基于发动机废气再循环冷却控制系统的研究

1、基于发动机废气再循环冷却控制系统的研究1. 引言1.1汽车业发展现状及汽车的有害排放随着汽车业的迅猛发展，我国从2009年开始连续两年超过美国，成为全球第一大汽车产销国，据统计，全国机动车保有量达到2.19亿辆。其中，摩托车占54.12%，约为1.19亿辆。汽车保有量占机动车总量的45.88%，刚刚超过1亿辆。然而，在这个庞大的数据后面，汽车给我们带来的负面影响也是非常震惊的，尤其是汽车排放出大量尾气，这些排放物流动性大，数量多，集中在居民稠密区，而且是低空排放，对人体的危害非常大。由此造成的环境污染也日益严重，汽车排放污染物己经成为城市大气污染的主要来源。有资料表明，国内一些大城市的汽车排放

2、污染物对多项大气污染的指标贡献率己经超过60%，直接危害城市居民的身体健康。控制机动车有害物的排放问题已刻不容缓。在汽车排气中主要有害物质包括:一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(HC)、醛类化合物、氮氧化物(Nox)及微粒物(PM)等多种有害成分。空气中CO的含量超过0.1%，就会导致人体中毒;微粒吸入人的肺叶会造成肺组织的摩擦损伤，微粒碳核上吸收的其它有毒物质也会对人体造成伤害。氮氧化物包括No、No2、N2o3、N2o5等，总称NOx。Nox可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病。研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变。而且，以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟

3、雾和酸雨的一个重要原因，光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低,另外,氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的成分，大气中的氮氧化物主要源于石油燃料的燃烧和植物体的焚烧，以及农田土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。为了有效地控制汽车尾气的排放，减少汽车尾气排放所造成的危害，世界许多国家和地区都先后制定了限制汽车废气排放的限量值，从60年代开始，美国、日本、西欧等工业化国家对汽车排气的有害排放物以法令的形式规定了排放标准，并逐渐形成三个排放法规体系，从而直接促进了对低污染车用发动机和排气净化措施的研究。1.2国外废气再循环技术的研究与使用情况废气再循环在国外的

4、汽油车上己经作为成熟技术而广泛使用，己经形成了一套比较系统的理论，并成功研制出了一系列废气再循环装置。废气再循环控制阀最初只是纯气动式，且不带冷却循环，后来发展了带冷却循环的废气再循环，再后来与电控技术相结合，转而开发出带闭环控制的气电式或电磁式废气再循环系统。国外为了增大废气再循环得以实现的可能范围，人们采取了种种办法，如在进排气管装节流阀使排气压力高于进气压力;在进气管设置一个文曲利管(Venturi pipe)利用它的局部压差吸引废气，而吸入喉管后扩压部分可以使压力适当恢复，保证高负荷时所需要的压力差。这些方法扩大了废气再循环的工作范围，而后者优于前者。荷兰TNO研究所提出的废气再循环系

5、统是文曲利管与进气管串联方式，废气再循环率的调节依靠废气再循环管路的流量控制阀。如图文曲管结构图1-1，荷兰TNO设计的废气再循环系统图1-2，为了便于调节不同工况时的废气再循环率和兼顾高低工况的流动性。AVL研究所研究出文曲利管与进气管并联的废气再循环系统，在进气管上装有一个蝶形阀，可以用于调节流经文曲利管的流量，从而调节废气再循环率。文曲利管的并联布置有利于兼顾高低工况的流动特性，高工况流量大时，可开大蝶阀，让大部分气体流经进气管;少部分气体流经文曲利管;低工况小流量时，可关小蝶阀，让大部分气体流经文曲利管。AVL研究所的废气再循环系统如图1-3所示如图文曲管结构图1-1 荷兰TNO设计的

6、废气再循环系统图1-2AVL研究所的废气再循环系统如图1-3所示1.3我国废气再循环技术的发展现状我国汽车的发展起步晚,迟于发达国家将近有半个多世纪,对此项技术的研究及产品开发更加落后，自己的技术生产能力不高。尤其是在冷却的废气再循环系统的研究上，对其精确控制，使废气再循环与内燃机进行合理匹配大多是在理论上的探讨，也有不少科研单位正在进行研究，但是没有抵得上国外的成熟产品，需要我们进一步的进行研究和实践，不断促进废气再循环冷却控制技术的发展，目前我国车用柴油机排放控制技术大致借鉴于国外的水平，国外的核心技术不能仿照，不能复制，只能购买他们的产品，自己国内的技术还需要相当长的时间进行研究。1.4

7、课题研究的目的和意义本课题旨在研制开发一种能根据发动机具体工况调节外部废气再循环冷却控制系统，使废气再循环废气温度在发动机的每种工况下都能自动调节到既有较低的Nox、排放又具有良好的综合性能的温度值。从而更好地实现冷却废气再循环的智能控制和精确控制打好基础。减少汽车尾气中Nox的含量，从而减少汽车排放污染。1.5课题内容及研究方法1.5.1课题任务：论述了降低发动机排放的冷却废气再循环(废气再循环)技术。由于发动机在不同的工况下既能有较好的动力性又能有较好的排放所要求的废气再循环温度不同，所以有必要对实际运行时的废气再循环温度进行控制，以满足发动机不同工况的要求，使其在动力性、Nox和其它有害

