发动机瞬时转速测量装置、波动率测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种发动机瞬时转速测量装置、波动率测量系统及方法，包括：现场可编程逻辑门阵列、单片机、第一接口、第二接口、及外接传感器接口；所述外接传感器接口与发动机中曲轴传感器相连接，采集所述曲轴传感器的信号；所述第一接口与所述外接传感器接口及所述现场可编程逻辑门阵列相连接，将采集的所述曲轴传感器的信号传送至所述现场可编程逻辑门阵列；所述现场可编程逻辑门阵列与所述单片机相连接，得到中断信号的中断采样频率；所述单片机与所述第二接口相连接，处理得到发动机瞬时转速并输出。

说明书

技术领域

本申请涉及发动机转速测量技术领域，特别是涉及一种发动机瞬时转速测量装置、波动率测量系统及方法。

背景技术

柴油机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械等领域以及军车、坦克、军舰、船舶等的动力系统，一旦发生故障往往会造成停工生产、设备损坏甚至人员伤亡，带来巨大的经济损失和社会负面影响。因此对柴油机运行状态进行实时监测和快速故障定位显得十分必要。由于柴油机是一种往复式运动机械，柴油机的瞬时转速呈现有规律的波动，其中蕴含了丰富的柴油机工作状态信息，且转速信号容易测取，适用于气缸熄火故障判别，因此利用智能信息处理技术，检测柴油机瞬时转速信息并对柴油机进行状态监测和故障诊断具有重要意义。

增程柴油机是由柴油机和发电机组合而成，属于串联式混合动力。柴油机负责驱动发电机给车辆上的动力电池充电，并不直接参与车辆的动力输出。这相当于在普通的电动车上装载了一台柴油发电机。常见的柴油机和发电机的连接方式有：轴连接、飞轮集成式、齿轮连接等。不论是哪种连接方式，都会影响柴油机曲轴的质量和转动惯量，从而使得柴油机产生很大的瞬时转速波动。

由于柴油机是间歇往复工作的，因此其转速在一个工作循环中会呈现类似正弦波的周期性波动,且波动的次数与发动机的工作缸数相同。通常需要使用专业工具，在柴油机0-720°范围内，不同的曲轴转角下来测量柴油机的瞬时转速。在柴油机稳定工况下，柴油机的瞬时波动转速会很大，但由于这一瞬时波动转速的变化是以曲轴转角的角度来计量的，变化频率非常快，因此即使柴油机的瞬时转速波动较大，但是柴油机的平均转速却变化很小，因此对柴油机的运转并没有直观的影响，往往会被忽视。但是这种瞬时转速的波动却会对柴油机的配气机构、正时系统中齿轮及链条产生较大的应力，降低柴油机的可靠性。因此需要对增程柴油机的瞬时转速波动进行测量，通过改进优化柴油机和发电机的连接方式来达到降低柴油机瞬时转速波动。

发明内容

基于此，本发明提供一种发动机瞬时转速测量装置、波动率测量系统及方法，可以直接准确地获取发动机的瞬时转速和发动机瞬时转速波动率，而且通用性强，安装快捷，携带方便。

为了实现上述目的，本发明提供了一种发动机瞬时转速测量装置，包括现场可编程逻辑门阵列、单片机、第一接口、第二接口、及外接传感器接口；其中，所述外接传感器接口与发动机中曲轴传感器相连接，用于采集所述曲轴传感器的信号；

所述第一接口与所述外接传感器接口及所述现场可编程逻辑门阵列相连接，用于将采集的所述曲轴传感器的信号传送至所述现场可编程逻辑门阵列；

所述现场可编程逻辑门阵列与所述单片机相连接，用于根据接收的所述曲轴传感器的信号，得到中断信号的中断采样频率；

所述单片机与所述第二接口相连接，用于基于所述中断采样频率及所述发动机的曲轴齿圈的齿数得到发动机瞬时转速并输出。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置，所述现场可编程逻辑门阵列包括时钟模块和高速计数器模块，所述时钟模块与所述第一接口相连接，用于得到接收的所述曲轴传感器的信号跳变的时刻，所述高速计数器与所述时钟模块相连接，用于根据所述曲轴传感器的信号跳变的时刻得到所述中断信号的中断采样频率。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置，所述时钟模块将接收的所述曲轴传感器的信号的上升沿作为中断信号；且所述现场可编程逻辑门阵列的信号和所述单片机的信号为同步信号。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置，所述第一接口包括I/O接口，所述第二接口包括USB接口；所述发动机瞬时转速测量装置还包括外接电脑USB接口，所述外接电脑USB接口与所述第二接口相连接。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置，所述单片机基于如下公式得到发动机瞬时转速：

