（机械电子工程专业论文）氢燃料发动机电控egr系统的研究与开发.pdf

中文摘要 中文摘要 氢燃料发动机在能源和环境方面的优势，得到各国的重视。本文为解决氢燃 料发动机n o x 排放问题，分析 e g r 系统控制n o x 排放的机理，研究开发了氢燃料 发动机电控e g r 系统，对控制氢燃料发动机n o x 排放具有重要的现实意义。 本文在分析e g r 系统方案的前提下，确定了氢燃料发动机e g r 系统的总体设 计方案，选定了传感器和e g r 阀，分析了电控系统的主要功能，并基于g t p o w e r 仿真软件对氢燃料发动机进行了仿真，对采用e g r 技术后发动机的排放性能进行 了预测，结果表明：n o x 排放明显降低。在此基础上，以1 6 位微控制器m c 9 s 1 2 d p 5 1 2 为核心器件，设计了电控单元，包括时钟、复位、系统电源、信号处理、通信及 驱动等电路，开发了e c u 电路板和驱动电路板。在控制软件部分，采用分层设计 和模块化思想，编写了控制软件，包括初始化模块、信号采集模块、逻辑控制模 块、驱动控制模块、通信模块等五个功能模块，实现了电控e g r 系统的控制任务。 在监控系统设计方面，采用l a b v i e w 图形化编程软件搭建了监控系统平台，并基 于r s 2 3 2 串行数据通信模式，实现了e c u 与上位机监控平台之间的数据交换，实现 了数据的实时动态监测、显示和存储。 电控e g r 系统调试实验结果表明：电控系统能够准确地完成信号采集、输出 驱动、串口通信及上位机监控等功能；e g r 阀驱动系统特性研究结果表明：e g r 阀驱动系统满足系统要求。 关键词：氢燃料发动机；电控e g r 系统；电控系统；监控系统 分类号： a bs ，嗽c t a b s t r a c t b e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e so f e l l e r g ya n de n v i r o n m e n t ，m a n yc o u n t r i e sa r ea c t i v e l y d e v e l o p i n gh y d r o g e nf u e l e de n g i n e i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo f n o xe m i s s i o n so n h y d r o g e nf u e l e de n g i n e , t h ep r i n c i p l eo fe x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ( e g r ) i nc o n t r o l l i n g t h en o xe m i s s i o n si sa n a l y z e d e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de g rs y s t e m ，w h i c hi sv e r y i m p o r t a n tf o rc o n t r o lo fn o xe m i s s i o no nh y d r o g e nf u e l e de n g i n e ，i sr e s e a r c h e da n d d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r , t h es c h e m eo f e g r s y s t e mi sf i r s ta n a l y z e d at o t a ld e s i g ns c h e m eo f h y d r o g e nf u e l e de n g i n ei sw o r k e do u t s e n s o r sa n de g r v a l v ea r ed e c i d e d t h e nm a i n f u n c t i o n so fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m8 1 ea n a l y z e d b a s e do ns o f t w a r eg t - p o w e r , h y d r o g e nf u e l e de n g i n ei ss i m u l a t e d ，a n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ea f t e r u s e de g rs y s t e mi sp r e d i c t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tn o xe m i s s i o n sa r er e d u c e d m a r k e d l y i nt h i sp a p e r ，m c 9 s 1 2 d p 5 1 21 6b i t s m i c