降低准均质稀燃汽油机NO_x排放的电控系统研制

第10卷第5期2004年10月燃󰀁烧󰀁科󰀁学󰀁与󰀁技󰀁术

JournalofCombustionScienceandTechnologyVol.10No.5

󰀁

Oct.2004

降低准均质稀燃汽油机NOx排放的电控系统研制

󰀁

李志军,张广宇,刘书亮,王󰀁莉,刘德新,刘伍权

(天津大学机械工程学院,天津300072)

摘󰀁要:为了配合稀NOx吸附󰀁还原催化转化器的正常工作,开发了一套稀燃汽油机电控系统.该系统不仅可以任意设定汽油机浓、稀燃的空燃比大小和间隔时间长短,而且可以使稀NOx吸附󰀁还原催化转化器在稀燃时,控制汽油机按稀燃状态运行;而在浓燃还原再生过程中,电控系统自动调小节气门开度和点火提前角,使得汽油机对外输出的扭矩稳定.将该系统应用于一台丰田8A󰀁FE16气门EFI汽油机,实验结果表明,研制的稀燃电控系统,达到了设计的要求.

关键词:准均质稀燃汽油机;NOx排放;吸附󰀁还原催化

中图分类号:TK411+.25󰀁󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:1006󰀁8740(2004)05󰀁0400󰀁05

AnElectronicControlSystemDevelopmentofReducingNOxEmission

inaQuasi󰀁HomogeneousLeanBurnGasolineEngine

LIZhi󰀁jun,ZHANGGuang󰀁yu,LIUShu󰀁liang,WANGLi,LIUDe󰀁xin,LIUWu󰀁quan

(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:ForthespecialrequirementsfromNOxadsorber󰀁reductioncatalyst,anelectroniccontrolsystemwasdeveloped.ThesystemcansetdifferentA/Fandtimeinterval.Intherichoxygenburncondition,thesystemcontrolstheenginetooperateleanburnrunning.Inthereductioncondition,thesystemreducestheopeningofthrottleandadvancesignitiontimingautomaticallyinordertoobtainconstantoutputpower.ThesystemwasexperimentedonToyota8A󰀁FE16valvesEFIleanburngasolineengine,andtheresultsshowedthatthesystemmeettherequirementsofNOxadsorber󰀁reductioncatalystoperation.Keywords:quasi󰀁homogeneousleanburngasolineengine;NOxemission;adsorber󰀁reductioncatalyst

󰀁󰀁汽油机稀燃具有燃油消耗率低和排放好的特点.但是,由于汽油机的富氧燃烧,使得汽油机的氮氧化物NOx排放降低较少.传统的电控燃油喷射EFI和三元催化转换器TWC技术的结合可以同时有效地降低按理论空燃比工作的汽油机CO、HC和NOx三种有害排气污染物,但稀燃时其NOx排放降低较少.目前降低稀燃汽油机NOx排放主要方法有废气再循环EGR(exhaustgasrecirculation)[2,3]和选择还原催化技术.利用废气再循环降低NOx排放,在EGR率高时会降低火焰传播速度从而使燃油消耗率增大,虽然Ricardo公司开发的具有可变滚流结构系统CCVS(com󰀁

󰀁收稿日期:2004󰀁05󰀁14.[4,5][1]

bustioncontrolthroughvortexstratification)[5]可使缸内混合气实现良好的排气分层燃烧系统EGS(exhaustgas

stratification),EGR率最大可到70%,但其结构复杂,较难实现.选择还原催化技术,由于其耐水、热稳定性差,NOx催化转化率低,难以满足严格的排放标准要求.因此,需要发展降低氮氧化物催化系统来进一步降低稀燃发动机的NOx排放.NOx吸附󰀁还原催化转化器在宽广的温度范围内,具有高效的NOx催化转化率,是一种比较可行的方法,但其正常工作时,需要发动机进行周期性的空燃比浓稀变化,且要求在发动机浓稀变化时,对外输出的扭矩变化较小,即恒扭矩技术.为了满

󰀁󰀁󰀁基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276042);国家自然科学基金重点资助资目(59936130).󰀁󰀁󰀁作者简介:李志军(1962󰀂󰀁󰀁),男,工学博士,副教授,Lizhijundd@163.com.2004年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李志军等:降低准均质稀燃汽油机NOx排放的电控系统研制 401

足NOx吸附󰀁还原催化转化器的工作需要,本文研制了一套适用于准均质稀燃汽油机的电控系统并在一台夏利2000型8A󰀁FE16气门EFI发动机上进行了相关实验,结果表明,研制的电控系统可以满足NOx吸附󰀁还原催化转化器的工作要求.

