车用柴油机排气再循环控制系统
第34卷第3期2004年7月吉林大学学报(工学版)JoumalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)V01.34JulyNo.32004文章编号:1671—5497(2004)03—0337一05车用柴油机排气再循环控制系统刘忠长1,朱昌吉1,张振东2(1.吉林大学汽车工程学院,吉林长春130022;2.上海理工大学机械工程学院,上海200093)-摘要:为了降低车用柴油机的NO。排放,设计了用于增压中冷柴油机的排气再循环(EGR)系统。介绍了EGR控制系统及控制方法。该系统采用进气节流阀与EGR流量控制阀联合控制,可实现0~30%EGR率的优化。利用13工况对该系统控制NO,的效果进行了评价。实验表明,采用EGR技术,可以大幅度地降低NO:的排放,微粒排放基本不变。但HC和Co排放有所增加,13工况加权比油耗也较原机有所降低。关键词:内燃机工程;排放;废气再循环;柴油机中图分类号:TK421.5文献标识码:AEGRsystemforautomotiVedieselengineLIUZhongchan91,ZHUChan翊i1,ZHANGZhendon92(1.GDZ£e:f≯矿A“fo,"ofi己它E九gin已盯ing,』iZi以U九iz肥,百i幻,,C^dng曲“n130022,C^in口;2.CDzze:g℃q厂M已c^口nifnzE,l∥以卵ri九g,U,zit^Prsi砂c】,S^nng^ni/西r&i删cP口以d强^起。fc毽),,S^n竹g^口i200093,C^inn)Abstract:ToreduceNOzemissionofanautomotivedieselengine,anEGR(ExhaustGasRecirculation)systemwasdeVeloped.ThecontrolsystemhardwareofEGRanditscontrolstrategywerepresented.Inthissystem,anintakeairthrottlevalveandanEGRflowvalvearecontrolledbyasinglechipprocesSor.ThetestresultsshowthatoptimizedEGRratiofrom0~30%canberealizedbythisEGRsystem.TheEGRsystemcangreatlyreduceNo卫emiSsionwhilekeepingtheparticulateemissionattheSamelevel,buttheHCanda3emiSSionsdeterioratetoSomeextentintheSametestconditions.ThebrakespecificfuelconsumptionmeasuredbytheECER49testcyclealsodecreasedcomparedtobaSelineengine.Keywords:internal—combustionengineengineering;exhaustemiSSion;EGR;dieselengine目前排气再循环(EGR)是降低柴油机No。排放的有效措施之一。但在增压中冷柴油机上采用EGR有一定的困难,需要设计一套合理的EGR回流系统来保证各种工况下实现优化的EGR率。近年来,随着世界各国对柴油车NO。排放标准制定得越来越严格,国外采用EGR系统[1~41的柴油机也越来越多。为了配合我国不同阶段对排放控制目标的要求,国内也进行了柴油机EGR的试验研究[5~8|。作者在国产增压中冷车用柴油机上进行了电控EGR系统的研究。收稿日期:2004.01.18.基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(200lCB209201).作者简介:刘忠长(1956一),男.教授,博士生导师.E—mail:lablXj@jlu.edu.cn万 方数据?338?吉林大学学报(工学版)第34卷1试验仪器本设计是在YC4112Z。Q型4缸增压中冷车用柴油机上进行的。柴油机的主要技术参数如下。标定功率:132kw/2300r?min_。