高压共轨柴油机EGR 阀卡滞保护控制策略研究

2021-05-05宁黛宇申立中王正江

农业装备与车辆工程 2021年4期

宁黛宇，申立中，王正江

（650000 云南省昆明市昆明理工大学云南省内燃机重点实验室）

0 引言

柴油发动机具有高效率、低油耗、扭矩大、经济性好的特点，被广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械以及军事等领域[1]，但柴油机中氮氧化合物（NOX）和颗粒物（PM）是柴油机排放控制的重点和难点[2-3]，随着社会经济的发展，节能减排成为柴油机技术革新的方向。

对于中小型柴油机而言，废气再循环（EGR）是降低柴油机NOX排放的最有效措施之一[4-6]。高温、富氧是生成NOX的主要条件，而EGR 技术是将排出的部分废气引入进气管与新鲜空气进行混合，降低缸内最高燃烧温度和氧浓度，从而达到降低柴油机NOX排放的目的[7-9]。但废气一般具有较高的温度，因此，需要使用冷却器对废气进行冷却。过低的EGR 冷却温度会导致废气中的未燃碳氢化合物、碳烟、一氧化碳和水蒸气等凝结，可能导致EGR 阀卡滞、阀门闭合不严等问题，影响 EGR 阀的精度以及工作可靠性[10-12]。

冯仰利[13]等针对某欧Ⅳ柴油发动机EGR 冷却系统冷却能力过强导致EGR 阀积碳现象进行了试验分析，通过对EGR 冷却系统结构优化来改善EGR 积碳问题，并通过耐久试验验证了优化后的EGR 冷却系统的合理性。张岩焕[14]等针对国Ⅳ柴油机在试验中发生结焦卡滞问题进行了研究，通过试验分析，得出EGR 阀前温度在65～85 ℃会出现结焦现象，其原因主要是EGR 阀前温度过低。陈洪[15]通过对EGR 系统积碳以及颗粒卡滞物的分析研究，确定了过度冷却的燃烧废气致使废气进气歧管内壁腐蚀脱落是导致EGR阀卡滞的原因所在。通过调节EGR 废气冷却器的冷却温度，并进行耐久试验解决EGR 阀卡滞原因。综上所述，目前对EGR 阀卡滞问题的研究都主要集中在积碳的形成原因以及对EGR 冷却系统的改善，专门针对EGR 阀卡滞保护控制策略的研究还较少。

本文针对EGR 阀的卡滞所导致的电流持续增大问题，提出了EGR 阀卡滞保护控制策略。此控制策略对延长EGR 阀的使用寿命和保证柴油机运行性能具有重要意义，为EGR 的控制提供理论依据。

1 试验装置与方案

1.1 试验设备

本试验所用到的EGR 阀型号为DF0200-96 电动阀。在140 ℃环境温度下，电机能持续承受的安全电流为1.1 A，此时对应的占空比为30%。当占空比超过30%不大于40%时，持续时间不能超过15 s；占空比大于40%小于80%时，持续时间不超过10 s；占空比大于80%，持续时间不超过5 s。该EGR 阀的基本参数如表1 所示。

为了验证EGR 阀保护控制策略，搭建了试验平台，如图1 所示。试验装置主要通过美国英特佩斯公司研发生产的ValueCAN3 建立PC 机与实验室自主开发的电子控制单元（ECU）的通讯，将EGR 阀卡滞保护控制策略从PC 端拷入ECU中，将ECU 与EGR 阀相连接，控制EGR 阀的开闭状态，将示波器与EGR 阀连接，时刻记录EGR 阀在运行时的电流变化。

1.2 试验方案

为了验证EGR 阀卡滞保护控制策略的实际控制效果，在相同的试验条件下，通过限位器模拟EGR 阀在不同位置卡滞时，对比分析EGR 阀卡滞时有、无EGR 阀卡滞保护时占空比和电流的变化情况。

2 EGR 阀在不同位置卡滞的电流变化

图2 所示为EGR 阀正常运行以及在不同位置卡滞时电流的变化情况，分别选取了EGR 阀正常运行，0% 开度、30% 开度、50% 开度、70%开度卡滞时电流的变化情况。从图2 中可以看出，EGR 阀正常运行时，电流最大能达到0.84 A。第7 s 时，EGR 阀的电流保持在0.6 A，说明此时EGR 阀已经到达全开位置，在整个过程中电流的变化范围均处于安全电流1.1 A 内。

从图2 中可以看出，EGR 阀在不同位置卡滞时，电流所能到达的最大值为3.8 A，远远超过了EGR 阀的安全电流。而且随着EGR 阀卡滞的位置不同，电流变化速度也不同。随着EGR 阀卡滞所在的开度越小，电流到达最大电流的时间越短。EGR 阀在全关位置卡滞时，电流到达最大值所用时间越短；在70%开度卡滞时，所用时间越长。这是由于不同卡滞位置的偏差不同所导致的。随着偏差的增大，EGR 阀占空比越大，驱动阀门运行的电流变化就越快。