驱动电路、喷油器驱动电路、电控节气门(ECT)系统等).

1.1󰀁电子控制器ECU单元

󰀁󰀁电子控制器ECU的作用是将输入信号按设定的程序进行计算处理,并输出处理结果.它除包括微处理器外,还包括存储器、A/D转换器、输入输出通道、通讯接口等元件.本电控系统ECU的核心微处理器采用目前常用的西门子(Siemens)公司的16位单片机C167系列的C167CR󰀁LM[6].C167系列单片机功能强大,它包含了发动机电控系统所需要的几乎所有功能,且具有良好的抗干扰性,非常适用于车用发动机ECU.本电控系统中的C167CR芯片集成在西门子公司提供的Kit󰀁CON󰀁167CS实验板上,将实验板与自行开发的外围电路板结合在一起,构成电控系统ECU硬件的主要部分,参见图1.

1.2󰀁数据采集(包括传感器、数字滤波和数据处理)单

元

󰀁󰀁数据采集单元包括传感器、数字滤波和数据处理等系统.通过传感器检测发动机的运行工况及其变化,并将这些信息以电信号的形式传送给控制单元ECU,由ECU完成决策和控制功能.下面介绍本电控系统中应用的主要传感器.

1󰀁稀燃电控系统设计

󰀁󰀁研制开发的电控准均质稀燃汽油机系统可以针对发动机的不同工况确定发动机的运行状态,即高负荷时,发动机运行于化学当量比状态,以满足发动机动力性要求;中、小负荷时,发动机应运行在稀薄燃烧状态,发挥稀燃经济性好、排放低的优势.电控系统还可以精确控制汽油机空燃比大小,可以将汽油机每一循环的燃油量分成两部分,在一定的燃油喷射正时下喷入进气管道中并能灵活调整二次喷油的比例和喷油正时.此外,电控系统还可有效方便地调节空燃比󰀁大小和浓、稀燃间隔时间长短,且可以使得在汽油机空燃比浓、稀交替变换(󰀁发生阶跃变化)时对外输出的扭矩、功率等稳定,发动机的转速波动较小,在允许的范围内.设计的准均质稀燃电控系统按其功能主要由以下子系统组成:电子控制器ECU单元、数据采集(包括传感器、数字滤波和数据处理)单元、驱动执行单元(点火

图1󰀁集中控制单元ECU结构原理

402 燃󰀁󰀁烧󰀁󰀁科󰀁󰀁学󰀁󰀁与󰀁󰀁技󰀁󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第10卷第5期

1.2.1󰀁排气氧传感器

󰀁󰀁传统的开关型排气氧传感器输出特性只能在理论空燃比附近发生阶跃变化,主要用于理论空燃比条件下的三元催化转化器的闭环控制.稀燃发动机运行的空燃比大于理论空燃比,不能采用上述的开关型排气氧传感器.线性空燃比传感器可依据空燃比的大小输出相应的电压值,可以用来对稀燃发动机进行反馈控制.本电控测试系统采用日本NGK公司生产的线性空燃比氧传感器(UEGO)产品,其输出特性如图2所示.

圈等.

2󰀁稀燃汽油机空燃比的动态控制

󰀁󰀁由于稀燃汽油机的点火提前角、空燃比、喷油定时以及其它控制参数的控制和调整与燃用理论混合气的发动机有所不同,尤其是为了满足稀燃NOx吸附󰀁还原催化转化器的工作要求,必须使发动机定时地由稀燃吸附工作状态转入浓混合气的还原状态,对准均质稀燃汽油机的空燃比控制必须实施动态控制.

