（动力机械及工程专业论文）基于模型的废气再循环控制系统设计及硬件在环仿真.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 n o x 是内燃机主要排放污染物之一，世界各国的排放法规都对n o x 排放做了 严格的规定。废气再循环( e g r ) 是目前应用最广泛的n o x 净化技术，围绕着电 控e g r 控制策略的开发及其应用，国外已经进行了比较深入的研究，积累了丰富 的经验。国内也在电控e g r 系统的开发、匹配、应用等方面开展了初步的研究。 在分析各种e g r 控制系统的基础上，提出了以e g r 阀开度为反馈信号的闭 环控制方案。设计了通信、控制、执行器驱动和诊断模块，编写了e g r 控制程序， 设计了传感器信号发生器，搭建了e g r 控制系统硬件在环仿真平台。 为了克服传统e g r 阀开度控制突变性强、瞬态响应差的不足，选用线性e g r 阀，分析了该系统的工作过程、执行器结构和p w m 控制规律。采用最小二乘法， 建立了e g r 雠i 系统的物理模型，在s i m u l i n k 软件环境中，建立了发动机平均值 模型，便于后续控制器性能测试和硬件在环仿真。 基于控制系统的频域理论，设计了基于模糊p i d 的改进型s m i t h 预估控制器。 在基本s m i t h 预估控制的基础上，采用系统输出的变化率与预估器输出变化率的 比值，判断被控对象增益的变化趋势，在线修正控制器和预估模型增益，从而实 现动态增益预估自适应。- 结合e g r 系统的物理模型，进行了控制器软件在环测试。 结果表明，控制器具有很好的鲁棒性和瞬态响应特性，对非线性e g r 系统的时滞 现象有很好抑制作用。 基于产品级e c u 硬件的快速原型开发平台，以电子节气门开度、转速、冷 却水温和进气流量作为输入信号，e g r 阀位置作为反馈信号，编写了闭环e g r 控制程序。设计了c a n 通信、传感器信号诊断、执行器诊断和执行器驱动等功 能模块，便于后续发动机电控策略的开发。 分析了在环仿真的信号需求，设计了传感器信号发生器。采用硬件电路和 江苏大学硕士学位论文 程序，模拟产生发动机转速、冷却水温、进气压力、进气流量、凸轮轴相位等常 用传感器信号，并与e c u 硬件、标定软件进行c a n 翅i 信。 建立了e g 啦制器硬件在环仿真平台，测试了传感器信号发生器的工作状态 和e g r 控制器的响应特性。通过模拟发动机的运行工况，考察了e g r 控制器的性 能。结果表明，传感器信号发生器可以模拟产生各种常用的传感器信号，实现与 e c u 硬件、标定软件的顺畅通信。e g r 控制器具有良好的稳态特性和动态响应特 性，可以满足发动机对e g i 滥制系统的要求，为以后实际应用奠定基础。 关键词：废气再循环，模糊p i d 控制，s m i t h 预估控制，快速原型，硬件在环仿真 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t n o xi st h eo n eo ft h em a j o rp o l l u t a n t si ne n g i n ee m i s s i o n s n o xe m i s s i o ni s s t r i c t l yl i m i t e di nt h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n sa r o u n dt h ew o r l d e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n i sas o r to fn o xd e c o n t a m i n a t i o n t e c h n o l o g yt h a ti sm o s tw i d e l yu s e do v e rt h ew o r d f o r e i g nc o u n t r i e sh a dd e e p l ys t u d i e de g ra p p l i c a t i o na n da c c u m u l a t e dag r e a td e a l o fe x p e r i e n c eo ne g rc o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p m e n t r e c e n ty e a r s ，o u rc o u n t r yh a s s t u d i e dt h ee g ra p p l i c a t i o na n de l e c t r o n i cc o n t r o ls t r a t e g yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so fv a r i o u se g rc o n t r o ls y s t e m s ，t h ee g rc o n t r o lp r o g r a m t h a tt h ef e e d b a c ks i n g a li