发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法与流程

本发明涉及发动机结构及控制技术领域，具体涉及一种发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法。

背景技术：

随着社会进步，对环保品质的要求越来越严格，故废气再循环利用技术被广泛应用于汽车发动机，特别是针对一些商用车的大型燃气发动机，再用废气再循环，可有效减少排放污染物、降低发动机爆震倾向以及节约气耗等。

然而，废气再循环系统中的零部件(尤其是废气文丘里管)在不同批次产品中存在制造偏差较大的现状，导致实际经过废气再循环系统的废气流量在不同批次的发动机上有显著差异，影响新鲜空气流量的计算准确性，进而导致同一版控制数据在不同发动机上产生燃气控制的显著偏差，从而恶化发动机功率、扭矩性能输出和气耗表现，降低产品质量的一致性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法，可对废气再循环流量进行实时修正计算，有效保证发动机产品质量的一致性。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种发动机废气再循环系统，包括发动机本体，以及设置于发动机本体上的喷气单元、进气单元、点火单元、混合器和排气单元，其关键在于：还包括电子控制单元，以及设置在发动机本体上的废气再循环单元，其中废气再循环单元包括废气文丘里管，所述废气文丘里管两端分别与混合器和排气单元相连，并在废气文丘里管与排气单元之间设有废气再循环阀；

所述电子控制单元与废气再循环单元、喷气单元、进气单元、点火单元和排气单元一一通讯连接，所述废气文丘里管上安装有压力传感器、压差传感器和温度传感器，废气再循环阀具有开度信号传感器，所述电子控制单元包括充气量计算模块、废气再循环流量计算模块、再循环阀上游压力计算模块、燃气闭环喷射计算模块、再循环流量自适应计算模块、废气再循环阀开度计算模块，其分别用于计算新鲜空气流量、基本废气再循环流量、再循环阀上游压力、喷气脉宽、燃气自适应系数、修正后的废气再循环流量以及废气再循环阀目标开度。

采用以上方案，电子控制单元模块化设计，并与发动机各工种单元通讯或驱动连接，结合废气再循环单元，即可实现发动机实时流量的自动修正调节，即同版控制数据在发动机上可表现出相同的燃气控制，有利于提高发动机成品质量的一致性。

基于上述的发动机废气再循环系统，本申请中提出了一种发动机流量自适应控制方法，其关键在于，包括：

所述电子控制单元获取当前工况下，大气压力值、进气单元中进气管压力和温度值、氧传感器过量空气系数信号、废气再循环阀的初始开度，以及废气文丘里管的压力、压差和温度值；

所述废气再循环流量计算模块计算出基本废气再循环流量；

所述燃气闭环喷射计算模块根据其他模块计算结果综合计算出燃气自适应系数，同时废气再循环流量计算模块根据燃气自适应系数对基本废气再循环流量进行修正，以使燃气自适应系数处于预设工作区间内；

按照修正后的废气再循环流量控制废气再循环阀工作。

采用以上控制方法，主要通过判断燃气自适应系数是否处于设定工作区间，从而对废气再循环流量进行修正，再根据修正后的再循环流量完成再循环阀的控制，其控制逻辑相对简洁可靠，且因为燃气自适应系数理论值容易获取，有利于降低控制参数的取舍，并且燃气自适应系数是直接反馈到再循环流量计算模块，其实际系数的变化可实现对废气再循环流量的实时修正，以此完成发动机流量的实时修正，达到喷气、进气和排气流量处处自适应控制，以及降低废气文丘里管加工精度等目的。

作为优选：所述再循环阀上游压力计算模块根据大气压力信号，通过查表对再循环阀上游压力进行建模计算，得到模拟的再循环阀上游压力。采用以上方案，有利于快速得到再循环阀上游压力。

作为优选：所述废气再循环流量计算模块根据所述再循环阀上游压力计算模块计算出的再循环阀上游压力，废气文丘里管上的压力、压差和温度信号，以及废气文丘里管的尺寸计算出基本废气再循环流量。

作为优选：所述充气量计算模块根据进气管压力信号、进气温度信号、氧传感器过量空气系数信号、以及修正后的废气再循环流量，计算出进入发动机本体的新鲜空气流量。通过修正后的废气再循环流量计算出的新鲜空气流量及为实际工作的新鲜空气流量，则进气单元根据其值控制新鲜空气进入，完成新鲜空气流量的自适应。

作为优选：所述燃气闭环喷射计算模块根据所述充气量计算模块计算出的新鲜空气流量，首先按照空气-燃气理论空燃比计算出基本喷气流量，再转换为对应的基本喷气脉宽，并通过查表对基本喷气脉宽进行修正计算，得到修正后喷气脉宽；