S＝60*f/N

其中，S为发动机瞬时转速；f为所述中断信号采样频率；N为发动机所使用曲轴齿圈的齿数。

本申请实施例还提供一种发动机瞬时转速波动率测量系统，包括：

发动机瞬时转速测量装置、传感器接口、曲轴传感器、发动机电子控制单元、电脑端；所述曲轴传感器通过传感器三通线束分别与所述发动机电子控制单元和所述传感器接口相连接，所述发动机瞬时转速测量装置与所述传感器接口以及所述电脑端相连接；

所述发动机瞬时转速测量装置将采集到的发动机瞬时转速输出给所述电脑端，所述电脑端基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率；

其中，所述发动机瞬时转速测量装置为申请本实施例所述的发动机瞬时转速测量装置。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量系统，所述基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率的公式为：

F＝(S

其中，F为所述发动机瞬时转速波动率；S

本申请实施例还提供一种发动机瞬时转速波动率测量方法，包括以下步骤：

S1：采集发动机的曲轴传感器的信号；

S2：根据接收的所述曲轴传感器的信号，得到中断信号的中断采样频率；

S3：基于所述中断采样频率及所述发动机的曲轴齿圈的齿数得到发动机瞬时速率，并基于所述瞬时速率得到单位时间内发动机的最大瞬时转速和最小瞬时转速；以及

S4：基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量方法，在所述步骤S3中，所述基于所述中断采样频率及所述发动机的曲轴齿圈的齿数得到发动机瞬时速率的计算公式为：

S＝60*f/N

其中，S为发动机瞬时转速；f为所述中断信号采样频率；N为发动机所使用曲轴齿圈的齿数。

根据本申请实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量方法，在所述步骤S4中，所述基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率的计算公式为：

F＝(S

其中，F为所述发动机瞬时转速波动率；S

本发明的有益效果为：本发明所提供的一种发动机瞬时转速测量装置、发动机瞬时转速波动率测量系统及方法，不需要另外设置转速传感器，只需借用发动机上已经安装的曲轴传感器，而且不需要区分发动机上转速传感器的类型，通过相应算法可以直接获得发动机瞬时转速，并根据相应的算法在电脑上输出此增程式柴油机各个转速下的瞬时转速波动率。本发明能够及时监控发动机的转速机工作状况，以减少发动机的磨损，而且测量精度高、抗干扰性强、工作稳定、可靠性高、使用方便、实用性强，可以节约人力资源，减低测量成本，从而提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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为本实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量装置结构简图。

图2为发动机曲轴传感器装置示意图。

图3为实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量系统的结构示意图。

图4为实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量方法示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

在发动机瞬时转速的测量中，常用的专业工具为角标仪，使用角标仪这种测量方式通常需要根据不同的发动机来自行设计以及加工该角标仪安装的固定装置，使用角标仪测量方式使用成本比较高、测量的周期比较长，而且还存在携带和安装不方便的问题，尤其是在整车上更加难以操作。而且，发动机常用的曲轴传感器有磁电式和霍尔式，磁电式传感器信号是类似正弦信号，而霍尔式传感器信号是矩形方波信号，目前已知的设备只能采集其中一种类型传感器的信号。

因此，本申请提出一种发动机瞬时转速测量装置、发动机瞬时转速波动率测量系统及方法，不需要另外设置转速传感器，只需借用发动机上已经安装的曲轴传感器，而且不需要区分发动机上转速传感器的类型，通过相应算法可以直接获得发动机瞬时转速，并根据相应的算法在电脑上输出此增程式柴油机各个转速下的瞬时转速波动率。

本实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置、发动机瞬时转速波动率测量系统及方法搭载在增程发动机台架上为例进行说明。该发动机瞬时转速波动率测量系统安装在增程发动机台架上，可以快速便捷测量出增程发动机瞬时转速的波动程度，为增程发动机可靠性设计提供重要的数据支撑。此外，本实施方式的测量装置可用于所有类型的增程发动机，不论是试验台架上还是在整车上进行测量，也不论转速信号是使用霍尔式的还是使用磁电式的，均可以使用。本实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量装置具有通用性强，安装快捷，携带方便等特点。

具体地，如图1所示，为本实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置结构简图。所述发动机瞬时转速测量装置，应用于增程式柴油机瞬时转速测量，包括现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，简称：FPGA)5、单片机3、第一接口2、第二接口4、以及外接传感器接口1；其中，所述外接传感器接口1与发动机中曲轴传感器相连接，用于采集所述曲轴传感器的信号；所述第一接口2与所述外接传感器接口1及所述现场可编程逻辑门阵列5相连接，用于将采集的所述曲轴传感器的信号传送至所述现场可编程逻辑门阵列5；所述现场可编程逻辑门阵列5与所述单片机3相连接，用于根据接收的所述曲轴传感器的信号，得到中断信号的中断采样频率；所述单片机3与所述第二接口4相连接，用于基于所述中断采样频率及所述发动机的曲轴齿圈的齿数得到发动机瞬时转速并输出。

