农用柴油机EGR控制系统电路设计

农用柴油机EGR控制系统电路设计
门金来;胡文君;徐金渭;杨帅;陈杰
【摘要】针对增压直喷柴油机,开展废气再循环( EGR)技术的电子控制研究与应用,以降低氮氧化物(NOx)排放.依据柴油机EGR控制系统的工作特点和功能要求,以80C196单片机为核心,进行了控制系统的硬件电路设计和控制软件编写.发动机负荷特性试验表明,柴油机在应用EGR控制系统后,NOx排放大幅降低,HC和CO排放略有增加,柴油机动力性和经济性与原机相当,验证了EGR电控系统设计的合理性.【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)002
【总页数】4页(P215-217,221)
【关键词】增压直喷柴油机;废气再循环;控制系统;氮氧化物
【作者】门金来;胡文君;徐金渭;杨帅;陈杰
【作者单位】上海交通大学机动学院,上海 200240;浙江新柴股份有限公司,浙江新昌 312500;衢州学院机电控制工程系,浙江衢州 324000;上海交通大学机动学院,上海 200240;上海交通大学机动学院,上海 200240
【正文语种】中文
【中图分类】TK421+.5
0 引言
废气再循环(EGR)系统的基本原理是将部分废气引出排气系统，再送入进气系统。

由于废气中的 CO2 和 H2O 的比热较高，当新鲜混合气和废气混合后，热容量随着增大，缸内最高燃烧温度下降。

同时，因再循环废气对新混合气的稀释作用，降低了混合气中O2 的浓度，破坏了NOx的生成条件，有效抑制了 NOx的生成，从而降低了 NOx 排放。

目前，EGR系统在国内外汽油机上的应用已相当普及，并取得了良好的降低NOx排放的效果。

在重型柴油机中，随着世界各国对重型柴油机制定出更严格的NOx排放标准，EGR技术也越来越受到重视 [1-2]。

但是柴油机采用废气再循环可能对燃烧过程带来不利，本文为一直列4行程增压直喷中冷农用柴油机确定了一种适用的EGR电控系统结构形式，并依据不同工况的要求对废气回流量进行最佳的调节与控制，有效降低了柴油机NOx排放[1-2]。

该柴油机标定功率/转速为132kW/2 300r·min-1，最大扭矩/转速为660N·m /1
400r·min-1。

1 EGR系统的组成及功能
该系统由电控系统、EGR冷却器、EGR组合气缸阀、进气节流阀机构及EGR废气管路等组成。

对于增压中冷柴油机，EGR废气流动路线通常有以下两种方式：一是从涡轮前取气回流到压气机后的EGR系统；二是从涡轮后取气回流到压气机前的EGR系统。

涡轮增压柴油机的冷却再循环结构设计适宜采用前一种方式[3-4],避免出现再循环废气污染压气机和中冷器，使压气机和冷却器不受排气中的微粒、碳氢化合物和硫的影响，因而减少了可能出现的淤塞和腐蚀问题。

同时，可以避免EGR随工况变化响应滞后，这对按变工况循环考核排放并且经常在变工况下工作的车用增压直喷式柴油机来说，不利于控制NOx排放。

本文正是将进气节流阀安装在中冷器后的进气管中，EGR系统从增压器涡轮前取气，废气经过EGR冷却器和组合气缸阀，引到进气管中的节流阀后侧。

进气节流阀由步进电机带动，用于调整节流阀后的气体压力，保证小负荷工况下将足够的废气送入进气系统。

组合气缸阀利用压缩空气驱动，并利用电磁阀控制，以调整EGR废气流量。

EGR电控系统
由传感器、ECU和执行机构等3部分组成。

在发动机运行过程中，ECU依据发动机转速和油门位置信号确定发动机当前所处的工况，并根据发动机的状态信息及标定数据得出控制指令，通过步进电机和电磁阀调节进气节流阀和组合气缸阀开度，保证发动机在该工况下具有最佳的EGR率[5]。

2 EGR系统硬件设计
电控系统在实时控制过程中，用以完成信号的采集与处理、做出控制决策及生成控制信号等任务。

柴油机EGR电控系统是以MCS80C196KC单片机为核心实现的，电控系统的组成如图1所示。

电控系统的设计主要包括控制单元设计、信号采集
系统及处理电路设计和执行机构驱动电路设计。

其中，主要电路包括时钟电路、复位电路、转速信号处理电路、油门位置信号处理电路、步进电机驱动电路以及电磁阀驱动电路[6] 等。

2.1 时钟电路
80C196KC单片机工作时所需的时钟通过其XTAL1输入引脚从外部送入，
80C196KC单片机内的振荡电路是一个单级非门电路，它与石英晶体配合，可组
成一个振荡器。

晶体振荡器提供的时钟信号经过二分频电路产生两个不同相位的内部时钟。

两个振荡周期构成一个状态周期，它是80C196KC单片机操作周期的时
间单位。

图1 控制系统的组成框图
2.2 复位电路
为了使80C196KC单片机在上电后能正常工作，必需对其复位。

80C196KC单片机复位信号是个低电平有效信号，在Vcc、振荡器和反向偏置发生器已达到稳定状态之后，RESET脚至少应该保持两个状态周期时间的低电平。

通常反向偏置发生
器需要1ms的稳定时间，而振荡器的稳定时间与电源电压的上升率有关，一般约
需30～50ms。

复位电路可以有多种，如复位电容、单稳电路都可完成复位，只要
在Vcc、振荡器和反向偏置发生器稳定以后能提供至少2个状态周期的低电平信号即可。

复位电路结构如图2所示。

图2 复位电路
2.3 转速信号处理电路
转速信号处理电路主要由霍尔转速传感器组成，其测速原理如图3所示。

转速传感器的传感头放在飞轮附近，传感器头部永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮。

当齿轮的齿根正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相时较弱；而当齿轮的齿顶正对霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁力线集中，磁场相对较强。

