毕业设计（论文）-大众JETTA2.0（98）电控发动机实验台设计.doc

大众JETTA2.0（98）电控发动机实验台设计说明书前言 随着我国汽车工业的迅速发展，汽车本身技术含量的不断提高，我国的汽车技术人才培养显得相对落后。为了迅速培养出一批既懂理论，又会操作的现代汽车技术人员，我国的汽车职业技术教育迅速地发展了起来。作为汽车职业技术教育教学设备的一个重要组成部分，用于教学的电控发动机实验台在实践教学的过程中发挥了重要的作用。本文介绍的是用于教学的大众JETTA2.0（98）电控发动机实验台的电路设计过程。全文共分为六章，分别介绍了实验台原始资料的整理过程，显示板电路的设计过程，实验台主体部分和控制部分电路的设计过程，典型传感器和执行器全图的设计以及实验台的使用和故障模拟等内容，重点对实验台控制部分的结构组成、功能要求、设计过程和工作原理作了详尽的阐述。第一章 电控发动机实验台的简介1.1 电控发动机简介发动机是将某一种型式的能量转换为机械能的机器，它是现代汽车的重要组成部分，其作用是将液体或气体燃烧的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。发动机是一部由许多结构和系统组成的复杂机器，其结构型式多种多样，但由于基本工作原理相同，所以其基本结构也就大同小异，发动机的总体结构图如图1-1所示。 图1-1电控发动机是在传统发动机两大机构、五大系统的基础上，嵌入了电子控制系统，从而使发动机的排放性、动力性和经济性达到最优化控制。其控制的对象主要包括电子控制燃油喷射（EFI）系统、电子控制点火（ESA）系统和电子控制怠速（ISCV）系统以及排放控制系统等。现就电子控制燃油喷射（EFI）系统和电子控制点火 (ESA) 系统的组成和工作原理做一个简单的介绍。一、EFI系统的组成电控发动机的EFI系统主要由进气子系统，燃油子系统和电子控制子系统三部分组成：1、 进气子系统进气子系统的作用是测量和控制汽油燃烧时所需要的空气量。空气经空气滤清器，空气流量计（除D型EFI外），节气门体，进气总管，进气歧管进入气缸，在D型EFI中有进气歧管压力传感器。2、燃油子系统燃油子系统的作用是向气缸内供给燃烧所需的汽油。油泵抽吸油箱内的燃油，经滤清器过滤后，由压力调节器调压，然后经输油管配送给各个喷油器和冷启动喷油器，喷油器根据ECU发出的指令，将适量的汽油喷入各进气歧管或进气总管。3、电子控制子系统现代许多发动机的电子控制子系统不但控制EFI，而且控制ESA。其作用是根据发动机运转状况和车辆运行状况确定汽油的最佳喷射量和最佳的点火提前角。该系统由传感器、电控单元（ECU）和执行器组成。如图1-2所示，由传感器监测发动机运行状况，并感知各种信号输给ECU，ECU根据内存中最佳喷油持续时间和点火提前角去控制系统的喷油和点火。ECU进气压力传感器传感器喷油器曲轴位置传感器冷却液温度传感器节气门位置传感器进气温度传感器氧传感器点火器图1-2二、EFI系统的工作原理前面简单介绍了电控发动机EFI系统的组成，现就其工作原理再做一个简单的介绍。汽油喷射主要控制空燃比，而空燃比的控制是通过控制喷油器喷油的持续时间来实现的。发动机正常工作时，控制单元通过进气歧管压力（D型EFI）或空气流量计（L型EFI）信号计量空气流量，根据发动机的进气量和转速计算出基本喷油时间，各种传感器检测冷却液温度、进气温度、进气门开度等与发动机工况有关的参数，对基本喷油持续时间进行修正，确定最佳喷油持续时间，从而控制喷油器的喷油量，得到某工况下的最佳空燃比。例如，当节气们开度增大的时候，进入发动机的空气量就要增加，电脑通过空气流量计或者进气压力传感器检测到这一信号之后，就增加喷油器的喷油脉宽，从而保证发动机的空燃比在控制的范围之内。三、ESA系统的组成和工作原理普通的无触点电子点火装置虽然点火能量大，点火可靠，但点火提前角只能由离心式和真空式点火提前装置来调整，而影响点火提前角的因素除转速、负荷和燃料辛烷值外，还与水温，是否产生爆震等其他因素有关。电子控制的点火装置的优点是废除了离心式、真空式点火提前装置，点火提前角由微机控制，从而使发动机在各种工况都可最佳地调整点火时刻，并使发动机处于“临界爆震”的范围内工作。电控点火装置的主要控制内容是点火提前角、初级回路通电时间以及爆震的防止。电控点火装置可以分为有分电器式的和无分电器式的两种，按照有无爆震传感器，还可以分为开环控制的电控点火装置（无爆震传感器）和闭环控制的点火装置（有爆震传感器）。现代电控汽车大量采用闭环控制的无分电器电控点火装置。电控点火装置主要由传感器、电子控制单元（ECU）和执行器三部分组成。传感器有空气流量计（非D-EFI）、进气歧管压力传感器（D-EFI）、曲轴或凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、水温传感器、爆震传感器、车速传感器及各种开关信号，用来检测发动机运行状况；ECU接收并处理传感器的信号，根据内存中的最佳点火提前角数据，适时地发出点火信号及判缸信号等指令给执行器；执行器有点火控制器和点火线圈，它响应电脑发出的指令，控制点火线圈初级回路通电时间进行点火，并产生点火确认信号向ECU反馈。