劉 樂 于凱波 李琳琳

（1-中國汽車技術研究中心 天津 300300 2-吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室）

引言

汽車道路運行大部分時間處于瞬變工況下[1]，特別是搭載增壓柴油機的重型商用車，瞬變工況下進氣嚴重滯后于噴油，引起柴油機性能劣變[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)濟性惡化等問題[3-5]，引入EGR系統(tǒng)后這一特征越發(fā)顯著，是當前內(nèi)燃機瞬態(tài)工況領域研究重點之一。在瞬變過程EGR閥控制方面，前期研究表明將穩(wěn)態(tài)優(yōu)化EGR閥開度特征直接運用到瞬變過程EGR閥控制時都不可避免地發(fā)生EGR超調(diào)及其導致的性能惡化問題[6]；安曉輝等人[7]基于GT-Power軟件對EGR系統(tǒng)的反饋控制參數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)進氣氧濃度只與EGR率和AFR相關，并且和EGR率呈線性關系，表明氧氣質(zhì)量分數(shù)相比EGR率更適合作為瞬變工況下的反饋控制參數(shù)。但在實際應用方面，對寬裕氧傳感器和EGR閥的響應性都提出非常苛刻的要求；張正興等[8]根據(jù)發(fā)動機進氣量的目標值與實際值偏差，進行EGR開度的PI（比例積分）閉環(huán)控制；以此為基礎，陳浩平等[9]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的PID控制方式適應性差，通過添加一個前饋模塊提高EGR的控制精度和響應性。以獲取瞬變過程煙度和NOx折中排放為主要目標，筆者在一臺高壓共軌、增壓中冷重型柴油機上擬借助EGR閥開度閉環(huán)控制策略探討典型恒轉速增轉矩瞬變過程性能影響規(guī)律，為重型柴油機瞬態(tài)性能開發(fā)提供研究思路和數(shù)據(jù)支持。

圖1 瞬變試驗臺架和測控平臺示意圖

1 試驗臺架及測控系統(tǒng)

1.1 試驗臺架

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

表1 試驗用柴油機主要參數(shù)

研究中采用高速傳感器和毫秒級A/D采集卡構建實時參數(shù)（10 ms）采集系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對柴油機的轉速、轉矩、進排氣溫度和壓力、消光煙度、進氣流量、尾氣排放等參數(shù)的實時采集。在共軌平臺下，發(fā)

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

1.2 測控系統(tǒng)

本試驗典型的瞬變工況（恒定轉速1 650 r/min（B轉速）、負荷在5 s內(nèi)從10%線性增加至100%的恒轉速增轉矩）。油門開度借助dSPACE中的DAC模塊實時輸出電壓信號，并在ECU中轉換為相應的循環(huán)噴油量來實現(xiàn)；基于CAN總線、帶有開度反饋的電控EGR閥，其閥開度基于dSPACE平臺閉環(huán)PID方式控制，其中，EGR閥發(fā)送及接受報文分別如圖2、3所示。針對典型的恒轉速增轉矩瞬變過程，分別將進氣量、進氣氧濃度和排氣氧濃度作為反饋變量研究EGR閥閉環(huán)控制對柴油機瞬變性能的影響。相應的試驗方案會在各小節(jié)中進行說明。動機工況的控制最終信號為油門電壓，借助單片機高響應和高精度的優(yōu)點，并配合電渦流測功機可實現(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)實現(xiàn)準確、快速測量，與傳統(tǒng)的CO2示蹤法類似，EGR5230使用進排氣的氧濃度來計算EGR率。同時儀器自帶校正功能保證EGR率測量的響應性。本實驗中EGR率的計算公式[10]如下：

2 試驗結果及分析

閉環(huán)控制均由PID（Proportion比例、Integration積分、Differentiation微分）控制器實現(xiàn)，區(qū)別不同控制策略的單一因素為反饋標量?？紤]到EGR系統(tǒng)具有非線性、時延及復雜的換氣特性，在選擇反饋變量時，要求變量除了能反映發(fā)動機EGR系統(tǒng)的當前狀態(tài)，還應具有響應快速、反應準確、工作可靠以及測量方便的特征。所以實驗選取可實現(xiàn)快速響應及準確測量的進氣量、進氣氧濃度和排氣氧濃度作為反饋變量，即將原機瞬變加載過程（無EGR）的上述各參數(shù)變化特征作為控制目標（原機瞬變過程煙度峰值低，燃油經(jīng)濟性較對應穩(wěn)態(tài)工況惡化不顯著）。

2.1 基于進氣量反饋的瞬變性能

鑒于進氣量數(shù)值容易獲取，研究首先選取進氣量作為閉環(huán)反饋變量，以探討瞬變性能影響規(guī)律。試驗過程發(fā)現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID控制器的參數(shù)（Kp，Ki和Kd），EGR閥均在瞬變過程開始后隨即關閉，又在瞬變過程結束后突然開啟（如圖4a所示）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是瞬變過程實際進氣量與目標進氣量間相差較大（如圖4b所示），進氣遲滯現(xiàn)象嚴重，進氣量在瞬變過程結束后才逐漸恢復穩(wěn)態(tài)值。

