基于enDYNA的柴油机瞬态EGR控制硬件在环仿真平台研究*
2014-07-08赵靖华洪伟韩林沛韩永强解方喜
赵靖华洪伟韩林沛韩永强解方喜
(1.吉林师范大学;2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室)
基于enDYNA的柴油机瞬态EGR控制硬件在环仿真平台研究*
赵靖华1,2洪伟2韩林沛2韩永强2解方喜2
(1.吉林师范大学;2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室)
为实现试验台模拟增压柴油机瞬态EGR控制,基于CY6D180柴油机和enDYNA建模软件设计了硬件在环仿真平台。通过典型工况下的模型验证以及仿真平台与台架试验的EGR优化结果分析,表明该仿真模型平均误差不超过10%,可辅助试验台架进行稳态EGR优化标定试验。通过该仿真平台的瞬态进气量跟踪测试表明,跟踪曲线的平均超调量在5%左右,且瞬态响应调节时间短,该平台可有效模拟CY6D180柴油机的瞬态响应特性。
1 前言
由于欧Ⅳ等排放标准对增压柴油机增加了瞬态测试循环(EuropeanTransient Cycle,ETC),使得瞬态工况下排放优化问题成为研究热点,而排气再循环(EGR)回流的瞬态控制研究又是重中之重[1,2]。但由于增压柴油机瞬态试验难度大、测试成本高,对试验设备需求也高,使得完全依靠试验方法进行EGR瞬态控制的研究受到很大程度的限制。
硬件在环(hardware in loop,HIL)仿真技术[3,4]可代替实机运行,不仅降低了对高端设备的需求和试验难度,而且也能减少投入、缩短试验时间[5,6]。邢杰等人[7]建立了混合动力系统的动态模型,搭建了包含实车控制器的驾驶员硬件在环实时仿真平台;李静等人[8]基于硬件在环试验台进行了典型工况试验,验证了控制系统的跟随控制效果。此外,研究人员开始利用一些商用建模软件帮助建立模型。其中,enDYNA软件[9]可对发动机进行精确建模,有学者采用该软件进行了车辆自诊断系统及直喷汽油机的研究[10,11]。本文在上述研究成果的基础上,基于CY6D180重型柴油机的台架试验数据,利用enDYNA建模软件、实时硬件系统dSPACE以及两个实际阀体(节气阀和EGR阀)搭建了柴油机瞬态EGR控制硬件在环仿真平台,实现了试验台模拟增压柴油机瞬态EGR控制。
2 enDYNA软件建模及EGR控制硬件在环仿真平台的建立
enDYNA软件建模前,需利用CY6D180柴油机试验台架以及PCL-818HG数据采集卡、Horiba MEXA气体分析仪等测控设备采集该柴油机在各稳态工况下的性能参数。CY6D180柴油机部分稳态工况下的性能参数见表1。将得到的80%稳态数据以及该柴油机的基本参数(连杆质量、活塞质量、活塞销质量等)提交给enDYNA软件系统中的预处理程序,逐步建立发动机模型,剩余的20%稳态数据用于模型验证。
表1 CY6D180柴油机稳态工况下性能参数
建立模型时,通过预处理执行文件将上述数据依照一定的逻辑及先后顺序,分为参数特性曲线拟合和参数之间关系MAP拟合2个步骤进行处理。在此过程中,分别依据当前数据分布的特点以及精度要求等选择恰当的拟合函数。图1为EGR瞬态控制硬件在环试验平台结构。该实时仿真平台的控制系统由运行在xPC-Target中的EGR瞬态控制算法以及原机ECU构成;半实物模型部分由运行在dSPACE硬件AUTOBOX中的enDYNA软件所建模型以及实体EGR阀、节气阀构成;控制系统与半实物模型之间的数据通过AUTOBOX和PCL818HG数据采集卡中的A/D和D/A口进行传输。
3 模型稳态精度验证
enDYNA软件中自带了模型稳态精度验证对比模式em-steady,该运行模式将利用前文所述稳态数据中剩于的20%部分进行模型验证。该模式运行时会自动将验证所用的实机工况点数据集合,与相应工况点的仿真数据进行对比分析。模型稳态精度验证所用转速工况变化情况如图2所示,部分对比结果如图3和图4所示。图3为在不同转速下的有效扭矩仿真计算值与实际测量值的比较,其大部分工况点的仿真误差均为±10%,且最大不超过30%。图4为在不同转速下喷油质量计算值与实际测量值的比较,其大部分工况点的仿真误差均为±10%,且最大不超过25%。对比结果表明,enDYNA软件所建模型误差较小,能够满足EGR系统控制设计对被控对象建模精度的需求。
4 硬件在环仿真平台的EGR优化结果与试验台架测试结果对比分析
