废气再循环瞬态修正控制策略对重型柴油机排放性能的影响

韩晓梅, 田威, 林学东, 李德刚, 王文明, 郭亮

(1.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室, 130022, 长春; 2.博世汽车柴油系统有限公司, 214000, 江苏无锡)

废气再循环(EGR)控制策略的完善对发动机性能开发至关重要。EGR的控制不仅要满足降低NOx排放的要求,同时还要兼顾PM排放、油耗以及车辆驾驶性的需求。EGR对发动机性能的影响主要是通过将废气重新引入缸内来改变缸内燃烧环境的氧浓度,因此,EGR控制的要求是使发动机在全工况都有合理稳定的空燃比,从而确保发动机的性能和排放水平符合标准[1]。为使EGR控制满足要求,研究人员对EGR控制策略进行了不断的改进和完善。在EGR控制策略发展早期采用的是EGR开环控制,通过设定EGR阀开度MAP(脉谱),依据发动机运行工况直接查取EGR阀开度[2];后期普遍采用EGR闭环控制[3],包括基于新鲜空气的闭环控制、基于EGR流量的闭环控制[4]、基于EGR率的闭环控制[5]和基于氧浓度的闭环控制[6],这几种闭环控制都是将特定的设定量与实际量的差值作为反馈量来调整EGR阀的开度,以满足控制需求。EGR闭环控制可以改善发动机量产后的差异以及发动机使用过程中零部件老化对EGR控制精度的影响,目前已得到广泛应用。

在稳态工况下,通过合理标定EGR阀开度MAP、需求空气量MAP以及PID参数,可使上述EGR闭环控制策略满足EGR控制精确性和稳定性的要求。然而,在瞬态工况(例如转速恒定、转矩瞬增工况)下,上述EGR闭环控制策略仍然存在如下问题[3,7]。

(1)空气系统响应迟滞造成碳烟排放过大和动力性不足。当发动机转矩需求瞬间增大时,喷油量也瞬间增大,此时空气需求量瞬间变大,但由于增压器的迟滞现象,实际进气量远低于当前喷油量所需的空气量,虽然在PID控制下EGR阀处于关闭趋势,但由于PID控制响应速度较慢,且是在EGR阀开度预控制基础上进行PID控制,因此当瞬态工况发生时,EGR阀关闭速度不能满足要求,此时由于新鲜空气量不足,将导致碳烟排放恶化。其次,为了避免瞬态工况下发动机烟度排放超标,会标定烟度限制MAP来限定不同工况下的最小过量空气系数,当混合气过浓时,喷油量会被限制以满足最小过量空气系数的要求,因此当瞬态工况下新鲜空气量过低时,会触发烟度限制导致发动机限扭,使动力性能受到影响。

(2)PID控制导致瞬态过程EGR阀开启不及时。当发动机转矩瞬间增大时,实际空气量低于需求空气量,EGR阀会在PID控制下关闭以满足目标空气量,只要实际进气量低于目标空气量,EGR阀会一直保持关闭状态,而在瞬态工况后期,虽然实际进气量仍然低于需求空气量,但此时进气量已足够满足烟度限制,需要适当开启EGR来避免NOx排放过高,但是,由于PID的控制迟滞会导致EGR阀开启过晚,最终导致NOx排放过高。

针对上述问题,本文对瞬态工况下的EGR控制策略进行了优化,通过瞬态修正,可实现瞬态工况下EGR阀的快速关闭,并在瞬态工况后期提前开启EGR阀,避免NOx排放过高。

1　EGR瞬态修正控制策略设计

对瞬态工况下的EGR控制策略进行修正,修正后的EGR阀开度示意图如图1所示:①为EGR阀关闭阶段,②为EGR阀全关阶段,③为EGR阀开启阶段。当发动机转矩瞬间增大时,瞬态修正后的EGR阀比无瞬态修正的EGR阀更快关闭,经过EGR阀全关阶段以满足进气需求,随后EGR阀能更早开启以避免NOx排放过高。

图1　瞬态修正EGR阀开度示意图

为实现以上控制目标,从两方面进行EGR瞬态修正,如图2所示,包括EGR阀开度预控制修正和需求空气量修正。当瞬态工况发生时,修正EGR阀预控制开度,使预控制开度为0,从而加快EGR阀的关闭响应速度;在瞬态工况后期,合理修正需求空气量,使需求空气量降低,从而使实际进气量提前满足目标需求空气量,使EGR阀提前开启以适当降低NOx排放。

图2　EGR瞬态修正控制逻辑

1.1　EGR阀开度预控制瞬态修正

在转速恒定、转矩瞬增工况下,限制发动机性能的主要因素是增压器的迟滞现象。由于增压器迟滞导致进气量不能满足空气量需求,因此,选取增压压力作为瞬态工况识别信号,定义瞬态程度系数δ来表征当前增压器的迟滞程度

(1)

