基于模糊控制的柴油機(jī)EGR系統(tǒng)氮氧化物排放控制仿真研究

楊懷光，龔宏義，楊培佑

（1.長沙福田汽車科技有限公司，湖南長沙410129；2.長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長沙410114）

基于模糊控制的柴油機(jī)EGR系統(tǒng)氮氧化物排放控制仿真研究

楊懷光1，龔宏義2，楊培佑1

（1.長沙福田汽車科技有限公司，湖南長沙410129；2.長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長沙410114）

針對(duì)柴油機(jī)氮氧化物排放污染的日益嚴(yán)重，提出基于模糊控制的柴油機(jī)EGR系統(tǒng)氮氧化物排氣模型。分析了模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，建立了NOx排氣模型，并且將此模型應(yīng)用到模糊控制器中；將設(shè)計(jì)出來的模糊控制器應(yīng)用到柴油機(jī)EGR模塊中，在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真研究，給出相應(yīng)的仿真圖；并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證，對(duì)柴油機(jī)NOx排放物進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：基于模糊控制的柴油機(jī)EGR模塊對(duì)NOx的排放控制極為有效并且精確，通過ECU很好地控制了噴油規(guī)律，從而降低了柴油機(jī)NOx的排放，滿足了國Ⅳ、國Ⅴ排放要求。

柴油機(jī)；NOx排放；模糊控制；EGR技術(shù)

0 前言

近半個(gè)世紀(jì)以來，全世界工業(yè)迅速發(fā)展，特別是各國汽車行業(yè)的崛起，給大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。機(jī)動(dòng)車污染已成為我國空氣污染的重要來源，是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因。車用柴油機(jī)是排放NOx的主要污染源，控制柴油機(jī)NOx排放是控制空氣污染的主要手段。我國近幾年推行汽車國Ⅳ、國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)措施，顯示出我國要嚴(yán)控汽車排放造成的污染的決心。因此，控制柴油機(jī)NOx的排放量是減少NOx污染的關(guān)鍵。廢氣再循環(huán) （EGR）技術(shù)是針對(duì)降低NOx排放提出來的凈化措施，為此采取基于模糊控制的柴油機(jī)EGR系統(tǒng)對(duì)NOx進(jìn)行凈化，以提高EGR系統(tǒng)對(duì)降低NOx排放的控制效果。仿真驗(yàn)證對(duì)比圖說明了基于模糊控制的柴油機(jī)EGR模塊能夠很好地優(yōu)化柴油機(jī)噴油規(guī)律，從而有效地降低NOx的排放量。

1 模糊控制策略

模糊控制屬于非線性智能控制方法中的一種，它在各種系統(tǒng)中，大部分都能達(dá)到很好的控制效果，如非線性系統(tǒng)、多目標(biāo)系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。由于控制系統(tǒng)存在魯棒性差、信號(hào)干擾和各參數(shù)變化等因素，這些不利因素大大降低了系統(tǒng)的控制效果，但模糊控制系統(tǒng)具有減少各種因素干擾的優(yōu)點(diǎn)，所以，模糊系統(tǒng)非常適合非線性時(shí)變系統(tǒng)的控制。通過模擬人的思維方式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，是模糊控制最大的一個(gè)特點(diǎn)。模糊控制的目標(biāo)函數(shù) （被控對(duì)象）并不需要建立很精確的數(shù)學(xué)模型，它可以將目標(biāo)函數(shù)中的精確數(shù)值在模塊內(nèi)進(jìn)行模糊化，然后再模擬人的思維模式和邏輯方式進(jìn)行模糊判斷，最后將模糊數(shù)值又一次精確化，得出模型所需數(shù)值，它是一種反饋控制策略［1］。

1.1 模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)隸屬于數(shù)控系統(tǒng)，因此，它具備一般數(shù)控系統(tǒng)的基本形式，模糊控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

前文已經(jīng)提及，模糊控制系統(tǒng)的控制策略與其他控制系統(tǒng)的明顯區(qū)別在于它本身不需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)建模，即可將模型計(jì)算公式計(jì)算出來的值和其他一些所需要的參數(shù)值作為控制系統(tǒng)的輸入值，并且在模糊控制模塊中進(jìn)行較復(fù)雜的模糊化、模糊推理和精確化等過程，這些過程都是在模擬人的思維邏輯和推理方法這種模糊理論的基礎(chǔ)上完成的，模糊控制系統(tǒng)最終輸出研究所需的精確值，供給研究使用。

