不同EGR闭环控制方式应用研究

姚旺,庞斌,张晨,杜飞飞,栾军山,牛鸿斌

潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 261001

0 引言

随着人们对环境保护越来越重视,世界各国现行排放标准对柴油机排放的要求越来越严格。废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)作为一种有效降低NOx排放的技术,被广泛用于商用柴油机。如何提高EGR率控制的精度和响应性,实现EGR精确闭环控制,对柴油机的动力性、燃油经济性和排放至关重要。

过量废气导致发动机燃烧恶化及动力性、经济性下降,因此应严格控制参与再循环的废气量。胡川等[1]开发了柴油机EGR流量和进气总流量的实时模型,采用双层闭环控制算法,实现电子控制单元(electronic control unit,ECU)对实时EGR率的计算。栾晓芳[2]对2.0T高压共轨柴油机进行台架试验,确定了试验工况下使发动机综合性能最佳的EGR率,制定合理的EGR 控制策略。

目前,EGR控制包括控制新鲜空气量或再循环废气量、控制EGR率2种方法。本文中根据EGR闭环控制方式,研究不同流量计、传感器的工作原理及EGR闭环控制策略,通过柴油机试验,对比分析不同EGR闭环控制方式的优缺点,为后续更严格的排放标准选择合适的EGR闭环控制方式提供选择和应用参考。

1 柴油机EGR系统

柴油机EGR系统将柴油机燃烧后的部分废气导入进气侧,与新鲜空气混合,再次参与燃烧。废气中的CO2和H2O等多原子分子可增加燃烧气体的比热容,降低柴油机燃烧过程的峰值温度和压力,从而减少NOx的生成。EGR柴油机结构如图1所示。

图1 EGR柴油机结构

改变EGR阀的开度,可控制导入进气管中的废气量,从而控制NOx排放。EGR阀开度有3种控制方式:1)通过安装在增压器压气机前的进气流量计测量新鲜空气量;2)通过安装在EGR管路的文丘里流量计测量废气流量;3)通过安装在涡轮增压器涡轮后的氧传感器计算新鲜空气量。

2 EGR闭环控制方式

2.1 新鲜空气量闭环控制方式

2.1.1 空气流量传感器测量原理

空气流量传感器(mass air flow sensor,MAF)又称空气流量计,分为热膜式和热线式2种。热膜式MAF传感器动态响应速度快、功耗低、体积小、易安装,广泛应用于车用柴油机领域,测量进入柴油机的新鲜空气。MAF传感器信号可用于喷油和EGR率控制,直接影响车用柴油机的动力性、经济性、排放性和工作稳定性[3]。

热膜式MAF传感器主要由加热电阻Rh、对称分布于Rh两边的上游测温电阻Ru和下游测温电阻Rd、测量气体初始温度的电阻Ra组成[4],其测量原理如图2所示。当无气流流经传感器时,Rh两端温度对称分布,Ru与Rd的电阻相等;当有气体流过时,电阻与气流的对流换热引起Rh两边的温度梯度发生变化,部分热量由Ru向Rd转移,Rd与Ru的差随着气流的增大而增大,芯片内集成电路将电阻输出的模拟信号转换为0.94～5 kHz的频率信号,形成流量与频率一一对应关系,即为传感器特性曲线[5]。

a)无气流 b)有气流图2 MAF传感器测量原理

2.1.2 空气流量传感器标定方法

空气流速影响MAF传感器加热电阻的散热量,因此MAF传感器受车辆管路布置影响较大,不同整车车型均应对空气滤清器至压气机入口间的管路进行标定,标定示意图如图3所示。通过控制试验台架上风机的转速调整空气质量流量,实时记录MAF传感器的输出频率和台架流量计的空气质量流量,应测量柴油机全部万有工况的空气流量,确定MAF传感器特性曲线,如图4所示。完成标定后将MAF传感器特性曲线输入ECU。

