技术领域
[0001] 本
发明涉及发动机控制领域，具体涉及一种双燃料发动机控制器仿真测试系统。
背景技术
[0002] 车辆发动机ECU(Electronic Control Unit，
电子控制单元)的开发通常采用系统需求、概念设计、应用
软件建模、应用层与底层代码集成、软件测试、验证的现代V流程模式。在对发动机ECU进行测试过程中，传统的台架、整车在线测试验证方式，耗费大量的人
力物力，问题不易复现，难以运行极限工况、且存在危险因素；而开环的手工
信号发生器又不能模拟动态、闭环工况。而HIL(Hardware-In-Loop，
硬件在环)仿真测试，通过被控对象模型仿真的方式来模拟真实的运行环境，可实现动态测试闭环测试、测试过程可重复、模拟极限工况、自动测试，经济性好、安全，是发动机ECU开发中非常重要的一个环节。
[0003] 在
现有技术中，发动机ECU HIL仿真测试系统以单燃料发动机的为主，如柴油机ECU HIL测试系统，主要是运用柴油机平均值模型来仿真柴油机。但是，一种新型的HPDI(High Pressure Direct Injection，高压直喷)
天然气、柴油双燃料发动机采用柴油引燃的方式来实现天然
气缸内直喷的技术、并会随着工况的变换切换燃料模式，其控制涉及柴油、天然气双燃料，比传统的单燃料发动机控制逻辑更加复杂。现有的单燃料发动机ECU HIL仿真方案无法满足高压直喷天然气、柴油双燃料发动机ECU的HIL测试需求，即在现有技术中没有针对高压直喷双燃料发动机ECU的HIL测试系统。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种双燃料发动机控制器仿真测试系统，从而实现高压直喷天然气、柴油双燃料发动机ECU的HIL测试。
[0005] 为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
[0006] 一种双燃料发动机控制器仿真测试系统，所述系统包括：
[0007] 实时仿真机以及发动机控制器；
[0008] 所述实时仿真机用于运行环境模型、驾驶员模型以及整车模型，所述整车模型包括双燃料发动机模型、附件模型、
传动系统模型、车辆纵向动力模型；所述双燃料发动机模型包括气路模型、燃料供给模型、气缸燃烧模型、热平衡模型；所述燃料供给模型用于计算柴油轨压、天然气轨压、柴油喷油量以及天然气喷射量；所述气缸燃烧模型包括
扭矩模型以及废气成分模型，所述扭矩模型用于计算发动机的输出扭矩，所述废气成分模型用于计算废气成分；
[0009] 所述实时仿真机用于将所述环境模型输出的车辆环境参数、所述驾驶员模型输出的驾驶员行为参数以及所述整车模型输出的各个车辆运行参数发送给所述发动机控制器；接收所述发动机控制器发送的
控制信号，根据所述控制信号继续运行环境模型、驾驶员模型以及整车模型；
[0010] 所述发动机控制器用于根据所述车辆环境参数、所述驾驶员行为参数以及所述车辆运行参数确定发动机工况并执行控制逻辑生成控制信号，将所述控制信号发送给所述实时仿真机。
[0011] 相应的，所述燃料供给模型包括：
[0012] 柴油
喷油器模型、柴油高压油
泵模型、柴油轨模型、天然气轨模型以及天然气喷射
阀模型；
[0013] 所述柴油喷油器模型用于根据采集得到的柴油喷射脉宽以及柴油轨压，计算柴油喷油量并输出给所述柴油轨模型；
[0014] 所述柴油高压油泵模型用于采用平均值方法计算高压油泵泵油量并输出给所述柴油轨模型；
[0015] 所述柴油轨模型用于根据所述柴油喷油量以及所述高压油泵泵油量，计算柴油轨压并输出给所述柴油喷油器模型以及所述天然气轨模型；
