增壓汽油機低壓EGR控制模型開發及驗證

李家玲 王強 王廷偉 孫鵬遠 龍立

（1.中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：增壓汽油機 低壓EGR 控制模型 試驗驗證

EGR Exhaust Gas Recirculation

MCU Micro Controller Unit

ECU Electronic Control Unit

VVT Variable Valve Timing

CAN Controller Area Network

OCV Oil Control Valve

GPF Gasoline Particulate Filter

BMEP Brake Mean Effective Pressure

PWM Pulse Width Modulation

PID Proportional Integral Derivative

1 前言

近年來，盡管我國的新能源汽車行業蓬勃發展，但燃油車仍在全國汽車保有量中占據主導地位。在燃油車方面，主機廠正在廣泛地應用可變氣門正時（VVT）、米勒循環（Miller Cycle）、廢氣再循環（EGR）技術。EGR 技術是指將發動機燃燒做功后的部分廢氣通過管路引入進氣系統，與新鮮空氣混合后進入氣缸的技術。通過EGR引入的廢氣在發動機缸內具有稀釋作用和熱容效應，在部分負荷工況下，可以降低泵氣損失和傳熱損失，從而提升理論熱效率。在全負荷工況下，EGR 可以降低燃燒溫度，從而抑制爆震以及減少“過噴油”來降低油耗；另外EGR還可以有效地降低發動機NOx排放。

根據發動機廢氣引入氣缸的過程中是否經過進氣系統，EGR 技術可分為內部EGR 和外部EGR。內部EGR 是通過改變氣門正時進而改變氣門重疊期使部分廢氣滯留在氣缸內；而外部EGR則是通過外接管路將排氣管中的廢氣引入進氣管路中，在進氣管路與新鮮空氣混合后再進入氣缸。外部EGR 根據廢氣取出和引入位置的不同，可分為高壓EGR、低壓EGR 和混合EGR。低壓EGR 是指廢氣從渦輪機下游取出，由壓氣機上游引入。相較于高壓EGR和混合EGR，低壓EGR 在低轉速、高負荷工況下不存在負壓差區域，保證了大量的EGR 廢氣可以順利地流入缸內發揮作用，因此低壓EGR 具有更寬的工作范圍，且不會對壓氣機的工作效率產生負面影響。

在發動機的實際工作過程中，EGR率必須得到精確地控制。若引入的EGR率過低，將導致發動機難以達到預期的節能減排效果，若EGR率過高則會造成發動機不穩定燃燒，導致燃油經濟性變差。而EGR系統控制的關鍵就是在不同工況下精確控制EGR 率達到最優的EGR 率。因此本文以一臺2.0 L 增壓直噴汽油機為研究對象，開發了一種精確低壓EGR 控制模型，并完成了臺架標定和控制精度驗證。

2 低壓EGR系統結構

低壓EGR 系統布置型式如圖1 所示。低壓EGR系統主要由EGR閥、混合閥、EGR冷卻器組成，傳感器包括溫度、壓差和EGR 閥位置傳感器。在低壓EGR系統中，廢氣由催化器下游取出，流經EGR 冷卻器和EGR 閥，在混合閥的控制作用下，與新鮮空氣充分混合，經過壓氣機增壓和進氣中冷器的冷卻作用，進入氣缸內。

圖1 低壓EGR系統布置

2.1 混合閥

混合閥選用汽油機上常用的蝶閥結構，為常開閥?；旌祥y的控制電路采用直流電機H橋驅動電路，采用占空比信號（PWM）進行控制進氣量。當存在EGR 需求時，混合閥產生一定的開度，用于產生EGR閥前、后的壓力差，以便于EGR 廢氣引入壓氣機進氣管路。

2.2 EGR閥

EGR閥同樣選用蝶閥結構，并采用直流電機H橋驅動電路和占空比信號控制。EGR閥為常閉閥，閥門開度決定了EGR 流量和EGR 率，EGR 閥開度由發動機電子控制單元（ECU）控制。

