廢氣再循環(huán)瞬態(tài)修正控制策略對(duì)重型柴油機(jī)排放性能的影響

韓曉梅, 田威, 林學(xué)東, 李德剛, 王文明, 郭亮

(1.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 130022, 長(zhǎng)春; 2.博世汽車柴油系統(tǒng)有限公司, 214000, 江蘇無(wú)錫)

廢氣再循環(huán)(EGR)控制策略的完善對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。EGR的控制不僅要滿足降低NOx排放的要求,同時(shí)還要兼顧PM排放、油耗以及車輛駕駛性的需求。EGR對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響主要是通過(guò)將廢氣重新引入缸內(nèi)來(lái)改變缸內(nèi)燃燒環(huán)境的氧濃度,因此,EGR控制的要求是使發(fā)動(dòng)機(jī)在全工況都有合理穩(wěn)定的空燃比,從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和排放水平符合標(biāo)準(zhǔn)[1]。為使EGR控制滿足要求,研究人員對(duì)EGR控制策略進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善。在EGR控制策略發(fā)展早期采用的是EGR開(kāi)環(huán)控制,通過(guò)設(shè)定EGR閥開(kāi)度MAP(脈譜),依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況直接查取EGR閥開(kāi)度[2];后期普遍采用EGR閉環(huán)控制[3],包括基于新鮮空氣的閉環(huán)控制、基于EGR流量的閉環(huán)控制[4]、基于EGR率的閉環(huán)控制[5]和基于氧濃度的閉環(huán)控制[6],這幾種閉環(huán)控制都是將特定的設(shè)定量與實(shí)際量的差值作為反饋量來(lái)調(diào)整EGR閥的開(kāi)度,以滿足控制需求。EGR閉環(huán)控制可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)后的差異以及發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中零部件老化對(duì)EGR控制精度的影響,目前已得到廣泛應(yīng)用。

在穩(wěn)態(tài)工況下,通過(guò)合理標(biāo)定EGR閥開(kāi)度MAP、需求空氣量MAP以及PID參數(shù),可使上述EGR閉環(huán)控制策略滿足EGR控制精確性和穩(wěn)定性的要求。然而,在瞬態(tài)工況(例如轉(zhuǎn)速恒定、轉(zhuǎn)矩瞬增工況)下,上述EGR閉環(huán)控制策略仍然存在如下問(wèn)題[3,7]。

(1)空氣系統(tǒng)響應(yīng)遲滯造成碳煙排放過(guò)大和動(dòng)力性不足。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩需求瞬間增大時(shí),噴油量也瞬間增大,此時(shí)空氣需求量瞬間變大,但由于增壓器的遲滯現(xiàn)象,實(shí)際進(jìn)氣量遠(yuǎn)低于當(dāng)前噴油量所需的空氣量,雖然在PID控制下EGR閥處于關(guān)閉趨勢(shì),但由于PID控制響應(yīng)速度較慢,且是在EGR閥開(kāi)度預(yù)控制基礎(chǔ)上進(jìn)行PID控制,因此當(dāng)瞬態(tài)工況發(fā)生時(shí),EGR閥關(guān)閉速度不能滿足要求,此時(shí)由于新鮮空氣量不足,將導(dǎo)致碳煙排放惡化。其次,為了避免瞬態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放超標(biāo),會(huì)標(biāo)定煙度限制MAP來(lái)限定不同工況下的最小過(guò)量空氣系數(shù),當(dāng)混合氣過(guò)濃時(shí),噴油量會(huì)被限制以滿足最小過(guò)量空氣系數(shù)的要求,因此當(dāng)瞬態(tài)工況下新鮮空氣量過(guò)低時(shí),會(huì)觸發(fā)煙度限制導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭,使動(dòng)力性能受到影響。

(2)PID控制導(dǎo)致瞬態(tài)過(guò)程EGR閥開(kāi)啟不及時(shí)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩瞬間增大時(shí),實(shí)際空氣量低于需求空氣量,EGR閥會(huì)在PID控制下關(guān)閉以滿足目標(biāo)空氣量,只要實(shí)際進(jìn)氣量低于目標(biāo)空氣量,EGR閥會(huì)一直保持關(guān)閉狀態(tài),而在瞬態(tài)工況后期,雖然實(shí)際進(jìn)氣量仍然低于需求空氣量,但此時(shí)進(jìn)氣量已足夠滿足煙度限制,需要適當(dāng)開(kāi)啟EGR來(lái)避免NOx排放過(guò)高,但是,由于PID的控制遲滯會(huì)導(dǎo)致EGR閥開(kāi)啟過(guò)晚,最終導(dǎo)致NOx排放過(guò)高。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)瞬態(tài)工況下的EGR控制策略進(jìn)行了優(yōu)化,通過(guò)瞬態(tài)修正,可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況下EGR閥的快速關(guān)閉,并在瞬態(tài)工況后期提前開(kāi)啟EGR閥,避免NOx排放過(guò)高。

