增壓柴油機(jī)瞬變工況EGR控制策略研究

劉 樂(lè) 于凱波 李琳琳

（1-中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 天津 300300 2-吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

汽車道路運(yùn)行大部分時(shí)間處于瞬變工況下[1]，特別是搭載增壓柴油機(jī)的重型商用車，瞬變工況下進(jìn)氣嚴(yán)重滯后于噴油，引起柴油機(jī)性能劣變[2]。與穩(wěn)態(tài)工況相比，瞬變工況下存在噪聲激增，排放及燃油經(jīng)濟(jì)性惡化等問(wèn)題[3-5]，引入EGR系統(tǒng)后這一特征越發(fā)顯著，是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)瞬態(tài)工況領(lǐng)域研究重點(diǎn)之一。在瞬變過(guò)程EGR閥控制方面，前期研究表明將穩(wěn)態(tài)優(yōu)化EGR閥開(kāi)度特征直接運(yùn)用到瞬變過(guò)程EGR閥控制時(shí)都不可避免地發(fā)生EGR超調(diào)及其導(dǎo)致的性能惡化問(wèn)題[6]；安曉輝等人[7]基于GT-Power軟件對(duì)EGR系統(tǒng)的反饋控制參數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣氧濃度只與EGR率和AFR相關(guān)，并且和EGR率呈線性關(guān)系，表明氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比EGR率更適合作為瞬變工況下的反饋控制參數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用方面，對(duì)寬裕氧傳感器和EGR閥的響應(yīng)性都提出非常苛刻的要求；張正興等[8]根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的目標(biāo)值與實(shí)際值偏差，進(jìn)行EGR開(kāi)度的PI（比例積分）閉環(huán)控制；以此為基礎(chǔ)，陳浩平等[9]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID控制方式適應(yīng)性差，通過(guò)添加一個(gè)前饋模塊提高EGR的控制精度和響應(yīng)性。以獲取瞬變過(guò)程煙度和NOx折中排放為主要目標(biāo)，筆者在一臺(tái)高壓共軌、增壓中冷重型柴油機(jī)上擬借助EGR閥開(kāi)度閉環(huán)控制策略探討典型恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過(guò)程性能影響規(guī)律，為重型柴油機(jī)瞬態(tài)性能開(kāi)發(fā)提供研究思路和數(shù)據(jù)支持。

圖1 瞬變?cè)囼?yàn)臺(tái)架和測(cè)控平臺(tái)示意圖

1 試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)控系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

研究對(duì)象為一臺(tái)配置兩級(jí)增壓系統(tǒng)的高壓共軌電控柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)控系統(tǒng)布置如圖1所示。選用高壓EGR回路循環(huán)方式，由高壓級(jí)渦輪機(jī)之前引出回流廢氣，并依次經(jīng)過(guò)EGR中冷器（廢氣冷卻）、EGR閥（控制廢氣流量），最終引入高壓級(jí)壓氣機(jī)之后。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)主要參數(shù)

研究中采用高速傳感器和毫秒級(jí)A/D采集卡構(gòu)建實(shí)時(shí)參數(shù)（10 ms）采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、進(jìn)排氣溫度和壓力、消光煙度、進(jìn)氣流量、尾氣排放等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。在共軌平臺(tái)下，發(fā)

其中：（O2）int為進(jìn)氣管測(cè)量氧濃度，（O2）exh為排氣管測(cè)量氧濃度，（O2）atm為空氣環(huán)境氧濃度。

1.2 測(cè)控系統(tǒng)

本試驗(yàn)典型的瞬變工況（恒定轉(zhuǎn)速1 650 r/min（B轉(zhuǎn)速）、負(fù)荷在5 s內(nèi)從10%線性增加至100%的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩）。油門開(kāi)度借助dSPACE中的DAC模塊實(shí)時(shí)輸出電壓信號(hào)，并在ECU中轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的循環(huán)噴油量來(lái)實(shí)現(xiàn)；基于CAN總線、帶有開(kāi)度反饋的電控EGR閥，其閥開(kāi)度基于dSPACE平臺(tái)閉環(huán)PID方式控制，其中，EGR閥發(fā)送及接受報(bào)文分別如圖2、3所示。針對(duì)典型的恒轉(zhuǎn)速增轉(zhuǎn)矩瞬變過(guò)程，分別將進(jìn)氣量、進(jìn)氣氧濃度和排氣氧濃度作為反饋?zhàn)兞垦芯縀GR閥閉環(huán)控制對(duì)柴油機(jī)瞬變性能的影響。相應(yīng)的試驗(yàn)方案會(huì)在各小節(jié)中進(jìn)行說(shuō)明。動(dòng)機(jī)工況的控制最終信號(hào)為油門電壓，借助單片機(jī)高響應(yīng)和高精度的優(yōu)點(diǎn)，并配合電渦流測(cè)功機(jī)可實(shí)現(xiàn)典型瞬變工況的再現(xiàn)。

