8
2．1 涡轮增压柴油发动机：功能，模型和选择控制任务 8
2.1.1 涡轮增压柴油发动机（TDE）功能 8
2.1.2 柴油发动机模型 9
2.1.3 选择控制任务 12
2．2 双回路动态稳定控制 12
2.2.1 内回路：基于李雅普诺夫函数的控制器 13
2.2.2 外回路:EGR和VGT控制器 14
3 仿真数据及结果 18
结 论 22
致 谢 23
参考文献 24
1 引言
1.1 论文研究的背景及意义
1.1.1 国内汽车发展现状及对环境的影响
在地球环境日益恶化的今天，节能与环保是我们必须考虑的话题。随着科学技术的发展与人们生活水平的不断提升，为了满足人们出行的方便，汽车工业得到迅速发展，然而随着汽车工业的发展,汽车的保有量的日益增加,汽车的排放与污染问题变得更加严峻[1]。
国内近几年汽车保有量
随着人们环保意识的日益增强．降低汽车排放已成为人们共同关注的重要课题。车用发动机有害的排放物主要有HC、CO、NOx和微粒。发动机的排放物是由燃烧产物和过剩空气组成的。排放物中除了N2、O2、CO2、H2和蒸气等无害外，其余均为有害成分，主要是NOx、HC、CO、S02和微粒等。CO和SO2会使人中毒、窒息；NOx和HC经光照而生成化学烟雾使动物受害、植物枯死并使橡胶破裂；微粒悬浮在空气中，易被人体吸收而构成伤害。此外，CO2是温室气体之首。空气污染的危害广泛而深远．已严重威胁着人类的生存与发展。这些有害排放物来自于发动机排气管的排气、曲轴箱的排气和燃油蒸气。
汽车尾气污染
1.1.2 国内外相关政策法规
随着能源问题日益突出，国家有关部门在近几年出台的汽车相关政策中都明确提出了发展柴油轿车。其中包括：2003年，国家环保总局发布的《柴油车排放污染防治技术政策》中明确提出“国家通过优惠的税收等经济政策，鼓励提前达到国家排放标准的柴油车和车用柴油发动机产品的生产和使用”；2004年，国家发改委颁布的《汽车产业发展政策》也提出要“重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术”；2005年，国家发改委与科技部共同组织起草的《中国节能技术政策大纲》征求意见稿再次提出“要鼓励发展节能型轿车和柴油车”。
![摘要本文首先通过分析国内汽车行业的发展现状以及其对环境造成的影响得出节能减排技术及柴油机发展的必然性。随后我们简单介绍了国内外汽车内燃发动机节能减排政策、法规，以及常用的节能减排技术。我们发现现在技术突破的关键是开发新型的能解决发动机供油回路以及气体回路耦合的高级电控控制算法。因此本文提出了关于装备有废气再循环（EGR）阀和可变截面涡轮增压器（VGT）的柴油发动机的一个四阶非线性模型。该模型考虑了发动机的曲轴动态变量和气路动态变量，整体控制目标是对发动机转速、进气管压力和压缩机质量流量进行轨迹跟踪。为了达到预期的目标，我们提出了基于两个回路的动态反馈稳定控制。内环是基于Lyapunov函数的控制，用以实现发动机转速轨迹跟踪。外环是涉及EGR和VGT的控制，保证了进气管压力和压缩机质量流量的轨迹跟踪。同时，外环的动态反馈稳定控制也提供了外部燃料质量流量的扰动抑制。仿真结果证明了上述方法的效率和稳定性。 毕业论文关键词 柴油发动机 节能减排 废气再循环 可变截面涡轮增压 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title The energy saving coordinated control of a Diesel Engine with EGR & VGT Abstract In this paper,firstly, the necessity of energy saving technology and diesel engine development was derived by analyzing the current development of the domestic auto industry and its impact on the environment.Subsequently, we briefly introduce the policies and regulations of domestic and foreign automotive internal combustion engine energy-saving and emission reduction, and also the common energy conservation technology. We found that if wo want to get breakthroughs the key is to develop new advanced control algorithm which can solve the problem when we combine the engine oil-path and the air-path.Therefore, a fourth-order dimensional nonlinear model is proposed for a diesel engine equipped with a Variable Geometry Turbocharger (VGT) and an Exhaust Gas Recirculation (EGR) valve.The model takes into account the engine crankshaft speed dynamics and the air-path