基于PID的柴油機閉環EGR控制策略研究

張正興 趙文輔 李 科 劉悅鋒 李立超

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

柴油機具有油耗低、效率高的優點，但是其排氣污染物中的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）對環境污染較大，因此降低NOx和PM排放，使柴油機排放水平達到國IV標準是當前柴油機技術研究及開發的重點。

對于中小型柴油機而言，采用EGR技術來降低發動機NOx排放已經是比較成熟的技術路線。即引入廢氣參與燃燒，降低了缸內燃燒溫度，使過量空氣系數下降，氧含量降低，NOx生成量減少，而PM排放也會有一定升高，因此需要匹配氧化催化轉化器（DOC）、通透式顆粒捕集器（POC）或壁流式顆粒捕集器（DPF）等微粒后處理技術降低PM排放，從而使發動機整體排放達到國IV標準[1]。但是，由于引入EGR系統后，發動機新鮮進氣量減少，燃燒惡化，會對發動機動力性和經濟性造成不利影響，尤其是在加速過程中影響更為明顯[2，3]。因此，開發適當的EGR控制策略來使發動機排放達標的同時減小對發動機性能的不利影響具有現實意義。

2 EGR控制策略

將開環、閉環兩種EGR控制系統在試驗樣機上進行對比研究。兩種EGR控制模式均可計算不同工況下的EGR開度設定值，并滿足發動機排放穩定的要求。

試驗樣機采用外部冷態EGR方案，從排氣歧管中取排氣，經過EGR冷卻器后進入進氣歧管，由電控單元調節EGR閥開度來控制EGR流量。試驗方案布置示意如圖1所示。

試驗樣機為4缸、排量3.0 L、排放水平達到國IV標準的高壓共軌柴油機，具體技術參數見表1。

表1 試驗樣機技術參數

開環EGR控制策略是根據轉速、噴油量計算當前工況EGR開度值；而閉環EGR控制策略則以開環控制系統所計算的EGR開度為基礎開度，根據發動機實際進氣量與目標進氣量之間的偏差，對EGR開度進行比例積分（PI）閉環控制[4]。圖2為EGR控制邏輯示意圖。

3 閉環EGR控制策略

首先標定在開環控制策略下樣機在不同穩態工況下的EGR開度，使試驗樣機在運行歐洲穩態試驗循環（ESC試驗）時，NOx排放達到國 IV水平，并將其作為閉環EGR控制策略的基礎EGR開度。

此外，為實現EGR開度的閉環控制，需要將EGR開啟至目標開度時的發動機進氣流量作為閉環控制的控制目標，同時需要將對發動機進氣流量進行的實時測量監控作為反饋信號。因為在壓差一定時，EGR開度越大，EGR流量越大，相應的發動機新鮮進氣流量就會逐漸減小，因此采用發動機實測進氣流量來間接反映發動機實際EGR流量，并基于此進行EGR開度的閉環控制[5]。

閉環EGR控制根據目標進氣量與實測進氣量的差值自動調節EGR開度。在穩態工況下，使實測進氣量與目標進氣量保持一致，以保證發動機排放水平的穩定；在瞬態加速工況下，由于發動機進氣反應滯后，目標進氣量大于實際測量進氣量，控制系統輸出負反饋EGR開度，即減小EGR開度，從而降低EGR開啟對發動機加速性能的不利影響，并改善加速過程進氣不足導致的煙度排放惡化情況。

合理調試PI控制器參數可以使EGR開度快速、準確的達到并且穩定運行在目標控制狀態，因此PI參數的設置對EGR系統的性能有決定性影響。在發動機轉速2 400 r/min、扭矩360 N·m工況下，在不同比例系數P設置下進行試驗，研究比例系數P對EGR開度和進氣流量的影響，結果如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，比例系數P取值越大，EGR開度、進氣量波動幅度就越大，但實際進氣量波動均值與目標進氣量之間差值越小，這說明較大的系數P會導致較大的系統波動，可以減小但無法完全消除系統控制偏差。

存在系統偏差即說明采用P控制EGR控制策略無法實現與開環EGR控制完全相符的發動機穩態運行狀態，因此需要引入積分系數I進行PI閉環EGR控制，I對EGR和進氣量的影響如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，在比例系數P取值相同時，積分系數I取值越大，EGR開度、進氣量的波動越大；而當積分系數I取值相同時，P的取值越大，系統波動也會越嚴重。引入積分控制后，實際進氣量與目標進氣量之間的偏差得以完全消除，因此系統穩定后，發動機的穩態排放水平與目標水平一致。

