李志朋日产VG30E发动机废气再循环系统分析.docx
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李志朋日产VG30E发动机废气再循环系统分析
学校代码:
10128
学号:
200620302010
课程论文
题目:
日产VG30E发动机废气再循环系统分析
学生姓名:
李志朋
学院:
能源与动力工程学院
班级:
交通运输06-1
指导教师:
高志鹰副教授
2012年12月28日
内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书
课程名称:
汽车电子控制技术学院:
能源与动力工程学院班级:
交通运输06-1
学生姓名:
李志朋___学号:
200620302010指导教师:
高志鹰
一、题目
日产VG30E发动机废气再循环系统分析
二、目的与意义
根据《汽车电子控制技术》课程学习的知识,系统分析日产VG30E发动机废气再循环系统结构组成及基本的工作原理,掌握汽车电子控制系统的基本结构与原理
三、要求(包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等)
根据参考文献,系统学习并分析日产VG30E发动机废气再循环系统结构组成及基本的工作原理;按照《内蒙古工业大学课程设计说明书(论文)书写规范》撰写课程论文。
四、工作内容、进度安排
12月21日—12月22日:
根据任务书要求,查阅、学习相关参考文献;
12月22日—12月23日:
提交论文提纲;
12月23日—12月25日:
根据指导教师修改后的论文提纲撰写论文初稿;
12月25日—12月26日:
根据指导教师对论文的修改意见修改论文;
12月26日—12月28日:
提交论文,答辩
五、主要参考文献
[1]胡军义.柴油机废气再循环(EGR)电控系统控制策略的研究[D].合肥工业大学,2008.
[2]古国栋.柴油发动机废气再循环系统(EGR)热交换器仿真模拟与结构设计[D].华中科技大学,2007.
审核意见
同意。
系(教研室)主任(签字)
指导教师下达时间2009年12月18日
指导教师签字:
_______________
摘要
随着经济的发展,汽车逐渐成为大气排放污染物的主要来源,其中柴油在机动车中的比例日益增加,使得对柴油机排放的控制更为紧迫。
因为柴油车排放出大量的微粒物质(PM)和氮氧化物(NOX),所以微粒物质和氮氧化物两种排放物的减少也成为柴油机排放控制的关键。
当今世界各国在认识到汽车排放污染的严重性后,都竞相采用越来越严的排放法规值,对排放控制和净化效果的要求越来越高,如今开发和研制排放控制系统在技术上越来越困难,费用也越来越昂贵。
本文以电控技术和EGR技术为基础,对EGR做了详细的介绍,从EGR的控制策略以及其的工作原理,以及在文中对一些EGR的技术分类做了简单的叙述。
文中的最后对其的发展做了简单的叙述。
关键词:
汽车;废气再循环;电控系统;趋势
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,thecarhasbecomethemainsourceofatmosphericpollutantsinmotorvehicles,includingdiesel,makesthegrowingproportionofdieselengineemissioncontrolmorepressing.Becausealargenumberofdieselparticulatematteremissions(PM)andnitrogenoxides(NOX),sotheparticlematerialsandNOXemissionreductionoftwokindsofdieselengineemissioncontrolhasbecomethekey.Intoday'sworldunderstandingtotheseriousnessoftheautomobileexhaustpollution,areusingmorestringentemissionregulations,purifyingeffectofemissioncontrolandthedemandishigherandhigher,andemissioncontrolsystemsintechnology,alsomoreandmoredifficulttomoreandmoreexpensive.
Basedonthetechnologyandelectronictechnologyasthefoundation,anEGRforanEGRmadedetailedintroduction,fromanEGRcontrolstrategyanditsworkingprinciple,andinsomeofthetechniquesofanEGRclassificationsimplynarrative.Basedonthedevelopmentofthefinalsimplynarrative.
