排氣再循環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)及其故障自診斷監(jiān)測

◆文/河南 王良斌

一、排氣再循環(huán)系統(tǒng)概論

隨著社會上汽車保有量的與日俱增，排放法規(guī)對汽車有害物排放和燃油消耗量都予以日益嚴(yán)苛的限量。想要降低油耗，就必須優(yōu)化燃燒過程，提高發(fā)動機熱效率，這就需要加速燃燒進(jìn)程和升高燃燒的最高溫度，致使NOx排放增加。提高發(fā)動機熱效率和降低NOx排放相生相克。目前，解決這一矛盾的有效辦法之一就是將適量的燃燒廢氣引入進(jìn)氣總管(現(xiàn)代發(fā)動機通常與進(jìn)氣歧管做成一體)，與新鮮空氣混合一并送入汽缸，汽缸內(nèi)的混合氣體被廢氣稀釋，減緩了燃燒速度，廢氣吸收燃燒產(chǎn)生的部分熱量，降低了燃燒的最高溫度，以減少NOx的生成量，進(jìn)而降低了發(fā)動機NOx排放,這就是排氣再循環(huán)(EGR)。進(jìn)氣總管中CO2濃度與排氣管中CO2濃度之比稱為EGR率。

1.EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

EGR以適度損傷發(fā)動機動力為代價去降低NOx排放。因此，EGR引入量必須適量、適時地進(jìn)行嚴(yán)格控制。早期開環(huán)式的EGR控制系統(tǒng)已被淘汰，目前只有EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)才能滿足當(dāng)今排放法規(guī)的要求。

2.真空閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

真空閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。主要由EGR真空閥、EGR電磁閥、發(fā)動機ECU及進(jìn)氣歧管壓力傳感器(MAP)等元部件組成。

EGR真空閥結(jié)構(gòu)原理：閥的上方空腔內(nèi)有膜片將空腔分為上、下兩部分。下部空腔與大氣相通，大氣壓力作為參考壓力恒定地作用于膜片下方，使膜片上凸；上部空腔通入控制壓力(由EGR電磁閥提供)，膜片上部空腔內(nèi)預(yù)壓彈簧的彈簧壓力和控制壓力使膜片下凹。因彈簧在工作中變形量較小，彈簧壓力也可視為恒定。膜片上凸下凹的具體位置就僅取決于控制壓力的大小。閥下方的閥芯和頂部EGR閥開度位置傳感器(電位計式)的滑動臂都與膜片進(jìn)行機械相連接?？刂茐毫υ龃?，閥芯下移，EGR真空閥開度減小，EGR流量減小，EGR率減??；反之亦同。

圖1 真空閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

EGR電磁閥為3通線性電磁閥。發(fā)動機運行期間，節(jié)氣門之前氣體壓力略低于大氣壓力(自吸發(fā)動機)，視為大氣壓力，節(jié)氣門之后氣體壓力具有較大的真空度。EGR電磁閥2個輸入端口分別與節(jié)氣門的前后方想連通，即大氣壓力和進(jìn)氣歧管真空壓力作為EGR電磁閥的輸入壓力，ECU以脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式通過占空比調(diào)節(jié)產(chǎn)生EGR電磁閥的輸出壓力，輸出壓力在大氣壓力與進(jìn)氣歧管真空壓力之間連續(xù)可調(diào)。EGR電磁閥的輸出壓力作為EGR真空閥的控制壓力，進(jìn)而連續(xù)調(diào)節(jié)EGR真空閥的開度，最終達(dá)到連續(xù)控制EGR流量/EGR率的目的。

EGR閥開度位置傳感器為三線電位計式，集成于EGR真空閥上部，由ECU提供5V電壓，將EGR真空閥的開度轉(zhuǎn)換為電壓信號，為EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)提供反饋信號， EGR開度位置