蝶閥處的流量計算基于可壓縮流體流過閥口時的流量方程為：

2.3 EGR冷卻器

EGR 冷卻器采用汽油機冷卻系統中的冷卻液進行冷卻。主要用于降低EGR氣體溫度，避免對新鮮空氣進行加熱而導致發動機爆震和燃燒惡化。

2.4 EGR壓差傳感器和溫度傳感器

EGR壓差傳感器用于精確測量EGR閥上、下游的氣體壓力，EGR溫度傳感器則用于測量EGR閥上游的氣體溫度。

3 低壓EGR系統控制策略開發

3.1 低壓EGR系統控制流程設計

根據低壓EGR系統的結構特點，設計了如圖2所示的控制流程圖。低壓EGR系統基本控制流程如下。

圖2 低壓EGR系統控制流程

（1）根據整車和發動機工作狀態進行EGR系統使能判斷；

（2）當存在EGR 率需求時，根據工況條件計算混合閥需求開度，并控制混合閥至目標開度；

（3）根據發動機工況查詢目標EGR 率圖表，同時計算目標EGR質量流量；

（4）根據目標EGR 質量流量計算目標EGR 閥開度，并控制EGR閥至目標開度；

（5）根據EGR閥位置傳感器獲取的實際開度計算EGR氣體的實際質量流量；

（6）根據空氣流量計獲取的新鮮空氣質量流量、EGR實際質量流量以及系統延遲時間，計算缸內實際的EGR率；

（7）計算進、排氣VVT 角度修正量和點火角的修正量。

3.2 低壓EGR系統功能模塊設計

根據所設計的低壓EGR系統控制流程，為完成低壓EGR 系統的功能開發，將整個低壓EGR 控制系統劃分為7個子系統功能模塊，包括使能判別模塊、需求計算模塊、閥門控制模塊、質量流量計算模塊、延遲時間和修正系數的計算模塊。低壓EGR 系統中各功能模塊間的控制邏輯關系如圖3所示。

圖3 低壓EGR系統各功能模塊間的邏輯關系

3.2.1 低壓EGR使能判別模塊

當整車車速以及發動機轉速、水溫、EGR 閥上游氣體溫度均達到設定值時，低壓EGR系統才能工作。

3.2.2 低壓EGR率需求計算模塊

發動機缸內的充氣量僅由新鮮空氣、內部EGR和外部EGR 這3 部分組成。因此通過試驗標定了基于轉速和負荷的總EGR 率特性（MAP）圖，以及基于進、排氣VVT 角度的內部EGR 率MAP 圖，就可以得到目標外部EGR率MAP圖。

3.2.3 混合閥控制模塊

在EGR 功能激活后，根據混合閥上、下游氣體壓比和溫度值，按照閥口流量公式（1）可以計算出混合閥開環目標開度，同時根據工況進行混合閥目標開度的修正。

3.2.4 低壓EGR閥控制模塊

基于EGR閥處的目標質量流量、溫度以及壓比參數，根據閥門流量公式（1）推算出目標EGR 閥的有效流通面積，并查詢EGR閥開度與有效流通面積的關系MAP 圖，得到了EGR 閥的目標開度。然后根據EGR閥目標開度和實際開度的偏差值，設計了PID 控制器，輸出EGR閥驅動電機的PWM信號。

3.2.5 低壓EGR質量流量計算模塊

根據EGR 閥上游溫度和上下游壓差以及EGR 閥位置傳感器獲取的實際開度，并基于閥門流量公式（1）計算EGR閥處的實際質量流量M。

3.2.6 低壓EGR系統延遲模塊

在計算缸內實際EGR率和質量流量時，必須要考慮EGR氣體經過增壓器、中冷器以及進氣管路進入氣缸的過程中所必需的傳輸延遲時間T?；贓GR閥處的質量流量、新鮮空氣質量流量以及系統延遲時間的缸內實際低壓EGR率計算公式如式（2）。

式中，φ為控制模型計算的低壓EGR率；M為流過EGR 閥的質量流量；M為空氣流量計測量的新鮮空氣質量流量；(T)為系統延遲時間對缸內EGR率的修正系數。

3.2.7 基于EGR率的修正量計算模塊

根據缸內實際低壓EGR率、發動機當前的轉速和負荷，得到進、排氣VVT 角度修正量以及點火提前角修正量。這樣可以保證在目標EGR率和實際EGR率存在偏差時，通過點火角以及VVT 角度的適當調整，能夠改善發動機的燃燒效率和燃油經濟性。

