CN103195594B - 基于过量空气系数的柴油机egr控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统及控制方法，由转速传感器和油门踏板位置传感器采集当前运行的转速信号和油门信号；将转速信号和油门信号传递至柴油机控制器，由柴油机控制器内的过量空气系数Map图进行查询，得出此时柴油机运行的最佳过量空气系数值；通过宽域氧传感器采集废气中的氧含量信号并输入柴油机控制器，进行过量空气系数Map查询得出实际过量空气系数值；最佳过量空气系数值与实际过量空气系数值传输至柴油机控制器内进行PID控制，通过H桥驱动器控制用于驱动EGR阀动作的直流电机正反转及转速；通过直流电机的正反转及变化的转速驱动EGR阀开启和关闭，以使实际过量空气系数值接近最佳过量空气系数值，实现废气再循环，达到理想的运行状态。

Description

基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种废气再循环（EGR）系统及控制方法，特别是关于一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法及控制系统。

背景技术

柴油机作为一种内燃机车辆主要的动力源，其具有热效率高、低速转矩大、良好的耐久性及可靠性等特点，其使用率越来越高。但是，随着人民环保意识的不断提高，柴油机的有害排放物对人类健康和环境的危害已备受关注。随着世界各国排放法规的日臻完善，对柴油机排放物的限值也在不断的降低，为了达到排放目标降低排放污染，已进行了多种方法的研究。如前处理技术、推迟喷油、预喷射技术、增压中冷、吸附催化还原技术、废气再循环技术、选择性催化还原技术等。

废气再循环是通过将排气中的废气重新引入发动机的进气系统，使发动机进气充量中惰性气体的比例增加，同时使进气充量中的氧含量减少。由于这些惰性气体不参与燃烧，且有较高的比热容，提高混合气的比热容，使发动机的最高燃烧温度得以降低；同时氧含量的减少，一方面减少燃烧的进行，另一方面也降低燃烧速度，从而有效的抑制氮氧化物的生成，降低排气中的氮氧化物含量。废气再循环系统作为一种有效的降低柴油机氮氧化物排放的手段而得到广泛的研究及使用。其优点是：使用废气再循环技术，在原有的发动机结构上改动较小；废气再循环技术的使用产生的费用少成本低。

传统的废气再循环系统的控制方法是基于EGR(废气再循环)率进行的，即通过测量废气再循环质量流量和新鲜空气质量流量进而计算出EGR率，或者通过测量出进排气管中的二氧化碳浓度进行EGR率计算，或者通过分别测量有无废气再循环时排气管温度进行EGR率计算，最后以EGR率作为控制变量进行废气再循环系统的开环控制。但是这种基于EGR率的废气再循环控制方法不能反映废气中所含气体组分，无法真实反映气缸内燃烧时混合气状态；且上述测量EGR率的方法中，有些方法在台架试验中可以实现，在实际行驶车辆上无法应用；同时进行EGR率的开环控制，对于瞬态工况有害污染物排放恶化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法及控制系统，该方法能真实反映气缸内燃烧时混合气状态，并通过传感器采集车辆运行状态，并结合已标定完成的过量空气系数Map图可以进行柴油机EGR系统的实时闭环控制，降低柴油机氮氧化物的排放。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统，其特征在于：它包括进气总管、涡轮增压器、中冷器、与柴油机各气缸进口端连通的进气歧管、与各气缸出口端连通的排气歧管、排气总管、EGR回路、宽域氧传感器、柴油机控制器、EGR冷却器和EGR阀；所述进气总管进口端设置有所述涡轮增压器，所述涡轮增压器的空气出口经所述进气总管连接所述中冷器，新鲜空气经所述涡轮增压器后进入所述中冷器冷却后，经各所述进气歧管进入柴油机各气缸；柴油机各气缸出口端经各所述排气歧管与所述排气总管、EGR回路连通，所述排气总管末端设置有所述宽域氧传感器，且所述宽域氧传感器位于所述EGR回路外，所述排气总管出口端经所述涡轮增压器将废气排出；所述宽域氧传感器采集废气中的氧含量信号，将氧含量信号转化为电压/电流信号传递给所述柴油机控制器；所述EGR回路上依次设置有所述EGR冷却器、EGR阀，流经所述EGR回路的废气经所述EGR冷却器冷却后进入所述进气总管，与新鲜空气在所述进气总管内混合后经各所述进气歧管进入柴油机各气缸参与燃烧；经所述EGR冷却器冷却后的废气进入进气总管的流量由所述EGR阀控制，所述EGR阀的闭合/开启由一直流电机控制，该直流电机由所述柴油机控制器控制其工作；所述柴油机控制器内预置有预先标定好的过量空气系数Map图。

