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软件工程:对于V模式的智能SCR软件开发及应用

作者:2021-05-14 20:56阅读:文章来源:未知
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摘要:为满足非道路国四排放规范对柴油机排气污染物NOx限值的请求,分离基于模型开发的设计思想和V形式开发流程,完成了从需求架构设计、MATLAB/Simulink建模开发、软件测试确认的智能SCR软件开发。智能SCR软件的控制战略主要包括催化器模型、前馈控制模型、氨存储计算模型、尿素量修正模型、尿素放射控制模型等。然后将智能SCR软件与柴油机其它控制功用停止软件集成,并将生成的ECU软件刷写至非道路国四ECU。最后在实验台架上完成了多组冷机和暖机的非道路瞬态循环(NRTC循环)测试。实验结果标明:在NRTC实验循环下,NOx转化效率最高到达了94.46%,经催化复原后的NOx排放值到达了0.464g/(kW·h),低于非道路国四排放规范对排放物NOx的排放限值请求,开发的智能SCR软件能够批量应用于非道路国四柴油机。

 

  关键词:非道路国四排放;基于模型开发;V形式开发流程;智能SCR软件;NRTC循环

 

  0引言

 

  随着环境问题的日益突出,针对道路用汽车和非道路挪动机械用柴油机的污染物排放法规逐渐完善,其对氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)等柴油机排气污染物的排放限值都作出了严厉的请求。非道路国四阶段的排放法规对额定净功率在130kW至560kW之间的非道路用柴油机的NOx污染物排放限值请求曾经到达了2.0g/(kW·h)。选择性催化复原(SCR)技术作为减少柴油机NOx排放的重要尾气后处置技术[1],已普遍应用于道路车辆、工程机械等范畴[2]。

 

  由于非道路挪动机械对柴油机的采购本钱较敏感,无论是采用国际知名电控燃油系统供给商提供的非智能型后处置系统控制计划,还是运用单独的后处置控制器控制智能型后处置系统,都不利于对柴油机本钱的控制,因而经过自主研发既能控制智能型后处置系统,又不需求增加单独的后处置控制器的集成式智能SCR软件,为企业在达标排放法规请求下,推进后处置系统规范化、降低后处置系统配套门槛及有效控制柴油机本钱提供了一个良好的方式。

 

  1后处置系统引见

 

  如图1所示为一种非道路国四后处置系统构造表示,该后处置系统的技术道路为DOC+DPF+SCR,其主要电控零部件包含经过CAN总线控制的智能尿素泵、集成了尿素液位温度质量传感器的尿素箱、DOC上游温度传感器、DPF上游温度传感器、DPF压差传感器、SCR上游温度传感器、下游NOx传感器等。

 

  该后处置系统的工作原理为:当柴油机运转时,集成在ECU中的智能SCR软件将依据柴油机当前的运转状态,经过CAN报文的方式向智能尿素泵发送相应指令,并由智能尿素泵独立完成系统初始化、怠速等候、建压、休眠、等候放射、噴射、反抽、尿素管路加热、防冻液冻结等工作。其中,智能SCR软件担任采集后处置系统各个温度传感器信号、压差传感器信号、NOx传感器信号、尿素液位温度质量传感器信号和与柴油机运转工况相关的参数,然后经过催化器模型、前馈控制、氨存储计算、自顺应修正等控制算法计算出理论的尿素放射量,并将其依照一定的CAN报文格式发送到CAN总线网络中。智能尿素泵从CAN总线网络中接纳到尿素放射量报文后,依照设定的放射压力和放射频率驱动尿素喷嘴工作。尿素溶液在柴油机高温尾气下发作蒸发、热解和水解等反响后生成NH3,然后NH3与上游尾气中的NOx经混合器充沛混合后,进入SCR催化器停止催化复原反响生成N2和H2O,从而完成降低柴油机NOx排放的目的[3]。

 

  尿素溶液的热解、水解和SCR系统的氧化复原反响机理为[4]:

 

  (NH2)2CO→NH3+HNCO(1)

 

  HNCO+H2O→NH3+CO2(2)

 

  6NO+4NH3→5N2+6H2O(3)

 

  4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O(4)

 

