CN2663664Y

CN2663664Y - 组合式发动机尾气微波处理器

Info

Publication number: CN2663664Y
Application number: CN 03251825
Authority: CN
Inventors: 韩炜; 许静; 龚依民; 徐玉书; 黄光寰; 陈岳; 黄惠军; 李刚; 徐鹏
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2013-07-28

Abstract

本实用新型涉及一种应用多个微波源的组合式发动机尾气处理器，由具有出气口及进气口的谐振腔、安装在腔内的陶瓷载体、产生2450MHz微波的2个以上的磁控管组成，磁控管通过磁控管安装座安装在谐振腔上，安装座由磁控管定座、微波激励腔组成，微波激励腔密闭安装在谐振腔上以保证微波不泄露，其朝向谐振腔的一侧开有耦合口，另一侧开有磁控管发射天线接入口，2450MHz的微波经耦合口导入微波谐振腔内，磁控管通过磁控管定座安装在安装座上。磁控管安装座可为圆形座，亦可为方形座。多个微波源的磁控管由同一电路提供脉动直流电，共同作用使微波处理器完成对尾气中有害气体及炭烟微粒的处理，从而达到尾气处理效果好、清洁排放的目的。

Description

组合式发动机尾气微波处理器

技术领域

本实用新型涉及一种发动机尾气处理器，具体涉及一种应用多个微波源的组合式发动机尾气处理器。

背景技术

柴油机问世以来凭借其良好的动力性、经济性和耐久性广泛的应用于各种动力装置，如汽车、船舶和发电机等。特别是自20世纪90年代以来全球柴油车的数量迅速增加，我国柴油车在20世纪80年代中期以后发展的势头也非常迅猛。但是由于柴油机尾气排放对空气造成的污染越来越严重，柴油机的发展受到很大的限制。柴油机尾气中受排放法规控制的污染物成分主要是CO、HC、NO_x(这里主要包括NO、NO₂、N₂O₄和N₂O等)和炭烟微粒(PM)等，其中NO_x是一种危害较大、又不易被除掉的有毒气体。现有的柴油机排气控制对策技术包含发动机技术、后处理技术和燃油技术等三个方面的内容。所谓发动机技术是指改善燃烧，抑制NO_x和PM生成的技术。后处理技术是指将发动机排放物质在进入大气前进行处理、进一步减少NO_x和PM污染物排放的技术，后处理技术主要有四种：氧化催化剂技术、微粒捕集器(或微粒物过滤器)技术、NO_x催化剂技术、微粒物和NO_x同时净化技术。目前广泛应用的贵重金属“三效”催化剂技术，通常是使用铂、钯和铑金属的组合，能同时将柴油机尾气中的NO_x、CO和HC催化使其在最终排入大气时转换为N₂、CO和H₂O，对于净化柴油机尾气中的CO、HC和NO_x有着很好的效果，已经成为当今柴油机特别是汽车排气净化催化剂的主流。所谓燃油技术是指改进车用柴油质量规格，如十六烷值、蒸馏性态、密度、硫含量、芳烃量等，以减少NO_x和PM的排放。

将柴油机或汽油机产生的尾气导入一应用微波处理技术的谐振腔内，在处理器内安装有陶瓷载体，在载体的表面担载有贵重金属的催化剂，在载体催化剂及微波的共同作用下，尾气中各种气体NO_x、CO和HC可以在最终排入大气时转换为N₂、CO和H₂O；柴油机排出尾气中含有的大量的炭烟微粒，在经过陶瓷载体时吸附在载体上，众所周知炭粒是微波的强吸收物质，从而炭粒可以吸收微波能量而达到起燃温度，进而燃烧掉。通过对比试验表明，贵重金属催化剂可以有效地降低炭粒燃烧时的起燃点。在谐振腔内，当载体上不使用任何催化剂时，炭粒起燃温度需要600度左右，当使用铂、铑、钯等贵重金属催化剂时，炭粒的起燃温度是370度左右。通过附加有微波源的微波谐振腔可以有效地解决尾气净化过程中，炭粒起燃温度低的缺点，从而对柴油机和汽油机尾气进行有效处理，达到清洁排放的环保要求。

如图1所示，就是现有技术中常见的一种汽车尾气微波处理器：由具有出气口8及进气口1的谐振腔3、安装在谐振腔3内的陶瓷载体5、产生2450MHz微波的磁控管7、波导管6组成。

在进气口1和出气口8间设有谐振腔3，由图3所示的驱动电路产生的高压脉动直流电供给磁控管7，磁控管7产生2450MHz的微波经波导管6进入谐振腔，微波功率为500-1000瓦。谐振腔的进、出气口尺寸无限制，谐振腔体材料为不锈钢或其他金属材料，壁厚2mm到4mm，长度应为微波波长2450Hz的1/4倍，波导管长度无限制。