3.3 低壓EGR系統軟硬件架構設計

為實現低壓EGR控制功能，通過MATLAB-Simu?link 軟件，搭建低壓EGR 系統的控制模型，并完成代碼自動生成，然后將模型代碼應用集成工具Tasking軟件，編譯成可以刷寫到發動機ECU 里的A2L、HEX工程文件。低壓EGR系統軟硬件架構如圖4所示。

圖4 低壓EGR系統軟硬件架構

4 低壓EGR控制系統試驗驗證

4.1 試驗臺架和方法

本文基于一臺搭載低壓EGR 系統的增壓直噴汽油機試驗臺架，采用CO濃度測量EGR 率法，對低壓EGR 工作區域內的EGR 率進行了測量，并與標定CAN讀取模型計算的EGR率進行對比，以此驗證低壓EGR 系統對EGR 率的控制準確性。本文選用增壓直噴汽油機的具體技術參數如表1所示。

表1 汽油機的具體技術參數

由于低壓EGR 回路中的CO組分在與新鮮空氣混合過程中既不會消失也不會生成，因此使用CO的稀釋程度來代表低壓EGR 率。此方法需要通過排放分析儀（AVL-AMA i60）測量排氣中的CO體積百分數以及低壓EGR 與新鮮空氣混合后的CO體積百分數，同時忽略混合氣和廢氣的氣體常數的差異。

發動機臺架上進、排氣兩側CO體積百分數的測點位置如圖5所示。測點1在排氣總管上三元催化器（3WC）下游位置，測點2 在進氣歧管上接近于進氣門位置。

圖5 進排氣兩側CO2體積百分數測點位置

基于進、排氣兩側CO體積百分數的EGR率計算公式如式（3）。

式中，η為臺架測量的低壓EGR 率；[CO]為EGR氣體與新鮮空氣混合后的CO體積百分數；[CO]為排氣總管催化器下游中的CO體積百分數。

4.2 試驗結果分析

本文在增壓汽油機的常用工作區域（1 500 r/min<轉速<4 500 r/min，0.4 MPa

將EGR 閥上、下游的壓力差定義為SEG?RP_PDif_s16，臺架測量的EGR 率變量名定義為EM_C_EGR，模型計算的EGR 率變量名定義為Fun_EGRrate，EGR 率測量值和計算值之間的絕對誤差定義為Residual_Fun_EGRrate。

由低壓EGR 控制模型的驗證結果（圖6）可知，在不同EGR 閥上、下游壓差下，通過CO濃度計算的EGR 率與控制模型計算的EGR 率分布規律基本一致，且絕對誤差始終保持在±1%以內。這說明在低壓EGR 工作區域內，EGR 控制系統能夠根據當前的發動機運行工況，準確地計算出需求EGR 率和EGR 閥目標開度，并控制EGR 閥至目標開度，同時精確地計算出EGR閥處以及缸內的實際EGR率。通過發動機臺架試驗充分驗證了低壓EGR系統對穩態EGR率的控制精度。

圖6 基于EGR閥壓差的低壓EGR控制模型驗證

該增壓汽油機的低壓EGR控制模型驗證完成，得到不同工況下的低壓EGR率MAP圖（圖7）。

圖7 增壓汽油機的低壓EGR率MAP

5 結束語

本文以一臺2.0 L 增壓直噴汽油機為研究對象，制定了低壓EGR系統控制流程，確定了各功能模塊間的邏輯關系，并完成了整個低壓EGR系統控制模型以及軟硬件架構的開發。

通過發動機臺架試驗，完成了低壓EGR 模型標定和控制功能驗證。臺架試驗結果表明，本文開發的低壓EGR 系統的穩態EGR 率控制精度始終保持在±1%以內，滿足了低壓EGR 系統的開發目標要求。

在低壓EGR控制策略中，混合閥的使用還可以拓寬低壓EGR的工作范圍，即保證了在萬有特性曲線中有更多的工況點能夠實現高EGR 引入量和高EGR率；并且在計算缸內EGR 率時考慮了系統延時時間，EGR 率的計算精確度也得到進一步提高。為低壓EGR技術在汽油機上的廣泛應用提供了有效的指導。

本文開發的低壓EGR 控制模型已經應用于混動專用發動機的項目中，并完成功能驗證和臺架標定。在今后的工作中，將在混動車型項目中進行拓展和運用，進一步挖掘低壓EGR的節能減排潛力。同時在主動式預燃燒室耦合稀燃技術實現45%熱效率的項目中，EGR技術也是不可或缺的手段之一。