[0016] 所述天然气轨模型用于根据所述柴油轨压获得天然气轨压；
[0017] 所述天然气喷射阀模型用于根据采集得到的天然气喷射脉宽以及所述天然气轨压，计算天然气喷射量。
[0018] 相应的，所述柴油轨模型具体用于：
[0019] 根据连续性方程： 计算柴油轨压P并输出给所述柴油喷油器模型以及所述天然气轨模型；其中，Qin为进入柴油轨的柴油流量，是根据所述高压油泵泵油量获得的；Qout为流出柴油轨的柴油流量，是根据所述柴油喷油量单位转换得到的；E为柴油的
弹性模量；V为柴油轨的体积。
[0020] 相应的，所述扭矩模型包括：
[0021] 提示扭矩获得单元，用于将所述天然气喷射量转换为产生同样扭矩的当量柴油
质量，根据所述当量柴油质量与所述柴油喷油量之和获得提示扭矩；
[0022] 摩擦扭矩获得单元，用于根据发动机
水温、
发动机转速查找摩擦扭矩脉谱图获得摩擦扭矩；
[0023] 扭矩获得单元，用于计算所述提示扭矩与所述摩擦扭矩之和作为发动机的输出扭矩。
[0024] 相应的，所述提示扭矩获得单元包括：
[0025] 第一获得子单元，用于采用将所述天然气喷射量与转换系数相乘再与补偿量相加的方式获得所述天然气喷射量转换为产生同样扭矩的当量柴油质量；
[0026] 第二获得子单元，用于根据所述当量柴油质量与所述柴油喷油量之和、发动机转速查找提示扭矩脉谱图获得提示扭矩。
[0027] 相应的，所述提示扭矩获得单元还包括：
[0028] 修正子单元，用于根据发动机转速、喷射提前
角查找提示扭矩修正系数脉谱图获得提示扭矩修正系数；将所述第二获得子单元获得的提示扭矩与所述提示扭矩修正系数相乘作为提示扭矩。
[0029] 相应的，所述转换系数是根据发动机转速、
油门踏板开度查找天然气转柴油转换系数脉谱图获得的；所述补偿量是根据发动机转速、油门踏板开度查找天然气转柴油补偿量脉谱图获得的。
[0030] 相应的，所述气路模型包括：
[0031]
增压器模型、节气门模型、进气
歧管模型、进气成分模型、
排气歧管模型以及EGR阀模型；
[0032] 所述
增压器模型用于计算发动机增压后的压力和
温度；
[0033] 所述节气门模型用于基于等熵
绝热过程的节流孔方程确定节气门开度；
[0034] 所述EGR阀模型用于基于等熵绝热过程的节流孔方程确定EGR阀开度；
[0035] 所述进气成分模型用于计算进气中的空气比率。
[0036] 相应的，所述废气成分模型具体用于计算废气中的空气比率以及废气中的燃油比率。
[0037] 相应的，所述热平衡模型用于通
过热量平衡计算发动机进水温度以及出水温度。
[0038] 相应的，所述传动系统模型包括：惯性模
块模型、
离合器模型、变速箱模型以及
主减速器差速器模型；
[0039] 所述车辆纵向动力学模型包括：整车负载模型以及整车速度模型；
[0040] 所述附件模型包括：启动机模型、
电池模型以及
空调模型。
[0041] 由此可见，本发明
实施例具有如下有益效果：
[0042] 本发明实施例提供的柴油、天然气双燃料发动机控制器的硬件在环仿真测试系统，通过构建控制器被控对象模型，被控对象模型包括环境模型、驾驶员模型以及整车模型，特别是整车模型中的双燃料发动机模型(包括气路模型、燃料供给模型、气缸燃烧模型、热平衡模型)，可以完成对双燃料发动机的仿真，从而实现对柴油引燃、天然气直喷发动机控制器的闭环测试、动态测试，能够模拟不同的工况场景：启动、突变负载、发动机台架试验循环、整车驾驶循环等静态动态工况，以完成HPDI双燃料发动机控制器的控制参数预标定、功能测试、耐久测试等，具有安全、经济、成本低等优点。另外，气缸燃烧模型采用将天然气转换成柴油的方式，实现简单有效并且有利于在现有的柴油机模型上面直接更改，节省人力、提高效率。
