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大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文针对我国车用柴油机的现状，对比了国内外排放的法规和发展目标，提出了适1 合我们车用柴油机( 主要是c a 4 9 8 ) 的e g r 电控系统的试验方案。 在文中，作者分析了e g r 降低n o 。排放的机理，媾针对于c a 4 9 8 柴油机，选取了 适合其控制的阀系统，同时，对于可t 也进行了一定的分析。 对于电控系统，本文详细论述了e g r 控制系统的软件的控制方法和策略，通过采 集转速和油门转角的数据，得到柴油机的不同工况，然后对比试验得到的数据，来控制 废气循环的量，从而达到最优的控制。制做了相应的硬件控制电路板。控制芯片采用 8 0 c 1 9 6 k c 的芯片，信号采集采用光耦隔离，转速转角都采用霍尔元件的传感器，保证 采集的精度：输出用比例电磁阀控制e g r 阀门，从而控制废气循环的气体量的大小， 达到降低排放的目的。 通过试验发现：c a 4 9 8 采用e g r 后，效果明显，n o 。排放也降低了3 8 6 4 7 。 为了达到更好的效果，保持动力性和经济性等总体因素，可以同时采用v n t 、水冷e g r 、 调整合适e g r 率等方法来改善性能，。总之，e g r 技术必将得到越来越广泛的应用 关键词：e g r ；v n t电控系统；比例电磁阀； 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nf o rt h ec o n t r o lo fc a 4 9 、8d i e s e le n g i n e b ye g rs y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es t a t u si nq u oa b o u td i e s e le n g i n ei nc h 洒a c o m p a r e dw i t ht h er o l e so fl a wa n dd e v e l o p m e n ta i mi n c h i n aa n do t h e r c o u n t r i e s p r o v i d e da ne x p e r i m e n tp r o j e c t o fe g re l e c t r i c i t yc o n t r o lo nt h e d i e s e le n g i n e 。 t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fr e d u c i n gn o xw a s t eg a sb ye g r , s e l e c t e daf i tv a l v es y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，a n a l y z e dt h ev n t 森s y s t e m f o rt h ee l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rd e s c r i b e dt h em e t h o da n d s t r a t e g yo fc o n t r o ls o f t w a r e ，f r o mt h ed a t ao fr o t a t es p e e da n da c c e l e r o g r a p h c o m e r ，g o tt h ew o r k i n gc o n d i t i o no fd i f f e r e n tk i n d o fd i e s e l e n g i n e ，t h e n c o m p a r e dt h ed a t af r o mt h ee x p e r i m e n t ，t oc o n t r o lt h ev o l u m eo fw a s t eg a s ， r e a l i z e dt h eo p t i m i z a t i o no fc o n t r 0 1 t h ea u t h o rh a v em a d eah a r d w a r ec o n t r o lc i r c u i t ，t h ec o n t r o li ci s 8 0 c19 6 k c s i g n a la c c u m u l a t i o nb yp h o t o - c o u p l e ri s o l a t i o n ，r o t a t i o ns p e e da n d c o m e rm e a s u r e db yh a l ls e n s o r ，o u t p u tb yr a t i oe l e c t r o m a g n e t i ce g rv a l v e ，s o t h ew a s t eg a sc a