;中冷器出口最高进气温度:45±3℃;总排气量:5.202L;缸径:112mm;行程:132mm;最大扭矩:660N?m/1400~1600r?min-1;怠速转速:700~750r/min;压缩比:17.5。设备有:南峰机械厂生产的Cw260电涡流测功机、上海内燃机研究所生产的FCM—D油耗仪、奥地利AVL公司生产的CEB200废气分析仪、北京北哈麦哈克分析仪器有限公司生产的QGS一08B型C02分析仪、奥地利AVL公司生产的AVL472微粒测量仪、瑞典Mettler生产的AEl63微量天平。2EGR控制系统设计所设计的EGR系统如图1所示。为了调节EGR气体的流量,采用在EGR管路加装气门型EGR流量阀、在增压中冷后的进气总管加装蝶形节流阀的方案。调节进气管中的蝶形截流阀可形成废气回流所需要的压力差。而EGR流量阀用来控制EGR流量,以便达到最优EGR率。实验证明该方案可实现30%EGR率之内的各种EGR率的优化引。为了使阀的开启和关闭有足够大的力,采用气缸控制的气门型节流的方案。为了调节不同的开度,采用3个气缸组合在一起,通过不同的气缸组合方式达到8个不同的工作开度,根据EGR优化的结果选择出3个不同工作行程的气缸。组合气缸的结构见图2。气缸A的行程为10mm,气缸B的行程为11mm,气缸C的行程为28.3mm。气缸A通过2个导杆与阀体连接在一起,气缸A的轴与气缸B的壳体通过螺钉连接在一起,气缸B的壳体在2个导杆上左右滑动,气缸C的壳体与气缸B的轴通过螺钉连接在一起,气缸C的壳体在2个导杆上左右滑动,气缸C的轴与气门阀紧固在一起。这样A、B、C每个气缸单独伸出工作得到3个气门阀的升程;AB组合伸出、AC组合伸出、BC组合伸出得到3个气门阀的升程;ABC组合伸出、收缩得到2个气门阀的升程,总计得到8个气门阀的升程。为了实现足够量的EGR率,在增压中冷后的进气总管加装蝶形节流阀。节流阀的开度由步进电机控制。由于步进电机的驱动扭矩较小,所以按1:5的减速比减速后可以增加蝶形阀的驱动扭矩。步进电机及气缸的气动阀的工作状态由发动机的转速及负荷的大小控制。图2组合气缸驱动EGR流量阀结构图Fig.2SchematicofEGRvalvedrivenbycompositecylinderS1一EGR入口;2一阀体;3一导杆;4一气缸C阀杆;5一压缩空气进出口;6一气缸B阀杆;7一气缸A阀杆;8一气缸A;9一气缸B;10一气缸C;1l一气门阀;12一EGR出口图l试验发动机EGR系统EGRsystemofthetestengineFig.1万 方数据第3期刘忠长,等:车用柴油机排气再循环控制系统‘339?由于怠速工况时排气温度较低,为了防止进行EGR后产生冷凝水,对柴油机不利,怠速工况不加EGR。柴油机全负荷工况的空燃比较低,不加EGR。低速时N0。排放不是主要问题,所以本设计采用的方案是转速低于1300r/min时不加EGR。用此8个升程并配合蝶流阀的不同开度调节完全可满足各工况下的最优EGR率的需要。3EGR试验单片机系统及程序设计通过安装在油泵油门手柄轴上的滑动变阻器输出的电压大小来确定发动机的负荷。单片机型号为80C196KC。气体电磁阀的工作电压为24V,步进电机的电压为12V,单片机的电压为5V,系统采用3个标准电源为其供电。为了排除电源对系统的干扰,在电源上增加能消除高低频干扰的电容。采用霍尔传感器及磁钢述可测得发动机的转速。磁钢安装在飞轮上,通过计算霍僻配尔传感器两次测得磁钢信号的时间差即可计算出转o‘柚速归J。步进电机及气缸的气体电磁阀的工作状态由发动机的转速及负荷的大小控制,发动机的负荷由安装在油泵油门手柄轴上的滑动变阻器输出的电压大小来确定。采用优化取得的发动机的步进电机的步数和气缸的电磁阀状态进行编程。优化取得的发动机EGR率脉谱图见图3。控制策略为1300r/min以下不加EGR,1300r/min图3全工况电控EGR的发动机EGR率脉谱图以上每隔200为一个控制段,大于2100r/min按2300Fig.3EGRmapofthedectronic∞ntrolledenginer/min处理。这样产生1300r/min、1500r/min、1700{orthewhoIeoperationconditionr/min、1900r/min、2100r/min这5个临界点。