（机械电子工程专业论文）电喷发动机试验台架的研发.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 发动机试验是考核发动机的动力性、经济性和工作可靠性以及检查整机和零部件 的制造质量、可靠性和耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、设计、制造新型发动机 的一个必不可少的重要环节。为了能严格控制试验条件和模拟发动机的各种工况，发 动机试验通常在试验台架上进行。 发动机试验台架是发动机性能测试的主要设备，其自动化水平、测控精度直接影 响试验数据的采集和分析。为确保生产中的测量及控制精度和提高自动化水平，采用 plc 控制的发动机试验台架测控系统是今后发展的必然趋势。 本文主要介绍发动机试验台架研发的整个过程，讨论了发动机试验台架中起动系 统、供油系统、进水系统、排水系统、plc 控制系统、td200 文本显示器等系统的设 计与实现。在考虑了系统所需实现的功能、硬件的工作环境、各种元件的综合性能指 标及合理匹配的条件后，进行了测控系统的硬件设计。同时，考虑软件的整体构成， 进行了参数编辑、系统监控、全自动控制等程序的设计，能够完成系统的监控、报警、 显示等功能。并针对试验台架研发过程中的重要方面作了分析，详尽介绍了各系统的 结构、工作原理，着重阐述了各系统中关键硬件的设计和专用软件的编程。整个试验 台架不仅自动化程度高、操作方便、显示直观，而且较大程度地改善了试验人员的工 作环境，节约了相当的时间和人力，提高了劳动生产率。 关键词：关键词：发动机；试验台架；plc 控制系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the engine test is essential means which can check engines power, economic, reliability of work and can inspect the manufactures quality, reliability and wear resistance of engine and its parts. it is important tache of researching, designing, manufacturing the new-type engine, too. the engine is usually tested on test-bed in order to strictly control tests condition and simulate the different load condition. engine test-bed is the main equipment of testing the performance of engines. its lever of automation and control precision will affect the tested datas collection and analysis directly. to insure control precision in the manufacture and to improve the level of automation, it is the trend of development to apply the plc control system for engine test-bed experiment. this paper mainly introduces the whole research process of the engine test-bed system and discusses the design and implementation of engine test-bed of starting system, fuel supply system, water injection system, drainage system, plc control system, td200 show panel, and so on. after the function realization of system, the working condition of the hard ware, integrative performance and rational matching of various components are considered, the hardware is designed. at the same time, the software is systematically designed, which include editing the parameters, watching and controlling the system, auto-controlling, and so on. so that the system can realize the function of watching and controlling, giving alarm, displaying the reports of the experiments. aiming