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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(zhuǎn)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。可以測量的數(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(zhuǎn)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 試驗臺的部分設計 1.2.1發(fā)動機支架的設計 發(fā)動機支架的主要作用是用來支撐發(fā)動機．由于發(fā)動機在實驗過程中的轉(zhuǎn)速較高、振動較 大，所以發(fā)動機支架要有一定的剛度，故選用鋼結構焊接而成。要注意保證焊縫接頭牢靠安裝，設計支架時要注意蓄電池和油箱的安放位置，應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。實驗過程中要用測功機對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷進行檢測 ，要注意發(fā)動機輸出軸和測功機輸入軸的同軸度問題。 1.2.2 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 1.2.3 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。 1.2.4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 2.1 空氣流量傳感器試驗 通過對本實驗臺原機時和無空氣流量信號(斷開空氣流量計流量信號)時，轉(zhuǎn)速在n=2800r/min的負荷特性的對比試驗，分析了空氣流量信號對發(fā)動機燃料經(jīng)濟性以及排放性能的影響，還對比試驗和分析了空氣流量信號對發(fā)動機起動性能和怠速的影響。 2.2.1空氣流量信號對燃料經(jīng)濟性的影響 在n=2800r/min負荷特性下，原機情況下和無空氣流量信號時的油耗對比如圖 2a中所示，比油耗對比如圖 2b中所示，混合氣過量空氣系數(shù)對比如圖 2c中所示。
圖2空氣流量信號對燃料經(jīng)濟性的影響 由圖2可以看出，發(fā)動機在無空氣流量信號時，無論是發(fā)動機的油耗，還是比油耗都要比原機的大，尤其在中小負荷時，這種差距顯得更為明顯。主要是因為當無空氣流量信號以后，電控單元無法得到發(fā)動機不同工況下的實際進氣量，電控單元也就無法根據(jù)發(fā)動機的實際進氣量對噴油量進行調(diào)整，此時發(fā)動機進入故障運行模式，可以看出發(fā)動機在無空氣流量信號時的供油量是按大負荷時所需的供油量確定的。因此在中小負荷時，雖然發(fā)動機的進氣量己經(jīng)減小了很多，但此時電控單元并不是根據(jù)實際的進氣量進行噴油，而是仍然按照大負荷情況供油，此時發(fā)動機所供給的燃油遠遠超過系統(tǒng)原機運行所需要的油量，導致混合氣過濃，這一點也可以從兩種情況下的過量空氣系數(shù)的對比得到明顯的反映。從圖 2c上可以看到，在無空氣流量信號的情況下，大負荷時，發(fā)動機的過量空氣系數(shù)接近原機下(在理論過量空氣系數(shù)附近)而到中小負荷以后過量空氣系數(shù)下降很多，甚至到了 0. 599，此時的混合氣已經(jīng)極濃，發(fā)動機的經(jīng)濟性嚴重下降，油耗增加，此時的油耗是原機的201%，在無空氣流量信號的情況下，大負荷時，節(jié)氣門開度增大，發(fā)動機的進氣量也逐漸增加，并逐步達到原機大負荷時的進氣量，由于噴油量也是按照大負荷的情況設定的，因此雖然此時發(fā)動機電控單元沒有收到空氣流量信號，但此時的發(fā)動機實際運行工況與電控單元所設定的工況接近，所以此時發(fā)動機的經(jīng)濟性與原機相比雖有差距，但卻不像中小負荷時那么明顯，這也反映在過量空氣系數(shù)上。在大負荷時，過量空氣系數(shù)與原機下相接近并在 1附近波動，與原機的情況很接近。此時發(fā)動機的經(jīng)濟性與原機相比已經(jīng)很接近。 2.2.2 空氣流量信號對排放的影響 分析 n=2800r/min負荷特性上空氣流量信號對 C0, HC, NOx的排放量的影響。 2.2.2.1 對CO排放的影響 在n=2800r/min負荷特性時，原機和無空氣流量信號的 CO排放對比如圖 3所示。可以看出在中小負荷時，無空氣流量信號的情況下，CO排放量遠遠高于原機，負荷越小，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高溫時分解等生成的。在無空氣流量信號的情況下，中小負荷時，由于發(fā)動機供給的燃料量是按照大負荷時的情況確定的，遠遠超過此時發(fā)動機原機工作所需的燃料量，因此此時混合氣非常濃，過量空氣系數(shù)遠遠小于1，這種情況下混合氣中的氧含量遠低于實際需要的氧含量，燃料在燃燒時由于缺氧而不能完全燃燒從而形成 COo而原機時由于可以根據(jù)運行工況實時調(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排放量相對要小很多。大負荷時，雖然無空氣流量信號，但此時節(jié)氣門開度很大，空氣充量增加，混合氣成份接近實際所需的混合氣要求，因此，此時 CO排放減少很多，與原機相近。
