船用柴油機冷EGR+EGR率自控系統

張燦為，姜莉莉，董志強

(廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州510006)

0 引 言

伴隨著越來越嚴格的海洋排放法規和環境問題，對船用柴油機的排放要求也日趨嚴格，為了達到2016年實施的Tier III 排放法規，船用柴油機必須更大程度上降低其主要排放物NOx 的排放量。EGR 技術是目前公認的降低柴油機有害物排放的有效方法之一，該技術(廢氣再循環技術)利用EGR 閥將少量廢氣引入進氣管與新鮮空氣混合后進入氣缸進行燃燒，從而破壞NOx 高溫富氧的生成條件。冷EGR 技術是在進行廢氣再循環的過程中對EGR 廢氣進行冷卻來提高進氣密度，降低混合氣燃燒的溫度，以降低柴油機NOx 的排放，也可以降低HC 的排放［1］。對EGR 率控制是通過對引入廢氣量的控制來減少有害排放物的生成，冷EGR 是通過對引入廢氣溫度的控制達到減少有害物排放的目的，二者都能在一定程度上降低有害物的排放。本文綜合考慮引入廢氣量和溫度2 個因素，設計1 套對EGR 率和冷EGR 進行精確、實時控制的船用柴油機自控系統。

1 系統總體設計

系統中的廢氣從柴油機排氣管取得，廢氣經過濾網、線性EGR 閥和冷卻器冷卻后在文丘里管中與新鮮的空氣混合后進入氣缸參與燃燒。系統總體設計如圖1所示。柴油機運行過程中，控制系統根據各傳感器送來的信號進行判斷、分析、運算處理后，發出水泵轉速控制命令和電控EGR 閥開度命令，控制水泵的轉速和閥的開度，從而精確地控制廢氣的量和溫度。其中冷卻用的海水從船用柴油機海水冷卻系統中冷卻水泵后的進水管道中取出，經過海水濾器和單向閥后流入冷卻器，最后經過單向閥后流回海水冷卻系統出水管道中流到舷外。冷卻器中采用冷熱流體逆向的方式，文丘里管主要起引射氣體的功能，海水濾器用來過濾海水中的雜質，電動水泵用來控制冷卻水的循環量，單向閥用來防止海水的回流，濾網用來過濾尾氣中的顆粒物，電源由船舶提供。

圖1 系統總體設計圖Fig.1 The overall design of system

2 控制系統設計

2.1 控制系統控制方法

控制部分由冷EGR 控制和EGR 率控制2 部分組成。冷EGR 控制采用開環控制和PID 控制相結合;EGR 率控制采用閉環控制和PID 控制相結合。以柴油機通過臺架試驗得到的不同工況下最佳冷EGR 溫度和最佳EGR 率以及柴油機轉速、負荷等信號，由ECU 判斷屬于哪一種工況，然后將該工況下實際測得的參數經處理后轉化為控制信號來控制伺服電動水泵的轉速和線性EGR 閥的開度，從而達到用控制冷卻水的循環量來控制EGR 溫度和用控制EGR 閥開度來控制EGR率的目的。廢氣量控制中的PID 控制主要是通過計算理論開度與實際開度的差值并調節差值，冷EGR 中的PID 控制用于對具體執行機構電動水泵進行控制。

綜合考慮柴油機在穩定工況下的基本性能后選擇的EGR 率作為其最佳EGR 率。按照歐洲排放標準13 穩定工況進行劃分工況和工況EGR 率測試，分析其他工況的測量數據、NOx、扭矩、燃油消耗等方面的影響，選取各工況下合適的EGR 率，并繪制測定EGR 率MAP 圖，通過數據處理，得到13 穩定工況最優的EGR 率數值表［2］，如表1所示。

表1 最優的EGR 率數值表Tab.1 The optimal data of EGR rates

在得到最佳EGR 率的前提下，通過不同工況下進行冷EGR 試驗得到EGR 冷卻溫度對柴油機排放的影響規律，參考得到的EGR 冷卻溫度對柴油機性能和排放的影響規律以及柴油機的EGR 使用原則:低溫低速時和高溫高速時不進行EGR;低速小負荷和高溫小負荷和高速中負荷時EGR 投入使用［3-9］。船用柴油機YC4F100-C20 的EGR 冷卻溫度范圍，如表2所示。

