董志強，姜莉莉

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006)

0 引言

柴油機以其熱效率高，功率范圍大，使用壽命長等優(yōu)點在船舶領域有著廣闊的應用前景。但船舶柴油機也是全球大氣污染的一個重要源頭，伴隨著相關海洋環(huán)境保護法規(guī)的出臺，降低有害物的排放成了船舶柴油機生產商迫切解決的問題。目前，世界各大船舶柴油機生產商大都選擇了SCR技術(選擇性催化還原技術)以應對2016年即將實施的Tier III排放法規(guī)，但SCR技術設備投資費用高、運行成本大，這使得價格低廉的EGR技術成為了新的研究方向。EGR技術(廢氣再循環(huán)技術)就是利用EGR閥將少量廢氣引入進氣管與新鮮空氣混合后進人氣缸進行燃燒，降低燃燒速度和燃燒峰值，從而破壞NO高溫富氧的生成條件，冷EGR就是在進行廢氣再循環(huán)的過程中對EGR廢氣冷卻來降低混合氣燃燒的溫度，從而更大程度上抑制NOx的生成，冷EGR不僅可以降低柴油機的NOx排放，而且可以降低HC排放，車用冷EGR已經被廣泛研究，但對于船舶冷EGR技術卻探究較少，本文研究了一種可以對EGR溫度進行實時控制的應用于船舶柴油機的自控冷EGR系統(tǒng)。

1 冷EGR系統(tǒng)總體設計

冷EGR系統(tǒng)是從柴油機的排氣管取廢氣，廢氣經過EGR閥、EGR海水冷卻器冷卻后在文丘里管中與新鮮的空氣混合后進入氣缸參與燃燒，冷EGR系統(tǒng)總體設計如圖1所示，柴油機運行過程中控制系統(tǒng)根據對各種傳感器送來的信號進行判斷、分析、處理和運算后，發(fā)出水泵轉速控制命令，使海水從舷外或船體海水冷卻系統(tǒng)引入，經過直流電動水泵后流入EGR冷卻器，最后經單向閥流回舷外或船體海水冷卻系統(tǒng)。其中冷卻器中采用冷熱流體逆向的方式，電動水泵用來控制冷卻水的循環(huán)量，單向閥用來防止海水的回流，電源由船舶提供。

圖1 冷EGR系統(tǒng)原理圖

2 冷EGR自控系統(tǒng)設計

2.1 自控系統(tǒng)控制方法

自控系統(tǒng)整體控制方法為開環(huán)控制，PID反饋控制用于對具體執(zhí)行機構進行控制。開環(huán)控制是總體控制方法，PID控制是輔助控制方法。

以柴油機冷EGR試驗得到的不同工況下最佳冷卻溫度和柴油機轉速、負荷的信號，由ECU判斷屬于哪一種工況，然后將該工況下實際測得的參數轉化為控制信號來控制伺服電動水泵的轉速，從而達到用控制冷卻水的循環(huán)量來控制EGR溫度目的。

PID控制主要是PID算法控制，通過調節(jié)PWM信號的占空比來控制電動水泵的平均轉速，低于ECU所設定的EGR冷卻溫度范圍時，水泵不運轉，在設定的溫度附近時，自控系統(tǒng)自動調節(jié)水泵轉速來改變水的循環(huán)量，使得EGR冷卻溫度控制在設定的溫度范圍。

以車用冷EGR試驗方法即通過不同工況和轉速下進行的冷EGR試驗得到EGR冷卻溫度對柴油機性能和排放的影響規(guī)律對船用柴油機進行冷EGR試驗，參考得到的EGR冷卻溫度對柴油機性能和排放的影響規(guī)律以及柴油機的EGR使用原則:低溫低速時和高溫高速時不進行EGR；低速小負荷和高溫小負荷和高速中負荷時EGR投入使用，確定了船用柴油機YC4F90L-C20的EGR冷卻溫度范圍，如表1所示。

