CN115405445B

CN115405445B - 一种废气再循环系统前端智能净化装置

Info

Publication number: CN115405445B
Application number: CN202211054685.9A
Authority: CN
Inventors: 李立琳; 秦先锋; 李奕澎; 张红松; 王鑫; 魏金瑜; 任秉航; 黄浩冉
Original assignee: Henan Institute of Engineering
Current assignee: Henan Institute of Engineering
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2042-08-30
Also published as: CN115405445A

Abstract

本发明涉及废气处理的技术领域，尤其是涉及一种废气再循环系统前端智能净化装置。其包括EGR系统以及设置在EGR系统内的净化系统和电控系统，净化系统包括低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器，电控系统包括浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元，低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器依次连接在EGR系统中EGR阀的前端管道上，所述浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元间电性连接。本发明通过设置净化系统以及电控系统，解决了EGR系统、进气管道以及进排气门的腐蚀、积碳、结胶问题。

Description

一种废气再循环系统前端智能净化装置

技术领域

本发明涉及废气处理的技术领域，尤其是涉及一种废气再循环系统前端智能净化装置。

背景技术

随着我国制造业的蓬勃发展，机动车保有量急剧上升，截止到2021年底，我国机动车保有量达3.95亿辆。机动车行业快速发展的同时，所带来的环境问题也日渐严重，机动车排放的尾气是造成大气污染、灰霾、光化学烟雾的重要来源之一，解决机动车尾气排放问题的严重性日益凸显，其中柴油机国六排放标准中对NO_X和PM要求更加苛刻，EGR系统是减少柴油车NO_X排放的重要措施之一。在EGR系统使用过程中，排放污染物中的HC、PM、H2O等物质会导致EGR阀、进气管道以及节气门出现腐蚀、积碳、结胶的问题，长时间使用不仅会给环境带来影响，还会对整车的性能造成影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种废气再循环系统前端智能净化装置，其通过设置净化系统以及电控系统，解决了EGR系统、进气管道以及进排气门的腐蚀、积碳、结胶问题。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种废气再循环系统前端智能净化装置，包括EGR系统以及设置在EGR系统内的净化系统和电控系统，所述净化系统包括低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器，所述电控系统包括浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元，所述浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元间电性连接，所述浓度检测单元包括单片机、灰尘传感器、气体传感器以及LED灯，所述灰尘传感器和气体传感器设置在干燥器和EGR阀之间的管道上，所述气体传感器的尾端连接有回气管路，回气管路的另一端连接在低温等离子体发生器的前端，抽风机设置在回气管路上，LED灯包括红灯和绿灯，所述灰尘传感器、气体传感器、抽风机和LED灯均与单片机电性连接，所述漏电保护单元包括电源处理模块、电压比较模块、断电模块以及报警模块，所述电源处理模块、电压比较模块、断电模块和报警模块均与单片机电性连接，所述电源处理模块包括交流电源V3、变压线圈、整流模块以及稳压模块，所述电压比较模块包括电压比较器U3和滑动变阻器RV1，所述断电模块包括继电器RL1，报警模块包括三极管Q2和蜂鸣报警器，所述低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器依次连接在EGR系统中EGR阀的前端管道上。

优选地，所述低温等离子体发生器包括发生器外壳，分别固定设置在发生器外壳两端的进气盘和出气盘，固定连接在发生器外壳和进气盘之间以及发生器外壳和出气盘之间的激化层，固定设置在激化层和发生器外壳之间的绝缘层，固定设置在发生器外壳内部且将发生器外壳分成上下两部分的隔断层以及沿发生器外壳长度方向固定连接在绝缘层侧壁上的电极丝。

优选地，所述氧化催化器包括壳体、贴着壳体内部固定设置的缓震层、包裹设置在缓震层内部的导电陶瓷蜂窝载体以及填充在导电陶瓷蜂窝载体内的催化剂层。

优选地，所述干燥器包括干燥器外壳、多个过滤网、干燥剂、定位块和定位键，所述定位键开设在干燥器外壳的内侧壁上，多个所述过滤网间隔固定连接在定位块上，所述定位块和多个过滤网均固定设置在干燥器外壳内部且定位块卡设在定位键内，所述过滤网设置为内部中空的双层结构，所述干燥剂填充在过滤网的间隙内。

优选地，所述定位块与干燥器外壳相对应的侧壁上均开设有螺纹孔，定位块通过穿设在螺纹孔内的螺钉与干燥器外壳固定连接，所述过滤网的侧壁上开设有干燥剂更换孔，所述干燥剂更换孔与过滤网内部连通。

