一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置

1.本实用新型属于发动机控制仿真相关领域，具体涉及一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.发动机控制演示系统可展示发动机控制系统的工作原理及其运行过程中传感器及执行器的工作状态，是汽车电子教学的重要内容。发动机控制演示装置的发动机控制器的输入运行参数是由信号输入装置所输入的，发动机控制器将输入运行参数经过处理后得到各执行器的控制参数，并控制各执行器的运行。通过调整输入运行参数的状态可以改变各执行器的运行状态，进而演示发动机控制系统的工作原理，但是这种发动机演示装置无法体现发动机输入参数的调整对整车运行特性的影响，从而使发动机控制演示的功能效果受到限制。


技术实现要素：

4.本实用新型为了解决上述问题，提出了一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置，将发动机的输入参数能够实时的反馈到整车系统中，构成发动机及整车运行特性的闭环演示装置，丰富了发动机控制演示装置的功能演示效果。
5.本实用新型的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
6.一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置，包括：发动机控制器，所述发动机控制器分别与发动机执行器、发动机传感器、上位机虚拟整车系统、油门踏板和制动踏板连接；
7.所述发动机传感器与发动机执行器连接，用于采集发动机执行器的工作状态数据；所述发动机传感器采集的工作状态数据通过发动机控制器传输给上位机虚拟整车系统进行显示；
8.所述上位机虚拟整车系统具有参数设置窗口。
9.另外，根据本实用新型实施例的一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置还可以具有以下附加技术特征：
10.进一步的，所述发动机执行器至少包括：电子气节门、转速模拟电机、仪表盘、喷油器和火花塞。
11.进一步的，所述发动机传感器至少包括：曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门开度传感器。
12.进一步的，所述仪表盘显示转速模拟电机的转速及对应的车速信息。
13.进一步的，所述上位机虚拟整车系统通过串口通讯电路与发动机控制器连接。
14.进一步的，所述转速模拟电机上设置有齿圈，在齿圈处设置有曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器。
15.进一步的，还包括油门踏板传感器、制动踏板传感器，所述油门踏板传感器、制动踏板传感器将所采集的油门踏板、制动踏板的开度数据传输给发动机控制器。
16.进一步的，所述的转速模拟电机的曲轴和凸轮轴上分别设置有霍尔传感器。
17.进一步的，所述显示窗口用于显示各发动机执行器的工作状态变化情况和实时车速。
18.进一步的，还包括发动机启动开关和档位开关，用于对转速模拟电机进行启动和档位的控制。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
20.1、本实用新型提出的一种发动机控制即整车运行特性虚拟演示装置，可以根据操作人员对油门踏板、制动踏板的操作来改变发动机的运行特性，发动机控制器根据发动机运行特性的改变将发动机输出转矩数据、制动力矩数据传输给上位机虚拟整车系统，通过与上位机虚拟整车系统的行驶阻力平衡，得到车速及对应的发动机转速反馈至发动机控制器，通过闭环的运行模式演示发动机控制及整车运行特性。
21.2、本实用新型提出的一种发动机控制即整车运行特性虚拟演示装置，上位机虚拟整车系统可以实时显示发动机控制所上传的发动机运行状态数据，同时也可以显示车辆的运行状态数据，便于操作人员了解发动机及整车的运行状态，使演示装置的功能展示更为直观。
附图说明
22.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
23.图1是本实用新型一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置示意图；
24.图2为本实用新型一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置工作原理图；
25.图3为本实用新型一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置中发动机控制示意图；
26.图4为本实用新型一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置中发动机控制器电路结构示意图。
27.附图标记说明：
