高壓共軌柴油機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)代柴油機的標準配置。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，兩個系統(tǒng)之間存在強烈的耦合作用，當EGR閥的位置不變時，改變VGT渦輪的有效流通截面，將引起排氣壓力和進氣壓力變化，導(dǎo)致EGR流量變化;而當VGT導(dǎo)向葉片位置不變時，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)的控制器通過兩個獨立的回路分別控制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進行協(xié)調(diào)控制。本文的主要研究工作如下:
　　 為了進行基于模型的控制器設(shè)計，建立了4缸商用車柴油機平均值模型，該模型由進氣歧管、氣缸、發(fā)動機扭矩、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。利用發(fā)動機臺架動態(tài)試驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，結(jié)果表明，所建立的模型能夠描述發(fā)動機的瞬態(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。
　　 按照傳統(tǒng)的雙回路獨立控制形式，分別建立了增壓壓力和EGR的控制結(jié)構(gòu)?；灸繕酥祄ap根據(jù)發(fā)動機穩(wěn)態(tài)排放試驗通過權(quán)衡NOx和PM排放，并且兼顧動力性和油耗標定得到，然后根據(jù)發(fā)動機工況（轉(zhuǎn)速和噴油量）通過查表確定基本目標值。利用各種修

4、正變量（環(huán)境溫度、大氣壓力、冷卻水溫度等）對基本目標值進行修正，得到最終目標值。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，反饋變量分別是進氣歧管壓力(MAP)和壓氣機后的空氣質(zhì)量流量(MAF)?？刂破鞑捎们梆伩刂婆c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到目標值，但是響應(yīng)時間較長，并且可能出現(xiàn)較大的超調(diào)量，因此，為了實現(xiàn)理想的控制效果，必須對EGR和VGT進行協(xié)調(diào)控制。
　　 根據(jù)不同的反饋變量和控制結(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)的氧氣燃油比和進氣歧管EGR率作為主要的反饋變量?？紤]到柴油機空氣系統(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械動力學(xué)特性，基于建立的柴油機模型，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)時間。
　　 EGR-VGT協(xié)調(diào)控制是利用協(xié)調(diào)算法同時調(diào)度兩個控制回路的控制作用，即，隨著發(fā)動機工況的變化，當某一被控變量改變時，及時調(diào)節(jié)另一個回路的被控變量，確保兩個被控變量都迅速達到目標值。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