CN102135046A - 一种发动机egr与vgt控制方法及*** - Google Patents

一种发动机egr与vgt控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机EGR与VGT控制方法及***，包括：1)设置传感器、VGT、EGR执行器和发动机管理***；2)预设各工况下增压压力目标值，单缸进气量目标值，VGT、EGR开环控制开度、默认开度，PI闭环算法参数，油量上下限，转速上下限；3)根据传感器信号，最优控制目标模块得到压力目标值、进气量目标值，实际控制目标模块得到实测值，状态监控模块判断发动机处于适用或不适用闭环控制的工况，分别输出VGT、EGR默认开度控制执行器；或以压力目标值与实测值之差、进气量目标值与实测量之差为输入，得到VGT和EGR闭环控制开度，再与预设开环控制开度相加，分别控制两执行器。本发明分情况采用闭环控制算法或开环控制算法，从而扩大了***的应用工况并改善了***的控制效果。

Description

一种发动机EGR与VGT控制方法及***
技术领域
本发明涉及一种汽车电控发动机的控制方法及***，特别是关于一种发动机EGR与VGT控制方法及***。
背景技术
传统发动机采用自然吸气技术，即不通过任何增压器的情况下，大气压将空气直接压入燃烧室。之后发明的增压中冷技术利用压气机压缩空气，然后通过热交换器(中冷器)对压缩后的空气进行冷却，达到提高发动机的进气密度、进气量和发动机功率的目的。对于车用发动机大量采用的废气涡轮增压，置于排气管中的涡轮被排气驱动高速旋转，由于压气机驱动轴与涡轮输出轴相同，所以涡轮可带动压气机高速旋转，使压气机将空气加压后送入汽缸。因此发动机废气能量越大，涡轮转速与增压器转速都越高，增压压力也会越高。但传统的固定截面涡轮增压器常以中、低速为优化区域，导致高速高负荷时出现增压过高、转速过高等问题。VGT(Variable Geometry Turbocharger，可变截面增压器)技术的发明成功的解决了这一问题。VGT***可通过执行器调节涡轮喷嘴叶片的角度，从而改变废气的利用效率，使增压器能在各种工况下的良好匹配。与此同时，为降低发动机燃烧过程中产生的NOx，发明了EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环)技术。EGR***通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有的大量惰性气体降低了燃烧室氧浓度，同时吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度，从而有效的抑制了NOx的生成。
现有发动机VGT与EGR的控制***多采用闭环控制策略。该策略中首先确定VGT与EGR的控制目标，如VGT多采用增压压力为控制目标，EGR可采用单缸进气量或EGR率为控制目标；之后以最优控制目标和实测控制目标之差为PID算法输入，最后根据PID算法输出调节执行器开度，实现实测控制目标对最佳控制目标的追踪控制。最优控制目标在发动机开发阶段标定得到，实测控制目标即可是发动机传感器实测得到的物理状态，也可是根据实测信号计算得到的物理状态。这种控制策略具有简单、稳态控制效果好等优点，但是由于PID算法并不能在所有工况都取得较好的控制效果，尤其是一些瞬态工况和特殊环境，因此其应用效果受到了限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在大范围运行工况下都取得较好控制效果的EGR与VGT控制方法及其***。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种发动机EGR与VGT控制方法， 包括：1)设置发动机传感器、VGT执行器、EGR执行器和发动机管理***，在所述发动机管理***中设置有最优控制目标模块、实际控制目标模块、控制***模块，所述控制***模块中包含有状态监控模块；2)所述发动机管理***中预设各工况下的增压压力目标值、单缸进气量目标值、VGT开环控制开度、EGR开环控制开度，PI闭环算法中的比例系数、积分系数、积分上限、积分下限，油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度；3)所述发动机管理***以增压压力作为VGT控制目标，以单缸进气量作为EGR控制目标，最优控制目标模块根据传感器信号得到当前工况下的增压压力目标值、单缸进气量目标值，实际控制目标模块根据传感器信号得到实测增压压力值、单缸进气量，当所述状态监控模块根据发动机传感器信号判断发动机处于不适用闭环控制的工况时，状态监控模块输出VGT默认开度、EGR默认开度控制VGT、EGR执行器；当判断发动机处于适用闭环控制的工况时，控制***模块以所述增压压力目标值与实测增压压力值之差、所述单缸进气量目标值与实测单缸进气量之差为输入，根据闭环控制算法分别得到VGT闭环控制开度和EGR闭环控制开度，VGT闭环控制开度与预设的VGT开环控制开度之和、EGR闭环控制开度与预设的EGR开环控制开度之和分别为VGT执行器和EGR执行器的控制开度。
