基于enDYNA的柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺研究＊

趙靖華洪偉韓林沛韓永強(qiáng)解方喜

（1.吉林師范大學(xué)；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于enDYNA的柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺研究＊

趙靖華1，2洪偉2韓林沛2韓永強(qiáng)2解方喜2

（1.吉林師范大學(xué)；2.吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺模擬增壓柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制，基于CY6D180柴油機(jī)和enDYNA建模軟件設(shè)計了硬件在環(huán)仿真平臺。通過典型工況下的模型驗(yàn)證以及仿真平臺與臺架試驗(yàn)的EGR優(yōu)化結(jié)果分析，表明該仿真模型平均誤差不超過10%，可輔助試驗(yàn)臺架進(jìn)行穩(wěn)態(tài)EGR優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)。通過該仿真平臺的瞬態(tài)進(jìn)氣量跟蹤測試表明，跟蹤曲線的平均超調(diào)量在5%左右，且瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)時間短，該平臺可有效模擬CY6D180柴油機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。

1 前言

由于歐Ⅳ等排放標(biāo)準(zhǔn)對增壓柴油機(jī)增加了瞬態(tài)測試循環(huán)(EuropeanTransient Cycle，ETC)，使得瞬態(tài)工況下排放優(yōu)化問題成為研究熱點(diǎn)，而排氣再循環(huán)（EGR）回流的瞬態(tài)控制研究又是重中之重[1，2]。但由于增壓柴油機(jī)瞬態(tài)試驗(yàn)難度大、測試成本高，對試驗(yàn)設(shè)備需求也高，使得完全依靠試驗(yàn)方法進(jìn)行EGR瞬態(tài)控制的研究受到很大程度的限制。

硬件在環(huán)（hardware in loop，HIL）仿真技術(shù)[3，4]可代替實(shí)機(jī)運(yùn)行，不僅降低了對高端設(shè)備的需求和試驗(yàn)難度，而且也能減少投入、縮短試驗(yàn)時間[5，6]。邢杰等人[7]建立了混合動力系統(tǒng)的動態(tài)模型，搭建了包含實(shí)車控制器的駕駛員硬件在環(huán)實(shí)時仿真平臺；李靜等人[8]基于硬件在環(huán)試驗(yàn)臺進(jìn)行了典型工況試驗(yàn)，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的跟隨控制效果。此外，研究人員開始利用一些商用建模軟件幫助建立模型。其中，enDYNA軟件[9]可對發(fā)動機(jī)進(jìn)行精確建模，有學(xué)者采用該軟件進(jìn)行了車輛自診斷系統(tǒng)及直噴汽油機(jī)的研究[10，11]。本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，基于CY6D180重型柴油機(jī)的臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用enDYNA建模軟件、實(shí)時硬件系統(tǒng)dSPACE以及兩個實(shí)際閥體（節(jié)氣閥和EGR閥）搭建了柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺模擬增壓柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制。

2 enDYNA軟件建模及EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺的建立

enDYNA軟件建模前，需利用CY6D180柴油機(jī)試驗(yàn)臺架以及PCL-818HG數(shù)據(jù)采集卡、Horiba MEXA氣體分析儀等測控設(shè)備采集該柴油機(jī)在各穩(wěn)態(tài)工況下的性能參數(shù)。CY6D180柴油機(jī)部分穩(wěn)態(tài)工況下的性能參數(shù)見表1。將得到的80%穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)以及該柴油機(jī)的基本參數(shù)（連桿質(zhì)量、活塞質(zhì)量、活塞銷質(zhì)量等）提交給enDYNA軟件系統(tǒng)中的預(yù)處理程序，逐步建立發(fā)動機(jī)模型，剩余的20%穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)用于模型驗(yàn)證。

表1 CY6D180柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下性能參數(shù)

建立模型時，通過預(yù)處理執(zhí)行文件將上述數(shù)據(jù)依照一定的邏輯及先后順序，分為參數(shù)特性曲線擬合和參數(shù)之間關(guān)系MAP擬合2個步驟進(jìn)行處理。在此過程中，分別依據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)分布的特點(diǎn)以及精度要求等選擇恰當(dāng)?shù)臄M合函數(shù)。圖1為EGR瞬態(tài)控制硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)。該實(shí)時仿真平臺的控制系統(tǒng)由運(yùn)行在xPC-Target中的EGR瞬態(tài)控制算法以及原機(jī)ECU構(gòu)成；半實(shí)物模型部分由運(yùn)行在dSPACE硬件AUTOBOX中的enDYNA軟件所建模型以及實(shí)體EGR閥、節(jié)氣閥構(gòu)成；控制系統(tǒng)與半實(shí)物模型之間的數(shù)據(jù)通過AUTOBOX和PCL818HG數(shù)據(jù)采集卡中的A/D和D/A口進(jìn)行傳輸。

