CN103758646B - 内燃机瞬态工况的egr控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明内燃机瞬态工况的EGR控制系统,属于内燃机瞬态工况排放控制领域，在现有EGR控制系统的基础上增加了高速转速传感器、高速扭矩传感器、4个高响应电控EGR阀以及具有烟度控制MAP的电控单元ECU,所述的四个高响应电控EGR阀通过管路并连在过滤器的出口和进气三通管的一个进口上，所述的电控单元ECU分别与内燃机、高响应转速传感器、高响应扭矩传感器以及四个高响应电控EGR阀电连接。本发明系统能在有效控制内燃机瞬态工况下碳烟排放的同时，尽量降低了NOx的排放，减少了内燃机的有害物排放。

Description

内燃机瞬态工况的EGR控制系统

技术领域

本发明属于内燃机瞬态工况排放控制领域，具体涉及一种以烟度排放限值，基于EGR档位开闭反馈控制的瞬态排放控制系统。

背景技术

由于内燃机具有动力性强、经济性好及可靠性高等优点而备受重视，且在车用发动机市场，其份额越来越大，但车用柴油机大部分时间都处于瞬态工况，尤其是在城市道路时，发动机的负载和转速变化更加频繁。增压内燃机工作于瞬态工况，其燃烧与排放性能会出现有别于稳态工况的畸变，且随着车用柴油机排放法规的日益严苛，有效降低内燃机瞬态工况下的排放柴油机研究开发的当务之急。

机内净化氮氧化物(NOx)与机外净化微粒的有效结合是目前比较主流的柴油机排放控制技术路线。废气再循环(EGR)作为增压柴油机降低NOx排放的机内净化手段，但会造成碳烟排放恶化，利用微粒捕集器(DPF)可以在机外降低微粒排放，但也不具备100%的净化效果。所以，机内利用EGR降低NOx排放，必须以碳烟排放不超过一定限值为前提，才能够使机外后处理设备发挥更好的净化效果，满足排放指标中NOx和碳烟的双重要求.

而目前在增压柴油机瞬态工况排放控制方法中，为了使发动机的碳烟排放不超标，采取了在瞬变过程起始即关闭EGR阀，在瞬变结束时刻再打开EGR阀的方式。虽然这种方式可以有效地降低瞬态工况的烟度排放，但同时也造成了NOx排放的恶化，达不到烟度与NOx综合优化的目的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有瞬态工况排放控制技术的不足，提出一种以烟度排放为限值，基于EGR档位开闭反馈控制的内燃机瞬态工况的EGR控制系统。

其主要思想包括:首先根据开发的需要确定烟度控制的上极限值和烟度上下限控制区域(烟度上极限值>烟度控制区域上限值>烟度控制区域下限值)以及高低瞬变率的界限；在瞬变起始阶段，由于烟度值较低，可以采用较大的EGR率，对应于较大的EGR档位；随着瞬变过程的发展，烟度开始上升，当达到烟度限值时，减小EGR档位，烟度随之降低，直至EGR档位最小；在瞬变过程后半段，烟度开始从峰值回落且低于控制限值，此时，可以逐级加大EGR档位，以达到优化NOx排放的目的。从而改善柴油机瞬态工况中NOx和烟度排放的折衷关系。

基于上述思想，提出本发明内燃机瞬态工况的EGR控制系统，包括内燃机、连接在内燃机上的进气总管和排放总管、设置在内燃机上的高响应转速传感器、高响应扭矩传感器、进气中冷器、电控单元ECU、EGR中冷器、过滤器、四个高响应电控EGR阀、空气滤清器、进气三通管、压气机、涡轮机、三通管；

所述的三通管的进口与排放总管相连接、两个出口分别与涡轮机和EGR中冷器的进口相连接，所述的过滤器的进口与EGR中冷器的出口相连接，所述的四个高响应电控EGR阀通过管路并连在过滤器的出口和进气三通管的一个进口上，进气三通管的另一个进口和出口分别与空气滤清器的出口和压气机的进口相连接，所述的进气中冷器的进口和出口分别与压气机的出口和进气总管的进口相连接;所述的电控单元ECU分别与内燃机、高响应转速传感器、高响应扭矩传感器以及四个高响应电控EGR阀电连接。

内燃机运行过程中EGR率的大小通过控制四个高响应电控EGR阀的开闭状态来实现（即不同的电控EGR阀开启数量决定EGR率的大小），本发明把不同的电控EGR阀开启的数量称之为“EGR档位”，其具有5个档位：

a）当四个高响应电控EGR阀都处于关闭时，则EGR处于0档；

b）当高响应电控EGR阀有一个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于1档；

c）当高响应电控EGR阀有两个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于2档；

d）当高响应电控EGR阀有三个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于3档；

e）当四个高响应电控EGR阀都处于完全打开状态时，则EGR处于4档。

基于上述内燃机瞬态工况的EGR控制系统，其控制方法通过下列步骤实现(参见图2)：

1）首先根据烟度控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元（ECU）6中设置烟度上极限值、烟度控制区域上限值和烟度控制区域下限值以及高低瞬变率的界限；

