专利名称：柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，属于柴油 机废气排放后处理装置技术领域。二、 背景技术柴油车与汽油车相比，具有燃油消耗低20%至30%、动力性强等特点， 柴油机技术的进步，使世界出现了轿车柴油化趋势。但柴油车排放的污染物 及其在大气中二次反应生成的污染物对人体健康和生态环境会造成不良影 响。柴油机排气中的碳粒是一种可吸入颗粒物，可导致肺癌的发生。研究表 明，柴油机排气中的碳粒的致癌性要比汽油机排放的苯高9倍。因此，世界 各国对柴油机碳粒排放的控制都非常重视。柴油车排气净化主要包括机内净 化技术(如提高喷油压力、采用排气再循环(EGR)等)，以及机外净化技术(如 N0x后处理技术、微粒(PM)后处理技术等)。随着经济、技术水平的提高，我国不断严格柴油车污染物排放控制的要 求，逐步降低柴油车污染物的排放水平，保护人体健康和生态环境。我国柴 油汽车污染物排放控制目标是到2008年，力争达到相当于欧洲第三阶段排 放控制水平；2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。柴油车主要排放一 氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)和颗粒污染物等，控制的重点 是氮氧化物(NOx)和颗粒污染物。采用新技术控制车辆尾气中有害物的排放 量，对改善人们的生活环境具有重要意义。采用发动机排气后处理控制技术 能够有效降低柴油汽车排放的浓度。我国实行的柴油车排放污染防治技术政 策明确规定应积极研究开发并釆用柴油车排气后处理技术，如广域空燃比 下的气体排放物催化转化技术和再生能力良好的颗粒捕集技术，降低柴油车 尾气中的污染物排放。柴油机采用稀混合气扩散燃烧方式工作，由此造成柴油机的排气成份和 浓度与汽油机有所不同，并产生排气颗粒(黑烟)。柴油车单靠燃烧改进等机 内净化技术很难满足越来越严格的排放法规。由此柴油车不可避免的要安装 排气后处理装置。微粒(PM)后处理技术包括氧化型催化转化器、连续再生的 颗粒捕集器(CRT)、选择性催化还原技术(SCR)及氮氧化物储存型后处理技术 (NSR)等。当前流行的柴油机碳粒排放控制的方法是高活性催化剂催化法和过滤 法。但催化法使用的装置价格昂贵，使用寿命短。过滤法是以陶瓷滤体滤除 碳粒的方法，主要优点是巨大的接触表面积和很高的颗粒收集储存能力。颗 粒收集器在工作时，尾气中的颗粒被过滤器捕捉并储存起来，随着过滤的碳 粒的增多，过滤器将逐渐堵塞。当聚集的颗粒达到一定程度时，加热器产生 的高温使这些颗粒充分燃烧，从而达到去除这些颗粒的目的，同时过滤器也 实现了再生的过程。过滤法去除碳粒的效率高，但发动机排气背压高，降低 了发动机的动力性和经济性。 三、发明内容本实用新型的目的在于提供一种采用离心和静电吸附原理捕捉颗粒，不 增加排气背压，能够改善发动机性能，使用微处理器自动控制碳烟颗粒的燃 烧，碳烟颗粒净化效果大大提高，并且成本低、使用寿命长的柴油机废气串 联三级颗粒收集消声装置。本实用新型的柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置为一种柴油机排放 废气微电子后处理装置，包括串联三级颗粒收集、消声装置和碳烟颗粒燃烧 装置，碳烟颗粒燃烧装置由碳烟颗粒燃烧控制装置连接控制，串联三级颗粒 收集、消声装置连接高压鬼源。串联三级颗粒收集、消声装置由两个离心静电碳烟颗粒收集装置和一个消声装置6串联串联组成，第一级和第三级为离心静电碳烟颗粒收集装置， 第二级为消声装置，两个离心静电碳烟颗粒收集装置由同一电源供电,第一级 收集装置的进风口直接连接发动机的排气管，第一级收集装置的出风口与第 二级消声装置的进风口连接，第二级消声装置的出风口与第三级收集装置的 进风口相连接，第三级收集装置的出风口将最终处理的废气排入大气。