Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для определения концентрации выхлопных газов в газоходе дизельных автомобилей и очистки от газов

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для очистки отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство, реализующий способ определения концентрации сажи (SU 482658 А1, 22.10.1975), включающее установленные в корпусе фильтр, сетку, фотоэлемент и лампу. Лампа включена в электрическую цепь, содержащую батарею питания, потенциометр и выключатель, а также гальванометр. В этом техническом решении, определение концентрации сажи, сводится к оценке степени черноты фильтра, измеряемой гальванометром. Пропускают выхлопной газ через фильтр и измеряют ток гальванометра, соединенного с фотоэлементом. По достижении величины фототока в гальванометре, соответствующей эталонному значению, определяют объем профильтрованного выхлопного газа. При этом в качестве эталонного фильтра используется бумага, светопоглощающая способность которой соответствует постоянному значению.

Недостатком этого известного технического решения можно считать погрешность, связанную с изменением фототока из-за температурного колебания выхлопного газа в камере.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство для очистки фильтров отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (RU 2044135 С1, 20.09.1995). Данное устройство содержит два сажевых фильтра, воздуховод, разветвитель выхлопной трубы на два канала, два СВЧ-устройства нагрева фильтров и сажи и блок управления. Сажевые фильтры выполнены из диэлектрического материала с электрическими потерями. Устройство работает следующим образом. По мере засорения одного из фильтров сажей в открытом канале выхлопной трубы увеличивается давление. В результате срабатывает датчик давления, контакты которого включают привод, который в свою очередь переключает выхлопные газы в соседний канал, и СВЧ-канал. СВЧ-генератор начинает разогревать фильтр с сажей. При достижении температуры фильтра 650-700°С срабатывает компаратор от тока термопары, который открывает вентиль, после чего к фильтру подается воздух, сажа воспламеняется, температура фильтра увеличивается. Начинается экзотермический процесс горения сажи. Энергия СВЧ-генератор в этот момент уже не нужна, поэтому в момент времени t₃ компаратор по сигналу термопары отключает генератор. После полного выгорания сажи, о чем свидетельствует резкое уменьшение температуры фильтра, компаратор с помощью привода закрывает вентиль. Один цикл очистки фильтра закончен. Фильтр готов к очистке выхлопных газов в новом цикле после засорения соседнего фильтра, который будет очищен так же.

К недостаткам этого устройства можно отнести конструктивную сложность в исполнении.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение процедуры очистки сажевого фильтра от сажи.

Технический результат достигается тем, в устройство для определения концентрации выхлопных газов в газоходе дизельных автомобилей и очистки от них, содержащее сажевый фильтр, первый СВЧ-генератор, второй СВЧ-генератор, усилитель и компаратор, отличающееся тем, что в него введены первый элемент ввода СВЧ-энергии, второй элемент ввода СВЧ-энергии, первый блок питания, второй блок питания, элемент вывода СВЧ-энергии, металлическая сетка, размещенная внутри газохода, амплитудный детектор и вычислитель, проградуированный в мг/м³, сажевый фильтр закреплен на поверхности сетки, первый и второй СВЧ-генераторы имеют разные частоты и мощности колебаний, причем выход первого блока питания подключен к входу по питанию первого СВЧ-генератора, выход которого соединен с первым элементом ввода СВЧ-энергии, выход второго блока питания подключен к входу по питанию второго СВЧ-генератора, выход которого подключен к второму элементу ввода СВЧ-энергии, выход элемента вывода СВЧ-энергии через амплитудный детектор соединен с входом усилителя, выход последнего подключен к входу вычислителя, выход вычислителя соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом по питанию второго блока питания.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что на базе двух разных по частоте и мощности электромагнитных колебаний, зондирующих контролируемую среду, можно обеспечить определение концентрации сажи в выхлопном газе дизельных транспортных средств и очистку сажевого фильтра.

Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу определения концентрации сажи в выхлопном газе и очистки от него посредством двух разных по частоте и мощности электромагнитных колебаний, зондирующих контролируемую среду, с желаемым техническим результатом, т.е. упрощением процедуры очистки сажевого фильтра от сажи.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит первый блок питания 1, первый СВЧ-генератор 2, подключенный выходом к первому элементу ввода СВЧ-энергии 3, второй блок питания 4, второй СВЧ-генератор 5, компаратор 6, второй элемент ввода СВЧ-энергии 7, элемент вывода СВЧ-энергии 8, амплитудный детектор 9, усилитель 10, вычислитель 11, сажевый фильтр 12 и металлическую сетку 13. На фигуре цифрой 14 обозначен газоход.

