孫少杰，朱布博

（陜西交通職業(yè)技術學院 汽車工程學院，陜西 西安 710018）

0 引言

目前，我國空氣中最主要的、危害最大的污染物是可吸入顆粒物?？晌腩w粒物，一般指的是空氣動力學當量直徑小于10 μm的細小顆粒物[1]。它們在空氣中長期漂浮，被人體吸入后，會長期積累在呼吸系統(tǒng)中，引發(fā)許多疾病，對人體危害巨大。顆粒物的粒徑越小，對人體的危害越大，一般來說，直徑在100 μm以上的顆粒物會很快從空氣中沉淀，不會被人體吸入。而大部分10 μm以上的顆粒物可以被鼻腔里的鼻毛、粘液阻擋在外，不會進入上呼吸道，當顆粒物直徑 5 μm＜d＜10 μm時，鼻腔將很難起到阻擋作用，它們會隨空氣進入并沉積于上呼吸道。當顆粒物直徑小于5 μm時，它們就能夠進入肺部。如果顆粒物直徑小于0.1 μm，那么它們當中的50%以上將在肺部沉積，嚴重時會引發(fā)塵肺病等呼吸系統(tǒng)疾病。當前，可吸入顆粒物是造成我國霧霾天氣的重要原因。2013年，中國遭遇了最嚴重的霧霾天氣，危害涉及全國25個省，100多個大中型城市。我國的平均霧霾天數(shù)高達29.9天，污染天氣持續(xù)天數(shù)達到52年以來的最高水平[2]。

隨著人們對空氣質量重視程度的提高，大家對車內空氣的凈化也提出了更高的要求，因此汽車空調系統(tǒng)的空氣凈化效果就受到了人們的廣泛關注，車輛在使用過程中，車內外空氣可以通過空調系統(tǒng)進行交換，如果空氣得不到有效過濾，那車外環(huán)境中的NOx、CO等有害氣體和可吸入顆粒污染物等就會進入車內，危害駕乘人員健康。為了有效過濾可吸入顆粒物和有害氣體，我國各汽車廠家紛紛推出了雙效空調過濾器，以提高對可吸入顆粒物的過濾效率，同時過濾有害氣體。有相關研究論文就雙效過濾器在特定空氣流速下對可吸入顆粒物的過濾效率進行了研究，如長安大學李陽陽等的雙效汽車空調過濾器對細顆粒物過濾效果的試驗研究[3]，但缺乏不同風速、不同使用環(huán)境以及靜電駐極處理等新技術的采用對雙效過濾器過濾效率和使用壽命的影響相關的研究，此方面僅有王磊的無紡布對空氣中顆粒物過濾效率的實驗研究[4]，王磊針對單效過濾器在不同風速下的過濾效率進行了研究，但并未涉及雙效過濾器。并且目前缺乏在相同實驗條件下單效與雙效過濾器的過濾效率對比研究。故本文將單、雙效過濾器的過濾效率進行對比分析，并就不同風速、不同使用環(huán)境以及靜電駐極處理等新技術的采用對雙效過濾器過濾效率和使用壽命的影響進行研究，探究影響過濾器過濾效率和使用壽命的因素。

1 汽車空調系統(tǒng)的凈化作用

汽車空調系統(tǒng)是車內制熱、制冷的重要裝置，同時也是凈化車內空氣的主要途徑。它可以實現(xiàn)車內空氣與車外新鮮空氣的交換，也可以實現(xiàn)車內空氣循環(huán)凈化。具有外、內循環(huán)和自動模式三種控制方式。

1.1 內循環(huán)模式

汽車空調的內循環(huán)指的是車外空氣入口處的風門關閉，車內空氣循環(huán)入口的風門開啟，車內不與車外進行空氣交換，車內空氣僅進行自循環(huán)的模式。如圖1所示。當車外空氣質量較差時，比如霧霾天、揚塵天或者堵車時段尾氣嚴重的道路環(huán)境中都應該開啟內循環(huán)模式，這樣可以防止外界的可吸入顆粒物、沙塵和有害氣體等進入車內損害駕乘人員的健康。此外，當車內需要保暖或降溫時，可以開啟內循環(huán)模式，以阻止外界炎熱或寒冷的空氣進入車內，從而達到快速制熱或制冷的目的。在內循環(huán)模式下，空調系統(tǒng)只需對車內空氣進行循環(huán)凈化，故可以在很短的時間內就能完成空氣凈化過程。并且可以有效阻止外界顆粒物或有害氣體等污染物進入車內。

