汽油發(fā)動機線性EGR閥故障診斷策略研究

曹慧穎，李杰，代永剛，肖海云，解小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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汽油發(fā)動機線性EGR閥故障診斷策略研究

曹慧穎，李杰，代永剛，肖海云，解小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于直流電機驅(qū)動的線性廢氣再循環(huán)閥，從車輛下線、售后及正常駕駛循環(huán)考慮，對閥的故障診斷及相關控制策略進行了研究，包括傳感器線路故障診斷、零位自學習診斷、位置偏差診斷以及自清潔控制邏輯等，提高汽油機EGR系統(tǒng)安全性。

汽油機；線性廢氣再循環(huán)閥；診斷

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-189-03

1、概述

廢氣再循環(huán)（exhaust gas recycle，EGR）技術可有效降低缸內(nèi)燃燒溫度，繼而降低NOx排放是降低NOx排放最有效的措施之一[1，2]。另一方面，在汽油機部分負荷工況應用EGR技術可有效提高進氣歧管壓力，在同等負荷下增大節(jié)氣門開度，減少泵氣損失，從而達到改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟型的目的[3,4]。因此，EGR系統(tǒng)在汽油發(fā)動機上的應用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，傳感器和執(zhí)行器的故障占到控制系統(tǒng)總故障的80%左右[5]。EGR閥作為高重要度的執(zhí)行器，其故障診斷策略顯得尤為重要。因此本文將基于直流電機驅(qū)動的線性EGR閥對其診斷控制策略進行研究和設計。

2、EGR閥控制系統(tǒng)

線性EGR閥一般主要由 EGR閥閥體、驅(qū)動電機、齒輪箱減速機構(gòu)、EGR閥閥桿組件 、EGR閥閥桿位置傳感器、回位彈簧等組成。

圖1 EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，EGR閥控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。在發(fā)動機臺架標定時，一般基于合理分配各缸EGR廢氣引入量且盡可能提高發(fā)動機對EGR廢氣的容忍度的基礎上，完成不同發(fā)動機工況下的EGR率標定MAP，在車輛正常行駛過程中，ECU讀取發(fā)動機負荷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等輸入信號，根據(jù)標定MAP通過查表法確定當前所需EGR率，并計算所需EGR閥開度，進而計算出驅(qū)動信號占空比。同時ECU讀取當前位置傳感器的反饋信號，采用PID閉環(huán)控制算法實現(xiàn)EGR目標開度的控制。

3、EGR閥故障診斷策略研究

內(nèi)燃機產(chǎn)生的一部分廢氣通過EGR閥從排氣管引入進氣管中，閥體的工作環(huán)境較惡劣，容易出現(xiàn)積碳、卡滯等現(xiàn)象影響EGR閥的正常工作。EGR異常工作將會對車輛動力性、經(jīng)濟性及排放均產(chǎn)生影響。本文將設計一套EGR診斷控制系統(tǒng)，有利于ECU及時發(fā)現(xiàn)并處理或報出故障，提高系統(tǒng)安全性。

3.1 EGR閥位置傳感器線路故障診斷

目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的EGR閥都具備能夠反饋當前EGR閥開度的位置傳感器。位置傳感器信號失效會導致EGR控制不穩(wěn)定，因此必須監(jiān)控EGR位置反饋電壓信號是否有短路或斷路故障。該診斷為常規(guī)的線路短/斷路診斷，一般在車輛工況條件滿足的情況下，讀取傳感器線路電壓信號和ECU內(nèi)部設定的限制做對比來判斷是否發(fā)生故障。

3.2 EGR首次零位自學習

在車輛下線或車輛售后更換EGR閥時，ECU須讀取并記錄EGR閥的初始零位，稱為首次零位自學習，用于判斷EGR閥硬件是否合格，并作為正常駕駛循環(huán)中EGR閥體特性是否發(fā)生偏移的診斷依據(jù)。在EGR閥的使用生命周期內(nèi)僅進行一次首次零位自學習。

3.2.1 車輛下線自學習

ECU完成下線零位自學習后，其內(nèi)部會存儲該零位值，并將相關標志位置位。如圖2所示，鑰匙打到ON檔，ECU通過內(nèi)部記錄的EGR閥首次零位自學習值PEGRZERNV和自學習標志位FEGRZER確認未進行過EGR首次零位自學習，ON檔維持超過一定時間t1之后（為了使EGR狀態(tài)穩(wěn)定），ECU讀取EGR零位信息PEGRZER，并進行零位合理性診斷，診斷通過之后即可將此時讀取的零位作為PEGRZERNV存儲到ECU內(nèi)存中，并將FEGRZER置位。

圖2 車輛下線自學習流程圖

3.2.2 換閥首次自學習

當EGR發(fā)生老化或故障需要更換新閥時，ECU須完成新EGR閥的首次零位自學習，并對該零位值進行合理性診斷。換閥后的首次零位自學習通過油門踏板的動作來激活，并定義油門踩下及松開的有效深度、油門踩踏的次數(shù)、操作的時間等來約束功能的激活，避免誤激活的發(fā)生，如圖3所示：