se g rv a l v e o p e n i n gi sp r o p o s e d t h ep a p e rd e s i g n e d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ，a c t u a t o rd r i v i n gm o d u l ea n dd i a g n o s t i c m o d u l e ，a n dt h ee g rc o n t r o lp r o g r a mi sm a d e o t h e r w i s et h es e n s o rs i n g a lg e n e r a t o r i sd e s i g n e da n de g rh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mi ss e tu p t h e ne g r c o n t r o l l e ri ss i m u l a t e do nt h ep l a t f o r m b e c a u s et h eo p e n i n go ft r a d i t i o n a le g rv a l v ei sm u t a t i o n a lb yt h e e n g i n e c o n d i t i o nv a r i a t i o n ，t h el i n e a re g rv a l v ei sc h o o s e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fe g r s y s t e mw o r k i n gp r o c e s s ，t h es t r u c t u r eo fl i n e a re g r v a l v ea n dp w mc o n t r o ll a w ，t h e e g rv a l v ea v e r a g em o d e li sb u i l du s e dt h et h e o r yo fa v e r a g e m o d e l i n g a c c o r d i n g t ot h ef r e q u e n c yt h e o r y ，t h ef u z z yp i d j o i n ts m i t hf o r e c a s tc o n t r o l l e r i sd e s i g n e d b a s e do nt h es m i t hc o n t r o l l e r ，t h et r e n do fc o n t r o l l e do b j e c tg a i ni s j u d g e db yc o m p a r i n gt h er a t eo fs y s t e mo u t p u tw i t hs m i t hc o n t r o l l e ro u t p u t t h eg a i n o fs m i t hc o n t r o l l e rw a sm o d i f i e do n l i n et oa c h i e v et h ed y n a m i cg a i ni s a d a p t i v e c o n t r o l l e d w i t ht h ee g rp h y s i c a lm o d e l ，t h ec o n t r o l l e rw a st e s t e di nt h es i m u l a t i o n s o f t w a r e t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o n t r o l l e rw i t hg o o dr o b u s t n e s sa n df a s tt r a n s i e n t r e s p o n s ec a nr e s t r a i nt i m e l a g g i n gc o n d i t i o n o nt h er a p i dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h ec l o s e d l o o pe g rc o n t r o lp r o g r a m ，i n w h i c ht h ea c t u a t o ri sl i n e a re g rv a l v e ，t h ei n p u ta r et p s 、s p e e ds e n s o rs i n g a l 、 江苏大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r es e n s o rs i n g a la n di n t a k em a s ss e n s o rs i n g a l ，t h ef e e d b a c ks i n g a li se g r v a l v