CN104361818B - 柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法，使得相关单位能够以较低的成本展开柴油机电控技术的教学和研究，提高学生的动手能力，加强学生对柴油机电控技术的认识。使用本发明提供的设备与方法，可以不启动真正的发动机、不消耗燃油，由此降低了成本来教授学生柴油机的结构、原理以及电控技术。

Description

柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法

技术领域

本发明属于教学模拟技术领域，具体涉及一种柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法。

背景技术

随着科学技术的发展进步，电控技术已经成为国内外汽车发动机控制技术的主流，许多该领域的专家认为大专院校应该增设柴油机电控教学的内容。要开展这些内容的教学，学校需要花费大量的财力购买柴油机及其燃油系统、实验台、发动机台架和测功器等昂贵的设备。这样导致了由于成本居高不下的原因，柴油发动机电控教学的实验课程基本无法展开，学生也不能真正掌握柴油发动机电控技术的特点、控制原理与调优方法。

发明内容

本发明的目的提供一种柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法，包括上位机，所述上位机同模拟信号发生器、电机驱动器、ECU以及微处理器芯片相连接，所述的微处理器芯片中带有控制信号分析模块，所述的上位机内部设置有模拟信号调节软件、模拟柴油发动机功能的模块以及发动机测量标定软件；所述的电机驱动器和电机相连接，所述的电机的电机轴同柴油发动机物理模型相连接，柴油发动机物理模型中包括相对于柴油发动机实物中的曲轴来按比例缩小的曲轴，所述的电机的电机轴即同按比例缩小的曲轴相连接，所述的按比例缩小的曲轴上设置有转速传感器，所述的转速传感器同ECU相连接，所述的模拟信号发生器同ECU、模拟信号调节软件相连接，所述的ECU还同柴油发动机物理模型中的执行机构相连接，所述的柴油发动机物理模型的执行机构包括柴油喷油器、涡轮增压器、加热塞、风扇、油泵以及EGR阀门，所述的ECU中设置有信号处理模块。使得相关单位能够以较低的成本展开柴油机电控技术的教学和研究，提高学生的动手能力，加强学生对柴油机电控技术的认识。使用本发明提供的设备与方法，可以不启动真正的发动机、不消耗燃油，由此降低了成本来教授学生柴油机的结构、原理以及电控技术。

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法的解决方案，具体如下：

一种柴油发动机电控教学实验系统，包括上位机1，所述上位机1同模拟信号发生器2、电机驱动器3、ECU6以及微处理器芯片4相连接，所述的微处理器芯片4中带有控制信号分析模块5，所述的上位机1内部设置有模拟信号调节软件7、模拟柴油发动机功能的模块8以及发动机测量标定软件9；所述的电机驱动器3和电机10相连接，所述的电机10的电机轴同柴油发动机物理模型12相连接，柴油发动机物理模型12中包括相对于柴油发动机实物中的曲轴来按比例缩小的曲轴11，所述的电机10的电机轴即同按比例缩小的曲轴11相连接，所述的按比例缩小的曲轴11上设置有转速传感器13，所述的转速传感器13同ECU6相连接，所述的模拟信号发生器2同ECU6、模拟信号调节软件7相连接，所述的ECU6还同柴油发动机物理模型12中的执行机构14相连接，所述的柴油发动机物理模型12的执行机构14包括柴油喷油器15、涡轮增压器16、加热塞17、风扇18、油泵19以及EGR阀门20，所述的ECU6中设置有信号处理模块22。

所述的ECU6通过CAN总线21同上位机1相连接。

所述的模拟信号调节软件能够同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器和上位机中；

所述的信号处理模块能够根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴上设置的转速传感器所采集并传输到ECU中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型中的执行机构和微处理器芯片内；

所述的控制信号分析模块能够解析出控制柴油喷油器的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞的信号中的加热开关、控制风扇的信号中的风扇的转速、控制油泵的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机中；能够解析出控制柴油喷油器的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞的信号中的加热开关、控制风扇的信号中的风扇的转速、控制油泵的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机中。

所述的模拟柴油发动机功能的模块能够根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及上位机中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器，电机驱动器根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机按照对应的转速来带动曲轴运行。

所述的柴油发动机电控教学实验系统的模拟方法，步骤如下：

步骤1：所述的柴油发动机电控教学实验系统进行模拟操作时，首先是通过上位机1启动模拟信号调节软件7，所述的模拟信号调节软件7同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器2和上位机1中；

步骤2：所述的模拟信号发生器2把接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号转化为对应的模拟信号，再把所述的对应的模拟信号发送到ECU6中；

步骤3：然后ECU6运行信号处理模块22来根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴11上设置的转速传感器13所采集并传输到ECU6中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型12中的执行机构14和微处理器芯片4内，所述的设定的控制信号包括控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及控制EGR阀门20的信号；

