荣获：第二届深港技能创新大赛航盛杯轿车电子运用计划大赛 二等奖
陶显芳 2010-12-1
一、获奖感言
他与商铺中柜台上摆放的产品比较，他的姿态显得很丑恶；但他与肖克利创造的晶体管比较，并不显得差劲。他现在还不是一个产品，他只代表一种新的技能正在诞生；或许将来，他也会与肖克利创造的晶体管相同进入前史的博物馆。他的诞生，不是要给人们展现自己的美丽和美丽，而是要给人类谋福。本创造的《轿车尾气电子处理设备》技能，将使人们脱节，一直以来忍耐轿车尾气污染空气之苦。
二、一个人类急迫需求处理的问题
截止到2010 年3 月，全国机动车保有量约1．92 亿辆，其间，轿车7000 多万辆，而且持续坚持较快添加势头，估量到2010 年年底超越7500 万辆，年平均递加17%。在轿车数量微弱添加的一起，我国的汽油年消耗量也到达5500 万吨，汽油在轿车发动机中焚烧今后，大部份物质都被转化成有毒气体向空中排放，使空气污染越来越严峻。
轿车尾气污染物首要包含：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒（某些重金属化合物、铅化合物、黑烟及油雾）、臭气（甲醛等）。现在，轿车尾气现已成为城市空气污染的“首恶”，在一些城市中，轿车尾气污染现已占空气污染源的80%。由于轿车尾气污染，许多城市，现已令人感到难以忍耐的境地，人们现已看不到蓝天，污浊的空气使大白天的能见度不到200 米，不光交通事故添加，还会使人们精力压抑，呼吸困难，增生各种疾病，严峻影响人们的身体健康。
为了人类的健康，处理轿车尾气污染问题——即轿车尾气净化处理问题，现已成为人类急迫需求处理的问题。
自己参与航盛杯轿车电子运用计划大赛的意图，便是想向一切关怀轿车尾气污染问题的人们展现自己的一种技能想象——一种能够完成轿车尾气净化处理的技能计划，或一种轿车尾气净化设备。
三、一种轿车尾气电子净化设备
现在，轿车尾气净化设备有多种形式，如：现在遍及运用的三元催化剂净化器，还有多元催化剂净化器，以及，臭氧净化器，臭氧加水气净化器，臭氧加催化剂净化器。
但这些现有技能各有短缺，三元催化剂净化器以及多元催化剂式净化器，尽管对碳氢化合物及一氧化碳和氮氧化物的吸收起到必定的效果，但对其它烟尘微粒吸收效果甚微，而且催化剂的运用寿命一般很短，需求常常替换，本钱高；还有，催化剂一般都含有稀有重金属，活性重金属对人体是有毒的，因而，对催化剂运用往后有毒物质的收回也是个费事作业。臭氧加水气净化器结构杂乱，且粗笨，还需常常替换水，本钱高，运用不方便。臭氧加催化剂净化器与三元催化剂净化器在技能功能方面，并没有明显添加，但本钱添加了不少，相同存在许多缺陷。
针对现在轿车尾气净化设备的缺陷，本创造的一种轿车尾气电子净化设备，不光防止了许多上述轿车尾气净化设备在技能方面的不足之处，并使轿车尾气净化处理才能进一步加强。
本创造的一种轿车尾气净化设备（专利申请号：201010261026.3），是一种运用高压静电对轿车尾气（废气）中的烟尘微粒进行电离、充电，然后再经过强电场对带电烟尘微粒进行招引搜集的轿车尾气电子净化设备。由于电场力能够穿透物质的原子结构，强电场能够使分子电离或极化带电，然后损坏物质的分子结构，使轿车排放废气中的有害气体物质的分子结构或混合物被肢离破解，使之转化成非有毒物质。
运用这种轿车尾气电子净化设备，能十分有用地对轿车排放废气中的有害气体及烟尘微粒进行招引搜集，还能够使废气中一氧化碳转化成二氧化碳，然后再把二氧化碳分解为氧气和碳素物质，使轿车废气中的有害烟尘微粒牢牢地被吸附、固化在轿车尾气电子净化设备中的烟尘搜集板上，然后待烟尘搜集板上搜集的有害烟尘废物被堆集到必定厚度之后，在强电场力的效果下经过极间打火，使已被固化在烟尘搜集板上的有害烟尘废物掉落并被排出，然后削减废气污染净化环境，有益于人类健康。