附图说明
[0043] 图1为本发明实施例提供的双燃料发动机控制器仿真测试系统实施例一的示意图；
[0044] 图2为本发明实施例提供的双燃料发动机控制器仿真测试系统实施例二的示意图；
[0045] 图3为本发明实施例中整车模型实施例的示意图；
[0046] 图4为本发明实施例中双燃料发动机模型实施例的示意图；
[0047] 图5为本发明实施例中气路模型实施例的示意图；
[0048] 图6为本发明实施例中燃料供给模型实施例的示意图；
[0049] 图7为本发明实施例中扭矩模型实施例的示意图；
[0050] 图8为本发明实施例中扭矩模型实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
[0051] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
[0052] 针对现有技术中没有针对高压直喷双燃料发动机ECU的HIL测试系统的技术问题，本发明实施例提供一种用于双燃料发动机控制器的仿真测试系统，可以实现HPDI发动机ECU开发过程中的动态闭环测试、极限工况测试、自动测试、可重复性测试，具有安全、经济、成本低等优点。
[0053] 参见图1所示，是本发明实施例提供的双燃料发动机控制器仿真测试系统实施例一，该系统可以包括：
[0054] 实时仿真机101以及发动机控制器102。
[0055] 实时仿真机用于运行环境模型1011、驾驶员模型1012以及整车模型1013。
[0056] 其中，环境模型可以模拟车辆外部环境，输出各种车辆环境参数，例如根据车辆运行里程距离确定海拔、道路附着系数、道路坡度、
大气压力温度、
风速等车辆环境参数。
[0057] 驾驶员模型主要用于驾驶循环工况的实现，按照驾驶循环的车速和时间的曲线进行整车运行，驾驶员模型会自动进行离合操作、油门动作以及档位的切换。可以通过输入车速、发动机转速、整车阻力、发动机输出扭矩、变速箱输入扭矩、离合器转速等，输出油门开度、
刹车开度、离合器开度、档位、启动
开关、点火开关、空调开关等驾驶员行为参数。
[0058] 实时仿真机用于将环境模型输出的车辆环境参数、驾驶员模型输出的驾驶员行为参数以及整车模型输出的各个车辆运行参数发送给发动机控制器；并接收发动机控制器发送的控制信号，根据控制信号继续运行环境模型、驾驶员模型以及整车模型。
[0059] 发动机控制器即发动机电子控制单元ECU用于根据车辆环境参数、驾驶员行为参数以及车辆运行参数确定发动机工况并执行控制逻辑生成控制信号，将控制信号发送给实时仿真机。
[0060] 在实际应用中，参见图2所示，是本发明实施例提供的双燃料发动机控制器仿真测试系统实施例二，实时仿真机以及发动机ECU均可以与用户上位机相连，实时仿真机与发动机控制器之间通过输入输出IO板卡相连，仿真测试系统中还可以包括负载箱。用户上位机可以运行系统配置软件、匹配环境软件(如MATLAB/Simulink等)，运行实时仿真测试时的试验环境软件，检测各个模型中相关变量、参数，环境模型、驾驶员模型以及整车模型编译后生成代码下载到实时仿真机中运行。实时仿真机运行环境模型、驾驶员模型以及整车模型，通过IO板卡将环境模型输出的车辆环境参数、驾驶员模型输出的驾驶员行为参数以及整车模型输出的各个车辆运行参数转换为
传感器物理信号发送给给发动机控制器，发动机控制器运行需要
输入信号，通过传感器信号(如发动机转速、油门开度、水温、轨压等)的输入，完成工况判断以及控制决策的执行，进而输出相应的驱动信号即控制信号，控制信号通过IO板卡输出给实时仿真机中的各个模型和/或负载箱执行，负载箱可以用来装真实负载或模拟负载(负载板卡)，实时仿真机可以根据控制信号更新环境模型、驾驶员模型以及整车模型的运行，从而实现对发动机控制器闭环控制的测试。