一旦确认无点火信号，ECU控制喷油器停止喷油。1.2 实验台简介按功能和形式的不同，电控发动机实验台架主要可以分为综合性能实验台和用于教学的示教实验台两种，二者的结构形式和具体功能并不相同，但是工作原理基本是一致的，即都是通过对发动机工作过程中各传感器和执行器的的检测，来判断发动机的工作性能。同时还可以通过专用仪器很方便地采集发动机工作过程中的性能参数，为发动机性能的评价提供理论依据。对于用于教学的实验台而言，一般还有故障设置和信号仿真系统，通过故障设置和信号仿真，可以更加直观地展示发动机的工作过程。目前，国内外的相关研究资料表明,发动机性能实验台架的设计技术已经相当成熟,用于检测诊断电控系统的实验台功能齐全，且能适应不同型号发动机的要求。而用于教学的发动机实验台架的设计还处于发展阶段,而且多为某一种车型的专用实验台，如富康电控发动机实验台等。 用于教学的JETTA电控发动机实验台的电路设计在国内尚无相关资料可寻。一、实验台的组成JETTA2.0电控发动机实验台主要由显示板电路、主体部分和控制部分所组成。1、显示板电路显示板电路部分是用于示教系统的发动机试验台的主要组成部分，也是其区别于发动机综合性能实验台的重要标志。其作用是直观地反映发动机在工作过程中各传感器和执行器的工作情况，同时为采用专用的仪器和仪表检测发动机工作过程中相关的性能参数设置相应的检测端口。2、主体部分主体部分是指构成发动机系统的各部件的总称，但为了便于接线与控制，发动机控制电脑ECU常放在控制部分。除此之外，主体部分还包括蓄电池，各继电器和保险丝，控制系统的各传感器和执行器以及发动机的机械部件等。主体部分的主要作用是保证发动机系统能够正常的工作，为控制部分提供相应的性能参数和控制信号。3、控制部分控制部分是实验台的核心所在，这一点在用于教学的JETTA2.0电控发动机实验台上体现得尤为明显。控制部分除了包含发动机的控制电脑ECU之外，还包括点火开关，故障自诊断接口，信号仿真系统，故障设置系统，显示系统和数据检测系统等。控制部分的作用是实现实验台的信号仿真、故障设置以及数据显示和检测等功能。二、实验台的工作原理发动机正常工作时，表征发动机工作状况的各传感器和开关信号进入电脑，电脑通过对信号进行处理之后，将其于存储在控制电脑中的信息进行比较，然后控制执行器工作，从而实现对发动机的最优化控制。改变进入电脑的传感器和开关信号，即可改变发动机的工作性能。控制部分信号仿真系统的作用是模拟发动机正常工作状态下由各传感器进入发动机电脑的信号，以此来改变发动机的工作环境（温度，压力等），检测发动机的工作性能。例如，当节气门位置传感器输入电脑的电压信号发生变化时，电脑即改变喷油器的喷油脉宽。所以，用一个仿真的信号代替节气门位置传感器的信号时，即可改变发动机的工作环境，即相当于给电脑提供了一个假的信号，让电脑改变喷油器的脉宽（此时发动机的进气量并没有改变），从而使得混合气变浓或者变稀，以此来改变发动机的工作性能。故障设置系统主要由一些长闭的开关所组成，开关闭合时，各传感器或信号仿真系统的信号可以进入控制电脑，在相应的检测孔处可以检测到信号；开关断开时，进入电脑的信号线断开，无信号进入电脑，在相应的检测孔处检测不到信号。该系统主要是用于检测控制电脑的故障自诊断系统和后备系统的性能。即当传感器的信号在一段时间内不能进电脑时，电脑应该将相关的信息存储起来并点亮仪表板上的故障指示灯，同时由后备系统产生一个替代信号给电脑，以保证发动机维持基本的功能。显示系统的功能是显示发动机的性能参数和部分执行器的工作状态。能够显示的参数为发动机转速和汽车的车速。喷油器和部分电磁阀的两端并联有发光二极管，当喷油器和电磁阀工作时，其两端产生的电压使得LED闪烁。发动机正常工作时，与四个喷油器并联的LED应该依次闪烁，由此即可判断喷油器的工作与否。当电脑检测到控制系统有故障时，仪表板上的故障指示灯也应该点亮。数据检测系统则用于检测传感器和执行器的信号（电压，波形等）。本章小结本章内容共分为两节，主要介绍了电控发动机实验台的一些基本知识。在第一节里，首先简单介绍了现代电控发动机的构成和控制内容，接下来着重阐述了电控燃油喷射（EFI）系统和电子点火（ESA）系统的组成和工作原理。在第二节里面，对电控发动机的实验台做了相关的介绍，先是介绍了实验台的种类和目前国内外实验台的研究情况，接下来着重阐述了大众JETTA2.0电控发动机实验台的性质（即属于教学用实验台）、组成和工作原理。第二章 电控发动机工作原理图的设计2.1 电路的初步整理在做该选题之前，我唯一的资料就是发动机控制系统的原始资料图。JETTA发动机原始的电路图共有两张，在米切尔系统内。通过对原始图的粘贴、拼合、复制、整理和打印，形成了两张完整的电路图（见附录）。原始资料图的线路错综复杂，各器件的位置也没有任何的规律，而且都为英文标识，因此在设计显示板电路之前，需要对原始的资料进行整理。整理工作从电源开始。