at the important aspects in research process of the engine test-bed, it introduces the structure, working principle of the diversified systems in particular and expatiates on the design of pivotal hardware and programme of special software. the whole engine test-bed not only has high automatization, handy manipulation, intuitionistic show, but also improves the working condition, saves time and manpower, increases the productivity. keywords: engine；test-bed；plc control system 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 前 言 前 言 汽车工业作为现代工业的一个支柱产业，是一个国家工业现代化发展水平的一个 直接反映。近年来，随着我国国民经济的发展和人们生活水平的提高，人们对汽车的 需求量的日益增多，人们对汽车性能的要求也不断提高。发动机作为汽车及其动力机 械的心脏部件，除了从结构设计、制造工艺方面改进外，对其性能指标及可靠性测试 的要求也越来越严格。发动机的台架试验是对发动机的性能进行测试的主要手段，在 测试过程中可以观察到发动机的一些细微变化，精确地测量在稳定工况及一些变化工 况下发动机的各种性能指标。试验的结果直接反映了产品性能的优劣，并指导工程技 术人员改进发动机的设计和制造工艺1。 发动机试验台架作为发动机性能测试的主要设备，其测试技术是关键。测试技术 的高低是衡量汽车工业现代化程度的一个重要标志，汽车工业水平的发展离不开发动 机测试技术的提高。我国内燃机制造企业有数百家，每家企业都拥有数量不等的发动 机试验台架，再加上各有关科研院所以及高等院校，估计各大小发动机试验台架有上 千台，这些试验台架大多数处于手工调整工况、目测读数、手写记录状态，已经远远 不能满足现代汽车行业对发动机性能的测试要求2 3。为此，在目前电子控制技术和 plc 控制系统迅速发展的背景下， 能否依靠现有的测试设备， 运用先进的电子控制技术 和 plc 控制系统，把原有的发动机台架的各个测试设备联系起来组成一套完整的自动 化测控系统，做到花钱不多，而效果与成套的自动化测试设备相同或接近，是一项很 有意义的课题。 本文对发动机试验台架进行研发，在充分利用以前台架试验设备的基础上，引入 先进的 ecu、plc 控制技术、良好的人机界面，把它们与各测试设备相连，用 step7 micro/win32 应用编程软件，实现发动机台架试验的自动化，将操作变得更加方便，控 制精度更加高，显示的更加直观，数据处理功能更加强大。 研发后的试验台架控制系统，不仅提高了试验效率和测量精度，而且还能实现以 前手工操作无法完成的变工况试验，扩大了试验范围。整个试验台架项目投资不多， 但效果显著，具有很强的经济性和实用性，可进一步的推广使用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1 绪 论 1 绪 论 1.1 发动机试验台架的发展历史 1.1 发动机试验台架的发展历史 早期的发动机试验台架多应用水力测功机，这种测功机没有控制器，其负荷的调 整完全靠手动调节完成，再配合油门调节实现对转速和扭矩的控制，操作都在现场进 行。扭矩的测量是借助于加载磅锤的偏转所形成的力矩，由偏转的表针在表盘上对应 的读数来反映扭矩的大小。在这种完全手控的操作方式下，要想形成一个稳定工况需 要花费较长的时间，且操作、读数记录都必须在现场进行，很不方便。后来人们对测 功机进行改进，配置控制器，增加传感器和水门、油门执行机构，测量装置利用转速、 扭矩传感器将转速、扭矩转换成电信号传给控制器并通过数字显示器显示，操作可以 通过调节控制器面板上的旋钮来改变发动机的转速和扭矩的大小。这样的控制方式与 电涡流测功机和电力测功机一样，使操作人员可以在操作室里调整工况、记录数据， 比起以前只能在现场操作记数来要方便多了。然而，这种情况仍然需要试验人员在发 动机运转过程中不断手工调整水门、油门大小，不能实现自动调整工况4 5 6。 随着电子工业的发展和微处理机技术的推广应用，发动机试验台架所用的试验设 备也不断得到改进，测量的精度、可靠性、操作的灵活性都有了很大提高。尤其是工 业自动化技术的不断革新，单板机、单片机技术的应用，仪表的自动化、智能化程度 越来越高。现在的测功机无论是水力、电力或电涡流式的，都有一套自动调节和控制 系统，可以进行恒定转速、恒定扭矩下控制发动机的运转。用户只需要调整转速、扭 矩至某一设定值，控制器就可以通过自动控制、反馈装置来维持发动机在某一稳定工 况下运行，在稳定工况下操作人员不再担心转速和负荷的改变，改善了操作条件，提 高了测量的稳定性和测量的精度，也缩短了测量时间7 8。 虽然电子和自控技术的应用使发动机台架的性能得到了改进，但从试验的过程来 看，目前发动机试验台架的试验方法仍处于传统的人工调节控制、目测读数、手写记 录阶段。