项目说明书最终版

1、Double Filters双腔式微波再生颗粒捕集器 设计者：熊儒成 汪逸 戴凯奇 钱振天 周星辰 许盛涛 段彦昭指导老师：罗 坤 教授 许沧粟 教授 （浙江大学能源工程学院，浙江省，杭州市, 310027）作品内容简介背景：颗粒物（PM）为大气污染物的主要成分之一，而机动车是主要的PM排放源之一。截至2013年底，我国重型柴油货车保有量仅占机动车总保有量的2.11%，但排放的颗粒物占比却达60.7%。柴油机尾气颗粒物排放日益严重。问题：现有的柴油机颗粒物机外处理方式主要以颗粒捕集器为主，而现有颗粒捕集器的主要问题有：再生困难，使用寿命短，捕集效率差。方案：我们利用微波加热燃烧的方式解决颗粒捕

2、集器的再生问题，能量利用率达98.7%，再生效率达97.2%，实现低功耗高效再生；通过双腔体式设计提高再生过程中的捕集效率和使用寿命;使得颗粒捕集装置能在较低再生成本下长期高效的运行，从而达到减少颗粒物排放的效果。效果：本装置能在全车耗油量增加0.05%左右的低能耗条件下，实现机外90.47%的微粒捕集效率。在全国472.5万辆国三及其之前的标准的柴油车上加装本装置，可实现每年减排PM 37.12万吨，可使机动车颗粒物排放总量下降60.7%。1柴油货车的污染现状及现有再生技术分析据中国环保部2013年机动车污染物防治年报。全国机动车颗粒物（PM）排放量为59.4万吨。其中，汽车排放56.7万吨

3、，占95.5%。柴油机的排放物中主要包括NOx，HC，CO 和微粒物，其中 NOx 和微粒物的排放量较高，污染较严重。NOx的排放量与汽油机相当，但微粒排放量则是汽油机的30-60倍。2015年1月1日起，国家工信部关于柴油车的国四排放标准开始施行。新标准对于新上牌柴油车的排放有着更加严格的要求，但对此前已投入使用的国三及其之前标准的柴油车却存在着监管空白。我们的目标处理对象即为未达国四标准但大量使用的老旧柴油车，针对这类柴油车的尾气后处理改装有着巨大环境效益。现行的柴油机尾气颗粒物处理技术主要分为机内处理和机外处理。由于我们是针对已经投入使用的车辆进行改装，无法对发动机结构进行大改，故只能采

4、用机外处理技术。其中，针对PM的处理，颗粒捕集器是目前捕集效率最高，推广程度最广的解决方案。若加装颗粒捕集器却不提供配套再生装置，随着碳烟微粒在过滤体中的沉积，过滤体逐渐被堵塞，使柴油机排气系统阻力增大，排气背压增高。当排气背压超过一定值后，柴油机的性能开始明显恶化。因此要定期清除沉积在陶瓷过滤体中的微粒，使排气阻力降低到正常工作水平，即实现过滤体的再生。这也是颗粒捕集器能否推广使用的关键难点。现行的再生技术主要有喷油助燃技术、电加热再生技术、反吹再生技术等，而各项再生技术都有着各自的局限性。造成该装置使用寿命短，效率低。所以，设计一套具有再生功能、能长期使用的尾气后处理装置势在必行。表1现有

5、颗粒捕集器再生方法分析现有再生方法实际应用过程中的缺点喷油助燃再生过滤体再生部位不均匀能源消耗量大电加热再生加热温度梯度大，过滤体热应力大再生能耗高逆向喷气再生过滤体再生不均匀，再生效率低PM收集困难，造成二次污染2双腔式微波加热再生颗粒捕集器简介图1：双腔式微波加热再生颗粒捕集器示意图 图2：单腔式微波加热再生颗粒捕集器实物模型图 考虑到现有再生方法的局限性，为解决这一难题，我们设计了双腔式微波加热再生颗粒捕集器。如图所示，本装置主要由双腔体壁流式陶瓷过滤器模块、微波加热再生模块和二次空气补给模块组成。旨在通过双腔交替式微波加热的方法实现颗粒捕集器的再生，从而实现长时间高效率的捕集柴油机尾气

6、颗粒物，从而降低柴油车尾气颗粒物排放，最终实现减排效果。图3：Double Filters双腔式微波再生颗粒捕集器工作流程示意图主要工作过程为：随着柴油机尾气中的颗粒物不断被颗粒捕集器捕集，过滤体前后压差逐渐增大。当压力传感器检测到前后压差到达三倍时(根据已有文献查得的最佳再生时机)，控制系统启动装置。车载电源通过逆变器以达到微波发生装置的供电要求，磁控管发出微波，颗粒捕集器中的碳烟被加热燃烧，由于再生腔内氧气不足，碳烟不完全燃烧生成CO，造成二次污染，为此我们加入了二次空气补充装置，通过气泵向再生腔内补充适量的空气。此外，考虑到通入二次空气以及微波加热过程会对排气背压造成影响，从而影响发动机