综观整个原始图，共有两处标有”battery”的符号，从蓄电池的正极出来，经过了FUSE101之后，其中一路通往二次空气喷射泵继电器的“30”接口，当继电器触电闭合的时候，通过“87”接头至二次空气喷射泵电机的正极接头，而电机的负极接头通过塔铁和蓄电池的负极相连，形成回路，如图2-1所示。蓄电池FUSE101二次空气喷射泵继电器二次空气喷射泵蓄电池FUSE101图2-1另外一处battery则分成两路，一路直接进电脑的54脚，另一路和保险丝/继电器接线盒上的油泵继电器的30接头相连，当油泵继电器的触点闭合时，通过87接头向外提供电源，如图2-2所示。 蓄电池FUSE10154 ECU6点火开关87 30 油泵继电器86 85图2-287接头的出口处接线较多，分述如下：第一路有两根线，其中一根线通往燃油切断电磁阀继电器，而另外一路则向许多执行器和传感器供电：1， 通往二次空气喷射泵继电器的电磁线圈的一端，线圈的另外一端通往ECU的49脚；2， 通往空气流量计的电源端，空气流量计还有三个端子，其中两个分别进电脑的16和17脚，另外一个接地；3， 通往二次空气喷射电磁阀的电源端，阀的另一端接电脑的50脚；4， 通往EVAP调节电磁阀的电源端，阀的另一端接燃油切断继电器的电磁线圈，线圈的另外一端直接塔铁；5， 通往活性碳罐电磁阀的电源端，阀的另一端接电脑的31脚；6， 通往泄露检测泵的电源端，泵另外的两个端子，其中一个直接进电脑的46脚，另一个和来自燃油切断继电器的线一起进电脑的35脚，如图2-3所示。油泵继电器87接脚燃油切断继电器泄露检测泵空气流量计二次空气喷射电磁阀活性碳罐电磁阀1号喷油器2号喷油器3号喷油器4号喷油器二次空气喷射继电器354649161750 ECU312425262图2-3第二路只有一根线，通往四个喷油器的电源接线端，喷油器的另外一个接脚则分别通往电脑的24、25、26和2脚。最后一路线在经过了FUSE15保险丝后，分成两路，一路通往油泵的的电源接线端，油泵的另外一端直接塔铁。另外一路则通往两个氧传感器的加热器的电源接线端，两个加热器的另外一端分别进电脑的12和66脚。两个氧传感器产生的信号分别进电脑的20和42与13和58脚。氧传感器的接地端直接塔铁，如图2-4所示。油泵搭铁FUSE15油泵继电器ECU12和66氧传感器加热线圈图2-4除了battery标识之外，电路中还有两处Ignition15的标识和一处Ignition的标识，通过对Power distribute system电路（在米切尔系统内）的分析，发现这三根线都是来自于点火开关的IG端，当点火开关接通时，蓄电池电源经过点火开关送给这三根线，它们分别通往不同的器件，分述如下：Ignition端有两条路，其中一条经保险丝和继电器接线盒，通往仪表板系统上的故障指示灯的一端，指示灯的另外一端在经过了保险丝和继电器接线盒之后，通往电脑的3号脚。另外一条路则通往油泵继电器的86接脚，经过电磁线圈之后，从油泵继电器的85接脚出来直接进电脑的6号脚，如图2-5所示。3ECU6故障指示灯86 油泵继电器85点火开关图2-5另外还有两个Ignition15接口，其中一个经过FUSE15直接进入电脑的23号脚，给电脑提供电源。另外一个分成三路：一路至仪表板系统，为整个仪表系统的正常工作提供电源；另外一路至凸轮轴位置传感器的电源接线端，凸轮轴位置传感器的另外两根线分别进入电脑的56和44号脚；还有一路至点火线圈的“电源”接线柱，当电脑控制点火器接通的时候，点火线圈的初级电路中有电流通过，在其周围就会产生一个磁场，当电脑控制点火器断开的时候，线圈中的电流消失，由其产生的磁场也随之消失。根据电磁线圈的互感原理，此时在点火线圈的次级绕组中将产生高达20KV左右的电压，用于击穿火花塞的间隙，使火花塞跳火。点火器共有三根线，一根接点火线圈的“负极”接线柱，一根接“地”，还有一根和控制电脑的8号脚相连。至此，整个系统与电源相关的电路已经基本结束了，但是还没有找到系统的“地”线。我们知道，电是最讲回路的，没有电源或者地线，都不可能形成回路。所以找到系统的地线就显得非常必要。经过观察，我发现电脑的1号脚在与空气流量计的一根线连接之后一起接地了，据此可以判断出，电脑的1号脚就是接地线。为了更加清晰的查找接下来的电路，我把已经找到的电路都用铅笔做了记号。接下来，我想从控制电脑的接脚开始查找。通过前面的查找，我已经找到了与电脑相关的接脚的连接电路，剩下的接脚已经不多了。通过对电脑接脚的观察，发现有些脚是空的，即4，5，9，15，19，28，29，30，32，38，45，47，48，51，52，55，57，59，61，63等接脚并不和外电路相连，而是悬空的。还有一些接脚，如11，18，21和37是和变速器系统相连的，39脚是和空调系统相连的，60和64脚也分别和其它系统相连，这些和发动机控制系统本身并没有太大的关系，所以暂时也可以不予考虑。这样的话，整个原始图上面只有发动机转速传感器，爆震传感器（KNK），进气温度传感器（ATS），冷却液温度传感器（ECTS）和节气门阀控制模块的相关线路没有查找，现就这些线路和电脑剩余的接脚继续查找。