nb ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h ev o l u m eo ft h er e c y c l eg a s t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a ti ti se v i d e n tb ya d o p t i n ge g r ，n o xl e tr e d u c e d f r o m3 8 6 t o4 7 ，f o rt h eb e t t e rr e s u l t ，c o n s i d e r i n gt h ef a c t o ro ft h ee n g i n e p o w e ra n de c o n o m yo fp r o d u c t i o n ，o t h e rm e t h o d s ，f o re x a m p l e ：v n t ，w a t e r c o o l i n ge g r ，a d j u s t i n ge g rr a t ee t c ，c a n b e a d o p t e d i ns u m m a r y ，e g r t e c h n i q u e w i l lh a v em o r ew i d e l ya p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：w r i t ec r i t e r i o n ；t y p e s e tf o r m a t ：m a s t e r sd e g r e ep a p e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：乏l 巫日期：芝：! 三：! l 刘明：e g r 在c a 4 9 9 柴油机上的试验研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：塾! 生l 一 导师签名 毫墨莲 上! ! 二年生月i 上只 大连理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 我国车用柴油机的现状 随着人类文明程度的加强，机械化程度越来越高，越来越多的机械采用内燃机作为 主要动力源，虽然汽油机是主要的动力源，但是柴油机由于其动力性和经济性的原因， 应用地越来越广泛。 但是目前制约柴油机发展的核心问题，已经不是振动和噪音，而是排放的问题。面 对全球的环境问题，以及日益紧张的能源危机，世界各国都在开发燃油经济型、低排放 车辆和发动机。欧洲的美国等、亚洲的日本等这些发达国家，大中型载重汽车已经完全 实现柴油机化。特别是增压中冷技术的应用，大大改变的柴油机的动力性和经济性，因 此一些轿车也开始采用柴油机作为动力源。低油耗意味着低c 0 2 排放。在实际运输中， 柴油机的油耗及c 0 2 排放量可低于汽油机油耗及c 0 2 排放量的3 0 3 5 。仅从排放性 能或经济性能优点来看，柴油机车比汽油机车具有更广泛的应用前景。这也是近几年随 着柴油机技术的完善和发展，在各种机械动力装置中日益取代汽油机的原因。 1 2 车用柴油机的排放法规和发展目标 随着汽车工业的飞速发展，汽车的拥有量急剧增加，汽车的排放问题日益提到日程 上来，因为汽车的排放直接影响了人类的生存环境，尤其是震惊世界的洛杉光化学烟雾 事件，使人们越来越认识到控制汽车废气排放的重要性。所以世界上发达国家都相继投 入大量的人力物力来控制环境污染。为了更好治理，出台了一系列的保护法规。如欧洲 一些国家颁发了严格的排放极限值法规。见图1 - 1 ，图i - 2 。 近些年来，我国人民生活水平的提高，汽车的数量越来越多，并已经成为世界上发 展最迅速的汽车消费市场。随着汽车数量的增多，我国汽车排放法规也在与世界接轨而 越来越严格。 型塑! 望垦垄坠! ! ! 鳖迪塑占塑巡堡塞 图1 - 1 欧洲轿车排放法规 f i g1 - 1e m i s s i o nr e g u l a t i o n si ne u r o p e 图1 - 2欧潲柴油轿车排放极限值 f i g1 2e m i s s i o nl i m i to f d i e s e lc a l i ne u r o p e 2 大连理丁大学硕士研究生学位论文 由图中我们可以看出：柴油机的排放极限值逐年加严，特别是体现在n o 。和p m 的控制上，这就使排放控制和提高柴油机经济性的矛盾越来越大。所以柴油机排放控制 研究是研究的核心问题。 鉴于欧洲排放极限值的实施，环境污染得到了很大的控制，空气各项指标也逐渐提 高。欧洲预期的空气质量指标见图1 3 。 