專利名稱：基于過量空氣系數的柴油機egr控制方法及控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種廢氣再循環(EGR)系統及控制方法，特別是關于一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制方法及控制系統。
背景技術：
柴油機作為一種內燃機車輛主要的動力源，其具有熱效率高、低速轉矩大、良好的耐久性及可靠性等特點，其使用率越來越高。但是，隨著人民環保意識的不斷提高，柴油機的有害排放物對人類健康和環境的危害已備受關注。隨著世界各國排放法規的日臻完善，對柴油機排放物的限值也在不斷的降低，為了達到排放目標降低排放污染，已進行了多種方法的研究。如前處理技術、推遲噴油、預噴射技術、增壓中冷、吸附催化還原技術、廢氣再循環技術、選擇性催化還原技術等。廢氣再循環是通過將排氣中的廢氣重新引入發動機的進氣系統，使發動機進氣充量中惰性氣體的比例增加，同時使進氣充量中的氧含量減少。由于這些惰性氣體不參與燃燒，且有較高的比熱容，提高混合氣的比熱容，使發動機的最高燃燒溫度得以降低；同時氧含量的減少，一方面減少燃燒的進行，另一方面也降低燃燒速度，從而有效的抑制氮氧化物的生成，降低排氣中的氮氧化物含量。廢氣再循環系統作為一種有效的降低柴油機氮氧化物排放的手段而得到廣泛的研究及使用。其優點是:使用廢氣再循環技術，在原有的發動機結構上改動較小；廢氣再循環技術的使用產生的費用少成本低。傳統的廢氣再循環系統的控制方法是基于EGR(廢氣再循環)率進行的，即通過測量廢氣再循環質量流量和新鮮空氣質量流量進而計算出EGR率，或者通過測量出進排氣管中的二氧化碳濃度進行EGR率計算，或者通過分別測量有無廢氣再循環時排氣管溫度進行EGR率計算，最后以EGR率作為控制變量進行廢氣再循環系統的開環控制。但是這種基于EGR率的廢氣再循環控制方法不能反映廢氣中所含氣體組分，無法真實反映氣缸內燃燒時混合氣狀態；且上述測量EGR率的方法中，有些方法在臺架試驗中可以實現，在實際行駛車輛上無法應用；同時進行EGR率的開環控制，對于瞬態工況有害污染物排放惡化。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制方法及控制系統，該方法能真實反映氣缸內燃燒時混合氣狀態，并通過傳感器采集車輛運行狀態，并結合已標定完成的過量空氣系數Map圖可以進行柴油機EGR系統的實時閉環控制，降低柴油機氮氧化物的排放。為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統，其特征在于:它包括進氣總管、渦輪增壓器、中冷器、與柴油機各氣缸進口端連通的進氣歧管、與各氣缸出口端連通的排氣歧管、排氣總管、EGR回路、寬域氧傳感器、柴油機控制器、EGR冷卻器和EGR閥；所述進氣總管進口端設置有所述渦輪增壓器，所述渦輪增壓器的空氣出口經所述進氣總管連接所述中冷器，新鮮空氣經所述渦輪增壓器后進入所述中冷器冷卻后，經各所述進氣歧管進入柴油機各氣缸；柴油機各氣缸出口端經各所述排氣歧管與所述排氣總管、EGR回路連通，所述排氣總管末端設置有所述寬域氧傳感器，且所述寬域氧傳感器位于所述EGR回路外，所述排氣總管出口端經所述渦輪增壓器將廢氣排出；所述寬域氧傳感器采集廢氣中的氧含量信號，將氧含量信號轉化為電壓/電流信號傳遞給所述柴油機控制器；所述EGR回路上依次設置有所述EGR冷卻器、EGR閥，流經所述EGR回路的廢氣經所述EGR冷卻器冷卻后進入所述進氣總管，與新鮮空氣在所述進氣總管內混合后經各所述進氣歧管進入柴油機各氣缸參與燃燒；經所述EGR冷卻器冷卻后的廢氣進入進氣總管的流量由所述EGR閥控制，所述EGR閥的閉合/開啟由一直流電機控制，該直流電機由所述柴油機控制器控制其工作；所述柴油機控制器內預置有預先標定好的過量空氣系數Map圖。所述基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統還包括轉速傳感器和油門踏板位置傳感器；所述轉速傳感器安裝在柴油機凸輪軸上，用于采集柴油機運行的轉速信號，并將該轉速信號傳遞給所述柴油機控制器；所述油門踏板位置傳感器安裝在柴油機油門踏板處，用于采集當前的油門信號，并將該油門信號傳遞給所述柴油機控制器；所述柴油機控制器通過接收到的轉速信號和油門信號進行最佳過量空氣系數Map查詢，查得當前運行狀態下的最佳過量空氣系數值；所述柴油機控制器接收到的由所述寬域氧傳感器傳遞的氧含量信號通過過量空氣系數Map查詢，得到當前運行狀態下的實際過量空氣系數值，并將該實際過量空氣系數值與最佳過量空氣系數值輸入所述柴油機控制器內的PID控制器，控制所述直流電機正反轉，進而控制所述EGR閥工作。