柴油机电控教学模拟实验方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种柴油机电控系统模拟实验方法和装置，用于柴油机电控技术教学实验和专业培训。
背景技术
国内柴油机电控化已成为主要技术趋势，许多该领域的专家认为大专院校的柴油机教学应增设柴油机电控技术教学内容，以满足技术发展的需要。目前各大院校的柴油机教学实验系统都停留在传统的机械系统实验上。要开展柴油机电控系统教学，需购置电控燃油系统及其配装的柴油机、实验台、发动机台架和测功器等昂贵的设备。由于成本原因，只有较少院校开展了柴油机电控教学实验，而且都只是演示性的实验。柴油机电控教学的实验课程基本上无条件开展，教学主要以参观为主，学生动手操作很少。因而无法有效地使学生认识并掌握柴油机电控系统的技术特点、控制原理和调整方法。
【发明内容】
本发明旨在为院校柴油机电控教学提供模拟装置及使用方法，使得院校可以较低的成本构建柴油机电控教学模型，提高学生对柴油机电控技术的实际操作能力，加强对柴油机电控技术的认知。采用本发明提供的设备和方法，可以在不开动柴油机、不消耗燃油的条件下，对学生的做完整的柴油机电控技术训练，获得可用于实际电控柴油机标定的技能。本发明所述方法和装置同样可用于相关的职业培训。
本发明技术方案如下：
提供一种院校柴油机电控教学模拟实验装置。其组成包括：电控单元ECU(5)、PC机(14)、稳压电源(9)、实验线束、冷却液温度传感器标定装置(1)、进气温度压力传感器标定装置(2)、车用打气泵(10)、加热电炉(11)、加速踏板(3)、曲轴凸轮轴信号模拟装置(7)、电磁阀驱动负载装置(6)、信号发生器(4)以及示波器(12)。
其中，所述PC机(14)安装基于CCP(Can Calibration Protocol，一种基于CAN总线的匹配标定协议)协议的监控标定软件，通过USB转接线、CAN通讯模块(13)、线束与电控单元ECU相连，用于监控系统各物理量和AD量的实时变化情况，也用于标定存储在ECU中ROM区的发动机性能和运行数值，CAN通信模块起到数据交换的作用。
其中，所述电控单元ECU(5)通过端子排插与线束相连接，是发动机进行数据存储、运算、控制逻辑的核心。其接收传感器和信号发生器采集的信号，通过内部存储的脉谱进行运算，输出显示物理量，输出对曲轴凸轮轴信号模拟装置进行控制的PWM(脉冲宽度调制)驱动和对电磁阀驱动负载装置的高低位驱动。
其中，所述实验线束是在普通电喷柴油机线束基础上预留模拟量、开关量和调试接口，采用高速CAN通讯接口，并增设点火开关。另外包括如下接口：ECU端子排插、电源插头、冷却液温度传感器接插器、进气温度压力传感器接插器、曲轴信号传感器接插器、凸轮轴信号传感器接插器、打气泵插孔、加速踏板开度传感器接插器、电磁阀高低位驱动线、负载信
号线、曲轴凸轮轴信号模拟装置电机PWM驱动线。
点火开关(8)为通用的汽车点火开关，分为Off、Acc、On、Start四个档位，与稳压电源、继电器供电导线和线束开关信号线连接。在线束总线路中，其控制电源供给、继电器吸合和电机驱动。
其中，所述稳压电源(9)是将220V转化为系统电压供电，与线束直接相连，给电控单元ECU和车用打气泵供电，同时给信号发生器和曲轴凸轮轴信号模拟装置供电。
其中，所述冷却液温度传感器标定装置(1)，包括冷却液温度传感器、温度计和保温水杯，温度计采用量程大于100摄氏度的水银温度计，放置在保温水杯内有效注水液面下，贯穿杯盖进行固定，有效刻度显示在杯盖以上。
其中，所述进气温度压力传感器标定装置(2)，采用一个高压不锈钢密封杯，进气压力温度传感器感应端放置在杯内，传感器体固定在杯体上，杯体上有传感器接插器、充气阀和充气口。杯盖采用密封设计，固定有压力表和温度表显示杯内压力和温度。进气温度压力传感器标定装置与线束之间采用标准进气温度压力传感器接插器进行连接。