即先调节发动机至一个测量工况，稳定一段时间后再分别读取发动机的扭矩、 转速、温度、压力、油耗值等各参数，然后再改变扭矩、转速等参数调节发动机到另 一个工况，稳定后再记录各项参数，最后测得的数据还是人工计算处理，生成数据表 格，用曲线板手工绘制或手工输入计算机由计算机拟合相应的特性曲线。可见，目前 台架试验的全部过程为9 10 11： 调节发动机在某一个工况下运转 检查是否稳定 确认稳定后记录各 仪表显示数据 调整发动机至另一个工况 （重复以上步骤） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 测完全部工况 计算并填写数据表格 画曲线图（外特性、万有特性等）。 其中大部分过程都是人工操作，这样的试验效率低，耗费了大量的人力、物力， 操作人员的劳动强度很大，测量精度不高。 近年来，随着计算机技术的广泛应用，测试仪器和设备的自动化、智能化程度得 到进一步的提高，由单板机、单片机支持的集高速数据采集、处理、分析和自动控制 为一体的各种测试设备也不断更新，测试的功能、范围也越来越大。然而，虽然这些 测试设备的自动化程度更强了，但他们都各自为政，只能对部分参数进行采集、显示、 控制，不能形成成套自动控制系统，造成相互之间缺乏协调性11 12。 由此可见，虽然测试设备不断得到改进，但依然需要手工操作来完成试验工况。 因此，只有利用先进的 plc 控制技术，才能实现对试验台架的自动控制。 1.2 国内外发动机试验台架现状 1.2 国内外发动机试验台架现状 在我国，由于技术水平的限制，早期的试验台架测控系统仅处于半自动化，系统 的功能虽可以实现对试验数据的采集和处理，但系统自动控制能力、稳定性和扩展性 具有很大的局限性。我国从九十年代初期才开展这方面的工作，许多企业和科研机构 正致力于计算机控制的发动机试验台架测控系统研制，相继开发研制出一批具有较高 自动化水平的测控系统，取得了可喜的进展。如杭州奕科机电技术有限责任公司开发 了出了一系列成套的发动机台架自动试验系统-eimo300n 系列，在国内有较多应用； 上海内燃机研究所，研制出了 ets-3 型发动机试验系统，为我国发动机行业测试技术 的发展做出了贡献；九六年辽宁工学院与长春一汽化油器厂联合研制了基于 std 工控 机的发动机台架试验数据采集系统；九七年江苏理工大学研制了微机控制的水力测功 器综合测试系统；九八年一月上海交通大学开发了 j114 集散式柴油机测控系统；九八 年三月桂林开发了 vxi 总线发动机自动测试系统；九九年二月北京工业大学研制了基 于集散型控制系统的发动机试验台架等4 5 6。 国外从七十年代末期就开始进行自动化的试验台架的研究，许多发动机生产厂家 及研究单位相继开发了一系列的发动机自动控制系统及设备。较为先进的如大众公司 从七五年起就开始研制程序控制的自动化发动机试验台；奥地利的 avl 公司开发出了 一流的发动机测控系统，它的硬件、软件都是作为一个整体来设计的，控制台将操纵 台、测试技术和自动控制溶为一体，控制台的核心是一个微机系统，承担全自动和半 自动的试验，包括调节、数据处理和监督，由外存将试验程序输入给微机，借助于简 单的指令以对话方式，通过字母数字键盘来建立和更改发动机的试验程序13 14；日本 渊野公司 esf-100 型发动机台架试验系统，该系统采用计算机集中控制，能够对各种 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 测试参数进行实时采集，并且能够实现数据处理、特性曲线绘制等功能；美国 power test 公司开发的新型水力测功机，它是采用 mc 3 技术的发动机台架试验系统，使用了 高速交换以太网构成的现场信息总成，通过数据分布处理技术，实现了多个测控系统 数据的实时监控与集中处理，并能完成数据库的实时建立与管理，使系统可扩展性与 升级能力得到了很大程度的提高15 16 17。到目前为止，国外各大发动机厂家和研究机 构都在使用自动化的试验台架，并使之功能更全、自动化程度更高、测试结果更精确、 数据显示更直观。 1.3 课题来源、目的、意义 1.3.1 课题来源 1.3 课题来源、目的、意义 1.3.1 课题来源 本课题来源于神龙汽车有限公司发动机试验台架项目，现在所要研发的是神龙 206/tu3af 型发动机空载热试台架。 由于该公司所生产的发动机型号、性能要求、测试重点与原来不同，所以要重新设 计研发一套全新的试验台架来满足现在的测试要求。与原来的发动机试验台架相比， 主要增加了电子控制单元（ecu） 、可编程控制器（plc）和人机界面等硬件部分，以及 完善了台架的自身功能，从而使该试验台架的整个系统可以精确可靠地自动完成对发 动机的数据分析和过程处理，简化了各种复杂的手工操作，节约了相当的时间和人力， 不仅较大程度改善了试验人员的工作环境，而且大大地提高了劳动生产率。 1.3.2 课题的研究目的 1.3.2 课题的研究目的 在国内， 已有单位开发出智能化的测试仪表， 但其控制部分还没能实现自动化控制， 不能形成成套的发动机台架自动测控系统。随着 ecu 和 plc 不断在国外发动机试验系 统中的开发应用，迫切需要研制出适合我国国情的汽车发动机台架试验用的自动化测 控系统。 