28.1、电子气节门户，2、仪表盘，3、发动机控制器，4、发动机传感器，5、上位机虚拟整车系统，6、发动机启动开关及档位开关，7、传感器及执行器信号状态引脚，8、转速模拟电机，9喷油器和火花塞
具体实施方式：
29.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
30.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
31.实施例一
32.如图1-3所示，一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置，包括：发动机控制器，所述发动机控制器分别与发动机执行器、发动机传感器、上位机虚拟整车系统、油门踏板和制动踏板连接；
33.所述发动机传感器与发动机执行器连接，用于采集发动机执行器的工作状态数据；所述发动机传感器采集的工作状态数据通过发动机控制器传输给上位机虚拟整车系统进行显示；
34.所述上位机虚拟整车系统具有参数设置窗口。
35.在本实施例中，发动机执行器包括喷油器和火花塞9、转速模拟电机8、电子气节门1、仪表盘2等主要器件。
36.具体的，电子气节门1为实际的电子气节门，可以直观的观察电子气节门的动作状态。转速模拟电机8和电子节气门1可采用直流有刷电机，通过单片机驱动芯片l9958实现控制。
37.发动机传感器4包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、节气门开度传感器、进气压力传感器、进气温度传感器和进气流量传感器等主要传感器。
38.仪表盘2用于显示转速模拟电机8的转速以及对应的车速，仪表盘数据每1s更新一次。
39.上位机虚拟整车系统根据参数设置窗口的参数设置、油门踏板、制动踏板的动作通过发动机控制器对发动机执行器进行运行控制。
40.具体的，操作人员可以对油门踏板、制动踏板进行操作，来改变发动机的运行特性，油门踏板和制动踏板上分别设置有油门踏板传感器、制动踏板传感器，油门踏板传感器、制动踏板传感器将所采集的油门踏板开度数据、制动踏板开度数据传输给发动机控制器3。
41.发动机控制器3根据油门踏板开度数据和发动机转速得到发动机输出转矩数据，发动机控制器3将发动机输出转矩数据传输给上位机虚拟整车系统并显示；发动机控制器3根据制动踏板开度数据得到制动力矩数据，发动机控制器3将制动力矩数据传输给上位机虚拟整车系统并显示。
42.具体的，转速模拟电机8的曲轴和凸轮轴上分别设置有霍尔传感器，通过霍尔传感器所采集的信号得到转速模拟电机8的转速即发动机转速。
43.上位机虚拟整车系统5通过上位机实现，上位机虚拟整车系统5具有参数设置窗口，通过参数设置窗口可以人工输入整车运行参数和整车状态参数。
44.其中，整车运行参数包括空气阻力系数、坡度、整车质量等。整车状态参数包括空调开关状态、换挡模式、冷却水温、初始水温等，上位机虚拟整车系统5可将整车状态数据传输给发动机控制器。
45.上位机虚拟整车系统5根据整车运行参数得到整车行驶阻力，同时上位机虚拟整车系统5根据整车行驶阻力、发动机输出转矩数据、制动力矩数据得到当前车速并显示，进而根据变速箱传动比换算得到发动机转速，上位机虚拟整车系统5将发动机转速及当前车速传输给发动机控制器3，发动机控制器3控制发动机执行器的动作。
46.转速模拟电机8上安装有齿圈，在齿圈的周围设置有曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器用于采集转速模拟电机8的曲轴、凸轮轴的
相位信号，曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器将所采集的相位信号传输给发动机控制器。
47.在本实施例中，发动机控制器3控制转速模拟电机8的按照上位机虚拟整车系统5所下发的发动机转速进行运转。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器对转速模拟电机8进行实时相位采集并传输给发动机控制器，同时节气门开度传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、进气流量传感器等发动机传感器所采集的数据信息也传输给发动机控制器3，发动机控制器3根据所采集的相位信息、各发动机传感器的数据信息以及上位机虚拟整车系统5所下发的整车状态参数得到执行器控制参数，通过执行器控制参数对电子气节门1、喷油器和火花塞9等发动机执行器进行运行控制。
48.更进一步的，发动机控制器3通过喷油起始时刻、喷油脉宽、点火提前角及电子节气门开度等执行器控制参数对喷油器和火花塞9、电子气节门1等执行器进行控制。
49.发动机控制器还将执行器控制参数传输给上位机虚拟整车系统进行显示。
50.如图4所示，发动机控制器3内部包括电源电路、单片机外围电路、开关量信号处理电路、模拟信号处理电路、直流电机驱动电路、喷油点火驱动电路、直流有刷电机驱动电路、输入信号采集电路、执行器驱动电路和串口通讯电路等主要电路结构。