7、的运行。我们设计了双腔式加热结构，当一个颗粒捕集器进行再生时，通过切换阀将尾气排入另一个颗粒捕集器，两个腔体交替运行，交替再生，避免再生过程中对发动机的不良影响，以及旁通阀排出的未处理尾气对环境的影响。2.1微波加热再生装置 图4：单腔体加热装置示意图上图所示为单个腔体加热装置。采用微波加热再生的方式，可以实现就地生热内外同热，不需要传热过程，瞬时可达到高温。因此具有加热速度快(相同功率下为用时仅为电加热的七分之一以下)，能量利用率高（达98.7%），可实现快速自动控制等一系列优点。微波在过滤体内形成空间分布的热源，对沉积在过滤体上的对微波具有极强吸收能力的微粒进行加热，使碳烟微粒吸热燃烧。再

8、生过程中，过滤体内部的温度梯度小，因而减小了热应力引起过滤体破坏的可能性，再生窗口显著加宽，再生过程易于控制，对过滤体使用寿命的延长、有效再生是十分有利的。2.2双腔体式柴油颗粒捕集器 A腔收集尾气B腔再生（交替工作后，通过气动阀的切换，B腔收集尾气A腔再生）图5：双腔式结构工作原理图对于传统的单腔体式颗粒捕集器，再生过程会对尾气管道内气体流场造成影响，从而影响发动机性能。因此，传统的再生装置往往在再生腔体前加入旁通阀，实际再生过程中，柴油机排放的尾气通过旁通阀通入大气，导致装置整体减排效果欠佳。为此，我们设计了双腔式再生腔体，当其中一个捕集器捕集效率有所下降时，通过切换阀将尾气通入另一只腔体

9、，再对原有腔体进行微波加热。两个腔体交替使用，交替再生，可以保证尾气中的颗粒物时刻被捕集。虽然一次制造成本相对单腔体较高，但避免单个腔体长时间连续工作可以极大延长装置的使用寿命，可以减少车辆在日后更换尾气控制装置过程中的往返成本以及更换成本；同时减少监管过程中所耗的人力物力。从更广泛的意义来看，本装置不仅利用较低的代价实现了减排的效果，同时也在很大程度上降低了能耗。2.3二次空气补给装置 传统的主动加热再生过程，如电加热再生、喷油再生的过程中，由于颗粒燃烧需要消耗大量氧气，往往会使得颗粒物中的碳烟不完全燃烧生成CO等二次污染气体，从而在再生过程中增大对环境的危害。同时，由于颗粒捕集器内的颗粒物

10、无法充分燃烧，缺氧状态也会对再生效率造成影响。基于以上问题，我们加入了二次空气补给模块，在颗粒捕集器前段安装一个小型气泵，并通过切换阀控制其开闭。通过实验确定在不同工况、不同温度条件下通入二次空气的最佳流量。从而在再生过程中通入合适的二次空气，帮助颗粒捕集高效再生，且减少再生过程中二次污染物的排放。3微波加热及腔体设计原理3.1微波加热原理当微波作用于由极性分子组成的电介质时，极性分子形成的电偶极子便从高频电场中获得位能，偶极子将随高频电场的方向改变而高速变化，相邻的分子相互高速摩擦，便把从电磁场中获得的位能转化成热能，从而使电介质迅速升温。柴油机尾气颗粒物中，干碳烟为最主要成分，占75%左右

11、；有机可溶成分占20%-23%。以及极少量硫系阴离子，氢系阴离子，金属。随着国内燃油品质的不断提升，硫系阴离子和金属的含量将进一步降低。其中，碳烟的损耗角较大，容易被微波加热，其燃点为550左右，燃油燃点为427，润滑油燃点为200，均能通过微波加热使其达到燃点并燃尽。被加热材料在微波场中吸收的微波功率可由下式计算： f 微波频率；´材料的介电常数；E电场强度（V/cm）；tan材料的损耗系数；由上式可以看出，被加热材料吸收微波能量的能力与材料本身的特性（介电常数，损耗系数等参数）有关。这也就是微波的选择加热性。碳烟颗粒损耗系数为tan=153.5×103，极易被微波加热，