r oc o n t r o l l e ru n i ti st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h es y s t e m e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ti sd e s i g n e d , i n c l u d i n gc l o c kc i r c u i t ， r e s e tc i r c u i t , p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t , c o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n d d r i v e nc i r c u i t p c bb o a r do fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i ta n dp c bb o a r do fd r i v e nc i r c u i ta r e d e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ei d e ao fh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a rd e s i g n , t h ed e v e l o p m e n t o fc o n t r o ls o r w a r ei sd i v i d e di n t of i v ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，i n c l u d i n gi n i t i a l i z a t i o n m o d u l e , s i g n a la c q u i r i n gm o d u l e , l o g i cc o n t r o lm o d u l e ，d r i v e rm o d u l ea n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n dc o n t r o lt a s k so fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e ma r ea c h i e v e d r e l a t e dt os o f t w a r ed e s i g no f m o n i t o rs y s t e m ，s o t ! t w a r el a b v i e wo fg r a p hd e s i g nt o o l i su s e d b a s e do nr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d , t h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n de c ui sa c h i e v e d ，a n dr e a l - 吐m ec o n t r o l ，d i s p l a ya n ds t o r a g eo fd a t ai s c o m p l e t e d t h et e s to fe l e c t r o n i cc o n t r o le g rs y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h eb a s a lf u n c t i o n so fe c ua r ea c h i e v e d rc a l la c q u i r es i g n a l sf r o ms e n s o r s ， c o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e ra n dd r i v ee g rv a l v e t h er e s u l to f t h ed r i v ec h a r a c t e r i s t i c t e s ts h o w st h a te g rv a l v ed r i v i n gs y s t e ms a t i s f ys y s t e mr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：h y d r o g e nf u e l e de n g i n e ；e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de g rs y s t e m ； e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ；m o n i t o rs y s t e m c l a s s n o ： v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：红芬式 签字日期：年i t 月广7 日 导师签名： 签字日期：z 即7 年7 明7 日 ， 北京交通大学硕士论文 独创性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通人学或其他教育机构的学位或证 弓而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：弘券w 签字日期：例7 年， 月 7 4 j 7 日 致谢 本论文的工作是在我的导师李国岫教授的悉心指导下完成的，李国岫教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李国岫老师对我的关心和指导。