4月24日，為期4天的第二屆世界內(nèi)燃機(jī)大會(huì)在山東濟(jì)南落下帷幕。來(lái)自全世界2000余位代表和學(xué)者通過(guò)線下和線上參加了本次大會(huì)，圍繞“綠色、高效、智能、可靠”的主題，就內(nèi)燃機(jī)的未來(lái)發(fā)展展開(kāi)激烈的思想和智慧碰撞。

大會(huì)上，廣汽研究院動(dòng)力總成中心整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成部部長(zhǎng)劉巨江以《低壓廢氣再循環(huán)智能控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(kāi)發(fā)、應(yīng)用及愿景。他表示，在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)下，多學(xué)科多領(lǐng)域融合才能做好發(fā)動(dòng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)不斷延續(xù)、保持活力。


以下為主旨報(bào)告：


各位專(zhuān)家、各位領(lǐng)導(dǎo)，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(duì)內(nèi)燃機(jī)控制的一些理解。我的報(bào)告主題是低壓廢氣再循環(huán)（下稱(chēng)“LP_EGR”）智能控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(guò)渡到基于模型的控制，以及未來(lái)的基于域控制器的控制。LP_EGR技術(shù)可以抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，達(dá)到節(jié)油效果，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。


廣汽研究院劉巨江在大會(huì)上作了題為《低壓廢氣再循環(huán)智能控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用》的主旨報(bào)告

LP_EGR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力較高，不適合高壓EGR，因此需要采用LP_EGR技術(shù)，以達(dá)到廢氣再循環(huán)的目的。

LP_EGR技術(shù)有幾個(gè)難點(diǎn)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層面，它的管路較長(zhǎng)，控制有延遲；它的排氣會(huì)波動(dòng)，在精確EGR率的計(jì)算時(shí)非常難；另外，冷凝量估算難度大，也會(huì)引起EGR率計(jì)算的偏差。在實(shí)際應(yīng)用層面，LP_EGR系統(tǒng)零部件及管路多，零部件的加工制造會(huì)有誤差，可能導(dǎo)致生產(chǎn)后存在一系列問(wèn)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(duì)高流量和低流量都要求做到相應(yīng)的診斷，以便能夠精確地檢測(cè)。

以上是LP_EGR的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以及我們遇到的挑戰(zhàn)。在實(shí)際控制過(guò)程中，LP_EGR給我們帶來(lái)了很多收益。

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


廣汽2.0TM發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱效率達(dá)到40.23%

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

廣汽是國(guó)內(nèi)國(guó)六階段首家整車(chē)搭載汽油機(jī)LP_EGR技術(shù)的主機(jī)廠。

廣汽LP_EGR控制系統(tǒng)采用比較經(jīng)典的兩個(gè)模型，一個(gè)是HFM檢測(cè)流量，另一個(gè)是TMAP檢測(cè)流量，前者計(jì)算新鮮進(jìn)氣量，后者計(jì)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(jì)算。根據(jù)我們的研究，對(duì)EGR率計(jì)算影響較大的是壓差，壓差比較小時(shí)，對(duì)流量的影響非常大，需要重點(diǎn)關(guān)注。為了提高EGR率的估算精度，EGR閥體前后的壓差應(yīng)在2kPa以上，這時(shí)需要用到節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)壓差。EGR率的計(jì)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?cè)陂_(kāi)發(fā)一種可以做到0.05kPa的壓差傳感器方案。一開(kāi)始我們覺(jué)得非常困難，跟傳感器廠家交流時(shí)，他們認(rèn)為這是完全不可能的。但經(jīng)過(guò)我們不斷研究，通過(guò)ECU自學(xué)習(xí)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(jì)算準(zhǔn)確，這是我們的一個(gè)創(chuàng)新工作。

在排氣側(cè)壓力脈動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化調(diào)整濾波的時(shí)間尺度。這種濾波算法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們認(rèn)為是最好的，代價(jià)也比較小，已在量產(chǎn)。

