CN104500281A - 一种内燃机废气再循环闭环控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内燃机废气再循环闭环控制系统及控制方法，包括气缸，所述气缸通过进气管路连接压气机，所述气缸通过出气管路连接涡轮，所述进气管路和出气管路之间连接有EGR管路，其特征是：所述管路三上设置有串接的EGR节温器、缩放管和EGR阀，所述进气管路和所述EGR节温器之间还设置有EGR中冷器，所述缩放管的两端都设置有温度及压力传感器，所述EGR阀和缩放管之间设置有能够向所述EGR管路喷水的喷水装置。

Description

一种内燃机废气再循环闭环控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其是通过废气再循环技术(EGR)实现内燃机燃烧及排放控制，具体是一种内燃机废气再循环闭环控制系统及控制方法。

背景技术

当前全球面临严峻的能源与环境危机，节能与环保技术成为内燃机研发的热点。废气再循环技术通过将燃烧产生的排气再次引入发动机气缸中参与燃烧，可以有效控制发动机燃烧相位，从而控制碳烟排放及内燃机燃烧方式，因此，无论是在传统内燃机中，还是先进的HCCI、LTC发动机中，废气再循环技术都得到了广泛应用。

采用废气再循环技术的发动机工作原理如图1所示，通常在涡轮前布置EGR取气口，废气从该取气口流通过EGR控制阀门、中冷器之后进入发动机进气系统。对EGR发动机，EGR比率(即废气与新鲜空气质量比)对发动机性能有很大影响，是实现EGR的关键问题之一。由于EGR控制阀与废气流通量之间复杂的响应特性以及EGR率与涡轮增压系统之间的强烈耦合关系，通常情况下EGR比率采用开环控制，即由发动机ECU通过其所采集的发动机转速、负荷、喷油量等信号查取存储在ECU中的EGR阀门开度MAP，然后输出给执行机构。由于开环控制这种控制方式难以完全充分考虑到对EGR率影响的多个参数，因此其很难对EGR率实现精准控制。此外，当EGR率较大时，流经涡轮的废气能量不足，导致压缩比降低，为此必须采用复杂的双级涡轮增压或可变截面增压器等，增加了发动机生产成本。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种内燃机废气再循环闭环控制系统及控制方法，能有效提高发动机控制精度，并降低发动机生产成本。

本发明采用如下技术手段实现发明目的：

一种内燃机废气再循环闭环控制系统，包括气缸，所述气缸通过进气管路连接压气机，所述气缸通过出气管路连接涡轮，所述进气管路和出气管路之间连接有EGR管路，其特征是：所述管路三上设置有串接的EGR节温器、缩放管和EGR阀，所述进气管路和所述EGR节温器之间还设置有EGR中冷器，所述缩放管的前后两端都设置有温度及压力传感器，所述EGR阀和缩放管之间设置有能够向所述EGR管路喷水的喷水装置。

作为对本技术方案的进一步限定，所述压气机上设置有进气口。

作为对本技术方案的进一步限定，所述涡轮上设置有排气口。

一种内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)发动机ECU检测发动机的转速和扭矩，当设定时间内转速或扭矩的变化幅度≥5％时，判定内燃机为瞬态工况，转步骤(3)；当设定时间内转速和扭矩的变化幅度＜5％时，判定内燃机为稳态工况，转步骤(2)；

(2)关闭喷水装置，依据转速和扭矩在发动机ECU中存储数据查表获取EGR开度数据，通过ECU内置程序控制EGR阀通过ECU内置算法控制EGR阀开度执行器以实现目标EGR阀门开度；

(3)EGR阀开度稳定后，控制EGR阀门达到该工况下目标开度后将该开度锁定，然后通过喷水装置来闭环控制EGR率。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(3)包括如下步骤：

(3.1)首先开环控制EGR阀达到该工况区域下的基准开度，然后将阀门开度锁死；

(3.2)通过缩放管两端的温度及压力传感器计算EGR废气流量，计算公式为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}=\frac{{\mathrm{Ap}}_u}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_u}}{\mathrm{\π}}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}(1-{\mathrm{\π}}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}})}$