污染物城市城市c o城市城市p m臭氧 n o xc 6 h 6 空气质最大小最大小最大小最大小9 9 小时 量时峰值时峰值时峰值时峰值峰值18 0 2 0 0u 1 0 m g m 1ou5 0uug m 3 g m 3 3 g m 3g m 3 污染物 19 9 9 年 相对于1 9 9 0 年排放量的百分比 相对排污染 放量物排放 2 0 1 0 年( 不采用2 0 1 0 年( 采用高品 旦 亘 高品质油料)质油料) ( 1 0 0 0 吨年) 城市n o x 19 3 73 72 3 城市p m 12 57 93 7 城市c 0 2 5 1 8 92 01 0 n o x 总量 5 8 6 43 62 3 图1 3 欧洲未来空气质量指标 f i g1 - 3f u t u r ea i rq u a l i t yi n d e xo f e u r o p e 随着环保意识的日益增强和加入w t o 以及轿车拥有量的暴增，降低汽车排放已成 为我国关注的重要课题。我国柴油汽车污染物排放当前执行相当于欧洲第一阶段控制水 平的国家排放标准。我国柴油汽车污染物排放控制目标是：2 0 0 4 年前后达到相当于欧 洲第二阶段排放控制水平；到2 0 0 8 年，力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平： 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 2 0 1 0 年之后争取与国际排放控制水平接轨。而援气再磊环弋百石两是目前国内外有效 抑制n o x 的最佳途径，因此受到了广泛的重视【1 】。 1 3 国内外应用e g r 技术的状况 随着世界经济的发展，各国汽车拥有有量迅速增加，汽车尾气排放成分h c 、c o 、 n o x 给城市空气带来的污染问题日剧严重。最大限度地控制和降低汽车尾气所造成的 排放污染已成为国际社会的共识。因此，国际社会普遍采用了各种降低排放控制措施以 满足日益严格的排放控制法规。 以欧洲标准为例，从1 9 9 2 年的欧洲1 号标准到2 0 0 5 年的欧洲4 号标准，其排放控 制法规限值的发展极为迅速并极为严格。随着我国加入了w t o ，我国汽车工业在汽车 尾气排放控制方面也必须与世界接轨。 以日本的达标控制措施来看，早期采用的主要是机内调整措施，中期采用的是以废 气再循环( e g r ) 为主要技术，后期为了大幅度降低排放指标，满足极严格的排放法规， 才采用了三霾焦筵基查z 从而最终使各排放成分降低到4 一8 ，效果达9 2 以i - 。 由此可见，在排放控制的过程中，采用废气再循环( e g r ) 是非常必须的一步。在 目前国际上诸多的降排放措施中，采用废气再循环( e g r ) 装置、三元催化装置与闭环电 控喷射系统相匹配的技术被公认为是一项降排放效果最全面、幅度最大的降低汽车排污 指标的综合技术措施。从国外有关技术资料上显示其降排放效果已达9 0 - 9 5 以上。 就我国的现状来看，我国的汽车尾气排放控制事业起步较晚，但发展很快，与国外 发展水平的差距f 日益缩短。我国2 0 0 0 年执行的排放法规已达到欧洲一号标准，2 0 0 5 年己达到欧洲二号标准水平。2 0 0 8 年必须达到欧洲三号标准。这给中国汽车工业提出 了一个严峻的问题。 1 4 本文主要研究内容 本人从2 0 0 1 年l o 月开始到2 0 0 4 年5 月，根据大连理工大学的安排，在中国一汽 集团公司大柴博士后工作站，配合王天灵博士，结合大连柴油机厂的c a 4 9 8 开发课题， 针对c a 4 9 8 增压柴油机进行e g r 和v n t 控制，参照和分析国内外各种柴油机的e g r 控制系统的优缺点，优化选取适合c a 4 9 8 增压柴油机的最佳e g r 匹配方案，并进行电 控e g r 阀的匹配，以及试验台架测定各项试验工作，先后在大连柴油机厂、中国一汽 集团汽研所、吉林大学、无锡微孚集团进行了c a 4 9 8 柴油机的匹配试验，最后制作了 电子控制系统实验板，初步达到了控制的要求。 4 大连理 ：大学硕士研究生学位论文 第二章e g r 系统概述 e g r ( e x h a u s t e dg a sr e c y c l e ) 技术是降低n o 。排放的有效方式。国外一些汽油机 早在七十年代开始使用e g r 系统，目前e g r 系统在国外汽油机上的应用已经相当普及， 取得了良好的降n o x 排放的效果。九十年代初，e g r 技术开始用于柴油机，近年来国 ， 外的柴油机越来越多低采用e g r 系统。在国内，对柴油机e g r 技术的研究处于初步阶 段，采用e g r 降低柴油机排放是降低排放领域的一个新课题 e g r 就是把一定数量的废气引入到发动机的进气系统，使得进气中惰性气体( 水蒸 气，n 。和c o 。等) 的比例增加圳由于这些气体具有较高的比热，致使再循环的气体比热 增高，发动机最高燃烧温度下降，同时混合气体中氧的浓度下降，从而破坏了n q 的生 成机理，有效地抑制了n 0 。的生成。 e g r 率的定义： 2 麟率= 型喾掣圳 其中，c 0 2 进气指发动机加入e g r 后进气中c 0 2 的体积分数；c 0 2 环境为大气环境 中c 0 2 的体积分数：c 0 2 排气为发动机加入e g r 后排气中c 0 2 的体积分数。而不 同的e g r 率改变了进气中惰性气体的比例，从而实现了控制n o ；的排放值。 2 1e g r 系统降低n 0 。排放的机理 从作用原理上看，e g r 技术仍是一种“机内”净化方式的机外排放控制装置。 e g r 系统的作用是将一定量的发动机燃烧产物废气，引出排气管，并通过一 个控制阀将一定量的废气导入进气管中与新鲜混合气混合，再进入燃烧室中参与燃烧， 从而实现循环。