適用于科研和教學(xué)工作的汽車電控發(fā)動機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

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)動機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺，經(jīng)試用取得了良好的教學(xué)效果。電控發(fā)動機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺主要由豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動機(jī)及其微機(jī)控制系統(tǒng)，即噴油ECU 和點(diǎn)火ECU、A140E 自動變速器及轉(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)的測試設(shè)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(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。通過對這些數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算和處理，不僅可以對電控發(fā)動機(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，而且可以對電控發(fā)動機(jī)故障產(chǎn)生的機(jī)理有比較深刻的理解，這無論是對教學(xué)還是對生產(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)動機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺的建立

1.1 試驗(yàn)臺的總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺的故障模擬機(jī)構(gòu)選用的發(fā)動機(jī)為豐田花冠5A—FE 電控發(fā)動機(jī)及其微機(jī)控制系統(tǒng)A140E 自動變速器及轉(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)動機(jī)實(shí)時(shí)工況。

1.2 試驗(yàn)臺電路的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺采用單片機(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，來代替開關(guān)，開關(guān)合上時(shí)發(fā)動機(jī)處于原機(jī)工作狀態(tài) ，開關(guān)斷開時(shí)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(shè)計(jì)

顯示板的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮故障模擬試驗(yàn)臺的使用對象，如果用來教學(xué)使用則可在顯示板正面上劃出電控發(fā)動機(jī)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(jī)故障設(shè)置單元相連后再與ECU 相連，這樣斷開開關(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)動機(jī)電控系統(tǒng)中的一個(gè)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(guān)程序。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對節(jié)氣門位置傳感器進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 全負(fù)荷信號對發(fā)動機(jī)動力性的影響

由于全負(fù)荷信號主要影響發(fā)動機(jī)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(fù)荷信號對發(fā)動機(jī)動力性的影響。

外特性上原機(jī)和無全負(fù)荷信號的功率和轉(zhuǎn)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(fù)荷信號時(shí)，功率和油耗下降，比油耗變化不大。這主要是因?yàn)?在發(fā)動機(jī)正常工作的情況下，當(dāng)節(jié)氣門處于全開位置時(shí)，節(jié)氣門位置傳感器上的全負(fù)荷開關(guān)閉合。此時(shí)噴油ECU接收到節(jié)氣門位置傳感器的信號，判斷發(fā)動機(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)延長噴油器的開啟時(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?，原機(jī)的過量空氣系數(shù)要比無全負(fù)荷信號時(shí)的過量空氣系數(shù)小，這表明，原機(jī)全負(fù)荷時(shí)混合氣較濃。而當(dāng)無全負(fù)荷信號時(shí)，雖然此時(shí)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?nèi)_的信號即全負(fù)荷信號，噴油ECU 依然認(rèn)為發(fā)動機(jī)處于部分負(fù)荷的狀態(tài)，噴油ECU此時(shí)并不把噴油器開啟時(shí)間延長，增加噴油量，以適應(yīng)全負(fù)荷工況的要求。所以，原機(jī)與無全負(fù)荷信號時(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全負(fù)荷信號時(shí)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(jī)和無全負(fù)荷信號時(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)荷信號對功率和轉(zhuǎn)矩的影響

圖3 全負(fù)荷信號對λ的影響

圖 4 全負(fù)荷信號對油耗的影響

圖5 全負(fù)荷信號對比油耗的影響

2.2 全負(fù)荷信號對發(fā)動機(jī)排放的影響

通過對比原機(jī)和無全負(fù)荷信號的外特性，來分析全負(fù)荷信號對CO、HC 和Nox 等排放的影響。

2.2.1 對CO 排放的影響

外特性上原機(jī)與無全負(fù)荷信號時(shí)的CO 排放對比如圖6 所示?？梢钥闯?無全負(fù)荷信號時(shí)的CO排放高于原機(jī)，但是差值不是很大。這主要是因?yàn)?CO的生成主要是由于燃料的不完全燃燒。無全負(fù)荷信號時(shí)，雖然此時(shí)節(jié)氣門已處于完全打開的狀態(tài)，但是由于電控單元接收不到全負(fù)荷信號，仍然認(rèn)為發(fā)動機(jī)處在部分負(fù)荷區(qū)。這就導(dǎo)致本應(yīng)該加濃的混合氣沒有得到加濃。此時(shí)混合氣的入比原機(jī)高，所以使CO 的排放比原機(jī)略大。

圖 6 全負(fù)荷信號對CO 的影響

2.2.2 對HC 排放的影響

外特性上原機(jī)與無全負(fù)荷信號時(shí)的HC 排放對比如圖7 所示。

圖7 全負(fù)荷信號對HC 的影響

由圖可以看出:無全負(fù)荷信號時(shí)的HC 排放略低于原機(jī)。這主要是因?yàn)?HC 的生成主要是由于燃料的不完全燃燒以及后反應(yīng)地進(jìn)行情況。無全負(fù)荷信號時(shí)，電控單元無法控制對混合氣地加濃，此時(shí)混合氣的入比原機(jī)的大，因此HC 排放有所降低。

2.3 怠速信號對發(fā)動機(jī)性能的影響

當(dāng)節(jié)氣門位置傳感器的怠速信號丟失以后，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速忽高忽低。這主要是因?yàn)?節(jié)氣門位置傳感器的怠速信號用于某一特殊的怠速程序，如怠速運(yùn)轉(zhuǎn)、噴射時(shí)間等，同時(shí)也用于切斷燃油供應(yīng)。當(dāng)無此信號后，相關(guān)的程序無法正常工作，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)。

電控燃油噴射發(fā)動機(jī)上的傳感器信號及故障還有很多，如怠速控制閥信號、節(jié)氣門位置傳感器信號、空氣流量傳感器信號、冷卻液溫度傳感器信號、曲軸位置傳感器信號等。這里就不一一闡述了。

3 學(xué)術(shù)價(jià)值和創(chuàng)新點(diǎn)

基于單片機(jī)控制的故障模擬電控發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和開發(fā)，在此試驗(yàn)臺上對空氣流量信號等的故障做了相關(guān)的試驗(yàn)，觀察并記錄了有關(guān)的故障現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)定量分析了這些故障對發(fā)動機(jī)性能的影響，得出的結(jié)論與理論分析基本符合。利用單片機(jī)控制技術(shù)通過故障設(shè)置單元，實(shí)現(xiàn)部分TCCS 功能替代，通過部分功能的對比測試，驗(yàn)證替代程序設(shè)計(jì)的合理性及穩(wěn)定性?，F(xiàn)在正在研究逐步完成TCCS 全部功能的替代，這對于汽車類專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)、培訓(xùn)以及相關(guān)科研工作將起到積極的作用。