12、从而燃烧并实现再生过程。3.2对于特定频率微波谐振腔体的设计载体外壳实际可等效为一个圆柱形谐振腔加热器。为了能让电磁能有效地传递到碳颗粒上，谐振腔设计时，要求谐振腔的尺寸取特定的值，从而使在微波源的工作频带（2450 ± 30MHz）内，谐振腔内存在谐振模式。为了求得谐振腔的尺寸，我们首先进行了理论计算，求出一个粗略的值。由于实际腔体形状与理论分析不符，而且腔体内还存在着堇青石、碳烟颗粒介质，求得的结果会有偏差。为了求得更为精确的值，我们又进行了CST软件仿真。具体的理论计算及软件仿真过程见附件1腔体尺寸设计及CST软件仿真流程。依据仿真结果所得尺寸，我们进行了机械设计并加工完成了单

13、腔体式微波加热再生颗粒捕集器，具体的机械设计过程及机械制图参见附件2腔体设计机械制图。并以此腔体为模型完成了理论验证试验。 图6：仿真所得能流分布图。可以看到，能量 图7：仿真所得能量损失图。能量损失最大处由磁控管发出后主要向左端过滤体流动，当能 为过滤体中心位置，可以最大程度将微波能量量流过左端过滤体时，逐步被过滤体吸收。 损耗用于过滤体温度的升高，实现高效加热。图8：S11参数随频率变化图。观察S11参数（反射能量与总能量之比）随频率的变化，S11参数在频率为2.45G处出现了一个吸收峰，为-38.04dB，对能量的吸收效率达到了98.7%，而2.45GHz恰为磁控管微波发射频率，说明腔体

14、可以有效的吸收微波能量，反射的能量不会烧毁磁控管。4难点与解决本装置在实际设计和模型制作的过程中，考虑到实际使用和推广过程中的安全、便捷、低成本等要求，结合车辆运行过程中的实际特点，我们或借鉴相关产品中的经验进行适应性改造，或结合现有知识储备自行思考并实现了一些精巧的小设计，以解决我们在设计和制作过程中所遇到的难题，使得本套装置更具有实际使用价值。 图8：难点解决部分位置示意图及实物图4.1采用壁流式堇青石过滤体解决过滤体选择问题在腔体内部，装有过滤器以实现对尾气中颗粒的捕集功能。我们选用了材料为堇青石，结构为壁流式的过滤器。如图所示，壁流式蜂窝陶瓷是目前过滤效果最好，结构最紧凑的一种结构设计

15、。为充分利用微波的选择加热特性，实现高效节能再生和延长过滤体寿命。我们选用了堇青石作为过滤材料。堇青石对微波基本呈透明状态，过滤体中沉积的微粒是微波选择加热的主要对象。由于过滤体本身不吸收微波，随着再生的进行，前端微粒燃烧，微波加热区域逐渐向后推移，这样就可以基本保证整个过滤体上沉积的微粒都能得到很好的加热。4.2设计石英保护罩解决尾气污染磁控管问题（图8中部件）我们选用的磁控管是目前市场上常见的频率为2450MHz的700W磁控管，目前主要应用于微波炉配件中。在预实验的过程中，我们发现，含有碳烟的尾气进入波导，会在磁控管的输出窗上积聚碳烟，可能引起微波放电，损坏磁控管。为此，我们选用了加装石

16、英保护罩解决此问题，一方面磁控管输出窗与载体外壳空腔隔离，另一方面，由于石英材质的损耗角极小，微波可以无损耗的通过石英玻璃罩，尾气中附着在石英罩上的碳粒，在微波作用下自动燃烧。4.3设计微波截止隔热环解决磁控管受热温度过高问题(图8中部件)实验初期，由于墙体内温度较高，与腔体直接接触的金属制磁控管通过热传导的方式接受热量传递而急剧升温，导致磁控管烧坏，为此我们根据磁控管微波发射头的尺设计了微波截止隔热环，由于该环为金属材质，可保证不会造成微波泄漏；重要的是，将此环置于腔体平台和磁控管之间，可在二者之间形成空气冷却层，减少从腔体向磁控管的热量传递，从而更好地保护磁控管。4.4设计微波截止板解决微

17、波防泄漏问题(图8中部件)微波加热再生的安全性是决定此项技术能否推广应用于市场的重要因素，也是我们考虑的重点。为此，我们通过对微波特性的了解，设计并加工出防止微波泄漏安全装置微波截止板。我们自主设计了微波截止板。载体腔端盖的通气口端安装直径14cm 的不锈钢金属片，并在上面打上大约 16×16 个 直径0.6cm的小孔。一方面保证微波只在圆柱形腔内谐振，不向外辐射；另一方面不妨碍尾气顺利通过过滤装置。5实验过程及结果5.1过滤体捕集效率测定实验方案使用发动机型号为三环290F风冷系列柴油机，排气量为1.145L，标定功率为12KW。过滤体选用深圳速美公司生产的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，尺