图3 MAF传感器流量传感器标定示意图 图4 MAF传感器特性曲线

2.1.3 基于新鲜空气量的闭环控制策略

根据柴油机转速和油量确定设定进气量,与MAF传感器的实测进气量进行对比,通过比例积分微分(proportional integral differential, PID)控制器控制输出流量闭环开度,再与以转速和油量确定的EGR阀预置开度相加,得到EGR阀需求开度;通过PID控制器计算EGR阀需求开度对应的占空比,EGR阀需求开度与EGR阀实际开度形成闭环,最终控制柴油机实际进气量与设定进气量相等,柴油机达到最优的性能和排放。基于新鲜空气量的EGR控制如图5所示。

图5 基于新鲜空气的EGR控制

2.2 基于氧浓度的闭环控制方式

2.2.1 氧传感器工作原理

氧传感器分为宽域氧传感器和窄域氧传感器,宽域氧传感器响应更快、测量更精确,广泛应用于车用柴油机的空燃比控制。宽域氧传感器由泵氧单元、测氧单元和大气室组成。

宽域氧传感器工作原理如图6所示。测氧单元一侧是与外部大气相通的大气室,另一侧是与排气管相通的测量室。当柴油机工作时,排气通过泵氧单元中的孔道进入测氧室。由于排气中的氧浓度低于大气室,在测氧单元两侧产生了氧浓度差[6]。氧离子从氧离子浓度高的一侧移动到浓度低的一侧,随着离子的移动,在测氧单元两侧电极上感应出电压。此时,泵氧单元向排气接触侧的电极提供足够的氧气,使电压恒定为450 mV,电子控制器将泵氧单元的电能消耗换算为过量空气系数λ[7]。

图6 宽域氧传感器工作原理

2.2.2 氧传感器标定方法

确定氧传感器泵氧单元的输出电流与λ的关系曲线后, ECU计算进入柴油机的新鲜空气量。氧传感器电流与λ关系曲线如图7所示。柴油机的新鲜空气质量流量

图7 氧传感器电流与λ关系曲线

qm=λαmfuel,

式中:mfuel为柴油机油耗;α为柴油机理论空燃比,α=14.5。

2.2.3 基于排气氧浓度的闭环控制策略

基于排气氧浓度的EGR控制如图8所示。由图8可知:基于排气氧浓度的EGR阀开度计算方法与基于新鲜空气量的计算方法相同,但实际进气量的计算方式不同,基于新鲜空气量闭环控制的实际进气量为MAF传感器测量结果,基于氧传感器的实际进气量通过λ计算得到。

图8 基于排气氧浓度的EGR控制

2.3 EGR率闭环控制方式

2.3.1 文丘里流量计测量原理

文丘里流量计包括文丘里管、温度压力传感器,其中文丘里管分为入口段、喉口段、收缩段和扩压段4部分[8]。文丘里流量计结构如图9所示。

图9 文丘里流量计结构原理

气体在流经收缩段时加速,气体的压力、温度和密度下降;流经扩压段时减速,压力、温度和密度升高,扩压段可以减小收缩段带来的压力损失。通过伯努利方程和连续性方程可求出气体流量,其中气体温度、压力、压差信号由安装在管路上的相关传感器测量得到。EGR中废气质量流量

(1)

式中:ε为膨胀因数;d为文丘里管喉口直径;C为流量因数;D为文丘里管入口直径;p为文丘里管入口气体压力;T为文丘里管入口气体热力学温度;R为气体常数,R=287 kJ/(kg·K);Δp为文丘里管入口与喉口压差。

2.3.2 文丘里流量计标定方法

文丘里流量计标定示意图如图10所示。控制试验台架的风机转速,由台架流量计测量气体实际流量,文丘里流量计测量得到文丘里管入口温度信号、入口压力信号和压差信号,结合文丘里管结构参数,由式(1)计算理论气体流量,并与实际流量进行对比,得到基于雷诺数的流量因数C曲线[9]。

图10 文丘里流量计标定示意图

2.3.3 基于EGR率的闭环控制策略

以柴油机转速和油量确定设定EGR率,设定EGR率与进入气缸总进气量的乘积为设定EGR废气流量,将设定EGR废气流量与文丘里流量计的实测结果对比,通过PID控制器计算EGR阀需求开度,再经过位置闭环控制实际开度达到所需EGR率[10]。基于EGR率的EGR控制如图11所示。

