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微孔再生过滤器粉末冶金的控制系统电路设计

发布时间:2017-06-17 09:31:10 5年前 热度:4017 ℃

以柴油机为研究对象,介绍了粉末冶金微孔过滤器的再生装置的组成及原理。该再生装置的核心是电子控制系统,本文就粉末冶金微孔过滤器的再生系统的电子控制系统进行了更深入的研究,设计了电控系统的电路。

柴油机排放微粒的主要物质是碳,对人体具有不同程度的诱发和致癌作用。车用柴油机排放微粒的净化技术是微粒过滤器及其再生[1]。粉末冶金微孔再生过滤器的再生研究提出了使用粉末冶金材料作为过滤器的再生结构及方法, 本文就其电控系统进行深入的研究,提出了电控系统中传感器、切换阀及控制器的选择方案及电路设计。

1 粉末冶金微孔再生过滤器原理设计

粉末冶金微孔再生过滤器[2]的组成是在柴油机排气管道设置两个通道,每个通道安装一套粉末冶金微孔过滤器及其再生装置,其中包括温度传感器、压力传感器及涡流再生微孔过滤器,见图1 所示。

其过滤再生原理设计是:根据排气道压力差的大小决定是否启动涡流再生系统,根据微孔

过滤器温度的高低决定通电时间的大小、次数及涡流频率,即控制涡流发热量的程度,烧去过滤器内的沉积排气微粒。

当A 通道△P=P1-P2≥2000Pa 时,排气切换阀(由电机驱动)将排气切换到B 通道,同时启动A 通道涡流再生系统,通过涡流发热使粉末冶金微孔过滤器的温度上升到800℃,并维持一定时间,烧去A 通道过滤器的沉积微粒实现再生;A 通道再生结束等待B 侧通道再生过程,当B 通道△P=P1P2≥2000Pa 时,排气切换阀将排气切换到A 通道同时启动B 通道涡流再生系统,通过涡流发热使粉末冶金微孔过滤器的温度上升到800℃,并维持一定时间,烧去B 通道过滤器的沉积微粒实现再生。在排气过程中,A、B 两个通道交替进行过滤及再生。

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图1 粉末冶金微孔过滤器的再生控制结构及原理

Fig1 recondition control structure and fundamentals of

powder metallurgy micropore filter

2 粉末冶金微孔过滤器再生系统部件的选择及电路分析

2.1 压力传感器和温度传感器的选择及电路分析本系统压力传感器检测排气通道过滤器前后的压力,要求其检测精度高,响应性快,结构简单,体积小等。在汽车传感器[3]中测量气体压力传感器的种类较多,按其信号的产生原理可以分为电压型和频率型两种。比较几种传感器特性后,本系统采用半导体压敏电阻式压力传感器,它是利用半导体的压敏效应制成的。它由压力转换元件和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路构成。该传感器的电路如图2 所示。该传感器的特点是尺寸小,精度高,响应性好,再现性、抗震性好,生产成本低。

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图2 半导体压敏电阻式压力传感器电路

Fig2 semiconductor varistor pressure sensor

检测温度的传感器是热电式,其类型有接触式和非接触式。非接触式传感器利用了物质热辐射原理, 敏感元件无需与被测介质接触,而是通过接收被测介质的热辐射或对流传至传感器从而达到测温的目的, 如热释电红外测温、光子探测器等, 测温的范围为-50℃~6000℃。接触式热电传感器基于热平衡原理,敏感元件必须与被测介质保持热接触,依靠传导和对流使两者进行充分的热交换,如热电偶、热电阻、半导体等。

柴油机排气管中气体压力较大,且含腐蚀性气体。除了要求传感器的灵敏度、准确度高之外还要求能够耐腐蚀,有较高的机械强度等。

以上所述传感器中如热释电红外测温、光子探测器使成本高,会使系统结构复杂等等因素,不适应做该系统的检测装置。

热电阻是利用金属导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性来进行温度测量的,其主要优点是测量精度高、材料的温度特性稳定、重复性好、易于自动测量或远距离测量。本系统的温度传感器热敏电阻采用的材料为铑铁(Rh +Fe0.07mo1%)合金[4]作为感温元件,因其能够测量1K~30K 范围的温度,并具有较大的电阻温度系数,适宜排气管的高温环境。


2.2 粉末冶金微孔过滤器再生系统控制器的功能及电路说明控制

器是本系统的核心部件,它能够存放大量试验获得的原始数据及控制系统运行所需要的全部程序,具有存储数据、转换信号、计算及检测及保护等等功能。由以下几个基本电路组成:

输入级电路:主要由低通滤波器和输入放大器组成,将传感器的模拟信号转变为数字信号的集成电路芯片,其基本功用是将温度传感器和压力传感器输入的信号整形放大输入运算电路。

