重型柴油机全工况两阀联合控制EGR系统的设计*

赵靖华，洪 伟，解方喜

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025; 2.吉林师范大学计算机学院，四平 136000)

前言

重型柴油发动机排出的NOx和PM对环境和人类健康有着重大影响，为了满足更严格的排放法规，在重型柴油发动机上应用了高EGR率。大量学者从合理控制EGR流量的角度，研究了EGR对排放的影响。文献[1]中指出：空燃比对NOx和PM的影响存在一个折衷关系，因此，将空燃比控制在一个预定的理想范围对降低柴油机排放非常重要[1]。具体来看，增加EGR可降低NOx，但会导致PM增加，CO和HC也会随之增加，并且在涡轮增压的限制下，降低空燃比会增加比油耗。这就要求预先标定出精确的、折衷的空燃比，使各种排放指标和发动机性能都能达到较优水平，并且通过控制策略使发动机可在各个工况下都能达到目标空燃比。

空燃比控制的实现方法主要有EGR、VGT、VNT和喷油策略等。文献[2]和文献[3]中采用了EGR、VGR加喷油联合控制；文献[4]中则单独通过VGT控制空燃比。当前，大多数柴油机都配备了涡轮增压，使废气和进气歧管之间的压差足够大，在大多数工况下能够保障高EGR率。但是，在低速和低负荷的部分工况下，上述压差不能保证足够废气通过EGR阀。此时，可增加一个节气阀来降低进气歧管压力。文献[5]和文献[6]中就是采用节气阀辅助EGR阀来控制进气量。文献[7]中以重型柴油机为研究对象，针对急加速工况下烟度容易激增的实际问题，采用了EGR阀和节气阀两阀联合控制策略，取得了一定的控制效果。然而，该研究的重点是急加速瞬态工况条件，其他工况主要还是以优化MAP控制为主。同时，由于复杂的控制器设计与调试过程和实机台架排放效果验证的昂贵费用，使对重型柴油机排放优化的全工况控制研究甚少。在文献[7]的基础上，本文中采用两阀联合控制方法，并对急加速瞬态工况外的其它条件下的控制方法进行了改进。此外，由于采用实时仿真控制策略研究与台架实验验证相结合的方式，提高了控制系统的开发效率，并极大地降低了成本。

基于enDYNA[8]软件和dSPACE硬件耦合的精确发动机建模和实时仿真技术，本文中设计了一种节气阀配合EGR阀的两阀联合空燃比控制器(EGRITH)。在半实物实时仿真平台上验证调试控制效果后，又在实机台架上进行了排放优化的试验研究，获得了较好的效果。

1 试验台架与两阀系统结构

本试验研究对象为CY6D180增压中冷电控共轨柴油机，主要技术参数如表1所示。

表1 试验样机基本参数

通过试验发现，在低转速的部分工况下，进气中冷后压力比排气压力大，即此工况下的压差不能保证足够废气通过EGR阀，因此，须增加一个节气阀来降低进气歧管压力，以保证足够的EGR流量。图1为所设计的节气阀配合EGR阀的系统结构图。

本研究平台的实时参数采集及控制系统，由高速传感器配合PCL-818HG与PCI-9111数据采集卡和精密的测量仪器构成。其中，测量仪器主要包括汽车排气分析仪、电涡流测功机、温度控制系统、燃烧分析仪、烟度计、燃油流量计、瞬态空气流量计、科式流量计等，具体见表2。

表2 试验用主要仪器设备

2 两阀联合空燃比控制方法

在包含EGR阀和节气阀的发动机中，调节进气量所用的传统操作方法是统一标定和单独控制。EGR阀和节气阀的控制信号一般都采用[0，1]之间的值表示开度大小，即0为全关，1表示全开状态。由于本文中研究的发动机配置节气阀的根本原因是在某些工况下EGR阀全开也不能保证足够大的EGR流量，同时考虑到为了降低节气损失应尽量保持节气阀全开，所以采用了两阀联合控制策略，即以EGR阀为主，节气阀为辅的链式控制策略。该策略以[0，2]之间的值(EGRITH)控制EGR阀和节气阀的开关状态，其中EGRITH值在[0，1]之间表示节气阀全开，该值控制EGR阀，并随该值的增大阀的开度增大；EGRITH值在[1，2]之间时，EGR阀全开，EGRITH值控制节气阀，并随该值的增大阀的开度减小。

