參照AUTOSAR的柴油機(jī)后處理控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及驗(yàn)證＊

卞加柱 劉軍 王錄征 李亞鵬

（1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.耐世特汽車(chē)系統(tǒng)（蘇州）有限公司，蘇州 215126）

1 前言

柴油機(jī)普遍用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及交通等領(lǐng)域，但其污染物排放量遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，因而引起了人們的重視。即將全面實(shí)施的國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)柴油機(jī)顆粒物（Particulate Matter，PM）和NOx排放要求十分嚴(yán)格，必須同時(shí)采取機(jī)內(nèi)凈化和后處理技術(shù)才能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，柴油機(jī)后處理系統(tǒng)必須同時(shí)采用柴油顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）和選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系統(tǒng)來(lái)分別減少PM和NOx等污染物的排放。

針對(duì)車(chē)載電子控制產(chǎn)品，成熟的控制軟件是實(shí)現(xiàn)控制功能以及提高車(chē)輛性能的關(guān)鍵因素。為了促進(jìn)電控軟件代碼移植和復(fù)用以便節(jié)約成本，避免汽車(chē)電控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)差異帶來(lái)的影響，國(guó)內(nèi)外各汽車(chē)制造商和零部件供應(yīng)商一致建議采用汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（Automotive Open System Architecture，AUTOSAR）。國(guó)外較早開(kāi)始了對(duì)AUTOSAR 的研究：Kisoon Sung 等人[1]基于AUTOSAR 開(kāi)發(fā)了汽車(chē)嵌入式軟件，成功應(yīng)用于車(chē)道檢測(cè)和警告系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)；Jian Chen 等[2]利用MathWorks 提供的Embedded Coder 工具提供Simulink模型到AUTOSAR 組件的映射，并自動(dòng)生成了符合AUTOSAR 規(guī)范的C 程序代碼。國(guó)內(nèi)近幾年開(kāi)始了對(duì)AUTOSAR 的研究：張培鋒[3]基于AUTOSAR 對(duì)汽油機(jī)ECU應(yīng)用軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；張麗萍等[4]先利用MATLAB/Simulink對(duì)汽車(chē)前照燈控制模塊進(jìn)行建模仿真，然后進(jìn)行接口和類(lèi)型配置，最后自動(dòng)生成了符合AUTOSAR 的標(biāo)準(zhǔn)代碼。

針對(duì)柴油機(jī)后處理控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，本文基于DPF+SCR集成后處理系統(tǒng)，參考AUTOSAR進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)PM和NOx排放量的降低。

2 AUTOSAR

AUTOSAR 具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，可以將應(yīng)用層任意移植到不同的硬件上?；谀K化、功能化原則，DPF和SCR 后處理集成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)參照AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)，DPF 和SCR 集成控制系統(tǒng)ECU 軟件架構(gòu)的分層設(shè)計(jì)[5]如圖1所示。

圖1 集成控制系統(tǒng)AUTOSAR軟件架構(gòu)

應(yīng)用層為上層策略算法的具體實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層主要包括SCR控制算法和DPF 控制算法[6]；底層基礎(chǔ)軟件層包括與單片機(jī)硬件相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，以及一些通訊診斷服務(wù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用層控制策略

3.1 硬件方案

為滿(mǎn)足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須同時(shí)采用DPF 和SCR 后處理系統(tǒng)來(lái)分別限制PM 和NOx的排放，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外滿(mǎn)足歐六或國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的后處理方法相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，本文選用DPF+SCR 后處理布置方案，并在其上游匹配現(xiàn)有的柴油氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC），如圖2所示。

依據(jù)所搭建的后處理控制系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計(jì)了DPF和SCR集成控制系統(tǒng)硬件模塊框圖，具體模塊及功能如圖3 所示，其中微控制器模塊選擇恩智浦公司的MC9S12XEP100。