󰀁󰀁设计开发的稀燃汽油机电控系统对空燃比的控制主要是对燃油喷射量大小的控制,亦即喷油脉宽大小的控制.在控制过程中,由ECU发出的喷油信号,其脉宽大小决定燃油喷射量的多少.ECU在控制喷油脉宽时可以采用开环控制和闭环控制两种控制方式.在开环控制中,ECU只根据进气流量和目标空燃比计算喷油脉宽,而不对实际的空燃比进行检测,无法消除各种误差的影响;而在闭环控制中,ECU通过求得相应实测空燃比与目标空燃比的偏差大小及偏差变化率决定喷油脉宽,从而补偿各种误差的影响,进而精确控制空燃比.在本电控系统中,对空燃比的控制是开环控制与闭环控制两种方式兼而有之.在开环控制确定基本喷油时间t1时,通过发动机台架实验,做出关于转速和进气压力的二元脉谱图(Map),进而做出进气量关于转速和进气压力的Map图,存储于电控单元中.当忽略次要因素,并引入喷油时间修正系数后,基本喷油时间就只由空气流量和发动机转速来确定.把得到的不同进气压力和不同发动机转速下最佳基本喷油时间的Map图预先存储于电控单元中.发动机运行时,根据拾取到的瞬时进气压力和发动机转速信号,用插值法从电控单元存储器中搜寻出最佳的基本喷油时间.在确定基本喷油时间时还要考虑喷油器针阀的机械惯性、电磁线圈的磁滞性、磁路效率以及影响发动机的电源电压(蓄电池电压)大小与发动机转速等因素的影响,对喷油器的喷油时间加以修正[7].

󰀁󰀁在空燃比的闭环控制过程中,ECU利用氧传感器输出的电压信号,经A/D转换、数字滤波及标度变换后,求得相应实测空燃比与目标空燃比的偏差大小及偏差变化率,运用相关的控制理论,决定增减喷油脉宽时间来间接控制混合气浓度,从而补偿各种误差的影响,进而精确控制空燃比,使空燃比迅速稳定在目标空燃比的最大允许误差范围内.在本电控系统中,考虑到准均质稀燃和稀NOx吸附󰀁还原催化转化器降低NOx有害排放工作的要求,对空燃比的控制采用了前馈󰀁反

图2󰀁UEGO传感器的输出特性

1.2.2󰀁节气门位置传感器

󰀁󰀁在发动机节气门体上装有节气门位置传感器,它将节气门的开度信号转变为电压信号输送给ECU;ECU依据这一电压信号获得此时节气门开度的大小,再根据发动机的工况需要对其做出相应的调节(节气门开度变大或变小).

1.2.3󰀁爆震传感器

󰀁󰀁爆震传感器安装在发动机的缸体上,是一个按固定传声原理工作的压电陶瓷式加速度传感器.当发动机出现爆震时,产生1~10kHz的压力波;这一压力波通过缸体传给传感器,又通过惯性配重,使作用在压电陶瓷片上的压力发生变化,产生大约20mV/g的电动势;这一信号传送给ECU,经滤波后,再转换成指示爆震的数字信号.该信号经过放大后,ECU根据这一信号调整点火提前角,消除爆震现象.1.3󰀁驱动执行单元

󰀁󰀁在发动机控制系统中,输出通道将单片机作出的控制决策转变为控制信号以驱动执行机构工作.发动机的喷油、点火等信号为开关量信号,利用场效应管作为功率放大器件,将只有微安级的电流放大到几十安培.再由单片机通过I/O接口的控制总线传递给光电耦合器,光电耦合器导通,触发功率放大器闭合,进而驱动执行机构动作.驱动电路元件包括:光电耦合器、功率放大器、执行机构的四只喷油器和一个点火线2004年10月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李志军等:降低准均质稀燃汽油机NOx排放的电控系统研制 403

馈控制方式.由步进电机控制,对其开度的控制是一个有级变化的过程,所以只能实现粗调节;其细调节的功能由调节点火时刻来实现,在调节点火时刻的过程中要避免爆震发生.

󰀁󰀁发动机运行过程中,ECU通过自学习产生一个增量Map图决定是否对原始Map图进行修改.借鉴模糊控制与神经网络的原理,在实验的过程中逐渐找到最优的算法.

󰀁󰀁将本电控系统应用于夏利2000型8A󰀁FE16气门电控稀燃发动机上时,采用将不同空燃比时的扭矩、转速和节气门开度进行对比得到浓稀转换Map图的方法.图4给出了空燃比为12和21时各节气门开度下扭矩随转速的变化.同一转速和扭矩点在图4a、4b中对应不同的节气门开度,由此得到这一点的空燃比在12和21之间转换时节气门开度的变化量.利用插值的方法可以得到空燃比在12和21之间转换时节气门开度变化的Map图.利用同样的方法可以得到点火时刻变化的Map图.

