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基于模型的可变截面增压/双回路废气再循环柴油机的燃烧气体比例控制器设计

H. JUNG and S. CHOI *

机械学院，航空航天系统工程，韩国科学技术院，大田市34141，韩国

（接收于2015年八月21日；修改于2015年12月9日；录用于2015年12月18日）

摘要

现在，对于柴油机的NO_x和PM的排放监管力度越来越严格，废气再循环系统已经被发展到了双重废气再循环系统以此增加EGR率和战略性地利用废气。就发动机的燃烧特性而言，燃烧气体分数已经成为一个可以更有效解决NO_x和PM排放的问题重要因素，但是传统的控制器只重视压力和空气的流量。这次不像以往的研究，这篇论文描述的是基于双重废气再循环的增压柴油机的燃烧气体控制分数控制结构的模型。正反馈输入是基于燃烧气体分数状态的帮助来精确控制柴油机的，特别是系统中的瞬态耦合行为。对于控制器的验证方面，一个面向柴油机空气控制系统的降阶模型被建立起来是为了简化控制输入计算和通过分析内部稳定性验证它的稳定性。那时，一个滑模控制器被设计出来，在某些操作点上控制器的鲁棒性在硬件在环回路仿真被确认。

关键词：非线性系统，降阶模型，滑模控制，柴油机气道系统，平均值模型

学名

1.介绍

按照越来越严格的尾气排放规定，国际上正在努力减少有害的排放比如：柴油机的主要排放是氮氧化物和悬浮微粒，（Upadhyay，2001；Jung and

Glover，2003；Glenn，2005；Wang，2008；Lee，2009）。在燃烧中，依靠温度的低温燃烧（LTC）观念被用来解决氮氧化物和碳烟排放之间的平衡关系问题。此外，后处理系统比如：柴油机催化氧化剂（DOC）或者选择催化还原（SCR）系统被发展来收集污染物。还有废气再循环（EGR）系统通过调节进入气缸内空气量来帮助减少污染物。在这些系统中，EGR系统在考虑性价比时是很有效的一个。

现在已经有大量的研究来控制使用了VGT/EGR的柴油机。在汽车工业中基于map图的控制被普遍的使用；这个方法决定了它的正反馈术语可以从通过发动机试验时的数据总结出的表中查得；剩余误差通过反馈控制器消除。然而，这个系统要求map图的数据与发动机改变后的数据一致。

Iwadare等人（2009）建议进气压力和压缩机的质量流量的目标应该基于控制策略。然而这个系统在控制氮氧化物和微粒排放是有极限的，因为所有的目标是间接的控制燃烧气体分数。Amstutz and Del Re（1995），Friedrich等（2009）建议EGR率模型应基于控制策略。虽然这个模型是有意义的但因为它没有使用额外的传感器，所以它只适用于单回路的柴油机。

现在发动机的研究领域已经发展到加强分析发动机的运转，这样可以建立更真实的发动机模型。而且，它使得采用氧传感器衡量燃烧气体分数来控制EGR率变为可能。相比于原来基于的空气质量流量（MAF）和歧管空气压力(MAP)传感器控制，基于EGR率的控制有利于减少不良的瞬态响应比如超调和欠调；众所周知如果不良的瞬态响应被消除那么氮氧化物和悬浮颗粒物也会减少。（(Wang，2008；Friedrich等人，2009；Castillo等人，2013）

Yan和Wang（2011）和Yan（2012）提出了一个基于通过控制进气歧管内的燃烧气体分数、压力和温度气路的控制方案的模型。它有十分出色的表现。然而，在利用低压EGR方面表现不好，因为上面的参数只是进气歧管内的。

