EGR控制閥的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

EGR控制閥的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).I...S....S.....N........1....0.0..2,--,.,..4....9...—5—6CN11—2034/T實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理ExperimentalTechnologyandManagement第28卷第9期2011年9月V0lJ28No.9Sep.201lEGR控制閥的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)趙振海(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科技產(chǎn)業(yè)處,天津300222)摘要:為了降低柴油機(jī)氮氧化物(N0)的排放,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行準(zhǔn)確控制,研發(fā)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)(EGR)新型控制系統(tǒng),并對(duì)其硬件和軟件進(jìn)行了深入分析.測(cè)試結(jié)果顯示,氮氧化物的排放量有了顯著降低,驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件和軟件的有效性.關(guān)鍵詞:柴油機(jī);廢氣再循環(huán);電控單元;微處理器中圖分類(lèi)號(hào):TK414.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):10024956(2011)09—006306ResearchanddesignofanewcontrolsystemwithEGRvalveZhaoZhenhai(TechnologyandIndustryDivision,TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianiin300222,China)Abstract:Inordertoreducethenitrogenoxide(NO)emissionofdiesel,andtocontroltheengineperformanceaccurately,anewEGRvalvecontrolsystemisdesigned,andthehardwareandsoftwareofEGRvalvecontrolsystemareanalyzedin-depth.Testresultsshowthatthenitrogenoxideemissionhasbeensignificantlyre—duced.Theeffectivenessofsystemhardwareandsoftwareisverified.Keywords:diesel;EGR;electroniccontrolunit;microprocessor汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣是空氣污染的主要來(lái)源之一,是國(guó)家節(jié)能減排的重點(diǎn).各發(fā)動(dòng)機(jī)廠家都提高了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),目前汽油機(jī)已達(dá)到國(guó)Ⅲ和國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn),柴油機(jī)也已達(dá)到國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn).汽車(chē)廢氣是一種不可燃?xì)怏w(不含燃料和氧化劑),在燃燒室內(nèi)不參與燃燒,它通過(guò)吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量來(lái)降低燃燒溫度和壓力,以減少氧化氮的生成量.進(jìn)入燃燒室的廢氣量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增加.氮和氧只有在高溫,高壓條件下才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生氮氧化物(NO),發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的溫度和壓力滿(mǎn)足了上述條件,在強(qiáng)制加速期間更是如此.為此,采用廢氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)以降低廢氣中的NO的排出量:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),EGR閥開(kāi)啟,使少量的廢氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管,與可燃混合氣一起進(jìn)入燃燒室;怠速時(shí)EGR閥關(guān)閉,幾乎沒(méi)有廢氣再循環(huán)至發(fā)動(dòng)機(jī).EGR系統(tǒng)的主要元件是數(shù)控式EGR閥.因此,收稿日期:2011—01O6基金項(xiàng)目:天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金項(xiàng)目(20090704)作者簡(jiǎn)介:趙振海(1966),男,天津,本科,實(shí)驗(yàn)師,高級(jí)技師,國(guó)家級(jí)職業(yè)技能競(jìng)賽裁判員.E-mail:tjzha0zhenhai@126.cornEGR控制閥控制系統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)于EGR系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果至關(guān)重要.本文開(kāi)展了新型EGR控制閥控制系統(tǒng)的研究,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性.1EGR控制系統(tǒng)組成與工作原理1.1EGR控制系統(tǒng)組成EGR電控系統(tǒng)由電子控制單元(electroniccon—trolunit,ECU),EGR閥,前向通道,后向通道及通信接口等組成,如圖1所示.系統(tǒng)各部分的組成與功能如下:(1)前向通道(輸入通道).