圖1 汽車空調內循環(huán)模式Fig.1 Internal circulation mode of automobile air conditioner

1.2 外循環(huán)模式

汽車空調的外循環(huán)指的是車內空氣循環(huán)入口的風門關閉，車外空氣入口處的風門開啟，車內外空氣可以進行交換的模式。如圖2所示。當車外空氣質量較好時，可以開啟外循環(huán)模式，將車內CO2迅速排出，并將車外新鮮空氣引入車內，從而降低車內CO2濃度，提高氧氣含量。在外循環(huán)模式下，空調系統(tǒng)將對車外空氣進行過濾，將顆粒物和有害氣體阻擋在外，提高進入車內空氣的潔凈度。

圖2 汽車空調外循環(huán)模式Fig.2 External circulation mode of automobile air conditioner

1.3 自動模式

目前，很多中高端車型除了內、外循環(huán)模式之外，還具有自動控制模式，即CLEAN AIR功能，所謂CLEAN AIR，指的是內外循環(huán)會自動切換，當選擇CLEAN AIR功能時，空調系統(tǒng)即會進入內循環(huán)，從而將外界空氣與車內隔絕，實現(xiàn)車內空氣的快速凈化。當經(jīng)過一段時間之后，車內的濕度會上升，CO2濃度也上升，當傳感器檢測到車內濕度和CO2含量超過上限時，空調控制器會自動同時打開外循環(huán)，將車外新鮮空氣引入車內，將車內多余的水分和CO2排出車外，當外循環(huán)運行一段時間之后，它會自動關閉，重新進入完全內循環(huán)模式。在自動模式下，空調系統(tǒng)可以將車內濕度、O2含量和空氣質量控制在最優(yōu)的狀態(tài)。

2 不同類型汽車空調過濾器的過濾效果分析

汽車空調過濾器一般安裝于空調管道中鼓風機的前方?？梢栽趦取⑼庋h(huán)時分別對車內外空氣進行過濾，使車內空氣的潔凈度提高，保護車內人員的身體健康。

根據(jù)我國汽車行業(yè)標準《汽車空調過濾器技術條件》（QC/T998—2015）[5]的規(guī)定，將汽車空調過濾器分為顆粒式空調過濾器和雙效空調過濾器。顆粒式過濾器指的是用來分離和儲存空氣流中有形顆粒的汽車空調過濾器，也叫作灰塵過濾器或花粉過濾器，它僅能過濾空氣中的顆粒物，而不能過濾空氣中的有害氣體和異味，所以，也將其稱為單效過濾器。目前市面上的單效過濾器主要是無紡布空調過濾器。而雙效過濾器指的是用來分離、儲存和吸附空氣流中有形顆粒、有害氣體和異味的汽車空調過濾器，它不僅可以過濾空氣中的顆粒物，而且對CO、NOx、甲醛、苯類等有害氣體和異味都有吸附和過濾作用。由于單效過濾器和雙效過濾器的材料組成和內部結構不同，所以過濾效果也有很大的區(qū)別。

2.1 單效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效果

無紡布過濾器是最常用的單效過濾器，因此，本文以無紡布過濾器為例來探討單效過濾器的過濾效率。無紡布過濾器是利用其纖維結構攔截空氣中的沙塵、花粉等顆粒物。因此顆粒物的直徑越大，其過濾效率就越高。目前，空氣中對人體危害最大的顆粒物是粒徑小于10 μm的可吸入顆粒物，為了檢驗無紡布過濾器在不同風速下對可吸入顆粒物的過濾效果，依據(jù)GB/T32085.1—2015制作模擬風道，如圖3所示。在空調過濾器的前后方設置氣壓傳感器，在進風側設置風速傳感器，出風側設置空氣流量計，并裝備了風速調節(jié)裝置，測量條件如表1所示。在三種風速下分別測量無紡布過濾器過濾前后空氣中可吸入顆粒物的濃度。測量結果如表2所示。