它是利用提高汽缸内的残余废气系数，降低燃烧反应温度，从而抑制 n o 。排放物的生成条件。同时，一定压力的废气对新鲜气体的稀释作用，使进气混合 气0 2 的浓度下降，也造成了n o 。排放的降低。 但是过度的废气再循环将会影响发动机的正常运行，特别是怠速、低转速小负荷 及发动机冷态运行的时候，再循环的废气将明显降低发动机的性能。因此，要根据工 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 况及工作条件的变化来改变参与再循环的废气量，来取得良好的综合效果。 2 2 柴油机e g r 系统概述 对于c a 4 9 8 柴油机的e g r 系统，为了达到n o ，降低与微粒增加的适当折衷。必需根 据发动机的转速和负荷控制e g r 量，为此需要采用电控e g r 系统，为了克服采用e g r 后因磨损加剧而使发动机寿命降低，还应选用高质量的润滑油及含硫量低的燃油。 2 3 柴油机e g r 系统方案的选取 采用冷却式的电控废气再循环技术，通过e g r 阀的电控单元( e c u ) 实现对柴油 机各工况n o x 排放的精确控制。使其在保证对整机其它性能影响很小的情况下，最大 幅度地降低n o x 排放，满足严格的法规要求 采用带废气冷却器的电控废气再循环技术，通过压力调节器实现增压柴油机的废 气足量循环、通过废气冷却器改善大比率再循环废气下的微粒排放和经济性，通过电控 单元( e c u ) 实现对柴油机各工况n o x 排放的精确控制。使其在保证对整机其它性能 影响很小的情况下，最大幅度地降低n o x 排放，满足法规要求 2 3 1 国内外柴油机e g r 系统方案的分析 国# l - t 艮多柴油机采用了e g r 系统，通常他们的e g r 系统包括两部分：e g r 流量 控制阀系统和e g r 阀门开闭控制系统。其中，流量是通过阀孔孔径、阀门开度和阀门 两端压差实现；开闭控制可以通过机械式( 真空式) 或电控式来实现。我们可将e g r 系统的工作分成四块： 1 、用e c u 或其它机构控制e g r 开闭时刻或开启量。 2 、用真空压差或电动机构作为动力开肩e g r 阀门。 ， 3 、利用自然压差或通过制造压差以保证足够的e g r 的回流量： 4 、通过阀孑l ：y l 径、阀门开度和阀门两端压差实现e g r 回流量的最佳控制，保证发 动机最佳的综合性能指标。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 3 2 柴油机e g r 控制系统的特点： 柴油机e g r 控制系统具有以下特点： 一、在控制方面具有机械式控制实现难度大、结构复杂，电控式控制成本高 汽油机由于自身有喉管、节气门等机械特性和电路点火特性，决定了汽油机很容 易实现对e g r 阀的真空和电子控制；而柴油机较小阻力的进气系统和非电路控制的特 点使柴油机实现对e g r 阀的机械和电控的难度和成本增大。 二、在废气回流保障方面具有压差相反的特点，必须外加回流流动保障系统。 汽油机进气为负压，排气为正压，可以利用压差直接保证e g r 的回流；而增压柴油 机的进气管压力 排气管压力，必须外加设备，设法克服压力逆差将足够量的废气送入 进气管中。 三、在废气回流量和排放效果最佳控制方面具有下列特点： l 、需要加冷却器：汽油机不需冷却e g r 气，保持较高温度的再循环废气， 可改善汽油机各缸的不均匀性，改善动力性和经济性。而柴油机则需要冷却e g r 气体， 否则会对动力性经济性和微粒排放有影响，必须考虑外加冷却装置以及冷却器的结构、 布置、性能的合理性、可靠性和高效性。 2 、大负荷时难以保证足够的e g r 量：随着转速和负荷的增加，汽油机的e g r 流量自然增加，而增压柴油机的e g r 流量则下降。怎样保证大负荷时有足够的e g r 率是 一个较难解决的问题。 3 、必须与微粒排放保持较好的折中：随着e g r 的增加，p m 排放增加，怎 样通过对e g r 率的最佳调整或与其它措旋匹配，使各工况的综合性能指标最佳，是柴油 机匹配e g r 系统的一个难点。 四、需要兼顾性能和成本：需要合理处理好柴油机e g r 匹配时存在的性能指标和 成本的矛盾，眼前市场和长久发展的矛盾问题。应兼顾机械控制和电控方式。 2 3 3 柴油机e g r 控制系统设计存在并需考虑的问题： 1 、汽油机进气为负压，排气为正压，可以利用压差直接保证e g r 的回流；而增压柴 油机的进气管压力大于排气管压力，必须外加设备，设法克服压力逆差将足够量的废气 送入进气管中。 7 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 2 、汽油机由于自身有喉管、节气门等机械特性和电路点火特性，决定了汽油机很容 易实现对e g r 阀的真空和电子控制；而柴油机较小阻力的进气系统和非电路控制的特点 使柴油机实现对e g r 阀的机械和电控的难度和成本增大。 3 、汽油机不需冷却e g r 气，保持较高温度的再循环废气，可改善汽油机各缸的不均 匀性，改善动力性和经济性。