VGT_EGR替代方案控制策略的实现_翁乙文
第6期(总第191期) 2010年12月车 用 发 动 机V EH ICLE ENG IN E N o . 6(Se rial N o . 191)
Dec . 2010
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) 06-0017-05
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Ⅳ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 ) 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。
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
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
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 [1**********])
图1 真空调节V EC 系统
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 en2006@yah oo . com . cn 。
·18· 车 用 发 动 机 2010年第6期
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 R 系统来降低NO x 排放, 最终使污染物排放整体下降。
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。
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 =f (Q , n ), P ECT =g (Q , n )。
exu
图2 循环供油量控制
2. 2. 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Υ。
Υ=f Υ(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Υ。
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 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
,
·19 ·2010年12月 翁乙文, 等:VG T -EG R 替代方案控制策略的实现
2. 2. 4 E TC 模块控制方案
通过E TC 开度控制空燃比α。
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Υ和柴油机转速n 。
g =f T m , Υ, 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 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
。
图4 标定界面
4 控制方案的实现
根据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
1—EGR ; 2—ET C ; 3—涡轮增压器; 4—真空阀;
5—PCS ; 6—柴油机; 7—CAN
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MAP
n /r ·min -[1**********]00
Q /mg
1404040
2100110120
3120130140
4160170180
5180190200
6200205210
7220220220
8220220220
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。
表2 真空执行器阀杆位移试验数据
mm
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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MAP %
Q
/mg 15
n /r ·min -1
15003045
20004060
25005075
30004565
350000
反馈值吻合较好。
表4 柴油机转速对ETC 开度修正量MAP
n /r ·min -1修正系数
0100
1000100
1500105
2000110
2500115
3000120
表5 ETC 目标开度控制参数MAP %
p /kPa 100200
Q /mg
1108
22016
33024
44032
55040
66048
77056
88064
图6 ET C 开度目标值与反馈值(n =1000r /min )
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
ΔP (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:ΔP (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 , Υ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标值与反馈值。试验结
, 图8 ET C 开度目标值与反馈值(n =3000r /min ) 图7 ET C 开度目标值与反馈值(n =2000r /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
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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, 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, 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。
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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
Control Strategy of VGT -EGR Alternative Scheme
W 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 , the contro l scheme o f substituting ETC -V EC
for VG T w as put for war d . Combining w ith EG R system , the ET C -VEC co ntrol strategy further reduced the emission of die sel e ngine . T he in -loop simulation experiment pla tfo rm , which could simulate the operating of multi -cy linder unit pump die sel e n -g ine and contro l the actuator by the chip inte rnal prog ram , w as established . With the pla tform , the injectio n M A P s of different co nditions w ere prepared . In addition , the co nt rol str ategy o f ET C , V EC and EG R system was desig ned . Finally , the feasibili -ty of the contro l str ategy was testified by in -loo p simula tion experiment .
Key words :diese l engine ; electro nic thr ottle ; ex haust by pass v alve ; contro l stra teg y ; EG R ; var iable ex haust contro l
[编辑:袁晓燕]