ep o s i t i o ns i n g a l ，i sd e s g i n e d t h ep r o g r a mi n c l u d e sc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， s i n g a ld i a g n o s t i cm o d u l ea n da c t u a t o rd r i v em o d u l e t h ef o u n d a t i o no fc o m p l e t e e n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o la l g o t h r i md e v e l o p m e n ti se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o ns i n g a lr e q u e s t ，t h es e n s o rs i n g a lg e n e r a t o ri s d e s i g n e d u s e i n gt h e c i r c u i ta n ds o f t w a r e ，t h ec r a n ks i n g a l ，s p e e ds e n s o rs i n g a l ， c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r es e n s o rs i n g a la n dt h eo t h e re n g i n ee l e c t r o n i cs y s t e ms i n g a l s a r eg e n e r a t e d t h eg e n e r a t o rb o t hc a nc o m m u n i c a t ew i t hc a l i b r a t i o ns o f t w a r ea n d e c u t h r o u g hc a n c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h ee g rc o n t r o l l e rh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o np l a t f o r mw a sb u i l ti nt h e p a p e r ，a n dt h es i m u l a t i o nw a sc a r d e do u t e g re l e c t r o n i cc o n t r o l l e ri st e s t e do nt h e p l a t f o r mb yt h ew a yo fs i m u l a t i n gt h ee n g i n ew o r k i n gc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ed e s g i n e de n g i n es i n g a lg e n e r a t o rc a ng e n e r a t et h ee n g i n es e n s o rs i n g a la n d c o m m u n i c a t ew i t hc a l i b r a t i o ns o f t w a r ea n de c ut h r o u g hc a nc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l e g rc o n t r o l l e rh a sg o o ds t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ct o m e e tt h ef u n c t i o nn e e d so fe g r s y s t e m t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni st h eg u a r a n t e ef o r t h ee g rc o n t r o l l e ra p p l i c a t i o no nt h ee n g i n e k e yw o r d s ：e s h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，f u z z yp i dc o n t r o l ，s m i t hp r e d i c t i v e c o n t r o l ，r a p i dp r o t o t y p i n g ，h a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 保密e l ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密q 学位论文作者签名： 孟鑫亟廊指导教师签名：。