基于文丘里管測量的EGR閉環控制試驗研究

梁鄭岳，朱萬冬，謝正良，黃永鵬，王任信，謝夏琳，黃 豪，陳中柱，班智博

(廣西玉柴機器股份有限公司工程研究院 廣西玉林537005)

0 引 言

隨著我國對環境保護越來越重視，現行排放法規對發動機排放的要求越來越嚴格，高精度、高適應性測量技術一直是發動機實際應用中的難題。對于采用廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)技術路線的柴油機而言，EGR精確閉環控制對發動機的性能與排放至關重要。

目前，EGR控制技術手段主要集中在對新鮮空氣量或對送回發動機氣缸里的廢氣量進行閉環控制。新鮮空氣流量計需要安裝在空濾和壓氣機入口間，對進氣管路布置要求較高，針對不同整車管路變化需要設計不同的專用件，不合理的進氣管路布置直接影響測量準確性，進而影響發動機排放控制[1]。因此需要考慮傳感器布置不涉及與整車廠的接口，消除整車配置影響，選擇更適合的 EGR閉環方式提高整車匹配適應性和排放一致性，是各大廠商和研究機構研究的重點。

本文以采用文丘里管流量計EGR閉環控制的高壓共軌渦輪增壓柴油機為研究對象，研究了 EGR閉環控制原理，分析文丘里管測量原理，通過試驗研究文丘里管安裝位置的敏感性和文丘里管雷諾數等對測量的影響。穩態和瞬態測試表明，基于文丘里管測量的EGR閉環控制能夠滿足國六整車匹配適應性和排放一致性控制要求。

1 文丘里管測量原理

如圖1所示，文丘里管是先收縮而后逐漸擴大的管道，主要分為 3部分，分別是收縮段、最小截面的喉道和擴壓段。氣體在收縮形通道內流動時會加速，其馬赫數增大，壓力、溫度和密度都下降；而在擴張形通道內流動時，氣體會減速，馬赫數減小，壓力、溫度和密度都升高，減小收縮段帶來的壓力損失[2-4]。用伯努利方程和連續性方程推導即可求出流量。

式中：megr為流量；d為喉口斷截面直徑；D為入口斷截面直徑；Dp為入口段和喉口段壓差；1P為入口段壓力；T1為入口段溫度；k是流量系數。

由上式可知，通過測量廢氣流過管時產生的壓差來轉化為氣流的流速，再通過一個溫度傳感器和壓力傳感器測量氣體的密度，計算出廢氣流量，最終用流量系數k值來修正。流量系數k值與文丘里管結構和流體相關，具體取值通過試驗來確定。

圖1 文丘里管系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of Venturi tube

2 閉環控制策略分析

從圖 2可知，EGR閉環系統控制可分為 2個主要部分，一是流量閉環控制，二是位置閉環控制。首先根據發動機狀態確定EGR系統所需的廢氣流量和EGR預控制開度，通過需求廢氣量與實際測量廢氣量閉環控制，輸出流量閉環PID，與預控制EGR開度計算，得到 EGR需求開度，EGR需求開度與實際開度做閉環，通過PID進一步修正得到最終的EGR開度。為了減少文丘里管測量偏差，在信號采集后，增加流量系數和雷諾修正，使廢氣流量更加準確。

圖2 EGR閉環控制策略Fig.2 EGR closed-loop control strategy

3 試驗裝置和試驗方法

3.1 試驗裝置

實驗裝置包括空濾、增壓器、節氣門、發動機、EGR 閥、文丘里管、后處理等(圖 3)。文丘里管布置在EGR閥下游(EGR閥前置)。將發動機高溫排氣在渦輪之前引入，廢氣經過熱端高溫 EGR閥，在 EGR冷卻器冷卻后進入文丘里管，最后與新鮮空氣混合經中冷器冷卻后進入氣缸。該結構對廢氣引入到氣缸有一定困難，所以在壓氣機后和文丘里管之前增加節氣門，從而保證廢氣的引入。

圖3 EGR系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of EGR system

3.2 試驗方案

首先研究 EGR閥在文丘里管前后布置對 EGR質量流量和文丘里壓差變化趨勢的影響；然后進行文丘里管雷諾數與壓差傳感器敏感性分析，通過標定流量系數和雷諾修正因子消除排氣脈沖對流量測量的影響；最后通過穩態和瞬態試驗評估閉環控制的準確性和該方法的可行性。

3.3 試驗機型和試驗環境

試驗是在一臺4.2L的直列4缸電控共軌柴油發動機上進行，發動機使用博世電控高壓共軌系統，表1為發動機的主要參數。

表1 柴油機主要技術指標Tab.1 Diesel engine main technical parameters

主要試驗條件如表2所示。

表2 主要試驗條件Tab.2 Main test conditions

4 試驗結果和分析

4.1 文丘里管安裝位置對測量的影響

基于發動機排放特征點，選取在每個特征點下，控制 EGR 閥開度分別為 0、10%、20%、30%、40%、50%、60%和 80%，對比驗證 EGR閥前置和后置對文丘里管兩測點壓差的影響。

從圖 4可以看出，在相同的 EGR流量下，發動機臺架上測試的壓差(發動機的排氣脈沖壓力波動)均比傳感器測試臺架(無排氣壓力波動)要高。這說明在同時有排氣壓力波動和 EGR流量的情況下，文丘里管測量的壓差是由EGR流量引起的壓差和排氣壓力脈沖引起的壓差2部分壓差疊加的。其中EGR流量引起的壓差是希望測量的，排氣壓力波動引起的壓差ΔP是不希望測量的。從這個意義上講，排氣壓力脈沖引起的壓差是需要考慮減弱或者消除的。當EGR控制閥布置在文丘里管的下游，無論EGR控制閥打開還是關閉，文丘里管測到的壓力和溫度會一直會受到壓力脈沖影響，測量的結果偏離實際值，尤其是在小流量狀況下。當 EGR控制閥布置在文丘里管的上游，也會受到排氣壓力脈沖的影響，但是 EGR控制閥在文丘里管上游對排氣脈沖有一定的削弱作用，EGR閥對壓力脈沖的削弱作用強度取決于 EGR閥的結構。

