張志文，王 曉，王彥清，韓文艷

(1.中北大學 能源動力工程學院，山西 太原 030051； 2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

防爆車輛被廣泛應用于國內礦井生產中，防爆柴油機由于其效率高、安全性高、維護費用低等優(yōu)點而被作為防爆車輛優(yōu)選的動力源.然而，由于礦井下空氣質量差，加之柴油機燃燒排放出大量的氮氧化合物(NOx)和顆粒物，使得井下作業(yè)環(huán)境十分惡劣，對人員的身體健康造成了極大的危害[1-3].因此，發(fā)動機排放控制成為了汽車行業(yè)亟待解決的重要問題.目前，廢氣再循環(huán)(EGR)是控制柴油機NOx排放的有效手段[4]，但需要對EGR率進行最優(yōu)控制才能在保證發(fā)動機的動力性前提下，提高燃油經(jīng)濟性并盡可能降低其NOx的排放[1].

隨著國家排放法規(guī)的完善和節(jié)能減排要求的提高，防爆柴油機的排放控制指標也在不斷提高.GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第三、四階段)》的出臺與實施，對防爆柴油機國Ⅲ排放技術升級提出了新的挑戰(zhàn).與國Ⅱ相比，國Ⅲ排放限值更加嚴格.HC+NOx各功率段排放限值變化較大，降幅約為30%～40%；PM只在Pmax<37 kW功率段有變化，最大降幅為25%；CO排放限值沒有任何變化[5].防爆柴油機要達到國Ⅲ 排放標準，重點是降低NOx排放，而EGR技術是非常有效的措施[6-8].上海理工大學的阮觀強等對重型柴油機進行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)循環(huán)工況的試驗結果顯示，在降低NOx生成量方面，EGR技術優(yōu)于選擇性催化還原(SCR)技術[9].長沙福田汽車科技有限公司楊懷光工程師建立了基于模糊控制的柴油機EGR系統(tǒng)氮氧化物排氣模型[10]，仿真結果表明：基于模糊控制的柴油機EGR模塊對NOx的排放控制極為有效且精確，可以降低柴油機NOx的排放.本文以某防爆柴油機為研究對象，在不同工況下進行EGR控制策略研究，基于AVL BOOST與MATLAB建立聯(lián)合仿真模型；通過仿真驗證理論的可行性，從而為EGR精準控制提供理論基礎.

1 柴油機工況特性分析

1.1 柴油機基本參數(shù)

本文以某直列四缸防爆柴油機為研究對象進行柴油機工況特性分析，表1 為發(fā)動機基本參數(shù).

表1 防爆柴油機參數(shù)Tab.1 Parameters of explosion proof diesel engine

對該發(fā)動機進行11種工況的試驗來研究其動力性、經(jīng)濟性及排放性，并進行全速全負荷100 h的可靠性試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2 所示.數(shù)據(jù)顯示，在轉速一定的情況下，當負載轉矩由大變小時，NOx的排放量先升高后降低.

表2 發(fā)動機(TDE4015DZLQFB)在11種工況下的試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of engine(TDE4015DZLQFB)under 11 working conditions

1.2 工況分析

廢氣再循環(huán)通過CO2等比熱容高的氣體吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的最高燃燒溫度降低，減少了NOx的生成量[11-12].EGR系統(tǒng)結構上有內部EGR和外部EGR兩種系統(tǒng).外部EGR可以實現(xiàn)對廢氣諸多參數(shù)的精確控制，從而最大程度地實現(xiàn)EGR的作用[13-14].

本文利用參考車型的實車試驗數(shù)據(jù)，并選擇最大轉矩轉速1 600 r/min的工況進行EGR率的控制分析.該工況下，發(fā)動機的負載轉矩能達到峰值，工作環(huán)境最為復雜，而且該工況是發(fā)動機常用的工作點，因此，學者們經(jīng)常在該工況下研究發(fā)動機的可靠性、燃油經(jīng)濟性、動力性能等.

圖1 為EGR率從0～40%變化，負載載荷從25%～100%變化時，發(fā)動機輸出功率變化的曲線.

圖1 不同EGR率發(fā)動機功率變化的曲線Fig.1 Engine power curve with different EGR rates

由圖1 可以看出：當發(fā)動機在25%載荷低負載工作時，EGR率的升高對發(fā)動機的動力性沒有影響；當載荷為50%與75%時，發(fā)動機的輸出功率隨著EGR率增大而減小，變化幅度不大；當載荷為100%時，隨著EGR率的增大發(fā)動機的輸出功率下降較快，當EGR率達到30%時，由于發(fā)動機動力性無法滿足負載工況需求，EGR系統(tǒng)停止工作.

