增压柴油机瞬变工况EGR控制策略研究

刘 乐 于凯波 李琳琳

（1-中国汽车技术研究中心 天津 300300 2-吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室）

引言

汽车道路运行大部分时间处于瞬变工况下[1]，特别是搭载增压柴油机的重型商用车，瞬变工况下进气严重滞后于喷油，引起柴油机性能劣变[2]。与稳态工况相比，瞬变工况下存在噪声激增，排放及燃油经济性恶化等问题[3-5]，引入EGR系统后这一特征越发显著，是当前内燃机瞬态工况领域研究重点之一。在瞬变过程EGR阀控制方面，前期研究表明将稳态优化EGR阀开度特征直接运用到瞬变过程EGR阀控制时都不可避免地发生EGR超调及其导致的性能恶化问题[6]；安晓辉等人[7]基于GT-Power软件对EGR系统的反馈控制参数进行了研究，发现进气氧浓度只与EGR率和AFR相关，并且和EGR率呈线性关系，表明氧气质量分数相比EGR率更适合作为瞬变工况下的反馈控制参数。但在实际应用方面，对宽裕氧传感器和EGR阀的响应性都提出非常苛刻的要求；张正兴等[8]根据发动机进气量的目标值与实际值偏差，进行EGR开度的PI（比例积分）闭环控制；以此为基础，陈浩平等[9]发现传统的PID控制方式适应性差，通过添加一个前馈模块提高EGR的控制精度和响应性。以获取瞬变过程烟度和NOx折中排放为主要目标，笔者在一台高压共轨、增压中冷重型柴油机上拟借助EGR阀开度闭环控制策略探讨典型恒转速增转矩瞬变过程性能影响规律，为重型柴油机瞬态性能开发提供研究思路和数据支持。

图1 瞬变试验台架和测控平台示意图

1 试验台架及测控系统

1.1 试验台架

研究对象为一台配置两级增压系统的高压共轨电控柴油机，其主要技术参数如表1所示。柴油机试验台架及测控系统布置如图1所示。选用高压EGR回路循环方式，由高压级涡轮机之前引出回流废气，并依次经过EGR中冷器（废气冷却）、EGR阀（控制废气流量），最终引入高压级压气机之后。

表1 试验用柴油机主要参数

研究中采用高速传感器和毫秒级A/D采集卡构建实时参数（10 ms）采集系统，能够实现对柴油机的转速、转矩、进排气温度和压力、消光烟度、进气流量、尾气排放等参数的实时采集。在共轨平台下，发

其中：（O2）int为进气管测量氧浓度，（O2）exh为排气管测量氧浓度，（O2）atm为空气环境氧浓度。

1.2 测控系统

本试验典型的瞬变工况（恒定转速1 650 r/min（B转速）、负荷在5 s内从10%线性增加至100%的恒转速增转矩）。油门开度借助dSPACE中的DAC模块实时输出电压信号，并在ECU中转换为相应的循环喷油量来实现；基于CAN总线、带有开度反馈的电控EGR阀，其阀开度基于dSPACE平台闭环PID方式控制，其中，EGR阀发送及接受报文分别如图2、3所示。针对典型的恒转速增转矩瞬变过程，分别将进气量、进气氧浓度和排气氧浓度作为反馈变量研究EGR阀闭环控制对柴油机瞬变性能的影响。相应的试验方案会在各小节中进行说明。动机工况的控制最终信号为油门电压，借助单片机高响应和高精度的优点，并配合电涡流测功机可实现典型瞬变工况的再现。

图2 EGR阀发送数据控制系统

EGR率由EGR5230控制系统实现准确、快速测量，与传统的CO2示踪法类似，EGR5230使用进排气的氧浓度来计算EGR率。同时仪器自带校正功能保证EGR率测量的响应性。本实验中EGR率的计算公式[10]如下：

2 试验结果及分析

闭环控制均由PID（Proportion比例、Integration积分、Differentiation微分）控制器实现，区别不同控制策略的单一因素为反馈标量。考虑到EGR系统具有非线性、时延及复杂的换气特性，在选择反馈变量时，要求变量除了能反映发动机EGR系统的当前状态，还应具有响应快速、反应准确、工作可靠以及测量方便的特征。所以实验选取可实现快速响应及准确测量的进气量、进气氧浓度和排气氧浓度作为反馈变量，即将原机瞬变加载过程（无EGR）的上述各参数变化特征作为控制目标（原机瞬变过程烟度峰值低，燃油经济性较对应稳态工况恶化不显著）。

2.1 基于进气量反馈的瞬变性能

鉴于进气量数值容易获取，研究首先选取进气量作为闭环反馈变量，以探讨瞬变性能影响规律。试验过程发现，无论如何调整PID控制器的参数（Kp，Ki和Kd），EGR阀均在瞬变过程开始后随即关闭，又在瞬变过程结束后突然开启（如图4a所示）。产生这种现象的原因是瞬变过程实际进气量与目标进气量间相差较大（如图4b所示），进气迟滞现象严重，进气量在瞬变过程结束后才逐渐恢复稳态值。

图3 EGR阀接受数据控制系统

图4 基于进气量反馈的实验方案

图5 和图6所示为基于进气量的闭环反馈控制下柴油机排放规律，并与原机无EGR的瞬变过程性能进行对比分析。由于瞬变过程前期EGR阀几乎全开，如图4a所示，油气混合效果差，导致燃烧相位延后，且燃烧速率降低，消光烟度排放出现峰值，但NOx排放得到有效限制（瞬变过程起始时刻降幅为31.5%）。此外，有效燃油消耗率与原机值相差不大，在小负荷区域略微降低。