其中，所述车用打气泵(10)，与线束上车用打气泵插孔进行电源连接，打气泵气嘴在使用进气温度压力传感器标定装置时，与装置上的进气口连接。作用是对进气温度压力传感器标定装置进行充气，以模拟进气压力实验环境。
其中，所述加热电炉(11)，与外部常用220V电源选择性的连接使用，用于对进气温度压力传感器标定装置加热。
其中，所述加速踏板(3)通过传感器插接器与线束相连接，采用机械旋盘改变和固定踏板开度，用于加速踏板传感器性能实验和柴油机各工况的供油模拟实验，是柴油机怠速工况和常规工况主要区分量，也是常规工况柴油机性能的重要参考量。
其中，所述曲轴凸轮轴信号模拟装置(7)，与线束上的曲轴传感器接插器和凸轮轴传感器接插器进行连接，驱动电机需要与线束上对应的PWM驱动和系统电源连接，作用是模拟发动机运行机制。ECU采集踏板信号和信号发生器的负载信号，通过存储的脉谱进行内部运算，模拟发动机起动、怠速和稳态时的数学模型，输出对曲轴凸轮轴信号模拟装置的PWM控制驱动，以达到利用转盘转速模拟发动机转速的要求。
其中，所述电磁阀驱动负载装置(6)，根据柴油机燃油喷射控制电磁阀工作原理进行模拟，代替喷射控制电磁阀与线束连接，采用电感和电阻耦合的方法，并联发光二极管，模拟显示电磁阀驱动效果。
其中，所述信号发生器(4)，与线束上的系统电源和地线进行连接，产生模拟的频率可调的曲轴、凸轮、车速等方波信号，还产生一组电压可调模拟的温度、压力及加速踏板传感器的信号源输出给ECU。
其中，所述示波器(12)，配备了电流传感器和探头，用于对线路中的电流和电压信号进行实时的测量和显示，示波器在使用中与外部常用220V电源相接。
另一方面，本发明提供一种院校柴油机电控教学模拟实验方法，可进行柴油机电控系统基本传感器性能实验和柴油机供油驱动模拟实验，具体如下：
柴油机电控系统基本传感器性能实验：
主要包括：冷却液温度传感器性能实验、进气压力温度传感器性能实验、加速踏板传感器性能实验、曲轴转速传感器和凸轮轴转速传感器性能实验。
连接实验装置后打开PC机端的监控标定软件，监测传感器性能状态；调节实验装置，改变传感器工作环境；根据传感器标定装置调节后环境的实际值，利用软件标定存储在ECU中ROM区的传感器脉谱中对应的数值，观察传感器监测值的变化并进行标定实验。标定完成后，重新调节传感器标定装置，观察PC机端的软件中传感器监测值的变化情况，对比实际传感器环境值，观察标定效果。
柴油机燃油喷射控制驱动模拟实验：
包括：柴油机各工况的燃油喷射控制驱动模拟实验。
连接实验装置后打开计算机端的监控标定软件，监测执行器状态；利用PC机端的标定软件直接改变供油驱动电流的脉宽，观察示波器上电流波形地变化情况；利用信号发生器模拟测功器加载状态，并利用计算机监测软件标定柴油机驱动相关的脉谱数值，使用示波器观察执行器电流波形，同时监测软件的喷油量和喷油正时。
本发明的有益效果是：省略大型、昂贵的如发动机台架等设备及实验室场地，采用模拟实验替代，实现对发动机起动、怠速、常规、加速运行的模拟以及测功器加载的模拟，成本较低，符合大专院校多套采用需求，有利于学生锻炼动手能力，加强对柴油机电控的了解。
【附图说明】
图1是本发明结构示意图；
1，冷却液温度传感器标定装置 2，进气压力温度传感器标定装置 3，加速踏板 4，信号发生器 5，电控单元(ECU) 6，电磁阀驱动负载装置 7，曲轴凸轮轴信号模拟装置 8，点火开关 9，稳压电源 10，车用打气泵 11，加热电炉 12，示波器 13，CAN通讯模块14，PC机
图2是实施例的冷却液温度传感器标定装置示意图；
15，冷却液温度传感器 16，标准温度计 17，杯体 18，加热底座
图3是实施例的进气压力温度传感器标定装置示意图；
19，标准温度表 20，标准压力表 21，密封不锈钢杯 22，充气阀口 23，进气压力温度传感器
