汽油机电控系统模拟教学演示台设计

摘 要随着我国汽车保有量的大幅度上升，高新技术产品和装置在汽车上的不断引入和普及与汽车维修业高素质从业人员不足之间的矛盾显得日益突出。发动机电控技术是汽车专业的一门核心技术，理论性与实践性很强。开发发动机电控系统模拟教学实验台，能便于学生认识和学习发动机电控系统的工作原理。发动机电控系统模拟实验台可以广泛应用于科研、教学等方面，通过对发动机工作过程的模拟、显示，可以提高汽车从业人员的知识掌握水平及实际操作能力，增强对汽车电控系统的认识和掌握，为学生学习和掌握发动机电控系统的工作原理提供帮助。本设计是以教学展示为前提，主要介绍了发动机电控系统的控制内容、发展简史与前景、组成与工作原理，并在此基础上设计电控系统模拟实验台的相关内容。主要包括实验台架的设计、电控系统的零部件布置、电动机转速控制等内容。这个教学实验台能够演示发动机的起动和正常工作过程，并且设置了测量点。通过完成对实验台的设计，可以深刻理解和掌握发动机电控系统的组成和工作原理、机械设计与机械制图的相关知识，最终设计出一款及机械、电控于一体化的产品。关键词：发动机电控系统；电动机控制；实验台；单片机；of of in of is of a to be in By of of it to of of to to is on of of of on of of It of of as to of by a in 摘要. 汽油机电子控制系统概述.油机电子控制系统开发现状及趋势. 汽油机电控系统模拟演示台设计概述.概述.汽油机电子控制系统的功能与组成.电子控制燃油喷射系统的组成与工作原理. 本章小结. .教学演示实验台台架设计.验台架的设计.验台面板、操作台设计. 模拟教学实验台尺寸的确定. 实验台材料的选择与强度校核.验台架材料的选择.验台强度校核. 滑动螺旋副传动.本章小结. 实验台电路优化设计. 电动机的选择与转速控制原理.动机的选择.验台电动机的转速控制原理. . 本章小结. 概述.气门位置传感器与电机转速控制.温传感器与电机转速控制. 硬件装置的选择. 控制原理.本章小结. 油机电子控制系统概述近年来，随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛的发展，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。发动机电子控制系统的综合应用大大改善了发动机的性能：提高了发动机的充气效率及动力性、提高了发动机的燃油经济性、降低了排放污染等等，使发动机的性能更加完善。汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器（驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统配合使用（通常与动力系统、底盘系统和车身系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”，发动机电子控制系统的综合应用大大改善了发动机的性能：提高了发动机的充气效率及动力性、提高了发动机的燃油经济性、降低了排放污染等等，使发动机的性能更加完善。进了汽车发动机电子控制系统技术的发展。汽车发动机电子控制系统的技术是逐步完善的过程，从最初的电控汽油喷射技术发展到如今集汽油喷射控制、点火控制、怠速控制、进气控制、排放控制、增压控制等于一身的发动机综合电子控制系统1。从1948年发明晶体管，到20世纪60年代硅二极管应用于交流发动机并第一次在汽车上采用，继而出现点火系统和调节器；后来集成电路（模拟计算机和数字计算机等相继出现，使电子技术在汽车上的应用越来越广泛，改善了汽车的各种性能，起到了机械装置不可替代的作用。世界汽车电子技术的发展过程大致可分为以下三个阶段：第一阶段：从20世纪60年代中期到70年代中期，主要是为了改善部分性能而对汽车产品进行的技术改造，主要产品有交流发电机、电子电压调节器、电子闪光器、汽车收音机、电子点火控制器等。第二阶段：从20世纪70年代末期到90年代中期，汽车进入了微机控制时代，在此期间，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器。为解决安全、污染、和节能三大问题，先后研制出电控汽油喷射系统、电子控制防滑制动装置和电控点火系统等。