汽油發動機線性EGR閥故障診斷策略研究

曹慧穎，李杰，代永剛，肖海云，解小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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汽油發動機線性EGR閥故障診斷策略研究

曹慧穎，李杰，代永剛，肖海云，解小超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于直流電機驅動的線性廢氣再循環閥，從車輛下線、售后及正常駕駛循環考慮，對閥的故障診斷及相關控制策略進行了研究，包括傳感器線路故障診斷、零位自學習診斷、位置偏差診斷以及自清潔控制邏輯等，提高汽油機EGR系統安全性。

汽油機；線性廢氣再循環閥；診斷

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-189-03

1、概述

廢氣再循環（exhaust gas recycle，EGR）技術可有效降低缸內燃燒溫度，繼而降低NOx排放是降低NOx排放最有效的措施之一[1，2]。另一方面，在汽油機部分負荷工況應用EGR技術可有效提高進氣歧管壓力，在同等負荷下增大節氣門開度，減少泵氣損失，從而達到改善發動機燃油經濟型的目的[3,4]。因此，EGR系統在汽油發動機上的應用越來越廣泛。據統計，傳感器和執行器的故障占到控制系統總故障的80%左右[5]。EGR閥作為高重要度的執行器，其故障診斷策略顯得尤為重要。因此本文將基于直流電機驅動的線性EGR閥對其診斷控制策略進行研究和設計。

2、EGR閥控制系統

線性EGR閥一般主要由 EGR閥閥體、驅動電機、齒輪箱減速機構、EGR閥閥桿組件 、EGR閥閥桿位置傳感器、回位彈簧等組成。

圖1 EGR閉環控制系統結構示意圖

如圖1所示，EGR閥控制系統采用閉環控制。在發動機臺架標定時，一般基于合理分配各缸EGR廢氣引入量且盡可能提高發動機對EGR廢氣的容忍度的基礎上，完成不同發動機工況下的EGR率標定MAP，在車輛正常行駛過程中，ECU讀取發動機負荷、發動機轉速等輸入信號，根據標定MAP通過查表法確定當前所需EGR率，并計算所需EGR閥開度，進而計算出驅動信號占空比。同時ECU讀取當前位置傳感器的反饋信號，采用PID閉環控制算法實現EGR目標開度的控制。

3、EGR閥故障診斷策略研究

內燃機產生的一部分廢氣通過EGR閥從排氣管引入進氣管中，閥體的工作環境較惡劣，容易出現積碳、卡滯等現象影響EGR閥的正常工作。EGR異常工作將會對車輛動力性、經濟性及排放均產生影響。本文將設計一套EGR診斷控制系統，有利于ECU及時發現并處理或報出故障，提高系統安全性。

3.1 EGR閥位置傳感器線路故障診斷

目前行業內普遍采用的EGR閥都具備能夠反饋當前EGR閥開度的位置傳感器。位置傳感器信號失效會導致EGR控制不穩定，因此必須監控EGR位置反饋電壓信號是否有短路或斷路故障。該診斷為常規的線路短/斷路診斷，一般在車輛工況條件滿足的情況下，讀取傳感器線路電壓信號和ECU內部設定的限制做對比來判斷是否發生故障。

3.2 EGR首次零位自學習

在車輛下線或車輛售后更換EGR閥時，ECU須讀取并記錄EGR閥的初始零位，稱為首次零位自學習，用于判斷EGR閥硬件是否合格，并作為正常駕駛循環中EGR閥體特性是否發生偏移的診斷依據。在EGR閥的使用生命周期內僅進行一次首次零位自學習。

3.2.1 車輛下線自學習

ECU完成下線零位自學習后，其內部會存儲該零位值，并將相關標志位置位。如圖2所示，鑰匙打到ON檔，ECU通過內部記錄的EGR閥首次零位自學習值PEGRZERNV和自學習標志位FEGRZER確認未進行過EGR首次零位自學習，ON檔維持超過一定時間t1之后（為了使EGR狀態穩定），ECU讀取EGR零位信息PEGRZER，并進行零位合理性診斷，診斷通過之后即可將此時讀取的零位作為PEGRZERNV存儲到ECU內存中，并將FEGRZER置位。

圖2 車輛下線自學習流程圖

3.2.2 換閥首次自學習

當EGR發生老化或故障需要更換新閥時，ECU須完成新EGR閥的首次零位自學習，并對該零位值進行合理性診斷。換閥后的首次零位自學習通過油門踏板的動作來激活，并定義油門踩下及松開的有效深度、油門踩踏的次數、操作的時間等來約束功能的激活，避免誤激活的發生，如圖3所示：

