CN105545501B - 一种全工况降低柴油机NOx排放控制系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全工况降低柴油机NOx排放的控制系统及控制方法，它包括发动机、空气滤清器、压气机、与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、进气总管、排气总管、设置在排气总管上的λ传感器和进气管压力传感器、设置在发动机上的冷却液温度传感器、高响应扭矩传感器和高响应转速传感器、设置在排气管上的排气管压力传感器、设有空燃比计算程序的单片机、电控单元ECU、蝶阀、两个EGR阀及EGR冷却器。通过各传感器采集相应的信号传给电控单元，电控单元再根据相应的信号判断所处工况，进而控制蝶阀和两个EGR阀改变空燃比。本发明控制精度高，基于该系统可实现大的EGR率，并以空燃比为控制目标，能达到全工况范围降低NOx排放的目的。

Description

一种全工况降低柴油机NOx排放控制系统的控制方法
技术领域
本发明属于内燃机排放控制技术，具体涉及一种通过引入EGR实现全工况降低柴油机 NOx排放的控制系统，及基于该系统以空燃比为控制目标的控制方法。
背景技术
内燃机工作时，一定质量的燃料完全燃烧所需要的空气质量与该燃料质量之比称为理论空燃比。柴油机的理论空燃比为14.3，空燃比的选择直接影响混合气的浓度，并对柴油机动力性、经济性和排放性等性能有很大的影响。由于柴油粘度大，蒸发性较差，柴油机总体空燃比要远大于理论空燃比。为了提高柴油机进气充量，促进燃烧，进气涡轮增压得到广泛应用。进气增压使得在同样气缸工作容积的条件下，可以进入更多的新鲜空气，因而可以增加循环供油量，获得更大的功率输出。但在某一工况下保证所需的功率输出继续增大进气量，氧含量升高，富氧燃烧导致缸内温度升高，柴油机热负荷增加，还极易形成高温富氧环境使 NOx大量生成。
由于后处理器对排放降低有限，对燃油品质要求高，结构复杂，基础设施不完善，后处理降低NOx成本较高，使废气再循环(Exhaust Gas Recycle简称EGR)系统作为降低NOx排放的方法得到广泛的应用。EGR引入进气管后，缸内燃烧发生了很大的变化，废气混入新鲜空气中，氧含量降低，进气中增加了H2O、CO2等多原子分子，比热容增加，缸内燃烧速度和最高燃烧温度降低，从而使NOx排放降低。
对于目前广泛采用涡轮增压的发动机，防止废气对压气机叶片的磨损腐蚀，多采用高压 EGR，这样在某些工况会因为压差小或负压差，无法实现大的EGR率或无法引入EGR，在进气管加节流阀则会增加泵气损失，减低进气压力，从而降低功率。
发明内容
本发明的目的是针对柴油机空燃比过大导致NOx排放增多和采用高压EGR无法实现大的EGR率的问题，提出一种全工况降低柴油机NOx排放的控制系统及控制方法，该控制系统采用双EGR回路系统，可以根据柴油机的工况以空燃比为控制目标，实现大的EGR率以降低柴油机全工况范围NOx排放的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种全工况降低柴油机NOx排放的控制系统，包括发动机、空气滤清器、与空气滤清器相连的压气机、与压气机同轴相连的涡轮机、进气中冷器、通过进气支管连接在发动机上的进气总管、通过排气支管连接在发动机上的排气总管，设置在涡轮机出口端的排气管中蝶阀、B回路中的与涡轮机出口端的排气管和空气滤清器出口端进气管相连的EGR阀Ⅰ、A回路中的与排气总管相连的EGR冷却器、与进气总管相连的EGR阀Ⅱ、设置在排气总管上的λ传感器、设置在发动机缸盖水套上的冷却液温度传感器、设置在发动机曲轴上的高响应扭矩传感器和高响应转速传感器、设置在进气总管上的进气管压力传感器、设置在排气总管上的排气管压力传感器、与λ传感器通讯的设有计算空燃比程序的单片机及电控单元ECU；所述的空气滤清器依次通过压气机、进气中冷器与发动机上的进气总管管路连通，所述的涡轮机与发动机上的排气总管管路连通；
所述的A回路是从涡轮机前排气总管引出，经EGR冷却器、EGR阀Ⅱ至进气总管；所述的B回路是从涡轮机后引出，经EGR阀Ⅰ至压气机前，与空气一同经压缩进入进气总管；
所述的蝶阀设置在涡轮机出口端的排气管中；
