唐新华

摘要：柴油车占据着汽车市场的主体地位，对于柴油发动机的改良设计是汽车实现节能减排目标的主要方向，也是汽车行业的关键技术核心。本文通过对汽车废气再循环（EGR， Exhaust Gas Recirculation）控制系统进行系统设计，从EGR控制系统硬件设计与EGR控制系统软件设计分别进行研究，研究节能减排技术方案。

关键词：废气再循环;控制系统;系统设计

1  EGR控制系统废气处理方式

一氧化氮（NO）是废气中氮氧化合物（NOx）主要成分，NO的产生一方面源于高温环境下氮气与氧气的氧化反应，另一方面源于该环境下氮气与氧气的比例关系，因此在EGR处理过程中主要涉及两个方面：降低缸内燃烧温度和选择合适的氧气含量[1]。降低缸内燃烧温度主要采用废气再循环策略，将废气循环处理后，部分废气重新引入燃烧环境以降低燃烧温度;通过智能调节装置，改善燃烧环境中的氧气占比，使废气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）等有毒气体充分燃烧氧化为二氧化碳和水这类无害物质来达到废气处理目的[2]。

2  EGR控制系统废气处理原理

EGR控制主要有三个理论支持：稀释理论、比热容理论和点火延迟理论，这三点理论从三个方面解释了废气再循环有利于有害气体的处理。首先，EGR控制系统是将排出汽缸的废气部分又引入汽缸，减少了新鲜空气进入汽缸的含量，从而稀释了缸内氧气的含量;其次，燃烧的废气里有一定比例的CO2和H2O，CO2具有吸收热量降低温度的作用，含有CO2和H2O的废气部分被引入汽缸，导致了缸内环境二氧化碳和水的增加，这两者比热容高于自然空气，会使在一定燃料条件下该环境燃烧温度下降;同时该环境下的惰性气体氧化条件苛刻，不容易发生化学反应，导致燃烧温度降低，废气里的CO2吸收热量的作用，汽缸内的温度降低，氮就难以被氧化，抑制了氮氧化合物NOx的生成，从而有效减少了NOx的生成。

3  EGR控制系统

废气再循环（EGR）是减少发动机尾气排放气体中氮氧化合物（NOx）的有效措施，非增压发动机的进、排气管存在足够的压力差，实现EGR很容易。增压发动机实现EGR比较困难，因为进气管内的压力比排气管内的压力大。按增压发动机实现EGR途径的不同，分为内部EGR和外部EGR两种类型。内部EGR是通过排气门或者特殊设置阀门的开启实现废气再循环，通过修改排气凸轮的形状使排气门在进气行程中稍有提升，让部分高压废气回流到汽缸内，实现废气再循环。外部EGR是将部分废气经由外部管路引入进气系统，实现废气再循环。外部EGR根据废气引到进气系统位置的不同，外部EGR可分为低压回路EGR和高压回路EGR两种类型。

EGR阀控制发动机尾气进入进气总管，让废气与进气管内的空气混合，进气管内EGR量的多少用EGR率表示，EGR率=[EGR量/（进气量+EGR量）]×100%。

EGR阀分类如下：

①真空驱动型EGR阀。

EGR阀安装在EGR通道中，EGR电磁阀安装在通向EGR阀的真空通道中，EGR根据发动机转速、负荷和冷却液温度等信号来控制电磁阀的通电或断电。EGR电磁阀不通电时，控制EGR阀的真空通道接通，EGR阀开启，进行废气再循环;EGR电磁阀通电时，控制EGR阀的真空通道被切断，EGR阀关闭，停止废气再循环。

②压缩空气驱动EGR阀。

该类EGR阀驱动力来自压缩空气，一般采用車载存气罐，膜片室或气缸内压力由电磁阀调整，以此控制EGR阀开启[3]。压缩空气驱动EGR阀结构相对繁杂，外形极大，应用较少。

③比例电磁铁驱动EGR阀。

该阀优点是结构相对简单，由永磁铁铁芯与螺线管之间相对运动，让EGR阀形成轴向运转，经过调整设计，保证在EGR阀打开时，电磁力同时达到峰值，打开时间不超过100ms，为保证控制更为精准，选用阀升程传感器，实施闭环控制，能降低温度升高产生的干扰，该种阀控制很方便，反应较迅速，经济适用。

④直流电机驱动EGR阀。

直流电机驱动EGR阀直接由直流马达驱动，由电子控制模块（ECU）控制，即电控单元，发射的脉冲控制直流马达运行，此和步进马达近似，区别是，直流马达驱使更加具备灵敏性，可以迅速完成正反转，实现其EGR阀的打开与复位，通过两者比较而言，直流马达驱使EGR阀的控制策略显得比较复杂，因为对于直流马达驱动而言反馈调节是必须的，阀门的开度是由方位传感器来获得作为反馈输入，同时这也是该种驱动方式的一大优势，高速反应的EGR阀更容易满足越来越严苛的排放法律，变成严厉EGR率控制的核心要素，直流马达驱使EGR阀逐渐的走上了EGR使用的平台，其低于80ms的反应速率成为其最大的杀手锏。

4  EGR控制系统设计研究

计算机科学迅猛发展的时代，EGR系统从机械控制技术转为电子控制技术，当前EGR控制系统主要应用单片机作为系统核心，同时配备各类传感器、信号处理电路、A/D转换器进行数据接收与处理，来控制电磁阀阀门的开关和闭合，本论文在现有的EGR阀结构的基础上，分模块对EGR控制系统进行设计研究。

