HPDI發動機硬件在環仿真測試與研究

曹紅艷 王文霞 于洪峰 畢國棟

摘要：本文根據HPDI天然氣發動機的特性及控制系統原理，在HIL平臺上搭建HPDI發動機雙ECU的硬件在環仿真測試平臺，用于控制器的閉環測試。利用該平臺對HPDI系統進行測試，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.

關鍵詞：硬件在環（HIL）;HPDI;閉環;仿真模型

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

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

0 ?引言

當今社會環境污染日益嚴重，能源危機和排放法規日益嚴格，天然氣因安全無毒、熱值高、易提煉、儲量豐富等優點，在汽車領域的應用越來越廣泛。火花塞點燃式天然氣發動機使用成本比柴油機低，但熱效率低。HPDI 發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，比點燃式氣體發動機高出20%;其熱效率也柴油機相當，比點燃式氣體發動機的氣耗低5-9%[1-2]。

HPDI發動機電控系統的開發是實現HPDI技術的重要一環。硬件在環仿真為發動機電控系統開發提供測試平臺。硬件在環測試系統能模擬被控對象的運行狀態，反饋給控制器真實的情況，通過模擬各種復雜工況，完成多種極端工況的測試，從而發現控制系統中的缺陷，降低了發動機標定工作量，縮短了開發周期。

1 ?HPDI發動機介紹

1.1 HPDI技術

HPDI（高壓缸內直噴）技術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]。其保留了原柴油發動機的燃油供給系統，增加了燃氣供給系統以及相應的液壓裝置，后處理系統與原柴油機相同，其著火方式、燃料供給方式、后處理等與普通火花點火式發動機、進氣道噴射燃料式發動機不同。

HPDI噴射閥采用嵌套結構，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，實現燃油、燃氣獨立噴射。

HPDI 供給系統采用液化天然氣（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式低溫高壓柱塞泵。安裝在發動機端的取力油泵驅動該柱塞泵工作，燃料供給系統的ECU 與發動機ECU 聯動控制泵出液體的數量，使燃氣在泵體內氣化且加壓至30MPa、溫度滿足發動機的需求，保證供給發動機的燃氣溫度、壓力、流量穩定可靠。

1.2 HPDI發動機控制系統

HPDI發動機電控系統的開發是HPDI發動機開發的重要組成部分，包括軟件開發和硬件開發。軟件開發又分為底層軟件開發和應用層軟件開發，應用層軟件開發主要包含發動機控制策略和算法開發，該部分是實現發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、進排氣系統、后處理系統等，各個系統都包含傳感器和執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的執行器，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完成之后，需要進行充分的測試對系統進行驗證，測試包括多個方面，在軟件開發的階段主要包括單元測試、集成測試、確認測試和系統測試等部分。測試的結果用于指導軟件和硬件的完善和優化工作。

2 ?HPDI HIL測試設備組成

硬件在環（HIL）仿真系統使用發動機仿真模型替代真實發動機，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設備內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生由控制信號引起的相對應的反應行為。通過仿真模型的計算，再將該反應轉化成傳感器信號并輸出到控制器中，與真實控制器一起構成閉環控制系統，模擬控制器在實車環境下運行。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、系統的測試，方便快捷地發現和解決控制器開發過程中遇到的問題。

HPDI硬件在環仿真測試設備主要由硬件、軟件、接口等組成。

2.1 硬件

HIL測試設備硬件主要由實時仿真機、控制器、上位機、信號發生和采集板卡、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、模型的搭建及參數化以及模型與硬件的集成編譯等配置工作，以及實驗環境的創建，仿真的執行等。

仿真模型是硬件在環仿真平臺中的核心內容，模型的精度和功能直接決定了該硬件在環仿真系統的精度和功能，因此開發和研究一個高精度且能滿足控制器調試需求的發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、執行器等IO模型。供電模塊主要實現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及其運行環境以及駕駛員動作，共包括車輛模型、駕駛員模型和環境模型三部分。車輛模型由附件模型、發動機模型、傳動系模型、車輛動力學模型組成。根據HPDI發動機原理，發動機模型中搭建了柴油-燃氣模型、進排氣系統、后處理系統、冷卻系統、缸內模型。與傳統發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、氣壓調解裝置等。駕駛員模型中通過執行駕駛員動作，將油門踏板、剎車、選檔等信號傳遞給車輛模型，同時還接收環境模型中的溫度、道路坡度、風力等信號，并根據輸入信號以及環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，由此形成一個閉環系統，能夠實現整車駕駛循環的仿真。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設備與被測控制器進行通訊，同時讀取該控制器發出的CAN報文作為模型的輸入。

2.3 接口

接口部分主要包括網線、硬線線束等，用于實現上位機和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，可調整剎車、油門的位置，進行換擋操作等，可以設置車重、障礙物、摩擦力、坡度等環境參數，其中環境溫度、大氣壓力等環境條件都支持手動操作，同時可手動設定測功機負載扭矩、整車負載扭矩，因此可以很方便地制造一些極限條件，根據測試任務進行相應的操作即可，減少了實車測試風險。可設定測試工況，導入相應的實車工況曲線，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動機轉速、當前車速、節氣門開度、水溫等數據，還可實時觀察軌壓、噴射加電時間、噴射提前角等發動機運行時的主要參數。

3.2 HIL測試

對硬件在環仿真測試平臺進行調試，首先搭建測試環境，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、執行器等IO的開環調試，然后進行物理模型的參數化及閉環調試等工作。為了驗證HPDI控制單元控制策略的可行性以及硬件在環仿真系統的適用性，對兩塊控制器進行閉環測試。將發動機臺架上采集的油門、發動機轉速、氣軌壓力等主要傳感器信號的數據，在HIL上通過激勵測試實現工況復現，并記錄仿真數據，與臺架數據進行對比分析。圖3和圖4所示分別為燃氣噴射量、發動機扭矩與臺架數據的對比結果。

圖中綠色線為臺架數據曲線，紅色為仿真曲線，對應下面的為相對偏差。通過對比不同工況點下，天然氣噴射量、發動機扭矩值，可見仿真結果與臺架數據基本一致。

利用硬件在環仿真平臺還可以模擬制造傳感器和執行器開路、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換成自動測試用例，使其在上位機上自動運行，實現測試自動化，最后生成測試報告。用自動化測試替代人為重復性操作，大大提高了測試效率，節省了時間。

4 ?結論

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

對該系統進行閉環測試，通過與臺架數據進行對比分析進一步驗證了該平臺的閉環效果良好，可進行HPDI相關性能的測試。

參考文獻：

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

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

[3]袁玉峰.船用雙燃料發動機Lambda閉環控制系統硬件在環平臺開發[D].武漢理工大學，2018.

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

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

[6]胡智睿，周偉偉，蘇東超.船用HPDI發動機的氣軌結構的優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2017，55（5）：58-61.