所述离心静电碳烟颗粒收集装置包括同轴的出气内筒1与封闭外筒2，出 气内筒1与封闭外筒2之间由陶瓷7绝缘，出气内筒1上均匀分布有芒刺起 晕电极3、与高压电源正极相连，封闭外筒2作为静电吸附负极、与高压电源 负极相连，离心静电碳烟颗粒收集装置依靠离心力和静电吸附两种方式清除 排气中的碳粒。所述第一级和第三级离心静电碳烟颗粒收集装置的封闭外筒2的进风口 8 切向连通封闭外筒2，,柴油机排气流切向进入离心静电碳烟颗粒收集装置并产 生强烈旋转，排气中较大的碳粒在离心力的作用下从气固两相流中分离出来 并被甩在离心静电碟爛騵粒收集装置外筒内壁上。离心静电碳烟颗粒收集装 置为同轴式，出气内筒与外简之间的距离70 80mm，在内、外筒之间施加20 30KV的直流电压，出气内筒上的芒刺产生电晕放电，在静电作用下， 一方面 可以将部分较小的碳粒结合成较大的碳粒，使之在离心力作用下甩到外筒内 壁上，另一方面还可以将排气中较小的碳粒直接吸附在外筒内壁上。最终在 离心静电碳烟颗粒收集装置内的下旋气流的冲刷下，甩在外筒内壁上的碳粒 以及吸附在外筒内壁上的碳粒被收集在碳烟颗粒燃烧装置内。净化以后的气 体形成上升气流，并通过出气内筒排出。
碳烟颗粒燃烧装置固定于离心静电碳烟颗粒收集装置下部，包括壳体4、 红外发热板5、绝缘陶瓷接线柱，利用红外发热板加热，碳烟颗粒燃烧装置由 碳烟颗粒燃烧控制装置连接控制，将离心静电碳烟颗粒收集装置所收集的碳 烟颗粒加热到碳烟的燃点，在发动机排气富氧状态下，将其燃烧生成二氧化 碳，随废气排到空气中。碳烟颗粒燃烧控制装置控制碳烟颗粒燃烧装置按照一定的时间间隔接通 红外加热板的电路，定时将收集到碳烟颗粒燃烧装置的碳粒燃烧掉，包括单 片机，单片机通过接口总线连接存储器集成电路U3、时钟集成电路U5、信号输入处理电路、信号输出控制电路；信号输入处理电路包括一路模拟输入信号通道和两路数字信号输入通 道，模拟输入信号连接输入一级放大后，输出到二级放大电路，通过滤波电 路输入单片机；两路数字信号输入通道分别检测发动机0N开关信号和发动机 0FF开关信号，经过光电耦合器后，将信号通过接口电路输入到单片机；信号输出控制电路输入端与单片机通过接口电路输出的控制信号相连， 经光电耦合器，三极管放大电路，连接控制碳烟颗粒燃烧装置的电磁阀开关；碳烟颗粒燃烧控制装置还可以为手动控制装置，通过操纵手动控制装置 接通控制碳烟颗粒燃錄装置的开关。高压电源输出0 30kv的直流电压，与静电碳烟颗粒收集装置的电源线 相连接。该系统通过对离心静电碳烟颗粒收集装置模型的研究，建立离心静电吸附的数学模型，分析柴油机微电子排放后处理系统的结构参数与发动机的运转参数对碳烟颗粒净化性能的影响。并对该系统进行了结构设计和实验研究， 对柴油车排放碳烟颗粒实验方法进行了测定与分析，通过实验，得出实际性能指标，并与理论值进行比较，验证数学模型的可靠性。本实用新型的柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，采用离心和静电 吸附原理捕捉颗粒，使用微处理器自动控制碳烟颗粒的燃烧，碳烟颗粒净化 效果大大提高，成本低、使用寿命长，并且不增加排气背压，能够大幅度改 善发动机性能。
图l为本实用新型结构示意图；图2为图1的俯视揮；图3为碳烟颗粒燃,置的结构示意图；图4为图3的俯视國；图5为自颗粒燃烧控制装置的控制原理框图；图6为碳烟颗粒燃烧控制装置的CPU与其侮电路的接口电路原理图；图7为碳烟颗粒燃烧控制装置的输入电路原理图8为碳烟颗粒燃烧控制装置的输出电路原理图。 五具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。 图l、 2为本实用新型的结构原理示意图，串联三级颗粒收集、消声装置 由二个离心静电碳烟颗粒收集装置和一个消声装置组成，第一级收集装置的 进风口直接连接发动机的排气管，第一级收集装置的出风口与第二级消声装 置的进风口相连接，第二级消声装置的出风口与第三级收集装置的进风口相 连接，第三级收集装置的出风口将最终处理的废气排到大气中。