dynamics. The global control objectives are to track desired values of engine speed, intake manifold pressure and compressor flow mass rate.For the considered objectives two loop based dynamical feedback stabilization control is proposed:an inner loop and an outer loop.The inner loop considers a control based on Lyapunov function which realizes the desired engine speed trajectory tracking. The outer loop concerns EGR & VGT control and ensures both the desired intake manifold pressure and the desired compressor mass flow rate trajectory tracking. The outer loop dynamical feedback stabilization control provides also the external fuel mass flow rate perturbation rejection. The robustness and efficiency of the proposed method are demonstrated by simulation results. Keywords Diesel Engine Energy-saving EGR VGT 目 次 1 引言 1 1.1 论文研究的背景及意义 1 1.1.1 国内汽车发展现状及对环境的影响 1 1.1.2 国内外相关政策法规 2 1.1.3 论文研究的意义 3 1.2 国内外研究现状 3 1.2.1 柴油发动机特点 3 1.2.2 国内外柴油发动机节能减排技术 4 2 系统模型与工作原理 8 2．1 涡轮增压柴油发动机：功能，模型和选择控制任务 8 2.1.1 涡轮增压柴油发动机（TDE）功能 8 2.1.2 柴油发动机模型 9 2.1.3 选择控制任务 12 2．2 双回路动态稳定控制 12 2.2.1 内回路：基于李雅普诺夫函数的控制器 13 2.2.2 外回路:EGR和VGT控制器 14 3 仿真数据及结果 18 结 论 22 致 谢 23 参考文献 24 1 引言 1.1 论文研究的背景及意义 1.1.1 国内汽车发展现状及对环境的影响 在地球环境日益恶化的今天，节能与环保是我们必须考虑的话题。随着科学技术的发展与人们生活水平的不断提升，为了满足人们出行的方便，汽车工业得到迅速发展，然而随着汽车工业的发展,汽车的保有量的日益增加,汽车的排放与污染问题变得更加严峻[1]。 国内近几年汽车保有量 随着人们环保意识的日益增强．降低汽车排放已成为人们共同关注的重要课题。车用发动机有害的排放物主要有HC、CO、NOx和微粒。发动机的排放物是由燃烧产物和过剩空气组成的。排放物中除了N2、O2、CO2、H2和蒸气等无害外，其余均为有害成分，主要是NOx、HC、CO、S02和微粒等。CO和SO2会使人中毒、窒息；NOx和HC经光照而生成化学烟雾使动物受害、植物枯死并使橡胶破裂；微粒悬浮在空气中，易被人体吸收而构成伤害。此外，CO2是温室气体之首。空气污染的危害广泛而深远．已严重威胁着人类的生存与发展。这些有害排放物来自于发动机排气管的排气、曲轴箱的排气和燃油蒸气。 汽车尾气污染 1.1.2 国内外相关政策法规 随着能源问题日益突出，国家有关部门在近几年出台的汽车相关政策中都明确提出了发展柴油轿车。其中包括：2003年，国家环保总局发布的《柴油车排放污染防治技术政策》中明确提出“国家通过优惠的税收等经济政策，鼓励提前达到国家排放标准的柴油车和车用柴油发动机产品的生产和使用”；2004年，国家发改委颁布的《汽车产业发展政策》也提出要“重点发展混合动力汽车技术和轿车柴油发动机技术”；2005年，国家发改委与科技部共同组织起草的《中国节能技术政策大纲》征求意见稿再次提出“要鼓励发展节能型轿车和柴油车”。 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。 2．1 涡轮增压柴油发动机：功能，模型和选择控制任务 2.1.1 涡轮增压柴油发动机（TDE）功能 带可变截面涡轮增压器、曲轴以及废气再循环的涡轮增压柴油发动机如图7所示，这个示意图的最后是由可变截面涡轮机和压缩机组成的涡轮增压器。在涡轮增压柴油发动机的功能中，涡轮机承担的任务是利用废气中的动能用来给压缩机提供动力。由于涡轮机和压缩机是通过同一个轴相连接的，压缩机会随涡轮机开始旋转并通过中间冷却器带来新鲜空气。然后，穿过EGR冷却器和EGR阀门的新鲜空气和一部分废气从进气歧管被压入四个汽缸中。燃料直接喷入气缸燃烧，在曲轴上产生作用力矩。热的废气被压入排气歧管中。从排气歧管出来的废气，一部风通过涡轮机排出到发动机外，而其他部分则再循环回进气歧管。](/uploads/allimg/210410/1-21041019345TB.png)
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(2):http://www.751com.cn/zidonghua/lunwen_72723.html