基于單片機控制實現汽車發動機故障模擬試驗臺的應用方案

為適應汽車類專業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動機仿真實驗臺。實驗臺裝備有豐田花冠5A—FE 電控發動機、A140E型自動變速器、單片機故障設置的控制板等，可模擬多種系統故障，適用于科研和教學工作。

為了方便理論教學，給學生創造接近實際的實習環境而設計了電控發動機故障模擬試驗臺，經試用取得了良好的教學效果。電控發動機故障模擬試驗臺主要由豐田花冠5A—FE 電控發動機及其微機控制系統，即噴油ECU 和點火ECU、A140E 自動變速器及轉向助力系統等、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量的數據包括兩部分：反映各傳感器、執行器以及電控單元工作狀態的各種電信號，如電壓值、電流值電阻值、頻率等;反映發動機工作性能的各種數據，如扭矩、油耗、廢氣中各種成份的含量等。通過對這些數據的分析、計算和處理，不僅可以對電控發動機故障表現以及故障產生的原因、規律等有一定的認識，而且可以對電控發動機故障產生的機理有比較深刻的理解，這無論是對教學還是對生產實踐都有著很好的理論意義和指導作用。

1 電控發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動機為豐田花冠5A—FE 電控發動機及其微機控制系統A140E自動變速器及轉向助力系統等；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，開關合上時發動機處于原機工作狀態 ，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 自診斷系統的組成

自診斷系統是發動機電控系統中的一個子系統，主要用來監測各傳感器、執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的監控對象包括各種傳感器、執行器等;軟件是指用來監測和處理故障的相關程序。

2 實驗結果分析

對節氣門位置傳感器進行試驗分析。

2.1 全負荷信號對發動機動力性的影響

由于全負荷信號主要影響發動機的動力性，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：在發動機正常工作的情況下，當節氣門處于全開位置時，節氣門位置傳感器上的全負荷開關閉合。此時噴油ECU接收到節氣門位置傳感器的信號，判斷發動機處于全負荷狀態，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的加濃，原機的過量空氣系數要比無全負荷信號時的過量空氣系數小，這表明，原機全負荷時混合氣較濃。而當無全負荷信號時，雖然此時節氣門處于全開的位置，但是由于噴油ECU 無法得到節氣們全開的信號即全負荷信號，噴油ECU 依然認為發動機處于部分負荷的狀態，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傳播速度加快，燃燒壓力升高，從而使發動機輸出功率上升。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

2.2 全負荷信號對發動機排放的影響

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

2.2.1 對CO 排放的影響

外特性上原機與無全負荷信號時的CO 排放對比如圖6 所示?？梢钥闯觯簾o全負荷信號時的CO排放高于原機，但是差值不是很大。這主要是因為：CO的生成主要是由于燃料的不完全燃燒。無全負荷信號時，雖然此時節氣門已處于完全打開的狀態，但是由于電控單元接收不到全負荷信號，仍然認為發動機處在部分負荷區。這就導致本應該加濃的混合氣沒有得到加濃。此時混合氣的入比原機高，所以使CO 的排放比原機略大。

圖 6 全負荷信號對CO 的影響

2.2.2 對HC 排放的影響

外特性上原機與無全負荷信號時的HC 排放對比如圖7 所示。

圖7 全負荷信號對HC 的影響

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

2.3 怠速信號對發動機性能的影響

當節氣門位置傳感器的怠速信號丟失以后，發動機運轉不穩，轉速忽高忽低。這主要是因為：節氣門位置傳感器的怠速信號用于某一特殊的怠速程序，如怠速運轉、噴射時間等，同時也用于切斷燃油供應。當無此信號后，相關的程序無法正常工作，從而導致發動機工作不穩。

電控燃油噴射發動機上的傳感器信號及故障還有很多，如怠速控制閥信號、節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 學術價值和創新點

基于單片機控制的故障模擬電控發動機試驗臺的設計和開發，在此試驗臺上對空氣流量信號等的故障做了相關的試驗，觀察并記錄了有關的故障現象和試驗數據，通過試驗定量分析了這些故障對發動機性能的影響，得出的結論與理論分析基本符合。利用單片機控制技術通過故障設置單元，實現部分TCCS 功能替代，通過部分功能的對比測試，驗證替代程序設計的合理性及穩定性?，F在正在研究逐步完成TCCS 全部功能的替代，這對于汽車類專業技術人才的培養、培訓以及相關科研工作將起到積極的作用。

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