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黑龙江工程学院本科生毕业设计PAGE PAGE 34第1章 绪论1.1 引言汽车新技术发展十分迅速，在汽车工程上的应用越来越普遍而相关高校及社会技术培训机构在汽车新技术教学中大多以理论为主，相应新技术、新结构为主的实践教学手段严重滞后，不仅不能与汽车领域广泛推出的汽车新技术同步，更跟不上汽车新技术的快速发展为此，研制了丰田1ZZFE型电控发动机仿真实验台，希望能够为相关教学机构提供有益的帮助结合我校丰田技术人才培养的要求，本设计以丰田花冠1ZZ-FE发动机为蓝本，设计制造出具有故障诊断以及教学功能演示的综合实验台，可以结合实验台可以进行故障设置，诊断并且进行信号测试，数据流分析等。目的是通过理论与实践相结合的方式，培养和加强学生的汽车故障诊断分析能力。1.2 课题研究的背景与意义近20多年来，随着计算机和电子技术的发展，汽车工业和汽车技术取得了长足进步。采用电子技术已经成为解决汽车质量与性能诸多问题中的最佳方案。应用微机控制发动机的喷油与点火就是为了适应社会对汽车排放法规与节能的要求。目前，多数轿车都已装用发动机管理系统，对发动机各个系统进行综合控制发动机的控制已由早期的模拟装置发展成为微机控制的数字控制系统。在发动机管理系统中，微机不仅控制点火定时与喷油系统的空然比，还控制怠速转速，爆燃，增压压力，近期和废弃再循环以及变速器传动诸多方面，还增加了自诊断系统，后备系统与保护装置，提高了整个控制系统的可靠性。现代汽车工业已经进入成熟的发展阶段，世界各大汽车制造商为进一步地争夺汽车销售市场，不断加强开发投资力度，试图以提高汽车安全性、降低能耗、改善舒适性和增加功能等来推动汽车工业向高附加值方向发展。汽车电子技术是汽车技术与电子技术相结合的产物，汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛，汽车已经由单纯的机械产品发展为高级的机电一体化产品，成为所谓的“电子汽车”。汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。随着电子信息技术的飞速发展, 现代汽车技术与电子技术、信息技术融合在一起, 汽车已成为现代科技的载体和结晶。据核计，目前平均每辆车上的电子装备已经占到整车成本的20%-30%，在一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到50个，电子产品费用占到整车成本的50%以上。可以说,目前电子技术的应用已经深入到汽车所有的系统并在提高汽车的操纵性能、燃油经济性、可靠性和自动化程度等方面发挥着越来越重要的作用。在发达国家，汽车已经进入电子时代，汽车电子控制技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。由此可以看出，现代汽车已不再是传统的机电产品，其中汽车的机械部分的发展已经达到了极致，汽车继续改进的空间将集中在传统汽车技术和电子技术的的结合上，汽车上70%的革新来自汽车电子技术及产品。然而，由于汽车运行的环境多变，特别是发动机所处的环境恶劣，因此，由发动机电子控制系统引起的故障也相应增多。据相关从事汽车维修多年的人员表示，现代汽车由于电控系统引起的故障大约占全车故障的70%，特别是新车。发动机电子燃油喷射是一项涉及面很广的技术，它包括了传感器技术、微处理技术、控制工程等多方面知识。并且，在汽车修理过程中，由于车系、车型的差别，维修人员判定传感器元件信号及电子控制单元导致的故障很困难。这就给汽车维修和汽车教学带来了很大的障碍。而现有的教学试验台架绝大部分仍然基于传统的发动机，这是制约学生理论学习和提高实践能力的一个重要原因。