汽车空调对可吸入颗粒物的过滤机理和效果分析

汽车空调对可吸入颗粒物的过滤机理和效果分析

牛罡1, ,朱虹2

  1 乐金电子（天津）电器有限公司  天津   300402

2中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300

摘要：伴随着大气环境的日益恶劣，可吸入颗粒物开始引起人们的重视。其中PM2.5是衡量大气污染的重要指标之一，PM2.5是指细直径小于等于2.5µm的微粒。若人们吸入过多的颗粒物，必然会对人们的身体健康产生不良影响。PM2.5存在于大气环境中，但是当汽车通过空调系统进行内外部气流交换时，就有可能将大气中的PM2.5引入到汽车内部，这就需要空调系统具备优质的颗粒物过滤效果，以此降低车内人员吸入颗粒物的风险。因此文章重点就汽车空调对可吸入颗粒物的过滤机理和效果展开分析。

关键词：汽车空调；可吸入颗粒物；过滤机理；效果

近年来，中国的雾霾问题很严重，现在人们越来越关注自己的生活质量。在关注改善室内空气质量的同时，我们也关注汽车空气质量。pm2.5指的是细直径小于或等于2.5 m的颗粒。大气中可吸入颗粒物是危害人体健康的主要因素。PM2.5不仅可以通过呼吸道吸入呼吸道和肺泡，造成肺组织损伤，还可以引起肺部疾病。颗粒物在大气中的悬浮时间较长，人在驾驶过程中，当汽车完全关闭时可以防止外界的PM2.5进入，因为人的呼吸作用，长时间的呼吸会产生大量的二氧化碳，对人体健康和驾驶安全非常有害，所以汽车需要开启外循环模式，大气中的PM2.5通过汽车进气道进入汽车。一般汽车都会有空调过滤器，通过过滤器来过滤空气。

1汽车空调系统的净化作用

汽车空调系统是车内加热和冷却的重要装置，也是净化车内空气的主要途径。它可以实现车外空气与新风的交换，也可以实现空气循环净化。有内外循环和自动三种控制方式。

1.1内循环模式

汽车空调器的内部流通是指车辆外部气流进口的挡板和内部气流流通进口的挡板打开，使车辆内部不与外部的气流进行流通，只进行内部的气流自我流通。在室外的空气质量不好的时候，比如雾霾天、扬尘天或者交通拥堵期排放高的路段，都要打开内循环，这样可以避免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。另外，在汽车内部有必要进行保温或冷却时，可以打开内部循环，防止外面的酷暑和寒风侵入汽车内部，这样就可以迅速地加热或冷却。采用内循环方式，通过对汽车内部的气流进行循环，使整个室内的气流在较短的时期内达到了最佳的效果。同时还能防止外来的微尘、有毒的废气等污染物质侵入汽车内部。

1.2外循环模式

汽车空调的外循环指将车内的空气流通进口的挡板和外部的挡板打开，使室内和室外的气流相互转换。在室外的环境条件良好的情况下，打开外部的外周气流，使室内CO2快速排放，同时将室外的新鲜气体导入室内，减少室内CO2的浓度，增加室内的含氧量。在外循环时，汽车的空调将会对汽车外部的空气进行有效的净化，从而有效地排除各种微粒和有毒的气体，从而改善汽车内部的环境质量。

1.3自动模式

目前，很多中、高档车型除了内循环和外循环外，都配备了自动调节，也就是 CLEAN AIR， CLEAN AIR就是内部循环和外部循环的自动调节，一旦选择 CLEAN AIR，那么，空调就会进入内循环，将外界的空气和室内隔离开来。随着汽车温度升高，二氧化碳浓度升高，汽车内部的湿气和二氧化碳的浓度也随之升高，如果汽车内部的湿度和二氧化碳水平超出了最高值。空调系统会在同一时刻开启外循环，将外界的新鲜气流导入到汽车内部，将汽车中的湿气和二氧化碳排除在外，外循环运转一小会儿，就会自动关机，再次回到内部循环。在汽车运行方式中，汽车内的湿度、氧气含量、环境质量都能得到最佳的调节。

2不同类型汽车空调过滤器的过滤效果分析

汽车空调过滤器通常是在空调管路中吹风机前端设置的。通过内部和外循环，可以实现汽车内部和外部的气体的分离，从而改善汽车内部的环境质量，从而保障汽车内的人员的健康。按照《汽车空调过滤器技术条件》 QC/T998-2015所述，对车辆空气净化器进行了分类。颗粒型过滤器是一种用于将空气中的有形粒子进行分离和贮存的过滤器，又称为粉尘过滤器或花粉筛，只能用于过滤空气中的微粒，而不能过滤空气中的有毒物质和气味，因此，我们把它叫做单效过滤器。当前市场上使用的空气净化器以非织造织物为主。而双效过滤器则是用于分离、储存和吸收气流中的有形颗粒、有害气体及臭味的车辆空调机。对苯等有毒气体及臭味具有一定的吸收性。由于其材质及内部构造的差异，导致其过滤效率差异较大。

2.1单效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果

无纺布是目前应用最广泛的单一功能过滤器。无纺布车用空气调节滤芯，采用 PP纤维颗粒，经过高温熔融，喷丝，铺网，采用连续一次热轧工艺制成。机械式的过滤机制：主要有拦截，惯性，扩散，重力和静电作用，在较低的速度下，粒子的布朗移动更加显著，空气停留的时间越久，粒子与光纤接触的可能性越大，所以过滤的效果越好。由于静电荷的作用，使得空气中的微粒滞留较久，而空气流速较低，则粒子能较好地被静电吸收。另外，随着风速的增大，范德华力的影响也随之减小，这就是由于空气动力学的影响，使多个附着在纤维表面的微粒产生了分裂。

