基于PID的柴油機閉環(huán)EGR控制策略研究

張正興 趙文輔 李 科 劉悅鋒 李立超

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

柴油機具有油耗低、效率高的優(yōu)點，但是其排氣污染物中的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）對環(huán)境污染較大，因此降低NOx和PM排放，使柴油機排放水平達到國IV標準是當前柴油機技術(shù)研究及開發(fā)的重點。

對于中小型柴油機而言，采用EGR技術(shù)來降低發(fā)動機NOx排放已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)路線。即引入廢氣參與燃燒，降低了缸內(nèi)燃燒溫度，使過量空氣系數(shù)下降，氧含量降低，NOx生成量減少，而PM排放也會有一定升高，因此需要匹配氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、通透式顆粒捕集器（POC）或壁流式顆粒捕集器（DPF）等微粒后處理技術(shù)降低PM排放，從而使發(fā)動機整體排放達到國IV標準[1]。但是，由于引入EGR系統(tǒng)后，發(fā)動機新鮮進氣量減少，燃燒惡化，會對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性造成不利影響，尤其是在加速過程中影響更為明顯[2，3]。因此，開發(fā)適當?shù)腅GR控制策略來使發(fā)動機排放達標的同時減小對發(fā)動機性能的不利影響具有現(xiàn)實意義。

2 EGR控制策略

將開環(huán)、閉環(huán)兩種EGR控制系統(tǒng)在試驗樣機上進行對比研究。兩種EGR控制模式均可計算不同工況下的EGR開度設定值，并滿足發(fā)動機排放穩(wěn)定的要求。

試驗樣機采用外部冷態(tài)EGR方案，從排氣歧管中取排氣，經(jīng)過EGR冷卻器后進入進氣歧管，由電控單元調(diào)節(jié)EGR閥開度來控制EGR流量。試驗方案布置示意如圖1所示。

試驗樣機為4缸、排量3.0 L、排放水平達到國IV標準的高壓共軌柴油機，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

開環(huán)EGR控制策略是根據(jù)轉(zhuǎn)速、噴油量計算當前工況EGR開度值；而閉環(huán)EGR控制策略則以開環(huán)控制系統(tǒng)所計算的EGR開度為基礎開度，根據(jù)發(fā)動機實際進氣量與目標進氣量之間的偏差，對EGR開度進行比例積分（PI）閉環(huán)控制[4]。圖2為EGR控制邏輯示意圖。

3 閉環(huán)EGR控制策略

首先標定在開環(huán)控制策略下樣機在不同穩(wěn)態(tài)工況下的EGR開度，使試驗樣機在運行歐洲穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)（ESC試驗）時，NOx排放達到國 IV水平，并將其作為閉環(huán)EGR控制策略的基礎EGR開度。

此外，為實現(xiàn)EGR開度的閉環(huán)控制，需要將EGR開啟至目標開度時的發(fā)動機進氣流量作為閉環(huán)控制的控制目標，同時需要將對發(fā)動機進氣流量進行的實時測量監(jiān)控作為反饋信號。因為在壓差一定時，EGR開度越大，EGR流量越大，相應的發(fā)動機新鮮進氣流量就會逐漸減小，因此采用發(fā)動機實測進氣流量來間接反映發(fā)動機實際EGR流量，并基于此進行EGR開度的閉環(huán)控制[5]。

閉環(huán)EGR控制根據(jù)目標進氣量與實測進氣量的差值自動調(diào)節(jié)EGR開度。在穩(wěn)態(tài)工況下，使實測進氣量與目標進氣量保持一致，以保證發(fā)動機排放水平的穩(wěn)定；在瞬態(tài)加速工況下，由于發(fā)動機進氣反應滯后，目標進氣量大于實際測量進氣量，控制系統(tǒng)輸出負反饋EGR開度，即減小EGR開度，從而降低EGR開啟對發(fā)動機加速性能的不利影響，并改善加速過程進氣不足導致的煙度排放惡化情況。

合理調(diào)試PI控制器參數(shù)可以使EGR開度快速、準確的達到并且穩(wěn)定運行在目標控制狀態(tài)，因此PI參數(shù)的設置對EGR系統(tǒng)的性能有決定性影響。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩360 N·m工況下，在不同比例系數(shù)P設置下進行試驗，研究比例系數(shù)P對EGR開度和進氣流量的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，比例系數(shù)P取值越大，EGR開度、進氣量波動幅度就越大，但實際進氣量波動均值與目標進氣量之間差值越小，這說明較大的系數(shù)P會導致較大的系統(tǒng)波動，可以減小但無法完全消除系統(tǒng)控制偏差。

存在系統(tǒng)偏差即說明采用P控制EGR控制策略無法實現(xiàn)與開環(huán)EGR控制完全相符的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，因此需要引入積分系數(shù)I進行PI閉環(huán)EGR控制，I對EGR和進氣量的影響如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在比例系數(shù)P取值相同時，積分系數(shù)I取值越大，EGR開度、進氣量的波動越大；而當積分系數(shù)I取值相同時，P的取值越大，系統(tǒng)波動也會越嚴重。引入積分控制后，實際進氣量與目標進氣量之間的偏差得以完全消除，因此系統(tǒng)穩(wěn)定后，發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)排放水平與目標水平一致。

