專利名稱：組合式發(fā)動機尾氣微波處理器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發(fā)動機尾氣處理器，具體涉及一種應用多個微波源的組合式發(fā)動機尾氣處理器。
背景技術：
柴油機問世以來憑借其良好的動力性、經(jīng)濟性和耐久性廣泛的應用于各種動力裝置，如汽車、船舶和發(fā)電機等。特別是自20世紀90年代以來全球柴油車的數(shù)量迅速增加，我國柴油車在20世紀80年代中期以后發(fā)展的勢頭也非常迅猛。但是由于柴油機尾氣排放對空氣造成的污染越來越嚴重，柴油機的發(fā)展受到很大的限制。柴油機尾氣中受排放法規(guī)控制的污染物成分主要是CO、HC、NOx(這里主要包括NO、NO2、N2O4和N2O等)和炭煙微粒(PM)等，其中NOx是一種危害較大、又不易被除掉的有毒氣體?，F(xiàn)有的柴油機排氣控制對策技術包含發(fā)動機技術、后處理技術和燃油技術等三個方面的內容。所謂發(fā)動機技術是指改善燃燒，抑制NOx和PM生成的技術。后處理技術是指將發(fā)動機排放物質在進入大氣前進行處理、進一步減少NOx和PM污染物排放的技術，后處理技術主要有四種氧化催化劑技術、微粒捕集器(或微粒物過濾器)技術、NOx催化劑技術、微粒物和NOx同時凈化技術。目前廣泛應用的貴重金屬“三效”催化劑技術，通常是使用鉑、鈀和銠金屬的組合，能同時將柴油機尾氣中的NOx、CO和HC催化使其在最終排入大氣時轉換為N2、CO和H2O，對于凈化柴油機尾氣中的CO、HC和NOx有著很好的效果，已經(jīng)成為當今柴油機特別是汽車排氣凈化催化劑的主流。所謂燃油技術是指改進車用柴油質量規(guī)格，如十六烷值、蒸餾性態(tài)、密度、硫含量、芳烴量等，以減少NOx和PM的排放。
將柴油機或汽油機產(chǎn)生的尾氣導入一應用微波處理技術的諧振腔內，在處理器內安裝有陶瓷載體，在載體的表面擔載有貴重金屬的催化劑，在載體催化劑及微波的共同作用下，尾氣中各種氣體NOx、CO和HC可以在最終排入大氣時轉換為N2、CO和H2O；柴油機排出尾氣中含有的大量的炭煙微粒，在經(jīng)過陶瓷載體時吸附在載體上，眾所周知炭粒是微波的強吸收物質，從而炭?？梢晕瘴⒉芰慷_到起燃溫度，進而燃燒掉。通過對比試驗表明，貴重金屬催化劑可以有效地降低炭粒燃燒時的起燃點。在諧振腔內，當載體上不使用任何催化劑時，炭粒起燃溫度需要600度左右，當使用鉑、銠、鈀等貴重金屬催化劑時，炭粒的起燃溫度是370度左右。通過附加有微波源的微波諧振腔可以有效地解決尾氣凈化過程中，炭粒起燃溫度低的缺點，從而對柴油機和汽油機尾氣進行有效處理，達到清潔排放的環(huán)保要求。
如圖1所示，就是現(xiàn)有技術中常見的一種汽車尾氣微波處理器由具有出氣口8及進氣口1的諧振腔3、安裝在諧振腔3內的陶瓷載體5、產(chǎn)生2450MHz微波的磁控管7、波導管6組成。
在進氣口1和出氣口8間設有諧振腔3，由圖3所示的驅動電路產(chǎn)生的高壓脈動直流電供給磁控管7，磁控管7產(chǎn)生2450MHz的微波經(jīng)波導管6進入諧振腔，微波功率為500-1000瓦。諧振腔的進、出氣口尺寸無限制，諧振腔體材料為不銹鋼或其他金屬材料，壁厚2mm到4mm，長度應為微波波長2450Hz的1/4倍，波導管長度無限制。
圖2所示為諧振腔內的陶瓷載體，圖2(a)為壁流式載體結構，圖2(b)為泡沫載體結構。在陶瓷載體5的表面載有貴重金屬催化劑，在陶瓷載體與諧振腔內壁間可設有固定填充物4，固定填充物4起到減振及固定陶瓷載體的作用，減振及固定裝置為不吸收微波的物質，如泡沫等。
