CN109979301A - 一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备 - Google Patents

一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备,方法包括:控制器接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,缸内压力数据包括多个发动机角度,以及每个发动机角度对应的多个压力值;可编程门阵列FPGA根据发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;读取压力数据,以时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片,转换为模拟信号输出。

Description

一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备
技术领域
本发明涉及测量技术领域,具体而言,涉及一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备。
背景技术
目前内燃机课程的教学中需要通过实践课程让学生能够对内燃机的工作过程有感性的认识,一般都是通过真实的发动机试验,安装缸压传感器来测量并观察缸内的压力信号,从而实现缸内燃烧过程的学习。
这种方式需要具有完整的发动机实验台架、配备缸压传感器等昂贵的测量设备,成本很高。另外在发动机工作过程中也无法模拟不完全燃烧、爆震等特殊工况的燃烧过程,有很大的局限性。
发明内容
本发明提供一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备,用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
根据本发明实施例的第一方面,提供一种模拟内燃机缸内压力的方法,包括:控制器接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,缸内压力数据包括多个发动机角度,以及每个发动机角度对应的多个压力值;可编程门阵列FPGA根据发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;读取压力数据,以时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片,转换为模拟信号输出。
可选地,模拟内燃机缸内压力的方法,还包括:根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
可选地,待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧。
可选地,曲轴格式包括:60-2、36-1、和36-2;凸轮轴格式包括:4+1和6+1;编码器格式包括:360、720、3600。
可选地,DAC芯片为8个高速DAC芯片。
根据本发明实施例的第二方面,提供一种模拟内燃机缸内压力的设备,包括:控制器,用于接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,缸内压力数据包括多个发动机角度,以及每个发动机角度对应的多个压力值;可编程门阵列FPGA,用于根据发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;并读取压力数据,以时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片;内存芯片,用于存储接收到的待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速;SPI接口;用于在FPGA和DAC芯片之间传输数据;DAC芯片,用于将来自FPGA的数字信号转换为模拟信号并输出。
可选地,FPGA还用于:根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
可选地,模拟内燃机缸内压力的设备还包括:设定部件,用于设定发动机转速、曲轴格式、凸轮轴格式、和编码器格式。
可选地,待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧。
可选地,曲轴格式包括:60-2、36-1、和36-2;凸轮轴格式包括:4+1和6+1;编码器格式包括:360、720、3600。
可选地,DAC芯片为8个高速DAC芯片。
本发明实施例的创新点包括:
1、采用电子方式产生发动机工作过程中的缸内压力、曲轴传感器、凸轮轴传感器、编码器等信号,不需要真实的发动机就可以完全模拟发动机在任何工况下的工作状态,极大的方便了用户,也降低了成本,这是本发明实施例的创新点之一。
2、更改不同的输出曲线就可以模拟不同的发动机工况和工作过程,是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的方法流程图;
图2为本发明一个实施例的发动机倒拖不燃烧的工况的输出曲线图;
图3为本发明一个实施例的发动机爆震工况的输出曲线图;
图4为本发明另一个实施例的发动机爆震工况的输出曲线图;
图5为本发明一个实施例的曲轴和凸轮轴传感器信号图;
图6为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的设备结构示意图;
图7为本发明另一个实施例的模拟内燃机缸内压力的设备结构示意图;
图8为本发明一个实施例的FPGA的结构及管脚连接关系示意图;
图9为本发明一个实施例的内存芯片的结构及管脚连接关系示意图;