所述基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统还包括转速传感器和油门踏板位置传感器；所述转速传感器安装在柴油机凸轮轴上，用于采集柴油机运行的转速信号，并将该转速信号传递给所述柴油机控制器；所述油门踏板位置传感器安装在柴油机油门踏板处，用于采集当前的油门信号，并将该油门信号传递给所述柴油机控制器；所述柴油机控制器通过接收到的转速信号和油门信号进行最佳过量空气系数Map查询，查得当前运行状态下的最佳过量空气系数值；所述柴油机控制器接收到的由所述宽域氧传感器传递的氧含量信号通过过量空气系数Map查询，得到当前运行状态下的实际过量空气系数值，并将该实际过量空气系数值与最佳过量空气系数值输入所述柴油机控制器内的PID控制器，控制所述直流电机正反转，进而控制所述EGR阀工作。

一种实现上述基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统的控制方法，其包括以下步骤：（1）由安装在柴油机凸轮轴上的转速传感器采集柴油机当前运行的转速信号，安装在柴油机油门踏板处的油门踏板位置传感器采集柴油机当前运行的油门信号；（2）将转速信号和油门信号传递至柴油机控制器，由预置在柴油机控制器内且预先标定好的过量空气系数Map图进行当前状态下的过量空气系数Map查询，得出此时柴油机运行的最佳过量空气系数值；（3）通过安装在排气总管上的宽域氧传感器采集废气中的氧含量信号，并将该氧含量信号转化成电压/电流信号，输入柴油机控制器，进行过量空气系数Map查询，得出当前运行状态下的实际过量空气系数值；（4）最佳过量空气系数值与实际过量空气系数值传输至柴油机控制器内的PID控制器，进行PID控制；（5）PID控制器将计算好的输出量以PWM信号形式输入至预先设置在柴油机控制器内的H桥驱动器，通过H桥驱动器控制用于驱动EGR阀动作的直流电机正反转及转速；（6）通过直流电机的正反转及变化的转速驱动EGR阀开启和关闭，以使实际过量空气系数值接近最佳过量空气系数值，实现废气再循环，达到理想的运行状态。

所述步骤（5）中，在PID控制器内，当接收到的实际过量空气系数值大于最佳过量空气系数值时，则控制所述EGR阀开启。

所述步骤（3）中，所述宽域氧传感器测量过量空气系数的范围在0.6～3之间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于柴油机的排气总管和进气总管上设置有EGR回路、宽域氧传感器、EGR冷却器和EGR阀，通过宽域氧传感器可以精确的测量过量空气系数值，能在一定程度上反应出气缸内燃烧时的状态，与柴油机控制器内预置的过量空气系数Map相结合，更好的实现废气排放控制。2、本发明由于采用过量空气系数作为控制变量，可实现废气再循环的闭环控制，改善瞬态工况排放控制效果。本发明可以广泛在内燃机车辆中应用。

附图说明

图1是本发明的柴油机EGR系统闭环控制系统结构示意图；

图2是本发明的柴油机EGR系统闭环控制流程示意图；

图3是本发明的宽域氧传感器输出信号与过量空气系数对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的柴油机EGR控制系统采用闭环控制系统，其包括进气总管1、涡轮增压器2、中冷器3、与柴油机各气缸进口端连通的进气歧管4、与各气缸出口端连通的排气歧管5、排气总管6、EGR回路7、宽域氧传感器（UEGO）8、柴油机控制器9、EGR冷却器10、EGR阀11、转速传感器12和油门踏板位置传感器13。

