專利名稱：具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，屬于柴油機 排氣處理裝置技術領域。二、 背景技術柴油機排氣噪音是發(fā)動機噪音的一部分，主要包括消聲器支撐架及排氣 管道震動輻射出的噪音以及排氣口出來的排氣噪音。 一方面，排氣噪音起源 于振動，振動能夠引起某些部件的早期疲勞損壞，從而降低汽車的使用壽命； 另一方面過高的噪聲能損害駕駛員的聽力，會使駕駛員迅速疲勞，從而對汽 車行駛安全性構成了極大的威脅，同時，排氣噪音嚴重地污染著城市環(huán)境， 影響著人們的生活、工作和健康。因此對于噪聲的控制，不僅關系到乘坐舒 適性、耐久性和安全性，而且還關系到環(huán)境保護。柴油車排放的污染物及其在大氣中二次反應生成的污染物對人體健康和 生態(tài)環(huán)境會造成不良影響。柴油機排氣中的顆粒是一種可吸入顆粒物，可導 致肺癌的發(fā)生。研究表明，柴油機排氣中的顆粒的致癌性要比汽油機排放的 苯高9倍。因此，世界各國對柴油機顆粒排放的控制都非常重視。柴油車排 氣凈化主要包括機內凈化技術(如提高噴油壓力、采用排氣再循環(huán)(EGR)等)， 以及機外凈化技術(如NOx后處理技術、微粒(PM)后處理技術等)。隨著經(jīng)濟、 技術水平的提高，我國不斷嚴格柴油車污染物排放控制的要求，逐步降低柴 油車污染物的排放水平，保護人體健康和生態(tài)環(huán)境。目前柴油機排氣降噪所使用的阻性消聲器利用多孔吸聲的方式布置在管 道內，當氣流噪聲通過管道時，將聲能轉化為熱能，達到消聲的目的，可以 在較寬的頻率范圍有較好的消聲效果；抗性消音器利用各種不同形狀的管道 和共振腔進行適當?shù)慕M合，使沿通道傳播的聲能造成阻抗失配；阻抗失配使 部分聲能向聲源反射或在空腔內來回運動，阻礙部分聲能通過消聲器向外發(fā) 散，抗性消聲器的性能和消聲器的結構形狀有關，它的選擇性較強，適用于 窄帶噪聲和低中頻率噪聲；阻抗復合式消聲器是將阻、抗性消聲器兩者組合 起來，可以獲得低、中、高頻率范圍的消聲效果。柴油機顆粒排放控制的方法是高活性催化劑催化法和過濾法。但催化法 使用的裝置價格昂貴，使用壽命短。過濾法是以陶瓷濾體濾除顆粒的方法， 主要優(yōu)點是巨大的接觸表面積和很高的顆粒收集儲存能力。顆粒收集器在工 作時，尾氣中的顆粒被過濾器捕捉并儲存起來，隨著過濾的顆粒的增多，過 濾器將逐漸堵塞。當聚集的顆粒達到一定程度時，加熱器產(chǎn)生的高溫使這些顆粒充分燃燒，從而達到去除這些顆粒的目的，同時過濾器也實現(xiàn)了再生的 過程。過濾法去除顆粒的效率高，但發(fā)動機排氣背壓高，降低了發(fā)動機的動 力性和經(jīng)濟性。 三、發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有柴油車噪音污染、排放的 顆粒污染環(huán)境問題，可以獲得低、中、高頻率范圍的消聲效果，具有凈化功 能的柴油機排氣消聲裝置。具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，主要包括依序串聯(lián)的四級消聲裝 置，第一級消聲裝置同時為離心靜電碳煙顆粒收集裝置，離心靜電碳煙顆粒 收集裝置下部固定連接有顆粒燃燒裝置，顆粒燃燒裝置由顆粒燃燒控制裝置 控制連接。串聯(lián)四級消聲裝置的第一級是顆粒收集裝置，同時也是消聲裝置的第一級，其進風口 8直接連接發(fā)動機的排氣管，包括同軸的出氣內筒1與封閉外 筒2，出氣內筒1與封閉外筒2之間由陶瓷7絕緣，出氣內筒l上均勻分布有 芒刺起暈電極3、與高壓電源正極相連，封閉外筒2作為靜電吸附負極、與高 壓電源負極相連，離心靜電碳煙顆粒收集裝置依靠離心力和靜電吸附兩種方 式清除排氣中的碳粒；顆粒收集裝置封閉外筒2的進風口 8切向連通封閉外 筒2，柴油機排氣流切向進入顆粒收集裝置并產(chǎn)生強烈旋轉，排氣中較大的顆 粒在離心力的作用下從氣固兩相流中分離出來并被甩在顆粒收集裝置外筒2 的內壁上，顆粒收集裝置的出氣內筒1與外筒2之間施加高壓的直流電壓， 出氣內筒上的芒刺產(chǎn)生電暈放電，在顆粒收集裝置內的下旋氣流的沖刷下， 甩在外筒內壁上的顆粒以及吸附在外筒內壁上的顆粒被收集在顆粒燃燒裝置 內，凈化以后的氣體形成上升氣流，并通過出氣內筒排出。