第三阶段：20世纪90年代中期以后，电子技术广泛的应用在底盘、车身、和车用柴油发动机多个领域。主要侧重于汽车性能的进一步提高、各种功能的进一步完善。主要产品有四轮转向控制系统、轮胎气压监控系统、故障自诊断系统、驱动防滑系统等2。油机电子控制系统开发现状及趋势目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段。汽车发动机电子控制系统的开发与应用已逐渐从过去的院校和研究机构的研发向以企业为主导并以产业化为目标的局面发展。随着奇瑞、吉利等民营汽车制造企业的崛起、国家的政策支持和国内汽车市场的发展潜力将给汽车发动机电子控制系统开发商带来难得的机遇。尽管市场巨大，但生产汽车发动机电子产品也充满了挑战。发动机电子产品对于汽车电子产业来说是技术门槛最高的一块，也是当前利润率最好的产业，其在汽车电子产业中的产值和规模也是最大。所以，未来几年，来自国际知名品牌垄断企业的打压以及国内大批厂商的涌进也是自主开发汽车发动机电子产品目前所面临的现状。汽车市场发展的焦点是围绕安全、节能、环保、舒适、方便的主题为消费者提供高质量、安全可靠、多功能低价位的创新产品。开发商面临的挑战是快速研发这类产品，在最短的时间内将新产品推向市场。汽车电子技术的发展为提高整车性能起到了关键性的作用。随着汽车电子化发展的深入，32位微控制器将逐渐取代8位、16位微控制器而成为主流应用产品。发动机电控化所经历的过程却完全不同。西方国家经历了从起步到发展的几十年的漫长的发展过程。而我国主要是通过技术引进的方式实现发动机电控化的，在短短的几年内，实现了小客车发动机的电控化。我国电控发动机的发展过程如此之快，以至于汽车发动机的研制、使用、维修人员在如此短的时间内难以接受和消化这些技术，这对我国汽车工业的发展是非常不利的。从长远看，我国的汽车工业要在国际舞台上占有一席之地，必须走自主开发、自主研制的道路，因此，无论是研制人员还是使用维修人员，都必须尽快掌握电控发动机的原理和技术，迅速缩短与世界先进水平的差距。本次设计的发动机电控系统模拟教学实验台不必放置整体的发动机，这样做减少了实验台的制作成本和实验时产生的噪声。此外，由于实验台没有放置整体的发动机，因此在实验过程中使用循环液代替燃料，这样就减少了燃料的消耗和废气污染。设计发动机电控系统模拟实验台，锻炼学生通过动手操作，从而达到理论与实践相结合。障诊断功能结合控制系统本身的故障自诊断功能可以任意设置故障,通过台面设计的功能区,进行设置故障和诊断故障,利用实验台模拟汽车电喷系统,实现电喷系统的功能演示,使学生了解和掌握系统的结构原理及工作特性。2、与外设匹配功能实验台设有一个诊断端子接口，可以与发动机分析仪、故障分析仪等相连,直接测量输出信号,进行实车故障诊断与分析的实验教学过程。3、教学演示台效果实验台可以比较真实的反映出系统的组成及控制过程,并且实验具有可操控性能,可以动态测试,实验台的制作解决了学生不便于基本概念的形成、工作原理的理解、实际共性的认识和专业技能的掌握等问题。学演示台架的设计、实验台面板的布置、电动机转速控制，主要内容如下：1、汽油机电控系统组成与工作原理本文以丰田卡罗拉发动机电控系统为例，主要介绍了电控燃油喷射系统和点火系统的组成与工作原理。掌握电控系统的组成与工作原理至关重要，这些内容是制作实验台的基础，为实验台的实际应用与故障诊断分析提供了理论依据。2、教学演示台架的设计实验台架的设计中主要介绍了实验台架结构的设计、材料的选择及强度校核等内容。实验台架是实验台的主体部分，是整个电控系统零部件的载体。除了满足实验要求之外，还要具有占用空间小、方便操作等特点。3、实验台面板布置实验台是电控系统零部件的载体，总体布置应该直观、简洁、方便操作。在考虑实验台布置时，遵循的基本原则是感器执行器，这样的布置可以清晰的看清楚系统的工作过程，对电控系统的组成和工作原理也可以得到很好的理解。4、电动机转速控制由于实验台采用了电动机来代替实际发动机的工作情况，所以就要求电动机的转速变化与实际发动机的转速变化大体一致。因此，在实验台上就要采用一定的方法把传感器信号的变化反映到电动机转速变化上来。称为动机电子控制系统主要由信号输入装置、发动机控制模块和执行部件等组成。在不同车系的车型上，组合型式和控制项目各有异同。