在LP_EGR的控制中，還要解決動(dòng)態(tài)過(guò)程遲滯的處理和冷凝水的處理，這兩個(gè)領(lǐng)域我們都做了相關(guān)研發(fā)工作，很好地解決了問(wèn)題，完全可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

基于虛擬驗(yàn)證的OBD功能開(kāi)發(fā)

前面講的是我們?cè)诋a(chǎn)業(yè)化中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題，第三部分是虛擬OBD的驗(yàn)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(kāi)發(fā)就像交作業(yè)，按照出題人的要求，把作業(yè)交出來(lái)。

廣汽LP_EGR控制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，首先對(duì)OBD法規(guī)要求進(jìn)行分析解讀，制定針對(duì)LP_EGR系統(tǒng)的OBD試驗(yàn)驗(yàn)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(wèn)題；三是要通過(guò)廣汽“三高試驗(yàn)”的驗(yàn)證。這就是廣汽OBD驗(yàn)證體系。

有了法規(guī)解讀和驗(yàn)證體系后，我們會(huì)利用GT-Power搭建配置LP_EGR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，把EGR的管路連進(jìn)去，預(yù)測(cè)相關(guān)流量，基于這個(gè)模型來(lái)驗(yàn)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(jìn)氣歧管壓力診斷法，每一種算法的精度都不一樣。經(jīng)過(guò)仿真分析后，我們認(rèn)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(dá)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(guò)模型的計(jì)算可以滿足LP_EGR系統(tǒng)低流量、高流量的法規(guī)要求。

同時(shí)，我們也做了WLTC工況測(cè)試，用不同截面大小的孔板來(lái)測(cè)試流量，模擬低流量的故障。經(jīng)測(cè)試，在WLTC工況下，即使是全開(kāi)或全關(guān)，排放也不會(huì)超過(guò)OBD的限值，測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。

控制器算力影響研究

前三部分主要介紹廣汽LP_EGR控制過(guò)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(jì)算能力？現(xiàn)在量產(chǎn)的LP_EGR控制系統(tǒng)，EGR率采用開(kāi)環(huán)控制，EGR流量的計(jì)算不是用來(lái)閉環(huán)控制閥的開(kāi)度，而是用來(lái)做發(fā)動(dòng)機(jī)其他協(xié)同控制，比如點(diǎn)火角、增壓器的控制與修正。因?yàn)槟壳癊GR率的計(jì)算精度還無(wú)法滿足閉環(huán)控制。

廣汽2.0TM發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了LP_EGR技術(shù)，在2000多個(gè)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)對(duì)EGR率的估算精度進(jìn)行了驗(yàn)證，99.9%以上的工況點(diǎn)位于±3%的偏差范圍內(nèi)。在動(dòng)態(tài)工況的控制精度方面，WLTC工況測(cè)試表明，動(dòng)態(tài)過(guò)程的EGR控制偏差基本控制在±4%以內(nèi)。

廣汽2.0TM發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU中，使用了TriCore AURIX TC277芯片。經(jīng)過(guò)分析，芯片的Core1主要是做EMS基于時(shí)間周期類(lèi)的任務(wù)調(diào)度，Core2做跟轉(zhuǎn)速有關(guān)的計(jì)算，把LP_EGR控制策略部署進(jìn)去以后，Core1負(fù)載率大約50%~60%，Core2負(fù)載率只有20%?；趯?shí)際控制效果，我們計(jì)劃將一些算力放在Core2，進(jìn)一步提升LP_EGR控制效果。

為了進(jìn)一步探索LP_EGR技術(shù)的節(jié)油潛力，以及TriCore AURIX TC277芯片對(duì)LP_EGR控制的優(yōu)化極限，我們?cè)谝慌_(tái)A+級(jí)轎車(chē)上開(kāi)展預(yù)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(cè)試系統(tǒng)，裝了線性氧傳感器，專(zhuān)門(mén)測(cè)試進(jìn)氣氧濃度，目的是測(cè)出真正的EGR率。