运算电路: 接收输入放大电路传来的控制通道中过滤器前后的压力、过滤器的温度的信号,设置整形与信号处理电路,用来将传感器的信号滤波整形、放大,转变为能控制执行元件工作的波形,即计算线圈通电时间及电机电流控制参数,对再生过程进行控制。

输出电路:接收运算电路来的控制信号,据此对电机及涡流线圈进行控制。

输入输出接口电路能协调控制器与传感器及执行元件之间的工作。

安全保护电路:它还具有故障自诊断和保护功能,对输入与输出电路进行检测,当控制系统或传感器发生故障时,它能自动地检测到故障的部位,并点亮仪表板上的报警灯提示再生系统出现故障,还可

以对电机过载进行保护。

图3 为控制器内部的基本原理图。

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图3 控制器内部结构

Fig3 Internal Structure Of Controller

2.3 粉末冶金微孔过滤器再生系统执行元件的设计及电路粉末冶

金微孔过滤器再生系统的执行元件是再生切换阀的驱动电机和过滤器上的线圈。再生切换阀的作用是根据控制器的信号转换再生通道,切换阀的转动靠电动机驱动实现,电动机可以双向转动。

本系统采用永磁式直流伺服电动机[5],它是一种受输入电信号控制,并做快速响应的电动机,这样可以使其结构简单、体积减小。减小或增加电动机的电枢电流,电动机的转速也随之升高或降低。若电枢电压为零,电动机停止转动。一种是改变对永磁式电动机输入端子的极性而实现电动机的旋转方向的变化,另一种是采用双向绕组实现电机双向转动。

3 粉末冶金微孔过滤器再生系统电路设计及分析

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图4 粉末冶金微孔过滤器再生系统电路

Fig4 The Electric Circuit Of electronic control system

该电路由5 个部分组成:电源电路、传感器电路、执行器电路、指示灯及故障检测电路。

电源电路:一是电源直接接在控制器内(BAT 端),用以保护控制器内存储的信息;二是经电源开关后进入控制器的电源(K 端)用以系统工作供电。

自检及显示电路:当电源开关接通后,控制器自检开始,如系统无故障则指示灯不亮,系统有故障则控制器触发D 端子经过控制器接地点亮指示灯。

传感器电路:两通道温度传感器电路分别经T1/T1、T2/T2与控制器连接。B 通道前后压力传感器分别经VB1/V01、VB2/V02与控制器连接;A通道前后压力传感器分别经VA1/Vs1、VA2/Vs2

与控制器连接;

执行器电路:包括对涡流线圈的控制和对双向电机的控制。控制器通过A 端子给双向电机的一个绕组提供电压并通过A 端子在控制器内部接地,使电动机转动,通过B 端子给双向电机的另一个绕组提供电压并通过B 端子在控制器内部接地,使电动机转动方向改变。电动机内设置一个滑动变阻器,反映电动机轴转动角度,2 端子与3 端子作为检测电动机转动角度的检测端子,控制器根据此端子信号对电动机位置做出判断,当切换阀达到死点位置,控制器便输出指令切断电动机电源,从而对电机及切换阀进行有效保护。

R1与R端子是B 通道涡流线圈继电器的信号控制端子,当控制器通过R1端子→B 通道继电器绕组→R→控制器内部接地构成回路,B通道涡流线圈继电器触点结合,从而接通B 通道涡流线圈电路;R2与R 端子是A 通道涡流线圈继电器的信号控制端子, 当控制器通过R2端子→A 通道继电器绕组→R→控制器内部接地构成回路,A 通道涡流线圈继电器触点结合,从而接通A 通道涡流线圈电路。

4 小结

本文介绍了粉末冶金微孔过滤器的再生系统的组成及原理,对粉末冶金微孔过滤器的再生系统进行了更深入的研究,提出了传感器的选择及电路说明,最后设计了电控系统的电路,并对控制系统的电路进行分析。

【参考文献】

[1]刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京:机械工业出版社,2003:42-49,185-196.

[2]石锦芸,孟金来.粉末冶金微孔过滤器及其再生技术研究.拖拉机与农用运输车[J].2008(4):77-79.

[3]宋福昌.汽车传感器识别与检测图解.北京:电子工业出版社:44-51.

[4]施湧潮,梁福平,牛春晖.传感器检测技术.北京:国防工业出版社,2007:172-174.

[5]侯世英.电工学Ⅱ.电机与电气控制.北京:高等教育出版社,2008:92-93.

作者简介:石锦芸(1966—),女,硕士,陕西人,高级讲师,杭州职业技术学院,研究方向为汽车电器及电子控制技术。

楼晓春(1974—),男,浙江人,副教授,杭州职业技术学院。

※本文系杭州职业技术学院2010 年度课题“粉末冶金微孔过滤器电控系统的研究”的研究论文。

[责任编辑:翟成梁]


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