一種實現上述基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統的控制方法，其包括以下步驟:(1)由安裝在柴油機凸輪軸上的轉速傳感器采集柴油機當前運行的轉速信號，安裝在柴油機油門踏板處的油門踏板位置傳感器采集柴油機當前運行的油門信號；(2)將轉速信號和油門信號傳遞至柴油機控制器，由預置在柴油機控制器內且預先標定好的過量空氣系數Map圖進行當前狀態下的過量空氣系數Map查詢，得出此時柴油機運行的最佳過量空氣系數值；(3)通過安裝在排氣總管上的寬域氧傳感器采集廢氣中的氧含量信號，并將該氧含量信號轉化成電壓/電流信號，輸入柴油機控制器，進行過量空氣系數Map查詢，得出當前運行狀態下的實際過量空氣系數值；(4)最佳過量空氣系數值與實際過量空氣系數值傳輸至柴油機控制器內的PID控制器，進行PID控制；(5) PID控制器將計算好的輸出量以PWM信號形式輸入至預先設置在柴油機控制器內的H橋驅動器，通過H橋驅動器控制用于驅動EGR閥動作的直流電機正反轉及轉速；(6)通過直流電機的正反轉及變化的轉速驅動EGR閥開啟和關閉，以使實際過量空氣系數值接近最佳過量空氣系數值，實現廢氣再循環，達到理想的運行狀態。所述步驟(5)中，在PID控制器內，當接收到的實際過量空氣系數值大于最佳過量空氣系數值時，則控制所述EGR閥開啟。所述步驟(3)中，所述寬域氧傳感器測量過量空氣系數的范圍在0.6 3之間。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明由于柴油機的排氣總管和進氣總管上設置有EGR回路、寬域氧傳感器、EGR冷卻器和EGR閥，通過寬域氧傳感器可以精確的測量過量空氣系數值，能在一定程度上反應出氣缸內燃燒時的狀態，與柴油機控制器內預置的過量空氣系數Map相結合，更好的實現廢氣排放控制。2、本發明由于采用過量空氣系數作為控制變量，可實現廢氣再循環的閉環控制，改善瞬態工況排放控制效果。本發明可以廣泛在內燃機車輛中應用。
圖1是本發明的柴油機EGR系統閉環控制系統結構示意圖；圖2是本發明的柴油機EGR系統閉環控制流程示意圖；圖3是本發明的寬域氧傳感器輸出信號與過量空氣系數對應關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。如圖1所示，本發明的柴油機EGR控制系統采用閉環控制系統，其包括進氣總管1、渦輪增壓器2、中冷器3、與柴油機各氣缸進口端連通的進氣歧管4、與各氣缸出口端連通的排氣歧管5、排氣總管6、EGR回路7、寬域氧傳感器(UEGO) 8、柴油機控制器9、EGR冷卻器10、EGR閥11、轉速傳感器12和油門踏板位置傳感器13。進氣總管I進口端設置有渦輪增壓器2，渦輪增壓器2的空氣出口經進氣總管I連接中冷器3，新鮮空氣經渦輪增壓器2后進入中冷器3冷卻后，經各進氣歧管4進入柴油機各氣缸。柴油機各氣缸出口端經各排氣歧管5與排氣總管6、EGR回路7連通,排氣總管6末端設置有寬域氧傳感器8，且寬域氧傳感器8位于EGR回路7外，排氣總管6出口端經渦輪增壓器2將廢氣排出；寬域氧傳感器8采集廢氣中的氧含量信號，將氧含量信號轉化為電壓/電流信號傳遞給柴油機控制器9。EGR回路7上依次設置有EGR冷卻器10、EGR閥11，流經EGR回路7的廢氣經EGR冷卻器10冷卻后進入進氣總管1，與新鮮空氣在進氣總管I內混合后經各進氣歧管4進入柴油機各氣缸參與燃燒。其中，經EGR冷卻器10冷卻后的廢氣進入進氣總管I的流量由EGR閥11控制，EGR閥11的閉合/開啟由一直流電機(圖中未示出)控制，且該直流電機由柴油機控制器9控制其工作。轉速傳感器12安裝在柴油機凸輪軸上，用于采集柴油機運行的轉速信號，并將該轉速信號傳遞給柴油機控制器9。油門踏板位置傳感器13安裝在柴油機油門踏板處，用于采集當前的油門信號，并將該油門信號傳遞給柴油機控制器9，該油門信號用于表征當前柴油機運行的負荷。