1　EGR瞬態(tài)修正控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)瞬態(tài)工況下的EGR控制策略進(jìn)行修正,修正后的EGR閥開(kāi)度示意圖如圖1所示:①為EGR閥關(guān)閉階段,②為EGR閥全關(guān)階段,③為EGR閥開(kāi)啟階段。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩瞬間增大時(shí),瞬態(tài)修正后的EGR閥比無(wú)瞬態(tài)修正的EGR閥更快關(guān)閉,經(jīng)過(guò)EGR閥全關(guān)階段以滿足進(jìn)氣需求,隨后EGR閥能更早開(kāi)啟以避免NOx排放過(guò)高。

圖1　瞬態(tài)修正EGR閥開(kāi)度示意圖

為實(shí)現(xiàn)以上控制目標(biāo),從兩方面進(jìn)行EGR瞬態(tài)修正,如圖2所示,包括EGR閥開(kāi)度預(yù)控制修正和需求空氣量修正。當(dāng)瞬態(tài)工況發(fā)生時(shí),修正EGR閥預(yù)控制開(kāi)度,使預(yù)控制開(kāi)度為0,從而加快EGR閥的關(guān)閉響應(yīng)速度;在瞬態(tài)工況后期,合理修正需求空氣量,使需求空氣量降低,從而使實(shí)際進(jìn)氣量提前滿足目標(biāo)需求空氣量,使EGR閥提前開(kāi)啟以適當(dāng)降低NOx排放。

圖2　EGR瞬態(tài)修正控制邏輯

1.1　EGR閥開(kāi)度預(yù)控制瞬態(tài)修正

在轉(zhuǎn)速恒定、轉(zhuǎn)矩瞬增工況下,限制發(fā)動(dòng)機(jī)性能的主要因素是增壓器的遲滯現(xiàn)象。由于增壓器遲滯導(dǎo)致進(jìn)氣量不能滿足空氣量需求,因此,選取增壓壓力作為瞬態(tài)工況識(shí)別信號(hào),定義瞬態(tài)程度系數(shù)δ來(lái)表征當(dāng)前增壓器的遲滯程度

(1)

式中:pboost,des為需求增壓壓力,通過(guò)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和油量查取目標(biāo)增壓壓力MAP獲得;pboost,act為實(shí)際增壓壓力,由傳感器測(cè)量獲得。

當(dāng)瞬態(tài)工況發(fā)生時(shí),瞬態(tài)程度系數(shù)為小于1的隨時(shí)間瞬變的非線性曲線。如圖3所示,為了便于實(shí)現(xiàn)控制,將瞬態(tài)程度系數(shù)轉(zhuǎn)化為修正系數(shù):當(dāng)瞬態(tài)程度系數(shù)大于設(shè)定常數(shù)時(shí),表征進(jìn)氣量嚴(yán)重不足,瞬態(tài)修正系數(shù)取1;當(dāng)瞬態(tài)程度系數(shù)小于設(shè)定常數(shù)時(shí),表征進(jìn)氣量不足現(xiàn)象得到緩解,瞬態(tài)修正系數(shù)取值范圍在[0,1]之間,依據(jù)瞬態(tài)程度和EGR控制需求標(biāo)定獲取,與瞬態(tài)程度系數(shù)呈相同趨勢(shì)。

圖3　瞬態(tài)修正系數(shù)與瞬態(tài)程度系數(shù)的關(guān)系

EGR閥瞬態(tài)工況預(yù)控制開(kāi)度修正由下式表示

rtra=(1-Fac1)rsta

(2)

式中:rtra為瞬態(tài)修正后EGR閥的開(kāi)度;rsta為對(duì)應(yīng)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、油量的穩(wěn)態(tài)工況下EGR閥的預(yù)控制開(kāi)度;Fac1為瞬態(tài)修正系數(shù)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)程度足夠大時(shí),瞬態(tài)修正系數(shù)為1,經(jīng)過(guò)式(2)計(jì)算,EGR閥的開(kāi)度為0;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束時(shí),瞬態(tài)修正系數(shù)為0,經(jīng)過(guò)式(2)計(jì)算,EGR閥的開(kāi)度仍為穩(wěn)態(tài)時(shí)EGR閥的開(kāi)度。