1.3.3 项目意义 1.3.3 项目意义 近年来，国内的一些生产和科研单位在从事对原有的发动机测功设备的改造工作， 并开发出了一些内燃机台架试验的计算机测控系统，但大部分都只局限于数据的采集， 能实现试验过程的自动控制的比较少，数据处理的功能也不强，致使调节精度不高， 测量误差较大，计算精度低，而且浪费人力，功能不容易扩展12。因此，如果能制造 出一台通过 plc 自动控制检测、 ecu 自动处理数据和显示器显示各种测量参数的发动机 试验台架，将大大提高检测发动机的效率。这一项目的成功实现，将具有很好的经济 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 效益，并能够得到广泛的推广和应用。 1.4 本课题的主要研究内容 1.4 本课题的主要研究内容 本课题在国家有关标准的规定和发动机台架试验的具体技术要求下，以各种传感 器、 ecu 和 plc 组成控制核心， 开发出适合我国国情的先进的发动机空载试验台架测控 系统。 在该系统研发过程中，主要研究内容有以下几个方面： （1）对发动机空载试验台自带的主要系统结构进行分析与设计。如：发动机起动 系统；进水系统；排水系统；供油系统等； （2） 对发动机试验过程中的自动控制部分进行分析与设计。 如： 电子控制系统； plc 控制系统；水温、机油压力、转速显示系统； （3）对发动机试验的整个控制过程进行编程设计。如：画 plc 梯形图。 1.5 本章小结 1.5 本章小结 本章首先介绍了发动机试验台架的发展历史、国内外发动机试验台架现状；接着 阐述了课题来源、目的及研究意义；最后列出了本课题要完成的几项主要任务。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 2 发动机试验台架方案的确定 2 发动机试验台架方案的确定 2.1 发动机试验台架概述 2.1 发动机试验台架概述 该发动机试验台架是根据神龙汽车有限公司通用技术任务书及专用技术条件而专 门设计的，主要用于襄樊神龙工厂 tu3af 发动机生产线试验检测出厂发动机用。该试 验台架示意图如图 2.1 所示，其主要由机柜（由电气柜、横柜和摆臂组成） 、试验工位、 链条运送轨道等组成，采用手动上下试验发动机、手动对接试验台、试验员参与进行 试验的方式运转。该试验台自带起动系统、进水系统、排水系统、供油系统、自动控 制系统等，只需从外部接入电源即可运行。 图 2.1 tu3af 发动机试验台示意图 2.2 试验台架的技术要求 2.2 试验台架的技术要求 1. 试验台架自带独立的起动系统、进水系统、排水系统、供油系统、电子控制系 统、plc 控制系统和发动机各参数的显示等。 2试验台架要完成的主要功能： （1）供应燃油、冷却液； （2）起动发动机并使其空转； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 （3）显示发动机的水温、机油压力、转速； （4）试验台能对发动机起动、发动机停机、紧急停车等功能进行手动控制； （5）试验完毕后冷却液的排空； （6）提供 ecu 接口，使其对发动机进行电子控制； （7）增加 plc 自动控制系统、人机界面，使其能满足发动机试验过程中的测控和 数据显示等要求。 2.3 试验台架结构方案的分析与确定 2.3 试验台架结构方案的分析与确定 整个发动机试验台架系统采集的数据和信号都是模拟量，它们分别通过发动机各 种传感器把测量的物理量转变为电信号送入到 ecu 和通过试验台架的传感器把电信号 输入到 plc， 并在文本显示器上显示。 采集到的参数值与 ecu 里设定的工况参数值对比， 根据一定的控制算法， 再由 ecu 输出一定的模拟电压量给控制器 （点火线圈、 喷油器） ， 来调节发动机的运行，使发动机处于最佳状态7 8 9。在根据全面分析之后,确定发动 机空载试验台架的结构框图如图 2.2。 图 2.2 电喷发动机试验台的结构框图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2.3.1 硬件的选用方案 2.3.1 硬件的选用方案 硬件设计方案要考虑以下三个方面13：第一是经济合理。台架硬件设计中，要做 到满足任务的前提下降低价格，提高性价比，这是最为重要的一个因素，也是市场经 济的基本原则。例如，plc 是整个试验台架的核心部分，它的选择对整个台架系统产生 决定性的影响；第二是安全可靠。选用设备要考虑设备的使用环境、温度、压力、振 动、噪声等因素，以保证在规定的工作环境下系统的工作稳定性和可靠性；第三是足 够的抗干扰能力。测试的主要对象有传感器的弱小信号，因此，有完善的抗干扰措施， 是保证系统精度、工作正常的必要条件。 针对以上几个设计方案的注意事项，结合试验台架的特点，硬件的选用大体如下： （1） ecu 由神龙公司提供； （2） plc 的选择。选用西门子 s7-200 型，这种 plc 结构紧凑，抗干扰强，成本 低，而且功能强大，适合本课题所要求完成的任务； （3） 显示屏的选择。选用 td200 文本显示器，这种显示器可靠性高，抗干扰作 用强， 而且与 s7-200 系列的 plc 连接很简单， 只需要用它提供的连接电缆接到 s7-200 系列 ppi 接口上即可，不需要单独的电源。 2.3.2 软件的选用方案 2.3.2 软件的选用方案 构造一个试验台架的基本硬件后，就可以通过软件实现不同的功能。软件是指能 够完成各种功能的计算机程序的总和，如完成控制、计算、操作等功能的程序。