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广汽发动机热效率超40%,背后是对LP_EGR技术的深度开发与应用

2021-04-28 23:47:21·  来源:广汽研究院  
 
4月24日,为期4天的第二届世界内燃机大会在山东济南落下帷幕。来自全世界2000余位代表和学者通过线下和线上参加了本次大会,围绕绿色、高效、智能、可靠的主题,
4月24日,为期4天的第二届世界内燃机大会在山东济南落下帷幕。来自全世界2000余位代表和学者通过线下和线上参加了本次大会,围绕“绿色、高效、智能、可靠”的主题,就内燃机的未来发展展开激烈的思想和智慧碰撞。

大会上,广汽研究院动力总成中心整车驱动系统集成部部长刘巨江以《低压废气再循环智能控制技术的开发与应用》为题,介绍了广汽研究院在低压废气再循环智能控制技术领域的开发、应用及愿景。他表示,在智能化、网联化的发展趋势下,多学科多领域融合才能做好发动机控制,实现“碳中和”目标,让发动机不断延续、保持活力。


以下为主旨报告:


各位专家、各位领导,女士们、先生们,大家好!

我是广汽研究院的刘巨江。我今天分享我们对内燃机控制的一些理解。我的报告主题是低压废气再循环(下称“LP_EGR”)智能控制技术的开发与应用,主要介绍广汽如何理解LP_EGR的控制,从传统的基于MAP前馈加PID反馈的控制,过渡到基于模型的控制,以及未来的基于域控制器的控制。LP_EGR技术可以抑制发动机爆震,达到节油效果,从而提高发动机热效率。

广汽发动机热效率超40%,背后是对LP_EGR技术的深度开发与应用
广汽研究院刘巨江在大会上作了题为《低压废气再循环智能控制技术的开发与应用》的主旨报告

LP_EGR技术的优势与挑战

我们采用LP_EGR技术,主要原因是米勒循环发动机的进气压力较高,不适合高压EGR,因此需要采用LP_EGR技术,以达到废气再循环的目的。

LP_EGR技术有几个难点。在系统结构层面,它的管路较长,控制有延迟;它的排气会波动,在精确EGR率的计算时非常难;另外,冷凝量估算难度大,也会引起EGR率计算的偏差。在实际应用层面,LP_EGR系统零部件及管路多,零部件的加工制造会有误差,可能导致生产后存在一系列问题。在法规层面,除了要考虑做好控制,还要做好OBD诊断,LP_EGR属于OBD的法规件,对高流量和低流量都要求做到相应的诊断,以便能够精确地检测。

以上是LP_EGR的优点和特点,以及我们遇到的挑战。在实际控制过程中,LP_EGR给我们带来了很多收益。

2021上海车展上,我们发布了广汽混合动力“绿擎技术”,其中一套混动系统采用了我将要介绍的广汽2.0TM发动机。这款发动机匹配丰田THS系统,搭载在广汽传祺中大型SUV,可实现WLTC工况下油耗6.4L/100km。LP_EGR技术的应用与优化,使广汽2.0TM发动机进一步节油3%-5%、热效率达到40.23%。这款发动机将在今年年底量产搭载。

广汽发动机热效率超40%,背后是对LP_EGR技术的深度开发与应用1
广汽2.0TM发动机最高热效率达到40.23%

LP_EGR技术产业化中的关键控制问题

广汽是国内国六阶段首家整车搭载汽油机LP_EGR技术的主机厂。

广汽LP_EGR控制系统采用比较经典的两个模型,一个是HFM检测流量,另一个是TMAP检测流量,前者计算新鲜进气量,后者计算混合后的流量。

广汽发动机热效率超40%,背后是对LP_EGR技术的深度开发与应用2
低压废气再循环系统结构

EGR率依靠压差传感器计算。根据我们的研究,对EGR率计算影响较大的是压差,压差比较小时,对流量的影响非常大,需要重点关注。为了提高EGR率的估算精度,EGR阀体前后的压差应在2kPa以上,这时需要用到节流阀来实现压差。EGR率的计算需要压差传感器,现有的量产压力传感器散差在±0.5kPa左右,精度已经非常高。