8、气体的排放上达到最佳的综合效果。1.5.2重点研究内容：1、在选定型号的发动机上做各种工况的废气再循环试验，通过比较找出各工况废气再循环冷却温度与降低NO、排放的规律，也就是找出在各种工况下，既能有效降低NO、的排放又能使废气再循环对发动机负面影响最小的废气再循环温度范围。设计废气再循环总体布局和废气再循环冷却器，设计废气再循环冷却的实现方式。2、根据要实现的功能和理论分析确定传感器(温度、转速、负荷等)类型和单片机的型号，选择废气再循环阀的类型和电动水泵的型号。3、合理设计废气再循环冷却系统的控制电路，设计电路的软件程序。1.5.3实现途径:1、通过进一步理论联系实践，通过实践确定最终方案。

9、2、利用现有条件，在选用的汽油机上安装废气再循环线路进行实验，改变发动机的转速与负荷，使用五组份排气分析仪测试废气再循环废气温度不同时NOx的排放量，找出废气再循环冷却温度与降低发动机NOx、排放的规律，完成数据搜集。3、根据找出的废气再循环冷却温度与降低Nox排放的规律，利用单片机和辅助电路通过控制废气再循环冷却系电动水泵的转速，进而控制冷却水流量，调节冷却温度，初步实现对废气再循环冷却系统的自动控制。2.废气再循环的系统设计计算 2.1废气再循环的冷却系统的总体设计该废气再循环冷却系统的设计思路是把废气再循环冷却系作为发动机的一个分支,介质水由水泵驱动,进行强制循环流动。并采用电控单元EC

10、U自动控制水泵转速,从而通过调整冷却水循环量的方法来控制废气再循环废气的温度。冷却系统原理图冷却系统原理图2-21电控单元2文曲利管3旁通阀4发动机5控制阀6冷却器7废气温度传感器8伺服电动机9单向阀10散热器 图中废气再循环冷却系统利用废气再循环阀5后面的冷却器6对废气进行单独冷却。废气再循环冷却水引自发动机散热器10的出水口，冷却水经过废气再循环冷却器再流回发动机散热器，由于从发动机散热器流出的水是冷却系统中温度最低的，可以提高冷却效率。直流伺服电动水泵8装配在废气再循环冷却器冷却水入口管路上，用来控制水的循环。单向阀9用来减少因冷却液回流而对废气再循环冷却带来的不利影响。这种布局对原冷却

11、系统改动小，结构比较简单，易于设计研究。2.2冷却系的选型与设计 2.2.1冷却系的选型废气再循环冷却器是一种热交换器，选型的标准很多，最基本的涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。用于对废气进行冷却的废气再循环冷却器不仅要满足热交换器的基本要求，还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。由于废气再循环冷却器的冷却对象是温度较高的再循环废气，要求冷却器在较小的换热面积下实现大的热量传递，而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，同时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是:(1)冷却器要耐高温、耐腐蚀;(2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。废气再

12、循环冷却器换热的对象是粘度比较低的水和废气，对于低粘度流体-低粘度流体，高温高压场合用管壳式(STHE)换热器。而且管壳式冷却器结构简单，体积小，造价低，散热效率高，可以设计成各种尺寸及型式，对其操作温度和压力也没有太多限制，可用任何能抗腐蚀的材料制造，所以它成为废气再循环冷却器的基本形式，必要时可以在壳体内加装紊流装置以提高热交换效率。为满足耐高温、耐腐蚀要求，全部零部件均选用304, 304L, 306, 306L及316L不锈钢精密铸件及型材。国外公司制造的两种废气再循环冷却器图德国2-2管壳式冷却器, 图2-3是日本五十铃载货汽车冷却器。 图2-2德国管壳式冷却器 图2-3日本五十铃载

13、货冷却器2.2.1.1根据规格尺寸初选冷却器(1)热交换管热交换直径:废气再循环冷却器中使用大量横截面呈圆形的小直径、薄壁管。从传热的角度来看，小管径的管子能获得较高的传热系数，从而换热器也较紧凑，但是管径愈小的换热器的压降将愈大，几乎所有的换热器的管子外径在1/4in(6.35mm)与2in（50.8mm)之间。这里管子外径选择1Omm，壁厚lmm。管长:由于无相变换热时，管子较长则传热系数也增加，在相同的传热面积情况下，采用长管则流动截面积小，流速大，管程数小，而且采用长管时每平方米传热面的比价也低，所以对于一定的换热面积，最经济的换热器是用壳体直径尽可能小，管子尽可能长，并与制造或使用现

