CN109538362A - 一种发动机废气循环控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机废气循环控制系统及方法,所述发动机废气循环控制系统包括:温度检测模块、震动检测模块、废气流量测量模块、中央控制模块、进气模块、喷油模块、点火燃烧模块、排气模块、执行模块、负荷计算模块、冷却模块、显示模块。本发明通过废气流量测量模块不需要额外增加传感器和零部件就可计算出EGR废气流量,可节约成本、也节省布置空间,而减少零部件也减少了故障点,也提高了系统的可靠性,且计算精度高;同时,通过负荷计算模块可以方便的通过软件在发动机控制器中实现上述计算步骤及计算模型并根据模型计算出负荷。

Description

一种发动机废气循环控制系统及方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域,尤其涉及一种发动机废气循环控制系统及方法。
背景技术
发动机(Engine)是一种能够把其它形式的能转化为机械能的机器,包括如内燃机(汽油发动机等)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、电动机等。如内燃机通常是把化学能转化为机械能。发动机既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器(如:汽油发动机、航空发动机)。发动机最早诞生在英国,所以,发动机的概念也源于英语,它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。废气再循环(ExhaustGasRecirculation)为汽车用小型内燃机在燃烧后将排出气体的一部分出并导入吸气侧使其再度吸气的技术(手法或方法)。主要目的为降低排出气体中的氮氧化物(NOx)并在部分负荷时可提高燃料经济性。取其每个英语单字的字首“EGR”为通称。然而,现有发动机废气循环控制系统对废弃测量通过氧传感器法,需额外增加进气管氧传感器,在高温的情况下可能会发生炸裂;速度密度法,EGR阀前后均需安装压力传感器,增加成本,并且计算精度受温度影响较大;同时,发动机负荷计量方式常用有直接计量方式,直接计量法需要加装空气流量计,该传感器体积较大而且成本高,并将因节流效应会造成进气道压损进而减少发动机实际进气量,折损了发动机的潜在最大性能。
综上所述,现有技术存在的问题是:现有发动机废气循环控制系统对废弃测量通过氧传感器法,需额外增加进气管氧传感器,在高温的情况下可能会发生炸裂;速度密度法,EGR阀前后均需安装压力传感器,增加成本,并且计算精度受温度影响较大;同时,发动机负荷计量方式常用有直接计量方式,直接计量法需要加装空气流量计,该传感器体积较大而且成本高,并将因节流效应会造成进气道压损进而减少发动机实际进气量,折损了发动机的潜在最大性能。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种发动机废气循环控制系统及方法。
本发明具体通过以下技术方案实现:
一种发动机废气循环控制系统,包括:与中央控制模块连接的温度检测模块、震动检测模块、废气流量测量模块、进气模块、喷油模块、点火燃烧模块、排气模块、执行模块、负荷计算模块、冷却模块和显示模块,所述的中央控制模块用于通过单片机控制各个模块正常工作;
所述的温度检测模块用于通过温度传感器实时检测发动机机体温度数据;
所述的震动检测模块用于通过爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;
所述的废气流量测量模块用于计算发动机的废气流量数据;
所述的进气模块用于通过进气管吸收空气和废气;
所述的喷油模块用于通过喷油器对气缸内进行喷油操作;
所述的点火燃烧模块用于通过点火器对气缸内进行点火操作;
所述的排气模块用于通过排气管排出废气操作;
所述的执行模块用于通过EGR阀控制废气的流入流出操作;
所述的负荷计算模块用于计算发动机的负荷数据;
所述的冷却模块用于通过风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;
所述的显示模块用于通过显示器显示检测的温度、震动、废气流量数据。
在本发明的另一方面,本发明还提供了一种发动机废气循环控制方法,用以实现上述控制系统。
一种发动机废气循环控制方法,具体包括以下内容:
1)通过温度检测模块利用温度传感器实时检测发动机机体温度数据;通过震动检测模块利用爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;通过废气流量测量模块计算发动机的废气流量数据;
2)中央控制模块通过进气模块利用进气管吸收空气和废气;通过喷油模块6利用喷油器对气缸内进行喷油操作;通过点火燃烧模块利用点火器对气缸内进行点火操作;通过排气模块利用排气管排出废气操作;通过执行模块利用EGR阀控制废气的流入流出操作;
