汽车空调对可吸入颗粒物的过滤机理和效果分析

2022-03-11孙少杰朱布博

交通节能与环保 2022年1期

孙少杰，朱布博

（陕西交通职业技术学院汽车工程学院，陕西西安 710018）

0 引言

目前，我国空气中最主要的、危害最大的污染物是可吸入颗粒物。可吸入颗粒物，一般指的是空气动力学当量直径小于10 μm的细小颗粒物[1]。它们在空气中长期漂浮，被人体吸入后，会长期积累在呼吸系统中，引发许多疾病，对人体危害巨大。颗粒物的粒径越小，对人体的危害越大，一般来说，直径在100 μm以上的颗粒物会很快从空气中沉淀，不会被人体吸入。而大部分10 μm以上的颗粒物可以被鼻腔里的鼻毛、粘液阻挡在外，不会进入上呼吸道，当颗粒物直径 5 μm＜d＜10 μm时，鼻腔将很难起到阻挡作用，它们会随空气进入并沉积于上呼吸道。当颗粒物直径小于5 μm时，它们就能够进入肺部。如果颗粒物直径小于0.1 μm，那么它们当中的50%以上将在肺部沉积，严重时会引发尘肺病等呼吸系统疾病。当前，可吸入颗粒物是造成我国雾霾天气的重要原因。2013年，中国遭遇了最严重的雾霾天气，危害涉及全国25个省，100多个大中型城市。我国的平均雾霾天数高达29.9天，污染天气持续天数达到52年以来的最高水平[2]。

随着人们对空气质量重视程度的提高，大家对车内空气的净化也提出了更高的要求，因此汽车空调系统的空气净化效果就受到了人们的广泛关注，车辆在使用过程中，车内外空气可以通过空调系统进行交换，如果空气得不到有效过滤，那车外环境中的NOx、CO等有害气体和可吸入颗粒污染物等就会进入车内，危害驾乘人员健康。为了有效过滤可吸入颗粒物和有害气体，我国各汽车厂家纷纷推出了双效空调过滤器，以提高对可吸入颗粒物的过滤效率，同时过滤有害气体。有相关研究论文就双效过滤器在特定空气流速下对可吸入颗粒物的过滤效率进行了研究，如长安大学李阳阳等的双效汽车空调过滤器对细颗粒物过滤效果的试验研究[3]，但缺乏不同风速、不同使用环境以及静电驻极处理等新技术的采用对双效过滤器过滤效率和使用寿命的影响相关的研究，此方面仅有王磊的无纺布对空气中颗粒物过滤效率的实验研究[4]，王磊针对单效过滤器在不同风速下的过滤效率进行了研究，但并未涉及双效过滤器。并且目前缺乏在相同实验条件下单效与双效过滤器的过滤效率对比研究。故本文将单、双效过滤器的过滤效率进行对比分析，并就不同风速、不同使用环境以及静电驻极处理等新技术的采用对双效过滤器过滤效率和使用寿命的影响进行研究，探究影响过滤器过滤效率和使用寿命的因素。

1 汽车空调系统的净化作用

汽车空调系统是车内制热、制冷的重要装置，同时也是净化车内空气的主要途径。它可以实现车内空气与车外新鲜空气的交换，也可以实现车内空气循环净化。具有外、内循环和自动模式三种控制方式。

1.1 内循环模式

汽车空调的内循环指的是车外空气入口处的风门关闭，车内空气循环入口的风门开启，车内不与车外进行空气交换，车内空气仅进行自循环的模式。如图1所示。当车外空气质量较差时，比如雾霾天、扬尘天或者堵车时段尾气严重的道路环境中都应该开启内循环模式，这样可以防止外界的可吸入颗粒物、沙尘和有害气体等进入车内损害驾乘人员的健康。此外，当车内需要保暖或降温时，可以开启内循环模式，以阻止外界炎热或寒冷的空气进入车内，从而达到快速制热或制冷的目的。在内循环模式下，空调系统只需对车内空气进行循环净化，故可以在很短的时间内就能完成空气净化过程。并且可以有效阻止外界颗粒物或有害气体等污染物进入车内。

图1 汽车空调内循环模式Fig.1 Internal circulation mode of automobile air conditioner

1.2 外循环模式

汽车空调的外循环指的是车内空气循环入口的风门关闭，车外空气入口处的风门开启，车内外空气可以进行交换的模式。如图2所示。当车外空气质量较好时，可以开启外循环模式，将车内CO2迅速排出，并将车外新鲜空气引入车内，从而降低车内CO2浓度，提高氧气含量。在外循环模式下，空调系统将对车外空气进行过滤，将颗粒物和有害气体阻挡在外，提高进入车内空气的洁净度。