14、场的空间相符合的原则制造，这里预选250mm长的换热管。管子根数:管子根数取决于流体流量和允许的压降，通常要使得管侧水或类似流体的流速为3-8ft/s(0.9-2.4m/s)，壳侧流速为2-5ft/s(0.6-1.5m/s)。最低流速是为了防止结垢，最高流速是为了避免管侧腐蚀、对壳侧的撞击和流动诱发振动。由经验，换热管数初选19根。(2)管子排列方式管子布局:管子在管板上的排列型式主要有正方形、三角形和同心圆排列。同心圆排列较紧凑，主要用于小直径的换热器，在换热直径较小时，可安排的换热管数也最多，而且在靠近壳体的地方布管均匀，介质不易走短路，所以选用了同心圆排列法。换热管排列方式如图2-4所示

15、。无论哪种排列方法，通常其最外圈换热管的外壁与壳体内壁间的距离不应小于换热管外径1/4，且不小于8-1Omm。这里初步选8mm。如图2-4换热管排列方式管心距:管心距的确定要兼顾提高壳侧传热的传热面的紧凑性，较大的管心距可以降低壳侧压降，并能减少结垢，易于清洗。大部分的管壳式换热器中，管心距至少为管外径的1.25倍。由前面所选参数，这里管心距为12.5mm。(3)冷却器的流动方式采用冷热流体逆流的方式，如图2-5(a)，即在换热器中，两股流体平行流动，但方向相反。理想情况下，单流道的这种流动方式的换热器在相同参数时效率最高。在同一个热流体状态和同一个初温的冷流体下，采用逆流可比顺流加热到更高的

16、终温，交换相同的热量时，采用逆流的换热器所需要的换热面积就较小，而使换热器紧凑轻便。如图2-5(a)流体在管中的流动方式（a）逆流式（b）顺流式（c）差流式以选型的标准是如何确定的2.2.2冷却系的设计计算采用平均-温差法, 在设计计算时需要的参数主要是冷热流体的进、出口温度。确定换热器达到所要求的冷却需要多大的传热面积，并计算阻力损失。2.2.2.1废气最大需冷却量的确定汽油机排气温度变化范围很大，从怠速时的300-400到全负荷时的900，常用工况的排气温度为400-600。对于试验用的卡罗拉1-ZR发动机，废气再循环热流量最大点出现在标定转速2500r/min工况下，废气再循环流量为0.

17、039kg/s、温度为403、热流量为7000W.2.2.2.2确定冷却器的平均温差首先确定废气再循环气体冷却后的温度。国外某公司对废气再循环流量为20-8Okg/h的发动机废气再循环冷却后温度要求为160-200。对整个传热面积上的平均温差tm，可用下式计算:（2-1）（2-2）注意，校正因子F通常选用一个估算值，单管程纯逆流换热器F=1.0。最后计算得整个传热面积上的平均温差tm=103.4。2.2.2.3管程传热系数的确定为了能够及时清洗以减少排气对冷却器的污染，应布置管程流体为废气再循环气体。废气再循环气体在换热管中流动的雷诺数为: Ref=Vedipe/nf(2-3)式中Ve-废气再

18、循环气体在换热管中的流速; di-换热管内径; Pe-废气再循环气体在平均温度，平均压力下的密度; nf-废气再循环气体在平均温度，平均压力下的动力粘度。当Re<2200时，流体始终处于层流状态;当Re>10000时，出现稳定的湍流:当2200<Re<10000时，流体处于过渡状态。计算过渡状态换热系数Nuf:（2-4）计算湍流状态换热系数Nuf:（2-5）对于短管，由上式算得的换热系数需再乘以管长修正系数l:l=1+(di/L)2/3 (2-6) 式中Nuf-努赛尔数； Pr普朗特数; L换热管管长; nf和nw平均稳定的动力粘度和壁温下的动力粘度;由于管内流体为气体

19、，(nf/nw)0。140.0。由公式Nu=hidi/得出管内换热系数hi(为废气再循环气体的导热系数)。2.2.2.4壳程传热系数的确定冷却器壳程采用单程，无折流板的流通换热形式。冷却水沿管束纵向流过，流道分为两个区域:管束包络线内为管束间流道，管束包络线与壳体内壁间为间隙流道。壳程的传热系数可由下式计算得出:（2-7）2.2.2.5总传热系数和换热面积的确定初步计算中由于K很难确定。 Bell给出了不同种类的流体的大概的传热膜系数。这样，K可以通过管侧和壳侧的传热膜系数由以下公式算出:（2-8）对发动机排气和发动机循环水，取Ri=Ro=0.0002。由于换热管的导热热阻与其他两项热阻相比非

20、常小，计算时可忽略不计。由方程式:(2-9)计算出传热面积，再由此计算出壳体尺寸和换热管的长度进行校核。2.2.2.6管程、壳程的压力损失计算对于无折流板的光管管束，流体顺管束流动，管侧流体压力损失PT：（2-10）式中PT流体在管内流过产生摩擦而造成的压力损失：（2-11）：流体进出管子及管程间转弯而产生的局部压力损失；（2-12）：流体进出冷却器箱体引起的压力损失；（2-13）Gt为管内废气再循环气体的质量流速;Z为管程数;( Gf/Gw)项是考虑流体为非等温流动，若为等温流动，则该项为1;GN为废气再循环进出接管中的质量流速; 为管内结垢修正系数。由于管内废气再循环气体Ref>20