1.2　需求空氣量瞬態(tài)修正

瞬態(tài)工況目標(biāo)需求空氣量示意圖如圖4所示,圖中黑色實(shí)線為通過(guò)最小λ計(jì)算得到的需求空氣量,是確保發(fā)動(dòng)機(jī)煙度不超標(biāo)的最低空氣量,計(jì)算公式如下

mλ=14.3λminqfuel

(3)

式中:mλ為基于最小λ的需求空氣量;λmin為當(dāng)前轉(zhuǎn)速與噴油量條件下煙度不超標(biāo)的最小過(guò)量空氣系數(shù);qfuel為實(shí)時(shí)噴油量;14.3為柴油機(jī)理論空燃比。

圖4　瞬態(tài)工況目標(biāo)需求空氣量示意圖

長(zhǎng)虛線為限定NOx排放不超標(biāo)的最大進(jìn)氣量,其理論依據(jù)是:NOx排放的主要影響因素是O2含量,將當(dāng)前轉(zhuǎn)速和油量所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)氣O2含量視為確保NOx排放不超標(biāo)的最大進(jìn)氣O2含量,首先基于最大允許O2含量和排放中的O2含量計(jì)算NOx排放不超標(biāo)的最小EGR率,計(jì)算公式為

(4)

式中:ρEGR,O2為確保NOx排放不超標(biāo)的最小EGR率;φenv(O2)為環(huán)境中O2的體積分?jǐn)?shù);φmax(O2)為確保NOx排放不超標(biāo)的最大進(jìn)氣O2體積分?jǐn)?shù),在穩(wěn)態(tài)工況下通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況運(yùn)行測(cè)量獲得;φexh(O2)為當(dāng)前轉(zhuǎn)速和油量對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)工況下排氣中的O2體積分?jǐn)?shù),在穩(wěn)態(tài)工況下通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)全工況運(yùn)行測(cè)量獲得。

限制NOx排放不超標(biāo)的最大進(jìn)氣量計(jì)算公式為

mmaxO2=(1-ρEGR,O2)mact

(5)

式中:mmaxO2為限制NOx排放不超標(biāo)的最大進(jìn)氣量;mact為實(shí)際進(jìn)氣量。

在油門急加工況前期,煙度限制空氣量高于NOx排放限制空氣量,此時(shí)應(yīng)優(yōu)先保證空氣量足夠,不會(huì)觸發(fā)煙度限制,以避免煙度惡化嚴(yán)重以及噴油量受限制,因此,在煙度限制空氣量高于NOx排放限制空氣量階段,將煙度限制空氣量設(shè)定為瞬態(tài)需求空氣量;在油門急加工況后期,煙度限制空氣量低于NOx排放限制空氣量,此時(shí)要保證空氣量高于煙度限制空氣量但低于NOx排放限制空氣量,可以依據(jù)當(dāng)前NOx和碳煙排放目標(biāo)來(lái)權(quán)衡瞬態(tài)目標(biāo)空氣量的位置,若需要降低NOx排放,則將目標(biāo)空氣量設(shè)定為更靠近煙度限制空氣量,若需要碳煙排放降低,則將目標(biāo)空氣量設(shè)定為更靠近NOx排放限制空氣量。

瞬態(tài)需求空氣量的計(jì)算公式如下

mtrans=(mλ-max(mλ,mmaxO2))Fac,air+

max(mλ,mmaxO2)

(6)

式中:mtrans為油門急加工況需求空氣量;Fac,air為瞬態(tài)需求空氣量權(quán)衡系數(shù),是標(biāo)定量,取值范圍為0～1。當(dāng)NOx排放需要改善時(shí),使權(quán)衡系數(shù)接近1來(lái)減小瞬態(tài)需求空氣量;當(dāng)碳煙排放需要改善時(shí),使權(quán)衡系數(shù)接近0來(lái)增大瞬態(tài)需求空氣量。

2　試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

2.1　試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在一臺(tái)排量為7 L的六缸重型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行,發(fā)動(dòng)機(jī)配備高壓共軌燃油噴射系統(tǒng),使用Honeywell Wastegate(排氣泄壓閥式)增壓器、CP3.3NH-18型油泵、CRIN3-18型噴油器和Bosch EDC17CV41型電控單元。發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如下:缸徑102 mm;沖程120 mm;排量7 L;壓縮比16.1;連桿長(zhǎng)度198 mm;點(diǎn)火順序1-5-3-6-2-4;渦流比1.5;額定功率248 kW(2 100 r/min);最大轉(zhuǎn)矩1 150 N·m(1 200～1 800 r/min)。