表1 船用柴油機YC4F90L-C20的EGR冷卻溫度范圍

2.2 自控系統(tǒng)硬件設計

控制單元采用AT89S52單片機作為核心部件，冷EGR控制原理圖如圖2所示，其中反饋信號由排氣溫度傳感器和冷卻后EGR溫度傳感器提供，用于ECU控制電動水泵轉速，轉速信號由柴油機轉速傳感器提供，負荷信號由供油位置齒條傳感器提供。當柴油機的轉速過低、負荷較小或轉速過高、負荷過高時，對再循環(huán)廢氣不進行冷卻，ECU控制電動水泵不轉動。機體溫度信號由機體淡水溫度傳感器提供，當柴油機溫度過低時，對再循環(huán)廢氣不進行冷卻。各種信號首先由信號放大處理電路對傳感器的弱電信號放大，同時對一些非線性信號進行線性化處理，對開關信號進行濾波處理和電位變換。然后A/D電路對發(fā)動機負荷信號和冷卻后EGR溫度信號進行數字化處理后輸入單片機，機體淡水信號為數字信號可直接輸入到單片機中，轉速信號為脈沖信號。驅動電路是完成對直流電動水泵的驅動。

圖2 冷EGR控制系統(tǒng)原理圖

2.3 自控系統(tǒng)軟件設計

模塊化程序設計作為自控系統(tǒng)軟件設計的方法，主要是方便各模塊的單獨設計、編程和調試，各模塊之間通過軟件接口連接。程序模塊有:主程序模塊、A/D轉換模塊、循環(huán)采樣模塊、PID計算模塊等，軟件部分主要完成柴油機轉速、負荷、EGR溫度和機體淡水溫度信號的循環(huán)采樣、查表和運算處理、PID計算、PWM信號驅動執(zhí)行等功能。其中首先將EGR的冷卻溫度范圍作為查表程序的數據源存入單片機。主程序框如圖3所示。

圖3 主程序框圖

PID控制原理圖如圖4所示，PID控制的基值信號是由單片機判斷的發(fā)動機工況查表獲得的EGR的冷卻溫度的值，再由冷卻后EGR溫度傳感器提供的實際的EGR廢氣溫度信號為反饋信號。PID計算主要是在單片機接收到串口的控溫指令和溫度數據后，把采集到的實時溫度與控溫要求的溫度相比較后得出控制量，用該控制量去控制PWM輸出，再驅動MOS管改變電機兩端的平均電壓，進而控制電機的轉速來調節(jié)冷卻水循環(huán)量。改變EGR廢氣溫度的目的，使得EGR的溫度值達到規(guī)定的溫度范圍。

圖4 PID控制系統(tǒng)原理圖

溫度信號的循環(huán)采樣由冷卻后EGR溫度采樣控制程序完成，首先調用數字濾波程序對采樣數值進行處理并判斷所檢測溫度是否超出設定的溫度范圍，然后控制電動水泵的轉速等動作。溫度采樣控制程序流程如圖5所示。當冷卻后EGR溫度達到規(guī)定值Tg±5℃時，水泵保持原速運轉，當EGR溫度高于Tg±5℃時，由PID計算差值，并調節(jié)PWM波的占空比，調節(jié)電機兩端的平均電壓的方法提高電動水泵的轉速，保證EGR冷卻溫度達到設定值范圍。

圖5 冷卻后EGR溫度采樣控制程序框圖

3 試驗結果

在YC4F90L-C20船舶柴油機上做了裝有該冷EGR系統(tǒng)與無EGR的對比試驗(圖 6)，其中在轉速為1 500r/min時，對比結果如圖6(a)，圖6(b)，圖 6(c)，圖6(d)所示:采用冷EGR后NOx排放量比無EGR時減少13.3%～22.1%，HC排放量基本保持不變，CO排放量有所減少，碳煙的量也有所下降。

圖6 有冷EGR系統(tǒng)與無EGR系統(tǒng)對比試驗圖

4 結語

本文對船舶柴油機降低有害排放物的方法進行了探究，驗證了該冷EGR系統(tǒng)在船舶柴油機降低排放方面的可行性，試驗表明，船舶柴油機在安裝了冷EGR自控系統(tǒng)后，在保持HC和CO的排放基本不變的情況下，能有效的降低NOx的排放量，煙度也有所下降，達到了較好的排放效果，保護了環(huán)境。

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