消声装置的 设计是根据排气消声器的容积、形状、排气管径、排气尾管长度等参数进行 优化设计的，消声器为扩张式消声器，基本上消除了通过频率，改善了消声 性能，消声效果较好，改善了加工工艺性，降低了气流阻力，减少了发动机 功率损失。离心静电碳烟颗粒收集装置的进气口与发动机的排气管相连接，利用离 心和静电的作用将发动机排出的废气中的碳烟颗粒收集起来，为提高收集效 率，设计了串联三级颗粒收集、消声装置，第三级的出风口将最终处理的废 气排到空气中，通过下旋气流的作用将收集的碳烟颗粒移送到碳烟颗粒燃烧 装置，碳烟颗粒燃烧控制装置自动控制碳烟颗粒燃烧装置，通过红外线加热 使收集的碳烟颗粒达到燃点，将收集的碳烟燃烧成二氧化碳，达到净化碳烟 的目的。在整个工作过程中，高压电源为离心静电碳烟颗粒收集装置提供静 电吸附碳烟颗粒所需要的电场力。碳烟颗粒燃烧控制装置实时检测发动机0N和OFF状态，在正常工作状态 下，当检测到发动机ON信号时，开始计时，计算发动机ON信号的持续时间， 如果在15分钟内没有检测到发动机OFF信号，同时也没有检测到高压电源的 输出电压大幅度降低，开始启动碳烟颗粒燃烧装置，利用红外加热板将收集 的碳烟颗粒加热，达到燃点.，使其燃烧，当检测到发动机ON信号的持续时间 超过2小时，再次启动碳烟颗粒燃烧装置，利用红外加热板将收集的碳烟颗 粒加热，达到燃点，使其燃烧。如果在任何时刻检测到发动机OFF信号，计 算发动机OFF信号的持续时间，持续时间小于3分钟的，被认为暂时熄火， 继续检测发动机ON信号持续时间，工作模式处于正常工作状态下。离心静电碳烟颗粒收集装置包括离心静电碳烟颗粒收集装置的进气口， 带芒刺起晕电极的出气内筒，作为负极的静电吸附封闭外筒，内、外筒之间 绝缘陶瓷。为了使气流旋转产生离心力，进气口与外筒相切，进气口的直径 山与外筒的直径"之比等于山"=式=7^。利用禽心力将碳烟颗粒从气固两相流中分离出来，利用静电场力的作用来强化离心除尘效率。由于出气内筒的入口布置在下方，在离心静电碳烟颗粒收集装置内形成了下旋气流， 下旋气流可将附着在外筒内壁上的碳粒吹落，使其落入碳烟颗粒燃烧装置。净 化以后的气体通过出气内筒排出。离心力能够使较大的颗粒从排气中分离出 来，利用静电作用可以捕集微小颗粒，高速旋转气流对壁面的冲刷作用和颗粒 之间的碰撞作用可以清理壁面附着的碳烟颗粒。图5为碳烟颗粒燃烧控制装置控制原理框图，包括型号为80C196KC单片 机、斩波稳零集成运放ICL7650S、高输入阻抗集成运放LM358、 RC滤波器、 光电耦合器、输出用继电器、译码器、时钟芯片、锁存器、存储器。其中， 本实例中的单片机为CHMOS高性能的单片机，内部RAM488字节，有24字节 的专用寄存器，CPU的操作直接面向256字节的专用寄存器，相比累加器结构， 具有10位A/D转换器，系统设计采用8位地址/数据复用总线。采用高性能的斩波稳零集成运放芯片ICL7650S进行一级放大，ICL7650S 具有超低失调和超低温漂，高增益、高输入阻抗。这种运放由一时钟控制， 分节拍工作，前一节拍将输入失调采集并存储于一电容中，后一节拍采样和 放大信号，并将此刻的失调相抵消。采用ICL7650S能够大大减少采集信号所 带来的误差。检测电压降低传感器的输出端与斩波稳零集成运放ICL7650S的 输入端连接，斩波稳零集成运放ICL7650S将传感器或倍率选择开关输入的信 号进行一级放大后输出给二级放大芯片高输入阻抗集成运放LM358。高输入阻抗集成运放LM358作为二级放大芯片，内部具有2个独立的放 大集成电路，LM358第一个放大电路反向输入，使用电位器调节放大倍数，并 且在放大器上加载调零电路，可以将模拟通道的放大电路的输出在零输入的 情况下，调整为零输出；LM358第二个放大电路为正向输入成射随电路，以便 于得到高输入阻抗和低输出阻抗，用作阻抗变换器。高输入阻抗集成运放 LM358将一级放大芯片送来的信号进行二级放大后输出给RC滤波器，进行滤 波后输出到单片机的A/D转换接口。