傳感器電壓信號圖如圖2所示。

圖2 EGR開度位置傳感器電壓信號

3.電磁閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

電磁閥式EGR閉環(huán)控系統(tǒng)如圖3所示。EGR電磁閥為2通線性電磁閥。ECU以脈沖寬度調(diào)節(jié)的方式通過占空比調(diào)節(jié)，可連續(xù)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到連續(xù)控制EGR流量/EGR率的目的。三線電位計式EGR電磁閥開度位置傳感器，集成于EGR電磁閥上部，原理同上。

圖3 電磁閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

由于EGR電磁閥式閉環(huán)控制系統(tǒng)相比于真空閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)大為簡化，因此，目前各大廠商廣為采用。

二、EGR閉環(huán)控制及控制策略

為敘述方便，下面以電磁閥式EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)為例予以論述。

1.EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)

EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的流程框圖如圖4所示。由發(fā)動機實時的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速信息對號入座查出EGR電磁閥的目標(biāo)開度(即預(yù)存于ECU中的EGR率)，與EGR電磁閥開度傳感器測知的實際開度進(jìn)行比較，實現(xiàn)EGR的閉環(huán)控制，使EGR電磁閥的實際開度收斂于目標(biāo)開度。EGR電磁閥開度控制示意圖如圖5所示。

圖4 EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的流程框圖

圖5 EGR電磁閥開度控制示意圖

EGR電磁閥的流通截面積除了與閥芯的升程位置有關(guān)外，還受閥芯和閥座上的積炭等其他因素的影響。而由此帶來EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制誤差，最終由MAP信號予以補償。在既定的條件下，MAP信號電壓與EGR電磁閥開度位置信號電壓具有確定的一對應(yīng)關(guān)系，一旦失去應(yīng)有的對應(yīng)關(guān)系，在確定EGR電磁閥開度位置信號無故障碼的條件下，由MAP信號ECU便可推知EGR電磁閥或通道積炭阻塞程度，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)EGR電磁閥占空比予以補償。這種補償是有限的，積炭阻塞累積到一定程度，補償機制也無能為力，只能清洗或更換EGR電磁閥予以排除。MAP信號除了用于EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)因積炭阻塞而致控制誤差的補償外，還主要用于EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的故障自診斷監(jiān)測。

另外，EGR的作用機理是廢氣稀釋混合氣體，干擾到了空燃比，因此，還需要氧傳感器信號對EGR控制數(shù)據(jù)予以修正。

2.EGR閉環(huán)控制策略

EGR率隨發(fā)動機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速而改變。既定發(fā)動機的EGR率是在設(shè)計制造階段通過大量的發(fā)動機臺架實驗綜合優(yōu)化做出來的，并且以特性場的形式預(yù)存于ECU的ROM中，如圖6所示。發(fā)動機使用中，按實時工況信息對號入座取用。

為了穩(wěn)定發(fā)動機運行，怠速和暖機工況關(guān)閉EGR電磁閥；為保證發(fā)動機的動力性，隨著發(fā)動機負(fù)荷增加，EGR率減小，直到完全關(guān)閉EGR電磁閥。

(1)控制系統(tǒng)的反饋傳感器更為合理

EGR流量的控制元件容易受廢氣的污染和腐蝕。高溫廢氣對EGR電磁閥閥芯和閥座的污染和腐蝕，在發(fā)動機運行期間無時不在。更為不利的是，自發(fā)動機開始投入使用那一刻起，EGR電磁閥閥芯和閥座上的積炭和膠質(zhì)沉積物就必然開始生成并且與時俱進(jìn)。如何將高溫廢氣與EGR流量控制元件相隔離或高溫廢氣經(jīng)降溫過濾處理后進(jìn)入EGR電磁閥，則EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度將會大為提高，故障率也會大為降低。

圖6 EGR率特性場

(2)EGR廢氣引入進(jìn)氣總管，總會造成各缸的EGR流量不均勻

EGR率對工況改變的響應(yīng)性差，EGR率隨工況而變化，工況變化隨機萬變，而各缸EGR率的改變總是伴隨著整個進(jìn)氣總管容積內(nèi)廢氣的排空或充填，造成EGR率對工況變化的響應(yīng)性顯得遲緩。

