汽车发动机EGR冷却控制系统的研究

1、山东农业大学硕士学位论文汽车发动机EGR冷却控制系统的研究姓名:傅旭光申请学位级别:硕士专业:农业机械化工程指导教师:郭新民20060616 汽车发动机EGR冷却控制系统的研究放控制技术大致相当于国外20世纪90年代的水平。1.4本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EGR冷却温度 的外部EGR冷却控制系统,使EGR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N0。排放又具有良好的综合性能的温度值。为更 好地实现冷却EGR的智能控制和精确控制打好基础。减少汽车尾气中NO。 的含量,使汽车成为人们生活当中更有利的工具。1.5课题的内容和研究方法1.5.1研

2、究内容1在选定型号的发上做各种工况的EGR试验,通过比较找出各工况 EGR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EGR对发动机负面影响最小的EGR温度范 围。设计EGR总体布局和EGR冷却器,设计EGR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EGR阀的类型和电动水泵的型号。3合理设计EGR冷却系统的控制电路,设计电路的软件程序。 1.5.2研究方法1通过进一步理论分析,确定试验方案。 .2利用现有条件,在选用的汽油机上安装EGR流路进行实验,改变 发动机的转速与负荷,使用五组份排气分

3、析仪测试EGR废气温度不同时 NO。的排放量,找出EGR冷却温度与降低发动机N0。排放的规律,完成 数据搜集。3根据找出的EGR冷却温度与降低N氓排放的规律,利用单片机和 辅助电路通过控制EGR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EGR冷却系统的自动控制。14山东农业大学硕士学位论文2EGR冷却系统设计计算2.1EGR冷却系统总体设计冷却系-般按传热介质来分类。可分为以水为传热介质的水冷型冷却 系,以空气为传热介质的风冷型冷却系,以油(如机油等为传热介质的 油冷型冷却系。现今,汽车、拖拉机和军用履带车辆,普遍采用水冷型冷 却系,部分军用轮式战斗车辆、豪华型大型客

4、运车辆及部分工程车辆采用 风冷型冷却系13“。对EGR进行冷却时,风冷较易实现,但冷却效果不理想,对温度比 较高的EGR废气不适合。而水的比热大,冷却效果好,所以采用水作为 冷却介质。而且采用水冷还可以充分利用发动机原有的冷却系,既能降低 EGR的冷却系的成本,又能使其有紧凑的布置结构。该EGR冷却系统的设计思想是把EGR冷却系作为发动机冷却系的一 个分支,传热介质(水由水泵驱动,进行强制循环流动。并采用电控单 元ECU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 EGR废气的温度。EGR冷却系统原理如图21所示。经器图2.I EGR冷却系统原理图F培2-l Princip】e of

5、cooling system for EGR1电控单元Ecu 2文曲利管3旁通阀4.发动机5EGR控制阀6EGR冷却器7_EGR废气温度传感器8伺服电动水泵9单向阀10发动机散热器15汽车发动机EGR冷却控制系统的研究图中EGR冷却系统利用EGR阀(5后面的冷却器(6对废气进行 单独冷却。EGR冷却水引自发动机散热器(10的出水口,冷却水经过 EGR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,所以可以提高EGR的冷却效率。直流伺服电动水泵 (8装配在EGR冷却器冷却水入口管路上,用来控制冷却水的循环。单 向阀(9用来减少因冷却液回流而对EGR冷却带来的不利影响

6、。这种布 局对原冷却系改动较小,结构比较简单。2.2EGR冷却器的选型与设计2.2.1冷却器的选型1选型标准EGR冷却器是一种换热器,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EGR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。过低的冷却温度将使 排气中的水蒸气凝结,与排气中的含硫化合物结合形成酸,造成对冷却器 及联接管路的酸性腐蚀,降低冷却器的寿命与可靠性。由于EGR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,

7、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: f1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。EGR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【3”。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EGR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

8、。图22、2.3是 国外公司制造的两种EGR冷却器p。6山东农业大学硕士学位论文图2_2德国Bellr公司轿车EGR冷却器 F嘻22EGR cooler made by Genn蛐y Behr compal】yfor car 图2.3日本usuI公司载货车EGR玲却器 F.g 23EGR c001ermado by J印anusuI comp”yfortnlck2初选冷却器的尺寸规格(1换热管换热管直径:EGR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

9、1/4in(6.35mm与2in(50.8rm之间【35】。这里管子外径选择 10mm,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3.8例s(O.92.4州s,壳侧流速为25俐s(O.6.1.5州s。 最低流速是为了防止结垢,最高流速是为

10、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【3“。(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24所示。无论哪汽车发动机EGR泞却控制系统的研究种排列方法,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 热管外径的1/4,且不小于8.10删n【351。这里初步选8Inm。正方形排列 三角形排列 叫形排列图2_4换热管在管板上的排列形式Fig 2.

