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发动机综合故障检修实训台的设计研究
编辑:admin   时间:2018-03-18 20:57

随着实验(实训)设备在教育教学中的作用日益突出,各高校十分重视对它的研究与开发, 其已被看作是教学内涵的一种具体体现。高校自行设计研发教学设备具有以下优点: ①针对性强, 可弥补商品设备的不足; ②便于使用和维修; ③可提升教师的教科研水平和节约资金。
1、国内外研究现状
国外高校研发教学设备已经发展成熟且涉及范围较广, 许多设备不仅用于教学, 还广泛用于工业生产。国内也有不少大学开展了自制教学设备的研发, 有的甚至还建立了校办企业或合作企业。如今, 教学实验(实训)设备正趋向智能化、微型化以及网络化的方向发展, 现代教育装备发展的主流就是综合应用各种高新技术, 如计算机技术、微制造技术(光、机、电)、新材料和仿生学原理等。
有关汽车方面的实训设备, 市面上多数的发动机实训台制造简单、价格昂贵, 很少具备故障检修的内容,而且绝大多数实训台设计的实训项目少之又少。其中,不少实训台仅是展示了发动机的原机和配套附件, 有的实训台面板只是象征性的画出了工作原理, 有的实训台相关检测孔只把少量发动机信号引出, 有的发动机实训台根本就是示教板, 因此市面上商业开发的发动机实训台90%以上都不能满足实训教学的需要。本文针对以上汽车发动机实训设备的缺点和不足, 研发了一台能进行数十个项目实训的嵌入式智能化教学实训设备, 使其既可用肉眼观察发动机各控制系统元器件的工作状况, 又可用现场接线的方式学习发动机系统的结构组成和工作原理, 另外, 还可进行现场实操, 故障设置、排除和检修故障等多种功能。
2、工作原理设计
发动机综合故障检修实训台设计的核心思想是仿真电控发动机真实的工作原理: 当踩油门踏板后, 仿真的透明材质发动机模型能模拟发动机怠速、加速、中等负荷、大负荷等工况, 也可模拟发动机起动不着、起动困难、怠速不稳、加速不良等数十种故障。实训台的系统使用单片机嵌入式控制和原电控发动机ECU(电脑)控制的双系统协作模式。
2.1 仿真电控发动机的控制原理
现代汽车多使用往复活塞式发动机, 它是将燃油混合气在气缸内燃烧所获的内能转化为机械能的机器。由于近年来电子技术和计算机技术的快速发展, 发动机上采用了越来越多的电控系统, 主要有: 电子燃油喷射系统(EFI)、电控点火系统(ESA)、怠速控制系统(ISC)、排放控制系统以及自诊断与报警系统和失效保护系统等。
(1)电子燃油喷射系统(EFI)。可根据发动机的进气量确定基本的燃油喷射量, 再根据其他传感器(如冷却液温度传感器、发动机转速传感器等)信号等对喷油量进行修正, 使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气, 从而提高发动机的动力性、经济性和排放性。
(2)电控点火系统(ESA)。可根据相关传感器的信号,判断发动机的运行工况和运行条件, 选择最理想的点火提前角, 从而改善发动机的燃烧过程, 以实现提高发动机动力性、经济性和降低排放污染的目的。
(3)怠速控制系统(ISC)。可根据发动机冷却液的温度、空调开关、自动变速器档位开关等, 通过怠速控制阀对发动机的进气量进行控制, 使发动机随时以最佳怠速运转。
(4)启动系统(ST)。可使发动机起动。发动机要由静止状态过渡到工作状态, 必须先用外力转动发动机的曲轴, 使活塞作往复运动。直到气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功, 推动活塞向下运动使曲轴旋转能自行完成其他三个不做功的行程时, 发动机才能自行运转循环下去。
(5)发动机汽缸内混合气燃烧的原理。发动机汽缸内具备燃烧的必要条件是: 一是有与当前工况相匹配的混合气浓度; 二是火花塞要有点火。但要能实现燃烧做功还必须具备以下充分条件: ①混合气浓度(即喷油正时+喷油量要精准) →受EFI 系统+ ISC 系统+ 空气供给系统影响; ②点火正时+点火能量: →受ESA 系统影响; ③正常的气缸压缩压力: →受配气正时、机械磨损、气密性等影响。
由上可知, 发动机要实现发动运转的条件是电子燃油喷射系统(EFI)、电控点火系统(ESA)、怠速控制系统(ISC)和起动系统(ST)的协调工作。首先, 由起动系统完成进气、压缩和排气行程; 做功行程在EFI、ESA 以及ISC 系统的控制下点火燃烧自行完成。如此四个循环不断的工作, 直到做功行程可使曲轴旋转(飞轮储能)能自行完成其他三个不做功的行程, 起动系统方可停止工作, 至此, 发动机处于发动着的状态。
电控发动机EFI、ESA 以及ISC 系统的工作原理是由发动机ECU 根据起动开关、自动变速器档位开关、空调开关、制动开关、发动机转速、蓄电池电压、节气门位置、凸轮轴位置、曲轴位置等信号来判断喷油时刻与点火时刻的; 由冷却水温度、空气流量或进气管压力、进气温度等信号来计算喷油的持续时间(喷油量); 由蓄电池电压、进气管压力、发动机转速等信号来计算通电时间(点火能量)。ECU 经过以上判断计算后可控制相关执行器来实现发动机的高效正常运转。

