排气再循环闭环控制系统及其故障自诊断监测

◆文/河南 王良斌

一、排气再循环系统概论

随着社会上汽车保有量的与日俱增，排放法规对汽车有害物排放和燃油消耗量都予以日益严苛的限量。想要降低油耗，就必须优化燃烧过程，提高发动机热效率，这就需要加速燃烧进程和升高燃烧的最高温度，致使NOx排放增加。提高发动机热效率和降低NOx排放相生相克。目前，解决这一矛盾的有效办法之一就是将适量的燃烧废气引入进气总管(现代发动机通常与进气歧管做成一体)，与新鲜空气混合一并送入汽缸，汽缸内的混合气体被废气稀释，减缓了燃烧速度，废气吸收燃烧产生的部分热量，降低了燃烧的最高温度，以减少NOx的生成量，进而降低了发动机NOx排放,这就是排气再循环(EGR)。进气总管中CO2浓度与排气管中CO2浓度之比称为EGR率。

1.EGR闭环控制系统

EGR以适度损伤发动机动力为代价去降低NOx排放。因此，EGR引入量必须适量、适时地进行严格控制。早期开环式的EGR控制系统已被淘汰，目前只有EGR闭环控制系统才能满足当今排放法规的要求。

2.真空阀式EGR闭环控制系统

真空阀式EGR闭环控制系统如图1所示。主要由EGR真空阀、EGR电磁阀、发动机ECU及进气歧管压力传感器(MAP)等元部件组成。

EGR真空阀结构原理：阀的上方空腔内有膜片将空腔分为上、下两部分。下部空腔与大气相通，大气压力作为参考压力恒定地作用于膜片下方，使膜片上凸；上部空腔通入控制压力(由EGR电磁阀提供)，膜片上部空腔内预压弹簧的弹簧压力和控制压力使膜片下凹。因弹簧在工作中变形量较小，弹簧压力也可视为恒定。膜片上凸下凹的具体位置就仅取决于控制压力的大小。阀下方的阀芯和顶部EGR阀开度位置传感器(电位计式)的滑动臂都与膜片进行机械相连接。控制压力增大，阀芯下移，EGR真空阀开度减小，EGR流量减小，EGR率减小；反之亦同。

图1 真空阀式EGR闭环控制系统

EGR电磁阀为3通线性电磁阀。发动机运行期间，节气门之前气体压力略低于大气压力(自吸发动机)，视为大气压力，节气门之后气体压力具有较大的真空度。EGR电磁阀2个输入端口分别与节气门的前后方想连通，即大气压力和进气歧管真空压力作为EGR电磁阀的输入压力，ECU以脉冲宽度调节的方式通过占空比调节产生EGR电磁阀的输出压力，输出压力在大气压力与进气歧管真空压力之间连续可调。EGR电磁阀的输出压力作为EGR真空阀的控制压力，进而连续调节EGR真空阀的开度，最终达到连续控制EGR流量/EGR率的目的。

EGR阀开度位置传感器为三线电位计式，集成于EGR真空阀上部，由ECU提供5V电压，将EGR真空阀的开度转换为电压信号，为EGR闭环控制系统提供反馈信号， EGR开度位置

传感器电压信号图如图2所示。

图2 EGR开度位置传感器电压信号

3.电磁阀式EGR闭环控制系统

电磁阀式EGR闭环控系统如图3所示。EGR电磁阀为2通线性电磁阀。ECU以脉冲宽度调节的方式通过占空比调节，可连续调节阀的开度，从而达到连续控制EGR流量/EGR率的目的。三线电位计式EGR电磁阀开度位置传感器，集成于EGR电磁阀上部，原理同上。

图3 电磁阀式EGR闭环控制系统

由于EGR电磁阀式闭环控制系统相比于真空阀式EGR闭环控制系统大为简化，因此，目前各大厂商广为采用。

二、EGR闭环控制及控制策略

为叙述方便，下面以电磁阀式EGR闭环控制系统为例予以论述。

1.EGR闭环控制系统

EGR闭环控制系统的流程框图如图4所示。由发动机实时的负荷和转速信息对号入座查出EGR电磁阀的目标开度(即预存于ECU中的EGR率)，与EGR电磁阀开度传感器测知的实际开度进行比较，实现EGR的闭环控制，使EGR电磁阀的实际开度收敛于目标开度。EGR电磁阀开度控制示意图如图5所示。

图4 EGR闭环控制系统的流程框图

图5 EGR电磁阀开度控制示意图

EGR电磁阀的流通截面积除了与阀芯的升程位置有关外，还受阀芯和阀座上的积炭等其他因素的影响。而由此带来EGR闭环控制系统的控制误差，最终由MAP信号予以补偿。在既定的条件下，MAP信号电压与EGR电磁阀开度位置信号电压具有确定的一对应关系，一旦失去应有的对应关系，在确定EGR电磁阀开度位置信号无故障码的条件下，由MAP信号ECU便可推知EGR电磁阀或通道积炭阻塞程度，进而通过调节EGR电磁阀占空比予以补偿。这种补偿是有限的，积炭阻塞累积到一定程度，补偿机制也无能为力，只能清洗或更换EGR电磁阀予以排除。MAP信号除了用于EGR闭环控制系统因积炭阻塞而致控制误差的补偿外，还主要用于EGR闭环控制系统的故障自诊断监测。

