增压汽油机低压EGR控制模型开发及验证

李家玲 王强 王廷伟 孙鹏远 龙立

（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春 130013）

主题词：增压汽油机 低压EGR 控制模型 试验验证

EGR Exhaust Gas Recirculation

MCU Micro Controller Unit

ECU Electronic Control Unit

VVT Variable Valve Timing

CAN Controller Area Network

OCV Oil Control Valve

GPF Gasoline Particulate Filter

BMEP Brake Mean Effective Pressure

PWM Pulse Width Modulation

PID Proportional Integral Derivative

1 前言

近年来，尽管我国的新能源汽车行业蓬勃发展，但燃油车仍在全国汽车保有量中占据主导地位。在燃油车方面，主机厂正在广泛地应用可变气门正时（VVT）、米勒循环（Miller Cycle）、废气再循环（EGR）技术。EGR 技术是指将发动机燃烧做功后的部分废气通过管路引入进气系统，与新鲜空气混合后进入气缸的技术。通过EGR引入的废气在发动机缸内具有稀释作用和热容效应，在部分负荷工况下，可以降低泵气损失和传热损失，从而提升理论热效率。在全负荷工况下，EGR 可以降低燃烧温度，从而抑制爆震以及减少“过喷油”来降低油耗；另外EGR还可以有效地降低发动机NOx排放。

根据发动机废气引入气缸的过程中是否经过进气系统，EGR 技术可分为内部EGR 和外部EGR。内部EGR 是通过改变气门正时进而改变气门重叠期使部分废气滞留在气缸内；而外部EGR则是通过外接管路将排气管中的废气引入进气管路中，在进气管路与新鲜空气混合后再进入气缸。外部EGR 根据废气取出和引入位置的不同，可分为高压EGR、低压EGR 和混合EGR。低压EGR 是指废气从涡轮机下游取出，由压气机上游引入。相较于高压EGR和混合EGR，低压EGR 在低转速、高负荷工况下不存在负压差区域，保证了大量的EGR 废气可以顺利地流入缸内发挥作用，因此低压EGR 具有更宽的工作范围，且不会对压气机的工作效率产生负面影响。

在发动机的实际工作过程中，EGR率必须得到精确地控制。若引入的EGR率过低，将导致发动机难以达到预期的节能减排效果，若EGR率过高则会造成发动机不稳定燃烧，导致燃油经济性变差。而EGR系统控制的关键就是在不同工况下精确控制EGR 率达到最优的EGR 率。因此本文以一台2.0 L 增压直喷汽油机为研究对象，开发了一种精确低压EGR 控制模型，并完成了台架标定和控制精度验证。

2 低压EGR系统结构

低压EGR 系统布置型式如图1 所示。低压EGR系统主要由EGR阀、混合阀、EGR冷却器组成，传感器包括温度、压差和EGR 阀位置传感器。在低压EGR系统中，废气由催化器下游取出，流经EGR 冷却器和EGR 阀，在混合阀的控制作用下，与新鲜空气充分混合，经过压气机增压和进气中冷器的冷却作用，进入气缸内。

图1 低压EGR系统布置

2.1 混合阀

混合阀选用汽油机上常用的蝶阀结构，为常开阀。混合阀的控制电路采用直流电机H桥驱动电路，采用占空比信号（PWM）进行控制进气量。当存在EGR 需求时，混合阀产生一定的开度，用于产生EGR阀前、后的压力差，以便于EGR 废气引入压气机进气管路。

2.2 EGR阀

EGR阀同样选用蝶阀结构，并采用直流电机H桥驱动电路和占空比信号控制。EGR阀为常闭阀，阀门开度决定了EGR 流量和EGR 率，EGR 阀开度由发动机电子控制单元（ECU）控制。