就发动机集中控制系统而言，主要包括：进气控制、燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、排放控制、自我诊断与报警系统控制、失效保护控制等。油机电子控制系统的功能汽车发动机电子控制系统的主要功能是控制燃油喷射式发动机的空燃比和点火时刻。除此之外，还有控制发动机启起动、怠速转速、极限转速、排气再循环、闭缸工作、二次空气喷射、进气增压、爆震、发电机输出电压、电动燃油泵和系统自诊断等辅助功能3。油机电子控制系统的组成发动机（以汽油机为例）电子控制系统主要由以下几大系统组成4：1、微机控制点火系统（油发动机采用烧后产生的气体温度和压力达到最大值。从而提高发动机的动力性。同时降低燃油消耗量，减少有害气体的排放。其主要由凸轮轴位置传感器（曲轴位置传感器（空气流量传感器（节气门位置传感器（进气温度传感器（车速传感器（爆震传感器（组成。2、发动机爆震控制系统（大点火提前角可使汽油发动机获得最大功率和最佳燃油经济性但点火提前角过大又会引起发动机爆震。只有推迟点火提前角才能消除爆震。实践证明：当发动机工作在爆震的临界点或有轻微的爆震时。发动机热效率最高，动力性和经济性最好。发动机爆震控制系统可有效控制点火提前角，以使发动机工作在爆震临界状态。3、废气再循环控制系统（荷、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入片拉杆将气中的少部分废气经混合气混合后进入气缸参与燃烧。当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，免发动机性能受影响；当发动机超过一定的转速、负荷并达到一定的温度时，与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而异，从而降低废气中、电子控制发动机燃油喷射系统（车发动机电子控制燃油喷射技术是借鉴飞机发动机汽油喷射技术而诞生的，汽车发动机采用燃油喷射技术的主要目的是：降低燃油消耗量和减少有害气体的排放。汽车发动机电子控制系统跟其它电子控制系统一样，也是由传感器（开关信号）、电子控制单元（执行器（执行元件）组成，类繁多，但它们都具有相同的控制原则：即以电控单元（控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳混合气成分。发动机电子控制燃油喷射系统主要由空气供给系统、燃油供给系统和控制系统组成。5发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。根据检测进气量方式的不同，可以分为质量流量型（压力速度（气系统。丰田卡罗拉轿车发动机的气经空气滤清器过滤后，由空气流量计测量吸入的空气量，空气通过节气门体进入进气总管，再分配到发动机各进气歧管。其主要部件包括空气滤清器、节气门体、空气阀、空气流量计、进气管等。动机工作时，电动汽油泵将汽油从油箱泵出，经过燃油滤清器后再经压力调节器调压，然后经输油管配送给各个喷油器和冷起动喷油器，喷油器根据适量汽油喷射到进气歧管中。当塞和针阀在电磁线圈吸力作用下向右移动，当其凸缘部被吸引碰到调整垫片时，针阀全开，燃油通过沿箭头的通路喷射出去。喷射结束后，电磁圈断电，回位弹簧将针阀关闭，喷油器停止喷油。喷射量的大小除与针阀行程，喷口面积以及喷射环境压力与燃油压力的压差等因素有关以外，主要与针阀的开启时间，即电磁线圈的通电时间有关。确定最佳燃油喷射量和喷油时刻。同时控制进气、点火、怠速和排放系统。该系统由输入装置、电子控制单元和执行器组成。1、输入装置（1）冷却液温度传感器冷却液温度传感器是检测发动机冷却液温度用的传感器。它由对温度特别敏感的热敏电阻组成，安装在发动机冷却液通道上，利用电阻值随温度变化的特性来检测冷却液温度。却液温度越低电阻值越大，冷却液温度越高电阻值越小。当在外界环境温度较低的条件下起动发动机时，这时水温传感器的热敏电阻阻值较大，此时喷油器做较多额外喷油的指令，使喷油器多喷油，当发动机冷却水的温度逐渐升高，热敏电阻的阻值逐渐减小，从而控制单元控制喷油器逐渐减少额外喷油。此外，火正时、自动变速器控制系统、怠速控制系统、燃油压力控制系统、,14。却液温度传感器结构、特性及与温传感器结构 b）水温传感器特性 c）与）节气门位置传感器节气门位置传感器安装在节气门体上。