CN103790721A - 一种内燃机瞬态工况的egr控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种内燃机瞬态工况的EGR控制系统及其控制方法，首先根据开发需要，确定烟度控制的上极限值、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；在内燃机瞬变的起始阶段，由于烟度值较低，可以采用较大的EGR率，对应于较大的EGR阀档位；随着瞬变过程的发展，烟度开始上升，当达到烟度上限值时，随之减小EGR阀档位，烟度随之降低，直至EGR阀完全关闭；在瞬变过程的后半段，烟度开始从峰值回落且低于烟度下限控制区，此时，在保证烟度在不超过烟度上限控制区时，逐级加大EGR阀档位，以达到优化NOx排放的目的。本发明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有害物的排放。

Description

一种内燃机瞬态工况的EGR控制系统及其控制方法

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作为限值，利用EGR阀开度反馈控制的瞬态排放控制系统及方法。

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，但车用内燃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，且随着车用内燃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是内燃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，提出一种内燃机瞬态工况的EGR控制系统及其控制方法，以烟度排放为限值，基于EGR阀开度反馈控制的瞬态排放控制方法，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，采用较大的EGR率，对应于较大的EGR阀档位；随着瞬变过程的发展，烟度开始上升，当达到烟度限值时，随之减小EGR阀档位，烟度随之降低，直至EGR阀完全关闭；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阀档位，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，构建出内燃机瞬态工况的EGR控制系统：

该系统由内燃机、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和高响应扭矩传感器、进气中冷器、电控单元ECU、EGR中冷器、EGR过滤器、高响应电控EGR阀、空气滤清器、进气三通管、压气机、涡轮机、EGR三通管组成，

所述的EGR三通管的进口与排放总管连接、两个出口分别与涡轮机和EGR中冷器的进口连接，所述的EGR过滤器的进口与出口分别与EGR中冷器的出口和高响应电控EGR阀的进口连接，所述的进气三通管的两个进口分别与空滤器的出口和高响应电控EGR阀的出口连接、其出口与压气机的进口连接，所述的进气中冷器的进口通过管路与压气机的出口连接,其出口和进气总管的进口连接，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高响应电控EGR阀电连接。

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：

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阀开度信号，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中将EGR阀开度转换为对应EGR阀档位控制命令，EGR阀的开度越大，其档位越大，对应的EGR率也越大。

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

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

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

8）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11)。

9）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阀是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀减1档。

10）如果预估的快速烟度没有超过上限值，判断EGR阀是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，否则，预判EGR阀加1档后，快速烟度值是否会超上极限值，如果不会超限，EGR阀加1档，否则EGR阀保持不动。转14)。

11）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阀档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，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阀保持不动，否则，EGR阀开度减1档。

12）如果预估的快速烟度值未高于上限值，则判断EGR阀档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，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阀保持不动，否则，EGR阀开度加1档。

13）如果快速烟度值处于上下限控制区范围内，则EGR阀保持不动。

14）将EGR阀档位转换回EGR阀开度，反馈给电控单元（ECU）6去控制高响应电控EGR阀7，形成EGR阀开度的闭环控制。

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：

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

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

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。

本发明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阀开度反馈控制：当烟度值高于控制上限值时，EGR阀在相邻档位间逐级减小，当烟度值低于控制下限值时，EGR阀在相邻档位间逐级加大，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。

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

所述的EGR三通管15的进口与排放总管16连接、两个出口分别与涡轮机14和EGR中冷器7的进口连接，所述的EGR过滤器8的进口与出口分别与EGR中冷器7的出口和高响应电控EGR阀9的进口连接，所述的进气三通管12的两个进口分别与空滤器11的出口和高响应电控EGR阀9的出口连接、其出口与压气机13的进口连接，所述的进气中冷器5的进口通过管路10与压气机13的出口连接,其出口和进气总管2的进口连接，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以及高响应电控EGR阀9连接。

参照图2、3、4，基于上述内燃机瞬态工况的EGR的控制系统的控制方法，通过以下两个实施例来解释其工作过程，实施例的运行条件如下：

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阀控制的档位具有5个档位命令。

实施例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阀开度信号，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将EGR阀开度转换为对应EGR阀档位控制命令，且根据转速、转矩、转矩瞬变率与EGR阀档位预估出快速烟度值；同时预估EGR阀加一档和减一档后的烟度值；