本设计通过对发动机电子控制部分实施改制，使之形成可以脱离发动机本体试验的系统设计，应用相应传感器来模拟实际运行工况，实现故障诊断，通过故障代码的分析，查找并排除故障。研制出一套对汽车电子控制系统诊断准确、操作方便、快速经济的故障诊断系统，从而把理论教学与实践过程有机地结合起来，使理论教学更直观，实践过程更容易。1.3 国内外研究状况在国外主要开发的是发动机电子控制故障诊断系统，代表产品有美国通用汽车公司和福特汽车公司推出的称之为CAMS和SBDS的故障诊断咨询系统。日本丰田汽车公司的维修、信息及技术部门联合开发了“维修技术咨询系统”和丰田发动机集中电子控制TCCS的诊断系统。汽车电子控制实验台的发展趋势是朝着人工控制智能化的方向发展，实现故障诊断检测、工作状况的演示等功能。我国仿真技术的研究与应用开展得比较早，发展迅速。80年代就建设了一批水平高、规模大的半实物仿真系统，如射频制导导弹半实物仿真系统、工程飞行模拟等等，主要应用于军事用途。目前半实物仿真在工业、交通优化逐步开始应用，同时，半实物仿真技术已成为国内汽车工程师研究的热点，已满足应用设计周期的缩短、产品质量要求的提高、开发及设计费用的减少的要求。在国外，汽车公司的工程师感到他们需要一种替代传统设计的新途径。他们曾经尝试过的方法所遇到的主要问题还是硬件原型的不完备，整个设计在工程化时需要重新设计和重新编程。因此汽车公司的工程师开始寻找一种新的方法来填补传统与现代的汽车电子控制系统开发之间的空白，使得需求定义者控制器设计人员有一个共同的坚实基础。故障诊断(Diagnostics)，是指确定故障的起因，即在不拆卸发动机本体或仅拆下个别零件的条件下，查找故障零件部位和查明故障原因的过程。诊断技术，是指能用于发现和分析故障元件及故障区域的技术。按故障诊断技术从无到有，与电控燃油喷射技术的发展水平相对应的诊断技术可分为人工经验诊断、简单仪器诊断、精密监测诊断和人工智能诊断四个阶段。人工经验诊断：20世纪50年代以前，发动机结构较简单，电控燃油喷射系统还没有应用于汽车发动机，通过简单的测试仪表，如转速表、气压表、真空表电压表、电流表等，或者是判定发动机是否有异响、是否过热、有异味等情况。再依靠人工经验来完成对的发动机故障诊断工作。目前，人工经验诊断方法对某些复杂故障的诊断仍十分有效。简单仪器诊断：20世纪50年代初至70年代末，由于汽油喷射系统开始应用于汽车发动机，传感器、微处理器技术、控制工程技术也随之在汽车发动机上得到应用。因此，在汽油喷射系统故障诊断过程中就必须借助相关传感器、微处理器及示波器等仪器设备对发动机的工况进行检测，以判定其工作性能的好坏。精密监测诊断：20世纪80年代初至90年代初，电子技术的进步，对电控燃油喷射系统的控制内容更加全面，控制程度更加精确。随之，以计算机技术为核心的各种精密诊断设备得到了快速的发展，对电控发动机故障诊断的准确率也有了很大提高。如各种发动机分析仪、点火正时仪、电脑检测仪以及各种电子化检测仪表等都是进行精密检测所必备的仪器。人工智能诊断：20世纪90年代开始，由于汽车电控燃油喷射技术的不断完善，而且车型及其控制技术又不尽相同。因此，在汽车维修中，故障诊断就成为关键性问题。应用人工智能理论与技术以及现代的信息技术开发出的各种故障系统将有助于电控燃油喷射系统故障诊断问题的解决。1.4 故障诊断技术的发展趋势近年来，一些新的科学分支的出现和发展及其在设备故障诊断中的成功应用，为汽车故障诊断技术的发展开拓了新的途径1。由于汽车电子化的趋势是从整体上来设计全车的控制系统，因此，现代故障诊断系统的技术正向着故障专家系统、人工智能故障诊断系统方面发展，开发要求是：具有在线更新自诊断功能、故障预测功能、自我保护功能，并且还可以实现在线信息资源的交流与共想。