表2 最佳冷EGR 溫度范圍Tab.2 The optimal temperature data of cooled EGR

2.2 控制系統硬件設計

控制單元采用AT89S52 單片機作為核心部件，控制系統原理如圖2所示。其中反饋信號由排氣溫度傳感器、閥門位置傳感器和冷卻后EGR 溫度傳感器提供，用于ECU 控制電動水泵轉速和線性EGR 閥開度，轉速信號由柴油機轉速傳感器提供，負荷信號由供油齒條位置傳感器提供，當柴油機在低轉速、小負荷或轉速過高、負荷過高時，不進行EGR，此時水泵不轉，EGR 閥關閉;當柴油機溫度過低時，對再循環廢氣不進行冷卻，水泵不轉，EGR 閥根據控制結果打開。機體溫度信號由機體溫度傳感器提供。各種信號首先由信號放大處理電路對傳感器的弱電信號放大，同時對一些非線性信號進行線性化處理，對開關信號進行濾波處理和電位變換。然后A/D 電路對發動機負荷信號和冷卻后EGR 溫度信號進行數字化處理后輸入單片機，機體溫度信號為數字信號可直接輸入到單片機中，轉速信號為脈沖信號。驅動電路是完成對直流電動水泵的控制，通過對占空比的控制完成對線EGR 閥開度的控制。

圖2 控制系統原理圖Fig.2 Block diagram of control system

2.3 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計采用模塊化程序設計方法，程序模塊有主程序模塊、A/D 轉換模塊、循環采樣模塊、PID 模塊等。通過軟件接口將各模塊連接，軟件部分主要完成柴油機轉速、負荷、閥門開度位置、冷卻后EGR 溫度和機體溫度信號的循環采樣、查表和運算處理、PID 計算、PWM 信號驅動執行等功能。其中首先將得到的最佳冷EGR 冷卻溫度范圍和最佳EGR 率作為查表程序的數據源存入單片機，主程序圖如圖3所示。

冷EGR 控制中的PID 控制主要是在單片機接收到串口的控溫指令和溫度數據后，把采集到的實時溫度與控溫要求的溫度相比較后得出控制量，用該控制量去控制PWM 輸出，控制電機兩端的平均電壓，進而控制電機的轉速來調節冷卻水循環量使得EGR 的溫度值達到規定的溫度范圍(見圖4)。考慮直流電機的控制問題，對PID 位置式算法進行改進得到數字PID 的增量表達式:

圖3 主程序框圖Fig.3 Flow chart of main routine

圖4 冷EGR 控制原理圖Fig.4 Control schematics for cooled EGR

按偏差項合并整理成如下形式

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k－1)+q2e(k－2)。

式中:KP為比例增益;KI=KPT/TI為積分系數;TI為積分時間;KD=KPTD/T 為微分系數;qo為KP(1+T/TI+TD/ T);u(k)為輸出電壓;e(k)為第k 次溫度采樣;q1為KP(1+2 TD/T);KP為比例增益;q2為KPTD/T。

EGR 率控制中的PID 控制初始信號是由單片機判斷的發動機的工況查表得到的最佳EGR 率的值，之后由線性EGR 閥中的閥門位置傳感器提供的位置信號為反饋信號，控制原理如圖5所示。PID 計算主要是對采集到的實際電磁閥開度和理論電磁閥開度相比較后得出控制量，用該控制量去控制PWM 信號占空比輸出，循環處理判斷后，最后使閥開度位置能保證實現最佳EGR 率或者附近，具體調節算法如下:

式中:Kp 為比例增益;TI為積分時間;TD為微分時間;Kp 為加快響應速度;TI為主要消除系統誤差;TD為抑制響應中偏差向任何方向的改變［11］。

圖5 EGR 率控制原理圖Fig.5 Control schematics for EGR rates

3 試驗結果

在YC4F100-C20 船用柴油機上進行裝有該自控系統與無EGR 的對比試驗，其中在轉速為1 800 r/min時，NOx 排放量和碳煙量對比結果如圖6所示。從圖中可看到，采用自控系統后NOx 排放量比無EGR 時減少15.3% ～23.1%，HC 排放量基本保持不變，CO 排放量有所減少，碳煙的量也有所下降。

圖6 NOx 排放量和碳煙量對比結果Fig.6 Emissions of NOx and carbon volume results

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