21、00，对于控制光管，摩擦阻力系数ft=0.0014+0.125Re-0.32f。按理说上述设计和反复计算校核，得出冷却器的尺寸。另外在冷却器的两个气体入口处分别设置了过渡锥形管，使流过靠外面的换热管废气量增多，改善废气流动状态。表2-1卡罗拉1GR发动机冷却器基本结构参数，及冷却器的结构图（2-7、8）：表2-1卡罗拉1GR发动机冷却器基本结构参数参数名称参数内容参数名称参数内容结构形式管壳式最大换热量6500W壳程流体冷却水传热面积0153平方米管程流体高温气体换热管长度250mm壳程流动形式单程管程阻力1500Pa管程流动形式单程壳程阻力7 Pa热管（外径×壁厚）10mm

22、5;1mm换热管排列形式圆形错排壳体（外径×壁厚）70mm×1mm管根数19图2-7冷却器的结构1冷却水入口2冷却水出口3换热管4锥形管5废气入口6排水阀7废气出口图2-8冷却器实物2.3冷却系的水泵的选型计算2.3.1冷却水循环量的计算先要确定废气再循环对冷却系统所要求的散热量。根据热平衡的热量分配，散冷却系统中的热量应当冷却系介质散走。因此可以由废气再循环废气散入冷却系统中热量来确定所需要的循环量。由散入废气再循环冷却系统中的热量Qw，可以算出所需冷却水的循环量Vw：（2-14）式中-一冷却水在发动机中循环时的容许温升，对强制循环冷却系统，可取tw=6-120，这里取t

23、w为10;-水的比重，近似取=1 OOOkg/m3；-水的比热，近似取 =4.187KJ/Kg冷却水循环量：；水泵的泵水量Vb可根据冷却水循环量Vw按下式计算;（2-15）式中 Vw-冷却水循环量nvs-水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，一般nvs=0.80.9。这里需选用制选精度较高的水泵，nvs取为0.9，所以水泵的泵水量Vb=0.000167/0.9=1.85×10-4m3/s。2.3.2水泵电机消耗功率计算水泵消耗功率的计算公式如下:（2-16）式中Pp-水泵的泵水压力，根据离心式水泵结构取值3.0×105Pa;vb-水泵的泵水量(m3/s);nh-液力效

24、率，根据结构取0.75;nm-水泵的机械效率，根据结构取0.95;nv-水泵的容积效率，取0.75;得水泵消耗功率：3.实验研究与分析3.1实验原理针对实验室里的发动机,测试发动机不同工况下Nox排放量随废气再循环温度变化的变化规律。通过比较找出各种工况下废气再循环废气的最佳温度范围，为发动机工作电控单元实时控制废气再循环温度提供依据。为了进行废气再循环温度对汽油机性能和排放影响的研究，在一台4缸16气门四冲程汽油机上加装了废气再循环装置。试验装置布置如图3-1所示。试验装置布置如图3-1所示冷却废气再循环系统从发动机排气管消音器前方取气。从排气管中引出的废气经过专门的冷却器和废气再循环阀后从

25、节气门的后方导入进气管，利用发动机活塞排气过程泵气作用，将废气泵入发动机进气管。然后与节气门后的空气混合，在进气口附近与喷入的油雾进一步混合后形成可燃混合气进入气缸。系统中废气再循环阀安装在冷却器后方，一方面废气经过冷却后温度大大降低，减少了高温对废气再循环阀的影响;另一方面控制阀距离排气管较远，减少振动和排气脉冲对废气再循环阀的影响，使废气较平稳地进入进气通道。废气再循环量采用手动调节阀来控制，以便于在各工况点进行测试。在再循环废气通路上设置一个冷却水套，为降低流动阻力，采用废气再循环冷却器管内走废气再循环气体，管外走冷却液的方案。冷却介质采用水，冷却水与废气再循环气体流向相反以提高冷却能力

26、。3.2实验用发动机及测试设备3.2.1实验用发动机该试验采用的发动机是一汽制造厂生产的卡罗拉1ZR型电喷式汽油机，该汽油机的主要性能参数如表3-1所示。如表3-1所示燃油箱容积55L燃料类型汽油 93#供油方式多点电喷型号1ZRFE排量1598mL最大功率-功率值90kW最大功率-转速6000r/min(rpm)最大扭矩-扭矩值154Nm 最大扭矩转速5200r/min(rpm)气缸排列型式L型发动机位置前置进气型式自然吸气凸轮轴双顶置凸轮（DOHC）特有技术Dual VVTi汽缸数4个每缸气门数4个缸径80.5mm行程78.5mm压缩比10.2:1缸体材料铝合金环保标准国4最大马力122P

