排氣再循環閉環控制系統及其故障自診斷監測

◆文/河南 王良斌

一、排氣再循環系統概論

隨著社會上汽車保有量的與日俱增，排放法規對汽車有害物排放和燃油消耗量都予以日益嚴苛的限量。想要降低油耗，就必須優化燃燒過程，提高發動機熱效率，這就需要加速燃燒進程和升高燃燒的最高溫度，致使NOx排放增加。提高發動機熱效率和降低NOx排放相生相克。目前，解決這一矛盾的有效辦法之一就是將適量的燃燒廢氣引入進氣總管(現代發動機通常與進氣歧管做成一體)，與新鮮空氣混合一并送入汽缸，汽缸內的混合氣體被廢氣稀釋，減緩了燃燒速度，廢氣吸收燃燒產生的部分熱量，降低了燃燒的最高溫度，以減少NOx的生成量，進而降低了發動機NOx排放,這就是排氣再循環(EGR)。進氣總管中CO2濃度與排氣管中CO2濃度之比稱為EGR率。

1.EGR閉環控制系統

EGR以適度損傷發動機動力為代價去降低NOx排放。因此，EGR引入量必須適量、適時地進行嚴格控制。早期開環式的EGR控制系統已被淘汰，目前只有EGR閉環控制系統才能滿足當今排放法規的要求。

2.真空閥式EGR閉環控制系統

真空閥式EGR閉環控制系統如圖1所示。主要由EGR真空閥、EGR電磁閥、發動機ECU及進氣歧管壓力傳感器(MAP)等元部件組成。

EGR真空閥結構原理：閥的上方空腔內有膜片將空腔分為上、下兩部分。下部空腔與大氣相通，大氣壓力作為參考壓力恒定地作用于膜片下方，使膜片上凸；上部空腔通入控制壓力(由EGR電磁閥提供)，膜片上部空腔內預壓彈簧的彈簧壓力和控制壓力使膜片下凹。因彈簧在工作中變形量較小，彈簧壓力也可視為恒定。膜片上凸下凹的具體位置就僅取決于控制壓力的大小。閥下方的閥芯和頂部EGR閥開度位置傳感器(電位計式)的滑動臂都與膜片進行機械相連接?？刂茐毫υ龃?，閥芯下移，EGR真空閥開度減小，EGR流量減小，EGR率減小；反之亦同。

圖1 真空閥式EGR閉環控制系統

EGR電磁閥為3通線性電磁閥。發動機運行期間，節氣門之前氣體壓力略低于大氣壓力(自吸發動機)，視為大氣壓力，節氣門之后氣體壓力具有較大的真空度。EGR電磁閥2個輸入端口分別與節氣門的前后方想連通，即大氣壓力和進氣歧管真空壓力作為EGR電磁閥的輸入壓力，ECU以脈沖寬度調節的方式通過占空比調節產生EGR電磁閥的輸出壓力，輸出壓力在大氣壓力與進氣歧管真空壓力之間連續可調。EGR電磁閥的輸出壓力作為EGR真空閥的控制壓力，進而連續調節EGR真空閥的開度，最終達到連續控制EGR流量/EGR率的目的。

EGR閥開度位置傳感器為三線電位計式，集成于EGR真空閥上部，由ECU提供5V電壓，將EGR真空閥的開度轉換為電壓信號，為EGR閉環控制系統提供反饋信號， EGR開度位置

傳感器電壓信號圖如圖2所示。

圖2 EGR開度位置傳感器電壓信號

3.電磁閥式EGR閉環控制系統

電磁閥式EGR閉環控系統如圖3所示。EGR電磁閥為2通線性電磁閥。ECU以脈沖寬度調節的方式通過占空比調節，可連續調節閥的開度，從而達到連續控制EGR流量/EGR率的目的。三線電位計式EGR電磁閥開度位置傳感器，集成于EGR電磁閥上部，原理同上。

圖3 電磁閥式EGR閉環控制系統

由于EGR電磁閥式閉環控制系統相比于真空閥式EGR閉環控制系統大為簡化，因此，目前各大廠商廣為采用。

二、EGR閉環控制及控制策略

為敘述方便，下面以電磁閥式EGR閉環控制系統為例予以論述。

1.EGR閉環控制系統

EGR閉環控制系統的流程框圖如圖4所示。由發動機實時的負荷和轉速信息對號入座查出EGR電磁閥的目標開度(即預存于ECU中的EGR率)，與EGR電磁閥開度傳感器測知的實際開度進行比較，實現EGR的閉環控制，使EGR電磁閥的實際開度收斂于目標開度。EGR電磁閥開度控制示意圖如圖5所示。

圖4 EGR閉環控制系統的流程框圖

圖5 EGR電磁閥開度控制示意圖

EGR電磁閥的流通截面積除了與閥芯的升程位置有關外，還受閥芯和閥座上的積炭等其他因素的影響。而由此帶來EGR閉環控制系統的控制誤差，最終由MAP信號予以補償。在既定的條件下，MAP信號電壓與EGR電磁閥開度位置信號電壓具有確定的一對應關系，一旦失去應有的對應關系，在確定EGR電磁閥開度位置信號無故障碼的條件下，由MAP信號ECU便可推知EGR電磁閥或通道積炭阻塞程度，進而通過調節EGR電磁閥占空比予以補償。這種補償是有限的，積炭阻塞累積到一定程度，補償機制也無能為力，只能清洗或更換EGR電磁閥予以排除。MAP信號除了用于EGR閉環控制系統因積炭阻塞而致控制誤差的補償外，還主要用于EGR閉環控制系統的故障自診斷監測。