第一級消聲裝置的出風口依序與后面的三級消聲裝置連接，柴油機廢氣經(jīng)過顆粒收集裝置的凈化以及四級消聲裝置降低噪聲后排入大氣，通過優(yōu)化 排氣消聲裝置的內部結構，根據(jù)消聲裝置的容積、形狀、排氣管徑、排氣尾 管長度等參數(shù)進行設計，消聲裝置設計為擴張式，每一級擴張室腔內都加入 規(guī)定尺寸的內插管，目的為了消除通過頻率；通過調整每一級擴張室長度， 分別消除排氣噪聲的某一主要峰值頻率，改善消聲性能，從而整體上降低了 氣流阻力，減少了發(fā)動機功率損失。第一級消聲裝置，其擴張室長度為Li，第二級消聲裝置擴張室長度為L2， 為帶內插入管擴張室，在擴張室兩端分別插入U/2和L2/4的插入管；第
級消聲裝置擴張窒長度為L3，為帶插入管擴張室，在擴張窒兩端分別插入L3 /2和U/4的兩個插入管；第四級消聲裝置擴張室長度為U,為帶插入管的擴張室，在擴張室端有L4/2和U/4的插入管；在三個內接管腔體上開有氣孔，小孔對氣流的摩擦作用使聲能減弱，對 高頻噪聲能夠有效抑制；消聲器的出口采用45°斜切口形狀，安裝后切口朝 向地面，避免了排氣噪聲直接指向車外，以減少對環(huán)境的影響。碳煙顆粒燃燒裝置固定于離心靜電碳煙顆粒收集裝置下部，包括殼體4、 微波加熱板5、絕緣陶瓷接線柱，利用微波加熱板加熱，碳煙顆粒燃燒裝置由 碳煙顆粒燃燒控制裝置連接控制，將離心靜電碳煙顆粒收集裝置所收集的碳 煙顆粒加熱到碳煙的燃點，在發(fā)動機排氣富氧狀態(tài)下，將其燃燒生成二氧化 碳，隨廢氣排到空氣中。碳煙顆粒燃燒控制裝置控制碳煙顆粒燃燒裝置按照一定的時間間隔接通 加熱板的電路，定時將收集到碳煙顆粒燃燒裝置的碳粒燃燒掉，包括微處理 器，微處理器通過接口電路連接存儲器集成電路、時鐘集成電路、信號輸入 處理電路、信號輸出控制電路；信號輸入處理電路包括一路模擬輸入信號通道和兩路數(shù)字信號輸入通 道，模擬輸入信號連接輸入一級放大后，輸出到二級放大電路，通過濾波電 路輸入微處理器；兩路數(shù)字信號輸入通道分別檢測發(fā)動機0N開關信號和發(fā)動 機0FF開關信號，經(jīng)過光電耦合器后，將信號通過接口電路輸入到微處理器； 信號輸出控制電路輸入端與微處理器通過接口電路輸出的控制信號相連，經(jīng) 光電耦合器，放大電路，連接控制碳煙顆粒燃燒裝置的控制開關；碳煙顆粒燃燒控制裝置還可以為手動控制裝置，通過操縱手動控制裝置 接通控制碳煙顆粒燃燒裝置的的控制開關，直接加熱燃燒顆粒收集裝置所收 集的顆粒，生成二氧化碳排出。高壓電源輸出0 30kv的直流電壓，與靜電碳煙顆粒收集裝置的電源線 相連接。本實用新型提出的具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，為柴油機排放 后處理系統(tǒng)，采用消音技術以炎離心和靜電吸附原理捕捉顆粒，使用微處理 器控制顆粒的燃燒，可大大提高降噪效果和顆粒的凈化效果，不增加排氣背 壓，改善發(fā)動機的性能；另外，由于排氣流經(jīng)過顆粒收集裝置時經(jīng)過擴張 以及氣流在旋轉作用，起到了降低噪聲的作用；并且該裝置的成本較低， 使用壽命長。

圖1為本實用新型實施例的結構示意圖； 圖2為圖1的俯視圖； 圖3為本實施例的顆粒燃燒控制裝置的原理框圖。 五具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。 以YC6108柴油機為基礎，設計消音器，柴油機的技術指標見表l-l,表1-1柴油機參數(shù)型號YC6108額定功率(Kw)132最大扭矩(N.m) (1600 1800 r/min)560額定轉速(r/min)2600圖1、 2為本實施例具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置的結構示意圖， 包括消聲裝置、顆粒收集裝置、顆粒燃燒裝置、顆粒燃燒控制裝置以及高 壓電源。