节气门位置传感器的作用是测量节气门在全闭还是在全开的位置，将节气门的开闭状态信号输送给以满足节气门不同开度状态的喷射量控制。节气门开度传感器通常有两种型式，一种是节气门位置信号成线性输出，称线性式；一种是以开关量的形式输出，称作接触开关式。丰田卡罗拉轿车采用的节气门位置传感器为线性量输出型10。感器有两个同节气门联动的可动电刷触点，一个触点可在位于基板上的电阻体上滑动，利用电阻值的变化，测行与节气门开度相对应的线性输出电压，根据输出的电压值，应可知道节气门的开度。但是，与节气门开度相对应的电阻体的电阻值，多少都存在偏差，因此影响了节气门开度检测的准确性。为了能够准确检测节气门的全关闭状态，另外设一个怠速触点只在节气处于全关闭状态时才被接通。造 b）内部电路 c）与2）氧传感器氧传感器安装在排气管上，用来监测排气中氧的含量，检测空燃比是否位于最佳工作区，并向电控单元发出反馈信号，将空燃比控制在最佳工作区附近。丰田轿车使用的氧传感器为氧化锆式氧传感器。传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧，设置了白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电极外侧，内侧输入氧浓度高的大气，外侧输入氧浓度低的汽车排出气体13。化锆式氧传感器的结构a）结构图 b）局部放大图1化锆元素）101瓷）123）爆震传感器爆震是指燃烧室中本应逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。爆震使发动机部件受高温、高压，会使燃烧室和冷却系过热，严重的可使活塞顶部熔化，爆震还会使发动机功率下降，燃油消耗率上升。为爆震仅在燃烧期间发生，所以为了避免干扰引起的误检测，只在爆震判定期间进行判定处理。由微机程序完成的爆震控制，在检测到爆震时，立即把点火时刻变成滞后角，在无爆震时，则采用提前角反馈控制形式8。般安装在发动机的缸体上。比较常用的是压电式爆震传感器。压电式爆震传感器是利用压电晶体的压电效应制成的爆震传感器，把爆震传到缸体上的机械振动转变成电信号，这种爆震传感器有共振型和非共振型两种。共振型爆震传感器，是由与爆震几乎具有相同共振频率的振子和能够检测振动压力并将其转换成电信号的压电元件构成，非共振型爆震传感器是用压电元件直接检测爆震信息。除此之外，还有在火花塞的热圈部位装上压电元件，根据燃烧压力检测爆震信息，器连接装置 b）共振型 c）火花塞座金属模型1传感器由压电元件、平衡块及导线等构成。电式爆震传感器结构1体与平衡块之间产生相对运动，从而使夹在中间的压电元件所承受的推压力变化。于是，随着压电元件承受推压作用力而产生电压。在控制组件上只检出频率达到7过该电压值的大小可判定爆震强度。2、电子控制单元（有强大的数学运算、逻辑判断、数据处理与数据管理功能。功用是分析处理传感器采集到的各种信息，并向受控装置发出控制指令11。（1）接收传感器和其他装置输入的信息，将输入的信息转变为微型计算机所能接受的信号；给传感器提供参考电压。存储、计算、分析处理信息，存储该车型的特点参数，存储运算中的数据，存储故障信息。运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，将输出的信息与标准值对比，查出故障。输出执行命令。自我修正功能。（2）（A/D）转换器、微型计算机和输出回路组成。3、执行器电控燃油喷射系统的执行器主要为喷油器，另外1）喷油器控制即汽油喷射控制主要包括两个方面：喷射正时控制和喷油量控制。喷油正时控制是控制喷油器喷油开始时刻。可分为同步喷射和异步喷射两类。同步喷射又可分为同时喷射、分组喷射、顺序喷射三种基本类型。（2）电动汽油泵控制一般符合以下要求：只有在发动机处于运转状态时，电动汽油泵才工作；发动机不运转时，即使点火开关接通，电动汽油泵也不工作。章小结本章主要介绍了汽油机电控系统的组成及汽油机电控系统中的燃油喷射控制工作原理，除此之外，发动机电控系统中还包括怠速控制、排放控制、自我诊断与报警系统控制、失效保护控制等，由于实验台条件所限，这些控制内容在实验台上都不能进行工作模拟。理解和掌握发动机电控系统的组成和工作原理，为下面的模拟实验平台的设计和建立奠定了理论基础。