3󰀁电控节气门(ECT)系统

󰀁󰀁发动机在中、小负荷时,为了节省燃油,提高发动机的经济性,发动机一般应工作于稀混合气状态.为了降低稀燃状态下的NOx排放,在发动机的尾气管路中常安装有NOx吸附󰀁还原催化转化器.为了使NOx吸附󰀁还原催化转化器能够正常工作,必须周期性地使发动机工作于浓混合气状态(还原状态),以便还原稀燃时储存在催化器中的氮氧化物NOx.此时,如果单纯改变混合气浓度,必然会引起扭矩的较大波动.为了维持发动机对外输出的扭矩不变,需要减小节气门开度,同时推迟点火提前角.要实现对节气门开度的控制,必须采用电控节气门系统,从而使其达到理想的状态.󰀁󰀁电控节气门系统主要由步进电机、步进电机驱动器、驱动器与单片机的接口以及节气门位置传感器等组成,它的结构如图3所示.步进电机是一种将电能转换为机械能的电磁元件,系统采用了北京四通电机公司的两相混合式57BYG250型步进电机和SH󰀁20806型步进电机细分驱动器,它的转矩可以达到0.7N m,而且尺寸小,结构紧凑.节气门开度传感器用来检测节气门的实际开度,以方便匹配实验时的手动调节以及进行节气门开度的闭环控制.由节气门开度特性实验曲线图可知,节气门从10%到31%开度所需的时间很短,只有6ms,且线性度很好,可以对节气门进行快速而准确的控制.

(a)空燃比为12时

图3󰀁节气门驱动系统结构

󰀁󰀁本电控测试系统可以用于稀燃汽油机的电控节气门系统以配合NOx吸附󰀁还原催化转化器的再生过程.该系统可对节气门开度以及点火提前角施以相应的特殊控制,即当发动机处于NOx吸附状态稀混合气燃烧时,按照稀燃时的正常参数进行控制;而当发动机处于NOx还原状态浓混合气燃烧时,可对节气门位置和点火提前角进行相应的调整,即减小节气门开度并推迟点火提前角,以保持发动机输出扭矩和功率的稳定,转速波动在允许的范围内,满足NOx吸附󰀁还原催化转化器的工作要求.在发动机上的具体控制目标是:当控制效果需要优化时,优先调节节气门开度,由于节气门是(b)空燃比为21时

图4󰀁不同空燃比和节气门开度时扭矩随转速的变化

󰀁󰀁将发动机浓稀转换节气门开度和点火提前角变化的原始Map图的数值存储在ECU的ROM中作为浓稀 404 燃󰀁󰀁烧󰀁󰀁科󰀁󰀁学󰀁󰀁与󰀁󰀁技󰀁󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第10卷第5期

转换时的控制初值,进行发动机排放控制试验.在程序中预先对浓稀混合气状态的空燃比值和运行时间进行设定,在试验过程中启动浓稀转换程序.

󰀁󰀁图5为转速1800r/min,油门踏板位置对应的节气门开度为30%时,发动机在浓稀之间转换的实际空燃比、节气门开度、点火提前角以及扭矩相应变化的示意图.空燃比由稀变浓时,原始Map图中喷油脉宽的给定值由7.7ms增为10.9ms,节气门开度的给定值由30%变为5.5%,点火提前角由40!CA减小为20!CA.实测空燃比的滞后主要是因为燃烧过程的存在引起的排气成分变化相对于喷油量变化的滞后,以及氧传感器自身响应特性的滞后.

󰀁󰀁由图5可以看出,当目标空燃比由21变为12时,扭矩由70N m经过大约1s波动期后稳定在71N m左右,基本达到了发动机对外输出扭矩的稳定(恒扭矩).扭矩的波动在预期可接受的范围内,控制作用及时可靠,响应迅速,完全可以满足NOx吸附󰀁还原催化转化器的再生过程工作需要.

󰀁󰀁1)通过应用线性排气氧传感器(UEGO),可以对空燃比范围在10~30内做到很好的线性反馈.同时由光电耦合器、功率放大器、四只高阻喷油器和一个点火线圈组成的执行机构可以在ECU的控制下,实现对准均质稀燃汽油机的燃油供给量(一次或二次)、发动机空燃比󰀁的精确可靠控制.

󰀁󰀁2)设计开发研制的稀燃发动机电控系统可以精确控制空燃比󰀁大小和浓、稀间隔时间长短.

󰀁󰀁3)准均质稀燃发动机电控系统可以在发动机的空燃比发生阶跃变化时,通过自行调节节气门开度大小和点火提前角大小来保证发动机对外输出的扭矩基本恒定且响应时间较短,满足稀NOx吸附󰀁还原催化器的工作需要.参考文献:

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图5󰀁浓稀转换过程示意

4󰀁结󰀁论