51.在本实施例中，发动机控制器可选用mc9s12xep100单片机，该单片机具有输入捕捉功能、6个定时器模组，总线频率最高48mhz，可以满足功能需求。
52.输入信号采集电路将采集到的发动机传感器信号传输到单片机，单片机接收发动机传感器信号，并将控制指令输出至发动机执行器驱动电路，进而驱动各执行器的工作。同时，发动机控制器和上位机虚拟整车系统通过串口通讯电路进行通讯。
53.具体的，串口通讯电路可采用max232芯片和外围电路组成，串口通讯电路将各发动机传感器所采集的数据信息定时传输给上位机虚拟整车系统，虚拟整车系统通过串口通讯电路将控制参数传输给发动机控制器。
54.在本实施例中，喷油器的控制具体可采用采用英飞凌tle6220芯片，该芯片可以控制4个喷油器的运行；点火线圈内置igbt模块，通过igbt模块驱动电路实现点火线圈的控制。通过发动机控制器的单片机io口功能输出高低电平驱动电路对喷油器和火花塞进行控制。
55.发动机控制器通过控制单片机的输出变频pwm实现对仪表盘的转速及对应车速的控制。
56.在一实施例中，还包括发动机启动开关及档位开关6，用于对转速模拟电机8进行启动和档位的控制。
57.还可以包括传感器和执行器的信号状态检测引脚，通过传感器和执行器的信号状态检测引脚，可以方便操作人员测试发动机传感器的信号及执行器的控制信号，丰富演示装置的功能。
58.一种发动机控制及整车运行特性虚拟演示装置的工作原理为：
59.上位机虚拟整车系统可模拟多种行驶转态下的整车的状态，其通过整车虚拟系统软件实现，在上位机虚拟整车系统种输入量为驱动力、空气阻力系数、坡度和汽车质量，其输出量和反馈控制量为车速。输入端还设置了初始水温、空调开关等整车状态参数，并且包含了自动挡与手动挡两种挡位模式的切换，根据踏板开度和档位的不同，上位机虚拟整车
系统得到不同的驱动力，在不同的驱动力的驱动下，仿真得到不同的车速，并将车速传输给发动机控制器并在上位机虚拟整车系统的显示界面进行显示，发动机控制器控制仪表盘进行车速的显示。
60.虚拟演示装置通电开始启动，此时的目标转速是由初始水温决定，发动机控制器根据初始水温计算得到发动机转速，通过pid算法控制转速模拟电机的起转，转速达到目标转速并稳定一定时间后，进入怠速工况，按照怠速工况目标转速运转，发动机控制器控制各执行器按照怠速工况的运行参数进行运行。发动机控制器实时采集各传感器的数据信息，控制气节门开度及转速模拟电机的运行，并将转速模拟电机的转速信息显示在仪表盘上。
61.在怠速工况，当上位机虚拟整车系统所下发的档位数据为空挡时，转速模拟电机模拟空挡怠速或空挡踩油门踏板的情况，当未踩油门踏板时，转速模拟电机根据冷却水温模拟汽车的怠速工况，若当踩下油门踏板，则油门踏板开度数据变化，进而使转速模拟电机的转速改变。当上位机虚拟整车系统所下发的档位为非空挡时，踩下油门踏板，此时由怠速工况过渡至稳定运行工况，此时的转速模拟电机的目标转速为上位机虚拟整车系统所下发的发动机转速，此时踩下油门踏板，油门踏板开度数据越大，发动机控制器的输出转矩数据越大，发动机控制器将输出转矩数据传输给上位机虚拟整车系统，上位机虚拟整车系统经过计算得到该档位下车辆行驶的车速和对应的发动机转速，并将车速信号和发动机转速传输给发动机控制器，发动机控制器控制仪表盘进行车速的显示，发动机控制器控制转速模拟电机根据上位机虚拟整车系统所下发的发动机转速进行运行。
62.根据转速模拟电机的转速的不同，对喷油和点火的控制不同。各缸喷油时刻由曲轴上某齿的位置控制，当检测到曲轴信号到达某齿时，对应缸即进行喷油或点火动作，当凸轮轴转一圈时，曲轴转过两圈，可通过凸轮轴信号的状态判断曲轴位于第一圈还是第二圈，进而区分不同气缸的喷油点火。点火线圈闭合时刻受转速的影响，闭合时刻以闭合到点火之间转过的齿数进行衡量，转速越大，则闭合点火线圈处的齿数应越提前，否则可能无法及时点火；点火提前角也将随着转速的提高而增大，当发动机控制器检测到进入急加速工况或空调打开等增加负载的情况下，此时在原有基础上再将点火提前角和点火线圈闭合时刻提前，以满足发动机输出更大功率的需要。
63.喷油时间受到多个因素的影响，当发动机处于怠速工况时，喷油时间受到冷却水温的影响，冷却水温越低，则代表发动机需进行热机，喷油时间则越长，有利于迅速热机；当发动机进入稳定运行工况，喷油时间受油门踏板开度的影响，当油门踏板开度越大时，代表需求转矩增大，此时需要喷更多的油，以满足功率需求；如进入急加速状态，发动机喷油量将瞬间增加一个较大增量，随后逐渐衰减，由此可以提高发动机瞬时功率，满足急加速工况的需求；当发动机进入急减速工况，喷油时间将瞬间减小一个较大值，随后逐渐增加至稳定状态的水平，这有利于及时减小发动机的动力输出，并实现更快的减速。
64.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
65.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范
围以内。