1.2 模糊控制器

模糊控制器 （圖1雙點(diǎn)劃線所示）的輸入輸出變量均為語言變量，控制規(guī)則是根據(jù)研究需要設(shè)立的模糊條件語句，對(duì)其輸入量進(jìn)行模糊邏輯處理，并且將輸出值精確化，最終使被控對(duì)象 （輸入或輸出量）達(dá)到所需控制效果。根據(jù)模糊控制器輸入輸出量的多少，目前可以將模糊控制器分為：單輸入單輸出模糊控制器、雙輸入單輸出模糊控制器和多輸入多輸出模糊控制器。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放情況很復(fù)雜，因此對(duì)柴油機(jī)EGR系統(tǒng)排放模型采用多輸入多輸出模糊控制器 （如圖1所示）。

模糊控制器的控制原理可用流程圖2來表示。

2 柴油機(jī)NOx排氣模型的建立

2.1 NOx排氣模型的建立

柴油機(jī)在工作過程中，尾氣NOx的形成及排放過程非常復(fù)雜，故實(shí)際操作當(dāng)中，不能夠?qū)Ox的生成量進(jìn)行直接測量。在此，采用碳平衡法建立柴油機(jī)NOx計(jì)算模型，并與下文的基于模糊控制的柴油機(jī)EGR仿真模塊相結(jié)合，在MATLAB軟件環(huán)境下進(jìn)行仿真研究。

建立NOx模型之前，對(duì)試驗(yàn)所用的柴油燃料進(jìn)行成分分析。一般認(rèn)為，單位質(zhì)量柴油燃料中，碳 （C）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.3%，氫 （H）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%，硫 （S）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，以上均為模型所需燃料元素成分［2］。NOx的計(jì)算模型如下：

（1）單位質(zhì)量柴油完全燃燒所需理論空氣質(zhì)量m：

（2）假設(shè)柴油燃料完全燃燒，則可利用CO2的排氣濃度計(jì)算過量空氣系數(shù)?1：

式 （2）中：VCO2D表示干排氣中CO2干體積濃度。

（3）H?C摩爾比M：

（4）柴油燃料特性系數(shù)F：

（5）HC排氣過程中的干濃度VHCD：

（6）排氣過程中C元素與排氣體積摩爾比M′：

式 （6）中：VCOD表示干排氣中CO干體積濃度。

（7） 實(shí)際過量空氣系數(shù)?2：

（8）濕排氣質(zhì)量流量Q：

式 （8）中：Qm表示進(jìn)入柴油機(jī)燃油質(zhì)量的流量。

（9）NOx排氣質(zhì)量流量的計(jì)算Q′：

式 （9）中：λ表示計(jì)算修正系數(shù)，VCONC表示干或濕體積濃度。

由NOx排氣計(jì)算公式可以看出，影響柴油機(jī)NOx排放量主要因素是過量空氣系數(shù)?1，而由理論分析同樣可知，混合氣中的氧含量直接影響到柴油機(jī)NOx排放量的多少。因此，要控制柴油機(jī)NOx的排放量，就必須嚴(yán)格控制柴油機(jī)燃燒過程中氧氣的含量。

2.2 基于模糊控制的柴油機(jī)EGR仿真模塊的建立

（1）輸入?yún)?shù)值的確定

根據(jù)模糊控制的理論方法，將NOx的計(jì)算模型需要的參數(shù)值，包括柴油燃料C、H元素含量、燃油特性系數(shù)和噴油質(zhì)量流量等，在MATLAB軟件里作為一個(gè)整體模塊，作為模糊控制器的其中一個(gè)輸入值。由于柴油機(jī)實(shí)際燃燒過程當(dāng)中，影響其NOx排放量的還有各工況權(quán)值系數(shù)，所以，NOx輸出值可以在模糊控制器中采用公式 （10）進(jìn)行精確化 （去模糊化）計(jì)算：