图4是实施例的曲轴凸轮轴信号模拟装置示意图。
24，曲轴信号传感器 25，凸轮轴信号传感器 26，曲轴凸轮轴信号盘 27，直流电机 28，底座
【具体实施方式】
图1是本发明结构示意图，冷却液温度传感器标定装置1、进气温度压力传感器标定装置2、加速踏板3、信号发生器4、曲轴凸轮轴信号模拟装置7、电磁阀驱动负载装置6均通过线束与电控单元ECU连接，车用打气泵10与进气压力温度传感器标定装置2进气口连接，进气压力温度传感器标定装置放置在加热电炉11上，稳压电源9将240V电源转化成系统供电给电控单元ECU、车用打气泵10和信号发生器4，电控单元ECU通过线束、CAN通信模块将与PC机14交换数据。
教学实验时按照该布局形式在实验平台上进行实验操作，线束的设计、布线方式均按照如图所示的形式展开，以方便合理的利用平台空间和实验装置的集体组合使用。
图2是本发明实施例的一种冷却液温度传感器标定装置1的示意图，该装置包含了4个部分：冷却液温度传感器15，标准温度计16，杯体17，加热底座18。如图所示，标准温度计16固定在杯盖上，一部分伸入杯中测量冷却液温度。装置使用加热底座18对杯内的冷却液进行加热，加热底座上有外接220V电源的插座。杯身中部固定有冷却液温度传感器15，用于将采集的冷却液温度信号通过线束发送到ECU中。
实施实验时，将杯内装入冷却液，接通冷却液温度传感器标定装置电源对冷却液进行加热，观察标准温度计16的水银液面变化情况，通过计算机监测标定软件界面显示的冷却液温度值(装置上冷却液温度传感器15的信号处理后得到的数值)，然后将冷却液倒出，重新完成进行操作，观察标准温度计16的温度值，选取合适的温度节点对计算机端采集的冷却液温度传感器15的电压值进行记录，并标定在冷却液温度传感器脉谱表内，完成脉谱表的标定和制作。再次倒掉冷却液，重新操作，观察对比实际温度和计算机端显示温度值的误差大小，观察标定效果。
图3是本发明实施例的一种进气压力温度传感器标定装置2示意图，该装置包含了5个部分：标准温度表19，标准压力表20，密封不锈钢杯21，充气阀口22，进气压力温度传感器23。如图所示，在这五个部分中，标准温度表和标准压力表对装置内温度和压力进行测量显示。密封不锈钢杯保证了该设备能够在较高压力和温度下可靠安全的进行实验操作。充气阀口是对杯体内进行充气和排气的双通阀门，密封效果要求高。进气压力温度传感器用于采集杯体内压力和温度，以电压的变化反映到ECU中。
实施实验时，利用车用打气泵10将杯内加压或利用小电炉加热，观察标准温度表19、标准压力表20的指针变化情况，通过计算机监测标定软件界面显示的进气压力温度值(装置上进气压力温度传感器的信号处理后得到的数值)。然后打开阀口将高压气体排出，重新完成进行操作，观察标准温度表、标准压力表的值，选取合适的节点对PC机14端采集的进气压力温度传感器23的电压值进行记录，并标定在进气压力温度传感器脉谱表内，完成脉谱表的标定和制作。再次打开阀口将高压气体排出，重新操作，观察对比实际压力温度和PC机端显示压力温度值的误差大小，观察标定效果。
图4是本发明实施例的一种曲轴凸轮轴信号模拟装置7示意图，该装置包含了5个部分：曲轴信号传感器24，凸轮轴信号传感器25，曲轴凸轮轴信号盘26，直流电机27，底座28。如图所示，在这五个部分中，曲轴凸轮轴信号盘26是关键点，该信号盘是模拟的曲轴凸轮轴信号缺齿制作而成，不同在与，发动机上的曲轴旋转两圈，凸轮轴旋转一圈，而信号盘只能够同步旋转，所以信号盘的设计将曲轴盘的缺齿数增加了两倍，达到了模拟的效果。直流电机27是利用ECU发出的PWM信号波控制的，利用占空比的控制方法，对转速进行控制，而占空比的转速的对应关系以及占空比和发动机运行的负载的关系是通过建立的数学模型关系得到的。以下对实施原理做具体描述。
发动机台架模拟运行原理：