为降低台架EGR优化标定成本,首先以硬件在环仿真平台为基础进行了EGR优化研究。通过研究原机稳态数据发现,部分低转速工况下进气中冷后压力比排气压力大,需要增加一个节气阀来降低进气歧管压力以保证足够的EGR流量。在硬件在环仿真环境下,以燃油消耗率最大增幅不超过3%、消光烟度不超过4%为前提,以NOx排放降低幅度最大为目标,通过调节EGR阀和节气阀(ITH)得到了各稳态工况下的最优EGR率。表2为在稳态测试循环(ESC)中B转速(1 473 r/min)时各负荷梯度下EGR优化后的发动机耗油及排放水平与原机的对比结果。其中,当负荷率为20%时,EGR优化后NOx排放降幅达到57.1%,对应消光烟度仅为0.60%。
将利用硬件在环仿真平台EGR优化仿真得到的两阀开度结果作为试验台架测试的两阀控制目标,得到的部分台架试验结果如表3所列。由表3可知,EGR优化后,硬件在环仿真平台的发动机特性与试验台架测试结果基本一致,各项参数最大平均误差不超过8.3%,表明该硬件在环仿真平台可以辅助CY6D180柴油机试验台架进行稳态EGR优化标定试验。
表2 硬件在环仿真平台下的EGR优化后的发动机性能及排放结果
表3 EGR优化后台架试验结果及误差率
5 EGR控制硬件在环仿真平台的瞬态性能测试
在硬件在环仿真平台上调节2个实体阀跟踪理想进气量,完成仿真平台的瞬态性能测试。图5和图6分别为油门位置在50%和30%时的瞬态加速工况下,调节EGR阀和节气阀跟踪理想进气量的瞬态变化过程中各参数的变化情况。由图5和图6可看出,从起动车辆到发动机工作20 s过程中挡位变化了3次,挡位变化时刻对应车辆的加速,即进气量加大时刻。在此过程中,从EGR阀和节气阀两个执行器开度的瞬态变化过程可知,当EGR阀全开仍不能完成进气量的控制任务时,节气阀将开始关闭动作。
由图5和图6的进气量跟踪情况可知,在发动机模型起始运行阶段,进气量跟踪的超调现象较明显,这是因为该模型建模所用的数据最低转速为800 r/min,即起车低转速阶段建模精度不够;模型运行的中后期平均超调量在5%左右,最大超调量在10%以内,并且加速阶段瞬态响应调节时间很短。上述模型瞬态仿真结果表明,所建立的硬件在环仿真平台能够模拟瞬态工况下调节EGR阀和节气阀跟踪理想进气量的瞬态变化过程,可用于CY6D180柴油机EGR瞬态控制器的设计及测试。
6 结束语
搭建了柴油机瞬态EGR控制硬件在环仿真平台。利用该仿真平台进行的典型稳态工况下的模型验证及EGR优化仿真结果表明,该仿真模型的平均误差不超过10%,可以辅助柴油机试验台架进行稳态EGR优化标定试验。利用该仿真平台进行的EGR控制瞬态仿真测试表明,进气量跟踪的平均超调量在5%左右,且瞬态响应调节时间很短,能够有效模拟该试验台架的瞬态响应特性,辅助瞬态EGR控制器的设计及测试。
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,龚志国,洪伟,等.EGR对重型柴油机性能影响的试验研究.汽车技术,2013(7):44~49.
3吴海东,郭孔辉,卢荡.基于LabVIEW RT的硬件在环仿真.汽车技术,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,孙逢春.混合动力汽车控制策略硬件在环仿真开发平台.北京理工大学学报,2010,30(8):887~890.
8李静,王子涵,余春贤,等.硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计.吉林大学学报(工学版),2013.
9邓涛,孙冬野,秦大同,等.基于Simulink与veDYNA联合仿真平台的AMT硬件在环试验研究.汽车工程,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赵靖华,洪伟,李学军,等.GDI汽车发动机怠速时滞依赖的H∞控制.农业机械学报,2010,41(11):20~25.
(责任编辑文楫)
修改稿收到日期为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
柴油机瞬态过程控制硬件在环仿真
U467.2
A
1000-3703(2014)07-0024-04
吉林省科技发展计划资助项目(20130522157JH);吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2014]第488号);吉林省科技发展计划、吉林省公共计算平台资助(20130101179JC-16)。