技术干货| GT-SUITE RDE的解决方案
1.RED简介
在现有的整车排放法规中，考虑了足够多的稳态，而瞬态工况考虑不够；同时主要关注于发动机低负荷和转速，并且在实际的车辆加速过程和车速并不是真实车速的反映，同时没有足够的考虑附件驱动。为了避免出现以上的情况，新的排放法规采用了RDE（Real Driving Emissions）。以达到真实模拟道路排放的实际情况。在车上增加一个PEMS（Portable Emission Measurement System）系统，在实际的道路上在真实的交通条件下进行测试，以达到真实排放的目的。
图1 PEMS系统
（Source: Federation Internationale DeL‘Automobile）
由于采用实际的道路和真实的交通条件，车辆的运行的工况的不确定性极大的增加了。RDE主要面临以下挑战：
没有了固定的循环工况，有大量的循环需要测试，并从中找出最好/最差的循环工况。造成的测试任务成百倍的增加。同时，只有当有样机时才能进行相关的测试。如果这样的话，对于开发来说就太晚了。CAE就有必要在开发过程中就参与整个开发过程。
GT-SUITE是由美国GAMMA Technical公司开发的由艾迪捷信息科技（上海）有限公司进行独家代理的平台性分析软件。能在RDE的V型开发流程中全程参与相关的CAE分析，为节省开发周期与成本提供很好的工具。
图2是GT-SUTIE软件在开发过程中能参与的分析流程。
图2GT-SUITE参与的开发过程
2.具体分析内容
根据不同的开发阶段可分为三个阶段：
阶段一、 发动机概念设计阶段RDE趋势分析
阶段二、发动机开发完成后RDE预测
阶段三、整车排放开发阶段RDE的预测
根据不同的研发阶段有不同的仿真模型。具体的说明如下：
阶段一：建立发动机概念设计阶段RDE趋势分析的模型。
具体模型组成如图3所示。
图3 发动机概念设计阶段vRDE模型
主要模型包括以下几个部份：
发动机详细模型：根据以往的经验数据与开发目标，建立具有瞬态功能的万有特性详细发动机模型。发动机的功能包括以下几个方面：
预测燃烧功能：能根据EGR率、点火提前角、空燃比变化等自动调整燃烧过程。
排放预测功能：能预测发动机的原始排放，并能考虑冷、热机状态下的别。
瞬态计算功能，能考虑：增压发动机的废气阀的动态特性、节气门控制功能、VVT等变化；
尾气后处理模型，能对发动机原排的在不同条件下的转化效率进行预测与评估。主要功能包括以下：
能考虑尾气后处理系统的暖机过程
能考虑各条件下的污染物的转化效率等；
整车模型：能考虑整车的换档策略，能车身的阻力持性等。
控制策略：能考虑发动机、整车的控制策略。能模拟实际行车过程中所各种控制。如:VVT控制策略、AT控制策略、点火提前角等。
仿真流程是：根据实际的驾驶曲线，生成可能的RDE循环曲线（如图4所示），并输入到模型中去，实现RDE的仿真，并得出对应的油耗与排入特性，并确定是否满足法规要求。在此基础上，进行参数优化与敏感性分析，为发动机/整车开发提供指导，以达到减少试验、缩短开发时间、节省成本的目的。具体模型如图5所示。
图4 RDE循环曲线的生成
图5 vRDV详细模型
阶段二：建立发动机开发完成后RDE预测分析的模型。
具体的模型组成如图6所示。
图6 发动机开发完成后vRDE模型组成
此任务与阶段一的主要区别是发动机的模型的准确性。
发动机模型：根据台架测试的数据，校核发动机模型。在模型校核过程中，校核参数有：空气流量、功率、油耗、催化转化器前的温度等。
发动机原始排放数据处理：根据发动机的台架试验，得出发动机原始排放的万有特性曲线。并利用神经网络训练得出发动机的瞬态排放特性。在瞬态排放数据中必须要考虑到水温、排气管壁温、转速变化速度等的影响。
尾气后处理模型：必须根据尾气后处理供应商提供的测试结果，对后处理模型进行严格标定，满足转化效率精度要求。
整车与控制模型与阶段一的没有太大变化，直接采用。
仿真流程是：根据实际的驾驶曲线，生成可能的RDE循环曲线，并输入到模型中去，实现RDE的仿真，并得出对应的油耗与排入特性，并确定是否满足法规要求。在此基础上，对发动机的开发中可能的关键参数进行优化与敏感性分析，为发动机进一步调整提供指导，以达到减少试验、缩短开发时间、节省成本的目的。
阶段三：建立整车排放开发阶段RDE预测分析模型。
根据已有的RDE测试台架数据，标定模型并进行各种可能RDE的计算，以分析整车模型能否满足要求。由于此项内容是此次项目的重点，下面详细说明。
3.技术方案
根据阶段三的内容与要求，具体的技术方案如下所述。
3.1 快速评价模型
此阶段：利用发动机MAP建立满足精度的整车动力性和经济性模型。