另外，EGR的作用机理是废气稀释混合气体，干扰到了空燃比，因此，还需要氧传感器信号对EGR控制数据予以修正。

2.EGR闭环控制策略

EGR率随发动机负荷和转速而改变。既定发动机的EGR率是在设计制造阶段通过大量的发动机台架实验综合优化做出来的，并且以特性场的形式预存于ECU的ROM中，如图6所示。发动机使用中，按实时工况信息对号入座取用。

为了稳定发动机运行，怠速和暖机工况关闭EGR电磁阀；为保证发动机的动力性，随着发动机负荷增加，EGR率减小，直到完全关闭EGR电磁阀。

(1)控制系统的反馈传感器更为合理

EGR流量的控制元件容易受废气的污染和腐蚀。高温废气对EGR电磁阀阀芯和阀座的污染和腐蚀，在发动机运行期间无时不在。更为不利的是，自发动机开始投入使用那一刻起，EGR电磁阀阀芯和阀座上的积炭和胶质沉积物就必然开始生成并且与时俱进。如何将高温废气与EGR流量控制元件相隔离或高温废气经降温过滤处理后进入EGR电磁阀，则EGR闭环控制系统的控制精度将会大为提高，故障率也会大为降低。

图6 EGR率特性场

(2)EGR废气引入进气总管，总会造成各缸的EGR流量不均匀

EGR率对工况改变的响应性差，EGR率随工况而变化，工况变化随机万变，而各缸EGR率的改变总是伴随着整个进气总管容积内废气的排空或充填，造成EGR率对工况变化的响应性显得迟缓。

三、EGR闭环控制系统的缺陷

EGR电磁阀开度位置传感器信号作为EGR闭环控制系统的反馈信号，与其所要修正的EGR率不具有唯一性或相关性弱，影响EGR率控制精度。EGR率除了主要取决于EGR电磁阀开度位置传感器信号外，还有其他因素影响，例如EGR电磁阀阀芯和阀座上的积炭以及进入进气总管内新鲜空气中的CO2浓度。笔者认为，进气总管上设置O2或CO2传感器作为EGR闭环控

四、EGR闭环控制系统故障自诊断监测

现代汽车发动机电子控制系统都配备了第二代车载诊断系统(OBD-Ⅱ)，OBD-Ⅱ要求EGR闭环控制系统故障可被监测。

1.EGR流量异常故障自诊断监测

(1)自诊断监测原理

MAP信号随动于EGR流量的变化，即EGR流量增加，进气总管压力增大，MAP信号电压增大；反之也然。OBD-Ⅱ根据MAP信号电压的变化量，推知EGR流量是否异常。ECU主动驱动EGR电磁阀全开或全闭，MAP信号电压应有对应大、小的数值变化，若无应有的变化关系或数值过大或过小，可判为EGR流量异常。

EGR电磁阀全开，可判EGR流量是否过小(积炭阻塞、阀芯卡滞)；EGR电磁阀全闭，可判EGR流量是否过大(积炭垫开阀芯、阀芯卡滞)。

(2)诊断操作原理

减速监测模式。当节气门在减速或倒拖工况而关闭时，ECU驱动EGR电磁阀全开；定速巡航监测模式。当节气门在定速巡航工况而具有较大开度时，ECU驱动EGR电磁阀全闭。

(3)诊断监测启动条件

因发动机不同而异。通常具备以下主要启动条件：发动机转速、发动机负荷、节气门位置、冷却液温度、车速及MAP等信号有效且无故障码。

MAP信号电压除了与EGR电磁阀开、闭相关外，还受其他因素的影响(例如进气歧管真空泄漏)。因此，为了避免误诊断，每一个监测样本中取MAP信号电压的平均值，并且将其平均地降低一定的系数，只有当足够监测样本的平均值超过自诊断系统所预设的阈值时，才判为故障，ECU则生成EGR流量异常的故障码。

2.EGR电磁阀开度位置传感器电路故障监测

该传感器的信号电压在0～5V之间变化，如图2所示，不应超出可能的范围，其具体范围值是预知的，实际值超出此范围；或者信号电压为0或5V,上述情况持续一定的时间，ECU则生成相应的故障码。

(1)EGR闭环控制系统的常见故障

EGR电磁阀和管路积炭阻塞以及阀芯卡滞是EGR闭环控制系统的常见故障。积炭对EGR电磁阀的影响如图7所示。

高温废气在进入进气歧管入口处瞬间被冷却，首先在此形成积炭并集聚，废气流动受阻，EGR电磁阀内压力升高；随后，高温高压废气充入EGR电磁阀阀芯的轴承间隙，形成积炭，使阀芯动作受阻，直至卡滞。

图7 积炭对EGR电磁阀的影响

(2)EGR电磁阀卡滞和管路积炭阻塞以及阀芯卡滞导致的故障现象

启动困难、怠速不稳、低速喘振、易熄火、动力不足、油耗增加、NOx排放增加等。