18、寸为144×152.2mm，堆密度为1.1kg/L，孔容为0.52ml/g。采用盛世牌SV-5Y型不透光式烟度仪测量颗粒捕集器入口和出口的尾气烟度。保持柴油机在2400r/min,90%负荷工况下运行，待工况稳定后，测得进出口的烟度值并计算过滤效率。表2过滤体捕集效率测量实验结果实验组号组内平均进口烟度（FSN）组内平均出口烟度(FSN)过滤效率（%）10.0570.00689.4720.0450.00393.3330.0470.00589.36平均值0.0490.00490.47实验结论：由上表可以得出，过滤体捕集效率可达90.47%且较稳定。4.2过滤体再生效果测定微波再生装置连

19、接到柴油机的排气管，使用CYG1200系列通用型压阻式差压变送器检测过滤体前后的背压变化，背压达到设定值6.4kpa时开始再生。此时切换流道通入流量为0.6kg/min的二次空气。再生过程中通过测定再生前后的过滤体质量变化来计算再生效率及再生所需时间。图9：黑色曲线表示过滤体初次捕集的背压变化；红色曲线表明经过再生40次后的过滤体再次进行捕集的背压变化。说明过滤体经过再生后过滤效果基本不变。图10：黑色曲线表示过滤体初次再生的碳烟质量变化；红色曲线表示经过40次再生后过滤体再生的碳烟质量变化。说明再生效率较高且随使用次数增多变化很小。图中黑色曲线表示过滤体捕集完后第一次进行再生的质量变化。红色

20、曲线表示经过多次捕集再生后的过滤体再次进行再生的质量变化。说明过滤体的再生效果较高，且随使用次数增多变化很小。6 应用前景展望本装置中，微波发生器功率为700W，实验过程中每3.6小时再生一次，加热十分钟即可达到再生效果。实验设计转速对应车速为100km/h，故可以计算得微波加热所耗电量为0.062kwh/百公里。现有柴油机效率为40%左右，可计算得使用本装置每百公里增加耗油量约为0.01L。柴油车满载行驶的耗油量约为每百公里20L，使用本装置相当于油耗增加了0.05%，具有较好的经济性。本套装置设计使用寿命为150000公里，单套制作成本约为2175元，若批量生产，预计可将成本降为1500元

21、左右，相比现有国四柴油货车每辆2万元左右的环保改造成本，价格较低，便于推广。具体计算过程见附件四：成本及能耗计算过程。7 创新点：微波加热技术及双腔式设计的应用不同于以往的颗粒捕集器再生装置，本装置采用了微波加热再生以及双腔体式设计，使得装置能够长时间、高效地实现对柴油机尾气颗粒物捕集，我们的主要创新及突破点如下：（1）采用微波加热的方式进行再生，实现颗粒捕集器均匀、高效、快速再生。微波具有选择加热和空间加热的特点。碳烟颗粒对微波的吸收能力很强，是陶瓷的100倍以上，因此对延长过滤体寿命，提高再生效率十分有利。微波具有良好的空间加热特性，这种加热特性可以使沉积在过滤体内部的微粒在当地吸热、着火

22、和燃烧，不需要任何形式的燃烧传播，再生窗口宽。过滤体内的温度梯度小，减少了热应力对过滤体损坏的可能性。且通过合理设计腔体尺寸及设计防泄漏装置，保证了微波再生的有效性、安全性和可靠性。相对电加热或静电捕集技术，微波加热再生的能耗最小，降低了减排成本，有利于市场推广。（2）设计双腔体式微粒捕集器，提高整体捕集效率，延长使用寿命。传统的微粒捕集器在加热再生过程中无法进行捕集，降低了捕集效率。此外，微波加热与二次空气的通入会改变尾气背压，影响发动机的正常运行。采用双腔体式设计，当一个颗粒捕集器进行再生时，通过切换阀将尾气排入另一个颗粒捕集器，两个腔体交替运行，交替再生，避免再生时对发动机的影响以及再生

23、过程中排出的污染物对环境的影响。此外，避免单个腔体长时间连续工作可以极大延长装置的使用寿命，可以减少车辆在日后更换尾气控制装置过程中的往返成本以及更换成本；同时减少监管过程中所耗的人力物力。从更广泛的意义来看，本装置不仅利用较低的代价实现了减排的效果，同时也在很大程度上降低了能耗。8附件清单附件一：腔体尺寸设计及CST软件仿真流程 附件二：腔体设计机械制图汇总附件三：再生过程自动控制单片机源程序附件四：成本及能耗计算过程附件五：实验思路详述及数据处理过程附件六：工作过程及实验过程演示视频附件七：微波防泄漏检测结果参考文献1 杨儒贵电磁场与电磁波北京：高等教育出版社，2003，65-682 张兆