所述预设增压压力目标值、单缸进气量目标值、VGT开环控制开度、EGR开环控制开度，PI闭环算法中的比例系数、积分系数、积分上限、积分下限，油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度，为发动机开发阶段通过标定试验得到。
所述状态监控模块中根据传感器信号得到当前发动机油量信号、换挡信号、起动信号、***故障信号、转速信号，当满足以下任一条件时认为发动机处于不适用闭环控制的工况：a，发动机喷射油量高于所述预设油量上限；b，发动机喷射油量低于所述预设油量上限；c，发动机转速超过所述预设转速上限；d，发动机转速低于所述预设转速下限；e，发动机处于换挡过程中；f，发动机处于起动过程中；g，发动机处于故障状态。
所述闭环控制算法采用PI控制算法，并且I算法具有防饱和功能，满足如下条件之一时停止积分运算：1)积分项高于所述预设积分上限且最优控制目标高于实际控制目标；2)积分项低于所述预设积分下限且最优控制目标低于实际控制目标。
一种实现上述方法的发动机EGR与VGT控制***，其特征在于：包括发动机传感器和VGT执行器、EGR执行器，均由发动机管理***控制，发动机管理***中包括最优控制目标模块、实际控制目标模块、控制***模块；最优控制目标模块输入端与传感器相连，输出端与控制***模块相连；实际控制目标模块输入端与传感器相连，输出端与控制***模块相连；控制***模块输入端与传感器、最优控制目标模块、实际 控制目标模块相连，输出端与VGT执行器和EGR执行器相连。
所述控制***模块中包括VGT开环控制模块、EGR开环控制模块、VGT闭环控制模块、EGR闭环控制模块、状态监控模块、VGT切换模块、EGR切换模块；VGT开环控制模块输入端与传感器相连，输出端与VGT切换模块相连；EGR开环控制模块输入端与传感器相连，输出端与EGR切换模块相连；状态监控模块输入端与传感器相连，输出端分别与VGT切换模块和EGR切换模块相连；VGT闭环控制模块的输入端与最优控制目标模块、实际控制目标模块相连，输出端与所述VGT开环控制模块的输出集合后，再与VGT切换模块相连；EGR闭环控制模块的输入端与最优控制目标模块、实际控制目标模块相连，输出端与所述EGR开环控制模块的输出集合后，再与EGR切换模块相连；VGT切换模块、EGR切换模块的输出端与所述VGT执行器和EGR执行器相连。
所述最优控制目标模块中预设有增压压力目标值、单缸进气量目标值，所述VGT开环控制模块中预设有VGT开环控制开度，所述EGR开环控制模块中预设有EGR开环控制开度，所述VGT闭环控制模块和EGR闭环控制模块中设置有PI闭环算法模块，所述状态监控模块中预设有油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明在发动机常用工况内采用闭环控制与开环控制相结合的方法，所以可实现对控制目标快速、稳定的追踪控制；2、由于在换挡、起动等瞬态工况和低速、低油量等特殊工况不适用闭环控制，本发明采用开环控制直接输出执行器默认开度，可取得比闭环控制更好的控制效果。从而扩大了***的应用工况并改善了***的控制效果。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图；
图2是本发明的控制***结构示意图；
图3是本发明的VGT闭环控制算法图；
图4是本发明的EGR闭环控制算法图；
图5是本发明的状态监控模块示意图；
图6是VGT实际控制过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明设置发动机传感器和VGT执行器、EGR执行器，由发动机管理***控制，发动机管理***中包括最优控制目标模块、实际控制目标模块、控制***模块。