圖2 為EGR率從0～40%變化，負載載荷從25%～100%變化時，發(fā)動機NOx的排放變化曲線.由圖2 可以看出：隨著發(fā)動機EGR率的升高，NOx的排放在下降；當EGR率為0時，低載荷工況NOx的排放較高，隨著EGR率的升高，NOx的排放快速下降；當EGR率為30%左右時，各載荷下NOx的排放量基本一致，約為 1.0 g/(kW·h).

圖2 不同EGR率發(fā)動機NOx排放的曲線Fig.2 NOx emission curve of engine with different EGR rates

2 柴油機模型的建立

圖3 為應用AVL BOOST軟件建立的柴油機工作過程仿真模型，主要包括：進排氣系統(tǒng)、氣缸、渦輪增壓及中冷裝置、EGR系統(tǒng)及冷卻裝置等.通過該模型對發(fā)動機工況進行模擬，輸出相關工況數(shù)據(jù)，將仿真結果與試驗結果對比分析以訓練模型，經(jīng)過多次參數(shù)調整來提高AVL BOOST模型的準確度.將工況數(shù)據(jù)作為MATLAB控制模型的輸入數(shù)據(jù)，輸出EGR率控制參數(shù)，再將EGR率輸入AVL BOOST模型中，仿真驗證發(fā)動機的工作特性.

圖3 防爆柴油機工作過程仿真模型Fig.3 Simulation model of working process of explosion proof diesel engine

圖4 為根據(jù)發(fā)動機工況數(shù)據(jù)及AVL BOOST仿真結論建立的防爆柴油機EGR控制模型，應用MATLAB軟件建立發(fā)動機外特性、油耗及排放模型，從而為EGR率控制模型提供數(shù)據(jù)信號.

圖4 防爆柴油機EGR控制仿真模型Fig.4 EGR control simulation model of explosion proof dieselengine

3 EGR控制策略

3.1 模糊邏輯控制規(guī)則的建立

控制策略是EGR率管理的核心.本文控制策略的目標是：在滿足發(fā)動機正常工作的前提下，提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性并降低NOx排放.模糊邏輯控制是基于規(guī)則的控制策略，不需要精確的數(shù)學模型，具有很強的魯棒性，能夠解決非線性復雜問題，適用于防爆柴油機EGR控制.

防爆柴油機實際工作過程中，控制系統(tǒng)實時采集傳感器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)需求功率Prq和NOx排放數(shù)據(jù)作為模糊邏輯控制器的輸入變量，運用模糊邏輯推理計算控制變量EGR率，以優(yōu)化發(fā)動機的動力性與排放性.建立各參數(shù)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)不同工況制定模糊規(guī)則集，圖5 為輸入和輸出的隸屬度函數(shù).

(a)輸入變量Prq的隸屬度函數(shù)

模糊邏輯控制器輸入變量Prq與NOx是傳感器采集到的具體數(shù)據(jù)，分辨率與靈敏度很高，采用線性分布函數(shù)；輸出變量EGR率是模糊控制分量，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，選擇比較平緩的曲線作為隸屬度函數(shù).

模糊推理的關鍵在于模糊規(guī)則的建立，本文的規(guī)則庫由若干If-Then規(guī)則構成，表3 列出了規(guī)則.Mamdani型模糊推理方法充分利用了專家規(guī)則庫的控制知識.

表3 模糊邏輯規(guī)則庫Tab.3 Fuzzy logic rule base

為了消除指標之間的量綱影響，對模糊邏輯控制變量進行數(shù)據(jù)標準化處理，采用min-max標準化(Min-Max Normalization)方法對原始數(shù)據(jù)進行線性變換，使結果值映射到0～2之間.轉換函數(shù)為

(1)

式中：Xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值；Xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值.輸入Prq的論域為[0,2]，0表示功率為零，2表示功率為最大值Pmax；NOx的論域為[0,2]，代表NOx排放的上下限；輸出EGR率的論域為[0,2]，控制發(fā)動機的EGR工作模式.

3.2 控制模型的建立

建立模糊邏輯控制器并制定控制規(guī)則后，將實際載荷譜加載到模型中，考慮初始條件和邊界條件，建立防爆柴油機EGR率控制仿真模型，將模糊邏輯控制器加載到MATLAB模型中，就可以對系統(tǒng)的工況特點、燃油經(jīng)濟性及排放等性能進行研究.圖6 為模糊邏輯控制器仿真模型.

