廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)設計與研究

唐新華

摘要：柴油車占據(jù)著汽車市場的主體地位，對于柴油發(fā)動機的改良設計是汽車實現(xiàn)節(jié)能減排目標的主要方向，也是汽車行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)核心。本文通過對汽車廢氣再循環(huán)（EGR， Exhaust Gas Recirculation）控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計，從EGR控制系統(tǒng)硬件設計與EGR控制系統(tǒng)軟件設計分別進行研究，研究節(jié)能減排技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：廢氣再循環(huán);控制系統(tǒng);系統(tǒng)設計

1 ?EGR控制系統(tǒng)廢氣處理方式

一氧化氮（NO）是廢氣中氮氧化合物（NOx）主要成分，NO的產(chǎn)生一方面源于高溫環(huán)境下氮氣與氧氣的氧化反應，另一方面源于該環(huán)境下氮氣與氧氣的比例關(guān)系，因此在EGR處理過程中主要涉及兩個方面：降低缸內(nèi)燃燒溫度和選擇合適的氧氣含量[1]。降低缸內(nèi)燃燒溫度主要采用廢氣再循環(huán)策略，將廢氣循環(huán)處理后，部分廢氣重新引入燃燒環(huán)境以降低燃燒溫度;通過智能調(diào)節(jié)裝置，改善燃燒環(huán)境中的氧氣占比，使廢氣中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）等有毒氣體充分燃燒氧化為二氧化碳和水這類無害物質(zhì)來達到廢氣處理目的[2]。

2 ?EGR控制系統(tǒng)廢氣處理原理

EGR控制主要有三個理論支持：稀釋理論、比熱容理論和點火延遲理論，這三點理論從三個方面解釋了廢氣再循環(huán)有利于有害氣體的處理。首先，EGR控制系統(tǒng)是將排出汽缸的廢氣部分又引入汽缸，減少了新鮮空氣進入汽缸的含量，從而稀釋了缸內(nèi)氧氣的含量;其次，燃燒的廢氣里有一定比例的CO2和H2O，CO2具有吸收熱量降低溫度的作用，含有CO2和H2O的廢氣部分被引入汽缸，導致了缸內(nèi)環(huán)境二氧化碳和水的增加，這兩者比熱容高于自然空氣，會使在一定燃料條件下該環(huán)境燃燒溫度下降;同時該環(huán)境下的惰性氣體氧化條件苛刻，不容易發(fā)生化學反應，導致燃燒溫度降低，廢氣里的CO2吸收熱量的作用，汽缸內(nèi)的溫度降低，氮就難以被氧化，抑制了氮氧化合物NOx的生成，從而有效減少了NOx的生成。

3 ?EGR控制系統(tǒng)

廢氣再循環(huán)（EGR）是減少發(fā)動機尾氣排放氣體中氮氧化合物（NOx）的有效措施，非增壓發(fā)動機的進、排氣管存在足夠的壓力差，實現(xiàn)EGR很容易。增壓發(fā)動機實現(xiàn)EGR比較困難，因為進氣管內(nèi)的壓力比排氣管內(nèi)的壓力大。按增壓發(fā)動機實現(xiàn)EGR途徑的不同，分為內(nèi)部EGR和外部EGR兩種類型。內(nèi)部EGR是通過排氣門或者特殊設置閥門的開啟實現(xiàn)廢氣再循環(huán)，通過修改排氣凸輪的形狀使排氣門在進氣行程中稍有提升，讓部分高壓廢氣回流到汽缸內(nèi)，實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。外部EGR是將部分廢氣經(jīng)由外部管路引入進氣系統(tǒng)，實現(xiàn)廢氣再循環(huán)。外部EGR根據(jù)廢氣引到進氣系統(tǒng)位置的不同，外部EGR可分為低壓回路EGR和高壓回路EGR兩種類型。

EGR閥控制發(fā)動機尾氣進入進氣總管，讓廢氣與進氣管內(nèi)的空氣混合，進氣管內(nèi)EGR量的多少用EGR率表示，EGR率=[EGR量/（進氣量+EGR量）]×100%。

EGR閥分類如下：

①真空驅(qū)動型EGR閥。

EGR閥安裝在EGR通道中，EGR電磁閥安裝在通向EGR閥的真空通道中，EGR根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷和冷卻液溫度等信號來控制電磁閥的通電或斷電。EGR電磁閥不通電時，控制EGR閥的真空通道接通，EGR閥開啟，進行廢氣再循環(huán);EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空通道被切斷，EGR閥關(guān)閉，停止廢氣再循環(huán)。