  NO+2NH3+NO2→2N2+3H2O(5)

 

  式(1)至(5)中,(NH2)2CO为尿素溶液;NH3为氨气;HNCO为异氰酸;H2O为水;CO2为二氧化碳;NO为一氧化氮;N2为氮气;O2為氧气;NO2为二氧化氮。

 

  2智能SCR系统控制战略开发

 

  2.1V形式开发流程

 

  由于汽车电子行业的传统开发流程曾经很难顺应日益多样化的功用需求和复杂的控制算法开发请求[5],而采用基于模型开发的V形式开发流程可以在保证较高软件质量的状况下,缩短开发周期,降低开发本钱,以及在开发阶段完成对模型的考证,完成模型和代码的更新同步,因而高效及规范化的V形式开发流程被普遍应用于汽车电子软件开发范畴[6-7]。

 

  图2为分离自主软件开发工程化经历设计的非道路国四智能SCR软件的V形式开发流程。该开发流程除了包含需求设计、架构设计、模型设计、软件完成、单元测试、集成测试、验收测试等完好的基于模型开发的内容之外,还运用了行业内知名的管理工具对软件需求、软件配置、软件测试、软件变卦等停止管理,从而使智能SCR系统控制战略开发过程得到有效管控,使其软件的开发质量得到实在保证。

 

  2.2软件需求架构设计

 

  需求开发包含需求捕获和需求剖析。需求的来源能够是国度的相关排放法规、行业内新技术、竞品新功用、内部客户和外部客户的开发需求、非功用性需求等,其内容不只触及软件需求,而且还触及对硬件资源等的需求。

 

  如表1所示,为软件开发人员从各相关方搜集的局部智能SCR软件的原始开发需求。软件开发人员将对一切的原始开发需求停止剖析,并构成标准的需求规格阐明书,用以明白软件开发的内容和指导软件开发的工作[8]。

 

  软件架构是软件系统的一个中心,它对软件的功用、特性和构造都起到决议性的作用。由于经过对软件架构的设计能够将软件需求转化为软件模型,因而软件架构是一种笼统处理软件需求的计划[9]。此外,软件架构设计需求遵照分层设计、模块划分、低耦合高内聚、接口控制等准绳[10]。

 

  经过对非道路国四排放法规、竞品新功用、用户需求、非功用性需求等需求来源停止剖析,构成了完善的智能SCR软件开发需求规格阐明,并遵照软件架构的设计准绳和基于模型开发的设计思想,得到了如图3所示的智能SCR系统应用层软件架构设计计划,其由传感器信号采集及处置模块、SCR接口模块、SCR控制战略模块、尿素放射模块和COM模块组成。

 

  传感器信号采集及处置模块中包含尿素液位温度质量传感器模型、SCR上游温度传感器模型、SCR下游NOx传感器模型等。SCR接口模块从ECU的其它功用模块接纳发起机当前运转状态、转速、扭矩、排气质量流量等信息。SCR控制战略模块由SCR温度模型、SCR催化器模型、SCR前馈模型、SCR自顺应模型、氨存储计算模型、SCR状态机模型等组成。COM模块中包含尿素泵运转状态信息、尿素泵毛病信息、维修颐养信息等CAN报文接纳模型及与发起机和环境信息、SCR上游温度信息、尿素放射量信息等相关的CAN报文发送模型。

 

  2.3软件建模开发

 

  软件开发人员依据软件需求规格阐明书和软件架构设计计划中的细致设计描绘,即可借助MATLAB/Simulink软件展开智能SCR软件控制战略的建模开发工作。

 

  智能SCR软件控制战略原理表示如图4所示,其经过采集SCR上游温度传感器信号用于计算SCR温度模型,并将SCR温度传送给氨存储模型用于计算氨存储值,经过SCR模型计算上游NOx浓度值,然后经过SCR模型中的转化效率模型计算出转化效率值,并传送给前馈控制模型用于计算NH3根底值,此时,经过SCR自顺应模型计算的NH3修正因子对NH3根底值停止加权,然后传送给尿素放射控制模型用于计算尿素溶液理论放射量,最终取得的尿素放射量将经过COM模块发送给智能尿素泵,并由智能尿素泵依据发起机当前的运转工况停止实时的尿素放射。

