基于單片機控制的金屬礦山井下柴油機尾氣后處理系統設計

招金礦業股份有限公司 康磊田

基于單片機控制的金屬礦山井下柴油機尾氣后處理系統設計

招金礦業股份有限公司 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安裝PM過濾器。過濾器從尾氣中“截獲”PM以防止它擴散到空氣中。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（擁有單片機機控制策略）來完成。再生活動是通過燃燒掉捕捉到的PM來完成的。當前運行的系統要求要燃燒掉過濾器入口處的PM尾氣的溫度要達到600攝氏度以上。

單片機；柴油車引擎；顆粒過濾器；再生

柴油機具有高熱效率、大功率等特點，有著良好的經濟性和可靠性，在礦山工程機械領域得到了廣泛的應用，如中深孔臺車、鏟運機、坑內卡車等都是以柴油機作為動力。雖然柴油機具有許多優點，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) 。這些物質都是直接危害井下工人體健康的有害物質。

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

一、PM后處理主要方式

1.PM的生成機理

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

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的活化能，降低碳粒的起燃溫度來實現顆粒過濾器的再生；“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的微粒升溫、自燃，以減少過濾器內的微粒PM。

2.1 PM捕集器的構造

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，目前應用最多的是美國康寧(Coming) 公司和日本NGK公司生產的壁流式蜂窩陶瓷PM 捕集器, 捕集器孔數為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,一個通道的出口側被堵住,而另一通道的進口側也被堵住,這就迫使排氣由入口敞開的通道進入,穿過多孔陶瓷壁面進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90 %以上。

2.2 PM捕集器的再生

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

二、主控制系統設計

柴油車尾氣凈化系統的基本原理是：發動機工作時排出的尾氣經過DPF過濾，尾氣中的微粒PM會導致柴油機排氣背壓升高，系統將壓力通過1286芯片將監測到的背壓傳給主控制芯片AT89C55, 當排氣背壓達到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,當背壓達到正常時或者溫度達到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。達到凈化尾氣的目的。

三、控制系統器件介紹

本系統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字節可在線重復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的再生，通過各個傳感器傳上來的數據判斷是否控制其它受控部件動作進行再生。是整套系統的核心部件。

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轉換后送進主控制芯片進行處理。當系統工作時，不斷地檢測DPF背壓，作為判斷再生的主要依據。

3.3 串行通訊芯片MAX232

Max232產品是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標準的芯片。該器件的主要作用是與計算機進行通信，系統工作時記錄的很多數據需要經過計算機處理，再生參數需要通過計算機進行修改。

3.4 溫度傳感器芯片MAX6675

MAX6675冷端溫度補償、熱電偶數字轉換器可進行冷端溫度補償，并將K型熱電偶信號轉換成數字信號。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+1024°C，熱電偶在0°C至+700°C溫度范圍內精度為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，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），一般作為數據量不太大的數據存儲器。Flash的主要作用是記錄各種標志狀態，程序通過讀取f l ash中的各個單元的內容來判斷系統的工作狀態。

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據記錄，特別是對某些具有特殊意義的數據點的記錄上，能實現數據與出現該數據的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續測控系統結果的分析以及對異常數，據出現的原因的查找有重要意義。本系統用ds1302來存儲系統運行時間，以及柴油車在運行時的實時時間數據。

3. 7 點火電路

圖1 555點火電路

該電路主要產生一個脈沖，送給點火線圈。控制點火。

3.8 電源模塊

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

四、總結

中重型柴油機目前大致上有兩條機后凈化技術路線：其一是先通過高壓共軌優化燃燒，再使用選擇性催化還原SCR來降低因燃燒優化而產生的N0X；其二是ECR(廢氣再循環)+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，將N0X還原為N和H20。采用這種凈化方案的發動機油耗可節省5%～7%，扣除因使用尿素而增加的費用，還將有節油2%～3%的優勢。

[1]周龍保．內燃機學[M]．北京:機械工業出版社,1994年第一版．

[2]李勤．現代內燃機排氣污染物的測量與控制[M]．機械工業出版社,1998:121．

[3]李興虎．汽車排氣污染與控制[M]．北京:機械工業出版社, 1999(第一版)．