为了防止气缸和步进电机在转速临界点附近频繁跳动工作,在程序上设定20r/min为转速临界点。当转速由低到高越过临界点20r/min后,再按照高的转速段的气缸和步进电机状态进行调整。相反’,当转速由高到低越过临界点20r/min后,再按照低的转速段的气缸和步进电机状态进行调整。同样,为了防止气缸和步进电机在油门负荷临界点附近频繁跳动工作,设0.04V为油门负荷临界点。调节方式与调节转速相同。EGR技术降低了No:的排放,但微粒会有所增加。由于原机的微粒排放水平较高,因此,EGR优化原则是在微粒排放水平基本不变的前提下降低No。排放。小负荷时由于EGR率对CO、CH排放的影响不大,且其排放指标余量较大,所以小负荷可以不作为EGR率优化的影刚因素,只将微粒、N0,作为EGR率优化的影响因素。低负荷时由于氧气充足,空燃比较大,采用大的EGR率,微粒基本不变或有所降低,因此宜采用大的EGR率。大负荷时由于微粒随EGR率的增加而迅速增加,因此宜采用小的EGR率。对13工况的EGR率优化后,进行加EGR的13工况的测试。4发动机试验结果与分析为找出最佳提前角,采用优化的EGR率,使用不变的步进电机的步数及气缸升程,进行了提前角目分别为8。、10。、12。的13工况排放测试,结果见图4、图5。用13工况加权系数来综合评价EGR前后的燃料经济性。13工况加权比油耗:g。=∑Gh:×^/∑P。,×^万 方数据?340?吉林大学学报(工学版)第34卷式中:Ghi为各工况小时油耗;^为各工况加权系数‘101;P。i为各工况功率。暑●至抽薹■呈盘d葛∞图4不同提前角的13工况比排放图5不l司提前角的13工况加权比油耗Fig.4BrakespecificemiSsionsmeasuredbyECER49testFig.5BSFCmeasuredbyECER49testcycIecycleunderd.fferentfuelinjectiontimingsunderdifferentfuelinjectiontimings从图4、图5可以看出,随着提前角的增加,13工况NO。排放迅速增加,HC排放逐渐降低,C0排放逐渐增加,13工况加权比油耗逐渐降低。微粒排放随提前角变化不明显,因此通过增大提前角不能达到降低微粒排放的目的,反而导致13工况NO。的排放迅速增加。为了解决No。的排放问题,不能加大提前角,从目前来看选择疗=8。为最佳提前角比较合适。一.f≥羊∞i‘工况号NO以g?k、矿1.h’。)图6不同提前角的13工况排放测试使用的EGR率图7提前角为8。时原机、加EGR与欧Ⅱ标准对比Fig.6EGRratiosforECER49testcycleunderFig.7EmissionSfrombaseIineenginewithinjectiondifferentfuelinjectiontimingStiming8℃AB,rDCandEGRincomparisonwithEuroⅡemiSsionUmits为了评价EGR的效果,在臼=8。时进行了EGR系统与原机的对比试验,试验结果见图7。与原机相比,NO,排放降低了19.9%,但是HC排放增加了12.2%,Co排放增加了6.8%,微粒排放没有变化。NO。、HC、Co的排放达到欧Ⅱ标准,并且有一定的储备,但微粒没有达到欧Ⅱ标准。从燃油经济性上看,臼=8。时原机加权比油耗为240.0g/(kwh),加EGR后加权比油耗为235.5(g/kwh)。从计算结果看,加EGR后13工况比油耗略有降低,原因是加EGR后改善了中小负荷燃烧状况。5结论(1)该EGR系统最大可实现30%EGR率,并可在此范围内进行EGR优化,可满足车用柴油机排放控制需要。(2)采用EGR系统在保证微粒不变的情况下,NO。排放降低了19.9%,但HC排放增加了万 方数据‘341‘第3期刘忠长,等:车用柴油机排气再循环控制系统12.2%,Co排放增加了6.8%,微粒排放没有变化。NO。、HC、CO的排放达到欧Ⅱ标准。微粒排放没有达到欧Ⅱ标准。(3)为了评价EGR前后的燃料经济性,用13工况加权系数来综合评价燃料油耗。加EGR的13工况油耗略有降低。(4)以现有的燃油供给系统和燃烧室,本机的微粒排放难以达到欧Ⅱ标准,需要通过提高供油压力,优化喷油嘴的孔数和孔径,调整气道的形状,优化涡流比综合措施来解决。