步骤4：然后柴油发动机物理模型12中的执行机构14内的柴油喷油器15、涡轮增压器16、加热塞17、风扇18、油泵19以及EGR阀门20分别根据接收到的控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及EGR阀门20的信号进行对应的动作；

步骤5：而微处理器芯片4接收到控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及控制EGR阀门20的信号以后，微处理器芯片4运行控制信号分析模块5解析出控制柴油喷油器15的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器16的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞17的信号中的加热开关、控制风扇18的信号中的风扇的转速、控制油泵19的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门20的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机1中；

步骤6：所述的上位机1启动模拟柴油发动机功能的模块8，所述的模拟柴油发动机功能的模块8根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及步骤1中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器3，电机驱动器3根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机10按照对应的转速来带动曲轴运行。

所述的发动机测量标定软件9能够采集ECU6的信号来进行测量和标定。

由这些技术特征，使用本发明可用于发动机研发单位，进行柴油发动机仿真实验，通过观察各工况下发动机的动力运转和排放情况，调优发动机的结构和控制性能。

附图说明

图1为本发明的一种柴油发动机电控教学实验系统的连接结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的是研制自动化的高效的一种柴油发动机电控教学实验系统及其模拟方法，柴油发动机电控教学实验系统，包括上位机1，所述上位机1同模拟信号发生器2、电机驱动器3、ECU6以及微处理器芯片4相连接，所述的微处理器芯片4中带有控制信号分析模块5，所述的上位机1内部设置有模拟信号调节软件7、模拟柴油发动机功能的模块8以及发动机测量标定软件9；所述的电机驱动器3和电机10相连接，所述的电机10的电机轴同柴油发动机物理模型12相连接，柴油发动机物理模型12中包括相对于柴油发动机实物中的曲轴来按比例缩小的曲轴11，所述的电机10的电机轴即同按比例缩小的曲轴11相连接，所述的按比例缩小的曲轴11上设置有转速传感器13，所述的转速传感器13同ECU6相连接，所述的模拟信号发生器2同ECU6、模拟信号调节软件7相连接，所述的ECU6还同柴油发动机物理模型12中的执行机构14相连接，所述的柴油发动机物理模型12的执行机构14包括柴油喷油器15、涡轮增压器16、加热塞17、风扇18、油泵19以及EGR阀门20，所述的ECU6中设置有信号处理模块22。所述的ECU6通过CAN总线21同上位机1相连接。所述的模拟信号调节软件能够同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器和上位机中；所述的信号处理模块能够根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴上设置的转速传感器所采集并传输到ECU中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型中的执行机构和微处理器芯片内；所述的控制信号分析模块能够解析出控制柴油喷油器的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞的信号中的加热开关、控制风扇的信号中的风扇的转速、控制油泵的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机中。所述的模拟柴油发动机功能的模块能够根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及上位机中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器，电机驱动器根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机按照对应的转速来带动曲轴运行。

所述的柴油发动机电控教学实验系统的模拟方法，步骤如下：

步骤1：所述的柴油发动机电控教学实验系统进行模拟操作时，首先是通过上位机1启动模拟信号调节软件7，所述的模拟信号调节软件7同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器2和上位机1中；

步骤2：所述的模拟信号发生器2把接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号转化为对应的模拟信号，再把所述的对应的模拟信号发送到ECU6中；

步骤3：然后ECU6运行信号处理模块22来根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴11上设置的转速传感器13所采集并传输到ECU6中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型12中的执行机构14和微处理器芯片4内，所述的设定的控制信号包括控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及控制EGR阀门20的信号；

步骤4：然后柴油发动机物理模型12中的执行机构14内的柴油喷油器15、涡轮增压器16、加热塞17、风扇18、油泵19以及EGR阀门20分别根据接收到的控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及EGR阀门20的信号进行对应的动作；

步骤5：而微处理器芯片4接收到控制柴油喷油器15的信号、控制涡轮增压器16的信号、控制加热塞17的信号、控制风扇18的信号、控制油泵19的信号以及控制EGR阀门20的信号以后，微处理器芯片4运行控制信号分析模块5解析出控制柴油喷油器15的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器16的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞17的信号中的加热开关、控制风扇18的信号中的风扇的转速、控制油泵19的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门20的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机1中；