如圖3所示，是為微波處理器磁控管提供脈動直流電的驅動電路，其由車載電瓶供電，供電原理參見中國專利，公告號CN2474733Y，公告日2002-1-30。
但現(xiàn)有技術又面臨如下問題1、由于微波源是通過波導管的方式耦合進入諧振腔內的，因而不可避免地會造成微波能量的損失，導致微波能量利用效率的降低；2、采用單個微波源為諧振腔提供頻率為2450MHz的微波，由于發(fā)動機的工況不同，可能導致單個磁控管的微波功率不足從而對汽車尾氣不能夠達到良好的處理效果；3、為對諧振腔內汽車尾氣進行處理，需要微波源長時間地持續(xù)工作，這樣會使微波源的壽命降低，從而使尾氣處理成本增高；4、由于微波采用波導管方式導入諧振腔內，會使微波處理器的體積變大，安裝不方便；5、炭粒起燃需要較高的溫度和快的起燃過程，單個微波源由于功率不足，使得起燃過程需要很長的時間。
實用新型內容本實用新型的目的就是提供一種應用多個微波源的組合式發(fā)動機尾氣微波處理器，多個微波源的磁控管由同一電路提供脈動直流電，在以單片機為核心的供電電路的控制下，多個微波源協(xié)同工作，共同作用使微波處理器完成對尾氣中有害氣體及炭煙微粒的處理，從而達到尾氣處理效果好、清潔排放的目的。
已有的幾種發(fā)動機尾氣微波處理器，都是通過波導管或同軸電纜的方式把微波導入微波腔(金屬外殼)中。其結構復雜，且微波經(jīng)過波導管或同軸電纜會產(chǎn)生損耗，將一部分微波功率都消耗在外部裝置上，這對于有限的車載電源是一個浪費。本實用新型使用了微波磁控管座與微波腔(金屬外殼)的直接耦合方式，解決了上述方法所產(chǎn)生的問題。且可以同時使用兩個以上的微波源，使尾氣中有害氣體及炭煙顆粒的處理效率大幅提高。
本實用新型所述組合式發(fā)動機尾氣微波處理器由具有出氣口及進氣口的諧振腔、安裝在諧振腔內的陶瓷載體、產(chǎn)生2450MHz微波的2個以上的磁控管組成，磁控管通過磁控管安裝座安裝在諧振腔上，安裝座由磁控管定座、微波激勵腔組成，微波激勵腔密閉安裝在諧振腔上以保證微波不泄露，其朝向諧振腔的一側開有耦合口，另一側開有磁控管發(fā)射天線接入口，2450MHz的微波經(jīng)耦合口導入微波諧振腔內，磁控管定座與微波激勵腔為一體結構，磁控管通過磁控管定座安裝在安裝座上。磁控管安裝座可為圓形座，亦可為方形座。
本實用新型的組合式微波處理器安裝有2個以上的微波源，微波源可以安裝在進氣口上，也可在安裝在出氣口上，或諧振腔的任何位置處，其理想的安裝位置是在諧振腔的側臂上。耦合口的方向和大小既可以排除多個微波磁控管之間的干擾，又可以在微波腔(金屬外殼)激勵出多種模式。由于磁控管之間存在差異，致使多個磁控管產(chǎn)生的微波頻率有微小差異，這樣由多個磁控管產(chǎn)生的微波在諧振腔內就不會產(chǎn)生干涉，因此就排除了磁控管之間的干擾情況。
本實用新型所述多個微波源的供電電路如圖4所示，由單片機程序進行控制，根據(jù)汽車工況(汽車是否啟動，發(fā)動機轉速等)對多個微波源的工作狀態(tài)如輸出功率等進行協(xié)調，達到發(fā)動機尾氣節(jié)能處理、清潔燃燒的環(huán)保要求。