图2 汽车空调外循环模式Fig.2 External circulation mode of automobile air conditioner

1.3 自动模式

目前，很多中高端车型除了内、外循环模式之外，还具有自动控制模式，即CLEAN AIR功能，所谓CLEAN AIR，指的是内外循环会自动切换，当选择CLEAN AIR功能时，空调系统即会进入内循环，从而将外界空气与车内隔绝，实现车内空气的快速净化。当经过一段时间之后，车内的湿度会上升，CO2浓度也上升，当传感器检测到车内湿度和CO2含量超过上限时，空调控制器会自动同时打开外循环，将车外新鲜空气引入车内，将车内多余的水分和CO2排出车外，当外循环运行一段时间之后，它会自动关闭，重新进入完全内循环模式。在自动模式下，空调系统可以将车内湿度、O2含量和空气质量控制在最优的状态。

2 不同类型汽车空调过滤器的过滤效果分析

汽车空调过滤器一般安装于空调管道中鼓风机的前方。可以在内、外循环时分别对车内外空气进行过滤，使车内空气的洁净度提高，保护车内人员的身体健康。

根据我国汽车行业标准《汽车空调过滤器技术条件》（QC/T998—2015）[5]的规定，将汽车空调过滤器分为颗粒式空调过滤器和双效空调过滤器。颗粒式过滤器指的是用来分离和储存空气流中有形颗粒的汽车空调过滤器，也叫作灰尘过滤器或花粉过滤器，它仅能过滤空气中的颗粒物，而不能过滤空气中的有害气体和异味，所以，也将其称为单效过滤器。目前市面上的单效过滤器主要是无纺布空调过滤器。而双效过滤器指的是用来分离、储存和吸附空气流中有形颗粒、有害气体和异味的汽车空调过滤器，它不仅可以过滤空气中的颗粒物，而且对CO、NOx、甲醛、苯类等有害气体和异味都有吸附和过滤作用。由于单效过滤器和双效过滤器的材料组成和内部结构不同，所以过滤效果也有很大的区别。

2.1 单效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果

无纺布过滤器是最常用的单效过滤器，因此，本文以无纺布过滤器为例来探讨单效过滤器的过滤效率。无纺布过滤器是利用其纤维结构拦截空气中的沙尘、花粉等颗粒物。因此颗粒物的直径越大，其过滤效率就越高。目前，空气中对人体危害最大的颗粒物是粒径小于10 μm的可吸入颗粒物，为了检验无纺布过滤器在不同风速下对可吸入颗粒物的过滤效果，依据GB/T32085.1—2015制作模拟风道，如图3所示。在空调过滤器的前后方设置气压传感器，在进风侧设置风速传感器，出风侧设置空气流量计，并装备了风速调节装置，测量条件如表1所示。在三种风速下分别测量无纺布过滤器过滤前后空气中可吸入颗粒物的浓度。测量结果如表2所示。

图3 模拟风道Fig.3 Simulated air duct

表1 测量风速Tab.1 Measured wind speed

表2 无纺布过滤器过滤前后可吸入颗粒物的浓度Tab.2 Concentration of inhalable particulate matter before and after non-woven filter filtration

根据过滤效率公式[6]（1）可以计算出不同风速下无纺布过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率，结果如表3所示。

表3 不同风速下无纺布过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率Tab.3 Filtering efficiency of non-woven fabric filter for inhalable particles at different wind speeds

式中，η为过滤效率；C1为过滤前的颗粒物浓度，mg/m3；C2为过滤后的颗粒物浓度，mg/m3。

根据表3可以得知，无纺布过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率随着颗粒直径的增大而提高；当风速在0.2～0.8 m/s之间时，过滤效率随着风速的增大而提高，但是无论在何种情况下，无纺布过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率均低于50%，因此，可得出结论：无纺布过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率较低。

2.2 双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果

随着人们对车内空气质量的重视程度逐渐提高，汽车空调过滤器的过滤效果也在逐渐升级。目前汽车上的双效空调过滤器不仅可以过滤尘土、柳絮等大颗粒杂质，而且对甲醛、汽车尾气等有害气体以及可吸入颗粒物等都有很好的过滤效果。一般来说，双效过滤器的内部由三部分构成[7]，第一层是孔隙较大的纤维层，可以阻挡较大粒径的颗粒物，中间层是活性炭层，可以吸附CO、NOX、甲醛等有害气体，第三层是孔隙狭小的致密纤维层，可以吸附和拦截细小的可吸入颗粒物等。

为了检验双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果，故采用相同的方法测量某双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤情况。测量结果如表4所示。

