VGT_EGR替代方案控制策略的实现_翁乙文_图文

1、 收稿日期 :2010-08-06; 修回日期 :2010-10-09 基金项目 :科技部创新基金 (08C 26213200538 作者简介 :翁乙文 (1987 , 男 , 硕士 , 研究方向为发动机电控技术 ; w engyiw en2006yah oo . com . cn 。VGT -EGR 替代方案控制策略的实现翁乙文 1, 宋雪桦 1, 王 忠 1, 张育华 2(1. 江苏大学汽车学院 , 江苏 镇江 212013; 2. 恒驰科技有限公司 , 江苏 镇江 212009 摘要 :基于柴油机 VG T -EG R 系统的 控制原理 , 提出了由电子节气 门 (ETC 可变废气控制

2、系统 (VEC 联合 控制替代 VG T 单独控制并结合 EG R 系统进一步降低柴油机排放的方案 , 建立了能够模拟多缸单体泵柴油机运 行 并通 过芯片内部程序对其执行器进行控制的在环仿真试验平台 , 制取了不同工况下的循环油量 M A P 图 , 研究并 制 订了 ET C , V EC 和 EG R 系统的控制策略 , 并通过在环仿真试验验 证了控制策略的可行性 。 关键词 :柴油机 ; 电子节气门 ; 废气旁通阀 ; 控制策略 ; 废气再 循环 ; 可变废气控制 ;中图分类号 :U464. 135; T K 421. 8 文献标志码 :B 文章编 号 :1001-2222(2010 0

3、6-0017-05 改善燃烧过程控制污染气体排放已经成为降低 污染物排放的重要一环 。 为改善柴油机燃烧过程 , 使排放达 到 国 标 准 , 主 流 的选 择 之一 是 VG T -EG R 方案 1-4, 这种方案的最大优点在于通过 VGT和 EG R 的良好匹配 , 可同时降低 HC , CO , 炭烟以 及 NO x 排放 。 然而 VG T 的核 心技术主要掌 握在 欧美发达国家手中 , 同时价格也比较高 , 国内企业虽 然也有研究 , 但距产业化还有一定的距离 , 因此有必 要研究一套较为经济且切实可行的替代方法 。 本研 究对柴油机电子节气门 (ETC 可变废气控制系统 (VEC

4、 替代 VGT 的方法和策略进行了研究 , 并提 出了 E TC -VEC -EGR 系统联合控制方案 。1 替代方案1. 1 替代方案的提出VG T 通过改变连续可变涡轮增压器静叶片的 导向角来控制废气的流速以及压力 , 从而改善普通 涡轮增压器一直存在的启动 、 加速滞后和涡轮超速 等问题 。 更为重要的是 , VG T 可根据柴油机运行工 况 , 通过精确控制增压压力获得满足性能与排放要 求的缸内混合气浓度 。普通涡轮增压器一般都以中间转速或最大扭矩 转速与柴油机进行匹配 , 这样 , 在柴油机起动和低负 荷时 , 涡轮转速的提高需要较长的时间 , 表现为柴油 机加速滞后 ; 而当柴油机

5、处于高负荷状态时 , 涡轮转 速过高 。 通常的解决办法是在高负荷时将涡轮前一 部分废气通过废气旁通阀直接导入排气管 , 以降低涡轮前的能量 。 传 统机械 旁通 阀一 旦开启 , 废 气 的流通截 面积就 不变了 , 不 能满足 柴油 机工况 变 化对增压压力的需求 。 为实现连续可变废 气旁通 控制 , 曾经有 人提出 利用比 例电磁 铁来 控制废 气 旁通阀开 度的方 案 , 但是由 于排气 温度 超出了 电 磁铁正常 工作的 温度范 围 , 这一方 案一 直无法 用 于实践 。为此 , 本研究提出将涡轮增压器与柴油机在低 负荷区进行匹配的方法 。 采用可变真空调节执行机 构实现了对废气

6、旁通阀的全程可控调节 , 该系统称 为可变 废气 控制系 统 (Va riable Ex haust Co ntro l , VEC 。 随着柴油机负荷的增 加 , 通过 连续调节废 气旁通阀的通流截面控制涡轮前的废气能量 , 进而 得到柴油机所需的最佳增压压力 。图 1示出可变真空调节执行机构 , 它由废气旁 通阀 、 真空执行器 、 电磁真空调节阀组成 , EC U 通过 PWM 方式控制电磁真空调节阀的 开闭占空比 , 以 控制真空执行器的真空度 , 进而调节废气旁通阀的 开度 。 真空执行器为膜片式差压调节装置 , 膜片的图 1 真空调节 V EC 系统第 6期 (总第 191期 20

