高壓共軌柴油機EGR 閥卡滯保護控制策略研究

寧黛宇，申立中，王正江

（650000 云南省 昆明市 昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室）

0 引言

柴油發動機具有高效率、低油耗、扭矩大、經濟性好的特點，被廣泛應用于交通運輸、農業機械、工程機械以及軍事等領域[1]，但柴油機中氮氧化合物（NOX）和顆粒物（PM）是柴油機排放控制的重點和難點[2-3]，隨著社會經濟的發展，節能減排成為柴油機技術革新的方向。

對于中小型柴油機而言，廢氣再循環（EGR）是降低柴油機NOX排放的最有效措施之一[4-6]。高溫、富氧是生成NOX的主要條件，而EGR 技術是將排出的部分廢氣引入進氣管與新鮮空氣進行混合，降低缸內最高燃燒溫度和氧濃度，從而達到降低柴油機NOX排放的目的[7-9]。但廢氣一般具有較高的溫度，因此，需要使用冷卻器對廢氣進行冷卻。過低的EGR 冷卻溫度會導致廢氣中的未燃碳氫化合物、碳煙、一氧化碳和水蒸氣等凝結，可能導致EGR 閥卡滯、閥門閉合不嚴等問題，影響 EGR 閥的精度以及工作可靠性[10-12]。

馮仰利[13]等針對某歐Ⅳ柴油發動機EGR 冷卻系統冷卻能力過強導致EGR 閥積碳現象進行了試驗分析，通過對EGR 冷卻系統結構優化來改善EGR 積碳問題，并通過耐久試驗驗證了優化后的EGR 冷卻系統的合理性。張巖煥[14]等針對國Ⅳ柴油機在試驗中發生結焦卡滯問題進行了研究，通過試驗分析，得出EGR 閥前溫度在65～85 ℃會出現結焦現象，其原因主要是EGR 閥前溫度過低。陳洪[15]通過對EGR 系統積碳以及顆粒卡滯物的分析研究，確定了過度冷卻的燃燒廢氣致使廢氣進氣歧管內壁腐蝕脫落是導致EGR閥卡滯的原因所在。通過調節EGR 廢氣冷卻器的冷卻溫度，并進行耐久試驗解決EGR 閥卡滯原因。綜上所述，目前對EGR 閥卡滯問題的研究都主要集中在積碳的形成原因以及對EGR 冷卻系統的改善，專門針對EGR 閥卡滯保護控制策略的研究還較少。

本文針對EGR 閥的卡滯所導致的電流持續增大問題，提出了EGR 閥卡滯保護控制策略。此控制策略對延長EGR 閥的使用壽命和保證柴油機運行性能具有重要意義，為EGR 的控制提供理論依據。

1 試驗裝置與方案

1.1 試驗設備

本試驗所用到的EGR 閥型號為DF0200-96 電動閥。在140 ℃環境溫度下，電機能持續承受的安全電流為1.1 A，此時對應的占空比為30%。當占空比超過30%不大于40%時，持續時間不能超過15 s；占空比大于40%小于80%時，持續時間不超過10 s；占空比大于80%，持續時間不超過5 s。該EGR 閥的基本參數如表1 所示。

為了驗證EGR 閥保護控制策略，搭建了試驗平臺，如圖1 所示。試驗裝置主要通過美國英特佩斯公司研發生產的ValueCAN3 建立PC 機與實驗室自主開發的電子控制單元（ECU）的通訊，將EGR 閥卡滯保護控制策略從PC 端拷入ECU中，將ECU 與EGR 閥相連接，控制EGR 閥的開閉狀態，將示波器與EGR 閥連接，時刻記錄EGR 閥在運行時的電流變化。

1.2 試驗方案

為了驗證EGR 閥卡滯保護控制策略的實際控制效果，在相同的試驗條件下，通過限位器模擬EGR 閥在不同位置卡滯時，對比分析EGR 閥卡滯時有、無EGR 閥卡滯保護時占空比和電流的變化情況。

