張志文，王 曉，王彥清，韓文艷

(1.中北大學(xué) 能源動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引 言

防爆車輛被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)礦井生產(chǎn)中，防爆柴油機(jī)由于其效率高、安全性高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而被作為防爆車輛優(yōu)選的動(dòng)力源.然而，由于礦井下空氣質(zhì)量差，加之柴油機(jī)燃燒排放出大量的氮氧化合物(NOx)和顆粒物，使得井下作業(yè)環(huán)境十分惡劣，對(duì)人員的身體健康造成了極大的危害[1-3].因此，發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制成為了汽車行業(yè)亟待解決的重要問(wèn)題.目前，廢氣再循環(huán)(EGR)是控制柴油機(jī)NOx排放的有效手段[4]，但需要對(duì)EGR率進(jìn)行最優(yōu)控制才能在保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性前提下，提高燃油經(jīng)濟(jì)性并盡可能降低其NOx的排放[1].

隨著國(guó)家排放法規(guī)的完善和節(jié)能減排要求的提高，防爆柴油機(jī)的排放控制指標(biāo)也在不斷提高.GB 20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第三、四階段)》的出臺(tái)與實(shí)施，對(duì)防爆柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放技術(shù)升級(jí)提出了新的挑戰(zhàn).與國(guó)Ⅱ相比，國(guó)Ⅲ排放限值更加嚴(yán)格.HC+NOx各功率段排放限值變化較大，降幅約為30%～40%；PM只在Pmax<37 kW功率段有變化，最大降幅為25%；CO排放限值沒(méi)有任何變化[5].防爆柴油機(jī)要達(dá)到國(guó)Ⅲ 排放標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)是降低NOx排放，而EGR技術(shù)是非常有效的措施[6-8].上海理工大學(xué)的阮觀強(qiáng)等對(duì)重型柴油機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)循環(huán)工況的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在降低NOx生成量方面，EGR技術(shù)優(yōu)于選擇性催化還原(SCR)技術(shù)[9].長(zhǎng)沙福田汽車科技有限公司楊懷光工程師建立了基于模糊控制的柴油機(jī)EGR系統(tǒng)氮氧化物排氣模型[10]，仿真結(jié)果表明：基于模糊控制的柴油機(jī)EGR模塊對(duì)NOx的排放控制極為有效且精確，可以降低柴油機(jī)NOx的排放.本文以某防爆柴油機(jī)為研究對(duì)象，在不同工況下進(jìn)行EGR控制策略研究，基于AVL BOOST與MATLAB建立聯(lián)合仿真模型；通過(guò)仿真驗(yàn)證理論的可行性，從而為EGR精準(zhǔn)控制提供理論基礎(chǔ).

1 柴油機(jī)工況特性分析

1.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

本文以某直列四缸防爆柴油機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行柴油機(jī)工況特性分析，表1 為發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù).

表1 防爆柴油機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of explosion proof diesel engine

對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行11種工況的試驗(yàn)來(lái)研究其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性，并進(jìn)行全速全負(fù)荷100 h的可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示.數(shù)據(jù)顯示，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由大變小時(shí)，NOx的排放量先升高后降低.

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)(TDE4015DZLQFB)在11種工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of engine(TDE4015DZLQFB)under 11 working conditions

1.2 工況分析

廢氣再循環(huán)通過(guò)CO2等比熱容高的氣體吸收大量的熱，使氣缸中混合氣的最高燃燒溫度降低，減少了NOx的生成量[11-12].EGR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有內(nèi)部EGR和外部EGR兩種系統(tǒng).外部EGR可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢氣諸多參數(shù)的精確控制，從而最大程度地實(shí)現(xiàn)EGR的作用[13-14].

本文利用參考車型的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并選擇最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 600 r/min的工況進(jìn)行EGR率的控制分析.該工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩能達(dá)到峰值，工作環(huán)境最為復(fù)雜，而且該工況是發(fā)動(dòng)機(jī)常用的工作點(diǎn)，因此，學(xué)者們經(jīng)常在該工況下研究發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能等.

圖1 為EGR率從0～40%變化，負(fù)載載荷從25%～100%變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率變化的曲線.

圖1 不同EGR率發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化的曲線Fig.1 Engine power curve with different EGR rates

由圖1 可以看出：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在25%載荷低負(fù)載工作時(shí)，EGR率的升高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性沒(méi)有影響；當(dāng)載荷為50%與75%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率隨著EGR率增大而減小，變化幅度不大；當(dāng)載荷為100%時(shí)，隨著EGR率的增大發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率下降較快，當(dāng)EGR率達(dá)到30%時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性無(wú)法滿足負(fù)載工況需求，EGR系統(tǒng)停止工作.

