1、第41卷第1期2009年1月哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF HARB IN INSTIT UTE OF TECHNOLOGYVol 141No 11Jan .2009柴油機(jī)EGR 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析楊帥1,姚喜貴2,劉牮3,張振東3,周毅1,吳金花3(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804,mer maid04;2.溫州大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院,浙江溫州,325025;3.上海理工大學(xué),上海200093摘要:針對增壓直噴柴油機(jī)開展EGR 技術(shù)的電子控制研究與應(yīng)用,以降低NO x 排放.依據(jù)柴油機(jī)EGR 控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和功能要求,以80C196單片機(jī)核心,進(jìn)行了控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和控制軟

2、件編寫.根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)對比分析,證實(shí)柴油機(jī)在應(yīng)用EGR 控制系統(tǒng)后,NO x 排放降低1919%,HC 和CO 排放略有增加,柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性與原機(jī)相當(dāng),通過對EGR 回路的冷卻,可以抑制P M 排放增加,同時還驗(yàn)證了EGR 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,能夠?qū)GR 系統(tǒng)按照柴油機(jī)不同工況的最佳EGR 率進(jìn)行實(shí)時控制.關(guān)鍵詞:增壓直噴柴油機(jī);廢氣再循環(huán);控制系統(tǒng);氮氧化物中圖分類號:TK42115文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0367-6234(200901-0263-03D esi gn and exper i m en ta l ana lysis for EGR electron i cco

3、n trol syste m of d i esel eng i n eY ANG Shuai 1,Y AO Xi 2gui 2,L IU J ian 3,Z HANG Zhen 2dong 3,ZHOU Yi 1,WU J in 2hua3(1.College of Aut omobile,Tongji University,Shanghai 201804,China,mer maid04;2.College of I ndustrial Engineering,University of W enzhou,W enzhou 325025,China;3.University of Shan

4、ghai f or Science and Technol ogy,Shanghai 200093,China Abstract:The electr onic contr ol technol ogy about EGR was researched and used in a T D I diesel engine in or 2der t o reduce NO x e m issi on .According t o operati on characteristics and functi ons of EGR contr ol syste m in diesel engine,80

5、C196KC single chi p was selected as EGR syste m contr ol center,then the circuit of EGR sys 2te m was designed and the contr ol p r ogra m was comp iled .Based on the contrast analysis of diesel engine l oad tests,it is p r oved thatNO x e m issi on is reduced by 1919%,CO and HC e m issi on is incre

6、ased a little,power and fuel economy characteristics of diesel engine with EGR syste m are si m ilar t o the original,and cool EGR can restrain the increase of P M as EGR technol ogy is used in diesel engine .The design method about circuit and p r ogra m for EGR syste m is app licable in p ractice

7、and can make EGR syste m operate consecutively and credibly on the basis of op ti m um EGR rates when diesel engine operates under different operati on conditi ons .Key words:turb ocharged direct 2injected (T D I diesel engine;exhausted gas recirculati on;c ontr ol s yste m;nitr ogen oxides收稿日期:2007

8、-10-22.基金項(xiàng)目:同濟(jì)大學(xué)青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)行動計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007K J038.作者簡介:楊帥(1979,男,博士,講師.廢氣再循環(huán)(EG R 技術(shù)可有效降低柴油機(jī)NO x 排放1.EG R 系統(tǒng)的作用是將部分廢氣引出排氣系統(tǒng),再送入進(jìn)氣系統(tǒng),并依據(jù)不同工況的要求對廢氣回流量進(jìn)行最佳的調(diào)節(jié)與控制.目前EG R 系統(tǒng)在國內(nèi)外汽油機(jī)上的應(yīng)用已相當(dāng)普及,并取得了良好的降低NO x 排放的效果.近年來國外的柴油機(jī)越來越多地采用EG R 系統(tǒng),目前歐洲大多數(shù)的直噴式和非直噴式輕型柴油機(jī)均采用EG R 來降低NO x 排放.本文為一直列4行程增壓直噴中冷柴油機(jī)確定了一種適用的EG R 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、形式.該柴油機(jī)總排量51202L,壓縮比1715,標(biāo)定功率/轉(zhuǎn)速132k W /2300(r min -1,最大扭矩/轉(zhuǎn)速660N m /(14001600(r min -1,怠速轉(zhuǎn)速700750(r min -1.1EGR 系統(tǒng)的組成及功能圖1所示系統(tǒng)由電控系統(tǒng)、EG R 冷卻器、EG R 組合氣缸閥、進(jìn)氣節(jié)流閥機(jī)構(gòu)及EG R 廢氣管路等組成.進(jìn)氣節(jié)流閥安裝在中冷器后的進(jìn)氣管中,EG R 系統(tǒng)從增壓器渦輪前取氣,廢氣經(jīng)過EG R 冷卻器和組合氣缸閥,引到進(jìn)氣管中的節(jié)流閥后側(cè).進(jìn)氣節(jié)流閥由步進(jìn)電機(jī)帶動,用于調(diào)整節(jié)流閥后的氣體壓力,保證小負(fù)荷工況下將足夠的廢氣送入進(jìn)氣系統(tǒng).組合氣缸閥利用壓縮空氣