而柴油机则需要冷却e g r 气体，否则会对动力性经济性和 微粒排放有影响，必须考虑外加冷却装置以及冷却器的结构、布置、性能的合理性、可 靠性和高效性。 4 、随着转速和负荷的增加，汽油机的e g r 流量自然增加，而增压柴油机的e g r 流量 则下降，怎样保证大负荷时有足够的e g r 率是一个较难解决的问题。 5 、随着e g r 的增加，p m 排放增加，怎样通过对e g r 率的最佳调整或与其它措施匹 配，使各工况的综合性能指标最佳，是柴油机匹配e g r 系统的一个难点。 6 、需要合理处理好柴油机e g r 匹配时存在的性能指标和成本的矛盾，眼前市场和长 久发展的矛盾问题。应兼顾机械控制和电控方式。 2 3 4e g r 阀控制系统 一、控制机构分类 通常用的e g r 阀的类型见下面的分类： 机械式：真空负压或压差控制阀。 单向阀脉冲控制阀 气动压差式控制阀 电控式：e c u 控制时刻+ 真空或压差控制阀( tc o n t r 0 1 ) 。 e c u 反馈控制开度+ 真空或压差控制阀( t ，m ) 电磁阀加位置传感器控制阀( 线性电机式) ( t ，m ) 步进电机式控制阀( t ，m ) 直流电机式控制阀( t ，】) 国外现在常用的三种电控e g r 阀比较见图2 - 1 ，e g r 阀的应用发展见图2 2 。从 图中，我们可以看出，e g r 阀电控阀的应用逐年增加，因此，e g r 电控阀的采用是一 个国际的趋势。 火连理工人学硕士研究生学位论文 虽然，通过分析，我们得知，电机控制是最优的控制方法，但是，对于我们目 前柴油机来看，采用此控制，将使成本增加卜2 万元左右，这显然违背了经济性的 要求。因此，比较之后，我们选取了e c u 反馈控制开度+ 真空或压差控制阀( t ，m ) 。 具体的样品见图2 4 。 此e g r 阀的技术参数如下： 工作温度一3 0 一+ 6 5 0 口 抗震点1 9 6 m 广 工作点一1 3 3 2 6 7 渤 最大流量1 2 0 0 1 m i n 。( a p = 6 7 肼动 质量 3 6 0 9 根据参数，可以看出，此阀能够满足我们的需要。 二、e g r 阀废气引流的动力系统 废气从什么地方引出来，一直是国内外探讨的课题，通常引流位置选取有4 种， 见表2 1 ： l涡轮后取气引流到压气机优缺点：排气压力低、污染 前的e g r 系统：压气机和中冷器。 2 涡轮后取气引流到压气机优缺点：排气压力低、避免 后的e g r 系统：污染压气机和中冷器。 3 涡轮前取气引流到压气机优缺点：排气压力高、污染 前的e g r 系统：压气机和中冷器。 4涡轮前取气引流到压气机优缺点：排气压力高、避免 后的e g r 系统：污染压气机和中冷器。 注：在带中冷器的柴油机上，压气机后表示在中冷器后。 表2 - 1 t a b2 - 1 研究表明涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计采用4 的方式比较好。这是因为 这种设计方式可以避免出现： 9 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 1 ) 再循环废气污染压气机和中冷器。可以使压气机和冷却器不受排气中的微粒、 碳氢化合物和硫份的影响，因而减少了淤塞和腐蚀所引发的问题，而且也使得流过增压 器的质量流量基本保持不变； 2 ) e g r 响应差。如果将e g r 气体在压气机和中冷器的上游引入发动机，则会出现 e g r 气体随发动机工况变化响应迟后的问题，这对于按变工况循环考核排放并且经常在 变工况下工作的轿车增压直喷式柴油机来说是无法接受的。采用e g r 系统要引起增压柴 油机压力提高，但这可以通过用冷却e g r 方式得以缓解，这是由于冷e g r 减少了进气歧 管的排气容积。 三、e g r 冷却系统的种类和选取 目前采用冷却方式有三种： ( 1 )电动液压风扇式风冷e g r 控制系统： 该冷却控制系统冷却效果好，但是结构复杂。 ( 2 ) 中冷器风冷却e g r 控制系统： 利用增压中冷器冷却系统冷却再循环废气，冷却效果虽好但是再循环废气还会污染 增压中冷器。 ( 3 ) 水冷却方式e g r 控制系统： 在发动机机体和缸盖上布置各种水冷丐芪热交换器，效果相对较差。但水冷却 e g r 控制系统结构紧凑，占用空间小，性能和可靠性较好。因此国外很多机型多采用 此e g r 冷却方式。 综合考察上述各e g r 冷却系统的种类和方式，采用水冷却式e g r 控制系统为最佳 方案。 四、e g r 阀门的开启动力源的选取 根据c a 4 9 8 的特点，机器真空泵完全能够满足要求，因此，直接采用机器的真空 泵作为控制系统的气体动力源。 1 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 五、e g r 废气回流动力： 由与增压器一体的废气压气机承担。可保证足够的e g r 的回流量。 结论：综合上述分析，我们最终我们采用水冷式e g r 系统，控制真空膜片式e g r 阀对c a 4 9 8 进行控制，e c u 通过比例电磁阀控制e g r 阀的开启度，从而达到控制e g r 率 的目的这一方案。见图2 5 。 