7、10年 12月 车 用 发 动 机 V EH ICLE ENG IN E N o . 6(Se rial N o . 191Dec . 2010一面通大气 , 另一面接真空调节阀 , 利用膜片两面的 压差使其产生变形位移 , 再通过连接杆膜片的变形 位移转变成为废气旁通阀开度的变化 。 1. 2 替代方案分析柴油机运行时 , VEC 开度的变化可以改变涡轮 前废气流量 , 达到控制涡轮转速的目的 , 从而改变增 压压力 , 以达 到控制空燃比 的效果 。 可是 V EC 也 有明显的不足 , 相对于 VG T 系统 , V EC 对增压压力 的控制不够精确 , 导致对进气量的控制不能达到理 想

8、的效果 。 为了更为精确地控制柴油机不同工况下 的混合气浓度 , 在柴油机上使用了 ETC , 通过 ETC 开度与 VEC 开度的优化匹配来实现对进气量更为 精确的控制 。 柴油机处于起动或加速状态时 , 通过 减小 VEC 开度使排气管内压力短时间内升高并增 加 ETC 开度使进气量增加 ; 柴油机处于高负荷时则 增加 VEC 和 ETC 的开度使进气量增加的同时避免 涡轮超速 , 通过标定就能够较为精确地控制柴油机 各工况下的混合气浓度 , 使柴油机在运行过程中混 合气浓度始终维持在最佳值 , 实现在提高柴油机动 力性和经济性的同时降低 CO 和 HC 排放的目标 , 再结合电控 EG

9、R 系统来降低 NO x 排放 , 最终使污 染物排放整体下降 。2 控制策略通常柴油机输出扭 矩可以用循环供油量 Q 来 近似表征 。 当柴油机以某一确定工况运行时 , 所需 循环供油量 Q 便确 定了 , 通过柴 油机台 架标定 试 验 , 调节 VEC 开度 P exu 和 ETC 开度 P ECT , 可以得到 既满足排放要求又 有良好经济性的混合气 。 P exu , P ECT 可按下述函数关系进行标定 :P exu=f (Q , n , P ECT =g (Q , n 。2. 1 控制模块的划分分别对 EG R , VEC 和 E TC 3个模块进行控制 :EG R 采用 EC

10、U CAN 总 线 MAP 控制 ; VEC 采用 ECU 口线控制 , 其开度通过 PWM 信号间接驱动 实现 ; ETC 控制采用 ECU 口线控制 , 其中有电子节 气门正反向位置 PWM 信号驱动 (ETC 内部已有功 率驱动 , 位置反馈为 AD 量 , 位置控制采用 PID 调 节程序 。 2. 2 控制方案2. 2. 1 循环油量的控制根据柴油机运行的不同工况首先查对应的基本 , M AP 进行修正后获得循环油 量目标值 , 最后通过 最终扭矩限制油量和最终冒烟限制油量的限制 , 取 三者的最小值作为最终目标油量 。 循环供油量的控 制见图 2。图 2 循环供油量控制2. 2.

11、2 VEC 模块控制方案VEC 通过芯 片内部 已标定 的开度 PWM 转 换 M AP , 将需要的 V EC 开度转换成为 PWM 占空 比来驱动电磁真空调节阀工作 。 V EC 开度取决于 循环供油量 Q 以及柴油机转速 n , 控制量为 K 。 标 定过程中 , 以增压压力 p 作为标定 K 的参考值 。K =f K (Q , n 。M AP 图的横坐标为循环供油量 Q , 纵坐标为柴油机转速 n , 目标量为 VEC 系统中电磁真空调节阀 的 PWM 占空比 K 。 2. 2. 3 EG R 模块控制方案EGR 用来抑制 NO x 的生成和排放 , EGR 阀的 开度取决于柴油机负荷

12、 M (这里用循环供油量 Q 近 似表征 以及柴油机转速 n , 控制量为 。=f (Q , n 。M AP 图的横坐标为循环供油量 Q , 纵坐标为柴 油机转速 n , 目标量为 EG R 阀的开度 。·18· 车 用 发 动 机 2010年第 6期2. 2. 4 E TC 模块控制方案通过 E TC 开度控制空燃比 。MAP 变量为循环供油量 Q 和增压压力 p 。 修 订变量为进气歧管温度 T m , EG R 开度 和柴油机 转速 n 。g =f T m , , n (Q , p 。MAP 图的横坐标为增压压力 p , 纵坐标为循环 供油量 Q , 目标量为 ETC

