HPDI發(fā)動機硬件在環(huán)仿真測試與研究

曹紅艷 王文霞 于洪峰 畢國棟

摘要：本文根據(jù)HPDI天然氣發(fā)動機的特性及控制系統(tǒng)原理，在HIL平臺上搭建HPDI發(fā)動機雙ECU的硬件在環(huán)仿真測試平臺，用于控制器的閉環(huán)測試。利用該平臺對HPDI系統(tǒng)進行測試，驗證了仿真模型及測試平臺的可行性。

Abstract： In this paper， the characteristics of HPDI natural gas engine and the principle of control system are analyzed， and the hardware-in-the-loop simulation test platform of HPDI engine is built on the HIL platform， which is used for closed-loop test of the controller. The HPDI system ?is tested on the platform. It is concluded that the simulation model and the platform are correct and feasible.

關(guān)鍵詞：硬件在環(huán)（HIL）;HPDI;閉環(huán);仿真模型

Key words： hardware-in- loop（HIL）;HPDI;closed loop;simulation model

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0051-03

0 ?引言

當(dāng)今社會環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能源危機和排放法規(guī)日益嚴(yán)格，天然氣因安全無毒、熱值高、易提煉、儲量豐富等優(yōu)點，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛?；鸹ㄈc燃式天然氣發(fā)動機使用成本比柴油機低，但熱效率低。HPDI 發(fā)動機的運行方式跟柴油機十分相似，它的功率和扭矩達到了同排量柴油機的水平，比點燃式氣體發(fā)動機高出20%;其熱效率也柴油機相當(dāng)，比點燃式氣體發(fā)動機的氣耗低5-9%[1-2]。

HPDI發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)是實現(xiàn)HPDI技術(shù)的重要一環(huán)。硬件在環(huán)仿真為發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)提供測試平臺。硬件在環(huán)測試系統(tǒng)能模擬被控對象的運行狀態(tài)，反饋給控制器真實的情況，通過模擬各種復(fù)雜工況，完成多種極端工況的測試，從而發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的缺陷，降低了發(fā)動機標(biāo)定工作量，縮短了開發(fā)周期。

1 ?HPDI發(fā)動機介紹

1.1 HPDI技術(shù)

HPDI（高壓缸內(nèi)直噴）技術(shù)是在壓縮沖程上止點前噴入約為5%的柴油，作為引燃劑，形成火焰，約95%天然氣以30MPa 的壓力噴射到火焰中成為燃燒的主要燃料[2]。其保留了原柴油發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng)，增加了燃氣供給系統(tǒng)以及相應(yīng)的液壓裝置，后處理系統(tǒng)與原柴油機相同，其著火方式、燃料供給方式、后處理等與普通火花點火式發(fā)動機、進氣道噴射燃料式發(fā)動機不同。

HPDI噴射閥采用嵌套結(jié)構(gòu)，柴油、天然氣分別接入噴射閥，使用兩個相互獨立的電磁閥控制燃油、燃氣，實現(xiàn)燃油、燃氣獨立噴射。

HPDI 供給系統(tǒng)采用液化天然氣（LNG）作為車用天然氣的存儲形式，其主要部件為插入瓶體的往復(fù)式低溫高壓柱塞泵。安裝在發(fā)動機端的取力油泵驅(qū)動該柱塞泵工作，燃料供給系統(tǒng)的ECU 與發(fā)動機ECU 聯(lián)動控制泵出液體的數(shù)量，使燃氣在泵體內(nèi)氣化且加壓至30MPa、溫度滿足發(fā)動機的需求，保證供給發(fā)動機的燃氣溫度、壓力、流量穩(wěn)定可靠。

1.2 HPDI發(fā)動機控制系統(tǒng)

HPDI發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)是HPDI發(fā)動機開發(fā)的重要組成部分，包括軟件開發(fā)和硬件開發(fā)。軟件開發(fā)又分為底層軟件開發(fā)和應(yīng)用層軟件開發(fā)，應(yīng)用層軟件開發(fā)主要包含發(fā)動機控制策略和算法開發(fā)，該部分是實現(xiàn)發(fā)動機電控單元控制功能和性能的主要載體，包含燃油、天然氣供給系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)等，各個系統(tǒng)都包含傳感器和執(zhí)行器以及控制算法等。ECU硬件采用雙ECU控制，主ECU控制燃油噴射閥及與燃油相關(guān)的執(zhí)行器，從ECU控制燃氣噴射閥和天然氣供給等動作，主從ECU之間通過CAN報文通訊。