优选地，所述闭环控制单元包括连接在净化系统首尾端的旁路支管以及设置在旁路支管上的旁通阀，所述旁通阀与单片机电性连接。

优选地，所述发生器外壳采用递进式结构，由进气盘向出气盘方向侧壁越来越厚，低温等离子体发生器内部的电场强度由弱至强。

优选地，所述过滤网采用尼龙布叠加制成，干燥剂采用颗粒状硅胶干燥剂。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1、通过在EGR阀前端设置低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器，可以有效地对废气中的PM、HC和H2O进行去除，最大去除率为87.62％、88.24％和92.4％。有效缓解了EGR阀、进气管道以及进排气门出现腐蚀、积碳、结胶问题，EGR阀的工作里程延长了25％；

2、通过设置浓度检测单元，可以判断经过净化系统净化后的废气是否达标，并将不达标的废气循环回净化系统再次进行净化，使净化效果更强；同时设置闭环控制单元，在净化系统长时间使用堵塞时，可以使废气从旁路支管中排出，防止气体因堵塞发生爆炸，并且LED灯的红灯闪烁，起到提醒人员进行检修的作用。

附图说明

图1是本发明的安装位置示意图；

图2是本发明的结构框图；

图3是低温等离子体发生器的结构示意图；

图4是低温等离子体发生器选择电源系统具体参数图；

图5是氧化催化器的内部结构示意图；

图6是氧化催化器的剖面结构示意图；

图7是干燥器的结构示意图；

图8是为示出定位块与定位键的配合结构示意图；

图9是电控系统的电路图；

图10是污染物净化结果示意图。

图中，1、发生器外壳；11、进气盘；12、出气盘；13、激化层；14、绝缘层；15、隔断层；16、电极丝；2、壳体；21、缓震层；22、导电陶瓷蜂窝载体；23、催化剂层；3、干燥器外壳；31、定位键；32、定位块；33、螺纹孔；34、过滤网；35、干燥剂；36、干燥剂更换孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

参考图1和图2，为本发明公开的一种废气再循环系统前端智能净化装置，包括EGR系统以及设置在EGR系统内的净化系统和电控系统，EGR系统包括EGR阀，净化系统和电控系统设置在EGR阀的前端。净化系统包括低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器，低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器依次连接在EGR系统中EGR阀的前端管道上。电控系统包括浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元，浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元间电性连接。

参考图3，低温等离子体发生器包括发生器外壳1以及分别固定设置在发生器外壳1两端的进气盘11和出气盘12，废气从进气盘11端进，出气盘12端出。发生器外壳1采用递进式结构，发生器外壳1由普通碳钢制作，由进气盘11向出气盘12方向侧壁越来越厚。在发生器外壳1和进气盘11之间以及发生器外壳1和出气盘12之间的外侧壁上固定设置有激化层13，激化层13由钢丝缠绕制成，通电后可以对废气进行加热，有利于保持废气的温度。在激化层13和发生器外壳1之间固定设置有绝缘层14，可以保障高压电工作环境下装置的安全。在发生器外壳1内部水平固定设置有隔断层15，隔断层15将发生器分成上下两部分。在绝缘层14侧壁上对称固定设置有两根电极丝16，电极丝16沿发生器外壳1的长度方向连接。电极丝16选择0.8mm的钨丝，其具有耐腐蚀、耐高温的特点。通过电晕放电技术，击穿尾气，产生一系列氧化性极强的物质，可以有效清除尾气中的HC化合物、PM污染物。整个低温等离子体发生器内部的电场强度由弱至强，废气不断深入，反应会逐渐增强。另外，低温等离子体去除污染物最佳的电场强度在5-30KV/cm范围内，因此电源系统脉冲电压数值应在10-48KV之内，最有利于去除污染物。选择的电源系统具体的参数如图4所示。

参考图5和图6，氧化催化器包括壳体2、贴着壳体2内部固定设置的缓震层21、在缓震层21内部包裹设置有导电陶瓷蜂窝载体22以及填充在导电陶瓷蜂窝载体22内的催化剂层23。催化剂层23采用稀土钙钛矿型复合氧化物催化剂，催化能力高效，热稳定性好，对氮氧化合物、PM、HC均有催化作用。导电陶瓷蜂窝载体22是将Al₂O₃中掺入导电型的间隙化合物，构成导电陶瓷，再将导电陶瓷和蜂窝载体结合。采用导电陶瓷蜂窝载体22，可以接入电源后短路连接进行直接加热，协同等离子体产生的高能物质，缓解在发动机冷启动或者低工况运行下，工作环境温度低、催化剂活性低的问题，从而减少了有害物质的含量。

