拟合出的公式计算，在汽车内循环模式下，车内空气中的微颗粒数量需要在较高的空气循环速度（例如7档）和较长的净化时间才能达到理想的效果。

1.2 无负离子情况下外循环粒子净化效率

1.2.1 外循环各档风速下空气微颗粒下降情况

图2为汽车空气外循环下各档位风速对微颗粒沉降的影响。外循环模式为车内空气与车外空气置换，档位越高，置换的速度越快。在外循环作用下，车内空气中的微颗粒物浓度快速下降，在较快的时间内使空气质量达到较好的水平。图2中粒子的相对浓度随时间的衰减明显分为两段不同的动力学过程，车内空气微颗粒物的浓度在（PM0.5-1.0>7500），也就是相对浓度在30%以上时，微颗粒物变化呈线性衰减，此线性段的浓度V1（0.3 < V1 <1.0）与时间的关系可以拟合为线性关系，公式（6）：

1.2.2 结果分析

在外循环情况下，由于车内空气被外界空气直接替换，如果外界空气质量为良好，那么汽车内部的空气微颗粒物含量呈线性快速下降，风速越快置换的速度越快，颗粒浓度下速度越快，车内空气质量很快达到与外界空气质量相当的水平。车内空气微颗粒量在30%以上（PM0.5-1.0为7500）时呈线性衰减，是因为空气微颗粒含量较多，空气置换的效果起主导作用。图2显示此时档位3和7的颗粒排除速度基本相等，因此中等档位的外循环就能起到很好的排除颗粒污染效果。当车内空气微颗粒物相对浓度降到约30%以下时，相对浓度此时采用呈指数衰减，此时车内空气中的微颗粒物含量较少，车内空气与外界空气替换的效果减弱，空调的进气与出气口周围的相对粒子浓度降低，汽车内部空气流动缓慢部位的粒子通过迁移缓慢进入空气流动区，因此粒子浓度的下降呈现的是粒子迁移控制的指数衰减动力学特点。当车内空气与外界空气的微颗粒物含量一致或者更低时，微颗粒物的下降速度就会趋于0。因此，当外界空气良好，而车内空气颗粒物含量较高时，使用外循环替换车内空气，是降低微颗粒含量最有效方法，且中档风速足够在短时间内起到很好的效果。

而在外界空气污染时，开窗反而会引发车内空气的污染，此时必须密闭车窗，进行车内内部循环，以过滤除掉车内的PM2.5。图3为使用负离子发生器与汽车内循环模式下，气微颗粒物的相对浓度随时间呈指数衰减，可以拟合成指数关系：

其中V负离子为使用负离子情况下，车内污染颗粒相对浓度。车内空气处在各档内循环风速下依据动态的浓度变化，可以利用公式（16）分别对不同风速的相对浓度随时间的变化进行拟合：

1.2.3 分析结果

相比于单独的内循环，在负离子发生器和车内内循环共同作用下，汽车内部空气微颗粒含量相对浓度也呈现指数下降的趋势，但污染颗粒浓度下降更快;车内空气能在相对短的时间内达到优良的程度。负离子的沉降作用先将空气中的微粒进行团聚，再通过内循环过滤，整体的过滤效果要优于不使用负离子的内循环净化。负离子的作用在低内循环风速情况下更明显;而在高循环风速下，循环的风速起主要作用。

1.3 单独使用负离子发生器微颗粒浓度变化特点

图4为在汽车内部空气微颗粒物含量达到一定水平之后关闭内循环与外循环，让内部空气在负离子作用下自由沉降。由图可知，单独使用负离子发生器，且车内无通风条件时，颗粒的浓度呈现波动，而不是指数衰减或线性衰减，其主要原因是负离子有寿命，在空气中通过向其他分子释放电子而缓慢衰竭。汽车没有接地，负离子在寿命期间可以发挥团聚作用，但是带电颗粒没法吸附到接地表面。当负离子寿命结束之后，会失去吸附作用，此时如果负离子吸附的微粒没有及时过滤处理，那么它会重新扩散在空气当中造成颗粒浓度的波动。因此单独应用负离子仪并无法有效清除车内颗粒污染;只有在负离子发生器与空气过滤器加上空气流动时，才能使空气中的微颗粒物有效减少。

2 结论

从实验结果可以得出，车内空气密闭的情况下，打开负离子发生器，让其与车内空气循环相结合，能有效降低颗粒污染，相比于不使用负离子发生器净化的效率更高。通过实验数据可知，负离子在空气流动特别快的时，其发挥的作用没有空气过滤器的效果显著，负离子的团聚效果起次要作用;负离子在空气流动特别慢时，由于负离子有寿命，没被过滤的团聚粒子会重新扩散回到空气中;而仅当空气流动速度适中时，负离子能产生显著的粒子净化贡献。因此，当负离子在寿命期间吸附了微颗粒物且能迅速倍过滤的时候，负离子产生的效果最显著。在户外污染的情况下，最短的时间内使车内空气微颗粒物减少的办法就是使用车内内循环风扇的最大档位加上负离子发生器，虽然此时负离子发生器效果不那么明显，但依旧会比不使用的情况下更快。

对比使用负离子前后外循环模式下车内微颗粒物含量变化，外循环是使车内空气微颗粒量下降最快的一种方法，它通过空气的替换，达到置换车内污染的空气的目的，且结果表明中高档风速效果最优。但这种方法在室外环境污染比较严重情况，例如有雾霾的城市不适用，而必须使用车内内循环模式来净化车内污染，此时配合负离子发生器与内循环能有效加速污染性粒子的净化[8]。

總体而言，在车外空气质量较好的情况下，可以使用汽车空气外循环来减少车内空气微颗粒量;而在车外空气质量不好的情况下，可以通过汽车空气内循环模式来沉降车内空气微颗粒物，同时结合负离子发生器[9，10]。而实验结果也证明，单独使用负离子仪器并无法有效降低车内空气的颗粒浓度，而必须配合循环系统。这与传统认为负离子足够清除颗粒污染有一定偏差，原因是汽车这个特定的内部环境，其整体由于与大地隔绝，没有接地，负离子团聚起来的污染颗粒在负离子衰竭后将再次释放回空气中，因此单纯负离子的车内净化效果很有限。

参考文献

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