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作者：Kristof Ceustermans, Karel de Grote University College, 應用工程系。
“我們使用 CompactRIO可編程自動化控制器設計了一個非常靈活的、可編程的發動機管理系統，該平臺是模塊化的，可擴展額外的傳感器，并包含現場可編程門陣列(FPGA)。”
挑戰：
開發一個高效、低排放的自適應發動機控制單元(ECU)來控制使用標準汽油、氫氣、合成氣或燃料混合物來運轉的發動機。
解決方案：
使用NI LabVIEW FPGA模塊和NI CompactRIO模擬、測試和控制發動機，并實現動態自適應控制。
發動機控制單元
新燃料的出現和更高效的燃料使用方式，會降低燃料消耗及排放，并最大限度地提高燃料利用率，從而能夠以一個更可持續的方法給發動機提供動力。幾個ECU從每分鐘轉數(rpm)中提取數據，發出扭矩/節氣門位置或渦輪增壓發動機的推動壓力請求，并確定最佳點火時間或時間段和最佳燃料噴射量和噴射時間。我們還使用額外的參數（如發動機溫度）來修正這些參數。例如，一臺冷的發動機比在正常工作溫度下運行的發動機需要更多的燃料混合物。
目前現成的可編程ECU不適合研究，因為它們的編程能力有限，它們采用的是一系列預定義的輸入變量(傳感器)。我們使用CompactRIO可編程自動化控制器設計了一個非常靈活的、可編程的發動機管理系統，該平臺是模塊化的，可擴展額外的傳感器，并包含現場可編程門陣列(FPGA)。有了FPGA，系統可以迅速響應并支持使用LabVIEW圖形化編程。另外，由于我們以前的研究項目，使得工程師在使用圖形化編程方面也比較有經驗。
發動機傳感器模擬
在我們將基于CompactRIO的ECU系統真正連接到試驗臺上的發動機之前，我們必須確認一切都正常工作。因此，我們將模擬傳感器用于CompactRIO發動機控制器，這些模擬傳感器由另一個基于LabVIEW和NI CompactDAQ的獨立應用程序控制，從而模擬傳感器正常使用所產生的電壓和電流信號。我們發現與凸輪軸和曲軸連接的傳感器產生的感應信號通常是不可預測的80Vpp信號，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信號和節省時間，我們將一個真正的傳感器連接到齒輪和電動機上，基于LabVIEW和CompactDAQ的應用控制電機的每分鐘轉數，然后我們將真實信號傳到CompactRIO ECU上。
使用CompactRIO設計ECU
我們使用LabVIEW FPGA模塊來開發我們的ECU，并使用LabVIEW的CompactRIO來實施該系統。我們創建一個表格，使用發動機每分鐘轉數和扭矩請求作為輸入值，使用LabVIEW VI插入數組函數來找到合適的執行器參數，如點火定時和燃料噴射定時。我們同時也采集如歧管空氣壓力(MAP)和發動機溫度等傳感器信號，用于修正參數。使用CompactRIO系統，我們可以很容易地添加更多的非標準傳感器來研究，也可以適應不同的發動機和燃料類型。CompactRIO使用FPGA獲得曲軸和凸輪軸的角度位置并在正確的時間產生執行器信號。
除了標準的發動機參數之外，我們還計劃測量汽缸的壓力，并使用該數據作為發動機控制器中的閉環控制參數，以達到發動機效率最大化。混合物最好在最高壓力水平時點火，以產生最大的功率。首先，我們想要優化一臺正常的4缸汽油發動機的控制。通過實施快速的和可靠的FPGA響應時間，我們可以更好地控制燃燒來提高發動機的效率。此外，我們將在變負載條件下對我們的試驗發動機進行測試，以進一步改進我們的控制算法。
ECU的未來發展
氫是一種環保燃料，因為它不產生二氧化碳。我們正在努力使ECU適應于控制氫燃料汽車發動機。當使用氫作為燃料時，氫氣/空氣當量比應該與低扭矩相匹配，以獲得完全燃燒，沒有任何氫或空氣剩余。但是，在較高的扭矩時，通過向發動機壓入過剩的空氣，使發動機最好在稀薄的燃料混合物比例下運轉，這也被稱為稀薄燃燒原則。
為了減少氮氧化物的排放，發動機不應該在中等比例的燃料/空氣混合物下運轉。在該控制策略中，我們一直打開節氣門，并使用高的空氣/燃料當量比，所要求的扭矩通過改變燃料量來控制。然而，當所需要的扭矩比稀薄燃燒所能提供的扭矩更大時，我們必須改為控制節氣門，并在兩種控制策略之間進行切換。目前，除了BMW Hydrogen 7發動機控制系統之外，還沒有其他商業可用的發動機控制系統可以切換這兩種控制策略。我們打算采用CompactRIO實現一個ECU來切換我們的控制方案，并給感興趣的第三方提供商業可用的系統。
我們設計了一個靈活的ECU來控制汽油燃料的試驗發動機，從而使用額外的發動機參數來實現最大限度的燃燒控制。
CompactRIO為發動機控制器提供硬件平臺；LabVIEW用來分析信號和控制執行器。
我們的測試發動機嵌入在試驗臺上，該試驗臺能產生恒定的負載(恒扭矩)并測量發動機的轉速，或者產生變負載并保持發動機轉速恒定。
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