因此 软件是我们这个台架测控系统的另外一个核心。本文选用最新版的 step7-micro/win 编程软件，它包含三个编辑器，即语句表 stl、梯形图 lad 和功能块图 fbd，其中梯形 图 lad 编辑器编译的程序简单明了，所以本文选用此种编辑器编写程序。 2.4 试验台架的组成及工作原理 2.4.1 试验台架的组成 2.4 试验台架的组成及工作原理 2.4.1 试验台架的组成 按电喷发动机试验台结构，其可分为两部分：一部分是试验台架，它主要包括独 立的进、排水系统；供油系统；起动系统。另一部分是起自动控制作用的电柜部分， 它主要包括可编程控制器（plc） 、电子控制单元（ecu） 、文本显示器以及各种电路元 器件。 2.4.2 试验台架的工作原理 2.4.2 试验台架的工作原理 在试验台试验之前，先接上发动机各种传感器连线，往发动机加注一定量的冷却 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 液和机油，然后让试验台的起动机得电，起动发动机使其空转，试验台架上的冷却水 温传感器、 机油压力传感器和转速传感器把信号输入到 plc， 通过温度模块、 压力模块、 转速模块把这三个参数的模拟信号转换成数字信号，然后经液晶显示屏实时显示试验 台的冷却水温、机油压力和转速。 当发动机的水温、机油压力、转速达到规定的范围后，可以开始对发动机的各种工 况进行试验。在发动机空转过程中，发动机上各种传感器的信号都传给 ecu，通过 ecu 来控制发动机的执行器（如喷油器、点火线圈） 。ecu 工作的基本原理如图 2.3 所示18。 图 2.3 ecu 工作原理图 当冷却水温上升到 60时，可以检查发动机怠速稳定性、加速性能、发动机泄漏 和发动机噪声等情况，最终使发动机符合出厂的各项要求。 2.5 本章小结 2.5 本章小结 本章按照电喷发动机试验台架所提出的技术要求，对试验台架的结构方案进行了 分析和确定，并详细阐述了试验台架的组成及工作原理。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 3 发动机试验台架硬件部分的设计与实现3 发动机试验台架硬件部分的设计与实现 3.1 前言 3.1 前言 整个电喷发动机试验台架是项复杂的系统工程， 为了实现对发动机性能的自动化测 试，除了要求自身带有独立的起动系统、进水系统、排水系统、供油系统外，还需要精 确的测量控制系统。下面将对各系统进行详细的分析。 3.2 发动机起动系统 3.2 发动机起动系统 发动机起动系统在试验过程中起了一个非常关键的作用， 它将使要测试的发动机从 静止状态过渡到正常的运转状态，从而才能使台架完成后续的试验。 3.2.1 系统组成 3.2.1 系统组成 发动机起动系统由 12v 电源、起动机和继电器等组成。 3.2.2 系统结构及工作原理 3.2.2 系统结构及工作原理 起动系统结构如图 3.1 所示。 当接通 12v 电源后， 起动机上的起动继电器触点闭合， 1、起动开关；2、电磁开关；3、磁场绕组；4、飞轮齿圈；5、带超越离合器的小齿轮； 6、螺旋花键；7、电枢；8、12v 电源；e 为吸引线圈；h 为保持线圈 图 3.1 起动机系统结构 4 1 2 3 e h 5 678 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 吸引线圈和保持线圈通电，两线圈产生的电磁力使铁芯移动，使电枢上的小齿轮与发 动机的飞轮啮合，同时还接通起动机开关，电枢、磁场线圈通电，起动机就开始工作。 当发动机起动后转速高于电枢转速，离合器分离，但由于离合器内的摩擦，离合器转速 仍稍高于电枢转速， 遂使超越离合器沿电枢轴上的螺旋花键向右滑动， 小齿轮从发动机 飞轮齿圈拖开。 3.3 发动机进水系统 3.3 发动机进水系统 发动机进水系统是台架自带的系统，它将为要试验的发动机提供冷却液，使发动机 在整个试验过程中正常工作。 3.3.1 系统组成 3.3.1 系统组成 发动机进水系统由补水箱 （自制） 、 水过滤器 （型号： cms， 上海永灵液压件厂生产） 、 水过滤器脏堵发讯器 （型号： cms， 上海永灵液压件厂生产） 、 注水泵 （型号： 15sgr2-10， 温岭市林河电器厂生产） 、膨胀水箱（东风散热器有限公司生产） 、液位传感器（型号： mr1045-s，深圳市银亿通电子有限公司生产）和控制电路等组成。 3.3.2 系统结构及工作原理 3.3.2 系统结构及工作原理 发动机进水系统结构如图 3.2 所示。当发动机定位后，按下运行按钮，启动注水 1、补水箱 2、水过滤器脏堵发讯器 3、水过滤器 4、注水泵 5、控制电路 6、液位传感器 7、膨胀水箱 图 3.2 进水系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 泵，将水箱内的防冻防锈液通过补水管路注入发动机，通过发动机缸盖上的放气螺塞 排出缸体水套内的气体，保证水套内充满水，当发动机冷却水系统内水达到要求后， 装置在膨胀水箱上的液位传感器得电，注水泵停止注水。 3.4 发动机排水系统 3.4 发动机排水系统 发动机排水系统的主要作用是排空发动机水套里的冷却液，让发动机水套内干燥， 从而使发动机内部不易生锈。 