廢氣再循環控制系統設計與研究

唐新華

摘要：柴油車占據著汽車市場的主體地位，對于柴油發動機的改良設計是汽車實現節能減排目標的主要方向，也是汽車行業的關鍵技術核心。本文通過對汽車廢氣再循環（EGR， Exhaust Gas Recirculation）控制系統進行系統設計，從EGR控制系統硬件設計與EGR控制系統軟件設計分別進行研究，研究節能減排技術方案。

關鍵詞：廢氣再循環;控制系統;系統設計

1 ?EGR控制系統廢氣處理方式

一氧化氮（NO）是廢氣中氮氧化合物（NOx）主要成分，NO的產生一方面源于高溫環境下氮氣與氧氣的氧化反應，另一方面源于該環境下氮氣與氧氣的比例關系，因此在EGR處理過程中主要涉及兩個方面：降低缸內燃燒溫度和選擇合適的氧氣含量[1]。降低缸內燃燒溫度主要采用廢氣再循環策略，將廢氣循環處理后，部分廢氣重新引入燃燒環境以降低燃燒溫度;通過智能調節裝置，改善燃燒環境中的氧氣占比，使廢氣中的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）等有毒氣體充分燃燒氧化為二氧化碳和水這類無害物質來達到廢氣處理目的[2]。

2 ?EGR控制系統廢氣處理原理

EGR控制主要有三個理論支持：稀釋理論、比熱容理論和點火延遲理論，這三點理論從三個方面解釋了廢氣再循環有利于有害氣體的處理。首先，EGR控制系統是將排出汽缸的廢氣部分又引入汽缸，減少了新鮮空氣進入汽缸的含量，從而稀釋了缸內氧氣的含量;其次，燃燒的廢氣里有一定比例的CO2和H2O，CO2具有吸收熱量降低溫度的作用，含有CO2和H2O的廢氣部分被引入汽缸，導致了缸內環境二氧化碳和水的增加，這兩者比熱容高于自然空氣，會使在一定燃料條件下該環境燃燒溫度下降;同時該環境下的惰性氣體氧化條件苛刻，不容易發生化學反應，導致燃燒溫度降低，廢氣里的CO2吸收熱量的作用，汽缸內的溫度降低，氮就難以被氧化，抑制了氮氧化合物NOx的生成，從而有效減少了NOx的生成。

3 ?EGR控制系統

廢氣再循環（EGR）是減少發動機尾氣排放氣體中氮氧化合物（NOx）的有效措施，非增壓發動機的進、排氣管存在足夠的壓力差，實現EGR很容易。增壓發動機實現EGR比較困難，因為進氣管內的壓力比排氣管內的壓力大。按增壓發動機實現EGR途徑的不同，分為內部EGR和外部EGR兩種類型。內部EGR是通過排氣門或者特殊設置閥門的開啟實現廢氣再循環，通過修改排氣凸輪的形狀使排氣門在進氣行程中稍有提升，讓部分高壓廢氣回流到汽缸內，實現廢氣再循環。外部EGR是將部分廢氣經由外部管路引入進氣系統，實現廢氣再循環。外部EGR根據廢氣引到進氣系統位置的不同，外部EGR可分為低壓回路EGR和高壓回路EGR兩種類型。

EGR閥控制發動機尾氣進入進氣總管，讓廢氣與進氣管內的空氣混合，進氣管內EGR量的多少用EGR率表示，EGR率=[EGR量/（進氣量+EGR量）]×100%。

EGR閥分類如下：

①真空驅動型EGR閥。

EGR閥安裝在EGR通道中，EGR電磁閥安裝在通向EGR閥的真空通道中，EGR根據發動機轉速、負荷和冷卻液溫度等信號來控制電磁閥的通電或斷電。EGR電磁閥不通電時，控制EGR閥的真空通道接通，EGR閥開啟，進行廢氣再循環;EGR電磁閥通電時，控制EGR閥的真空通道被切斷，EGR閥關閉，停止廢氣再循環。

②壓縮空氣驅動EGR閥。

該類EGR閥驅動力來自壓縮空氣，一般采用車載存氣罐，膜片室或氣缸內壓力由電磁閥調整，以此控制EGR閥開啟[3]。壓縮空氣驅動EGR閥結構相對繁雜，外形極大，應用較少。

③比例電磁鐵驅動EGR閥。

該閥優點是結構相對簡單，由永磁鐵鐵芯與螺線管之間相對運動，讓EGR閥形成軸向運轉，經過調整設計，保證在EGR閥打開時，電磁力同時達到峰值，打開時間不超過100ms，為保證控制更為精準，選用閥升程傳感器，實施閉環控制，能降低溫度升高產生的干擾，該種閥控制很方便，反應較迅速，經濟適用。

④直流電機驅動EGR閥。

直流電機驅動EGR閥直接由直流馬達驅動，由電子控制模塊（ECU）控制，即電控單元，發射的脈沖控制直流馬達運行，此和步進馬達近似，區別是，直流馬達驅使更加具備靈敏性，可以迅速完成正反轉，實現其EGR閥的打開與復位，通過兩者比較而言，直流馬達驅使EGR閥的控制策略顯得比較復雜，因為對于直流馬達驅動而言反饋調節是必須的，閥門的開度是由方位傳感器來獲得作為反饋輸入，同時這也是該種驅動方式的一大優勢，高速反應的EGR閥更容易滿足越來越嚴苛的排放法律，變成嚴厲EGR率控制的核心要素，直流馬達驅使EGR閥逐漸的走上了EGR使用的平臺，其低于80ms的反應速率成為其最大的殺手锏。