其中：mGASi表示各工況NOx質(zhì)量排量；Pi表示各工況制動(dòng)功率；WFi表示各工況權(quán)重系數(shù)。

除此之外，由上文可知，影響柴油機(jī)NOx排放量的還有氧氣濃度；同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度也是影響其排放的另一個(gè)重要原因，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫富氧的工作條件，均會(huì)使柴油機(jī)NOx排放量增加［3－5］。因此，將氧氣濃度和溫度這兩個(gè)參數(shù)值也作為模糊控制器里的輸入值，用以控制EGR率。

（2）基于模糊控制的柴油機(jī)EGR仿真模塊

要使NOx的凈化效果達(dá)到最佳，難點(diǎn)在于EGR率控制的精確無誤。機(jī)械式EGR控制系統(tǒng)和電控式EGR控制系統(tǒng)是市場上比較常見的兩種系統(tǒng)。現(xiàn)主要研究控制精度較高的電控閉環(huán)EGR控制系統(tǒng)。文中設(shè)計(jì)的EGR仿真模塊，就是在普通EGR閉環(huán)電控系統(tǒng)里面加入模糊控制器，使影響NOx排放的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)值輸入到模糊控制器中，進(jìn)行模糊邏輯處理。由于柴油機(jī)工作過程非常復(fù)雜，無法對(duì)每一工況下的各參數(shù)進(jìn)行精確建模，但是模糊控制器依然能將其他影響NOx排放的因素（如大氣濕度、轉(zhuǎn)速和其他排放物含量等）也一并考慮在內(nèi)，作為模糊控制器的各輸入值 （如圖3所示）。

經(jīng)過處理后的各輸出值直接傳達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī) ECU上，使EGR系統(tǒng)對(duì)EGR閥的啟閉執(zhí)行相應(yīng)的工作，控制EGR電磁閥門的開度，進(jìn)而有效地控制EGR率。最后，又可將輸出的每工況噴油量和NOx濃度值重新反饋給模糊控制器和ECU，從而優(yōu)化EGR率的控制，降低NOx的排放。

（3）模塊的仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)出來的基于模糊控制的EGR模塊，運(yùn)用MAT?LAB／Simulink軟件對(duì)此模塊進(jìn)行仿真研究。由于影響柴油機(jī)NOx排放因素很多，模糊控制器的輸入模糊變量及其仿真圖形也相應(yīng)較多，故文中不一一贅述，只給出影響最重要的輸入?yún)?shù) （溫度和氧濃度）和輸出值 （噴油量和NOx）的隸屬函數(shù)曲線，并給出兩者之間相應(yīng)的顯示結(jié)果。

3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

按照上述理論分析和方法，對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)在MATLAB仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)前后，通過加入普通EGR電磁閥控制單元模塊和加入基于模糊控制器的EGR模塊，得出柴油機(jī)噴油規(guī)律對(duì)比圖和柴油機(jī)氮氧化物排放生成量對(duì)比圖，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于模糊控制器的EGR模塊能夠較精確地控制柴油機(jī)噴油規(guī)律，對(duì)降低柴油機(jī)氮氧化物排放量具備更好的控制效果。

3.1 對(duì)噴油規(guī)律的仿真驗(yàn)證

由圖10可知：加入模糊控制器之前，EGR系統(tǒng)本身屬于電控反饋控制系統(tǒng)，噴油規(guī)律曲線也幾乎能按照理想噴油規(guī)律曲線進(jìn)行仿真控制，但是曲線波動(dòng)稍大，特別進(jìn)入 “急噴”期的時(shí)候，由于噴油速率較大，燃燒情況相對(duì)惡劣，此處噴油規(guī)律波動(dòng)最大，柴油機(jī)排放情況也相對(duì)惡劣；加入模糊控制器后，EGR仿真模塊由于噴油時(shí)刻是按照ECU對(duì)EGR率的反饋情況，即按照NOx排放量進(jìn)行的反饋控制，同時(shí)將反饋情況重新反饋給模糊控制器，系統(tǒng)進(jìn)行了雙重反饋控制，從而不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，噴油規(guī)律曲線也相對(duì)擬合得較理想，優(yōu)化了噴油規(guī)律。