歹巧0 2 0 1 0 年6 月4 日。沙，年月f 。日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下i 独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：孟鑫 日期：2 0 1 0 6 4 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 汽车给人们的生活带来极大方便，也给人们的生存环境造成了污染。城市大气环境恶 化的主要原因之一就是日益增加的汽车尾气排放。汽车尾气中的污染物主要有：一氧化碳 ( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 和微粒( p m ) 。据统计，由汽车排出的污染 物占大气有害气体的比率分别为【1 】：c o 为4 8 - 6 4 ，h c 为6 0 7 4 ，n o x 为1 0 一2 2 。 n o x 指发动机排气中多种氮氧化物气体，对人体健康有很大危害，在强烈阳光照射下， 还可同h c 进行一系列复杂的光化学反应，产生浅蓝色的光化学烟雾。光化学烟雾会阻碍 视线，刺激眼睛，致癌。2 0 世纪4 0 年代开始，在美国洛杉矶，由汽车尾气中的n o x 等有 害气体造成的光化学烟雾污染事件致使4 0 0 多人死于呼吸系统衰竭，超过7 5 的市民患有 红眼病。仅1 9 5 0 1 9 5 1 年，美国因大气污染造成的经济损失就达1 5 亿美元。据统计，目前 世界汽车保有量已达到8 5 1 2 亿辆，预计到2 0 3 0 年将突破1 6 亿辆。随着经济的发展，我 国汽车的保有量大幅上升，截至2 0 0 9 年，已逾7 6 1 9 万辆。随着机动车的增加，尾气污染 有愈演愈烈之势，类似美国洛杉矶的污染事件在日本东京等地多次出现，由局部性事件转 变成连续性和累积性事件，而各国城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。因此，美 国的e p a 、欧盟的e c e 、日本的j e s 体系以及我国的排放法规均对n o x 的排放做了严格的 规定。我国的第四阶段轻型汽车污染物排放限值及测量方法中规定汽油机n o x 的排放限值 为：o 0 8 9 k w h ；在欧v i 标准中，车用汽油机n o x 的排放限值为0 0 6 9 k w h 3 ；在美国e p a 的排放法规中，2 0 1 4 年的建议n o x 的排放限值为0 0 6 8 9 9 k w h ，接近零排放。因此，研究 n o x 排放的控制和净化措施，对于降低发动机整体排放水平，满足未来更加严格的排放法 规有着重要的意义。 1 2n o x 的净化措施 高温、富氧以及氧与氮在高温下滞留时间是决定n o x 在燃烧过程中生成量大小的三要 素。降低n o x 的思路通常从以下几方面考虑：控制燃烧温度，降低燃烧区氧气浓度；使燃 烧在远离当量比的条件下进行；缩短燃烧反应在高温区的滞留时间。 近年来，各国的内燃机工作者开展了大量的净化技术的研究，发展了些行之有效的 江苏大学硕士学位论文 控制n o x 排放的措施【4 1 ：例如：推迟点火提前角，改善燃料品质，进气道喷水，新的燃烧 方式，等离子体辅助催化还原和废气再循环( e x h a u s tg a sr e c i r c u l a t i o n ，简称e g r ) 等。 进气道喷水，在燃烧过程中吸收热，可降低燃烧最高温度，对降低n o x 效果明显，但 对机件的腐蚀作用太大；推迟点火提前角，可降低燃烧最高温度，缩短燃烧在高温的持续 时间以降低n o x ，但是造成功率损失，油耗增加；等离子体辅助催化还原：利用等离子体 中含有大量的高能电子、激发态粒子、原子氧( o ) 以及由此产生的氧化性极强的自由基 ( h o 、h 0 2 ) 、臭氧( 0 3 ) 等活性物种把n o 和h c 催化还原为无害的n 2 ，但是其电源性 能、与反应器的匹配以及催化剂工艺等问题均有待进一步研究；选择性催化还原( s c r ) ： 在排气中加入还原剂( 尿素或氨) ，在催化剂的作用下对排气中的n o x 进行还原。该技术 存在还原剂如尿素的制备以及储存和排气系统中易产生残余物的问题；稀燃是发动机在高 于理论混合比的条件下工作，由于燃烧温度降低抑制了n o x 的生成，但是混合气过于稀薄 将造成循环变动增加；分层燃烧实现稀燃的潜力超过均质燃烧，但是过度分层存在的浓混 合区仍是n o x 的主要来源；h c c i 是近年来的研究热点，依靠预混合燃烧形成的均匀混合 气和低温燃烧形成较低的缸内温度，在保持高效率的同时降低了碳烟和n o x 的排放，目前 存在的丰要问题在于着火时刻和燃烧速度的有效控制。 废气再循环( e g r ) 将一定量的废气引入到发动机的进气系统，减少进气充量中的氧 含量，增加进气充量中惰性气体的比例，提高进气充量比热容，从而降低了最高燃烧温度， 使化学反应速度降低，缩短了反应高温下的滞留时间，从而破坏了高温n o x 的生成条件， 有效的抑制了n o x 的生成。相比以上n o x 净化技术，e g r 具有以下特点【5 】： 1 ) e g r 技术降低n o x 效果明显。