式中：A为缩放管喉口面积，T_u、p_u分别为缩放管前端传感器的温度及压力，π为缩放管后端压力传感器测量值之比，γ为热容比，R为气体常数；

(3.3)计算出废气流量后，通过当前发动机扭矩、转速及EGR阀开度在ECU中查取空气进气量通过进气量及EGR废气流量计算实际EGR率：

$r_{\mathrm{EGR}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}}$

式中：r_EGR为EGR率；

(3.4)通过比较计算得到的实际EGR率与存储在ECU中的目标EGR率，通过如下PID算法计算输出的喷水嘴喷射脉宽：

$y=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}]$

e(t)＝r_EGR,target-r_EGR

式中：y为ECU输出，用于控制喷水嘴脉宽；K_p、T_I分别为该算法的比例系数和积分系数，K_p、T_I是PID控制策略的常数，需要根据系统响应特性进行设定，e(t)为目标EGR率与通过权利要求5计算出的EGR率之差；

(3.5)当温度传感器测量的EGR废气温度低于设定温度时，EGR废气直接通过EGR节温器进入进气管路，当温度传感器测量的EGR废气温度高于设定温度时，EGR废气通过EGR节温器和EGR中冷器进入进气管路。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(3.1)包括如下步骤：通过ECU监测的发动机稳态工况下的转速及喷油量，依据这两个参数在ECU中的数据中查表获取EGR阀门开度数据，该开度称为基准阀门开度，通过ECU控制EGR阀开度执行器以实现基准阀门开度后将阀门位置锁定；

7.根据权利要求5所述的内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：所述步骤(1)的两个设定时间均为30S。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(3.5)的两个设定温度为120℃。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明监测发动机的转速及扭矩变化幅度，当一定时间内转速或扭矩的变化幅度超过某一极限值时，判定内燃机为瞬态工况；反之则判定内燃机为稳态工况。瞬态工况下发动机EGR率控制方法与传统控制方法相同，为开环控制方式，通过控制EGR阀开度实现目标EGR率；稳态工况下首先开环控制EGR阀达到该工况区域下的基准开度，然后将阀门开度锁死，进一步通过喷水嘴、缩放管等组成的闭环EGR率控制系统来控制EGR率。本发明能有效提高发动机控制精度，并降低发动机生产成本。

附图说明

图1为传统EGR内燃机系统布置示意图；

图2为本发明中EGR内燃机闭环控制系统布置示意图

其中各部件为：1.进气口；2.压气机；3.涡轮；4.气缸；5.EGR阀；6.喷水嘴；7.缩放管；8.EGR节温器；9.EGR中冷器；10.排气口，11.进气管路，12.出气管路，13.EGR管路。

具体实施方式:

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图2，进气口1通过压气机2被压缩后与EGR废气混合进入气缸4参与燃烧做功，燃烧完的废气通过涡轮3膨胀做功后排出；在排气管路上设有EGR系统，排气顺序通过EGR阀5、喷水嘴6、缩放管7，缩放管流出的废气在不同温度范围下通过EGR节温器分别通过EGR中冷器9或直接进入进气系统。其中在缩放管入口及喉口上安装有温度及压力传感器。通过这套闭环EGR控制机构可以实现对发动机EGR率进行闭环控制。

其控制方法为：

(1)首先判定发动机工作状态为瞬态还是稳态。监测转速及扭矩变化幅度，当30s内转速或扭矩的变化幅度≥5％时，判定内燃机为瞬态工况；当30s内转速和扭矩的变化幅度＜5％时，判定内燃机为稳态工况；

(2)当发动机处于瞬态工况时，关闭发动机的闭环控制系统，进行开环EGR率控制。具体方法为通过ECU监测的发动机瞬态工况下的转速及喷油量，依据这两个参数在ECU中的数据中查表获取EGR阀门开度数据，通过ECU控制EGR阀开度执行器以实现目标EGR阀门开度；

(3)当发动机处于稳态工况时，激活发动机的闭环控制系统，进行闭环EGR率控制。具体方法为：

①通过ECU监测的发动机稳态工况下的转速及喷油量，依据这两个参数在ECU中的数据中查表获取EGR阀门开度数据，该开度称为基准阀门开度，通过ECU控制EGR阀开度执行器以实现基准阀门开度后将阀门位置锁定；

②通过缩放管两端的温度及压力传感器计算EGR废气流量，计算公式为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}=\frac{{\mathrm{Ap}}_u}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_u}}{\mathrm{\π}}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}(1-{\mathrm{\π}}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}})}$