图10为本发明一个实施例的DAC芯片的结构及管脚连接关系示意图;
图11为本发明一个实施例的编码器(Encoder)芯片的结构及管脚连接关系示意图;
图12为本发明一个实施例的待模拟数据的表格示意图;
图13为本发明一个实施例的曲轴传感器信号的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例公开了一种模拟内燃机缸内压力的方法和设备。以下分别进行详细说明。
图1为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的方法流程图。
图1为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的方法流程图。根据本发明实施例的模拟内燃机缸内压力的方法,包括:
S101,控制器接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,缸内压力数据包括多个发动机角度,以及每个发动机角度对应的多个压力值。
更改不同的缸内压力数据就可以模拟不同的发动机工况和工作过程。待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧等。
更改不同的缸内压力数据(输出曲线)是指可以根据需要模拟的发动机工况修改缸压曲线。例如当前模拟的是发动机倒拖不燃烧的工况,则通过软件下载图2的曲线数据。如果需要模拟发动机爆震工况,则通过软件下载图3的曲线数据。
例如输入如图4所示的压力数据可以模拟发动机爆震工况下的缸压信号,包括进气、压缩、燃烧和排气等4个工况。
经模拟后,可以输出得到模拟工况下的缸压信号、曲轴传感器、凸轮轴传感器、编码器等信号,将这些信号连接到示波器或者燃烧分析仪中来查看或分析发动机当前的缸内燃烧过程。
S102,可编程门阵列FPGA根据发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;
S103,读取压力数据,以时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片,转换为模拟信号输出;
S104,根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
缸内压力模拟主要通过硬件实时处理并输出模拟数据,通过FPGA实时根据设定的发动机转速计算当前时刻的发动机角度,读取计算得到发动机角度对应的所有通道数据,然后控制8个高速DAC芯片实时输出数据,同时根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应通道的电平,通过数字通道输出。
曲轴传感器信号有多种信号格式可以选择,例如60-2、36-1、36-2等多种格式。60-2格式的信号表示发动机曲轴旋转一周会输出58个曲轴信号,每两个曲轴信号之间是6度,有两个曲轴信号间隔18度。
凸轮轴传感器信号也有多种信号格式可以选择,例如4+1、6+1。4+1个是表示在凸轮轴旋转一周有5个凸轮轴信号,其中4个是均布的,另外一个信号在两个均布信号之间。
曲轴和凸轮轴传感器信号如图5所示,上面的是凸轮轴信号,下方的是曲轴信号。
编码器信号同时有两路输出,一路是曲轴每转一转输出多个均布信号,一路是曲轴每转一转输出一个信号。有多种信号格式可以选择,例如360、720、3600等格式。360格式的信号表示曲轴每转一周一路输出360个信号,一路输出一个信号。
本发明实施例采用电子方式产生发动机工作过程中的缸内压力、曲轴传感器、凸轮轴传感器、编码器等信号,更改不同的输出曲线就可以模拟不同的发动机工况和工作过程,不需要真实的发动机就可以完全模拟发动机在任何工况下的工作状态,极大的方便了用户,也降低了成本。
图6为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的设备结构示意图。
根据本发明实施例的模拟内燃机缸内压力的设备60,包括:控制器601,用于接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,缸内压力数据包括多个发动机角度,以及每个发动机角度对应的多个压力值;可编程门阵列FPGA602,用于根据发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;并读取压力数据,以时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片;内存芯片603,用于存储接收到的待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速;SPI接口604;用于在FPGA和DAC芯片之间传输数据;DAC芯片605,用于将来自FPGA的数字信号转换为模拟信号并输出。
可选地,FPGA还用于:根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
可选地,模拟内燃机缸内压力的设备还包括:设定部件606,用于设定发动机转速、曲轴格式、凸轮轴格式、和编码器格式。
可选地,待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧。
可选地,曲轴格式包括:60-2、36-1、和36-2;凸轮轴格式包括:4+1和6+1;编码器格式包括:360、720、3600。
可选地,DAC芯片为8个高速DAC芯片。
本发明实施例采用电子方式产生发动机工作过程中的缸内压力、曲轴传感器、凸轮轴传感器、编码器等信号,更改不同的输出曲线就可以模拟不同的发动机工况和工作过程,不需要真实的发动机就可以完全模拟发动机在任何工况下的工作状态,极大的方便了用户,也降低了成本。
