HPDI发动机硬件在环仿真测试与研究

曹红艳 王文霞 于洪峰 毕国栋

摘要：本文根据HPDI天然气发动机的特性及控制系统原理，在HIL平台上搭建HPDI发动机双ECU的硬件在环仿真测试平台，用于控制器的闭环测试。利用该平台对HPDI系统进行测试，验证了仿真模型及测试平台的可行性。

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.

關键词：硬件在环（HIL）;HPDI;闭环;仿真模型

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

中图分类号：U472.43                               文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0051-03

0  引言

当今社会环境污染日益严重，能源危机和排放法规日益严格，天然气因安全无毒、热值高、易提炼、储量丰富等优点，在汽车领域的应用越来越广泛。火花塞点燃式天然气发动机使用成本比柴油机低，但热效率低。HPDI 发动机的运行方式跟柴油机十分相似，它的功率和扭矩达到了同排量柴油机的水平，比点燃式气体发动机高出20%;其热效率也柴油机相当，比点燃式气体发动机的气耗低5-9%[1-2]。

HPDI发动机电控系统的开发是实现HPDI技术的重要一环。硬件在环仿真为发动机电控系统开发提供测试平台。硬件在环测试系统能模拟被控对象的运行状态，反馈给控制器真实的情况，通过模拟各种复杂工况，完成多种极端工况的测试，从而发现控制系统中的缺陷，降低了发动机标定工作量，缩短了开发周期。

1  HPDI发动机介绍

1.1 HPDI技术

HPDI（高压缸内直喷）技术是在压缩冲程上止点前喷入约为5%的柴油，作为引燃剂，形成火焰，约95%天然气以30MPa 的压力喷射到火焰中成为燃烧的主要燃料[2]。其保留了原柴油发动机的燃油供给系统，增加了燃气供给系统以及相应的液压装置，后处理系统与原柴油机相同，其着火方式、燃料供给方式、后处理等与普通火花点火式发动机、进气道喷射燃料式发动机不同。

HPDI喷射阀采用嵌套结构，柴油、天然气分别接入喷射阀，使用两个相互独立的电磁阀控制燃油、燃气，实现燃油、燃气独立喷射。

HPDI 供给系统采用液化天然气（LNG）作为车用天然气的存储形式，其主要部件为插入瓶体的往复式低温高压柱塞泵。安装在发动机端的取力油泵驱动该柱塞泵工作，燃料供给系统的ECU 与发动机ECU 联动控制泵出液体的数量，使燃气在泵体内气化且加压至30MPa、温度满足发动机的需求，保证供给发动机的燃气温度、压力、流量稳定可靠。

1.2 HPDI发动机控制系统

HPDI发动机电控系统的开发是HPDI发动机开发的重要组成部分，包括软件开发和硬件开发。软件开发又分为底层软件开发和应用层软件开发，应用层软件开发主要包含发动机控制策略和算法开发，该部分是实现发动机电控单元控制功能和性能的主要载体，包含燃油、天然气供给系统、进排气系统、后处理系统等，各个系统都包含传感器和执行器以及控制算法等。ECU硬件采用双ECU控制，主ECU控制燃油喷射阀及与燃油相关的执行器，从ECU控制燃气喷射阀和天然气供给等动作，主从ECU之间通过CAN报文通讯。

在电控单元软件和硬件开发完成之后，需要进行充分的测试对系统进行验证，测试包括多个方面，在软件开发的阶段主要包括单元测试、集成测试、确认测试和系统测试等部分。测试的结果用于指导软件和硬件的完善和优化工作。

2  HPDI HIL测试设备组成

硬件在环（HIL）仿真系统使用发动机仿真模型替代真实发动机，利用一个实时运行的仿真平台，通过上位机软件把编译完的仿真模型下载到实时仿真机中运行。并利用HIL设备内部硬件接口板卡的输入输出能力，通过线束将I/O接口与被测试的控制器连接，仿真机通过IO板卡采集控制器控制执行器的输出信号，并将所获取的信号输入到仿真机中运行的仿真模型中使其产生由控制信号引起的相对应的反应行为。通过仿真模型的计算，再将该反应转化成传感器信号并输出到控制器中，与真实控制器一起构成闭环控制系统，模拟控制器在实车环境下运行。最后采用自动化测试软件全面测试控制器的软件和硬件功能，从而对被测对象进行全方面的、系统的测试，方便快捷地发现和解决控制器开发过程中遇到的问题。

HPDI硬件在环仿真测试设备主要由硬件、软件、接口等组成。

2.1 硬件

HIL测试设备硬件主要由实时仿真机、控制器、上位机、信号发生和采集板卡、故障注入板卡、负载机柜、线束等组成。对该系统进行测试，需要同时连接两个控制器，并保证主、从ECU之间能够正常交互、通讯，因此，需要搭建包括主、从ECU两块控制器的仿真测试平台。负载箱用于向两块控制器硬件提供各种原始负载或模拟负载，其中节流阀，EGR阀、尿素泵、喷射阀采用真实负载，其余采用模拟负载代替。

