梁鄭岳，朱萬冬，謝正良，黃永鵬，王任信，謝夏琳，黃 豪，陳中柱，班智博

(廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院 廣西玉林537005)

0 引 言

隨著我國對環(huán)境保護越來越重視，現(xiàn)行排放法規(guī)對發(fā)動機排放的要求越來越嚴格，高精度、高適應性測量技術一直是發(fā)動機實際應用中的難題。對于采用廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術路線的柴油機而言，EGR精確閉環(huán)控制對發(fā)動機的性能與排放至關重要。

目前，EGR控制技術手段主要集中在對新鮮空氣量或對送回發(fā)動機氣缸里的廢氣量進行閉環(huán)控制。新鮮空氣流量計需要安裝在空濾和壓氣機入口間，對進氣管路布置要求較高，針對不同整車管路變化需要設計不同的專用件，不合理的進氣管路布置直接影響測量準確性，進而影響發(fā)動機排放控制[1]。因此需要考慮傳感器布置不涉及與整車廠的接口，消除整車配置影響，選擇更適合的 EGR閉環(huán)方式提高整車匹配適應性和排放一致性，是各大廠商和研究機構研究的重點。

本文以采用文丘里管流量計EGR閉環(huán)控制的高壓共軌渦輪增壓柴油機為研究對象，研究了 EGR閉環(huán)控制原理，分析文丘里管測量原理，通過試驗研究文丘里管安裝位置的敏感性和文丘里管雷諾數(shù)等對測量的影響。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測試表明，基于文丘里管測量的EGR閉環(huán)控制能夠滿足國六整車匹配適應性和排放一致性控制要求。

1 文丘里管測量原理

如圖1所示，文丘里管是先收縮而后逐漸擴大的管道，主要分為 3部分，分別是收縮段、最小截面的喉道和擴壓段。氣體在收縮形通道內流動時會加速，其馬赫數(shù)增大，壓力、溫度和密度都下降；而在擴張形通道內流動時，氣體會減速，馬赫數(shù)減小，壓力、溫度和密度都升高，減小收縮段帶來的壓力損失[2-4]。用伯努利方程和連續(xù)性方程推導即可求出流量。

式中：megr為流量；d為喉口斷截面直徑；D為入口斷截面直徑；Dp為入口段和喉口段壓差；1P為入口段壓力；T1為入口段溫度；k是流量系數(shù)。

由上式可知，通過測量廢氣流過管時產生的壓差來轉化為氣流的流速，再通過一個溫度傳感器和壓力傳感器測量氣體的密度，計算出廢氣流量，最終用流量系數(shù)k值來修正。流量系數(shù)k值與文丘里管結構和流體相關，具體取值通過試驗來確定。

圖1 文丘里管系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of Venturi tube

2 閉環(huán)控制策略分析

從圖 2可知，EGR閉環(huán)系統(tǒng)控制可分為 2個主要部分，一是流量閉環(huán)控制，二是位置閉環(huán)控制。首先根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)確定EGR系統(tǒng)所需的廢氣流量和EGR預控制開度，通過需求廢氣量與實際測量廢氣量閉環(huán)控制，輸出流量閉環(huán)PID，與預控制EGR開度計算，得到 EGR需求開度，EGR需求開度與實際開度做閉環(huán)，通過PID進一步修正得到最終的EGR開度。為了減少文丘里管測量偏差，在信號采集后，增加流量系數(shù)和雷諾修正，使廢氣流量更加準確。

圖2 EGR閉環(huán)控制策略Fig.2 EGR closed-loop control strategy

3 試驗裝置和試驗方法

3.1 試驗裝置

實驗裝置包括空濾、增壓器、節(jié)氣門、發(fā)動機、EGR 閥、文丘里管、后處理等(圖 3)。文丘里管布置在EGR閥下游(EGR閥前置)。將發(fā)動機高溫排氣在渦輪之前引入，廢氣經過熱端高溫 EGR閥，在 EGR冷卻器冷卻后進入文丘里管，最后與新鮮空氣混合經中冷器冷卻后進入氣缸。該結構對廢氣引入到氣缸有一定困難，所以在壓氣機后和文丘里管之前增加節(jié)氣門，從而保證廢氣的引入。