柴油機控制器9內預置有預先標定好的過量空氣系數Map圖，通過接收到的轉速信號和油門信號進行最佳過量空氣系數Map查詢，查得當前運行狀態下的最佳過量空氣系數值。柴油機控制器9接收到的由寬域氧傳感器8傳遞至的氧含量信號通過過量空氣系數Map查詢，得到當前運行狀態下的實際過量空氣系數值，并將該實際過量空氣系數值與最佳過量空氣系數值輸入柴油機控制器9內的PID控制器進行比較，控制直流電機正反轉，進而控制EGR閥11工作。如圖2所示，基于上述柴油機EGR閉環控制系統，本發明的基于過量空氣系數的柴油機EGR控制方法包括以下步驟:(I)由安裝在柴油機凸輪軸上的轉速傳感器12采集柴油機當前運行的轉速信號，安裝在柴油機油門踏板處的油門踏板位置傳感器13采集柴油機當前運行的油門信號；(2)將轉速信號和油門信號傳遞至柴油機控制器9，由預置在柴油機控制器9內且預先標定好的過量空氣系數Map圖進行當前狀態下的過量空氣系數Map查詢，得出此時柴油機運行的最佳過量空氣系數值；(3)通過安裝在排氣總管6上的寬域氧傳感器8采集廢氣中的氧含量信號，并將該氧含量信號轉化成電壓/電流信號，輸入柴油機控制器9，進而進行過量空氣系數Map查詢，得出當前運行狀態下的實際過量空氣系數值；(4)最佳過量空氣系數值與實際過量空氣系數值傳輸至柴油機控制器9內的PID控制器，進行PID控制；(5) PID控制器將計算好的輸出量以PWM信號形式輸入至預先設置在柴油機控制器9內的H橋驅動器，通過H橋驅動器控制用于驅動EGR閥11動作的直流電機正反轉及轉速；(6)通過直流電機的正反轉及變化的轉速驅動EGR閥11開啟和關閉，以使實際過量空氣系數值接近最佳過量空氣系數值，實現廢氣再循環，達到理想的運行狀態。上述步驟(5)中，在PID控制器內，當接收到的實際過量空氣系數值大于最佳過量空氣系數值時，則控制EGR閥11開啟；反之，控制EGR閥11關閉。即EGR閥11的開度大小與實際過量空氣系數值和最佳過量空氣系數值的比值有關。上述步驟(3)中，如圖3所示，寬域氧傳感器8輸出氧含量信號轉化成的泵電流與過量空氣系數對應關系圖中，寬域氧傳感器8輸出的泵電流信號是傳感器為了實現內部感應室與測試腔氧濃度平衡所產生的一個電流信號。該泵電流信號的正負表征氧濃度的濃稀:泵電流信號為正說明氧濃度濃，即過量空氣系數大于I ;泵電流信號為負說明氧濃度稀，即過量空氣系數小于I。寬域氧傳感器8測量過量空氣系數的范圍在0.6 3之間較為精確，能保證柴油機控制器9實現高精度的控制。綜上所述，本發明提出的基于過量空氣系數的柴油機EGR系統控制方法，首先采集轉速信號和油門信號，在此基礎上通過查詢已標定的最佳過量空氣系數Map得出當前運行狀態下的最佳過量空氣系數，通過寬域氧傳感器8采集排氣氧濃度值得出柴油機當前的過量空氣系數值，進而通過柴油機控制器9進行廢氣再循環的閉環控制，計算并輸出驅動EGR閥11的直流電機控制信號，通過直流電機驅動EGR閥11實現廢氣再循環控制。上述各實施例僅用于說明本發明，各部件的連接和結構都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件的連接和結構進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
權利要求
1.一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統，其特征在于:它包括進氣總管、渦輪增壓器、中冷器、與柴油機各氣缸進口端連通的進氣歧管、與各氣缸出口端連通的排氣歧管、排氣總管、EGR回路、寬域氧傳感器、柴油機控制器、EGR冷卻器和EGR閥； 所述進氣總管進口端設置有所述渦輪增壓器，所述渦輪增壓器的空氣出口經所述進氣總管連接所述中冷器，新鮮空氣經所述渦輪增壓器后進入所述中冷器冷卻后，經各所述進氣歧管進入柴油機各氣缸；柴油機各氣缸出口端經各所述排氣歧管與所述排氣總管、EGR回路連通，所述排氣總管末端設置有所述寬域氧傳感器，且所述寬域氧傳感器位于所述EGR回路外，所述排氣總管出口端經所述渦輪增壓器將廢氣排出；所述寬域氧傳感器采集廢氣中的氧含量信號，將氧含量信號轉化為電壓/電流信號傳遞給所述柴油機控制器；所述EGR回路上依次設置有所述EGR冷卻器、EGR閥，流經所述EGR回路的廢氣經所述EGR冷卻器冷卻后進入所述進氣總管，與新鮮空氣在所述進氣總管內混合后經各所述進氣歧管進入柴油機各氣缸參與燃燒；經所述EGR冷卻器冷卻后的廢氣進入進氣總管的流量由所述EGR閥控制，所述EGR閥的閉合/開啟由一直流電機控制，該直流電機由所述柴油機控制器控制其工作； 所述柴油機控制器內預置有預先標定好的過量空氣系數Map圖。
