重型柴油機全工況兩閥聯合控制EGR系統的設計*

趙靖華，洪 偉，解方喜

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025; 2.吉林師范大學計算機學院，四平 136000)

前言

重型柴油發動機排出的NOx和PM對環境和人類健康有著重大影響，為了滿足更嚴格的排放法規，在重型柴油發動機上應用了高EGR率。大量學者從合理控制EGR流量的角度，研究了EGR對排放的影響。文獻[1]中指出：空燃比對NOx和PM的影響存在一個折衷關系，因此，將空燃比控制在一個預定的理想范圍對降低柴油機排放非常重要[1]。具體來看，增加EGR可降低NOx，但會導致PM增加，CO和HC也會隨之增加，并且在渦輪增壓的限制下，降低空燃比會增加比油耗。這就要求預先標定出精確的、折衷的空燃比，使各種排放指標和發動機性能都能達到較優水平，并且通過控制策略使發動機可在各個工況下都能達到目標空燃比。

空燃比控制的實現方法主要有EGR、VGT、VNT和噴油策略等。文獻[2]和文獻[3]中采用了EGR、VGR加噴油聯合控制；文獻[4]中則單獨通過VGT控制空燃比。當前，大多數柴油機都配備了渦輪增壓，使廢氣和進氣歧管之間的壓差足夠大，在大多數工況下能夠保障高EGR率。但是，在低速和低負荷的部分工況下，上述壓差不能保證足夠廢氣通過EGR閥。此時，可增加一個節氣閥來降低進氣歧管壓力。文獻[5]和文獻[6]中就是采用節氣閥輔助EGR閥來控制進氣量。文獻[7]中以重型柴油機為研究對象，針對急加速工況下煙度容易激增的實際問題，采用了EGR閥和節氣閥兩閥聯合控制策略，取得了一定的控制效果。然而，該研究的重點是急加速瞬態工況條件，其他工況主要還是以優化MAP控制為主。同時，由于復雜的控制器設計與調試過程和實機臺架排放效果驗證的昂貴費用，使對重型柴油機排放優化的全工況控制研究甚少。在文獻[7]的基礎上，本文中采用兩閥聯合控制方法，并對急加速瞬態工況外的其它條件下的控制方法進行了改進。此外，由于采用實時仿真控制策略研究與臺架實驗驗證相結合的方式，提高了控制系統的開發效率，并極大地降低了成本。

基于enDYNA[8]軟件和dSPACE硬件耦合的精確發動機建模和實時仿真技術，本文中設計了一種節氣閥配合EGR閥的兩閥聯合空燃比控制器(EGRITH)。在半實物實時仿真平臺上驗證調試控制效果后，又在實機臺架上進行了排放優化的試驗研究，獲得了較好的效果。

1 試驗臺架與兩閥系統結構

本試驗研究對象為CY6D180增壓中冷電控共軌柴油機，主要技術參數如表1所示。

表1 試驗樣機基本參數

通過試驗發現，在低轉速的部分工況下，進氣中冷后壓力比排氣壓力大，即此工況下的壓差不能保證足夠廢氣通過EGR閥，因此，須增加一個節氣閥來降低進氣歧管壓力，以保證足夠的EGR流量。圖1為所設計的節氣閥配合EGR閥的系統結構圖。

本研究平臺的實時參數采集及控制系統，由高速傳感器配合PCL-818HG與PCI-9111數據采集卡和精密的測量儀器構成。其中，測量儀器主要包括汽車排氣分析儀、電渦流測功機、溫度控制系統、燃燒分析儀、煙度計、燃油流量計、瞬態空氣流量計、科式流量計等，具體見表2。

表2 試驗用主要儀器設備

2 兩閥聯合空燃比控制方法

在包含EGR閥和節氣閥的發動機中，調節進氣量所用的傳統操作方法是統一標定和單獨控制。EGR閥和節氣閥的控制信號一般都采用[0，1]之間的值表示開度大小，即0為全關，1表示全開狀態。由于本文中研究的發動機配置節氣閥的根本原因是在某些工況下EGR閥全開也不能保證足夠大的EGR流量，同時考慮到為了降低節氣損失應盡量保持節氣閥全開，所以采用了兩閥聯合控制策略，即以EGR閥為主，節氣閥為輔的鏈式控制策略。該策略以[0，2]之間的值(EGRITH)控制EGR閥和節氣閥的開關狀態，其中EGRITH值在[0，1]之間表示節氣閥全開，該值控制EGR閥，并隨該值的增大閥的開度增大；EGRITH值在[1，2]之間時，EGR閥全開，EGRITH值控制節氣閥，并隨該值的增大閥的開度減小。