3.4.1 系统组成 3.4.1 系统组成 发动机排水系统由排水箱（自制）、真空泵（法国 clemessy 公司生产）、水过滤 器（型号：cms，上海永灵液压件厂生产）和控制电路等组成。 3.4.2 系统结构及工作原理 3.4.2 系统结构及工作原理 发动机排水系统结构如图 3.3 所示。当试验完成后，试验人员按下合格按钮，启 动真空泵抽水，运转 2 分钟后停止，此时发动机内的防冻防锈液全部通过排水管路排 入水箱。 1、排水箱 2、真空泵 3、水过滤器 4、控制电路 图 3.3 排水系统 真空泵是排水系统的关键设备，其选用的是法国 clemessy 公司的真空泵，外形如 图 3.4 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 图 3.4 真空泵外形 3.5 发动机供油系统 3.5 发动机供油系统 发动机供油系统的主要作用是给试验中的发动机提供燃油，使发动机能顺利完成 所要求的测试。 3.5.1 系统组成 3.5.1 系统组成 发动机供油系统由油箱（自制）、燃油过滤脏堵发讯器（型号：cms，上海永灵液 压件厂生产）、压力调节器（型号：zyt，扬中市恒润机械仪表厂生产）、手动球阀 （型号：1/4dn8，乐可利控制系统有限公司生产）、燃油滤清器（型号： 1105d-020ff5293， 上海弗列加滤清器有限公司生产） 、 燃油泵 （型号： 1st0580254910， bosch 公司生产）和控制电路等组成。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 3.5.2 系统结构及工作原理 3.5.2 系统结构及工作原理 发动机供油系统结构如图 3.5 所示。当发动机定位后，试验人员确认可以运转， 按下运行按钮，运行指示灯亮，按下起动按钮，供油泵供电运转，将油箱内的汽油通 过供油管路送往发动机，管路中装置的压力调节器保证泵端输出压力稳定在 3.5bar 左 右，多余的汽油泄往泵前。在供油系统中装有一个三通，一路接供油泵出油，一路接 发动机，一路接供油回油。系统装有一个手动球阀（发动机正常运转时关闭），当发 动机试验完毕，将供油管从发动机上取下前，应将该球阀打开，使供油管内的燃油回 到泵前端，防止取下供油管时存油泄出，造成安全隐患。 1、油箱 2、燃油过滤脏堵发讯器 3、压力调节器 4、手动球阀（泄压） 5、燃油滤清器 6、供油泵 7、控制电路 图 3.5 供油系统 发动机试验台除了以上自带的 4 个主要系统外,还有废气净化排放系统、废水回流 系统等系统。 3.6 电子控制系统 3.6.1 ecu 基本组成 3.6 电子控制系统 3.6.1 ecu 基本组成 发动机电控单元(ecu)的基本组成如图 3.6 所示。电控单元包括硬件和软件。电控 单元的硬件包括专用微机、输入输出接口电路和电子线路，主要是集成电路、电子元 件和印制电路板。电控单元的微处理机作为中央处理单元，实际上是一个计算中心， 处理来自发动机上各传感器的输入信号，随之计算出喷射时间作为喷油量的计算，计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 算出闭合角与点火提前角。电控单元的软件主要是指匹配标定数据库及控制策略，通 过改变它们能使 ecu 满足不同发动机的需要20 21。 图 3.6 发动机电控单元(ecu)的基本组成 （1）输入回路。从传感器来的信号，首先进入输入回路。在输入回路里，对传感 器信号进行预处理，包括检波或滤波、限幅、波形变换等等。如转速传感器输入微机 的信号，其幅值是随发动机的转速变化的，发动机转速升高时，输出的电压幅值增大； 发动机转速降低时，输出的电压幅值减小，电压信号较弱。为了使信号能够输入微机 并被采用，必须在输入回路中将其信号放大、整形。 （2）a/d 转换器（模拟/数字转换器）。在汽车电控系统中，传感器采集的信号有 两种：一种是模拟信号，例如进气压力、冷却水温度、节气门位置等输入信号；另一 种是数字信号，如转速传感器的输入信号。信号形态不同，输入微机的处理方法也不 同。数字信号可直接输入微机；而连续变化的模拟信号，则必须经 a/d 转换器转换成 微机能够识别的数字信号后才能输入微机。 （3） 微型计算机。 微型计算机是发动机电子控制系统的神经中枢。 它能根据需要， 把各种传感器送来的信号用内存的程序和数据进行运算处理，并把运算结果（如喷油 信号、点火信号等）送往输出回路。 （4）输出回路。输出回路是微机与执行器之间的中继站，其功用是根据微机发出 的指令，控制执行器动作。由于微机输出的控制信号是数字量（如喷油信号、点火信 号），电压一般为 5v，不能直接驱动执行器，因此需要输出回路进行放大。如果执行 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 器需要模拟量驱动，那么还需要经过 d/a 转换器转换之后，才能控制执行器动作。 3.6.2 系统组成 3.6.2 系统组成 该系统由电控单元 ecu、转速传感器、进气压力传感器、水温传感器、节气门传感 器、点火线圈传感器、喷射传感器、油门踏板传感器组成。控制系统工作示意图如图 3.7 所示。 图 3.7 控制系统工作示意图 3.6.3 节气门位置传感器 3.6.3 节气门位置传感器 节气门位置传感器通常装在节流阀体上，可同时把节气门开度、怠速、大负荷等 信号转换成电压信号送至 ecu 中，以便控制系统可根据发动机的各种典型工况对其喷 油量及点火提前角进行最优控制。