汽車電控發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘 要：為適應(yīng)汽車類專業(yè)技術(shù)人員在汽車電控原理及相應(yīng)故障診斷等方面的研究和培訓(xùn)，設(shè)計(jì)制作了汽車電控發(fā)動(dòng)機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝備有豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動(dòng)機(jī)、A140E型自動(dòng)變速器、單片機(jī)故障設(shè)置的控制板等，可模擬多種系統(tǒng)故障，適用于科研和教學(xué)工作。

前言

　　為了方便理論教學(xué)，給學(xué)生創(chuàng)造接近實(shí)際的實(shí)習(xí)環(huán)境而設(shè)計(jì)了電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)，經(jīng)試用取得了良好的教學(xué)效果。電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)主要由豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動(dòng)機(jī)及其微機(jī)控制系統(tǒng)，即噴油ECU 和點(diǎn)火ECU、A140E 自動(dòng)變速器及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)等、單片機(jī)故障模擬機(jī)構(gòu)、顯示面板以及相關(guān)的測(cè)試設(shè)備等組成。可以測(cè)量的數(shù)據(jù)包括兩部分:反映各傳感器、執(zhí)行器以及電控單元工作狀態(tài)的各種電信號(hào)，如電壓值、電流值電阻值、頻率等;反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的各種數(shù)據(jù)，如扭矩、油耗、廢氣中各種成份的含量等。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和處理，不僅可以對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障表現(xiàn)以及故障產(chǎn)生的原因、規(guī)律等有一定的認(rèn)識(shí)，而且可以對(duì)電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障產(chǎn)生的機(jī)理有比較深刻的理解，這無(wú)論是對(duì)教學(xué)還是對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐都有著很好的理論意義和指導(dǎo)作用。

1 電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的建立

　　1.1 試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)臺(tái)的故障模擬機(jī)構(gòu)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)為豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動(dòng)機(jī)及其微機(jī)控制系統(tǒng)A140E 自動(dòng)變速器及轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)等；其次單片機(jī)故障排除機(jī)構(gòu)均設(shè)置檢測(cè)部分和故障設(shè)定部分；再次中央控制面板有各種儀表 ，故障的讀碼并顯示發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)工況。

　　1.2 試驗(yàn)臺(tái)電路的設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)臺(tái)采用單片機(jī)控制式，就是在各傳感器到ECU 的線路中串接上單片機(jī)故障設(shè)置單元，來(lái)代替開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)合上時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于原機(jī)工作狀態(tài) ，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)就能模擬各傳感器信號(hào)丟失、電源線斷路或接地不良等的故障情況 ，示意圖如圖1。

　　圖1 電路示意圖

　　1.3 顯示面板的設(shè)計(jì)

　　顯示板的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的使用對(duì)象，如果用來(lái)教學(xué)使用則可在顯示板正面上劃出電控發(fā)動(dòng)機(jī)的電路原理圖，如果用來(lái)提高維修工的維修技能則可將原理圖略去。顯示板的背面是將傳感器的信號(hào)線引出與顯示面板上的單片機(jī)故障設(shè)置單元相連后再與ECU 相連，這樣斷開(kāi)開(kāi)關(guān)就可模擬出相應(yīng)的故障。

　　1.4 自診斷系統(tǒng)的組成

　　自診斷系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，主要用來(lái)監(jiān)測(cè)各傳感器、執(zhí)行器及電控單元等的故障。它由硬件及軟件組成:硬件主要是指自診斷系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象包括各種傳感器、執(zhí)行器等;軟件是指用來(lái)監(jiān)測(cè)和處理故障的相關(guān)程序。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　對(duì)節(jié)氣門位置傳感器進(jìn)行試驗(yàn)分析。

　　2.1 全負(fù)荷信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響

　　由于全負(fù)荷信號(hào)主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，所以這里主要通過(guò)對(duì)比外特性的變化來(lái)分析全負(fù)荷信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響。

　　外特性上原機(jī)和無(wú)全負(fù)荷信號(hào)的功率和轉(zhuǎn)矩對(duì)比如圖2 所示，與λ 對(duì)比如圖3 所示，與油耗對(duì)比如圖4所示，與比油耗對(duì)比如圖5 所示。可以看出無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)，功率和油耗下降，比油耗變化不大。這主要是因?yàn)?在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的情況下，當(dāng)節(jié)氣門處于全開(kāi)位置時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器上的全負(fù)荷開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí)噴油ECU接收到節(jié)氣門位置傳感器的信號(hào)，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)處于全負(fù)荷狀態(tài)，為了得到較大的輸出功率，噴油ECU 將適當(dāng)延長(zhǎng)噴油器的開(kāi)啟時(shí)間，額外增加一些噴油量。此時(shí)混合氣得到適當(dāng)?shù)募訚猓瓩C(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)要比無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)小，這表明，原機(jī)全負(fù)荷時(shí)混合氣較濃。而當(dāng)無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)，雖然此時(shí)節(jié)氣門處于全開(kāi)的位置，但是由于噴油ECU 無(wú)法得到節(jié)氣們?nèi)_(kāi)的信號(hào)即全負(fù)荷信號(hào)，噴油ECU 依然認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)處于部分負(fù)荷的狀態(tài)，噴油ECU此時(shí)并不把噴油器開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng)，增加噴油量，以適應(yīng)全負(fù)荷工況的要求。所以，原機(jī)與無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)的情況相比，由于要額外增加一些噴油量，混合氣燃燒時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒壓力升高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率上升。由于額外燃油的噴入，原機(jī)的燃油消耗量要比無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)的燃油消耗量高，但是換來(lái)的卻是功率的較大的增加。這從比油耗上也得到了反映，原機(jī)和無(wú)全負(fù)荷信號(hào)時(shí)的比油耗相當(dāng)。這是因?yàn)樵瓩C(jī)供油量增加的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率也得到提高，所以二者比油耗變化不大。

　　圖2 全負(fù)荷信號(hào)對(duì)功率和轉(zhuǎn)矩的影響

　　圖3 全負(fù)荷信號(hào)對(duì)λ的影響

　　圖 4 全負(fù)荷信號(hào)對(duì)油耗的影響

　　圖5 全負(fù)荷信號(hào)對(duì)比油耗的影響