2.1.1过滤机理

过滤器主要含有以下五种过滤机理：

（1）拦截效应

纤维在滤料中的分布一般比较复杂。当运动粒子与纤维接触时，由于范德华力的作用，粒子与滤料会发生卡滞。

（2）惯性效应

当空气通过过滤材料时，气流的流线会通过接触纤维而偏转。颗粒在惯性力的作用下从流线中分离出来，撞击纤维沉积。具有较大惯性力的大颗粒更容易被纤维阻挡。

（3）扩散效应

小颗粒以布朗运动为主，0.1 m微粒的扩散速率达到17m/ s，使颗粒具有非常高的沉积概率。当粒径小于0.1 m时，粒径越小越容易过滤;当粒径超过0.5 m时，粒径越大越容易过滤;当粒径为0.1—0.5 m时，扩散和惯性效应不明显，过滤困难。

（4）重力效应

当颗粒通过过滤纤维时，由于重力作用与空气流线分离而被分离。对于粒径在0.5 m以上的颗粒，一般考虑重力。

（5）静电效应

静电的作用主要有两方面：一是静电的作用可以使颗粒物和原空气的流动线路发生分离和脱落；其次，静电作用更有利于颗粒和纤维粘在一起，静电的存在在不增加阻力的情况下提高了过滤效率。

2.1.2过滤效率实验

大颗粒经过阻隔和沉淀而被滤掉，而小颗粒则会在其上产生静电，从而对微小粒子进行吸收。由电子显微镜（见图1）可见，该光纤的厚度是不均匀的并且是相互交织的。微细颗粒的分布主要为13~35微米，其中粗细的微丝很少，并且会有微小的微粒渗透出来。如今，随着纳米光纤的发展，能够阻挡更多的微粒，因此可以改善过滤效果。

图1    过滤器滤料 200 倍电镜照片

2.2双效过滤器对可吸入颗粒物的过滤效果

随着对室内环境的要求越来越高，对车辆的过滤性能要求也越来越高。当前汽车上安装的两种空气过滤装置，除了能过滤灰尘、柳絮等大颗粒的污垢外，还能有效过滤甲醛、汽车尾气等各种有毒气体，并能有效过滤空气中的污染物。通常情况下，双层滤芯的内壁分为三个部分：一层为具有大孔隙的纤维膜，能有效地阻止大颗粒的颗粒；中间是一种具有吸附 CO、 NOX、甲醛等有害物质的活性碳，而在其内部则是一种具有较窄孔隙的高密度纤维膜，能够吸附并阻隔微小的微粒。通过对一种双重滤清器的可吸颗粒进行测定，以验证其对可吸颗粒的过滤性能。在2.0~0.8 m/s的速度下，两种滤料的过滤效果都大于80%，而且过滤效果也会随著风速的增加而降低。该滤芯的直径比滤芯的孔要小，因此，除撞击之外，其主要依靠静电荷的吸附，随著速度增加而增加；粒子移动的速率越高，越能摆脱过滤器的吸力，所以当风速增加时，过滤效果就会降低，但当粒子尺寸比过滤器的直径大时，过滤效果就会下降；其过滤效果与气流速度无关。另外，从表格中可以看到，随着粒子尺寸的增大，其过滤效果也随之提高。这是因为当粒子尺寸增加时，粒子在过滤器中的撞击和拦截几率增加，从而提高了过滤的效果。

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

当使用的时候，空气过滤器的阻塞会越来越严重，而空气流量也会随之降低，从而会对空气中的微粒进行过滤。采用两台在不同工况下运行了6年10000 km的同一双效过滤器，测试其在0.8 m/h的速度下的出风率和过滤效果。1型滤芯在沙石路面、工地扬尘环境下长时间被用于，而2型滤芯则在市区公路上长期应用。结果表明，新滤芯的排气率最高，而老滤清器的排气率则显著降低。在同样的行车距离和运行时间内，1型老过滤器比2型过滤器的排气率显著降低，1型老过滤器对PM3的过滤效果显著小于2型。结果表明，在不同工况下，滤芯的阻塞情况有很大的差别。所以，滤芯的更新时间也会因环境而异。然而，当前各个品牌的汽车维修周期中，所推荐的空气滤清器的替换周期均为一个特定的行驶里程或时间段。例如，一些厂商规定，空调滤芯的每隔20,000公里或18个月进行一次。这样的定期更新是不科学的。在空气和路况都很好的情况下，过滤器要花很长时间来使过滤器变得充满水；相反，如果环境不好，路面情况不好，滤芯就会被污染，从而失去作用。所以，与使用时间或里程来确定空气滤清器的替换标准，使用空气净化器的排气量降低可以反映一个滤清器的真实堵塞状况，从而更为合理；它可以反应它对可吸入微粒的过滤作用的改变。

综上所述，汽车空调系统能有效阻挡车外空气污染，还能对空气进行净化和过滤，目前很多高端汽车空调系统都采用自动控制，即CLEAN air模式，实现内外循环的自动切换，从而使汽车湿度、O2含量和空气质量保持在最佳状态。空调系统的自动控制和双效过滤器的使用，可以有效提高车内空气的过滤效果。结合使用双效过滤器的新型静电立极处理技术，在不牺牲风量的前提下，可显著提高可吸入颗粒物的过滤效率。同时，依据过滤器的堵塞程度选择合理的更换周期，对维持良好的过滤效果具有重要的意义。

参考文献

[1]孙少杰,朱布博.汽车空调对可吸入颗粒物的过滤机理和效果分析[J].交通节能与环保,2022,18(01):9-14.

[2]陈拼. 无纺布纤维汽车空调过滤器过滤特性及应用研究[D].南华大学,2019.