参考文献:[1]LUNDQvIsTUlf,SMEDLERGudmund,STALHAMMARPer.AcomparisonbetweendifferentEGRsystemsforHDdieselenginesandtheireffectonperfomance,fuelconSumptionandemisSiollS[C]∥SAEPaper2000一01—0226.【2]K()HKETSUSuSumu,MoRIKazutoshi,SAKAlKenji,HAKoZAKITakazoh.EGRtechnologiesforaturbochargedandinterc00iedheavy—DuTYdieselengine[C]∥SAEPaper970340.[3]ZELENKAPaul,AUFINGERHans,RECZEKwalter,CARTELLIERIWolfgang.(:∞ledEGR—akeytechnologyforfutureefficientHDdiesels[C]∥SAEPaper980190.[4]YoSHIKAwAHid∞,uMEHARATsutomu,KURoKAwAMasatosK,SAKAGAMIYOShiyu虹,LKEDATakasH.TheEGRsyst锄fordiesclengineusingabwvoltages00trernovaldevice【C]∥SAEPaper930369.[5]陈群,刘巽俊,李骏,王金武.CA498车用柴油机EGR的试验研究[J].内燃机学报,2001,19(6):557—560.CHENQun,LIUxunjun,LIJun,wA_NGJinwu.EXperimentalstudyonauta∞LotivedieselenginewithEGR【J].TransactionsdCSlCE,2001,19(6):557—560.[6]林学东,刘巽俊,王霆.排气再循环对增压直喷柴油机排放特性的影响[J].汽车技术,1997(1):18—22.LINXuedong,LIUXunjun,WANGTing.EffectofEGRoneiSsionchract商Stic0fturbochargedandDIdieSele119ine[J].AutonlotiveTechnology,1997(1):18—22.[7]何邦全,姚春德,刘增勇,李万众.柴油机No。排放控制与废气再循环技术【j].小型内燃机,2000,29(1):22—26.HEBangquan,YAoChunde,LlUzengyong,LIWanzhong.DieselengineNo。emisSioncontmlwithexllauStgasrecirculation[J].smallIntermIcombustionEngine,2000,29(1):22—26.[8]祝勇.采用C∞led.EGR控制增压柴油机排放研究[D].北京:北京理工大学车辆工程学院,2002.ZHuYong.AStudy0nc00led—EGRforemiSsionscontroIinturbochargeddie∞Iengine【D].ConegeofAutomotiveEngineering,BeijingInstituteofTecllllology,2002.[9]刘复华.8xCl96KX单片机及其应用系统设计[M].北京:清华大学出版社,2002.LIUFuhua.8XCl96KXSingIeChipProcessorandApp“cationSystelTlDesign[M].Be妇ing:TsinghuaUniveI_sityPress,2002.[10]GB广r7691—1999.压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气污染物现值及测试方法[S].GB/r769l一1999.Compre鼹IgIlitedEingineSa“Vehid岱Poweredby(hnpresslgIlitedEingineSExhauStGasPollutantLimitandTestMethod[S].(责任编辑陈永杰)万 方数据
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