4月24日，為期4天的第二屆世界內(nèi)燃機大會在山東濟南落下帷幕。來自全世界2000余位代表和學者通過線下和線上參加了本次大會，圍繞“綠色、高效、智能、可靠”的主題，就內(nèi)燃機的未來發(fā)展展開激烈的思想和智慧碰撞。

大會上，廣汽研究院動力總成中心整車驅(qū)動系統(tǒng)集成部部長劉巨江以《低壓廢氣再循環(huán)智能控制技術(shù)的開發(fā)與應用》為題，介紹了廣汽研究院在低壓廢氣再循環(huán)智能控制技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)、應用及愿景。他表示，在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，多學科多領(lǐng)域融合才能做好發(fā)動機控制，實現(xiàn)“碳中和”目標，讓發(fā)動機不斷延續(xù)、保持活力。


以下為主旨報告：


各位專家、各位領(lǐng)導，女士們、先生們，大家好！

我是廣汽研究院的劉巨江。我今天分享我們對內(nèi)燃機控制的一些理解。我的報告主題是低壓廢氣再循環(huán)（下稱“LP_EGR”）智能控制技術(shù)的開發(fā)與應用，主要介紹廣汽如何理解LP_EGR的控制，從傳統(tǒng)的基于MAP前饋加PID反饋的控制，過渡到基于模型的控制，以及未來的基于域控制器的控制。LP_EGR技術(shù)可以抑制發(fā)動機爆震，達到節(jié)油效果，從而提高發(fā)動機熱效率。


廣汽研究院劉巨江在大會上作了題為《低壓廢氣再循環(huán)智能控制技術(shù)的開發(fā)與應用》的主旨報告

LP_EGR技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

我們采用LP_EGR技術(shù)，主要原因是米勒循環(huán)發(fā)動機的進氣壓力較高，不適合高壓EGR，因此需要采用LP_EGR技術(shù)，以達到廢氣再循環(huán)的目的。

LP_EGR技術(shù)有幾個難點。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面，它的管路較長，控制有延遲；它的排氣會波動，在精確EGR率的計算時非常難；另外，冷凝量估算難度大，也會引起EGR率計算的偏差。在實際應用層面，LP_EGR系統(tǒng)零部件及管路多，零部件的加工制造會有誤差，可能導致生產(chǎn)后存在一系列問題。在法規(guī)層面，除了要考慮做好控制，還要做好OBD診斷，LP_EGR屬于OBD的法規(guī)件，對高流量和低流量都要求做到相應的診斷，以便能夠精確地檢測。

以上是LP_EGR的優(yōu)點和特點，以及我們遇到的挑戰(zhàn)。在實際控制過程中，LP_EGR給我們帶來了很多收益。

2021上海車展上，我們發(fā)布了廣汽混合動力“綠擎技術(shù)”，其中一套混動系統(tǒng)采用了我將要介紹的廣汽2.0TM發(fā)動機。這款發(fā)動機匹配豐田THS系統(tǒng)，搭載在廣汽傳祺中大型SUV，可實現(xiàn)WLTC工況下油耗6.4L/100km。LP_EGR技術(shù)的應用與優(yōu)化，使廣汽2.0TM發(fā)動機進一步節(jié)油3%-5%、熱效率達到40.23%。這款發(fā)動機將在今年年底量產(chǎn)搭載。


廣汽2.0TM發(fā)動機最高熱效率達到40.23%

LP_EGR技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中的關(guān)鍵控制問題

廣汽是國內(nèi)國六階段首家整車搭載汽油機LP_EGR技術(shù)的主機廠。

廣汽LP_EGR控制系統(tǒng)采用比較經(jīng)典的兩個模型，一個是HFM檢測流量，另一個是TMAP檢測流量，前者計算新鮮進氣量，后者計算混合后的流量。


低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EGR率依靠壓差傳感器計算。根據(jù)我們的研究，對EGR率計算影響較大的是壓差，壓差比較小時，對流量的影響非常大，需要重點關(guān)注。為了提高EGR率的估算精度，EGR閥體前后的壓差應在2kPa以上，這時需要用到節(jié)流閥來實現(xiàn)壓差。EGR率的計算需要壓差傳感器，現(xiàn)有的量產(chǎn)壓力傳感器散差在±0.5kPa左右，精度已經(jīng)非常高。