圖4 EGR流量與壓差關系圖Fig.4 Curve of EGR flow and pressure difference

從圖 5可以看出，當 EGR后置方案在中小流量(EGR閥開度小于 50%)下，壓差保持在 10kPa左右，不隨 EGR閥開度增加而顯著增加，主要是因為在小的 EGR流量下，排氣壓力波動引起的壓差占了主導地位。在大流量(EGR閥開度大于 50%)下，壓差才有明顯變化，這與壓差傳感器的測量規律不符合，不能準確測量 EGR流量。當 EGR閥前置，在關閉狀態下，壓差接近零，隨著 EGR閥開度的增加，即EGR流量的增加，兩測點循環內的平均壓差有較明顯增大的趨勢，這與傳感器測量的壓差曲線吻合得較好，但需要優化EGR閥前置對排氣脈沖波動的影響。

圖5 EGR開度與壓差關系圖Fig.5 Open degree of EGR valve and pressure difference

4.2 文丘里管雷諾數與壓差傳感器敏感性分析

按照一般的理論，文丘里流量計的流量系數k由文丘里管的大小、流體特性、材料性質、加工精度、流動等情況而定，使用文丘里管須事先標定。對同一文丘里流量計，在整個流動范圍內k值不是一個穩定的常數，它取決于雷諾數Re的大小，當Re達到一定值時，k值才趨于穩定值[5]。在萬有特性下，首先根據碳平衡計算真實的 EGR率，結合空氣流量、噴油量計算真實的 EGR流量，然后根據 EGR壓力、壓差、溫度計算理論文丘里 EGR流量，最后根據理論文丘里管測量的EGR流量/真實的EGR流量得出真實的雷諾數修正系數，通過整理回歸分析，繪制 EGR流量系數和雷諾數的關系曲線(圖6)。

從圖 6可以看出，對同一文丘里流量計，雷諾數Re小于 1.2×104時，流量系數隨 Re的增大而增大，雷諾數Re大于1.2×104時流量系數趨于穩定值。

圖6 EGR流量系數和雷諾數的關系曲線圖Fig.6 Curve of flow coefficient and Reynolds number

為了減弱或消除發動機脈沖排氣波動帶來的EGR廢氣量測量偏差，可以在文丘里管壓力溫度采集后，選取該發動機外特性工況點，增加流量系數的修正標定如圖7所示，使得EGR廢氣量信號測量值更加準確。

圖7 傳感器特性曲線標定Fig.7 Calibration of Venturi sensor characteristic curve

4.3 穩態驗證

選擇 EGR閥前置方案，標定了流量系數和 PID參數，在不同轉速、不同負荷下進行穩態萬有特性測量。根據發動機狀態確定 EGR系統所需的廢氣流量，并與實際測量相比較，結果如圖 8所示。從圖中可以看出，工況的偏差百分比都在1%以內。

圖8 萬有特性EGR需求與測量值偏差圖Fig.8 Deviation diagram of EGR demand and measured value based on universal characteristics

4.4 瞬態驗證

為了在瞬態過程中引進合適的 EGR，在穩態的基礎上，通過優化標定 PID實現快速響應準確的閉環控制。在發動機臺架上進行 WHTC循環測試。根據發動機狀態確定 EGR系統所需的廢氣流量，并與實際測量相比較，結果如圖 9所示。從圖中可以看出，大部分工況的偏差百分比都在 3%以內，能夠滿足國六排放控制要求。

圖9 基于文丘里管閉環的WHTC循環EGR流量偏差Fig.9 EGR flow deviation of WHTC cycle based on Venturi closed-loop control

將發動機安裝在滿載質量為 18t的某型載貨汽車上。按照市區 45%+市郊 25%+高速 30%進行車輛道路尾氣排放試驗，得到 CO、NOx、PN排放數據，時長 9000s，結果如表 3所示，滿足國六排放，裕度比較大。從 ECU采集的數據對比(圖 10)可以看出，基于文丘里管的 EGR閉環控制下，需求和實際廢氣質量流量跟隨性良好。

表3 整車PEMS測試結果Tab.3 PEMS test results of vehicle

圖10 基于文丘里管閉環的PEMS測試EGR流量圖Fig.10 EGR flow chart of PEMS test based on Venturi closed loop control

5 結 論

通過對EGR閥相對文丘里管前后置改裝的試驗驗證，當 EGR閥后置，文丘里管壓差受排氣脈沖影響很大，直接造成 EGR質量流量計算結果失真；當EGR閥前置，隨著 EGR開度增加，對比臺架基于碳平衡計算的質量流量，文丘里管壓差增加趨勢吻合，且在同一 EGR開度下兩者偏差不大，故可以通過閉環控制策略的修正系數標定來達到測量數據的精確要求。

利用文丘里管廢氣測量技術實現EGR流量閉環控制，精確控制再循環廢氣量，穩態循環工況的偏差百分比都在 1%以內，瞬態循環大部分工況的偏差百分比都在 3%以內，同時不涉及與整車廠的接口配套，基本不需要變動零件和重新標定，能夠滿足國六整車匹配適應性和排放一致性控制要求。