一种发动机egr的闭环控制方法及系统
阅读说明：本技术 一种发动机egr的闭环控制方法及系统 (Closed-loop control method and system for engine EGR ) 是由 耿元会 冯玮玮 解亮 朱凌龙 林园园 许可森 崔文军 陈召强 刘迎生 张娟 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种发动机EGR的闭环控制方法及系统,该方法包括：获取发动机的原排NO-(X) map图,并根据所述NO-(X) map图确定发动机各工况所对应的原排NO-(X)目标值；获取发动机各个工况达到所述原排NO-(X)目标值所对应的需求剩余氧量目标值；实时检测发动机排气的实际剩余氧气量,并将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值作为PID控制调节的输入参数,进行EGR阀的开度的PID控制。本发明能解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题,能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值,提高发动机的汽油燃烧性能。(The invention provides a closed-loop control method and a closed-loop control system for engine EGR, wherein the method comprises the following steps: obtaining engine raw NO X map, and according to said NO X map for determining primary NO corresponding to each working condition of engine X A target value; obtaining the original NO of the engine under various working conditions X A required residual oxygen amount target value corresponding to the target value; and detecting the actual residual oxygen amount of the engine exhaust in real time, and performing PID control on the opening degree of the EGR valve by taking the actual residual oxygen amount and the required residual oxygen amount target value as input parameters for PID control regulation. The invention can solve the problem of inaccurate EGR control of the existing engine, can ensure that the EGR rate in the whole life cycle of the engine always meets the target value of the original NOx emission, and improves the gasoline combustion performance of the engine.)
技术领域
本发明涉及发动机排气循环再利用技术领域，尤其涉及一种发动机EGR的闭环控制方法及系统。
背景技术
废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是发动机降低NOx排放的主要手段，如图1所示，原理是将排气管中一部分废气引入进气歧管中，通过引入极低氧含量的废气降低进入发动机汽缸内的氧浓度，并使燃烧温度降低，达到低温低氧的燃烧环境，进而减少NOx的生成。一般定义EGR率为EGR流量与总进气量(新鲜空气流量+EGR流量)的比值。理论上，EGR率越高，发动机原排NOx越低，对于尾排NOx控制更有利，但EGR率过高对于发动机燃烧却不利。因此在发动机台架试验的标定过程中，通过调整EGR阀的开度，即调整EGR率大小，使得实际原排NOx略小于上述的NOx目标排放值(一般控制为小于10％)，即找到这一工况点的最优EGR率(标定需求值)。理论上虽然每个工况点可通过预设EGR阀开度达到需求的EGR率，但实际上EGR阀位置传感器并不精确，且在不同气流情况下的EGR阀开度对应的EGR流量并不能呈线性关系，同时随着发动机经过长时间的使用后，大量的杂质沉淀在EGR阀的孔壁上，杂质的堆积必然会导致孔径的变小，从而导致整车上的发动机的实际通过的废气量小于理想状态时废气通过量，也就是说实际EGR率要小于理想EGR率，降低了汽油燃烧性能，严重影响了整车性能。因此，如何提供发动机全生命周期内EGR的精确控制，使EGR率始终能够满足目标值，具有重要的研究意义。
发明内容
本发明提供一种发动机EGR的闭环控制方法及系统，解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题，能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种发动机EGR的闭环控制方法，包括：
获取发动机的原排NOX map图，并根据所述NOX map图确定发动机各工况所对应的原排NOX目标值；
获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值；
实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制。
优选的，还包括：
将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值的差值作为PID控制的反馈值，并根据所述反馈值计算得到PID输出的变动量；
根据所述变动量对所述EGR阀的开度进行调节，以逐步减小所述差值，直至所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值相等。