3 模型穩(wěn)態(tài)精度驗(yàn)證

enDYNA軟件中自帶了模型穩(wěn)態(tài)精度驗(yàn)證對比模式em-steady，該運(yùn)行模式將利用前文所述穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)中剩于的20%部分進(jìn)行模型驗(yàn)證。該模式運(yùn)行時會自動將驗(yàn)證所用的實(shí)機(jī)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)集合，與相應(yīng)工況點(diǎn)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。模型穩(wěn)態(tài)精度驗(yàn)證所用轉(zhuǎn)速工況變化情況如圖2所示，部分對比結(jié)果如圖3和圖4所示。圖3為在不同轉(zhuǎn)速下的有效扭矩仿真計算值與實(shí)際測量值的比較，其大部分工況點(diǎn)的仿真誤差均為±10%，且最大不超過30%。圖4為在不同轉(zhuǎn)速下噴油質(zhì)量計算值與實(shí)際測量值的比較，其大部分工況點(diǎn)的仿真誤差均為±10%，且最大不超過25%。對比結(jié)果表明，enDYNA軟件所建模型誤差較小，能夠滿足EGR系統(tǒng)控制設(shè)計對被控對象建模精度的需求。

4 硬件在環(huán)仿真平臺的EGR優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)臺架測試結(jié)果對比分析

為降低臺架EGR優(yōu)化標(biāo)定成本，首先以硬件在環(huán)仿真平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行了EGR優(yōu)化研究。通過研究原機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，部分低轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)氣中冷后壓力比排氣壓力大，需要增加一個節(jié)氣閥來降低進(jìn)氣歧管壓力以保證足夠的EGR流量。在硬件在環(huán)仿真環(huán)境下，以燃油消耗率最大增幅不超過3%、消光煙度不超過4%為前提，以NOx排放降低幅度最大為目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)EGR閥和節(jié)氣閥（ITH）得到了各穩(wěn)態(tài)工況下的最優(yōu)EGR率。表2為在穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（ESC）中B轉(zhuǎn)速（1 473 r/min）時各負(fù)荷梯度下EGR優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)耗油及排放水平與原機(jī)的對比結(jié)果。其中，當(dāng)負(fù)荷率為20%時，EGR優(yōu)化后NOx排放降幅達(dá)到57.1%，對應(yīng)消光煙度僅為0.60%。

將利用硬件在環(huán)仿真平臺EGR優(yōu)化仿真得到的兩閥開度結(jié)果作為試驗(yàn)臺架測試的兩閥控制目標(biāo)，得到的部分臺架試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。由表3可知，EGR優(yōu)化后，硬件在環(huán)仿真平臺的發(fā)動機(jī)特性與試驗(yàn)臺架測試結(jié)果基本一致，各項參數(shù)最大平均誤差不超過8.3%，表明該硬件在環(huán)仿真平臺可以輔助CY6D180柴油機(jī)試驗(yàn)臺架進(jìn)行穩(wěn)態(tài)EGR優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)。

表2 硬件在環(huán)仿真平臺下的EGR優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)性能及排放結(jié)果

表3 EGR優(yōu)化后臺架試驗(yàn)結(jié)果及誤差率

5 EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺的瞬態(tài)性能測試

在硬件在環(huán)仿真平臺上調(diào)節(jié)2個實(shí)體閥跟蹤理想進(jìn)氣量，完成仿真平臺的瞬態(tài)性能測試。圖5和圖6分別為油門位置在50%和30%時的瞬態(tài)加速工況下，調(diào)節(jié)EGR閥和節(jié)氣閥跟蹤理想進(jìn)氣量的瞬態(tài)變化過程中各參數(shù)的變化情況。由圖5和圖6可看出，從起動車輛到發(fā)動機(jī)工作20 s過程中擋位變化了3次，擋位變化時刻對應(yīng)車輛的加速，即進(jìn)氣量加大時刻。在此過程中，從EGR閥和節(jié)氣閥兩個執(zhí)行器開度的瞬態(tài)變化過程可知，當(dāng)EGR閥全開仍不能完成進(jìn)氣量的控制任務(wù)時，節(jié)氣閥將開始關(guān)閉動作。