参考图7和图8，干燥器包括干燥器外壳3，在干燥器外壳3的内侧壁上沿干燥器外壳3的长度方向上下对称开设有定位键31。在两个定位键31内分别卡设有两个定位块32，定位块32与干燥器外壳3相对应的侧壁上均开设有螺纹孔33，定位块32通过穿设在螺纹孔33内的螺钉与干燥器外壳3固定连接在一起，采用螺钉固定，方便将定位块32拆卸下来。在两个定位块32之间均匀间隔设置有八个过滤网34，过滤网34的侧壁与定位块32一体固定连接。过滤网34采用尼龙布叠加制成，过滤网34设置为内部中空的双层结构，在过滤网34的间隙内填充有干燥剂35，干燥剂35采用颗粒状硅胶干燥剂35。过滤网34的侧壁上开设有干燥剂更换孔36，干燥剂更换孔36与过滤网34内部连通，设置干燥剂更换孔36可以对干燥剂35进行更换。废气流经干燥器时，吸收废气中的水蒸气，减少水蒸气对EGR阀的腐蚀。

采用上述净化系统，基于低温等离子体发生层粒子间的碰撞理论和Mars提出的redox模型，构建了NTP和钙钛矿型氧化物协同净化PM和HC化合物的化学反应动力学模型。通过求解数值模型，得出装置的净化效率。在电晕放电的过程中，新生成了大量的高能电子，其个数的增加会加大不同微粒间的碰撞几率，单次脉冲放电情况下，高能电子的个数和为：

带点的微粒之间的碰撞与中性粒子的碰撞理论较为相似，两者的碰撞截面可表示为：

σ(e)＝π(a₁+a₂)²

式中：a1-第一个粒子半径；a2-第二个粒子半径；σ(e)-电子分子碰撞截面。

在NTP净化污染物的过程中，为了简化模型忽略部分活性分子之间的反应，等离子体中的高能电子与分子的反复碰撞结果近似服从Maxwell-Boltzman分布：

在高能活性粒子与污染物反应的过程中，通常用单位时间内反应物浓度的减少表示化学反应速率常数：

在等离子体发生层中，认为粒子的浓度和空间的位置时独立的。反应物浓度的减少或增加均服从下列方程：

在氧化催化层中，引用Mars提出的redox模型。模型认为，催化剂表面的物质连续不断的还原，同时又被氧气以相当的速度氧化，其速率方程为：

其中：v为当量因子，k_o和k_h为常数，P_o ⁿ和P_h分别为氧气和有机物的分压。

依据上述各式，可建立装置净化污染物的动力学数值模型。根据在装置内部各气体分子的键能，以及柴油机原机各污染物的初始浓度带入，即可求解出不同情况下装置的净化效率。以BS3500LN型号柴油发动机为例，不同工况下，各种污染物的净化结果如图10所示。根据图10可以得出，PM最大的净化效率为87.62％，HC化合物的最大净化效率为88.24％。此外，根据脱水硅胶的性质得出气体中的水蒸气可降低90％左右。基于此装置可有效减缓EGR阀和发动机气门的积碳、结胶问题，整体EGR管道、汽缸的腐蚀问题。以Logistic方程模拟EGR阀的寿命曲线，将污染物带来的影响以方程参数带入计算，得出在满足柴油发动机从启动-满负荷工况的动力及排放要求下，EGR阀的工作里程延长了25％。

参考图1和图9，浓度检测单元包括单片机AT89C51、夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器、MQ-4气体传感器、抽风机以及LED灯。夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器和MQ-4气体传感器设置在干燥器和EGR阀之间的管道上，在MQ-4气体传感器的尾端连接有回气管路，回气管路的另一端连接在低温等离子体发生器的前端，回气管路上设置有抽风机。LED灯包括红灯和绿灯。灰尘传感器、气体传感器、抽风机和LED灯均与单片机电性连接。通过夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器和MQ-4气体传感器检测净化后气体中PM和HC化合物的浓度，并将对应的模拟信号通过AD转换模块转化为数字信号发送给单片机AT89C51，当浓度值达到设定的阈值之后，单片机AT89C51控制红灯长亮，达到报警效果。与此同时，单片机AT89C51控制抽风机工作，使废气重新进入净化系统进行净化，直至浓度达到正常值，关闭抽风机，绿灯长亮。由于夏普GP2Y1010AU0F灰尘传感器和MQ-4气体传感器均为通过电压值的变化反应气体浓度的不同，因此采用滑动变阻器RV2模拟仿真传感器的变化情况。经仿真测试，当RV2的电阻值高于40％时，电压值较小，绿灯D1长亮；当RV2的电阻值低于40％时，气体浓度较高，红灯D2长亮，产生报警。

参考图9，漏电保护单元包括电源处理模块、电压比较模块、断电模块以及报警模块，电源处理模块、电压比较模块、断电模块和报警模块均与单片机电性连接。电源处理模块包括交流电源V3、变压线圈、整流模块以及稳压模块，电压比较模块包括电压比较器U3和滑动变阻器RV1，断电模块包括继电器RL1，报警模块包括三极管Q2和蜂鸣报警器。根据交流电源V3的峰值变化，可以判断电源是否发生漏电。交流电源V3经过变压、整流、稳压处理后连接电压比较器U3。以滑动变阻器RV1的变化来模拟电源的漏电情况，当判断电源漏电后向单片机AT89C51发出相应电信号，并驱动继电器RL1断开和促使三极管Q2导通，以使得电源断开，蜂鸣器鸣响。

