CN109209659B - 一种基于内燃机充量因数的egr率修正系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于内燃机充量因数的EGR率修正系统和方法，属于发动机领域。该方法以实验室标准环境下的充量因数标定脉谱为基础，采用充量因数与进气歧管气体温度之间的强相关度关系，对充量因数进行温度修正，然后利用充量因数的定义方程，计算实际的EGR率，并与目标EGR率的标定值或修正值进行比较，完成对EGR阀开度的闭环反馈控制。本发明能够在EGR系统和中冷器由于脏污结垢或效能变化等运行原因偏离实验室标定条件时准确确定发动机在实际使用时的EGR率，而且无需增加常设传感器之外的额外传感器，具有功能强大和适合推广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种EGR率修正系统，尤其是一种基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，还涉及基于该系统的修正方法，属于发动机领域。
背景技术
排气再循环(Exhaust Gas Recirculation，简称EGR)技术是控制氮氧化物排放的最有效措施之一，已经被广泛应用到美欧日等国的先进低排放内燃机和国内满足最新排放法规的国五或国六柴油机上，而且在汽油机和气体燃料内燃机上也有广泛应用。
EGR技术是最为重大的节能环保技术之一，其地位之重要可以与广泛应用在各种内燃机上的后处理装置相提并论。EGR技术的核心内容之一是针对EGR率的精确电控技术。因此，在发动机实际使用过程中，准确测量或求解EGR率具有极为重要的意义，这个课题自本世纪初以来吸引各国内燃机行业创造了众多发明。
EGR率的标准定义是指EGR质量流量除以发动机新鲜空气和EGR的混合气汇总质量流量。
EGR阀的电控分为开环控制和闭环控制。在开环控制中，各工况的EGR阀开度在发动机实验室的标准环境下标定，而在装机使用时并无反馈控制。在闭环控制中，EGR阀在发动机使用时会针对阀开度、空气流量、EGR流量中的一种指标作为控制目标，予以反馈控制。
EGR系统包括EGR阀、EGR冷却器和连接管路，不但具有生产一致性方面的制造偏差，而且随着发动机运行时间的增加，会形成脏污结垢或堵塞，影响流动阻力和冷却效果，称为EGR系统退化。发动机进气冷却环路中位于压气机出口处的中冷器也存在效能退化的问题，而且实验室所用的中冷器(通常为水冷)往往与在车的中冷器(通常为空气冷却)是不同的。另外，当EGR冷却器或中冷器的冷却介质的流量或温度发生变化时，它们的传热效能或冷却介质温度会导致进气歧管气体温度发生变化，使之偏离实验室标定情况，称为冷却器变化。
将EGR阀开度作为控制目标，工程应用价值最低，因为它在电控上不能提供当EGR系统退化时所需的EGR率。使用空气流量作为控制目标而试图间接控制EGR率，从发动机空气系统原理上分析，也是错误的做法，因为达到目标空气流量并不代表达到目标EGR率。以具有可变截面涡轮的EGR发动机为例分析，在任一转速-负荷工况，涡轮叶片开度和EGR阀门开度耦合确定空气流量和EGR率。因此，当涡轮叶片开度和EGR阀开度同时变化时，完全能够造成EGR率发生变化而空气流量保持不变的情况。正确的EGR阀控制目标应当是EGR率。而且，目标EGR率还可以依照EGR系统或中冷器的效能退化或变化程度而变化，以满足排放或耐久性要求。
EGR率在实验室条件下容易用各种高级复杂的传感器测量获得，例如使用CO2或O2浓度传感器。但是，EGR率在发动机实际使用条件下很难直接测量。过去出现大量专利试图解决这一问题，这些现有技术大体分为以下三类：
第一类方法是利用EGR阀前后的压差传感器和EGR阀的流通面积计算EGR率。这种方法不仅需要增加额外的压力传感器，而且无法应对EGR阀和冷却器的退化情形。
第二类方法是利用进气歧管和排气歧管的气体温度传感器的温度信号计算EGR率，这种方法同样需要增加额外的传感器，而且计算很不准确，甚至有些方法从原理上讲是错误的。
