船舶柴油机冷EGR自控系统设计研究

董志强，姜莉莉

(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

0 引言

柴油机以其热效率高，功率范围大，使用寿命长等优点在船舶领域有着广阔的应用前景。但船舶柴油机也是全球大气污染的一个重要源头，伴随着相关海洋环境保护法规的出台，降低有害物的排放成了船舶柴油机生产商迫切解决的问题。目前，世界各大船舶柴油机生产商大都选择了SCR技术(选择性催化还原技术)以应对2016年即将实施的Tier III排放法规，但SCR技术设备投资费用高、运行成本大，这使得价格低廉的EGR技术成为了新的研究方向。EGR技术(废气再循环技术)就是利用EGR阀将少量废气引入进气管与新鲜空气混合后进人气缸进行燃烧，降低燃烧速度和燃烧峰值，从而破坏NO高温富氧的生成条件，冷EGR就是在进行废气再循环的过程中对EGR废气冷却来降低混合气燃烧的温度，从而更大程度上抑制NOx的生成，冷EGR不仅可以降低柴油机的NOx排放，而且可以降低HC排放，车用冷EGR已经被广泛研究，但对于船舶冷EGR技术却探究较少，本文研究了一种可以对EGR温度进行实时控制的应用于船舶柴油机的自控冷EGR系统。

1 冷EGR系统总体设计

冷EGR系统是从柴油机的排气管取废气，废气经过EGR阀、EGR海水冷却器冷却后在文丘里管中与新鲜的空气混合后进入气缸参与燃烧，冷EGR系统总体设计如图1所示，柴油机运行过程中控制系统根据对各种传感器送来的信号进行判断、分析、处理和运算后，发出水泵转速控制命令，使海水从舷外或船体海水冷却系统引入，经过直流电动水泵后流入EGR冷却器，最后经单向阀流回舷外或船体海水冷却系统。其中冷却器中采用冷热流体逆向的方式，电动水泵用来控制冷却水的循环量，单向阀用来防止海水的回流，电源由船舶提供。

图1 冷EGR系统原理图

2 冷EGR自控系统设计

2.1 自控系统控制方法

自控系统整体控制方法为开环控制，PID反馈控制用于对具体执行机构进行控制。开环控制是总体控制方法，PID控制是辅助控制方法。

以柴油机冷EGR试验得到的不同工况下最佳冷却温度和柴油机转速、负荷的信号，由ECU判断属于哪一种工况，然后将该工况下实际测得的参数转化为控制信号来控制伺服电动水泵的转速，从而达到用控制冷却水的循环量来控制EGR温度目的。

PID控制主要是PID算法控制，通过调节PWM信号的占空比来控制电动水泵的平均转速，低于ECU所设定的EGR冷却温度范围时，水泵不运转，在设定的温度附近时，自控系统自动调节水泵转速来改变水的循环量，使得EGR冷却温度控制在设定的温度范围。

以车用冷EGR试验方法即通过不同工况和转速下进行的冷EGR试验得到EGR冷却温度对柴油机性能和排放的影响规律对船用柴油机进行冷EGR试验，参考得到的EGR冷却温度对柴油机性能和排放的影响规律以及柴油机的EGR使用原则:低温低速时和高温高速时不进行EGR；低速小负荷和高温小负荷和高速中负荷时EGR投入使用，确定了船用柴油机YC4F90L-C20的EGR冷却温度范围，如表1所示。

表1 船用柴油机YC4F90L-C20的EGR冷却温度范围

2.2 自控系统硬件设计

控制单元采用AT89S52单片机作为核心部件，冷EGR控制原理图如图2所示，其中反馈信号由排气温度传感器和冷却后EGR温度传感器提供，用于ECU控制电动水泵转速，转速信号由柴油机转速传感器提供，负荷信号由供油位置齿条传感器提供。当柴油机的转速过低、负荷较小或转速过高、负荷过高时，对再循环废气不进行冷却，ECU控制电动水泵不转动。机体温度信号由机体淡水温度传感器提供，当柴油机温度过低时，对再循环废气不进行冷却。各种信号首先由信号放大处理电路对传感器的弱电信号放大，同时对一些非线性信号进行线性化处理，对开关信号进行滤波处理和电位变换。然后A/D电路对发动机负荷信号和冷却后EGR温度信号进行数字化处理后输入单片机，机体淡水信号为数字信号可直接输入到单片机中，转速信号为脉冲信号。驱动电路是完成对直流电动水泵的驱动。

图2 冷EGR控制系统原理图

2.3 自控系统软件设计

模块化程序设计作为自控系统软件设计的方法，主要是方便各模块的单独设计、编程和调试，各模块之间通过软件接口连接。程序模块有:主程序模块、A/D转换模块、循环采样模块、PID计算模块等，软件部分主要完成柴油机转速、负荷、EGR温度和机体淡水温度信号的循环采样、查表和运算处理、PID计算、PWM信号驱动执行等功能。其中首先将EGR的冷却温度范围作为查表程序的数据源存入单片机。主程序框如图3所示。

图3 主程序框图

PID控制原理图如图4所示，PID控制的基值信号是由单片机判断的发动机工况查表获得的EGR的冷却温度的值，再由冷却后EGR温度传感器提供的实际的EGR废气温度信号为反馈信号。PID计算主要是在单片机接收到串口的控温指令和温度数据后，把采集到的实时温度与控温要求的温度相比较后得出控制量，用该控制量去控制PWM输出，再驱动MOS管改变电机两端的平均电压，进而控制电机的转速来调节冷却水循环量。改变EGR废气温度的目的，使得EGR的温度值达到规定的温度范围。

图4 PID控制系统原理图

温度信号的循环采样由冷却后EGR温度采样控制程序完成，首先调用数字滤波程序对采样数值进行处理并判断所检测温度是否超出设定的温度范围，然后控制电动水泵的转速等动作。温度采样控制程序流程如图5所示。当冷却后EGR温度达到规定值Tg±5℃时，水泵保持原速运转，当EGR温度高于Tg±5℃时，由PID计算差值，并调节PWM波的占空比，调节电机两端的平均电压的方法提高电动水泵的转速，保证EGR冷却温度达到设定值范围。

图5 冷却后EGR温度采样控制程序框图

3 试验结果

在YC4F90L-C20船舶柴油机上做了装有该冷EGR系统与无EGR的对比试验(图 6)，其中在转速为1 500r/min时，对比结果如图6(a)，图6(b)，图 6(c)，图6(d)所示:采用冷EGR后NOx排放量比无EGR时减少13.3%～22.1%，HC排放量基本保持不变，CO排放量有所减少，碳烟的量也有所下降。

图6 有冷EGR系统与无EGR系统对比试验图

4 结语

本文对船舶柴油机降低有害排放物的方法进行了探究，验证了该冷EGR系统在船舶柴油机降低排放方面的可行性，试验表明，船舶柴油机在安装了冷EGR自控系统后，在保持HC和CO的排放基本不变的情况下，能有效的降低NOx的排放量，烟度也有所下降，达到了较好的排放效果，保护了环境。

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