②壓縮空氣驅(qū)動EGR閥。

該類EGR閥驅(qū)動力來自壓縮空氣，一般采用車載存氣罐，膜片室或氣缸內(nèi)壓力由電磁閥調(diào)整，以此控制EGR閥開啟[3]。壓縮空氣驅(qū)動EGR閥結(jié)構(gòu)相對繁雜，外形極大，應用較少。

③比例電磁鐵驅(qū)動EGR閥。

該閥優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，由永磁鐵鐵芯與螺線管之間相對運動，讓EGR閥形成軸向運轉(zhuǎn)，經(jīng)過調(diào)整設計，保證在EGR閥打開時，電磁力同時達到峰值，打開時間不超過100ms，為保證控制更為精準，選用閥升程傳感器，實施閉環(huán)控制，能降低溫度升高產(chǎn)生的干擾，該種閥控制很方便，反應較迅速，經(jīng)濟適用。

④直流電機驅(qū)動EGR閥。

直流電機驅(qū)動EGR閥直接由直流馬達驅(qū)動，由電子控制模塊（ECU）控制，即電控單元，發(fā)射的脈沖控制直流馬達運行，此和步進馬達近似，區(qū)別是，直流馬達驅(qū)使更加具備靈敏性，可以迅速完成正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)其EGR閥的打開與復位，通過兩者比較而言，直流馬達驅(qū)使EGR閥的控制策略顯得比較復雜，因為對于直流馬達驅(qū)動而言反饋調(diào)節(jié)是必須的，閥門的開度是由方位傳感器來獲得作為反饋輸入，同時這也是該種驅(qū)動方式的一大優(yōu)勢，高速反應的EGR閥更容易滿足越來越嚴苛的排放法律，變成嚴厲EGR率控制的核心要素，直流馬達驅(qū)使EGR閥逐漸的走上了EGR使用的平臺，其低于80ms的反應速率成為其最大的殺手锏。

4 ?EGR控制系統(tǒng)設計研究

計算機科學迅猛發(fā)展的時代，EGR系統(tǒng)從機械控制技術(shù)轉(zhuǎn)為電子控制技術(shù)，當前EGR控制系統(tǒng)主要應用單片機作為系統(tǒng)核心，同時配備各類傳感器、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)接收與處理，來控制電磁閥閥門的開關(guān)和閉合，本論文在現(xiàn)有的EGR閥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分模塊對EGR控制系統(tǒng)進行設計研究。

4.1 EGR控制系統(tǒng)硬件設計

任何一款電子控制項目都需要進行硬件搭建，本次研究主要是對控制系統(tǒng)作出基礎(chǔ)功能的探究，因此硬件設計較為簡單。

單片機最小系統(tǒng)是保證單片機能夠正常運行的基礎(chǔ)條件，在硬件設計過程中首先要繪制出單片機最小系統(tǒng)，并進行仿真模擬點燈，以保證系統(tǒng)最基本的運行;由于自動控制屬于弱電控制強電，一般來說單片機供電電壓為5V，但是汽車內(nèi)部蓄電池標準電壓為12V，因此需要有升壓穩(wěn)壓電路對供電電壓進行處理使之符合汽車標準電壓;該閉環(huán)控制系統(tǒng)通過控制電磁閥閥門的開關(guān)程度來控制廢氣再循環(huán)程度，調(diào)節(jié)進入負氣壓室里面的空氣量，由于電磁閥閥門開合程度控制是EGR控制的主要控制量，它對被控量EGR率起到?jīng)Q定性作用，因此對于電磁閥閥門還用安裝檢測報警裝置，一旦電磁閥閥門出現(xiàn)偏移損壞要進行蜂鳴器鳴笛預警;A/D轉(zhuǎn)換電路是幾乎所有工程實踐項目的關(guān)鍵一環(huán)，外部檢測信號大多數(shù)是模擬量，但是計算機識別的是高低電平數(shù)字信號，為了能讓單片機對收集到的信號做出處理，必須要有A/D轉(zhuǎn)化電路;由于該控制系統(tǒng)運行于發(fā)動機工作狀態(tài)，要對發(fā)動機工作狀態(tài)進行檢測，并要對檢測信號進行處理，因此必須設計轉(zhuǎn)速信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)化電路，使用曲軸位置傳感器作為關(guān)鍵轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)發(fā)送脈沖信號進行反饋，對于發(fā)動機工作于怠速狀態(tài)，電磁閥閥門被控制關(guān)閉，使用節(jié)氣門位置傳感器進行數(shù)據(jù)測量，同時對于冷卻液溫度也要進行傳感測量，在當前冷卻液溫度低于40攝氏度時停止進行閥門開啟。