齿轮转动时，使得穿过霍尔元件的磁力线密度发生变化，从而引起霍尔电压的变化，最后经过波形过滤、光电隔离、整形电路可以得到反映转速的幅值相等、频率变化的方波信号。

其频率为
(1)
式中 Z—飞轮齿数；
n—发动机转速。

图3 发动机转速传感器测速示意图
将霍尔传感器输出的信号经过调理后变成速度频率信号，传输给80C196KC单片机。

通过设置单片机的工作方式，可以有效地捕捉转速信号的跳变沿，并记录当前定时器的值，再计算与前一次捕捉到跳变沿的定时器数值之差就可以求得转速信号的周期。

设定时器的计数频率为f0，前后两次捕捉到转速信号跳变沿的定时器计数个数之差为K，则转速信号的周期T为
(2)
根据式(1)和(2)可以求得发动机的转速n为
(3)
2.4 油门位置信号处理电路
油门位置传感器实际上是一个电位计，电位计的输出电压与转角之间呈线性关系。

在80C196KC单片机中集成了一个10位A/D转换器部件，可对4个输入通道的模拟输入量进行A/D转换。

油门位置传感器的输出电压接至80C196KC单片机
A/D转换器的ACH0引脚，把油门传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能够
接受的数字信号。

假设单片机在进行A/D转换时所选用的参考电压为Vref，油门初始位置所对应的传感器电压为V0，则经过A/D转换后单片机所得到的数字量
n0为
(4)
若油门位置传感器的电压与油门开度之间的比例系数为K，则当单片机对油门位置传感器经过A/D转换后所得到的数字量n所对应的油门开度θ为
θ
(5)
2.5 步进电机驱动电路
电控系统采用ULN2003作为步进电机的驱动器，它是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路，由7对NPN达林顿管组成的，逻辑结构如图4所示。

其高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。

单个达林顿对的集电极电流是500mA，达林顿管并联可以承受更大的电流。

ULN2003的每对达林顿管都
有一个2.7kΩ串联电阻，可以直接和TTL或CMOS装置连接。

本系统中
ULN2003用于驱动步进电机的四相绕组。

图4 ULN2003逻辑框图
2.6 电磁阀驱动电路
EGR系统中，利用电磁阀控制高压气的通断来控制组合气缸的行程。

系统中共使
用了3个24V、电流0.1A的电磁阀。

电磁阀的驱动也是利用ULN2003作为驱动器。

3 EGR系统软件设计
EGR控制系统使用80C196KC16位单片机作为核心控制器，控制软件采用
80C196KC汇编语言编写。

编程过程中，为使程序具有通用性、增强可读性，采
用了模块化的设计思想，即将主控程序分成若干子程序和中断服务程序功能块，先单独编制调试各个功能块程序，最后再连接在一起构成电控EGR系统的控制程序。

主程序流程及各子模块功能如图5所示。

主控程序是控制软件的中心模块，它主
要包括控制系统通电后的初始化程序以及发动机工况测定、判别和相应的处理程序等。

程序的初始化包括堆栈指针的设定、RAM区的初始化、各种特殊功能寄存器的初始化以及I/O端口的初始化等。

主控程序担负着判断发动机各种运行工况的
任务，本程序中主要依据油门位置和转速来判定发动机所处的工况。

主控程序是一个循环程序，发动机运行后，主控程序一直在循环执行，调用A/D转换子程序和
转速测量子程序判定发动机的工作状态，在控制MAP表中查找发动机某工况下与EGR率对应的步进电机和电磁阀控制指令得出控制指令，调用步进电机驱动子程
序及电磁阀控制子程序，向执行机构输出控制指令，完成各个工况预定的动作。

图5 EGR控制系统主程序及各子模块功能
4 结论
根据本文设计的EGR系统控制电路，原机与加EGR后的13工况排放对比结果发现：NOx比原机降低20%，HC增加12%，CO增加7%，微粒排放与原机相比
没有变化。

NOx，HC，CO和微粒的排放均达到EUROⅡ标准。

13工况加权系数综合评价油耗的对比结果表明，原机加权油耗为234.5g/kW·h，加EGR后的油耗
为230g/kW·h，可见使用EGR系统后柴油机的13工况平均油耗略有降低。

柴油机在中小负荷工况NOx和微粒的排放达到了良好的效果。

试验结果验证了EGR
电控系统的合理性与适用性，所设计的硬件电路具有在满足控制要求的前提下简单可靠的特点，控制软件程序具有任务明确、条理清楚的优点，便于修改调试。

【相关文献】
[1] 刘巽俊. 谈减轻我国汽车用发动机排放污染的实用技术[J]. 汽车技术，1997,156(2):1-4.
[2] Yoshio Sato, Akira Noda, Tadashi Sakamoto. Combustion and NOx Emission Characteristics in a DI Methanol Engine Using Supercharging with EGR[C]//SAE paper，971647, 1997.
[3] 方祖华，李桂华，上官平．增压直喷柴油机EGR系统结构方案及关键技术[J]．内燃机，
2003(3): 15-17.
[4] 朱昌吉，刘忠长，许允．废气再循环对车用柴油机性能与排放的影响[J]. 汽车工程, 2004，
26(2):145-148.
[5] 杨帅，张振东. 增压直喷柴油机EGR系统设计与试验研究[J]. 车用发动机，2003,148 (6):35-38.
[6] 孙涵芳. Intel 16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，1994.。