其次，采用pid闭环控制算法使所述排气单元中氧传感器反馈的过量空气系数信号维持在目标区间内；

最后，根据实际的过量空气系数信号与目标值的偏差计算出燃气自适应系数，燃气自适应系数对喷气脉宽进行二次修正，得到最终的喷气脉宽。采用以上方案进行计算，有利于提高燃气自适应系数计算结果的准确性和可靠性。

作为优选：预设燃气自适应系数的目标值为1，目标区间为0.97～1.03，当燃气自适应系数大于1.03并至少持续设定时间时，即判定实际通过废气文丘里管的废气流量比基本废气流量小，需要将基本的废气再循环流量进行负修正；

当燃气自适应系数小于0.97并至少持续设定时间时，即判定实际通过废气文丘里管的废气流量比基本废气流量大，需要将基本的废气再循环流量进行正修正。将目标区间设置此范围内，有利于优化控制结果，避免通过废气文丘里管的废气流量比基本废气流量大或小，进而导致喷气单元的燃气喷气量过多或过少，有利于更好的降低气耗。

作为优选：所述废气再循环阀开度计算模块根据所述再循环自适应流量计算模块计算出的修正废气再循环流量、所述废气文丘里管的压力信号以及所述再循环阀上游压力计算模块计算出的再循环阀上游压力，通过查表得出废气再循环阀实际目标开度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明提供的发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法，通过更优化可靠的计算控制逻辑完成对废气再循环系统中流量的实时修正计算，即达到流量自适应的目的，使同版控制数据控制的发动机表现性能一致性更佳，提高发动机成品质量一致性。

附图说明

图1为本发明的结构及工作原理示意图；

图2为电子控制单元的工作原理示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参考图1和图2所示的发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法，其中发动机废气再循环系统主要包括发动机本体6，以及与发动机本体6配套设置的喷气单元3、进气单元4、点火单元7、混合器5和排气单元8，此外，还包括电子控制单元2和废气再循环单元1，而废气再循环单元1主要包括废气文丘里管11和废气再循环阀12，废气文丘里管11的进气端与排气单元的其中一个出气端相连，而其出气端与混合器5相连，废气再循环阀12位于废气文丘里管11与排气单元8之间。

此外，废气文丘里管11上相应位置设置有压力传感器、压差传感器和温度传感器，废气再循环阀12上具有开度信号传感器，均通过通讯或驱动线路与电子控制单元2相连，为电子控制单元2提供压力、压差和温度信号、以及废气再循环阀12的实际开度信号，或对废气再循环阀12的开度进行控制。

电子控制单元2主要包括充气量计算模块21、燃气闭环喷射计算模块24、再循环阀上游压力计算模块23、废气再循环流量计算模块22、再循环流量自适应计算模块25、废气再循环阀开度计算模块26，各模块分别用于计算新鲜空气流量、基本的废气再循环流量、再循环阀上游压力、喷气脉宽、燃气自适应系数、修正后的废气再循环流量以及废气再循环阀目标开度，同时喷气单元3、进气单元4、点火单元7和排气单元8与废气再循环单元1一样，均通过通讯或驱动线路与电子控制单元2中的各计算模块一一对应连接。

其中，喷气单元3用于执行所述电子控制单元2计算出的喷气脉宽，将相应量的燃气喷入混合器5中与新鲜空气混合；进气单元4用于将新鲜空气引导进入混合器5与燃气混合，并给电子控制单元2提供其进气管的压力、温度和大气压力信号；混合器5用于将新鲜空气、燃气和再循环废气进行充分混合后形成可燃烧的混合气，再将混合气引导进入发动机本体6的燃烧室内。

发动机本体6用于承载混合气的燃烧事件，并将混合气燃烧后产生的废气引导进入排气单元8；点火单元7用于在适当的时刻点燃发动机本体中6的可燃混合气；排气单元8，用于将发动机本体6燃烧产生的废气一部分排出大气，一部分引导进入废气再循环单元1，并给电子控制单元2反馈氧传感器过量空气系数信号。

在此基础之上，本申请提出了一种发动机流量自适应的控制方法，其主要目的在于通过同版控制数据实现发动机新鲜空气进气流量，燃气喷气量及废气再循环流量的相互自适应，确保发动机成品质量的均一性，其主要通过如下步骤完成，首先电子控制单元2获取当前工况下发动机各单元的必要参数值，主要包括大气压力值、进气单元4中进气管压力和温度值、氧传感器过量空气系数信号、废气再循环阀的初始开度，以及废气文丘里管的压力、压差和温度值；接着通过废气再循环流量计算模块22计算出基本废气再循环流量；其次，燃气闭环喷射计算模块通过其他单元计算和反馈的数据进行综合运算，计算出燃气自适应系数，并根据计算所得的燃气自适应系数对基本废气再循环流量进行修正，再反推出新的燃气自适应系数，以使新的燃气自适应系数处于预先设定的工作区间内；最后，废气再循环阀开度计算模块根据修正后的废气再循环流量，计算出废气控制阀12的实时开度，并相应控制其工作状态，电子控制单元2内各模块的计算逻辑方法具体如下：