24、镗微波加热技术基础北京：电子工业出版社，1988，27-283 黄志洵截止波导理论导论(第二版).北京：中国计量出版社，1991，41-454 宁智，资新运，欧阳明高柴油机微粒捕捉器主动再生特性的计算与分析内燃机学报,2001,19(4)：309-3135 龚金科，赖天贵，刘孟祥，等柴油机微粒捕集器过滤材料与再生方法分析与研究.内燃机,2004,(3):1-46 张延峰, 宋崇林, 成存玉,等. 车用柴油机排气颗粒物中有机组分和无机组分的分析.燃烧科学与技术，2004（3）：199-2007 Yamamoto K.,Satake S.,Yamashita H.Lattice Boltzmann

25、 Simulation on Porous Structure and Soot AccumulationMathematics and Computers in Simulation,2006,72:257-2638 Yamamoto K.,Oohori H.,Yamashita H.Simulation on Soot Deposition and Combustion in Diesel Particulate FilterProceedings of the CombustionInstitue,2009,32:1965-19729 Konstandopoulos AG，Kostogl

26、ou M,eta1Spatial Non-Uniformities in Diesel Particulate Trap RegenerationIn：SAE World CongressDetroit，2001,192-21410 Haralampous O.,Koltsakis G.Intra-layer Temperature Gradients During Regeneration of Diesel Particulate FiltersChemical Engineering Science,2002,57:2345-235511 Liu Y.,Gong J.,Numerical

27、 Simulation of GasParticle Two-Phase Flow Characteristic during Deep Bed Filtration ProcessSAE Paper 2007-01-l135附件一：腔体尺寸设计及CST软件仿真流程1设计目的和要求 载体外壳实质上可以等效为一个圆柱形谐振腔加热器。为了能让电磁能最佳地传递到碳颗粒上，使反射的能量不至于烧坏磁控管，谐振腔设计时，要求在微波源的工作频带（2450 ± 30MHz）内，谐振腔内存在谐振模式，腔体的S11参数（反射能量与总能量之比）小于-15dB。2理论计算部分2.1理论计算依据在圆柱形谐振腔

28、中，可能存在横磁（TM）波和横电（TE）波两类电磁场模式。对于 TM 模式，其谐振频率可表示为：f=v(xmn2a)2+(p2l)2对于 TE模式，其谐振频率可表示为：f=v(ymn2a)2+(p2l)2式中 f 为谐振频率，v 为波速，此处 vc，c 为真空中光速；a 为圆柱型谐振腔的半径；l 为谐振腔长度；m，n，p 为模式标号。对于不同的 m、n、p值，有不同的振荡模式。标数 m 表示电磁场分量在半圆周上极大值的个数，标数 n 表示电磁场分量在半径 a上极大值的个数，标数 p表示电磁场分量在腔长度 l上极大值的个数。Xmn是m阶贝塞尔函数的第n个根，Ymn是m阶贝塞尔函数导数的第n个根。

29、2.2理论计算结果 我们的腔体是两个半径不同的圆柱体的拼接组成，较大半径的圆柱体中放置吸附了碳烟颗粒的过滤体。我们假设腔体是一个理想的圆柱，半径取略小的一部分圆柱的半径，代入上述公式中，求出一个存在谐振模式的谐振腔体长度值。计算结果显示，在2.45GHz频率下，对于腔体长度为22.8cm的腔体，存在着TE112模式的谐振模式。 3软件仿真部分3.1仿真思路由于实际腔体形状与理论分析不符，而且腔体内还存在着堇青石、碳烟颗粒介质，求得的结果会有偏差。为了求得更为精确的值，我们又进行了软件仿真。具体方法是将理论计算所得尺寸代入CST仿真软件中，调整腔体半径、腔体长度、匮口位置。附图1：建立的模型3.

