高壓共軌柴油機(jī)EGR-VGT協(xié)調(diào)控制與仿真研究.pdf

1、廢氣再循環(huán)(EGR)和可變幾何截面渦輪增壓(VGT)技術(shù)是降低柴油機(jī)NOx和PM排放的有效措施，因而EGR和VGT系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。由于EGR流量和VGT渦輪的氣體流量均由廢氣能量驅(qū)動，因此，兩個(gè)系統(tǒng)之間存在強(qiáng)烈的耦合作用，當(dāng)EGR閥的位置不變時(shí)，改變VGT渦輪的有效流通截面，將引起排氣壓力和進(jìn)氣壓力變化，導(dǎo)致EGR流量變化;而當(dāng)VGT導(dǎo)向葉片位置不變時(shí)，改變EGR閥的開度，將導(dǎo)致排氣壓力變化，從而引起增壓壓力變化。但是

2、，傳統(tǒng)的控制器通過兩個(gè)獨(dú)立的回路分別控制EGR流量和增壓壓力，由于缺乏協(xié)調(diào)機(jī)制，難以獲得理想的瞬態(tài)排放控制效果，因此，有必要對EGR和VGT進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。本文的主要研究工作如下:
　　 為了進(jìn)行基于模型的控制器設(shè)計(jì)，建立了4缸商用車柴油機(jī)平均值模型，該模型由進(jìn)氣歧管、氣缸、發(fā)動機(jī)扭矩、EGR閥、渦輪增壓器、中冷器和EGR冷卻器等子模型組成。為了減少整定參數(shù)的數(shù)量，流量和效率根據(jù)物理關(guān)系和參數(shù)模型計(jì)算，模型參數(shù)基于穩(wěn)態(tài)測量數(shù)據(jù)采用

3、最小二乘法估計(jì)。利用發(fā)動機(jī)臺架動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，所建立的模型能夠描述發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)特性，雖然存在一定的穩(wěn)態(tài)偏差，但穩(wěn)態(tài)平均相對誤差小于12％，并不影響基于模型的控制器的設(shè)計(jì)。
　　 按照傳統(tǒng)的雙回路獨(dú)立控制形式，分別建立了增壓壓力和EGR的控制結(jié)構(gòu)?；灸繕?biāo)值map根據(jù)發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)排放試驗(yàn)通過權(quán)衡NOx和PM排放，并且兼顧動力性和油耗標(biāo)定得到，然后根據(jù)發(fā)動機(jī)工況（轉(zhuǎn)速和噴油量）通過查表確定基本目標(biāo)值。利用各種修

4、正變量（環(huán)境溫度、大氣壓力、冷卻水溫度等）對基本目標(biāo)值進(jìn)行修正，得到最終目標(biāo)值。增壓壓力和EGR控制回路的控制變量分別是設(shè)定的增壓壓力和新鮮空氣量，控制輸出是VGT比例電磁閥和EGR電磁閥的占空比控制信號，反饋?zhàn)兞糠謩e是進(jìn)氣歧管壓力(MAP)和壓氣機(jī)后的空氣質(zhì)量流量(MAF)。控制器采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制方式，前饋控制用于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)性，反饋控制用于消除穩(wěn)態(tài)偏差?？紤]到兩個(gè)子系統(tǒng)的非線性特性，采用非線性增益調(diào)度方法，使

5、反饋控制器的參數(shù)隨著發(fā)動機(jī)工況自動調(diào)整。在MATLAB/Simulink環(huán)境下研究了增壓壓力和EGR控制回路的階躍響應(yīng)特性，結(jié)果表明，雖然所選的被控變量能達(dá)到目標(biāo)值，但是響應(yīng)時(shí)間較長，并且可能出現(xiàn)較大的超調(diào)量，因此，為了實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，必須對EGR和VGT進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
　　 根據(jù)不同的反饋?zhàn)兞亢涂刂平Y(jié)構(gòu)，可以建立不同類型的控制器。由于MAF和MAP不能直接反映增壓壓力和EGR流量與排放的關(guān)系，因此，通過對不同類型的控制器分

6、析，選擇與排放密切相關(guān)的氧氣燃油比和進(jìn)氣歧管EGR率作為主要的反饋?zhàn)兞??？紤]到柴油機(jī)空氣系統(tǒng)存在兩種變化速度不同且相互影響的動態(tài)特性，即快速變化的空氣動力學(xué)特性和緩慢變化的機(jī)械動力學(xué)特性，基于建立的柴油機(jī)模型，在EGR和VGT控制信號階躍變化條件下，通過仿真分析了被控變量的收斂情況、不同控制回路的非最小相位特性、DC增益變號特性和動態(tài)非線性特性。鑒于使用VGT控制信號控制氧氣燃油比，會在很大的工作范圍內(nèi)產(chǎn)生非最小相位特性和DC增益變號，

7、為此，選擇VGT控制信號來控制EGR率，EGR控制信號來控制氧氣燃油比，這樣不僅可以在發(fā)動機(jī)大部分工況條件下避免非最小相位特性和DC增益變號，而且可以大幅縮短控制器的響應(yīng)時(shí)間。
　　 EGR-VGT協(xié)調(diào)控制是利用協(xié)調(diào)算法同時(shí)調(diào)度兩個(gè)控制回路的控制作用，即，隨著發(fā)動機(jī)工況的變化，當(dāng)某一被控變量改變時(shí)，及時(shí)調(diào)節(jié)另一個(gè)回路的被控變量，確保兩個(gè)被控變量都迅速達(dá)到目標(biāo)值。為此，將VGT控制回路的控制作用引入到EGR控制回路中，基于PID控