 

  2.4软件测试确认

 

  当单元测试完成后,普通会采用黑盒测试技术对两个以上的模块停止自下而上或自上而下的分阶段、递进式的集成测试。

 

  当完成集成测试后,将对软件停止功用级的测试确认,以确保开发的软件功用满足开发需求。

 

  如表2所示为依据智能SCR软件功用需求开发的,并在硬件在环仿真测试系统(Hardware-in-the-loop,HIL)上停止测实验证的局部功用级别测试用例管理矩阵。在对软件停止功用级别的测试前,软件测试人员将在管理矩阵中选择适宜的测试用例集,并依据测试用例中细致定义的测试步骤、操作内容和希冀的测试结果展开测试工作。

 

  当软件的功用模块较多,手工测试效率不高的缺陷将凸显,这时引入自动化测试工具及管理流程能够缩短测试周期及进步软件质量[11]。本文依据智能SCR系统控制战略的开发需求,并分离自动化测试工具自主研发了SCR功用模块、CAN报文模块、毛病管理模块、掉电保管功用模块等一系列自动化测试用例及测试脚本,并在HIL上对智能SCR软件的各项功用停止了测试确认。同时,运用缺陷管理工具对测试过程中发现的缺陷停止管理,并用于指导软件缺陷的修复和回归测试。

 

  3台架实验考证

 

  3.1实验样机及计划

 

  非道路国四规范GB20891-2014增加了对瞬态实验循环(Non-roadtransientcycle,NRTC)的定义,该实验循环包含了1238个逐秒变化的工况[12]。本文以某直列4缸柴油机为样机,如图5所示搭建实验台架,采用AVLGEM301EC测试平台停止NRTC实验循环,以考证自主开发的智能SCR软件对非道路国四柴油机尾气污染物NOx的减排效果。柴油机技术参数见表3。

 

  当智能SCR软件完成验收测试后,将与柴油机其它控制功用一同停止软件代码集成。当软件调试经过后,将生成可执行的目的代码ECU.hex文件和ECU.a2l文件。最后经过标定工具INCA刷写到非道路国四柴油机的ECU中,并采用NRTC实验循环对集成了智能SCR软件的非道路国四柴油机停止多组冷机和暖机测实验证。

 

  此外,还对应用了智能SCR软件的非道路国四柴油机停止了完好的台架性能对标,以便考证柴油机的各项性能指标都能满足项目开发任务书的请求,并契合批量投放应用的条件。

 

  3.2实验结果及剖析

 

  图6显现的是暖机状态下原排NOx浓度曲线、尾排NOx浓度曲线与SCR温度曲线之间的关系,可见在0秒至300秒时,由于SCR温度维持在200℃左右,尿素起喷释放条件受限,从而招致尾排NOx浓度的动摇较大。随着SCR温度的升高,尾排NOx浓度维持在了一个较低的程度。如表4所示为其中2组NRTC实验循环下的NOx排放数据,最低的NOx排放值到达了0.464g/(kW·h),对应的NOx转化效率为94.46%,两组实验数据都满足非道路国四法规对NOx排放限值的请求。此外,依据实验结果剖析,非道路国四柴油机的各项性能指标也都满足开发需求。

 

  4完毕语

 

  ①HIL仿真测试结果标明:采用基于模型开发的设计思想和V形式开发流程搭建的智能SCR系统软件可以经过SCR温度模型、氨存储模型、转化效率模型、前馈控制模型、SCR自顺应模型等控制战略准确控制尿素放射量,并可以满足非道路国四柴油机后处置系统的各项功用需求。

 

  ②台架实验结果标明:在NRTC实验循环下,集成式智能SCR软件可以驱动智能尿素泵工作,并有效地控制后处置系统下游NOx的排放,使实验样机的NOx排放值低于非道路国四排放规范。由此可见,开发的智能SCR软件具备了在非道路国四柴油机上批量投放应用的条件。此外,其良好的控制效果也为达标下一阶段的非道路排放限值奠定了根底。

 

  作者简介:黄永鹏(1976-),男,硕士,工程师,主要从事智能控制器软件开发方向的研讨。

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