3)通过负荷计算模块计算发动机的负荷数据;通过冷却模块利用风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;通过显示模块利用显示器显示检测的温度、震动、废气流量等数据。
所述的废气流量测量模块测量方法为:根据空气流量和混合气的压力和温度,获取EGR废气的分体积和流量。
进一步的,所述的混合气为由节气门后的空气、燃气和EGR废气组成的混合气。
进一步的,所述的获取EGR废气分体积包括以下步骤:
4)根据所述空气流量、混合气的压力和温度,获取空气分体积;
5)根据所述空气流量、混合气的压力和温度,获取燃气分体积;
6)根据空气分体积和燃气分体积,获取EGR废气分体积。
进一步的,所述的空气分体积的获取按照式(1)计算:
Vair=mair×Rgair×T/P (1)
其中,Vair为空气分体积,mair为空气流量,Rgair为空气的气体常数,T为混合气的温度,P为混合气的压力。
进一步的,所述的空气燃气分体积的获取按照式(2)计算:
Vfuel=mfuel×Rgfuel×T/P (2)
其中,mfuel=mair/α/λ,mfuel为燃气流量,α为理论空燃比,λ为预设过量空气系数,Vfuel为燃气分体积,Rgfuel为燃气的气体常数。
本发明的有益效果为:
本发明通过废气流量测量模块不需要额外增加传感器和零部件就可计算出EGR废气流量,可节约成本、也节省布置空间,而减少零部件也减少了故障点,也提高了系统的可靠性,且计算精度高;同时,通过负荷计算模块无需发动机加装进气流量传感器,而是通过理论推导得出一种发动机负荷计算算法,并将该算法通过建模实现,然后生成代码集成进发动机控制器ECU中,从而在发动机运行过程中实时准确的计算当前工况下的发动机负荷。该负荷计算算法适用于所有配置了进气歧管压力温度传感器的发动机,而这一传感器目前已经成为发动机标配的传感器,因而应用本发明提出的方法无需发动机新添加任何辅助设备。该方法基于物理理论推导通过纯软件方式实现,方法简洁可靠,成本低结构简单,可以方便的通过软件在发动机控制器中实现上述计算步骤及计算模型并根据模型计算出负荷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发动机废气循环控制系统结构示意图;
图2是本发明实施例提供的中央控制模块与震动检测模块和温度检测模块连接电路图;
图中:1、温度检测模块;2、震动检测模块;3、废气流量测量模块;4、中央控制模块;5、进气模块;6、喷油模块;7、点火燃烧模块;8、排气模块;9、执行模块;10、负荷计算模块;11、冷却模块;12、显示模块。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例,对本发明技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明提供的发动机废气循环控制系统包括:温度检测模块1、震动检测模块2、废气流量测量模块3、中央控制模块4、进气模块5、喷油模块6、点火燃烧模块7、排气模块8、执行模块9、负荷计算模块10、冷却模块11、显示模块12。
温度检测模块1,与中央控制模块4连接,用于通过温度传感器实时检测发动机机体温度数据;
震动检测模块2,与中央控制模块4连接,用于通过爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;
废气流量测量模块3,与中央控制模块4连接,用于计算发动机的废气流量数据;
中央控制模块4,与温度检测模块1、震动检测模块2、废气流量测量模块3、进气模块5、喷油模块6、点火燃烧模块7、排气模块8、执行模块9、负荷计算模块10、冷却模块11、显示模块12连接,用于通过单片机控制各个模块正常工作;
进气模块5,与中央控制模块4连接,用于通过进气管吸收空气和废气;
喷油模块6,与中央控制模块4连接,用于通过喷油器对气缸内进行喷油操作;
点火燃烧模块7,与中央控制模块4连接,用于通过点火器对气缸内进行点火操作;
排气模块8,与中央控制模块4连接,用于通过排气管排出废气操作;
执行模块9,与中央控制模块4连接,用于通过EGR阀控制废气的流入流出操作;
负荷计算模块10,与中央控制模块4连接,用于计算发动机的负荷数据;
冷却模块11,与中央控制模块4连接,用于通过风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;
显示模块12,与中央控制模块4连接,用于通过显示器显示检测的温度、震动、废气流量等数据。
如图2所示,本发明实施例提供的中央控制模块与震动检测模块和温度检测模块连接关系为:温度检测模块1电路中DS18B20芯片中的DQ引脚与,中央控制模块87C51/BQA(40)单片机中的P1.6引脚连接,震动检测模块2电路中的ADXL3452芯片中的SCL引脚与87C51/BQA(40)单片机中的P1.3SCL引脚连接,SDA引脚与87C51/BQA(40)单片机中的P1.4SDA引脚连接。