2.如權利要求1所述的一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統，其特征在于:所述基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統還包括轉速傳感器和油門踏板位置傳感器；所述轉速傳感器安裝在柴油機凸輪軸上，用于采集柴油機運行的轉速信號，并將該轉速信號傳遞給所述柴油機控制器；所述油門踏板位置傳感器安裝在柴油機油門踏板處，用于采集當前的油門信號，并將該油門信號傳遞給所述柴油機控制器；所述柴油機控制器通過接收到的轉速信號和油門信號進行最佳過量空氣系數Map查詢，查得當前運行狀態下的最佳過量空氣系數值；所述柴油機控制器接收到的由所述寬域氧傳感器傳遞至的氧含量信號通過過量空氣系數Map查詢，得到當前運行狀態下的實際過量空氣系數值，并將該實際過量空氣系數值與最佳過量空氣系數值輸入所述柴油機控制器內的PID控制器，控制所述直流電機正反轉，進而控制所述EGR閥工作。
3.一種實現如權利要求1或2所述基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統的控制方法，其包括以下步驟: (O由安裝在柴油機凸輪軸上的轉速傳感器采集柴油機當前運行的轉速信號，安裝在柴油機油門踏板處的油門踏板位置傳感器采集柴油機當前運行的油門信號； (2)將轉速信號和油門信號傳遞至柴油機控制器，由預置在柴油機控制器內且預先標定好的過量空氣系數Map圖進行當前狀態下的過量空氣系數Map查詢，得出此時柴油機運行的最佳過量空氣系數值； (3)通過安裝在排氣總管上的寬域氧傳感器采集廢氣中的氧含量信號，并將該氧含量信號轉化成電壓/電流信號，輸入柴油機控制器，進行過量空氣系數Map查詢，得出當前運行狀態下的實際過量空氣系數值； (4)最佳過量空氣系數值與實際過量空氣系數值傳輸至柴油機控制器內的PID控制器，進行PID控制； (5)PID控 制器將計算好的輸出量以PWM信號形式輸入至預先設置在柴油機控制器內的H橋驅動器，通過H橋驅動器控制用于驅動EGR閥動作的直流電機正反轉及轉速；(6)通過直流電機的正反轉及變化的轉速驅動EGR閥開啟和關閉，以使實際過量空氣系數值接近最佳過量空氣系數值，實現廢氣再循環，達到理想的運行狀態。
4.如權利要求3所述的一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制方法,其特征在于:所述步驟(5)中，在PID控制器內，當接收到的實際過量空氣系數值大于最佳過量空氣系數值時，則控制所述EGR閥開啟。
5.如權利要求3或4所述的一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制方法，其特征在于:所述步驟(3)中，所述寬域氧 傳感器測量過量空氣系數的范圍在0.6 3之間。
全文摘要
本發明涉及一種基于過量空氣系數的柴油機EGR控制系統及控制方法，由轉速傳感器和油門踏板位置傳感器采集當前運行的轉速信號和油門信號；將轉速信號和油門信號傳遞至柴油機控制器，由柴油機控制器內的過量空氣系數Map圖進行查詢，得出此時柴油機運行的最佳過量空氣系數值；通過寬域氧傳感器采集廢氣中的氧含量信號并輸入柴油機控制器，進行過量空氣系數Map查詢得出實際過量空氣系數值；最佳過量空氣系數值與實際過量空氣系數值傳輸至柴油機控制器內進行PID控制，通過H橋驅動器控制用于驅動EGR閥動作的直流電機正反轉及轉速；通過直流電機的正反轉及變化的轉速驅動EGR閥開啟和關閉，以使實際過量空氣系數值接近最佳過量空氣系數值，實現廢氣再循環，達到理想的運行狀態。
文檔編號F02D21/08GK103195594SQ20131011198
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者劉波瀾, 趙長祿, 張付軍, 崔濤, 李繼鵬 申請人:北京理工大學