所述的λ传感器与设有空燃比计算程序的单片机通讯连接，设有空燃比计算程序的单片机与电控单元ECU通讯连接；
所述的蝶阀、EGR阀Ⅰ及EGR阀Ⅱ与电控单元ECU控制连接。
所述的高响应扭矩传感器和高响应转速传感器分别与电控单元ECU通讯连接，用以提供电控单元ECU判断发动机工况的信号；
所述的冷却液温度传感器与电控单元ECU通讯连接，用以提供电控单元ECU判断冷却液温度的信号；
所述的进气管压力传感器和排气管压力传感器分别与电控单元ECU通讯连接，用以提供电控单元ECU判断进排气压差的信号。
各工况目标空燃比可以根据NOx排放控制目标的实际需求以及试验标定值进行设定，并存入电控单元ECU中。
本控制系统的工作机理是：
通过λ传感器采集到的过量空气系数信号传入到设有空燃比计算程序的单片机中，单片机实时计算空燃比并将其传入到电控单元ECU中。
电控单元ECU通过高响应扭矩传感器和高响应转速传感器分别采集的转速和扭矩信号来判断发动机所处工况，通过冷却液温度传感器获得冷却液温度信号，同时判断空燃比的目标值与瞬时值的差值和进排气压差，进而通过设定方案调整A回路中的EGR 阀Ⅱ和B回路中的EGR阀Ⅰ。
基于上述降低柴油机全工况NOx排放的控制系统，其控制方法通过下列步骤实现：
A、首先根据NOx控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元ECU中设置目标空燃比；
B、λ传感器实时采集过量空气系数信号传入到设有空燃比计算程序的单片机中，单片机实时计算瞬时空燃比并将实际空燃比参数信号传给电控单元ECU；同时，冷却液温度传感器、高响应扭矩传感器、高响应转速传感器和进气管压力传感器实时采集冷却液温度、扭矩、转速及进排气压差参数信号并传给电控单元ECU；
C、电控单元ECU通过高响应扭矩传感器和高响应转速传感器分别采集的转速和扭矩信号来快速判断发动机1所处工况；
D、当柴油机处于起动和热机工况时，执行步骤H；
E、当柴油机处于怠速及负荷小于10％工况时，判断是否冷却液温度T<65℃，若冷却液温度未达到65℃，执行步骤H，若冷却液温度达到65℃，执行步骤I，使冷却液温度维持在65℃左右；
F、当柴油机处于10％-90％负荷工况时，判断是否实际空燃比大于目标空燃比，若实际空燃比大于目标空燃比，执行步骤I，空燃比下降，直至实际空燃比与目标空燃比差值为零时，保持此时蝶阀、EGR阀Ⅰ和EGR阀Ⅱ开度不变；若实际空燃比小于等于目标空燃比，执行步骤H；
G、当柴油机处于负荷超过90％工况时，执行步骤H；
H、不引入EGR，A、B回路中的EGR阀Ⅱ和EGR阀Ⅰ均关闭；
I、判断是否排气管压力大于进气管压力，若排气管压力大于排进气管压力时，从A回路引入EGR，蝶阀全开，B回路上的EGR阀Ⅰ关闭，根据电控单元ECU指令调整EGR阀Ⅱ开度；若排气管压力小于进气管压力时，从B回路引入EGR，A回路上的EGR阀Ⅱ关闭，根据电控单元ECU指令调整蝶阀18转动角度和EGR阀Ⅰ开度。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：通过引入EGR改变进气成分从而改变进气氧浓度实现空燃比的变化；EGR回路采用两种引入方式，在排气压力大于进气压力的大部分工况，采用涡轮前取排气送至压气机后(A回路)，在排气压力小于进气压力时，采用涡轮后取排气送至压气机前(B回路)；不需要加装节流阀，避免泵气损失降低柴油机功率，同时能避免压气机长期处于EGR环境降低使用寿命；本发明控制精度高，能实现大的EGR率，能够控制柴油机的全工况范围内低的NOx排放。
附图说明
图1是本发明全工况降低柴油机NOx排放的控制系统的结构示意图；
图2为本发明全工况降低柴油机NOx排放的控制方法的流程图。
图中，1.发动机 2.空气滤清器 3.压气机 4.涡轮机 5.进气中冷器 6.进气总管7. 排气总管 8.λ传感器 9.冷却液温度传感器 10.高响应扭矩传感器 11.高响应转速传感器 12.进气管压力传感器 13.排气管压力传感器 14.设有计算空燃比程序的单片机15.电控单元ECU 16.进气支管 17.排气支管 18.蝶阀 19.EGR阀Ⅰ 20.EGR冷却器 21.EGR阀Ⅱ。
具体实施方式
