船用柴油机冷EGR+EGR率自控系统

张灿为，姜莉莉，董志强

(广东工业大学 机电工程学院，广东 广州510006)

0 引 言

伴随着越来越严格的海洋排放法规和环境问题，对船用柴油机的排放要求也日趋严格，为了达到2016年实施的Tier III 排放法规，船用柴油机必须更大程度上降低其主要排放物NOx 的排放量。EGR 技术是目前公认的降低柴油机有害物排放的有效方法之一，该技术(废气再循环技术)利用EGR 阀将少量废气引入进气管与新鲜空气混合后进入气缸进行燃烧，从而破坏NOx 高温富氧的生成条件。冷EGR 技术是在进行废气再循环的过程中对EGR 废气进行冷却来提高进气密度，降低混合气燃烧的温度，以降低柴油机NOx 的排放，也可以降低HC 的排放［1］。对EGR 率控制是通过对引入废气量的控制来减少有害排放物的生成，冷EGR 是通过对引入废气温度的控制达到减少有害物排放的目的，二者都能在一定程度上降低有害物的排放。本文综合考虑引入废气量和温度2 个因素，设计1 套对EGR 率和冷EGR 进行精确、实时控制的船用柴油机自控系统。

1 系统总体设计

系统中的废气从柴油机排气管取得，废气经过滤网、线性EGR 阀和冷却器冷却后在文丘里管中与新鲜的空气混合后进入气缸参与燃烧。系统总体设计如图1所示。柴油机运行过程中，控制系统根据各传感器送来的信号进行判断、分析、运算处理后，发出水泵转速控制命令和电控EGR 阀开度命令，控制水泵的转速和阀的开度，从而精确地控制废气的量和温度。其中冷却用的海水从船用柴油机海水冷却系统中冷却水泵后的进水管道中取出，经过海水滤器和单向阀后流入冷却器，最后经过单向阀后流回海水冷却系统出水管道中流到舷外。冷却器中采用冷热流体逆向的方式，文丘里管主要起引射气体的功能，海水滤器用来过滤海水中的杂质，电动水泵用来控制冷却水的循环量，单向阀用来防止海水的回流，滤网用来过滤尾气中的颗粒物，电源由船舶提供。

图1 系统总体设计图Fig.1 The overall design of system

2 控制系统设计

2.1 控制系统控制方法

控制部分由冷EGR 控制和EGR 率控制2 部分组成。冷EGR 控制采用开环控制和PID 控制相结合;EGR 率控制采用闭环控制和PID 控制相结合。以柴油机通过台架试验得到的不同工况下最佳冷EGR 温度和最佳EGR 率以及柴油机转速、负荷等信号，由ECU 判断属于哪一种工况，然后将该工况下实际测得的参数经处理后转化为控制信号来控制伺服电动水泵的转速和线性EGR 阀的开度，从而达到用控制冷却水的循环量来控制EGR 温度和用控制EGR 阀开度来控制EGR率的目的。废气量控制中的PID 控制主要是通过计算理论开度与实际开度的差值并调节差值，冷EGR 中的PID 控制用于对具体执行机构电动水泵进行控制。

综合考虑柴油机在稳定工况下的基本性能后选择的EGR 率作为其最佳EGR 率。按照欧洲排放标准13 稳定工况进行划分工况和工况EGR 率测试，分析其他工况的测量数据、NOx、扭矩、燃油消耗等方面的影响，选取各工况下合适的EGR 率，并绘制测定EGR 率MAP 图，通过数据处理，得到13 稳定工况最优的EGR 率数值表［2］，如表1所示。

表1 最优的EGR 率数值表Tab.1 The optimal data of EGR rates

在得到最佳EGR 率的前提下，通过不同工况下进行冷EGR 试验得到EGR 冷却温度对柴油机排放的影响规律，参考得到的EGR 冷却温度对柴油机性能和排放的影响规律以及柴油机的EGR 使用原则:低温低速时和高温高速时不进行EGR;低速小负荷和高温小负荷和高速中负荷时EGR 投入使用［3-9］。船用柴油机YC4F100-C20 的EGR 冷却温度范围，如表2所示。

