车载空气净化器的设计与性能研究

王 领 何志超 张 岩 李 彬 王晓妮

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海 519070）

引言

随着时代发展，以及人们生活水平的提高，汽车逐步成为人们出行的主要交通工具，因此车内空气质量也越来越被消费者所关注[1]。相关研究表明[2]，车内空气污染程度是城市空气污染的10倍。在车辆行驶过程中，由于车外空气质量和车内人员吸烟等因素的影响，导致车内的浮尘、细菌和有毒有害气体的浓度过高，危害人体健康[3]。再者由于汽车在制作过程中，使用了塑料泡沫剂，以及大量的皮革等材料，导致车内空气质量较差；特别是温度较高的暴晒条件，皮革会挥发出强烈的苯，甲醛等有害物质，对驾驶人员的身体健康造成了二次伤害[4]。

为改善车内空气质量问题，净化车内空气；大量不同类型的车载空气净化器应运而生。目前市场上车载空气净化器[5]，很多都存在产品尺寸过大、颗粒物CADR值偏低、功能存在缺陷、滤网利用率不到等问题[6]。例如上进风前出风的循环模式，导致该滤网的利用效率较低，进而影响性能。

目前市场上车载空气净化器种类较多，按原理主要分为四类[7]：滤网式、集尘式、臭氧、负离子；本文将综合市场上车载空气净化器的优缺点，同时兼顾其应用场景和用户舒适性等因素，设计一款结构尺寸小，净化性能高，附带杀病毒功能的车载空气净化器；增加车载空气净化器的市场丰富性，为消费者提供更多选择。

1 车载空气净化器结构设计

产品设计主要包括风机的选用，循环方式的选择，以及整机结构的设计等三大主要板块[7]，其他零部件均需要以以上三大结构进行合理设计与安装。

1.1 风机选用

风机是样机性能参数的重要零部件，在选用风机时，需考虑风速、风压及与整机装配，同时还要考虑产品的尺寸要求。一般普通家用汽车车内空间为（3～5）m3，考虑到驾驶员以及乘客抽烟情况，车外扬尘等因素，综合以上因素，选用大风量离心风机。这款风机额定电压为12 V，结构小巧，噪音小、散热效果好。

1.2 循环方式设计

循环方式的选择对样机的性能有直接影响，目前市场上车载常用的是上进风，前后或者左右出风的方式，但是这种循环方式在降低滤网的使用效率的同时，还会增加整机尺寸高度。本文结合以上因素，设计一款上四周进风，下四周出风的特殊循环方式，并同时将有弧度滤网放在风机出风口的合适位置。这种循环方式可以区分进风和出风的流场，能够更好的与车内空间进行空气交换，提高净化效率，同时滤网的放置也充分利用了整个滤网面积，降低了整机的尺寸高度。

1.3 新结构设计及相关特点分析

目前市场上常用的结构为上下叠加方式，从上至下依次为上盖，过滤网，底壳，风机，底板；该结构会大大增加产品本身的高度，同时还会降低滤网的使用效率，如图1所示，产品为上进风前出风的循环方式；其中滤网呈正方形，覆盖在圆形的带壳离心风机上，风机运行时，循环空气通过滤网的中心位置，这导致滤网的四角没有被充分利用，该结果导致滤网的使用寿命变短，产品的整机净化效果变差[8,9]。

图1 市场车载空气净化器

本文设计一款新的产品结构，充分考虑以上缺点，将风机放置在底壳固定，滤网做成弧形，摆放在风机出风口合适位置，上面设计成四周进风的环形上盖，以上装置构成了一套风机系统，如图2所示，这种结构设计降低的整机高度，滤网面积基本全部被利用，整机净化效率有所提高，同时延长滤网寿命。

图2 新型车载空气净化器

产品还自带了储电量为2 500 mAh充电电池，放置在产品最前端的电器盒里；该电器盒内侧呈弧形，与风机形成的流场契合。风机上端为遮挡板，该装置能够与底座扣合，同时密封电器盒；遮挡板两侧有弧形口，用于安装弧形滤网。产品顶端是悬浮板和上盖面板的组合件，通过上盖面板后端的卡扣和前端的磁铁固定在遮挡板上。以上结构组合成了本文设计的样机，尺寸为180*160*58 mm。