图2所示为谐振腔内的陶瓷载体，图2(a)为壁流式载体结构，图2(b)为泡沫载体结构。在陶瓷载体5的表面载有贵重金属催化剂，在陶瓷载体与谐振腔内壁间可设有固定填充物4，固定填充物4起到减振及固定陶瓷载体的作用，减振及固定装置为不吸收微波的物质，如泡沫等。

如图3所示，是为微波处理器磁控管提供脉动直流电的驱动电路，其由车载电瓶供电，供电原理参见中国专利，公告号：CN2474733Y，公告日：2002-1-30。

但现有技术又面临如下问题：1、由于微波源是通过波导管的方式耦合进入谐振腔内的，因而不可避免地会造成微波能量的损失，导致微波能量利用效率的降低；2、采用单个微波源为谐振腔提供频率为2450MHz的微波，由于发动机的工况不同，可能导致单个磁控管的微波功率不足从而对汽车尾气不能够达到良好的处理效果；3、为对谐振腔内汽车尾气进行处理，需要微波源长时间地持续工作，这样会使微波源的寿命降低，从而使尾气处理成本增高；4、由于微波采用波导管方式导入谐振腔内，会使微波处理器的体积变大，安装不方便；5、炭粒起燃需要较高的温度和快的起燃过程，单个微波源由于功率不足，使得起燃过程需要很长的时间。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种应用多个微波源的组合式发动机尾气微波处理器，多个微波源的磁控管由同一电路提供脉动直流电，在以单片机为核心的供电电路的控制下，多个微波源协同工作，共同作用使微波处理器完成对尾气中有害气体及炭烟微粒的处理，从而达到尾气处理效果好、清洁排放的目的。

已有的几种发动机尾气微波处理器，都是通过波导管或同轴电缆的方式把微波导入微波腔(金属外壳)中。其结构复杂，且微波经过波导管或同轴电缆会产生损耗，将一部分微波功率都消耗在外部装置上，这对于有限的车载电源是一个浪费。本实用新型使用了微波磁控管座与微波腔(金属外壳)的直接耦合方式，解决了上述方法所产生的问题。且可以同时使用两个以上的微波源，使尾气中有害气体及炭烟颗粒的处理效率大幅提高。

本实用新型所述组合式发动机尾气微波处理器由具有出气口及进气口的谐振腔、安装在谐振腔内的陶瓷载体、产生2450MHz微波的2个以上的磁控管组成，磁控管通过磁控管安装座安装在谐振腔上，安装座由磁控管定座、微波激励腔组成，微波激励腔密闭安装在谐振腔上以保证微波不泄露，其朝向谐振腔的一侧开有耦合口，另一侧开有磁控管发射天线接入口，2450MHz的微波经耦合口导入微波谐振腔内，磁控管定座与微波激励腔为一体结构，磁控管通过磁控管定座安装在安装座上。磁控管安装座可为圆形座，亦可为方形座。

本实用新型的组合式微波处理器安装有2个以上的微波源，微波源可以安装在进气口上，也可在安装在出气口上，或谐振腔的任何位置处，其理想的安装位置是在谐振腔的侧臂上。耦合口的方向和大小既可以排除多个微波磁控管之间的干扰，又可以在微波腔(金属外壳)激励出多种模式。由于磁控管之间存在差异，致使多个磁控管产生的微波频率有微小差异，这样由多个磁控管产生的微波在谐振腔内就不会产生干涉，因此就排除了磁控管之间的干扰情况。

本实用新型所述多个微波源的供电电路如图4所示，由单片机程序进行控制，根据汽车工况(汽车是否启动，发动机转速等)对多个微波源的工作状态如输出功率等进行协调，达到发动机尾气节能处理、清洁燃烧的环保要求。

电路具体说明如下：具有4个开关量(转速、汽车启动等开关量)和4个模拟量(温度、过滤体内的背压等模拟量)的输入，通过对各个开关量和模拟量的计算和分析可以得到汽车的工况，从而给出相应的控制量来控制多达4个磁控管，来对功率进行最合理的分配。具有汽车常用的CAN总线接口以及能和微机方便连接的RS-232接口。CAN总线接口方便采集和共享汽车上的数据参数，并将信息及时反馈到CAN总线上；RS-232接口还可以方便地将信息传递到PC机上；U4是控制ECU，为具有CAN接口、USART、A/D的高性能8位单片机，Y1、C4和C5组成振荡电路。