表4 某双效过滤器过滤前后可吸入颗粒物的浓度Tab.4 Concentration of inhalable particulate matter before and after filtration by a double-effect filter

由表4可以得出此双效过滤器的过滤效率，结果如表5所示。从表5可以看出，当风速在0.2～0.8 m/s范围内时，双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率均在80%以上，并且过滤效率随着风速的增大而减小，根据双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤原理可知，可吸入颗粒物的粒径较小，其直径小于过滤器的孔隙，它除了通过碰撞被拦截以外，主要是靠静电吸附作用被黏附在过滤器上，当风速增大时，颗粒物的运动速度加快，更容易挣脱过滤器对其的吸附作用，因此过滤效率会随着风速的增大而减小，而对于粒径大于过滤器孔隙的颗粒物而言，其过滤效率不会受到风速的影响。此外，从表中还可看出，颗粒物的粒径越大，过滤效率则越高，这是由于，随着粒径的增大，颗粒物在过滤器内部发生碰撞拦截的概率增大，因此过滤效率升高。

表5 不同风速下某双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率Tab.5 Filtering efficiency of a double-effect filter for inhalable particulate matter at different wind speeds

2.3 不同品牌双效过滤器的过滤效果对比

为了检验不同双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果的差异性，选取5个不同品牌的双效过滤器分别进行检测，其中2号过滤器经过了静电驻极处理。图4为风速0.8 m/s时不同双效过滤器对PM3的过滤效率，图5为不同过滤器的出风量对比。从图4可以看出，各过滤器对可吸入颗粒物的过滤效率差异较大，过滤效率最大可相差20%左右，其中1号过滤器的过滤效率最高，4号过滤器的过滤效率最低，再结合图5的出风量可以看到，1号过滤器的出风量最小，说明其内部过滤阻力最大，而4号过滤器的出风量最大，说明其内部过滤阻力最小。因此，通过增大过滤阻力可以显著提高可吸入颗粒物的过滤效率。但是，在2号与3号过滤器出风量相近的情况下，2号过滤器的过滤效率却显著高于3号过滤器。因此，通过静电驻极处理可以在不增大过滤阻力的前提下显著提高对可吸入颗粒物的过滤效率。这里的静电驻极处理指的是让过滤材料纤维带有电荷，因此带电纤维间形成了大量的电极，在保证常规滤材物理碰撞阻隔大颗粒污染物的基础上，增加了静电吸附作用。带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引环境中大部分的带电微粒，同时也可将未带电的部分颗粒极化，进而有效地吸附小粒径的可吸入颗粒物。

图4 不同双效过滤器对PM3的过滤效率Fig.4 Filtering efficiency of different double-effect filters for PM3

图5 不同双效过滤器的出风量对比Fig.5 Comparison of air output of different double-effect filters

3 汽车空调过滤器更换周期对可吸入颗粒物过滤效果的影响

随着时间的推移，空调过滤器的堵塞程度会逐渐增加，出风量逐渐下降，并且会影响对颗粒物的过滤效果。为了检验使用条件对空调过滤器寿命的影响，选取两种环境下使用半年一万公里之后的两个相同的双效过滤器，在0.8 m/h的风速下检测其出风量和过滤效率。其中1号旧过滤器长期在沙石路面、工地扬尘环境中使用，而2号旧过滤器长期在城市道路中使用。从图6可以看出新过滤器的出风量最大，而两个旧过滤器的出风量均明显下降。在相同的行驶里程和使用时间下，1号旧过滤器的出风量明显低于2号，并且1号旧过滤器对PM3的过滤效率明显低于2号。这说明在不同的使用环境下过滤器的堵塞程度差异较大。因此过滤器的更换周期也应该随着环境的不同而不同。

图6 某双效过滤器使用前后出风量和PM3过滤效率对比Fig.6 Comparison of air output and PM3 filtration efficiency of a double-effect filter before and after use

而目前各品牌汽车保养周期表上的空调过滤器建议更换周期都是按照固定里程或时间来给定的。比如有些厂家要求每两万公里或者每18个月更换一次空调过滤器（如表6所示）。这种固定的更换周期缺乏科学性。如果空气质量良好，道路条件良好，过滤器则需要很久才会达到过滤物的饱和；反之若空气质量差，道路条件恶劣，那么过滤器很快就会吸满杂质而失效。因此，相比于采用时间或里程作为空调过滤器的更换依据，采用空调过滤器出风量的减少量作为更换依据会更加科学，因为出风量的减少可以反映一个过滤器的实际堵塞情况，并且能够反映其对可吸入颗粒物的过滤效果的变化情况。