（4）判断是否是高瞬变率；

（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阀是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀减1档；

（6）如果快速烟度没有超过10%，则判断EGR阀是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，否则，预判EGR阀加1档后，快速烟度是否会超10%，如果不会超10%，EGR阀加1档，否则EGR阀保持不动；

（7）将EGR阀档位转换回EGR阀开度，反馈给电控单元（ECU）6去控制高响应电控EGR阀9，形成EGR阀开度的闭环控制。

实施例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将EGR阀开度转换为对应EGR阀档位控制命令，且根据转速、转矩、转矩瞬变率与EGR阀档位预估出快速烟度值；同时预估EGR阀加一档和减一档后的烟度值；

（4）判断是否是高瞬变率；

（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阀档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，否则，判断减档后快速烟度是否会低于4%，如果低于4%，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀开度减1档；

（6）如果快速烟度未高于8%，则判断EGR阀档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，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阀保持不动，否则，EGR阀开度加1档；

（7）如果快速烟度处于4%-8%之间，则EGR阀保持不动；

（8）将EGR阀档位转换回EGR阀开度，反馈给电控单元（ECU）6去控制高响应电控EGR阀9，形成EGR阀开度的闭环控制。

Claims (2)

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

所述的EGR三通管（15）的进口与排放总管（16）连接、两个出口分别与涡轮机（14）和EGR中冷器（7）的进口连接，所述的EGR过滤器（8）的进口与出口分别与EGR中冷器（7）的出口和高响应电控EGR阀（9）的进口连接，所述的进气三通管（12）的两个进口分别与空滤器（11）的出口和高响应电控EGR阀（9）的出口连接、其出口与压气机（13）的进口连接，所述的进气中冷器（5）的进口通过管路(10)与压气机（13）的出口连接,其出口和进气总管（2）的进口连接，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）以及高响应电控EGR阀（9）连接。

2.一种基于权利要求1所述的内燃机瞬态工况的EGR控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）电控单元（ECU）采集内燃机的转速、转矩及EGR阀开度信号，并计算内燃机瞬态工况的瞬变率，瞬变率的计算公式见式（1）和式（2）；

2）根据开发要求，在电控单元（ECU）中设置烟度控制的上极限值和烟度上下限控制区域以及高低瞬变率的界限，其中烟度上极限值>烟度控制区域上限值>烟度控制区域下限值；

3）电控单元（ECU）将EGR阀开度转换为对应EGR阀档位，EGR阀的开度越大，其档位越大，对应的EGR率也越大。

4）电控单元（ECU）根据转速、转矩、瞬变率与EGR阀档位，预估快速烟度值；

5）电控单元（ECU）根据转速、转矩、瞬变率与EGR阀加1档后的档位，预估EGR阀加档后的烟度值；

6）电控单元（ECU）根据转速、转矩、瞬变率与EGR阀减1档后档位，预估EGR阀减档后的烟度值；

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，转接步骤10)；

8）如果是高瞬变率，则判断预估的快速烟度值是否超过上极限值，如果超过上极限值，判断EGR阀是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀减1档；

9）如果预估的快速烟度值没有超过上极限值，则判断EGR阀是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，否则，预判EGR阀加1档后，预估快速烟度值是否会超上极限，如果不会超限，EGR阀加1档，否则EGR阀保持不动，转接步骤13)；

10）如果是低瞬变率，则烟度控制可以放宽到由上限和下限组成的控制区域，如果快速烟度值高于控制区域上限值，则判断EGR阀档位是否在最低档，如果在最低档，则EGR阀保持不动，否则，判断减档后预估快速烟度值是否会低于控制区域下限值，如果低于控制区域下限值，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀开度减1档；

11）如果快速烟度值未高于控制区域上限值，则判断EGR阀档位是否在最高档，如果在最高档，则EGR阀保持不动，否则，判断加档后快速烟度是否会高于控制区上限，如果高于上限，则EGR阀保持不动，否则，EGR阀开度加1档；

12）如果预估快速烟度处于控制区域范围内，则EGR阀保持不动；

13）将EGR阀档位转换回EGR阀开度，反馈给电控单元（ECU）去控制EGR阀，形成EGR阀开度的闭环控制；

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：

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

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

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。

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