e g r 受发动机工况限制小，在所有负荷下均可有效的抑 制n o x 排放。研究表明，e g r 率为1 5 时，n o x 排放可以减少5 0 以上，而e g r 率 为2 5 时，n o x 排放可以减少8 0 以上。若合理的保持较高的再循环排气温度，还可 同时减少h c 和p m 的排放，并且不会明显的增加油耗。 2 ) e g r 技术简单易行，对发动机改动小，成本低。采用e g r 技术不需要对发动机的燃烧 室结构做出较大改动。即便是较复杂的电控e g r 系统，其e c u 和传感器亦可使用原 发动机的电控系统中的硬件，无需增加额外的部件。 3 ) e g r 技术的方案灵活多样，可满足不同要求，与多型号发动机完美匹配。对于成本较 低的普通发动机，可采用简单的气动式e g r ，可以显著降低n o x 的排放。对于要求较 江苏大学硕士学位论文 高的电控式发动机，则可采用电控e g r 系统，使n o x 的排放水平在原来较低的基础上 进一步降低，从而能满足更严格的排放法规。 4 ) e g r 技术应用广泛。e g r 技术是目前最实用的降低n o x 的措施，已经得到了广泛的应 用。目前，采用电控e g r 系统和电控高压燃油系统已可使发动机的排放水平达到国3 或国4 排放标准。未来，采用控制更加精确的线性e g r 电控系统，配合d p f 等其他技 术措施，必将使发动机排放进一步降低。 e g r 技术已经成为满足新的排放法规一项必不可少的有力措施。根据中华人民共和 国大气污染防治法制定的柴油车排放污染防治技术政策中，为达到相当于国3 ，4 排 放控制水平的要求，都将e g r 技术作为推荐采用的技术措施。因此，开发出具有自主知识 产权的先进e g r 电控系统具有非常重要的现实意义。 1 3 废气再循环( e g r ) 技术 1 3 1e g r 降低n o x 排放的机理和局限性 废气再循环对n o x 的牛成以及燃烧过程的影响体现在以下三个方面： 稀释新鲜充量中的氧含量：再循环废气替代了一部分新鲜空气，使得新鲜充量中的氧 浓度降低。氧气浓度降低后，过量空气系数下降，使燃料的焰前化学反应和燃烧反应速度 降低；另一方面，氮气与氧气接触的机会也减小，这样可以极大地降低n o x 的生成量。 提高进气充量的比热容：再循环废气中含有大量的c 0 2 、h 2 0 等三原子分子，具有较 高的比热容，与新鲜充量混合后，提高了进气充量的平均比热容。工质总热容提高后，吸 收等量的燃料燃烧的放热量，工质的温度变化较小，有助于控制燃烧速度。 降低化学效应温度：在高温下，废气中c 0 2 、水蒸气会发生裂解，裂解是一个高的吸 热过程，会吸收一部分燃烧热量，降低缸内峰值温度，进一步减少n o x 的排放。 但是，若通过e g r 引入过多的废气，会降低新鲜工质的氧含量，提高工质的温度，使 燃料混合气处于高温和缺氧条件下，造成非均相燃烧，生成较多的颗粒物。因此，必须合 理精确控制e g r 率，才能使e g r 在不增加颗粒排放的前提下，最大限度的降低n o x 扫l e 放。 1 3 2e g r 系统的分类 根据废气进入气缸是否通过发动机的进气系统，e g r 系统可分为内部e g r 系统和外 部e g r 系统。根据控制方式不同【8 】，e g r 系统可分为：机械式e g r 系统，气电式e g r 系 江苏大学硕士学位论文 统和电子控制式e g r 系统。 内部e g r 是通过改变配气正时实现的。系统不需外加其它设备，结构简单，应用方便， 避免了再循环废气对管道的腐蚀，有利于提高系统耐久性。但是内部e g r 系统难以精确控 制e g r 率；同时废气未经冷却直接回流，引起混合气温度升高，有利于n o x 的生成，因 此内部e g r 对n o x 的抑制效果并不显著。但是随着控制技术的不断提高，内部e g r 因其 简单便利日益受到青睐。目前，利用内部e g r 的可变气门m 技术已产品化，并应用于 汽油机同。 外部e g r 系统利用专门的管道将废气引入进气歧管使废气与新鲜充量在进入气缸前 充分混合。外部e g r 不但可以通过电控系统精确控制e g r 率，优化发动机性能，而且可 以加装e g r 冷却器，灵活控制回流废气的温度，在不显著增加p m 排放的前提下，获得良 好的n o x 净化效果，在柴油机上应用较多。 在多缸发动机上，还有一种气缸间e g r 系统【7 1 。通过管路和阀门把各气缸连接在一起， 靠不同气缸间的相位差和压差使一个气缸内的废气掺入到另一个气缸的新鲜空气中。 e g r 系统必须对e g r 的废气回流量做出精确的控制，按照控制方式的不同，可分为： 节 前锋捏台气 废气 图1 1 机械式e g r 系统 f i 9 1 1t h em e c h a n i c a le g rs y s t e m 机械式e g r 系统是通过控制进气管负压和排气压力的气体控制方式，结构简单，成本 低，如图1 1 所示。控制系统依据发动机的工作温度和节气门的真空度来控制其工作时间 和废气再循环量，控制自由度受到很大限制，控制精度低。系统缺乏柔性，其循环特性取 决于e g r 阀的弹簧膜片的物理弹性系数，难以根据发动机的复杂工况做出灵活应变。 气电式e g r 系统主要由e g r 阀、真空源、真空管路、e c u 、e g r 电磁阀和传感器等 组成，如图1 2 所示。