10、驅(qū)動并利用電磁閥控制,用于調(diào)整EG R 廢氣流量.EG R 電控系統(tǒng)由傳感器、EC U 和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成.在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中,EC U 依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油門位置信號確定發(fā)動機(jī)當(dāng)前所處的工況,并根據(jù)發(fā)動機(jī)的狀態(tài)信息及標(biāo)定數(shù)據(jù)得出控制指令,通過步進(jìn)電機(jī)和電磁閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流閥和組合氣缸閥的開度,保證發(fā)動機(jī)在該工況下具有最佳的EG R 率.圖1柴油機(jī)EGR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2EGR 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括控制單元設(shè)計(jì)、信號采集系統(tǒng)及處理電路設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動電路設(shè)計(jì).其中主要電路包括時鐘電路、轉(zhuǎn)速信號處理電路、油門位置信號處理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、電磁閥驅(qū)動電路2.時鐘電路的工作過程如下

11、,80C196KC 單片機(jī)工作時所需的時鐘通過XT AL1輸入引腳從外部送入,單片機(jī)內(nèi)的振蕩電路是一個單級非門電路,它與石英晶體配合,可組成一個振蕩器.所設(shè)計(jì)的時鐘電路部分如EG R 控制系統(tǒng)主要硬件電路(圖2#1區(qū)域所示.晶體振蕩器提供的時鐘信號,經(jīng)過二分頻電路產(chǎn)生兩個不同相位的內(nèi)部時鐘.兩個振蕩周期構(gòu)成一個狀態(tài)周期,它是80C196K C 單片機(jī)操作周期的時間單位.轉(zhuǎn)速信號處理電路如(圖2#2區(qū)域所示,傳感器的磁鋼部分安裝在飛輪上,發(fā)動機(jī)運(yùn)行時和飛輪一起轉(zhuǎn)動,當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)過固定的傳感頭時,傳感器的輸出信號發(fā)生由高到低和由低到高的兩次變化.傳感器的輸出信號接到單片機(jī)的HSI .1引腳.通過設(shè)置H

12、SI 方式寄存器HSI -MODE 可確定HSI 事件的觸發(fā)方式.油門位置信號處理電路由位置傳感器組成,其功能是一個電位計(jì),電位計(jì)的輸出電壓與轉(zhuǎn)角之間呈線性關(guān)系.其結(jié)構(gòu)如(圖2#3區(qū)域所示.在單片機(jī)中集成了一個10位A /D 轉(zhuǎn)換器部件,可對4個輸入通道的模擬輸入量進(jìn)行A /D 轉(zhuǎn)換.油門位置傳感器的輸出電壓接至單片機(jī)A /D 轉(zhuǎn)換器的ACH0引腳,把油門傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接受的數(shù)字信號.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路采用ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器.本系統(tǒng)中ULN2003用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的四相繞組.ULN2003與單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)的連接關(guān)系如(圖2#4區(qū)域所示.EG R 系統(tǒng)中