圖2 后處理集成系統(tǒng)布置方案

圖3 DPF和SCR集成控制系統(tǒng)硬件模塊

3.2 DPF再生控制策略

DPF 是捕獲柴油微粒以防止其釋放到大氣中的裝置，已開(kāi)發(fā)的一些過(guò)濾材料表現(xiàn)出相當(dāng)可觀的過(guò)濾效率（通常超過(guò)90%）以及可接受的機(jī)械和熱耐用性，其技術(shù)難點(diǎn)是在兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的前提下安全有效地實(shí)現(xiàn)顆粒物再生。因此，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間觸發(fā)主動(dòng)再生請(qǐng)求，還要根據(jù)運(yùn)行條件在線調(diào)節(jié)燃油噴射量，同時(shí)需確保DPF的再生溫度和峰值溫度在安全閾值內(nèi)，避免DPF遭受損壞。為實(shí)現(xiàn)這一目的，DPF控制系統(tǒng)依據(jù)功能模塊化原則分為DPF再生時(shí)機(jī)碳載量估算判斷模塊和再生過(guò)程控制模塊。因篇幅有限，本文主要進(jìn)行DPF再生時(shí)機(jī)判斷模塊控制策略的研究，并通過(guò)Simulink 建立集成控制系統(tǒng)AUTO?SAR軟件體系結(jié)構(gòu)中的DPF應(yīng)用層模型。

再生時(shí)機(jī)判斷模塊主要包括基于排氣背壓的碳載量模型，依據(jù)DPF兩側(cè)排氣壓差來(lái)估算載體內(nèi)部的實(shí)時(shí)碳載量，可以判斷系統(tǒng)是否有再生需求。其實(shí)現(xiàn)原理為：不同排氣流量下，DPF 兩端壓差傳感器的觀測(cè)值不同，因此碳載量可以通過(guò)流動(dòng)阻力和排氣背壓間接測(cè)量。此外，考慮到在DPF 整個(gè)工作周期內(nèi)，灰分的累積量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DPF的碳煙顆粒捕集量，并且該物質(zhì)不能通過(guò)主動(dòng)再生進(jìn)行消除。當(dāng)灰分隨排氣流經(jīng)DPF 并被其攔截時(shí)，積累的灰分會(huì)影響壓差傳感器的測(cè)量值，進(jìn)而可能對(duì)碳載量再生時(shí)機(jī)造成誤判。因此，為了獲得準(zhǔn)確的排氣壓差，還需要通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)獲得灰分對(duì)排氣背壓的修正MAP?；谂艢獗硥旱奶驾d量估算方法及其模型如圖4和圖5所示。

圖4 基于排氣背壓的碳載量估算方法

圖5 基于DPF壓差的碳載量估算模型

3.3 SCR控制策略

SCR 系統(tǒng)的作用主要是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和排氣管NOx排放量實(shí)時(shí)精確地控制尿素泵噴射適量的尿素，并且能夠?qū)崿F(xiàn)尿素泵狀態(tài)的切換控制。依據(jù)功能化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，其控制策略可分為系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊和尿素噴射計(jì)量模塊等。

3.3.1 系統(tǒng)狀態(tài)控制

SCR 系統(tǒng)主要有初始化（Init）、泵停機(jī)（Pumpoff）、預(yù)注建壓（Priming）、計(jì)量噴射（Dosing）、排空吹掃（Purging）以及故障診斷（Diagnostic）6 個(gè)工作狀態(tài)。SCR 系統(tǒng)狀態(tài)依據(jù)鑰匙電信號(hào)、系統(tǒng)請(qǐng)求信號(hào)等各種輸入實(shí)現(xiàn)切換控制。由于系統(tǒng)狀態(tài)控制策略相對(duì)復(fù)雜，手動(dòng)編寫(xiě)C 代碼開(kāi)發(fā)效率低，而Simulink 中的State?flow工具可用來(lái)對(duì)系統(tǒng)策略進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)控制以及邏輯運(yùn)算[9]。