如图1所示，发动机10中包括多个传感器111、112……11M和VGT执行器121、EGR执行 器122。传感器111、112……11M的测量信号分别为131、132……13M；VGT执行器的控制信号为141、EGR执行器的控制信号为142，控制信号为开度信号。发动机管理***15中包括最优控制目标模块16、实际控制目标模块17、控制***模块21。最优控制目标模块16根据传感器测量信号131、132……13M计算得到当前工况下的增压压力目标值181、单缸进气量目标值182；实际控制目标模块17根据传感器测量信号131、132……13M测量或计算得到实测增压压力191、单缸进气量192；增压压力目标值181与实测增压压力191之差为201、单缸进气量目标值182与实测单缸进气量192值之差为202。控制***模块21以传感器信号131、132……13M、增压压力目标值与实测值之差201、单缸进气量目标值与实测值之差202为输入，输出分别为VGT执行器和EGR执行器的控制信号141、142。
如图2所示，控制***模块21包括VGT开环控制模块221、EGR开环控制模块222、VGT闭环控制模块301、EGR闭环控制模块302、状态监控模块23、VGT切换模块251、EGR切换模块252。VGT开环控制模块221输入端与传感器相连，输出信号与VGT闭环控制开度281相加后再与VGT切换模块251相连；EGR开环控制模块222输入端与传感器相连，输出信号与EGR闭环控制开度282相加后再与EGR切换模块252相连；状态监控模块23输入端与传感器相连，输出端分别与VGT切换模块251和EGR切换模块252相连；VGT闭环控制模块301的输入端与最优控制目标模块16、实际控制目标模块17相连，输出端与VGT开环控制模块221的输出集合后，再与VGT切换模块251相连；EGR闭环控制模块302的输入端与最优控制目标模块16、实际控制目标模块17相连，输出端与EGR开环控制模块222的输出集合后，再与EGR切换模块252相连；VGT切换模块、EGR切换模块的输出端分别与VGT执行器和EGR执行器相连。
VGT开环控制模块221输入信号为传感器信号131、132……13M，输出为VGT开环控制开度241，VGT开环控制模块221根据传感器输入信号判断发动机工况计算得到预设的VGT开环控制开度。EGR开环控制模块222输入信号为传感器信号131、132……13M，输出为EGR开环控制开度242，EGR开环控制模块222根据传感器输入信号判断发动机工况计算得到预设的EGR开环控制开度。
VGT闭环控制模块301输入信号为增压压力目标值与实测值之差201，输出为VGT闭环控制开度281，VGT闭环控制模块301以控制目标差为输入根据PI算法计算得到闭环控制开度281；VGT闭环控制开度281与VGT开环控制开度241之和为适用闭环控制的发动机工况的VGT控制开度291。EGR闭环控制模块302输入信号为单缸进气量目标值与实测值之差202，输出为EGR闭环控制开度282，EGR闭环控制模块302以控制目标差为输入根据PI算法计算得到闭环控制开度282；EGR闭环控制开度282与EGR开环控制开度242之和为适用闭环控制的发动机工况的EGR控制开度292。
状态监控模块23输入信号为传感器信号131、132……13M，输出信号分为三路，一路为发动机工况状态标志26，一路为不适用闭环控制的发动机工况的VGT默认开度271，一路为不适用闭环控制的发动机工况的为EGR默认开度272，状态监控模块23根据传感器信号判断发动机是否处于不适用闭环控制的工况，并输出不适用闭环控制工况下的VGT默认开度271和不适用闭环控制工况下的EGR默认开度272。
VGT切换模块251输入信号有三路，为适用闭环控制的发动机工况的VGT控制开度291、发动机工况状态标志26、不适用闭环控制的发动机工况的VGT默认开度271，输出信号为VGT执行器控制开度141；当发动机工况状态标志26指示当前发动机处于适用闭环控制的工况时，模块就选择适用闭环控制的发动机工况的VGT控制开度291作为执行器控制开度，当发动机工况状态标志26指示当前发动机处于不适用闭环控制的工况时，模块就选择不适用闭环控制的发动机工况的VGT默认开度271作为执行器控制开度。EGR切换模块252输入信号也有三路，为适用闭环控制的发动机工况的EGR控制开度292、发动机工况状态标志26、不适用闭环控制的发动机工况的EGR默认开度272，输出为VGT执行器控制开度142；当发动机工况状态标志指示当前发动机处于适用闭环控制的工况时，模块就选择适用闭环控制的发动机工况的EGR控制开度292作为执行器控制开度，当发动机工况状态标志指示当前发动机处于不适用闭环控制的工况时，模块就选择不适用闭环控制的发动机工况的EGR默认开度272作为执行器控制开度。
如图3、图4所示，VGT闭环控制模块301和EGR闭环控制模块302都采用PI闭环控制算法。以图3中VGT闭环控制模块301为例说明，输出的闭环控制开度281为P算法输出321与I算法输出331之和，其中P算法输出信号321为增压压力目标值与实测值之差201乘以预设比例系数得到；I算法输出信号331为输入切换模块311的输出信号341乘以预设积分系数之积，然后累加得到。