进气总管1进口端设置有涡轮增压器2，涡轮增压器2的空气出口经进气总管1连接中冷器3，新鲜空气经涡轮增压器2后进入中冷器3冷却后，经各进气歧管4进入柴油机各气缸。柴油机各气缸出口端经各排气歧管5与排气总管6、EGR回路7连通，排气总管6末端设置有宽域氧传感器8，且宽域氧传感器8位于EGR回路7外，排气总管6出口端经涡轮增压器2将废气排出；宽域氧传感器8采集废气中的氧含量信号，将氧含量信号转化为电压/电流信号传递给柴油机控制器9。EGR回路7上依次设置有EGR冷却器10、EGR阀11，流经EGR回路7的废气经EGR冷却器10冷却后进入进气总管1，与新鲜空气在进气总管1内混合后经各进气歧管4进入柴油机各气缸参与燃烧。其中，经EGR冷却器10冷却后的废气进入进气总管1的流量由EGR阀11控制，EGR阀11的闭合/开启由一直流电机（图中未示出）控制，且该直流电机由柴油机控制器9控制其工作。

转速传感器12安装在柴油机凸轮轴上，用于采集柴油机运行的转速信号，并将该转速信号传递给柴油机控制器9。油门踏板位置传感器13安装在柴油机油门踏板处，用于采集当前的油门信号，并将该油门信号传递给柴油机控制器9，该油门信号用于表征当前柴油机运行的负荷。柴油机控制器9内预置有预先标定好的过量空气系数Map图，通过接收到的转速信号和油门信号进行最佳过量空气系数Map查询，查得当前运行状态下的最佳过量空气系数值。柴油机控制器9接收到的由宽域氧传感器8传递至的氧含量信号通过过量空气系数Map查询，得到当前运行状态下的实际过量空气系数值，并将该实际过量空气系数值与最佳过量空气系数值输入柴油机控制器9内的PID控制器进行比较，控制直流电机正反转，进而控制EGR阀11工作。

如图2所示，基于上述柴油机EGR闭环控制系统，本发明的基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法包括以下步骤：

（1）由安装在柴油机凸轮轴上的转速传感器12采集柴油机当前运行的转速信号，安装在柴油机油门踏板处的油门踏板位置传感器13采集柴油机当前运行的油门信号；

（2）将转速信号和油门信号传递至柴油机控制器9，由预置在柴油机控制器9内且预先标定好的过量空气系数Map图进行当前状态下的过量空气系数Map查询，得出此时柴油机运行的最佳过量空气系数值；

（3）通过安装在排气总管6上的宽域氧传感器8采集废气中的氧含量信号，并将该氧含量信号转化成电压/电流信号，输入柴油机控制器9，进而进行过量空气系数Map查询，得出当前运行状态下的实际过量空气系数值；

（4）最佳过量空气系数值与实际过量空气系数值传输至柴油机控制器9内的PID控制器，进行PID控制；

（5）PID控制器将计算好的输出量以PWM信号形式输入至预先设置在柴油机控制器9内的H桥驱动器，通过H桥驱动器控制用于驱动EGR阀11动作的直流电机正反转及转速；

（6）通过直流电机的正反转及变化的转速驱动EGR阀11开启和关闭，以使实际过量空气系数值接近最佳过量空气系数值，实现废气再循环，达到理想的运行状态。

上述步骤（5）中，在PID控制器内，当接收到的实际过量空气系数值大于最佳过量空气系数值时，则控制EGR阀11开启；反之，控制EGR阀11关闭。即EGR阀11的开度大小与实际过量空气系数值和最佳过量空气系数值的比值有关。

上述步骤（3）中，如图3所示，宽域氧传感器8输出氧含量信号转化成的泵电流与过量空气系数对应关系图中，宽域氧传感器8输出的泵电流信号是传感器为了实现内部感应室与测试腔氧浓度平衡所产生的一个电流信号。该泵电流信号的正负表征氧浓度的浓稀：泵电流信号为正说明氧浓度浓，即过量空气系数大于1；泵电流信号为负说明氧浓度稀，即过量空气系数小于1。宽域氧传感器8测量过量空气系数的范围在0.6～3之间较为精确，能保证柴油机控制器9实现高精度的控制。