Keywords:
Automobile;ExhaustGasRecirculation;ElectricControlSystem;tendency
目录
第一章前言1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2国内外相关研究动态2
1.3本文的意义3
第二章EGR控制系统基本结构及控制策略4
2.1EGR控制系统基本结构4
2.2控制策略4
第三章电子控制式EGR系统7
3.1普通电子控制式EGR7
3.2数字式EGR系统8
3.3直线式EGR系统9
第四章日产VG30E发动机废气再循环系统11
4.1废气再循环系统的结构11
4.2废气再循环系统的工作原理11
4.3废气再循环系统的控制过程12
4.4废气再循环系统的检修13
4.4.1废气再循环系统工作情况的检查13
4.4.2废气再循环控制阀的检修13
4.4.3废气再循环电磁阀的检修14
第五章电子控制式EGR系统的技术与总结16
5.1EGR发展分析16
5.2总结17
参考文献18
第一章前言
1.1课题研究的目的和意义
汽车,从问世至今,已有一百多年的历史了。
一百多年来,汽车的发展不仅为人类提供了一种简单的交通运输工具,而且还创造了巨大的社会财富、科技进步和现代文明。
但是,最近二三十年来,随着保有量的迅速增长,汽车也给人类带来了一些公害,比如严重的环境污染。
现在,世界环境污染问题十分严峻,已严重地影响着人类的生存和发展,而汽车废气污染是环境的主要污染源之一。
为防止大气污染,在排放法规中规定了汽车排出气体中氮氧化合物(NOX)的排放量。
废气再循环(exhaustgasrecycle,EGR)系统是将一部分废气引入进气系统中,和混合气一起再进入汽缸中燃烧,以抑制氮氧化物(NOX)的生成,减少发动机氮氧化物(NOX)的排放。
NOX是混合气在高温燃烧时,含在混合气中的N2和O2发生化学反应所产生的。
燃烧温度越高,排出的高浓度NOX越多。
如果将废气引入进气系统,使混合气中单位燃料对应的惰性废气的增加而限制燃烧;汽车排放的废气具有很高的温度,引入的废气使混合气的热容量增加,所以能弥补一部分由燃烧变差而降低的功率。
由于惰性废气的增加,促使着火延时期变长,燃烧速度下降,燃烧温度也随之下降,这样就能有效地抑制NOX的生成。
由于采用EGR而使混合气的着火性能和发动机输出功率下降,因此,应选择NOX排放量多的发动机转速范围,进行适量的EGR控制。
EGR的控制量指标大多采用EGR率,其定义如下:
EGR率=EGR气体流量/(吸入空气量+EGR气体流量)×100%随着EGR率的增加,发动机油耗和扭矩也跟着恶化,而且HC的排量也相应增加。
由于废气再循环造成了失火率增大,燃烧变得不稳定。
所以在对EGR率的控制中,应同时对点火提前角进行控制,这样,在一定的再循环废气量的范围内也能提高动力性和经济性。
只要对废气的循环量加以控制,同时对其他因素,如点火提前、调整喷油量等综合考虑,就能得到理想的结果。
1.2国内外相关研究动态
EGR技术在国外已被广泛应用。
早在二十世纪七八十年代,国外的一些汽车发达国家就开始对EGR的工作机理、控制方式等进行了研究。
目前,已经形成了一套比较系统的理论,并成功研制出了一系列EGR装置。
图1-1EGR系统的基本类型
以日本丰田公司为例,二十世纪九十年代,公司根据EGR结构原理的不同,把EGR分成了四类,如图1:
EGR系统的基本类型。
从早期使用的A型:
进气负压控制,节气门下方注人方式;到改进后的B型:
进气负压控制,节气门上方注人方式:
