柴油機冷EGR溫度控制器的研究

李愛娟 李舜酩 郭新民 劉 剛 劉建婭

1.南京航空航天大學，南京，210016 2.山東農業大學，泰安，271018

3.中鐵十局集團電務工程有限公司，濟南，250000

4.北京汽車股份有限公司汽車工程研究院，北京，100021

0 引言

柴油機的主要排放物是 NOx和微粒［1］。NOx對人體的危害很大，因此柴油機必須大幅度地降低 NOx的排放量［2－3］。國際公認，廢氣再循環EGR（exhaust gas recirculation）是降低柴油機NOx排放量的有效手段之一［4－5］。為進一步降低NOx的排放量，通過對再循環的廢氣進行冷卻來降低混合氣燃燒的最高溫度，可在更大程度上抑制 NOx的生成［6－7］。本文在文獻［6］的基礎上，對冷EGR溫度控制器進行研究，設計了一種能夠根據發動機的不同工況自動調節EGR冷卻溫度的冷EGR溫度控制器。

1 冷EGR系統工作原理

冷EGR系統模型框圖見圖1。該系統從發動機排氣管上獲取再循環的廢氣，直流電動水泵從發動機散熱器中引出冷EGR系統的冷卻水并進行強制循環流動，冷卻水流經EGR冷卻器對再循環的廢氣進行冷卻后流回散熱器。冷EGR溫度控制器對各種傳感器送來的信號進行處理、運算和分析判斷后，自動控制水泵轉速，通過調整冷卻水循環量來動態實時地控制再循環廢氣的冷卻溫度，以實現不同工況下EGR的冷卻溫度處在最佳冷卻溫度范圍內的目的。

圖1 冷EGR系統模型框圖

采用開環控制的方法對EGR冷卻溫度進行控制，以試驗得出的柴油機不同工況下EGR的最佳冷卻溫度范圍為基礎［6］，根據發動機轉速和負荷的信號判斷屬于哪一種工況，然后根據該工況的實測參數輸出控制信號，通過PID控制調節PWM信號的占空比來控制電動水泵電機兩端的平均電壓，從而控制直流電動水泵的轉速。

2 冷EGR溫度控制器的設計

2.1 硬件設計

硬件設計包括單片機最小系統的設計、ADC0809轉換電路的設計以及PWM脈寬驅動電路的設計等，具體的電路圖見圖2～圖4。

圖2 AT89S51最小系統設計

單片機的最小系統包括單片機的復位電路和時鐘電路，在本系統中，AT89S51單片機采用了既可以通電后自動復位又可以手動強制復位的復位電路。本裝置采用ADC0809的IN0、IN1輸入通道對冷卻后EGR溫度信號、油門踏板位置信號兩路模擬信號進行A／D轉換。在ADC0809中，AT89S51的P2.0口與ADC0809的ADDA端口連接，ADDB、ADDC端口接地。由于ADC0809芯片沒有片選端子，所以，當P2.7為高電平和為低電平時，ADC0809的ALE和START引腳為高電平，以線選方式啟動A／D轉換。當P2.7為高電平和為低電平時，單片機接收轉換后的數據［8］。單片機的P1.0引腳輸出占空比為60%～100%的PWM信號，經光電隔離后驅動功率場效應管（MOSFET）IRF730芯片，水泵電機上可獲得不同占空比的PWM信號。開關K1閉合后直流電機開始工作，帶動水泵旋轉。

圖3 ADC0809接口電路

圖4 直流電動機驅動電路

2.2 軟件設計

2.2.1 主程序設計

本控制器軟件主要完成對發動機轉速、負荷、EGR溫度和冷卻水溫度信號的循環采樣、數字濾波、查表和運算處理、參數設置、PID計算、PWM信號驅動執行等功能。將EGR最佳冷卻溫度范圍的數據存入單片機，作為查表程序的數據源。整個控制軟件由多個獨立的程序模塊組成，主要程序模塊有：主程序模塊、中斷服務模塊、循環采樣模塊、數字濾波模塊、PID計算模塊等。主程序框圖見圖5。

2.2.2 中斷服務程序設計

要實現轉速的測量，需用到外部中斷INT0和定時器T0。INT0的中斷服務程序流程如圖6所示。其中，設定時器的計數值為T，則曲軸轉一圈的時間為T（μs），因而由定時器的計數值換算為發動機轉速則為n＝60×106／T（r／min）。