蝶阀处的流量计算基于可压缩流体流过阀口时的流量方程为：

2.3 EGR冷却器

EGR 冷却器采用汽油机冷却系统中的冷却液进行冷却。主要用于降低EGR气体温度，避免对新鲜空气进行加热而导致发动机爆震和燃烧恶化。

2.4 EGR压差传感器和温度传感器

EGR压差传感器用于精确测量EGR阀上、下游的气体压力，EGR温度传感器则用于测量EGR阀上游的气体温度。

3 低压EGR系统控制策略开发

3.1 低压EGR系统控制流程设计

根据低压EGR系统的结构特点，设计了如图2所示的控制流程图。低压EGR系统基本控制流程如下。

图2 低压EGR系统控制流程

（1）根据整车和发动机工作状态进行EGR系统使能判断；

（2）当存在EGR 率需求时，根据工况条件计算混合阀需求开度，并控制混合阀至目标开度；

（3）根据发动机工况查询目标EGR 率图表，同时计算目标EGR质量流量；

（4）根据目标EGR 质量流量计算目标EGR 阀开度，并控制EGR阀至目标开度；

（5）根据EGR阀位置传感器获取的实际开度计算EGR气体的实际质量流量；

（6）根据空气流量计获取的新鲜空气质量流量、EGR实际质量流量以及系统延迟时间，计算缸内实际的EGR率；

（7）计算进、排气VVT 角度修正量和点火角的修正量。

3.2 低压EGR系统功能模块设计

根据所设计的低压EGR系统控制流程，为完成低压EGR 系统的功能开发，将整个低压EGR 控制系统划分为7个子系统功能模块，包括使能判别模块、需求计算模块、阀门控制模块、质量流量计算模块、延迟时间和修正系数的计算模块。低压EGR 系统中各功能模块间的控制逻辑关系如图3所示。

图3 低压EGR系统各功能模块间的逻辑关系

3.2.1 低压EGR使能判别模块

当整车车速以及发动机转速、水温、EGR 阀上游气体温度均达到设定值时，低压EGR系统才能工作。

3.2.2 低压EGR率需求计算模块

发动机缸内的充气量仅由新鲜空气、内部EGR和外部EGR 这3 部分组成。因此通过试验标定了基于转速和负荷的总EGR 率特性（MAP）图，以及基于进、排气VVT 角度的内部EGR 率MAP 图，就可以得到目标外部EGR率MAP图。

3.2.3 混合阀控制模块

在EGR 功能激活后，根据混合阀上、下游气体压比和温度值，按照阀口流量公式（1）可以计算出混合阀开环目标开度，同时根据工况进行混合阀目标开度的修正。

3.2.4 低压EGR阀控制模块

基于EGR阀处的目标质量流量、温度以及压比参数，根据阀门流量公式（1）推算出目标EGR 阀的有效流通面积，并查询EGR阀开度与有效流通面积的关系MAP 图，得到了EGR 阀的目标开度。然后根据EGR阀目标开度和实际开度的偏差值，设计了PID 控制器，输出EGR阀驱动电机的PWM信号。

3.2.5 低压EGR质量流量计算模块

根据EGR 阀上游温度和上下游压差以及EGR 阀位置传感器获取的实际开度，并基于阀门流量公式（1）计算EGR阀处的实际质量流量M。

3.2.6 低压EGR系统延迟模块

在计算缸内实际EGR率和质量流量时，必须要考虑EGR气体经过增压器、中冷器以及进气管路进入气缸的过程中所必需的传输延迟时间T。基于EGR阀处的质量流量、新鲜空气质量流量以及系统延迟时间的缸内实际低压EGR率计算公式如式（2）。

式中，φ为控制模型计算的低压EGR率；M为流过EGR 阀的质量流量；M为空气流量计测量的新鲜空气质量流量；(T)为系统延迟时间对缸内EGR率的修正系数。

3.2.7 基于EGR率的修正量计算模块

根据缸内实际低压EGR率、发动机当前的转速和负荷，得到进、排气VVT 角度修正量以及点火提前角修正量。这样可以保证在目标EGR率和实际EGR率存在偏差时，通过点火角以及VVT 角度的适当调整，能够改善发动机的燃烧效率和燃油经济性。

3.3 低压EGR系统软硬件架构设计

为实现低压EGR控制功能，通过MATLAB-Simu⁃link 软件，搭建低压EGR 系统的控制模型，并完成代码自动生成，然后将模型代码应用集成工具Tasking软件，编译成可以刷写到发动机ECU 里的A2L、HEX工程文件。低压EGR系统软硬件架构如图4所示。

