汽油发动机线性EGR阀故障诊断策略研究

曹慧颖，李杰，代永刚，肖海云，解小超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

使用维修

汽油发动机线性EGR阀故障诊断策略研究

曹慧颖，李杰，代永刚，肖海云，解小超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于直流电机驱动的线性废气再循环阀，从车辆下线、售后及正常驾驶循环考虑，对阀的故障诊断及相关控制策略进行了研究，包括传感器线路故障诊断、零位自学习诊断、位置偏差诊断以及自清洁控制逻辑等，提高汽油机EGR系统安全性。

汽油机；线性废气再循环阀；诊断

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-189-03

1、概述

废气再循环（exhaust gas recycle，EGR）技术可有效降低缸内燃烧温度，继而降低NOx排放是降低NOx排放最有效的措施之一[1，2]。另一方面，在汽油机部分负荷工况应用EGR技术可有效提高进气歧管压力，在同等负荷下增大节气门开度，减少泵气损失，从而达到改善发动机燃油经济型的目的[3,4]。因此，EGR系统在汽油发动机上的应用越来越广泛。据统计，传感器和执行器的故障占到控制系统总故障的80%左右[5]。EGR阀作为高重要度的执行器，其故障诊断策略显得尤为重要。因此本文将基于直流电机驱动的线性EGR阀对其诊断控制策略进行研究和设计。

2、EGR阀控制系统

线性EGR阀一般主要由 EGR阀阀体、驱动电机、齿轮箱减速机构、EGR阀阀杆组件 、EGR阀阀杆位置传感器、回位弹簧等组成。

图1 EGR闭环控制系统结构示意图

如图1所示，EGR阀控制系统采用闭环控制。在发动机台架标定时，一般基于合理分配各缸EGR废气引入量且尽可能提高发动机对EGR废气的容忍度的基础上，完成不同发动机工况下的EGR率标定MAP，在车辆正常行驶过程中，ECU读取发动机负荷、发动机转速等输入信号，根据标定MAP通过查表法确定当前所需EGR率，并计算所需EGR阀开度，进而计算出驱动信号占空比。同时ECU读取当前位置传感器的反馈信号，采用PID闭环控制算法实现EGR目标开度的控制。

3、EGR阀故障诊断策略研究

内燃机产生的一部分废气通过EGR阀从排气管引入进气管中，阀体的工作环境较恶劣，容易出现积碳、卡滞等现象影响EGR阀的正常工作。EGR异常工作将会对车辆动力性、经济性及排放均产生影响。本文将设计一套EGR诊断控制系统，有利于ECU及时发现并处理或报出故障，提高系统安全性。

3.1 EGR阀位置传感器线路故障诊断

目前行业内普遍采用的EGR阀都具备能够反馈当前EGR阀开度的位置传感器。位置传感器信号失效会导致EGR控制不稳定，因此必须监控EGR位置反馈电压信号是否有短路或断路故障。该诊断为常规的线路短/断路诊断，一般在车辆工况条件满足的情况下，读取传感器线路电压信号和ECU内部设定的限制做对比来判断是否发生故障。

3.2 EGR首次零位自学习

在车辆下线或车辆售后更换EGR阀时，ECU须读取并记录EGR阀的初始零位，称为首次零位自学习，用于判断EGR阀硬件是否合格，并作为正常驾驶循环中EGR阀体特性是否发生偏移的诊断依据。在EGR阀的使用生命周期内仅进行一次首次零位自学习。

3.2.1 车辆下线自学习

ECU完成下线零位自学习后，其内部会存储该零位值，并将相关标志位置位。如图2所示，钥匙打到ON档，ECU通过内部记录的EGR阀首次零位自学习值PEGRZERNV和自学习标志位FEGRZER确认未进行过EGR首次零位自学习，ON档维持超过一定时间t1之后（为了使EGR状态稳定），ECU读取EGR零位信息PEGRZER，并进行零位合理性诊断，诊断通过之后即可将此时读取的零位作为PEGRZERNV存储到ECU内存中，并将FEGRZER置位。

图2 车辆下线自学习流程图

3.2.2 换阀首次自学习

当EGR发生老化或故障需要更换新阀时，ECU须完成新EGR阀的首次零位自学习，并对该零位值进行合理性诊断。换阀后的首次零位自学习通过油门踏板的动作来激活，并定义油门踩下及松开的有效深度、油门踩踏的次数、操作的时间等来约束功能的激活，避免误激活的发生，如图3所示：