第三类方法是利用进排气系统中的空燃比传感器或氧传感器的信号计算EGR率。这种方法存在上述相同的缺点。
上述技术方案存在EGR率的计算不准确或甚至错误、需要使用超出发动机常设传感器范围的额外的昂贵传感器等问题，增加了成本，而且增加了传感器的耐久性风险，因此不实用，也难以推广。
内燃机上常规设置的传感器包括空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器。如何充分利用这些已经存在的传感器信号，低成本地准确计算在EGR系统或中冷器发生效能退化或变化时的EGR率，是解决在机获取EGR率作为电控反馈控制目标的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于内燃机充量因数的EGR率修正系统和方法。本发明的技术方案具体如下：
一种基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，包括控制单元，控制单元与转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元相连接，其特征在于：
控制单元包括存储单元、EGR率计算修正单元和EGR阀控制单元，其中：
存储单元存储充量因数标定脉谱，以及转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元所采集的数据以及目标EGR率的标定值或修正值；
EGR率计算修正单元根据存储单元的数据，对充量因数进行修正，按下式进行：
Y＝aX+b，
其中，X为进气歧管气体温度或密度或温度和密度相对于任意选定基准值进行比较的变化额度，所述基准值是实验室标准环境或其他选定条件下的温度或密度，所述变化额度是指变化的差值、比值或百分比；
Y为充量因数或其相对于任意选定基准值进行比较的变化额度；
a为内燃机的第一修正系数，代表Y相对于X变化的直线斜率；b为内燃机的第二修正系数，代表Y相对于X变化的直线截距；
根据修正的充量因数计算EGR气体质量流量
进而计算EGR率：
其中，
是空气流量传感器测得的新鲜空气质量流量；
根据计算的EGR率与目标EGR率的标定值或修正值进行比较后，对EGR阀控制单元进行反馈控制。
进一步地，负荷信号采集单元采集发动机的燃油量、扭矩或油门开度的其中一个或多个的数据。
进一步地，EGR率计算修正单元按下式计算EGR气体质量流量
其中，
是流量传感器测得的空气质量流量，T2a是温度传感器测得的进气歧管气体温度，Rgas是气体常数，p2a是压力传感器测得的进气歧管气体压力，NE是转速传感器测得的发动机曲轴转速，VE是发动机总排量(由气缸直径、冲程和气缸数确定)，n是冲程系数(对于四冲程内燃机，n＝2；对于二冲程内燃机，n＝1)，ηvol,cor为进气歧管混合气标定充量因数。
进一步地，所述充量因数标定脉谱由标定充量因数获得，标定充量因数在任意选定的标准标定环境下依照发动机转速、负荷信号、进气歧管增压压力、排气歧管压力、进气歧管气体温度或排气歧管气体温度中的任何一个或几个参数而变化。
本发明还涉及的基于上述的系统的EGR率修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)建立充量因数标定脉谱，并存入控制单元；
(2)使用内燃机时，对充量因数进行进气歧管气体温度修正；
按下式进行：
Y＝aX+b，
其中，X为进气歧管气体温度或密度或温度和密度相对于任意选定基准值进行比较的变化额度，所述基准值是实验室标准环境或其他选定条件下的温度或密度，所述变化额度是指变化的差值、比值或百分比；
Y为充量因数或其相对于任意选定基准值进行比较的变化额度；
a为内燃机的第一修正系数，代表Y相对于X变化的直线斜率；b为内燃机的第二修正系数，代表Y相对于X变化的直线截距；
根据修正的充量因数计算EGR气体质量流量
进而计算EGR率：
其中，
是空气流量传感器测得的新鲜空气质量流量；
根据计算的EGR率与目标EGR率进行比较后，对EGR阀控制单元进行反馈控制。
