招金礦業(yè)股份有限公司 康磊田

基于單片機(jī)控制的金屬礦山井下柴油機(jī)尾氣后處理系統(tǒng)設(shè)計

招金礦業(yè)股份有限公司 康磊田

顆粒物由柴油引擎里燃料的不完全燃燒形成的,為了控制PM,正在尋求在車的排氣系統(tǒng)安裝PM過濾器。過濾器從尾氣中“截獲”PM以防止它擴(kuò)散到空氣中。過一段時間后，PM 過濾器中塞滿了顆粒物。如果這些顆粒物沒被清洗或"再生"，這個清洗或稱再生過程能夠通過主動方式（擁有單片機(jī)機(jī)控制策略）來完成。再生活動是通過燃燒掉捕捉到的PM來完成的。當(dāng)前運行的系統(tǒng)要求要燃燒掉過濾器入口處的PM尾氣的溫度要達(dá)到600攝氏度以上。

單片機(jī)；柴油車引擎；顆粒過濾器；再生

柴油機(jī)具有高熱效率、大功率等特點，有著良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在礦山工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如中深孔臺車、鏟運機(jī)、坑內(nèi)卡車等都是以柴油機(jī)作為動力。雖然柴油機(jī)具有許多優(yōu)點，但是其所排放的尾氣中有害成分較多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（主要是碳煙,還包括油霧、金屬顆粒) 。這些物質(zhì)都是直接危害井下工人體健康的有害物質(zhì)。

該尾氣后處理系統(tǒng)屬于微粒捕集器的再生技術(shù)，控制部分由單片機(jī)完成，能很好的控制再生時機(jī)，再生時間，再生周期，再生策略。

一、PM后處理主要方式

1.PM的生成機(jī)理

柴油機(jī)PM是除去未化合的H2O 以外的所有固態(tài)的碳基顆粒、液態(tài)的燃油與機(jī)油以及無機(jī)物(附聚在碳基顆粒表面上的SO2 ,NO2 ,H2SO3 ,Pb) 等物質(zhì)的總稱。

2.PM的處理措施

微粒捕集器的再生方式可分為“被動”再生和“主動”再生：“被動”方式即為催化再生，是在過濾器載體上浸漬催化劑或在燃油中加入添加劑來降低顆粒的氧化反應(yīng)的活化能，降低碳粒的起燃溫度來實現(xiàn)顆粒過濾器的再生；“主動”再生方式又稱為“熱再生”，即外加能量（熱能）的再生方式，利用外部熱源使積存在過濾體內(nèi)的微粒升溫、自燃，以減少過濾器內(nèi)的微粒PM。

2.1 PM捕集器的構(gòu)造

PM捕集器的過濾材料可以是陶瓷蜂窩載體、陶瓷纖維編織物、金屬蜂窩載體和金屬纖維編織物等，目前應(yīng)用最多的是美國康寧(Coming) 公司和日本NGK公司生產(chǎn)的壁流式蜂窩陶瓷PM 捕集器, 捕集器孔數(shù)為100 , 孔邊長2μm , 壁厚0. 4 mm。這種PM捕集器的壁面是多孔陶瓷,相鄰的兩個通道中,一個通道的出口側(cè)被堵住,而另一通道的進(jìn)口側(cè)也被堵住,這就迫使排氣由入口敞開的通道進(jìn)入,穿過多孔陶瓷壁面進(jìn)入相鄰的出口敞開通道,而PM就被過濾在通道壁面上。這種PM捕集器對碳煙的過濾效率可達(dá)90 %以上。

2.2 PM捕集器的再生

根據(jù)捕集器外加能量的形式可分為：全負(fù)荷再生、噴油助燃再生、電加熱再生、電自加熱再生和微波再生等。隨后又開發(fā)出CRT（連續(xù)再生捕集器）系統(tǒng)、節(jié)流再生、逆向噴氣再生、振動再生等幾種非加熱再生方式。

二、主控制系統(tǒng)設(shè)計

柴油車尾氣凈化系統(tǒng)的基本原理是：發(fā)動機(jī)工作時排出的尾氣經(jīng)過DPF過濾，尾氣中的微粒PM會導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓升高，系統(tǒng)將壓力通過1286芯片將監(jiān)測到的背壓傳給主控制芯片AT89C55, 當(dāng)排氣背壓達(dá)到16～20kPa時，主控制芯片AT89C55控制再生裝置的火花塞、氣泵和油泵開始工作,將DPF中過濾出的碳顆粒燃燒,當(dāng)背壓達(dá)到正常時或者溫度達(dá)到600攝氏度以上。停止燃燒。這樣可以將柴油車尾氣中過濾出的碳顆粒燃燒掉。達(dá)到凈化尾氣的目的。