綜合EGR系統的波動及響應特性，選擇P=2、I=2作為樣機在2 400 r/min、360 N·m工況下的PI閉環控制參數。采取相同的方法可以整定出此樣機在不同工況下的最優PI參數組合，再通過標定發動機在各工況下的目標進氣量確定發動機目標控制狀態，即可形成完整的閉環EGR控制系統。

為驗證發動機穩態排放是否一致，分別采用開環和閉環EGR控制進行試驗樣機的歐洲穩態循環試驗（ESC試驗），除怠速工況外的工況點分布如表2所列。

表2 樣機ESC試驗工況點（怠速點除外）

圖7所示為采用閉環、開環EGR控制策略時，試驗樣機在ESC工況點（除怠速外）NOx比排放的對比。

從圖7中可以看出，閉環EGR控制在穩態工況下可以實現與開環控制基本相同的排放結果，即閉環控制可以保證發動機穩態排放水平的穩定。

4 EGR控制策略對發動機瞬態性能的影響

為研究相同穩態排放水平的開環、閉環EGR控制在發動機瞬態工況下的差異以及對發動機性能排放的影響，在轉速為2 000r/min、2 400 r/min、2 800 r/min時，分別采用EGR關閉、閉環控制EGR開度、開環控制EGR開度3種模式下的發動機瞬態加速試驗，記錄加速過程中發動機瞬時煙度排放和扭矩，結果如圖8～圖10所示。

從圖8～圖10可以看出，轉速相同時，開環控制的瞬態工況煙度排放很高，發動機加速性也比EGR關閉和閉環控制模式下差，其原因是在開環EGR控制模式下，發動機加速過程中EGR控制系統簡單的根據發動機工況設定EGR開度，而無法根據加速中進氣量不足的情況自動調整EGR開度，加劇了加速過程進氣響應滯后，導致過量空氣系數進一步過低，燃燒惡化嚴重，煙度大，加速性差；并且在發動機低速時，過量空氣系數更低，進氣滯后現象更明顯，開環控制EGR對加速性和煙度排放的影響更加顯著，這對注重低速扭矩的柴油機更加不利。

采用閉環EGR控制策略時，在加速過程中，由于進氣的響應滯后于油量的變化，因此由轉速、負荷查表計算的目標進氣量系統可以根據目標進氣量與實測進氣量的差別檢測到系統工況的變化，從而自動調整EGR開度，避免EGR開啟對進氣響應滯后的不利影響，實現發動機進氣與噴油量之間的較好配合，因此加速過程煙度排放相對EGR關閉模式只有較小的增長，且加速性惡化也不明顯；而相比開環控制策略煙度排放和加速性均大幅改善。

5 結束語

a.PI參數的選擇會影響閉環EGR控制系統的穩定性和響應性，比例系數P越大，系統波動越大，但響應性越好，即僅采用比例控制會導致最終控制偏差，達不到目標控制狀態；積分系數越大，穩定性越差，但引入積分系數可以消除控制偏差。

b. 進行PI參數標定時，必須兼顧系統穩定性和響應性的平衡，從而使發動機的穩態排放達到目標水平；PI參數選擇適當的閉環EGR控制策略可以實現與開環控制系統相同的控制效果。

c. 在發動機加速過程中，相比開環EGR控制系統，閉環EGR控制系統可以自動減小EGR開度，實現噴油和進氣之間的良好配合，不但大幅降低了瞬態工況的煙度排放，也有利于發動機改善瞬態加速性能；即使相比EGR關閉模式，煙度和加速性的惡化也不明顯。

1 黃德軍，朱紅國，蔣習軍.車用柴油機冷EGR+降低PM技術排放試驗研究.汽車技術，2010,12:14～17.

2 白晨旴，劉忠長，韓永強，等.階躍EGR對重型柴油機燃燒過程的影響.內燃機學報，2011，29（1）:8～15.

3 朱瑞軍，王錫斌，冉帆，等.EGR和冷EGR對柴油機燃燒和排放的影響.西安交通大學學報，2009，43（9）:23～26.

4 蔡一凡，冒曉建，韋雄，等.基于雙閉環的電控柴油機EGR系統控制研究.車用發動機，2009,4:33～36.

5 謝峻捷，倪計民，譚靖宇，等.基于進氣流量的電控柴油機EGR 系統控制策略研究.上海汽車，2011，5:19～23.