为了提高EGR率的估算精度,我们在开发一种可以做到0.05kPa的压差传感器方案。一开始我们觉得非常困难,跟传感器厂家交流时,他们认为这是完全不可能的。但经过我们不断研究,通过ECU自学习将传感器引入的偏差降低至0.05kPa。有了这种精度后,在小流量下,可以把EGR率计算准确,这是我们的一个创新工作。

在排气侧压力脉动的处理方面,我们主要采用了跟转速成正比的滤波算法,能根据发动机转速变化调整滤波的时间尺度。这种滤波算法,在实际应用过程中,我们认为是最好的,代价也比较小,已在量产。

在LP_EGR的控制中,还要解决动态过程迟滞的处理和冷凝水的处理,这两个领域我们都做了相关研发工作,很好地解决了问题,完全可以实现量产。

基于虚拟验证的OBD功能开发

前面讲的是我们在产业化中遇到的关键问题,第三部分是虚拟OBD的验证工作,这是我们比较关心的,而且它的代码工作量比较大。OBD功能开发就像交作业,按照出题人的要求,把作业交出来。

广汽LP_EGR控制开发过程中,首先对OBD法规要求进行分析解读,制定针对LP_EGR系统的OBD试验验证方案。一是WLTC工况下OBD要满足法规;二是在广汽自主的耐久工况下不能出问题;三是要通过广汽“三高试验”的验证。这就是广汽OBD验证体系。

有了法规解读和验证体系后,我们会利用GT-Power搭建配置LP_EGR系统的发动机模型,把EGR的管路连进去,预测相关流量,基于这个模型来验证不同OBD方案的可行性。

我们尝试了很多种算法,有单EGR温度传感器诊断法、三温度传感器(EGR、空气、混合气)诊断法、压差传感器诊断法及进气歧管压力诊断法,每一种算法的精度都不一样。经过仿真分析后,我们认为单EGR温度传感器诊断法能满足要求,所以最终量产使用了这种算法,达到了成本最优化。算法包括低流量诊断、高流量诊断,根据温度、压力的变化,通过模型的计算可以满足LP_EGR系统低流量、高流量的法规要求。

同时,我们也做了WLTC工况测试,用不同截面大小的孔板来测试流量,模拟低流量的故障。经测试,在WLTC工况下,即使是全开或全关,排放也不会超过OBD的限值,测试结果是低流量下、高流量下都满足OBD要求,IUPR率也满足法规标准。

控制器算力影响研究

前三部分主要介绍广汽LP_EGR控制过程的原理,第四部分介绍控制器算力的影响。

域控制到底需要多少计算能力?现在量产的LP_EGR控制系统,EGR率采用开环控制,EGR流量的计算不是用来闭环控制阀的开度,而是用来做发动机其他协同控制,比如点火角、增压器的控制与修正。因为目前EGR率的计算精度还无法满足闭环控制。

广汽2.0TM发动机应用了LP_EGR技术,在2000多个稳态实验工况点对EGR率的估算精度进行了验证,99.9%以上的工况点位于±3%的偏差范围内。在动态工况的控制精度方面,WLTC工况测试表明,动态过程的EGR控制偏差基本控制在±4%以内。

广汽2.0TM发动机的ECU中,使用了TriCore AURIX TC277芯片。经过分析,芯片的Core1主要是做EMS基于时间周期类的任务调度,Core2做跟转速有关的计算,把LP_EGR控制策略部署进去以后,Core1负载率大约50%~60%,Core2负载率只有20%。基于实际控制效果,我们计划将一些算力放在Core2,进一步提升LP_EGR控制效果。