首先查找发动机转速传感器，经过观察发现，该传感器共有3根线，其中有两根是直接进电脑的67和68号脚的，还有一根是屏蔽线，分别与来自凸轮轴位置传感器和爆震传感器的屏蔽线一起，进入了电脑的7和56号脚。再来查找爆震传感器，该传感器共有三根线，一根屏蔽线已经述及，还有两根是信号线，其中的一根直接与电脑的34脚相连，而另外一根，则和进气温度传感器与冷却液温度传感器的一根线相连，然后与节气门控制模块的7号线连接之后进入电脑的33号脚。根据相关资料的介绍，即一些原理与功能相似的传感器是可以共地的。可以判断电脑的33号脚为进气温度传感器，冷却液温度传感器，爆震传感器与节气门控制模块的公共地线。而进气温度传感器和冷却液温度传感器都是负温度系数的热敏电阻，只有两根线与电脑相连，除去地线之外，进气温度传感器还有一根信号线与电脑的36号脚相连，冷却液温度传感器的信号线与电脑的14号脚相连。而节气门控制模块的电路相对要复杂一些，其内部的具体结构和原理并没有在资料上显示出来，除了7号脚表示地线之外，其它脚的含义并不清楚，但是它们与控制电脑之间的接线关系是对应的，即节气门阀的1，2，3，4，5，8号脚分别与ECU的27，53，10，41，40和62号脚相连。至此，线路的初步整理工作已基本结束，但是在核对外部电路与电脑的接线时，发现还少了三根线。经过进一步的查找，发现车载故障诊断仪有一根线与控制电脑的43号脚相连，仪表板系统还有一根信号线与ECU的22号脚相连，而车速传感器的信号线在经过了仪表板上车速表的显示之后与ECU的65号脚相连。再次核对电脑与外电路的接线，发现接线一致。经过清点，在ECU模块中，与发动机控制系统相关的接脚共有41条。原始资料的整理工作顺利结束。2.2 发动机系统线路的整理所谓线路的整合，即在完成原始资料整理任务的基础上，实现对正面电路图的设计。正面电路图要能够非常清晰、明了地反映电控发动机控制系统的工作原理，同时也应该让各组成部件在图纸上有合理的位置。即尽可能把传感器和执行器分别放在控制电脑的两边，整个原理图要在保证正确反映控制系统工作原理的基础上做到结构清晰，简洁明了。总的来说，系统线路的整合要遵循以下的原则：首先，综合各条线路情况，将与相同部件相连的发动机ECU引脚放在一起，将电路段落化，以简化总图的线路，便于布置。如爆震传感器，冷却液温度传感器，进气温度传感器和节气门控制模块是共地线的，因此将它们布置在一起。其次，将与电源相关的部件放在一起。例如，将与从油泵出口的线相连的喷油器、活性碳罐电磁阀和二次空气喷射电磁阀等执行器放在一起。将由电脑供电的传感器放在一起（前已述及）。最后，对电路图做整体性的布置，尽量避免线路集中在一侧或者交叉。即电脑的引脚可以不按照原先的顺序排列，但是与电脑相连接的线路则尽可能不要交叉，以改善整个图形的美观性。总之以正确、合理为前提，兼顾美观、匀称的原则。本章小结本章内容分为两节，主要介绍了大众JETTA2.0电控发动机的控制原理图的整理过程和显示板正面电路图的设计过程。第一节的内容为电路的初步整理，本节系统地阐述了控制电路的整理过程，即从原始的米切尔系统中分析、判断出个传感器和执行器与控制电脑的连接关系，同时对电脑与电源和地线以及其它总成之间的连接关系也做了详细的介绍。可以说，这部分的资料是从事后续工作的基础，只有把这方面的工作做好了，后面的工作才有可能顺利的开展。为了能够更加直观、清晰的表明各部件之间的连接关系，文中在用文字叙述的同时配有相应的框图。第二节的内容为系统线路的整理，本节简单介绍了在电路初步整理资料的基础上设计控制板正面电路的原则与过程。实验台正面显示板电路图见附图(显示板正面电路图)。 第三章 电控发动机实验台主体部分的电路设计3.1 方案的选择与确定方案的选择主要是指实验台机械部分和控制部分两个方面方案的选择过程和选择原则。由于本文主要介绍实验台电路的设计过程和原理，所以对机械部分只做一简单的介绍，以便更好地说明各控制部件在系统中的实际位置，机械部分的结构如图3-1所示。a b d c f e jg h kjijj I i m n 图3-1由fjkg面、kgmn面和ijkn面及它们的对应面组成的下部的长方体是用于放置发动机的主体部分的，即发动机的机械组成部分主要放在这一区域中。上部的长方体ahed即为控制柜，用于放置系统的控制部件，其中，behc面亦为正面显示部分，各部分的具体功能将在后面的章节中作详细的介绍。一、方案的选择原则实验台方案的选择与实验台的性质和功能有关，不同性质的实验台的设计方案并不相同，但是不论哪种实验台，在设计的过程中都应该遵循使用方便，功能齐全，结构简单和外形美观等一些基本原则。上述实验台最显著的特点就是结构简单，总体上只有两个长方体组成。下面的长方体为脚钢焊接而成，最底面上焊接有用于安装发动机的架子，用于固定发动机；上面的长方体为木质结构，afgd面为可活动面，以便于安装控制系统的各组成部件。Behc面上布置有仪表、检测孔、点火开关和LED显示灯等部件，abef面设置有故障开关和信号仿真系统的切换开关和改变仿真信号值的电位计旋纽。