船用柴油機(jī)冷EGR+EGR率自控系統(tǒng)

張燦為，姜莉莉，董志強(qiáng)

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州510006)

0 引 言

伴隨著越來越嚴(yán)格的海洋排放法規(guī)和環(huán)境問題，對(duì)船用柴油機(jī)的排放要求也日趨嚴(yán)格，為了達(dá)到2016年實(shí)施的Tier III 排放法規(guī)，船用柴油機(jī)必須更大程度上降低其主要排放物NOx 的排放量。EGR 技術(shù)是目前公認(rèn)的降低柴油機(jī)有害物排放的有效方法之一，該技術(shù)(廢氣再循環(huán)技術(shù))利用EGR 閥將少量廢氣引入進(jìn)氣管與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒，從而破壞NOx 高溫富氧的生成條件。冷EGR 技術(shù)是在進(jìn)行廢氣再循環(huán)的過程中對(duì)EGR 廢氣進(jìn)行冷卻來提高進(jìn)氣密度，降低混合氣燃燒的溫度，以降低柴油機(jī)NOx 的排放，也可以降低HC 的排放［1］。對(duì)EGR 率控制是通過對(duì)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(duì)引入廢氣溫度的控制達(dá)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(gè)因素，設(shè)計(jì)1 套對(duì)EGR 率和冷EGR 進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)控制的船用柴油機(jī)自控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的廢氣從柴油機(jī)排氣管取得，廢氣經(jīng)過濾網(wǎng)、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(jìn)入氣缸參與燃燒。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。柴油機(jī)運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器送來的信號(hào)進(jìn)行判斷、分析、運(yùn)算處理后，發(fā)出水泵轉(zhuǎn)速控制命令和電控EGR 閥開度命令，控制水泵的轉(zhuǎn)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(jī)海水冷卻系統(tǒng)中冷卻水泵后的進(jìn)水管道中取出，經(jīng)過海水濾器和單向閥后流入冷卻器，最后經(jīng)過單向閥后流回海水冷卻系統(tǒng)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(zhì)，電動(dòng)水泵用來控制冷卻水的循環(huán)量，單向閥用來防止海水的回流，濾網(wǎng)用來過濾尾氣中的顆粒物，電源由船舶提供。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 The overall design of system

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)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(huán)控制和PID 控制相結(jié)合;EGR 率控制采用閉環(huán)控制和PID 控制相結(jié)合。以柴油機(jī)通過臺(tái)架試驗(yàn)得到的不同工況下最佳冷EGR 溫度和最佳EGR 率以及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信號(hào)，由ECU 判斷屬于哪一種工況，然后將該工況下實(shí)際測(cè)得的參數(shù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)來控制伺服電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速和線性EGR 閥的開度，從而達(dá)到用控制冷卻水的循環(huán)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(jì)算理論開度與實(shí)際開度的差值并調(diào)節(jié)差值，冷EGR 中的PID 控制用于對(duì)具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)水泵進(jìn)行控制。

綜合考慮柴油機(jī)在穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)13 穩(wěn)定工況進(jìn)行劃分工況和工況EGR 率測(cè)試，分析其他工況的測(cè)量數(shù)據(jù)、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(cè)定EGR 率MAP 圖，通過數(shù)據(jù)處理，得到13 穩(wěn)定工況最優(yōu)的EGR 率數(shù)值表［2］，如表1所示。

表1 最優(yōu)的EGR 率數(shù)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(jìn)行冷EGR 試驗(yàn)得到EGR 冷卻溫度對(duì)柴油機(jī)排放的影響規(guī)律，參考得到的EGR 冷卻溫度對(duì)柴油機(jī)性能和排放的影響規(guī)律以及柴油機(jī)的EGR 使用原則:低溫低速時(shí)和高溫高速時(shí)不進(jìn)行EGR;低速小負(fù)荷和高溫小負(fù)荷和高速中負(fù)荷時(shí)EGR 投入使用［3-9］。船用柴油機(jī)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制單元采用AT89S52 單片機(jī)作為核心部件，控制系統(tǒng)原理如圖2所示。其中反饋信號(hào)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(dòng)水泵轉(zhuǎn)速和線性EGR 閥開度，轉(zhuǎn)速信號(hào)由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器提供，負(fù)荷信號(hào)由供油齒條位置傳感器提供，當(dāng)柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷或轉(zhuǎn)速過高、負(fù)荷過高時(shí)，不進(jìn)行EGR，此時(shí)水泵不轉(zhuǎn)，EGR 閥關(guān)閉;當(dāng)柴油機(jī)溫度過低時(shí)，對(duì)再循環(huán)廢氣不進(jìn)行冷卻，水泵不轉(zhuǎn)，EGR 閥根據(jù)控制結(jié)果打開。機(jī)體溫度信號(hào)由機(jī)體溫度傳感器提供。各種信號(hào)首先由信號(hào)放大處理電路對(duì)傳感器的弱電信號(hào)放大，同時(shí)對(duì)一些非線性信號(hào)進(jìn)行線性化處理，對(duì)開關(guān)信號(hào)進(jìn)行濾波處理和電位變換。然后A/D 電路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信號(hào)和冷卻后EGR 溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后輸入單片機(jī)，機(jī)體溫度信號(hào)為數(shù)字信號(hào)可直接輸入到單片機(jī)中，轉(zhuǎn)速信號(hào)為脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路是完成對(duì)直流電動(dòng)水泵的控制，通過對(duì)占空比的控制完成對(duì)線EGR 閥開度的控制。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Block diagram of control system

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，程序模塊有主程序模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、循環(huán)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(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、閥門開度位置、冷卻后EGR 溫度和機(jī)體溫度信號(hào)的循環(huán)采樣、查表和運(yùn)算處理、PID 計(jì)算、PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)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(shù)據(jù)源存入單片機(jī)，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(jī)接收到串口的控溫指令和溫度數(shù)據(jù)后，把采集到的實(shí)時(shí)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(jī)兩端的平均電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)冷卻水循環(huán)量使得EGR 的溫度值達(dá)到規(guī)定的溫度范圍(見圖4)?？紤]直流電機(jī)的控制問題，對(duì)PID 位置式算法進(jìn)行改進(jìn)得到數(shù)字PID 的增量表達(dá)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(xiàng)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(shù);TI為積分時(shí)間;KD=KPTD/T 為微分系數(shù);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(hào)是由單片機(jī)判斷的發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)為反饋信號(hào)，控制原理如圖5所示。PID 計(jì)算主要是對(duì)采集到的實(shí)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(hào)占空比輸出，循環(huán)處理判斷后，最后使閥開度位置能保證實(shí)現(xiàn)最佳EGR 率或者附近，具體調(diào)節(jié)算法如下:

式中:Kp 為比例增益;TI為積分時(shí)間;TD為微分時(shí)間;Kp 為加快響應(yīng)速度;TI為主要消除系統(tǒng)誤差;TD為抑制響應(yīng)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(yàn)結(jié)果

在YC4F100-C20 船用柴油機(jī)上進(jìn)行裝有該自控系統(tǒng)與無EGR 的對(duì)比試驗(yàn)，其中在轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，NOx 排放量和碳煙量對(duì)比結(jié)果如圖6所示。從圖中可看到，采用自控系統(tǒng)后NOx 排放量比無EGR 時(shí)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(duì)比結(jié)果Fig.6 Emissions of NOx and carbon volume results

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