电控发动机试验台的设计与实验研究 - 汽车电子 - 电子工程

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<strong>前言</strong>

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。

<strong>1 电控发动机故障模拟试验台的建立</strong>

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 试验台的部分设计

1.2.1发动机支架的设计

发动机支架的主要作用是用来支撑发动机．由于发动机在实验过程中的转速较高、振动较 大，所以发动机支架要有一定的刚度，故选用钢结构焊接而成。要注意保证焊缝接头牢靠安装，设计支架时要注意蓄电池和油箱的安放位置，应让它们保持一定距离。由于排气管温度很高，所以油箱位置也要与排气管保持一定距离。实验过程中要用测功机对发动机的转速和负荷进行检测 ，要注意发动机输出轴和测功机输入轴的同轴度问题。

1.2.2 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。


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图1电路示意图

1.2.3 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。

1.2.4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。

<strong>2 实验结果分析</strong>

2.1 空气流量传感器试验

通过对本实验台原机时和无空气流量信号(断开空气流量计流量信号)时，转速在n=2800r/min的负荷特性的对比试验，分析了空气流量信号对发动机燃料经济性以及排放性能的影响，还对比试验和分析了空气流量信号对发动机起动性能和怠速的影响。

2.2.1空气流量信号对燃料经济性的影响

在n=2800r/min负荷特性下，原机情况下和无空气流量信号时的油耗对比如图 2a中所示，比油耗对比如图 2b中所示，混合气过量空气系数对比如图 2c中所示。


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图2空气流量信号对燃料经济性的影响

由图2可以看出，发动机在无空气流量信号时，无论是发动机的油耗，还是比油耗都要比原机的大，尤其在中小负荷时，这种差距显得更为明显。主要是因为当无空气流量信号以后，电控单元无法得到发动机不同工况下的实际进气量，电控单元也就无法根据发动机的实际进气量对喷油量进行调整，此时发动机进入故障运行模式，可以看出发动机在无空气流量信号时的供油量是按大负荷时所需的供油量确定的。因此在中小负荷时，虽然发动机的进气量己经减小了很多，但此时电控单元并不是根据实际的进气量进行喷油，而是仍然按照大负荷情况供油，此时发动机所供给的燃油远远超过系统原机运行所需要的油量，导致混合气过浓，这一点也可以从两种情况下的过量空气系数的对比得到明显的反映。从图 2c上可以看到，在无空气流量信号的情况下，大负荷时，发动机的过量空气系数接近原机下(在理论过量空气系数附近)而到中小负荷以后过量空气系数下降很多，甚至到了 0. 599，此时的混合气已经极浓，发动机的经济性严重下降，油耗增加，此时的油耗是原机的201%，在无空气流量信号的情况下，大负荷时，节气门开度增大，发动机的进气量也逐渐增加，并逐步达到原机大负荷时的进气量，由于喷油量也是按照大负荷的情况设定的，因此虽然此时发动机电控单元没有收到空气流量信号，但此时的发动机实际运行工况与电控单元所设定的工况接近，所以此时发动机的经济性与原机相比虽有差距，但却不像中小负荷时那么明显，这也反映在过量空气系数上。在大负荷时，过量空气系数与原机下相接近并在 1附近波动，与原机的情况很接近。此时发动机的经济性与原机相比已经很接近。