为达到上述目的，本控制器以理想进气量为控制目标，以理想EGR阀位置为辅助控制手段，以控制目标与实测进气量的误差为控制输入，经控制策略处理后分别得到两阀位置的控制输出。两阀联合控制策略的主要控制逻辑如图2所示，控制器的主要输入信号1(mat_mess)为传感器实测的空气进气流量；输入信号2(mat_setpoint)为当前工况下理想的空气进气量；输入信号3(egrp_ff)为当前工况下理想的EGR阀位置；输出信号1(egrp_des)为EGR阀开度；输出信号2(ithp_des)为节气阀开度。具体工作流程如下：传感器实测的空气进气流量信号与当前工况下理想的空气进气量信号相减，所得差值经PID控制器调节后再与当前工况下理想的EGR阀位置相加得到EGR阀和节气阀联合控制量即EGRITH的值，该值经[0，2]之间控制任务分配，分别得到EGR阀和节气阀的控制信号。

通过应用上述控制策略，当进气量达到理想值时，经PID控制器出来的控制量为零，当前EGR阀开度值即为理想EGR阀开度值，而节气阀开度为0即全开。也就是说，在节气阀全开时单纯靠调节EGR阀能完成一定工况下的任务；如果EGR阀全开都不能满足进气量的要求，进气量误差推大控制量并且超过1，此刻开始了关闭节气阀的过程。

该控制逻辑将节气阀开度控制包括在跟踪理想进气量的反馈循环之中，保证了只有当EGR阀完全开启时，节气阀才开始关闭，达到了EGR阀控制为主，节气阀控制为辅的控制目的。此种做法降低了泵气损失，改善了燃油经济性。此外，由于理想的节气阀位置不再被单独标定，两阀联合控制方法还降低了标定工作量。

所研究的控制器实际是利用EGR阀和节气阀两个执行部件的动作影响发动机的特性[9]。由发动机节气阀附近气体流量公式(1)～式(3)可知，进气量与节气阀开度之间存在数学关系，可以由控制目标理想进气量反推节气阀的开度。

(1)

(2)

(1-cos(2α)))

(3)

以上述发动机节气阀附近的气体流量公式为依据，再根据所研究问题的实际背景需求，对公式进行适当简化，得到了由理想进气量反推出节气阀开度的前馈公式，主要公式逻辑如图3所示。其中，输入信号1(mat_sepoint)为理想进气量，输入信号2(manifold Pm)为阀后进气歧管压力，输入信号3(atmosperic Patm)为阀前压力，输出信号1(throttle_angle)为节气阀开度。

标定所得的各个工况下理想进气量的值，经上述前馈公式反推出节气阀开度，所得信号加到节气阀控制开度之前作为开度前馈。该做法提高了节气阀的控制反应速度，还和进气量跟踪反馈一起组成一个复合矫正控制系统，具体控制逻辑如图4所示，左下角的Feed-forward_mat模块即为前馈模块。

3 半实物实时仿真平台下的两阀联合空燃比控制效果验证

将CY6D180柴油机的基本参数和经EGR优化后的稳态数据提交给精确发动机建模软件enDYNA，经软件系统的预处理拟合过程建立模型，并验证了该模型的准确性。在PC机的离线环境下将EGRITH控制器与enDYNA柴油机模型耦合，组成闭环空燃比控制器。经离线仿真调试后，再将被控对象的EGR阀和节气阀部分用实体阀代替，被控对象的其他模型部分下载到实时设备dSPACE中，EGRITH空燃比控制器下载到xPC-Target实时系统中，进行半实物实时仿真，进一步调试控制参数，为最终实机验证空燃比控制器缩短开发时间，节约成本。

如图5所示，在PC机离线仿真模式下，enDYNA模型在1 300r/min下运行，在EGRITH控制器的作用下跟踪理想进气量。结果表明：跟踪曲线的最大超调量在10%以下，且跟踪曲线较平滑，稳态静差基本为零。

将上述在PC机离线仿真模式下调试好的控制策略和模型下载到相应的实时设备中，进行硬件在环实时仿真。结果表明，控制器跟踪效果相对较差。分析其原因可知，由于控制对象由PC机中的模型变为由EGR阀和节气阀以及实时设备中模型组成的半实物实时仿真模型，即控制对象更加“真实”，在之前离线仿真条件下标定的控制参数在半实物实时仿真平台下不能达到较好的控制效果，所以控制器参数须进一步标定。重新标定控制参数后的控制效果如图6所示。跟踪曲线较平滑，最大超调量在5%以下，稳态静差基本为零，并且在理想进气量变化的瞬态时间段下跟踪效果也较好。