2 - 1 三种电控e g r 阀比较 f i g2 - 1c o m p a r i s o no ft h r e ee l e c t r i cc o n t r o le g rv a l v e s 图 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 图2 - 2e g r 阀的应用发展图 f i g2 - 2d e v e l o p m e n tc u r v eo ft h ee g rv a l v e sa p p l i c a t i o n 图2 - 3 各种e g r 阀 f i g u r e2 - 3 d i f f e r e n tk i n d so fe g rv a l v e 1 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 4 本试验用e g r 阀样品图 f i g2 - 4 t h es c h e m a t i co fe g rv a l v e 图2 - 5e g r 控制系统示意图 f i g2 - 5 s h o w sas c h e m a t i co ft h ee g rs y s t e m 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 图2 - 6e g r 试验控制连接 f i 9 2 6e g rc o n t r o lc o n n e c t i o n 大连理工大学硕士研究生学位论文 第三章v n t 系统概述 3 1v n t 的工作机理 v n t 增压器的作用好象一个尺寸按无级变化的涡轮壳，变喷嘴涡轮执行机构可以 在整个工况范围内精确控制喷嘴面积。随发动机转速的降低，将涡轮喷嘴环出口面积减 小，使涡轮转速升高，压气机出口压力增大：当发动机进入高速区，则调大喷嘴出口面 积，使压气机出口压力降低，从而减小最高燃烧压力，以防止发动机机械负荷超载。 v n t 的叶片与控制拉杆相连，控制拉杆的位移由v n t 上的真空气室的真空度控制， 改变气室的真空度，即可以改变汀叶片的位置。从而对涡轮的流通截面进行控制。 在柴油机各个不同工况点下，研究不同v n t 叶片开度对发动机性能和排放的影响。 因此，发动机不仅能够保持高速时的涡轮效率，而且可以提高低速时的涡轮效率， 提高低速、最大扭矩和标定工况的扭矩值，改善增压柴油机的冷起动性和低速性能，使 发动机同时获得高比功率和低速扭矩，还能大幅度减低烟度，提高经济性。同时，v n t 增压器可减低涡轮滞后，提高发动机的响应性，增强制动能力提高安全性。 可变喷嘴增压技术是近年发展的新技术之一。改变增压器喷嘴截面，使发动机在高 低速时都获得理想的供气。此种技术可使发动机低速扭矩特性更合理，并可改善低速和 高速工况下的燃油经济性及排放。这是一成熟的技术，在日本、欧州新产品中均有应用。 3 2 可变喷嘴涡轮增压器 3 2 1 可变喷嘴涡轮增压器结构及控制方式 q t 增压器可根据发动机的工况调节涡轮进气的流通截面而使涡轮输出的功率 最佳。它的喷嘴环上有十二个可调叶片，用来替换原来固定位置的喷嘴环。当叶片位置 转动时，涡轮的流通截面相应改变。喷嘴的流通截面越小，废气的流速越大，同时涡轮 的输出功率越大，增压比相应越高。当发动机处于不需要高增压比的工况时，叶片处于 另外的极限位置，废气的流动损失也减小。 ( 见图3 2 1 ) 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 图3 - 2 1 可变喷嘴增压器 f i g3 2 it h eo u t l o o ko fv a r i a b l en o z z l et u r b o c h a r g e r 可变喷嘴增压器( v n t ) 通过改变涡轮的流通截面来实现与柴油机在各个转速工 况下的最佳匹配。在所有的工况点与发动机都能有良好的匹配，使发动机的性能都能达 到较佳。配有一可调节的喷嘴环，它能通过调节喷嘴环上的可变舌片位置而改变涡轮的 流通截面。从而使它在低速时像一快速反应的小涡轮而在高速时像一高效率的大涡轮。 使发动机不仅能够保持高速时的涡轮效率，而且可以提高低速时的涡轮效率，通过减少 涡轮流通截面能最大程度的减少涡轮滞后现象。也能在高速流动时减少废气的摩擦而使 发动机输出更大功率。使用可变喷嘴增压器，能提高发动机的低速扭矩性能及加速性能， 并大幅度的降低发动机的排气烟度。 3 2 2 可变喷嘴涡轮增压发动机的运行特点 可变喷嘴涡轮增压发动机的运行除具备常规发动机运行特点外，它具有独特的优 势。即发动机的负荷在一定的范围内变化时，v n t 的实际工作流量会发生变化，与 发动机的流量相适应，由此可见，v n t 的实际工作流量变化范围可以是一个域，在这 个域内，v n t 涡轮可获得较高的效率，这使町t 涡轮对全工况范围内运行的车用发 动机的流量适应能力增强，对于改善高增压发动机的低速和部分负荷贫气的问题具有巨 大的潜力，同时，v n t 涡轮的流量特性具有在线调节的能力，这是固定截面涡轮增压 器所不具各的特点，它使涡轮与发动机的匹配可在联合运行的过程中进行进一步的优 化，这使q t 在增压机型的拓展和增压系统的进一步应用中具有巨大的优势和潜力。 