然后是丰田4K一U发动机所成功应用的C型:
EGR排压控制的下方注人方式;D型是在C型的基础上,增加了一个负压控制阀,可以保证EGR率在允许的范围内随负荷的增加而增加,因此是一种较完善的EGR,丰田12T一U发动机的EGR系统就属于这一类。
但是,随着电子技术的日益发展和“节约能源、汽车环保”主题的要求,电子控制方式的EGR系统逐步取代了先前的机械控制式EGR。
日本三菱公司为适应汽车环保要求和节约燃料,已将EGR阀从原来历经25年生产的负压驱动方式改变为步进电机驱动方式。
作为丰田公司最高品牌的凌志LS400型轿车,现已采用全电脑控制式EGR取代过去的机电控制式EGR装置。
从国外汽车对EGR的使用来看,EGR系统已被认可。
可以说,在现代发动机中仍将不断地采用EGR系统,对EGR的净化要求也会越来越高。
因此,电子控制方式的EGR系统将是发展的趋势。
综上所述,国外对EGR的研究,不仅在理论方面,而且在实际装置方面都达到了一定的程度。
而相对来讲,国内对EGR系统的应用和研究是较少的。
从目前国内的汽车制造行业,即使是轿车行业来看,大多没有采用EGR系统装置。
如上海大众系列轿车中较新款的车型:
SANTANA2000系列,PASSAT;二汽神龙富康系列车;天津金夏利世纪福星TJ7131u;北京切诺基2021等。
另外,在EGR的理论研究方面,国内少有的报道也是集中在EGR率的优化和讨论阶段,没有对实际使用EGR系统提供有效的试验方法和理论指导。
因此,EGR系统的研究在我国尚处在初期阶段。
1.3本文的意义
现今随着排放法规的日益严格,汽车污染物的排放已经不能单纯依靠单一的某种手段来进行控制,必须依靠多种手段综合应用,才能达到满意的效果。
本文在原有的可变几何参数增压(VNT)柴油机基础上,选择合适的硬件系统和控制策略,设计电控EGR系统在烟度和油耗无明显恶化的前提下来降低刃口工的排放,使其综合排放值达到国家要求。
第二章EGR控制系统基本结构及控制策略
2.1EGR控制系统基本结构
排气再循环系统(EGR)就是将发动机排放的部分废气引入进气管,与新鲜混合气混合后再进入气缸,利用废气中所含有大量的二氧化碳(CO2)虽不参与燃烧却能吸收热量的特点,降低燃油在汽车发动机内的燃烧温度,以减少NOx的排放,最终减少对大气的污染。
现在利用单片机自动控制技术,研制了柴油机变EGR率控制系统来有效降低NOx。
此EGR系统结构如图2-1所示。
图2-1EGR系统结构
2.2控制策略
EGR控制系统运用反馈控制模式,如图2-2所示。
图2-2所示的是EGR控制系统图
图中的指令主要是指来自汽车各类传感器信号,包括油门位置信号、发动机水温信号、转速信号以及节气门位置信号。
控制器(ECU)是控制系统的核心部分,这里单片机利用的是80C51,80C51是8位CPU,内有128B数据存储器RAM和4KB的ROM,可寻址外部程序存储器和数据存储器空间各64KB,CPU有4个8位并行口(P0、P1、P2、P3),用以实现地址输出及数据输入/输出。
在EGR控制系统中,ECU里预先存储了该EGR系统的MAP图,此MAP图是系统的主要控制规律。
现今的MAP图都是在发动机台架试验中得到的,在试验中人为调整各类传感器信号的大小,再根据排放指标以及发动机功率要求,来确定最佳的EGR率。
MAP图就是根据在台架试验中不同发动机工况时的最佳EGR率,绘制的三维坐标图,一般是根据负荷以及车轮转速信号来确定EGR开度,如图2-3所示。
图2-3EGR系统的MAP图