为了进一步探索LP_EGR技术的节油潜力,以及TriCore AURIX TC277芯片对LP_EGR控制的优化极限,我们在一台A+级轿车上开展预研,包括LP_EGR+电子增压+48V轻混的联合控制研究,搭载一套完整的测试系统,装了线性氧传感器,专门测试进气氧浓度,目的是测出真正的EGR率。

实际上这是基于模型的控制,核心是基于模型的EGR阀的开度控制。从流体力学的角度来说,是比较简单的流体模型,把整个管路系统简化为准维的流动模型,分成8个部分。有了模型后,把算法部署进去,EGR混合处EGR计算联立方程采用4阶龙格-库塔方法(Runge-Kutta Method)进行工程化近似求解。

我们发现,精度高了很多。在稳态控制精度方面,万有特性数据验证可以做97%工况点,EGR稳态偏差在±1%以内;在瞬态控制精度方面,Tip_in阶跃测试中,模型预测瞬态EGR率绝对百分比误差基本在2.5%以内。NEDC循环测试整车瞬态EGR率预测精度表现较好,99.7%的时间EGR率预测误差在±2%以内。

通过EGR精确模型的开发与应用,对EGR率实现了闭环控制。后来我们把LP_EGR精确模型放到现在量产的ECU,因为Core2还有很多空间,将LP_EGR控制策略与其它EMS应用层分开,单独部署于Core2,负载率达到85%,Core1的负载率达到65%,逼近实际应用的极限,暂时无法用于量产中。

数字化的时代机遇

有了量产方案和测试,我们提出了新的域控制的想法。

如前所述,仅仅是建模的角度,已经可以提高精度。未来,随着算力提升、芯片技术进步、成本降低,以及车联网、人工智能技术的进步,我们可以部署更多的算力在车上。

在智能化、网联化的发展趋势下,汽车电气架构沿着“分布式控制→域控制→中央集中控制”的路线快速发展,这种集中化的发展趋势,带来了“计算”与“控制”的分离,车载控制器开始具备强大的专用计算核心。

广汽发动机热效率超40%,背后是对LP_EGR技术的深度开发与应用3
数字化的时代机遇

广汽动力总成智能控制在智能化时代的进化路线,从基于MCU(控制核)的控制,到基于域的控制,域控制器上不仅仅有MCU,还有MPU(计算核),再到最终是超级计算平台。超级计算平台是一个电脑,下面的执行器仍要有驱动、有MCU等。

大概在2023~2025年,广汽会批量生产域控制器,有一个传统的MCU,搭配基于ARM的LINUX操作系统的MPU,以完成域的计算。在域控制器中,包含两个核心:MCU主要负责与EMS、TCU、IPU、BMS等控制器协同控制,确保实时性与安全性;MPU主要负责开展高性能计算,在系统层面利用先进控制算法对发动机、变速箱、电机等进行优化控制。

我们做了一个测试,把LP_EGR精确模型在域控制器的MPU上进行算力测试,计算时间由原来的6.5ms,提升到0.32ms,MPU能够将传统MCU的算力提升几十倍,为更复杂的算法应用提供了可能,给我们内燃机工作者提供一个很大的想象空间。

未来,只要汽车装了域控制器,车企都可以把好的想法、算法,批量生产,这也是我们的一个梦想。

广汽将结合自身在LP_EGR技术上的研发优势,进一步挖掘汽车智能化对LP_EGR的提升潜力。一方面EGR的计算优化会不断完善,EGR率的计算会更精确;另一方面大批量应用后,车辆的所有监控及对散差的控制,会提上一个新的高度。

未来是一个多学科相互融合的时代,有半导体领域,有发动机控制领域,有计算机领域,也有传统的燃烧、热力学、流体力学领域,只有把这些领域融合起来,才能做好发动机控制,实现“碳中和”目标,让发动机不断延续、保持活力。
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