适用于科研和教学工作的汽车电控发动机仿真实验台设计

前言

为了方便理论教学，给学生创造接近实际的实习环境而设计了电控发动机故障模拟试验台，经试用取得了良好的教学效果。电控发动机故障模拟试验台主要由丰田花冠5A—FE 电控发动机及其微机控制系统，即喷油ECU 和点火ECU、A140E 自动变速器及转向助力系统等、单片机故障模拟机构、显示面板以及相关的测试设备等组成。可以测量的数据包括两部分:反映各传感器、执行器以及电控单元工作状态的各种电信号，如电压值、电流值电阻值、频率等;反映发动机工作性能的各种数据，如扭矩、油耗、废气中各种成份的含量等。通过对这些数据的分析、计算和处理，不仅可以对电控发动机故障表现以及故障产生的原因、规律等有一定的认识，而且可以对电控发动机故障产生的机理有比较深刻的理解，这无论是对教学还是对生产实践都有着很好的理论意义和指导作用。

1 电控发动机故障模拟试验台的建立

1.1 试验台的总体设计

本试验台的故障模拟机构选用的发动机为丰田花冠5A—FE 电控发动机及其微机控制系统A140E 自动变速器及转向助力系统等；其次单片机故障排除机构均设置检测部分和故障设定部分；再次中央控制面板有各种仪表 ，故障的读码并显示发动机实时工况。

1.2 试验台电路的设计

本试验台采用单片机控制式，就是在各传感器到ECU 的线路中串接上单片机故障设置单元，来代替开关，开关合上时发动机处于原机工作状态 ，开关断开时就能模拟各传感器信号丢失、电源线断路或接地不良等的故障情况 ，示意图如图1。

图1 电路示意图

1.3 显示面板的设计

显示板的设计应考虑故障模拟试验台的使用对象，如果用来教学使用则可在显示板正面上划出电控发动机的电路原理图，如果用来提高维修工的维修技能则可将原理图略去。显示板的背面是将传感器的信号线引出与显示面板上的单片机故障设置单元相连后再与ECU 相连，这样断开开关就可模拟出相应的故障。

1.4 自诊断系统的组成

自诊断系统是发动机电控系统中的一个子系统，主要用来监测各传感器、执行器及电控单元等的故障。它由硬件及软件组成:硬件主要是指自诊断系统的监控对象包括各种传感器、执行器等;软件是指用来监测和处理故障的相关程序。

2 实验结果分析

对节气门位置传感器进行试验分析。

2.1 全负荷信号对发动机动力性的影响

由于全负荷信号主要影响发动机的动力性，所以这里主要通过对比外特性的变化来分析全负荷信号对发动机动力性的影响。

外特性上原机和无全负荷信号的功率和转矩对比如图2 所示，与λ 对比如图3 所示，与油耗对比如图4所示，与比油耗对比如图5 所示。可以看出无全负荷信号时，功率和油耗下降，比油耗变化不大。这主要是因为:在发动机正常工作的情况下，当节气门处于全开位置时，节气门位置传感器上的全负荷开关闭合。此时喷油ECU接收到节气门位置传感器的信号，判断发动机处于全负荷状态，为了得到较大的输出功率，喷油ECU 将适当延长喷油器的开启时间，额外增加一些喷油量。此时混合气得到适当的加浓，原机的过量空气系数要比无全负荷信号时的过量空气系数小，这表明，原机全负荷时混合气较浓。而当无全负荷信号时，虽然此时节气门处于全开的位置，但是由于喷油ECU 无法得到节气们全开的信号即全负荷信号，喷油ECU 依然认为发动机处于部分负荷的状态，喷油ECU此时并不把喷油器开启时间延长，增加喷油量，以适应全负荷工况的要求。所以，原机与无全负荷信号时的情况相比，由于要额外增加一些喷油量，混合气燃烧时的火焰传播速度加快，燃烧压力升高，从而使发动机输出功率上升。由于额外燃油的喷入，原机的燃油消耗量要比无全负荷信号时的燃油消耗量高，但是换来的却是功率的较大的增加。这从比油耗上也得到了反映，原机和无全负荷信号时的比油耗相当。这是因为原机供油量增加的同时，发动机功率也得到提高，所以二者比油耗变化不大。

图2 全负荷信号对功率和转矩的影响

图3 全负荷信号对λ的影响

图 4 全负荷信号对油耗的影响

图5 全负荷信号对比油耗的影响

2.2 全负荷信号对发动机排放的影响

通过对比原机和无全负荷信号的外特性，来分析全负荷信号对CO、HC 和Nox 等排放的影响。

2.2.1 对CO 排放的影响

外特性上原机与无全负荷信号时的CO 排放对比如图6 所示。可以看出:无全负荷信号时的CO排放高于原机，但是差值不是很大。这主要是因为:CO的生成主要是由于燃料的不完全燃烧。无全负荷信号时，虽然此时节气门已处于完全打开的状态，但是由于电控单元接收不到全负荷信号，仍然认为发动机处在部分负荷区。这就导致本应该加浓的混合气没有得到加浓。此时混合气的入比原机高，所以使CO 的排放比原机略大。

图 6 全负荷信号对CO 的影响

2.2.2 对HC 排放的影响

外特性上原机与无全负荷信号时的HC 排放对比如图7 所示。

图7 全负荷信号对HC 的影响

由图可以看出:无全负荷信号时的HC 排放略低于原机。这主要是因为:HC 的生成主要是由于燃料的不完全燃烧以及后反应地进行情况。无全负荷信号时，电控单元无法控制对混合气地加浓，此时混合气的入比原机的大，因此HC 排放有所降低。

2.3 怠速信号对发动机性能的影响

当节气门位置传感器的怠速信号丢失以后，发动机运转不稳，转速忽高忽低。这主要是因为:节气门位置传感器的怠速信号用于某一特殊的怠速程序，如怠速运转、喷射时间等，同时也用于切断燃油供应。当无此信号后，相关的程序无法正常工作，从而导致发动机工作不稳。

电控燃油喷射发动机上的传感器信号及故障还有很多，如怠速控制阀信号、节气门位置传感器信号、空气流量传感器信号、冷却液温度传感器信号、曲轴位置传感器信号等。这里就不一一阐述了。

3 学术价值和创新点

基于单片机控制的故障模拟电控发动机试验台的设计和开发，在此试验台上对空气流量信号等的故障做了相关的试验，观察并记录了有关的故障现象和试验数据，通过试验定量分析了这些故障对发动机性能的影响，得出的结论与理论分析基本符合。利用单片机控制技术通过故障设置单元，实现部分TCCS 功能替代，通过部分功能的对比测试，验证替代程序设计的合理性及稳定性。现在正在研究逐步完成TCCS 全部功能的替代，这对于汽车类专业技术人才的培养、培训以及相关科研工作将起到积极的作用。