13、 开度 g 。3 试验平台3. 1 硬件平台试验平台所需要的基本硬件包括发动机工况模 拟信号发生器 , ECU , CAN 通信模块 , 真空执行器 , 真空调节阀 , 电子节气门 , EGR 阀等 。 通过 信号发 生器模拟柴油机不同工况下采集到的传感器信号 , 经过整形 、 滤波 、 放大以及模数转换等处理后送入处 理芯片 , 然后通过内部计算及 M AP 插值获 得各相 应执 行器的 控制参 量 , 最 终实现 对 VEC , EGR 和 ETC 的控制 。 硬件平台构架框见图 3 。1 EGR ; 2 ET C ; 3 涡轮增压器 ; 4 真空阀 ;5 PCS ; 6 柴油机 ; 7

14、CAN图 3 硬件平台构架3. 2 软件系统软件系统 主要 包括 两个部 分 :一个 是控 制柴 油机能够按 照设定 要求正 常运行 的控制 软件 , 一 个是针对柴油机在环仿真试验或 台架试验中可能 需要 调 试 、 监 控 或 者 标 定 的 量 进 行 处 理 的 标 定 软件 。试验选用的 H T D6E 电控单元 , 设计 了标定 软件 , 定 。 该软件与 CCP 协议结合 , 不仅能完成 EC U 标定 , 柴油机及整车运行状态的监控 , 重要传感器和执行器的诊断 , 同时还能在 ECU 行期间直接访问内存并进行操作 。 图 4的标定界面 。图 4 标定界面4 控制方案的实现根据

15、 各模 块 的详 细控 制 策略 , 编写 了 VEC , EGR , ETC 的 控制 子程 序 , 根据 控制 需 要建 立了 EGR 阀开度目标值 MAP , V EC 废气旁通阀 PWM 目标值 M AP , 电子节 气门开度目标 值 MAP , EG R 阀开度 M AP 以及柴油机转速和冷却水温对电子节 气门开度的修正 M AP 共 6张 MA P 图 。 4. 1 VEC 模块VEC 系统试验分为 3组 , 分别针对柴油机运行 的高中低 3个转速范围 :第一组发动机转速控制在 3000r /min , 调节加速踏板开度大小 , 从 10%90%每隔 10%记录 1次 VEC 系统

16、废气旁通阀开度反馈值 数据 ; 后两组转速分别为 2000r /min 和 1000r /min , 试验过程与第一组相同 。 真空调节器 PWM 占空比 目标值 MAP 见表 1。 表 2示出试验得到的 VEC 系 统真空执行器阀杆位移记录值 。 从试验结果可以看出 , 通过对真空调节器 PWM 参数的优化标定 , 可以 按要求实现对废气旁通阀开度的控制 。表 1 真空调节器 PWM 占 空比目标值 MAPn /r ·min -1Q /mg40120140180200210220220 表 2 真空执行器 阀杆位移试验数据 mm·19·2010年 12月 翁乙

17、文 , 等 :VG T -EG R 替代方案控制策略的实现 4. 2 EGR 模块EG R 模块采用闭环控制 。 为了更有针 对性地 反映控制策略的可实施性 , 便于目标值与反馈值对 比 , 设定了表 3所示的标定 参数简化 MAP 。 鉴于 EG R 在发动机低速大负荷以及高速 、 加速等情况下 都不进行 , 将发动机转速设定为 2000r /min , 并通 过调节踏板开 度以改 变循 环供 油量 , 试验 结果 见 图 5。 结果显示 , 柴油机运行在 2000r /min 时随着 加速踏板开度的增大 , EGR 阀开度目标值与反馈值 吻合较好 。 表 3 EGR 阀目标开度控制参数 M

18、AP % Q /mg n /r ·min -145607565图 5 EG R 开度目标值与反馈值4. 3 ETC 模块对 ETC 模块 进行了 闭环控 制试验 , 并 对 PID参数进行了优化标定 。 PID 程序的计算过程 5为P (n =P (n -P (n -1=K p e (n -e (n -1 +K i ·e (n +K d e (n -2e (n -1 +e (n -2 。式中 :P (n 为第 n 次输出增量 ; K p 为比例系数 ; K i为积分系数 ; K d 为微分系数 ; e (n 为第 n 次采样偏 差量 。考虑到各修订变量对节气门开度的影响作用