上下两个长方体通过螺栓连接。二、方案的确定通过上面的介绍，我们可以看出，上面的实验台结构简单，功能齐全，且能直观地显示发动机工作过程中的一些性能参数，如发动机转速等。除此之外，该实验台的使用也十分方便。控制柜后面的一个面板是可以拆卸的，因此控制柜里面的部件可以方便地安装。由于整个控制柜就是一个简单的长方体，不但制造工艺简单，而且内部的布置也很简单。综观整个实验台，外形美观，功能齐全，制造工艺简单，成本低廉，且使用十分方便。因此，最终确定了该设计方案。3.2 电路的设计原则实验台主体部分电路的设计原则即电路设计过程中应该注意的问题和必须遵行的基本原则，总的来说，主要有以下几个原则。一、各传感器和执行器应该按照其在发动机中的实际安装位置布置在发动机的周围，尽量反映出发动机的实际构造，以增加示教的效果。二、所有保险丝要放在一起，即全部放置在保险丝盒里面。三、所有继电器要放在一起，即全部放置在继电器盒里面。四、各线条应该避免不必要的弯折和交叉，以使整个图形清晰、简洁、美观。五、蓄电池的位置应尽量放在其在发动机中的部位，且要符合上述原则。以上是设计主体部分电路的一些基本原则，在设计的过程中，还出现了许多刚开始没有想到的问题，但是经过一次次的改进，最终完成了控制部分电路的设计图纸（见附图）。设计过程的说明将在下节中介绍。3.3 设计过程的说明一、发动机系统各部件的实际位置1、进气温度传感器和空气流量计一起安装在空气滤清器的后面，因为在标注时二者之间有一定的距离，所以将它们布置在发动机的上下两侧。它们的作用分别是将进气温度信号和进气量的信号传送给控制电脑。节气门控制阀安装在进气管上，即空气流量计的后面，其作用是将节气门开度信号传送给控制电脑。氧传感器安装在排气管上，两个氧传感器分别安装在三元催化转换装置的前后。它们的作用是将排气管中的氧气的含量转换成电信号后传送给控制电脑。2、凸轮轴位置传感器和转速传感器都安装在分电器的轴上，但是它们转盘上齿的数目不同，固定在分电器壳体上的感应线圈的规格是相同的。发动机工作时，曲轴的旋转带动分电器轴旋转，既而在定子线圈中感应出电动势，经过处理之后即为凸轮轴位置信号和发动机转速信号。3、爆震传感器和冷却液温度传感器一起安装在气缸体上。前者安装在缸体的侧面，后者安装在缸体水套的出水口处。它们的作用是分别将爆震信号和冷却液温度信号传送给控制电脑。4、四个喷油器的一端分别安装在对应气缸进气门前面的进气歧管上，而另外一端则安装在输油总管上。它们的作用是接受电脑的控制信号，适时地在进气门前面喷射适量雾化的汽油。为了方便布置，且能够直观地显示出它们在发动机上的安装位置，图中将它们放在了发动机区的中间。5、除了上述主要的传感器和执行器之外，还有EVAP调节阀，活性碳罐电磁阀，泄露检测泵，二次空气喷射泵，二次空气喷射电磁阀等也都放置在了相应的位置（见主体部分电路图）。二、影响布置的其它因素1、可以将不宜碰触，不用经常检修，体积较小的元件放入控制柜中，而那些比较笨重，需要检修、更换的元件放在台架主体中。2、虽然各部件应该尽量按照实际位置摆放，但同时也应考虑空间的合理应用，避免拥挤或者过于松散。3、考虑部件工作时会不会有相互的干扰，防止系统工作不正常，甚至损坏等情况。三、布置过程1、首先，要对图纸进行安排。将图纸的下面作为车头的方向，所有线路从图纸的左边引出，在此基础上进行线路的布置。2、除了控制电脑外，其它的部件都在主体部分。因为控制电脑一般不需要进行修理，而且易受到干扰和损坏。进气温度传感器、空气流量计都按照它们的实际位置布置在发动机的两侧，四个喷油器也按照它们的实际安装位置布置在发动机的上方。其它传感器和执行器则尽量放置在靠近实际工作的位置，点火线圈和点火器放在发动机的右侧。在这些主要部件布置完成之后，其他部件则根据空间的要求，考虑避免线路的交叉和转绕等。3、保险丝放置在主体部分，以便于检测和更换，而且在电路图的表达上比较清晰。如果将保险丝放入控制柜中，在电路图的阅读上将带来较大困难。为了线路的清晰，将保险丝放在发动机架子上的保险丝盒中，也就是图纸的左边。这样就避免了不必要的线路交叉，便于外接。与此同时，蓄电池的位置也就确定下来了。因为从蓄电池出来的线路都与保险丝相连接，所以将蓄电池放置在保险丝的下部即可。4、最后，将各个部件的线路连接好，选择恰当的位置将线路外接。尽量采用直线，避免不必要的交叉和环绕。从这一点出发，要做出许多微小的调整。以保险丝为例，最初，我只是将保险丝从左至右依次排列，对于哪个在左，哪个在右，并没有进行有意识的安排。但是在线路连接好之后，就发现保险丝的排列不恰当，造成了线路的混乱。需要进行调整。将与点火开关相连接的保险丝排在最左边，与蓄电池相连接的保险丝排在中间，而与油泵相连的保险丝排在最右边。经过调整之后，整个线路得到了简化。再比如，油泵继电器的一端与许多传感器和执行器相连，为了不改动已经画好的许多传感器和执行器，就将油泵继电器放在了图示的位置。燃油切断继电器的布置与此相同。