图5 基于进气量反馈的柴油机性能及排放性

图6 基于进气量反馈的柴油机燃烧性能

图7 基于进气氧浓度反馈的实验方案

2.2 基于进气氧浓度反馈的瞬变性能

为了研究基于进气氧浓度反馈的瞬变性能，首先通过试验整定PID控制器参数（Kp=3.5、Ki=0.008、Kd=0.001）。试验获得的结果如图7所示。对比图7a和图4a可以看出，EGR阀的动作趋势相同，区别是基于进气氧浓度反馈时的EGR阀关闭时间更短，这主要与PID控制器参数设置有关。为了避免EGR阀在瞬变过程中频繁的开启或关闭（试验表明，EGR阀的开启或关闭动作会引起排气气流的明显波动，给瞬变性能带来不利影响），控制器对变量变化的敏感性不宜太大。图7b所示为实际进气氧浓度与目标进气氧浓度的跟随关系（氧浓度差值在2.2%以内）。

图8和图9为基于进气氧浓度的闭环反馈控制下柴油机瞬变过程性能及燃烧特征参数规律，并与原机无EGR的瞬变过程性能进行对比分析。由于EGR阀在大负荷之前开度一直大于75%，加剧了瞬变过程进气不足现象，燃烧恶化严重（高EGR率引起瞬变过程燃烧相位延后）。

图8 基于进气氧浓度反馈的柴油机性能

图9 基于进气氧浓度反馈的柴油机燃烧性能

鉴于瞬变过程持续的高EGR率，烟度排放极高，而在EGR阀关闭前的NOx排放较低（峰值低于300×10-6），但伴随EGR阀的关闭和再次开启，NOx排放出现第二个峰值（峰值为511×10-6）。进排气压力差在EGR阀关闭前数值大于原机水平，但随着EGR阀关闭，排气气流的波动引起进排气压力差减小（低于原机水平）。与之相比，在燃烧恶化损失起到次要作用时，闭环控制下的有效燃油消耗率低于原机水平（低于600 N·m时），相反时则高于原机有效燃油消耗率（大于600 N·m时）。

2.3 基于排气氧浓度反馈的瞬变性能

在EGR率和氧浓度两种控制变量中，氧浓度指标更适合作为瞬变控制反馈变量，瞬变过程原机氧浓度值直接通过宽裕氧传感器测量。研究将以排气氧浓度作为反馈变量，结合使用瞬变过程原机排气氧浓度优化值作为控制MAP参考，试验首先通过参数整定试验，初步确定PID控制器所需的3个参数值（Kp=1.5，Ki=0.005，Kd=0.002），试验效果如图 10所示。瞬变过程EGR率的变化趋势呈现出两端高、中间低趋势与EGR阀开度变化相对应，见图10a。实际排气氧浓度与目标排气氧浓度的跟随性较好，差值小于2%，见图10b。

图10 基于排气氧浓度反馈的实验方案

图11 、图12为基于排气氧浓度的闭环反馈控制下柴油机瞬变过程性能及燃烧特征参数规律，并与原机无EGR的瞬变过程性能进行对比分析。在反馈控制下，EGR阀最大开度仅为12%，并在瞬变过程中保持较小开度。缸内燃烧状况仍然较好，NOx排放与烟度排放呈现出较好的折中性，瞬变过程中的NOx排放峰值（548×10-6）相比原机降低21.7%，消光烟度峰值为15.8%。有效燃油消耗率与原机相差不大，特别在小负荷工况下，由于EGR阀开启减小了泵气损失，油耗率略有下降。

图11 基于排气氧浓度反馈的柴油机性能及排放性

图12 基于排气氧浓度反馈的柴油机燃烧性能

3 结论

为适应日趋严格的柴油机排放法规，EGR系统的引入在柴油机瞬变加载过程却出现了更为严重的性能恶化特征，因而EGR阀的闭环控制方法显得尤为重要。所选的反馈变量不仅要求该变量能反映发动机系统的当前状态，且应具有响应快速，反应准确，工作可靠以及测量方便等特征。结合使用修正的瞬变控制MAP（以原机瞬变过程原机排气氧浓度值作为参考），对比进气量、进气氧浓度、排气氧浓度3个反馈控制变量参数，排气氧浓度虽会导致消光烟度有一定程度的恶化，EGR超调特征仍然存在，但可以更好地实现烟度、NOx和油耗率之间的折中。

1 张龙平，刘忠长，田径，等.柴油机瞬变工况的动态响应及燃烧劣变分析[J].内燃机学报，2014，32（2）：104-110

2 王忠恕，吴楠．增压直喷柴油机瞬态工况燃烧参数的变化规律[J]．内燃机学报，2007，25（5）：385-389

3 M.J.Samulski,C.C.Jackson.Effects of steady-state and transient operation on exhaust emissions from nonroad and highway diesel engines[C].SAE Paper 982044

4 William Glewen,David Heuwetter,David Foster,et al.Analysis of deviations from steady state performance during transient operation of a light duty diesel engine [C].SAE Paper 2012-01-1067

5 Hagena J R,Filipi Z S,Assanis D N.Transient diesel emissions:Analysis of engine operation during a tip-in [C].SAE Paper 2006-01-1151

6 田径，赵云龙，刘忠长，等.瞬变过程EGR优化策略研究[J].内燃机学报，2011，29（6）：489-494

7 安晓辉，刘波澜，张付军，等.基于氧浓度的EGR对柴油机性能影响的仿真[J].内燃机学报，2013，31（2）：115-119

8 张正兴，赵文辅，李科，等.基于PID的柴油机闭环EGR控制策略研究[J].汽车技术，2014（5）：54-57

9 陈浩平，王贵勇，申立中，等.基于Ascet平台的高压共轨柴油机电控EGR控制策略研究[J].车用发动机，2010（6）：26-29