11、4Arr卸ge fo皿ofcxch卸ge heat pipe 0n board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。f3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,

12、而使换热器紧凑轻便。热热EIl2z=:空<=3冷 热Ezt=II盘 冷=“图2.5流体在换热器中的流动方式F嘻2-5FIowing fofIIl ofIjquid in heaI cxch卸ge(a逆流式(b顺流式(c差流式2.2.2冷却器的设计计算冷却器热效率计算的基本方法有传热单元数法、对数平均温差法、效 能法。一般效能法法用于紧凑式换热器的设计,在低温冷却器的设计中常 山东农业大学硕士学位论文 图3.2EGR取气位置F培32The exit ofexhaust g图3.3EGR进气位置F培3-3The entry ofexhaust gas系统中EGR阀安装在冷却器后方,一方面废气

13、经过冷却后温度大大降低,减少了高温对EGR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EGR阀的影响,使废气较平稳地进入进气通道。EGR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EGR冷却器管内走EGR气体,管外走冷却液的方案。冷却介质采用水,冷却水与EGR 气体流向相反以提高冷却能力。引导EGR废气的连接管路采用的是内径12mm的不锈钢波纹管,该管可以有一定程度的弯曲度,柔性好,可以克服刚性管位置固定后冷却器位置无法改变的问题;而且密封性好,耐高温、耐腐蚀,是作为EGR废气通道比校理想的管件。不锈钢波纹管如图34

14、所示。. 图3-4不锈钢波纹管Fig34Stainless steel ripple pipe27 山东农业大学硕士学位论文表3.2FGA_4000五组份汽车排气分析仪技术参数Table 32Tbchnicalpar啪eter 0fFjve group share卸al”e instrument for exh叫吐gas名称 技术参数名称 技术参数执行标准 标准号O,FF053.1997Hc:o10000(1矿相对湿度 20%85%CO:010%测量气体NO,Hc,cO,c02,02测量范围 c02:020%篡霎纛篓的。a。02:O25%NO:04000(104响应时间 12秒HC:l(10击

15、 CO:O.01%电源电压 220v±10%,50Hz±1%分辨率c02:0.1%消耗功率 小于100wO,:O.1%生产厂家广东佛山分析仪器厂NO:l(10石 图3-5五组份汽车排气分析仪 Fig.35Five伊oup share柚alyseinstmmem for“h¨st gas图3.6转速表Fig.36R0tate speed meter 图3.7数字温度计圈38压力表Fig.37DigitalthemlometerFig.3.8Exh卸st gas manometer21转速仪:使用上海转速仪表厂生产的机械式转速表。如图36所示。汽车发动机EGR冷却控制

16、系统的研究31废气温度计:数字温度计,测量范围-501300。用来测试EGR 冷却器前后的温度。41压力表:安装在EGR废气入口处。测量范围OO.25MPa,生产厂家 青岛华青集团有限公司。数字温度计和压力表见图3.7、图3-8。5空气流量计:热膜式空气流量计。6发动机水温计:热敏电阻式水温表。3.2.3试验与分析3.2.3.1试验过程在4920型汽油机上进行冷却EGR试验,鉴于EGR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、3000“min和部分负荷的1500r/min、 2500r/mi

17、n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EGR的意义不大。 2随着负荷的增加,在保证动力性和燃油经济性的基础上,使EGR 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EGR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 EGR最大限度地降低NOx排放【48】【49】。试验采用恒转速控制,节气门位置保持不变,在测量原机NO。排放时 手动EGR阀门关闭,其它工况EGR阀开度至最大。汽油机总是以化学当 量比附近

18、或接近化学当量比的方式运行,因此废气中C02和H20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EGR率可以超过20%。过量 的EGR会导致点火困难,循环变动增加(4引。经测试计算,该系统EGR阀 开到最大时EGR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,山东农业大学硕士学位论文缩短测量数据的获取时间,EGR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EGR冷却器冷却水的循环量,从而改变EGR 废气的温度,

19、测试该转速由高到低温度下NO。的排放情况。试验中EGR 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各的腐蚀。试验时环境温度是20,相对湿度为35%。发动机运行10分钟后开始测试。由于汽油燃烧时N02生成量在NO。中占的比例很小,NO,/NO只有2%5%,所以试验中N0。的排放浓度仅以测量NO的排放浓度来代表口o。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如图3.9图3.13所示。350300b 250鞘书10050110L40180220260300原机EGR温度/图3.91000r/min不同EGR温度下发动机的排