式中：A为缩放管喉口面积，T_u、p_u分别为缩放管前端传感器的温度及压力，π为缩放管后端压力传感器测量值之比，γ为热容比，R为气体常数；

③计算出废气流量后，通过当前发动机扭矩、转速及EGR阀开度在ECU中查取空气进气量通过进气量及EGR废气流量计算实际EGR率

$r_{\mathrm{EGR}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}}$

式中：r_EGR为EGR率；

④通过比较计算得到的实际EGR率与存储在ECU中的目标EGR率，通过如下PID算法计算输出的喷水嘴喷射脉宽：

$y=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}]$

e(t)＝r_EGR,target-r_EGR

式中：y为ECU输出，用于控制喷水嘴脉宽；K_p、T_I分别为该算法的比例系数和积分系数，K_p、T_I是PID控制策略的常数，需要根据系统响应特性进行设定，e(t)为目标EGR率与通过权利要求5计算出的EGR率之差；

当温度传感器测量的EGR废气温度低于120℃时，EGR废气直接通过EGR节温器进入进气管路，当温度传感器测量的EGR废气温度高于120℃时，EGR废气通过EGR节温器和EGR中冷器进入进气管路。

上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种内燃机废气再循环闭环控制系统，包括气缸，所述气缸通过进气管路连接压气机，所述气缸通过出气管路连接涡轮，所述进气管路和出气管路之间连接有EGR管路，其特征是：所述管路三上设置有串接的EGR节温器、缩放管和EGR阀，所述进气管路和所述EGR节温器之间还设置有EGR中冷器，所述缩放管的两端都设置有温度及压力传感器，所述EGR阀和缩放管之间设置有能够向所述EGR管路喷水的喷水装置。

2.根据权利要求1所述的内燃机废气再循环闭环控制系统，其特征是：所述压气机上设置有进气口。

3.根据利要求1所述的内燃机废气再循环闭环控制系统，其特征是：所述涡轮上设置有排气口。

4.一种内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)发动机ECU检测发动机的转速和扭矩，当设定时间内转速或扭矩的变化幅度≥5％时，判定内燃机为瞬态工况，转步骤(3)；当设定时间内转速和扭矩的变化幅度＜5％时，判定内燃机为稳态工况，转步骤(2)；

(2)关闭喷水装置，依据转速和扭矩在发动机ECU中存储数据查表获取EGR开度数据，通过ECU内置程序控制EGR阀通过ECU内置算法控制EGR阀开度执行器以实现目标EGR阀门开度；

(3)EGR阀开度稳定后，控制EGR阀门达到该工况下目标开度后将该开度锁定，然后通过喷水装置来闭环控制EGR率。

5.根据权利要求4所述的内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：所述步骤(3)包括如下步骤：

(3.1)首先开环控制EGR阀达到该工况区域下的基准开度，然后将阀门开度锁死；

(3.2)通过缩放管两端的温度及压力传感器计算EGR废气流量，计算公式为：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}=\frac{A{p}_u}{\sqrt{{\mathrm{RT}}_u}}{\mathrm{\π}}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}(1-{\mathrm{\π}}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}})}$

式中：A为缩放管喉口面积，T_u、p_u分别为缩放管前端传感器的温度及压力，π为缩放管后端压力传感器测量值之比，γ为热容比，R为气体常数；

(3.3)计算出废气流量后，通过当前发动机扭矩、转速及EGR阀开度在ECU中查取空气进气量通过进气量及EGR废气流量计算实际EGR率：

$r_{\mathrm{EGR}}=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}}{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{EGR}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{Air}}}$

式中：r_EGR为EGR率

(3.4)通过比较计算得到的实际EGR率与存储在ECU中的目标EGR率，通过如下PID算法计算输出的喷水嘴喷射脉宽：

$y=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}]$

e(t)＝r_EGR,target-r_EGR

式中：y为ECU输出，用于控制喷水嘴脉宽；K_p、T_I分别为该算法的比例系数和积分系数，K_p、T_I是PID控制策略的常数，需要根据系统响应特性进行设定，e(t)为目标EGR率与通过权利要求5计算出的EGR率之差；

(3.5)当温度传感器测量的EGR废气温度低于设定温度时，EGR废气直接通过EGR节温器进入进气管路，当温度传感器测量的EGR废气温度高于设定温度时，EGR废气通过EGR节温器和EGR中冷器进入进气管路。

6.根据权利要求5所述的内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：所述步骤(3.1)包括如下步骤：通过ECU监测的发动机稳态工况下的转速及喷油量，依据这两个参数在ECU中的数据中查表获取EGR阀门开度数据，该开度称为基准阀门开度，通过ECU控制EGR阀开度执行器以实现基准阀门开度后将阀门位置锁定。

7.根据权利要求5所述的内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：所述步骤(1)的两个设定时间均为30S。

8.根据权利要求5所述的内燃机废气再循环闭环控制方法，其特征是：所述步骤(3.5)的两个设定温度为120℃。