本发明提供的废气流量测量模块3测量方法如下:
(1)获取空气流量和由节气门后的空气、燃气和EGR废气组成的混合气的压力和混合气的温度;
(2)根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,计算EGR废气流量。
本发明提供的根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,计算EGR废气流量,包括:
根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取EGR废气分体积;
根据EGR废气分体积、混合气的压力和混合气的温度,计算EGR废气流量。
本发明提供的根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取EGR废气分体积,包括:
根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取空气分体积;
根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取燃气分体积;
根据空气分体积和燃气分体积,获取EGR废气分体积。
本发明提供的根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取空气分体积,包括:
根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,通过公式一获取空气分体积:
Vair=mair*Rgair*T/P (公式一)
其中,Vair为空气分体积,mair为空气流量,Rgair为空气的气体常数,T为混合气的温度,P为混合气的压力。
本发明提供的根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,获取燃气分体积,包括:
根据所述空气流量、混合气的压力和混合气的温度,通过公式二获取燃气分体积:
Vfuel=mfuel*Rgfuel*T/P (公式二)
其中,mfuel=mair/α/λ,mfuel为燃气流量,α为理论空燃比,λ为预设过量空气系数,Vfuel为燃气分体积,Rgfuel为燃气的气体常数。
本发明提供的根据空气分体积和燃气分体积,获取EGR废气分体积,包括:
根据空气分体积和燃气分体积,通过公式三获取EGR废气分体积:
VEGR=Vtotal*f—Vair—Vfuel (公式三)
其中,Vtotal=Vdsp*n/2,Vdsp为发动机排量,n为发动机转速,VEGR为EGR废气分体积,f为体积相关因子。
本发明提供的根据EGR废气分体积、混合气的压力和混合气的温度,计算EGR废气流量,包括:
根据EGR废气分体积、混合气的压力和混合气的温度,通过公式四计算EGR废气流量:
mEGR=(P*VEGR)/(RgEGR*T) (公式四)
其中,mEGR为EGR废气流量,RgEGR为EGR废气的气体常数。
本发明提供的负荷计算模块10计算方法如下:
1)根据理论公式推导出发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系;
2)根据发动机气缸内负荷与进气歧管压力的关系建立发动机负荷计算模型;
3)根据计算模型计算出发动机负荷。
本发明提供的步骤1)包括:
(a)根据负荷定义,负荷为实际进气量与标况下理论进气量比值,
则R1=M1/(ρ0*Vh);R2=M2/(ρ0*Vh);R3=M3/(ρ0*Vh); 式1
其中ρ0为标准状况下空气密度,Vh为发动机气缸排量,
P1、V1、T1、M1、R1为发动机节气门前进气压力、体积、温度和流量及负荷,
P2、V2、T2、M2、R2为发动机进气歧管内进气压力、体积、温度和流量及负荷,
P3、V3、T3、M3、R3为发动机气缸内进气压力、体积、温度和流量及负荷;
(b)根据理想气体状态方程,则有:
(P1*V1)/T1=M1*R;(P2*V2)/T2=M2*R;(P3*V3)/T3=M3*R, 式2
其中R为理想气体常数
(c)因为P2=M2*R/V2,对P2求微分△P2,则有
△P2=(△M2*R*T2)/V2,根据质量守恒原理,△M2=M1-M3,则
△P2=((M1-M3)*R*T2)/V2,将式1带入,则
△P2=(R1-R3)*ρ0*Vh*R*T2/V2
因为根据理想气体状态方程,ρ0=M0/V0=P0/R*T0,将此式带入上式
△P2=(R1-R3)*PO*Vh*(T2/T0)*(Vh/V2); 式3
其中P0为常数标况下一个大气压压力值1013hPa,T0为常数标况下气温值293.25K,Vh为发动机排量,在发动机明确的情况下亦为常数,V2为发动机进气歧管容积,在发动机明确的情况下也为常数,因此将(R1-R3)看做一个整体,则由式3可以看出,(R1-R3)对时间进行积分则为P2,同时由于式3中P0、Vh、T、V在发动机明确的前提下均为常数,意味着P2对(R1-R3)的导数为常数,也即P2与(R1-R3)的关系为线性关系,由此初步得出进气歧管压力与发动机负荷之间的理论关系;