进一步地，所述目标EGR率随进气歧管气体温度变化而变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)不论EGR系统中的部件或中冷器的性能如何偏离实验室标定条件，本方法都能准确计算EGR率，为EGR阀的闭环电控反馈提供准确的反馈信号，确保发动机的排放始终满足法规要求。
本发明采用充量因数的定义方程正确计算EGR率，并对充量因数实施进气歧管气体温度修正，所计算的EGR率依靠测量获得的空气流量、进气歧管压力和混合气温度等信号，是按照气体质量流量分数所定义的EGR率，计算方法非常标准。其作为EGR阀开度的控制目标，能够实现精确控制各工况EGR率的目的，不受EGR系统或中冷器脏污结垢老化增阻等影响，不受EGR冷却器或中冷器传热效能变化的影响，也不受管路变化和生产一致性的影响。
(2)本发明的算法不仅原理正确，而且不要求在发动机上安装超出常设传感器之外的额外传感器，以便确保该方法成本低廉，不增加耐久性风险，易于推广，具有普适于稳态工况和瞬态工况等突出特点。
附图说明
图1为本发明的修正系统的系统框架图；
图2为本发明的基于发动机转速和扭矩的进气歧管混合气充量因数标定脉谱图，所述混合气是指空气(又称新鲜空气)和EGR气体的混合物；
图3为针对本实施例的重载柴油机所呈现的充量因数与进气歧管气体温度之间的关系图；图中在每一个转速下的大量数据点代表具有各种不同效能水平(即不同的退化或变化水平)的EGR冷却器或中冷器在不同的发动机负荷时的表现。
图4为目标EGR率与进气歧管气体温度的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明所涵盖的一部分实例，而不是全部所有实例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例是基于涡轮增压重载柴油机的充量因数的EGR率修正系统，包括控制单元，控制单元与发动机转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元相连接。
控制单元包括存储单元、EGR率计算修正单元和EGR阀控制单元，其中：存储单元存储充量因数标定脉谱，以及转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元所采集的数据以及目标EGR率的标定值或修正值。本实施例的负荷信号采集单元采集扭矩的数据。
EGR阀控制单元根据EGR率计算修正单元的计算结果控制EGR阀的开度，精确控制各转速-负荷工况的EGR率。
在本实施例中，空气流量传感器采集新鲜空气流量。进气歧管压力传感器采集发动机的进气歧管压力。进气歧管气体温度传感器采集新鲜空气和EGR气体的混合气温度。
充量因数标定脉谱是指在任意选定的标准标定环境下(例如零海拔或高海拔，25℃环境温度，标准湿度)的充量因数与发动机转速和负荷等性能参数之间的依变关系数据表或图线。这种充量因数称为标定充量因数。
本实施例中，在使用发动机时，控制单元首先查取充量因数标定脉谱，然后对其进行温度修正，获得修正充量因数，再计算实际EGR率，最后将实际EGR率与目标EGR率进行比较后实施反馈控制。目标EGR率可以是实验室标定条件下的EGR率，也可以是采用进气歧管气体温度对标定EGR率进行调整后的修正值。具体如下：
充量因数标定脉谱通过实验室标定工作获取，按照式(1)计算标定充量因数。在本实施例中，按照充量因数(又称充气效率或容积效率)的定义，进气歧管混合气标定充量因数ηvol,cal可以按照下式计算：
式中，
是流量传感器测得的新鲜空气质量流量，
是实验室标定时测得的排气再循环气体质量流量，ρ2a是进气歧管混合气密度
T2a是测得的进气歧管混合气温度，Rgas是气体常数，p2a是测得的进气歧管气体压力，NE是测得的发动机曲轴转速，VE是发动机总排量，n是冲程系数(对于四冲程内燃机，n＝2；对于二冲程内燃机，n＝1)。