由实验台上的一个信号发生器产生，送出一个模拟信号。这一信号在ECU中通过脉谱被转为负载模拟信号，反映运行阻力矩的大小。
接受来自实验台的一个开关信号，模拟起动按钮。接到这一信号后，ECU将按控制逻辑起动模拟系统电动机。
电机PWM驱动：ECU的这项PWM输出用于控制电机转动。以上是为了配合实验台上的设备实现对柴油机负载的模拟，实现起动、怠速、加速、限速等运行工况的模拟实验。其基本原理为：负载模拟信号变量设为L，其值在0～100％之间；PWM输出用M表示通过其占空比表示为0～100％之间；
负载的模拟：
设额定工况每次供油量为q，当前供油量为qt。可以模拟以下负载：
阻力矩与转速平方成正比：
M＝qt/q-L*Cn2/C*nH2＝qt/q-L(n/nH)2
上式中C为常数因子，该数学模型能够接近水力测功器的负载特性。
通过以上设置，对电机的驱动力大小将与驱动力(供油量大小)和负载大小同时相关，较大的驱动力和的负载将会产生对电机较大的驱动力。
起动开关的模拟。只要点火开关起动且当前处在停止工况，就会给出一个恒定的电机驱动M。当进入起动工况后，电机驱动M强度则有以上公式算出。当然，这时的L值应调节到较低(＜10％)，这种方式能够模拟起动过程。
本发明的工作过程举例如下：
柴油机怠速工况供油模拟实验。利用曲轴凸轮轴信号模拟装置模拟怠速时的柴油机载荷条件，通过控制系统的PID控制，实现模拟系统做怠速运行时的目标转速。通过模拟冷却液温度传感器的信号，观察冷却液温度变化对目标转速的影响。通过修订目标转速脉谱，了解目标转速脉谱对确定目标转速的作用，具体操作如下：
1.将所有实验器材摆放在工作台上；
2.连接实验设备，完成模拟实验台的搭建：
PC机连接电源，并通过CAN通讯模块和USB转接线连接到ECU的对应接口上；
将实验台上模拟传感器(包括冷却液温度、进气温度压力、加速踏板)信号线接入ECU，将模拟负载和模拟曲轴的凸轮轴的信号也接入ECU。
3.检查台架安全性并上电
对搭建好的实验台架进行检查，确保无错接、短接、断接现象，电源电压充足。检查无误后，打开点火开关，在个人电脑上运行标定监控软件，进入监测界面，观察模拟实验台架连接情况与显示的关系。
4.运行模拟实验
在实验台上操作点火开关，启动信号发生器，可观察到模拟系统进入怠速工况模拟状态。通过调整负载，观察怠速目标转速随负载的变化情况，以及曲轴、凸轮轴和供油信号的改变情况，并记录实验现象。
5.怠速目标转速模拟实验
进入怠速目标转速脉谱的标定窗口，同时进行怠速目标转速和冷却液温度的监测，调节信号发生器中已连接的冷却液温度传感器信号旋钮，改变冷却液温度显示值，在怠速目标转速脉谱中观察当前定位的冷却液温度数值，并观察怠速目标转速是否与同时监测的怠速当前转速保持一致。
6.怠速供油定时脉谱实验
观察供油定时脉谱，了解标定怠速供油定时脉谱的方法。当模拟怠速运行达到较稳定时，通过检查供油定时脉谱的设置和当前供油定时的关系，明确供油定时脉谱对供油定时即供油提前角的影响。通过随机、合理地改变供油定时脉谱的局部量，观察对当前供油提前角的影响。
7.怠速PID调节实验
观察怠速调节比例系数和怠速调节积分系数两张脉谱，了解其中的含义。尝试修改比例系数和积分系数，观察怠速转速到达目标值所需时间的变化情况。通过只保留比例系数和只保留积分系数后进行怠速模拟实验，观察理解比例、积分系数对于闭环控制响应速度所起的作用。通过随机、合理地修改比例积分系数脉谱使怠速转速能较快的达到目标值。
由以上实施例可以看出，本发明实施例通过利用各类装置有效的模拟了较为复杂的柴油机电控设施，进而有效为院校柴油机电控教学模拟实验提供一种功能齐全、可操作、结构简单、成本低廉等优点的方法和装置。
以上所述仅是本发明的优选实施方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。