输入切换模块311的输入有三路，为增压压力目标值与实测值之差201、切换信号351和数值0。当I算法输出信号331超过预设积分上限且增压压力目标值与实测值之差201大于0时，或当I算法输出信号331低于预设积分下限且增压压力目标值与实测值之差201小于0时，表示I算法处于积分饱和状态，切换信号351置为1，否则置为0。当切换信号351为0时表示I算法处于正常状态，输入切换模块311只选择增压压力目标值与实测值之差201输出至信号341；当切换信号351为1时表示I算法处于积分饱和状态，输入切换模块311只选择0输出至信号341，避免I算法输出331超过预设积分上限或积分下限。
图4所示是EGR闭环控制模块302PI闭环控制算法流程图，与VGT闭环控制模块301完全相同。输出的闭环控制开度282为P算法输出322与I算法输出332之和，其中P算法输出信号322为增压压力目标值与实测值之差202乘以预设比例系数得到；I算法输出信号 332为输入切换模块312的输出信号342乘以预设积分系数之积，然后累加得到。
输入切换模块312的输入有三路，为增压压力目标值与实测值之差202、切换信号352和数值0。当I算法输出信号332超过预设积分上限且增压压力目标值与实测值之差202大于0时，或当I算法输出信号332低于预设积分下限且增压压力目标值与实测值之差202小于0时，表示I算法处于积分饱和状态，切换信号352置为1，否则置为0。当切换信号352为0时表示I算法处于正常状态，输入切换模块312只选择增压压力目标值与实测值之差202输出至信号342；当切换信号352为1时表示I算法处于积分饱和状态，输入切换模块312只选择0输出至信号342，避免I算法输出332超过预设积分上限或积分下限。
如图5所示，状态监控模块23中根据传感器信号131、132……13M测量或计算等信息处理过程得到当前发动机油量信号38、换挡信号39、起动信号40、***故障信号41、转速信号42。当油量信号38超过预设油量上限或油量下限时，油量超限信号36置为1，当转速信号42超过预设转速上限或转速下限时，转速超限信号37置为1。当油量超限信号36、换挡信号39、起动信号40、***故障信号41、转速超限信号37中任一信号值为1时，表明发动机处于不适用闭环控制的工况，状态监控模块23的输出信号发动机工况状态标志26置为1。
下面通过一个具体实施例来对本发明驱动方法进行详细描述。
在最优控制目标模块中预设有增压压力目标值、单缸进气量目标值，VGT开环控制模块中预设有VGT开环控制开度，EGR开环控制模块中预设有EGR开环控制开度，VGT闭环控制模块和EGR闭环控制模块中预设有PI闭环算法，状态监控模块中预设有油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度。
VGT实际控制过程如图6所示，0-10秒为发动机起动过程，此时发动机处于不适用闭环控制的工况，VGT执行器控制开度为默认值10％。10秒时起动过程完成，发动机进入适用闭环控制的工况。此时，VGT增压压力目标值为180kPa，对应开环控制开度为40％，同时由于实际增压压力为100kPa，用PI算法根据两者之差计算得到的闭环控制开度不断增大，因此控制开度持续上升，使VGT开度加大，增压压力上升。20秒时I算法输出达到积分上限25％，同时增压压力目标值与实际值之差大于0，所以此时进入积分饱和状态，I算法输入为0，积分算法输出不再增加。因此，VGT执行器控制开度固定在70％，实际增压压力稳定在160kPa。30秒时I算法积分上限变为50％，I算法输出增加，VGT执行器控制开度也同步增加，直至实际增压压力与目标增压压力相等，VGT执行器控制开度稳定在80％。
本发明采取在适用闭环控制的发动机工况采用了闭环控制算法，在不适用闭环控制的发动机工况采用了开环控制算法，输出为标定得到的默认开度，从而扩大了*** 的应用工况并改善了***的控制效果。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种发动机EGR与VGT控制方法，其特征在于，它包括：
1)设置发动机传感器、VGT执行器、EGR执行器和发动机管理***，在所述发动机管理***中设置有最优控制目标模块、实际控制目标模块、控制***模块，所述控制***模块中包含有状态监控模块；
2)所述发动机管理***中预设各工况下的增压压力目标值、单缸进气量目标值、VGT开环控制开度、EGR开环控制开度，PI闭环算法中的比例系数、积分系数、积分上限、积分下限，油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度；