圖2 為EGR率從0～40%變化，負(fù)載載荷從25%～100%變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放變化曲線.由圖2 可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)EGR率的升高，NOx的排放在下降；當(dāng)EGR率為0時(shí)，低載荷工況NOx的排放較高，隨著EGR率的升高，NOx的排放快速下降；當(dāng)EGR率為30%左右時(shí)，各載荷下NOx的排放量基本一致，約為 1.0 g/(kW·h).

圖2 不同EGR率發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的曲線Fig.2 NOx emission curve of engine with different EGR rates

2 柴油機(jī)模型的建立

圖3 為應(yīng)用AVL BOOST軟件建立的柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型，主要包括：進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、渦輪增壓及中冷裝置、EGR系統(tǒng)及冷卻裝置等.通過(guò)該模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行模擬，輸出相關(guān)工況數(shù)據(jù)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析以訓(xùn)練模型，經(jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)整來(lái)提高AVL BOOST模型的準(zhǔn)確度.將工況數(shù)據(jù)作為MATLAB控制模型的輸入數(shù)據(jù)，輸出EGR率控制參數(shù)，再將EGR率輸入AVL BOOST模型中，仿真驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性.

圖3 防爆柴油機(jī)工作過(guò)程仿真模型Fig.3 Simulation model of working process of explosion proof diesel engine

圖4 為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)及AVL BOOST仿真結(jié)論建立的防爆柴油機(jī)EGR控制模型，應(yīng)用MATLAB軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、油耗及排放模型，從而為EGR率控制模型提供數(shù)據(jù)信號(hào).

圖4 防爆柴油機(jī)EGR控制仿真模型Fig.4 EGR control simulation model of explosion proof dieselengine

3 EGR控制策略

3.1 模糊邏輯控制規(guī)則的建立

控制策略是EGR率管理的核心.本文控制策略的目標(biāo)是：在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性并降低NOx排放.模糊邏輯控制是基于規(guī)則的控制策略，不需要精確的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠解決非線性復(fù)雜問(wèn)題，適用于防爆柴油機(jī)EGR控制.

防爆柴油機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)需求功率Prq和NOx排放數(shù)據(jù)作為模糊邏輯控制器的輸入變量，運(yùn)用模糊邏輯推理計(jì)算控制變量EGR率，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與排放性.建立各參數(shù)的隸屬度函數(shù)，根據(jù)不同工況制定模糊規(guī)則集，圖5 為輸入和輸出的隸屬度函數(shù).

(a)輸入變量Prq的隸屬度函數(shù)

模糊邏輯控制器輸入變量Prq與NOx是傳感器采集到的具體數(shù)據(jù)，分辨率與靈敏度很高，采用線性分布函數(shù)；輸出變量EGR率是模糊控制分量，為了提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，選擇比較平緩的曲線作為隸屬度函數(shù).

模糊推理的關(guān)鍵在于模糊規(guī)則的建立，本文的規(guī)則庫(kù)由若干If-Then規(guī)則構(gòu)成，表3 列出了規(guī)則.Mamdani型模糊推理方法充分利用了專家規(guī)則庫(kù)的控制知識(shí).

表3 模糊邏輯規(guī)則庫(kù)Tab.3 Fuzzy logic rule base

為了消除指標(biāo)之間的量綱影響，對(duì)模糊邏輯控制變量進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化(Min-Max Normalization)方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使結(jié)果值映射到0～2之間.轉(zhuǎn)換函數(shù)為

(1)

式中：Xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值；Xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值.輸入Prq的論域?yàn)閇0,2]，0表示功率為零，2表示功率為最大值Pmax；NOx的論域?yàn)閇0,2]，代表NOx排放的上下限；輸出EGR率的論域?yàn)閇0,2]，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR工作模式.

3.2 控制模型的建立

建立模糊邏輯控制器并制定控制規(guī)則后，將實(shí)際載荷譜加載到模型中，考慮初始條件和邊界條件，建立防爆柴油機(jī)EGR率控制仿真模型，將模糊邏輯控制器加載到MATLAB模型中，就可以對(duì)系統(tǒng)的工況特點(diǎn)、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放等性能進(jìn)行研究.圖6 為模糊邏輯控制器仿真模型.