在一个示例中，所述现场可编程逻辑门阵列5包括时钟模块和高速计数器模块，所述时钟模块与所述第一接口1相连接，用于得到接收的所述曲轴传感器的信号跳变的时刻，所述高速计数器与所述时钟模块相连接，用于根据所述曲轴传感器的信号跳变的时刻得到所述中断信号的中断采样频率。

在一个示例中，所述时钟模块将接收的所述曲轴传感器的信号的上升沿作为中断信号；且所述现场可编程逻辑门阵列5的信号和所述单片机3的信号为同步信号。

在一个示例中，所述第一接口2包括I/O接口，所述第二接口4包括USB接口；所述发动机瞬时转速测量装置还包括外接电脑USB接口6，所述外接电脑USB接口6与所述第二接口4相连接。

更具体地，FPGA器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。在本实施例中，所述现场可编程逻辑门阵列5至少包括时钟模块和高速计数器模块。所述时钟模块在本实施例中作为时钟计数器使用。在所述发动机瞬时转速测量装置中，使用所述现场可编程逻辑门阵列5的所述时钟模块作为时钟计数器，并通过发动机曲轴传感器所采集到的信号变化的上升沿作为输入给所述单片机3的中断信号，且所述现场可编程逻辑门阵列5的信号与所述单片机3的信号为同步信号。所述发动机瞬时转速测量装置通过使用所述现场可编程逻辑门阵列5中的所述高速计数器模块来统计所述中断信号，可以使得在单位时间内的所述中断信号数量更加精确，以此来提高所述发动机瞬时转速测量装置采集的瞬时转速的精准度。

根据所述现场可编程逻辑门阵列5所采集的所述中断信号的频率以及发动机所使用曲轴的相关信息，所述发动机瞬时转速测量装置得到发动机瞬时转速，单片机3基于如下计算公式得到发动机瞬时转速：

S＝60*f/N

其中，S为发动机瞬时转速(r/min)；f为所述中断信号采样频率(Hz)；N为发动机所使用曲轴齿圈的齿数。

如图2所示，为发动机曲轴传感器装置示意图。参阅图2可知，所述曲轴传感器7在发动机上与发动机的电子控制单元(Electronic Control Unit，简称ECU)8的连接方式，所述曲轴传感器7直接和发动机ECU8通过线束连接起来，所述曲轴传感器7将所采集到的信息通过线束传输给所述发动机ECU8。

本实施例还提供一种发动机瞬时转速波动率测量系统，包括：发动机瞬时转速测量装置、传感器接口、曲轴传感器、发动机电子控制单元、电脑端；所述曲轴传感器通过传感器三通线束分别与所述发动机电子控制单元和所述传感器接口相连接，所述发动机瞬时转速测量装置与所述传感器接口以及所述电脑端相连接；所述发动机瞬时转速测量装置将采集到的发动机瞬时转速输出给所述电脑端，所述电脑端基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率；其中，所述发动机瞬时转速测量装置为本实施例中所提供的发动机瞬时转速测量装置。

具体地，如图3所示，为发动机瞬时转速波动率测量系统的结构示意图。由图3可知，所述曲轴传感器7通过传感器三通线束13与所述发动机ECU8相连接，所述传感器三通线束13的剩下一端则与传感器接口12相连接，本实施例所提供的发动机瞬时转速测量装置11中所述的外接传感器接口1(图3中未标出)与所述传感器接口12相连接，所述发动机瞬时转速测量装置11中所述的外接电脑USB接口6(图3中未标出)和电脑端9的外接电脑USB接口10相连接。使用所述传感器三通线束13既可以不影响发动机的正常运转，又可以在不破坏原车线束的情况下，接入所述发动机瞬时转速测量装置11。所述发动机瞬时转速测量装置11可以简单快捷的获得发动机内所述曲轴传感器7的相关信号，而且所获得的所述曲轴传感器7的信号不需要区分是磁电式信号还是霍尔式信号；所述磁电式信号和所述霍尔式信号都是周期性跳变型号，可以通过如图1中所示的所述第一接口2触发中断，使用所述现场可编程逻辑门阵列5中的所述高速计数器模块，可以在单位时间内精确计算中断信号的数量，从而可以计算出发动机的瞬时转速。由于发动机是间歇往复工作的，因此发动机的转速会在0-720°的曲轴转角范围内呈现周期性类似正弦波的波动。在单位时间内，带测量的发动机稳定在某一固定转速下，在电脑端9的上位机软件中输入发动机所使用的曲轴齿圈的齿数N。在单位时间内，通过所述发动机瞬时转速测量装置在0-720°的曲轴转角范围内所采集的发动机最大瞬时转速S

