柴油機電控EGR系統

陳新梅

摘 要

本文對廢氣再循環（EGR）電控系統做了介紹，系統性描述了柴油機電控EGR系統的開發流程，并且對電控系統組成與軟件結構設計進行了探討，進而詳細地研究了EGR控制策略，對于信號抗干擾的能力進行了全面考慮。

【關鍵詞】柴油機 電控EGR系統

1 EGR概述

在現階段柴油機NOx排放降低的工作中，EGR技術是最常使用并且最有效的方法和途徑。在許多國家，客車與輕型卡車的柴油機都已經開始使用了EGR技術，并且，在重型卡車柴油機中也逐漸采用了這種技術。然而，EGR技術最基本的原理就是在排氣歧管內部，利用EGR閥，將已經燃燒的部分廢氣引進氣管當中，進而同新鮮的空氣相互混合，再次進入到燃燒室當中進行燃燒。然而，要想增強EGR效果，則應該冷卻EGR廢氣。換句話說，就應該使廢氣經過EGR冷卻器，對其進行冷卻以后，再次被引入到進氣管當中。另外，EGR作用的機理就是對混合氣體當中的氧濃度進行降低，并且對燃燒過程中所釋放的熱量進行吸收，保證燃燒速度處于緩慢的狀態，進而使得燃燒的溫度逐漸減小。這樣一來，就能夠有效地降低NOx的產生量，緩解當前大氣污染的問題。然而，如果廢棄再循環率過大，就很容易引起混合氣體的著火幾率，或者是嚴重影響發動機性能，尤其是發動機處于低速或者是怠速等工況的情況下。因此，在發動機處于以上工況的情況下，需要利用電子控制單元來及時發出控制指令，并且將EGR閥盡快切斷，保證廢氣不會再次參與到再循環當中。然而，如果發動機超出轉速或者是符合，并且已經達到特定溫度的情況下，需要電子控制單元及時地發出控制指令來打開EGR閥，保證部分的廢氣可以參與到再循環過程中。而參與到再循環過程的廢氣量則應該按照發動機具體的負荷、轉速或者是冷卻液的溫度等多種情況來進行選擇，保證能夠盡量減少廢氣當中的NOx含量。

2 柴油機電控EGR系統的組成

步進電機執行器、EGR閥、傳感器以及ECU是柴油機電控EGR系統的重要組成部分。其中，ECU的主要目的就是保證數據采集，并且對工況進行相應的判斷，實現各個子程序之間的協調，同時，對信號輸出進行適當地控制。而傳感器主要包括的內容就是燃油溫度、轉速、機器溫度與壓力以及加速踏板位置等多種信號。步進電機旋轉運動主要是利用螺桿機構轉變成直線運動，進而推動ERG閥，和復位彈簧實現平衡，確保EGR閥能夠在指定位置處于穩定狀態。根據試驗可以得知，在多種工況背景下，EGR閥的位置MAP圖會存入到ECU當中。而在發動機實際運行的過程中，ECU能夠按照發動機實際轉速和負荷基本信號、溫度等若干修正信號，并正確地計算出此時工況所對應EGR閥的位置，而后將其進行換算，成為步進電機控制脈沖數。在放大控制脈沖經功率以后，就能夠使步進電機實現運行，并且對EGR閥位置進行精準地控制。然而，其實際的位置還需要安裝于其位置的傳感器來向ECU進行反饋，進而對控制的數值進行合理地修正。

3 控制單元的硬件結構

電控EGR系統的單元硬件結構可以由圖1來表示。

該系統中的CPU主要選擇使用的就是ARM2119單片機，主要是對進氣壓力、溫度以及水溫和油溫等模擬信號和轉速信號進行及時地采集，而輸出量則可以當作PWM信號，來實現步進電機執行器的驅動。同時，在串行總線的作用下，可以實現控制與監控系統的通訊。在模擬信號經過濾波、放大以及限幅之后，就能夠實現A/D轉換。

在磁電式轉速傳感器感受后輸出正弦波信號，這就是轉速。而實際輸出頻率、電壓信號、發動機轉速的信號，三者之間呈正比例的關系。與此同時，在濾波、放大和整形以后，就會被傳送到CPU，這對于測量發動機轉速中的周期法具有重要的作用。

該系統中的執行器主要使用的就是步進電機，而針對此時轉速、負荷與水文等多種環境參數，能夠保證ECU更準確地確定出EGR率。而輸出控制信號則能夠對步進電機的轉向與步數進行相應的控制，而步進電機輸出軸也能夠在連接件的作用之下，實現旋轉運動向直線運動的轉化，進而推動EGR閥桿，通過對閥桿復位彈簧的壓縮可以移動閥桿，進而對其開度進行合理地控制，也就是進入到再循環系統中的廢氣量。

而步進電機主要是電脈沖信號在轉變成為角位移或者是線位移的過程中所需要的開環控制元件。如果處于非超載的狀態，那么電機實際轉速以及最終停止的位置只與脈沖信號頻率以及脈沖數之間存在關系，并不會受到負載變化影響。簡單地說，在為電機增加脈沖信號的同時，電機也會轉動相應的布距角。正是這種線性關系，同時還有步進電機本身所具備的周期性誤差等特點，所以，步進電機在速度或者是位置等多種控制領域中得到了廣泛地應用。其中，環形脈沖、信號分配以及功率放大、負載等是步進電機驅動控制系統的重要組成部分。

3.1 脈沖信號

CPU會產生脈沖信號，而在一般情況下，脈沖信號占空比主要控制在0.3-0.4范圍之內。如果電機實際的轉速比較高，那么占空比也會隨之變大。

3.2 功率放大

在驅動系統當中，發揮重要作用的部分就是功率放大。而在特定轉速之下，步進電機轉矩與其動態平均電流具有直接的關系。如果平均電流不斷增加，那么電機力矩也會逐漸增加，所以，為了增加平均電流，就應該保證驅動系統盡可能地克服電機反電勢。由此可見，在不同場合，一定要選擇相對應的驅動方式。

4 電控EGR系統的軟件設計

柴油機電控EGR系統將16位單片機當作核心的控制器，同時，控制軟件需要使用匯編語言來進行編寫。其中，主控程序就是在實現控制系統通電以后的初始化程序、測量并確定發動機工況，對于處理程序進行判別與處理等等。 主控程序的主要作用就是對發動機的多種工況進行判斷，而該程序則主要按照油門的位置與轉速來判斷發動機的工況。因為主控程序是循環程序，所以，在發動機實際運行的過程中，主控程序始終處于循環執行的狀態。與此同時，通過對A/D轉換子程序等來對發動機實際工作狀況進行相應的判定，進而運用步進電機驅動和電磁閥控制的子程序來輸出相應的控制指令，進而完成不同工況所實現預定動作。

5 結束語

綜上所述，隨著柴油機的普及應用，其廢氣當中的NOx排放量也逐漸增加，進而加重了空氣污染的程度。而為了有效地緩解以上問題，可以在柴油機中設計出電控EGR系統，進而有效地降低廢氣NOx排放量，使得空氣污染問題得到緩解。

參考文獻

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[2]張雄偉，陳穩超，費騰等.國Ⅳ柴油機EGR的控制與匹配研究[J].現代車用動力，2015（04）：10-13.

作者單位

武漢船舶職業技術學院動力工程學院 湖北省武漢市 430050endprint