實(shí)際上這是基于模型的控制，核心是基于模型的EGR閥的開(kāi)度控制。從流體力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，是比較簡(jiǎn)單的流體模型，把整個(gè)管路系統(tǒng)簡(jiǎn)化為準(zhǔn)維的流動(dòng)模型，分成8個(gè)部分。有了模型后，把算法部署進(jìn)去，EGR混合處EGR計(jì)算聯(lián)立方程采用4階龍格-庫(kù)塔方法（Runge-Kutta Method）進(jìn)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(wàn)有特性數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以做97%工況點(diǎn)，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(cè)試中，模型預(yù)測(cè)瞬態(tài)EGR率絕對(duì)百分比誤差基本在2.5%以內(nèi)。NEDC循環(huán)測(cè)試整車(chē)瞬態(tài)EGR率預(yù)測(cè)精度表現(xiàn)較好，99.7%的時(shí)間EGR率預(yù)測(cè)誤差在±2%以內(nèi)。

通過(guò)EGR精確模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，對(duì)EGR率實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。后來(lái)我們把LP_EGR精確模型放到現(xiàn)在量產(chǎn)的ECU，因?yàn)镃ore2還有很多空間，將LP_EGR控制策略與其它EMS應(yīng)用層分開(kāi)，單獨(dú)部署于Core2，負(fù)載率達(dá)到85%，Core1的負(fù)載率達(dá)到65%，逼近實(shí)際應(yīng)用的極限，暫時(shí)無(wú)法用于量產(chǎn)中。

數(shù)字化的時(shí)代機(jī)遇

有了量產(chǎn)方案和測(cè)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(lái)，隨著算力提升、芯片技術(shù)進(jìn)步、成本降低，以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)的進(jìn)步，我們可以部署更多的算力在車(chē)上。

在智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展趨勢(shì)下，汽車(chē)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(shì)，帶來(lái)了“計(jì)算”與“控制”的分離，車(chē)載控制器開(kāi)始具備強(qiáng)大的專(zhuān)用計(jì)算核心。


數(shù)字化的時(shí)代機(jī)遇

廣汽動(dòng)力總成智能控制在智能化時(shí)代的進(jìn)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(jì)算核），再到最終是超級(jí)計(jì)算平臺(tái)。超級(jí)計(jì)算平臺(tái)是一個(gè)電腦，下面的執(zhí)行器仍要有驅(qū)動(dòng)、有MCU等。

大概在2023~2025年，廣汽會(huì)批量生產(chǎn)域控制器，有一個(gè)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(jì)算。在域控制器中，包含兩個(gè)核心：MCU主要負(fù)責(zé)與EMS、TCU、IPU、BMS等控制器協(xié)同控制，確保實(shí)時(shí)性與安全性；MPU主要負(fù)責(zé)開(kāi)展高性能計(jì)算，在系統(tǒng)層面利用先進(jìn)控制算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、電機(jī)等進(jìn)行優(yōu)化控制。

我們做了一個(gè)測(cè)試，把LP_EGR精確模型在域控制器的MPU上進(jìn)行算力測(cè)試，計(jì)算時(shí)間由原來(lái)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(fù)雜的算法應(yīng)用提供了可能，給我們內(nèi)燃機(jī)工作者提供一個(gè)很大的想象空間。

未來(lái)，只要汽車(chē)裝了域控制器，車(chē)企都可以把好的想法、算法，批量生產(chǎn)，這也是我們的一個(gè)夢(mèng)想。

廣汽將結(jié)合自身在LP_EGR技術(shù)上的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步挖掘汽車(chē)智能化對(duì)LP_EGR的提升潛力。一方面EGR的計(jì)算優(yōu)化會(huì)不斷完善，EGR率的計(jì)算會(huì)更精確；另一方面大批量應(yīng)用后，車(chē)輛的所有監(jiān)控及對(duì)散差的控制，會(huì)提上一個(gè)新的高度。

未來(lái)是一個(gè)多學(xué)科相互融合的時(shí)代，有半導(dǎo)體領(lǐng)域，有發(fā)動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域，有計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，也有傳統(tǒng)的燃燒、熱力學(xué)、流體力學(xué)領(lǐng)域，只有把這些領(lǐng)域融合起來(lái)，才能做好發(fā)動(dòng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)不斷延續(xù)、保持活力。