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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)的部分設(shè)計(jì) 1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)支架的設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)支架的主要作用是用來(lái)支撐發(fā)動(dòng)機(jī)．由于發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中的轉(zhuǎn)速較高、振動(dòng)較 大，所以發(fā)動(dòng)機(jī)支架要有一定的剛度，故選用鋼結(jié)構(gòu)焊接而成。要注意保證焊縫接頭牢靠安裝，設(shè)計(jì)支架時(shí)要注意蓄電池和油箱的安放位置，應(yīng)讓它們保持一定距離。由于排氣管溫度很高，所以油箱位置也要與排氣管保持一定距離。實(shí)驗(yàn)過程中要用測(cè)功機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷進(jìn)行檢測(cè) ，要注意發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸和測(cè)功機(jī)輸入軸的同軸度問題。 1.2.2 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)代替開關(guān) ，開關(guān)合上時(shí)發(fā)動(dòng)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(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 1.2.3 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 ，這樣斷開開關(guān)就可模擬出相應(yīng)的故障。 1.2.4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 2.1 空氣流量傳感器試驗(yàn) 通過對(duì)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)原機(jī)時(shí)和無(wú)空氣流量信號(hào)(斷開空氣流量計(jì)流量信號(hào))時(shí)，轉(zhuǎn)速在n=2800r/min的負(fù)荷特性的對(duì)比試驗(yàn)，分析了空氣流量信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的影響，還對(duì)比試驗(yàn)和分析了空氣流量信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能和怠速的影響。 2.2.1空氣流量信號(hào)對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性的影響 在n=2800r/min負(fù)荷特性下，原機(jī)情況下和無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)的油耗對(duì)比如圖 2a中所示，比油耗對(duì)比如圖 2b中所示，混合氣過量空氣系數(shù)對(duì)比如圖 2c中所示。
圖2空氣流量信號(hào)對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性的影響 由圖2可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)，無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，還是比油耗都要比原機(jī)的大，尤其在中小負(fù)荷時(shí)，這種差距顯得更為明顯。主要是因?yàn)楫?dāng)無(wú)空氣流量信號(hào)以后，電控單元無(wú)法得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的實(shí)際進(jìn)氣量，電控單元也就無(wú)法根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量對(duì)噴油量進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入故障運(yùn)行模式，可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)的供油量是按大負(fù)荷時(shí)所需的供油量確定的。因此在中小負(fù)荷時(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量己經(jīng)減小了很多，但此時(shí)電控單元并不是根據(jù)實(shí)際的進(jìn)氣量進(jìn)行噴油，而是仍然按照大負(fù)荷情況供油，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所供給的燃油遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過系統(tǒng)原機(jī)運(yùn)行所需要的油量，導(dǎo)致混合氣過濃，這一點(diǎn)也可以從兩種情況下的過量空氣系數(shù)的對(duì)比得到明顯的反映。從圖 2c上可以看到，在無(wú)空氣流量信號(hào)的情況下，大負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)接近原機(jī)下(在理論過量空氣系數(shù)附近)而到中小負(fù)荷以后過量空氣系數(shù)下降很多，甚至到了 0. 599，此時(shí)的混合氣已經(jīng)極濃，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重下降，油耗增加，此時(shí)的油耗是原機(jī)的201%，在無(wú)空氣流量信號(hào)的情況下，大負(fù)荷時(shí)，節(jié)氣門開度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量也逐漸增加，并逐步達(dá)到原機(jī)大負(fù)荷時(shí)的進(jìn)氣量，由于噴油量也是按照大負(fù)荷的情況設(shè)定的，因此雖然此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元沒有收到空氣流量信號(hào)，但此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與電控單元所設(shè)定的工況接近，所以此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與原機(jī)相比雖有差距，但卻不像中小負(fù)荷時(shí)那么明顯，這也反映在過量空氣系數(shù)上。在大負(fù)荷時(shí)，過量空氣系數(shù)與原機(jī)下相接近并在 1附近波動(dòng)，與原機(jī)的情況很接近。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與原機(jī)相比已經(jīng)很接近。 2.2.2 空氣流量信號(hào)對(duì)排放的影響 分析 n=2800r/min負(fù)荷特性上空氣流量信號(hào)對(duì) C0, HC, NOx的排放量的影響。 2.2.2.1 對(duì)CO排放的影響 在n=2800r/min負(fù)荷特性時(shí)，原機(jī)和無(wú)空氣流量信號(hào)的 CO排放對(duì)比如圖 3所示。可以看出在中小負(fù)荷時(shí)，無(wú)空氣流量信號(hào)的情況下，CO排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原機(jī)，負(fù)荷越小，差值越大。