30、2仿真心得匮口位置的调节：在仿真中，我们发现匮口的位置几乎不影响腔体吸收峰的频率，但是匮口位置确实会影响吸收峰的大小，在代入多组数据之后发现，匮口的位置取得越靠近边沿（即圆柱体的两个底面），所得的吸收峰的峰值就越大（绝对值）。腔体半径的调节：腔体的半径主要由市场上现存的DPF的半径决定，并没有多少调整的余地。腔体长度的调节：在代入多组数据之后我们发现，随着圆柱体腔体长度的增加，腔体的谐振峰会向左移动，但是同时也注意到，对于尺寸较大的腔体来说，在低于2.45GHz的频率下，腔体与匮口（即磁控管）的阻抗匹配也会变差，谐振峰的峰值会下降。所以我们设计的时候将腔体的总长取的较小，使得腔体在2.45GH

31、z下有一个较大的吸收峰。4仿真结果 附图2：仿真所得电场分布 附图3：仿真所得磁场分布 附图4：仿真所得能流分布 附图5：仿真所得能量损耗附图6：设计腔体对不同频率的波的吸收情况根据CST软件的仿真结果，调节腔体的总长为17cm时，腔体可以吸收98.7%的微波能量，对碳烟颗粒的加热特性良好。软件仿真的结果如下图所示。观察S11参数随频率的变化，S11参数在频率为2.45G是出现了一个吸收峰，为-38.04dB，符合小于-15dB的要求，说明腔体可以有效的吸收微波能量。再观察能流图，能量从磁控管中流出，所以能量在此处最密。然后微波能量流向过滤体，在过滤体之后几乎没有微波能量，这说明过滤体，更确切

32、的说是过滤体中的碳烟颗粒，能高效地吸收微波能量。最后我们观察能量损耗图，微波能量在空气中几乎没有损耗，绝大部分被过滤体中的碳烟颗粒所吸收。观察能量损耗在过滤体中的分布，过滤体中部能量损耗密度最高，周边最低。说明在加热的时候，温度会由内向外升高，这样的设计可以确保热量得到最充分的利用而不至于耗散。附件二：腔体尺寸机械制图1设计目的和要求在基于CST软件仿真的基础上，设计合理的腔体结构及细节部件，使腔体结构满足以下条件：磁控管发射微波能够与腔体谐振；微波不会发生泄漏；在高温环境下磁控管能够正常工作。 2机械制图及设计思路2.1腔体结构附图7：前半腔体三视图附图8：后半腔体结构图腔体结构分为两部分，

33、前后两部分之间通过一个齿型结构相连。腔体内部的大小尺寸参照CST仿真结果进行绘制，目的在于能够与微波进行谐振，从而对放置在其中的过滤体进行加热。前半部分腔体上端的圆形开口用于放置磁控管。腔体两端的管道与排气管相连，起到传输排气的作用。2.2石英罩附图9：石英罩设计图石英罩起到将磁控管与高温排气相隔离的作用，防止高温排气对磁控管造成损害，使磁控管无法正常工作。石英罩的尺寸与磁控管头的长度及直径有关，考虑到有热胀冷缩的影响，因此石英罩的尺寸留有一定的余量，防止与磁控管伸入的开口接触过紧而碎裂。同时，石英罩对微波透明，微波能够无损耗地穿过石英罩进入墙体内进行加热，而不会有所衰减。2.3隔热环附图10

34、：隔热环设计图隔热环用金属制成，放置在磁控管与腔体之间，防止磁控管与腔体直接接触从而因为腔体导热使磁控管过热而造成损伤。同时在磁控管与腔体之间形成空冷层，使得磁控管能够得到充分散热。隔热环的厚度应略大于石英罩上部环形部分的厚度，防止磁控管将石英罩压碎。2.4微波截止板附图11：微波截止板设计图微波截止板放置在腔体前后两端的进出口处，既要起到截止微波的作用，又不能阻碍排气通畅。而由于当孔径小于1/4的微波波长时，微波会被反射，不会从孔中泄漏出去。我们所使用的2.45GHz对于的微波波长为122mm，因此设计上述的孔径完全做到防止微波泄漏并且不阻碍排气的通过。2.5法兰盘附图11：接口法兰盘法兰盘

35、用于整个捕集装置的管道接口与柴油机排气口的相连，设计时保证两个口能够紧密对接即可。2.6水冷套附图12：水冷套由于差压计的最高承受温度为80，而烟气温度远高于该温度，因此需要用水冷套对流经烟气进行冷却。水冷套套在差压计前端的导压管上，水与烟气呈逆向流动，利用充分换热。在前后连接端装有O型密封圈，保证良好的密封性。2.7总体装配图附图13：总体装配图附件三：再生过程单片机控制源程序$INCLUDE (STC12C5A.INC)ORG 0000HLJMP MAIN ORG 0053HMAIN: MOV R0,#00H MOV R1,#00H MOV SP,#30H ACALL ADC ;进行第一次

