陸孟雄

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

引言

汽車新技術(shù)在汽車發(fā)動機上運用越來越普遍，以新的技術(shù)和結(jié)構(gòu)為主的實踐教學(xué)手段十分滯后，不但不能和汽車領(lǐng)域大規(guī)模的汽車新技術(shù)同步，更加跟不上汽車新技術(shù)的迅速發(fā)展。汽油機上應(yīng)用了很多新技術(shù)，其性能大大提高,汽油機工作原理的學(xué)習(xí)及汽油機的維修對人才要求更高。為此，開發(fā)一套用于實驗和教學(xué)的TSI發(fā)動機實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)非常重要。本設(shè)計根據(jù)汽車電子專業(yè)教學(xué)要求，以邁騰TSI發(fā)動機為藍(lán)本，設(shè)計出能夠故障檢測和具有教學(xué)功能的實驗臺架，實驗臺能夠?qū)嵤┕收显O(shè)置，進行信號測試并且診斷，數(shù)據(jù)流分析等。目的是通過理論與實踐相結(jié)合的方式，培養(yǎng)和加強學(xué)生的汽車故障診斷分析能力。

1系統(tǒng)信號的采集

本文采用邁騰汽車用1.8TSI發(fā)動機上的各種傳感器信號作為信號源。主要傳感器有冷卻液溫度傳感器、進氣壓力傳感器、增壓壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、油門位置傳感器、燃油壓力傳感器、車速傳感器、爆震傳感器、進氣溫度傳感器等。執(zhí)行器有噴油嘴、燃油壓力調(diào)節(jié)電磁閥、油箱壓力調(diào)節(jié)電磁閥等。具體如圖1所示。

圖1 發(fā)動機傳感器和執(zhí)行器

在發(fā)動機試驗中，要對發(fā)動機工作過程中許多相關(guān)的物理量和化學(xué)量進行精確的定量測量，這主要靠高速數(shù)據(jù)采集卡進行采樣。本系統(tǒng)采用研華公USB-4700系列數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊提供了帶有16位分辯率的16SE/8Diff輸入,高達(dá)200kS/s吞吐量，16路數(shù)字I/O和1個用戶計數(shù)器，以及一個16位的模擬輸出?？紤]到1.8TSI發(fā)動機傳感器和執(zhí)行器數(shù)量，信號采集采用此采集卡可以滿足系統(tǒng)的要求。

2信號調(diào)理電路

隔離、放大、整形、濾波是信號調(diào)理電路主要功能，用于傳感器信號和執(zhí)行器信號處理。該系統(tǒng)的調(diào)理電路主要分為三類:電源處理電路、傳感器信號處理電路及執(zhí)行器信號處理電路。

發(fā)動機電子控制系統(tǒng)為弱電系統(tǒng)，控制器工作電壓為5V，無源傳感器工作電壓通常也是5V。整個信號調(diào)理電路由蓄電池供電，而蓄電池供電電壓為直流12V，需要對汽車的電源系統(tǒng)進行電平轉(zhuǎn)換。用市場上常見的三端固定電壓穩(wěn)壓器7805，再配合電感、電容聯(lián)合濾波電路，可提供穩(wěn)定的5V電壓。

傳感器信號在送入采集卡之前，要對信號進行必要的處理，電路主要包括：緩沖電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路。通常電阻類傳感器，如溫度傳感器、油門位置傳感器等，皆為模擬信號，信號調(diào)理電路相同。電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號為近似正弦波的交變電壓，是一種典型的模擬信號，其頻率和幅值與轉(zhuǎn)速成正比。將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為方波，可以直接送入采集卡的計數(shù)器，檢測頻率求出轉(zhuǎn)速大小。而霍爾傳感器輸出為脈沖信號，可以直接送入數(shù)據(jù)采集卡處理。

執(zhí)行器工作信號也較為復(fù)雜，需要分別處理。如大眾TSI發(fā)動機噴油器打開電壓幅值可達(dá)60V左右。為了讓噴出的油液霧化效果更好，在打開電壓后還有一段電壓震蕩狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓范圍為-10V～10V。因此，采集噴油脈沖信號時要對其進行降壓處理，只需要增加一個降壓電路。將噴油器脈沖信號電壓降為原來的十分之一，電壓滿足采集卡輸入電壓要求，經(jīng)過調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集卡，輸出時再在軟件中將采集到的信號電壓值乘以10，原來的電壓值即可恢復(fù)。