本实施例的混合气充量因数标定脉谱如图2所示，在式(1)中如果令
所得充量因数称为新鲜空气充量因数。在图2中，X轴(横轴)是发动机转速，Y轴(纵轴)是发动机扭矩。
标定充量因数在任意选定的标准标定环境下依照转速变化，而且依照燃油量、扭矩、油门开度等负荷信号或进气歧管增压压力、排气歧管压力、进气歧管气体温度或排气歧管气体温度中的任何一个或几个参数而变化。本实施例以选取发动机扭矩作为负荷信号为例，在图2中展示充量因数随发动机转速和扭矩而变化。
标定充量因数与配气机构、气道和歧管设计有关。对于可变气门发动机，标定充量因数还与进气门或排气门的标定定时有关。
在图3中，X轴是进气歧管混合气体温度与标准标定温度之间的偏差百分比(以Kelvin为温度单位计算所得)；Y轴是进气歧管混合气充量因数与标准标定充量因数之间的偏差百分比。
圆点是转速为1250rpm下的数据点，代表具有各种不同效能水平(即不同的退化或变化水平)的EGR冷却器和中冷器在不同负荷时的表现；三角点是转速为1600rpm下的数据点；矩形点是1950rpm下的数据点。
图3中作为示例的修正关系式Y＝0.3X呈现出充量因数与进气歧管气体温度之间具有很强的线性相关度。修正关系式中的系数取值对于不同的发动机可以是不同的。另外，可以使用一个简化的修正关系式大体覆盖全转速区域的整体趋势，也可以针对每个转速拟合更为准确的修正关系式。如果假设发动机气缸的进气边界条件中的进气流量和进气歧管气体压力保持不变，从式(1)可见，当进气歧管气体温度升高时，发动机的充量因数会增加。但事实上，进气歧管气体温度和充量因数的变化会直接影响进气流量和进气歧管气体压力，造成它们发生变化。例如，当进气歧管气体温度升高时，空气流量通常会减小。因此，进气歧管气体温度对充量因数的真实影响幅度要比所述的假设情况复杂得多，如图3所示。
图3中所示的修正关系式可以通过改变EGR冷却器或中冷器的效能采用模拟计算或实验测试获得，通过控制单元能够计算修正的充量因数ηvol,cor。
基于充量因数的EGR率计算关系式可通过对式(1)推导变换为式(2)而得：
在式(2)中，空气流量、进气歧管气体温度和压力都是发动机在使用时通过在机常设传感器测得的。唯一的未知数是EGR流量。然后，根据EGR率的标准定义，可准确计算EGR率
为
在图4中，X轴是进气歧管气体温度，Y轴是目标EGR率。图4中的每一条工况线代表在该转速-负荷工况时的目标EGR率随冷却器效能退化或变化的关系式。
在图4中，每条线中的圆点代表在标准标定条件下采用标定冷却器时的进气歧管气体温度和对应的目标EGR率。例如，标定点1表示在转速-负荷工况1时在标准标定条件下的进气歧管气体温度和与之对应的目标EGR率。标定点2到4的含义以此类推。每个工况通常都具有不同的进气歧管气体温度和目标EGR率。目标EGR率是根据排放、性能和耐久性等要求标定或确定的。
发动机的氮氧化物(NOx)排放量不仅与EGR率有关，也与进气歧管温度有关。一般来讲，EGR率越高或进气歧管气体温度越低，NOx排放越少。在使用发动机时，当进气歧管气体温度升高而偏离标定值时，如果EGR率维持不变，NOx排放会增加。此时，如果需要维持与标定条件相同的NOx排放量，就需要增加EGR率，即需要对标定的目标EGR率进行修正。从图4可见，目标EGR率可以随EGR系统或中冷器的退化或变化而导致的进气歧管气体温度而变化，并可以通过排放模拟计算或实验测试获取。一般来讲，当进气歧管气体温度升高时，为了达到相同的氮氧化物排放，目标EGR率需要经过修正而增大，以达到补偿效果，使得发动机在硬件性能偏离实验室标定条件时仍然能够获得正确的EGR率，以满足排放或耐久性要求。当然，如果不想维持标定时的NOx排放量，也可以不修正目标EGR率。
将按照式(3)计算出的实际EGR率与目标EGR率相比较，得出两者之间的差额，控制单元根据该差额使用闭环反馈控制对EGR阀的开度予以调整。当实际EGR率大于目标EGR率时，EGR阀开度将减小，以便使实际EGR率达到目标EGR率。