这样就可以改善发动机与增压器匹配当中经常不易解决的高速匹配和低速匹配的矛盾。 大连理：r 大学硕士研究生学位论文 这样，采用夏銮噻咝竭捡擅星系统，可以从增压系统本身和它与发动机匹配两方面改善 发动机的性能。 3 2 3 可变喷嘴增压器的电子控制 v n t 系统的设计目标是实现对柴油机呵t 阀门开度的精确控制。电控q t 系统 的控制方案有两种。 第一种方法：采用比例电磁阀+ 真空膜片执行机构，在欧2 和欧3 阶段，将油门转 角信号( 或者油门踏板信号) 和发动机转速作为标志发动机实际工况的基本输入量，参 照由发动机及整车试验得出的m a p ，通过p i d 算法或插值算法，插取执行器的输出信 号，实现对排放控制的开式循环系统； 第二种方法：将油门转角信号( 或者油门踏板信号) 和发动机转速作为标志发动机 、实际工况的基本输入量，参照由发动机及整车试验得出的m a p ，选择阀门开度基准之 后，通过压力传感器信号对进气压力进行修正和补偿，与被控对象( 柴油机) 构成一闭 环控制系统。 因此，v n t 系统要考虑进气压力的变化对发动机进气量的影响，需要安装进气压 力传感器，在发动机或整车进气压力不足时，对q t 控制电位进行正修正。休整值参 照标准大气压下的各个转速的进气压力进行加权。 因此，v n t 系统可以分两步走：根据现有的比例电磁阀阀结构进行不加压力传感器修 正的控制策略，或者直接进入加压力传感器修正的控制策略设计；而现有的控制策略设 计由于执行结构采用了自反馈的比例电磁阀，能够精确控制阀的开度，满足欧3 排放的 控制 图3 2 2v n t 控制原理图 f i g3 - 2 2p r i n c i p l es c h e m eo f v n t c o n t r o l 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 3 3v n t 系统研究内容： 1 ) 进行电控v n t 匹配前的参数准备和考察实验。 2 ) 针对盯样机进行的调试匹配和e c u 控制m a p 图的测试试验。 3 ) v n t 控制系统各系统与部件的选型实验。 4 ) 工控机电控系统的调试和开发试验。 5 ) 与e g r 整合后的电控q t 匹配和调整试验。 6 ) v n t 系统各种匹配和影响的专项研究试验。 大连理工大学硕士研究生学位论文 第四章e g r 的电控 4 1电控策略 4 1 1 设计要求 本系统的基本要求是： e c u 具有强大的计算能力，计算速度，计算精度；有足够的内存来存储数据。 工作温度要求：一4 0 。c 一一1 2 0 。c 输入信号要求有一个数字量，一个模拟量，几个开关量 输出2 个p w m 脉宽调制信号。 具有与计算机通讯的能力 具有故障诊断功能 具有抗电磁干扰、抗振动性 要1 2 v 和5 v 直流供电。 4 1 2 基本控制策略 电控系统的设计目标是实现对柴油机e g r 阀门开度的精确控制。电控e g r 系统基本 控制方案如图1 图3 所示。 第一种方法：在欧2 和欧3 阶段，将油门转角信号( 或者油门踏板信号) 和发动机 转速作为标志发动机实际工况的基本输入量，参照由发动机及整车试验i 导出的m a p ，通 过p i d 算法或插值算法，取执行器的输出信号，实现对排放控制的开式循环系统； 第二种方法：将油广 转角信号( 或者油门踏板信号) 和发动机转速作为标志发动机 实际工况的基本输入量，参照由发动机及整车试验得出的m a p ，选择阀门开度基准之后， 通过阀门位移传感器或氮氧化物传感器信号对输出的执行器输出量进行补偿，与被控对 象( 柴油机) 构成一闭环控制系统。 同时，e g r 系统还要考虑其他一些控制因素的影响。如冷却水温修正，蓄电池电压 修j 下等。蓄电池电压修正可以通过e c u 电路实现控制，而冷却水温控制，需要用冷却水 1 9 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 温传感器，在发动机启动时；怠速和减速时；冷却水温 1 0 0 。c 时 为了避免燃烧不稳定，应停止e g r 控制。 e g r 系统的一切控制方式都是基于以下三点 1 、精确的控制以实现排放的达标； 2 、良好的可靠性和稳定性： 3 、最少的结构和最低使用成本； 因此，e g r 系统要根据具体的阀门控制结构进行e c u 控制策略的设计；而现有 的控制策略设计由于执行结构采用了自反馈的比例电磁阀，能够精确控制阀的开 度，满足欧2 排放的控制，因此，还没有必要采用复杂的闭式循环系统。目前国 际上的柴油机e g r 系统的电控，除西门子采用氮氧化物传感器的闭循环以外，绝 大多数是采用开式循环控制。 