前向通道包括各種傳感器(主要完成轉(zhuǎn)速,油門(mén)踏板位置,冷卻液溫度等信號(hào)的采集,為控制部分提供工況判斷依據(jù)),信號(hào)放大電路,采樣保持器,信號(hào)調(diào)理電路,模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器,或開(kāi)關(guān)量輸入等.傳感器完成發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息采集,并與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.(2)后向通道(輸出通道).后向通道包括數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器,開(kāi)關(guān)量輸出,驅(qū)動(dòng)電路等,實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制交互.執(zhí)行器采用真空度調(diào)節(jié)電磁閥,電磁閥把控制信號(hào)變?yōu)镋GR閥的機(jī)械位移,使EGR閥穩(wěn)定在該工況下的最佳位置.(3)EGR閥.所采用的數(shù)控式EGR閥安裝在排氣歧管上,其作用是獨(dú)立地對(duì)再循環(huán)到發(fā)動(dòng)機(jī)的廢64實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理圖1EGR控制閥控制系統(tǒng)組成框圖氣量進(jìn)行準(zhǔn)確控制,而不管歧管真空度的大小.EGR閥通過(guò)直流電機(jī)控制的計(jì)量孑L,控制從排氣歧管流回進(jìn)氣歧管的廢氣量,以產(chǎn)生不同流量的組合.當(dāng)電磁閥通電時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥體,使計(jì)量孔開(kāi)啟.直流電機(jī)控制的閥體的特性保證了當(dāng)EGR閥關(guān)閉時(shí),具有良好的密封性.EGR閥通常在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速超過(guò)怠速時(shí)開(kāi)啟.(4)ECU.ECU是對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)送入的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,判斷發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工作狀態(tài),并依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)EGR控制MAP圖(表示負(fù)荷,轉(zhuǎn)速,廢氣再循環(huán)率三者之間的關(guān)系).特性數(shù)據(jù)作出控制決策,發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)控制電路.EGR閥位置的MAP圖需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行負(fù)荷特性試驗(yàn),選擇各工況點(diǎn)的廢氣再循環(huán)率(EGR率)所對(duì)應(yīng)的EGR閥開(kāi)度百分比,所得的MAP圖存人ECU.ECU根據(jù)轉(zhuǎn)速,油門(mén)開(kāi)度,冷卻水溫等信號(hào),查MAP圖并通過(guò)插值計(jì)算當(dāng)前工況下需要的EGR閥開(kāi)度目標(biāo)值,并與EGR閥位置傳感器反饋值比較,通過(guò)比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)和功率放大,輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào);PWM信號(hào)控制真空電磁閥,繼而調(diào)節(jié)作用在EGR閥真空室的真空度大小,達(dá)到控制EGR率的目的口].1.2EGR控制系統(tǒng)工作原理EGR系統(tǒng)的基本機(jī)理是從排氣歧管中把部分燃燒過(guò)的廢氣通過(guò)EGR閥引入柴油機(jī)的進(jìn)氣管中,與新鮮空氣混合后進(jìn)入燃燒室.它通過(guò)以下3個(gè)方面來(lái)減少NO的形成:(1)提高了混合氣的熱容量.引入廢氣有利于延遲著火,廢氣中含有水蒸氣,CO.等氣體,增加了參與反應(yīng)物質(zhì)的比熱容,有效地降低氣缸內(nèi)最高燃燒溫度,抑制N()的生成.(2)降低了混合氣中0的濃度.廢氣中的COz,H.(),N等氣體對(duì)()有稀釋作用,從而降低NO的牛成.(3)降低了燃燒速度.引入的廢氣吸收燃燒釋放的熱量,使燃燒速度減慢,從而降低燃燒最高溫度,減少NO的生成.柴油機(jī)的EGR控制比較復(fù)雜,所以一般要采用電子控制.EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況給出一個(gè)合適的EGR率,以使發(fā)動(dòng)機(jī)排放和性能達(dá)到優(yōu)化配合.本文所述的EGR率以試驗(yàn)時(shí)進(jìn)排氣中CO的體積百分比來(lái)定義:EGR一式中:(C0)指發(fā)動(dòng)機(jī)中加入EGR后進(jìn)氣中CO的體積分?jǐn)?shù);(CO)指發(fā)動(dòng)機(jī)中加入EGR后排氣中CO的體積分?jǐn)?shù);(CO.)指發(fā)動(dòng)機(jī)中未加EGR時(shí)進(jìn)氣管中CO.的體積分?jǐn)?shù).CO.的體積分?jǐn)?shù)比采用氣體排放測(cè)試儀測(cè)量.2硬件功能模塊設(shè)計(jì)2.1電源電路電源電路圖見(jiàn)圖2,電源電路主要是由U5SUM110P06器件(P溝道場(chǎng)效應(yīng)管,簡(jiǎn)稱(chēng)CMOS管),U1O—LM294lS(1.25A高電流低噪聲可調(diào)電壓校準(zhǔn)器),U7—4931(極低泄漏的電壓抑制調(diào)節(jié)器)及二極管D1/D2/D3/D12/D13,電解電容EC4/EC5/EC6,瓷片電容C16/C66,電感L1和電阻組成.整車(chē)的供電在發(fā)動(dòng)機(jī)未正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前是由蓄電池供電,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之后整車(chē)的電力由交流發(fā)電機(jī)提供,因此,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間電壓變化非常劇烈(典型變化范圍為13～25V).為了使控制電路的芯片的供電不受此變化的影響(輕則電路不能正常工作,重則電路燒毀),此電路安排了三級(jí)穩(wěn)壓裝置:U5～SUMI10P06,U1O—LM2941S和U7—4931.2.2前向通道EGR電控系統(tǒng)的前向通道電路圖如圖3所示.