圖3 換閥首次自學習過程示意圖

3.2.3 零位合理性診斷

車輛在出廠時必須保證EGR閥是合格的，合格的EGR閥其首次自學習零位電壓應在廠家定義的范圍內，否則報相關故障并記錄故障碼，即：

式中：UEGR代表ECU當前讀取的EGR閥零位電壓值；Uzerl代表閥體廠家定義的EGR閥零位電壓最小值；UzerH代表閥體廠家定義的EGR閥零位電壓最大值。

3.4 零位學習值偏差診斷

EGR閥工作環境惡劣，零位學習值偏差診斷是為了識別由于積碳、內部彈簧老化等原因導致EGR零位電壓偏移過大，進而影響EGR系統正常使用的情況。該診斷每個駕駛循環開始時僅進行一次。診斷使能條件為：ON檔維持超過一定時間t2、期望EGR閥開度PEGRdes為零、無EGR閥位置傳感器線束故障。診斷使能則診斷使能計數器Sample counter 加1；ECU將讀取的當前EGR零位值PEGRZER與PEGRZERNV比較，超出閾值則診斷失敗計數器Fail counter加1。Sample counter超出閾值N1但Fail counter未超出閾值N2時，兩個計數器均清零，Sample counter未超出閾值N1而Fail counter超出閾值N2時，報零位學習值偏差超差故障。

圖4 零位學習值偏差診斷流程圖

3.5 EGR閥位置偏差診斷

惡劣的使用環境可能導致EGR閥閥桿運動不暢或卡滯。當目標開度PEGRdes不為零且維持t3時間保持不變的情況下，通過考核EGR閥的實際開度PEGR與PEGRdes的差值是否超出閾值Pth來進行EGR閥位置偏差診斷，作為判斷EGR閥閥桿運動不暢或卡滯的依據。

圖5 位置偏差診斷流程圖

3.6 自清潔

當診斷出位置偏差超出閾值后，需要在不影響駕駛性的情況下（如減速斷油工況或車輛下電后ECU掉電前）進行自清潔，同時，在一個駕駛循環內，減速斷油工況次數達到一定量后，無論ECU是否診斷出位置偏差，都可在減速斷油工況進行一次自清潔，最大限度避免EGR閥的卡滯。自清潔過程如圖6所示：

圖6 自清潔過程示意圖

圖中，DEGR代表EGR閥驅動占空比，TCLN代表自清潔計時器；t4、t5、t6分別為自清潔各階段位置的時間閾值。

4、結束語

在節能減排和日趨嚴格的油耗限值的大形勢下，大力推廣、應用先進的發動機節能技術將成為未來一段時間汽車廠家研究的方向[6]。EGR系統作為節油和優化排放的行之有效的手段使得EGR閥將越來越多的出現在汽油發動機上。作為高重要度的執行器，本文基于直流電機驅動的線性EGR閥對故障診斷策略進行了研究，對提高EGR閥在汽油發動機上應用的系統安全性具有重要意義。

[1] Pradeep V, Sharma R P. Use of hot EGR for Nox control in a compression ignition engine fuelled with bio-diesel from Jatropha oil[J]. Renewable Energy,2007,32:1136-1154.

[2] 禇超美,高超,李虎強.基于內部EGR率控制的柴油機排氣凸輪型線仿真設計研究[J].內燃機工程.2011,32（6）：44-47.

[3]Duchaussoy Y, Lefebvre A ,Robert B, Dilution interest on turbocharged SI engine combustion[C]//SAE 2003-01-0629,2003.

[4] Cairns A,Blaxill H,Irlam G. Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gas-oline engine [C]//SAE 2006-01-0047,2006.

[5] 黃孝彬,劉吉臻,牛玉廣．控制系統執行機構故障的檢測與診斷[J].控制工程,2003,10(5)：165—169．

[6] 范振陽.EGR和VVT在汽油機渦輪增壓中的應用[D]. 哈爾濱,哈爾濱工業大學學位論文,2015:1-3.

A Study on the Linear EGR Valve Fault Diagnosis Method of Gasoline Engine

Cao Huiying, Li Jie, Dai Yonggang, Xiao Haiyun, Xie Xiaochao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the linear EGR(exhaust gas recycle) valve driven by DC motor, a valve fault diagnosis and control method is studied considering of EOL, customer service and common driving cycle, including sensor circuit diagnostic, zero position self-learning diagnostic, position error diagnostic and self-cleaning logic, etc. The method could enhance the security of the gasoline engine EGR system.

Gasoline engine; linear exhaust gas recycle valve; diagnostic

U472.4

A

1671-7988 (2017)08-189-03

曹慧穎，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.064