第3章 教学演示实验台设计汽油机电控系统模拟教学演示台通常由发动机电控系统传感器等构件、演示台架显示面板和控制部分所组成。发动机电控系统不能模拟实车的燃烧等工况，只能模拟实车的发动机计算机控制系统的部分工况进行工作，故其一些信号和实车不完全一样。通过仿真系统的试验，可以学习和研究电子控制单元（传感器和执行器的结构、功用、原理和检测方法以及零部件在实车中的连接方式，掌握发动机冷却水温度、负荷、转速等工况变化时系统的运行情况和出信号的检查方法，进行故障设定，研究当输入习计算机控制系统的诊断功能，并可使用各种汽车发动机检测仪进行检测。此外，可进行零部件研究，通过单片机开发系统对发动机计算机控制系统进行研究。实验台作为电控系统零部件的载体，除了要满足强度要求，零部件布置合理之外，还要方便使用，具有易于操作、拆装方便等特点。电控系统实验台的设计和制作主要依据丰田卡罗拉轿车的电器线束进行设计，再根据卡罗拉轿车发动机电控系统零部件的尺寸与布置情况确定实验台台面布置。体布置应该直观、简洁、方便操作。实验台的显示面板上布置了发动机的各个传感器、发动机合仪表、点火器、喷油器和以接通或断开电路，模拟系统故障。和实车一样，可在该系统上用解码器或人工读故障码，并清除故障码。各区域的设计力争紧凑。12在考虑实验台布置时，遵循的基本原则是感器执行器，这样的布置可以清晰的看清楚系统的工作过程，对电控系统的组成和工作原理也可以得到很好的理解。电控系统零部件布置图详见下图。及某些元件的传动需要来进行设计的。在设计中要考虑到强度要求、零部件的合理布置、操作的方便等综合因素。就模拟发动机电控系统实验而言，实验台的总体结构主要由实验台架、面板、操作台等组成。验台架的设计实验台架是实验台的主体机构，主要起到支承的作用，是电控系统零部件的载体。实验台架采用四脚支承，考虑到实验台移动的方便，在台架底部设有万向轮。实验台架整体采用铁板焊接而成。支承操作台部分以两平行三角铁为主体，体结构角钢四个立柱分别与三角铁焊接，直到支承的作用。四个立柱亦用横杆焊接，起到稳定的作用。立柱和横杆均为矩形空心结构。架三维图该台面与操作面成75度，整个台面可以上下举升，由螺纹传动将台面板举升，在台面的两侧导杆起到导向作用。如图3.4(a)、（b）所示（a）台架两侧导杆(b) 验台面板、操作台设计面板的作用是用来放置发动机电控系统各零部件；操作台主要是用于放置实验中需要的万用表、示波器等工具。面板、操作台按已设计的尺寸加工成与实验台相符合的形状即可。面板与三角铁为螺栓连接；操作台直接水平放置在支承三角铁上。角铁和导杆座焊接在一起，导杆和导杆座是通过定位螺钉固定。拟教学实验台尺寸的确定在确定实验台的尺寸时主要是考虑到操作和观察的方便，另外还要大小合适，布局合理等。总体上应该符合人机工程学的要求。1、实验台整体尺寸的确定参照实验室现有电控系统实验台的实体模型，再通过实际在原车的上测量及其估算，此外，零部件之间的间隙要适中，便于安装，整体布局应该合理、美观，最终确定面板的尺寸为1680900作台主要是用来放置万用表、实验教学工具等；操作台离地面的高，主要是考虑到实验者操作的方便，最终确定操作台的尺寸为730400验台的宽度为700、实验台支承件尺寸的确定三角铁的尺寸为3030柱的尺寸为3030验台导向件的尺寸的确定导杆的尺寸分别为201100和206504、实验台举升动力机构的确认传动螺杆为（p=6）的梯形螺纹传动，手轮为外购件，（a）主视图尺寸（b）俯视视图尺寸钥匙孔（c）验台架材料的选择由于实验台本身的质量不是很大（大约100右，只承受静载荷和轻微的电机振动，另外考虑到成本的因素，所以选择实验台架的材料为普通碳素钢，材料牌号为板、操作台选择双贴面细木工板即可。验台强度校核初步选定实验台的材料后就要进行强度校核。本实验台主要进行压杆稳定校核和弯曲应力校核。1、中，据力矩平衡，可列出如下方程： （中，a=350mm；b=500mm；c=1680mm；2=以只有当压杆的临界应力 未超过材料的比例极限 时，欧拉公式才适用。因此，应用欧拉公式的条件为：或写作令则欧拉公式的适用条件为对于实验台材料的碳素钢性模量E=2105=200入后，可行 100。即只有 100时，才能用欧拉公式计算临界力。（中， 为长度系统，对于该力学模型，取 2；l=700为极惯性矩， ，d=3000所以实验台力