三、EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的缺陷

EGR電磁閥開度位置傳感器信號作為EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號，與其所要修正的EGR率不具有唯一性或相關(guān)性弱，影響EGR率控制精度。EGR率除了主要取決于EGR電磁閥開度位置傳感器信號外，還有其他因素影響，例如EGR電磁閥閥芯和閥座上的積炭以及進(jìn)入進(jìn)氣總管內(nèi)新鮮空氣中的CO2濃度。筆者認(rèn)為，進(jìn)氣總管上設(shè)置O2或CO2傳感器作為EGR閉環(huán)控

四、EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)故障自診斷監(jiān)測

現(xiàn)代汽車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)都配備了第二代車載診斷系統(tǒng)(OBD-Ⅱ)，OBD-Ⅱ要求EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)故障可被監(jiān)測。

1.EGR流量異常故障自診斷監(jiān)測

(1)自診斷監(jiān)測原理

MAP信號隨動于EGR流量的變化，即EGR流量增加，進(jìn)氣總管壓力增大，MAP信號電壓增大；反之也然。OBD-Ⅱ根據(jù)MAP信號電壓的變化量，推知EGR流量是否異常。ECU主動驅(qū)動EGR電磁閥全開或全閉，MAP信號電壓應(yīng)有對應(yīng)大、小的數(shù)值變化，若無應(yīng)有的變化關(guān)系或數(shù)值過大或過小，可判為EGR流量異常。

EGR電磁閥全開，可判EGR流量是否過小(積炭阻塞、閥芯卡滯)；EGR電磁閥全閉，可判EGR流量是否過大(積炭墊開閥芯、閥芯卡滯)。

(2)診斷操作原理

減速監(jiān)測模式。當(dāng)節(jié)氣門在減速或倒拖工況而關(guān)閉時，ECU驅(qū)動EGR電磁閥全開；定速巡航監(jiān)測模式。當(dāng)節(jié)氣門在定速巡航工況而具有較大開度時，ECU驅(qū)動EGR電磁閥全閉。

(3)診斷監(jiān)測啟動條件

因發(fā)動機不同而異。通常具備以下主要啟動條件：發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機負(fù)荷、節(jié)氣門位置、冷卻液溫度、車速及MAP等信號有效且無故障碼。

MAP信號電壓除了與EGR電磁閥開、閉相關(guān)外，還受其他因素的影響(例如進(jìn)氣歧管真空泄漏)。因此，為了避免誤診斷，每一個監(jiān)測樣本中取MAP信號電壓的平均值，并且將其平均地降低一定的系數(shù)，只有當(dāng)足夠監(jiān)測樣本的平均值超過自診斷系統(tǒng)所預(yù)設(shè)的閾值時，才判為故障，ECU則生成EGR流量異常的故障碼。

2.EGR電磁閥開度位置傳感器電路故障監(jiān)測

該傳感器的信號電壓在0～5V之間變化，如圖2所示，不應(yīng)超出可能的范圍，其具體范圍值是預(yù)知的，實際值超出此范圍；或者信號電壓為0或5V,上述情況持續(xù)一定的時間，ECU則生成相應(yīng)的故障碼。

(1)EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的常見故障

EGR電磁閥和管路積炭阻塞以及閥芯卡滯是EGR閉環(huán)控制系統(tǒng)的常見故障。積炭對EGR電磁閥的影響如圖7所示。

高溫廢氣在進(jìn)入進(jìn)氣歧管入口處瞬間被冷卻，首先在此形成積炭并集聚，廢氣流動受阻，EGR電磁閥內(nèi)壓力升高；隨后，高溫高壓廢氣充入EGR電磁閥閥芯的軸承間隙，形成積炭，使閥芯動作受阻，直至卡滯。

圖7 積炭對EGR電磁閥的影響

(2)EGR電磁閥卡滯和管路積炭阻塞以及閥芯卡滯導(dǎo)致的故障現(xiàn)象

啟動困難、怠速不穩(wěn)、低速喘振、易熄火、動力不足、油耗增加、NOx排放增加等。