下面举另一具体实施方式对本发明实施例进行说明。
图7为本发明一个实施例的模拟内燃机缸内压力的设备结构示意图。
如图7所示,FPGA(EP4CE10)通过并行接口与内存芯片(AM29LV160)连接,使用者可以通过PC机将缸压数据传输到STM32控制器与FPGA,由FPGA写入到内存芯片中。正常工作时FPGA按每0.1度发动机角度读取内存芯片中相应角度的模拟数据,并通过SPI接口输出到DAC芯片,转换为模拟量输出;同时FPGA计算当前发动机角度的曲轴信号和编码器电平,通过反相器转换为TTL电平后输出。
在一个具体实施方式中,图7中的FPGA、内存芯片、DAC芯片、编码器芯片可以按照图8-11中所示的管脚及连接方式连接。
在一个具体实施方式中,首先通过excel编辑待模拟的数据文件,数据文件中包括3列数据,每一列为一条曲线,每一列数据有7200行,表示一条曲线有7200个数据点,第一行表示0度的数据点,第二行表示0.1度的数据点,如图12所示。
计算机通过USB接口够将数据文件传输到STM32F103和FPGA,由FPGA将数据写入到内存中。
输出曲线时FPGA按以下步骤工作:
读取旋钮设定的转速,例如6000转/分
计算0.1度的时间间隔,1/(6000/60)/3600=2.78us
在FPGA中定时并开始计算角度,第一个角度为0度,隔2.78us为0.1度,再经过2.78us为0.2度,通过DAC输出第一条曲线相应角度的数据点
第一条数据曲线输出完毕后输出第二条数据曲线,三条数据曲线依次循环
曲轴传感器信号为60-2格式,表示发动机转一转有58个信号,每两个信号之间为6度,如图13所示。FPGA根据当前角度计算曲轴传感器信号的电平为高电平或低电平,通过数字通道输出。
编码器信号有两个通道信号,一个通道发动机转一转有3600个信号,另一个通道发动机转一转有1个信号。FPGA根据当前角度计算编码器两个通道信号的电平,通过数字通道输出。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中,也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块,也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种模拟内燃机缸内压力的方法,其特征在于,包括:
控制器接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,所述缸内压力数据包括多个发动机角度,以及所述每个发动机角度对应的多个压力值;
可编程门阵列FPGA根据所述发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;
读取所述压力数据,以所述时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片,转换为模拟信号输出。
2.根据权利要求1所述的模拟内燃机缸内压力的方法,其特征在于,还包括:
根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
3.根据权利要求1-2中任一所述的模拟内燃机缸内压力的方法,其特征在于,所述待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的模拟内燃机缸内压力的方法,其特征在于,曲轴格式包括:60-2、36-1、和36-2;凸轮轴格式包括:4+1和6+1;编码器格式包括:360、720、3600。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的模拟内燃机缸内压力的方法,其特征在于,所述DAC芯片为8个高速DAC芯片。
6.一种模拟内燃机缸内压力的设备,其特征在于,包括:
控制器,用于接收待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速,并存储至内存芯片,其中,所述缸内压力数据包括多个发动机角度,以及所述每个发动机角度对应的多个压力值;
可编程门阵列FPGA,用于根据所述发动机转速,计算得到每个发动机角度之间的时间差;并读取所述压力数据,以所述时间差为间隔,通过串行外设总线SPI接口输出至数字模拟转换DAC芯片;
内存芯片,用于存储接收到的待模拟工况对应的缸内压力数据和设定的发动机转速;
所述SPI接口;用于在所述FPGA和DAC芯片之间传输数据;
DAC芯片,用于将来自FPGA的数字信号转换为模拟信号并输出。
7.根据权利要求6所述的模拟内燃机缸内压力的设备,其特征在于,所述FPGA还用于:
根据设定的曲轴、凸轮轴、编码器格式计算相应发动机角度时、相应通道的电平,并输出。
8.根据权利要求6-7中任一项所述的模拟内燃机缸内压力的设备,其特征在于,还包括:
设定部件,用于设定发动机转速、曲轴格式、凸轮轴格式、和编码器格式。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的模拟内燃机缸内压力的设备,其特征在于,所述待模拟工况包括:发动机爆震、发动机倒拖不燃烧曲轴格式包括:60-2、36-1、和36-2;凸轮轴格式包括:4+1和6+1;编码器格式包括:360、720、3600。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的模拟内燃机缸内压力的设备,其特征在于,所述DAC芯片为8个高速DAC芯片。
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