当EGR阀出现卡滞情况后不及时采取措施，电流会一直保持在3.8 A 左右，EGR 阀长时间处于这种环境下，电机温度升高，EGR 阀会因为过高的温度被烧毁。

3 EGR 阀控制策略设计

3.1 EGR 占空比计算

柴油机EGR 阀实质是一个直流电机，是通过PWM 信号进行控制的。EGR 阀控制策略根据实时EGR 阀的位置对EGR 阀进行反馈控制。控制策略架构如图3 所示。根据ECU 采集EGR阀位置电压信号，通过EGR 位置特性曲线得到EGR 阀的实际开度，由EGR 开度控制策略得到目标开度，EGR 阀目标开度与实际开度作差得到控制偏差，根据控制偏差的范围选择PID 控制器的参数，将PID 参数与偏差作为输入变量传入PID 控制器计算EGR 阀占空比。在试验过程中，为了防止EGR 阀被烧毁，通过限值模块对EGR阀占空比进行限制，EGR 卡滞保护模块根据控制偏差判断EGR 阀的卡滞状态。当监测到EGR 阀存在控制偏差，此时，保护控制策略会计算出一个附加占空比，增加EGR 阀的驱动力。如果增加占空比之后偏差还是存在，说明此时EGR 阀处于卡滞状态，ECU 对EGR 阀进行断电处理并向故障诊断系统（DSM）报告错误。

附加占空比通过时间积分器进行计算，当控制偏差为正，计算出正附加占空比；当控制偏差为负，计算出负的附加占空比。由于增加附加占空比之后，驱动电流会相应增加，长时间之后同样会对EGR 阀造成损坏，因此，需要对附加占空比进行限制。在本文中，附加占空比的范围为-10%～10%。当ECU 监控到EGR 不存在控制偏差或EGR 阀处于卡滞状态时，对积分器进行初始化。

3.2 PID 控制器

在EGR 阀控制策略中采用的控制方式为PID 控制，具有结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点。PID 的控制原理是通过偏差利用比例、积分和微分计算出控制量进行控制。PID 控制器的使用能够加快EGR 系统的响应速度，从而提高调节精度并消除系统的稳定误差。PID 控制原理如图4 所示。

图4 PID 控制原理Fig.4 PID control principle

PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。比例部分可以加快系统的响应速度，从而提高调节精度。积分部分能够消除系统稳定误差。微分部分能够改善系统的动态特性，在运行过程中抑制偏差的变化，提高系统的稳定性[16]。PID控制是将误差信号e(t)的比例，积分和微分通过线性组合构成控制量进行控制，其对应的表达式为

式中：KP——比例系数；TI——积分时间常数；TD——微分时间常数；e（t）——偏差；u（t）——控制量。

比例环节能够成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立刻产生控制作用，减少偏差。积分环节主要是用于消除静差，提高系统的误差度，积分作用的强弱主要取决于积分常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节主要是反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并在偏差信号过大之前，将系统引入一个有效的早期修正信号，加快系统速度，减少调节时间。

3.3 EGR 阀卡滞保护控制策略

EGR 阀卡滞保护控制策略的主要目的是根据控制偏差判断EGR 阀卡滞状态，当EGR 阀处于卡滞状态时进行断电处理，保护EGR阀不被烧毁。在EGR 阀运行过程中，首先通过EGR 阀的实际开度与目标开度的偏差判断EGR 阀是否卡滞，即在一定时间周期内，EGR 阀的实际位置是否能达到目标位置，判断EGR 阀的实际值与目标值是否存在永久控制偏差。如图5 所示为EGR 阀卡滞诊断流程。在EGR阀的开启或者关闭过程中，当ECU 监测到EGR 阀实际位置在一定时间内未能达到目标值，此时，EGR 保护控制策略会在电流保护限制下给EGR 阀增加一个较高的占空比驱动电机，使EGR 阀向目标开度移动。保持一段时间之后，如果偏差仍然存在，EGR 阀无法移动到目标值，说明此时EGR 阀处于卡滞状态。

图5 EGR 阀卡滞诊断流程Fig.5 EGR valve stuck diagnosis process

当确定EGR 阀处于卡滞状态后，EGR 阀保护控制策略会立刻通过ECU 控制EGR 阀电流和占空比迅速降低直至为0，关闭EGR 驱动，防止EGR 阀长时间处于高电流状态下烧毁EGR 阀。

4 试验结果与分析

为了验证EGR 阀卡滞保护控制策略的时效性和准确性，本文通过对EGR 阀全关位置卡滞、75%开度卡滞以及正常运行过程中突然卡滞这3种不同情况进行研究分析。

4.1 EGR 阀位于全关位置卡滞

如图6 所示为EGR 阀在全关位置卡滞时占空比的变化情况。从图5 中可以看出，当ECU控制EGR 阀从全关位置运行到全开位置时，由于EGR 阀实际开度在0%不变，偏差从EGR 开始运行时，就产生并随着EGR 阀目标开度增大而增大，从0%上升至97%。随着偏差的急剧增大，占空比在短时间内到达最大阈值并保持。在此过程中，EGR 阀的实际开度由于过大的驱动力会有3%左右的开度。延时t1 时间之后，ECU 会计算一个随时间增大的附加占空比来加大驱动力。当附加占空比增大到最大值10%时，EGR 阀实际开度还是保持不变，此时判定EGR处于卡滞状态。附加占空比被初始化。ECU 立刻切断EGR 阀的驱动电流，因此占空比降为零。此时，由于驱动力的消失，EGR 阀实际开度重新回到全关位置，偏差继续上升至100%。