式中:pboost,des为需求增压压力,通过当前转速和油量查取目标增压压力MAP获得;pboost,act为实际增压压力,由传感器测量获得。

当瞬态工况发生时,瞬态程度系数为小于1的随时间瞬变的非线性曲线。如图3所示,为了便于实现控制,将瞬态程度系数转化为修正系数:当瞬态程度系数大于设定常数时,表征进气量严重不足,瞬态修正系数取1;当瞬态程度系数小于设定常数时,表征进气量不足现象得到缓解,瞬态修正系数取值范围在[0,1]之间,依据瞬态程度和EGR控制需求标定获取,与瞬态程度系数呈相同趋势。

图3　瞬态修正系数与瞬态程度系数的关系

EGR阀瞬态工况预控制开度修正由下式表示

rtra=(1-Fac1)rsta

(2)

式中:rtra为瞬态修正后EGR阀的开度;rsta为对应当前转速、油量的稳态工况下EGR阀的预控制开度;Fac1为瞬态修正系数。

当发动机瞬态程度足够大时,瞬态修正系数为1,经过式(2)计算,EGR阀的开度为0;当发动机瞬态过程结束时,瞬态修正系数为0,经过式(2)计算,EGR阀的开度仍为稳态时EGR阀的开度。

1.2　需求空气量瞬态修正

瞬态工况目标需求空气量示意图如图4所示,图中黑色实线为通过最小λ计算得到的需求空气量,是确保发动机烟度不超标的最低空气量,计算公式如下

mλ=14.3λminqfuel

(3)

式中:mλ为基于最小λ的需求空气量;λmin为当前转速与喷油量条件下烟度不超标的最小过量空气系数;qfuel为实时喷油量;14.3为柴油机理论空燃比。

图4　瞬态工况目标需求空气量示意图

长虚线为限定NOx排放不超标的最大进气量,其理论依据是:NOx排放的主要影响因素是O2含量,将当前转速和油量所对应的稳态工况进气O2含量视为确保NOx排放不超标的最大进气O2含量,首先基于最大允许O2含量和排放中的O2含量计算NOx排放不超标的最小EGR率,计算公式为

(4)

式中:ρEGR,O2为确保NOx排放不超标的最小EGR率;φenv(O2)为环境中O2的体积分数;φmax(O2)为确保NOx排放不超标的最大进气O2体积分数,在稳态工况下通过发动机全工况运行测量获得;φexh(O2)为当前转速和油量对应稳态工况下排气中的O2体积分数,在稳态工况下通过发动机全工况运行测量获得。

限制NOx排放不超标的最大进气量计算公式为

mmaxO2=(1-ρEGR,O2)mact

(5)

式中:mmaxO2为限制NOx排放不超标的最大进气量;mact为实际进气量。

在油门急加工况前期,烟度限制空气量高于NOx排放限制空气量,此时应优先保证空气量足够,不会触发烟度限制,以避免烟度恶化严重以及喷油量受限制,因此,在烟度限制空气量高于NOx排放限制空气量阶段,将烟度限制空气量设定为瞬态需求空气量;在油门急加工况后期,烟度限制空气量低于NOx排放限制空气量,此时要保证空气量高于烟度限制空气量但低于NOx排放限制空气量,可以依据当前NOx和碳烟排放目标来权衡瞬态目标空气量的位置,若需要降低NOx排放,则将目标空气量设定为更靠近烟度限制空气量,若需要碳烟排放降低,则将目标空气量设定为更靠近NOx排放限制空气量。

瞬态需求空气量的计算公式如下

mtrans=(mλ-max(mλ,mmaxO2))Fac,air+

max(mλ,mmaxO2)

(6)

式中:mtrans为油门急加工况需求空气量;Fac,air为瞬态需求空气量权衡系数,是标定量,取值范围为0～1。当NOx排放需要改善时,使权衡系数接近1来减小瞬态需求空气量;当碳烟排放需要改善时,使权衡系数接近0来增大瞬态需求空气量。

2　试验装置及试验方案

2.1　试验装置

试验在一台排量为7 L的六缸重型发动机上进行,发动机配备高压共轨燃油喷射系统,使用Honeywell Wastegate(排气泄压阀式)增压器、CP3.3NH-18型油泵、CRIN3-18型喷油器和Bosch EDC17CV41型电控单元。发动机具体参数如下:缸径102 mm;冲程120 mm;排量7 L;压缩比16.1;连杆长度198 mm;点火顺序1-5-3-6-2-4;涡流比1.5;额定功率248 kW(2 100 r/min);最大转矩1 150 N·m(1 200～1 800 r/min)。

试验利用AVL APA100电力测功机控制发动机转速和转矩,通过HORIBA MEXA-7100D气态排放分析仪测量NOx、CO、HC、CO2等气态排放,通过AVL 483烟度计测量碳烟排放,通过AVL 439透光烟度计测量油门突增过程中发动机的碳烟排放,通过Kistler 6058AS41缸压传感器测量缸压,通过AVL Indicom燃烧分析仪分析缸内的燃烧过程,通过AVL 735S油耗仪测量油耗。