圖6 控制器仿真模型Fig.6 Controller simulation model

4 仿真試驗驗證

通過仿真試驗研究發(fā)動機在定轉速(1 600 r/min)和4種負荷(100%，75%，50%，20%)工況下，EGR率對發(fā)動機功率和NOx排放的影響.

首先建立模糊邏輯控制器的隸屬度函數(shù)與控制規(guī)則，基于Mamdani模糊法制定推理規(guī)則并繪制MAP圖，如圖7 所示，根據(jù)輸入變量的隸屬度推導出輸出變量的分布函數(shù).

圖7 控制器中Prq，NOx及EGR率對應的調節(jié)規(guī)則Fig.7 Regulation rules corresponding to Prq,NOx and EGR rate in the controller

EGR率的控制是一個多目標優(yōu)化的問題，圖7 實驗過程對EGR率的選擇是基于經(jīng)驗和循序參數(shù)試驗，根據(jù)設計的模糊邏輯控制策略進行多目標控制，控制過程優(yōu)先考慮發(fā)動機的動力性能，其次考慮降低NOx的排放.

圖8 是載荷率為100%，傳統(tǒng)控制與模糊控制下發(fā)動機的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對比曲線.由圖8 可以看出：傳統(tǒng)控制過程中，隨著EGR率的升高發(fā)動機功率下降嚴重，在實際工況下雖然NOx排放下降，但無法滿足動力性能需求，而模糊邏輯控制過程優(yōu)先滿足了動力性能需求；在100 s的仿真時間內，模糊邏輯控制發(fā)動機的功率提高了3.2%，平均NOx排放由7.89 g/(kW·h)提高到11.37 g/(kW·h)，平均EGR率由13.5降低到4.6.

(a)輸出功率

圖9 是載荷率為75%，兩種控制模式下發(fā)動機的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對比曲線.由圖9 可以看出：雖然傳統(tǒng)控制中NOx的排放有所下降，但發(fā)動機輸出功率也下降了，而模糊控制能綜合均衡動力性與排放性能；在仿真時間內，模糊邏輯控制發(fā)動機的平均功率提高了4.3kW，平均NOx排放由5.58 g/(kW·h)提高到 7.75 g/(kW·h)，平均EGR率由18.11降低到 11.25.

(a)輸出功率

圖10 是載荷率為50%，兩種控制模式下發(fā)動機的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對比曲線.由圖10 可以看出，模糊邏輯控制發(fā)動機平均功率提高了1.1kW，平均NOx的排放提高了0.09 g/(kW·h)，平均EGR率提高了0.07.

(a)輸出功率

圖11 是載荷率為25%，兩種控制模式下發(fā)動機的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對比曲線.由圖11 可以看出，模糊邏輯控制發(fā)動機平均功率提高了0.02 kW，平均NOx排放降低了0.67 g/(kW·h)，平均EGR率提高了0.55.

(a)輸出功率

表4 為傳統(tǒng)控制和模糊控制仿真結果對比數(shù)據(jù).對比顯示，模糊邏輯控制策略可以根據(jù)實時工況特性動態(tài)地控制發(fā)動機工作模式，在小負荷工況下，發(fā)動機負載功率容易滿足，控制策略優(yōu)先降低發(fā)動機的NOx排放，在大負荷工況下，控制系統(tǒng)優(yōu)先保證發(fā)動機的動力性能.

表4 仿真結果平均值Tab.4 Average value of simulation results

5 結 論

EGR率的控制是一個多目標優(yōu)化的問題，本文提出一種模糊邏輯控制策略來進行多目標控制，具有很強的魯棒性，能夠解決非線性復雜問題，適用于防爆柴油機EGR率的控制.選擇發(fā)動機最大轉矩轉速為1 600 r/min的工況，研究其動力性、排放性及經(jīng)濟性.通過仿真對比試驗得出以下結論：

1)模糊邏輯控制策略能夠根據(jù)實時NOx排放及負載需求功率自動調整EGR率，提高了發(fā)動機的動力性能，降低了NOx的排放.

2)在100%與75%載荷下，優(yōu)先考慮發(fā)動機的動力輸出，為了保證負載工況需求，控制系統(tǒng)通過降低EGR率來提高發(fā)動機的輸出功率，此時，發(fā)動機的NOx排放量有所提高.

3)在50%與25%載荷下，發(fā)動機負載功率容易滿足，控制系統(tǒng)通過提高EGR率來降低NOx的排放.

另外，模糊邏輯控制規(guī)則及隸屬度函數(shù)的建立要依靠豐富的專家經(jīng)驗，因此，需要經(jīng)過反復試驗訓練才能提高控制的穩(wěn)定性與可靠性，從而提高綜合控制效果.