27、s3.2.2实验用测试设备3.2.2.1采用尾气分析仪 采用FGA-4000系列五组份汽车排气分析仪。它的测量原理是:采用不分光红外吸收法,简称("NDIR")测定CO及CO2的排放浓度。氧及氮氧化物分析采用电化学原理。HC采用加热型火焰离子检测法(HFID)来检测。其它技术参数如表3-2所示。技术参数如表3-2所示3.2.2.2转速表使用上海转速仪表厂生产的机械式转速表。3.2.2.3废气温度计数字温度计，测量范围-500C-1300。用来测试废气再循环冷却器前后的温度。3.2.2.4水温表热敏电阻式水温表3.2.2.5压力表安装在废气再循环废气入口处。测量范围00.25

28、MPa，生产厂家青岛华青集团有限公司。3.2.2.6空气流量计热膜式空气流量计。3.2.3对数据进行分析3.2.3.1试验过程在1ZR型汽油机上进行冷却废气再循环试验，鉴于废气再循环技术特点和使用要求以及试验的条件因素，试验测试选择在不加负荷的1000r/min,1500r/min, 2000r/min,2500r/min, 3000r/min和部分负荷的1500r/min,2500r/min转速工况下进行。试验中也参考了一般汽油机废气再循环量的引入原则:1)怠速及低负荷时，混合气较浓，废气中惰性气体含量高，引入废气将会造成燃烧不稳定，发动机很容易熄火，采用废气再循环的意义不大。2)随着负荷的

29、增加，在保证动力性和燃油经济性的基础上，使废气再循环率增加至允许限度。3)大负荷，高速及油门全开时，为了保证功率输出，对废气再循环的使用应有一定限制。基本原则是在保证动力性和经济性的基础上，尽可能采用较大比率的废气再循环最大限度地降低NOx排放。试验采用恒转速控制，节气门位置保持不变，在测量原机NOx、排放时手动废气再循环阀门关闭，其它工况废气再循环阀开度至最大。汽油机总是以化学当量比附近或接近化学当量比的方式运行，因此废气中CO2和H2O的比例是比较高的，废气的热容量也远比空气要高。因此，一般汽油机废气再循环量占总进气量的520%，分层燃烧系统废气再循环率可以超过20%。过量的废气再循环会导

30、致点火困难，循环变动增加。经测试计算，该系统废气再循环阀开到最大时废气再循环率能达到11%。试验时废气分析仪的取气管插入发动机排气管40cm处，废气分析仪尽量远离排气管，避免排气管的振动和温度对测量的影响。为了提高效率，缩短测量数据的获取时间，废气再循环冷却水直接取自自来水，从冷却器出口流出的水直接排掉。人为改变废气再循环冷却器冷却水的循环量，从而改变废气再循环废气的温度，测试该转速由高到低温度下NOx、的排放情况。试验中废气再循环废气冷却后的最低温度控制在100以上，防止废气中的含硫化合物与因温度降低而凝结的水蒸气反应造成对设备的腐蚀。试验时环境温度是20，相对湿度为35%。发动机运行10分

31、钟后开始测试。由于汽油燃烧时 NO2生成量在NOx中占的比例很小，NOx/NO只有2%5%，所以试验中NOx的排放浓度仅以测量NO的排放浓度来代表。3.2.3.2试验结果分析发动机空载时不同转速下具体的测试数据图3-914图3-9 1000r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-10 1000r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-11 1500r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-12 2000r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-13 2500r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-14 3000r/min不同废气再循环温度下发动机的排放柱状图中

32、最后一项是发动机不加废气再循环时的测试结果，由图可以看出，在加装废气再循环后每种转速下的NO排放量都有所降低，由于未加负荷，发动机废气再循环废气冷却前的温度不是太高，随着废气再循环温度的降低，在发动机1000r/min时NO排放量有所波动，冷却与否对NO的排放没有太大的影响。CO的排放量反而有所上升，HC量排放也略有上升。这时发动机转速较低，废气再循环系统有可能影响到了燃烧的稳定性。在1500r/min时，随温度变化，NO的排放也出现微小波动，废气再循环温度最低110时，NO的排放并不是最低。转速从2000r/min到3000r/min时，整个排放过程NO的排放量基本上是随废气温度的降低而呈降

33、低趋势，而且都要比未加废气再循环时的排放量少。CO的排放量呈现先增后降的趋势，但是较原机却都不同程度的有所增加。各个转速对HC排放的影响比较小，但加了废气再循环，排放量较原机有微弱的增加。图3-15图3-16给出了该发动机在部分负荷，2500r/min和3000r/min时NO, CO, HC随废气再循环温度变化的排放情况。在部分负荷下，废气再循环冷却后NO的排放量较未加废气再循环的原机有了更显著的减少，1500r/min时NO排放量在废气再循环温度120时较160有月显降低;在2500r/min时低温120与160相比NO排放差别很小。两种转速下CO的排放变化不大，废气再循环温度较低时略有增