36、AD转换，将采集到的值存储到7FH中 MOV A,R7 MOV 7FH,ACOMPARE:MOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMER ; AD采样之间的间隔时间为1S钟。ACALL ADC ; 进行另一次AD转换MOV A,R7MOV B,#03HDIV ABCLR CMOV R5,A MOV A,7FHSUBB A,R5 ;将采集到的值与第一次采集到的值比较， JC SRD; 若大于初始值三倍,则进行微波再生ACALL LCD ;显示目前的时间和背压值INC R0 CJNE R0,#3CH,COM

37、PARE MOV R0,#00H INC R1 AJMP COMPARE ;若背压仍小于初始值的三倍，则再次进行AD采样 SRD:CLR P1.4 ;开始再生 MOV R0,#00H MOV R1,#00H HEAT:MOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERMOV R2,#0F7HACALL TIMERACALL ADC ;每个1S进行一次AD采样，显示在LCD上。ACALL LCDINC R0 CJNE R0,#3CH,COMPARE1 MOV R0,#00H INC R1COMPARE1:CJNE R1,#05H,HEAT ;若再生时间达

38、到5分钟，则停止再生 SETB P1.4JMP $ADC: ORL ADC_CONTR, #80H ;开A/D转换电源,第一次使用时要打开内部模拟电MOV R2,#01H LCALL TIMER ;开A/D转换电源后要加适当延时，1ms以内即可 START: MOV P1ASF,#20H ;设置P1.5的模拟量功能 MOV ADC_CONTR,#11100101B ;选择P1.5作为A/D转换通道MOV R2,#01H LCALL TIMER WAIT_AD:ORL ADC_CONTR, #00001000B ;启动A/D转换 MOV A, #00010000B ;判断A/D转换是否完成 AN

39、L A, ADC_CONTR JZ WAIT_AD ;A/D 转换尚未完成, 继续等待 ANL ADC_CONTR, #11100111B ;将ADC_FLAG清零 MOV A, ADC_RES ;读取A/D转换结果 MOV R7, A ;保存A/D转换结果 LCD :MOV A,#38H ;LCD显示模块，显示时间和背压值 LCALL WRITE_CMD MOV A,#01H LCALL WRITE_CMD MOV A,#06H LCALL WRITE_CMD MOV A,#0CH LCALL WRITE_CMD MOV A,#80H LCALL WRITE_CMD MOV A,R1 MOV

40、 B,#0AH DIV AB ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,B ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,#3AH LCALL WRITE_DATA MOV A,R0 MOV B,#0AH DIV AB ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA MOV A,B ADD A,#30H LCALL WRITE_DATA RETWRITE_CMD: MOV R2,#01H LCALL TIMERCLR P1.2 CLR P1.0CLR P1.1NOPSETB P1.2MOV P0,ACLR P1.2 RETWRITE_DA

41、TA: MOV R2,#01H LCALL TIMERCLR P1.2 SETB P1.0CLR P1.1NOPSETB P1.2MOV P0,ACLR P1.2CLR P1.0 RETTIMER:MOV TMOD,#01H ;定时模块 CLR TF0LOOP: MOV TL0,#04BH MOV TH0,#0FBH SETB TR0LOOP1:JNB TF0,LOOP1 CLR TF0 DJNZ R2,LOOP MOV TCON,#00H RETEND附件4：成本及能耗计算过程1成本费用清单附表一制作成本明细费用项目单价数量总价双腔体制作材料30260钢管材料50150机械加工费用12011

42、20格兰仕OM75S(31)GAL01M24FB-210A磁控管18236石英罩制作费用224电子器件35135G1520硬密封高温三通球阀8001800普通三通球阀1501150南宁伊莱特公司壁流式过滤体4002800亚瑞牌DA1611型气泵37137车载逆变器83183总计2175批量生产后，预计成本可降至1500元以下，相比现有两万元每套的机内改装费用，成本低，易于推广。2使用寿命能耗计算过程以实验室排量及转速换算，车辆行驶速度约为100KM/h，每3.6小时再生一次，每次再生时间为10min。则车辆每个再生周期中行驶375KM。实验测得的过滤体经40次捕集再生后的再生效率为97.2%，

43、则可以估算得经过400次捕集和再生，即行驶150000KM后，颗粒捕集器的有效率依然可以达到：0.97210=75.28%，具备继续使用的条件。以此我们估算本套装置的使用寿命为15万公里以上。本装置中选用的磁控阀功率为700W，气泵功率为72W，每捕集再生周期工作10min，所耗电能为46320J，即0.129KWh。一周期内行驶375KM，换算得每百公里耗电量为0.0343KWh，加上本装置控制系统，传感器等用电器件，耗电量约为0.035KWh/百公里。柴油机发电机组效率为32%左右，算上机械损失、放电损失等，以30%作为计算值，算得所需热量为420KJ/百公里。查得柴油热值为9181大卡/