如图1所示，一种全工况降低柴油机NOx排放的控制系统，包括：发动机1、空气滤清器2、与空气滤清器相连的压气机3、与压气机3同轴相连的涡轮机4、进气中冷器5、通过进气支管16连接在发动机1上的进气总管6、通过排气支管17连接在发动机1上的排气总管7，设置在涡轮机4出口端的排气管中蝶阀18、B回路中的与涡轮机4出口端的排气管和空气滤清器2出口端进气管相连的EGR阀Ⅰ19、A回路中的与排气总管6相连的EGR冷却器20、与进气总管6相连的EGR阀Ⅱ21、设置在排气总管7上的λ传感器8、设置在发动机1缸盖水套上的冷却液温度传感器9、设置在发动机1曲轴上的高响应扭矩传感器10和高响应转速传感器11、设置在进气总管6上的进气管压力传感器12、设置在排气总管7上的排气管压力传感器13、与λ传感器8通讯的设有计算空燃比程序的单片机14及电控单元ECU15；所述的空气滤清器2依次通过压气机3、进气中冷器5与发动机1上的进气总管6管路连通，所述的涡轮机4与发动机1上的排气总管7管路连通；
所述的A回路是从涡轮机4前排气总管7引出，经EGR冷却器20、EGR阀Ⅱ21 至进气总管6；所述的B回路是从涡轮机4后引出，经EGR阀Ⅰ19至压气机3前，与空气一同经压缩进入进气总管6；
所述的蝶阀18设置在涡轮机4出口端的排气管中；
所述的λ传感器8与设有空燃比计算程序的单片机14通讯连接，设有空燃比计算程序的单片机14与电控单元ECU 15通讯连接；
所述的蝶阀18、EGR阀Ⅰ19及EGR阀Ⅱ21与电控单元ECU15控制连接。
所述的高响应扭矩传感器10和高响应转速传感器11分别与电控单元ECU15通讯连接，用以提供电控单元ECU15判断发动机1工况的信号；
所述的冷却液温度传感器9与电控单元ECU15通讯连接，用以提供电控单元ECU15判断冷却液温度的信号；
所述的进气管压力传感器12和排气管压力传感器13分别与电控单元ECU15通讯连接，用以提供电控单元ECU15判断进排气压差的信号。
各工况目标空燃比可以根据NOx排放控制目标的实际需求以及试验标定值进行设定，并存入电控单元ECU15中。
基于上述降低柴油机全工况NOx排放的控制系统，其控制方法通过下列步骤实现：
A、首先根据NOx控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元ECU15中设置目标空燃比；
B、λ传感器8实时采集过量空气系数信号传入到设有空燃比计算程序的单片机14中，单片机实时计算瞬时空燃比并将实际空燃比参数信号传给电控单元ECU15；同时，冷却液温度传感器9、高响应扭矩传感器10、高响应转速传感器11和进气管压力传感器12实时采集冷却液温度、扭矩、转速及进排气压差参数信号并传给电控单元ECU15；
C、电控单元ECU15通过高响应扭矩传感器10和高响应转速传感器11分别采集的转速和扭矩信号来快速判断发动机1所处工况；
D、当柴油机处于起动和热机工况时，执行步骤H；
E、当柴油机处于怠速及负荷小于10％工况时，判断是否冷却液温度T<65℃，若冷却液温度未达到65℃，执行步骤8H，若冷却液温度达到65℃，执行步骤I，使冷却液温度维持在65℃左右；
F、当柴油机处于10％-90％负荷工况时，判断是否实际空燃比大于目标空燃比，若实际空燃比大于目标空燃比，执行步骤I，空燃比下降，直至实际空燃比与目标空燃比差值为零时，保持此时蝶阀18、EGR阀Ⅰ19和EGR阀Ⅱ21开度不变；若实际空燃比小于等于目标空燃比，执行步骤H；
G、当柴油机处于负荷超过90％工况时，执行步骤H；
H、不引入EGR，A、B回路中的EGR阀Ⅱ21和EGR阀Ⅰ19均关闭；
I、判断是否排气管压力大于进气管压力，若排气管压力大于排进气管压力时，从A回路引入EGR，蝶阀18全开，B回路上的EGR阀Ⅰ19关闭，根据电控单元ECU15指令调整 EGR阀Ⅱ21开度；若排气管压力小于进气管压力时，从B回路引入EGR，A回路上的EGR 阀Ⅱ21关闭，根据电控单元ECU15指令调整蝶阀18转动角度和EGR阀Ⅰ19开度。

Claims (1)