圖3 EGR系統(tǒng)結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of EGR system

3.2 試驗方案

首先研究 EGR閥在文丘里管前后布置對 EGR質量流量和文丘里壓差變化趨勢的影響；然后進行文丘里管雷諾數(shù)與壓差傳感器敏感性分析，通過標定流量系數(shù)和雷諾修正因子消除排氣脈沖對流量測量的影響；最后通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)試驗評估閉環(huán)控制的準確性和該方法的可行性。

3.3 試驗機型和試驗環(huán)境

試驗是在一臺4.2L的直列4缸電控共軌柴油發(fā)動機上進行，發(fā)動機使用博世電控高壓共軌系統(tǒng)，表1為發(fā)動機的主要參數(shù)。

表1 柴油機主要技術指標Tab.1 Diesel engine main technical parameters

主要試驗條件如表2所示。

表2 主要試驗條件Tab.2 Main test conditions

4 試驗結果和分析

4.1 文丘里管安裝位置對測量的影響

基于發(fā)動機排放特征點，選取在每個特征點下，控制 EGR 閥開度分別為 0、10%、20%、30%、40%、50%、60%和 80%，對比驗證 EGR閥前置和后置對文丘里管兩測點壓差的影響。

從圖 4可以看出，在相同的 EGR流量下，發(fā)動機臺架上測試的壓差(發(fā)動機的排氣脈沖壓力波動)均比傳感器測試臺架(無排氣壓力波動)要高。這說明在同時有排氣壓力波動和 EGR流量的情況下，文丘里管測量的壓差是由EGR流量引起的壓差和排氣壓力脈沖引起的壓差2部分壓差疊加的。其中EGR流量引起的壓差是希望測量的，排氣壓力波動引起的壓差ΔP是不希望測量的。從這個意義上講，排氣壓力脈沖引起的壓差是需要考慮減弱或者消除的。當EGR控制閥布置在文丘里管的下游，無論EGR控制閥打開還是關閉，文丘里管測到的壓力和溫度會一直會受到壓力脈沖影響，測量的結果偏離實際值，尤其是在小流量狀況下。當 EGR控制閥布置在文丘里管的上游，也會受到排氣壓力脈沖的影響，但是 EGR控制閥在文丘里管上游對排氣脈沖有一定的削弱作用，EGR閥對壓力脈沖的削弱作用強度取決于 EGR閥的結構。

圖4 EGR流量與壓差關系圖Fig.4 Curve of EGR flow and pressure difference

從圖 5可以看出，當 EGR后置方案在中小流量(EGR閥開度小于 50%)下，壓差保持在 10kPa左右，不隨 EGR閥開度增加而顯著增加，主要是因為在小的 EGR流量下，排氣壓力波動引起的壓差占了主導地位。在大流量(EGR閥開度大于 50%)下，壓差才有明顯變化，這與壓差傳感器的測量規(guī)律不符合，不能準確測量 EGR流量。當 EGR閥前置，在關閉狀態(tài)下，壓差接近零，隨著 EGR閥開度的增加，即EGR流量的增加，兩測點循環(huán)內的平均壓差有較明顯增大的趨勢，這與傳感器測量的壓差曲線吻合得較好，但需要優(yōu)化EGR閥前置對排氣脈沖波動的影響。

圖5 EGR開度與壓差關系圖Fig.5 Open degree of EGR valve and pressure difference

4.2 文丘里管雷諾數(shù)與壓差傳感器敏感性分析

按照一般的理論，文丘里流量計的流量系數(shù)k由文丘里管的大小、流體特性、材料性質、加工精度、流動等情況而定，使用文丘里管須事先標定。對同一文丘里流量計，在整個流動范圍內k值不是一個穩(wěn)定的常數(shù)，它取決于雷諾數(shù)Re的大小，當Re達到一定值時，k值才趨于穩(wěn)定值[5]。在萬有特性下，首先根據(jù)碳平衡計算真實的 EGR率，結合空氣流量、噴油量計算真實的 EGR流量，然后根據(jù) EGR壓力、壓差、溫度計算理論文丘里 EGR流量，最后根據(jù)理論文丘里管測量的EGR流量/真實的EGR流量得出真實的雷諾數(shù)修正系數(shù)，通過整理回歸分析，繪制 EGR流量系數(shù)和雷諾數(shù)的關系曲線(圖6)。