為達到上述目的，本控制器以理想進氣量為控制目標，以理想EGR閥位置為輔助控制手段，以控制目標與實測進氣量的誤差為控制輸入，經控制策略處理后分別得到兩閥位置的控制輸出。兩閥聯合控制策略的主要控制邏輯如圖2所示，控制器的主要輸入信號1(mat_mess)為傳感器實測的空氣進氣流量；輸入信號2(mat_setpoint)為當前工況下理想的空氣進氣量；輸入信號3(egrp_ff)為當前工況下理想的EGR閥位置；輸出信號1(egrp_des)為EGR閥開度；輸出信號2(ithp_des)為節氣閥開度。具體工作流程如下：傳感器實測的空氣進氣流量信號與當前工況下理想的空氣進氣量信號相減，所得差值經PID控制器調節后再與當前工況下理想的EGR閥位置相加得到EGR閥和節氣閥聯合控制量即EGRITH的值，該值經[0，2]之間控制任務分配，分別得到EGR閥和節氣閥的控制信號。

通過應用上述控制策略，當進氣量達到理想值時，經PID控制器出來的控制量為零，當前EGR閥開度值即為理想EGR閥開度值，而節氣閥開度為0即全開。也就是說，在節氣閥全開時單純靠調節EGR閥能完成一定工況下的任務；如果EGR閥全開都不能滿足進氣量的要求，進氣量誤差推大控制量并且超過1，此刻開始了關閉節氣閥的過程。

該控制邏輯將節氣閥開度控制包括在跟蹤理想進氣量的反饋循環之中，保證了只有當EGR閥完全開啟時，節氣閥才開始關閉，達到了EGR閥控制為主，節氣閥控制為輔的控制目的。此種做法降低了泵氣損失，改善了燃油經濟性。此外，由于理想的節氣閥位置不再被單獨標定，兩閥聯合控制方法還降低了標定工作量。

所研究的控制器實際是利用EGR閥和節氣閥兩個執行部件的動作影響發動機的特性[9]。由發動機節氣閥附近氣體流量公式(1)～式(3)可知，進氣量與節氣閥開度之間存在數學關系，可以由控制目標理想進氣量反推節氣閥的開度。

(1)

(2)

(1-cos(2α)))

(3)

以上述發動機節氣閥附近的氣體流量公式為依據，再根據所研究問題的實際背景需求，對公式進行適當簡化，得到了由理想進氣量反推出節氣閥開度的前饋公式，主要公式邏輯如圖3所示。其中，輸入信號1(mat_sepoint)為理想進氣量，輸入信號2(manifold Pm)為閥后進氣歧管壓力，輸入信號3(atmosperic Patm)為閥前壓力，輸出信號1(throttle_angle)為節氣閥開度。

標定所得的各個工況下理想進氣量的值，經上述前饋公式反推出節氣閥開度，所得信號加到節氣閥控制開度之前作為開度前饋。該做法提高了節氣閥的控制反應速度，還和進氣量跟蹤反饋一起組成一個復合矯正控制系統，具體控制邏輯如圖4所示，左下角的Feed-forward_mat模塊即為前饋模塊。

3 半實物實時仿真平臺下的兩閥聯合空燃比控制效果驗證

將CY6D180柴油機的基本參數和經EGR優化后的穩態數據提交給精確發動機建模軟件enDYNA，經軟件系統的預處理擬合過程建立模型，并驗證了該模型的準確性。在PC機的離線環境下將EGRITH控制器與enDYNA柴油機模型耦合，組成閉環空燃比控制器。經離線仿真調試后，再將被控對象的EGR閥和節氣閥部分用實體閥代替，被控對象的其他模型部分下載到實時設備dSPACE中，EGRITH空燃比控制器下載到xPC-Target實時系統中，進行半實物實時仿真，進一步調試控制參數，為最終實機驗證空燃比控制器縮短開發時間，節約成本。

如圖5所示，在PC機離線仿真模式下，enDYNA模型在1 300r/min下運行，在EGRITH控制器的作用下跟蹤理想進氣量。結果表明：跟蹤曲線的最大超調量在10%以下，且跟蹤曲線較平滑，穩態靜差基本為零。

將上述在PC機離線仿真模式下調試好的控制策略和模型下載到相應的實時設備中，進行硬件在環實時仿真。結果表明，控制器跟蹤效果相對較差。分析其原因可知，由于控制對象由PC機中的模型變為由EGR閥和節氣閥以及實時設備中模型組成的半實物實時仿真模型，即控制對象更加“真實”，在之前離線仿真條件下標定的控制參數在半實物實時仿真平臺下不能達到較好的控制效果，所以控制器參數須進一步標定。重新標定控制參數后的控制效果如圖6所示。跟蹤曲線較平滑，最大超調量在5%以下，穩態靜差基本為零，并且在理想進氣量變化的瞬態時間段下跟蹤效果也較好。

