柴油機(jī)冷EGR溫度控制器的研究

李愛娟 李舜酩 郭新民 劉 剛 劉建婭

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安，271018

3.中鐵十局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，濟(jì)南，250000

4.北京汽車股份有限公司汽車工程研究院，北京，100021

0 引言

柴油機(jī)的主要排放物是 NOx和微粒［1］。NOx對人體的危害很大，因此柴油機(jī)必須大幅度地降低 NOx的排放量［2－3］。國際公認(rèn)，廢氣再循環(huán)EGR（exhaust gas recirculation）是降低柴油機(jī)NOx排放量的有效手段之一［4－5］。為進(jìn)一步降低NOx的排放量，通過對再循環(huán)的廢氣進(jìn)行冷卻來降低混合氣燃燒的最高溫度，可在更大程度上抑制 NOx的生成［6－7］。本文在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，對冷EGR溫度控制器進(jìn)行研究，設(shè)計了一種能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同工況自動調(diào)節(jié)EGR冷卻溫度的冷EGR溫度控制器。

1 冷EGR系統(tǒng)工作原理

冷EGR系統(tǒng)模型框圖見圖1。該系統(tǒng)從發(fā)動機(jī)排氣管上獲取再循環(huán)的廢氣，直流電動水泵從發(fā)動機(jī)散熱器中引出冷EGR系統(tǒng)的冷卻水并進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)流動，冷卻水流經(jīng)EGR冷卻器對再循環(huán)的廢氣進(jìn)行冷卻后流回散熱器。冷EGR溫度控制器對各種傳感器送來的信號進(jìn)行處理、運(yùn)算和分析判斷后，自動控制水泵轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整冷卻水循環(huán)量來動態(tài)實(shí)時地控制再循環(huán)廢氣的冷卻溫度，以實(shí)現(xiàn)不同工況下EGR的冷卻溫度處在最佳冷卻溫度范圍內(nèi)的目的。

圖1 冷EGR系統(tǒng)模型框圖

采用開環(huán)控制的方法對EGR冷卻溫度進(jìn)行控制，以試驗(yàn)得出的柴油機(jī)不同工況下EGR的最佳冷卻溫度范圍為基礎(chǔ)［6］，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的信號判斷屬于哪一種工況，然后根據(jù)該工況的實(shí)測參數(shù)輸出控制信號，通過PID控制調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來控制電動水泵電機(jī)兩端的平均電壓，從而控制直流電動水泵的轉(zhuǎn)速。

2 冷EGR溫度控制器的設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計、ADC0809轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計以及PWM脈寬驅(qū)動電路的設(shè)計等，具體的電路圖見圖2～圖4。

圖2 AT89S51最小系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括單片機(jī)的復(fù)位電路和時鐘電路，在本系統(tǒng)中，AT89S51單片機(jī)采用了既可以通電后自動復(fù)位又可以手動強(qiáng)制復(fù)位的復(fù)位電路。本裝置采用ADC0809的IN0、IN1輸入通道對冷卻后EGR溫度信號、油門踏板位置信號兩路模擬信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。在ADC0809中，AT89S51的P2.0口與ADC0809的ADDA端口連接，ADDB、ADDC端口接地。由于ADC0809芯片沒有片選端子，所以，當(dāng)P2.7為高電平和為低電平時，ADC0809的ALE和START引腳為高電平，以線選方式啟動A／D轉(zhuǎn)換。當(dāng)P2.7為高電平和為低電平時，單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)［8］。單片機(jī)的P1.0引腳輸出占空比為60%～100%的PWM信號，經(jīng)光電隔離后驅(qū)動功率場效應(yīng)管（MOSFET）IRF730芯片，水泵電機(jī)上可獲得不同占空比的PWM信號。開關(guān)K1閉合后直流電機(jī)開始工作，帶動水泵旋轉(zhuǎn)。

圖3 ADC0809接口電路

圖4 直流電動機(jī)驅(qū)動電路

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 主程序設(shè)計

本控制器軟件主要完成對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、EGR溫度和冷卻水溫度信號的循環(huán)采樣、數(shù)字濾波、查表和運(yùn)算處理、參數(shù)設(shè)置、PID計算、PWM信號驅(qū)動執(zhí)行等功能。將EGR最佳冷卻溫度范圍的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)，作為查表程序的數(shù)據(jù)源。整個控制軟件由多個獨(dú)立的程序模塊組成，主要程序模塊有：主程序模塊、中斷服務(wù)模塊、循環(huán)采樣模塊、數(shù)字濾波模塊、PID計算模塊等。主程序框圖見圖5。

2.2.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計

要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量，需用到外部中斷INT0和定時器T0。INT0的中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。其中，設(shè)定時器的計數(shù)值為T，則曲軸轉(zhuǎn)一圈的時間為T（μs），因而由定時器的計數(shù)值換算為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速則為n＝60×106／T（r／min）。