其外形和内部结构如图 3.8 所示22 23。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 （a）外形 （b）内部结构 1、节气门轴 2、滑动触点 3、电位器电阻轨道 图 3.8 节气门位置传感器外形及内部结构 节气门位置传感器的内部电路及输出信号如图 3.9 所示22。节气门位置传感器实 际上是一个用电阻膜做成的可变电位器，使节气门的开度可以通过电位器滑动触点输 出的电压信号反映出来。当节气门开度改变时，与节气门轴 1 联动的滑动触点 2 在电 位器电阻轨道 3 上作相应的滑动。在不同的节气门的开度下，电位器的电阻也不同， 从而将节气门开度转换为电压信号输送给发动机电控单元。电控单元通过节气门位置 传感器，可以获得表示节气门由全闭到全开、整个开启角度的连续变化的模拟信号以 及节气门开度的变化速率，从而更精确地判断发动机的运行工况，提高控制精度和效 果。 （a）内部电路 （b）输出信号 图 3.9 节气门位置传感器的内部电路及输出信号 3.6.4 水温传感器 3.6.4 水温传感器 发动机水温传感器的型号是 tf-w，它的结构外形及内部电路如图 3.10 所示。水 温传感器安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却水接触，用来检测发动机的冷却 水温度，水温传感器内部是一个半导体热敏电阻，具有负的温度电阻系数，水温愈低， 电阻愈高；反之，水温愈高，电阻愈低，其热敏电阻的特性曲线如图 3.11 所示。水温 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 传感器的两根导线都和电脑连接，其中一个根为接地线，另一根的电压随热敏电阻阻 值的变化而变化，根据这一电压的变化，给 ecu 提供发动机冷却水温信号，作为电脑 控制喷油量、修正点火正时的信号基础22 24。 图 3.10 水温传感器的外形及内部结构 图 3.11 水温传感器热敏电阻的特性曲线 3.6.5 转速传感器 3.6.5 转速传感器 发动机转速传感器的型号是 dg6，它安装在离合器壳体上，正对飞轮上的感应齿 圈， 如图 3.12 所示。 发动机转速传感器由线圈、 永久磁铁和铁芯组成， 其结构如图 3.13 所示。 图 3.12 转速传感器的安装位置 图 3.13 转速传感器的结构 其原理是当齿轮旋转时，凸齿不断地靠近或离开转速传感器，使线圈内的磁通量 发生变化，从而产生交流电，转速越高，输出的感应电压脉冲频率也越高，如图 3.14 所示，电控组件根据感应电压脉冲的大小计算转速。其作用是在发动机运转时，确定 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 发动机的转速和曲轴位置，并将信号传给发动机电控单元，发动机电控单元根据转速 传感器的信号，控制点火线圈跳火时刻、汽油喷射量、点火提前角22 25。 图 3.14 转速传感器的输出信号 3.6.6 进气压力传感器 3.6.6 进气压力传感器 进气压力传感器的型号是 ds-s-tf， 它用软管与发动机的进气管相连， 其外形如图 3.15（a）所示。其利用的是半导体的压阻效应，具有尺寸少、精度高、成本底和响应 性、再现性、抗震性好等优点。其结构如图 3.15（b）、（c）所示,该传感器是由压力 转换元件和把转换元件输出信号进行放大的混合集成电路构成，其功能是根据发动机 的负荷状况检测进气歧管内压力的变化，并转换成电信号输入电控单元，作为发动机 基本喷油量控制和点火控制的依据22 26。 （a）进气压力传感器的外形 （b）平面图 （c）立体图 1、硅膜片 2、真空室 3、集成电路 4、滤清器 5、进气口 6、接线端子 图 3.15 进气压力传感器的结构 3.6.7 油门踏板传感器 3.6.7 油门踏板传感器 油门踏板位置传感器的外形如图 3.16 所示，安装在发动机舱内，通过一根拉索联 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 接在油门踏板上，用于检测加速踏板的运动行程。油门踏板传感器其实就是个可变电 阻，此时的油门踏板与节气门之间不再通过拉线来操纵，油门踏板与节气门之间不存 在机械连接。油门踏板的深浅是通过一个与油门踏板连接的“无触点的双电位器传感 器”报告给 ecu。由于 2 个电位器是同相安装的，当电子油门踏板位置发生变化时， 其电阻同时线性增加或减小。当加入+5v 电压后，转化为与电阻值变化相应的电压输 出，如图 3.17 所示。发动机控制单元（ecu）根据踏板装置传感器来反馈的位置数据 经过计算得到最佳目标节气门开度并发送一个信号给节气门驱动电机使节气门旋转到 这个角度。 油门踏板位置传感器提供负荷信息、负荷范围信息、加速减速信息等22。 图 3.16 油门踏板位置传感器的外形 图 3.17 油门踏板位置传感器电阻 3.6.8 ecu 接口与接线图 3.6.8 ecu 接口与接线图 j34p 型 ecu 由神龙公司提供，其与各种传感器连接的内部接口图如图 3.18 所示。 根据 ecu 的内部接口结构，绘制了接线表如表 3.1 所示，并设计外部接线图如图 3.19 所示。