查 m a p 图 控 良 柴制 馈 算 瑟 油 法机 图4 - 1 ：电控e g r 系统基本控制方案一 f i g4 - ls c h e m eo ft h ec o n t r o le g rs y s t e m l 其他铱人 图4 2 ：电控e g r 系统基本控制方案二 f i g4 - 2s c h e m eo ft h ee o n t r o l e g rs y s t e m 一2 火连理工人学硕士研究生学位论文 其他输人 图4 - 3 ：电控e g r 系统基本控制方案三 f i g4 - 3s c h e m eo ft h ec o n t r o le g rs y s t e m 3 e g r 系统的设计目标是实现对柴油机e g r 阀门开度的精确控制矗e 们最终采用电控 e g r 系统的控制方案是： 采用比例电磁阀+ 真空膜片执行机构，在欧2 和欧3 阶段，将油门转角信号( 或者 油门踏板信号) 和发动机转速作为标志发动机实际工况的基本输入量，参照由发动机及 整车试验得出的m a p ，通过p i d 算法或插值算法，取执行器的输出信号，实现对排放控 制的开式循环系统。即方案一。 4 1 3e c u 的结构 按照要求，e c u 由微处理器、存储器、接口电路、电源电路等组成，见图4 - 1 。 图4 - 1 中，1 9 6 k c 是核心器件、p s d 是存储器、信号处理是将转角( 模拟量) 和转 速( 数字量) 进行处理、电源电路用来给整个电路提供工作电压。 4 2 微处理器的设计 4 2 1 微处理器芯片的选择 m c s l 9 6 系列单片机是i n t e l 公司继8 x 9 x 之后推出的1 6 位嵌入式微控制器。它除 了保留8 x 9 x 全部功能外，在功能部件和指令支持上又有很大改进，性能上也有了显著 提高，使得它适用于更复杂的实时控制场合。m c s l 9 6 单片机有多种型号，不同型号配 2 1 刘明：e g r 在c a 4 9 8 柴油机上的试验研究 置有不同的功能部件，且具有不同存储器空间和寻址能力，可满足不同场合的要求。 m c s l 9 6 系列单片机都有1 个基于寄存器到寄存器结构的内核。这种结构消除了累 加器的瓶颈现象，加快了数据传输。另有多种功能部件，在不同型号中进行不同配置。 这些功能部件除包括在8 x 9 x 中就有的i o 口、1 0 位a d 转换器、p w m ( 脉宽调制器) 、 s i o ( 全双工串行i o 口) 、中断源、看门狗定时器、1 6 位定时计数器、h s i o ( 高速 输入输出口) 等以外，还包括在m 6 s 1 9 6 中出现的p t s ( 外围事务服务器) 、e p a ( 事 件处理器阵列) 、w g ( 波形发生器) 等。 与其他系列( 如m c s s l 系列、p i c 系列等) 相比，h s i o 、p t s 、e p a 、w g 是m c s l 9 6 最具 特色的功能部件。 h s i 0 ( h i g hs p e e di n p u t sa n do u t p u t s ) ：其中h s i 用于记录某一外部事件相对 于时间基准( 如定时器1 ) 的发生时刻。此功能部件在检测到引脚上规定的跳变事件( 包 括正跳变、负跳变、每次正跳变、8 个正跳变) 后，将发生事件的类型与时刻记录下来， 并产生相关中断。此部件适用于信号的时间参数测量。 时钟频率m h z 部件名称单位 1 62 02 55 0 ， h s i1 1 2 50 9 us h s 01o 8 us e p a2 5 02 0 01 6 08 0us 表1h s i o 和e p a 分辨能力的比较 t a b - 1t h ec o m p a r is o i lo fh s i 0 和e p a sr e s o l v i n gp o w e r h s 0 则用于按程序规定的时间去触发某一事件( 如置位清零口线、启动a d 转换 等) ，要求c p u 的开销极小，速度极高。此部件便于实时输出控制，可用来产生多种信 号波形。 大连理工大学硕士研究生学位论文 e p a ( e v e n tp r o c e s s o ra r r a y ) ：实质上是捕捉比较模块。所谓“捕捉”就是捕 获产生于引脚上的跳变事件( 有正跳变、负跳变、正负跳变等) ，记载这些输入事件相 对于时基定时器发生的时刻；“比较”则是和预先规定好的时间作比较，预定时间一到 就去执行某种输出功能( 比如输出置为高、输出置为低、输出翻转、启动a d 转换、复 位定时器等等) 。可见，e p a 和h s i o 的功能类似，但e p a 在c p u 开销上要求更少，性 能更好一些。表1 给出在不同时钟频率下两者分辨能力的比较。 p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e r v e r ) ：实质上是中断服务机制的改进。对正 常的中断服务，c p u 都要“亲自”去执行，而现在的p t s 提供了种类似d m a 的操作。 当中断发生后，由微代码执行p t s 周期。该周期就像d m a 周期那样插入正常的指令流中， 完成中断服务，这样c p u 的开销比般的中断响应要少得多。 w g ( w a v e f o r mg e n e r a t o r ) ：可产生独立的、具有相同频率和工作方式的3 对p w m 波形。特别适合控制三相交流感应电机、直流无刷电机和其他需要多个p w m 输出的场合。 另外，m c s l 9 6 单片机总线控制器还具有可编程的等待状态发生器，可方便地与慢速外 设接口。在运行中可动态选择8 位或者1 6 位的总线宽度，并能通过h o l d h l d a 协议方 便地实现多处理器通信。 目