柴油機電控EGR系統(tǒng)

陳新梅

摘 要

本文對廢氣再循環(huán)（EGR）電控系統(tǒng)做了介紹，系統(tǒng)性描述了柴油機電控EGR系統(tǒng)的開發(fā)流程，并且對電控系統(tǒng)組成與軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了探討，進而詳細地研究了EGR控制策略，對于信號抗干擾的能力進行了全面考慮。

【關(guān)鍵詞】柴油機 電控EGR系統(tǒng)

1 EGR概述

在現(xiàn)階段柴油機NOx排放降低的工作中，EGR技術(shù)是最常使用并且最有效的方法和途徑。在許多國家，客車與輕型卡車的柴油機都已經(jīng)開始使用了EGR技術(shù)，并且，在重型卡車柴油機中也逐漸采用了這種技術(shù)。然而，EGR技術(shù)最基本的原理就是在排氣歧管內(nèi)部，利用EGR閥，將已經(jīng)燃燒的部分廢氣引進氣管當(dāng)中，進而同新鮮的空氣相互混合，再次進入到燃燒室當(dāng)中進行燃燒。然而，要想增強EGR效果，則應(yīng)該冷卻EGR廢氣。換句話說，就應(yīng)該使廢氣經(jīng)過EGR冷卻器，對其進行冷卻以后，再次被引入到進氣管當(dāng)中。另外，EGR作用的機理就是對混合氣體當(dāng)中的氧濃度進行降低，并且對燃燒過程中所釋放的熱量進行吸收，保證燃燒速度處于緩慢的狀態(tài)，進而使得燃燒的溫度逐漸減小。這樣一來，就能夠有效地降低NOx的產(chǎn)生量，緩解當(dāng)前大氣污染的問題。然而，如果廢棄再循環(huán)率過大，就很容易引起混合氣體的著火幾率，或者是嚴(yán)重影響發(fā)動機性能，尤其是發(fā)動機處于低速或者是怠速等工況的情況下。因此，在發(fā)動機處于以上工況的情況下，需要利用電子控制單元來及時發(fā)出控制指令，并且將EGR閥盡快切斷，保證廢氣不會再次參與到再循環(huán)當(dāng)中。然而，如果發(fā)動機超出轉(zhuǎn)速或者是符合，并且已經(jīng)達到特定溫度的情況下，需要電子控制單元及時地發(fā)出控制指令來打開EGR閥，保證部分的廢氣可以參與到再循環(huán)過程中。而參與到再循環(huán)過程的廢氣量則應(yīng)該按照發(fā)動機具體的負荷、轉(zhuǎn)速或者是冷卻液的溫度等多種情況來進行選擇，保證能夠盡量減少廢氣當(dāng)中的NOx含量。

2 柴油機電控EGR系統(tǒng)的組成

步進電機執(zhí)行器、EGR閥、傳感器以及ECU是柴油機電控EGR系統(tǒng)的重要組成部分。其中，ECU的主要目的就是保證數(shù)據(jù)采集，并且對工況進行相應(yīng)的判斷，實現(xiàn)各個子程序之間的協(xié)調(diào)，同時，對信號輸出進行適當(dāng)?shù)乜刂啤６鴤鞲衅髦饕ǖ膬?nèi)容就是燃油溫度、轉(zhuǎn)速、機器溫度與壓力以及加速踏板位置等多種信號。步進電機旋轉(zhuǎn)運動主要是利用螺桿機構(gòu)轉(zhuǎn)變成直線運動，進而推動ERG閥，和復(fù)位彈簧實現(xiàn)平衡，確保EGR閥能夠在指定位置處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)試驗可以得知，在多種工況背景下，EGR閥的位置MAP圖會存入到ECU當(dāng)中。而在發(fā)動機實際運行的過程中，ECU能夠按照發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速和負荷基本信號、溫度等若干修正信號，并正確地計算出此時工況所對應(yīng)EGR閥的位置，而后將其進行換算，成為步進電機控制脈沖數(shù)。在放大控制脈沖經(jīng)功率以后，就能夠使步進電機實現(xiàn)運行，并且對EGR閥位置進行精準(zhǔn)地控制。然而，其實際的位置還需要安裝于其位置的傳感器來向ECU進行反饋，進而對控制的數(shù)值進行合理地修正。

3 控制單元的硬件結(jié)構(gòu)

電控EGR系統(tǒng)的單元硬件結(jié)構(gòu)可以由圖1來表示。

該系統(tǒng)中的CPU主要選擇使用的就是ARM2119單片機，主要是對進氣壓力、溫度以及水溫和油溫等模擬信號和轉(zhuǎn)速信號進行及時地采集，而輸出量則可以當(dāng)作PWM信號，來實現(xiàn)步進電機執(zhí)行器的驅(qū)動。同時，在串行總線的作用下，可以實現(xiàn)控制與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。在模擬信號經(jīng)過濾波、放大以及限幅之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。