3實驗臺面板、操作臺設(shè)計及尺寸確定

面板的作用是用來放置發(fā)動機電控系統(tǒng)各零部件；操作臺主要是用于放置實驗中需要的萬用表、示波器等工具。

面板、操作臺按已設(shè)計的尺寸加工成與實驗臺相符合的形狀即可。面板與三角鐵為螺栓連接；操作臺直接水平放置在支承三角鐵上。角鐵和導(dǎo)桿座焊接在一起，導(dǎo)桿和導(dǎo)桿座是通過定位螺釘固定。

參照實驗室現(xiàn)有電控系統(tǒng)實驗臺的實體模型，再實際在原車上測量及估算，此外，零部件之間的間隙要適中，便于安裝，整體布局應(yīng)該合理、美觀，最終確定面板的尺寸為1680×900mm。

操作臺主要是用來放置萬用表、實驗教學(xué)工具等；操作臺離地面的高度，主要是考慮到實驗者操作的方便，最終確定操作臺的尺寸為730×400mm；實驗臺的寬度為700mm。

4實驗臺面板設(shè)計

實驗臺面板是講解電控系統(tǒng)工作原理及測試的主要載體，總體布置應(yīng)該直觀、簡潔、方便操作。實驗臺的顯示面板上布置了發(fā)動機的各個傳感器及執(zhí)行器的測試端子。與實際中的汽車一樣，可在該系統(tǒng)上用解碼器讀故障碼及清除故障碼。

布置實驗臺面板時，盡量保留大眾原廠電路圖的特點，對原廠電路圖進行拆畫分析，在一張圖紙上就能反映邁騰1.8TSI發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作原理圖，這種設(shè)計可以更好的理解發(fā)動機電控系統(tǒng)的組成和工作原理。面板布置如圖2所示。

5故障模擬設(shè)置與診斷功能

為方便設(shè)置故障及進行測試，實驗臺架故障設(shè)置系統(tǒng)收集各個執(zhí)行裝置和傳感器的輸入/輸出信號，并將其設(shè)計為一個和發(fā)動機ECU的各個端口相連接的三通接頭，使得ECU能夠與試驗臺進行串聯(lián)或者并聯(lián)。

圖2 試驗臺面板

通過故障設(shè)置開關(guān)進行發(fā)動機的故障設(shè)置是常用的方法，傳感器可設(shè)置三種類型的故障信號：短路、斷路、虛接。通過開關(guān)或者鍵盤可以設(shè)置相應(yīng)的故障，再輸入發(fā)動機控制單元，接下來發(fā)動機控制單元會對該傳感器以及執(zhí)行器進行故障判斷，對于某些故障控制單元會記憶相應(yīng)故障碼，故障設(shè)置簡單明了。將故障設(shè)置的控制板放置在臺板側(cè)面，以便提高學(xué)生故障判斷能力，故障設(shè)置完成后可以將故障控制板鎖住，使學(xué)生無法通過故障開關(guān)控制板看到發(fā)動機故障設(shè)置內(nèi)容

發(fā)動機水溫傳感器是影響發(fā)動機工作的最重要傳感器，故障設(shè)置方法非常靈活。如圖3所示，采用開關(guān)直接接通水溫傳感器至發(fā)動機ECU的線路進行故障模擬是常見方式。水溫傳感器是電阻式傳感器，用電位計式調(diào)節(jié)裝置可實現(xiàn)對水溫信號的故障調(diào)節(jié)，這種故障設(shè)置方法可產(chǎn)生的故障更接近于實際。

結(jié)束語

邁騰TSI發(fā)動機電控實驗臺能形象地模擬和實時演示發(fā)動機工作過程及設(shè)置各種故障。本次設(shè)計的實驗臺架，可直觀反應(yīng)邁騰直噴發(fā)動機工作原理，使學(xué)生對直噴汽油發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作過程更真實易懂。實驗臺操作簡單，結(jié)構(gòu)明了，設(shè)計時充分考慮了理論和實踐教學(xué)的有機結(jié)合。

圖3 水溫傳感器故障設(shè)置

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