圖3 模擬風道Fig.3 Simulated air duct

表1 測量風速Tab.1 Measured wind speed

表2 無紡布過濾器過濾前后可吸入顆粒物的濃度Tab.2 Concentration of inhalable particulate matter before and after non-woven filter filtration

根據(jù)過濾效率公式[6]（1）可以計算出不同風速下無紡布過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率，結果如表3所示。

表3 不同風速下無紡布過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率Tab.3 Filtering efficiency of non-woven fabric filter for inhalable particles at different wind speeds

式中，η為過濾效率；C1為過濾前的顆粒物濃度，mg/m3；C2為過濾后的顆粒物濃度，mg/m3。

根據(jù)表3可以得知，無紡布過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率隨著顆粒直徑的增大而提高；當風速在0.2～0.8 m/s之間時，過濾效率隨著風速的增大而提高，但是無論在何種情況下，無紡布過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率均低于50%，因此，可得出結論：無紡布過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率較低。

2.2 雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效果

隨著人們對車內空氣質量的重視程度逐漸提高，汽車空調過濾器的過濾效果也在逐漸升級。目前汽車上的雙效空調過濾器不僅可以過濾塵土、柳絮等大顆粒雜質，而且對甲醛、汽車尾氣等有害氣體以及可吸入顆粒物等都有很好的過濾效果。一般來說，雙效過濾器的內部由三部分構成[7]，第一層是孔隙較大的纖維層，可以阻擋較大粒徑的顆粒物，中間層是活性炭層，可以吸附CO、NOX、甲醛等有害氣體，第三層是孔隙狹小的致密纖維層，可以吸附和攔截細小的可吸入顆粒物等。

為了檢驗雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效果，故采用相同的方法測量某雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾情況。測量結果如表4所示。

表4 某雙效過濾器過濾前后可吸入顆粒物的濃度Tab.4 Concentration of inhalable particulate matter before and after filtration by a double-effect filter

由表4可以得出此雙效過濾器的過濾效率，結果如表5所示。從表5可以看出，當風速在0.2～0.8 m/s范圍內時，雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率均在80%以上，并且過濾效率隨著風速的增大而減小，根據(jù)雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾原理可知，可吸入顆粒物的粒徑較小，其直徑小于過濾器的孔隙，它除了通過碰撞被攔截以外，主要是靠靜電吸附作用被黏附在過濾器上，當風速增大時，顆粒物的運動速度加快，更容易掙脫過濾器對其的吸附作用，因此過濾效率會隨著風速的增大而減小，而對于粒徑大于過濾器孔隙的顆粒物而言，其過濾效率不會受到風速的影響。此外，從表中還可看出，顆粒物的粒徑越大，過濾效率則越高，這是由于，隨著粒徑的增大，顆粒物在過濾器內部發(fā)生碰撞攔截的概率增大，因此過濾效率升高。

表5 不同風速下某雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率Tab.5 Filtering efficiency of a double-effect filter for inhalable particulate matter at different wind speeds

2.3 不同品牌雙效過濾器的過濾效果對比

為了檢驗不同雙效過濾器對可吸入顆粒物的過濾效果的差異性，選取5個不同品牌的雙效過濾器分別進行檢測，其中2號過濾器經(jīng)過了靜電駐極處理。圖4為風速0.8 m/s時不同雙效過濾器對PM3的過濾效率，圖5為不同過濾器的出風量對比。從圖4可以看出，各過濾器對可吸入顆粒物的過濾效率差異較大，過濾效率最大可相差20%左右，其中1號過濾器的過濾效率最高，4號過濾器的過濾效率最低，再結合圖5的出風量可以看到，1號過濾器的出風量最小，說明其內部過濾阻力最大，而4號過濾器的出風量最大，說明其內部過濾阻力最小。因此，通過增大過濾阻力可以顯著提高可吸入顆粒物的過濾效率。但是，在2號與3號過濾器出風量相近的情況下，2號過濾器的過濾效率卻顯著高于3號過濾器。因此，通過靜電駐極處理可以在不增大過濾阻力的前提下顯著提高對可吸入顆粒物的過濾效率。這里的靜電駐極處理指的是讓過濾材料纖維帶有電荷，因此帶電纖維間形成了大量的電極，在保證常規(guī)濾材物理碰撞阻隔大顆粒污染物的基礎上，增加了靜電吸附作用。帶電纖維不僅能夠像磁鐵一樣吸引環(huán)境中大部分的帶電微粒，同時也可將未帶電的部分顆粒極化，進而有效地吸附小粒徑的可吸入顆粒物。