烟尘搜集板的作业原理与电絮凝或电镀的作业原理十分类似，只不过电絮凝或电镀槽中两个电极之间的电介质是电解液，而烟尘搜集板之间的电介质是带电的废气微粒，在强电场的效果下，带电的废气微粒与电解液相同，相同会导电，仅仅两者的电导率和电位梯度不同比较大。当电解液中有电流经过的时分，带正电的电解质就会向负极板跑，而带负电的电解质就会向正极板跑，因而，电絮凝或电镀便是一种电离子堆积的进程，运用电极经过电流，使金属附着在物体表面上。
依据这个原理，在烟尘搜集板中，带电烟尘物质在强电场的效果下，废气烟尘微粒将很简略被堆积、附着在带电的烟尘搜集板表面上。因而，这种轿车尾气电子净化设备与其它轿车尾气净化器比较，不光结构简略而且对轿车尾气净化处理十分有用。
本创造的一种轿车尾气电子净化设备首要由一个条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板、一组彼此绝缘并别离带高压正电和负电的烟尘搜集板、以及高压电源等三部份组成；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板安装在烟尘搜集板的前面，并与烟尘搜集板用绝缘材料固定于一个壳体中，烟尘搜集板中的阳极极板与阴极极板之间也用绝缘材料进行阻隔，并固定于同一个壳体之中；高压电源有两组高压电输出，一组用于条栅结构或网格结构的阳极极板，另一组用于烟尘搜集板，两组高压电输出的负极都衔接在一起，并与烟尘搜集板中的阴极极板衔接；条栅结构或网格结构带高压正电的阳极极板称为榜首高压阳极极板，与它衔接的高压电源的一组高压电的正极称为榜首高压阳极，烟尘搜集板中的阳极极板称为第二高压阳极极板，与它衔接的高压电源的另一组高压电的正极称为第二高压阳极。
图1、图2、图3 别离是一种轿车尾气电子净化设备的案结构图、电气衔接图、高压开关电源电原理图。图1、2、3 中，“1”是榜首高压阳极极板，它与图3 直流开关高压电源中的榜首高压阳极（HV1）衔接，并与其它部件绝缘。“200”是烟尘搜集板组件，它由多个阴极极板与多个阳极极板组成，“21”是烟尘搜集板组件中的阴极极板，它与图3 直流开关高压电源中的阴极衔接，“22”是烟尘搜集板组件中的阳极极板，也称为第二高压阳极极板，它与图3 直流开关高压电源中的第二高压阳极（HV2）衔接。
当轿车排气管有废气排出时，由于废气本来基本上都是不带电的，即为“0”电位，不带电的废气在压力差的驱动下，首要要从榜首高压阳极极板的网格中心经过，榜首高压阳极极板是一个带正电的极板，在它的周围存在十分强的电场，当物体接近它时就会发生电晕放电，此刻，物领会向阳极极板发射电子，使物体带正电，特别是在高温环境下，物体发射电子的逸出功相对常温条件下要小许多，使物体向榜首高压阳极极板发射电子的才能大大加强。一些不简略发射电子的物体，在强电场力的效果下，也会发生极化带电，即物体中的电荷也要进行从头散布，使物体接近榜首高压阳极极板的一端带负电，另一端带正电。
氧气在强电场中很简略被极化带电或电离带电，氧气经发射电子之后就会带正电（变成O+2 ），带正电的氧气很简略与极化带电的氧气从头组合产成臭氧（O3），而臭氧又很简略与一氧化碳（CO）组合生成二氧化碳（CO2），使之变成无毒气体。
带电气体或带电废气微粒从烟尘搜集板中经过的时分，由于在烟尘搜集板的阳极极板与阴极极板之间存在很强的电场，使带正电的气体或带正电的废气微粒很简略被阴极极板招引，带负电的气体或带负电的废气微粒将也很简略被阳极极板招引，然后使烟尘搜集板的阳极极板和阴极极板都被涂上一层由轿车尾气排放物生成的一种粘性物质。