[0061] 参见图3所示，在本发明的一些实施例中，上述整车模型可以包括双燃料发动机模型301、附件模型302、传动系统模型303、车辆纵向动力模型304。
[0062] 传动系统模型可以包括：惯性模块模型、离合器模型、变速箱模型以及主减速器差速器模型；传动系统模型可以通过输入发动机输出扭矩、发动机
转动惯量、每个
车轮的
角速度等输出发动机转速、离合器转速、变速箱输入扭矩、各个车轮扭矩等。车辆纵向动力学模型可以包括：整车负载模型以及整车速度模型；车辆纵向动力模型可以通过输入各个车轮的扭矩、风速、刹车开度、环境
密度、道路坡度等输出车速、车辆里程、车辆阻力、各个车轮角速度。附件模型可以包括：启动机模型、电池模型以及空调模型等，可以输出点火开关信号、启动开关信号、空调开关信号、发动机转速、附件扭矩等。
[0063] 参见图4所示，在本发明的一些实施例中，上述双燃料发动机模型可以包括气路模型401、燃料供给模型402、气缸燃烧模型403、热平衡模型404；燃料供给模型402可以用于计算柴油轨压、天然气轨压、柴油喷油量以及天然气喷射量。气缸燃烧模型403可以包括扭矩模型4031以及废气成分模型4032，扭矩模型可以用于计算发动机的输出扭矩，废气成分模型可以用于计算废气成分。
[0064] 双燃料发动机模型是实现双燃料发动机控制器仿真测试的核心，以下分别对双燃料发动机模型中的气路模型、燃料供给模型、气缸燃烧模型以及热平衡模型404进行具体说明。
[0065] 参见图5所示，在本发明的一些实施例中，气路模型可以包括：增压器模型501、节气门模型502、
进气歧管模型503、进气成分模型504、排气歧管模型505以及EGR阀模型506。
[0066] 其中，增压器模型用于计算发动机增压后的压力和温度，具体的，可以基于转速和柴油总油量的MAP(即脉谱图)再进行PT1滤波，计算增压后压力和温度，以仿真发动机温度压力的缓慢变化过程。
[0067] 节气门模型用于基于等熵绝热过程的节流孔方程确定节气门开度；EGR阀模型用于基于等熵绝热过程的节流孔方程确定EGR阀开度。具体的，节气门模型与EGR阀模型均可以基于以下方程建模：
[0068]
[0069]
[0070] 其中， 为流经节流孔(或EGR阀)的质量流量，单位为kg/s，μ为流量系数，A(α)为流函数，k为绝热系数，PO为出口压力，PI为进口压力，α为
节流阀角度，R为气体状态常数。
[0071] 进气歧管模型、排气歧管模型可以采用“充排法”方法进行零维建模，采用质量守恒方程、
能量守恒方程以及气体
状态方程。“充排法”即充满-排空法，又叫容积法。实际是把进排气管看成是与原有管道容积相当的一个简单容器，把不稳定的流动过程简化为准稳定的流进或流出过程。
[0072] 进气成分模型用于计算进气中的空气比率。具体可以通过以下公式计算：进气空气比率＝(节气门质量流量+废气空气比例*EGR质量流量)/(节气门质量流量+EGR质量流量)。
[0073] 参见图6所示，在本发明的一些实施例中，燃料供给模型可以包括：
[0074] 柴油喷油器模型601、柴油轨模型602、柴油高压油泵模型603、天然气轨模型604以及天然气喷射阀模型605；
[0075] 其中，柴油喷油器模型用于根据IO
接口硬件采集得到的柴油喷射脉宽以及柴油轨压，计算柴油喷油量并输出给柴油轨模型。具体可以根据柴油喷射脉宽以及柴油轨压采用MAP方式计算柴油喷油量，喷油器喷射柴油量q＝MAP(喷射脉宽t，轨压p)。