圖3 EGR閥接受數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)

圖4 基于進氣量反饋的實驗方案

圖5 和圖6所示為基于進氣量的閉環(huán)反饋控制下柴油機排放規(guī)律，并與原機無EGR的瞬變過程性能進行對比分析。由于瞬變過程前期EGR閥幾乎全開，如圖4a所示，油氣混合效果差，導致燃燒相位延后，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（瞬變過程起始時刻降幅為31.5%）。此外，有效燃油消耗率與原機值相差不大，在小負荷區(qū)域略微降低。

圖5 基于進氣量反饋的柴油機性能及排放性

圖6 基于進氣量反饋的柴油機燃燒性能

圖7 基于進氣氧濃度反饋的實驗方案

2.2 基于進氣氧濃度反饋的瞬變性能

為了研究基于進氣氧濃度反饋的瞬變性能，首先通過試驗整定PID控制器參數(shù)（Kp=3.5、Ki=0.008、Kd=0.001）。試驗獲得的結果如圖7所示。對比圖7a和圖4a可以看出，EGR閥的動作趨勢相同，區(qū)別是基于進氣氧濃度反饋時的EGR閥關閉時間更短，這主要與PID控制器參數(shù)設置有關。為了避免EGR閥在瞬變過程中頻繁的開啟或關閉（試驗表明，EGR閥的開啟或關閉動作會引起排氣氣流的明顯波動，給瞬變性能帶來不利影響），控制器對變量變化的敏感性不宜太大。圖7b所示為實際進氣氧濃度與目標進氣氧濃度的跟隨關系（氧濃度差值在2.2%以內(nèi)）。

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

圖8 基于進氣氧濃度反饋的柴油機性能

圖9 基于進氣氧濃度反饋的柴油機燃燒性能

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

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，氧濃度指標更適合作為瞬變控制反饋變量，瞬變過程原機氧濃度值直接通過寬裕氧傳感器測量。研究將以排氣氧濃度作為反饋變量，結合使用瞬變過程原機排氣氧濃度優(yōu)化值作為控制MAP參考，試驗首先通過參數(shù)整定試驗，初步確定PID控制器所需的3個參數(shù)值（Kp=1.5，Ki=0.005，Kd=0.002），試驗效果如圖 10所示。瞬變過程EGR率的變化趨勢呈現(xiàn)出兩端高、中間低趨勢與EGR閥開度變化相對應，見圖10a。實際排氣氧濃度與目標排氣氧濃度的跟隨性較好，差值小于2%，見圖10b。

圖10 基于排氣氧濃度反饋的實驗方案

圖11 、圖12為基于排氣氧濃度的閉環(huán)反饋控制下柴油機瞬變過程性能及燃燒特征參數(shù)規(guī)律，并與原機無EGR的瞬變過程性能進行對比分析。在反饋控制下，EGR閥最大開度僅為12%，并在瞬變過程中保持較小開度。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，瞬變過程中的NOx排放峰值（548×10-6）相比原機降低21.7%，消光煙度峰值為15.8%。有效燃油消耗率與原機相差不大，特別在小負荷工況下，由于EGR閥開啟減小了泵氣損失，油耗率略有下降。

圖11 基于排氣氧濃度反饋的柴油機性能及排放性

圖12 基于排氣氧濃度反饋的柴油機燃燒性能

3 結論

為適應日趨嚴格的柴油機排放法規(guī)，EGR系統(tǒng)的引入在柴油機瞬變加載過程卻出現(xiàn)了更為嚴重的性能惡化特征，因而EGR閥的閉環(huán)控制方法顯得尤為重要。所選的反饋變量不僅要求該變量能反映發(fā)動機系統(tǒng)的當前狀態(tài)，且應具有響應快速，反應準確，工作可靠以及測量方便等特征。結合使用修正的瞬變控制MAP（以原機瞬變過程原機排氣氧濃度值作為參考），對比進氣量、進氣氧濃度、排氣氧濃度3個反饋控制變量參數(shù)，排氣氧濃度雖會導致消光煙度有一定程度的惡化，EGR超調(diào)特征仍然存在，但可以更好地實現(xiàn)煙度、NOx和油耗率之間的折中。

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2 王忠恕，吳楠．增壓直噴柴油機瞬態(tài)工況燃燒參數(shù)的變化規(guī)律[J]．內(nèi)燃機學報，2007，25（5）：385-389

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7 安曉輝，劉波瀾，張付軍，等.基于氧濃度的EGR對柴油機性能影響的仿真[J].內(nèi)燃機學報，2013，31（2）：115-119

8 張正興，趙文輔，李科，等.基于PID的柴油機閉環(huán)EGR控制策略研究[J].汽車技術，2014（5）：54-57

9 陳浩平，王貴勇，申立中，等.基于Ascet平臺的高壓共軌柴油機電控EGR控制策略研究[J].車用發(fā)動機，2010（6）：26-29