步骤6：所述的上位机1启动模拟柴油发动机功能的模块8，所述的模拟柴油发动机功能的模块8根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及步骤1中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器3，电机驱动器3根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机10按照对应的转速来带动曲轴运行。所述的发动机测量标定软件9能够采集ECU6的信号来进行测量和标定，可以实时的观察ECU6的运行状态，同时可以标定ECU6的性能进行优化处理。使用本发明专利可以代替大型、昂贵的发动机台架等设备和实验场地，实现发动机的各工况如启动、怠速、常规、加速以及排放的模拟实验，经济安全，同时加强了学生的动手能力，将课堂上发动机电控的理论与实际相结合。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于包括上位机，所述上位机同模拟信号发生器、电机驱动器、ECU以及微处理器芯片相连接，所述的微处理器芯片中带有控制信号分析模块，所述的上位机内部设置有模拟信号调节软件、模拟柴油发动机功能的模块以及发动机测量标定软件；所述的电机驱动器和电机相连接，所述的电机的电机轴同柴油发动机物理模型相连接，柴油发动机物理模型中包括相对于柴油发动机实物中的曲轴来按比例缩小的曲轴，所述的电机的电机轴即同按比例缩小的曲轴相连接，所述的按比例缩小的曲轴上设置有转速传感器，所述的转速传感器同ECU相连接，所述的模拟信号发生器同ECU、模拟信号调节软件相连接，所述的ECU还同柴油发动机物理模型中的执行机构相连接，所述的柴油发动机物理模型的执行机构包括柴油喷油器、涡轮增压器、加热塞、风扇、油泵以及EGR阀门，所述的ECU中设置有信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于所述的ECU通过CAN总线同上位机相连接。

3.根据权利要求2所述的柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于所述的模拟信号调节软件能够同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器和上位机中。

4.根据权利要求3所述的柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于所述的信号处理模块能够根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴上设置的转速传感器所采集并传输到ECU中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型中的执行机构和微处理器芯片内。

5.根据权利要求4所述的柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于所述的控制信号分析模块能够解析出控制柴油喷油器的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞的信号中加热开关、控制风扇的信号中的风扇的转速、控制油泵的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机中。

6.根据权利要求5所述的柴油发动机电控教学实验系统，其特征在于所述的模拟柴油发动机功能的模块能够根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及上位机中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器，电机驱动器根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机按照对应的转速来带动曲轴运行。

7.根据权利要求6所述的柴油发动机电控教学实验系统的模拟方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：所述的柴油发动机电控教学实验系统进行模拟操作时，首先是通过上位机启动模拟信号调节软件，所述的模拟信号调节软件同步发送包括有进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号到模拟信号发生器和上位机中；

步骤2：所述的模拟信号发生器把接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号转化为对应的模拟信号，再把所述的对应的模拟信号发送到ECU中；

步骤3：然后ECU运行信号处理模块来根据所接收到的对应的模拟信号，并结合按比例缩小的曲轴上设置的转速传感器所采集并传输到ECU中的转速值，按照设定的算法来发出设定的控制信号到柴油发动机物理模型中的执行机构和微处理器芯片内，所述的设定的控制信号包括控制柴油喷油器的信号、控制涡轮增压器的信号、控制加热塞的信号、控制风扇的信号、控制油泵的信号以及控制EGR阀门的信号；

步骤4：然后柴油发动机物理模型中的执行机构内的柴油喷油器、涡轮增压器、加热塞、风扇、油泵以及EGR阀门分别根据接收到的控制柴油喷油器的信号、控制涡轮增压器的信号、控制加热塞的信号、控制风扇的信号、控制油泵的信号以及EGR阀门的信号进行对应的动作；

步骤5：而微处理器芯片接收到控制柴油喷油器的信号、控制涡轮增压器的信号、控制加热塞的信号、控制风扇的信号、控制油泵的信号以及控制EGR阀门的信号以后，微处理器芯片运行控制信号分析模块解析出控制柴油喷油器的信号中的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、控制涡轮增压器的信号中的涡轮增压器的开度、控制加热塞的信号中的加热开关、控制风扇的信号中的风扇的转速、控制油泵的信号中的油泵的压力以及控制EGR阀门的信号中的EGR阀门的开度，并且把解析出的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力以及EGR阀门的开度发送到上位机中；

步骤6：所述的上位机启动模拟柴油发动机功能的模块，所述的模拟柴油发动机功能的模块根据接收到的柴油喷油器的脉宽和喷油时刻、涡轮增压器的开度、加热开关、风扇的转速、油泵的压力、EGR阀门的开度以及步骤1中接收到的进气温度的数字信号、进气压力的数字信号、汽车排气管道中的氧气浓度的数字信号以及油门的踏板的开度的数字信号，利用设定的算法计算出电机的转速，然后把计算出的电机的转速发送到电机驱动器，电机驱动器根据计算出的电机的转速来发送出对应的转速驱动信号来操纵电机按照对应的转速来带动曲轴运行。

8.根据权利要求7所述的柴油发动机电控教学实验系统的模拟方法，其特征在于所述的发动机测量标定软件能够采集ECU的信号来进行测量和标定。