[0076] 柴油高压油泵模型用于采用平均值方法计算高压油泵泵油量并输出给柴油轨模型。高压油泵每个工作循环内的供油量是个平均值，而不是瞬时的
凸轮轴形线驱动的脉冲供油量。具体计算方法为：供油量q_Pump＝Max_V*fac_Meun*eta；高压油泵最大供油量：Max_V＝(转速/60)*油缸体积；油量计量单元控制因子fac_Meun：通过油量计量单元驱动
电流i_Meun查CUR计算，fac_Meun＝CUR(i_Meun)。
[0077] 柴油轨模型用于根据柴油喷油量以及高压油泵泵油量，计算柴油轨压并输出给柴油喷油器模型以及天然气轨模型。柴油轨模型具体用于：根据连续性方程：计算柴油轨压P并输出给柴油喷油器模型以及天然气轨模型；其中，Qin
为进入柴油轨的柴油流量，是根据高压油泵泵油量获得的；Qout为流出柴油轨的柴油流量，是根据柴油喷油量单位转换得到的；E为柴油的弹性模量；V为柴油轨的体积。
[0078] 天然气轨模型用于根据柴油轨压获得天然气轨压；天然气轨压可以根据柴油轨压计算，和柴油轨压基本保持常数差。
[0079] 天然气喷射阀模型用于根据采集得到的天然气喷射脉宽以及天然气轨压，计算天然气喷射量。与柴油喷油器模型类似，天然气喷射阀模型也可以根据天然气喷射脉宽以及天然气轨压采用MAP方式计算天然气喷射量。
[0080] 参见图7所示，在本发明的一些实施例中，扭矩模型可以包括：
[0081] 提示扭矩获得单元701，用于将天然气喷射量转换为产生同样扭矩的当量柴油质量，根据当量柴油质量与柴油喷油量之和获得提示扭矩。
[0082] 摩擦扭矩获得单元702，用于根据发动机水温、发动机转速查找摩擦扭矩脉谱图获得摩擦扭矩。
[0083] 扭矩获得单元703，用于计算提示扭矩与摩擦扭矩之和作为发动机的输出扭矩。
[0084] 在本发明的一些实施例中，提示扭矩获得单元可以包括：
[0085] 第一获得子单元，用于采用将天然气喷射量与转换系数相乘再与补偿量相加的方式获得天然气喷射量转换为产生同样扭矩的当量柴油质量；其中，转换系数是根据发动机转速、油门踏板开度查找天然气转柴油转换系数脉谱图获得的；补偿量是根据发动机转速、油门踏板开度查找天然气转柴油补偿量脉谱图获得的。
[0086] 第二获得子单元，用于根据当量柴油质量与柴油喷油量之和、发动机转速查找提示扭矩脉谱图获得提示扭矩。
[0087] 在本发明的一些实施例中，提示扭矩获得单元还可以包括：
[0088] 修正子单元，用于根据发动机转速、喷射提前角查找提示扭矩修正系数脉谱图获得提示扭矩修正系数；将第二获得子单元获得的提示扭矩与提示扭矩修正系数相乘作为提示扭矩。
[0089] 参见图8所示，扭矩模型的工作原理是：通过将天然气喷射量转换成为产生同样扭矩的当量柴油质量，基于总的柴油质量(即当量柴油质量与柴油喷油量之和)计算
基础指示扭矩。上述转换过程是通过y＝kx+b的线性方式进行的，其中y代表转换后的当量柴油质量、x代表天然气喷射量、k是转换系数、b为补偿量。转换系统k是通过查天然气转柴油转换系数MAP表的方式计算得出，天然气转柴油转换系数MAP输入分别为发动机转速和油门踏板开度。补偿量b是通过查天然气转柴油补偿量MAP表的方式计算得出，天然气转柴油补偿量MAP的输入分别为发动机转速和油门踏板开度。基础指示扭矩通过发动机转速、当量柴油质量与柴油喷油量之和查找提示扭矩MAP得到。指示扭矩还可以通过提示扭矩修正系数MAP修正，提示扭矩修正系数MAP输入分别为发动机转速和喷射提前角，该喷射提前角指的是主喷提前角，主喷可能是天然气或者是柴油，所以主喷提前角为天然气喷射提前角或者柴油喷射提前角。摩擦扭矩是通过发动机水温、发动机转速查找摩擦扭矩MAP计算得出，是负值。最终输出的有效扭矩为指示扭矩和摩擦扭矩之和。另外，扭矩模型也可以用于根据天然气喷射量和柴油喷油量分别进行计算指示扭矩，然后求和获得提示扭矩。