图ECU根据各类传感器信号通过A/D转换的输入量,确定发动机当前的EGR率,再输出电平信号来控制真空调节电磁阀的开关时间,以达到向EGR阀输送不同的真空度,从而得到不同的EGR阀开度。
因为这种EGR阀是依靠真空度调节的,所以就需要在节气门后安装一个稳压器,以提供稳定的真空度,这样才能实现对阀门的精确控制。
因为使用EGR会使发动机功率下降,并且因为废气引入燃烧室,会使得燃烧不稳定,所以在EGR控制策略中,应该注意以下几点:
1)发动机起动时,一般关闭EGR阀,保证发动机顺利起动直至稳定工况。
2)低速和小负荷时,由于供油量小,燃烧相对不太稳定,所以应该降低EGR率;在高速、大负荷时,为了获得较高的输出功率也要降低EGR率。
3)怠速时,由于燃烧温度较低,则NOx的排放量不多,一般应关闭EGR阀,否则将导致发动机工作不稳定。
4)水温过低时,混合气供应不均匀,燃烧不稳定,而且燃烧温度低,一般要关闭EGR阀。
EGR控制系统中由于工作环境的缘故,干扰因素很多,因此有时EGR开度会受到影响,所以引入反馈控制,以便让系统可以自动纠正输出的误差,该EGR控制系统的反馈信号就是EGR阀门的实际开度。
阀门的实际开度是通过一个柱塞推动的滑动变阻器产生的电压信号来确定的,此柱塞是靠阀门顶杆推动的,所以可以实时反映出阀门的开度。
当ECU从反馈装置处得到EGR实际升程后,会把实际升程与MAP图中的升程进行比较,如果误差超出额定范围,ECU会输出电平信号,通过真空泵对EGR阀进行调节。
在控制指令抗干扰方面,可以通过硬件电路设计,增加一片光电耦合器来抑制干扰,提高系统的可靠性。
第三章电子控制式EGR系统
电子控制式EGR系统不仅EGR率的控制范围大(15%-20%),控制自由度也大。
其主要功能特点,就是选择NOx排放量大的发动机工况,进行适量的EGR控制。
系统工作原理如图3-1:
电子控制式EGR系统工作原理图。
在发动机工作时,微处理机ECU根据各传感器,如转速传感器、水温传感器、节气门位置传感器、点火开关等信号,确定发动机目前在哪一种工况下工作,以输出指令,控制EGR电磁阀打开或关闭,使EGR进行或停止。
图3-1电子控制式EGR系统工作原理图
3.1普通电子控制式EGR
日产(Nissian)汽车VG30型发动机EGR系统,即为普通电子控制式EGR形式。
其结构如下图3-2:
普通电子控制式EGR系统。
该系统主要由EGR电磁阀、节气门位置传感器、EGR控制阀、曲轴位置传感器、发动机ECU、水温传感器、起动信号等组成。
EGR系统具体的控制工作过程如下表3-1。
表3-1日产(Nissian)汽车VG30型发动机EGR控制过程
3.2数字式EGR系统
数字式EGR系统,它的主要工作部件是一个数字式EGR阀。
数字式EGR阀,以电子控制方式工作,没有连接真空装置。
它内置1--3个独立的电磁线圈,由发动机系统控制模块PCM直接操纵。
有三个电磁线圈的数字式EGR阀如右图7所示。
每个电磁线圈都有一个活动衔铁,其锥形端头座落在一个阀孔内。
数字式EGR系统的工作原理是:
当任意一个电磁线圈通电时,衔铁上移,排气通过该孔回流到进气歧管。
各电磁阀和孔具有不同的尺寸,PCM可操纵一个、两个或三个电磁阀以供给为最优控制所需的EGR流量。
1、电磁线圈和安装板总成2、EGR阀底版3、EGR阀底座密封垫4、绝缘
5、EGR阀底座6、衔铁7、螺钉总成
图3-3有三个电磁线圈的数字式EGR阀
3.3直线式EGR系统
直线式EGR系统,包括一个电磁线圈和一个受电子控制的锥形阀,结构如图8:
直线式EGR阀结构。
PCM使用脉冲宽度调节规律以精确控制铁芯的移动,控制阀的开度大小,实现EGR率的“无级变化”,使EGR率的控制更符合发动机工作和净化的实际需要。