5、在有了这个模型之后，并不能最终确定整个设计图的方案，还需要考虑主体部分线路与控制部分线路的连接关系，只有控制柜部分的电路设计也完成之后，两者进行综合整理，才能最终确定。其实，由于一开始对图纸和各部件的尺寸不了解，当画完草图之后，虽然各组成部件之间的线路很清晰，但是它们与控制部分之间的连接线路则折了许多的弯，影响了总体视图的美观。所以在后来重新布置的过程中，我认真地计算了进入控制柜的线数，而且相邻两根线之间的距离也设计的相同（都为0.7mm）。这样不但避免了线路的弯折，而且使整个图看起来很匀称。四、布置结果该部分的电路图从草图到最终成图，其中进行了多次的修改、重画等过程，以求达到布置上更加合理。本章小结本章内容共分为三节，主要介绍了电控发动机实验台主体部分电路的设计过程。第一节首先介绍了实验台方案的选择与确定，主要是指机械部分方案的选择与确定。设计方案主要应该遵循使用方便，功能齐全，结构简单外形美观等一些基本原则。接着在第二节中介绍了电路设计原则及设计过程中应该注意的一些问题。主要的原则是图中的部件要尽可能的反映出其在发动机上的实际安装位置，同时要把保险丝和继电器等电器元件放置在一起，还有就是尽可能减少线的数量和交叉。最后一节对设计的过程做了详细的说明，首先对发动机系统各部件的实际位置和工作原理做了一个简单的介绍，然后又阐述了影响布置的一些其它因素，最后对设计的具体过程做了详细的说明。实验台主体部分电路图见附图(主体部分电路图)第四章 电控发动机实验台控制部分电路的设计4.1 控制柜的功能要求控制柜是整个实验台的大脑和心脏，通过控制柜可以对实验台进行各种控制，还可以对发动机工作过程中的部分执行器和一些性能参数进行显示和测量。综上所述，JETTA2.0电控发动机实验台的控制部分应该具备以下功能：一、显示功能该部分的功能主要包括两个方面，一个是仪表的显示，另外一方面是显示灯的显示。由于发动机本身具有显示其部分参数的仪表板，所以为了降低实验台的制造成本，使发动机参数的显示更加贴切实际时的情形，选择了发动机的仪表板作为数据显示的工具。显示的内容主要为发动机的仪表板能够显示，且与控制系统相关的参数，具体的说，主要有发动机转速信号，汽车的车速信号和电控发动机的故障指示灯。除了仪表显示外，显示系统还包括了显示灯的显示功能。该部分的显示主要是针对部分执行器的，主要包括四个喷油器，活性碳罐电磁阀和二次空气喷射电磁阀。显示部分的工作原理很简单，用一个发光二极管和一个阻值适当的电阻串联，然后将其与相应的执行器并联，执行器不工作的时候，两端的电位相同，没有电压，也就没有电流，不能工作；当电脑控制执行器工作的时候，就会使其一端接地，这样执行器两断就有电压，在执行器工作的同时，与其并联的发光二极管两端有正向电压，二极管导通工作，既而发光显示。二、故障设置功能故障设置应该是用于教学的发动机实验台的控制部分的重要内容，这是由示教实验台的性质决定的。为了能够使学员更加充分地了解电控发动机的工作原理，有必要对发动机的不同工作状况进行演示，其中就应该包括故障设置功能。该实验台的故障设计系统十分的简单，即由故障设置开关所组成。之所以选择这样的结构，主要是因为该种装置结构非常的简单，成本低廉，使用和维修也十分的方便。故障设置开关选择为常闭开关，即发动机正常工作时其处于闭合状态，对整个系统而言，相当于一根导线。从各传感器来的信号可以通过它进入控制电脑，从而使得电脑能够适时地接收到相应传感器传送进来的正确的信号。当需要设置故障的时候，只要切断开关即可。即让常闭的开关断开，这样从相应传感器来的信号就不能进入电脑，电脑在一段时间内接收不到相应传感器的正常信号，即认为传感器出现故障。现代电控发动机的控制电脑都具有替代功能，即当系统出现故障时，电脑会自动产生一个信号替代传感器的信号，但是该信号常为固定值，不能随发动机工作状况的变化而改变。所以在这样的情况下，虽然发动机可以工作，但是它的性能会受到很大的影响，通过对发动机工作过程中不同现象的比较，可使学员对故障有大致的了解。三、信号仿真功能前面讲到的故障设置系统，能够改变进入电脑的传感器的信号，但是当它切断传感器与电脑之间的连接线路时，在相应的故障检测端口处是检测不到信号的，而且它只能接通和断开控制电脑与传感器之间的连接，而不能在一定范围内模拟信号，所以对于发动机的一些工作状况就不能进行更加贴切的模拟，如发动机冷却液温度信号，当故障设置开关断开时，电脑检测不到传感器的信号，电脑内部提供的参考电源的电压直接做为信号电压传输给电脑，电脑检测到这一信号之后，即认为传感器开路（与电脑相连的线路断路），既而产生一个替代信号（常为发动机冷却液温度为80时的电压信号）。为了能够模仿传感器的信号，在电路中设置了信号仿真系统，其作用是可以在一定范围内模拟传感器的信号而不让电脑认为是故障。例如冷却液温度传感器的信号仿真系统，主要由模拟冷却液温度传感器的可变电阻和一个双向开关组成。当双向开关在与一条线路接通时（发动机正常工作时与来自传感器的线路相连），传感器的信号进入电脑；当将双向开关切换到与另外一条线路接通时，模拟信号进入发动机的电脑。