三、控制系統(tǒng)器件介紹

本系統(tǒng)的控制單元主要元氣件包括：主控制芯片AT89C55；其控制的主要外圍電路有1286壓力芯片，max232 串口通信芯片，單線數(shù)字接口總線的溫度傳感器max6675與 k型熱電偶的溫度檢測電路，記錄時間的時間芯片DS1302即以及存儲壓力與溫度的flash 芯片at89c512電路。點火電路由555電路產(chǎn)生的脈沖控制點火線圈。

3.1 主控制芯片

AT89C55是一種低功耗，高性能帶20K字節(jié)可在線重復(fù)編程的可擦除存儲器（In-System Reprogrammable Flash Memory）高性能CMOS-8位微處理器，主要作用是控制整個系統(tǒng)的再生，通過各個傳感器傳上來的數(shù)據(jù)判斷是否控制其它受控部件動作進(jìn)行再生。是整套系統(tǒng)的核心部件。

3.2 壓力芯片

壓力芯片的主要作用是將DPF的背壓通過壓力傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換后送進(jìn)主控制芯片進(jìn)行處理。當(dāng)系統(tǒng)工作時，不斷地檢測DPF背壓，作為判斷再生的主要依據(jù)。

3.3 串行通訊芯片MAX232

Max232產(chǎn)品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件的主要作用是與計算機(jī)進(jìn)行通信，系統(tǒng)工作時記錄的很多數(shù)據(jù)需要經(jīng)過計算機(jī)處理，再生參數(shù)需要通過計算機(jī)進(jìn)行修改。

3.4 溫度傳感器芯片MAX6675

MAX6675冷端溫度補(bǔ)償、熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器可進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，并將K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。輸出為12位分辨率、SPI兼容、只讀格式。 溫度分辨率為0.25°C，可讀取溫度達(dá)+1024°C，熱電偶在0°C至+700°C溫度范圍內(nèi)精度為8LSB。 采用8引腳SO封裝。這里為降低電源耦合噪聲，在其電源引腳和接地端之前接入了1只容量為0.1μF的電容。

其主要作用是檢測燃燒溫度，有三個溫度傳感器，分別是入口溫度，燃燒溫度，出口溫度，非別位于DPF的入口，燃燒室，出口。用于檢測燃燒狀態(tài)，并適時地修正燃燒條件。

3.5 存儲FLASH芯片

作為一種非易失性存儲器（NVM），一般作為數(shù)據(jù)量不太大的數(shù)據(jù)存儲器。Flash的主要作用是記錄各種標(biāo)志狀態(tài)，程序通過讀取f l ash中的各個單元的內(nèi)容來判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3.6 時鐘芯片DS1302

美國DALLAS公司推出的低功耗時鐘芯片用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析以及對異常數(shù)，據(jù)出現(xiàn)的原因的查找有重要意義。本系統(tǒng)用ds1302來存儲系統(tǒng)運行時間，以及柴油車在運行時的實時時間數(shù)據(jù)。

3. 7 點火電路

圖1 555點火電路

該電路主要產(chǎn)生一個脈沖，送給點火線圈?？刂泣c火。

3.8 電源模塊

LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是線性三端穩(wěn)壓器件（如78xx系列穩(wěn)壓集成電路）的替代品，它具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動能力，從而為MCU的穩(wěn)定、可靠工作提供保證。

四、總結(jié)

中重型柴油機(jī)目前大致上有兩條機(jī)后凈化技術(shù)路線：其一是先通過高壓共軌優(yōu)化燃燒，再使用選擇性催化還原SCR來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的N0X；其二是ECR(廢氣再循環(huán))+DPF(顆粒捕集器)路線，即先通過EGR降低排放中N0X，再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的顆粒物。在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將N0X還原為N和H20。采用這種凈化方案的發(fā)動機(jī)油耗可節(jié)省5%～7%，扣除因使用尿素而增加的費用，還將有節(jié)油2%～3%的優(yōu)勢。

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