图4 低压EGR系统软硬件架构

4 低压EGR控制系统试验验证

4.1 试验台架和方法

本文基于一台搭载低压EGR 系统的增压直喷汽油机试验台架，采用CO浓度测量EGR 率法，对低压EGR 工作区域内的EGR 率进行了测量，并与标定CAN读取模型计算的EGR率进行对比，以此验证低压EGR 系统对EGR 率的控制准确性。本文选用增压直喷汽油机的具体技术参数如表1所示。

表1 汽油机的具体技术参数

由于低压EGR 回路中的CO组分在与新鲜空气混合过程中既不会消失也不会生成，因此使用CO的稀释程度来代表低压EGR 率。此方法需要通过排放分析仪（AVL-AMA i60）测量排气中的CO体积百分数以及低压EGR 与新鲜空气混合后的CO体积百分数，同时忽略混合气和废气的气体常数的差异。

发动机台架上进、排气两侧CO体积百分数的测点位置如图5所示。测点1在排气总管上三元催化器（3WC）下游位置，测点2 在进气歧管上接近于进气门位置。

图5 进排气两侧CO2体积百分数测点位置

基于进、排气两侧CO体积百分数的EGR率计算公式如式（3）。

式中，η为台架测量的低压EGR 率；[CO]为EGR气体与新鲜空气混合后的CO体积百分数；[CO]为排气总管催化器下游中的CO体积百分数。

4.2 试验结果分析

本文在增压汽油机的常用工作区域（1 500 r/min<转速<4 500 r/min，0.4 MPa

将EGR 阀上、下游的压力差定义为SEG⁃RP_PDif_s16，台架测量的EGR 率变量名定义为EM_C_EGR，模型计算的EGR 率变量名定义为Fun_EGRrate，EGR 率测量值和计算值之间的绝对误差定义为Residual_Fun_EGRrate。

由低压EGR 控制模型的验证结果（图6）可知，在不同EGR 阀上、下游压差下，通过CO浓度计算的EGR 率与控制模型计算的EGR 率分布规律基本一致，且绝对误差始终保持在±1%以内。这说明在低压EGR 工作区域内，EGR 控制系统能够根据当前的发动机运行工况，准确地计算出需求EGR 率和EGR 阀目标开度，并控制EGR 阀至目标开度，同时精确地计算出EGR阀处以及缸内的实际EGR率。通过发动机台架试验充分验证了低压EGR系统对稳态EGR率的控制精度。

图6 基于EGR阀压差的低压EGR控制模型验证

该增压汽油机的低压EGR控制模型验证完成，得到不同工况下的低压EGR率MAP图（图7）。

图7 增压汽油机的低压EGR率MAP

5 结束语

本文以一台2.0 L 增压直喷汽油机为研究对象，制定了低压EGR系统控制流程，确定了各功能模块间的逻辑关系，并完成了整个低压EGR系统控制模型以及软硬件架构的开发。

通过发动机台架试验，完成了低压EGR 模型标定和控制功能验证。台架试验结果表明，本文开发的低压EGR 系统的稳态EGR 率控制精度始终保持在±1%以内，满足了低压EGR 系统的开发目标要求。

在低压EGR控制策略中，混合阀的使用还可以拓宽低压EGR的工作范围，即保证了在万有特性曲线中有更多的工况点能够实现高EGR 引入量和高EGR率；并且在计算缸内EGR 率时考虑了系统延时时间，EGR 率的计算精确度也得到进一步提高。为低压EGR技术在汽油机上的广泛应用提供了有效的指导。

本文开发的低压EGR 控制模型已经应用于混动专用发动机的项目中，并完成功能验证和台架标定。在今后的工作中，将在混动车型项目中进行拓展和运用，进一步挖掘低压EGR的节能减排潜力。同时在主动式预燃烧室耦合稀燃技术实现45%热效率的项目中，EGR技术也是不可或缺的手段之一。