当这种被搜集的粘性物质在烟尘搜集板上堆集到必定厚度的时分，阳极极板和阴极极板之间就会发生打火放电，强壮的瞬间电流会把搜集在阳极极板上和阴极极板上的物体起火胀大掉落，并宣布啪啪的放电声。由于，阳极极板和阴极极板之间存在一个数千P 的散布电容，充满电的电容在放电时会发生很大的电流，电流会使放电气体发生爆破，并宣布啪啪声。
四、轿车尾气电子净化设备高压电源作业原理
图3 是直流开关高压电源的作业原理图，其输入电压为12V（也可认为24 伏），由于轿车一般都是选用12V 储电池供电。直流开关高压电源是一个推挽式开关电源，由于在低压开关电源中，推挽式开关电源的作业效率最高。
别的，图3 中的推挽式开关电源与一般的推挽式开关电源还有一些差异，便是这儿的两个推挽管在替换作业的时分，替换时刻不等于零，而是要延时（或错开）必定的时刻（两个推挽管作业时的占空比大约只需48%）。意图是为了防止两个推挽管在替换作业的瞬间，在前一个管还没有彻底关断的时分，后一个管就开端导通，使两个管的导通和封闭时刻相互堆叠，增大开关管的损耗，下降直流高压开关电源的作业效率。
图3 中选用IR2155 作为驱动电路。IR2155 遍及用于节能灯中作为半桥式开关管驱动电路，半桥式驱动与推挽式驱动在电路结构上差异比较大，所以图3 中把IR2155 本来用于半桥式开关驱动的电路做了较大的改动，把6 脚直接接地（本来接半桥输出），把8 脚直接接到电源（本来接自举电容）。
别的，IR2155 的正常作业电压为15.6V，但图3 中的输入电压仅为12V，明显这个电压不能使IR2155 的正常。为了进步IR2155 的作业电压，图3 中选用整流二极管D2、D4 对开关变压器T1 初级线圈发生的反电动势进行整流后，与12V电源叠加（变为24V）再经过电阻R1 对U1（IR2155）供电，以确保IR2155 的作业电压为15.6V。
在正常作业的情况下，图3 中的直流开关高压电源输出功率并不大（小于20W），但在烟尘搜集板处于打火的情况下，其输出功率很大，可达100W 以上，由于两个推挽管Q5、Q6 的作业电压比较低，故作业电流比较大，因而Q5、Q6 有必要选用漏极电流比较大的场效应管，或集电极电流比较大的IBGT 管。
IR2155 的输出功率很小，不能用它直接驱动推挽管Q5、Q6 作业，特别是Q5、Q6 作业于低电压、大电流的情况下，有必要对IR2155 的输出信号进行扩大，图3 中选用两组推拉式跟从扩大电路（Q1、Q2 和Q3、Q4）别离对IR2155 的两组输出信号进行扩大，以确保给两个推挽管Q5、Q6 在注册和关断瞬间供给满足的驱动电流，以削减Q5、Q6 导通和关断时发生的开关损耗。C5、R5 和C6、R6 是微分电路，对加快Q5、Q6 的导通和关断时刻有必定的效果。
C1 是储能滤波%&&&&&%，但其首要效果是用于对开关变压器的磁芯进行退磁，在电源开关断开的瞬间，由于C1 存储的电荷可维持开关电源持续作业一段时刻，使开关变压器初级线圈的作业电压渐渐下降，最终为零。这个进程，使每次关机都可确保，开关变压器铁芯的磁化曲线能够回到坐标的原点，即铁芯彻底退磁，防止开关电源再次作业时，由于变压器铁芯带磁而呈现磁饱满。假如没有C1 的效果，当电源开关断开时，开关变压器铁芯的磁化曲线将被中止在某一非零值的点上，下次开机时很简略呈现变压器饱满，使两个推挽管过流烧坏。
D21、D22、D23、D24 和C21、C22、C23、C24 组成倍压整流电路，HV1的输出电压一般高于1 万伏，而HV2 的输出电压高于5 千伏。
