不同EGR閉環控制方式應用研究

姚旺,龐斌,張晨,杜飛飛,欒軍山,牛鴻斌

濰柴動力股份有限公司,山東濰坊 261001

0 引言

隨著人們對環境保護越來越重視,世界各國現行排放標準對柴油機排放的要求越來越嚴格。廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)作為一種有效降低NOx排放的技術,被廣泛用于商用柴油機。如何提高EGR率控制的精度和響應性,實現EGR精確閉環控制,對柴油機的動力性、燃油經濟性和排放至關重要。

過量廢氣導致發動機燃燒惡化及動力性、經濟性下降,因此應嚴格控制參與再循環的廢氣量。胡川等[1]開發了柴油機EGR流量和進氣總流量的實時模型,采用雙層閉環控制算法,實現電子控制單元(electronic control unit,ECU)對實時EGR率的計算。欒曉芳[2]對2.0T高壓共軌柴油機進行臺架試驗,確定了試驗工況下使發動機綜合性能最佳的EGR率,制定合理的EGR 控制策略。

目前,EGR控制包括控制新鮮空氣量或再循環廢氣量、控制EGR率2種方法。本文中根據EGR閉環控制方式,研究不同流量計、傳感器的工作原理及EGR閉環控制策略,通過柴油機試驗,對比分析不同EGR閉環控制方式的優缺點,為后續更嚴格的排放標準選擇合適的EGR閉環控制方式提供選擇和應用參考。

1 柴油機EGR系統

柴油機EGR系統將柴油機燃燒后的部分廢氣導入進氣側,與新鮮空氣混合,再次參與燃燒。廢氣中的CO2和H2O等多原子分子可增加燃燒氣體的比熱容,降低柴油機燃燒過程的峰值溫度和壓力,從而減少NOx的生成。EGR柴油機結構如圖1所示。

圖1 EGR柴油機結構

改變EGR閥的開度,可控制導入進氣管中的廢氣量,從而控制NOx排放。EGR閥開度有3種控制方式:1)通過安裝在增壓器壓氣機前的進氣流量計測量新鮮空氣量;2)通過安裝在EGR管路的文丘里流量計測量廢氣流量;3)通過安裝在渦輪增壓器渦輪后的氧傳感器計算新鮮空氣量。

2 EGR閉環控制方式

2.1 新鮮空氣量閉環控制方式

2.1.1 空氣流量傳感器測量原理

空氣流量傳感器(mass air flow sensor,MAF)又稱空氣流量計,分為熱膜式和熱線式2種。熱膜式MAF傳感器動態響應速度快、功耗低、體積小、易安裝,廣泛應用于車用柴油機領域,測量進入柴油機的新鮮空氣。MAF傳感器信號可用于噴油和EGR率控制,直接影響車用柴油機的動力性、經濟性、排放性和工作穩定性[3]。

熱膜式MAF傳感器主要由加熱電阻Rh、對稱分布于Rh兩邊的上游測溫電阻Ru和下游測溫電阻Rd、測量氣體初始溫度的電阻Ra組成[4],其測量原理如圖2所示。當無氣流流經傳感器時,Rh兩端溫度對稱分布,Ru與Rd的電阻相等;當有氣體流過時,電阻與氣流的對流換熱引起Rh兩邊的溫度梯度發生變化,部分熱量由Ru向Rd轉移,Rd與Ru的差隨著氣流的增大而增大,芯片內集成電路將電阻輸出的模擬信號轉換為0.94～5 kHz的頻率信號,形成流量與頻率一一對應關系,即為傳感器特性曲線[5]。

a)無氣流 b)有氣流圖2 MAF傳感器測量原理

2.1.2 空氣流量傳感器標定方法

空氣流速影響MAF傳感器加熱電阻的散熱量,因此MAF傳感器受車輛管路布置影響較大,不同整車車型均應對空氣濾清器至壓氣機入口間的管路進行標定,標定示意圖如圖3所示。通過控制試驗臺架上風機的轉速調整空氣質量流量,實時記錄MAF傳感器的輸出頻率和臺架流量計的空氣質量流量,應測量柴油機全部萬有工況的空氣流量,確定MAF傳感器特性曲線,如圖4所示。完成標定后將MAF傳感器特性曲線輸入ECU。