圖2 EGR閥發(fā)送數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)

EGR率由EGR5230控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速測(cè)量，與傳統(tǒng)的CO2示蹤法類似，EGR5230使用進(jìn)排氣的氧濃度來(lái)計(jì)算EGR率。同時(shí)儀器自帶校正功能保證EGR率測(cè)量的響應(yīng)性。本實(shí)驗(yàn)中EGR率的計(jì)算公式[10]如下：

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

閉環(huán)控制均由PID（Proportion比例、Integration積分、Differentiation微分）控制器實(shí)現(xiàn)，區(qū)別不同控制策略的單一因素為反饋標(biāo)量?？紤]到EGR系統(tǒng)具有非線性、時(shí)延及復(fù)雜的換氣特性，在選擇反饋?zhàn)兞繒r(shí)，要求變量除了能反映發(fā)動(dòng)機(jī)EGR系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，還應(yīng)具有響應(yīng)快速、反應(yīng)準(zhǔn)確、工作可靠以及測(cè)量方便的特征。所以實(shí)驗(yàn)選取可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及準(zhǔn)確測(cè)量的進(jìn)氣量、進(jìn)氣氧濃度和排氣氧濃度作為反饋?zhàn)兞?，即將原機(jī)瞬變加載過(guò)程（無(wú)EGR）的上述各參數(shù)變化特征作為控制目標(biāo)（原機(jī)瞬變過(guò)程煙度峰值低，燃油經(jīng)濟(jì)性較對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況惡化不顯著）。

2.1 基于進(jìn)氣量反饋的瞬變性能

鑒于進(jìn)氣量數(shù)值容易獲取，研究首先選取進(jìn)氣量作為閉環(huán)反饋?zhàn)兞?，以探討瞬變性能影響?guī)律。試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整PID控制器的參數(shù)（Kp，Ki和Kd），EGR閥均在瞬變過(guò)程開(kāi)始后隨即關(guān)閉，又在瞬變過(guò)程結(jié)束后突然開(kāi)啟（如圖4a所示）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是瞬變過(guò)程實(shí)際進(jìn)氣量與目標(biāo)進(jìn)氣量間相差較大（如圖4b所示），進(jìn)氣遲滯現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)氣量在瞬變過(guò)程結(jié)束后才逐漸恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值。

圖3 EGR閥接受數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)

圖4 基于進(jìn)氣量反饋的實(shí)驗(yàn)方案

圖5 和圖6所示為基于進(jìn)氣量的閉環(huán)反饋控制下柴油機(jī)排放規(guī)律，并與原機(jī)無(wú)EGR的瞬變過(guò)程性能進(jìn)行對(duì)比分析。由于瞬變過(guò)程前期EGR閥幾乎全開(kāi)，如圖4a所示，油氣混合效果差，導(dǎo)致燃燒相位延后，且燃燒速率降低，消光煙度排放出現(xiàn)峰值，但NOx排放得到有效限制（瞬變過(guò)程起始時(shí)刻降幅為31.5%）。此外，有效燃油消耗率與原機(jī)值相差不大，在小負(fù)荷區(qū)域略微降低。

圖5 基于進(jìn)氣量反饋的柴油機(jī)性能及排放性

圖6 基于進(jìn)氣量反饋的柴油機(jī)燃燒性能

圖7 基于進(jìn)氣氧濃度反饋的實(shí)驗(yàn)方案

2.2 基于進(jìn)氣氧濃度反饋的瞬變性能

為了研究基于進(jìn)氣氧濃度反饋的瞬變性能，首先通過(guò)試驗(yàn)整定PID控制器參數(shù)（Kp=3.5、Ki=0.008、Kd=0.001）。試驗(yàn)獲得的結(jié)果如圖7所示。對(duì)比圖7a和圖4a可以看出，EGR閥的動(dòng)作趨勢(shì)相同，區(qū)別是基于進(jìn)氣氧濃度反饋時(shí)的EGR閥關(guān)閉時(shí)間更短，這主要與PID控制器參數(shù)設(shè)置有關(guān)。為了避免EGR閥在瞬變過(guò)程中頻繁的開(kāi)啟或關(guān)閉（試驗(yàn)表明，EGR閥的開(kāi)啟或關(guān)閉動(dòng)作會(huì)引起排氣氣流的明顯波動(dòng)，給瞬變性能帶來(lái)不利影響），控制器對(duì)變量變化的敏感性不宜太大。圖7b所示為實(shí)際進(jìn)氣氧濃度與目標(biāo)進(jìn)氣氧濃度的跟隨關(guān)系（氧濃度差值在2.2%以內(nèi)）。