SCR系統(tǒng)控制模型如圖6所示。系統(tǒng)上電后，尿素泵首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，初始化芯片并執(zhí)行端口寄存器配置，然后基于鑰匙電信號(hào)（Key）、系統(tǒng)請(qǐng)求信號(hào)（Req）、尿素泵溫度正常標(biāo)志位（TempOk）、系統(tǒng)故障標(biāo)志狀態(tài)（DeadError）和壓力傳感器AD 值（AD_Pressure）等信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。如圖7所示，排空狀態(tài)圖可以通過(guò)狀態(tài)判斷和執(zhí)行條件跳轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)尿素泵排空狀態(tài)的過(guò)程控制，其中，tiPurg 為吹掃時(shí)間，PumpActState 為系統(tǒng)狀態(tài)，MT_Main()為主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，MT_DIR()為換向電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，NZ_Peroid為噴嘴噴射頻率。

3.3.2 SCR系統(tǒng)尿素需求量計(jì)算策略

SCR控制策略的核心目標(biāo)是精確控制尿素噴射量，則需計(jì)算在柴油機(jī)不同運(yùn)行條件下應(yīng)注入排氣管的尿素量，主要包括基本需求量模塊和修正模塊。SCR系統(tǒng)總尿素需求量Vf可以表示為：

式中，Vb為基本需求量，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量和排氣質(zhì)量流量決定；Kp為前反饋修正值；Kf為閉環(huán)反饋修正值。

圖6 SCR系統(tǒng)狀態(tài)邏輯圖

圖7 排空吹掃狀態(tài)過(guò)程控制模型

在Simulink 中搭建尿素基本需求量模型如圖8 所示，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)修正、瞬態(tài)延遲修正以及儲(chǔ)氨修正以滿(mǎn)足國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，為達(dá)到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)，還需搭建考慮NOx傳感器對(duì)NH3交叉敏感問(wèn)題的SCR 閉環(huán)反饋修正模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR 控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。最后，將其與前文搭建的DPF應(yīng)用層算法模型集成，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)后處理集成控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用層模型搭建。

圖8 尿素基本需求量計(jì)算模型

4 底層驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本文將硬件MC9S12XEP100 的底層驅(qū)動(dòng)以Simulink 模塊的方式添加到Simulink 模型庫(kù)中，以圖形化方式創(chuàng)建模型，利用Embeded Coder 代碼生成機(jī)制實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)代碼的快速生成，從而完成對(duì)單片機(jī)底層驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)，操作方便且具有較高的效率。

參照AUTOSAR 完成對(duì)應(yīng)用層策略的建模后，借助Simulink 對(duì)柴油機(jī)后處理集成控制系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。底層驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示，主要分為S函數(shù)部分和模塊創(chuàng)建部分。首先，編寫(xiě)函數(shù)文件及腳本文件，然后封裝底層驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)的程序主要包含輸入輸出模塊、尿素泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和DPF燃油泵及噴嘴驅(qū)動(dòng)模塊。這些模塊用于驅(qū)動(dòng)傳感器、電磁閥、故障指示燈（Malfunction Indicator Lamp，MIL）、尿素泵電機(jī)、燃油泵電機(jī)以及噴嘴等[10]。

圖9 底層驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)流程

5 自動(dòng)代碼生成

基于AUTOSAR 采用模型化方式來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件，可以形象地建立軟件策略需求，還能在早期驗(yàn)證代碼的準(zhǔn)確性以減少漏洞的引入，縮短開(kāi)發(fā)周期，使系統(tǒng)可以更好地升級(jí)維護(hù)。因此，本文基于MATLAB/Simulink 完成了應(yīng)用層和底層軟件代碼的自動(dòng)生成工作。代碼生成的流程如圖10所示。

圖10 代碼生成流程

為了生成準(zhǔn)確的代碼，必須使用正確的模型。構(gòu)建策略模型后，運(yùn)行仿真，完成所需的功能，然后需要利用Simulink 自帶的模型檢查器工具進(jìn)行模型的一致性檢查，確保準(zhǔn)確性。在完成對(duì)模型的檢查后，可以自動(dòng)生成或手動(dòng)設(shè)計(jì)測(cè)試用例對(duì)模型進(jìn)行單元測(cè)試，將控制策略實(shí)際值與期望值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證其邏輯正確性。以3.3節(jié)中搭建的SCR系統(tǒng)狀態(tài)控制策略為例進(jìn)行的仿真驗(yàn)證如圖11所示。從圖11中可以看出，系統(tǒng)工作后根據(jù)相應(yīng)請(qǐng)求信號(hào)能準(zhǔn)確無(wú)誤地執(zhí)行相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及一系列狀態(tài)中的過(guò)程控制，從而驗(yàn)證所搭建控制策略的邏輯正確性。