在式(2)和式(3)关于EGR率的计算中，由于空气流量、进气歧管气体温度和压力等测试信号反馈迅速，能够适应发动机瞬态工况的快速变化要求，本发明专利的EGR率计算方法不仅适用于稳态工况，也适用于瞬态工况。这种高精度的EGR率计算和反馈控制方法为瞬态工况的EGR阀门开度控制调整和防止EGR瞬态超调创造了良好基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，包括控制单元，控制单元与转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元相连接，其特征在于：
控制单元包括存储单元、EGR率计算修正单元和EGR阀控制单元，其中：
存储单元存储充量因数标定脉谱，以及转速传感器、空气流量传感器、进气歧管气体压力传感器、进气歧管气体温度传感器和负荷信号采集单元所采集的数据，以及目标EGR率的标定值或修正值；
EGR率计算修正单元根据存储单元的数据，对充量因数进行修正，按下式进行：
Y＝aX+b，
其中，X为进气歧管气体温度或密度或温度和密度相对于任意选定基准值进行比较的变化额度，所述基准值是实验室标准环境的温度或密度，所述变化额度是指变化的差值、比值或百分比；
Y为充量因数或其相对于任意选定基准值进行比较的变化额度；
a为内燃机的第一修正系数，代表Y相对于X变化的直线斜率；b为内燃机的第二修正系数，代表Y相对于X变化的直线截距；
根据修正的充量因数计算EGR气体质量流量
进而计算EGR率：
其中，
是空气流量传感器测得的新鲜空气质量流量；
根据计算的EGR率与目标EGR率的标定值或修正值进行比较后，对EGR阀控制单元进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，其特征在于：负荷信号采集单元采集发动机的燃油量、扭矩或油门开度的其中一个或多个的数据。
3.根据权利要求1所述的基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，其特征在于：EGR率计算修正单元按下式计算EGR气体质量流量
其中，
是流量传感器测得的空气质量流量，T2a是温度传感器测得的进气歧管气体温度，Rgas是气体常数，p2a是压力传感器测得的进气歧管气体压力，NE是转速传感器测得的发动机曲轴转速，VE是发动机总排量，n是冲程系数，ηvol,cor为进气歧管混合气标定充量因数。
4.根据权利要求1所述的基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，其特征在于：所述充量因数标定脉谱由标定充量因数获得，标定充量因数在任意选定的标准标定环境下依照发动机转速、负荷信号、进气歧管增压压力、排气歧管压力、进气歧管气体温度或排气歧管气体温度中的任何一个或几个参数而变化。
5.根据权利要求1所述的基于内燃机充量因数的EGR率修正系统，其特征在于：所述目标EGR率随进气歧管气体温度变化而变化。
6.一种基于权利要求1～4之一所述的系统的EGR率修正方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)建立充量因数标定脉谱，并存入控制单元；
(2)使用内燃机时，对充量因数进行进气歧管气体温度修正；
按下式进行：
Y＝aX+b，
其中，X为进气歧管气体温度或密度或温度和密度相对于任意选定基准值进行比较的变化额度，所述基准值是实验室标准环境下的温度或密度，所述变化额度是指变化的差值、比值或百分比；
Y为充量因数或其相对于任意选定基准值进行比较的变化额度；
a为内燃机的第一修正系数，代表Y相对于X变化的直线斜率；b为内燃机的第二修正系数，代表Y相对于X变化的直线截距；
根据修正的充量因数计算EGR气体质量流量
进而计算EGR率：
其中，
是空气流量传感器测得的新鲜空气质量流量；
根据计算的EGR率与目标EGR率进行比较后，对EGR阀控制单元进行反馈控制。
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