1.一种全工况降低柴油机NOx排放控制系统的控制方法，该控制系统包括发动机(1)、空气滤清器(2)、与空气滤清器(2)相连的压气机(3)、与压气机(3)同轴相连的涡轮机(4)、进气中冷器(5)、通过进气支管(16)连接在发动机(1)上的进气总管(6)、通过排气支管(17)连接在发动机(1)上的排气总管(7)，设置在涡轮机(4)出口端的排气管中的蝶阀(18)、B回路中的与涡轮机(4)出口端的排气管和空气滤清器(2)出口端进气管相连的EGR阀Ⅰ(19)、A回路中的与排气总管(6)相连的EGR冷却器(20)、与进气总管(6)相连的EGR阀Ⅱ(21)、设置在排气总管(7)上的λ传感器(8)、设置在发动机(1)缸盖水套上的冷却液温度传感器(9)、设置在发动机(1)曲轴上的高响应扭矩传感器(10)和高响应转速传感器(11)、设置在进气总管(6)上的进气管压力传感器(12)、设置在排气总管(7)上的排气管压力传感器(13)、与λ传感器(8)通讯的设有计算空燃比程序的单片机(14)及电控单元ECU(15)；所述的空气滤清器(2)依次通过压气机(3)、进气中冷器(5)与发动机(1)上的进气总管(6)管路连通，所述的涡轮机(4)与发动机(1)上的排气总管(7)管路连通；
所述的A回路是从涡轮机(4)前排气总管(7)引出，经EGR冷却器(20)、EGR阀Ⅱ(21)至进气总管(6)；所述的B回路是从涡轮机(4)后引出，经EGR阀Ⅰ(19)至压气机(3)前，与空气一同经压缩进入进气总管(6)；
所述的蝶阀(18)设置在涡轮机(4)出口端的排气管中；
所述的λ传感器(8)与设有空燃比计算程序的单片机(14)通讯连接，设有空燃比计算程序的单片机(14)与电控单元ECU(15)通讯连接；
所述的蝶阀(18)、EGR阀Ⅰ(19)及EGR阀Ⅱ(21)与电控单元ECU(15)控制连接；
所述的高响应扭矩传感器(10)和高响应转速传感器(11)分别与电控单元ECU(15)通讯连接，用以提供电控单元ECU(15)判断发动机(1)工况的信号；
所述的冷却液温度传感器(9)与电控单元ECU(15)通讯连接，用以提供电控单元ECU(15)判断冷却液温度的信号；
所述的进气管压力传感器(12)和排气管压力传感器(13)分别与电控单元ECU(15)通讯连接，用以提供电控单元ECU(15)判断进排气压差的信号；
其特征在于，包括以下步骤：
A、首先根据NOx控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元ECU(15)中设置目标空燃比；
B、λ传感器(8)实时采集过量空气系数信号传入到设有空燃比计算程序的单片机(14)中，单片机实时计算瞬时空燃比并将实际空燃比参数信号传给电控单元ECU(15)；同时，冷却液温度传感器(9)、高响应扭矩传感器(10)、高响应转速传感器(11)和进气管压力传感器(12)实时采集冷却液温度、扭矩、转速及进排气压差参数信号并传给电控单元ECU(15)；
C、电控单元ECU(15)通过高响应扭矩传感器(10)和高响应转速传感器(11)分别采集的转速和扭矩信号来快速判断发动机(1)所处工况；
D、当柴油机处于起动和热机工况时，执行步骤H；
E、当柴油机处于怠速及负荷小于10％工况时，判断是否冷却液温度T<65℃，若冷却液温度未达到65℃，执行步骤H，若冷却液温度达到65℃，执行步骤I，使冷却液温度维持在65℃左右；
F、当柴油机处于10％-90％负荷工况时，判断是否实际空燃比大于目标空燃比，若实际空燃比大于目标空燃比，执行步骤I，空燃比下降，直至实际空燃比与目标空燃比差值为零时，保持此时蝶阀(18)、EGR阀Ⅰ(19)和EGR阀Ⅱ(21)开度不变；若实际空燃比小于等于目标空燃比，执行步骤H；
G、当柴油机处于负荷超过90％工况时，执行步骤H；
H、不引入EGR，A、B回路中的EGR阀Ⅱ(21)和EGR阀Ⅰ(19)均关闭；
I、判断是否排气管压力大于进气管压力，若排气管压力大于排进气管压力时，从A回路引入EGR，蝶阀(18)全开，B回路上的EGR阀Ⅰ(19)关闭，根据电控单元ECU(15)指令调整EGR阀Ⅱ(21)开度；若排气管压力小于进气管压力时，从B回路引入EGR，A回路上的EGR阀Ⅱ(21)关闭，根据电控单元ECU(15)指令调整蝶阀(18)转动角度和EGR阀Ⅰ(19)开度。
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