基于单片机控制的金属矿山井下柴油机尾气后处理系统设计

招金矿业股份有限公司 康磊田

基于单片机控制的金属矿山井下柴油机尾气后处理系统设计

招金矿业股份有限公司 康磊田

颗粒物由柴油引擎里燃料的不完全燃烧形成的,为了控制PM,正在寻求在车的排气系统安装PM过滤器。过滤器从尾气中“截获”PM以防止它扩散到空气中。过一段时间后，PM 过滤器中塞满了颗粒物。如果这些颗粒物没被清洗或"再生"，这个清洗或称再生过程能够通过主动方式（拥有单片机机控制策略）来完成。再生活动是通过燃烧掉捕捉到的PM来完成的。当前运行的系统要求要燃烧掉过滤器入口处的PM尾气的温度要达到600摄氏度以上。

单片机；柴油车引擎；颗粒过滤器；再生

柴油机具有高热效率、大功率等特点，有着良好的经济性和可靠性，在矿山工程机械领域得到了广泛的应用，如中深孔台车、铲运机、坑内卡车等都是以柴油机作为动力。虽然柴油机具有许多优点，但是其所排放的尾气中有害成分较多，主要有HC、CO、SO、NO和PM（主要是碳烟,还包括油雾、金属颗粒) 。这些物质都是直接危害井下工人体健康的有害物质。

该尾气后处理系统属于微粒捕集器的再生技术，控制部分由单片机完成，能很好的控制再生时机，再生时间，再生周期，再生策略。

一、PM后处理主要方式

1.PM的生成机理

柴油机PM是除去未化合的H2O 以外的所有固态的碳基颗粒、液态的燃油与机油以及无机物(附聚在碳基颗粒表面上的SO2 ,NO2 ,H2SO3 ,Pb) 等物质的总称。

2.PM的处理措施

微粒捕集器的再生方式可分为“被动”再生和“主动”再生：“被动”方式即为催化再生，是在过滤器载体上浸渍催化剂或在燃油中加入添加剂来降低颗粒的氧化反应的活化能，降低碳粒的起燃温度来实现颗粒过滤器的再生；“主动”再生方式又称为“热再生”，即外加能量（热能）的再生方式，利用外部热源使积存在过滤体内的微粒升温、自燃，以减少过滤器内的微粒PM。

2.1 PM捕集器的构造

PM捕集器的过滤材料可以是陶瓷蜂窝载体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝载体和金属纤维编织物等，目前应用最多的是美国康宁(Coming) 公司和日本NGK公司生产的壁流式蜂窝陶瓷PM 捕集器, 捕集器孔数为100 , 孔边长2μm , 壁厚0. 4 mm。这种PM捕集器的壁面是多孔陶瓷,相邻的两个通道中,一个通道的出口侧被堵住,而另一通道的进口侧也被堵住,这就迫使排气由入口敞开的通道进入,穿过多孔陶瓷壁面进入相邻的出口敞开通道,而PM就被过滤在通道壁面上。这种PM捕集器对碳烟的过滤效率可达90 %以上。

2.2 PM捕集器的再生

根据捕集器外加能量的形式可分为：全负荷再生、喷油助燃再生、电加热再生、电自加热再生和微波再生等。随后又开发出CRT（连续再生捕集器）系统、节流再生、逆向喷气再生、振动再生等几种非加热再生方式。

二、主控制系统设计

柴油车尾气净化系统的基本原理是：发动机工作时排出的尾气经过DPF过滤，尾气中的微粒PM会导致柴油机排气背压升高，系统将压力通过1286芯片将监测到的背压传给主控制芯片AT89C55, 当排气背压达到16～20kPa时，主控制芯片AT89C55控制再生装置的火花塞、气泵和油泵开始工作,将DPF中过滤出的碳颗粒燃烧,当背压达到正常时或者温度达到600摄氏度以上。停止燃烧。这样可以将柴油车尾气中过滤出的碳颗粒燃烧掉。达到净化尾气的目的。

三、控制系统器件介绍

本系统的控制单元主要元气件包括：主控制芯片AT89C55；其控制的主要外围电路有1286压力芯片，max232 串口通信芯片，单线数字接口总线的温度传感器max6675与 k型热电偶的温度检测电路，记录时间的时间芯片DS1302即以及存储压力与温度的flash 芯片at89c512电路。点火电路由555电路产生的脉冲控制点火线圈。

3.1 主控制芯片

AT89C55是一种低功耗，高性能带20K字节可在线重复编程的可擦除存储器（In-System Reprogrammable Flash Memory）高性能CMOS-8位微处理器，主要作用是控制整个系统的再生，通过各个传感器传上来的数据判断是否控制其它受控部件动作进行再生。是整套系统的核心部件。

3.2 压力芯片

压力芯片的主要作用是将DPF的背压通过压力传感器模数转换后送进主控制芯片进行处理。当系统工作时，不断地检测DPF背压，作为判断再生的主要依据。

3.3 串行通讯芯片MAX232

Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件的主要作用是与计算机进行通信，系统工作时记录的很多数据需要经过计算机处理，再生参数需要通过计算机进行修改。

3.4 温度传感器芯片MAX6675

MAX6675冷端温度补偿、热电偶数字转换器可进行冷端温度补偿，并将K型热电偶信号转换成数字信号。输出为12位分辨率、SPI兼容、只读格式。 温度分辨率为0.25°C，可读取温度达+1024°C，热电偶在0°C至+700°C温度范围内精度为8LSB。 采用8引脚SO封装。这里为降低电源耦合噪声，在其电源引脚和接地端之前接入了1只容量为0.1μF的电容。

其主要作用是检测燃烧温度，有三个温度传感器，分别是入口温度，燃烧温度，出口温度，非别位于DPF的入口，燃烧室，出口。用于检测燃烧状态，并适时地修正燃烧条件。

3.5 存储FLASH芯片

作为一种非易失性存储器（NVM），一般作为数据量不太大的数据存储器。Flash的主要作用是记录各种标志状态，程序通过读取f l ash中的各个单元的内容来判断系统的工作状态。

3.6 时钟芯片DS1302

美国DALLAS公司推出的低功耗时钟芯片用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数，据出现的原因的查找有重要意义。本系统用ds1302来存储系统运行时间，以及柴油车在运行时的实时时间数据。

3. 7 点火电路

图1 555点火电路

该电路主要产生一个脉冲，送给点火线圈。控制点火。

3.8 电源模块

LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如78xx系列稳压集成电路）的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供保证。

四、总结

中重型柴油机目前大致上有两条机后净化技术路线：其一是先通过高压共轨优化燃烧，再使用选择性催化还原SCR来降低因燃烧优化而产生的N0X；其二是ECR(废气再循环)+DPF(颗粒捕集器)路线，即先通过EGR降低排放中N0X，再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的颗粒物。在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将N0X还原为N和H20。采用这种净化方案的发动机油耗可节省5%～7%，扣除因使用尿素而增加的费用，还将有节油2%～3%的优势。

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