34、加。HC的排放总体与前面一致，废气再循环温度低时HC的排放量反而要高一些。综合试验和经验，得到1ZR汽油机废气再循环温度控制的初步规律。如表3-3所示。图3-15 2500r/min不同废气再循环温度下发动机的排放图3-16 3000r/min不同废气再循环温度下发动机的排放表3-3 1ZR汽油机部分工况废气再循环冷却规律在发动机冷却水温小于50、发动机转速小于550r/min，及怠速工况(节气门踏板未踏下)时不对废气再循环废气进行冷却。4.废气再循环冷却控制系统设计4.1冷却系统的控制方法对于废气再循环的控制，理论上有开环控制和闭环控制两种方式。开环控制是基于MAP(前馈控制)的控制方法，需

35、事先测得各工况下的最佳废气再循环率和废气再循环温度，在瞬态时效果比较好。闭环属于反馈控制，它在实时控制方面要优于开环控制，但控制电路结构比较复杂，实现起来难度也加大。随着现代控制理论发展的成熟，也有学者提出基于BP神经网络和模糊神经网络技术对废气再循环流量控制进行训练和优化，有效克服传统使用查表的方法对废气再循环开环控制的缺点。本文在宏观上的控制策略是采用开环控制，而对具体执行机构的控制采用PID(比例-积分-微分Proportional Int废气再循环al Derivative)控制。开环是主要控制方法，PID控制是辅助控制方法。1)开环控制通过试验确定发动机不同工况下的废气再循环废气温度

36、，作为参考，发动机实际运行时由电控单元ECU根据各传感器的信号判断发动机的工况与状态，即根据发动机的转速、节气门位置等信号，ECU判断属于哪一种具体工况，然后ECU根据该工况的实测参数输出控制信号控制废气再循环冷却系伺服水泵转速，从而控制冷却水流量，达到控制废气再循环温度的目的。它的作用是判断发动机工况及设定该工况的废气再循环温度，是主要控制方法。2)PID控制PID控制作为辅助控制主要完成对伺服水泵的实时控制。它的具体任务是根据ECU所设定的温度值来控制水泵高速、低速旋转或停止，改变冷却水循环量，以达到所需的废气再循环废气温度。4.2控制系统硬件组成4.2.1控制系统总体结构设计废气再循环冷

37、却控制系统原理如图所示。主要由控制单元ECU、传感器和执行部件组成。所有传感器中曲轴位置传感器输出的信号经整形后送给单片机的是脉冲量，采用定时计数的方法实现测频，利用单片机的计数器在由软件确定的时间内对脉冲信号计数，其频率等于计数量除以计数时间。其它传感器输出的是模似电压信号，单片机系统通过由它控制的多路开关分时选通各路传感器模拟信号，程控放大器在单片机系统的控制下调节增益，使强弱不同的检测信号在幅度上均满足A了D转换的要求，然后进行A/D转换变成二进制数字量信号并输入单片机系统。单片机处理后，把经过光电隔离去除了电磁干扰的数字信号送给D/A转换器进行D/A转换，由于转换后的电压信号不足以直接

38、驱动水泵，所以对其进行功率驱动，最后再驱动水泵运转。4.2.2传感器的选择控制系统中需要由传感器来测试发动机各种参量，为ECU提供各种参量信号，主要传感器包括曲轴位置传感器、节气门位置传感器、发动机冷却液温度传感器、废气再循环温度传感器等。4.2.2.1曲轴位置传感器曲轴位置传感器测得的发动机转速脉冲信号经过整形后提供给ECU它是控制系统中非常重要的传感器。曲轴位置传感器分为磁脉冲式、光电式和霍尔式三大类。试验选用磁脉冲式曲轴位置传感器，安装在发动机后端的飞轮旁。该传感器由信号发生器、滤波电路、放大电路、整形电路和线束插头等组成，如图4-1所示。感应线圈在永磁铁上带有一个磁头，磁头与磁扼(导磁

39、板)连接而构成导磁回路。电容器C1, C2构成滤波电路，反相器F、集成运算放大器A和电阻R构成比例运算放大电路，P为信号处理电路。具体工作过程为:信号线圈产生的交变信号电压经滤波电路和比例放大电路放大后，再经信号处理电路P进行整形处理，传感器便可直接向电控单元输入矩形脉冲信号。根据此信号ECU的微处理器可以计算出发动机的转速。磁感应式曲轴位置传感器的示意图如图4-1所示，转速信号处理过程如图4-2所示。图4-1 磁感应式曲轴位置传感器的示意图如图4-2 转速信号处理过程4.2.2.2节气门位置传感器节门位置传感器提供发动机怠速信号与发动机负荷信号。当发动机处于怠速工况不适宜进行废气再循环时，E