图11 基于EGR率的EGR控制

3 试验验证

3.1 试验装置

试验采用某直列6缸4冲程、电控高压共轨重型柴油机,柴油机缸径为110 mm,行程为136 mm,额定转速为2 100 r/min,额定功率为257 kW。在该柴油机上布置MAF传感器、文丘里流量计、氧传感器并进行零部件的功能调试,保证功能正常。原排中的NOx等由气体分析仪测量,烟度由AVL烟度仪测量,主要测量仪器如表1所示。

表1 试验主要测量仪器设备及型号

3.2 新鲜空气测量精度对比

新鲜空气量影响柴油机瞬态烟度控制、选择性催化还原系统尿素喷射量和颗粒捕集器积碳量的计算,因此应保证新鲜空气量的计算精度在±5%以内。将MAF传感器和氧传感器的流量特性曲线、文丘里流量计的流量系数分别标定到ECU中,控制各次试验的柴油机性能一致,进行柴油机万有试验,将不同传感器测量的进气流量与台架ABB进气流量计的测量结果进行对比,得到不同传感器进气流量测量相对偏差如图12所示,图中ηT为实际转矩与额定转矩的百分比,ηS为实际转速与额定转速的百分比。

a) MAF传感器 b) 氧传感器 c) 文丘里传感器图12 不同传感器进气流量测量相对偏差

由图12可知:1)整个万有特性区域内,MAF传感器和文丘里流量计的测量相对偏差较小,分别在±3%、±5%以内,其原因为MAF传感器的流量特性曲线和台架ABB进气流量计均以流量试验台架流量计为基准进行标定,因此MAF传感器的测量相对偏差较小;2)氧传感器在低负荷区域的测量相对偏差较大,最大达-10%,原因为柴油机负荷调节为质调节,在低负荷区域由于空燃比较大,过量空气系数过大导致氧传感器测量偏差较大,从而导致计算的进气流量偏差较大,因此该方案仅适用于汽油机、气体机等当量或过量空气系数小于3的发动机;3)文丘里流量计的流量系数以常温、常压下的空气作为工质进行标定,与发动机实际运行的高温和高压且具有脉冲的气流存在较大差异,但该方案以EGR率作为控制目标,对新鲜空气量的计算偏差可以保证在±5%以内。

3.3 瞬态排放控制对比

氧传感器的稳态新鲜空气量的测量精度较差,不满足柴油机低负荷工况要求,因此瞬态工况下仅进行MAF传感器与文丘里流量计的对比试验。分别标定2种控制方式相对应的PID参数,实现被控参数的精确控制。PID标定评价方法如图13所示,其中跟随时间t90(实际参数值达到90%设定值的时间)应小于0.5 s,稳定时间ts应小于3 s,相对超调量应小于5%。完成PID标定后在发动机台架上进行瞬态测试循环(world harmonized transient cycle,WHTC)测试,对比柴油机2种闭环控制方式的EGR阀开度和NOx排放,结果如图14所示。

图13 PID标定评价图

图14 发动机WHTC循环下不同闭环控制方式的EGR阀开度和NOx排放对比

由图14可知:MAF传感器的控制目标为新鲜空气,由于增压器响应迟滞导致进气量响应缓慢,柴油机加速过程中EGR阀快速关闭,以满足进气量需求,EGR率的降低导致排气出现NOx峰值;文丘里流量计以EGR率为控制目标,加速过程中保持EGR废气流量和新鲜空气的比值,能够较好地实现NOx和烟度的排放平衡。

4 结论

1)进气流量传感器测量新鲜空气,氧传感器计算新鲜空气,文丘里流量计测量EGR废气,都可以用于发动机的EGR闭环控制。

2)基于新鲜空气量和废气文丘里的闭环控制,柴油机新鲜空气计算(测量)精度较高,测量相对偏差分别小于±3%、5%;氧传感器在过量空气系数较大时测量精度下降,低负荷时新鲜空气计算精度相对偏差可达-10%,基于废气氧浓度的EGR闭环控制方式适合应用当量燃烧的机型。

3)基于空气流量传感器的闭环控制的控制目标为新鲜空气,瞬态过程中EGR阀开度更小,存在NOx峰值;基于文丘里的闭环控制,以EGR率作为控制目标,可以平衡EGR废气和新鲜空气的比例,能够较好控制柴油机排放的一致性。