功率输出驱动：

U5是驱动电路，完成功率驱动和电平变换

C1、C2、D1、D2完成电平变换

U1是驱动和反向器

功率输出：

Q1、Q2、Q3和Q4是IR^公司的低导通电阻(10毫欧姆)大功率MOS-FET功率输出管，将驱动信号加以放大满足输出功率的要求。具有很高的开关速度(100nS)，很小的开关损耗，这就使得整个电源的效率很高，本身发热小，对提高可靠性非常有利。

功率输出分配控制：

控制磁控管的开关，ECU对所得到的各种参数进行判断，得出目前的车况，然后通过功率输出分配控制磁控管的开关，其中S1、S2、S3和S4是固态继电器，可以带动4个磁控管，并根据控制要求可以对4个磁控管的导通进行控制通过变压器接磁控管的灯丝和高压(可接4个磁控管)

电源变换：

车用电平一般提供24伏的电压，电源变换就是将车用24伏的电压转换为此控制电路需要的5伏电压。D3为防止电源接反的保护二极管，DC1为高效DC/DC模块。

CAN总线驱动：

CAN总线是汽车上常用地主要数据传输线，传输汽车各部分的数据参数，我们可以从中截取我们需要的参数量。U1为CAN总线驱动模块，R1、R2和D1、D2为CAN总线保护二极管和电阻，R5为CAN总线匹配电阻。

显示及驱动：

主要时用发光二极管来显示当前的运行状态，是为了调试方便。在正式的产品中也可以考虑不使用此部分，其余各部分都是在完成多源功率输出、协调、工作状态控制必不可少的结构单元。比如电源的开关，磁控管的工作与否及正在工作的磁控管的数量。电路板上具有简单显示系统，方便进行调试和检测LED6、LED7、LED8、LED9为显示状态的LED，U2为驱动电路。

串口驱动：

和计算机之间的接口，可以实现和计算机之间的联机，通过和计算机之间的联机，我们可以对此电路进行测试，并且在不接入其他测量传感器时，用计算机模拟各个测量模拟量的输入，这样就可以对电路在未实际应用时进行测试。U3为串口驱动电路C8、C9、C10、C11为电平变换用电容

开关量输入：

如转速、启动等开关量的输入。转速为一个方波脉冲串，电压幅度最大为5伏，最小为0伏，单片机根据脉冲幅度的变化周期，可以精确地计算出转速；启动信号由一个开关给出，高电压表示系统启动，并开始工作；低电压表示系统停止工作。由发动机的点火钥匙控制。单片机通过检测到的电压的不同，可以知道系统是否要求启动还是停止。

ICSP控制：

对单片机进行在线串行编程(ICSP)的接口。

单片机控制流程(以下各项数据仅在于说明工作过程，而不是对实用新型的限制)：

当开关量输入时，如汽车启动开关量，当汽车启动时，单片机的21脚将会有一个高电压，此时单片机将会通过功率输出驱动、功率输出、输出分配控制来控制磁控管进入单源工作模式状态，同时单片机通过模拟量输入收集到过滤体内的温度和背压参数，然后单片机对其进行分析，得出过滤体内炭粒的含量是否在许可范围内，如果在许可范围内，单片机控制磁控管继续工作在单源工作模式下，如果不在许可范围内，但当模拟量输入中过滤体中的温度超出了370℃(即在催化剂的作用下炭粒的燃烧点)，此时工作模式仍为单源工作模式，但当过滤体中的温度未达到370℃时，单片机将控制磁控管由单源工作模式转换到多源工作模式下，在多源模式下通常要有多个磁控管(一般是2个)同时工作，汽车熄火时，单片机停止工作。磁控管也停止工作。

由程序控制的组合式微波处理器的多个微波源其工作过程举例说明如下：在汽车启动后，单片机收集所需数据分析得出微波处理器的工作模式，如得出过滤载体中的炭粒含量在许可范围内，也就是让微波只参与处理发动机尾气，微波处理器将马上工作在单源模式状态，即单片机将控制一个磁控管工作20分钟，20分钟后由另一个磁控管代替这个磁控管工作，仍工作20分钟，让所有磁控管交替工作，这样既能够使微波充分起到处理发动机尾气的作用，而且交替工作会减少单个磁控管长时间工作对磁控管本身的损害，延长了单个磁控管的工作寿命。如果单片机收集所需的数据经分析后得出过滤载体中的炭粒含量已经超出许可范围且过滤载体的温度大于370℃时(在载体上催化剂的作用下，370℃时炭粒已能够燃烧)，这时磁控管仍将工作在单源工作模式，只有当炭粒含量超出许可范围且过滤载体的温度小于370℃时，这时单片机将控制磁控管进入多源工作模式，通常都是让2个磁控管同时工作15分钟，然后由另外2个磁控管代替它们再工作15分钟，在磁控管处于多源工作模式时，单片机将实时的采集数据并分析数据，当过滤载体中的炭粒含量下降到许可范围内时，单片机将控制磁控管由多源工作模式转换为单源工作模式；同理，在磁控管工作在单源工作模式时，单片机也将实时的采集数据和分析数据，当过滤载体中的炭粒含量超出许可范围且过滤载体的温度小于370℃时，单片机将控制磁控管由单源工作模式转换为多源工作模式。为达到对发动机尾气中有害气体的控制，通过实验表明微波功率达到700瓦就可以使发动机的尾气排放达到欧IV标准。当汽车启动后，汽车发电机将对车载电瓶充电，电瓶能够提供充足的电量满足工作在多源模式的磁控管的需要。实验表明，2个磁控管在载体的基础温度为常温时，10分钟内可以使载体内的炭粒燃烧。