2.2 实训台的双系统控制原理
仿真电控发动机的实训台控制原理设计为双系统控制, 原理如图1 所示。硬件组成由实训台面板、台架、电源系统、单片机控制系统、发动机ECU、透明材质发动机模型、小油箱、电动燃油泵、变频电机、蜂鸣器、LED 灯、发动机起动开关、自动变速器档位开关、空调开关、制动开关、发动机转速传感器、节气门位置传感器、凸轮轴位置传感器、曲轴位置传感器、冷却水温度传感器、空气流量计等组成。
发动机综合故障检修实训台是在原电控发动机控制系统和新设计的单片机控制系统同步运行下而工作。使用装在透明材质发动机模型里的LED 灯变光效果来模拟发动机在气缸内的燃烧状态, 使用蜂鸣器来模拟发动机运转时的声音状态, 使用变频电机作为发动机转速传感器、曲轴/凸轮轴位置传感器的驱动信号源。原发动机的ECU 将根据变频电机驱动下的转速传感器和曲轴/凸轮轴位置传感器等主要信号计算出喷油量浓度和点火能量信号去控制相关执行器工作。与此同时, 单片机系统会采样由原ECU 计算出的喷油量浓度信号和点火能量信号以判断发动机是否有缸内混合气燃烧, 然后驱动LED 灯和蜂鸣器模拟发动机此时的工作状况。
以上设计的双系统控制实训台将会在信息共享、相互作用, 以单片机控制系统为主的情况下协同工作。首先, 单片机控制系统根据设计好的发动机工况数据库和故障数据库(见表1)控制变频电机的转速状态, 而变频电机的转速状态又会影响到原发动机ECU 的控制, 之后单片机控制系统会采样到受影响的发动机ECU 执行器信号, 由其控制LED 灯和蜂鸣器去模拟此时发动机的工况和发生的故障现象。

表1 发动机综合性故障检修实训台系统的故障数据库
3、综合结构原理设计
发动机综合故障检修实训台的面板设计有电子显示屏、4 个抽屉、选择按钮、风扇转速标识及温度显示装置。透明材质的发动机模型上接有OBDⅡ检测连接座,并且连接座接有专用故障读取器; 蜂鸣器输出电路用于接收到发动机控制单元模拟发动机产生的声音。单片机控制系统、LED 灯和蜂鸣器皆是安装在透明材质的发动机模型上, 电控发动机控制系统的实物部件做好插接口并安装磁性底座; 电控发动机控制系统实物部件包括仪表板总成、发动机电控单元、传感器单元、喷油装置和点火装置; 安装有磁性底座的电控发动机控制系统实物部件可随意摆放在铁质面板上以方便学生接线使用。
将曲轴位置传感器和信号齿圈安装在变频电机的转轴上, 使用正时皮带连接凸轮轴位置传感器及信号齿圈, 变频电机的电源开关与汽车点火开关电源相连接。喷油装置包括小油箱、电动燃油泵, 小油箱里面装有粘度、流动性与燃油一致又不易燃的液体, 把电动燃油泵安装在小油箱内, 使用带插接端子的连接线与发动机电控单元按实车电路连接情况连接, 使用原车管路与电子供油系统按实车电路连接情况连接, 在喷油器下面安装一个支架, 支架之前安装4 个带刻度的玻璃管, 支架下面的回油管通过小油箱, 在回油管上安装4 个通断式电磁阀。并将所述的喷油装置和点火装置依实车安装在透明材质的发动机模型上。


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