在这个研究中，一个为VGT/双回路EGR系统的柴油机的模型被研制出来，该模型是基于燃烧气体分数控制算法的。一个柴油机的VGT /双回路EGR系统是非线性的 。而且VGT/EGR是物理耦合，导致的情况是系统之间会相互影响。（Grondin，2009）相比于传统的间接使用压力和压缩机质量流量率作为目标状态控制EGR率的方法（(Jung，2003；Jin等人，2014；Kim，2014），这个研究建议一个包含以进气歧管内燃烧气体分数为目标状态的新型组合，压缩机上游的燃烧气体分数和排气歧管的压力；这个系统可以直接地作用于柴油机的气路系统来帮助控制EGR率。基于控制器的模型可以正反馈控制大致追踪到所要的期望值；在没有试图恶化瞬态响应的前提下，反馈增益将消除剩余误差。这种基于模型的方法，前馈项的准确性是非常重要的。

本文的组织如下。此系统描述部分是同过均值模型近似法描述柴油机的气路系统的动力学。基于控制器的模型控制器的设计由设计部门处理数学分析。首先，为了计算简单，一个减少命令的模型从全模型中获得。其次，一个控制目标策略为了精确的燃烧气体分数控制被引入。在选择控制目标后，系统的动力学稳定性被证明。然后多滑块模型的设计方法被介绍。柴油机的主要操作点在硬件在环回路仿真的测试结果的部分结果提交。

2.系统描述

2.1.平均值建模

平均值建模的方法普遍地被用在柴油机的空气管理系统使用特定的假设来确定总的空气流量。（Jung，2003；Wahlstrouml;m，2006）在燃烧循环中状态变量在每个分段是多变的，但是从总体上看气流的控制需要被处理，这样平均值建模的有效性才能保证。平均值建模的假定如下：

-忽略传热损失（绝热条件）。

-进气歧管体积，排气歧管体积，和压缩机上游体积是常数。

-理想气体常数和比热容比是常数。

-通过中冷器时压力没下降。

-EGR部分没有剩余质量。

图一提供了一个双回路EGR系统的增压柴油机原理图。

图一 柴油机空气管理系统结构

进行的柴油机空气管理系统建模是仿真是基于一个6.0L6缸的重型柴油机。为了方便起见，进气歧管用下标1表示，排气歧管为2，和压缩机上游为3。这篇论文使用相同的下标。基于控制器设计的模型，它假定一些地方的压力和温度被测出，他会在图三中描述。

2.2 气路动态

为了设计高性能的基于控制器的模型需要高精度的系统建模。然而高精度的模型必然会使计算增加。这研究的重要贡献就是介绍燃烧气体分数状态和一个特别是对于VGT/双回路EGR系统的简单的燃烧气体分数仿真模型，以降低计算的复杂性和精确调节排放的气体为目标的控制器模型。

图一中每一部分的热力学模型可以如下获得；从质量守恒定律，可得方程（1）~（3）；

这里的质量m₁^.,m₂^.和m^.₃是变化的，这些质量分别代表的是进气歧管内的的质量，排气歧管和压缩机上游。W_C是压缩机的质量流量比。W_hpeger和W_lpheger是高压EGR的质量流量率和低压EGR的质量流量率。W_ie是进入气缸的质量流量率和W_ex是从气缸出来的质量流量率。W_vgt是涡轮的质量流量率W_air是空气的质量流量率。

从能量守恒定律和理性气体定律，可得方程（4）~（6）和温度变化，如下（Fengjun，2012）

p₁、p₂ 和p₃ 分别表示进气歧管，排气歧管和压缩机上游压力。V₁、V₂和V₃ 分别是进气歧管，排气歧管和压缩机上游体积。R是理想气体常数和gamma;是绝热指数。T_ic是中冷后的温度。T_e 是发动机的排气出口温度。T_hpger是经过高压EGR之后的温度。T_t是涡轮出口温度。T₁和T₂ 分别是机器歧管和排气歧管的温度。

燃烧气体分数指示着控制体积的燃烧气体分数的浓度。在每个控制体积的质量不变的条件下，它的动态被推断出来。（Jung等人，2014）

F₁、F₂和

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