优选的，所述获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值，包括：
根据标定发动机各个工况达到所述原排NOX目标值得到所对应的剩余氧气量，并形成剩余氧气量需求map图；
根据所述剩余氧气量需求map图确定发动机各个工况的需求剩余氧气量目标值。
优选的，所述标定发动机各个工况达到所述原排NOX目标值得到所对应的剩余氧气量，包括：
通过发动机台架上对每一工况点进行手动调节EGR阀开度，记录每一个工况点达到原排NOx目标值时所对应的剩余氧气量。
优选的，还包括：
获取EGR阀开度与发动机排气的剩余氧气量的对应关系，以形成开度与剩余氧气量的对应表；
对PID控制的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD进行标定，并根据所述对应表对EGR阀开度进行预控制。
优选的，还包括：
获取EGR阀开度和EGR率目标值，并根据所述EGR阀开度计算得到实际EGR率；
将所述实际EGR率与所述EGR率目标值的差值作为PID控制调节的输入参数，对EGR阀的开度进行PID控制。
本发明还提供一种发动机EGR的闭环控制系统，包括：
第一获取单元，用于获取发动机的原排NOX map图，并根据所述NOX map图确定发动机各工况所对应的原排NOX目标值；
第二获取单元，用于获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值；
氧传感器，用于实时检测发动机排气的实际剩余氧气量；
第一PID控制器，用于将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值作为PID控制调节的输入参数，并对EGR阀的开度的PID控制。
优选的，还包括：EGR阀开度调节单元；
所述第一PID控制器还用于将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值的差值作为PID控制的反馈值，并根据所述反馈值计算得到PID输出的变动量；
所述EGR阀开度调节单元，用于根据所述变动量对所述EGR阀的开度进行调节，以逐步减小所述差值，直至所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值相等。
优选的，还包括：
第三获取单元，用于获取EGR阀开度与发动机排气的剩余氧气量的对应关系，以形成开度与剩余氧气量的对应表；
预控制单元，用于对PID控制的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD进行标定，并根据所述对应表对EGR阀开度进行预控制。
优选的，还包括：
第四获取单元，用于获取EGR阀开度和EGR率目标值，并根据所述EGR阀开度计算得到实际EGR率；
第二PID控制器，用于将所述实际EGR率与所述EGR率目标值的差值作为PID控制调节的输入参数，对EGR阀的开度进行PID控制。
本发明提供一种发动机EGR的闭环控制方法及系统，通过实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将实际剩余氧气量和需求剩余氧量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制，能解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题，能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是发动机EGR工作示意图。
图2是本发明提供的一种发动机EGR的闭环控制方法示意图。
图3是本发明提供的一种发动机EGR的闭环控制系统示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对当前发动机EGR控制存在不精准的问题，本发明提供一种发动机EGR的闭环控制方法及系统，通过实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将实际剩余氧气量和需求剩余氧量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制，解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题，能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
如图2所示，一种发动机EGR的闭环控制方法，包括：
S1：获取发动机的原排NOX map图，并根据所述NOX map图确定发动机各工况所对应的原排NOX目标值。
S2：获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值。
S3：实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制。
具体地，根据发动机的燃烧原理，燃料进入缸内与新鲜空气混合，在高温高压下发生燃烧反应生成H2O、CO2，同时还生成一部分排气污染物，如CO、NO、HC等。
对于富氧(氧气过量，过量空气系数一般在1.2以上)燃烧的模式，新鲜空气中的O2进入缸内后会有3种基本路径：
①柴油发生燃烧反应：
CxHy+l0O2→CO2+H2O；
该反应只与燃料本身理化性质有关，燃料特性确定则化学计量比l0即为确定的(如对于柴油燃料，此计量比约等于3)，此部分O2消耗量m'为l0*m2。
②N2发生高温富氧反应，生成NOx：
N2+O2→NOx；
在缸内的富氧高温环境下，空气中的N2会与O2发生反应生成NOx。对于柴油机可以基本认为NOx主要成分为NO，即上式可以简化为。
N2+O2→2NO；
这部分O2消耗量m”与排气NO的关系为m”＝2*mNO。
③由于O2富裕，不参与反应的O2剩余下来为mO2，如柴油机排气中未参与反应的剩余O2约占排气总量的15％左右。
上述的氧守恒基本原理可知，某一工况下，参与燃料燃烧的O2为确定可知的l0*m2，而与N2反应的这部分O2随着温度环境、EGR率等因素变化而不确定。如果在排气中增加氧传感器测量剩余O2，可通过守恒原理：与N2反应的O2量＝新鲜进气量中的氧含量(一般认为空气中氧气含量约为21％)-燃料消耗氧气量-参与反应的剩余氧气量，即m”＝m1*21％-m'-mO2。