时钟芯片DS12887通过双向数据/地址总线与单片机相连接，在电路通电 时其充电电路便自动对可充电电池充电,充足一次电可供芯片时钟运行半年， 正常工作时能够实时辑供时间数据，并可保证时钟数据十年内不会丢失，内 部有114字节的RAM可以保存信息，通过程序设计用来保存驾驶员正常开关 机的时间信息，时间在存储时按照字符类型(8位)，占用l个地址单元。单片机通过双向数据/地址总线经过锁存器与型号为32KEPR0M27256的程 序存储器连接，用于存储程序。图6为碳烟颗粒燃烧控制装置的CPU与其他电路的接口电路原理图，其 中的8XC196KC Ul..为单片机，通过U2扩展存储器U3， U2为74HC373, U3为27256, U5为图2中的时钟芯片DS12887。图7为碳烟颗粒燃烧控制装置的输入电路原理图，包括一路模拟输入信 号通道和两路数字信号输入通道，模拟输入信号通道由图中的ICL7650S对模 拟输入的信号进行一级放大后，输出到二级放大电路LM358放大，并通过R8、 C3组成的RC电路滤波输入到图6中的8XC196KCU1中；两路数字信号输入通 道分别检测发动机ON开关信号和发动机OFF开关信号，经过光电耦合器TP521 后，将信号通过接口电路输入到碳烟颗粒燃烧控制装置的80X196KC;单片机 进行数据处理，运算结果通过接口电路把控制信号输出到输出电路板，控制 红外加热装置以及显示单片机正常工作的发光二极管。图8为碳烟颗粒燃烧控制装置的输出电路原理图，由图6中的8XC196KCU1 一路输出的控制信号输入到光电耦合器中，通过三极管T2放大控制电磁阀， 从而控制碳烟颗粒燃烧装置。本系统设置单片机系统自诊断功能，由图6中 的8XC196KCU1的一路输出的控制信号输入到光电耦合器中，通过三极管T2 放大控制一个发光二极管，当检测单片机8XC196KC工作正常时，发光二极管 灯亮，并显示"绿色"。本实施例的程序采用C语言进行模块化软件设计，设计保存200次时间 数据，时间在存储时按照字符类型(8位)，每个数据占用1个地址单元。在 记录数据时，将对应的数据逐一存储在时钟芯片的RAM内，如果记录的数据 次数超过200次，则第201次的数据将占用第1次存储所占用的地址单元， 数据进行更新，然后不断循环直至到全部更新完毕。采用10位A/D转,行数据处理，转换精度高，系统选用16位单片机, 16位单片机具有较^^的数据处理能力，可直接计算4字节的整型数和浮点数。图3、 4为碳烟颗粒燃烧装置的示意图,包括红外加热板，耐热陶瓷， 绝缘陶瓷接线柱，其中，绝缘陶瓷接线柱一端通过继电器与蓄电池连接，另 一端接红外加热板，红外加热板安装在耐热陶瓷上，碳烟颗粒燃烧控制装置 控制电磁阀的开关状态，碳烟颗粒燃烧装置将离心静电碳烟颗粒收集装置所 收集的碳烟颗粒加热到碳烟的燃点，在发动机排气富氧状态下，将其燃烧成 二氧化碳，随废气排到空气中。采用10位A/D转换进行数据处理，转换精度高，并且系统选用16位单 片机，16位单片机具有较好的数据处理能力，可直接计算4字节的整型数和 浮点数。另外，本实施例还^T以设置手动控制装置，当碳烟颗粒燃烧控制装置不 正常工作或需要人I操作情况下，通过操纵手动控制装置接通控制碳烟颗粒 燃烧装置的继电器，直接加热离心静电碳烟颗粒收集装置所收集的碳烟颗粒， 让其燃烧成二氧化碳棑出。
权利要求1、柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在于包括串联三级颗 粒收集、消声装置和碳烟颗粒燃烧装置，碳烟颗粒燃烧装置由碳烟颗粒燃烧 控制装置连接控制，串联三级颗粒收集、消声装置连接高压电源。
2、 按权利要求1所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征 在于所述串联三级颗粒收集、消声装置由两个离心静电碳烟颗粒收集装置和 一个消声装置串联组成，第一级和第三级为离心静电碳烟颗粒收集装置，第 二级为消声装置，两个离心静电碳烟颗粒收集装置由同一电源供电，第一级收 集装置的进风口直接连接发动机的排气管，第一级收集装置的出风口与第二 级消声装置的进风口连接，第二级消声装置的出风口与第三级收集装置的进 风口相连接，第三级收集装置的出风口通入空间。