消聲裝置級數(shù)為4，結構型式為擴張式，為從結構上主要頻率的噪音 有較大的消聲量，各級消聲裝置的長度根據(jù)所測量YC6108柴油機需要消除的 主要頻率計算，經(jīng)過試驗分析:得到4個主要頻率，分別是680-700 Hz、880-900 Hz、 1750-1850Hz、 2250-2270 Hz進行設計。第一級消聲裝置具有顆粒收集裝 置功能，其擴張室長度為Li，設計對1806Hz頻率的噪聲消聲量最大；第二級 消聲裝置擴張室長度為L2,為帶內插管擴張室，在擴張室兩端分別插入L2 / 2 和L2/4的插入管，第二級消聲裝置設計對692Hz頻率的噪聲消聲量最大，同 時便于氣流的穩(wěn)定和減少阻力損失；第三級消聲裝置擴張室長度為L3，為帶 插入管擴張室，在擴張室兩端分別插入U/2和L3/4的兩個插入管，第三級 消聲裝置設計對261Hz頻率的噪聲進行消聲；第四級消聲裝置擴張室長度為 L4，為帶插入管的擴張室，在擴張室端有U/2和L4/4的插入管，第四級消 聲裝置設計對863 Hz頻率的噪聲進行消聲；在擴張室消聲器內插入內接管， 目的改善消聲性能，由理論分析可知，當插入的內接管長度等于擴張部分長 度的1/2時，能消除奇數(shù)倍部分的通過頻率(頻率為nc / (2L),n=l,2，3，4，5，……，L為擴張室長度，c為廢氣中的聲速);當插入的內 接管長度為擴張部分長度的1/4時，能消除偶數(shù)倍部分的通過頻率(頻率為 (2n+l)c/ (4L)，n=0， 1， 2， 3， 4，……，L為擴張室長度，c為廢氣中的聲速)。 在三個內接管腔體上有直徑-5的孔，小孔對氣流的摩擦作用使聲能減弱，對 高頻噪聲能夠有效抑制；利用公式^(2n+l)c/4L、 f=nc/2L，分別求解所設 計消聲裝置四級擴張室長度，分別求出解L產(chǎn)420mm， L2=221mm, L3=128mm， L4=473 咖。消聲器的出口釆用45°斜切口形狀，安裝后切口朝向地面，避免了排氣 噪聲直接指向車外，以減少對環(huán)境的影響。
顆粒收集裝置被設計在第一級消聲裝置內，其進氣口與發(fā)動機的排氣管 相連接，利用離心和靜電的作用將發(fā)動機排出的廢氣中的顆粒收集起來，通 過下旋氣流的作用將收集的顆粒移送到顆粒燃燒裝置，顆粒燃燒控制裝置自 動控制顆粒燃燒裝置，通過紅外線加熱使收集的顆粒達到燃點，將收集的碳 煙燃燒成二氧化碳，達到凈化碳煙的目的。在整個工作過程中，高壓電源為 離心靜電顆粒收集裝置提供靜電吸附顆粒所需要的電場力。帶芒刺起暈電極 的出氣內筒，作為負極的靜電吸附封閉外筒，內、外筒之間絕緣陶瓷。為了使氣流旋轉產(chǎn)生離心力，進氣口與外筒相切，進氣口的面積為0.1D2 ，其中 Z)外筒的直徑。利用離心力將顆粒從氣固兩相流中分離出來，利用靜電場力的作用來強化離心除塵效率。由于出氣內筒的入口布置在下方，在離心靜電 顆粒收集裝置內形成了下旋氣流，下旋氣流可將附著在外筒內壁上的顆粒吹 落，使其落入顆粒燃燒裝置。凈化以后的氣體通過出氣內筒排出。離心靜電顆粒收集裝置為同軸式，出氣內筒與外筒之間的距離設計為60mm，在內、外筒 之間施加30KV的直流電壓，出氣內筒上的芒刺產(chǎn)生電暈放電，離心力能夠使 較大的顆粒從排氣中分離出來,利用靜電作用可以捕集微小顆粒，高速旋轉氣 流對壁面的沖刷作用和顆粒之間的碰撞作用可以清理壁面附著的顆粒。顆粒燃燒控制裝置實時檢測發(fā)動機ON和OFF狀態(tài)，在正常工作狀態(tài)下， 當檢測到發(fā)動機ON信號時，開始計時，計算發(fā)動機ON信號的持續(xù)時間，如 果在15分鐘內沒有檢測到發(fā)動機OFF信號，同時也沒有檢測到高壓電源的輸 出電壓大幅度降低，開始啟動顆粒燃燒裝置，利用紅外加熱板將收集的顆粒 加熱，達到燃點，使其燃燒，當檢測到發(fā)動機0N信號的持續(xù)時間超過2小時， 再次啟動顆粒燃燒裝置，利用紅外加熱板將收集的顆粒加熱，達到燃點，使 其燃燒。