参考图1，闭环控制单元包括旁路支管，旁路支管的两端分别连接在净化系统的首尾端。在旁路支管上设置有旁通阀，旁通阀采用电磁阀。旁通阀与单片机AT89C51电性连接。在正常工作条件下，净化系统可以较好地完成净化的任务，但是随着使用时间的增加，部分未完全净化的污染物可能会残留在净化系统内部，不断沉淀造成气体堵塞。因此引出一条旁路支管，当MQ-4气体传感器检测气体浓度接近0时，通过A/D转化为电信号发送至单片机AT89C51，单片机AT89C51驱动旁通阀打开，使气体从旁路支管内流出，与此同时，单片机AT89C51控制LED灯的红灯闪烁，起到提醒人员进行检修的作用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：包括EGR系统以及设置在EGR系统内的净化系统和电控系统，所述净化系统包括低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器，所述电控系统包括浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元，所述浓度检测单元、漏电保护单元和闭环控制单元间电性连接，所述浓度检测单元包括单片机、灰尘传感器、气体传感器以及LED灯，所述灰尘传感器和气体传感器设置在干燥器和EGR阀之间的管道上，所述气体传感器的尾端连接有回气管路，回气管路的另一端连接在低温等离子体发生器的前端，抽风机设置在回气管路上，LED灯包括红灯和绿灯，所述灰尘传感器、气体传感器、抽风机和LED灯均与单片机电性连接，所述漏电保护单元包括电源处理模块、电压比较模块、断电模块以及报警模块，所述电源处理模块、电压比较模块、断电模块和报警模块均与单片机电性连接，所述电源处理模块包括交流电源V3、变压线圈、整流模块以及稳压模块，所述电压比较模块包括电压比较器U3和滑动变阻器RV1，所述断电模块包括继电器RL1，报警模块包括三极管Q2和蜂鸣报警器，所述低温等离子体发生器、氧化催化器和干燥器依次连接在EGR系统中EGR阀的前端管道上。

2.根据权利要求1所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述低温等离子体发生器包括发生器外壳(1)，分别固定设置在发生器外壳(1)两端的进气盘(11)和出气盘(12)，固定连接在发生器外壳(1)和进气盘(11)之间以及发生器外壳(1)和出气盘(12)之间的激化层(13)，激化层(13)由钢丝缠绕制成，通电后可以对废气进行加热，固定设置在激化层(13)和发生器外壳(1)之间的绝缘层(14)，固定设置在发生器外壳(1)内部且将发生器外壳(1)分成上下两部分的隔断层(15)以及沿发生器外壳(1)长度方向固定连接在绝缘层(14)侧壁上的电极丝(16)。

3.根据权利要求1所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述氧化催化器包括壳体(2)、贴着壳体(2)内部固定设置的缓震层(21)、包裹设置在缓震层(21)内部的导电陶瓷蜂窝载体(22)以及填充在导电陶瓷蜂窝载体(22)内的催化剂层(23)。

4.根据权利要求1所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述干燥器包括干燥器外壳(3)、多个过滤网(34)、干燥剂(35)、定位块(32)和定位键(31)，所述定位键(31)开设在干燥器外壳(3)的内侧壁上，多个所述过滤网(34)间隔固定连接在定位块(32)上，所述定位块(32)和多个过滤网(34)均固定设置在干燥器外壳(3)内部且定位块(32)卡设在定位键(31)内，所述过滤网(34)设置为内部中空的双层结构，所述干燥剂(35)填充在过滤网(34)的间隙内。

5.根据权利要求4所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述定位块(32)与干燥器外壳(3)相对应的侧壁上均开设有螺纹孔(33)，定位块(32)通过穿设在螺纹孔(33)内的螺钉与干燥器外壳(3)固定连接，所述过滤网(34)的侧壁上开设有干燥剂更换孔(36)，所述干燥剂更换孔(36)与过滤网(34)内部连通。

6.根据权利要求1所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述闭环控制单元包括连接在净化系统首尾端的旁路支管以及设置在旁路支管上的旁通阀，所述旁通阀与单片机电性连接。

7.根据权利要求2所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述发生器外壳(1)采用递进式结构，由进气盘(11)向出气盘(12)方向侧壁越来越厚，低温等离子体发生器内部的电场强度由弱至强。

8.根据权利要求5所述的一种废气再循环系统前端智能净化装置，其特征在于：所述过滤网(34)采用尼龙布叠加制成，干燥剂(35)采用颗粒状硅胶干燥剂。