该发动机试验台控制系统是以电控单元（ecu）为控制中心，利用安装在发动机 上不同部位的传感器，测得发动机的各种参数输入到 ecu，按照预先设置的程序，精确 地计算进入气缸的空气量，通过控制喷油器精确地控制喷油量和点火线圈的点火正时， 使发动机在各种工况下都能获得最佳浓度的混合气，以求得最佳的动力性、经济性及 排放性，提高发动机的使用性能18 19。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 （a） （b） 图 3.18 ecu 接口 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 引线 出去 cme 灰 cmi 暗红 ch黑 端子号 hating 插座 线号 传感器名称 /颜色/形状 传感器插 头引脚 引线出去备注 a411.176-011 a321.276-022 a331.376-031 a441.476-042 d351.576-051 d161.676-062 d271.776-073 d481.876-084 c191.976-091 c3101.1076-102 g2111.1176-113 g1121.1276-124 c4131.1376-135 c2141.1476-146 h3152.177-011 h4162.277-022 e3172.377-033 f1182.977-041 f2192.1077-052 f3202.1277-065 f4212.1377-076 f4222.4点火线圈4 l4232.11喷射3 a324 ecu传感器 电源12v k32527a-21 ecu工作电 源12v f2262.577-081 g2272.677-092 g1282.777-103 f1292.877-114 l130 l231 m132 32-02331.1576-15 机油压力开 关/灰黄/扁 2哈丁插座 并入 7.4.4ecu端 子 125-2734125-27 指示灯 （黄）24v 125-0235125-02指示灯24m 36 ecu接地 转速/黑黄/ 扁 水温/绿黄/ 扁 进气压力/ 黑灰/扁 节气门/黑 黄/扁 点火线圈/ 灰/方 喷射/灰黄/ 扁 油门踏板/ 黑/方 表3.1 tu3af接线表 27a-23 27a-25 ecu 插座 电柜 plc 端子 指示灯 哈丁插座 哈丁插座 接触器 /km125- 17 接触器 /km125- 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 23 图 3.19 ecu 接线图 3.7 plc 控制系统 3.7.1 plc 的结构、工作原理、主要特点 3.7 plc 控制系统 3.7.1 plc 的结构、工作原理、主要特点 1plc 的主要结构 它主要由中央处理单元 cpu、存储器、输入、输出等部分组成。如图 3.20 所示， 图中各部分之间均采用总线连接27。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 24 图 3.20 plc 的基本结构框图 2plc 的工作原理28 29 当 plc 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行 和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc 的 cpu 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图 3.21 所示。 图 3.21 扫描周期图 （1）输入采样阶段 在输入采样阶段， plc 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据， 并将它们存入 i/o 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在 这两个阶段中， 即使输入状态和数据发生变化， i/o 映象区中的相应单元的状态和数据 也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周 期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 （2）用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按 先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运 算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 ram 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈 在 i/o 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 （3）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc 就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu 按照 i/o 映象 区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这 时才是 plc 的真