如果在任何時刻檢測到發(fā)動機OFF信號，計算發(fā)動機OFF信號的持 續(xù)時間，持續(xù)時間小于3分鐘的，被認為暫時熄火，繼續(xù)檢測發(fā)動機0N信號 的持續(xù)時間，工作模式處于正常工作狀態(tài)下。顆粒燃燒裝置包括殼體4、微波加熱板5、絕緣陶瓷接線柱，其中，絕 緣陶瓷接線柱一端通過繼電器與蓄電池連接，另一端接微波加熱板5，微波加 熱板5安裝在耐熱陶瓷上，顆粒燃燒控制裝置控制電磁閥的開關狀態(tài)，顆粒 燃燒裝置將離心靜電顆粒收集裝置所收集的顆粒加熱到碳煙的燃點，在發(fā)動 機排氣富氧狀態(tài)下，將其燃燒成二氧化碳，隨廢氣排到空氣中。圖3為顆粒燃燒控制裝置的原理框圖，微處理器采用型號為80C196KC 的單片機，兩級集成運放電路分別采用斬波穩(wěn)零集成運放ICL7650S、高輸入 阻抗集成運放LM358，濾波電路為RC濾波器，以及光電耦合器、輸出用繼 電器、譯碼器、時鐘芯片DS12887、鎖存器、EPROM程序存儲器。
本實例中的單片機為CHM0S高性能的16位單片機，具有較好的數(shù)據(jù)處理 能力，可直接計算4字節(jié)的整型數(shù)和浮點數(shù)，內部RAM488寧節(jié)，有24字節(jié) 的專用寄存器，CPU的操作直接面向256字節(jié)的專用寄存器，相比累加器結構， 具有10位A/D轉換器，轉換精度高；系統(tǒng)設計釆用8位地址/數(shù)據(jù)復用總線。 采用高性能的斬波穩(wěn)零集成運放芯片ICL7650S進行一級放大，ICL7650S 具有超低失調和超低溫漂，高增益、高輸入阻抗。與其它運放不同，這種運 放由一時鐘控制，分節(jié)拍工作，前一節(jié)拍將輸入失調采集并存儲于一電容中， 后一節(jié)拍釆樣和放大信號，并將此刻的失調相抵消。采用ICL7650S能夠大大 減少采集信號所帶來的誤差。所述的檢測電壓降低傳感器的輸出端與斬波穩(wěn) 零集成運放ICL7650S的輸入端連接，斬波穩(wěn)零集成運放ICL7650S將傳感器或倍率選擇開關輸入的信號進行一級放大后輸出給二級放大芯片高輸入阻抗 集成運放LM358。高輸入阻抗集成運放LM358作為二級放大芯片，內部具有2個獨立的放 大集成電路，LM358第一個放大電路反向輸入，使用電位器調節(jié)放大倍數(shù)，并 且在放大器上加載調零電路，可以將模擬通道的放大電路的輸出在零輸入的 情況下，調整為零輸出；LM358第二個放大電路為正向輸入成射隨電路，以便 于得到高輸入阻抗和低輸出阻抗，用作阻抗變換器。高輸入阻抗集成運放 LM358將一級放大芯片送來的信號進行二級放大后輸出給RC濾波器，進行濾 波后輸出到單片機的A/D轉換接口 。時鐘芯片DS12887通過雙向數(shù)據(jù)/地址總線與單片機相連接，在電路通電 時其充電電路便自動對可充電電池充電,充足一次電可供芯片時鐘運行半年 之久，正常工作時能夠實時提供時間數(shù)據(jù)，并可保證時鐘數(shù)據(jù)十年內不會丟 失，內部有114字節(jié)的RAM可保存信息，通過程序設計用來保存駕駛員正常 開關機的時間信息，時間在存儲時按照字符類型(8位)，占用l個地址單元。單片機通過雙向數(shù)據(jù)/地址總線經(jīng)過鎖存器與型號為EPR0M27256的程序 存儲器連接，用于存儲程序。
權利要求1、具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在于包括依序串聯(lián)的四級消聲裝置，第一級消聲裝置同時為離心靜電碳煙顆粒收集裝置，離心靜電碳煙顆粒收集裝置下部固定連接有顆粒燃燒裝置，顆粒燃燒裝置由顆粒燃燒控制裝置控制連接。
2、 按照權利要求1所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述第一級顆粒收集裝置進風口 (8)直接連接發(fā)動機的排氣管，第一級顆 粒收集裝置包括同軸的出氣內筒(1)與封閉外筒(2)，出氣內筒與封閉外筒 之間由陶瓷(7)絕緣，出氣內筒上均勻分布有芒刺起暈電極(3)、與高壓電源 正極相連，封閉外筒作為靜電吸附負極、與高壓電源負極相連。