4 EGRITH空燃比控制器排放改进效果验证

上面讨论了重型柴油机的空燃比精确控制器的设计和跟踪效果验证，本文中结合文献[7]和文献[10]中提出的重型柴油机急加速瞬态过程烟度排放控制方法，实现了两种控制器的状态切换，并验证了排放改进效果。

在实机台架环境下，进行了空燃比精确控制排放改进效果的测试，并与文献[7]中的稳态EGR优化后的最优EGR阀节气阀开度MAP控制方法的排放效果做了对比。图7显示了整个测试工况条件，从发动机起动开始，经历了两次负载增加的瞬态过程，相应地也出现两次减负荷工况。第1阶段的负荷增加大约从13s时刻开始到34s结束；自此开始了第1阶段的减负荷工况，一直持续到大约68s；接下来开始第2阶段的增负荷瞬态工况，该过程直到84s左右结束；第2阶段的减负荷瞬态工况自此刻开始持续到111s左右结束；整个测试工况的最后阶段是大约5s的稳态负荷工况。随着负荷的变化，转速也经历了怠速阶段，两个加速和减速阶段，转矩也有类似过程。

对照上述测试工况条件，全工况空燃比优化控制与稳态EGR优化MAP控制方法的排放效果对比如图8所示。其中，稳态EGR优化MAP控制的曲线根据文献[7]的研究中的试验数据整理得出。由图可见，NOx与烟度排放在分别经历5s和0.55s左右的延迟之后开始发生变化，在第1个增负荷阶段，NOx与烟度排放均有所上升，前者主要是由于负荷增加，进气量和缸内燃烧温度都有所提高造成的，后者则是由于增负荷工况下由于涡轮增压的延迟影响，空燃比下降导致烟度升高。再具体比较稳态EGR两阀MAP控制与全工况空燃比优化控制在第1个增负荷阶段的排放效果，前者的烟度排放恶化较为严重，由于后者采取了瞬态空燃比控制算法适当地关开EGR阀和节气阀，在一定程度上降低了烟度排放的恶化程度；两种控制方法的NOx排放增幅和增量都类似。

在第1阶段的降负荷工况条件下，NOx与烟度排放均有所下降。再具体比较稳态EGR优化两阀MAP控制与空燃比优化控制在第1个降负荷阶段的排放效果，后者的NOx排放相比于前者较差，这是由于在前一阶段的增负荷阶段，后者采取了适当关EGR阀和全开节气阀的方法控制EGR流量，从而抑制烟度产生，这样做的副作用就是增大了新鲜空气的流量，再加上缸内燃烧温度升高促使NOx排放的恶化，并且由于缸内气体流动、混合气形成和气体与缸壁之间的热传递等燃烧边界条件存在延迟效应，NOx排放的恶化结果有一定的响应时间延迟，须经历特定的燃烧过程以后才可能达到准稳定状态。但是，从整个测试工况下NOx排放结果上看，本文中所设计的空燃比优化控制方法的NOx排放值，仅仅比两阀优化MAP控制方法平均高出10%左右，属于优化发动机性能可接受的范围。

综上所述，所设计的空燃比控制器在上述测试循环的排放效果验证过程中，排放水平较稳态EGR两阀最优MAP控制方法有了很大改进。以空燃比为控制目标的EGR阀节气阀联合闭环控制EGR率的方法能够实现烟度最小化，消光烟度最大值在2.5%以下，同时NOx排放值仅比两阀优化MAP控制方法平均高出10%左右。

5 结论

(1)所设计的EGR阀和节气阀两阀联合控制器达到了EGR阀控制为主，节气阀控制为辅的控制目的，降低了泵气损失，改善了燃油经济性，同时还降低了标定工作量。

(2)该控制器在半实物实时仿真条件下，能够达到精确控制空燃比的目的，在1 200r/min测试工况下跟踪曲线较平滑，最大超调量在5%以下，稳态静差基本为零，并且在理想进气量变化的瞬态时间段跟踪效果也较好。

(3)在台架试验条件下，该控制器能够实现烟度最小化，消光烟度最大值在2.5%以下，同时NOx排放值仅比两阀优化MAP控制方法平均高出10%左右。

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