電路具體說明如下具有4個開關量(轉速、汽車啟動等開關量)和4個模擬量(溫度、過濾體內的背壓等模擬量)的輸入，通過對各個開關量和模擬量的計算和分析可以得到汽車的工況，從而給出相應的控制量來控制多達4個磁控管，來對功率進行最合理的分配。具有汽車常用的CAN總線接口以及能和微機方便連接的RS-232接口。CAN總線接口方便采集和共享汽車上的數(shù)據(jù)參數(shù)，并將信息及時反饋到CAN總線上；RS-232接口還可以方便地將信息傳遞到PC機上；U4是控制ECU，為具有CAN接口、USART、A/D的高性能8位單片機，Y1、C4和C5組成振蕩電路。
功率輸出驅動U5是驅動電路，完成功率驅動和電平變換C1、C2、D1、D2完成電平變換U1是驅動和反向器功率輸出Q1、Q2、Q3和Q4是IR公司的低導通電阻(10毫歐姆)大功率MOS-FET功率輸出管，將驅動信號加以放大滿足輸出功率的要求。具有很高的開關速度(100nS)，很小的開關損耗，這就使得整個電源的效率很高，本身發(fā)熱小，對提高可靠性非常有利。
功率輸出分配控制控制磁控管的開關，ECU對所得到的各種參數(shù)進行判斷，得出目前的車況，然后通過功率輸出分配控制磁控管的開關，其中S1、S2、S3和S4是固態(tài)繼電器，可以帶動4個磁控管，并根據(jù)控制要求可以對4個磁控管的導通進行控制通過變壓器接磁控管的燈絲和高壓(可接4個磁控管)電源變換車用電平一般提供24伏的電壓，電源變換就是將車用24伏的電壓轉換為此控制電路需要的5伏電壓。D3為防止電源接反的保護二極管，DC1為高效DC/DC模塊。
CAN總線驅動CAN總線是汽車上常用地主要數(shù)據(jù)傳輸線，傳輸汽車各部分的數(shù)據(jù)參數(shù)，我們可以從中截取我們需要的參數(shù)量。U1為CAN總線驅動模塊，R1、R2和D1、D2為CAN總線保護二極管和電阻，R5為CAN總線匹配電阻。
顯示及驅動主要時用發(fā)光二極管來顯示當前的運行狀態(tài)，是為了調試方便。在正式的產(chǎn)品中也可以考慮不使用此部分，其余各部分都是在完成多源功率輸出、協(xié)調、工作狀態(tài)控制必不可少的結構單元。比如電源的開關，磁控管的工作與否及正在工作的磁控管的數(shù)量。電路板上具有簡單顯示系統(tǒng)，方便進行調試和檢測LED6、LED7、LED8、LED9為顯示狀態(tài)的LED，U2為驅動電路。
串口驅動和計算機之間的接口，可以實現(xiàn)和計算機之間的聯(lián)機，通過和計算機之間的聯(lián)機，我們可以對此電路進行測試，并且在不接入其他測量傳感器時，用計算機模擬各個測量模擬量的輸入，這樣就可以對電路在未實際應用時進行測試。U3為串口驅動電路C8、C9、C10、C11為電平變換用電容開關量輸入如轉速、啟動等開關量的輸入。轉速為一個方波脈沖串，電壓幅度最大為5伏，最小為0伏，單片機根據(jù)脈沖幅度的變化周期，可以精確地計算出轉速；啟動信號由一個開關給出，高電壓表示系統(tǒng)啟動，并開始工作；低電壓表示系統(tǒng)停止工作。由發(fā)動機的點火鑰匙控制。單片機通過檢測到的電壓的不同，可以知道系統(tǒng)是否要求啟動還是停止。
ICSP控制對單片機進行在線串行編程(ICSP)的接口。
單片機控制流程(以下各項數(shù)據(jù)僅在于說明工作過程，而不是對實用新型的限制)
當開關量輸入時，如汽車啟動開關量，當汽車啟動時，單片機的21腳將會有一個高電壓，此時單片機將會通過功率輸出驅動、功率輸出、輸出分配控制來控制磁控管進入單源工作模式狀態(tài)，同時單片機通過模擬量輸入收集到過濾體內的溫度和背壓參數(shù)，然后單片機對其進行分析，得出過濾體內炭粒的含量是否在許可范圍內，如果在許可范圍內，單片機控制磁控管繼續(xù)工作在單源工作模式下，如果不在許可范圍內，但當模擬量輸入中過濾體中的溫度超出了370℃(即在催化劑的作用下炭粒的燃燒點)，此時工作模式仍為單源工作模式，但當過濾體中的溫度未達到370℃時，單片機將控制磁控管由單源工作模式轉換到多源工作模式下，在多源模式下通常要有多個磁控管(一般是2個)同時工作，汽車熄火時，單片機停止工作。磁控管也停止工作。