2 EGR 閥在不同位置卡滯的電流變化

圖2 所示為EGR 閥正常運行以及在不同位置卡滯時電流的變化情況，分別選取了EGR 閥正常運行，0% 開度、30% 開度、50% 開度、70%開度卡滯時電流的變化情況。從圖2 中可以看出，EGR 閥正常運行時，電流最大能達到0.84 A。第7 s 時，EGR 閥的電流保持在0.6 A，說明此時EGR 閥已經到達全開位置，在整個過程中電流的變化范圍均處于安全電流1.1 A 內。

從圖2 中可以看出，EGR 閥在不同位置卡滯時，電流所能到達的最大值為3.8 A，遠遠超過了EGR 閥的安全電流。而且隨著EGR 閥卡滯的位置不同，電流變化速度也不同。隨著EGR 閥卡滯所在的開度越小，電流到達最大電流的時間越短。EGR 閥在全關位置卡滯時，電流到達最大值所用時間越短；在70%開度卡滯時，所用時間越長。這是由于不同卡滯位置的偏差不同所導致的。隨著偏差的增大，EGR 閥占空比越大，驅動閥門運行的電流變化就越快。

當EGR閥出現卡滯情況后不及時采取措施，電流會一直保持在3.8 A 左右，EGR 閥長時間處于這種環境下，電機溫度升高，EGR 閥會因為過高的溫度被燒毀。

3 EGR 閥控制策略設計

3.1 EGR 占空比計算

柴油機EGR 閥實質是一個直流電機，是通過PWM 信號進行控制的。EGR 閥控制策略根據實時EGR 閥的位置對EGR 閥進行反饋控制。控制策略架構如圖3 所示。根據ECU 采集EGR閥位置電壓信號，通過EGR 位置特性曲線得到EGR 閥的實際開度，由EGR 開度控制策略得到目標開度，EGR 閥目標開度與實際開度作差得到控制偏差，根據控制偏差的范圍選擇PID 控制器的參數，將PID 參數與偏差作為輸入變量傳入PID 控制器計算EGR 閥占空比。在試驗過程中，為了防止EGR 閥被燒毀，通過限值模塊對EGR閥占空比進行限制，EGR 卡滯保護模塊根據控制偏差判斷EGR 閥的卡滯狀態。當監測到EGR 閥存在控制偏差，此時，保護控制策略會計算出一個附加占空比，增加EGR 閥的驅動力。如果增加占空比之后偏差還是存在，說明此時EGR 閥處于卡滯狀態，ECU 對EGR 閥進行斷電處理并向故障診斷系統（DSM）報告錯誤。

附加占空比通過時間積分器進行計算，當控制偏差為正，計算出正附加占空比；當控制偏差為負，計算出負的附加占空比。由于增加附加占空比之后，驅動電流會相應增加，長時間之后同樣會對EGR 閥造成損壞，因此，需要對附加占空比進行限制。在本文中，附加占空比的范圍為-10%～10%。當ECU 監控到EGR 不存在控制偏差或EGR 閥處于卡滯狀態時，對積分器進行初始化。

3.2 PID 控制器

在EGR 閥控制策略中采用的控制方式為PID 控制，具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便等優點。PID 的控制原理是通過偏差利用比例、積分和微分計算出控制量進行控制。PID 控制器的使用能夠加快EGR 系統的響應速度，從而提高調節精度并消除系統的穩定誤差。PID 控制原理如圖4 所示。

圖4 PID 控制原理Fig.4 PID control principle

PID 控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。比例部分可以加快系統的響應速度，從而提高調節精度。積分部分能夠消除系統穩定誤差。微分部分能夠改善系統的動態特性，在運行過程中抑制偏差的變化，提高系統的穩定性[16]。PID控制是將誤差信號e(t)的比例，積分和微分通過線性組合構成控制量進行控制，其對應的表達式為

式中：KP——比例系數；TI——積分時間常數；TD——微分時間常數；e（t）——偏差；u（t）——控制量。

比例環節能夠成比例地反應控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立刻產生控制作用，減少偏差。積分環節主要是用于消除靜差，提高系統的誤差度，積分作用的強弱主要取決于積分常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環節主要是反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并在偏差信號過大之前，將系統引入一個有效的早期修正信號，加快系統速度，減少調節時間。