趙振海:EGR控制閥的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)65圖2電源電路圖圖3前向通道電路圖實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)位置檢測(cè)油門(mén)位置傳感器實(shí)際為一旋轉(zhuǎn)式滑線電阻器,當(dāng)油門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出端的電壓也隨之變化,根據(jù)標(biāo)定好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,微控制器通過(guò)計(jì)算輸出PWM信號(hào),通過(guò)后向功率放大電路,為EGR閥提供開(kāi)啟脈沖.2.2.2水溫檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感器為一熱敏電阻.微控制器通過(guò)計(jì)算,輸出PWM信號(hào),通過(guò)后向功率放大電路,為EGR閥提供開(kāi)啟脈沖.2.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)從發(fā)動(dòng)機(jī)上的交流發(fā)電機(jī)輸出取得,因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出的正弦波的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有固定的比值關(guān)系.2.3電子控制單元EGR電子控制單元同汽車(chē)中使用的其他控制模塊一樣,是由單片機(jī)為核心,并添加一些必要的輸入和輸出接口電路組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示l2].在本EGR電控系統(tǒng)中,電子控制單元的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,其硬件的組成直接決定了整個(gè)電控系統(tǒng)的運(yùn)行效率與精度.因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的運(yùn)算量不是很大,所以在選擇硬件時(shí)可以適當(dāng)考慮降低成本.本圖4EGR電子控制單元框圖控制輸出信號(hào)系統(tǒng)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CM0S8位單片機(jī)AT89C5.2.4后向單元圖5為后向通道的電路圖.后向執(zhí)行單元的主要芯片為L(zhǎng)TC3727,是一種高效率,2通道同步降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,輸人為MC9S12DP512的PK5/PK7,通過(guò)鎖定輸入頻率,為大功率器件HAT2172(N溝道電源場(chǎng)效應(yīng)管)提供穩(wěn)定的PWM信號(hào),準(zhǔn)確控制EGR閥的開(kāi)啟位置.同時(shí)EGR閥的位置反饋信號(hào),通過(guò)前向輸入通道被中央處理單元MC9S12DP512取得,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整EGR,以達(dá)到最佳效果.3控制算法與軟件圖5后向通道電路圖3.1軟件結(jié)構(gòu)控制軟件采用c語(yǔ)言編寫(xiě).編程采用模塊化結(jié)構(gòu),將主控程序分成若干子程序和中斷服務(wù)程序,單獨(dú)編寫(xiě),調(diào)試各個(gè)功能塊程序,最后將它們連接在一起形成控制程序.主控程序主要包括控制系統(tǒng)的初始化程序以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況測(cè)定,判別和相應(yīng)的處理程序等H].圖6為控制流程圖.3.2控制策略由于EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能有很大的影響,廢氣循環(huán)量過(guò)少,則不能有效地降低NO的排放量;循環(huán)量過(guò)大,則發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化,工作不穩(wěn)定.增加EGR率可以使NO排出物降低,但同時(shí)會(huì)使HC排出物和燃油消耗增加.基本EGR率由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及負(fù)荷來(lái)確定,在各種工況采用的EGR率必須是對(duì)動(dòng)力性,經(jīng)濟(jì)性和排放性能的綜合考慮.具體考慮如下:趙振海:EGR控制閥的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)67l系統(tǒng)初始化I●IEGR閥復(fù)位il檢測(cè)當(dāng)前油門(mén)位置,轉(zhuǎn)速和環(huán)境參數(shù)令確定控制方向和控制量J調(diào)整EGR閥桿位置II'EGR閥桿位置反饋l圖6控制流程圖(1)在低速,低負(fù)荷時(shí),由于噴油量少,燃燒不穩(wěn)定,應(yīng)降低EGR率;在高速,大負(fù)荷時(shí),為了獲得較高的輸出功率,也應(yīng)降低EGR率.(2)怠速時(shí),燃燒溫度不高,NO的排放量不大,為了使發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,需要切斷廢氣再循環(huán).(3)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度較低時(shí),油氣混合氣在氣缸內(nèi)各處擴(kuò)散不均勻,燃燒不穩(wěn)定,而且燃燒溫度較低,需要切斷廢氣再循環(huán);隨著冷卻水溫度的升高,逐漸增加廢氣再循環(huán)量.(4)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),為了使發(fā)動(dòng)機(jī)能順利起動(dòng),并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),需切斷廢氣再循環(huán).(5)在進(jìn)氣溫度較低時(shí),氣缸內(nèi)的燃燒溫度也會(huì)降低,這時(shí)也應(yīng)減少?gòu)U氣再循環(huán)量,以使燃燒過(guò)程能良好地進(jìn)行.