U2 为电压比较器（TL431），其内部现已设定了一个基准比较电压（大约为2.5V），另一个输入比较电压由R24 与R9 分压获得，R9 为取样电阻。正常作业时，由于R9 的取样输出电压比较高，即U2 的输入电压比较高，所以U2 处于导通状况，即U2 的输出电压为2.5V。U2 的效果首要是用来操控别的一个电压比较器Q7 的导通或关断，正常作业时，由于加到稳压二极管DZ3 的电压（2.5V）低于击穿电压，Q7 处于关断状况。
U2 的输出电压或Q7 的输入电压由二极管D5 输入，而D5 的输入信号则经过取样电阻R10 获得。由于R10 的一端与烟尘搜集板的阴极极板衔接，因而流过阴极极板的电流也将悉数流过R10，由此在R10 上会发生一个电压降，这个电压便是取样电阻R10 的取样电压，或称取样输出电压。正常作业时R10 的取样电压是很小的，再加上U2 导通，R10 的取样电压经过D5 后被U2 旁路（被嵌坐落2.5V 上），因而，R10 的取样电压无法使稳压二极管DZ3 导通，此刻，Q7 是截止的。
当烟尘搜集板之间呈现打火的时后，由于输出电流忽然变大，首要是HV2 高压输出电压要下降，由于R23 发生的电压降会增大，然后使HV2 高压输出电压下降，由此取样电阻R9 输出的取样电压也要下降，R9 输出的取样电压经C7 积分延时之后，会使U2 由导通变为截止，其输出电压大于2.5V。此刻，R10 的取样电压经过D5，再经过积分电路C8、R7、C9 进行积分，使取样信号的相位被延时，延时后的取样信号经稳压二极管DZ3，最终被加到Q7 的输入端，使Q7 导通。
Q7 导通后，经过R8 使U1 的锯齿波振荡器输出信号被旁路，U1 中止作业，无驱动信号输出，使两个推挽管Q5、Q6 也中止作业，致使开关电源无高电压输出。待积分电路中的C8、C9 彻底放完电今后，Q7 又会回复到之前的截止状况，尔后，直流开关电源又开端正常作业。因而，烟尘搜集板之间呈现打火是间歇性的，每打火一次，直流开关电源就要被关断一次，以此维护直流开关电源作业的安全。
别的，打火维护的门限也是能够改动的，改动取样电阻R9 和R10 的巨细就能够改动打火维护的门限。有些小的打火，只需其损耗功率不会超越直流高压开关电源的最大输出功率，直流高压开关电源就不需求维护，这样反而能够进步轿车尾气电子净化设备的作业效率。因而，打火维护的门限和接连打火时刻的长短，可依据运用效果来决议。
打火时刻的长短首要由积分电路中的C7 和C8、R7、C9 的时刻常数以及C10的时刻常数来确认，时刻常数越大打火的时刻就越长，一起间歇的时刻也越长。同本来上来说，U2 和Q7 都归于取样扩大电路，U2 归于电源输出电压取样，Q7 归于电源输出电流取样，但两个取样扩大电路的输入信号的相位都要被延时，在延时效果上相当于两个延时时刻串联，但积分电路放电的时分，在时刻上并不是串联，这样，就能够别离调整积分电路的充、放电时刻，使打火持续时刻尽量长一些，而恢复时刻尽量短一些，以进步作业效率。
DZ1 为取样电阻R9 输出电压的限幅二极管，当取样输出电压超越某一电压值时，限幅二极管DZ1 就导通，防止U2 因输入电压过高而损坏。DZ2 也是限幅二极管，当R10 的取样输出电压超越稳压二极管的稳压值时，DZ2 就导通，防止U2 因作业电压过高而损坏。
图3 电路也能够选用24V 直流电源供电，但电路需求有些改动：把二极管D1换成一个电阻，电阻R1 和二极管D2、D4 去掉，二极管D3 短路，而且开关变压器初级线圈的匝数也要添加。
本创造的轿车尾气电子净化设备，估量本钱在100 元～200 元之间。我信任这种轿车尾气电子净化设备将来会具有十分宽广的商场。