e g r 阀的开度是通过改变e g r 阀上部真空室内真空度来调节，其真 4 江苏大学硕士学位论文 空源由节气门附近或使用真空泵提供。系统中e g r 阀与e g r 电磁阀通过真空管路相连， 当e g r 电磁阀关闭时，真空管路与大气相连，没有负压，e g r 阀关闭；当e g r 电磁阀开 启时，真空管路与真空源相连，e g r 阀打开，实现废气的回流。e c u 通过改变e g r 电磁 阀的开肩关闭时间比，间接调节真空管路的真空度，控制e g r 阀的开度，从而控制废气再 循环量。 图1 2 气电式e g r 系统 f i 9 1 2t h eg a s e l e c t r i ce g rs y s t e m 电控制式e g r 系统主要由电磁线圈式e g r 阀( 或者步进电机式e g r 阀) 、e c u 和传感 器等组成，如图1 3 所示。e g r 阀由步进电机( 或者比例电磁铁) 驱动。e c u 通过改变驱动 步进电机的脉冲信号( 或者调整流过比例电磁铁的电流) 直接调节e g r 阀的开启程度，e g r 流量大，控制精度高，动态响应好。 亲自空遮善 图1 3 电控式e g r 系统 f i 9 1 3t h ee l e c t r o n i cc o n t r o le g rs y s t e m 5 江苏大学硕士学位论文 1 3 3e g r 技术的发展 ( 1 ) e g r 技术在国外的发展 上世纪六十年代国外展开了对e g r 技术的研究，首先应用于汽油机，7 0 年代开始， 应用于柴油机。最初的e g r 系统是纯气动式，后来开发出了带中冷装置的e g r 系统，9 0 年代引入电控技术，开发出闭环控制的气电式或电磁式e g r 系统【9 1 。 目前，国外对e g r 研究方向转为e g r 与发动机各系统的优化匹配以及如何在精确控 制e g r 的前提下，充分发掘e g r 降低n o x 排放的潜力。三菱汽车公司在新一代g d i 发动 机上采用了e g r 技术，以降低发动机n o x 的排放。由于g d i 发动机燃烧区域的混合气浓 度较高，可导入大约相当于空气量7 0 的废气，对降低n o x 排放产生了巨大的效果。f o r d 公司和b a t h 大学合作，在直喷柴油机上，通过联合控制涡轮增压器喷嘴截面和e g r 阀开 度，成功实现了预期e g r 率，e g r 率能达到5 0 以上；五十铃公司采用共轨喷油系统和 可变截面增压器，装备了带止回阀的冷却e g r 系统，扩大了e g r 的运行范围；日野公司 配合共轨喷油系统和可变截面增压器，开发出了脉冲e g r 系统；三菱公司利用e g r 、可 变截面增压器、高压喷射和低涡流比来达到更高的排放法规。 e g r 技术对发动机燃烧的影响是目前最新的研究热点。内部e g r 首先被应用在h c c i 燃烧研究中，其对燃烧的影响主要有两个方面：第一，缸内残余废气具有较高的温度，使 缸内温度升高，使着火提前；第二，与废气混合的新鲜充量比热容大，氧含量降低，使压 缩过程中缸内温度和反应速度降低，着火推迟。外部e g r 具有与内部e g r 相似的特点， 同时还可以灵活的控制进气温度，因而在h c c i 燃烧的研究中，逐渐得到了重视。 国外，e g r 作为一项较成熟的技术已广泛应用于汽油机以及轻型车用柴油机上。 ( 2 ) e g r 技术在我国的发展 我国对e g r 的应用研究起步较晚。随着我国排放法规的出台，各类排放控制技术包括 e g r 逐渐受到各方面的重视。目前，国内一些高校和科研单位己经对电控e g r 系统的开 发，e g r 系统与发动机的匹配应用以及e g r 对于燃烧的影响做了大量的研究。 天津大学在5 气门单缸汽油机上利用缸内滚流实现了分层e g r ，相比于传统的e g r 方式，e g r 率有所增加，在兼顾动力性和经济性的同时降低了n o x 排放，综合性能上要优 于均匀进气e g r 系统，为利用缸内特定气流运动实现e g r 提供了一个新的途径【1 0 】【1 1 1 。 上海交通大学研究了不同e g r 方法对h c c i 燃烧的影响。随着内部e g r 率的增大， 6 江苏大学硕士学位论文 h c c i 燃烧的着火始点提前，内部e g r 的加热作用大于其对混合气的稀释作用，内部e g r 增大有利于均质混合气的形成；外部e g r 起到了推迟着火始点的作用，是一种有效的扩展 运行范围负荷上限的方法【1 3 】。 清华大学在缸内直喷汽油机上采用e g r 、火花点火和可变配气技术实现了火花点火激 发均质压燃( s i c i ) 组合燃烧方式，呈现明显的两阶段燃烧特性，调整点燃放热比例可以 实现h c c i 燃烧向高负荷拓展( 最大平均有效压力为0 8 2 m p a ) ，同时能获得较低的n o x 排 放和高的热效率【1 4 】。 吉林大学研究了e g r 和盯的匹配对增压柴油机排放的影响。v n t 通过调节废气涡 轮增压器涡前压气后的压差，可将e g r 率提高2 一1 2 ，在不改变柴油机动力性、经济 性和烟度排放的基础上，使柴油机n o x 排放量降低2 0 4 7 f 1 5 l 。 