40、CU输出控制信号，水泵停止转动。ECU根据节气门位置判断发动机所处的负荷工况，为控制水泵转速提供依据。节气门位置传感器装在节气门体上，并与节气门轴连动，用来检测节气门开度的变化，将节气门开启的角度转换成电压信号。试验中选用的是线性输出型节气门开度传感器，具有较高的精度，供电电压为5V，输出电压范围是0+5 V。其内部是一个高性能的可变电阻的变阻器，输出信号电压随节气门开度的增加线性增大。它的特点是检测及处理角度很方便;耐环境能力强;其内设有回位弹簧，与被测定部件容易连接。节气门位置传感器的特性与信号处理过程如图4-3、图4-4所示图4-3 节气门位置传感器的特性 图4-4 节气门开度信号处理过

41、程4.2.2.3温度传感器(1)发动机冷却液温度传感器发动机冷却液温度传感器提供发动机温度信号，在发动机温度低于50时，发动机处于暖机状态，不进行废气再循环，废气再循环冷却水泵停止转动。这里用于测水温的传感器采用的是负温度系数的热敏电阻(NTC)，安装在发动机的汽缸体上，插在汽缸的冷却水套中。它的工作温度范围为-20+130。它把温度的变化以电阻值变化的方式检测出来，随温度的不同，电阻值发生很大变-化。当水温较低时电阻值较大，随着水温的升高，电阻值逐渐降低。图4-4 水温传感器的温度-电阻特性 图4-5水温传感器的连接线路传感器阻值水温变化图4-4，连接线路如图4-5所示。发动机工作时，控制系

42、统内部给传感器一个5V电压，当传感器热敏电阻的阻值变化时，传感器向ECU输送的信号电压随之变化，输出电压在0.1V一4.8V之间(2)废气再循环废气温度传感器分为两个传感器分别设置在废气再循环冷却器的前后，为ECU控制电动水泵调节冷却水流量提供反馈信号。一般工况下，废气再循环阀附近的废气温度为100 -200;高速、重负荷为300-400;不工作时为50左右。而废气再循环冷却器后的废气温度最多可降至约100-，所以废气再循环冷却器前后可选用相同测量范围的温度传感器。全部采用热敏电阻式温度传感器。废气温度传感器电阻与温度变化关系如表4-1所示。表4-1传感器电阻与温度变化关系4.2.3 ECU电

43、控单元ECU主要由输入信号处理电路、微处理器、输出处理电路、电源回路以及控制程序等几部分组成。4.2.3.1输入信号处理电路输入信号处理电路有模拟信号的输入处理和数字信号的输入处理，当输入信号为模拟量时，如空气流量计信号、温度传感器信号、节气门开度传感器信号、压力传感器信号等的模拟信号，先要对它进行A/D转换，变成微处理器能处理的数字信号。如果输入的模拟信号弱时，还需经过放大。模拟信号处理的走向如图4-6如图4-6 模拟信号处理的走向4.2.3.2单片机的选型 单片机是控制系统的心脏，其机型是否合适，对系统的性能忧劣、构成繁简、开发工作难易，推广应用和交流范围的宽窄等方面均有较大的影响。选择单

44、片机首先应考虑的是单片机的功能和性能要能满足应用系统的要求，同时应该追求系扩展的最小化，单片机硬件资源亦应得到较充分的利用。可以按以下原则作进一步的选择； 1)优先选择熟悉的机型，同时兼顾单片机技术和市场的发展。_ 2)优先选择具有较好开发环境的单片机，降低开发工作的难度。 3)优先选择社会应用广泛的主流机型，以便于推广、交流和移植。 4)优先选择指令功能强、编程方便的机型MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，典型产品有8031, 8051(芯片采用HMQS，功耗是630mW，是89C51的5倍，)和8751等通用产品。一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应

45、用的主流产品。MCS-51系列单片机具有丰富的硬件资源、优越的的开发环境、强大的指令功能和广泛的相关支持，成为国内单片机市场的主流机型和众多单片机应用系统设计者的首选机型。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案1) AT89C51主要特性AT89C51与MCS-15兼容，寿命是写/擦循环1000次，数据保留时间10年，全静态工作频率是OHZ24HZ，可以三级程序存储器锁定，有128×8位内部RAM，不扩展存贮器即可满足系统需要，可降低成本且提高系统抗干扰能力。32条可编程I/

46、O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，含有片内振荡器和时钟电路。2)管脚说明:双列直插式封装方式的AT89C51管脚排列如图4-7所示(1)并行I/O口线P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器，可作为通用阳口，它又可以被定义为数据/地址的低八位输出，由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。在FLASH编程时，PO口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高。P1口:Pl

47、口作为通用I/O口使用，是一个内部提供上拉电阻的8位双I/O口，Pl口缓冲器能接收输出4个TTL 图4-7 AT89C51管脚排列门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，IP口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTl门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。当用于外部程序存储器或61位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地

48、址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下4-2表所示:如下4-2表P3口一些特殊功能口(2)控制口线ALE/PROG:地址锁存信号输出端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在P0口输出地址后，它便能和片外存储器之

