柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)

陳新梅

摘 要

本文對(duì)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(jī)電控EGR系統(tǒng)的開發(fā)流程，并且對(duì)電控系統(tǒng)組成與軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，進(jìn)而詳細(xì)地研究了EGR控制策略，對(duì)于信號(hào)抗干擾的能力進(jìn)行了全面考慮。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī) 電控EGR系統(tǒng)

1 EGR概述

在現(xiàn)階段柴油機(jī)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(guó)家，客車與輕型卡車的柴油機(jī)都已經(jīng)開始使用了EGR技術(shù)，并且，在重型卡車柴油機(jī)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(jìn)氣管當(dāng)中，進(jìn)而同新鮮的空氣相互混合，再次進(jìn)入到燃燒室當(dāng)中進(jìn)行燃燒。然而，要想增強(qiáng)EGR效果，則應(yīng)該冷卻EGR廢氣。換句話說(shuō)，就應(yīng)該使廢氣經(jīng)過EGR冷卻器，對(duì)其進(jìn)行冷卻以后，再次被引入到進(jìn)氣管當(dāng)中。另外，EGR作用的機(jī)理就是對(duì)混合氣體當(dāng)中的氧濃度進(jìn)行降低，并且對(duì)燃燒過程中所釋放的熱量進(jìn)行吸收，保證燃燒速度處于緩慢的狀態(tài)，進(jìn)而使得燃燒的溫度逐漸減小。這樣一來(lái)，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(dòng)機(jī)性能，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速或者是怠速等工況的情況下。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于以上工況的情況下，需要利用電子控制單元來(lái)及時(shí)發(fā)出控制指令，并且將EGR閥盡快切斷，保證廢氣不會(huì)再次參與到再循環(huán)當(dāng)中。然而，如果發(fā)動(dòng)機(jī)超出轉(zhuǎn)速或者是符合，并且已經(jīng)達(dá)到特定溫度的情況下，需要電子控制單元及時(shí)地發(fā)出控制指令來(lái)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(dòng)機(jī)具體的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速或者是冷卻液的溫度等多種情況來(lái)進(jìn)行選擇，保證能夠盡量減少?gòu)U氣當(dāng)中的NOx含量。

2 柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)的組成

步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行器、EGR閥、傳感器以及ECU是柴油機(jī)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(duì)工況進(jìn)行相應(yīng)的判斷，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子程序之間的協(xié)調(diào)，同時(shí)，對(duì)信號(hào)輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜刂?。而傳感器主要包括的?nèi)容就是燃油溫度、轉(zhuǎn)速、機(jī)器溫度與壓力以及加速踏板位置等多種信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要是利用螺桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)ERG閥，和復(fù)位彈簧實(shí)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(yàn)可以得知，在多種工況背景下，EGR閥的位置MAP圖會(huì)存入到ECU當(dāng)中。而在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，ECU能夠按照發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和負(fù)荷基本信號(hào)、溫度等若干修正信號(hào)，并正確地計(jì)算出此時(shí)工況所對(duì)應(yīng)EGR閥的位置，而后將其進(jìn)行換算，成為步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，并且對(duì)EGR閥位置進(jìn)行精準(zhǔn)地控制。然而，其實(shí)際的位置還需要安裝于其位置的傳感器來(lái)向ECU進(jìn)行反饋，進(jìn)而對(duì)控制的數(shù)值進(jìn)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(lái)表示。

該系統(tǒng)中的CPU主要選擇使用的就是ARM2119單片機(jī)，主要是對(duì)進(jìn)氣壓力、溫度以及水溫和油溫等模擬信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行及時(shí)地采集，而輸出量則可以當(dāng)作PWM信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，在串行總線的作用下，可以實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。在模擬信號(hào)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(hào)，這就是轉(zhuǎn)速。而實(shí)際輸出頻率、電壓信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的信號(hào)，三者之間呈正比例的關(guān)系。與此同時(shí)，在濾波、放大和整形以后，就會(huì)被傳送到CPU，這對(duì)于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)，而針對(duì)此時(shí)轉(zhuǎn)速、負(fù)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(hào)則能夠?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向與步數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制，而步進(jìn)電機(jī)輸出軸也能夠在連接件的作用之下，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而推動(dòng)EGR閥桿，通過對(duì)閥桿復(fù)位彈簧的壓縮可以移動(dòng)閥桿，進(jìn)而對(duì)其開度進(jìn)行合理地控制，也就是進(jìn)入到再循環(huán)系統(tǒng)中的廢氣量。

而步進(jìn)電機(jī)主要是電脈沖信號(hào)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(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及最終停止的位置只與脈沖信號(hào)頻率以及脈沖數(shù)之間存在關(guān)系，并不會(huì)受到負(fù)載變化影響。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在為電機(jī)增加脈沖信號(hào)的同時(shí)，電機(jī)也會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的布距角。正是這種線性關(guān)系，同時(shí)還有步進(jìn)電機(jī)本身所具備的周期性誤差等特點(diǎn)，所以，步進(jìn)電機(jī)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(hào)分配以及功率放大、負(fù)載等是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。

3.1 脈沖信號(hào)

CPU會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，而在一般情況下，脈沖信號(hào)占空比主要控制在0.3-0.4范圍之內(nèi)。如果電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速比較高，那么占空比也會(huì)隨之變大。

3.2 功率放大

在驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與其動(dòng)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(jī)力矩也會(huì)逐漸增加，所以，為了增加平均電流，就應(yīng)該保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡可能地克服電機(jī)反電勢(shì)。由此可見，在不同場(chǎng)合，一定要選擇相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式。

4 電控EGR系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)將16位單片機(jī)當(dāng)作核心的控制器，同時(shí)，控制軟件需要使用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編寫。其中，主控程序就是在實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)通電以后的初始化程序、測(cè)量并確定發(fā)動(dòng)機(jī)工況，對(duì)于處理程序進(jìn)行判別與處理等等。 主控程序的主要作用就是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的多種工況進(jìn)行判斷，而該程序則主要按照油門的位置與轉(zhuǎn)速來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。因?yàn)橹骺爻绦蚴茄h(huán)程序，所以，在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)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(shí)，通過對(duì)A/D轉(zhuǎn)換子程序等來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀況進(jìn)行相應(yīng)的判定，進(jìn)而運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電磁閥控制的子程序來(lái)輸出相應(yīng)的控制指令，進(jìn)而完成不同工況所實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著柴油機(jī)的普及應(yīng)用，其廢氣當(dāng)中的NOx排放量也逐漸增加，進(jìn)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(jī)中設(shè)計(jì)出電控EGR系統(tǒng)，進(jìn)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(xiàn)

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作者單位

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