[发明专利]用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法

说明书

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及柴油发动机，更具体地，涉及用于控制柴油发动机的空气系统的设备和方法。

背景技术

随着发动机理论和技术的不断发展，废气再循环(EGR)系统已经成为柴油发动机中的重要组成部分。在柴油发动机排出的废气中，通常含有大量的氮氧化合物(NOx)，它是造成大气污染的一个主要来源。利用EGR系统，柴油发动机产生的一部分废气被送回气缸。由于再循环废气具有惰性，因此它将会延缓燃烧过程，使燃烧速度有所减慢，进而导致燃烧室中的压力形成过程减慢，从而有效地减少氮氧化合物。另外，提高废气再循环率会使总的废气流量降低，因此废气排放中总的污染物输出量将得以减少。

除EGR之外，为了提高柴油发动机的动力性能、改善燃烧，涡轮增压系统也是现代柴油发动机中的重要组成部分之一。例如，可变几何涡轮增压器(VGT)是一种常见的涡轮增压系统。涡轮增压系统本质上是一种空气压缩系统，通过压缩空气来增加柴油发动机气缸的进气量。它由发动机排出的废气的冲力来驱动，通过增压器转轴等装置将压力传递至空气压缩机，从而使新进入的空气在进入气缸前被有效地增压。

在同时配备有EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，这二者之间的耦合特性给空气系统的控制提出了挑战。在配备有废气再循环系统EGR和涡轮增压系统的柴油发动机中，对于EGR系统而言，精确控制EGR率和进气温度是改善NOx排放、以及降低其对颗粒物及动力和经济性影响的关键。在这种发动机中，EGR冷却器的输入废气的流量由EGR阀控制，EGR阀的入口端与涡轮增压器的涡轮入口端二者都接收从排气管道排出的发动机废气。可以理解，除EGR阀自身的开度变化外，增压系统所导致的增压压力和排气背压的变化也会对EGR流量率产生影响。另一方面，EGR阀的开度变化也会对输入增压器的入口流量产生影响。也就是说，废气再循环系统和增压系统是两个相互依赖、相互影响的系统，即，具有耦合特性。

废气再循环系统和增压系统所具有的耦合特性始终是柴油发动机空气系统控制的难点，同时控制两者的多变量控制策略也一直是柴油发动机空气系统控制策略的研究热点。在现有技术中，几种已知的控制策略简单概括如下：

(1)废气再循环系统和增压系统的独立控制策略，即以增压压力为控制目标，通过PID(比例-积分-微分)控制加瞬态前馈控制策略驱动增压阀使实际增压压力达到目标值；以空气流量为控制目标，通过PID控制加瞬态前馈的控制策略驱动EGR阀使实际空气流量达到目标值。

(2)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据对空气系统平均值模型进行局部线性化，根据线性模型设计最优或鲁棒控制器，再进一步扩展到整个工况范围从而得到非线性控制策略的方法：如H无穷控制，根据Lyapunov稳定性理论的控制器设计方法，最小二次型最优状态反馈的控制律，滑模控制器等。

(3)以进气空气流量和增压压力为控制目标，根据非解析模型的控制器设计方法：如模糊逻辑控制方法，根据神经网络的控制方法等。

(4)以进气空气流量和增压压力为控制目标，采用模型预测控制方法，即在控制器中集成被控对象的数学模型，通过模型对未来多步系统输出进行预测，根据预测值与目标值的偏差构造目标函数，通过迭代求解当前控制量的最优值使目标函数最小化。

(5)以空然比和进气管内废气质量分数为控制目标，采用空气系统降秩解耦控制策略，即空气系统的传递函数矩阵在某些情况下是降秩的，因此，两个控制目标具有一定的关系，可以将原有的二维控制策略转化为较简单的一维控制策略。

上述根据空气流量和增压压力的独立PID控制策略(1)的主要优点是结构简单并能实现良好的稳态控制效果，且用于参数的标定的试验工作量小。独立闭环PID控制的缺点是由于系统本身的耦合特性使得其动态过程的控制效果不理想，在加速的过程中容易出现冒烟现象。独立工作的闭环控制的另一个缺点是EGR工作范围有限，原因在于EGR阀只能在涡前压力高于增压压力时，因此只能用于中低负荷和中低转速工况。Nissan，Toyota，Cummins等公司在实际使用中并未采用空气流量和增压压力作为目标值，而采用了以EGR率代替增压压力作为目标值的控制策略。