圖3 MAF傳感器流量傳感器標定示意圖 圖4 MAF傳感器特性曲線

2.1.3 基于新鮮空氣量的閉環控制策略

根據柴油機轉速和油量確定設定進氣量,與MAF傳感器的實測進氣量進行對比,通過比例積分微分(proportional integral differential, PID)控制器控制輸出流量閉環開度,再與以轉速和油量確定的EGR閥預置開度相加,得到EGR閥需求開度;通過PID控制器計算EGR閥需求開度對應的占空比,EGR閥需求開度與EGR閥實際開度形成閉環,最終控制柴油機實際進氣量與設定進氣量相等,柴油機達到最優的性能和排放。基于新鮮空氣量的EGR控制如圖5所示。

圖5 基于新鮮空氣的EGR控制

2.2 基于氧濃度的閉環控制方式

2.2.1 氧傳感器工作原理

氧傳感器分為寬域氧傳感器和窄域氧傳感器,寬域氧傳感器響應更快、測量更精確,廣泛應用于車用柴油機的空燃比控制。寬域氧傳感器由泵氧單元、測氧單元和大氣室組成。

寬域氧傳感器工作原理如圖6所示。測氧單元一側是與外部大氣相通的大氣室,另一側是與排氣管相通的測量室。當柴油機工作時,排氣通過泵氧單元中的孔道進入測氧室。由于排氣中的氧濃度低于大氣室,在測氧單元兩側產生了氧濃度差[6]。氧離子從氧離子濃度高的一側移動到濃度低的一側,隨著離子的移動,在測氧單元兩側電極上感應出電壓。此時,泵氧單元向排氣接觸側的電極提供足夠的氧氣,使電壓恒定為450 mV,電子控制器將泵氧單元的電能消耗換算為過量空氣系數λ[7]。

圖6 寬域氧傳感器工作原理

2.2.2 氧傳感器標定方法

確定氧傳感器泵氧單元的輸出電流與λ的關系曲線后, ECU計算進入柴油機的新鮮空氣量。氧傳感器電流與λ關系曲線如圖7所示。柴油機的新鮮空氣質量流量

圖7 氧傳感器電流與λ關系曲線

qm=λαmfuel,

式中:mfuel為柴油機油耗;α為柴油機理論空燃比,α=14.5。

2.2.3 基于排氣氧濃度的閉環控制策略

基于排氣氧濃度的EGR控制如圖8所示。由圖8可知:基于排氣氧濃度的EGR閥開度計算方法與基于新鮮空氣量的計算方法相同,但實際進氣量的計算方式不同,基于新鮮空氣量閉環控制的實際進氣量為MAF傳感器測量結果,基于氧傳感器的實際進氣量通過λ計算得到。

圖8 基于排氣氧濃度的EGR控制

2.3 EGR率閉環控制方式

2.3.1 文丘里流量計測量原理

文丘里流量計包括文丘里管、溫度壓力傳感器,其中文丘里管分為入口段、喉口段、收縮段和擴壓段4部分[8]。文丘里流量計結構如圖9所示。

圖9 文丘里流量計結構原理

氣體在流經收縮段時加速,氣體的壓力、溫度和密度下降;流經擴壓段時減速,壓力、溫度和密度升高,擴壓段可以減小收縮段帶來的壓力損失。通過伯努利方程和連續性方程可求出氣體流量,其中氣體溫度、壓力、壓差信號由安裝在管路上的相關傳感器測量得到。EGR中廢氣質量流量

(1)

式中:ε為膨脹因數;d為文丘里管喉口直徑;C為流量因數;D為文丘里管入口直徑;p為文丘里管入口氣體壓力;T為文丘里管入口氣體熱力學溫度;R為氣體常數,R=287 kJ/(kg·K);Δp為文丘里管入口與喉口壓差。

2.3.2 文丘里流量計標定方法

文丘里流量計標定示意圖如圖10所示。控制試驗臺架的風機轉速,由臺架流量計測量氣體實際流量,文丘里流量計測量得到文丘里管入口溫度信號、入口壓力信號和壓差信號,結合文丘里管結構參數,由式(1)計算理論氣體流量,并與實際流量進行對比,得到基于雷諾數的流量因數C曲線[9]。

圖10 文丘里流量計標定示意圖

2.3.3 基于EGR率的閉環控制策略

以柴油機轉速和油量確定設定EGR率,設定EGR率與進入氣缸總進氣量的乘積為設定EGR廢氣流量,將設定EGR廢氣流量與文丘里流量計的實測結果對比,通過PID控制器計算EGR閥需求開度,再經過位置閉環控制實際開度達到所需EGR率[10]。基于EGR率的EGR控制如圖11所示。