直线式EGR系统的工作原理是:
当电磁线圈通电时,铁芯和锥形阀上移,让废气经EGR阀回流到进气歧管。
锥形阀的升程位置可根据发动机的转速和负荷预先设定。
工作时,根据EGR阀位置传感器提供的EGR阀位置信号,两者进行比较,若不相等,PCM将EGR阀的升程调至理想位置,以控制最佳的EGR率。
福特车的EEC一IV和EEC一V发动机系统都用这种EGR系统。
1、传感器2、EGR阀位置传感器3、初级极靴4、电磁线圈与线圈架
5、衔铁套筒6、锥形阀7、衔铁和阀座总成
图3-4直线式EGR阀结构
第四章日产VG30E发动机废气再循环系统
4.1废气再循环系统的结构
日产VG30E发动机装在日产千里马(MAXIMA)轿车上,该发动机为V型V6缸,它采用日产微机集中控制汽油喷射系统(即ECCS),该系统可对发动机的燃油喷射量、点火时间、废气再循环及怠速进行集中控制,并且具有故障自诊断功能。
它主要由废气丙循环电磁阀、废气再循环控制阀、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、水温传感器、起动信号及发动机电脑等组成,如图4-1所示。
图4-1日产VG30E发动机废气再循环系统
4.2废气再循环系统的工作原理
废气再循环的目的是为了降低排气中NO排放量但是,废气再循环也会使发动机的输出功率降低,使发动机在怠速、低速等工况下运转不稳定。
为此,需要由电脑根据发动机的工况控制废气再循环系统的工作。
日产VG30E发动机废气再循环系统的工作原理:
在发动机工作时,发动机电脑根据各传感器输送的信号,按电脑内预先储存的程序控制废气再循环系统的工作过程。
当发动机电脑向废气再循环电磁阀输出接通信号时,电磁阀就切断通向废气再循环控制阀的真空管路,进气管中的真空度不能作用到废气再循环控制阀上,废气再循环控制阀切断排气管到进气管的通路,使排气不再进人进气管,停止废气再循环,使废气再循环系统不起作用;当发动机电脑向废气再循环电磁阀输出断开信号时,电磁阀就打开通向废气再循环控制阀的真空管路,进气管中的真空度作用在废气再循环控制阀上,废气再循环控制阀动作,打开排气管到进气管的通路,排气进人进气管,开始废气再循环,使废气再循环系统起作用。
4.3废气再循环系统的控制过程
日产VG30E发动机废气再循环系统的控制过程列于表4-1。
表4-1日产VG30E发动机废气再循环控制过程
a.在发动机起动时,需要较浓的混合气,而此时进人气缸的混合气较少,若再使废气进人进气系统,则会使握合气更稀,起动更加困难,因此在起动时关闭废气再循环电磁阀,停止废气再循环系统的工作
b.当节气门开关接通时,发动机处于怠速或大负荷工况。
该发动机的节气门位置传感器为开关式(图4-2),因此又将其称作节气门开关,该节气门开关在节气门关闭和全开时接通,在其它工况时断开在怠速(节气门关闭)时,进人气缸的混合气较少,若此时废气进人气缸,则会使怠速时混合气不能正常燃烧,造成怠速抖动,严重时发动机熄火。
在大负荷工况(即节气门全开)时,发动机需要大功率,此时废气再循环会减小发动机的最大输出功率,因此在节气门开关接通时,废气再循环系统停止工作。
图4-2日产VG301;发动机触点式节气门位置传感器
c.发动机温度低时,需要加浓混合气,而废气再循环则会稀释棍合气,降低混合气浓度,造成燃烧室内的不正常燃烧,影响发动机的正常工作。
因此在发动机温度低时,废气再循环系统不工作。
d.当发动机转速低于900r/min时,发动机到达最低稳定运转转速,若转速继续降低,则发动机会熄火,因此应停IF.废气再循环系统的工作,增加发动机的输出功率。