2.2　试验方案

为了能够更直观地显示出EGR的瞬态修正效果,在1 300 r/min恒定转速下,将油门开度由10%瞬间增大到100%,油门加满时间分别设定为1、3和5 s。

为了验证EGR瞬态修正控制策略的实际控制效果,运行欧Ⅵ法规中更接近实际瞬态运行工况的WHTC(world harmonized transient cycle)瞬态循环,对比有、无EGR瞬态修正时的发动机性能。

3　试验结果与分析

3.1　转速恒定转矩瞬增工况的EGR瞬态修正效果

图5所示为转速恒定、转矩瞬增工况下不同加载时间对应的EGR瞬态修正效果对比,其中虚线为瞬态修正后的发动机性能曲线,实线为无瞬态修正的发动机性能曲线。从图5可以看出,在不同的加载时间下,瞬态修正后的EGR阀与未修正的EGR阀相比,前者在瞬态早期能更快关闭,且在瞬态后期能更早开启,符合控制要求。相应的空气量变化情况是,瞬态过程前期修正后空气量增大,瞬态过程后期修正后空气量减小。

(a)加载1 s (b)加载3 s (c)加载5 s 无瞬态修正　- - - - 瞬态修正图5　恒定转速转矩瞬增工况EGR瞬态修正效果对比

就喷油量而言,瞬态修正后的喷油量大于无修正时的喷油量,原因是修正后EGR阀更快关闭,新鲜空气供给更及时,缓解了烟度限制造成的喷油量限制,改善了动力性。对比3个加载时间的控制效果,可知3 s加载时间对喷油量的改善效果最明显。1 s加载时间太短,短时间内新鲜空气供给量改善不明显,而5 s加载时间较长,有、无瞬态修正对EGR阀关闭响应的影响不如较短时间加载的效果明显,因此喷油量改善效果也不明显。在瞬态加载过程初期,由于瞬态修正后EGR阀关闭更快,因此瞬态修正后的NOx排放高于无修正时的NOx排放,相应地瞬态修正后的烟度低于无修正时的烟度;在瞬态加载过程后期,由于瞬态修正后EGR阀更早开启,因此修正后NOx排放有明显改善,但烟度排放恶化。就图5的控制效果而言,符合EGR瞬态修正控制的预期。

3.2　WHTC瞬态循环的瞬态修正效果对比

图6所示为有、无EGR瞬态修正的WHTC瞬态循环排放结果对比,从中可以看出,经瞬态修正后,NOx排放在WHTC瞬态循环内大部分区域都有所改善,但在部分区域有所恶化,总体上NOx排放积分量降低了5.4 g。

图6　瞬态修正对WHTC瞬态循环NOx排放结果的影响

图7所示为有、无EGR瞬态修正的WHTC瞬态循环实时碳烟排放及碳烟排放积分量的结果,可以看出,经瞬态修正后,碳烟排放在WHTC瞬态循环内有显著改善,碳烟排放积分量降低了0.482 g。

图7　瞬态修正对WHTC瞬态循环碳烟排放结果的影响

表1为有、无EGR瞬态修正的发动机WHTC瞬态循环比排放和比油耗对比,可见采用EGR瞬态修正后,NOx排放降低了4.7%,碳烟排放显著改善,降低了46.4%,HC和CO排放分别降低了8.5%和30.3%,CO2排放增加了0.3%,基本无影响,但油耗增大了0.6%。在牺牲0.6%油耗的前提下,NOx、碳烟、HC和CO的排放都有显著改善,这表明EGR瞬态修正控制策略对发动机排放性能的改善效果明显,具有应用价值。

表1　有无EGR瞬态修正的发动机WHTC瞬态循环性能对比

4　结　论

针对柴油机瞬态工况空气系统响应滞后造成的排放恶化等问题,本文设计了EGR瞬态修正控制策略:当判定发动机处于瞬态工况时,将EGR阀预控制开度设定为0,以加快EGR阀关闭速度;依据发动机当前瞬态程度修正需求空气量,使实际进气量更早满足需求空气量,实现EGR阀适时开启。采用此瞬态控制策略后,发动机的排放性能获得了以下改善:

(1)在瞬态工况初期,经过EGR瞬态修正后可使EGR阀更快关闭,缓解了空气量供应不足造成的碳烟排放过高以及烟度限制造成的动力性不足的问题;

(2)在瞬态工况后期,通过修正目标空气需求量使EGR阀更早开启,避免了由于EGR阀开启不及时造成的NOx排放过高;

(3)EGR瞬态修正可使WHTC瞬态循环时的NOx排放降低4.7%,碳烟排放降低46.4%,HC和CO排放分别降低8.5%和30.3%,但是使CO2排放略增0.3%,油耗增加0.6%。虽然牺牲了0.6%的油耗,但发动机排放得到了显著改善,证明EGR瞬态修正控制策略对改善发动机排放性能是有效的。

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