汽車電控發(fā)動機的仿真實驗臺設計與應用研究

摘 要：為適應汽車類專業(yè)技術人員在汽車電控原理及相應故障診斷等方面的研究和培訓，設計制作了汽車電控發(fā)動機仿真實驗臺。實驗臺裝備有豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動機、A140E型自動變速器、單片機故障設置的控制板等，可模擬多種系統(tǒng)故障，適用于科研和教學工作。

前言

　　為了方便理論教學，給學生創(chuàng)造接近實際的實習環(huán)境而設計了電控發(fā)動機故障模擬試驗臺，經(jīng)試用取得了良好的教學效果。電控發(fā)動機故障模擬試驗臺主要由豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動機及其微機控制系統(tǒng)，即噴油ECU 和點火ECU、A140E 自動變速器及轉向助力系統(tǒng)等、單片機故障模擬機構、顯示面板以及相關的測試設備等組成?？梢詼y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，如電壓值、電流值電阻值、頻率等;反映發(fā)動機工作性能的各種數(shù)據(jù)，如扭矩、油耗、廢氣中各種成份的含量等。通過對這些數(shù)據(jù)的分析、計算和處理，不僅可以對電控發(fā)動機故障表現(xiàn)以及故障產(chǎn)生的原因、規(guī)律等有一定的認識，而且可以對電控發(fā)動機故障產(chǎn)生的機理有比較深刻的理解，這無論是對教學還是對生產(chǎn)實踐都有著很好的理論意義和指導作用。

1 電控發(fā)動機故障模擬試驗臺的建立

　　1.1 試驗臺的總體設計

　　本試驗臺的故障模擬機構選用的發(fā)動機為豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動機及其微機控制系統(tǒng)A140E 自動變速器及轉向助力系統(tǒng)等；其次單片機故障排除機構均設置檢測部分和故障設定部分；再次中央控制面板有各種儀表 ，故障的讀碼并顯示發(fā)動機實時工況。

　　1.2 試驗臺電路的設計

　　本試驗臺采用單片機控制式，就是在各傳感器到ECU 的線路中串接上單片機故障設置單元，來代替開關，開關合上時發(fā)動機處于原機工作狀態(tài) ，開關斷開時就能模擬各傳感器信號丟失、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 顯示面板的設計

　　顯示板的設計應考慮故障模擬試驗臺的使用對象，如果用來教學使用則可在顯示板正面上劃出電控發(fā)動機的電路原理圖，如果用來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線引出與顯示面板上的單片機故障設置單元相連后再與ECU 相連，這樣斷開開關就可模擬出相應的故障。

　　1.4 自診斷系統(tǒng)的組成

　　自診斷系統(tǒng)是發(fā)動機電控系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，主要用來監(jiān)測各傳感器、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)控對象包括各種傳感器、執(zhí)行器等;軟件是指用來監(jiān)測和處理故障的相關程序。

2 實驗結果分析

　　對節(jié)氣門位置傳感器進行試驗分析。

　　2.1 全負荷信號對發(fā)動機動力性的影響

　　由于全負荷信號主要影響發(fā)動機的動力性，所以這里主要通過對比外特性的變化來分析全負荷信號對發(fā)動機動力性的影響。

　　外特性上原機和無全負荷信號的功率和轉矩對比如圖2 所示，與λ 對比如圖3 所示，與油耗對比如圖4所示，與比油耗對比如圖5 所示?？梢钥闯鰺o全負荷信號時，功率和油耗下降，比油耗變化不大。這主要是因為:在發(fā)動機正常工作的情況下，當節(jié)氣門處于全開位置時，節(jié)氣門位置傳感器上的全負荷開關閉合。此時噴油ECU接收到節(jié)氣門位置傳感器的信號，判斷發(fā)動機處于全負荷狀態(tài)，為了得到較大的輸出功率，噴油ECU 將適當延長噴油器的開啟時間，額外增加一些噴油量。此時混合氣得到適當?shù)募訚?，原機的過量空氣系數(shù)要比無全負荷信號時的過量空氣系數(shù)小，這表明，原機全負荷時混合氣較濃。而當無全負荷信號時，雖然此時節(jié)氣門處于全開的位置，但是由于噴油ECU 無法得到節(jié)氣們全開的信號即全負荷信號，噴油ECU 依然認為發(fā)動機處于部分負荷的狀態(tài)，噴油ECU此時并不把噴油器開啟時間延長，增加噴油量，以適應全負荷工況的要求。所以，原機與無全負荷信號時的情況相比，由于要額外增加一些噴油量，混合氣燃燒時的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，燃燒壓力升高，從而使發(fā)動機輸出功率上升。由于額外燃油的噴入，原機的燃油消耗量要比無全負荷信號時的燃油消耗量高，但是換來的卻是功率的較大的增加。這從比油耗上也得到了反映，原機和無全負荷信號時的比油耗相當。這是因為原機供油量增加的同時，發(fā)動機功率也得到提高，所以二者比油耗變化不大。

　　圖2 全負荷信號對功率和轉矩的影響

　　圖3 全負荷信號對λ的影響

　　圖 4 全負荷信號對油耗的影響

　　圖5 全負荷信號對比油耗的影響