綜合EGR系統(tǒng)的波動及響應特性，選擇P=2、I=2作為樣機在2 400 r/min、360 N·m工況下的PI閉環(huán)控制參數(shù)。采取相同的方法可以整定出此樣機在不同工況下的最優(yōu)PI參數(shù)組合，再通過標定發(fā)動機在各工況下的目標進氣量確定發(fā)動機目標控制狀態(tài)，即可形成完整的閉環(huán)EGR控制系統(tǒng)。

為驗證發(fā)動機穩(wěn)態(tài)排放是否一致，分別采用開環(huán)和閉環(huán)EGR控制進行試驗樣機的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗（ESC試驗），除怠速工況外的工況點分布如表2所列。

表2 樣機ESC試驗工況點（怠速點除外）

圖7所示為采用閉環(huán)、開環(huán)EGR控制策略時，試驗樣機在ESC工況點（除怠速外）NOx比排放的對比。

從圖7中可以看出，閉環(huán)EGR控制在穩(wěn)態(tài)工況下可以實現(xiàn)與開環(huán)控制基本相同的排放結(jié)果，即閉環(huán)控制可以保證發(fā)動機穩(wěn)態(tài)排放水平的穩(wěn)定。

4 EGR控制策略對發(fā)動機瞬態(tài)性能的影響

為研究相同穩(wěn)態(tài)排放水平的開環(huán)、閉環(huán)EGR控制在發(fā)動機瞬態(tài)工況下的差異以及對發(fā)動機性能排放的影響，在轉(zhuǎn)速為2 000r/min、2 400 r/min、2 800 r/min時，分別采用EGR關(guān)閉、閉環(huán)控制EGR開度、開環(huán)控制EGR開度3種模式下的發(fā)動機瞬態(tài)加速試驗，記錄加速過程中發(fā)動機瞬時煙度排放和扭矩，結(jié)果如圖8～圖10所示。

從圖8～圖10可以看出，轉(zhuǎn)速相同時，開環(huán)控制的瞬態(tài)工況煙度排放很高，發(fā)動機加速性也比EGR關(guān)閉和閉環(huán)控制模式下差，其原因是在開環(huán)EGR控制模式下，發(fā)動機加速過程中EGR控制系統(tǒng)簡單的根據(jù)發(fā)動機工況設定EGR開度，而無法根據(jù)加速中進氣量不足的情況自動調(diào)整EGR開度，加劇了加速過程進氣響應滯后，導致過量空氣系數(shù)進一步過低，燃燒惡化嚴重，煙度大，加速性差；并且在發(fā)動機低速時，過量空氣系數(shù)更低，進氣滯后現(xiàn)象更明顯，開環(huán)控制EGR對加速性和煙度排放的影響更加顯著，這對注重低速扭矩的柴油機更加不利。

采用閉環(huán)EGR控制策略時，在加速過程中，由于進氣的響應滯后于油量的變化，因此由轉(zhuǎn)速、負荷查表計算的目標進氣量系統(tǒng)可以根據(jù)目標進氣量與實測進氣量的差別檢測到系統(tǒng)工況的變化，從而自動調(diào)整EGR開度，避免EGR開啟對進氣響應滯后的不利影響，實現(xiàn)發(fā)動機進氣與噴油量之間的較好配合，因此加速過程煙度排放相對EGR關(guān)閉模式只有較小的增長，且加速性惡化也不明顯；而相比開環(huán)控制策略煙度排放和加速性均大幅改善。

5 結(jié)束語

a.PI參數(shù)的選擇會影響閉環(huán)EGR控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應性，比例系數(shù)P越大，系統(tǒng)波動越大，但響應性越好，即僅采用比例控制會導致最終控制偏差，達不到目標控制狀態(tài)；積分系數(shù)越大，穩(wěn)定性越差，但引入積分系數(shù)可以消除控制偏差。

b. 進行PI參數(shù)標定時，必須兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應性的平衡，從而使發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)排放達到目標水平；PI參數(shù)選擇適當?shù)拈]環(huán)EGR控制策略可以實現(xiàn)與開環(huán)控制系統(tǒng)相同的控制效果。

c. 在發(fā)動機加速過程中，相比開環(huán)EGR控制系統(tǒng)，閉環(huán)EGR控制系統(tǒng)可以自動減小EGR開度，實現(xiàn)噴油和進氣之間的良好配合，不但大幅降低了瞬態(tài)工況的煙度排放，也有利于發(fā)動機改善瞬態(tài)加速性能；即使相比EGR關(guān)閉模式，煙度和加速性的惡化也不明顯。

1 黃德軍，朱紅國，蔣習軍.車用柴油機冷EGR+降低PM技術(shù)排放試驗研究.汽車技術(shù)，2010,12:14～17.

2 白晨旴，劉忠長，韓永強，等.階躍EGR對重型柴油機燃燒過程的影響.內(nèi)燃機學報，2011，29（1）:8～15.

3 朱瑞軍，王錫斌，冉帆，等.EGR和冷EGR對柴油機燃燒和排放的影響.西安交通大學學報，2009，43（9）:23～26.

4 蔡一凡，冒曉建，韋雄，等.基于雙閉環(huán)的電控柴油機EGR系統(tǒng)控制研究.車用發(fā)動機，2009,4:33～36.

5 謝峻捷，倪計民，譚靖宇，等.基于進氣流量的電控柴油機EGR 系統(tǒng)控制策略研究.上海汽車，2011，5:19～23.