由圖5和圖6的進(jìn)氣量跟蹤情況可知，在發(fā)動機(jī)模型起始運(yùn)行階段，進(jìn)氣量跟蹤的超調(diào)現(xiàn)象較明顯，這是因?yàn)樵撃Ｐ徒Ｋ玫臄?shù)據(jù)最低轉(zhuǎn)速為800 r/min，即起車低轉(zhuǎn)速階段建模精度不夠；模型運(yùn)行的中后期平均超調(diào)量在5%左右，最大超調(diào)量在10%以內(nèi)，并且加速階段瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)時間很短。上述模型瞬態(tài)仿真結(jié)果表明，所建立的硬件在環(huán)仿真平臺能夠模擬瞬態(tài)工況下調(diào)節(jié)EGR閥和節(jié)氣閥跟蹤理想進(jìn)氣量的瞬態(tài)變化過程，可用于CY6D180柴油機(jī)EGR瞬態(tài)控制器的設(shè)計及測試。

6 結(jié)束語

搭建了柴油機(jī)瞬態(tài)EGR控制硬件在環(huán)仿真平臺。利用該仿真平臺進(jìn)行的典型穩(wěn)態(tài)工況下的模型驗(yàn)證及EGR優(yōu)化仿真結(jié)果表明，該仿真模型的平均誤差不超過10%，可以輔助柴油機(jī)試驗(yàn)臺架進(jìn)行穩(wěn)態(tài)EGR優(yōu)化標(biāo)定試驗(yàn)。利用該仿真平臺進(jìn)行的EGR控制瞬態(tài)仿真測試表明，進(jìn)氣量跟蹤的平均超調(diào)量在5%左右，且瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)時間很短，能夠有效模擬該試驗(yàn)臺架的瞬態(tài)響應(yīng)特性，輔助瞬態(tài)EGR控制器的設(shè)計及測試。

1Hitoshi Yokomura，Susumu Kouketsu，Seijiro Kotooka et al. Transient EGR Control for a Turbocharged Heavy Duty Diesel Engine.SAE Paper 2004-01-0120，2004.

2王玉玲，龔志國，洪偉，等.EGR對重型柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究.汽車技術(shù)，2013（7）:44～49.

3吳海東，郭孔輝，盧蕩.基于LabVIEW RT的硬件在環(huán)仿真.汽車技術(shù)，2010（9）:1～4.

4FelipeBrabdao，DavidKeely，KevinFan.UsingModel，Software and Hardware-in-the-loop to Develop Automated Transmission.SAE Paper 2007-01-2581.

5Trigui R，Jeanneret B，Malaquin B.Hardware in the loop simulation of a diesel parallel mild-hybrid electric vehicle. Proceedings of the IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.Piscataway，NJ，USA:IEEE，2007:448-455.

6John Wilkinson，Cedric W.Mousseau，Thomas Klingler. Brake Response Time Measurement for a HIL Vehicle Dynamics Simulator.SAE paper 2010-01-0079.

7邢杰，何洪文，孫逢春.混合動力汽車控制策略硬件在環(huán)仿真開發(fā)平臺.北京理工大學(xué)學(xué)報，2010，30（8）:887～890.

8李靜，王子涵，余春賢，等.硬件在環(huán)試驗(yàn)臺整車狀態(tài)跟隨控制系統(tǒng)設(shè)計.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2013.

9鄧濤，孫冬野，秦大同，等.基于Simulink與veDYNA聯(lián)合仿真平臺的AMT硬件在環(huán)試驗(yàn)研究.汽車工程，2011，33（5）:411～416.

10Philip O，Huber M.Development and Test of ECU Fuctions for OBD with enDyna.SAE paper 2004-01-5042.2004.

11趙靖華，洪偉，李學(xué)軍，等.GDI汽車發(fā)動機(jī)怠速時滯依賴的H∞控制.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41（11）:20～25.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2014年3月3日。

Research on Hardware-in-loop Simulation Platform of Diesel Transient EGR Control Based on enDYNA

Zhao Jinghua1，2，Hong Wei2，Han Linpei2，Han Yongqiang2，Xie Fangxi2
（1.Jilin Normal University;2.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University）

To simulate transient EGR control of turbocharged diesel engine through test bench，we design a hardware-in-loop simulation platform based on CY6D180 diesel engine and modeling software enDYNA.By model validation in the typical operating conditions and analysis of EGR optimization results between the simulation platform and the bench test，we observe that this simulation model has average error of no more than 10%，and it can assist test bench for steady-state EGR optimization calibration tests.Through transient intake air tracking test on simulation platform，we conclude that the average overshoot of the tracking curve is approx.5%，moreover，the transient response adjusting time is short，this platform can be used to effectively simulate the transient response characteristic of CY6D180 diesel engine.

Diesel engine,Transient process control,Hardware-in-loop

柴油機(jī)瞬態(tài)過程控制硬件在環(huán)仿真

U467.2

A

1000-3703（2014）07-0024-04

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目（20130522157JH）；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目（吉教科合字[2014]第488號）；吉林省科技發(fā)展計劃、吉林省公共計算平臺資助（20130101179JC-16）。