3、 按照權利要求2所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述顆粒收集裝置封閉外筒的進風口切向連通封閉外筒。
4、 按照權利要求1所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述第一級消聲裝置的出風口依序與后面的三級消聲裝置連接，消聲裝置 設計為擴張式，每一級擴張室腔內都加入內插管，每一級擴張室長度，分別 對應需要消除的排氣噪聲的某一主要峰值頻率。
5、 按照權利要求4所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述第一級消聲裝置，其擴張室長度為(LJ，第二級消聲裝置擴張室長度為 (L2)，為帶內插入管擴張室，在擴張室兩端分別插入(L2/2)和(U/4)的插 入管；第三級消聲裝置擴張室長度為(U)，為帶插入管擴張室，在擴張室兩端 分別插入(U / 2)和(U / 4)的兩個插入管;第四級消聲裝置擴張室長度為(L4), 為帶插入管的擴張室，在擴張室端有(U/2)和(U/4)的插入管。
6、 按照權利要求5所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述在三個內接插入管腔體上開有氣孔，消聲器的出口釆用45°斜切口形 狀，安裝切口朝向地面。
7、 按照權利要求1所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述碳煙顆粒燃燒裝置固定于離心靜電碳煙顆粒收集裝置下部，包括殼體 (4)、微波加熱板(5)、絕緣陶瓷接線柱，利用微波加熱板加熱，碳煙顆粒燃燒裝置由碳煙顆粒燃燒控制裝置連接控制。
8、 按照權利要求1所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在 于所述碳煙顆粒燃燒控制裝置包括微處理器，微處理器通過接口電路連接存 儲器集成電路、時鐘集成電路、信號輸入處理電路、信號輸出控制電路。
9、 按照權利要求8所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在于所述信號輸入處理電路包括一路模擬輸入信號通道和兩路數(shù)字信號輸入通 道，模擬輸入信號連接輸入一級放大后，輸出到二級放大電路，通過濾波電 路輸入微處理器；兩路數(shù)字信號輸入通道分別檢測發(fā)動機0N開關信號和發(fā)動 機0FF開關信號，經(jīng)過光電耦合器后，將信號通過接口電路輸入到微處理器; 信號輸出控制電路輸入端與微處理器通過接口電路輸出的控制信號相連，經(jīng) 光電耦合器，放大電路，連接控制碳煙顆粒燃燒裝置的控制開關。
10、 按照權利要求1所述具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征 在于所述碳煙顆粒燃燒控制裝置還可以為手動控制裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，屬于柴油機排氣處理裝置技術領域。作用是解決現(xiàn)有柴油車排放的碳煙顆粒、噪音污染環(huán)境的問題。具有凈化功能的柴油機排氣消聲裝置，其特征在于包括依序串聯(lián)的四級消聲裝置，第一級消聲裝置同時為離心靜電碳煙顆粒收集裝置，離心靜電碳煙顆粒收集裝置下部固定連接有顆粒燃燒裝置，顆粒燃燒裝置由顆粒燃燒控制裝置控制連接。本實用新型為柴油機排放后處理系統(tǒng)，采用消音技術以及離心和靜電吸附原理捕捉顆粒，使用微處理器控制顆粒的燃燒，可大大提高降噪效果和顆粒的凈化效果，不增加排氣背壓，改善發(fā)動機的性能，并且該裝置的成本較低，使用壽命長。
文檔編號F01N9/00GK201025097SQ20072002039
公開日2008年2月20日 申請日期2007年4月7日 優(yōu)先權日2007年4月7日
發(fā)明者于京諾, 棟 李, 楊占鵬, 梁桂航, 王亮申 申請人:魯東大學