发动机EGR阀测试系统设计与实现

欧盟及其成员国于2002年5月31日正式批准了《京都议定书》。2005年2月16日,《京都议定书》正式生效。这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。为实现对《京都议定书》的承诺,欧盟要求各国限期减少以汽车尾气为主的温室气体排放。2005年1月起,欧盟实行“欧洲4级”汽车尾气排放标准,增加了对二氧化碳气体以外的其他污染物排放的限制。欧洲新的尾气排放标准将影响欧洲人的用车习惯。以普遍受到喜爱的柴油汽车为例,由于柴油价格比汽油便宜,且柴油汽车的噪声不大,油耗低,尾气的二氧化碳含量也普遍低于汽油车,因此柴油车在欧洲很受欢迎。但专家证实,柴油车排放的其他致癌物质较多。随着“欧洲4级”标准的推广,估计欧洲人偏爱柴油车的习惯也将开始改变。世界汽车制造从节油性能到油电混合动力等方面的技术逐渐成熟, EGR阀将大量应用于发动机上。

废气再循环系统( Exhaust Gas Recirculation,EGR)是将柴油机产生的废气的一小部分(通常小于10% )再送回气缸。当发动机温度在1204 ～1371℃时,氮和氧将结合生成氮氧化物(NOX ) ,这种排放对环境有害。减少NOX 的方法是降低燃烧温度,这可以通过废气再循环( EGR)系统实现。EGR阀是应用于国外先进发动机上的废气再循环装置,发动机控制系统通过控制阀内真空度来调节EGR阀的开启度,使排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统,与混合气混合后进入气缸参与燃烧,对发动机起到节能降耗的作用。笔者参考国外EGR阀结构性能指标,结合云内动力厂开发生产的新型轿车柴油发动机,对EGR阀的性能进行测试,参照国外原装产品性能曲线数据调试生产工艺,为柴油发动机EGR阀日后开发、定型和投入生产提供依据。

一

EGR阀的工作原理和组成

EGR系统的工作目的是向燃烧室内引入贫氧的燃烧废气,减缓燃烧室内的燃烧过程,适当控制燃烧温度,从而降低氮氧化合物排放。但是,各大汽车公司所开发推出的EGR 系统在控制方式上并不相同。此测试系统是为真空膜片式负背压EGR阀而设计的。

EGR阀将排气歧管经一个小通道连接到进气歧管,其作用是独立地对再循环到发动机的废气量进行准确的控制,而不管歧管真空度的大小。

如图1所示,在发动机运转过程中,真空泵始终处于运转状态,控制单元根据发动机转速、负荷(节气门开度) 、进气温度、进气流量、进气管压力和排气温度等信息,控制电磁阀的开启,同时调整真空调节器的状态,来控制EGR阀的动作,使部分预备排出的尾气经过EGR阀返回进气系统,与混合气体混合后重新进入发动机气缸参与燃烧。

但是过多的废气参与再循环,将会影响混合气体的着火性能,从而影响发动机的动力性能。所以在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时,控制单元应控制废气不参与再循环,避免发动机性能受到影响。

EGR阀通常在下列条件下开启:

1)发动机暖机运转。

2)转速超过怠速。

控制单元根据发动机冷却水温传感器、节气门位置传感器和空气流量传感器来控制EGR系统。

EGR阀的组成如图2所示。

从图2可以看出, EGR阀根据控制单元发来的指令信号控制真空调节器,通过增加真空腔内的负压产生的压力使隔板克服弹簧的弹力上升,带动阀位开启;相反,当真空腔内的负压降低时,隔板在弹簧弹力作用下向下运动, 阀位则关闭,从而达到实时控制EGR效率的目的。

二

测试系统组成

整个测试系统由电气控制系统、气路系统和信号采集系统三部分组成,如图3所示。

电气控制系统由一套电气装置组成,需由外部220V AC供电,通过两个变压器分为两路,一路转为24V DC电源,为真空泵和负压传感器供电;另一路转为5V DC电源,为EGR阀位移传感器供电。

气路系统中,通过真空泵增加管路内负压,利用真空调节阀控制真空度的大小。

信号采集系统,使用National Instruments公司的N IUSB26008信号采集卡, 12B精度多功能数据采集卡,有八路12位模拟输入通道,二路模拟输出, 12条数字I/O线,一个计数器,最大采样频率为10kHz。需将负压传感器信号和EGR阀位传感器信号接到采集卡上。

三

测试系统软件的建立与实现

在虚拟仪器控制软件的开发与设计中, 使用LabV IEW和LabV IEW RT虚拟仪器软件自行开发了一套信号采集系统。LabV IEW是一种虚拟仪器软件,在以计算机为核心的硬件平台上,基于图形开发、调试和运行程序的集成环境,借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统,也是目前国际上唯一的编译型汇编语言。利用此套信号采集系统,可将采集到的真空度信号和阀位开启度信号数据制成二维曲线用以研究。

运行前需检查好气路及电气线路是否连接正确。点击测试系统软件前面板上的“采集”按钮,然后启动真空泵。在真空泵开启后,管路内负压迅速升高,在波形图上可以看到真空度快速增大,带动EGR阀的阀位开启。在真空度曲线逐渐稳定后,点击“停止”按钮,即可以在前面板上得到真空度2时间曲线、阀位2时间曲线和真空度2阀位曲线。

测试过程如下。

1)调节EGR 阀的真空度由0kPa迅速减小到-60kPa,同时以1000Hz的采样频率连续记录真空度和EGR阀脚A 输出电压。

2)调节EGR 阀真空度由- 60kPa 迅速增大到0kPa,同时以1000Hz的采样频率连续记录真空度和EGR阀脚A 输出电压

3)重复上述步骤三次。