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因是:CO排放主要是由于燃料燃燒不完全、混合氣混合不均勻，以及 COz和H20高溫時(shí)分解等生成的。在無(wú)空氣流量信號(hào)的情況下，中小負(fù)荷時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)供給的燃料量是按照大負(fù)荷時(shí)的情況確定的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)工作所需的燃料量，因此此時(shí)混合氣非常濃，過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，這種情況下混合氣中的氧含量遠(yuǎn)低于實(shí)際需要的氧含量，燃料在燃燒時(shí)由于缺氧而不能完全燃燒從而形成 COo而原機(jī)時(shí)由于可以根據(jù)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴油量，把過量空氣系數(shù)始終維持在 1附近，燃燒完全，因此 CO排放量相對(duì)要小很多。大負(fù)荷時(shí)，雖然無(wú)空氣流量信號(hào)，但此時(shí)節(jié)氣門開度很大，空氣充量增加，混合氣成份接近實(shí)際所需的混合氣要求，因此，此時(shí) CO排放減少很多，與原機(jī)相近。
圖3空氣流量信號(hào)對(duì)CO的影響 2.2.2.2 對(duì)NOx排放的影響
圖4空氣流量信號(hào)對(duì)N0x的影響 n=2800r/min負(fù)荷特性，原機(jī)和無(wú)空氣流量信號(hào)的 NOx排放對(duì)比如圖 4所示。可以看出，在大部分工況下無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)，NOx排放比原機(jī)低了很多。發(fā)動(dòng)機(jī)中 NOx的生成主要有兩個(gè)原因:一是燃燒溫度，當(dāng)溫度超過2000℃時(shí)，氧分子分解成氧原子，并與氮分子結(jié)合生成 NO;二是富氧，含氧量越高，燃燒越充分，燃燒溫度越高，從而導(dǎo)致NOx大量生成。在中小負(fù)荷時(shí)，原機(jī)廢氣中的 NOx含量較高，而無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)，廢氣中的 NOx含量很低，這是因?yàn)?在無(wú)空氣流量信號(hào)的情況下，中小負(fù)荷時(shí)實(shí)際供油量遠(yuǎn)超過實(shí)際需要量從而導(dǎo)致混合氣極濃，由于混合氣極濃，混合氣中的 0 2含量不足，從而減少了 NOx的生成，而且過濃的混合氣使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的燃燒溫度有所降低，使NOx形成的高溫條件不具備;大負(fù)荷時(shí)，氧氣含量大大增加，燃燒充分，使燃燒溫度升高，從而導(dǎo)致 NOx生成量增加。這也是 NOx的排放與油耗以及 C0, HC排放之間的矛盾。 2.2.2.3 對(duì)HC排放的影響 n=2800r/min負(fù)荷特性，原機(jī)和無(wú)空氣流量信號(hào)的 HC排放對(duì)比如圖 5所示。可以看出，無(wú)空氣流量信號(hào)后，HC排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)中 HC的生成主要受以下幾個(gè)因素的影響:燃燒氧化反應(yīng)不完全;燃燒壁面激冷區(qū);低溫以及燃料蒸發(fā)。當(dāng)無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣比實(shí)際所需的混合氣濃，使燃料中的氧化反應(yīng)不能充分進(jìn)行，且燃燒溫度比原機(jī)低很多，導(dǎo)致 HC大量生成。此外，由于混合氣過濃，混合氣中的燃料并沒有得到完全燃燒，未燃的燃料隨廢氣一起排出氣缸，導(dǎo)致廢氣中的 HC含量進(jìn)一步升高。隨著節(jié)氣門開度增加，廢氣中 HC的含量逐漸減少，這主要是因?yàn)?節(jié)氣門開度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)充量增加，混合氣濃度降低并且燃燒完全。燃燒溫度升高，從而使后反應(yīng)的程度增加，這也進(jìn)一步降低了 HC的排放量。
圖5空氣流量信號(hào)對(duì)Hc的影響 2.2.2 空氣流量信號(hào)對(duì)起動(dòng)性能以及怠速的影響 空氣流量信號(hào)對(duì)怠速的影響見表1。如果起動(dòng)時(shí)沒有空氣流量信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速?gòu)恼５?750r/min下降到 720r/min，并且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。這主要是因?yàn)榈∷贌o(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法精確計(jì)算噴油量，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)按較大的量供給燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣過濃，燃燒不完全，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速下降。這從怠速油耗上也可以得到驗(yàn)證，原機(jī)怠速時(shí)的油耗為1. 06kg/h，而無(wú)空氣流量信號(hào)時(shí)的怠速油耗為1. 56kg/h。但空氣流量信號(hào)對(duì)起動(dòng)性能無(wú)影響，這主要是因?yàn)槠饎?dòng)前，進(jìn)氣管中的氣流流速波動(dòng)很大，流量計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得流量信號(hào)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)供油量不是依據(jù)空氣流量計(jì)的信號(hào)確定的，而是由冷卻水溫度來(lái)確定起動(dòng)時(shí)的供油量。 表1空氣流量信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的影響
電控燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器信號(hào)及故障還有很多，如怠速控制閥信號(hào)、節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)、爆震傳感器信號(hào)、冷卻液溫度傳感器信號(hào)、曲軸位置傳感器信號(hào)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，在此試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)空氣流量信號(hào)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(duì)發(fā)動(dòng)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(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證替代程序設(shè)計(jì)的合理性及穩(wěn)定性。現(xiàn)在正在研究逐步完成 TCCS全部功能的替代，這對(duì)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。 作者：趙文龍 來(lái)源：《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與soc)2009年第5-2期 |