李国岫教授悉心指导我们完成了实验室的科研工 作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李国岫老师表示衷 心的谢意。 感谢刘建华老师，宁智老师，在实验室工作及撰写论文期间，他们给予我耐 心的指导和热情的帮助。 感谢实验室的全体研究生同学，和他们一起学习和工作，使我得到了很多的 关心、帮助和快乐。 感谢我的家人和我的女朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 最后，衷心祝愿所有给予我支持和帮助的人们在今后的人生路上一帆风顺。 绪论 1 1 引言 1 绪论 环境保护和能源结构的变革是2 1 世纪的两大主题。氢燃料以其在能源和环保 两方面的独特优势将有望推动一个以它为标志的经济时代的到来。氢能作为一种 清洁、高效、安全、可持续的能源，不仅被视为本世纪最具发展潜力的清洁能源【1 1 ， 而且现有燃烧石油燃料的汽车内燃机稍加改动就可以燃烧氢燃料【”。 在排放性方面，氢燃料发动机较为理想。氢和氧的燃烧产物为水，既无其它 碳氢燃料燃烧所产生的h c 、c o 和碳烟等，也不产生近来被认为是造成地球环境恶 化( 温室效应) 主要成分之一的c o 2 【3 】，人们也不用担心汽车排放的h c 所产生的光 化学烟雾。可见从保护环境的角度考虑，氢燃料发动机作为汽车动力是非常理想 的【“。随着全球能源消耗量的不断增加，有限的石油资源供应日趋紧张，新型能源 开发受到高度重视。氢是很有希望的新型能源之一，氢能源既可以借助化工技术 很容易地利用煤、天然气等矿物原料制取，也可以利用包括太阳能和核能在内的 多种自然能源获取1 4 1 。 但是，其排放方面仍存在一些问题。气缸壁上残余的润滑油经燃烧后会产生 微量的有害物质c 0 2 ，同时氢发动机的工作温度较高，会产生大量n o x 。在城市中， n o x 作为一种对人身体有害气体，具有流动性大、数量多、集中在居民稠密区、 低空排放等特点，对人体的危害极大，而且在我国汽车使用量逐年增加，由此造 成的环境污染日益严重。n o x 生成需要高温和富氧的环境，因此可以采取措施破 坏其生成必需的环境来抑* o n o x 【5 】。废气再循环技术便是依据此特点来控制汽车 n o x 的排放。 废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，简称e g r ) 技术是通过将部分废气返 回到进气系统与进气混合后进入气缸，从而使气缸内的最高燃烧温度和压力降低， 以控制有害气体n o x 的产生，达到降低排放的目的。该技术在汽油和柴油发动机 上已经成功应用州。因此，氢燃料发动机中采用废气再循环( e g r ) 技术来控制 n o x 排放的研究是很有必要的。 近年来，我国对汽车尾气排放的要求日益严格，而氢燃料发动机研究也进入 实验阶段。紧随氢燃料发动机研究的步伐，研究控制氢燃料发动机排放的e g r 技 术，并通过为发动机匹配有效的e g r 系统，更好地控制和减少其尾气中的n o x 排 放量，具有着重大的现实意义。 北京交通丈学硕士论文 1 2 氢燃料发动机的研究现状 随着世界各国纷纷加大对环境问题的关注和投入，对汽车的排放要求越来越 严格，氢燃料发动机在这方面的优点凸现出来，各国的汽车公司纷纷进行这方面 的研究。目前，国内在这方面的研究主要在几所大学内进行研究，而在国外氢燃 料发动机的发展已经几十年了，已经有车型投入商业运营。 日本武藏工业大学有九种不同型号的液氢动力车投入试验运行，其液氢发动 机的研究已日趋成熟。氢燃料发动机通过柴油机和汽油机改装而成，目前在进行 电控缸内喷氢方式的研究。日本的各大汽车公司，如马自达、本田、丰田、三菱、 铃木和尼桑等都积极参与氢燃料发动机的应用研究【2 1 。 德国宝马( b m w ) 汽车公司对采用氢燃料的内燃机汽车产品已进行了十多年 的开发。2 0 0 0 年，宝马集团1 5 辆7 5 0 h 晦燃料轿车首次亮相，标志着宝马集团已经 成为全球首家批量生产氢燃料汽车的公司。宝马集团已经开发出用来调节氢气进 气和充气循环的电子燃料混合系统，以确保液氢发动机始终工作在最佳状态，目 前使用1 0 0 千克容积的液氢罐可以保证行驶5 0 0 公里。利用液化氢驱动车辆将保持 通常的动力性、安全性，同时可以将有害气体的排放减少多 零。德国的其他汽车 公司比如m e r c e d e sb e n z 、d a i n t i e r 、v o i b w a g 以及d f v u 【等也都在大力发展氢动 力车【2 】【7 】隅1 。 