圖5 主程序框圖

定時器T1中斷的主要目的是產生PWM信號。T1的中斷服務程序流程如圖7所示。定時器T1以工頻周期為基本計數周期進行減法定時，采用工作方式2，時基定為50μs。這里假定PWM波的周期為10ms，把每個周期分成F＝200份，由PID算法得到一個0～200之間整數形式的輸出控制量PBSC。一個周期開始時F＝200，P1.0腳輸出高電平，電機兩端無電壓輸入，每50μs F減1，當F大于等于由PID算法得出的控制量PBSC時，P1.0腳電平翻轉輸出低電平，這時電機兩端有電壓輸入，直到F減為0，重新開始下一個控制周期。等到下一周期開始，P1.0腳電平被置為高電平，如此反復進行便產生了電壓控制的PWM波。

2.2.3 子程序設計

子程序的設計主要包括冷卻后EGR溫度采樣控制程序的設計和數字濾波程序的設計等。冷卻后EGR溫度采樣控制程序主要完成對溫度信號的循環采樣，其程序框圖見圖8。圖8中，Ek為冷卻后EGR溫度采樣值，Tg為冷卻后EGR的參考溫度值。為提高測試精度和系統可靠性，對冷卻后EGR溫度信號、冷卻水溫度信號、發動機轉速信號和油門踏板位置信號的測試都采用了循環采樣三次取其中值的濾波算法。

圖6 INT0中斷服務程序流程圖

圖7 T1中斷服務程序流程圖

圖8 冷EGR溫度控制程序框圖

2.2.4 PID算法及仿真

PID算法采用單片機軟件實現［9］，增量型數字PID控制算式為［10］

式中，KP為比例增益；T為采樣周期；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；

增量型數字PID控制算法的流程圖見圖9，算法以子程序調用的形式出現，q0、q1、q2應離線算好，e（k－1）和e（k－2）在程序初始化階段置零。PID控制器的三個參數——比例系數KP、積分時間常數TI、微分時間常數TD對系統有不同影響，通過試湊法對這三個系數進行整定，可得到KP＝9.8，TI＝0.784，TD＝0.022。PID控制器通過式（1）確定的PID控制算法計算得到控制輸出量Δu（k），用該輸出量去控制PWM信號輸出；PWM 信號的輸出經光耦隔離去驅動MOS管，通過改變電機兩端的平均電壓控制電機的轉速。電機帶動水泵，通過改變冷卻水的循環量而改變EGR廢氣溫度，使得EGR的溫度值達到規定的溫度范圍。

對PID控制系統進行仿真之前需要在Simulink下建立相應的控制對象的數學模型，即搭建系統方框圖，見圖10。對于系統的階躍輸入信號即EGR溫度信號的基值和實際的EGR溫度信號的偏差，通過比例、積分和微分的線性組合進行反饋控制。對PID控制系統進行了仿真，控制效果曲線如圖11所示，可見，該PID控制器具有良好的跟蹤性能，調節時間短，超調量小，基本滿足系統的要求。

圖9 數字PID增量型控制算法的流程圖

圖10 系統方框圖

圖11 系統階躍輸入曲線

3 試驗

在CA498型柴油機試驗臺架上進行了不同工況下裝有該溫度控制器的EGR冷卻系統與無溫度控制器的EGR冷卻系統的對比試驗。選取的工況為 1500r／min、2200r／min、3000r／min與25%、50%、75%不同負荷組合的工況。其中，在2200r／min時，25%與75%兩種負荷下的試驗結果對比如表1所示。發動機安裝冷卻系統以后，柴油機在75%負荷時，NOx的排放量比未冷卻的EGR系統降低8.63%，在25%負荷時NOx的排放量比未冷卻的EGR系統降低6.62%。可見使用冷EGR溫度控制器后在大負荷下對NOx排放量的控制效果更加明顯，且在各種工況下比未冷卻的EGR系統更有效地降低了NOx的排放量，控制效果明顯。

表1 2200r／min時EGR試驗結果對比表

4 結論

（1）設計的冷EGR溫度控制器能夠實現各種工況下對冷EGR溫度的自動控制，滿足了不同工況對EGR溫度的要求，提高了EGR技術的自動化程度。

（2）試驗表明，與未冷卻的EGR系統相比，發動機安裝溫度控制器以后有效地降低了NOx的排放量，證明該冷EGR溫度控制器是可行的，可以更好地降低柴油機NOx的排放量。

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