无锡隆盛科技有限公司等企业开发出了多款气动式e g r 系统和电动e g r 系统，与福 田跃进轻卡等车型进行了匹配，获得了良好的n o x 净化效果。 国内企业的e g r 多为功能较简单的开环控制式e g r 系统，控制精度较低，适合工况 范围较窄，n o x 净化效果有限。随着我国国民经济的发展和排放法规的日益严格，控制精 确、高e g r 率、n o x 净化效果良好的先进e g r 系统必将有着越来越广阔的应用前景。我 国也应紧跟发展潮流，开发出具有自主知识产权的先进e g r 系统，以满足市场的需求。 1 4 电控策略开发技术 目前，我国市场上应用的发动机电控系统( e c u ) 几乎完全由合资公司供应。发动机 电控系统主导性的先进技术掌握在少数国外企业，如博世、德尔福、马瑞利等公司手中， 他们不仅掌握着最先进的发动机电控系统开发技术，还拥有完整的发动机电控系统开发平 台。 我国对于电控系统的研发起步较晚，目前大多还采用传统的基于c 语言或其他编程语 言的嵌入式开发模式。基于c 语言或c + + 语言等嵌入式软件为开发环境，在确定好系统需 求和设计目标后，构建系统结构，由硬件设计人员设计制造硬件电路，控制工程师提出控 制方案，软件工程师编程实现控制方案，系统工程师将控制代码写入硬件电路中，最后对 真实的控制系统进行测试。其开发周期长，工作量和成本很难评估，代码修改复杂，可移 植性差，一个环节出错可能导致整个系统开发失败。 7 江苏大学硕士学位论文 应对当今市场对产品需求的多样性、快速性要求的趋势，国外公司采用最新的v 字型 电控系统开发模式，即设计、实现、测试和生产准备同时进行的开发流程。开发速度快， 资源利用率高。 1 4 1 基于模型的v 字型开发模式 v 开发模式是以m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 软件及其他相关软硬件为平台，以模型为设计 思想的开发模式。由离线功能仿真、控制器建模仿真、自动代码生成、硬件在环仿真、台 架及整车实验构成。核心在于s i m u l i n k 的模型、图形化和层次分明的功能模块。功能模块代 表了物理层、工作环境、信号处理和控制算法处理过程及通信的应用程序。模型能对嵌入 的软件在物理对象和其运行环境方面进行更好的性能描述，能更好的进行仿真以验证模块 是否满足其功能要求。借助于计算机辅助工具，v 开发模式支持从需求定义到最终产品的 全过程，结合测试系统，构成从开发到标定的一体化方案。图1 4 为基于模型、面向应用的 v 字形开发流程，它是一个封闭的开发链，其强大的数据处理能力、易于掌握的图形化编 程语言、良好的仿真环境等特点很好的解决了传统开发流程的不足。 基于模型、面向应用的现代开发技术的重要特征，就是采用计算机辅助控制系统设计 c a c s d ( c o m p u t e r - a i d e dc o n t r o ls y s t e md e s i g n ) 。将计算机支持工具贯穿于控制系统开发测 试的全过程。其完整的开发流程由以下步骤组成：( 1 ) 概念及需求定义；( 2 ) 控制器快速 建模仿真的建立；( 3 ) 生成产品代码；( 4 ) 硬件在环仿真m l s ( r i a r d w a r e i n t h e 1 0 0 p s i m u l a t i o n ) 。 图1 4 电控系统v 型开发模式【1 6 】 f i 9 1 4t h evd e v e l o p m e n tm o d e lo fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 8 江苏大学硕士学位论文 应用该开发模式，在开发初期，可通过控制器快速建模仿真及时对设计的算法进行功 能验证及性能优化；在开发后期，利用自动代码生成工具将成熟的控制算法转换为机器代 码，自动生成的代码能和早期手工编写的代码能很好地集成。因此，利用v 模式开发技术， 电控单元的开发就像积木搭积木一样，把硬件、操作系统、控制算法和诊断策略等集成在 一起。而控制系统开发后期的主要工作是控制器与系统的匹配标定，通过调整控制算法中 的可标定参数使系统的性能达到最佳。而且由于硬件在环仿真实现了先期的虚拟标定，因 此大大减少试验台标定工作量，缩短台架标定时间。 1 4 2v 字型开发模式的常用方法 1 ) 硬件在环仿真f f i i l s ) 硬件在环仿真是采用真实的控制器，而被控对象或者系统运行环境，部分采用实际控 制系统的部件，如喷油器、电子节气门，高压共轨系统等，部分采用数字模型，如发动机 模型，进气系统模型等，进行整个系统的仿真测试。硬件在环仿真可以进行极限条件测试， 试验可重复性好，测试结果容易纪录，便于分析。在开发流程中，工程师用硬件在环仿真 来代替真实环境或设备，利用实际控制器和用来代替真实环境或部件的仿真模型组成测试 系统，在实验室的环境下完成对e c u 的测试，大幅度降低开发费用，缩短开发周期。戴姆 勒克莱斯勒公司通过自动代码生成技术，将基于m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 开发的控制 策略模型转换成可执行代码，并利用t a r g e t l i n k 工具下载到d s p a c e 控制器仿真系统中进行 硬件在环仿真【1 7 1 。 