美国对氢燃料发动机的研究也很重视，加州“零排放”法中规定，1 9 9 8 年， 新售的汽车中必须有2 的“零排放”汽车，2 0 0 1 年和2 0 0 3 年分别要达到5 和1 0 的目标。目前，明尼苏达大学正在开发以氢燃料发动机为动力的公共汽车。2 0 0 4 年，美国福特( f o r d ) 汽车公司发布了据称是世界上最清洁的氢燃料内燃机，这台 具有“稀燃n o ) 【收集”( 简称d 盯) 后处理功能，可满足严格的s u l e v - b i i l 2 排放 标准的氢内燃机将研究推向了新的高度【2 j 。通用( g e n e r a lm o t o r s ) 汽车公司也多 次推出自己研发的氢燃料内燃机汽车，福特汽车的工程师正在继续优化其标定程 序，以获得类似于汽油内燃机的性能。 法国比林斯( b i l l i n g s ) 公司在p e u g e o t5 0 5 型汽车上采用直喷方法，用氢燃料 作了行车试验。在5 5 英里4 , 时( 8 8 公里小时) 车速下，行驶里程达至l j l 0 0 英里( 1 6 1 公里) 。氢燃料装在两个油箱内，总重3 0 0 磅( 1 3 6 2 公斤) ，其中包括等量的铁和 钛粉末混合物、微量的锰和其他金属。 以色列e n g i n e n i t y 公司正在开发一种独特的氢燃料动力系统，该系统采用普通 的镁和铝金属为生产氢能源的基础燃料。这种氢燃料动力轿车的运行费用与普通 轿车差别不大，而且完全不产生任何污染。 在2 0 0 4 年第1 5 届世界氢能会议上，来自世界各国的研究者展示了氢燃料内燃 2 绪论 机研究领域的最新成果。这些研究的显著特征是大多采用缸内高压的喷氢方式， 甚至有的研究采用高达3 0 m p a 的喷射压力。报道了对电控喷氢、优化控铝燃烧过程 的研究，主要以电控单元采用m a p 图加插值的方式较为常见。先进电控喷氢技术、 优化控制规律研究仍需要深入进行。研究表明：以点火提前角、喷氢提前角和喷 氢量等为基本控制变量的优化控制技术，是全面改进氢燃料发动机性能的有效手 段【2 】。 在我国，氢燃料发动机的研究起步较晚。目前，可见到的文献中，只有浙江 大学进行过较为系统地研究。天津大学、吉林工业大学内燃机研究所、包头冶金 研究院、北京有色金属研究所、北京石油大学都先后进行过汽油机燃烧掺氢的试 验研究，证明其对发动机的性能改善和废气排放物的降低起到良好作用。上海交 通大学内燃机所也曾进行过柴油机加氢的双燃料内燃机试验研究，效果较好。天 津大学、天津内燃机研究所及内燃机燃烧学国家重点实验室对汽油氢发动机和氢 发动机的燃烧情况进行了实验研究，他们通过采用喷水和废气再循环等措施，有 效地抑制氢发动机异常燃烧的发生( 回火、早燃等) ，使之正常工作i 。浙江大学 还对汽油氢混合燃烧、预混式氢发动机、缸内喷射火花点火氢发动机都进行了理 论和试验的研究，结果表明，采用内部混合气形成方式，并对氢喷射系统进行改 装，可以根除回火现象。如果采用氢的高压喷射、火花点火，并调整最佳点火正 时( 使之与喷氢正时相一致) ，就能获得良好的动力和经济性能i l 。 如果未来几年中制造商们能够将足够数量的氢燃料发动机汽车推广上路，则 将促进较大规模的氢燃料制备和配送体系。石油巨头壳牌公司和通用汽车公司合 作建成的加氢站已在华盛顿开张营业。这些举动都让人们真切地触摸到汽车产业 从燃油时代向氢能时代前进的脉搏，氢能经济与人们之间的距离又近了一步。 1 3e g r 技术的研究现状 目前e g r 技术在国外作为一项成熟的技术，已经在汽油机和柴油发动机上得 到应用。e g r 系统对发动机的总体性能的影响比较复杂，国外仍在进行完善e g r 技术的研究，其研究的主要方向在于e g r 系统和发动机的优化匹配以及如何在保 证动力性和经济性的前提下，精确控带t e g r 量，在最大程度上保证发动机的动力 性和经济性，同时进一步降低发动机的排放【l l 】。 1 3 1e g r 系统的控制方式 e g r 技术在汽车制造领域已经得到了广泛的应用，e g r 系统已经产品化，市 3 北京交通大学硕士论文 场上出现的e g r 系统主要有三种：机械式e g r 系统、气电式e g r 系统和电控式e g r 系统【川。 ( 1 ) 机械式e g r 系统 机械式e g r 系统是通过控制进气管负压和排气压力的气体控制方式，控制的 自由度受到很大的限制，并且控制装置结构复杂，依据发动机的工作温度和节气 门的真空度来控制其工作时问和废气再循环量。系统内没有引入e c u 控制，控制 精度不高，对排放物的控制效果不够理想，它属于早期产品。机械式e g r 系统的 最大优点是结构简单，成本低，容易实旌执行。但是其缺点也是显而易见的，那 就是系统缺乏柔性，一旦产品定型，其循环特性便取决于e g r 阀内部的弹簧膜片 的物理弹性系数，难以根据发动机的复杂工况做出灵活应变。因此，一般来讲， 机械式e g r 系统只能发挥出技术的部分优势。典型的机械式e g r 控制系统如图1 1 所示【l l 】。 节气 新鲜棍合气废气 图1 1 机械式e ( ；划空制原理图 ( 2 ) 气电式e g r 系统 在气电式e g r 系统中，e g r 系统主要由e g r 阀、真空源、真空管路、e c u 、 e g r 电磁阀和部分传感器等组成。