在電控單元軟件和硬件開發(fā)完成之后，需要進行充分的測試對系統(tǒng)進行驗證，測試包括多個方面，在軟件開發(fā)的階段主要包括單元測試、集成測試、確認測試和系統(tǒng)測試等部分。測試的結(jié)果用于指導(dǎo)軟件和硬件的完善和優(yōu)化工作。

2 ?HPDI HIL測試設(shè)備組成

硬件在環(huán)（HIL）仿真系統(tǒng)使用發(fā)動機仿真模型替代真實發(fā)動機，利用一個實時運行的仿真平臺，通過上位機軟件把編譯完的仿真模型下載到實時仿真機中運行。并利用HIL設(shè)備內(nèi)部硬件接口板卡的輸入輸出能力，通過線束將I/O接口與被測試的控制器連接，仿真機通過IO板卡采集控制器控制執(zhí)行器的輸出信號，并將所獲取的信號輸入到仿真機中運行的仿真模型中使其產(chǎn)生由控制信號引起的相對應(yīng)的反應(yīng)行為。通過仿真模型的計算，再將該反應(yīng)轉(zhuǎn)化成傳感器信號并輸出到控制器中，與真實控制器一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，模擬控制器在實車環(huán)境下運行。最后采用自動化測試軟件全面測試控制器的軟件和硬件功能，從而對被測對象進行全方面的、系統(tǒng)的測試，方便快捷地發(fā)現(xiàn)和解決控制器開發(fā)過程中遇到的問題。

HPDI硬件在環(huán)仿真測試設(shè)備主要由硬件、軟件、接口等組成。

2.1 硬件

HIL測試設(shè)備硬件主要由實時仿真機、控制器、上位機、信號發(fā)生和采集板卡、故障注入板卡、負載機柜、線束等組成。對該系統(tǒng)進行測試，需要同時連接兩個控制器，并保證主、從ECU之間能夠正常交互、通訊，因此，需要搭建包括主、從ECU兩塊控制器的仿真測試平臺。負載箱用于向兩塊控制器硬件提供各種原始負載或模擬負載，其中節(jié)流閥，EGR閥、尿素泵、噴射閥采用真實負載，其余采用模擬負載代替。

2.2 軟件

軟件部分主要由仿真模型和用戶界面、自動化測試軟件等組成。

用戶界面軟件主要用于完成IO接口的配置、模型的搭建及參數(shù)化以及模型與硬件的集成編譯等配置工作，以及實驗環(huán)境的創(chuàng)建，仿真的執(zhí)行等。

仿真模型是硬件在環(huán)仿真平臺中的核心內(nèi)容，模型的精度和功能直接決定了該硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的精度和功能，因此開發(fā)和研究一個高精度且能滿足控制器調(diào)試需求的發(fā)動機實時模型是十分重要的。

仿真模型基于 MATLAB/Simulink 建立，總體架構(gòu)如圖1所示，包括主、從ECU IO模型，供電模塊、被控對象模型、通訊模塊、SCR尿素泵模型等。IO模型主要包括溫度、壓力類傳感器、曲軸、凸輪軸、噴油器、執(zhí)行器等IO模型。供電模塊主要實現(xiàn)對程控電源的控制以及上、下電操作。被控對象模型用來模擬車輛動力學(xué)及其運行環(huán)境以及駕駛員動作，共包括車輛模型、駕駛員模型和環(huán)境模型三部分。車輛模型由附件模型、發(fā)動機模型、傳動系模型、車輛動力學(xué)模型組成。根據(jù)HPDI發(fā)動機原理，發(fā)動機模型中搭建了柴油-燃氣模型、進排氣系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、缸內(nèi)模型。與傳統(tǒng)發(fā)動機仿真模型不同的是天然氣供給模型包括氣罐、減壓器、活塞供給泵、熱交換器、氣壓調(diào)解裝置等。駕駛員模型中通過執(zhí)行駕駛員動作，將油門踏板、剎車、選檔等信號傳遞給車輛模型，同時還接收環(huán)境模型中的溫度、道路坡度、風(fēng)力等信號，并根據(jù)輸入信號以及環(huán)境情況進行仿真計算，得到車速，再將車速信號反饋給駕駛員模型，由此形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)整車駕駛循環(huán)的仿真。為了保證被測控制器的正常工作，需要仿真總線上其他控制器的CAN報文信號，通訊模塊可模擬整車上的其他CAN設(shè)備與被測控制器進行通訊，同時讀取該控制器發(fā)出的CAN報文作為模型的輸入。