Предлагаемое устройство, предназначенное для определения концентрации выхлопных газов и очистки фильтра от сажи при работе двигателя внутреннего сгорания, работает следующим образом. Посредством первого блока питания 1 осуществляют электрическое питание первого СВЧ-генератора 2, например, миллиметрового диапазона волн. Электромагнитная мощность с выхода генератора 2 поступает в первый элемент ввода СВЧ-энергии 3, расположенный на наружной поверхности газохода 14, по которому перемешается отработанный газ. Для ввода мощности в газоход под первым элементом ввода предусмотрено «диэлектрическое окно», позволяющее проход электромагнитных колебаний в газоход с выхлопными газами. Поступившие в газоход колебания, распространяясь по выхлопному газу, далее насквозь проходят через сажевый фильтр 12, закрепленный на поверхности металлической сетки 13. После этого прошедший через фильтр электромагнитный сигнал, улавливается элементом вывода СВЧ-энергии 8, расположенный на наружной поверхности газохода напротив (диаметрально) первого элемента ввода. Под элементом вывода здесь также предусмотрено «диэлектрическое окно», обеспечивающее вывод электромагнитных колебаний из газохода.

В рассматриваемом случае для амплитуды прошедшего электромагнитного сигнала, взаимодействующего с оседающими на фильтре частицами сажи, можно написать

где I - амплитуда прошедшего через фильтр сигнала, I₀ - амплитуда падающего на фильтр электромагнитного сигнала, μ - коэффициент поглощения сажи, d - толщина слоя сажи.

Вышеприведенная формула показывает, при постоянных значениях частоты, зондирующих сажевого фильтра с частицами сажи электромагнитных колебаний, коэффициента поглощения сажи и амплитуды падающего на фильтр миллиметрового электромагнитного сигнала, по величине интенсивности прошедшего через сажевой фильтр сигнала можно судить о толщине слоя сажи на фильтре, т.е. о концентрации частиц сажи на поверхности фильтра.

Согласно работе предлагаемого технического решения информационный сигнал о концентрации сажи с выхода элемента вывода СВЧ-энергии, направляют на вход амплитудного детектора 9. Продетектированный сигнал последнего после усиления в усилителе 10 поступает на вход вычислителя 10, проградуированного в мг/м³. В последнем отображается информация о величине концентрации сажи на поверхности сажевого фильтра.

Как известно для отходящих (выхлопных) газов устанавливается предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ. В силу этого если измеренное значение концентрации сажи в данном случае, не превышает допустимого значения, то можно считать работу сажевого фильтра нормальной. При повышенном значении концентрации сажи на выходе фильтра, согласно работе предлагаемого устройства, соответствующий этой величине концентрации сигнал, с выхода вычислителя направляется на компаратор 6, который далее дает возможность осуществить посредством второго источника питания 4 электрическое питание второго СВЧ-генератора 5, например, сантиметрового диапазона волн и большей выходной мощности, чем мощности первого генератора. В результате электромагнитная выходная мощность этого генератора, направляется в второй элемент ввода СВЧ-энергии 7, расположенный на наружной поверхности газохода 14. Для ввода мощности в газоход под вторым элементом ввода также предусмотрено «диэлектрическое окно», позволяющее проход электромагнитных сантиметровых колебаний в газоход с выхлопными газами. Поступившие в газоход колебания, распространяясь по выхлопному газу, далее насквозь проходят через сажевый фильтр 12, закрепленный на поверхности металлической сетки 13. Здесь пришедшие одновременно СВЧ - колебания с двух генераторов оказывают двоенное воздействие на сажу. При этом принимая во внимание то, что частота и мощность колебаний первого СВЧ-генератора отличны от частоты и мощности колебаний второго СВЧ-генератора, сигналы, прошедшие через фильтр, не оказывают влияние друг на друга. По принципу работы данного устройства, меньшая мощность (не приводящая к горению сажи) первого генератора используется для оценки концентрации сажи, а большая мощность (способствующая горению сажи) второго генератора - для разогрева фильтра с сажей, т.е. для выгорания сажи. При этом подача воздуха к фильтру дает возможность воспламенения сажи с увеличением температуры фильтра, в результате чего начинается экзотермический процесс горения сажи. Одновременно с горением сажи на фильтре, происходит контроль (слежение) изменения концентрации сажи на фильтре. При допустимом значении концентрации сажи на фильтре, выходной сигнал компаратора дает команду на отключение электрического питания к второму сантиметровому генератору, а зондирование частиц сажи миллиметровыми колебаниями остается в силе. Таким образом, первый цикл определения концентрации и очистки фильтра закончен. Второй и следующие циклы подобных операции будут аналогичными первому циклу.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря использованию двух разных по частоте и мощности электромагнитных СВЧ-колебаний, зондирующих одновременно контролируемую среду, можно обеспечить упрощение процедуры определения концентрации выхлопных газов в газоходе дизельных автомобилей и очистки от них.

Предлагаемое устройство успешно может быть использовано и для решения других задач, например, на газоходах теплоэлектростанций, работающих на угольном пыле, для диагностики выхлопных газов в атмосферу.

В качестве СВЧ-генераторов, при реализации данного технического решения, могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью генераторы ГЛПД - 1 и генераторы, выполненные на диодах Ганна. Сажевый фильтр может быть выполнен из диэлектрического материала с меньшими потерями.