综上所述，本发明提出的基于过量空气系数的柴油机EGR系统控制方法，首先采集转速信号和油门信号，在此基础上通过查询已标定的最佳过量空气系数Map得出当前运行状态下的最佳过量空气系数，通过宽域氧传感器8采集排气氧浓度值得出柴油机当前的过量空气系数值，进而通过柴油机控制器9进行废气再循环的闭环控制，计算并输出驱动EGR阀11的直流电机控制信号，通过直流电机驱动EGR阀11实现废气再循环控制。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统，其特征在于：它包括进气总管、涡轮增压器、中冷器、与柴油机各气缸进口端连通的进气歧管、与各气缸出口端连通的排气歧管、排气总管、EGR回路、宽域氧传感器、柴油机控制器、EGR冷却器和EGR阀；

所述进气总管进口端设置有所述涡轮增压器，所述涡轮增压器的空气出口经所述进气总管连接所述中冷器，新鲜空气经所述涡轮增压器后进入所述中冷器冷却后，经各所述进气歧管进入柴油机各气缸；柴油机各气缸出口端经各所述排气歧管与所述排气总管、EGR回路连通，所述排气总管末端设置有所述宽域氧传感器，且所述宽域氧传感器位于所述EGR回路外，所述排气总管出口端经所述涡轮增压器将废气排出；所述宽域氧传感器采集废气中的氧含量信号，将氧含量信号转化为电压/电流信号传递给所述柴油机控制器；所述EGR回路上依次设置有所述EGR冷却器、EGR阀，流经所述EGR回路的废气经所述EGR冷却器冷却后进入所述进气总管，与新鲜空气在所述进气总管内混合后经各所述进气歧管进入柴油机各气缸参与燃烧；经所述EGR冷却器冷却后的废气进入进气总管的流量由所述EGR阀控制，所述EGR阀的闭合/开启由一直流电机控制，该直流电机由所述柴油机控制器控制其工作；

所述柴油机控制器内预置有预先标定好的过量空气系数Map图；所述基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统还包括转速传感器和油门踏板位置传感器；所述转速传感器安装在柴油机凸轮轴上，用于采集柴油机运行的转速信号，并将该转速信号传递给所述柴油机控制器；所述油门踏板位置传感器安装在柴油机油门踏板处，用于采集当前的油门信号，并将该油门信号传 递给所述柴油机控制器；所述柴油机控制器通过接收到的转速信号和油门信号进行最佳过量空气系数Map查询，查得当前运行状态下的最佳过量空气系数值；所述柴油机控制器接收到的由所述宽域氧传感器传递至的氧含量信号通过过量空气系数Map查询，得到当前运行状态下的实际过量空气系数值，并将该实际过量空气系数值与最佳过量空气系数值输入所述柴油机控制器内的PID控制器，控制所述直流电机正反转，进而控制所述EGR阀工作。

2.一种实现如权利要求1所述基于过量空气系数的柴油机EGR控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

（1）由安装在柴油机凸轮轴上的转速传感器采集柴油机当前运行的转速信号，安装在柴油机油门踏板处的油门踏板位置传感器采集柴油机当前运行的油门信号；

（2）将转速信号和油门信号传递至柴油机控制器，由预置在柴油机控制器内且预先标定好的过量空气系数Map图进行当前状态下的过量空气系数Map查询，得出此时柴油机运行的最佳过量空气系数值；

（3）通过安装在排气总管上的宽域氧传感器采集废气中的氧含量信号，并将该氧含量信号转化成电压/电流信号，输入柴油机控制器，进行过量空气系数Map查询，得出当前运行状态下的实际过量空气系数值；

（4）最佳过量空气系数值与实际过量空气系数值传输至柴油机控制器内的PID控制器，进行PID控制；

（5）PID控制器将计算好的输出量以PWM信号形式输入至预先设置在柴油机控制器内的H桥驱动器，通过H桥驱动器控制用于驱动EGR阀动作的直流电机正反转及转速；

（6）通过直流电机的正反转及变化的转速驱动EGR阀开启和关闭，以使实际过量空气系数值接近最佳过量空气系数值，实现废气再循环，达到理想的运行状态。

3.如权利要求2所述的一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法，其特征在于：所述步骤（5）中，在PID控制器内，当接收到的实际过量空气系数值大于最佳过量空气系数值时，则控制所述EGR阀开启。

4.如权利要求2或3所述的一种基于过量空气系数的柴油机EGR控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述宽域氧传感器测量过量空气系数的范围在0.6～3之间。