圖6 控制器仿真模型Fig.6 Controller simulation model

4 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)仿真試驗(yàn)研究發(fā)動(dòng)機(jī)在定轉(zhuǎn)速(1 600 r/min)和4種負(fù)荷(100%，75%，50%，20%)工況下，EGR率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和NOx排放的影響.

首先建立模糊邏輯控制器的隸屬度函數(shù)與控制規(guī)則，基于Mamdani模糊法制定推理規(guī)則并繪制MAP圖，如圖7 所示，根據(jù)輸入變量的隸屬度推導(dǎo)出輸出變量的分布函數(shù).

圖7 控制器中Prq，NOx及EGR率對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)規(guī)則Fig.7 Regulation rules corresponding to Prq,NOx and EGR rate in the controller

EGR率的控制是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，圖7 實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)EGR率的選擇是基于經(jīng)驗(yàn)和循序參數(shù)試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)的模糊邏輯控制策略進(jìn)行多目標(biāo)控制，控制過(guò)程優(yōu)先考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，其次考慮降低NOx的排放.

圖8 是載荷率為100%，傳統(tǒng)控制與模糊控制下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對(duì)比曲線.由圖8 可以看出：傳統(tǒng)控制過(guò)程中，隨著EGR率的升高發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降嚴(yán)重，在實(shí)際工況下雖然NOx排放下降，但無(wú)法滿足動(dòng)力性能需求，而模糊邏輯控制過(guò)程優(yōu)先滿足了動(dòng)力性能需求；在100 s的仿真時(shí)間內(nèi)，模糊邏輯控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了3.2%，平均NOx排放由7.89 g/(kW·h)提高到11.37 g/(kW·h)，平均EGR率由13.5降低到4.6.

(a)輸出功率

圖9 是載荷率為75%，兩種控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對(duì)比曲線.由圖9 可以看出：雖然傳統(tǒng)控制中NOx的排放有所下降，但發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率也下降了，而模糊控制能綜合均衡動(dòng)力性與排放性能；在仿真時(shí)間內(nèi)，模糊邏輯控制發(fā)動(dòng)機(jī)的平均功率提高了4.3kW，平均NOx排放由5.58 g/(kW·h)提高到 7.75 g/(kW·h)，平均EGR率由18.11降低到 11.25.

(a)輸出功率

圖10 是載荷率為50%，兩種控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對(duì)比曲線.由圖10 可以看出，模糊邏輯控制發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率提高了1.1kW，平均NOx的排放提高了0.09 g/(kW·h)，平均EGR率提高了0.07.

(a)輸出功率

圖11 是載荷率為25%，兩種控制模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率特性、NOx排放特性及EGR率對(duì)比曲線.由圖11 可以看出，模糊邏輯控制發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率提高了0.02 kW，平均NOx排放降低了0.67 g/(kW·h)，平均EGR率提高了0.55.

(a)輸出功率

表4 為傳統(tǒng)控制和模糊控制仿真結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù).對(duì)比顯示，模糊邏輯控制策略可以根據(jù)實(shí)時(shí)工況特性動(dòng)態(tài)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式，在小負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載功率容易滿足，控制策略優(yōu)先降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放，在大負(fù)荷工況下，控制系統(tǒng)優(yōu)先保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能.

表4 仿真結(jié)果平均值Tab.4 Average value of simulation results

5 結(jié) 論

EGR率的控制是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題，本文提出一種模糊邏輯控制策略來(lái)進(jìn)行多目標(biāo)控制，具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠解決非線性復(fù)雜問(wèn)題，適用于防爆柴油機(jī)EGR率的控制.選擇發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速為1 600 r/min的工況，研究其動(dòng)力性、排放性及經(jīng)濟(jì)性.通過(guò)仿真對(duì)比試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)模糊邏輯控制策略能夠根據(jù)實(shí)時(shí)NOx排放及負(fù)載需求功率自動(dòng)調(diào)整EGR率，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，降低了NOx的排放.

2)在100%與75%載荷下，優(yōu)先考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，為了保證負(fù)載工況需求，控制系統(tǒng)通過(guò)降低EGR率來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放量有所提高.

3)在50%與25%載荷下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載功率容易滿足，控制系統(tǒng)通過(guò)提高EGR率來(lái)降低NOx的排放.

另外，模糊邏輯控制規(guī)則及隸屬度函數(shù)的建立要依靠豐富的專家經(jīng)驗(yàn)，因此，需要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)訓(xùn)練才能提高控制的穩(wěn)定性與可靠性，從而提高綜合控制效果.