e g r 阀的开度是通过改变e g r 阀上部真空室内 真空度来调节，其真空源的选取由节气门附近或使用真空泵来提供，系统中e g r 阀与e g r 电磁阀通过真空管路相连。当e g r 电磁阀处于关闭状态时，真空管路与 大气相连，没有负压，因此e g r 阀关闭；当e g r 电磁阀处于开启状态时，真空管 路与真空源相连，由真空源提供负压，将e g r 阀打开，实现废气的回流，此时， e c u 通过改变e g r 电磁阀的开启关闭时间比，来调节真空管路中的真空度控制 e g r 阀的开度，从而实现控制废气再循环量的目的。在实际应用中，汽油发动机 采用节气门附近取真空较多，而柴油发动机更多采用真空泵提供真空，典型的柴 油机气电式e g r 系统如图l - 2 所示h 2 1 。 4 i 璺i1 2 柴油机气电式e g r 描4 制系统 气电式e g r 系统又按照控制方式不同分为：开环控制式和闭环控制式【1 3 】。 日产汽车v g3 0 型发动机采用气电式e g r 控制系统如图1 3 所示【1 4 】，它主要由 废气再循环电磁阀、废气再循环控制阀( e g r 阀) 、节气门位置传感器、曲轴位置 传感器、水温传感器、起动信号及发动机电脑等组成，是典型的气电式开环控制 e g r 系统。e g r 阀安装在废气再循环通道中，用以控制废气再循环量，e g r 电磁 阀按装在通向e g r 真空通道中，e c u 根据发动机冷却液温度、节气门开度、转速 和起动等信号来控制电磁阀的通电或断电。其工作原理为：在发动机工作时，发 动机e c u 根据各传感器输送的信号，按e c u 内预先储存的程序控制废气再循环系 统的工作过程；当e c u 向废气再循环电磁阀输出接通信号时，电磁阀就切断通向 废气再循环控制阀的真空管路，进气管中的真空度不能作用到废气再循环控制阀 上，废气再循环控制阀切断排气管到进气管的通路，使排气不再进人进气管，停 止废气再循环，使废气再循环系统不起作用；当发动机e c u 向废气再循环电磁阀 输出断开信号时，电磁阀就打开通向废气再循环控制阀的真空管路，进气管中的 真空负压作用在废气再循环控制阀上，废气再循环控制阀动作，打开排气管到进 气管的通路，捧气进入进气管，开始废气再循环，使废气再循环系统起作用。 5 北京交通大学硕士论文 5 曲轴位置俦感器 图1 3 开环控制e g r 系统 典型的气电式闭环控制e g r 系统，如图1 4 所裂1 5 1 。闭环控制与开环控制相比 只是在e g r 阀上面增设一个e g r 阀开度反馈传感器，检测实际的e g r 率或e g r 阀 的开度作为反馈控制信号。发动机e c u 可以根据e g r 阀开度传感器反馈控制信号， 判断e g r 阀当前的工作状态，通过预设的控制算法，实现了闭环控制，其控制精 度更高。 图1 4 闭环控制e g r 系统 气电式系统有真空管路，通过电磁阀控制其真空管路的通断或者真空度，以 实现e g r 阀的开关或者调整开度大小，它的成本较低，如在所开发的系统中，只 需要用电磁阀来控制真空管路通断来控制e g r 阀的开关，e g r 阀也很简单，只是 简单的打开和关闭两种状态，对它要求不高，相应成本也比较低，可满足现阶段 我国排放法规的要求。 6 ( 3 ) 电控式e g r 系统 电控式e g r 系统中，e g r 阀直接由比例电磁铁或者步进电机控制。发动机e c u 发出控制信号，经驱动电路直接驱动控制e g r 阀的开启程度。日本三菱公司采用 了三相六拍反映式步进电机作为e g r 阀的执行元件以控制e g r 阀的开度；美国通 用汽车公司使用比例电磁铁来控制e g r 阀的开度【1 6 j 。 电控式e g r 系统的特点【l l j 【1 7 】是： ( 1 ) 响应速度由步进电机( 或者比例电磁铁) 的特性决定； ( 2 ) e c u 直接控f l i j e g r 阀开度，e g r 流量控制精度高； ( 3 ) 结构相对简单； ( 4 ) 采用辅助弹簧增加阀门回落时驱动力。 典型的电控式e g r 系统控制原理图如图1 5 所示【1 l 】。电控式e g r 系统主要由电 磁线圈式e g r 阀( 或者步进电机式e g r 阀) 、e c u 和部分传感器等组成。其中， e g r 阀自身通过为其装配的步进电机( 或者比例电磁铁) 直接控制e g r 阀。e c u 通过改变控制步进电机的脉冲信号( 或者调整流过比例电磁铁的电流) 直接调节 e g r 阀的开度。 进笔婴魁 节气门位置俜感器 堡型垫器 冷却水儡传感器 蓄电池电压 点火开关 图1 - 5 电控式e g r j 空制原理图 目前电控式e g r 系统是e g r 技术发展的主流方向。电控式e g r 控制技术取消 了真空式e g r 阀和真空通道，e g r 阀的开度直接由步进电机( 或者比例电磁铁) 控制，再辅以各种传感器，这样有相应参数做依据，e g r 流量大，通过精确控制 保证发动机怠速稳定运转和大功率输出。由于电控式e g r 控制技术拥有上述优点， 因此具有广阔的前景，电控式e g r 控制技术是e g r 系统的最为成熟的主流技术， 为中、高档轿车所普遍采用。