2）电控单元（ECU）6、采集柴油机的转速、转矩及EGR档位信号，并计算柴油机瞬态工况的瞬变率，瞬变率的计算公式见（1）和（2）；

3）电控单元（ECU）6检测到发动机是否处于瞬态工况，若是则进行以下步骤；

4）电控单元（ECU）6根据转速、转矩、瞬变率与EGR档位，计算出快速烟度值，快速烟度值的预估示意图，参见附图4。

5）电控单元（ECU）6根据转速、转矩、瞬变率与EGR加1档后的档位，预估EGR加档后的烟度值（参见附图3）。

6）电控单元（ECU）6根据转速、转矩、瞬变率与EGR减1档后的档位，预估EGR减档后的烟度值（参见附图3）。

7）判断内燃机运行工况是否处于高瞬变率，（如果不是高瞬变率，转10)。

8）如果是高瞬变率，判断预估的快速烟度是否超过上极限值，如果超过上极限值，判断EGR档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR档位保持不变，否则，EGR减1档。

9）如果预估的快速烟度没有超过上限值，判断EGR档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR档位保持不变，否则，预判EGR加1档后，快速烟度值是否会超上极限值，如果不会超限，EGR加1档，否则EGR保持不变。

10）如果是低瞬变率，则烟度控制可以放宽到烟度控制区域的上限和下限组成的控制区，如果快速烟度值高于控制区上限值，则判断EGR档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR档位保持不变，否则，判断减档后快速烟度值是否会低于控制区下限值，如果低于下限值，则EGR档位保持不变，否则，EGR档位减小1档。

11）如果预估的快速烟度值未高于上限值，则判断EGR档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR档位保持不变，否则，判断加档后快速烟度值是否会高于控制区上限值，如果高于上限值，则EGR档位保持不变，否则，EGR档位增加1档。

12）如果快速烟度值处于上下限控制区范围内，则EGR档位保持不变。

其中烟度上极限值、烟度控制区域上限值和烟度控制区域下限值以及高低瞬变率根据发动机实际开发目标情况而定（高低瞬变率的界限一般是，在不加EGR情况下，瞬变过程中烟度的峰值超过烟度上极限值时的瞬变率）。上述步骤中所用到的公式如下：

用到的公式如下：

$\mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\Δn}}{\mathrm{\Δt}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{tq}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

式中：Ψ为转速瞬变率，Δn单位时间内转速最大值与最小值之差，ω为转矩瞬变率，ΔT_tq单位时间内转矩最大值与最小值之差，Δt单位时间。

采用本发明内燃机瞬态工况的EGR控制系统，具有以下积极技术效果：

本发明以瞬态工况中烟度排放为限值，实现EGR档位开度反馈控制：当烟度值高于控制上限值时，EGR档位逐级减小，当烟度值低于控制下限值时，EGR档位逐级加大，既保证了烟度值尽可能的不超过控制限值，又有效地降低了NOx排放，能有效改善发动机在瞬态工况下烟度和NOx排放的trade-off关系，降低其有害物排放。

附图说明

图1是本发明内燃机瞬态工况的EGR控制系统结构示意图；

图2是内燃机瞬态工况的EGR控制方法流程图；

图3示EGR阀变档后烟度预估模型流程图；

图4是快速烟度预估神经网络模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，一种内燃机瞬态工况的EGR控制系统，包括内燃机1、连接在内燃机1上的进气总管2和排放总管18、设置在内燃机1上的高响应转速传感器3、高响应扭矩传感器4、进气中冷器5、电控单元ECU6、EGR中冷器7、过滤器8、四个高响应电控EGR阀9、10、11、12、空气滤清器13、进气三通管14、压气机15、涡轮机16、三通管17；

所述的三通管18的进口与排放总管18相连接、两个出口分别与涡轮机16和EGR中冷器7的进口相连接，所述的过滤器8的进口与EGR中冷器7的出口相连接，所述的四个高响应电控EGR阀9、10、11、12通过管路并连在过滤器8的出口和进气三通管14的一个进口上，进气三通管14的另一个进口和出口分别与空气滤清器13的出口和压气机15的进口相连接，所述的进气中冷器5的进口和出口分别与压气机15的出口和进气总管2的进口相连接;所述的电控单元ECU6分别与内燃机1、高响应转速传感器3、高响应扭矩传感器4以及四个高响应电控EGR阀9、10、11、12电连接。

通过以下两个实验例来解释其工作过程，实验例的运行条件如下：

某柴油机以恒定转速增加负荷（加载）运行，其中恒定转速在1650r/min、负荷从50%负荷增加到90%负荷（712-1268N·m），加载时间分别为2s和10s；且开发的需求是，烟度上极限值的消光烟度值不超过10%、烟度控制区上限为8%、烟度控制区下限为4%；转矩高低瞬变率的界限为100N.m·s^-1（转矩瞬变率>100N.m·s^-1则为高转矩瞬变率，反之则为低转矩瞬变率）；EGR的档位具有5个档位命令，分别是：