2.2 软件

软件部分主要由仿真模型和用户界面、自动化测试软件等组成。

用户界面软件主要用于完成IO接口的配置、模型的搭建及参数化以及模型与硬件的集成编译等配置工作，以及实验环境的创建，仿真的执行等。

仿真模型是硬件在环仿真平台中的核心内容，模型的精度和功能直接决定了该硬件在环仿真系统的精度和功能，因此开发和研究一个高精度且能满足控制器调试需求的发动机实时模型是十分重要的。

仿真模型基于 MATLAB/Simulink 建立，总体架构如图1所示，包括主、从ECU IO模型，供电模块、被控对象模型、通讯模块、SCR尿素泵模型等。IO模型主要包括温度、压力类传感器、曲轴、凸轮轴、喷油器、执行器等IO模型。供电模块主要实现对程控电源的控制以及上、下电操作。被控对象模型用来模拟车辆动力学及其运行环境以及驾驶员动作，共包括车辆模型、驾驶员模型和环境模型三部分。车辆模型由附件模型、发动机模型、传动系模型、车辆动力学模型组成。根据HPDI发动机原理，发动机模型中搭建了柴油-燃气模型、进排气系统、后处理系统、冷却系统、缸内模型。与传统发动机仿真模型不同的是天然气供给模型包括气罐、减压器、活塞供给泵、热交换器、气压调解装置等。驾驶员模型中通过执行驾驶员动作，将油门踏板、刹车、选档等信号传递给车辆模型，同时还接收环境模型中的温度、道路坡度、风力等信号，并根据输入信号以及环境情况进行仿真计算，得到车速，再将车速信号反馈给驾驶员模型，由此形成一个闭环系统，能够实现整车驾驶循环的仿真。为了保证被测控制器的正常工作，需要仿真总线上其他控制器的CAN报文信号，通讯模块可模拟整车上的其他CAN设备与被测控制器进行通讯，同时读取该控制器发出的CAN报文作为模型的输入。

2.3 接口

接口部分主要包括网线、硬線线束等，用于实现上位机和HIL测试平台之间的通讯、主从ECU两者之间的通讯以及控制器等硬件和 HIL硬件板卡之间的通讯。

3  HPDI双ECU硬件在环仿真测试

3.1 HIL测试界面

在该界面可以进行驾驶员的一些操作，可调整刹车、油门的位置，进行换挡操作等，可以设置车重、障碍物、摩擦力、坡度等环境参数，其中环境温度、大气压力等环境条件都支持手动操作，同时可手动设定测功机负载扭矩、整车负载扭矩，因此可以很方便地制造一些极限条件，根据测试任务进行相应的操作即可，减少了实车测试风险。可设定测试工况，导入相应的实车工况曲线，利用驾驶员模型的跟随操作，完成工况测试。在仪表盘上可以直观看到发动机转速、当前车速、节气门开度、水温等数据，还可实时观察轨压、喷射加电时间、喷射提前角等发动机运行时的主要参数。

3.2 HIL测试

对硬件在环仿真测试平台进行调试，首先搭建测试环境，需要将控制器、线束、负载机柜等硬件连接，搭建好的测试平台如图2所示。

首先对HPDI双ECU测试平台进行传感器、执行器等IO的开环调试，然后进行物理模型的参数化及闭环调试等工作。为了验证HPDI控制单元控制策略的可行性以及硬件在环仿真系统的适用性，对两块控制器进行闭环测试。将发动机台架上采集的油门、发动机转速、气轨压力等主要传感器信号的数据，在HIL上通过激励测试实现工况复现，并记录仿真数据，与台架数据进行对比分析。图3和图4所示分别为燃气喷射量、发动机扭矩与台架数据的对比结果。

图中绿色线为台架数据曲线，红色为仿真曲线，对应下面的为相对偏差。通过对比不同工况点下，天然气喷射量、发动机扭矩值，可见仿真结果与台架数据基本一致。

利用硬件在环仿真平台还可以模拟制造传感器和执行器开路、短路等故障，以验证控制器的故障诊断功能，为测试提供便捷和安全性保障。

为了提高测试效率，还可利用该仿真平台和自动化测试软件进行自动化测试，即将功能和性能验证的逻辑测试用例转换成自动测试用例，使其在上位机上自动运行，实现测试自动化，最后生成测试报告。用自动化测试替代人为重复性操作，大大提高了测试效率，节省了时间。

4  结论

通过MATLAB搭建基于HPDI的整车系统仿真模型，并建立硬件在环测试平台，可以同时对HPDI主从控制器及电控软件的功能进行测试。

对该系统进行闭环测试，通过与台架数据进行对比分析进一步验证了该平台的闭环效果良好，可进行HPDI相关性能的测试。

参考文献：

[1]王震华，闫立冰.高压直喷天然气发动机技术简介[J].内燃机与配件，2021，37（02）：37-38.

[2]王江鹏，冯凡，薛强，等.HPDI技术在天然气商用车中的应用[J].汽车实用技术，2016，47（02）：136-137.

[3]袁玉峰.船用双燃料发动机Lambda闭环控制系统硬件在环平台开发[D].武汉理工大学，2018.

[4]陈梦琪.电控燃油喷射系统ECU硬件在环的研究与实现[D].广西大学，2018.

[5]王解托.高压直喷天然气船机燃烧和放的数值模拟研究[D].天津大学，2018.

[6]胡智睿，周伟伟，苏东超.船用HPDI发动机的气轨结构的优化设计[J].农业装备与车辆工程，2017，55（5）：58-61.