电控式e g r 系统与气电式的主要区别在于取消了真 空控制通路【1 6 】。具有动态响应好，控制精度较高，相应的系统也更复杂一些，因 而成本很高，实现欧i i i 以上标准考虑采用。 传统的机械式、气电式e g r 系统由于它们的局限性( 控制精度不高，相应速 度慢等) ，必定被电控式e g r 系统取代，目前电控式e g r 系统已在现代汽车发动 机( 包括汽油机和柴油机) 上得到了较广泛的应用【l 引。由于现有的e g r 控制系统 的有效利用率、最优化及控制精度等方面受到很大程度的限制，因而随着汽车技 7 北京交通大学硕士论文 术的不断发展与进步，对内燃机的电控式e g r 系统的研究与开发有更重要的意义。 1 3 2e g r 技术的应用 e g r 是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术，在汽油车和柴油小轿车 等轻型车上的应用已非常成熟，且目前的应用基本上都结合了电控技术，使其控 制更加精确，达到所有工况都能实现最佳e g r 率。国内的一些高校和科研单位也 已经对e g i l 进行了大量的研究，但距产品化尚有一定距离【l 。 从7 0 年代开始，国外就将研究目标转向柴油机e g r 技术【1 9 1 ，e g r 在柴油机上 的应用不尽人意，其主要原因在于：柴油机排放中大量的p m 和其他有害排放物直 接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损，还会稀释润滑油并加速其变质【2 0 】。对重 型车用柴油机而言，倾向于使用中冷e g r 技术，因为其不仅能明显降低n o x ，还 能保持其他污染物的低水平。福特公司的1 8 lt c i 、奔驰公司的2 5 lo m 6 0 5 以及 大众汽车公司的1 9 l t d i 轿车柴油机上都采用t e g r 系统降低n o x 的排放口。 为了进一步减少废气排放，v o l v od 5 发动机采取了最先进的e g r 废气再循环 技术。利用部分废气可通过循环系统返回燃烧系统，从而进一步降低氧化氮的排 放量。系统采用电动e g r 阀，其动作快速，可提高效率，改善精度。先进的e g r 系统可显著减少氧化氮的排放，同时保持很高的燃油利用效率。v o l v od 5 型发动 机可轻易地超过e u r ol l i 尾气排放标准，与以往的v o l v o 柴油机轿车相比，其尾气 排放量减少了一半。 三菱汽车公司在新一代g d i 发动机上采用了e g r 技术，以降低发动机n o x 的排 放。在常规发动机上，大量导入废气会使发动机的燃烧恶化，因此导入量受到一 定限制。可是，在g d i 发动机上，由于燃烧区域的混合气浓度较高，这就为大量导 入e g r 创造了条件，它可导入大约相当于空气量7 0 的废气，对降低n o x 排放产生 了巨大的效果。 天津大学在5 气门单缸汽油机上利用缸内滚流实现了分层e g r ，在兼顾动力性 和经济性的同时降低了n o x 排放，综合性能上要优于均匀进气e g r 系统，为利用 缸内特定气流运动实现e g r 提供了一个新的途径。 e g r 技术作为一种可以有效控制发动机n o x 排放的手段，简单易行，在柴油 和汽油发动机上已经得到了成功应用。因此在氢发动机上，开发e g r 系统对研究 并控制发动机排放方面可以起到极大的作用。 8 绪论 1 3 3 氢燃料发动机e g r 系统的研究现状 随着能源与环境问题的同益严重，许多国家都对氢燃料发动机进行研究，研 究者通过传统的内燃机改装成氢燃料发动机。在燃烧过程中，尾气排放相比传统 的内燃机有很大改观，而n o x 排放的却依然降低不下来，而e g r 技术作为一种 有效而成熟的技术，受到各国研究者的重视，纷纷在氢燃料发动机上进行加装e g r 系统的研究，来探讨和解决氢燃料发动机n o x 排放的问题。 ( 1 ) c a l i f o r n i a 大学和f o r d 公司合作在氢燃料发动机e g r 方面的研究 竭【2 3 】 美国c a l i f o r n i a 大学利用f o r d 公司研制的氢燃料发动机进行氢燃料发动机加 装e g r 装置的实验研究，其中，氢燃料发动机是由2 0 升4 缸z e t e e 电喷汽油机 改装研制的，e g r 系统由氢燃料发动机、e g r 阀、e g r 管路和冷却器等装置组成。 他们分析了加装e g r 对氢燃料发动机动力性、热效率和排放的影响，并且把e g r 技术控制排放与稀燃技术控制排放的效果进行比较分析。在1 5 0 0 r p m 和3 0 0 0 r p m 两种转速进行实验，得到的结论：不管是稀燃策略，还是e g r 策略，扭矩和有效 热效率都随燃料喷射率的增加而增加，而且稀燃策略略高于e g r 策略；e g r 策略 控制排放，可以实现n o x 排放量达到很低的水平，这远远优于稀燃策略控制n o x 排放；在严格限制n o x 排放时，e g r 策略可以通过增加氢燃料喷射率，输出更高 的扭矩，而限制排放情况下，稀燃策略发动机的输出扭矩明显减少。 通过实验证明了e g r 技术控制排放是一种很有效的控制n o x 排放的手段， 而且可以输出相对较大的扭矩，同时，也使得发动机的有效热效率降低。 ( 2 ) 印度科学家在氢燃料发动机e g r 方面的研究【2 4 】 印度科学家v s u b r a m a n i a n 等人进行了氢燃料点火发动机废气再循环技术的 研究。他们把热的废气直接弓【入到进气系统中，进而研究e g r 率对n o x 排放的 影响，其中，氢燃料发动机是由单缸四冲程汽油机改装而成的。e g r 气体主要由 氮气和水蒸气组成，氮气起稀释的作用，水蒸气起增加总气体的比热的作用。 研究中，他们首先设定发动机的转速、燃料喷射率及点火提前角，改变体积 e g r 率，观察e g r 率对n o x 排放和指示热效率的影响。e g r 比率不断增加，直 到明显影响发动机的指示热效率停止。研究发现，e g r 率增加到某一特定值时， 发动机的热效率才有明显的变化，而且随着燃料喷射率的增加，e g r 率这个特定 值越小；e g r 技术在降低n o x 排放方面效果非常明显，但会引起热效率的下降， 因此需要进一步研究在保证热效率在某个范围内尽量降低n o x 的排放；当体积 e g r 率在8 5 的时候，发动机的排放降低明显，同时有效热效率没有明显降低。 类似的情况，不同的燃料喷射率对应不同最佳的e g r 率；较低的燃料喷射率时， 废气中水蒸气含量相对较低，对整体比热值的影响较小，而e g r 率增加，回流的 废气中的水蒸气相对增加，影响也增加，在低燃料喷射率的情况下，需要较大的 e g r 率才能使n o x 排放有明显较少。 9 北京交通大学硕士论文 1 4 课题的主要研究内容 本课题是为氢燃料发动机设计开发一套e g r 控制系统，涉及e g r 的系统e c u 开发、传感器和e g r 阀选择、驱动电路板设计和监控系统的开发，具体研究以下 内容： ( 1 ) 根据氢燃料发动机的特点，完成氢燃料发动机e g r 系统的整体方案设计， 确定e g r 控制系统的功能，完成系统所需的传感器和e g r 阀的选型： ( 2 ) 确定电控系统的功能，设计开发e g r 系统控制的e c u 和e g r 阀的驱动电 路板； ( 3 ) 在电控单元硬件的基础上，完成系统控制软件的编写； ( 4 ) 建t r e g r 控制系统上位机平台，实现e g r 控制系统与上位机的通讯，实 现上位机对e g r 系统的状态监控； ( 5 ) 完成整个电控e g r 系统的调试及e g r 阀的驱动特性研究。 1 0 氢燃料发动机e g r 系统总体方案设计 2 氢燃料发动机e g r 系统总体方案设计 本课题的氢燃料发动机是由汽油机改装的，可以借鉴汽油机e g r 系统的部分 原理。本章在对现有e g r 系统方案分析比较的基础上，完成了氢燃料发动机e g r 系统总统方案的设计以及所用传感器和e g r 阀的选型。最后利用仿真软件对增加 e g r 系统的氢燃料发动机进行了预测分析。 2 1 氢燃料发动机e g r 系统总体方案设计 目前，市场上应用较多的e g r 系统是气电式e g r 系统和电控式e g r 系统，下 面分别对两种控制方案进行分析。 2 1 1 方案设计 ( 1 ) 方案一：气电式e g r 系统方案 该方案由氢燃料发动机、真空泵、e g r 电磁阀、e g r 阀、e g r 管路、真空管 路及电控单元( e c u ) 等部分组成。其原理图如图2 1 所示。其中，在非增压发动 机上，排气管内气体的压力高于进气管内的压力，因而可以使用附加管路把排气 管与进气管直接连接，利用压力差来实现废气回流。 上 图2 - 1 氢燃料发动t p l e g r 电控系统原理图 此方案的主要工作原理：在发动机转速超过真空泵的正常工作所需的转速时， 真空泵近似取得恒定负压，使与其相连的电磁阀的一个入口保持一定值的压力值； 北京交通大学硕士论文 当发动机工作时，e c u 根据发动机的工作状态确定e g r 控制量，给e g r 电磁阀提 供了不同占空比的脉冲电压，使其具有不同的开、关频率，以调节进入e g r 阀的 内负压室的空气量，从而得到控制e g r 阀不同开度所需的各种真空度，获得为适 应发动机工况所需要的不同的e g r 率；其中，电磁阀控制脉冲电压信号的占空比 越大，电磁阀平均打开的时间越长，进入e g r 阀的内负压室的空气量越多，真空 度就越小，随之e g r 阀的开度越小，e g r 率也就越小，当小到一定值时，e g r 阀 关闭，e g r 系统停止工作。反之，脉冲电压信号的占空比越小，e g r 率越大。 此方案中，系统动力由真空泵提供，现有的真空控制式e g r 阀本体具有位置 传感器，可实现闭环控制，自由度大，成本不高。 ( 2 ) 方案二：电控式e g r 系统方案 目前，市场已经有电磁线圈( 或者电机) 驱动的e g r 阀，而且可以控制e g r 阀的开度，也具有位置反馈传感器。该方案主要由氨燃料发动机、e g r 阀、e g r 管路、电控单元( e c u ) 和几个传感器等组成，如图2 - 2 。本课题氢发动机是由汽 油机改装的，可以借鉴汽油机e g r 系统的部分原理。 