圖3空氣流量信號對CO的影響 2.2.2.2 對NOx排放的影響
圖4空氣流量信號對N0x的影響 n=2800r/min負荷特性，原機和無空氣流量信號的 NOx排放對比如圖 4所示。可以看出，在大部分工況下無空氣流量信號時，NOx排放比原機低了很多。發(fā)動機中 NOx的生成主要有兩個原因:一是燃燒溫度，當溫度超過2000℃時，氧分子分解成氧原子，并與氮分子結合生成 NO;二是富氧，含氧量越高，燃燒越充分，燃燒溫度越高，從而導致NOx大量生成。在中小負荷時，原機廢氣中的 NOx含量較高，而無空氣流量信號時，廢氣中的 NOx含量很低，這是因為:在無空氣流量信號的情況下，中小負荷時實際供油量遠超過實際需要量從而導致混合氣極濃，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)動機工作時的燃燒溫度有所降低，使NOx形成的高溫條件不具備;大負荷時，氧氣含量大大增加，燃燒充分，使燃燒溫度升高，從而導致 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HC排放的影響 n=2800r/min負荷特性，原機和無空氣流量信號的 HC排放對比如圖 5所示。可以看出，無空氣流量信號后，HC排放遠遠高于原機，發(fā)動機中 HC的生成主要受以下幾個因素的影響:燃燒氧化反應不完全;燃燒壁面激冷區(qū);低溫以及燃料蒸發(fā)。當無空氣流量信號時，發(fā)動機的混合氣比實際所需的混合氣濃，使燃料中的氧化反應不能充分進行，且燃燒溫度比原機低很多，導致 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，導致廢氣中的 HC含量進一步升高。隨著節(jié)氣門開度增加，廢氣中 HC的含量逐漸減少，這主要是因為:節(jié)氣門開度增大，發(fā)動機充量增加，混合氣濃度降低并且燃燒完全。燃燒溫度升高，從而使后反應的程度增加，這也進一步降低了 HC的排放量。
圖5空氣流量信號對Hc的影響 2.2.2 空氣流量信號對起動性能以及怠速的影響 空氣流量信號對怠速的影響見表1。如果起動時沒有空氣流量信號，發(fā)動機怠速時的轉(zhuǎn)速從正常的 750r/min下降到 720r/min，并且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。這主要是因為怠速無空氣流量信號時，發(fā)動機無法精確計算噴油量，此時，發(fā)動機按較大的量供給燃油，使發(fā)動機混合氣過濃，燃燒不完全，從而導致發(fā)動機運轉(zhuǎn)不穩(wěn)，轉(zhuǎn)速下降。這從怠速油耗上也可以得到驗證，原機怠速時的油耗為1. 06kg/h，而無空氣流量信號時的怠速油耗為1. 56kg/h。但空氣流量信號對起動性能無影響，這主要是因為起動前，進氣管中的氣流流速波動很大，流量計無法準確測得流量信號，此時，發(fā)動機供油量不是依據(jù)空氣流量計的信號確定的，而是由冷卻水溫度來確定起動時的供油量。 表1空氣流量信號對發(fā)動機怠速的影響
電控燃油噴射發(fā)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(jié)氣門位置傳感器信號、爆震傳感器信號、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(chuàng)新點 基于單片機控制的故障模擬電控發(fā)動機試驗臺的設計和開發(fā)，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(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)，通過試驗定量分析了這些故障對發(fā)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(xiàn)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(wěn)定性。現(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)技術人才的培養(yǎng)、培訓以及相關科研工作將起到積極的作用。 作者：趙文龍 來源：《微計算機信息》(嵌入式與soc)2009年第5-2期 |