通过采集到的所述中断信号以及发动机所使用的曲轴齿圈的齿数等信息，可以计算出发动机瞬时转速。具体的计算公式为：

S＝60*f/N(公式1)，

在公式1中，S为发动机瞬时转速(r/min)；f为所述中断信号采样频率(Hz)；N为发动机所使用曲轴齿圈的齿数。

在单位时间内，通过单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、所述发动机瞬时转速测量装置所采集的发动机最大瞬时转速S

F＝(S

在公式2中，F为所述发动机瞬时转速波动率(％)；S

通过上述公式1和公式2，可以获得发动机的瞬时转速波动率，从而为发动机可靠性设计提供了重要的数据支撑。

具体地，本实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量系统中的USB驱动接口还可以设置成WIFI驱动端口或蓝牙连接端口或其他信息连接端口，本实施例在此不做出具体限定；同时，电脑端的上位机软件还可以改为支持手机端或其他移动端平台的软件，包括但不限于安卓平台的APP软件或iOS平台的APP软件，以此可以使得本实施例所提供的发动机瞬时转速波动率测量装置的体积进一步减小，更加便于携带。

本实施例还提供一种发动机瞬时转速波动率测量方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1：采集发动机的曲轴传感器的信号；

S2、：根据接收的所述曲轴传感器的信号，得到中断信号的中断采样频率；

S3：基于所述中断采样频率及所述发动机的曲轴齿圈的齿数得到发动机瞬时速率，并基于所述瞬时速率得到单位时间内发动机的最大瞬时转速和最小瞬时转速；

以及

S4：基于单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、单位时间内发动机最大瞬时转速及单位时间内发动机最小瞬时转速得到发动机瞬时转速波动率。

具体地，所述连接发动机曲轴传感器、汽车电子控制单元和发动机瞬时转速测量装置的连接方式包括：

使用传感器三通线束将发动机曲轴传感器和汽车的电子控制单元ECU相连接；将所述传感器三通线束的剩下一端与传感器接口相连接；将发动机瞬时转速测量装置的外传感器接口所述传感器接口相连接，将所述发动机瞬时转速测量装置的外接电脑USB接口和电脑端的外接电脑USB接口相连接。

具体地，使用所述传感器三通线束既可以不影响发动机的正常运转，又可以在不破坏原车线束的情况下，接入所述发动机瞬时转速测量装置。所述发动机瞬时转速测量装置可以简单快捷的获得发动机内所述曲轴传感器的相关信号，而且所获得的所述曲轴传感器的信号不需要区分是磁电式信号还是霍尔式信号；所述磁电式信号和所述霍尔式信号都是周期性跳变型号，可以通过所述发动机瞬时转速测量装置中所述第一接口触发中断，使用所述现场可编程逻辑门阵列中的所述高速计数器模块，可以在单位时间内精确计算中断信号的数量，从而可以计算出发动机的瞬时转速。由于发动机是间歇往复工作的，因此发动机的转速会在0-720°的曲轴转角范围内呈现周期性类似正弦波的波动。在单位时间内，带测量的发动机稳定在某一固定转速下，在电脑端的上位机软件中输入发动机所使用的曲轴齿圈的齿数N。在单位时间内，通过所述发动机瞬时转速测量装置在0-720°的曲轴转角范围内所采集的发动机最大瞬时转速S

通过采集到的所述中断信号以及发动机所使用的曲轴齿圈的齿数等信息，可以计算出发动机瞬时转速。具体的计算公式为：

S＝60*f/N(公式1)，

在公式1中，S为发动机瞬时转速(r/min)；f为所述中断信号采样频率(Hz)；N为发动机所使用曲轴齿圈的齿数。

在单位时间内，通过单位时间内待测工况下所述发动机的稳定转速、所述发动机瞬时转速测量装置所采集的发动机最大瞬时转速S

F＝(S

在公式2中，F为所述发动机瞬时转速波动率(％)；S

通过上述公式1和公式2，可以获得发动机的瞬时转速波动率，从而为发动机可靠性设计提供了重要的数据支撑。

本发明所提供的一种发动机瞬时转速测量装置、发动机瞬时转速波动率测量系统及方法，不需要另外设置转速传感器，只需借用发动机上已经安装的曲轴传感器，而且不需要区分发动机上转速传感器的类型，通过相应算法可以直接获得发动机瞬时转速，并根据相应的算法在电脑上输出此增程式柴油机各个转速下的瞬时转速波动率。本发明能够及时监控发动机的转速机工作状况，以减少发动机的磨损，而且测量精度高、抗干扰性强、工作稳定、可靠性高、使用方便、实用性强，可以节约人力资源，减低测量成本，从而提高工作效率。

上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。