本环节的目标是：搭建车身以及传动系统，建立完整的车辆动力总成初步评价模型，快速评估整车模型的准确性。
使用发动机的万有特性曲线，变速箱档位、速比，整车滑行阻力曲线，以及传动系统结构等参数，建立基于发动机Map的整车模型，这种模型建模简单方便，能够对现有系统匹配技术方案的经济性、动力性和排放性做快速的初步评估。同时能够得到基础的换挡策略曲线，在项目初期给予方向性的指导。快速评价模型如图 7所示。
图 7 快速评价模型结构示例
3.2 瞬态发动机模型
此阶段目的：满足精度的发动机瞬态计算模型，能考虑发动机控制策略的影响。
主要目标是：评价发动机瞬态运行状况，为详细的整车系统建模提供基础。
在经过Map模型的评估后，进一步考虑车辆的瞬态工况，此时需要对发动机模块进行细化。通过GT-SUITE建立发动机瞬态模型，首先应该确保模型尽量接近真实物理状态，能够详细考虑瞬态工况的变化，尤其是要体现加速踏板位置和发动机运行状态之间的关系。详细发动机模型的建模内容包括发动机管路模型、涡轮增压器模型、中冷器模型、进排气气门模型、喷油器模型、气缸燃烧和换热模型、曲轴箱模型等。瞬态发动机模型如图8所示。
图8 详细的发动机模型
3.3 预测的燃烧模型
此阶段目的：满足工程精度的缸内预测燃烧模型
由于要考虑发动机的瞬态响应特性，在模型中要考虑缸内燃烧的可预测性。也就是要考虑空燃比、EGR率、点火提前角、爆震等对燃烧的影响。因此，在图4模型的基础上对可预测燃烧模型进行标定。并把预测燃烧模型标定到图9的瞬态模型中去。为后续的控制策略优化提供基础。
图9 可预测的燃烧模型
3.4快速运行整车系统模型
此阶段目的：快速运行的发动机瞬态模型。
本环节的主要目标是：模拟瞬态工况下完整动力总成的性能。评估整车系统的动力性和经济性。
Map形式的发动机模型适用于整车系统快速的性能评估，但是不能准确的反应瞬态工况发动机运行状态，尤其是对于增压发动机。详细的发动机模型（Detailed）能够准确反映发动机瞬态工况，但是计算时间偏长。综合考虑，在本环节，使用GT-SUITE特有的发动机快速运行模型（FRM），既能兼顾瞬态性能，又能提升计算速度，如图 所示。详细发动机模型转换为FRM模型的过程，可以通过GT-SUITE中的FRM转换工具来完成，如图 11所示，流程清晰，过程快捷，准确度高。
图10 不同形式的发动机模型效果对比
图11 自带快速方便的转化工具
3.5 尾气后处理模型
此阶段目的：准确化学反应的尾气后处理模型
根据实际的后处理结构建立尾气后处理的模型。并进行后处理模型进行标定。图12是尾气后处理模型的标定流程。
图12 尾气后处理模型与标定
其中尾气后处理模型与发动机的模型的联合方式如图13所示。
图13 详细发动机与后处理模型联合
3.6 发动机原始排放模型
此阶段的目的：能预测原始排放的神经网格模型
发动机的原始排放的仿真实现方法采用神经网格训练可以实现。
由于发动机原始排放预测的困难，根据发动机台架测试排放数据，对发动机的原排进行神经网络处理。建立起发动机的原始排放与发动机转速、负荷、空燃比、EGR率等相关的神经网络，并进行训练。训练的点利用发动机台架的稳态工况点和瞬态工况点。图14与图15是相关的模型与训练结果。
图14 原始排放的神经网格模型
图15神经网络训练结果确认
3.7 整车级的RDE模型
此阶段目的：能进行实现RDE的整车级的模型。
需要根据整车试验数据进行整车RDE模型校验，同时优化分析，提供试验指导方向（包括环境条件，驾驶员行为，路况等等）
基于前面的整车模型、发动机模型和尾气后处理模型，再结合GT-SUITE中的RDE设置模板，进行整车级的RDE运行。具体的模型如图16所示。
图16 整合后的RDE模型
对整车级的RDE模型进行参数化建模，模型可以用于以后的改型，只需要对相应参数进行修改，就能建立新款车型的模型。如下图所示，匹配不同的变速箱，仅需在case setup中设定即可，其余结构无需更改。图17是优化后的NOx排放改善。
图17 NOx排放变化
还可以综合利用软件自带的DOE分析流程如图 18所示，首先是在GT的DOE setup中设定DOE矩阵，GT软件中有多种设定方法可供选择；第二步，准备好模型运行DOE求解；第三步，打开GT的DOE post对运行结果进行处理分析，GT中提供多种DOE分析工具，方便快速的得到影响因子、最优方案、稳健设计等结果。
图 18 DOE分析流程
4.总结
此内容根据发动机不同的开发阶段，给出利用GT-SUITE软件实现RDE开发流程上的应用。为整车的RDE开发的过程提供良好的开发平台。实现缩短开发周期与节省成本的目的。
