防爆柴油機EGR閥瞬態工況控制算法研究＊

劉曉紅，王曉，趙美榮

（1.中北大學能源動力工程學院，山西 太原 030051；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

前言

以柴油機為動力源的防爆車輛以其高效靈活、安全性好、機動性強等特點，成為井下無軌輔助運輸的主要設備，但其嚴重的尾氣污染逐漸引起相關部門的重視[1-2]。無軌輔助運輸防爆車輛屬于非道路用移動機械，隨著生態環境部辦公廳對外發出關于征求《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）（GB 20891-2014）修改單（征求意見稿）》的出臺，防爆柴油機節能減排技術的提高迫在眉睫。國四標準相比于國三標準，CO、HC幾乎無變化，NOX以及PM都有大幅下降。作為降低NOX排放最主要的技術手段之一，EGR技術以其轉化效率高、體積小、不需要添加尿素等特點優于SCR技術，在防爆柴油機上大量應用也成為一種必然趨勢。

目前，EGR系統控制的核心是通過不同的EGR閥開度來實現各種工況下EGR率的精確控制，特別是在瞬態工況下EGR率的控制以減少燃燒過程中的NOX排放[3]。發動機瞬態工況時負荷大幅度變化，不同負荷條件下最優EGR率相差較大，且因為節氣門的迅速變化而帶來的進氣量的急劇變化使得傳統基于負荷或穩態MAP的EGR閥開度控制很難滿足要求[4-5]。要實現全工況下EGR的精確控制，這就要求EGR閥開度能夠根據負荷和進氣量的變化迅速調整。文獻中論述較多的是通過氧傳感器測量進排氣氧濃度或過量空氣系數來實現瞬態過程EGR率的控制。由于氧傳感器一般安裝在柴油機排氣歧管之后，因此其測得的氧濃度以及據此計算的空燃比與實際進氣之間存在一定的傳輸延遲[6]，再加上EGR閥的動作存在一定的機械延遲，使得EGR率的實現存在嚴重的滯后。本文針對防爆柴油機電控EGR系統，進行了基于TI公司高性能數字信號處理器TMS320F28335的EGR閥控制系統的設計開發，可實現瞬態過程EGR率的控制。

1 控制系統方案設計

在實驗室搭建的控制系統總體結構如圖1所示。方案中的執行器為直流步進電機驅動式EGR閥，電機驅動采用集成驅動器。上位機與排氣分析儀相連可獲得實時EGR率，同時通過CAN總線可實時監測控制系統的各項參數。以TMS320 F28335為主控芯片的EGR控制單元，根據發動機轉速、節氣門位置以及冷卻水溫度等信號，通過查找存儲在ROM中的MAP來確定實現最優EGR率的EGR閥基礎開度值，同時采集空氣流量計及進氣溫度信號來計算瞬態空氣流量，并根據空氣流量信號修正EGR閥開度，轉換成相應的PWM信號輸出至步進電機驅動器驅動步進電機旋轉至一定的角度，再通過蝸輪蝸桿減速機構驅動EGR閥使其到達預定的開度，實際開度通過EGR閥位置傳感器反饋至EGR控制單元，通過增量式PID調節器實時調整實現EGR率的閉環控制。

圖1 控制系統結構簡圖

2 控制算法設計

2.1 自適應擴展卡爾曼濾波器（AEKF）估算空氣流量

發動機的空氣流量信號可以通過位于節氣門后的熱式空氣流量傳感器直接測量得到，由于發動機工作時活塞做往復運動，進、排氣門周期性的開閉，氣體是周期性流動的，同時產生速度波和壓力波，再加上傳感器的響應時間、環境噪聲對信號的測量精度影響較大，特別是對于瞬態過程，很難得到比較精確的空氣流量信號，使得EGR率的實時控制很難實現。

AEFK針對非線性模型，通過將系統的非線性函數進行泰勒展開，二階及以上的導數全部舍去，得到線性化的系統方程，然后再利用卡爾曼濾波算法完成濾波跟蹤，進而完成對目標參數的濾波估計。AEKF可以在實現過程中適時調整模型的方差，即使在系統噪聲不斷變化的條件下也能夠保持很好的精度，對初始值的誤差有很強的修正作用，且對噪聲也有很強的抑制作用[7]。通過AEKF來對每180°曲軸轉角內的平均流量進行估算，這種方法得到的空氣流量值相對穩定，且能夠迅速地反映空氣流量的實時變化，并對下一循環的空氣流量進行預測，以此為依據修正EGR閥開度并使EGR閥提前動作。

本系統模型中，AEKF濾波器的輸入為節氣門位置P，輸出為發動機質量流量Q。基于AEKF的狀態轉換方程和觀測方程形式分別為：

式中：xk為系統狀態量；yk為系統觀測量；ωk為過程噪聲；vk為測量噪聲；ωk、vk為均值為零的高斯噪聲。

狀態向量為：

雅克比矩陣F和G分別為：

2.2 EGR閥增量式PID控制算法

控制單元輸出的經進氣流量修正后的EGR閥開度為目標開度，與實際開度值的偏差通過增量式PID算法調整。PID算法的結構框圖如圖2所示。

圖2 PID算法結構框圖

增量PID算法的方程為：

式中：Kp為比例系數；KI為積分系數，KI=KpT/KI；KD為微分系數，KD=KpT/KD；T為采樣周期；e（k）為本次偏差；e（k-1）為上次偏差。

PID參數可通過實驗整定。

3 實驗及分析

為驗證EGR閥控制算法的控制效果，在TMS320F28335中通過編程實現自適應擴展卡爾曼濾波器及增量式PID控制算法，并進行了恒轉速增扭矩（10%-90%負荷）瞬態控制實驗。3s和5s典型瞬變工況實驗下測得EGR率誤差如圖3所示。由圖3可知，整個瞬態過程EGR率誤差不超過2%。EGR率誤差在瞬態工況開始時迅速增大，原因是此時進氣流量迅速增加，需要EGR閥開度迅速增大，但控制器中為防止EGR閥開度瞬間大幅變化帶來的抖動，PID算法每50ms輸出一次控制值，且EGR閥每次變化的步長不超過5%開度。

圖3 EGR率誤差曲線

4 結論

針對非道路用柴油機實現國四排放的需求，設計了一種基于基礎MAP和實時進氣流量的步進電機式EGR率閉環控制算法，其中瞬態進氣流量由自適應擴展卡爾曼濾波算法估計，EGR閥的控制采用增量式PID控制算法。并對本研究所設計的控制算法進行了測試，實驗結果表明，EGR率的瞬態誤差能控制在2%以內。