4 ?EGR控制系統設計研究

計算機科學迅猛發展的時代，EGR系統從機械控制技術轉為電子控制技術，當前EGR控制系統主要應用單片機作為系統核心，同時配備各類傳感器、信號處理電路、A/D轉換器進行數據接收與處理，來控制電磁閥閥門的開關和閉合，本論文在現有的EGR閥結構的基礎上，分模塊對EGR控制系統進行設計研究。

4.1 EGR控制系統硬件設計

任何一款電子控制項目都需要進行硬件搭建，本次研究主要是對控制系統作出基礎功能的探究，因此硬件設計較為簡單。

單片機最小系統是保證單片機能夠正常運行的基礎條件，在硬件設計過程中首先要繪制出單片機最小系統，并進行仿真模擬點燈，以保證系統最基本的運行;由于自動控制屬于弱電控制強電，一般來說單片機供電電壓為5V，但是汽車內部蓄電池標準電壓為12V，因此需要有升壓穩壓電路對供電電壓進行處理使之符合汽車標準電壓;該閉環控制系統通過控制電磁閥閥門的開關程度來控制廢氣再循環程度，調節進入負氣壓室里面的空氣量，由于電磁閥閥門開合程度控制是EGR控制的主要控制量，它對被控量EGR率起到決定性作用，因此對于電磁閥閥門還用安裝檢測報警裝置，一旦電磁閥閥門出現偏移損壞要進行蜂鳴器鳴笛預警;A/D轉換電路是幾乎所有工程實踐項目的關鍵一環，外部檢測信號大多數是模擬量，但是計算機識別的是高低電平數字信號，為了能讓單片機對收集到的信號做出處理，必須要有A/D轉化電路;由于該控制系統運行于發動機工作狀態，要對發動機工作狀態進行檢測，并要對檢測信號進行處理，因此必須設計轉速信號處理電路，A/D轉化電路，使用曲軸位置傳感器作為關鍵轉速檢測環節發送脈沖信號進行反饋，對于發動機工作于怠速狀態，電磁閥閥門被控制關閉，使用節氣門位置傳感器進行數據測量，同時對于冷卻液溫度也要進行傳感測量，在當前冷卻液溫度低于40攝氏度時停止進行閥門開啟。

基本硬件電路通過設計仿真后可以投產進行PCB板制造，由于板子制作周期較長應該多定制PCB板，避免在之后原件焊接、硬件調試過程中因為PCB板損毀導致項目無法按期完工。

4.2 EGR控制系統軟件設計

硬件項目一般都要輔助軟件編程，本次涉及研究主要基于該控制系統基礎功能開發，電路設計大多采用標準模塊進行設計組裝，因此軟件程序設計參考資料充足，難度較為簡單。編程語言方面選擇C語言進行編程，C語言最接近匯編語言，也是各類編程語言的基礎，對于廢氣再循環控制系統來說，最基礎的元器件控制代碼入門教程都要涉獵，各類傳感器程序編寫商家會提供基本程序代碼。

總體而言，EGR控制系統總控制程序代碼思路為，首先進行系統初始化，接著依次讀取測量信號，包括冷卻液溫度信號、節氣門轉速采集信號、EGR開度值測量信號并進行數據計算，當各類檢測信號在指標允許范圍內，檢查電磁閥控制波形并對電磁閥閥門進行驅動控制，調節閥門開度，在無蜂鳴器報警條件下繼續對各類傳感器測量信號進行讀取、計算、反饋，通過閉環調節不斷調整電磁閥閥門的開度，使EGR率達到最優值。

由于C語言接近匯編語言，因此在變成過程中可以適當使用匯編語言來對硬件內部程序運行邏輯進行熟悉。

4.3 元器件選擇與總體框架設計

元器件各類型號多種多樣，在電子大樓基本可以采購到需要的一切元器件，但是在元器件選購過程中要從經濟成本、元器件質量等方面進行考慮，因為當設計產品進行量產時元器件性價比不高的問題就會被擴大化，導致生產成本升高，利潤率降低。但是在采購過程中也要關注國際新型元器件基本動向，在初步設計和小批量生產過程中大膽選用新型元器件，與傳統元器件進行對比分析，得出優劣勢，選擇性對當前設計進行產業升級。

在控制系統整體框架設計要緊跟前沿科技動態，尤其是在仿真模擬和算法優化階段，由于現有控制系統是智能信息化設備，因此算法優化對于EGR處理效率勢必具有重要影響，同時也可以用MATLAB軟件搭建仿真模型，從數據原理方面優化設計。在進行發動機產業升級過程中，硬件設計謀求最大限度接近尖端水平，硬件更新換代任務要求高，在生產設計時就有考慮該產品的可用時限，軟件方面可以通過不斷升級換代對存在問題進行處理。

5 ?結束語

綜上所述，在環保理念被大力提倡的今天，對于汽車廢氣排放勢必會有更加嚴苛的要求，我國汽車工藝距離國際先進水平仍有差距，核心技術手段仍掌握在國外，因此在完成汽車產量任務的過程中也要積極進取，爭取早日攻克技術上的難題，這不僅僅是任何一家企業的責任，也是各類學科都要穩步發展才能產生的成果，本文關于EGR控制系統的探討是基于本學科領域進行的研究實驗，在雛形設計階段有了一定考量，具體的實際項目中仍需具體問題具體分析。

參考文獻：

[1]嚴永華.國六柴油機廢氣再循環系統開發技術的研究[J].汽車與新動力，2018（4）：92-96.

[2]張雷，徐博雅，陳征，等.新型EGR系統對非道路柴油機性能和排放的影響[J].小型內燃機與車輛技術，2018（3）：1-4.

[3]趙洋，王忠，劉帥，李瑞娜，瞿磊.廢氣再循環氣體成分對柴油機顆粒結構特征的影響[J].農業機械學報，2015，46（07）：280-285.