3.3 EGR 閥卡滯保護控制策略

EGR 閥卡滯保護控制策略的主要目的是根據控制偏差判斷EGR 閥卡滯狀態，當EGR 閥處于卡滯狀態時進行斷電處理，保護EGR閥不被燒毀。在EGR 閥運行過程中，首先通過EGR 閥的實際開度與目標開度的偏差判斷EGR 閥是否卡滯，即在一定時間周期內，EGR 閥的實際位置是否能達到目標位置，判斷EGR 閥的實際值與目標值是否存在永久控制偏差。如圖5 所示為EGR 閥卡滯診斷流程。在EGR閥的開啟或者關閉過程中，當ECU 監測到EGR 閥實際位置在一定時間內未能達到目標值，此時，EGR 保護控制策略會在電流保護限制下給EGR 閥增加一個較高的占空比驅動電機，使EGR 閥向目標開度移動。保持一段時間之后，如果偏差仍然存在，EGR 閥無法移動到目標值，說明此時EGR 閥處于卡滯狀態。

圖5 EGR 閥卡滯診斷流程Fig.5 EGR valve stuck diagnosis process

當確定EGR 閥處于卡滯狀態后，EGR 閥保護控制策略會立刻通過ECU 控制EGR 閥電流和占空比迅速降低直至為0，關閉EGR 驅動，防止EGR 閥長時間處于高電流狀態下燒毀EGR 閥。

4 試驗結果與分析

為了驗證EGR 閥卡滯保護控制策略的時效性和準確性，本文通過對EGR 閥全關位置卡滯、75%開度卡滯以及正常運行過程中突然卡滯這3種不同情況進行研究分析。

4.1 EGR 閥位于全關位置卡滯

如圖6 所示為EGR 閥在全關位置卡滯時占空比的變化情況。從圖5 中可以看出，當ECU控制EGR 閥從全關位置運行到全開位置時，由于EGR 閥實際開度在0%不變，偏差從EGR 開始運行時，就產生并隨著EGR 閥目標開度增大而增大，從0%上升至97%。隨著偏差的急劇增大，占空比在短時間內到達最大閾值并保持。在此過程中，EGR 閥的實際開度由于過大的驅動力會有3%左右的開度。延時t1 時間之后，ECU 會計算一個隨時間增大的附加占空比來加大驅動力。當附加占空比增大到最大值10%時，EGR 閥實際開度還是保持不變，此時判定EGR處于卡滯狀態。附加占空比被初始化。ECU 立刻切斷EGR 閥的驅動電流，因此占空比降為零。此時，由于驅動力的消失，EGR 閥實際開度重新回到全關位置，偏差繼續上升至100%。

圖6 EGR 閥全關位置卡滯占空比變化Fig.6 Duty cycle change of EGR valve at fully closed position

如圖7 和圖8 為EGR 閥在全關位置卡滯時，EGR 系統存在卡滯保護及不存在卡滯保護時的占空比與電流的對比曲線。從兩圖中可以明顯看出，EGR 閥在卡滯后，不進行卡滯保護時，占空比會持續輸出最大值，驅動電流也一直保持在3.8 A；而在進行卡滯保護控制之后，ECU 監控到EGR閥卡滯后，立刻采取措施，驅動電流和占空比都會迅速降為0，避免了EGR 長時間處于高電流環境中，燒毀EGR 閥。

圖7 全關位置卡滯時電流對比Fig.7 Comparison of current when stuck at fully closed position

圖8 全關位置卡滯時占空比對比Fig.8 Duty cycle comparison when stuck at fully closed position

4.2 EGR 閥在75%開度位置卡滯

如圖9 所示為EGR 閥從75%開度運行至全關位置，EGR 閥在75%開度卡滯時，EGR 閥占空比變化情況。從圖9 中可以看出，由于此時EGR 閥電機反轉，產生負控制偏差。隨著負偏差的增大，I 也不斷進行負積分，當積分飽和之后占空比保持不變。此時由于較大的驅動力，會導致EGR 閥往回移動3%左右。當偏差保持t1 時間之后，ECU 開始計算附加占空比，增大EGR 閥的驅動力驅動電機運行；當附加占空比到達-10%時，EGR 閥保持不變，ECU 判斷此時EGR 閥處于卡滯狀態，附加占空比被初始化為0，并對EGR 閥進行斷電處理，占空比降為0。此時由于沒有驅動力作用于EGR 閥上，閥門回到75%開度位置，負偏差繼續增大至-75%。