為了提高EGR率的估算精度，我們在開發(fā)一種可以做到0.05kPa的壓差傳感器方案。一開始我們覺得非常困難，跟傳感器廠家交流時，他們認為這是完全不可能的。但經(jīng)過我們不斷研究，通過ECU自學習將傳感器引入的偏差降低至0.05kPa。有了這種精度后，在小流量下，可以把EGR率計算準確，這是我們的一個創(chuàng)新工作。

在排氣側(cè)壓力脈動的處理方面，我們主要采用了跟轉(zhuǎn)速成正比的濾波算法，能根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化調(diào)整濾波的時間尺度。這種濾波算法，在實際應用過程中，我們認為是最好的，代價也比較小，已在量產(chǎn)。

在LP_EGR的控制中，還要解決動態(tài)過程遲滯的處理和冷凝水的處理，這兩個領(lǐng)域我們都做了相關(guān)研發(fā)工作，很好地解決了問題，完全可以實現(xiàn)量產(chǎn)。

基于虛擬驗證的OBD功能開發(fā)

前面講的是我們在產(chǎn)業(yè)化中遇到的關(guān)鍵問題，第三部分是虛擬OBD的驗證工作，這是我們比較關(guān)心的，而且它的代碼工作量比較大。OBD功能開發(fā)就像交作業(yè)，按照出題人的要求，把作業(yè)交出來。

廣汽LP_EGR控制開發(fā)過程中，首先對OBD法規(guī)要求進行分析解讀，制定針對LP_EGR系統(tǒng)的OBD試驗驗證方案。一是WLTC工況下OBD要滿足法規(guī)；二是在廣汽自主的耐久工況下不能出問題；三是要通過廣汽“三高試驗”的驗證。這就是廣汽OBD驗證體系。

有了法規(guī)解讀和驗證體系后，我們會利用GT-Power搭建配置LP_EGR系統(tǒng)的發(fā)動機模型，把EGR的管路連進去，預測相關(guān)流量，基于這個模型來驗證不同OBD方案的可行性。

我們嘗試了很多種算法，有單EGR溫度傳感器診斷法、三溫度傳感器（EGR、空氣、混合氣）診斷法、壓差傳感器診斷法及進氣歧管壓力診斷法，每一種算法的精度都不一樣。經(jīng)過仿真分析后，我們認為單EGR溫度傳感器診斷法能滿足要求，所以最終量產(chǎn)使用了這種算法，達到了成本最優(yōu)化。算法包括低流量診斷、高流量診斷，根據(jù)溫度、壓力的變化，通過模型的計算可以滿足LP_EGR系統(tǒng)低流量、高流量的法規(guī)要求。

同時，我們也做了WLTC工況測試，用不同截面大小的孔板來測試流量，模擬低流量的故障。經(jīng)測試，在WLTC工況下，即使是全開或全關(guān)，排放也不會超過OBD的限值，測試結(jié)果是低流量下、高流量下都滿足OBD要求，IUPR率也滿足法規(guī)標準。

控制器算力影響研究

前三部分主要介紹廣汽LP_EGR控制過程的原理，第四部分介紹控制器算力的影響。

域控制到底需要多少計算能力？現(xiàn)在量產(chǎn)的LP_EGR控制系統(tǒng)，EGR率采用開環(huán)控制，EGR流量的計算不是用來閉環(huán)控制閥的開度，而是用來做發(fā)動機其他協(xié)同控制，比如點火角、增壓器的控制與修正。因為目前EGR率的計算精度還無法滿足閉環(huán)控制。

廣汽2.0TM發(fā)動機應用了LP_EGR技術(shù)，在2000多個穩(wěn)態(tài)實驗工況點對EGR率的估算精度進行了驗證，99.9%以上的工況點位于±3%的偏差范圍內(nèi)。在動態(tài)工況的控制精度方面，WLTC工況測試表明，動態(tài)過程的EGR控制偏差基本控制在±4%以內(nèi)。

廣汽2.0TM發(fā)動機的ECU中，使用了TriCore AURIX TC277芯片。經(jīng)過分析，芯片的Core1主要是做EMS基于時間周期類的任務調(diào)度，Core2做跟轉(zhuǎn)速有關(guān)的計算，把LP_EGR控制策略部署進去以后，Core1負載率大約50%~60%，Core2負載率只有20%?；趯嶋H控制效果，我們計劃將一些算力放在Core2，進一步提升LP_EGR控制效果。