因为发动机冷却液温度传感器从本质上说即为一个阻值可以随温度的变化而改变的可变电阻，其性质与可变电阻一致，所以用可变电阻代替冷却液温度传感器是可行的。模拟信号进入电脑之后，其值是可以通过旋钮的转动调节的，因此可以模拟传感器在不同工况下的值。仍然以冷却液温度传感器为例加以说明：当冷却液温度为80时，其传送给电脑一个对应的温度信号，电脑根据该信号，对执行器即喷油器的喷油脉宽进行修正。如果此时切断传感器的信号，而用仿真信号来代替（实际操作中只要把开关拨至另外一侧即可），那么进入电脑的假的冷却液温度信号就可以进行调节了。我们知道，当发动机冷却液温度比较低的时候，控制电脑会增加喷油器的喷油脉宽，使其多喷油，以克服低温下汽油蒸发不良的弊端。而在发动机温度较高时，如果喷油量仍然较多的话，就会导致发动机的混合气过浓，产生故障现象。在发动机的实际工作温度为80时，通过仿真信号，给电脑一个40时的信号值，那么电脑就会认为发动机工作在40度的环境中，既而增加喷油脉宽，使的混合气变浓。实现故障模拟的目的。四、数据检测功能电控发动机实验台的一个主要特点就是便于检测。在控制柜的正面，布置有数据检测区，该区域内布置了许多的检测插孔，通过专用仪器，可以检测相应传感器和执行器的性能参数，并且可以用示波器观测各数据的波形。例如。在喷油器的两端设置有检测端口，发动机不工作时，可通过万用表检测喷油器两端的电压或电阻（静态检测）；当发动机工作，可以通过示波器观测喷油器的工作波形。这样就可以很方便地检测控制部分各组成部件的工作状态。值得一提的是，在普通的电控发动机上也可以检测相关的数据，但是那将会非常的麻烦，因为各组成部件与电脑之间的连线都不是外露的，并不便于检测。而实验台则不同，数据检测区域将各个与控制电脑相连的线路在进入电脑的同时，采集一路到控制板的检测插孔上，这样在检测插孔上即可方便地检测到各相关的参数和波形。 除了上述功能之外，实验台的控制部分还有一些发动机本身所具有的功能，如故障自诊断功能和后备功能等。在下面的章节中，还会对相关的内容进行详细的介绍。4.2 控制柜整体构造的设计有了上节所介绍的控制柜的功能要求之后，现在就可以对这些要求实现的功能进行系统的设计了。所谓控制柜整体构造的设计，即包括功能的设计和外观的布置两个方面。现在分别对它们进行介绍。一、控制柜的布置在主体部分设计的时候，就已经对控制柜的外形作了简单的介绍。即整个控制柜总体上为长方体木质结构。之所以采用这样的设计方案，是因为这不但能够满足实现所需功能的要求，而且结构简单，价格低廉，使用和维修都十分地方便。在控制柜上需要布置的元件主要有仪表板、故障自诊断接口和点火开关等。为了便于观察，经过对比之后，将仪表板放在了控制柜正面的左下方，这个位置类似于仪表板在汽车上的实际安装位置。在仪表板的右侧，即控制柜正面的下方，安装有十六孔的故障自诊断接口，用于检测整个控制系统的故障。当系统出现故障的时候，位于仪表板上的故障指示灯就会亮起来，以示报警。控制柜正面的布局，如图4-1所示：C BLED 数据显示 检测区域 区域 故障自诊断 仪表板 接口 点火开关H E 图4-1在故障自诊断接口的右边，即正面板的右下方，安装有点火开关。点火开关的一端与来自主体部分的蓄电池的正极线路相连接，另外一端在向仪表系统和故障指示灯供电的同时，也向主体部分的一些用电元件供电。在正面板的上方，左边布置有一列指示喷油器和两个电磁阀（活性碳罐电磁阀和二次空气喷射电磁阀）工作状态的的发光二极管，前面已经介绍过了，当这些执行器工作的时候，与之相对应的LED就发光显示。这一区域为显示区。在正面板的上部中间位置，为数据检测区域，包括喷油器性能参数的检测，活性碳罐电磁阀和二次空气喷射电磁阀性能参数的检测，冷却液温度传感器信号的检测，进气温度传感器信号的检测和爆震传感器信号的检测等。正面板的大致布局如上图所示。在控制柜的底面，安装有控制电脑，即电脑被固定在控制柜的底板上。经过再三的比较，发现电脑放在这里是比较合适的，不但便于固定，而且便于接线。从主体部分过来的线束在穿过了控制柜底板上的接线孔之后，进入控制柜，其中很大一部分线直接与位于控制柜底板上的控制电脑相连接，减少了线路的交叉。再者，电脑可以平放在底板上，由底板支撑。如果把电脑布置在其他位置的话，那将是很不便于固定的。所以经过综合考虑之后，还是把控制电脑放在了底板上。在控制柜的ABEF面上，布置了故障设置系统和信号仿真系统。由于正面板用于显示和检测用，所以就没有过多的位置留给故障设置和信号仿真系统了。考虑到故障设置和信号仿真系统在外部的形式上都表现为一个转换开关，即它们的工作情况类似，所以考虑把它们放在一起。当需要启动发动机的时候，必须要先打开点火开关，而点火开关位于正面板的右下方，操作者要位于控制柜的右边才便于操作。考虑到完成了发动机的启动之后，便于操作者直接操作故障设置和信号仿真系统，所以将故障设置和信号仿真系统设置在了控制柜的右面，即BAEF面上，具体位置可以参阅附图（控制部分电路图）。二、功能的设计前面提到了控制柜的功能要求,主要有显示功能,故障设置功能,信号仿真功能和数据检测功能等。