Lyapunov带废气再循环的可变截面涡轮增压柴油发动机的节能减排协调控制(3)

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图3各国排放法规实施年限及PM-NOx排放限值

针对目前越发严重的环境污染和能源危机，世界各国相继制定和实施了越来越严格的柴油机排放标准，如图3所示。

为了改善空气质量，各国开始制定自己的排放法规。表1就是美国、欧共体制定出的未来轻型柴油车严格的排放法规。而一直以来我国的柴油机排放标准采用欧洲体系，2000年等效实施了欧Ⅰ排放标准，2004年9月等效实施了欧Ⅱ排放标准，到2008年将达到欧Ⅲ排放标准，2010年争取与欧洲排放标准接轨。

单位:（g/mile）

美国年份 NOx CO NMHC或NMOG PM

联邦1 现在 0.4 3.4 0.25 0.08

联邦2 2004 0.2 1.7 0.125 0.08

殴Ⅲ 2000 0.5 0.64 0.56 0.05

欧Ⅳ 2005 0.25 0.5 0.30 0.025

表一

1.1.3 论文研究的意义

为了满足限制日益增多的排放标准，汽车制造商们在新技术上不断寻求创新：如排气微粒过滤器（DPF）后处理,多点喷射系统，共轨喷射系统[12]，废气再循环（EGR）技术[9-11,13-14]和可变截面涡轮增压（VGT）系统[9-11,13-14]等。

柴油发动机的设计目标是在调速方面获得最佳性能（如保持良好的暂态稳定性以及确保良好的外部摩擦和负载的扰动抑制能力），同时提高燃油消耗的经济性以及做到有害气体的最小化排放[8]。

因此，本论文拟从研究汽车发动机节能减排技术及发动机转速稳定运行出发，研究即能满足环保性能指标（NOx、HC、COx、微粒），又能满足发动机动力性能指标，并且兼顾经济性能指标的发动机动态内、外双环全局控制器。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柴油发动机特点

1.2.2 国内外柴油发动机节能减排技术

2 系统模型与工作原理

柴油发动机的设计目标是在调速方面获得最佳性能（如保持良好的暂态稳定性以及确保良好的外部摩擦和负载的扰动抑制能力），同时提高燃油消耗的经济性以及做到有害气体的最小化排放。

在文献资料中，有许多关于发动机转速调节（例如，最佳增益控制器[20]，基于H∞控制系统的线性变参数（LPV）方法[26]，自适应控制方法[21]，滑模控制[16]，基于李雅普诺夫函数的控制[25]，PID控制[22]）和带废气再循环和可变截面涡轮增压阀的发动机气路动态变量（例如，建设性的李雅普诺夫控制[11]，非线性模型预测控制[10]，平整度控制[25]，动态反馈稳定控制[9]，基于LPV的去耦控制[24]，基于PID的废气再循环和可变截面涡轮增压器控制[14]）的独立研究。

问题在于这些目标的冲突和耦合，如:发动机转速控制对发动机性能，燃油经济性和废气排放有显著的影响。这两个方面的组合研究对获得更好的发动机性能是有必要的。因此，我们首先提出了一个四阶非线性多输入多输出的柴油发动机模型，该模型既考虑到了发动机曲轴动态变量又考虑到了发动机的气路动态变量。燃油流率Wf是发动机动力系统的输入，但同时也被认为是非最小相位气体回路系统的外部干扰。针对我们提出的这个非线性多输入多输出系统，为了实现对发动机稳定转速、进气歧管压力和压缩机质量流量轨迹跟踪（根据低排放标准适当选择）的控制目标，我们提出了一个基于两个环路的动态反馈稳定控制。整体控制有两个回路：内环是基于李雅普诺夫函数的控制，用以实现发动机稳定转速的轨迹跟踪，外环是从一个特定的非线性气路系统改良开发而来的废气再循环和可变截面涡轮增压控制。基于这一子系统及其相应的改良输出，EGR和VGT控制器保证了所需的进气歧管压力和期望的压缩机质量流量的轨迹跟踪。同时，外环控制也提供了外部燃料质量流量的扰动抑制。相比于其他线性化方法，如PID方法，以上提出的基于两个回路的动态反馈稳定控制考虑了更重要的功能域。