控制器快速建模仿真 控制器快速建模仿真过程( 如图1 5 所示) 包括受控对象模型及控制策略模型的建立、 离线在线仿真、代码生成等环节。通过图形化编程软件m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w 建立 相应的控制器模型，也称为控制策略模型。控制模型完成后，在计算机上与选发动机仿真 模型进行联合仿真，即软件在环仿真。控制器模型对发动机模型进行控制，而发动机模型 完成工作状态模拟，输出仿真结果，并将计算结果反馈给控制器模型。通过反复修改模型， 进行实时仿真就可以将控制算法中的错误及不当之处消除，大大缩短了开发时间。 9 ， 江苏大学硕士学位论文 图1 5 控制器快速建模仿真过程 f i 9 1 5t h ep r o c e s so fc o n t r o l l e rr a p i dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n 1 4 3 电控系统仿真的模型研究 实时仿真r t s ( r e a l t i m es i m u l a t i o n ) 是v 模式开发过程中的重要一环，在诸如 m a t l a b s i m u l i n k 等计算机建模仿真软件环境中对控制系统进行模拟。在此过程中，需要 建立尽可能贴近真实对象的模型，以保证仿真结果的准确性，使仿真结果更具有指导意义。 1 1 基于m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型【1 8 】 在m a na b s i m u l i n k 软件环境下建立发动机模型，并对发动机模型进行软件或硬件在 环仿真是发动机控制仿真中的常用方法。发动机模型完全建立在m a = r ia b s i m u l i n k 软件环 境下，用户可以灵活对模型进行优化，并针对特定的机型进行相应的配置。密西根大学、 爱荷华州立大学、韦恩大学及威斯康星大学联合成立的汽车研究中心a r c ，开发了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的发动机模型，并将该模型进行了模块化处理，形成各缸独立封装的发 动机模型，同时追加了增压器模型和车辆传动系统模型，构成了完整的基于 m 觚a b s i m u l i n k 的动力系统模型。 基于内燃机工作过程模拟软件建立模型 利用g t - p o w e r 、w a v e 等内燃机工作过程模拟分析软件，或者采用f o r t r a n 等编 程语言编写发动机模型，通过软件包的数据交换接口与m a t l a b s i m u l i n k 联合进行仿真模 拟。这种方法能够建立出更加复杂、更加精确的发动机电控系统模型。 3 1 平均值模型1 9 l 平均值模型是发动机电控系统仿真中另一种常见的模型，即在仿真过程中忽略发动机 一个循环内的过程变化及波动情况，以较大的时间间隔来描述发动机动态特性参数的模型。 这种模型忽略发动机工作过程的细节描述，如进排气、燃烧等，只是简单抽象的表达这些 过程的变化。因此平均值模型通常以发动机的动力性为描述对象，在v 字型电控系统开发 江苏大学硕士学位论文 的仿真巾，平均值模型既能保证一定的运算精度又能满足控制仿真的实时性要求，因此得 到了j l 泛的应用。 1 44 常用电控开发及仿真平台 1 ) d s p a c e 电控开发及实时仿真系统 d s p a c e 是d i g l m ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ( 数字信号处理与控制工 程) 的缩写。d s p a c e 实时仿真系统是由德国d s p a c e 公司j f 发的 套基】： m a t l a b s i m u l i n k 的控制系统开发及半实物仿真的工作平台。该系统由硬件系统和软件系 统两大部分组成。硬件系统具有高速的计算能力，灵活性强：软件系统町以方便地实现代 码牛成、f 载帛】试验、调试等工作。其开发思路是将系统或产品的概念设计开发过程集成 化，将产品概念设计到实时仿真的监控和调隹集成到套甲台中来完成。借助r t w 和r t i 的支持，无需编程，在线模型便可，f 成实时代码，井自动编译、连接、f 载到实际硬件f f 】 运行。 2 ) l a b v i e w f p g a 硬件在环仿真、f 台 i m b v i e w 是n a t i t m a i n s t r t u a e n l s ( 简称n 1 ) 公司开发的目前广泛使用的虚拟仪器丹发耶境， 具功能涵盖测试、设讨和嵌入式应用等领域，其中l a b v i e w s i m u l a t i o n m o d u l e 、l a b v i e w r e a lt i m em o d u l e 、l a b v i e we m b e d e dd e v e l o p m e n tm o d u l e 等模块，提供了仿真、实时控 制、嵌入式开发等功能，对控制系统开发过程的建模仿真、原型设计和目标系统设计等阶 段