3)所述发动机管理***以增压压力作为VGT控制目标，以单缸进气量作为EGR控制目标，最优控制目标模块根据传感器信号得到当前工况下的增压压力目标值、单缸进气量目标值，实际控制目标模块根据传感器信号得到实测增压压力值、单缸进气量，当所述状态监控模块根据发动机传感器信号判断发动机处于不适用闭环控制的工况时，状态监控模块输出VGT默认开度、EGR默认开度控制VGT、EGR执行器；当判断发动机处于适用闭环控制的工况时，控制***模块以所述增压压力目标值与实测增压压力值之差、所述单缸进气量目标值与实测单缸进气量之差为输入，根据PI闭环控制算法分别得到VGT闭环控制开度和EGR闭环控制开度，VGT闭环控制开度与预设的VGT开环控制开度之和、EGR闭环控制开度与预设的EGR开环控制开度之和分别为VGT执行器和EGR执行器的控制开度。
2.如权利要求1所述的一种发动机EGR与VGT控制方法，其特征在于，所述预设增压压力目标值、单缸进气量目标值、VGT开环控制开度、EGR开环控制开度，PI闭环算法中的比例系数、积分系数、积分上限、积分下限，油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度，为发动机开发阶段通过标定试验得到。
3.如权利要求1或2所述的一种发动机EGR与VGT控制方法，其特征在于，所述状态监控模块中根据传感器信号得到当前发动机油量信号、换挡信号、起动信号、***故障信号、转速信号，当满足以下任一条件时认为发动机处于不适用闭环控制的工况：a，发动机喷射油量高于所述预设油量上限；b，发动机喷射油量低于所述预设油量上限；c，发动机转速超过所述预设转速上限；d，发动机转速低于所述预设转速下限；e，发动机处于换挡过程中；f，发动机处于起动过程中；g，发动机处于故障状态。
4.如权利要求1或2所述的一种发动机EGR与VGT控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述闭环控制算法采用PI控制算法，并且I算法具有防饱和功能，满足如下条件之一时停止积分运算：1)积分项高于所述预设积分上限且最优控制目标高于实际控制目标；2)积分项低于所述预设积分下限且最优控制目标低于实际控制目标。
5.如权利要求3所述的一种发动机EGR与VGT控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述闭环控制算法采用PI控制算法，并且I算法具有防饱和功能，满足如下条件之一时停止积分运算：1)积分项高于所述预设积分上限且最优控制目标高于实际控制目标；2)积分项低于所述预设积分下限且最优控制目标低于实际控制目标。
6.一种实现权利要求1～5任一所述方法的发动机EGR与VGT控制***，其特征在于：包括发动机传感器和VGT执行器、EGR执行器，由发动机管理***控制，发动机管理***中包括最优控制目标模块、实际控制目标模块、控制***模块；最优控制目标模块输入端与传感器相连，输出端与控制***模块相连；实际控制目标模块输入端与传感器相连，输出端与控制***模块相连；控制***模块输入端与传感器、最优控制目标模块、实际控制目标模块相连，输出端与VGT执行器和EGR执行器相连。
7.如权利要求6所述的一种发动机EGR与VGT控制***，其特征在于：所述控制***模块中包括VGT开环控制模块、EGR开环控制模块、VGT闭环控制模块、EGR闭环控制模块、状态监控模块、VGT切换模块、EGR切换模块；
VGT开环控制模块输入端与传感器相连，输出端与VGT切换模块相连；
EGR开环控制模块输入端与传感器相连，输出端与EGR切换模块相连；
状态监控模块输入端与传感器相连，输出端分别与VGT切换模块和EGR切换模块相连；
VGT闭环控制模块的输入端与最优控制目标模块相连，输出端与所述VGT开环控制模块的输出集合后，与VGT切换模块相连；
EGR闭环控制模块的输入端与最优控制目标模块相连，输出端与所述EGR开环控制模块的输出集合后，与EGR切换模块相连；
VGT切换模块、EGR切换模块的输出端与所述VGT执行器和EGR执行器相连。
8.如权利要求7所述的一种发动机EGR与VGT控制***，其特征在于：所述最优控制目标模块中预设有增压压力目标值、单缸进气量目标值，所述VGT开环控制模块中预设有VGT开环控制开度，所述EGR开环控制模块中预设有EGR开环控制开度，所述VGT闭环控制模块和EGR闭环控制模块中设置有PI闭环算法模块，所述状态监控模块中预设有油量上限、油量下限、转速上限、转速下限、VGT默认开度、EGR默认开度。
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