由程序控制的組合式微波處理器的多個微波源其工作過程舉例說明如下在汽車啟動后，單片機收集所需數(shù)據(jù)分析得出微波處理器的工作模式，如得出過濾載體中的炭粒含量在許可范圍內，也就是讓微波只參與處理發(fā)動機尾氣，微波處理器將馬上工作在單源模式狀態(tài)，即單片機將控制一個磁控管工作20分鐘，20分鐘后由另一個磁控管代替這個磁控管工作，仍工作20分鐘，讓所有磁控管交替工作，這樣既能夠使微波充分起到處理發(fā)動機尾氣的作用，而且交替工作會減少單個磁控管長時間工作對磁控管本身的損害，延長了單個磁控管的工作壽命。如果單片機收集所需的數(shù)據(jù)經(jīng)分析后得出過濾載體中的炭粒含量已經(jīng)超出許可范圍且過濾載體的溫度大于370℃時(在載體上催化劑的作用下，370℃時炭粒已能夠燃燒)，這時磁控管仍將工作在單源工作模式，只有當炭粒含量超出許可范圍且過濾載體的溫度小于370℃時，這時單片機將控制磁控管進入多源工作模式，通常都是讓2個磁控管同時工作15分鐘，然后由另外2個磁控管代替它們再工作15分鐘，在磁控管處于多源工作模式時，單片機將實時的采集數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)，當過濾載體中的炭粒含量下降到許可范圍內時，單片機將控制磁控管由多源工作模式轉換為單源工作模式；同理，在磁控管工作在單源工作模式時，單片機也將實時的采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，當過濾載體中的炭粒含量超出許可范圍且過濾載體的溫度小于370℃時，單片機將控制磁控管由單源工作模式轉換為多源工作模式。為達到對發(fā)動機尾氣中有害氣體的控制，通過實驗表明微波功率達到700瓦就可以使發(fā)動機的尾氣排放達到歐IV標準。當汽車啟動后，汽車發(fā)電機將對車載電瓶充電，電瓶能夠提供充足的電量滿足工作在多源模式的磁控管的需要。實驗表明，2個磁控管在載體的基礎溫度為常溫時，10分鐘內可以使載體內的炭粒燃燒。
對單個磁控管和多個磁控管分別進行實驗，實驗數(shù)據(jù)如下圖
由實驗數(shù)據(jù)可以得到，多個磁控管的效果要比單個磁控管的效果好得多，當處理器對過濾體內的炭粒進行處理時，應選擇用多個磁控管同時工作。


圖1現(xiàn)有技術的微波尾氣處理器；圖2(a)壁流式載體結構的微波尾氣處理器；圖2(b)泡沫載體結構的微波尾氣處理器；圖3為微波處理器磁控管理提供脈動直流電的驅動電路；圖4本實用新型所述的為多個磁控管提供電源的電路；圖5電路單片機工作流程圖；圖6本實用新型所述帶有多源的組合式微波處理器示意圖；圖7方形磁控管安裝座；其中(a)為俯視圖；(b)為A-A剖視圖；(c)為左視圖；圖8圓形磁控管安裝座；其中(a)為俯視圖；(b)為A-A剖視圖；(c)為左視圖；如圖1所示，其中各部件名稱為進氣口1、出氣口8、諧振腔3、陶瓷載體5、磁控管7、波導管6、固定填充物4；如圖6所示，其中各部件名稱為磁控管安裝座2，其余同圖1；如圖7、圖8所示，其中各部件名稱為磁控管定座21、微波激勵腔22、耦合口23、磁控管發(fā)射天線接入口24。
具體實施方式
做為本實用新型的一種具體實施方式