对单个磁控管和多个磁控管分别进行实验，实验数据如下图：

由实验数据可以得到，多个磁控管的效果要比单个磁控管的效果好得多，当处理器对过滤体内的炭粒进行处理时，应选择用多个磁控管同时工作。

附图说明

图1：现有技术的微波尾气处理器；

图2(a)：壁流式载体结构的微波尾气处理器；

图2(b)：泡沫载体结构的微波尾气处理器；

图3：为微波处理器磁控管理提供脉动直流电的驱动电路；

图4：本实用新型所述的为多个磁控管提供电源的电路；

图5：电路单片机工作流程图；

图6：本实用新型所述带有多源的组合式微波处理器示意图；

图7：方形磁控管安装座；

其中(a)为俯视图；(b)为A-A剖视图；(c)为左视图；

图8：圆形磁控管安装座；

其中(a)为俯视图；(b)为A-A剖视图；(c)为左视图；

如图1所示，其中各部件名称为：进气口1、出气口8、谐振腔3、陶瓷载体5、磁控管7、波导管6、固定填充物4；

如图6所示，其中各部件名称为：磁控管安装座2，其余同图1；

如图7、图8所示，其中各部件名称为磁控管定座21、微波激励腔22、耦合口23、磁控管发射天线接入口24。

具体实施方式

做为本实用新型的一种具体实施方式，参见附图6，是带有两个微波源的组合式发动机尾气微波处理器。其由具有出气口8及进气口1的谐振腔3、安装在谐振腔内的陶瓷载体5、2个能够产生2450MHz微波的磁控管7组成。磁控管7通过磁控管安装座2安装在谐振腔3上，安装座2由磁控管定座21、微波激励腔22组成，微波激励腔22密闭安装在谐振腔3上以保证微波不泄露，其朝向谐振腔3的一侧开有耦合口23，另一侧开有磁控管发射天线接入口24，2450MHz的微波经耦合口23导入微波谐振腔内，磁控管定座21与微波激励腔22为一体结构，磁控管7通过磁控管定座21安装在安装座2上。磁控管安装座2可为圆形座，亦可为方形座，如附图7及附图8所示。

本实施例的2个微波源安装在出气口8一侧的谐振腔侧臂上，耦合口的方向和大小既可以排除2个微波磁控管之间的干扰，又可以在微波腔(金属外壳)内激励出多种模式。由于2个磁控管之间存在差异，致使2个磁控管产生的微波频率有微小差异，这样由2个磁控管产生的微波在谐振腔内就不会产生干涉，因此就排除了磁控管之间的干扰情况。两个磁控管由附图4所示的电路供电，供电过程及原理如本专利前面内容所述。

实验表明，2个磁控管在载体的基础温度为常温时，10分钟内可以使载体内的炭粒燃烧，由此可见2个磁控管比单个磁控管的工作模式具有较好的效率。

Claims

1、组合式发动机尾气微波处理器，由具有出气口(8)、进气口(1)的谐振腔(3)、安装在谐振腔(3)内的陶瓷载体(5)、产生2450MHz微波的磁控管(7)组成，其特征在于：磁控管(7)通过磁控管安装座(2)安装在谐振腔(3)上，安装座(2)由磁控管定座(21)、微波激励腔(22)组成，微波激励腔(22)密闭安装在谐振腔(3)上，其朝向谐振腔(3)的一侧开有耦合口(23)，另一侧开有磁控管发射天线接入口(24)，2450MHz的微波经耦合口(23)导入微波谐振腔(3)内，磁控管定座(21)与微波激励腔(22)为一体结构，磁控管(7)通过磁控管定座(21)安装在安装座(2)上，磁控管为2个以上。

2、一种如权利要求1所述的组合式发动机尾气微波处理器，其特征在于：磁控管安装座(2)可为圆形座，亦可为方形座。

3、一种如权利要求1或2所述的组合式发动机尾气微波处理器，其特征在于：2个以上的磁控管(7)由同一电路经车载电平供电。