4.1 EGR控制系统硬件设计

任何一款电子控制项目都需要进行硬件搭建，本次研究主要是对控制系统作出基础功能的探究，因此硬件设计较为简单。

单片机最小系统是保证单片机能够正常运行的基础条件，在硬件设计过程中首先要绘制出单片机最小系统，并进行仿真模拟点灯，以保证系统最基本的运行;由于自动控制属于弱电控制强电，一般来说单片机供电电压为5V，但是汽车内部蓄电池标准电压为12V，因此需要有升压稳压电路对供电电压进行处理使之符合汽车标准电压;该闭环控制系统通过控制电磁阀阀门的开关程度来控制废气再循环程度，调节进入负气压室里面的空气量，由于电磁阀阀门开合程度控制是EGR控制的主要控制量，它对被控量EGR率起到决定性作用，因此对于电磁阀阀门还用安装检测报警装置，一旦电磁阀阀门出现偏移损坏要进行蜂鸣器鸣笛预警;A/D转换电路是几乎所有工程实践项目的关键一环，外部检测信号大多数是模拟量，但是计算机识别的是高低电平数字信号，为了能让单片机对收集到的信号做出处理，必须要有A/D转化电路;由于该控制系统运行于发动机工作状态，要对发动机工作状态进行检测，并要对检测信号进行处理，因此必须设计转速信号处理电路，A/D转化电路，使用曲轴位置传感器作为关键转速检测环节发送脉冲信号进行反馈，对于发动机工作于怠速状态，电磁阀阀门被控制关闭，使用节气门位置传感器进行数据测量，同时对于冷却液温度也要进行传感测量，在当前冷却液温度低于40摄氏度时停止进行阀门开启。

基本硬件电路通过设计仿真后可以投产进行PCB板制造，由于板子制作周期较长应该多定制PCB板，避免在之后原件焊接、硬件调试过程中因为PCB板损毁导致项目无法按期完工。

4.2 EGR控制系统软件设计

硬件项目一般都要辅助软件编程，本次涉及研究主要基于该控制系统基础功能开发，电路设计大多采用标准模块进行设计组装，因此软件程序设计参考资料充足，难度较为简单。编程语言方面选择C语言进行编程，C语言最接近汇编语言，也是各类编程语言的基础，对于废气再循环控制系统来说，最基础的元器件控制代码入门教程都要涉猎，各类传感器程序编写商家会提供基本程序代码。

总体而言，EGR控制系统总控制程序代码思路为，首先进行系统初始化，接着依次读取测量信号，包括冷却液温度信号、节气门转速采集信号、EGR开度值测量信号并进行数据计算，当各类检测信号在指标允许范围内，检查电磁阀控制波形并对电磁阀阀门进行驱动控制，调节阀门开度，在无蜂鸣器报警条件下继续对各类传感器测量信号进行读取、计算、反馈，通过闭环调节不断调整电磁阀阀门的开度，使EGR率达到最优值。

由于C语言接近汇编语言，因此在变成过程中可以适当使用汇编语言来对硬件内部程序运行逻辑进行熟悉。

4.3 元器件选择与总体框架设计

元器件各类型号多种多样，在电子大楼基本可以采购到需要的一切元器件，但是在元器件选购过程中要从经济成本、元器件质量等方面进行考虑，因为当设计产品进行量产时元器件性价比不高的问题就会被扩大化，导致生产成本升高，利润率降低。但是在采购过程中也要关注国际新型元器件基本动向，在初步设计和小批量生产过程中大胆选用新型元器件，与传统元器件进行对比分析，得出优劣势，选择性对当前设计进行产业升级。

在控制系统整体框架设计要紧跟前沿科技动态，尤其是在仿真模拟和算法优化阶段，由于现有控制系统是智能信息化设备，因此算法优化对于EGR处理效率势必具有重要影响，同时也可以用MATLAB软件搭建仿真模型，从数据原理方面优化设计。在进行发动机产业升级过程中，硬件设计谋求最大限度接近尖端水平，硬件更新换代任务要求高，在生产设计时就有考虑该产品的可用时限，软件方面可以通过不断升级换代对存在问题进行处理。

5  结束语

综上所述，在环保理念被大力提倡的今天，对于汽车废气排放势必会有更加严苛的要求，我国汽车工艺距离国际先进水平仍有差距，核心技术手段仍掌握在国外，因此在完成汽车产量任务的过程中也要积极进取，争取早日攻克技术上的难题，这不仅仅是任何一家企业的责任，也是各类学科都要稳步发展才能产生的成果，本文关于EGR控制系统的探讨是基于本学科领域进行的研究实验，在雏形设计阶段有了一定考量，具体的实际项目中仍需具体问题具体分析。

参考文献：

[1]严永华.国六柴油机废气再循环系统开发技术的研究[J].汽车与新动力，2018（4）：92-96.

[2]張雷，徐博雅，陈征，等.新型EGR系统对非道路柴油机性能和排放的影响[J].小型内燃机与车辆技术，2018（3）：1-4.

[3]赵洋，王忠，刘帅，李瑞娜，瞿磊.废气再循环气体成分对柴油机颗粒结构特征的影响[J].农业机械学报，2015，46（07）：280-285.