圖5 主程序框圖

定時器T1中斷的主要目的是產(chǎn)生PWM信號。T1的中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。定時器T1以工頻周期為基本計數(shù)周期進(jìn)行減法定時，采用工作方式2，時基定為50μs。這里假定PWM波的周期為10ms，把每個周期分成F＝200份，由PID算法得到一個0～200之間整數(shù)形式的輸出控制量PBSC。一個周期開始時F＝200，P1.0腳輸出高電平，電機(jī)兩端無電壓輸入，每50μs F減1，當(dāng)F大于等于由PID算法得出的控制量PBSC時，P1.0腳電平翻轉(zhuǎn)輸出低電平，這時電機(jī)兩端有電壓輸入，直到F減為0，重新開始下一個控制周期。等到下一周期開始，P1.0腳電平被置為高電平，如此反復(fù)進(jìn)行便產(chǎn)生了電壓控制的PWM波。

2.2.3 子程序設(shè)計

子程序的設(shè)計主要包括冷卻后EGR溫度采樣控制程序的設(shè)計和數(shù)字濾波程序的設(shè)計等。冷卻后EGR溫度采樣控制程序主要完成對溫度信號的循環(huán)采樣，其程序框圖見圖8。圖8中，Ek為冷卻后EGR溫度采樣值，Tg為冷卻后EGR的參考溫度值。為提高測試精度和系統(tǒng)可靠性，對冷卻后EGR溫度信號、冷卻水溫度信號、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號和油門踏板位置信號的測試都采用了循環(huán)采樣三次取其中值的濾波算法。

圖6 INT0中斷服務(wù)程序流程圖

圖7 T1中斷服務(wù)程序流程圖

圖8 冷EGR溫度控制程序框圖

2.2.4 PID算法及仿真

PID算法采用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)［9］，增量型數(shù)字PID控制算式為［10］

式中，KP為比例增益；T為采樣周期；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；

增量型數(shù)字PID控制算法的流程圖見圖9，算法以子程序調(diào)用的形式出現(xiàn)，q0、q1、q2應(yīng)離線算好，e（k－1）和e（k－2）在程序初始化階段置零。PID控制器的三個參數(shù)——比例系數(shù)KP、積分時間常數(shù)TI、微分時間常數(shù)TD對系統(tǒng)有不同影響，通過試湊法對這三個系數(shù)進(jìn)行整定，可得到KP＝9.8，TI＝0.784，TD＝0.022。PID控制器通過式（1）確定的PID控制算法計算得到控制輸出量Δu（k），用該輸出量去控制PWM信號輸出；PWM 信號的輸出經(jīng)光耦隔離去驅(qū)動MOS管，通過改變電機(jī)兩端的平均電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)帶動水泵，通過改變冷卻水的循環(huán)量而改變EGR廢氣溫度，使得EGR的溫度值達(dá)到規(guī)定的溫度范圍。

對PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真之前需要在Simulink下建立相應(yīng)的控制對象的數(shù)學(xué)模型，即搭建系統(tǒng)方框圖，見圖10。對于系統(tǒng)的階躍輸入信號即EGR溫度信號的基值和實(shí)際的EGR溫度信號的偏差，通過比例、積分和微分的線性組合進(jìn)行反饋控制。對PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，控制效果曲線如圖11所示，可見，該P(yáng)ID控制器具有良好的跟蹤性能，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，基本滿足系統(tǒng)的要求。

圖9 數(shù)字PID增量型控制算法的流程圖

圖10 系統(tǒng)方框圖

圖11 系統(tǒng)階躍輸入曲線

3 試驗(yàn)

在CA498型柴油機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行了不同工況下裝有該溫度控制器的EGR冷卻系統(tǒng)與無溫度控制器的EGR冷卻系統(tǒng)的對比試驗(yàn)。選取的工況為 1500r／min、2200r／min、3000r／min與25%、50%、75%不同負(fù)荷組合的工況。其中，在2200r／min時，25%與75%兩種負(fù)荷下的試驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示。發(fā)動機(jī)安裝冷卻系統(tǒng)以后，柴油機(jī)在75%負(fù)荷時，NOx的排放量比未冷卻的EGR系統(tǒng)降低8.63%，在25%負(fù)荷時NOx的排放量比未冷卻的EGR系統(tǒng)降低6.62%?？梢娛褂美銭GR溫度控制器后在大負(fù)荷下對NOx排放量的控制效果更加明顯，且在各種工況下比未冷卻的EGR系統(tǒng)更有效地降低了NOx的排放量，控制效果明顯。

表1 2200r／min時EGR試驗(yàn)結(jié)果對比表

4 結(jié)論

（1）設(shè)計的冷EGR溫度控制器能夠?qū)崿F(xiàn)各種工況下對冷EGR溫度的自動控制，滿足了不同工況對EGR溫度的要求，提高了EGR技術(shù)的自動化程度。

（2）試驗(yàn)表明，與未冷卻的EGR系統(tǒng)相比，發(fā)動機(jī)安裝溫度控制器以后有效地降低了NOx的排放量，證明該冷EGR溫度控制器是可行的，可以更好地降低柴油機(jī)NOx的排放量。

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