本方法通过获取原排NOx map图，确定每一工况的NOx目标值，调整EGR阀开度，使原排NOx实测值达到NOx目标值，记录此时的排气剩余氧气量mO2，即为排气氧传感器的实测值，采集全工况的剩余氧气量mO2，制成剩余氧气量mO2需求map。实际发动机运行过程中，采用PID调节，使得实际剩余氧气量mO2达到需求值。对于EGR阀的闭环控制即可以采取EGR阀开度预控制+剩余氧气量mO2 PID调节控制组合方式进行闭环控制。能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
该方法还包括：
S4：将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值的差值作为PID控制的反馈值，并根据所述反馈值计算得到PID输出的变动量；
S5：根据所述变动量对所述EGR阀的开度进行调节，以逐步减小所述差值，直至所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值相等。
在实际应用中，对于某一工况点，对于第i+1次计算，EGR阀开度EGRACT(i+1)＝EGRACT(i)+u(i)。
上式中PID计算输出值u(i)可根据以下计算公式得到：
其中，e(i)为第i次计算时，剩余氧气量需求值和实际剩余氧气量为的差值；e(n)为前n次计算所有差值的积分值；KP为比例系数，实际工程实例中可以为常数，也可以为e(i)的函数，P项(KP*e(i))用以趋近稳定值；KI为积分系数，实际工程实例中可以为常数，也可以为e(i)的函数，I项用以消除稳定值与目标值的动态误差；KD为微分系数，实际工程实例中可以为常数，也可以为e(i)的函数，D项(KD*[e(i)-e(i-1)])用以最大程度消除引入积分项消除动态误差时引起的超调效应。
通过多次迭代计算，最终计算得到稳定的u(i)和EGR阀开度EGRACT，也即得到稳定的实际剩余氧气量，由此完成了实际值达到需求值的目标。
进一步，所述获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值，包括：
根据标定发动机各个工况达到所述原排NOX目标值得到所对应的剩余氧气量，并形成剩余氧气量需求map图。
根据所述剩余氧气量需求map图确定发动机各个工况的需求剩余氧气量目标值。
更进一步，所述标定发动机各个工况达到所述原排NOX目标值得到所对应的剩余氧气量，包括：
通过发动机台架上对每一工况点进行手动调节EGR阀开度，记录每一个工况点达到原排NOx目标值时所对应的剩余氧气量。
该方法还包括：
S6：获取EGR阀开度与发动机排气的剩余氧气量的对应关系，以形成开度与剩余氧气量的对应表；
S7：对PID控制的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD进行标定，并根据所述对应表对EGR阀开度进行预控制。
对PID控制各项系数(P项、I项、D项)进行适当标定，目的是在实际发动机运行过程中利用PID控制器，使得EGR阀开度迅速、准确地达到稳定值，而此时实际剩余氧气量达到剩余氧气量需求值。
该方法还包括：
S8：获取EGR阀开度和EGR率目标值，并根据所述EGR阀开度计算得到实际EGR率；
S9：将所述实际EGR率与所述EGR率目标值的差值作为PID控制调节的输入参数，对EGR阀的开度进行PID控制。
可见，本发明提供一种发动机EGR的闭环控制方法，通过实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将实际剩余氧气量和需求剩余氧量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制，能解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题，能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
相应地，如图3所示，本发明还提供一种发动机EGR的闭环控制系统，包括：第一获取单元，用于获取发动机的原排NOX map图，并根据所述NOX map图确定发动机各工况所对应的原排NOX目标值。第二获取单元，用于获取发动机各个工况达到所述原排NOX目标值所对应的需求剩余氧量目标值。氧传感器，用于实时检测发动机排气的实际剩余氧气量。第一PID控制器，用于将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值作为PID控制调节的输入参数，并对EGR阀的开度的PID控制。
该系统还包括：EGR阀开度调节单元。所述第一PID控制器还用于将所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值的差值作为PID控制的反馈值，并根据所述反馈值计算得到PID输出的变动量。所述EGR阀开度调节单元，用于根据所述变动量对所述EGR阀的开度进行调节，以逐步减小所述差值，直至所述实际剩余氧气量与所述需求剩余氧气量目标值相等。
该系统还包括：第三获取单元，用于获取EGR阀开度与发动机排气的剩余氧气量的对应关系，以形成开度与剩余氧气量的对应表。预控制单元，用于对PID控制的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD进行标定，并根据所述对应表对EGR阀开度进行预控制。
该系统还包括：第四获取单元，用于获取EGR阀开度和EGR率目标值，并根据所述EGR阀开度计算得到实际EGR率。第二PID控制器，用于将所述实际EGR率与所述EGR率目标值的差值作为PID控制调节的输入参数，对EGR阀的开度进行PID控制。
可见，本发明提供一种发动机EGR的闭环控制系统，通过实时检测发动机排气的实际剩余氧气量，并将实际剩余氧气量和需求剩余氧量目标值作为PID控制调节的输入参数，进行EGR阀的开度的PID控制，能解决现有发动机EGR控制存在不精准的问题，能保证发动机全生命周期内EGR率的始终满足原排NOx目标值，提高发动机的汽油燃烧性能。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
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