4 EGRITH空燃比控制器排放改進效果驗證

上面討論了重型柴油機的空燃比精確控制器的設計和跟蹤效果驗證，本文中結合文獻[7]和文獻[10]中提出的重型柴油機急加速瞬態過程煙度排放控制方法，實現了兩種控制器的狀態切換，并驗證了排放改進效果。

在實機臺架環境下，進行了空燃比精確控制排放改進效果的測試，并與文獻[7]中的穩態EGR優化后的最優EGR閥節氣閥開度MAP控制方法的排放效果做了對比。圖7顯示了整個測試工況條件，從發動機起動開始，經歷了兩次負載增加的瞬態過程，相應地也出現兩次減負荷工況。第1階段的負荷增加大約從13s時刻開始到34s結束；自此開始了第1階段的減負荷工況，一直持續到大約68s；接下來開始第2階段的增負荷瞬態工況，該過程直到84s左右結束；第2階段的減負荷瞬態工況自此刻開始持續到111s左右結束；整個測試工況的最后階段是大約5s的穩態負荷工況。隨著負荷的變化，轉速也經歷了怠速階段，兩個加速和減速階段，轉矩也有類似過程。

對照上述測試工況條件，全工況空燃比優化控制與穩態EGR優化MAP控制方法的排放效果對比如圖8所示。其中，穩態EGR優化MAP控制的曲線根據文獻[7]的研究中的試驗數據整理得出。由圖可見，NOx與煙度排放在分別經歷5s和0.55s左右的延遲之后開始發生變化，在第1個增負荷階段，NOx與煙度排放均有所上升，前者主要是由于負荷增加，進氣量和缸內燃燒溫度都有所提高造成的，后者則是由于增負荷工況下由于渦輪增壓的延遲影響，空燃比下降導致煙度升高。再具體比較穩態EGR兩閥MAP控制與全工況空燃比優化控制在第1個增負荷階段的排放效果，前者的煙度排放惡化較為嚴重，由于后者采取了瞬態空燃比控制算法適當地關開EGR閥和節氣閥，在一定程度上降低了煙度排放的惡化程度；兩種控制方法的NOx排放增幅和增量都類似。

在第1階段的降負荷工況條件下，NOx與煙度排放均有所下降。再具體比較穩態EGR優化兩閥MAP控制與空燃比優化控制在第1個降負荷階段的排放效果，后者的NOx排放相比于前者較差，這是由于在前一階段的增負荷階段，后者采取了適當關EGR閥和全開節氣閥的方法控制EGR流量，從而抑制煙度產生，這樣做的副作用就是增大了新鮮空氣的流量，再加上缸內燃燒溫度升高促使NOx排放的惡化，并且由于缸內氣體流動、混合氣形成和氣體與缸壁之間的熱傳遞等燃燒邊界條件存在延遲效應，NOx排放的惡化結果有一定的響應時間延遲，須經歷特定的燃燒過程以后才可能達到準穩定狀態。但是，從整個測試工況下NOx排放結果上看，本文中所設計的空燃比優化控制方法的NOx排放值，僅僅比兩閥優化MAP控制方法平均高出10%左右，屬于優化發動機性能可接受的范圍。

綜上所述，所設計的空燃比控制器在上述測試循環的排放效果驗證過程中，排放水平較穩態EGR兩閥最優MAP控制方法有了很大改進。以空燃比為控制目標的EGR閥節氣閥聯合閉環控制EGR率的方法能夠實現煙度最小化，消光煙度最大值在2.5%以下，同時NOx排放值僅比兩閥優化MAP控制方法平均高出10%左右。

5 結論

(1)所設計的EGR閥和節氣閥兩閥聯合控制器達到了EGR閥控制為主，節氣閥控制為輔的控制目的，降低了泵氣損失，改善了燃油經濟性，同時還降低了標定工作量。

(2)該控制器在半實物實時仿真條件下，能夠達到精確控制空燃比的目的，在1 200r/min測試工況下跟蹤曲線較平滑，最大超調量在5%以下，穩態靜差基本為零，并且在理想進氣量變化的瞬態時間段跟蹤效果也較好。

(3)在臺架試驗條件下，該控制器能夠實現煙度最小化，消光煙度最大值在2.5%以下，同時NOx排放值僅比兩閥優化MAP控制方法平均高出10%左右。

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