e g r 雷路 图2 - 2 线性e g r 阀电控系统 此方案的主要工作原理：电控单元( e c u ) 直接控制e g r 阀，e c u 发出脉冲 经驱动模块直接控制e g r 阀的开度；脉宽调制技术使得e g r 阀枢轴的开启程度完 全由e c u 输出的脉宽的占空比决定，e c u 根据各种传感器所传送的发动机运行参 数计算出最优的e g r 开启程度。其中，e g r 阀的开度与驱动电路提供的驱动电压 成一一对应关系，即当驱动电压确定时，e g r 阔的开度也是确定的；并具有e g r 阀位鼍反馈传感器把e g r 的开度信号反馈给e c u ，实现闭环控制，进一步提高了 控制精度。 ( 3 ) 方案对比分析 本系统所针对的氢燃料发动机是由汽油机改装而成，发动机本体上没有安装 真空泵的位置，只能另外开发一套装置来安装真空系统，使得系统开发工作的复 1 2 氢燃料发动机e g r 系统总体方案设计 杂程度加大。而采用电控式e g r 系统方案，无需对发动机本体进行任何改装，而 且在控制精度等方面，电控式e g r 系统也要优于气电式e g r 系统，而且电控式 e g r 系统是目前e g r 技术发展的主流，而且成本上也不是很贵。因此本课题采用 电控式e g r 系统作为氢燃料发动机e g r 系统。 2 2 电控e g r 系统传感器和e g r 阀 2 2 1 传感器 传感器是一种转换器。它的作用是将非电信号转换成为电信号。传感器发展 的主要趋势是智能化、集成化和数字化，即传感器除具有信号转换功能外，还要 具有温度补偿、信号处理等功能。系统需要测量的控制量主要有；发动机温度、 油门位置、发动机转速和e g r 阀位置。这些控制量反映发动机和e g r 阀的实际工 作状态。 系统中使用的传感器包括：节气门位置传感器、转速传感器、e g r 阀位置传 感器和发动机温度传感器。传感器的类型如表2 1 所示。 表2 - l 系统所用传感器 用到的传感器传感器采集信号传感器种类 转速传感器 转速信号霍尔传感器 节气门位置传感器节气门位置信号旋转式位置传感器 e g r 阔位置传感器e g r 阀的位置e g r 阀位置反馈传感器 发动机温度传感器发动机温度热敏电阻式传感器 ( 1 ) 节气门位置信号传感器 油门踏板位置信号反映了当前的负荷需求。油门踏板位置传感器采用的是汽 车发动机电控系统常用的旋转式位置传感器，电源电压为5 v ，输出信号为0 5 - 4 5 v ， 角度和输出信号为线性关系。从而将油门位置转换成电压量，送给单片机模拟输 入口，经过a d 转换就能够得到油门位置。关于a d 转换的程序比较简单，只需设 置一些a d 转换的参数，启动转换，等待转换结束即可。 ( 2 ) 转速信号传感器 在发动机电子控制系统中，转速信号是表征发动机工况的基础信号。本系统 利用霍尔传感器实现转速的测量。图2 3 是霍尔传感器的工作原理图1 2 5 ，霍尔传感 器的工作原理基于半导体材料的“霍尔效应原理”。霍尔效应是指：若将某一载 流体置于磁场中，当有电流i 通过时，在载流体上平行于i ，b 的两侧面之间产生一 1 3 北京交通大学硕士论文 个大小与电流i 和磁场b 乘积成正比的电动势。给霍尔传感器供1 2 v 电压，以产生电 流i ，当霍尔传感器处于磁场中时，输出电压u h 为5 v 。发动机曲轴每转一圈，小磁 钢产生的磁场扫过霍尔传感器的探头一次，从而产生一个幅值为5 v 的脉冲信号， 霍尔传感器在发动机转动过程中连续采集到信号为周期性的方波信号，将其输入 到单片机定时计算模块，计算出发动机的转速值。 z 一一一7 图2 - 3 霍尔传感器的工作原理图 ( 3 ) e g r 阀位置传感器 e g r 阀位置反馈传感器为阀体自带的传感器，反馈参数为电压值，用于e g r 阀的位置的闭环控制，e g r 阍位置反馈传感器的输出参数为0 7 4 v ，对应e g r 阀的 开度从零到最大，基本呈线性变化。 ( 4 ) 发动机温度传感器 氢燃料发动机电控e g r 系统中，需要正确地掌握发动机的热状态。本系统采 用负温度系数( n 1 ) 的热敏电阻式温度传感器，主要由热电阻感温元件、绝缘 套管、保护管和接线盒等组成。它是利用感温电阻的电阻率和温度系数随温度变 化的原理制成，具有耐腐蚀、响应特性好的特点。温度传感器将检测的温度信号 转换成电信号，通过模拟量输入单片机系统。 2 2 2 e g r 阀 目前各汽车公司所使用的e g r 阀中按照控制方式的不同主要有真空控制式和 比例电磁铁( 或者步进电机) 控制式。本系统针对的发动机是汽油机改装的氢燃 料发动机，安装真空控制系统相对复杂，不易控制。而相比之下，比例电磁铁控 制方式控制方便，安装简单，不用在发动机本体上加装真空控制系统，因此本系 统选择比例电磁铁控制方式的e g r 阀。本课题根据市场情况选取的e g r 阀如图2 - 4 所示。 1 4 一廖 氢燃料发动机e g r 系统总体方案设计 图2 - 4 线性e g r 阀图2 - 5e g r 阀电路原理 ( 1 ) e g r 阀的工作原理 e g r 阀的工作原理：e g r 阀的内部有一个电磁线圈，e g r 电磁阀采用正极驱 动器和p c m 中的搭铁电路控制，e c u 模块按脉宽调制原理用通电和断电的电脉冲 向e g r 电磁线圈供电，通过控制电磁线圈两端的电压值，便可以控制电磁线圈的 动作，以控制铁芯的移动和e g r 流量。电磁线圈铁芯的端部有一个锥形阀。当