49、间传送指令和数据信息。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，因此它可用作系统中其它芯片的时钟源。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVX指令时AEL才起作用。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期五PSEN两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN号将不出现。在访问内部程序时PSEN无效。· /Vpp内部和外部程序存储器选择线。当保持低电平时，则在此期间访

50、问外部程序存储器(0O0H一FFFFH)，而不管是否有内部程序存储器。当保持高电平时，当地址小于4KB时访问内部程序存储器，当地址大于4KB时访问外部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(Vpp)。RST:复位输入。当振荡器复位期间时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。(3)电源和时钟线XTAL1:接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，脚作为驱动端这个放大器构成了内部振荡器。当采用外部振荡器时，此引驱动端。XATL2:接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮。Vc:供电电压，

51、+5V GND:接地端。AT89C51的极限参数如表4-3。3)振荡器特性采用石晶振荡外部时钟源驱动器件，XTAL2不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。系统单片机的时钟电路如图4-8a所示，在XATL1、XTAL2引脚上外接石英晶体和微调电容组成并联谐振回路，选用6MHz的晶振，对于32Hkz以上的晶体振荡器，当工作电压大于4.5V时，相位调节电容C1与增益调节电容C2应该都取为3OPf，C1=C230Pf。图4-8(a)时钟电路 图4-8 (b)复位电路4)复位电路89C15通常采用上电自动复位和开关复位

52、两种方式，本系统选用上电复位电路，复位电路路如图4-8(b)所示，在RC电路的充电过程中，RST端出现正脉冲，RST端保持10ms以上的高电平，单片机可有效复位。4.2.3.3模拟多路开关的选型由于单片机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一个单片机系统可供多个检测回路使用。由于系统中有5个被测参量，而单片机在某一时刻只能接收一个回路的信号，所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。单片机系统通过由它控制的多路开关分时选通各路传感器信号。目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。这里选用8路双向、单端模拟开关集成电路芯片CD4051

53、，所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。CD4501的结构原理如图4-9所示。它由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0S7端与Sm端不可能接通;当为“0”，时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0S7中的一路。如表4-3真值表所示。图4-9 CD4501的结构原理表4-3真值表所示多路开关中往往有多余的通道，由于多路开关的内部电路相互联系，所以多余的通道可能产生干扰信号，必要时应作适当处理。可以把所有多余通道的输入端都接地。4.2.3.4可编程增益放大

54、器的选型为便于输入通道中A/D转换所需电平，要对模拟传感器输出的弱信号加以放大，并把信号中的干扰噪声抑制在最低限度，因而用低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗以及具有很高共模抑制比的直流放大器。这类放大器常用的有测量放大器、可编程放大器和隔离放大器。在多输入通道中，有时输入同一个放大器的信号的电平不同，但都要放大到A/D变换器输入要求的标准输入电压。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。所以需要选用可编程放大器。这里选择具有典型三运放结构的AD612/614，它的片内有精确的电阻网络，使其增益可控。图4-10为其结构原理图图4-10 AD612/614可编程增益放大器当3

55、-10端分别与1端相连时，增益范围为“2-28”当要求增益为29时，10、11短接并与1端相连;当要求增益为210时，10、11、12短接并与1端相连;当要求增益为1时，电阻网络引出端3-12端均不与此同时相连。因此，只要在1端和212端之间加一多路开关，就可以方便地进行增益控制。此外，在1、2端之间连接电阻RG也可改变增益。4.2.3.5采样保持电路设计由于被测的模拟信号变化很快，在进行A/D转换前，需要进行采样保持工作。采样保持器(S/H)采用LF398集成芯片。它是采用BI-FET(双极型一场效应管)工艺制成的采样保持器。整个电路可在士5V-士18V之间工作。其主要作用是保证A/D转换器

56、进行转换期间输入电压保持不变，以免引起A/D的转换误差。它有两个工作模式，一是采样，一是保持。根据采样定理，只要最低采样频率高于信号最高频率分量的2倍，即可得到不失真采样。在采样状态时，其输出能跟随输入电压变化;而当处于保持状态时，其输出将保持在进入保持状态瞬间的输入电压值。在保持时间内，A/D转换器进行A/D转换。连接如图4-11。当逻辑参考端(7)接地，逻控制电压(8)高于1.4V时，LF398处于采样模式，逻辑控制端接地时，处于保持状态。如图4-11 LF398连接图4.2.3.6 A/D转换电路设计本系统的AID转换器选用了ADC0809,ADC4809是逐位逼近式CMOS型A/D转换器，通常都是以二进制数字量输出的。ADC0809为28引脚双列直插式封装芯片。该芯片内部由8位模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与时序电路、三态输出锁存器等组成。下面是ADC0809的的主要性能技术指标和硬件接口电路设计1)主要性能和引脚功能分辨率为8位2进制数;输入电压范围是0-5V，对应A/D转换值为OOH一FFH；每路A/D转换完成时间为10us:允许输入8路模拟电压，通过具有锁存功能的8路模拟开关，可分时进行8路A/D转换；输入时钟脉冲频率为500