電控發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析

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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，應(yīng)選用鋼構(gòu)造焊接而成。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)荷開展檢測(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。

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，如果用來提高維修工的維修技能則可將原理圖略去。顯示板的反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)荷特性的比照試驗(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，還比照試驗(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)情況下和無空氣流量信號(hào)時(shí)的油耗比照如圖2a中所示，比油耗比照如圖2b中所示，混合氣過量空氣系數(shù)比照如圖2c中所示。

a空氣流量信號(hào)對(duì)油耗的影響b空氣流量信號(hào)比照油耗的影響c空氣流量信號(hào)對(duì)混合氣過量空氣系數(shù)的影響

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)在無空氣流量信號(hào)時(shí)，無論是發(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)無空氣流量信號(hào)以后，電控單元無法得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的實(shí)際進(jìn)氣量，電控單元也就無法根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際進(jìn)氣量對(duì)噴油量開展調(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)氣量開展噴油，而是仍然按照大負(fù)荷情況供油，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所供應(yīng)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)的比照得到明顯的反映。從圖2c上可以看到，在無空氣流量信號(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，并逐步到達(dá)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)和無空氣流量信號(hào)的CO排放比照如圖3所示?？梢钥闯鲈谥行∝?fù)荷時(shí)，無空氣流量信號(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)供應(yīng)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。

2.2.2.2對(duì)NOx排放的影響

n=2800r/min負(fù)荷特性，原機(jī)和無空氣流量信號(hào)的NOx排放比照如圖4所示?？梢钥闯?，在大部分工況下無空氣流量信號(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，而無空氣流量信號(hào)時(shí)，廢氣中的NOx含量很低，這是因?yàn)?在無空氣流量信號(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02含量缺陷，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)和無空氣流量信號(hào)的HC排放比照如圖5所示?？梢钥闯?，無空氣流量信號(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)不能充分開展，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。

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)速從正常的750r/min下降到720r/min，并且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。這主要是因?yàn)榈∷贌o空氣流量信號(hào)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)無法計(jì)算噴油量，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)按較大的量供應(yīng)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確定起動(dòng)時(shí)的供油量。

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)