為了進一步探索LP_EGR技術(shù)的節(jié)油潛力，以及TriCore AURIX TC277芯片對LP_EGR控制的優(yōu)化極限，我們在一臺A+級轎車上開展預研，包括LP_EGR+電子增壓+48V輕混的聯(lián)合控制研究，搭載一套完整的測試系統(tǒng)，裝了線性氧傳感器，專門測試進氣氧濃度，目的是測出真正的EGR率。

實際上這是基于模型的控制，核心是基于模型的EGR閥的開度控制。從流體力學的角度來說，是比較簡單的流體模型，把整個管路系統(tǒng)簡化為準維的流動模型，分成8個部分。有了模型后，把算法部署進去，EGR混合處EGR計算聯(lián)立方程采用4階龍格-庫塔方法（Runge-Kutta Method）進行工程化近似求解。

我們發(fā)現(xiàn)，精度高了很多。在穩(wěn)態(tài)控制精度方面，萬有特性數(shù)據(jù)驗證可以做97%工況點，EGR穩(wěn)態(tài)偏差在±1%以內(nèi)；在瞬態(tài)控制精度方面，Tip_in階躍測試中，模型預測瞬態(tài)EGR率絕對百分比誤差基本在2.5%以內(nèi)。NEDC循環(huán)測試整車瞬態(tài)EGR率預測精度表現(xiàn)較好，99.7%的時間EGR率預測誤差在±2%以內(nèi)。

通過EGR精確模型的開發(fā)與應用，對EGR率實現(xiàn)了閉環(huán)控制。后來我們把LP_EGR精確模型放到現(xiàn)在量產(chǎn)的ECU，因為Core2還有很多空間，將LP_EGR控制策略與其它EMS應用層分開，單獨部署于Core2，負載率達到85%，Core1的負載率達到65%，逼近實際應用的極限，暫時無法用于量產(chǎn)中。

數(shù)字化的時代機遇

有了量產(chǎn)方案和測試，我們提出了新的域控制的想法。

如前所述，僅僅是建模的角度，已經(jīng)可以提高精度。未來，隨著算力提升、芯片技術(shù)進步、成本降低，以及車聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的進步，我們可以部署更多的算力在車上。

在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢下，汽車電氣架構(gòu)沿著“分布式控制→域控制→中央集中控制”的路線快速發(fā)展，這種集中化的發(fā)展趨勢，帶來了“計算”與“控制”的分離，車載控制器開始具備強大的專用計算核心。


數(shù)字化的時代機遇

廣汽動力總成智能控制在智能化時代的進化路線，從基于MCU（控制核）的控制，到基于域的控制，域控制器上不僅僅有MCU，還有MPU（計算核），再到最終是超級計算平臺。超級計算平臺是一個電腦，下面的執(zhí)行器仍要有驅(qū)動、有MCU等。

大概在2023~2025年，廣汽會批量生產(chǎn)域控制器，有一個傳統(tǒng)的MCU，搭配基于ARM的LINUX操作系統(tǒng)的MPU，以完成域的計算。在域控制器中，包含兩個核心：MCU主要負責與EMS、TCU、IPU、BMS等控制器協(xié)同控制，確保實時性與安全性；MPU主要負責開展高性能計算，在系統(tǒng)層面利用先進控制算法對發(fā)動機、變速箱、電機等進行優(yōu)化控制。

我們做了一個測試，把LP_EGR精確模型在域控制器的MPU上進行算力測試，計算時間由原來的6.5ms，提升到0.32ms，MPU能夠?qū)鹘y(tǒng)MCU的算力提升幾十倍，為更復雜的算法應用提供了可能，給我們內(nèi)燃機工作者提供一個很大的想象空間。

未來，只要汽車裝了域控制器，車企都可以把好的想法、算法，批量生產(chǎn)，這也是我們的一個夢想。

廣汽將結(jié)合自身在LP_EGR技術(shù)上的研發(fā)優(yōu)勢，進一步挖掘汽車智能化對LP_EGR的提升潛力。一方面EGR的計算優(yōu)化會不斷完善，EGR率的計算會更精確；另一方面大批量應用后，車輛的所有監(jiān)控及對散差的控制，會提上一個新的高度。

未來是一個多學科相互融合的時代，有半導體領(lǐng)域，有發(fā)動機控制領(lǐng)域，有計算機領(lǐng)域，也有傳統(tǒng)的燃燒、熱力學、流體力學領(lǐng)域，只有把這些領(lǐng)域融合起來，才能做好發(fā)動機控制，實現(xiàn)“碳中和”目標，讓發(fā)動機不斷延續(xù)、保持活力。