在磁電式轉(zhuǎn)速傳感器感受后輸出正弦波信號，這就是轉(zhuǎn)速。而實際輸出頻率、電壓信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的信號，三者之間呈正比例的關(guān)系。與此同時，在濾波、放大和整形以后，就會被傳送到CPU，這對于測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速中的周期法具有重要的作用。

該系統(tǒng)中的執(zhí)行器主要使用的就是步進電機，而針對此時轉(zhuǎn)速、負荷與水文等多種環(huán)境參數(shù)，能夠保證ECU更準(zhǔn)確地確定出EGR率。而輸出控制信號則能夠?qū)Σ竭M電機的轉(zhuǎn)向與步數(shù)進行相應(yīng)的控制，而步進電機輸出軸也能夠在連接件的作用之下，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)化，進而推動EGR閥桿，通過對閥桿復(fù)位彈簧的壓縮可以移動閥桿，進而對其開度進行合理地控制，也就是進入到再循環(huán)系統(tǒng)中的廢氣量。

而步進電機主要是電脈沖信號在轉(zhuǎn)變成為角位移或者是線位移的過程中所需要的開環(huán)控制元件。如果處于非超載的狀態(tài)，那么電機實際轉(zhuǎn)速以及最終停止的位置只與脈沖信號頻率以及脈沖數(shù)之間存在關(guān)系，并不會受到負載變化影響。簡單地說，在為電機增加脈沖信號的同時，電機也會轉(zhuǎn)動相應(yīng)的布距角。正是這種線性關(guān)系，同時還有步進電機本身所具備的周期性誤差等特點，所以，步進電機在速度或者是位置等多種控制領(lǐng)域中得到了廣泛地應(yīng)用。其中，環(huán)形脈沖、信號分配以及功率放大、負載等是步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的重要組成部分。

3.1 脈沖信號

CPU會產(chǎn)生脈沖信號，而在一般情況下，脈沖信號占空比主要控制在0.3-0.4范圍之內(nèi)。如果電機實際的轉(zhuǎn)速比較高，那么占空比也會隨之變大。

3.2 功率放大

在驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)中，發(fā)揮重要作用的部分就是功率放大。而在特定轉(zhuǎn)速之下，步進電機轉(zhuǎn)矩與其動態(tài)平均電流具有直接的關(guān)系。如果平均電流不斷增加，那么電機力矩也會逐漸增加，所以，為了增加平均電流，就應(yīng)該保證驅(qū)動系統(tǒng)盡可能地克服電機反電勢。由此可見，在不同場合，一定要選擇相對應(yīng)的驅(qū)動方式。

4 電控EGR系統(tǒng)的軟件設(shè)計

柴油機電控EGR系統(tǒng)將16位單片機當(dāng)作核心的控制器，同時，控制軟件需要使用匯編語言來進行編寫。其中，主控程序就是在實現(xiàn)控制系統(tǒng)通電以后的初始化程序、測量并確定發(fā)動機工況，對于處理程序進行判別與處理等等。 主控程序的主要作用就是對發(fā)動機的多種工況進行判斷，而該程序則主要按照油門的位置與轉(zhuǎn)速來判斷發(fā)動機的工況。因為主控程序是循環(huán)程序，所以，在發(fā)動機實際運行的過程中，主控程序始終處于循環(huán)執(zhí)行的狀態(tài)。與此同時，通過對A/D轉(zhuǎn)換子程序等來對發(fā)動機實際工作狀況進行相應(yīng)的判定，進而運用步進電機驅(qū)動和電磁閥控制的子程序來輸出相應(yīng)的控制指令，進而完成不同工況所實現(xiàn)預(yù)定動作。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著柴油機的普及應(yīng)用，其廢氣當(dāng)中的NOx排放量也逐漸增加，進而加重了空氣污染的程度。而為了有效地緩解以上問題，可以在柴油機中設(shè)計出電控EGR系統(tǒng)，進而有效地降低廢氣NOx排放量，使得空氣污染問題得到緩解。

參考文獻

[1]蘇棟，龔元明，李朝陽等.電控EGR臺架試驗設(shè)計與應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2013，27（03）：202-207.

[2]張雄偉，陳穩(wěn)超，費騰等.國Ⅳ柴油機EGR的控制與匹配研究[J].現(xiàn)代車用動力，2015（04）：10-13.

作者單位

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院動力工程學(xué)院 湖北省武漢市 430050endprint