1）当四个高响应电控EGR阀都处于关闭时，则EGR处于0档；

2）当高响应电控EGR阀有一个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于1档；

3)当高响应电控EGR阀有两个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于2档；

4）当高响应电控EGR阀有三个处于完全打开状态，其余都处于关闭状态，则EGR处于3档；

5）当四个高响应电控EGR阀都处于完全打开状态时，则EGR处于4档。

实验例1

加载时间为2s瞬态工况下的详细工作过程如下：

（1）首先根据烟度控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元（ECU）6中设置烟度上极限值、烟度控制区域上限值和烟度控制区域下限值。本实施例中取烟度上极限值为10%（消光烟度值），烟度控制区上限为8%，烟度控制区下限为4%；

（2）电控单元（ECU）6、采集柴油机的转速、转矩及EGR档位信号，当监测到发动机的转矩瞬变率为278N.m·s^-1时，判定发动机属于瞬态工况，且迅速执行以下命令：

（3）电控单元（ECU）6根据EGR档位、转速、转矩、转矩瞬变率及EGR档位、预估出快速烟度值；同时预估EGR加一档和减一档后的烟度值；

（4）判断内燃机运行工况是否处在高瞬变率；

（5）本瞬态工况的瞬变率为278N.m·s^-1，大于100N.m·s^-1则属于高瞬变率的瞬态工况。则立即判断预估快速烟度是否超过10%，如果超过限值，判断EGR档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR档位保持不变，否则，EGR档位减1档；

（6）如果快速烟度没有超过10%，则判断EGR档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR但我哥保持不变，否则，预判EGR档位加1档后，快速烟度是否会超10%，如果不会超10%，EGR档位加1档，否则EGR档位保持不变；

实验例2

加载时间为10s瞬态工况下的详细工作过程如下：

（1）首先根据烟度控制目标的实际需求以及试验标定值，在电控单元（ECU）6中设置烟度上极限值、烟度控制区域上限值和烟度控制区域下限值。本实施例中取烟度上极限值为10%（消光烟度值），烟度控制区上限为8%，烟度控制区下限为4%；

（2）电控单元（ECU）6、采集柴油机的转速、转矩及EGR阀开度信号，当监测到发动机的转矩瞬变率为55.6N.m·s^-1时，判定发动机属于瞬态工况，且迅速执行以下命令：

（3）电控单元（ECU）6根据转速、转矩、转矩瞬变率及EGR档位预估出快速烟度值；同时预估EGR档位加一档和减一档后的烟度值；

（4）判断内燃机运行工况是否处于高瞬变率；

（5）本瞬态工况的瞬变率为55.6N.m·s^-1，小于100N.m·s^-1则属于低瞬变率的瞬态工况，因此，烟度控制可以放宽到由上限和下限组成的控制区，如果预估的快速烟度高于8%，则判断EGR档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR档位保持不变，否则，判断减档后快速烟度是否会低于4%，如果低于4%，则EGR档位保持不变，否则，EGR档位减小1档；

（6）如果快速烟度未高于8%，则判断EGR档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR档位保持不变，否则，判断加档后快速烟度是否会高于控制区8%，如果高于8%，则EGR档位保持不变，否则，EGR阀开度加1档；

（7）如果快速烟度处于4%-8%之间，则EGR档位保持不变。

Claims (1)

1.一种内燃机瞬态工况的EGR控制系统，包括内燃机（1）、连接在内燃机（1）上的进气总管（2）和排放总管（18）、设置在内燃机（1）上的高响应转速传感器（3）、高响应扭矩传感器（4）、进气中冷器（5）、电控单元ECU（6）、EGR中冷器（7）、过滤器（8）、四个高响应电控EGR阀（9、10、11、12）、空气滤清器（13）、进气三通管（14）、压气机（15）、涡轮机（16）、三通管（17），其特征在于：

所述的三通管（17）的进口与排放总管（18）相连接、两个出口分别与涡轮机（16）和EGR中冷器（7）的进口相连接，所述的过滤器（8）的进口与EGR中冷器（7）的出口相连接，所述的四个高响应电控EGR阀（9、10、11、12）通过管路并连在过滤器（8）的出口和进气三通管（14）的一个进口上，进气三通管（14）的另一个进口和出口分别与空气滤清器（13）的出口和压气机（15）的进口相连接，所述的进气中冷器（5）的进口和出口分别与压气机（15）的出口和进气总管（2）的进口相连接;所述的电控单元ECU（6）分别与内燃机（1）、高响应转速传感器（3）、高响应扭矩传感器（4）以及四个高响应电控EGR阀（9、10、11、12）电连接。