圖3 換閥首次自學習過程示意圖

3.2.3 零位合理性診斷

車輛在出廠時必須保證EGR閥是合格的，合格的EGR閥其首次自學習零位電壓應在廠家定義的范圍內(nèi)，否則報相關故障并記錄故障碼，即：

式中：UEGR代表ECU當前讀取的EGR閥零位電壓值；Uzerl代表閥體廠家定義的EGR閥零位電壓最小值；UzerH代表閥體廠家定義的EGR閥零位電壓最大值。

3.4 零位學習值偏差診斷

EGR閥工作環(huán)境惡劣，零位學習值偏差診斷是為了識別由于積碳、內(nèi)部彈簧老化等原因?qū)е翬GR零位電壓偏移過大，進而影響EGR系統(tǒng)正常使用的情況。該診斷每個駕駛循環(huán)開始時僅進行一次。診斷使能條件為：ON檔維持超過一定時間t2、期望EGR閥開度PEGRdes為零、無EGR閥位置傳感器線束故障。診斷使能則診斷使能計數(shù)器Sample counter 加1；ECU將讀取的當前EGR零位值PEGRZER與PEGRZERNV比較，超出閾值則診斷失敗計數(shù)器Fail counter加1。Sample counter超出閾值N1但Fail counter未超出閾值N2時，兩個計數(shù)器均清零，Sample counter未超出閾值N1而Fail counter超出閾值N2時，報零位學習值偏差超差故障。

圖4 零位學習值偏差診斷流程圖

3.5 EGR閥位置偏差診斷

惡劣的使用環(huán)境可能導致EGR閥閥桿運動不暢或卡滯。當目標開度PEGRdes不為零且維持t3時間保持不變的情況下，通過考核EGR閥的實際開度PEGR與PEGRdes的差值是否超出閾值Pth來進行EGR閥位置偏差診斷，作為判斷EGR閥閥桿運動不暢或卡滯的依據(jù)。

圖5 位置偏差診斷流程圖

3.6 自清潔

當診斷出位置偏差超出閾值后，需要在不影響駕駛性的情況下（如減速斷油工況或車輛下電后ECU掉電前）進行自清潔，同時，在一個駕駛循環(huán)內(nèi)，減速斷油工況次數(shù)達到一定量后，無論ECU是否診斷出位置偏差，都可在減速斷油工況進行一次自清潔，最大限度避免EGR閥的卡滯。自清潔過程如圖6所示：

圖6 自清潔過程示意圖

圖中，DEGR代表EGR閥驅(qū)動占空比，TCLN代表自清潔計時器；t4、t5、t6分別為自清潔各階段位置的時間閾值。

4、結(jié)束語

在節(jié)能減排和日趨嚴格的油耗限值的大形勢下，大力推廣、應用先進的發(fā)動機節(jié)能技術將成為未來一段時間汽車廠家研究的方向[6]。EGR系統(tǒng)作為節(jié)油和優(yōu)化排放的行之有效的手段使得EGR閥將越來越多的出現(xiàn)在汽油發(fā)動機上。作為高重要度的執(zhí)行器，本文基于直流電機驅(qū)動的線性EGR閥對故障診斷策略進行了研究，對提高EGR閥在汽油發(fā)動機上應用的系統(tǒng)安全性具有重要意義。

[1] Pradeep V, Sharma R P. Use of hot EGR for Nox control in a compression ignition engine fuelled with bio-diesel from Jatropha oil[J]. Renewable Energy,2007,32:1136-1154.

[2] 禇超美,高超,李虎強.基于內(nèi)部EGR率控制的柴油機排氣凸輪型線仿真設計研究[J].內(nèi)燃機工程.2011,32（6）：44-47.

[3]Duchaussoy Y, Lefebvre A ,Robert B, Dilution interest on turbocharged SI engine combustion[C]//SAE 2003-01-0629,2003.

[4] Cairns A,Blaxill H,Irlam G. Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gas-oline engine [C]//SAE 2006-01-0047,2006.

[5] 黃孝彬,劉吉臻,牛玉廣．控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)故障的檢測與診斷[J].控制工程,2003,10(5)：165—169．

[6] 范振陽.EGR和VVT在汽油機渦輪增壓中的應用[D]. 哈爾濱,哈爾濱工業(yè)大學學位論文,2015:1-3.

A Study on the Linear EGR Valve Fault Diagnosis Method of Gasoline Engine

Cao Huiying, Li Jie, Dai Yonggang, Xiao Haiyun, Xie Xiaochao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the linear EGR(exhaust gas recycle) valve driven by DC motor, a valve fault diagnosis and control method is studied considering of EOL, customer service and common driving cycle, including sensor circuit diagnostic, zero position self-learning diagnostic, position error diagnostic and self-cleaning logic, etc. The method could enhance the security of the gasoline engine EGR system.

Gasoline engine; linear exhaust gas recycle valve; diagnostic

U472.4

A

1671-7988 (2017)08-189-03

曹慧穎，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.064