試驗(yàn)利用AVL APA100電力測(cè)功機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,通過(guò)HORIBA MEXA-7100D氣態(tài)排放分析儀測(cè)量NOx、CO、HC、CO2等氣態(tài)排放,通過(guò)AVL 483煙度計(jì)測(cè)量碳煙排放,通過(guò)AVL 439透光煙度計(jì)測(cè)量油門突增過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的碳煙排放,通過(guò)Kistler 6058AS41缸壓傳感器測(cè)量缸壓,通過(guò)AVL Indicom燃燒分析儀分析缸內(nèi)的燃燒過(guò)程,通過(guò)AVL 735S油耗儀測(cè)量油耗。

2.2　試驗(yàn)方案

為了能夠更直觀地顯示出EGR的瞬態(tài)修正效果,在1 300 r/min恒定轉(zhuǎn)速下,將油門開(kāi)度由10%瞬間增大到100%,油門加滿時(shí)間分別設(shè)定為1、3和5 s。

為了驗(yàn)證EGR瞬態(tài)修正控制策略的實(shí)際控制效果,運(yùn)行歐Ⅵ法規(guī)中更接近實(shí)際瞬態(tài)運(yùn)行工況的WHTC(world harmonized transient cycle)瞬態(tài)循環(huán),對(duì)比有、無(wú)EGR瞬態(tài)修正時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1　轉(zhuǎn)速恒定轉(zhuǎn)矩瞬增工況的EGR瞬態(tài)修正效果

圖5所示為轉(zhuǎn)速恒定、轉(zhuǎn)矩瞬增工況下不同加載時(shí)間對(duì)應(yīng)的EGR瞬態(tài)修正效果對(duì)比,其中虛線為瞬態(tài)修正后的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線,實(shí)線為無(wú)瞬態(tài)修正的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線。從圖5可以看出,在不同的加載時(shí)間下,瞬態(tài)修正后的EGR閥與未修正的EGR閥相比,前者在瞬態(tài)早期能更快關(guān)閉,且在瞬態(tài)后期能更早開(kāi)啟,符合控制要求。相應(yīng)的空氣量變化情況是,瞬態(tài)過(guò)程前期修正后空氣量增大,瞬態(tài)過(guò)程后期修正后空氣量減小。

(a)加載1 s (b)加載3 s (c)加載5 s 無(wú)瞬態(tài)修正　- - - - 瞬態(tài)修正圖5　恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩瞬增工況EGR瞬態(tài)修正效果對(duì)比

就噴油量而言,瞬態(tài)修正后的噴油量大于無(wú)修正時(shí)的噴油量,原因是修正后EGR閥更快關(guān)閉,新鮮空氣供給更及時(shí),緩解了煙度限制造成的噴油量限制,改善了動(dòng)力性。對(duì)比3個(gè)加載時(shí)間的控制效果,可知3 s加載時(shí)間對(duì)噴油量的改善效果最明顯。1 s加載時(shí)間太短,短時(shí)間內(nèi)新鮮空氣供給量改善不明顯,而5 s加載時(shí)間較長(zhǎng),有、無(wú)瞬態(tài)修正對(duì)EGR閥關(guān)閉響應(yīng)的影響不如較短時(shí)間加載的效果明顯,因此噴油量改善效果也不明顯。在瞬態(tài)加載過(guò)程初期,由于瞬態(tài)修正后EGR閥關(guān)閉更快,因此瞬態(tài)修正后的NOx排放高于無(wú)修正時(shí)的NOx排放,相應(yīng)地瞬態(tài)修正后的煙度低于無(wú)修正時(shí)的煙度;在瞬態(tài)加載過(guò)程后期,由于瞬態(tài)修正后EGR閥更早開(kāi)啟,因此修正后NOx排放有明顯改善,但煙度排放惡化。就圖5的控制效果而言,符合EGR瞬態(tài)修正控制的預(yù)期。

3.2　WHTC瞬態(tài)循環(huán)的瞬態(tài)修正效果對(duì)比

圖6所示為有、無(wú)EGR瞬態(tài)修正的WHTC瞬態(tài)循環(huán)排放結(jié)果對(duì)比,從中可以看出,經(jīng)瞬態(tài)修正后,NOx排放在WHTC瞬態(tài)循環(huán)內(nèi)大部分區(qū)域都有所改善,但在部分區(qū)域有所惡化,總體上NOx排放積分量降低了5.4 g。