19、相 似 , 仅选择柴油机转速作为修订变量 。 表 4和表 5分别示出柴油机转速对 ETC 开度修正 量 M AP 和 ETC 目标开度控制参数 M AP 。 试验共分为 3组 , 分别针对柴油机运行的低 、 中 、 高 3个转速范围 :第 一组发动机转速控制在 1000r /min , 分别将进气压 力控制在 100kPa 和 200kPa , 然后逐渐加大加速踏 板开度 ; 后两组转速分别为 2000r /min 和 3000r /min , 试验过程与第一组相同 。 图 6至图 8分别示出 T m , 不 变 条件 下 , 3组试 验在 不 同 增压 压 力 下 ETC 开度随油量变化的目

20、标值与反馈值 。 试验结 , 反馈值吻合较好 。表 4 柴油机转速对 ETC 开度修正量 MAP100100105110115120 表 5 ETC 目标开度控制参数 MAP %p /kPa Q /mg816243240485664图 6 ET C 开度目标值与反馈值 (n =1000r /min 图 7 ET C 开度目标值与反馈值 (n =2000r /min 图 8 ET C 开度目标值与反馈值 (n =3000r /min 4. 4 ETC -VEC -EGR 系统联合控制通过在柴油机上进行 E TC , VEC 和 EGR 系统 匹配标定试验 , 可以得到满足相应柴油机排放 、 动力

21、 性 、 经济性要求的优化控制参数 MAP 。 车辆在运行 过程中 , 各种影响柴油机运行的参数都将作为测量 值进行采集 、 分析和处理 , 然后输入到 ECU 微处理 器进行程序规定的计算 。 内部程序通过采集到的数 据首先判断出车辆的运行工况 , 然后再根据车速和 加速踏板开度等信号查相应的基本油量 M AP 和各·20· 车 用 发 动 机 2010年第 6期种油量修正 M AP 获得最终的目标供油量 , 接着再 由获得的柴油机转速 、 进气压力以及目标供油量等参数分别查 VEC , ETC 和 EGR 模块的参数 MA P , 插值计算获得各模块的开度控制目标值 ,

22、 这些值经 过处理后输送给各个执行器 , 最终实现 E TC -VEC -EG R 系统联合控制 。 联合控制具体流程见图 9 。图 9 ET C -V EC -EG R 系统联合控制流程5 结论a 提出了采用 ETC , VEC 联合控制替代 VGT 单独控制的技术方案 , 研究并制订了 VEC , ETC 和EG R 系统的详细控制策略 ;b 通 过多 缸单 体泵 柴油 机台 架试 验 获得 了 柴油机起动 、 怠速和稳态工况下的循环供油量 M AP图 , 并通过扭矩限制油量和冒烟限制油量 MA P 对 循环供油量进行限制 , 以确保柴油机可靠和低排放 运行 ;c 建立了能够模拟多缸单体泵

23、柴油机的仿真 试验平台和各系统的控制参数 M AP , 通过在环仿真 试验证明了各 系统控制策略的可行性 , 并对 ETC -VEC -EGR 系统联合控制进行了阐述 。参考文献 :1 S telio s K aragio rgis , U mut G enc , Javier Villegas , et al .Relay A uto -tuning of PID Contro lle rs fo r Calibra tion o f EG R Contro ller M aps in Die sel Engines C . SAE Pa -per 2009-01-2746.2 Beng e

24、a , So rin . A Po ly typic System A ppro ach fo r theHy brid Contro l o f a Diesel Engine U sing V G T /EG R J . Journal of Dynamic Sy stems , M ea surement a nd Co ntrol , T ransac tions of the ASM E , 2005, 127(1 :13-21.3 T ian Jing . Effect of V G T /EG R System o n Perfo rm -ances and Emissions

25、of Heavy -duty Diesel Eng ine J . Jo urnal of Jilin U niver sity (Enginee ring and T echnolo -g y Editio n , 2009, 39(4 :864-868.4 V an Nieuwstadt M J . EG R -V G T Co ntro l Scheme s :Experimental Co mpa rison fo r a Hig h -speed Diesel En -g ine J . IEEE Co nt rol Sy stems M ag azine , 2000, 20(3

26、:63-79.5 马 乐 , 王绍銧 . 电 子节气门控制系统的构 建 J . 内 燃机工程 , 2005, 26(4 :20-23.Control Strategy of VGT -EGR Alternative SchemeW ENG Yi -wen 1, SONG Xue -hua 1, WANG Zhong 1, ZHANG Yu -hua 2(1. A uto mobile Schoo l o f Jiang su Univ ersity , Zhenjiang 201013, China ;2. He nts T echno lo gie s Inc . , Z henjiang 212009, China A bstract :Based on the co ntrol principles fo r V G T -EG R sy stem o f diesel eng ine