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作者：Kristof Ceustermans, Karel de Grote University College, 應(yīng)用工程系。
“我們使用 CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)非常靈活的、可編程的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，該平臺(tái)是模塊化的，可擴(kuò)展額外的傳感器，并包含現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)�！�
挑戰(zhàn)：
開(kāi)發(fā)一個(gè)高效、低排放的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)來(lái)控制使用標(biāo)準(zhǔn)汽油、氫氣、合成氣或燃料混合物來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。
解決方案：
使用NI LabVIEW FPGA模塊和NI CompactRIO模擬、測(cè)試和控制發(fā)動(dòng)機(jī)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制。
發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元
新燃料的出現(xiàn)和更高效的燃料使用方式，會(huì)降低燃料消耗及排放，并最大限度地提高燃料利用率，從而能夠以一個(gè)更可持續(xù)的方法給發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。幾個(gè)ECU從每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)中提取數(shù)據(jù)，發(fā)出扭矩/節(jié)氣門(mén)位置或渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)壓力請(qǐng)求，并確定最佳點(diǎn)火時(shí)間或時(shí)間段和最佳燃料噴射量和噴射時(shí)間。我們還使用額外的參數(shù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度）來(lái)修正這些參數(shù)。例如，一臺(tái)冷的發(fā)動(dòng)機(jī)比在正常工作溫度下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)需要更多的燃料混合物。
目前現(xiàn)成的可編程ECU不適合研究，因?yàn)樗鼈兊木幊棠芰τ邢�，它們采用的是一系列預(yù)定義的輸入變量(傳感器)。我們使用CompactRIO可編程自動(dòng)化控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)非常靈活的、可編程的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，該平臺(tái)是模塊化的，可擴(kuò)展額外的傳感器，并包含現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)。有了FPGA，系統(tǒng)可以迅速響應(yīng)并支持使用LabVIEW圖形化編程。另外，由于我們以前的研究項(xiàng)目，使得工程師在使用圖形化編程方面也比較有經(jīng)驗(yàn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器模擬
在我們將基于CompactRIO的ECU系統(tǒng)真正連接到試驗(yàn)臺(tái)上的發(fā)動(dòng)機(jī)之前，我們必須確認(rèn)一切都正常工作。因此，我們將模擬傳感器用于CompactRIO發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，這些模擬傳感器由另一個(gè)基于LabVIEW和NI CompactDAQ的獨(dú)立應(yīng)用程序控制，從而模擬傳感器正常使用所產(chǎn)生的電壓和電流信號(hào)。我們發(fā)現(xiàn)與凸輪軸和曲軸連接的傳感器產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)通常是不可預(yù)測(cè)的80Vpp信號(hào)，而NI C系列輸出模塊的極限電壓為60V。為了更好地描繪這個(gè)信號(hào)和節(jié)省時(shí)間，我們將一個(gè)真正的傳感器連接到齒輪和電動(dòng)機(jī)上，基于LabVIEW和CompactDAQ的應(yīng)用控制電機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，然后我們將真實(shí)信號(hào)傳到CompactRIO ECU上。
使用CompactRIO設(shè)計(jì)ECU
我們使用LabVIEW FPGA模塊來(lái)開(kāi)發(fā)我們的ECU，并使用LabVIEW的CompactRIO來(lái)實(shí)施該系統(tǒng)。我們創(chuàng)建一個(gè)表格，使用發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩請(qǐng)求作為輸入值，使用LabVIEW VI插入數(shù)組函數(shù)來(lái)找到合適的執(zhí)行器參數(shù)，如點(diǎn)火定時(shí)和燃料噴射定時(shí)。我們同時(shí)也采集如歧管空氣壓力(MAP)和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度等傳感器信號(hào)，用于修正參數(shù)。使用CompactRIO系統(tǒng)，我們可以很容易地添加更多的非標(biāo)準(zhǔn)傳感器來(lái)研究，也可以適應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料類(lèi)型。CompactRIO使用FPGA獲得曲軸和凸輪軸的角度位置并在正確的時(shí)間產(chǎn)生執(zhí)行器信號(hào)。
除了標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)之外，我們還計(jì)劃測(cè)量汽缸的壓力，并使用該數(shù)據(jù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器中的閉環(huán)控制參數(shù)，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)效率最大化�；旌衔镒詈迷谧罡邏毫λ綍r(shí)點(diǎn)火，以產(chǎn)生最大的功率。首先，我們想要優(yōu)化一臺(tái)正常的4缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制。通過(guò)實(shí)施快速的和可靠的FPGA響應(yīng)時(shí)間，我們可以更好地控制燃燒來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。此外，我們將在變負(fù)載條件下對(duì)我們的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，以進(jìn)一步改進(jìn)我們的控制算法。
ECU的未來(lái)發(fā)展
氫是一種環(huán)保燃料，因?yàn)樗划a(chǎn)生二氧化碳。我們正在努力使ECU適應(yīng)于控制氫燃料汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)使用氫作為燃料時(shí)，氫氣/空氣當(dāng)量比應(yīng)該與低扭矩相匹配，以獲得完全燃燒，沒(méi)有任何氫或空氣剩余。但是，在較高的扭矩時(shí)，通過(guò)向發(fā)動(dòng)機(jī)壓入過(guò)剩的空氣，使發(fā)動(dòng)機(jī)最好在稀薄的燃料混合物比例下運(yùn)轉(zhuǎn)，這也被稱(chēng)為稀薄燃燒原則。
為了減少氮氧化物的排放，發(fā)動(dòng)機(jī)不應(yīng)該在中等比例的燃料/空氣混合物下運(yùn)轉(zhuǎn)。在該控制策略中，我們一直打開(kāi)節(jié)氣門(mén)，并使用高的空氣/燃料當(dāng)量比，所要求的扭矩通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)控制。然而，當(dāng)所需要的扭矩比稀薄燃燒所能提供的扭矩更大時(shí)，我們必須改為控制節(jié)氣門(mén)，并在兩種控制策略之間進(jìn)行切換。目前，除了BMW Hydrogen 7發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)之外，還沒(méi)有其他商業(yè)可用的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)可以切換這兩種控制策略。我們打算采用CompactRIO實(shí)現(xiàn)一個(gè)ECU來(lái)切換我們的控制方案，并給感興趣的第三方提供商業(yè)可用的系統(tǒng)。
我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)靈活的ECU來(lái)控制汽油燃料的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而使用額外的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大限度的燃燒控制。
CompactRIO為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器提供硬件平臺(tái)；LabVIEW用來(lái)分析信號(hào)和控制執(zhí)行器。
我們的測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)嵌入在試驗(yàn)臺(tái)上，該試驗(yàn)臺(tái)能產(chǎn)生恒定的負(fù)載(恒扭矩)并測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，或者產(chǎn)生變負(fù)載并保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。
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