20、放Fig 3-9Exh锄st ofengine for 1000r/min for difFcmnt把mpemtllre350300音250霎i|50OllO 140180220260300原机EGR温度/图3.101500r/min时不EGR同温度下发动机的排放F嘻3一10Exhaust ofenginefor 1500r/minfordi髓renttempe胁re汽车发动机EGR冷却控制系统的研究350300b 250强50110140180220260300原机EGR温度/圈3一112000r/m.n时不同EGR温度下发动机的排放Fig.3-ll Exhaust ofengme for

21、2000r,min fordi虢rent temperature350300b 250辩世10050O、110140180220260300原机EGR温度/图3.122500r/min时不同EGR温度下发动机的排放Fig 3-12Exhaust ofe“gine for 2500一mIn for d_nbrentlemperalure300250千宝200趔150釜100鬲50O110140180220260300原机EGIt温度/图3.133000“min时不同EGR温度下发动机的排放Fig 3一13Exhau吼ofen目ne for 3000“min for difrcrenlIemper

22、aturc柱状图中最后一项是发动机不加EGR时的测试结果,由图可以看出, 在加装EGR后每种转速下的NO排放量都有所降低,由于未加负荷,发 32山东农业大学硕士学位论文动机EGR废气冷却前的温度不是太高,随着EGR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,EGR系统有可能影响到了燃烧的稳定性。在1500“min时,随温度变化,NO的排放也出现微小波动,EGR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

23、放量基本上是随废气温度的降低而呈降低趋 势,而且都要比未加EGR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EGR,排放量较原机有微弱的增加。图3.14图3.15给出了该发动机在部分负荷,2500r/min和3000r/min 时NO、cO、Hc随EGR温度变化的排放情况。600。5002400型300釜200”100120160200250300320原机EGR温度/图3.141500r/min时不同EGR温度下发动机的排放Fig-314Exhaust ofenginefor 1500一min for dj疗bre

24、nltemperacure700600o 500鞭100O120160200250300320原机EGR温度/图3152500r,min时不同EGR温度下发动机的排放F嘻3-15Exhaust ofenginefor 2500r/minfor di疵renttempeure 山东农业大学硕士学位论文八v 嗍脚 r厂图4.4磁感应式曲轴位置传感器的示意图F培4-4M89ne“c induction stalion sensor ofcr肌ksh蛆图45转速信号处理过程F19.4-5The treat course Ofrotat。speed signal31节气门位置传感器节门位置传感器提供发动

25、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,ECU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O+5v。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f60【65】。 节气门位置传感器的特

26、性与信号处理过程如图46、图47所示。汽车发动机EGR冷却控制系统的研究0检测角度/(。 125图4.6节气门位置传感器的特性图4-7节气门开度信号处理过程 Fig 46Charactestic ofv副ve station sensor Fig.4-7The treat source ofValve station signale 4.2.3电控单元ECuECu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。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

27、器信号、压力传感器信号等的模拟信号,先要对它进行山,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4.8。过程参数图4.8模拟量输入通道的结构组成Fig 4_8Compose ofdigjial i印叭alIeyway40|霆 螂山东农业大学硕士学位论文当输入信号为数字量或开关量时,如转速、转角、起动开关、怠速、 全负荷触头等,则需进行放大、整形,然后输入微处理器的CPU。2微处理器(Micr0Processor微处理器即通常的单片机系统,它把CPu、RoM、RAM集成在同一 芯片上。按控制功能及精度,常采用8位,16位,32位处理机。3

28、输出处理回路输出处理回路就是将微处理器cPu发出的微弱信号按照不同的执行 机构,将信号变为不同的驱动信号。并将这些信号进行能量放大,以驱动 执行机构。4电源回路为了将波动的车用蓄电池电压稳定为+5v,供ECU及其他备用电源 使用,Ecu中单独设置了电源回路。4.2.3.1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

29、,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【5“。McS一51单片机是美国玳TEL公司于1980年推出的产品,典型产品 有8031、8051(芯片采用HMOS,功耗是630mw,是89C51的5倍, 和8751等通用产品。一直到现在,Mcs一51内核系列兼容的单片机仍是 应用的主流产品。MCs.5l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。这几年

30、在我国非常流行的89c5l指的是由美国ATMEL公司开发生产 的一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMF1ash汽车发动机EGR冷却控制系统的研究Pro罩舢able a11d Erasable Read Only Memory的低电压,高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与 工业标准的MCs一51指令集和输出管脚相兼容。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67】。 11AT89C5l主要特性AT89C51与MCs一51兼容,寿命是写艨循环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,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。21管脚说明:双列直插式封装方式的AT89c51管脚排列如图49所示。(1并行工,O口线 PDIPP0