表2 最佳冷EGR 温度范围Tab.2 The optimal temperature data of cooled EGR

2.2 控制系统硬件设计

控制单元采用AT89S52 单片机作为核心部件，控制系统原理如图2所示。其中反馈信号由排气温度传感器、阀门位置传感器和冷却后EGR 温度传感器提供，用于ECU 控制电动水泵转速和线性EGR 阀开度，转速信号由柴油机转速传感器提供，负荷信号由供油齿条位置传感器提供，当柴油机在低转速、小负荷或转速过高、负荷过高时，不进行EGR，此时水泵不转，EGR 阀关闭;当柴油机温度过低时，对再循环废气不进行冷却，水泵不转，EGR 阀根据控制结果打开。机体温度信号由机体温度传感器提供。各种信号首先由信号放大处理电路对传感器的弱电信号放大，同时对一些非线性信号进行线性化处理，对开关信号进行滤波处理和电位变换。然后A/D 电路对发动机负荷信号和冷却后EGR 温度信号进行数字化处理后输入单片机，机体温度信号为数字信号可直接输入到单片机中，转速信号为脉冲信号。驱动电路是完成对直流电动水泵的控制，通过对占空比的控制完成对线EGR 阀开度的控制。

图2 控制系统原理图Fig.2 Block diagram of control system

2.3 控制系统软件设计

控制系统软件设计采用模块化程序设计方法，程序模块有主程序模块、A/D 转换模块、循环采样模块、PID 模块等。通过软件接口将各模块连接，软件部分主要完成柴油机转速、负荷、阀门开度位置、冷却后EGR 温度和机体温度信号的循环采样、查表和运算处理、PID 计算、PWM 信号驱动执行等功能。其中首先将得到的最佳冷EGR 冷却温度范围和最佳EGR 率作为查表程序的数据源存入单片机，主程序图如图3所示。

冷EGR 控制中的PID 控制主要是在单片机接收到串口的控温指令和温度数据后，把采集到的实时温度与控温要求的温度相比较后得出控制量，用该控制量去控制PWM 输出，控制电机两端的平均电压，进而控制电机的转速来调节冷却水循环量使得EGR 的温度值达到规定的温度范围(见图4)。考虑直流电机的控制问题，对PID 位置式算法进行改进得到数字PID 的增量表达式:

图3 主程序框图Fig.3 Flow chart of main routine

图4 冷EGR 控制原理图Fig.4 Control schematics for cooled EGR

按偏差项合并整理成如下形式

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k－1)+q2e(k－2)。

式中:KP为比例增益;KI=KPT/TI为积分系数;TI为积分时间;KD=KPTD/T 为微分系数;qo为KP(1+T/TI+TD/ T);u(k)为输出电压;e(k)为第k 次温度采样;q1为KP(1+2 TD/T);KP为比例增益;q2为KPTD/T。

EGR 率控制中的PID 控制初始信号是由单片机判断的发动机的工况查表得到的最佳EGR 率的值，之后由线性EGR 阀中的阀门位置传感器提供的位置信号为反馈信号，控制原理如图5所示。PID 计算主要是对采集到的实际电磁阀开度和理论电磁阀开度相比较后得出控制量，用该控制量去控制PWM 信号占空比输出，循环处理判断后，最后使阀开度位置能保证实现最佳EGR 率或者附近，具体调节算法如下:

式中:Kp 为比例增益;TI为积分时间;TD为微分时间;Kp 为加快响应速度;TI为主要消除系统误差;TD为抑制响应中偏差向任何方向的改变［11］。

图5 EGR 率控制原理图Fig.5 Control schematics for EGR rates

3 试验结果

在YC4F100-C20 船用柴油机上进行装有该自控系统与无EGR 的对比试验，其中在转速为1 800 r/min时，NOx 排放量和碳烟量对比结果如图6所示。从图中可看到，采用自控系统后NOx 排放量比无EGR 时减少15.3% ～23.1%，HC 排放量基本保持不变，CO 排放量有所减少，碳烟的量也有所下降。

图6 NOx 排放量和碳烟量对比结果Fig.6 Emissions of NOx and carbon volume results

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