基于PID的柴油機(jī)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(jī)具有油耗低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)排放水平達(dá)到國IV標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前柴油機(jī)技術(shù)研究及開發(fā)的重點(diǎn)。

對于中小型柴油機(jī)而言，采用EGR技術(shù)來降低發(fā)動機(jī)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(jī)整體排放達(dá)到國IV標(biāo)準(zhǔn)[1]。但是，由于引入EGR系統(tǒng)后，發(fā)動機(jī)新鮮進(jìn)氣量減少，燃燒惡化，會對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)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(dāng)?shù)腅GR控制策略來使發(fā)動機(jī)排放達(dá)標(biāo)的同時減小對發(fā)動機(jī)性能的不利影響具有現(xiàn)實(shí)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(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行對比研究。兩種EGR控制模式均可計(jì)算不同工況下的EGR開度設(shè)定值，并滿足發(fā)動機(jī)排放穩(wěn)定的要求。

試驗(yàn)樣機(jī)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(jìn)入進(jìn)氣歧管，由電控單元調(diào)節(jié)EGR閥開度來控制EGR流量。試驗(yàn)方案布置示意如圖1所示。

試驗(yàn)樣機(jī)為4缸、排量3.0 L、排放水平達(dá)到國IV標(biāo)準(zhǔn)的高壓共軌柴油機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)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(jì)算當(dāng)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(jì)算的EGR開度為基礎(chǔ)開度，根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量與目標(biāo)進(jìn)氣量之間的偏差，對EGR開度進(jìn)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(biāo)定在開環(huán)控制策略下樣機(jī)在不同穩(wěn)態(tài)工況下的EGR開度，使試驗(yàn)樣機(jī)在運(yùn)行歐洲穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)（ESC試驗(yàn)）時，NOx排放達(dá)到國 IV水平，并將其作為閉環(huán)EGR控制策略的基礎(chǔ)EGR開度。

此外，為實(shí)現(xiàn)EGR開度的閉環(huán)控制，需要將EGR開啟至目標(biāo)開度時的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量作為閉環(huán)控制的控制目標(biāo)，同時需要將對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量進(jìn)行的實(shí)時測量監(jiān)控作為反饋信號。因?yàn)樵趬翰钜欢〞r，EGR開度越大，EGR流量越大，相應(yīng)的發(fā)動機(jī)新鮮進(jìn)氣流量就會逐漸減小，因此采用發(fā)動機(jī)實(shí)測進(jìn)氣流量來間接反映發(fā)動機(jī)實(shí)際EGR流量，并基于此進(jìn)行EGR開度的閉環(huán)控制[5]。

閉環(huán)EGR控制根據(jù)目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)測進(jìn)氣量的差值自動調(diào)節(jié)EGR開度。在穩(wěn)態(tài)工況下，使實(shí)測進(jìn)氣量與目標(biāo)進(jìn)氣量保持一致，以保證發(fā)動機(jī)排放水平的穩(wěn)定；在瞬態(tài)加速工況下，由于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣反應(yīng)滯后，目標(biāo)進(jìn)氣量大于實(shí)際測量進(jìn)氣量，控制系統(tǒng)輸出負(fù)反饋EGR開度，即減小EGR開度，從而降低EGR開啟對發(fā)動機(jī)加速性能的不利影響，并改善加速過程進(jìn)氣不足導(dǎo)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(zhǔn)確的達(dá)到并且穩(wěn)定運(yùn)行在目標(biāo)控制狀態(tài)，因此PI參數(shù)的設(shè)置對EGR系統(tǒng)的性能有決定性影響。在發(fā)動機(jī)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(shè)置下進(jìn)行試驗(yàn)，研究比例系數(shù)P對EGR開度和進(jìn)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(jìn)氣量波動幅度就越大，但實(shí)際進(jìn)氣量波動均值與目標(biāo)進(jìn)氣量之間差值越小，這說明較大的系數(shù)P會導(dǎo)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(shí)現(xiàn)與開環(huán)EGR控制完全相符的發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，因此需要引入積分系數(shù)I進(jìn)行PI閉環(huán)EGR控制，I對EGR和進(jìn)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(jìn)氣量的波動越大；而當(dāng)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(yán)重。引入積分控制后，實(shí)際進(jìn)氣量與目標(biāo)進(jìn)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(jī)的穩(wěn)態(tài)排放水平與目標(biāo)水平一致。

綜合EGR系統(tǒng)的波動及響應(yīng)特性，選擇P=2、I=2作為樣機(jī)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(jī)在不同工況下的最優(yōu)PI參數(shù)組合，再通過標(biāo)定發(fā)動機(jī)在各工況下的目標(biāo)進(jìn)氣量確定發(fā)動機(jī)目標(biāo)控制狀態(tài)，即可形成完整的閉環(huán)EGR控制系統(tǒng)。

為驗(yàn)證發(fā)動機(jī)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(jìn)行試驗(yàn)樣機(jī)的歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)（ESC試驗(yàn)），除怠速工況外的工況點(diǎn)分布如表2所列。

表2 樣機(jī)ESC試驗(yàn)工況點(diǎn)（怠速點(diǎn)除外）

圖7所示為采用閉環(huán)、開環(huán)EGR控制策略時，試驗(yàn)樣機(jī)在ESC工況點(diǎn)（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(shí)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(jī)穩(wěn)態(tài)排放水平的穩(wěn)定。

4 EGR控制策略對發(fā)動機(jī)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(jī)瞬態(tài)工況下的差異以及對發(fā)動機(jī)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(jī)瞬態(tài)加速試驗(yàn)，記錄加速過程中發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)加速過程中EGR控制系統(tǒng)簡單的根據(jù)發(fā)動機(jī)工況設(shè)定EGR開度，而無法根據(jù)加速中進(jìn)氣量不足的情況自動調(diào)整EGR開度，加劇了加速過程進(jìn)氣響應(yīng)滯后，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)進(jìn)一步過低，燃燒惡化嚴(yán)重，煙度大，加速性差；并且在發(fā)動機(jī)低速時，過量空氣系數(shù)更低，進(jìn)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(jī)更加不利。

采用閉環(huán)EGR控制策略時，在加速過程中，由于進(jìn)氣的響應(yīng)滯后于油量的變化，因此由轉(zhuǎn)速、負(fù)荷查表計(jì)算的目標(biāo)進(jìn)氣量系統(tǒng)可以根據(jù)目標(biāo)進(jìn)氣量與實(shí)測進(jìn)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(jìn)氣響應(yīng)滯后的不利影響，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)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(yīng)性，比例系數(shù)P越大，系統(tǒng)波動越大，但響應(yīng)性越好，即僅采用比例控制會導(dǎo)致最終控制偏差，達(dá)不到目標(biāo)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(jìn)行PI參數(shù)標(biāo)定時，必須兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)性的平衡，從而使發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)排放達(dá)到目標(biāo)水平；PI參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)拈]環(huán)EGR控制策略可以實(shí)現(xiàn)與開環(huán)控制系統(tǒng)相同的控制效果。

c. 在發(fā)動機(jī)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(shí)現(xiàn)噴油和進(jìn)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(jī)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(xí)軍.車用柴油機(jī)冷EGR+降低PM技術(shù)排放試驗(yàn)研究.汽車技術(shù)，2010,12:14～17.

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

3 朱瑞軍，王錫斌，冉帆，等.EGR和冷EGR對柴油機(jī)燃燒和排放的影響.西安交通大學(xué)學(xué)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(jī)EGR系統(tǒng)控制研究.車用發(fā)動機(jī)，2009,4:33～36.

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