圖11 系統(tǒng)狀態(tài)控制策略仿真驗(yàn)證

驗(yàn)證成功后，需要配置模型的參數(shù)，如，系統(tǒng)目標(biāo)文件需要選擇autosar.tlc，以便生成符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的C 代碼，解算器（Solver）選擇固定步長(zhǎng)（Fixed-step），部分配置如圖12 所示。完成配置后，查看控制模型的代碼生成報(bào)告，其內(nèi)容主要包括具體的.c 和.h 代碼文件，在后期的軟件集成中可以移植調(diào)用[11]。

圖12 Simulink代碼生成配置

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)先對(duì)其核心部件尿素泵-SCR 系統(tǒng)以及DPF 再生燃油噴射單元的控制策略進(jìn)行功能性試驗(yàn)，確保其可行性。為了驗(yàn)證基于AUTOSAR所開(kāi)發(fā)的DPF 和SCR 后處理電子控制系統(tǒng)軟件的可行性，進(jìn)行相關(guān)功能驗(yàn)證試驗(yàn)：搭建如圖13所示的試驗(yàn)平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)中通過(guò)CANoe 軟件更改虛擬節(jié)點(diǎn)ECU 的報(bào)文信息（即發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 工況、尿素泵的請(qǐng)求狀態(tài)和DPF 再生請(qǐng)求信號(hào)）分別對(duì)尿素泵和DPF 再生系統(tǒng)進(jìn)行控制?？梢酝ㄟ^(guò)CAN總線節(jié)點(diǎn)模擬發(fā)送尿素泵噴射請(qǐng)求和DPF 再生請(qǐng)求，系統(tǒng)則會(huì)相應(yīng)地響應(yīng)尿素噴射指令和噴油再生指令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，驗(yàn)證系統(tǒng)的部分功能。

圖13 半實(shí)物功能驗(yàn)證平臺(tái)

基于DPF+SCR 集成系統(tǒng)，匹配現(xiàn)有的一臺(tái)定排量帶有廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）技術(shù)的電控高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)以及某型號(hào)DOC，搭建如圖14所示的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)。使用所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)后處理控制軟件系統(tǒng)進(jìn)行世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（World Harmonized Steady-state Cycle，WHSC）和世界統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（World Harmonized Transient Cycle，WHTC）發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)[12]。最后，將原機(jī)和加裝所設(shè)計(jì)的DOC+DPF+SCR 后處理控制系統(tǒng)的PM和NOx排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，裝有后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)在WHSC 和WHTC 工況下排氣中PM 和NOx的排放量加權(quán)值分別為6.23 mg/(kW·h)和0.39 g/(kW·h)，均低于國(guó)六法規(guī)各項(xiàng)限值。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

表1 原機(jī)和DOC+DPF+SCR排放量對(duì)比 g/(kW·h)

7 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的后處理系統(tǒng)布置及其硬件模塊設(shè)計(jì)，參照AUTOSAR 基于分層次、模塊化的設(shè)計(jì)思想將該后處理控制系統(tǒng)軟件層劃分為不同的功能模塊和軟件層次，使用MATLAB/Simulink/State?flow詳細(xì)設(shè)計(jì)各軟件層及其功能模塊，并利用代碼生成工具實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層軟件和底層驅(qū)動(dòng)代碼的自動(dòng)生成，基于MC9S12XEP100 單片機(jī)搭建硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以PM 和NOx為控制對(duì)象，將所開(kāi)發(fā)的電控軟件應(yīng)用于半實(shí)物功能試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，該后處理集成控制軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)排放物PM 和NOx的控制，滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。

基于AUTOSAR 的軟件開(kāi)發(fā)方式是未來(lái)汽車(chē)電控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的后處理控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)形式，可以縮短開(kāi)發(fā)周期并提高系統(tǒng)可靠性。