再循环阀上游压力计算模块23根据获取的大气压力信号、增压信号灯，通过查询预先录入的三维表格，对再循环阀上游压力进行建模计算，得到模拟的再循环阀上游压力pegrus，此过程实主要利用排气背压作为再循环阀上游压力的模型值。

废气再循环流量计算模块22，根据所述再循环阀上游压力计算模块23计算出的再循环阀上游压力，文丘里管上的压力、压差和温度信号，以及文丘里管的口径尺寸，利用iso5167给出的标准计算公式计算出基本废气再循环流量mbexh，此过程采用现有标准计算公式进行计算，在此不做赘述。此外，废气再循环流量计算模块22还与再循环流量自适应计算模块25相连，并可将再循环流量自适应计算模块25计算出的修正后废气再循环流量值传递给充气量计算模块21。

充气量计算模块21，根据进气管压力信号、进气温度信号、氧传感器过量空气系数信号、再循环流量自适应计算模块25计算出的修正后废气再循环流量，计算出进入所述发动机本体6的新鲜空气流量，具体计算见公式(1)、(2)、(3)和(4)，计算过程需要若干轮迭代计算：

png＝(pintake-pext)×cng/λlam(2)

pext＝pintake×rext(3)

式中，mair为新鲜空气流量，maexh为修正后废气再循环流量，pintake为进气管压力，png为燃气压力，pext为再循环废气压力，tair为进气温度，f(n,tair)是预先录入的可标定的关于发动机转速和进气温度的三维表格，cng是可标定的常数，λlam是氧传感器实测过量空气系数。

燃气闭环喷射计算模块24，根据充气量计算模块21计算出的新鲜空气流量，首先按照空气-燃气理论空燃比(16.8)计算出基本喷气流量，再利用燃气喷嘴特性转换为对应的基本喷气脉宽，通过预先录入的三维表格对基本喷气脉宽进行修正计算，得到修正后喷气脉宽。

其次，利用pid闭环控制算法根据排气单元8上安装的氧传感器反馈的过量空气系数信号及其pid控制的目标量进行燃气喷射的闭环控制，本实施例中目标值取1，并使氧传感器反馈的过量空气系数信号维持在1附近的极小区域内，此过程中根据实际的过量空气系数信号与目标值1的偏差计算出燃气自适应系数，通过燃气自适应系数对喷气脉宽进行二次修正，从而得到最终的喷气脉宽，即通过控制喷气脉宽实现燃气喷射的闭环控制，上述步骤中，燃气自适应系数的计算如公式(5)所示：

fadp＝1+(λlam-1)×cadp(5)

式中，fadp为燃气自适应系数，cadp为可标定的常数。

再循环流量自适应计算模块25，根据燃气闭环喷射计算模块24计算出的燃气自适应系数，对废气再循环流量计算模块22计算出的基本废气再循环流量进行修正计算，得到前述的修正后废气再循环流量。而修正计算目标是使燃气自适应系数回到1附近的合理区域内，或者在设定的目标区间0.97～1.03内，当燃气自适应系数大于1.03并至少持续特定时间(可根据需要预先设置持续时间，进行比较判定)时，即判定实际通过废气文丘里管11的废气流量比基本废气流量小，导致了喷气单元3喷气量过少，故需要将基本废气再循环流量进行负修正；当燃气自适应系数小于0.97并至少持续特定时间时，即可判定实际通过废气文丘里管11的废气流量比基本废气流量大，导致了喷气单元3喷气量过多，需要将基本废气再循环流量进行正修正。修正后再循环废气流量的计算如公式(6)所示：

废气再循环阀开度计算模块26，首先根据发动机当前运行工况查表得出目标废气再循环率rtex，进而根据当前新鲜空气流量，并利用公式(7)得到目标再循环废气流量中间量mtexh，再利用pi控制方法计算出最终目标再循环废气流量mfexh，计算方法如公式(8)所示。

再根据废气再循环阀12的上游压力和下游压力(废气文丘里管11实测压力值)的比值计算出废气再循环阀压比pratio，同样通过查询表(输入量为pratio和mfexh)，即可得出废气再循环阀12的目标开度，进而实现对废气再循环阀12的自适应控制。

mfexh＝mtexh+kp×(mtexh-maexh)+ki×(mtexh-maexh)(8)

式中，kp为比例项系数，ki为积分项系数，均为可标定系数。

参考图1和图2，所示的发动机废气再循环系统及其流量自适应控制方法，其工作过程中主要通过燃气自适应系数的控制以及基本废气再循环流量的修正，完成对废气再循环阀12的开度自适应控制，以及新鲜空气流量和喷气流量的自适应控制。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。