另外，EGR的作用機理是廢氣稀釋混合氣體，干擾到了空燃比，因此，還需要氧傳感器信號對EGR控制數據予以修正。

2.EGR閉環控制策略

EGR率隨發動機負荷和轉速而改變。既定發動機的EGR率是在設計制造階段通過大量的發動機臺架實驗綜合優化做出來的，并且以特性場的形式預存于ECU的ROM中，如圖6所示。發動機使用中，按實時工況信息對號入座取用。

為了穩定發動機運行，怠速和暖機工況關閉EGR電磁閥；為保證發動機的動力性，隨著發動機負荷增加，EGR率減小，直到完全關閉EGR電磁閥。

(1)控制系統的反饋傳感器更為合理

EGR流量的控制元件容易受廢氣的污染和腐蝕。高溫廢氣對EGR電磁閥閥芯和閥座的污染和腐蝕，在發動機運行期間無時不在。更為不利的是，自發動機開始投入使用那一刻起，EGR電磁閥閥芯和閥座上的積炭和膠質沉積物就必然開始生成并且與時俱進。如何將高溫廢氣與EGR流量控制元件相隔離或高溫廢氣經降溫過濾處理后進入EGR電磁閥，則EGR閉環控制系統的控制精度將會大為提高，故障率也會大為降低。

圖6 EGR率特性場

(2)EGR廢氣引入進氣總管，總會造成各缸的EGR流量不均勻

EGR率對工況改變的響應性差，EGR率隨工況而變化，工況變化隨機萬變，而各缸EGR率的改變總是伴隨著整個進氣總管容積內廢氣的排空或充填，造成EGR率對工況變化的響應性顯得遲緩。

三、EGR閉環控制系統的缺陷

EGR電磁閥開度位置傳感器信號作為EGR閉環控制系統的反饋信號，與其所要修正的EGR率不具有唯一性或相關性弱，影響EGR率控制精度。EGR率除了主要取決于EGR電磁閥開度位置傳感器信號外，還有其他因素影響，例如EGR電磁閥閥芯和閥座上的積炭以及進入進氣總管內新鮮空氣中的CO2濃度。筆者認為，進氣總管上設置O2或CO2傳感器作為EGR閉環控

四、EGR閉環控制系統故障自診斷監測

現代汽車發動機電子控制系統都配備了第二代車載診斷系統(OBD-Ⅱ)，OBD-Ⅱ要求EGR閉環控制系統故障可被監測。

1.EGR流量異常故障自診斷監測

(1)自診斷監測原理

MAP信號隨動于EGR流量的變化，即EGR流量增加，進氣總管壓力增大，MAP信號電壓增大；反之也然。OBD-Ⅱ根據MAP信號電壓的變化量，推知EGR流量是否異常。ECU主動驅動EGR電磁閥全開或全閉，MAP信號電壓應有對應大、小的數值變化，若無應有的變化關系或數值過大或過小，可判為EGR流量異常。

EGR電磁閥全開，可判EGR流量是否過小(積炭阻塞、閥芯卡滯)；EGR電磁閥全閉，可判EGR流量是否過大(積炭墊開閥芯、閥芯卡滯)。

(2)診斷操作原理

減速監測模式。當節氣門在減速或倒拖工況而關閉時，ECU驅動EGR電磁閥全開；定速巡航監測模式。當節氣門在定速巡航工況而具有較大開度時，ECU驅動EGR電磁閥全閉。

(3)診斷監測啟動條件

因發動機不同而異。通常具備以下主要啟動條件：發動機轉速、發動機負荷、節氣門位置、冷卻液溫度、車速及MAP等信號有效且無故障碼。

MAP信號電壓除了與EGR電磁閥開、閉相關外，還受其他因素的影響(例如進氣歧管真空泄漏)。因此，為了避免誤診斷，每一個監測樣本中取MAP信號電壓的平均值，并且將其平均地降低一定的系數，只有當足夠監測樣本的平均值超過自診斷系統所預設的閾值時，才判為故障，ECU則生成EGR流量異常的故障碼。

2.EGR電磁閥開度位置傳感器電路故障監測

該傳感器的信號電壓在0～5V之間變化，如圖2所示，不應超出可能的范圍，其具體范圍值是預知的，實際值超出此范圍；或者信號電壓為0或5V,上述情況持續一定的時間，ECU則生成相應的故障碼。

(1)EGR閉環控制系統的常見故障

EGR電磁閥和管路積炭阻塞以及閥芯卡滯是EGR閉環控制系統的常見故障。積炭對EGR電磁閥的影響如圖7所示。

高溫廢氣在進入進氣歧管入口處瞬間被冷卻，首先在此形成積炭并集聚，廢氣流動受阻，EGR電磁閥內壓力升高；隨后，高溫高壓廢氣充入EGR電磁閥閥芯的軸承間隙，形成積炭，使閥芯動作受阻，直至卡滯。

圖7 積炭對EGR電磁閥的影響

(2)EGR電磁閥卡滯和管路積炭阻塞以及閥芯卡滯導致的故障現象

啟動困難、怠速不穩、低速喘振、易熄火、動力不足、油耗增加、NOx排放增加等。