基本硬件電路通過設計仿真后可以投產(chǎn)進行PCB板制造，由于板子制作周期較長應該多定制PCB板，避免在之后原件焊接、硬件調(diào)試過程中因為PCB板損毀導致項目無法按期完工。

4.2 EGR控制系統(tǒng)軟件設計

硬件項目一般都要輔助軟件編程，本次涉及研究主要基于該控制系統(tǒng)基礎(chǔ)功能開發(fā)，電路設計大多采用標準模塊進行設計組裝，因此軟件程序設計參考資料充足，難度較為簡單。編程語言方面選擇C語言進行編程，C語言最接近匯編語言，也是各類編程語言的基礎(chǔ)，對于廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)來說，最基礎(chǔ)的元器件控制代碼入門教程都要涉獵，各類傳感器程序編寫商家會提供基本程序代碼。

總體而言，EGR控制系統(tǒng)總控制程序代碼思路為，首先進行系統(tǒng)初始化，接著依次讀取測量信號，包括冷卻液溫度信號、節(jié)氣門轉(zhuǎn)速采集信號、EGR開度值測量信號并進行數(shù)據(jù)計算，當各類檢測信號在指標允許范圍內(nèi)，檢查電磁閥控制波形并對電磁閥閥門進行驅(qū)動控制，調(diào)節(jié)閥門開度，在無蜂鳴器報警條件下繼續(xù)對各類傳感器測量信號進行讀取、計算、反饋，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)不斷調(diào)整電磁閥閥門的開度，使EGR率達到最優(yōu)值。

由于C語言接近匯編語言，因此在變成過程中可以適當使用匯編語言來對硬件內(nèi)部程序運行邏輯進行熟悉。

4.3 元器件選擇與總體框架設計

元器件各類型號多種多樣，在電子大樓基本可以采購到需要的一切元器件，但是在元器件選購過程中要從經(jīng)濟成本、元器件質(zhì)量等方面進行考慮，因為當設計產(chǎn)品進行量產(chǎn)時元器件性價比不高的問題就會被擴大化，導致生產(chǎn)成本升高，利潤率降低。但是在采購過程中也要關(guān)注國際新型元器件基本動向，在初步設計和小批量生產(chǎn)過程中大膽選用新型元器件，與傳統(tǒng)元器件進行對比分析，得出優(yōu)劣勢，選擇性對當前設計進行產(chǎn)業(yè)升級。

在控制系統(tǒng)整體框架設計要緊跟前沿科技動態(tài)，尤其是在仿真模擬和算法優(yōu)化階段，由于現(xiàn)有控制系統(tǒng)是智能信息化設備，因此算法優(yōu)化對于EGR處理效率勢必具有重要影響，同時也可以用MATLAB軟件搭建仿真模型，從數(shù)據(jù)原理方面優(yōu)化設計。在進行發(fā)動機產(chǎn)業(yè)升級過程中，硬件設計謀求最大限度接近尖端水平，硬件更新?lián)Q代任務要求高，在生產(chǎn)設計時就有考慮該產(chǎn)品的可用時限，軟件方面可以通過不斷升級換代對存在問題進行處理。

5 ?結(jié)束語

綜上所述，在環(huán)保理念被大力提倡的今天，對于汽車廢氣排放勢必會有更加嚴苛的要求，我國汽車工藝距離國際先進水平仍有差距，核心技術(shù)手段仍掌握在國外，因此在完成汽車產(chǎn)量任務的過程中也要積極進取，爭取早日攻克技術(shù)上的難題，這不僅僅是任何一家企業(yè)的責任，也是各類學科都要穩(wěn)步發(fā)展才能產(chǎn)生的成果，本文關(guān)于EGR控制系統(tǒng)的探討是基于本學科領(lǐng)域進行的研究實驗，在雛形設計階段有了一定考量，具體的實際項目中仍需具體問題具體分析。

參考文獻：

[1]嚴永華.國六柴油機廢氣再循環(huán)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究[J].汽車與新動力，2018（4）：92-96.

[2]張雷，徐博雅，陳征，等.新型EGR系統(tǒng)對非道路柴油機性能和排放的影響[J].小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2018（3）：1-4.

[3]趙洋，王忠，劉帥，李瑞娜，瞿磊.廢氣再循環(huán)氣體成分對柴油機顆粒結(jié)構(gòu)特征的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（07）：280-285.