從圖 6可以看出，對同一文丘里流量計，雷諾數(shù)Re小于 1.2×104時，流量系數(shù)隨 Re的增大而增大，雷諾數(shù)Re大于1.2×104時流量系數(shù)趨于穩(wěn)定值。

圖6 EGR流量系數(shù)和雷諾數(shù)的關系曲線圖Fig.6 Curve of flow coefficient and Reynolds number

為了減弱或消除發(fā)動機脈沖排氣波動帶來的EGR廢氣量測量偏差，可以在文丘里管壓力溫度采集后，選取該發(fā)動機外特性工況點，增加流量系數(shù)的修正標定如圖7所示，使得EGR廢氣量信號測量值更加準確。

圖7 傳感器特性曲線標定Fig.7 Calibration of Venturi sensor characteristic curve

4.3 穩(wěn)態(tài)驗證

選擇 EGR閥前置方案，標定了流量系數(shù)和 PID參數(shù)，在不同轉速、不同負荷下進行穩(wěn)態(tài)萬有特性測量。根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)確定 EGR系統(tǒng)所需的廢氣流量，并與實際測量相比較，結果如圖 8所示。從圖中可以看出，工況的偏差百分比都在1%以內。

圖8 萬有特性EGR需求與測量值偏差圖Fig.8 Deviation diagram of EGR demand and measured value based on universal characteristics

4.4 瞬態(tài)驗證

為了在瞬態(tài)過程中引進合適的 EGR，在穩(wěn)態(tài)的基礎上，通過優(yōu)化標定 PID實現(xiàn)快速響應準確的閉環(huán)控制。在發(fā)動機臺架上進行 WHTC循環(huán)測試。根據(jù)發(fā)動機狀態(tài)確定 EGR系統(tǒng)所需的廢氣流量，并與實際測量相比較，結果如圖 9所示。從圖中可以看出，大部分工況的偏差百分比都在 3%以內，能夠滿足國六排放控制要求。

圖9 基于文丘里管閉環(huán)的WHTC循環(huán)EGR流量偏差Fig.9 EGR flow deviation of WHTC cycle based on Venturi closed-loop control

將發(fā)動機安裝在滿載質量為 18t的某型載貨汽車上。按照市區(qū) 45%+市郊 25%+高速 30%進行車輛道路尾氣排放試驗，得到 CO、NOx、PN排放數(shù)據(jù)，時長 9000s，結果如表 3所示，滿足國六排放，裕度比較大。從 ECU采集的數(shù)據(jù)對比(圖 10)可以看出，基于文丘里管的 EGR閉環(huán)控制下，需求和實際廢氣質量流量跟隨性良好。

表3 整車PEMS測試結果Tab.3 PEMS test results of vehicle

圖10 基于文丘里管閉環(huán)的PEMS測試EGR流量圖Fig.10 EGR flow chart of PEMS test based on Venturi closed loop control

5 結 論

通過對EGR閥相對文丘里管前后置改裝的試驗驗證，當 EGR閥后置，文丘里管壓差受排氣脈沖影響很大，直接造成 EGR質量流量計算結果失真；當EGR閥前置，隨著 EGR開度增加，對比臺架基于碳平衡計算的質量流量，文丘里管壓差增加趨勢吻合，且在同一 EGR開度下兩者偏差不大，故可以通過閉環(huán)控制策略的修正系數(shù)標定來達到測量數(shù)據(jù)的精確要求。

利用文丘里管廢氣測量技術實現(xiàn)EGR流量閉環(huán)控制，精確控制再循環(huán)廢氣量，穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況的偏差百分比都在 1%以內，瞬態(tài)循環(huán)大部分工況的偏差百分比都在 3%以內，同時不涉及與整車廠的接口配套，基本不需要變動零件和重新標定，能夠滿足國六整車匹配適應性和排放一致性控制要求。