，參見附圖6，是帶有兩個微波源的組合式發(fā)動機尾氣微波處理器。其由具有出氣口8及進氣口1的諧振腔3、安裝在諧振腔內的陶瓷載體5、2個能夠產(chǎn)生2450MHz微波的磁控管7組成。磁控管7通過磁控管安裝座2安裝在諧振腔3上，安裝座2由磁控管定座21、微波激勵腔22組成，微波激勵腔22密閉安裝在諧振腔3上以保證微波不泄露，其朝向諧振腔3的一側開有耦合口23，另一側開有磁控管發(fā)射天線接入口24，2450MHz的微波經(jīng)耦合口23導入微波諧振腔內，磁控管定座21與微波激勵腔22為一體結構，磁控管7通過磁控管定座21安裝在安裝座2上。磁控管安裝座2可為圓形座，亦可為方形座，如附圖7及附圖8所示。
本實施例的2個微波源安裝在出氣口8一側的諧振腔側臂上，耦合口的方向和大小既可以排除2個微波磁控管之間的干擾，又可以在微波腔(金屬外殼)內激勵出多種模式。由于2個磁控管之間存在差異，致使2個磁控管產(chǎn)生的微波頻率有微小差異，這樣由2個磁控管產(chǎn)生的微波在諧振腔內就不會產(chǎn)生干涉，因此就排除了磁控管之間的干擾情況。兩個磁控管由附圖4所示的電路供電，供電過程及原理如本專利前面內容所述。
實驗表明，2個磁控管在載體的基礎溫度為常溫時，10分鐘內可以使載體內的炭粒燃燒，由此可見2個磁控管比單個磁控管的工作模式具有較好的效率。
權利要求1.組合式發(fā)動機尾氣微波處理器，由具有出氣口(8)、進氣口(1)的諧振腔(3)、安裝在諧振腔(3)內的陶瓷載體(5)、產(chǎn)生2450MHz微波的磁控管(7)組成，其特征在于磁控管(7)通過磁控管安裝座(2)安裝在諧振腔(3)上，安裝座(2)由磁控管定座(21)、微波激勵腔(22)組成，微波激勵腔(22)密閉安裝在諧振腔(3)上，其朝向諧振腔(3)的一側開有耦合口(23)，另一側開有磁控管發(fā)射天線接入口(24)，2450MHz的微波經(jīng)耦合口(23)導入微波諧振腔(3)內，磁控管定座(21)與微波激勵腔(22)為一體結構，磁控管(7)通過磁控管定座(21)安裝在安裝座(2)上，磁控管為2個以上。
2.一種如權利要求1所述的組合式發(fā)動機尾氣微波處理器，其特征在于磁控管安裝座(2)可為圓形座，亦可為方形座。
3.一種如權利要求1或2所述的組合式發(fā)動機尾氣微波處理器，其特征在于2個以上的磁控管(7)由同一電路經(jīng)車載電平供電。
專利摘要本實用新型涉及一種應用多個微波源的組合式發(fā)動機尾氣處理器，由具有出氣口及進氣口的諧振腔、安裝在腔內的陶瓷載體、產(chǎn)生2450MHz微波的2個以上的磁控管組成，磁控管通過磁控管安裝座安裝在諧振腔上，安裝座由磁控管定座、微波激勵腔組成，微波激勵腔密閉安裝在諧振腔上以保證微波不泄露，其朝向諧振腔的一側開有耦合口，另一側開有磁控管發(fā)射天線接入口，2450MHz的微波經(jīng)耦合口導入微波諧振腔內，磁控管通過磁控管定座安裝在安裝座上。磁控管安裝座可為圓形座，亦可為方形座。多個微波源的磁控管由同一電路提供脈動直流電，共同作用使微波處理器完成對尾氣中有害氣體及炭煙微粒的處理，從而達到尾氣處理效果好、清潔排放的目的。
文檔編號F01N3/01GK2663664SQ0325182
公開日2004年12月15日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權日2003年7月28日
發(fā)明者韓煒, 許靜, 龔依民, 徐玉書, 黃光寰, 陳岳, 黃惠軍, 李剛, 徐鵬 申請人:吉林大學