3.2 對(duì)NOx排放的仿真驗(yàn)證

分析圖11：未加入EGR模塊時(shí)，由于排氣溫度很高，發(fā)動(dòng)機(jī)無法抑制NO2的增長，NO2排放濃度很高 （曲線1所示）；當(dāng)打開EGR閥控制單元，并且將EGR率控制在15%左右 （曲線2所示），就能顯著地降低NO2濃度，此時(shí)的NO2濃度比之前降低了約50%；將文中設(shè)計(jì)的模糊控制器加入到EGR模塊中 （曲線3所示），NO2排放濃度則比前兩者均少，約減少80%。由此表明：通過EGR技術(shù)，在柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)引入定量廢氣，使適量的廢氣和油氣混合物進(jìn)行混合燃燒，點(diǎn)火延遲增大，進(jìn)而使燃燒物的熱容量增大，并可充分利用一些惰性氣體（如N2、H2O、CO2等），來稀釋氧氣的含量，又能使燃燒最高溫度降低，破壞高溫富氧條件，減少了NOx的生成量。同時(shí)也表明：基于模糊控制的柴油機(jī)EGR模塊，要比單純的EGR系統(tǒng)的排放控制效果好，并且在原有的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步降低NOx的排放量。

4 結(jié)論

將模糊控制器引入到柴油機(jī) EGR系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)柴油機(jī)EGR系統(tǒng)進(jìn)行雙重反饋控制，在MATLAB軟件中，設(shè)計(jì)了適用于柴油機(jī)EGR系統(tǒng)的模糊控制器，并對(duì)影響NOx排放的兩個(gè)主要因素 （氧濃度和溫度）和兩個(gè)輸出結(jié)果 （噴油量和NOx濃度）進(jìn)行了模糊控制仿真研究。仿真結(jié)果充分說明了基于模糊控制的柴油機(jī)EGR模塊能夠較好地優(yōu)化柴油機(jī)噴油規(guī)律，進(jìn)而降低NOx的排放濃度，具有很大的市場潛力和應(yīng)用價(jià)值。

【1】劉志敏.基于模糊控制的汽車ABS系統(tǒng)仿真研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

【2】張躍文.船用柴油機(jī)氮氧化物排放特性與排放量計(jì)算方法研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2000.

【3】龔金科.汽車排氣污染及控制［M］.北京：人民交通出版社，2006.

【4】張志沛.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京：人民交通出版社，2011.

【5】李岳林.汽車排放與噪聲控制［M］.北京：人民交通出版社，2007.

【6】陳浩平，王貴勇，申立中，等.基于Ascet平臺(tái)的高壓共軌電控EGR控制策略研究［J］.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010（6）：26－29.

【7】Hountalas D T，Mavropoulos GC，Binder K B.Effect of ExhaustGas Recirculation（EGR）Temperature for Various EGR Rates on Heavy Duty DIDiesel Engine Performance and Emissions［J］.Ener?gy，2007，33（2）：272－283.

Simulation Research on NOxEmission Control by EGR System of Diesel Engine Based on Fuzzy Control

YANG Huaiguang1，GONG Hongyi2，YANG Peiyou1
（1.Changsha Foton Vehicle Technology Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410129，China；2.School of Automotive and Mechanical Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha Hunan 410114，China）

Aiming at NOxemission pollution of the diesel engine becoming increasingly serious，a NOxemissionmodel of EGR system of diesel engine based on fuzzy controlwas proposed.The advantages of the fuzzy control system were analyzed，and the NOxemission modelwas established，which was applied to the fuzzy controller.The designed fuzzy controllerwas applied to the EGRmodule of the engine，and simula?tion research was carried out in the MATLAB simulation environment.The corresponding simulation diagrams were obtained；finally，through the simulation result test，the NOxemissions of diesel engine were analyzed with comparison.The results show that the EGR module of diesel engine based on fuzzy control is very effective and accurate to the NOxemissions.The ECU has a very good control to the fuel injection law，thereby the emission of diesel engine NOxis reduced，which can bettermeet the State IV，V emission requirements in China.

Diesel engine；NOxemissions；Fuzzy control；EGR technology

2015－04－18

楊懷光 （1976—），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要研究商用汽車節(jié)能減排方向。E?mail：yanghuaiguang＠gmail.com。