图3 换阀首次自学习过程示意图

3.2.3 零位合理性诊断

车辆在出厂时必须保证EGR阀是合格的，合格的EGR阀其首次自学习零位电压应在厂家定义的范围内，否则报相关故障并记录故障码，即：

式中：UEGR代表ECU当前读取的EGR阀零位电压值；Uzerl代表阀体厂家定义的EGR阀零位电压最小值；UzerH代表阀体厂家定义的EGR阀零位电压最大值。

3.4 零位学习值偏差诊断

EGR阀工作环境恶劣，零位学习值偏差诊断是为了识别由于积碳、内部弹簧老化等原因导致EGR零位电压偏移过大，进而影响EGR系统正常使用的情况。该诊断每个驾驶循环开始时仅进行一次。诊断使能条件为：ON档维持超过一定时间t2、期望EGR阀开度PEGRdes为零、无EGR阀位置传感器线束故障。诊断使能则诊断使能计数器Sample counter 加1；ECU将读取的当前EGR零位值PEGRZER与PEGRZERNV比较，超出阈值则诊断失败计数器Fail counter加1。Sample counter超出阈值N1但Fail counter未超出阈值N2时，两个计数器均清零，Sample counter未超出阈值N1而Fail counter超出阈值N2时，报零位学习值偏差超差故障。

图4 零位学习值偏差诊断流程图

3.5 EGR阀位置偏差诊断

恶劣的使用环境可能导致EGR阀阀杆运动不畅或卡滞。当目标开度PEGRdes不为零且维持t3时间保持不变的情况下，通过考核EGR阀的实际开度PEGR与PEGRdes的差值是否超出阈值Pth来进行EGR阀位置偏差诊断，作为判断EGR阀阀杆运动不畅或卡滞的依据。

图5 位置偏差诊断流程图

3.6 自清洁

当诊断出位置偏差超出阈值后，需要在不影响驾驶性的情况下（如减速断油工况或车辆下电后ECU掉电前）进行自清洁，同时，在一个驾驶循环内，减速断油工况次数达到一定量后，无论ECU是否诊断出位置偏差，都可在减速断油工况进行一次自清洁，最大限度避免EGR阀的卡滞。自清洁过程如图6所示：

图6 自清洁过程示意图

图中，DEGR代表EGR阀驱动占空比，TCLN代表自清洁计时器；t4、t5、t6分别为自清洁各阶段位置的时间阈值。

4、结束语

在节能减排和日趋严格的油耗限值的大形势下，大力推广、应用先进的发动机节能技术将成为未来一段时间汽车厂家研究的方向[6]。EGR系统作为节油和优化排放的行之有效的手段使得EGR阀将越来越多的出现在汽油发动机上。作为高重要度的执行器，本文基于直流电机驱动的线性EGR阀对故障诊断策略进行了研究，对提高EGR阀在汽油发动机上应用的系统安全性具有重要意义。

[1] Pradeep V, Sharma R P. Use of hot EGR for Nox control in a compression ignition engine fuelled with bio-diesel from Jatropha oil[J]. Renewable Energy,2007,32:1136-1154.

[2] 禇超美,高超,李虎强.基于内部EGR率控制的柴油机排气凸轮型线仿真设计研究[J].内燃机工程.2011,32（6）：44-47.

[3]Duchaussoy Y, Lefebvre A ,Robert B, Dilution interest on turbocharged SI engine combustion[C]//SAE 2003-01-0629,2003.

[4] Cairns A,Blaxill H,Irlam G. Exhaust gas recirculation for improved part and full load fuel economy in a turbocharged gas-oline engine [C]//SAE 2006-01-0047,2006.

[5] 黄孝彬,刘吉臻,牛玉广．控制系统执行机构故障的检测与诊断[J].控制工程,2003,10(5)：165—169．

[6] 范振阳.EGR和VVT在汽油机涡轮增压中的应用[D]. 哈尔滨,哈尔滨工业大学学位论文,2015:1-3.

A Study on the Linear EGR Valve Fault Diagnosis Method of Gasoline Engine

Cao Huiying, Li Jie, Dai Yonggang, Xiao Haiyun, Xie Xiaochao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the linear EGR(exhaust gas recycle) valve driven by DC motor, a valve fault diagnosis and control method is studied considering of EOL, customer service and common driving cycle, including sensor circuit diagnostic, zero position self-learning diagnostic, position error diagnostic and self-cleaning logic, etc. The method could enhance the security of the gasoline engine EGR system.

Gasoline engine; linear exhaust gas recycle valve; diagnostic

U472.4

A

1671-7988 (2017)08-189-03

曹慧颖，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.064