圖11 基于EGR率的EGR控制

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

試驗采用某直列6缸4沖程、電控高壓共軌重型柴油機,柴油機缸徑為110 mm,行程為136 mm,額定轉速為2 100 r/min,額定功率為257 kW。在該柴油機上布置MAF傳感器、文丘里流量計、氧傳感器并進行零部件的功能調試,保證功能正常。原排中的NOx等由氣體分析儀測量,煙度由AVL煙度儀測量,主要測量儀器如表1所示。

表1 試驗主要測量儀器設備及型號

3.2 新鮮空氣測量精度對比

新鮮空氣量影響柴油機瞬態煙度控制、選擇性催化還原系統尿素噴射量和顆粒捕集器積碳量的計算,因此應保證新鮮空氣量的計算精度在±5%以內。將MAF傳感器和氧傳感器的流量特性曲線、文丘里流量計的流量系數分別標定到ECU中,控制各次試驗的柴油機性能一致,進行柴油機萬有試驗,將不同傳感器測量的進氣流量與臺架ABB進氣流量計的測量結果進行對比,得到不同傳感器進氣流量測量相對偏差如圖12所示,圖中ηT為實際轉矩與額定轉矩的百分比,ηS為實際轉速與額定轉速的百分比。

a) MAF傳感器 b) 氧傳感器 c) 文丘里傳感器圖12 不同傳感器進氣流量測量相對偏差

由圖12可知:1)整個萬有特性區域內,MAF傳感器和文丘里流量計的測量相對偏差較小,分別在±3%、±5%以內,其原因為MAF傳感器的流量特性曲線和臺架ABB進氣流量計均以流量試驗臺架流量計為基準進行標定,因此MAF傳感器的測量相對偏差較小;2)氧傳感器在低負荷區域的測量相對偏差較大,最大達-10%,原因為柴油機負荷調節為質調節,在低負荷區域由于空燃比較大,過量空氣系數過大導致氧傳感器測量偏差較大,從而導致計算的進氣流量偏差較大,因此該方案僅適用于汽油機、氣體機等當量或過量空氣系數小于3的發動機;3)文丘里流量計的流量系數以常溫、常壓下的空氣作為工質進行標定,與發動機實際運行的高溫和高壓且具有脈沖的氣流存在較大差異,但該方案以EGR率作為控制目標,對新鮮空氣量的計算偏差可以保證在±5%以內。

3.3 瞬態排放控制對比

氧傳感器的穩態新鮮空氣量的測量精度較差,不滿足柴油機低負荷工況要求,因此瞬態工況下僅進行MAF傳感器與文丘里流量計的對比試驗。分別標定2種控制方式相對應的PID參數,實現被控參數的精確控制。PID標定評價方法如圖13所示,其中跟隨時間t90(實際參數值達到90%設定值的時間)應小于0.5 s,穩定時間ts應小于3 s,相對超調量應小于5%。完成PID標定后在發動機臺架上進行瞬態測試循環(world harmonized transient cycle,WHTC)測試,對比柴油機2種閉環控制方式的EGR閥開度和NOx排放,結果如圖14所示。

圖13 PID標定評價圖

圖14 發動機WHTC循環下不同閉環控制方式的EGR閥開度和NOx排放對比

由圖14可知:MAF傳感器的控制目標為新鮮空氣,由于增壓器響應遲滯導致進氣量響應緩慢,柴油機加速過程中EGR閥快速關閉,以滿足進氣量需求,EGR率的降低導致排氣出現NOx峰值;文丘里流量計以EGR率為控制目標,加速過程中保持EGR廢氣流量和新鮮空氣的比值,能夠較好地實現NOx和煙度的排放平衡。

4 結論

1)進氣流量傳感器測量新鮮空氣,氧傳感器計算新鮮空氣,文丘里流量計測量EGR廢氣,都可以用于發動機的EGR閉環控制。

2)基于新鮮空氣量和廢氣文丘里的閉環控制,柴油機新鮮空氣計算(測量)精度較高,測量相對偏差分別小于±3%、5%;氧傳感器在過量空氣系數較大時測量精度下降,低負荷時新鮮空氣計算精度相對偏差可達-10%,基于廢氣氧濃度的EGR閉環控制方式適合應用當量燃燒的機型。

3)基于空氣流量傳感器的閉環控制的控制目標為新鮮空氣,瞬態過程中EGR閥開度更小,存在NOx峰值;基于文丘里的閉環控制,以EGR率作為控制目標,可以平衡EGR廢氣和新鮮空氣的比例,能夠較好控制柴油機排放的一致性。