圖8和圖9為基于進(jìn)氣氧濃度的閉環(huán)反饋控制下柴油機(jī)瞬變過(guò)程性能及燃燒特征參數(shù)規(guī)律，并與原機(jī)無(wú)EGR的瞬變過(guò)程性能進(jìn)行對(duì)比分析。由于EGR閥在大負(fù)荷之前開(kāi)度一直大于75%，加劇了瞬變過(guò)程進(jìn)氣不足現(xiàn)象，燃燒惡化嚴(yán)重（高EGR率引起瞬變過(guò)程燃燒相位延后）。

圖8 基于進(jìn)氣氧濃度反饋的柴油機(jī)性能

圖9 基于進(jìn)氣氧濃度反饋的柴油機(jī)燃燒性能

鑒于瞬變過(guò)程持續(xù)的高EGR率，煙度排放極高，而在EGR閥關(guān)閉前的NOx排放較低（峰值低于300×10-6），但伴隨EGR閥的關(guān)閉和再次開(kāi)啟，NOx排放出現(xiàn)第二個(gè)峰值（峰值為511×10-6）。進(jìn)排氣壓力差在EGR閥關(guān)閉前數(shù)值大于原機(jī)水平，但隨著EGR閥關(guān)閉，排氣氣流的波動(dòng)引起進(jìn)排氣壓力差減?。ǖ陀谠瓩C(jī)水平）。與之相比，在燃燒惡化損失起到次要作用時(shí)，閉環(huán)控制下的有效燃油消耗率低于原機(jī)水平（低于600 N·m時(shí)），相反時(shí)則高于原機(jī)有效燃油消耗率（大于600 N·m時(shí)）。

2.3 基于排氣氧濃度反饋的瞬變性能

在EGR率和氧濃度兩種控制變量中，氧濃度指標(biāo)更適合作為瞬變控制反饋?zhàn)兞浚沧冞^(guò)程原機(jī)氧濃度值直接通過(guò)寬裕氧傳感器測(cè)量。研究將以排氣氧濃度作為反饋?zhàn)兞?，結(jié)合使用瞬變過(guò)程原機(jī)排氣氧濃度優(yōu)化值作為控制MAP參考，試驗(yàn)首先通過(guò)參數(shù)整定試驗(yàn)，初步確定PID控制器所需的3個(gè)參數(shù)值（Kp=1.5，Ki=0.005，Kd=0.002），試驗(yàn)效果如圖 10所示。瞬變過(guò)程EGR率的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出兩端高、中間低趨勢(shì)與EGR閥開(kāi)度變化相對(duì)應(yīng)，見(jiàn)圖10a。實(shí)際排氣氧濃度與目標(biāo)排氣氧濃度的跟隨性較好，差值小于2%，見(jiàn)圖10b。

圖10 基于排氣氧濃度反饋的實(shí)驗(yàn)方案

圖11 、圖12為基于排氣氧濃度的閉環(huán)反饋控制下柴油機(jī)瞬變過(guò)程性能及燃燒特征參數(shù)規(guī)律，并與原機(jī)無(wú)EGR的瞬變過(guò)程性能進(jìn)行對(duì)比分析。在反饋控制下，EGR閥最大開(kāi)度僅為12%，并在瞬變過(guò)程中保持較小開(kāi)度。缸內(nèi)燃燒狀況仍然較好，NOx排放與煙度排放呈現(xiàn)出較好的折中性，瞬變過(guò)程中的NOx排放峰值（548×10-6）相比原機(jī)降低21.7%，消光煙度峰值為15.8%。有效燃油消耗率與原機(jī)相差不大，特別在小負(fù)荷工況下，由于EGR閥開(kāi)啟減小了泵氣損失，油耗率略有下降。

圖11 基于排氣氧濃度反饋的柴油機(jī)性能及排放性

圖12 基于排氣氧濃度反饋的柴油機(jī)燃燒性能

3 結(jié)論

為適應(yīng)日趨嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)，EGR系統(tǒng)的引入在柴油機(jī)瞬變加載過(guò)程卻出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的性能惡化特征，因而EGR閥的閉環(huán)控制方法顯得尤為重要。所選的反饋?zhàn)兞坎粌H要求該變量能反映發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，且應(yīng)具有響應(yīng)快速，反應(yīng)準(zhǔn)確，工作可靠以及測(cè)量方便等特征。結(jié)合使用修正的瞬變控制MAP（以原機(jī)瞬變過(guò)程原機(jī)排氣氧濃度值作為參考），對(duì)比進(jìn)氣量、進(jìn)氣氧濃度、排氣氧濃度3個(gè)反饋控制變量參數(shù)，排氣氧濃度雖會(huì)導(dǎo)致消光煙度有一定程度的惡化，EGR超調(diào)特征仍然存在，但可以更好地實(shí)現(xiàn)煙度、NOx和油耗率之間的折中。

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