13、,利用電磁閥驅(qū)動電路控制高壓氣的通斷來控制組合氣缸的行程.系統(tǒng)中共使用了3個24V 、電流011A 的電磁閥.電磁閥的驅(qū)動也是利用ULN2003作為驅(qū)動器,其連接電路形式如( 圖2#5區(qū)域所示.圖2EGR 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖462哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第41卷3EGR系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)EG R控制系統(tǒng)使用80C196K C16位單片機(jī)作為核心控制器,控制軟件采用匯編語言編寫.主控程序主要包括控制系統(tǒng)通電后的初始化程序以及發(fā)動機(jī)工況測定、判別和相應(yīng)的處理程序等.程序的初始化包括堆棧指針的設(shè)定、RA M區(qū)的初始化,各種特殊功能寄存器的初始化以及I/O端口的初始化等.主控程序擔(dān)負(fù)著判斷發(fā)動機(jī)各種運(yùn)行工況的

14、任務(wù),本程序中主要依據(jù)油門位置和轉(zhuǎn)速來判定發(fā)動機(jī)所處的工況.主控程序是一個循環(huán)程序,發(fā)動機(jī)運(yùn)行后,主控程序一直在循環(huán)執(zhí)行,調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和轉(zhuǎn)速測量子程序判定發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài),在控制MAP表中查找發(fā)動機(jī)某工況下與EG R率對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)和電磁閥控制指令得出控制指令,調(diào)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動子程序及電磁閥控制子程序,向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制指令,完成各個工況預(yù)定的動作.4EGR系統(tǒng)標(biāo)定對EG R率調(diào)節(jié)采用了中冷后進(jìn)氣節(jié)流配合EG R流量閥控制的方案.控制器通過對節(jié)流閥和EG R廢氣流量控制閥的協(xié)調(diào)控制,來確保高、低轉(zhuǎn)速及大、小負(fù)荷工況下的最佳EG R率.步進(jìn)電機(jī)軸通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)與節(jié)流閥的轉(zhuǎn)動軸相連,各工

15、況下節(jié)流閥的開啟角度由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù)進(jìn)行確定.通過測量EG R閥的升程可確定EG R閥的開度大小.為了降低發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時由于廢氣的引入引起的進(jìn)氣溫度及P M排放的增加,專門設(shè)計(jì)了一個EG R廢氣冷卻器3,該冷卻器出口最高溫度控制在120左右.在試驗(yàn)中以進(jìn)排氣中C O2的體積百分比來定義EG R率EGR率=CO2%inCO2%out100%.式中:CO2%in為經(jīng)過再循環(huán)廢氣稀釋后的進(jìn)氣中CO2體積分?jǐn)?shù),CO2%out為排氣中CO2體積分?jǐn)?shù).在確定最佳EGR率時,13工況點(diǎn)應(yīng)以P M排放不超過原機(jī)為原則,并考慮油耗的降低幅度、NOx的改善程度等綜合因素,低負(fù)荷選大的EGR率,高負(fù)荷選小EGR

16、率,全負(fù)荷EGR率為零.5發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果分析試驗(yàn)按照ECE2R4913工況試驗(yàn)規(guī)范,在供油提前角為8C A時測試了柴油機(jī)在1600r/m in轉(zhuǎn)速時原機(jī)及使用電控EG R系統(tǒng)后的負(fù)荷特性,對比結(jié)果如圖3所示.原機(jī)與加EG R后的13工況排放對比結(jié)果如表1所示.由測試結(jié)果可知,NOx 比原機(jī)降低1919%,HC增加1212%,C O增加618%,P M與原機(jī)相比沒有變化.NOx、HC、C O和P M的排放量均達(dá)到E URO標(biāo)準(zhǔn).13工況加權(quán)系數(shù)綜合評價油耗的對比結(jié)果表明,原機(jī)加權(quán)油耗為24010g(k Wh-1,加EG R后的油耗為23515g(k Wh-1,可見使用EG R系統(tǒng)后柴油機(jī)的13工況平均油耗略有降低.負(fù)荷特性空燃比對比結(jié)果表明柴油機(jī)在中小負(fù)荷工況NOx和P M排放達(dá)到了良好的折中.圖3發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性對比表1排放結(jié)果對比g(k Wh-1排放物歐標(biāo)準(zhǔn)原機(jī)電控EGRNO x771746120HC11101410146CO401740179P M0115011401146結(jié)論1根據(jù)上述結(jié)果,驗(yàn)證了EGR電控系統(tǒng)的合理性與適用性,所設(shè)計(jì)的硬件電路具有在滿足控制要求的前提下簡單可靠的特點(diǎn),軟件控制程序便于修改調(diào)試.