3、 按权利要求2所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于所述离心静电碳烟颗粒收集装置包括同轴的出气内筒(1)与封闭外筒(2), 出气内筒与封闭外筒之间由陶瓷(7)绝缘，出气内筒(1)上均匀分布有芒 刺起晕电极(3)、与高压电源正极相连，封闭外筒(2)为静电吸附负极、与 高压电源负极相连。
4、 按权利要求3所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在于所述第一级和第三级离心静电碳烟颗粒收集装置的封闭外筒(2)的进风口 切向连通封闭外筒(2)。
5、 按权利要求l所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于碳烟颗粒燃烧装置固定于离心静电碳烟颗粒收集装置下部，包括壳体(4)、 红外发热板(5)、绝缘陶瓷接线柱(6),碳烟颗粒燃烧装置由碳烟颗粒燃烧 控制装置连接控制。
6、 按权利要求l所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于包括单片机，单片机通过接口总线连接存储器集成电路、时钟集成电路、 信号输入处理电路、信号输出控制电路。
7、 按权利要求6所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于信号输入处理电路包括一路模拟输入信号通道和两路数字信号输入通道， 模拟输入信号连接输入一级放大后，输出到二级放大电路，通过滤波电路输 入单片机；两路数字信号输入通道分别检测发动机0N开关信号和发动机OFF 开关信号，经过光电耦合器后，将信号通过接口电路输入到单片机。
8、 按权利要求6所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于信号输出控制电路输入端与单片机通过接口电路输出的控制信号相连，经 光电耦合器，三极管放大电路，连接控制碳烟颗粒燃烧装置的电磁阀开关。
9、 按权利要求l所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在 于碳烟颗粒燃烧控制装置为手动控制装置，手动控制装置接通控制碳烟颗粒 燃烧装置的开关。
10、 按权利要求1所述柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征 在于高压电源输出0 30kv的直流电压，与静电碳烟颗粒收集装置的电源线 相连接。
专利摘要本实用新型公开一种柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，属于柴油机废气排放后处理装置技术领域。其作用是解决现有柴油车排放的碳烟颗粒污染环境的问题。柴油机废气串联三级颗粒收集消声装置，其特征在于包括串联三级颗粒收集、消声装置和碳烟颗粒燃烧装置，碳烟颗粒燃烧装置由碳烟颗粒燃烧控制装置连接控制，串联三级颗粒收集、消声装置连接高压电源。串联三级颗粒收集、消声装置由两个离心静电碳烟颗粒收集装置和一个消声装置串联组成，第一级和第三级为离心静电碳烟颗粒收集装置，第二级为消声装置。本实用新型采用离心和静电吸附原理捕捉颗粒，使用微处理器自动控制碳烟颗粒的燃烧，碳烟颗粒净化效果大大提高，成本低、使用寿命长，并且不增加排气背压，能够大幅度改善发动机性能。
文档编号F01N9/00GK201021631SQ20072001819
公开日2008年2月13日 申请日期2007年2月1日 优先权日2007年2月1日
发明者于京诺, 宋进桂, 梁桂航, 赵万胜 申请人:鲁东大学