e.当发动机转速高于3200r/min时,发动机处于大负荷工况,需要输出大功率以满足工作需要,因此应停止废气再循环系统的工作,以增大发动机的输出功率。
F.除去上述各工况外,废气再循环电磁阀均打开废气再循环补制阀的真空管路,使废气再循环系统工作废气再次进人气缸后,会降低燃烧室内的最高燃烧温度,从而减少排气中NOx含量,降低排放污染。
4.4废气再循环系统的检修
4.4.1废气再循环系统工作情况的检查
a.起动发动机,并以怠速运转
b.将手指按在废气再循环控制阀膜片上(图4-3),检查废气再循环控制阀有无动作
图4-3检查废气再循环控制阀工作情况
c.在冷车状态下踩下加速踏板,使发动机转速上升到2000r/min左右,此时废气再循环控制阀应不开启,手指上应感觉不到膜片的动作。
d.在发动机热车后,踩下加速踏板,使发动机转速上升到2000r/min左右,此时废气再循环控制阀应开启,手指应感觉到膜片的动作。
若废气再循环控制阀不能按上述规律动作,则说明该系统工作不正常。
此时,应首先检查废气再循
环系统的真空管路有无破裂、泄漏之处。
若真空管路完好,则应检查该系统的废气再循环控制阀、废气再循环电磁阀等零部件有无故障。
4.4.2废气再循环控制阀的检修
使发动机怠速运转,拔下废气再循环控制阀上的真空管,用手动真空泵对废气再循环控制阀施加19.95kPa的压力(图4-4)。
此时,若发动机的转速明显降低,甚至可熄火,则说明废气再循环控制阀工作正常。
反之,若发动机转速无变化,说明废气再循环控制阀损坏,应更换。
图4-4检查废气再循环控制阀
4.4.3废气再循环电磁阀的检修
(1)检查废气再循环电磁阀线圈有无短路或断路
如图4-5所示,断开点火开关,拔下电磁阀的插接器,用万用表欧姆挡测量电磁阀插孔上两端子间的电阻,电磁阀线圈正常时,其电阻值应符合标准。
图4-5检查废气再循环电磁阀线圈
用万用表欧姆挡测量电磁阀插孔上两端子与阀壳间的电阻,正常时应不导通。
若测量结果不符合要求,则应更换废气再循环电磁阀
(2)检查废气再循环电磁阀的工作情况
如图4-6所示,拔下电磁阀的线束插接器及真空软管,拆下电磁阀,进行如下测试。
图4-6检查废气再循环电磁阀的工作情况
a.当电磁阀不通电时,A-B之间应通气,AC,B-C之间应不通气。
b.当电磁阀通电时,B-C之间应通气,A-B,A-C之间应不通气。
若不符合上述要求,则应更换废气再循环电磁阀.
第五章电子控制式EGR系统的技术与总结
5.1EGR发展分析
经过这几年的发展,国内柴油机企业已能适应排放标难的快速加严,虽然现在全国还没有全部实施“国III”排放标准,但很多企业已在开发符合“国IV”排放标准要求的产品,而“国IV”排放标准对柴油机来讲,是一个技术的转折点。
“国III”标准之前,柴油机排放可以通过机内净化技术来解决污染物的排放控制,达到相应的标准,而从“国IV”开始,除了改进燃油喷射系统、优化燃烧过程等机内净化措施外,还必须增加机外后处理装置才能使排放达标。
欧洲主要采用了两条技术路线:
其一是SCR(选择性催化还原)技术路线,它是通过优化喷油和燃烧过程,尽量在机内控制微粒的产生,在机外后处理过程,采用尿素溶液对氮氧化物进行选择性催化还原;其二是EGR+DPF(废气再循环加微粒捕集器)技术路线,它以废气再循环为基础,在机内抑制氮氧化物的产生,在机外后处理过程中采用微粒捕集器对微粒
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