[0090] 在本发明的一些实施例中，废气成分模型可以具体用于计算废气中的空气比率以及废气中的燃油比率。可以通过进气成分模型中输入的进气成分，
空燃比、燃油中的未燃的比例等完成计算。具体过程为：废气中空气比率＝f(空燃比AFR，缸内燃油量，缸内空气量，燃烧后的总质量)，其中空燃比为参数，缸内空气量＝进气充量*进气空气比率，进气充量＝f(理论进气量，充气效率)，理论进气量＝f(进气歧管密度，发动机
排量，压缩比)，充气效率根据转速、进气歧管查MAP表计算得出，进气空气比率＝f(节气门质量流量，EGR空气比率，EGR质量流量)。废气中燃油比率＝废气中未燃油量/燃烧后总量；废气中未燃油量＝总燃油量*MAP(转速，喷油提前角)。
[0091] 在本发明的一些实施例中，热平衡模型可以用于通过热量平衡计算发动机进水温度以及出水温度。根据发动机有效功率通过查表计算出发动机
热损失，再加上EGR热损失、机油传输给水的热量等，减去流入
散热器中的热量和进入大气热量，得到一个热流量，这个热流量用来使得发动机出水温度升温。发动机入水温度，是根据
散热器中的热量减去散热器进入大气的热量，得到的热流量使得散热器出水温度升温，即发动机进水温度。
[0092] 本发明实施例构建了一种柴油引燃高压直喷天然气发动机的硬件在环仿真测试系统。被控对象模型涉及整车的纵向运动、整车负载环境，关键部分是发动机燃料供给及燃烧模型。柴油、天然气的双燃料的燃烧扭矩仿真，采用能量等价的方式将天然气的气量转换为柴油机的当量油量，得到总的柴油油量用于计算指示扭矩。天然气量转换为柴油量采用转化系数加补偿量的线性方法即y＝kx+b，转化系数k和补偿量b由发动机转速和油门踏板开度查MAP表得到。
[0093] 这样，本发明实施例提供的柴油、天然气双燃料发动机控制器的硬件在环仿真测试系统，通过构建控制器被控对象模型，被控对象模型包括环境模型、驾驶员模型以及整车模型，特别是整车模型中的双燃料发动机模型(包括气路模型、燃料供给模型、气缸燃烧模型、热平衡模型)，可以完成对双燃料发动机的仿真，从而实现对柴油引燃、天然气直喷发动机控制器的闭环测试、动态测试，能够模拟不同的工况场景：启动、突变负载、发动机台架试验循环、整车驾驶循环等静态动态工况，以完成HPDI双燃料发动机控制器的控制参数预标定、功能测试、耐久测试等，具有安全、经济、成本低等优点。另外，气缸燃烧模型采用将天然气转换成柴油的方式，实现简单有效并且有利于在现有的柴油机模型上面直接更改，节省人力、提高效率。
[0094] 需要说明的是，本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0095] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0096] 结合本文中所公开的实施例描述的方法或
算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的
软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机
存储器(RAM)、内存、
只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、
硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0097] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