44、升，1大卡=4.184KJ，计算得本装置增加耗油量为0.0103L/百公里，取国内所有重型轻型柴油车的平均耗油量约为20L/百公里，得本装置增加耗油量0.0506%，具有较好的经济性。附件五：实验思路详述及数据处理过程1. 过滤体捕集效率实验1.1实验仪器三环290F风冷系列柴油机，排气量为1.145L，标定功率为12KW。过滤体为壁流式蜂窝陶瓷过滤体，过滤体参数过滤体选用深圳速美公司生产的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，尺寸为144×152.2mm，堆密度为1.1kg/L，孔容为0.52ml/g。盛世牌SV-5Y型不透光式烟度仪。1.2实验步骤过滤效率测定。采用烟度仪分析测量颗粒捕集器入口和

45、出口的尾气烟度。保持柴油机在2400r/min,90%负荷工况下运行，先将尾气通过旁通阀通入烟度仪，测量值作为进口烟度，待工况稳定10min后，关闭旁通阀使尾气通过颗粒捕集器。测量出口尾气烟度计算过滤效率。1.3数据处理及结果过滤体的过滤效率的计算式为：过滤效率=1-出口处的微粒含量/进口处的微粒含量。由于尾气中的微粒含量难以测定，因此可以用烟度来间接反映。进出口的烟度之比，间接等于进出口的微粒含量之比。附表2过滤体捕集效率测量实验结果实验组号组内平均进口烟度（FSN）组内平均出口烟度(FSN)过滤效率（%）10.0570.00689.4720.0450.00393.3330.0470.005

46、89.36平均值0.0490.00590.471.4实验结论由上表中测得的实验数据分析可知，过滤体的过滤效率能够达到90%以上，过滤效果显著，能够有效过滤柴油机尾气中的PM。2、 过滤体再生效果实验2.1实验仪器三环290F风冷系列柴油机，排气量为1.145L，标定功率为12KW。过滤体为壁流式蜂窝陶瓷过滤体，过滤体参数过滤体选用深圳速美公司生产的壁流式蜂窝陶瓷过滤体，尺寸为144×152.2mm，堆密度为1.1kg/L，孔容为0.52ml/g。电子天平。CYG1200系列通用型压阻式差压变送器。2.2实验思路及实验步骤过滤体的再生效果通过再生效率和再生时间两个指标进行评价。再生效率

47、取决于再生前后过滤体中碳烟颗粒的质量。实验中采用尾气背压值作为是否进行再生的依据。微波再生装置连接到上述柴油机的排气管，使用CYG1200系列通用型压阻式差压变送器检测过滤体前后的背压变化，因压感器允许最高温度为80，故在过滤体前端导压管上加装水冷套降温。过滤体初始背压为2.1KPa，捕集210min，背压达到6.4KPa时，控制系统开启微波加热装置进行再生。此时应通过切换阀切换尾气排放通道，但实际操作通过旁通阀将排气排入大气，同时通入流量为（0.6L/min）的二次空气。再生过程中我们通过测量再生前后过滤体质量的变化来判断再生效果。为了确定再生是否完全，将捕集完全的过滤体进行再生，我们分别采

48、集了再生过程中1min、2min、3min.的数据点，经过多次试验后发现，当再生时间达到10min之后，过滤体的质量不再发生明显变化，此时认为再生已经完全。在测量再生完全所需时间的实验中，同时可以测得再生完全后过滤体质量，得到再生过程中燃烧的碳烟颗粒质量，对比再生前过滤体捕集到的碳烟颗粒质量，从而可以得到再生效率。同时，为了保证过滤体经过再生后仍然具有良好的过滤效果，并且经过多次再生及捕集之后，再生效率仍然能够保持基本不变，我们采集了经过40次使用周期后的过滤体的捕集及再生实验数据，并且与初次捕集再生的实验数据进行对比，绘制成图表。在测量背压的过程中采集了一系列时间点对应的背压数据。一部分为洁净过滤体捕集时的背压数据，一部分为经过再生后的过滤体的背压数据。两组数据进行对比，可以证明过滤体经过再生后是否仍然具有良好的捕集效果。2.3数据处理及结果时间/min过滤体背压/KPa时间/min过滤体背压/KPa第1次再生第41次再生第1次再生第41次再生02.12.41204.64.8102.12.41304.95.1202.22.51405.25.3302.32.51505.45.5402.52.81605.65.8502.82.91705.86.0602.93.21805.96.1703.13.41906.16.3803.43.72006.