图6 EGR 阀全关位置卡滞占空比变化Fig.6 Duty cycle change of EGR valve at fully closed position

如图7 和图8 为EGR 阀在全关位置卡滞时，EGR 系统存在卡滞保护及不存在卡滞保护时的占空比与电流的对比曲线。从两图中可以明显看出，EGR 阀在卡滞后，不进行卡滞保护时，占空比会持续输出最大值，驱动电流也一直保持在3.8 A；而在进行卡滞保护控制之后，ECU 监控到EGR阀卡滞后，立刻采取措施，驱动电流和占空比都会迅速降为0，避免了EGR 长时间处于高电流环境中，烧毁EGR 阀。

图7 全关位置卡滞时电流对比Fig.7 Comparison of current when stuck at fully closed position

图8 全关位置卡滞时占空比对比Fig.8 Duty cycle comparison when stuck at fully closed position

4.2 EGR 阀在75%开度位置卡滞

如图9 所示为EGR 阀从75%开度运行至全关位置，EGR 阀在75%开度卡滞时，EGR 阀占空比变化情况。从图9 中可以看出，由于此时EGR 阀电机反转，产生负控制偏差。随着负偏差的增大，I 也不断进行负积分，当积分饱和之后占空比保持不变。此时由于较大的驱动力，会导致EGR 阀往回移动3%左右。当偏差保持t1 时间之后，ECU 开始计算附加占空比，增大EGR 阀的驱动力驱动电机运行；当附加占空比到达-10%时，EGR 阀保持不变，ECU 判断此时EGR 阀处于卡滞状态，附加占空比被初始化为0，并对EGR 阀进行断电处理，占空比降为0。此时由于没有驱动力作用于EGR 阀上，阀门回到75%开度位置，负偏差继续增大至-75%。

图9 EGR 阀70%位置卡滞占空比变化Fig.9 Duty cycle of EGR valve stuck at 70% position

图10 和图11 为EGR 阀在75%开度卡滞时，存在卡滞保护以及不存在卡滞保护时的占空比与电压的对比。从图中可以明显看出，当EGR 阀卡滞后，未进行卡滞保护时，电流和占空比都会保持在最大值；使用卡滞保护后，电流和占空比会在卡滞故障标志位被置位之后都降为0。试验结果表明：EGR 阀在75%开度卡滞时，保护控制策略能够监控卡滞状态并且通过断电对EGR阀起到保护作用。

4.3 EGR 阀运行过程中卡滞

图10 EGR 阀70%开度卡滞时电流对比Fig.10 Current comparison when EGR valve is stuck at 70% opening

图11 EGR 阀70%开度卡滞时占空比对比Fig.11 Duty cycle comparison of EGR valve with 70% opening stuck

图12 EGR 阀运行至30%开度卡滞占空比变化Fig.12 Duty cycle change of EGR valve when EGR valve operating to 30% opening degree

图12 为EGR 阀从全关位置运行至全开位置过程中在30%开度卡滞时EGR 占空比变化情况。从图12 中可以看出，在第5 s 之前，偏差呈现先升高后稳定的趋势，这是由于EGR 系统存在响应滞后的问题。当EGR 阀运行到30%开度时，阀门突然保持不动，此时，偏差随着目标值增大而增大。由于偏差的急剧增大，从6%上升到67%，占空比也从10%上升至47.5%。此时，由于驱动力过大导致EGR 阀的实际开度会有3%左右的上升；在第6 s 的时候，ECU 计算出一个随时间增加的附加占空比，增大EGR 阀驱动力。当附加占空比增加到10%的时候，EGR 阀保持不变，说明EGR 阀处于卡滞状态。附加占空比被初始化为0，同时，ECU 立刻对EGR 阀进行断电处理，占空比急剧下降直至0%。由于此时没有驱动力作用于阀门上，EGR 阀实际开度回到全关位置，而偏差上升至100%。

图13 和图14 为EGR 阀从全关位置运行至全开位置过程中EGR 阀在30%开度卡滞时，进行卡滞保护与不进行卡滞保护时占空比与电流的对比情况。从图中可以看出，当EGR 阀卡滞后，不进行卡滞保护时，EGR 阀占空比和电流都会保持最大值输出。而进行卡滞保护后，EGR 阀卡滞故障标志位被设置后，占空比和电流都降为0。试验结果表明：EGR 阀在运行过程中卡滞时，保护控制策略能够有效监测出卡滞状态并进行断电处理，有效保护了EGR 阀。