2.2.2 空气流量信号对排放的影响

分析 n=2800r/min负荷特性上空气流量信号对 C0, HC, NOx的排放量的影响。

2.2.2.1 对CO排放的影响

在n=2800r/min负荷特性时，原机和无空气流量信号的 CO排放对比如图 3所示。可以看出在中小负荷时，无空气流量信号的情况下，CO排放量远远高于原机，负荷越小，差值越大。产生以上现象的主要原因是:CO排放主要是由于燃料燃烧不完全、混合气混合不均匀，以及 COz和H20高温时分解等生成的。在无空气流量信号的情况下，中小负荷时，由于发动机供给的燃料量是按照大负荷时的情况确定的，远远超过此时发动机原机工作所需的燃料量，因此此时混合气非常浓，过量空气系数远远小于1，这种情况下混合气中的氧含量远低于实际需要的氧含量，燃料在燃烧时由于缺氧而不能完全燃烧从而形成 COo而原机时由于可以根据运行工况实时调节喷油量，把过量空气系数始终维持在 1附近，燃烧完全，因此 CO排放量相对要小很多。大负荷时，虽然无空气流量信号，但此时节气门开度很大，空气充量增加，混合气成份接近实际所需的混合气要求，因此，此时 CO排放减少很多，与原机相近。


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图3空气流量信号对CO的影响

2.2.2.2 对NOx排放的影响


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图4空气流量信号对N0x的影响

n=2800r/min负荷特性，原机和无空气流量信号的 NOx排放对比如图 4所示。可以看出，在大部分工况下无空气流量信号时，NOx排放比原机低了很多。发动机中 NOx的生成主要有两个原因:一是燃烧温度，当温度超过2000℃时，氧分子分解成氧原子，并与氮分子结合生成 NO;二是富氧，含氧量越高，燃烧越充分，燃烧温度越高，从而导致NOx大量生成。在中小负荷时，原机废气中的 NOx含量较高，而无空气流量信号时，废气中的 NOx含量很低，这是因为:在无空气流量信号的情况下，中小负荷时实际供油量远超过实际需要量从而导致混合气极浓，由于混合气极浓，混合气中的 0 2含量不足，从而减少了 NOx的生成，而且过浓的混合气使得发动机工作时的燃烧温度有所降低，使NOx形成的高温条件不具备;大负荷时，氧气含量大大增加，燃烧充分，使燃烧温度升高，从而导致 NOx生成量增加。这也是 NOx的排放与油耗以及 C0, HC排放之间的矛盾。

2.2.2.3 对HC排放的影响

n=2800r/min负荷特性，原机和无空气流量信号的 HC排放对比如图 5所示。可以看出，无空气流量信号后，HC排放远远高于原机，发动机中 HC的生成主要受以下几个因素的影响:燃烧氧化反应不完全;燃烧壁面激冷区;低温以及燃料蒸发。当无空气流量信号时，发动机的混合气比实际所需的混合气浓，使燃料中的氧化反应不能充分进行，且燃烧温度比原机低很多，导致 HC大量生成。此外，由于混合气过浓，混合气中的燃料并没有得到完全燃烧，未燃的燃料随废气一起排出气缸，导致废气中的 HC含量进一步升高。随着节气门开度增加，废气中 HC的含量逐渐减少，这主要是因为:节气门开度增大，发动机充量增加，混合气浓度降低并且燃烧完全。燃烧温度升高，从而使后反应的程度增加，这也进一步降低了 HC的排放量。


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图5空气流量信号对Hc的影响

2.2.2 空气流量信号对起动性能以及怠速的影响

空气流量信号对怠速的影响见表1。如果起动时没有空气流量信号，发动机怠速时的转速从正常的 750r/min下降到 720r/min，并且转速不稳。这主要是因为怠速无空气流量信号时，发动机无法精确计算喷油量，此时，发动机按较大的量供给燃油，使发动机混合气过浓，燃烧不完全，从而导致发动机运转不稳，转速下降。这从怠速油耗上也可以得到验证，原机怠速时的油耗为1. 06kg/h，而无空气流量信号时的怠速油耗为1. 56kg/h。但空气流量信号对起动性能无影响，这主要是因为起动前，进气管中的气流流速波动很大，流量计无法准确测得流量信号，此时，发动机供油量不是依据空气流量计的信号确定的，而是由冷却水温度来确定起动时的供油量。

表1空气流量信号对发动机怠速的影响

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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、爆震传感器信号、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。

<strong>3 学术价值和创新点</strong>

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。

作者：赵文龙  来源：《微计算机信息》(嵌入式与soc)2009年第5-2期