当发动机处于稳态工况时,P2保持稳定,其导数△P2为0,此时R1=R3,但是实际工况,第一发动机大部分工况为不稳定工况,第二发动机在进行进排气交换期间,气缸内会有残留有上一工作循环产生的废气,因此导致R1并不等于R3,根据实际台架试验数据,R3与P2之间的关系为经过偏移修正的线性关系,即R3=(P2-PX)*K,其中PX即是气缸残留废气对P2的分压作用体现,K为与进气温度相关的斜率,由此,推导出R3与P2之间关系,也即发动机气缸内负荷与进气歧管压力之间关系。
本发明工作时,首先,通过温度检测模块1利用温度传感器实时检测发动机机体温度数据;通过震动检测模块2利用爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;通过废气流量测量模块3计算发动机的废气流量数据;其次,中央控制模块4通过进气模块5利用进气管吸收空气和废气;通过喷油模块6利用喷油器对气缸内进行喷油操作;通过点火燃烧模块7利用点火器对气缸内进行点火操作;通过排气模块8利用排气管排出废气操作;通过执行模块9利用EGR阀控制废气的流入流出操作;然后,通过负荷计算模块10计算发动机的负荷数据;通过冷却模块11利用风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;最后,通过显示模块12利用显示器显示检测的温度、震动、废气流量等数据。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种发动机废气循环控制系统,其特征在于,包括:
与中央控制模块连接的温度检测模块、震动检测模块、废气流量测量模块、进气模块、喷油模块、点火燃烧模块、排气模块、执行模块、负荷计算模块、冷却模块和显示模块,所述的中央控制模块用于通过单片机控制各个模块正常工作;
所述的温度检测模块用于通过温度传感器实时检测发动机机体温度数据;
所述的震动检测模块用于通过爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;
所述的废气流量测量模块用于计算发动机的废气流量数据;
所述的进气模块用于通过进气管吸收空气和废气;
所述的喷油模块用于通过喷油器对气缸内进行喷油操作;
所述的点火燃烧模块用于通过点火器对气缸内进行点火操作;
所述的排气模块用于通过排气管排出废气操作;
所述的执行模块用于通过EGR阀控制废气的流入流出操作;
所述的负荷计算模块用于计算发动机的负荷数据;
所述的冷却模块用于通过风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;
所述的显示模块用于通过显示器显示检测的温度、震动、废气流量数据。
2.一种发动机废气循环控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)通过温度检测模块利用温度传感器实时检测发动机机体温度数据;通过震动检测模块利用爆震传感器实时检测发动机机体振动数据;通过废气流量测量模块计算发动机的废气流量数据;
2)中央控制模块通过进气模块利用进气管吸收空气和废气;通过喷油模块6利用喷油器对气缸内进行喷油操作;通过点火燃烧模块利用点火器对气缸内进行点火操作;通过排气模块利用排气管排出废气操作;通过执行模块利用EGR阀控制废气的流入流出操作;
3)通过负荷计算模块计算发动机的负荷数据;通过冷却模块利用风冷装置和水冷装置对发动机进行冷却操作;通过显示模块利用显示器显示检测的温度、震动、废气流量等数据。
3.根据权利要求2所述的一种发动机废气循环控制方法,其特征在于,所述的废气流量测量模块测量方法为:根据空气流量和混合气的压力和温度,获取EGR废气的分体积和流量;
所述的混合气为由节气门后的空气、燃气和EGR废气组成的混合气。
4.根据权利要求3所述的一种发动机废气循环控制方法,其特征在于,所述的获取EGR废气分体积包括以下步骤:
1)根据所述空气流量、混合气的压力和温度,获取空气分体积;
2)根据所述空气流量、混合气的压力和温度,获取燃气分体积;
3)根据空气分体积和燃气分体积,获取EGR废气分体积。
5.根据权利要求4所述的一种发动机废气循环控制方法,其特征在于,所述的空气分体积的获取按照式(1)计算:
Vair=mair×Rgair×T/P (1)
其中,Vair为空气分体积,mair为空气流量,Rgair为空气的气体常数,T为混合气的温度,P为混合气的压力。
6.根据权利要求4所述的一种发动机废气循环控制方法,其特征在于,所述的空气燃气分体积的获取按照式(2)计算:
Vfuel=mfuel×Rgfuel×T/P (2)
其中,mfuel=mair/α/λ,mfuel为燃气流量,α为理论空燃比,λ为预设过量空气系数,Vfuel为燃气分体积,Rgfuel为燃气的气体常数。
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