2 性能测试

2.1 实验部分

2.1.1 颗粒物洁净空气量实验

将车载净化器置于3 m3试验舱中，按GB/T18801-2015《空气净化器》标准注入一定浓度的颗粒物（0.3 μm 以上颗粒物初始浓度 2×106个/升），车载净化器连续运20 min，每2 min记录颗粒物数值，并计算颗粒物的衰减浓度及颗粒物洁净空气量（Clean air Delivery Rate，CADR），研究空气净化器提供洁净空气的速率。

2.1.2 气态污染物洁净空气量实验

将车载净化器置于3 m3试验舱中，按GB/T18801-2015《空气净化器》标准注入一定浓度的颗粒物甲醛气态污染物（初始浓度：甲醛 1 mg/m3），车载净化器连续运转60 min，每2 min记录颗粒物数值，最后计算车载净化器对甲醛物质的净化效果。

2.1.3 病毒杀灭试验

将车载净化器置于3 m3试验舱中，参照《消毒技术规范》（2002年版），注入一定浓度病毒接种液，待背景浓度达到规定值后，车载空净开启高风挡进行循环净化，运行90 min后，记录病毒数值。实验分为对照组和实验组分别进行，采用甲型流感病毒A/PR8/34（H1N1），肠道病毒EV71，冠状病毒HCoV-229E。该部分实验由广州市微生物研究所有限公司完成。

2.2 实验结果及分析

通过以上实验，得出相关测试，并通过数据绘制了颗粒物和甲醛污染物浓度衰减曲线，如图3，图4；从颗粒物污染物衰减曲线中可以发现，随着时间的增加，车载空净通过滤网拦截，持续的净化实验舱内胆污染物，前10 min净化速率较快，后续速率变慢，可能是因为舱内污染物浓度下降，导致污染物净化器梯度不明显；或者车载空气净化器的滤网表面附着大量颗粒物，导致滤网净化器效果不明显。通过相关计算公式得到颗粒物洁净空气量为18.46 m3/h。

图3 颗粒物污染物浓度衰减曲线

图4 甲醛污染物浓度衰减曲线

通过分析甲醛污染物衰减曲线，舱内总体甲醛浓度在持续下降，滤网分解甲醛机理为：滤网表面的除醛活性炭利用手相不对称Darzens反向催化反应将甲醛气态污染物常温高效转化为无害的羟酸等物质。再利用纳米构造技术和非极性材料斥水汽特性，在单分子担载双氨基酸来实现对甲醛的完全转换。通过计算每次取样的甲醛浓度，得出甲醛洁净空气量为12.6 m3/h。

车载空气净化器的病毒杀灭试验是通过委托外部测试得出试验结论[10]，根据表1中数据可知，车载空气净化器对流感病毒、肠道病毒和冠状病毒的杀灭率均在99.9 %以上，效果明显。

表1 车载空气净化器病毒杀灭率统计表

根据以上测试结果，结合市场调研情况，绘制车载空气净化器各指标对比表，如表2所示，结合表中数据，综合考虑各项性能指标，本产品具有明显优势。

表2 车载空气净化器各指标对比表

3 结论

本文设计了一种新式车载空气净化器，并在风机选型，循环方式，结构设计等方面和市场上现有产品进行对比，综合分析了各因素对整机尺寸，净化效率的影响，并通过性能试验，得出本设计新型产品的各项指标，即尺寸为180*160*58 mm，颗粒物洁净空气量为18.46 m3/h，甲醛洁净空气量为12.6 m3/h，同时对流感病毒、肠道病毒和冠状病毒的杀灭率均在99.9 %以上；结合市场现有样机指标，该新型样机指标有较大优势，处于行业前列。

在产品设计过程中，样机的尺寸不能无限追求小巧，需要同时考虑噪声等因素，因此在后续开发新型车载空气净化器过程中，需要综合考虑相关矛盾因素的影响。