这给实验台控制部分的总体设计树立了一个框架，但是具体结构该如何设计呢，在控制的对象中，主要应该包括哪些内容呢？下面就这些问题做一个详细的介绍。1、显示功能前面已经介绍了，显示功能主要包括两个部分，一部分是利用仪表板来显示，另外一部分就是LED的显示。仪表板显示的内容是固定的，即发动机转速信号和车速信号。而LED的显示功能则很灵活。显示传感器还是执行器呢？我们都知道，如果想要LED工作，必须要在其两端加上一定的直流电压，且工作的过程中，要向其提供一定的电流。汽车上的传感器一般都是由电脑提供电源的，通常为5V直流电源，例如冷却液温度传感器，就是由电脑在内部向其提供一个5V的参考电源。很多传感器向电脑提供的都是连续变化的模拟信号，其值在一定范围内的变化是很小的。所以不论是从电压还是电流来分析，利用LED来显示传感器的工作状况都是比较麻烦的。 因此，在利用LED显示方面，针对的主要是执行器，而不是传感器。在仪表显示方面，则可以显示出发动机转速传感器信号和汽车速度信号。在电控发动机的EFI系统中，最重要的执行器就是喷油器了，所以就很自然地想到用LED来显示喷油器的工作状态。如何实现呢？我们知道，当电脑给喷油器发出指令，使其工作的时候，实际上是使喷油器线圈的一端接地，而另外一端则与电源相连，即喷油器工作的时候，两端是有电源电压的。考虑如此，即想到在喷油器的两端并联一个LED，当喷油器工作的时候，两端的电压使LED导通而发光。但是，如果直接在喷油器两端并联LED的话，那么电源电压也就直接加在了LED上，那样就可能会烧坏发光二极管。为了解决这一问题，想到了一个方法，即用一个电阻与LED串联之后，再将它们一起与喷油器并联。那么电阻的阻值该如何选择呢？在学习电控发动机的故障检测与诊断时，记得老师说过，与LED串联的电阻大约为300-400之间，因此选择电阻R=300。这样是否会影响到喷油器的工作特性呢，这个问题在后面会有详细的介绍。2、故障设置功能故障设置是电控发动机实验台的一大特点，根据设置故障方式的不同，主要有手动控制和键盘输入自动控制两种。键盘输入自动控制的故障设置系统功能齐全，但是技术相对比较复杂，成本也很高，而手动控制的故障设置系统结构非常简单，成本低廉，但是所能够实现的功能也很有限。相比之下，最终还是选择了手动控制的故障设置系统。故障设置主要是针对传感器而言的。我们知道，发动机正常工作的过程中，如果电脑接收不到传感器传送过来的信号，就会认为是发生了故障。因此，我所设计的故障设置系统就是一种能切断传感器信号的常闭开关。当开关闭合的时候，传感器的信号可以进入电脑，当开关断开的时候，传感器的信号就不能进入电脑，只需要用手操作开关即可实现。那么，该选择哪些传感器作为控制的对象呢？在电控发动机中，最重要的传感器就是发动机转速传感器和空气流量传感器，是否可以对这些部件进行故障设置呢，理论上分析认为，当然是可以的。但是，问题也随之产生了。首先，JETTA2.0电控发动机上所选用的空气流量计的具体形式我并不清楚，只知道它与电脑之间的连接关系，而不知道其内部的具体构造，所以要对它进行故障设置，几乎是不太可能了。那么，是否可以对发动机转速传感器进行故障设置呢，经过细致的思考，我认为也是不太可能的。从原理图中可以看出，该型号发动机的转速传感器是磁脉冲式的，它有两根线与控制电脑相连接。任意断开其中的一根，即可切断传感器与电脑之间的连接，但是这将使发动机不能工作，因为发动机转速传感器是发动机最重要的传感器，当它的信号出现故障时，电脑是无法产生替代信号的，所以发动机也就无法正常工作了。从示教的角度来说，设置这样的故障是没有意义的。既然发动机中两个最重要的传感器都不可以设置故障，那么接下来该选择哪些传感器呢？除了上述的两个最主要的传感器之外，权数较高的传感器就只有冷却液温度传感器了，而且该传感器的结构十分的简单，为一负温度系数（NTC）的热敏电阻。只要切断传感器与电脑之间的信号线，即可使传感器的信号不能进入电脑。因此，在冷却液温度传感器与电脑连接的线路上设置一个开关，即可实现此功能。考虑到进气温度传感器的工作原理与冷却液温度传感器完全一致，因此对该传感器也设置了故障，方法也是在其与电脑之间的连接线路上设置一个开关。在第一章里曾经说过，电控发动机的控制内容是非常多的，除了EFI系统 之外，还有ESA系统，即电子控制点火系统。该系统中也有一个十分重要的传感器，即爆震传感器，该传感器对控制发动机正常工作中的点火提前角有很大的影响。在闭环控制的点火系统中，控制电脑根据爆震传感器的信号不断地调整点火提前角，以使发动机控制在临界爆震的范围内，从而实现对发动机动力性和经济性的最优化控制。如果爆震传感器的信号不能进入电脑，那么电脑就不能实现点火的闭环控制。在这样的情况下，电脑会产生一个固定的点火提前角（常为上止点前20），以维持发动机的基本功能。由此可见，爆震传感器也是一个十分重要的传感器，所以选择了对它实行故障设置。方法和前面两传感器是一致的，即在传感器与电脑之间的连接线路上设置一个开关。至此，故障设置功能基本介绍结束。3、信号仿真功能该实验台所说的信号仿真都是针对传感器的，因为只有传感