2.3 接口

接口部分主要包括網(wǎng)線、硬線線束等，用于實現(xiàn)上位機和HIL測試平臺之間的通訊、主從ECU兩者之間的通訊以及控制器等硬件和 HIL硬件板卡之間的通訊。

3 ?HPDI雙ECU硬件在環(huán)仿真測試

3.1 HIL測試界面

在該界面可以進行駕駛員的一些操作，可調(diào)整剎車、油門的位置，進行換擋操作等，可以設(shè)置車重、障礙物、摩擦力、坡度等環(huán)境參數(shù)，其中環(huán)境溫度、大氣壓力等環(huán)境條件都支持手動操作，同時可手動設(shè)定測功機負載扭矩、整車負載扭矩，因此可以很方便地制造一些極限條件，根據(jù)測試任務(wù)進行相應(yīng)的操作即可，減少了實車測試風(fēng)險。可設(shè)定測試工況，導(dǎo)入相應(yīng)的實車工況曲線，利用駕駛員模型的跟隨操作，完成工況測試。在儀表盤上可以直觀看到發(fā)動機轉(zhuǎn)速、當(dāng)前車速、節(jié)氣門開度、水溫等數(shù)據(jù)，還可實時觀察軌壓、噴射加電時間、噴射提前角等發(fā)動機運行時的主要參數(shù)。

3.2 HIL測試

對硬件在環(huán)仿真測試平臺進行調(diào)試，首先搭建測試環(huán)境，需要將控制器、線束、負載機柜等硬件連接，搭建好的測試平臺如圖2所示。

首先對HPDI雙ECU測試平臺進行傳感器、執(zhí)行器等IO的開環(huán)調(diào)試，然后進行物理模型的參數(shù)化及閉環(huán)調(diào)試等工作。為了驗證HPDI控制單元控制策略的可行性以及硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的適用性，對兩塊控制器進行閉環(huán)測試。將發(fā)動機臺架上采集的油門、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、氣軌壓力等主要傳感器信號的數(shù)據(jù)，在HIL上通過激勵測試實現(xiàn)工況復(fù)現(xiàn)，并記錄仿真數(shù)據(jù)，與臺架數(shù)據(jù)進行對比分析。圖3和圖4所示分別為燃氣噴射量、發(fā)動機扭矩與臺架數(shù)據(jù)的對比結(jié)果。

圖中綠色線為臺架數(shù)據(jù)曲線，紅色為仿真曲線，對應(yīng)下面的為相對偏差。通過對比不同工況點下，天然氣噴射量、發(fā)動機扭矩值，可見仿真結(jié)果與臺架數(shù)據(jù)基本一致。

利用硬件在環(huán)仿真平臺還可以模擬制造傳感器和執(zhí)行器開路、短路等故障，以驗證控制器的故障診斷功能，為測試提供便捷和安全性保障。

為了提高測試效率，還可利用該仿真平臺和自動化測試軟件進行自動化測試，即將功能和性能驗證的邏輯測試用例轉(zhuǎn)換成自動測試用例，使其在上位機上自動運行，實現(xiàn)測試自動化，最后生成測試報告。用自動化測試替代人為重復(fù)性操作，大大提高了測試效率，節(jié)省了時間。

4 ?結(jié)論

通過MATLAB搭建基于HPDI的整車系統(tǒng)仿真模型，并建立硬件在環(huán)測試平臺，可以同時對HPDI主從控制器及電控軟件的功能進行測試。

對該系統(tǒng)進行閉環(huán)測試，通過與臺架數(shù)據(jù)進行對比分析進一步驗證了該平臺的閉環(huán)效果良好，可進行HPDI相關(guān)性能的測試。

參考文獻：

[1]王震華，閆立冰.高壓直噴天然氣發(fā)動機技術(shù)簡介[J].內(nèi)燃機與配件，2021，37（02）：37-38.

[2]王江鵬，馮凡，薛強，等.HPDI技術(shù)在天然氣商用車中的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2016，47（02）：136-137.

[3]袁玉峰.船用雙燃料發(fā)動機Lambda閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺開發(fā)[D].武漢理工大學(xué)，2018.

[4]陳夢琪.電控燃油噴射系統(tǒng)ECU硬件在環(huán)的研究與實現(xiàn)[D].廣西大學(xué)，2018.

[5]王解托.高壓直噴天然氣船機燃燒和放的數(shù)值模擬研究[D].天津大學(xué)，2018.

[6]胡智睿，周偉偉，蘇東超.船用HPDI發(fā)動機的氣軌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（5）：58-61.