圖9 EGR 閥70%位置卡滯占空比變化Fig.9 Duty cycle of EGR valve stuck at 70% position

圖10 和圖11 為EGR 閥在75%開度卡滯時，存在卡滯保護以及不存在卡滯保護時的占空比與電壓的對比。從圖中可以明顯看出，當EGR 閥卡滯后，未進行卡滯保護時，電流和占空比都會保持在最大值；使用卡滯保護后，電流和占空比會在卡滯故障標志位被置位之后都降為0。試驗結果表明：EGR 閥在75%開度卡滯時，保護控制策略能夠監控卡滯狀態并且通過斷電對EGR閥起到保護作用。

4.3 EGR 閥運行過程中卡滯

圖10 EGR 閥70%開度卡滯時電流對比Fig.10 Current comparison when EGR valve is stuck at 70% opening

圖11 EGR 閥70%開度卡滯時占空比對比Fig.11 Duty cycle comparison of EGR valve with 70% opening stuck

圖12 EGR 閥運行至30%開度卡滯占空比變化Fig.12 Duty cycle change of EGR valve when EGR valve operating to 30% opening degree

圖12 為EGR 閥從全關位置運行至全開位置過程中在30%開度卡滯時EGR 占空比變化情況。從圖12 中可以看出，在第5 s 之前，偏差呈現先升高后穩定的趨勢，這是由于EGR 系統存在響應滯后的問題。當EGR 閥運行到30%開度時，閥門突然保持不動，此時，偏差隨著目標值增大而增大。由于偏差的急劇增大，從6%上升到67%，占空比也從10%上升至47.5%。此時，由于驅動力過大導致EGR 閥的實際開度會有3%左右的上升；在第6 s 的時候，ECU 計算出一個隨時間增加的附加占空比，增大EGR 閥驅動力。當附加占空比增加到10%的時候，EGR 閥保持不變，說明EGR 閥處于卡滯狀態。附加占空比被初始化為0，同時，ECU 立刻對EGR 閥進行斷電處理，占空比急劇下降直至0%。由于此時沒有驅動力作用于閥門上，EGR 閥實際開度回到全關位置，而偏差上升至100%。

圖13 和圖14 為EGR 閥從全關位置運行至全開位置過程中EGR 閥在30%開度卡滯時，進行卡滯保護與不進行卡滯保護時占空比與電流的對比情況。從圖中可以看出，當EGR 閥卡滯后，不進行卡滯保護時，EGR 閥占空比和電流都會保持最大值輸出。而進行卡滯保護后，EGR 閥卡滯故障標志位被設置后，占空比和電流都降為0。試驗結果表明：EGR 閥在運行過程中卡滯時，保護控制策略能夠有效監測出卡滯狀態并進行斷電處理，有效保護了EGR 閥。

圖13 EGR 閥運行至30%開度卡滯電流對比Fig.13 Stall current comparison of EGR valve when operating to 30% opening

圖14 EGR 閥運行至30%開度卡滯占空比對比Fig.14 Duty cycle comparison of EGR valve when operating to 30% opening

5 結論

（1）當EGR 存在永久控制偏差時，ECU 會持續給EGR 閥供電，使EGR 閥長時間保持在高電流狀態，造成EGR 閥電機燒毀。

（2）設計了EGR 閥卡滯保護控制策略，當EGR 存在偏差后，首先通過附加占空比加大對閥門的驅動力。當EGR 閥保持不變后，對EGR 閥進行斷電處理，有效保護了EGR 閥。

（3）試驗結果表明，設計的EGR 閥卡滯保護控制策略可以實現理想的控制效果，滿足保護EGR 閥的開發要求。