圖6　瞬態(tài)修正對(duì)WHTC瞬態(tài)循環(huán)NOx排放結(jié)果的影響

圖7所示為有、無(wú)EGR瞬態(tài)修正的WHTC瞬態(tài)循環(huán)實(shí)時(shí)碳煙排放及碳煙排放積分量的結(jié)果,可以看出,經(jīng)瞬態(tài)修正后,碳煙排放在WHTC瞬態(tài)循環(huán)內(nèi)有顯著改善,碳煙排放積分量降低了0.482 g。

圖7　瞬態(tài)修正對(duì)WHTC瞬態(tài)循環(huán)碳煙排放結(jié)果的影響

表1為有、無(wú)EGR瞬態(tài)修正的發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC瞬態(tài)循環(huán)比排放和比油耗對(duì)比,可見(jiàn)采用EGR瞬態(tài)修正后,NOx排放降低了4.7%,碳煙排放顯著改善,降低了46.4%,HC和CO排放分別降低了8.5%和30.3%,CO2排放增加了0.3%,基本無(wú)影響,但油耗增大了0.6%。在犧牲0.6%油耗的前提下,NOx、碳煙、HC和CO的排放都有顯著改善,這表明EGR瞬態(tài)修正控制策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的改善效果明顯,具有應(yīng)用價(jià)值。

表1　有無(wú)EGR瞬態(tài)修正的發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC瞬態(tài)循環(huán)性能對(duì)比

4　結(jié)　論

針對(duì)柴油機(jī)瞬態(tài)工況空氣系統(tǒng)響應(yīng)滯后造成的排放惡化等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了EGR瞬態(tài)修正控制策略:當(dāng)判定發(fā)動(dòng)機(jī)處于瞬態(tài)工況時(shí),將EGR閥預(yù)控制開(kāi)度設(shè)定為0,以加快EGR閥關(guān)閉速度;依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前瞬態(tài)程度修正需求空氣量,使實(shí)際進(jìn)氣量更早滿足需求空氣量,實(shí)現(xiàn)EGR閥適時(shí)開(kāi)啟。采用此瞬態(tài)控制策略后,發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能獲得了以下改善:

(1)在瞬態(tài)工況初期,經(jīng)過(guò)EGR瞬態(tài)修正后可使EGR閥更快關(guān)閉,緩解了空氣量供應(yīng)不足造成的碳煙排放過(guò)高以及煙度限制造成的動(dòng)力性不足的問(wèn)題;

(2)在瞬態(tài)工況后期,通過(guò)修正目標(biāo)空氣需求量使EGR閥更早開(kāi)啟,避免了由于EGR閥開(kāi)啟不及時(shí)造成的NOx排放過(guò)高;

(3)EGR瞬態(tài)修正可使WHTC瞬態(tài)循環(huán)時(shí)的NOx排放降低4.7%,碳煙排放降低46.4%,HC和CO排放分別降低8.5%和30.3%,但是使CO2排放略增0.3%,油耗增加0.6%。雖然犧牲了0.6%的油耗,但發(fā)動(dòng)機(jī)排放得到了顯著改善,證明EGR瞬態(tài)修正控制策略對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能是有效的。

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[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

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袁超,洪偉,蘇巖,等.直噴汽油機(jī)起動(dòng)過(guò)程多環(huán)芳烴排放的研究.2017,51(9):54-62.[doi:10.7652/xjtuxb201709008]

劉世宇,李志軍,史春濤,等.CO2和水蒸氣對(duì)稀燃NOx催化轉(zhuǎn)化器的影響.2017,51(5):134-141.[doi:10.7652/xjtuxb 201705019]

謝萌,馬志杰,王全紅,等.聚甲氧基二甲醚及其高比例摻混柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒與排放的試驗(yàn)研究.2017,51(3):32-37.[doi:10.7652/xjtuxb201703006]

汪映,黃智勇,柯希春,等.液化石油氣對(duì)二甲醚-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放特性的影響.2016,50(5):19-23.[doi:10.7652/xjtuxb201605003]

瞿磊,王忠,李瑞娜,等.甲醇/生物柴油燃燒顆粒的結(jié)構(gòu)特征研究.2016,50(5):81-86.[doi:10.7652/xjtuxb201605012]

麻斌,董偉,高瑩,等.稀燃條件下廢氣再循環(huán)對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒排放粒徑分布的影響.2016,50(5):87-94.[doi:10.7652/xjtuxb201605013]

鐘兵,洪偉,蘇巖,等.控制參數(shù)對(duì)增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)部分負(fù)荷下微粒排放特性的影響.2016,50(5):95-100.[doi:10.7652/xjtuxb201605014]