圖4 不同雙效過濾器對PM3的過濾效率Fig.4 Filtering efficiency of different double-effect filters for PM3

圖5 不同雙效過濾器的出風量對比Fig.5 Comparison of air output of different double-effect filters

3 汽車空調過濾器更換周期對可吸入顆粒物過濾效果的影響

隨著時間的推移，空調過濾器的堵塞程度會逐漸增加，出風量逐漸下降，并且會影響對顆粒物的過濾效果。為了檢驗使用條件對空調過濾器壽命的影響，選取兩種環(huán)境下使用半年一萬公里之后的兩個相同的雙效過濾器，在0.8 m/h的風速下檢測其出風量和過濾效率。其中1號舊過濾器長期在沙石路面、工地揚塵環(huán)境中使用，而2號舊過濾器長期在城市道路中使用。從圖6可以看出新過濾器的出風量最大，而兩個舊過濾器的出風量均明顯下降。在相同的行駛里程和使用時間下，1號舊過濾器的出風量明顯低于2號，并且1號舊過濾器對PM3的過濾效率明顯低于2號。這說明在不同的使用環(huán)境下過濾器的堵塞程度差異較大。因此過濾器的更換周期也應該隨著環(huán)境的不同而不同。

圖6 某雙效過濾器使用前后出風量和PM3過濾效率對比Fig.6 Comparison of air output and PM3 filtration efficiency of a double-effect filter before and after use

而目前各品牌汽車保養(yǎng)周期表上的空調過濾器建議更換周期都是按照固定里程或時間來給定的。比如有些廠家要求每兩萬公里或者每18個月更換一次空調過濾器（如表6所示）。這種固定的更換周期缺乏科學性。如果空氣質量良好，道路條件良好，過濾器則需要很久才會達到過濾物的飽和；反之若空氣質量差，道路條件惡劣，那么過濾器很快就會吸滿雜質而失效。因此，相比于采用時間或里程作為空調過濾器的更換依據(jù)，采用空調過濾器出風量的減少量作為更換依據(jù)會更加科學，因為出風量的減少可以反映一個過濾器的實際堵塞情況，并且能夠反映其對可吸入顆粒物的過濾效果的變化情況。

表6 某品牌汽車保養(yǎng)周期表Tab.6 Maintenance cycle table of a brand car

4 結論

（1）汽車空調系統(tǒng)可以有效地阻隔車外污染空氣，還可以對空氣進行凈化過濾，目前，很多中高端車上的空調系統(tǒng)采用自動控制即CLEAN AIR模式來實現(xiàn)內外循環(huán)的自動切換，從而將車內濕度、O2含量和空氣質量保持在最佳的狀態(tài)。

（2）單效空調過濾器對空氣中可吸入顆粒物的過濾效果較差，在不同風速下的過濾效率均低于50%?？晌腩w粒物的過濾效率隨著顆粒直徑的增大和風速的增大而增大。

（3）雙效空調過濾器對空氣中的可吸入顆粒物的過濾效果較好，過濾效率可達到80%以上，可吸入顆粒物的過濾效率隨著風速的增大而減小。

（4）增大雙效過濾器的過濾阻力可以提高可吸入顆粒物的過濾效率。在相同的過濾阻力下，采用靜電駐極處理的雙效過濾器過濾效率顯著提高。

（5）在不同的使用環(huán)境下過濾器的堵塞程度差異較大。因此過濾器的更換周期也應該隨著環(huán)境的不同而不同。因此，廠家給定的固定里程和時間的過濾器更換周期缺乏科學性，因此建議采用過濾器出風量的減少量作為空調過濾器的更換依據(jù)，以確保空調過濾器一直處于良好的使用狀態(tài)。

綜上所述，空調系統(tǒng)自動控制和雙效過濾器的使用，可以有效提高車內空氣的過濾效果，再結合雙效過濾器靜電駐極處理新技術的使用，可以在不犧牲風量的情況下顯著提高可吸入顆粒物的過濾效率。與此同時，依據(jù)過濾器的堵塞程度選擇合理的更換周期，對維持良好的過濾效果具有重要的意義。