(6)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),怠速和減速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫低于35℃和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫超過(guò)90℃時(shí),為避免燃燒不穩(wěn)定,應(yīng)切斷廢氣再循環(huán).3.3控制算法本系統(tǒng)采用在計(jì)算機(jī)控制中廣泛應(yīng)用的數(shù)字遞推PID控制算法.離散的位置式PID控制算法表達(dá)式為:k(Tk)一K?P(T)+K>:P(T)+—oKdI-e(Tk)一P(T,-1)]e(Tk)一r(Tk)一Y(Tk)其中,K為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù),Ki===K.?丁/Ti;Kd為微分系數(shù),Kd—K?Td/T;Tk為采樣周期,k為采樣次數(shù),k一0,1,…;(Tk)為第k次采樣計(jì)算的輸出值,即PID控制的輸出和被控對(duì)象的輸入;e(Tk)為第k次采樣輸入的偏差值,即PID控制的輸入,r(Tk)為輸入量;(T)為實(shí)際輸出量.增量式PID控制算法公式為Au(Tk)一K.?Ae(Tk)+K?P(T)+Kd?r-z>(T)一,fie(T1)]其中:Ae(Tk)一P(Tk)一P(Tk1);Ae(T^一1)一P(T^一1)一P(T一2)實(shí)際的控制量為上次控制量與控制增量之和,即:(T^)===U(T一1)+Au(T)4系統(tǒng)測(cè)試為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,對(duì)EGR閥控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn),所用測(cè)試電路結(jié)構(gòu)如圖7所示.圖7測(cè)試電路結(jié)構(gòu)圖通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)以及對(duì)各工況點(diǎn)的結(jié)果分析,得出了EGR電控系統(tǒng)與目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的最佳EGR控制MAP圖如圖8所示.圖8MAP圖在某型柴油機(jī)上應(yīng)用本文所開(kāi)發(fā)的電控EGR系統(tǒng),并保持該發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比,供油提前角,噴油壓力等結(jié)構(gòu)參數(shù)不變Ⅲ.考慮到該發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2200r/min,選擇1300r/min,1800r/min兩種轉(zhuǎn)速進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)(見(jiàn)圖9),測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)68實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理力性,經(jīng)濟(jì)性和排放特性指標(biāo),并進(jìn)行EGR效果測(cè)試.互一●≥竺刪0Z0020030()400500600700平均有效壓力/kPa(a1"=1300r/minj'≥:～耬:zg0Z00200300400500600700平均有效壓力/kPa(b=1800min圖9不同轉(zhuǎn)速下NO排放量的對(duì)比曲線圖圖9結(jié)果驗(yàn)證了:EGR電控系統(tǒng)的合理性與適用性,本文設(shè)計(jì)的EGR控制閥的控制系統(tǒng)能有效減少N()的排放,硬件電路具有在滿(mǎn)足控制要求的前提下簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn);控制軟件程序具有任務(wù)明確,條理清楚的優(yōu)點(diǎn),便于修改調(diào)試;同時(shí)也充分說(shuō)明EGR技術(shù)降低排放的可行性.5結(jié)束語(yǔ)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和樣機(jī)試驗(yàn)表明,本文設(shè)計(jì)的EGR控制閥的控制系統(tǒng)能有效控制各工況下的EGR率,使NO排放得到明顯降低.隨著國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的要求逐步提高,到2011年底國(guó)內(nèi)部分城市汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)將達(dá)到國(guó)Ⅳ水平,EGR技術(shù)將與諸多其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合而廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域.參考文獻(xiàn)(References)[1]陸玲亞,聶少華,王吉華,等.柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究lJ].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力,2010(1):69.[2]郭蘭英,趙祥模.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.[3]胡軍義.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)(EGR)電控系統(tǒng)控制策略的研究[I)].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2008.[4]王吉華,居鈺生,王鵬,等.柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力,2007(1):20—23.[5]席端良,方錫邦,王平.柴油機(jī)廢氣再循環(huán)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用EJ].柴油機(jī),2008,30(2):5-9.E6]彭美春,黃華,胡強(qiáng).柴油機(jī)廢氣再循環(huán)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008,39(9):15-19.(上接第62頁(yè))4結(jié)束語(yǔ)高校在充分認(rèn)識(shí)到實(shí)踐教學(xué)的重要性的基礎(chǔ)上,"一定要系統(tǒng)地落實(shí)措施:給學(xué)生實(shí)踐以足夠的時(shí)間,足夠的空問(wèn),良好的環(huán)境與條件,合適的要求,內(nèi)容與方