1.5 半实物仿真系统的主要研究内容（1）半实物仿真系统的设计：具有较强的演示功能，可以实现发动机工况演示以及针对不同电子控制系统元件进行信号测试；（2）控制面板的设计：能够实现与丰田车系不同测试车辆控制系统的连接，实现车辆控制信号测试；（3）实现相关教学功能，可以进行发动机工作演示，使学生能够直观看到发动机的各种工况，并对不同的演示现象进行必要的分析。第2章 发动机相关资料及技术特点2.1发动机相关资料2.1.1发动机的作用和组成1、发动机的作用：是使输进气缸内的燃料燃烧而发出动力。2、发动机的组成：机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统(汽油发动机采用)、起动系统等部分组成。（如图2.1）发动机总体构造曲柄连杆机构：曲轴箱组；活塞连杆组；曲轴飞轮组。 配气机构：气门组；气门传动组。燃料供给系：汽油机；柴油机。点火系冷却系润滑系图2.1 发动机组成示意图2.1.2 汽油发动机的工作原理发动机工作须经过进气，把可燃混合气(或新鲜空气)引入气缸；然后将进入气缸的可燃混合气压缩，压缩接近终点时点燃可燃混合气；可燃混合气着火燃烧，膨胀推动活塞下行实现对外作功；最后排出燃烧后的废气。进气、压缩、作功、排气四个过程。把这四个过程叫做发动机的一个工作循环，工作循环不断地重复，就实现了能量转换，使发动机能够连续运转2。1、进气行程活塞在曲轴带动下从上止点向下止点运动，这时排气门关闭，进气门打开。随着活塞下移，气缸内容积增大，压力减小，在气缸内形成一定的真空度，空气和汽油混合物通过进气门被吸入气缸，并在气缸内进一步形成可燃混合气2、压缩行程：进气结束终了，曲轴继续旋转，带动活塞从下止点向上止点运动，这时进、排气门均关闭，气缸内成为封闭容积，随着活塞移动，气缸容积不断减小，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。3、做功行程;做功行程包括燃烧过程和膨胀过程，在这一行程中，进气门和排气门仍然保持关闭。当活塞位于压缩行程接近上止点(即点火提前角)位置时，安装在气缸盖上的火花塞产生电火花，点燃可燃混合气，火焰迅速传遍整个燃烧室，同时放出大量的热能。燃烧气体的体积急剧膨胀，温度和压力急剧升高，最高压力可达3.06.5MPa，最高温度可达22002800K，高温高压气体膨胀，推动活塞从上止点向下止点移动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转外，其余用于对外做功。随着活塞向下运动，气缸内容积增加，气体压力和温度逐渐降低，当活塞运动到下止点时，做功行程结束，气体压力降低到0.350.5MPa，气体温度降低到12001500K。4、排气行程：可燃混合气在气缸内燃烧后生成的废气必须从气缸中排出去以便进行下一个进气行程。排气行程开始时，排气门开启，进气门仍然关闭，曲轴通过连杆带动活塞由下止点向上止点运动时，此时废气在自身生剩余压力和在活塞的推动下，经排气门排出气缸之外。活塞越过上止点后，排气门关闭，排气行程结束。受排气阻力的影响，排气终止时，气体压力仍高于大气压力，约为0.1050.12MPa，温度约为9001100K。曲轴继续旋转，活塞从上止点向下止点运动，又开始了下一个新的循环过程。可见四行程汽油机经过进气、压缩、作功、排气四个行程完成一个工作循环，这期间活塞在上、下止点往复运动了四个行程，相应地曲轴旋转了两圈。实际汽油机的进气过程中，进气门打开。在排气行程中，是排气门早于下止点开启，迟于上止点关闭。进气门早开晚关的目的是为了增加进入气缸的混合气量，排气门早开晚关的目的是为了减少气缸内的残余废气量。减少残余废气量，会相应增加进气量。二行程汽油机的工作循环也是由进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈(360)，活塞上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机与四行程发动机工作原理不同，结构也不一样。 （如图2.2） 图2.2 汽油机工作原理示意图例如曲轴箱换气式二行程汽油机，气缸上有三排孔，利用这三排孔分别在一定时刻被活塞打开或关闭进行进气、换气和排气的。工作原理如下：活塞向上运动，将三排孔都关闭，活塞上部开始压缩，当活塞继续上行时，活塞下方打开了进气孔，可燃混合气进入曲轴箱，活塞接近上止点时，火花塞点燃混合气，气体燃烧膨胀，推动活塞向下运动，进气孔关闭，曲轴箱内的混合气受到压缩，当活塞接近下止点时，排气孔打开，排出废气，活塞再向下运动，换气孔打开，受到压缩的混合气便从曲轴箱经进气孔流入气缸内，并扫除废气。第一行程：活塞从下止点向上止点运动，事先已充满活塞上方气缸内的混合气被压缩，新的可燃混合气又从化油器被吸入活塞下方的曲轴箱内。? 第二行程：活塞从上止点向下止点运动，活塞上方进行作功过程和换气过程，而活塞下方则进行可燃混合气的预压缩。二行程柴油机的工作原理 二行程柴油机和二行程汽油机工作类似，所不同的是，柴油机进入气缸的不是可燃混合气，而是纯空气。例如带有扫气泵的二行程柴油机工作过程如下：第一行程：活塞从下止点向上止点运动，行程开始前不久，进气孔和排气门均以开启，利用从扫气泵流出的空气使气缸换气。当活塞继续向上运动进气孔被关闭，排气门也关闭，空气受到压缩，当活塞接近上止点时，喷油器将高压柴油以雾状喷入燃烧室，燃油和空气混合后燃烧，使气缸内压力增大。 第二行程：活塞从上止点向下止点运动，开始时气体膨胀，推动活塞向下运动，对外作功，当活塞下行到大约2/3行程时，排气门开启，排出废气，气缸内压力降低，进气孔开启，进行换气，换气一直延续到活塞向上运动1/3行程进气孔关闭结束。 2.2 1ZZ-FE发动机的相关资料 111丰田花冠1ZZ-FE引擎的缸径为79mm，行程91.5mm；压缩比在某些国家中所公布的数字高达10：1。而在台湾所公布的最大马力有136?PS/6000rpm，最大扭力则达到17.4kgm/4200rpm，排量为1.8L，汽缸最大平面卷曲度0.05，气门坐宽度1.0-1.4，气门锥角45。气门间隙为0.75，气门弹簧为38.74，活塞环间隙为0.045，活塞环开口间隙为0.25-0.45。该发动机应用在卡罗拉第六代车型中，目前该发动机已被替代为，新发动机1.8升2ZR-FE将替代目前车型的1ZZ-FE3。发动机外型（如图2.3）图2.3 发动机外型示意图1ZZ-FE发动机采用四缸20气门配气机构，闭环电子控制汽油喷射系统。其最大特点是实施了集中控制，即汽油喷射和点火由同一控制单元控制，喷射系统为多点顺序喷射，点火系统采用高能无分电器点火系统。电控汽油喷射系统根据其作用不同可分为四个系统，即空气供给系统、燃油供给系统、点火系统和控制系统。 1.空气供给系统空气供给系统的作用是测量、控制汽油燃烧所需的空气量。主要由空气滤清器、空气流量计、节气门控制单元、稳压箱及进气管下体等组成。2.燃油供给系统燃油供给系统的作用是将燃油从油箱中吸出，加压滤清后经喷嘴供给发动机。它由汽油箱、汽油滤清器、电动汽油泵、压力调节器、喷嘴等组成。电动汽油泵从油箱中将汽油泵出。经汽油滤清器过滤及压力调节器调节后使油压始终高于进气管压力约0.3Mpa,并经汽油分配管送给各缸喷嘴，喷嘴根据发动机控制单元的指令将汽油适时地喷入进气管中。3.点火系统花冠轿车采用无分电器点火系统。它主要由点火能量终端输出极、点火线圈、高压导线、火花塞以及各种传感器组成，由发动机控制单元实施集中控制。点火时两缸同时串联点火，点火顺序为1-3-4-2。一个气缸在排气行程末期，另一个气缸在压缩行程末期。在排气行程的气缸内压力较低，火花塞击穿电压较低，点火能量消耗较少，对处于压缩行程中的另一个气缸的点火影响不大。这种无分电器点火系统的优点是：无旋转件，无机械磨损，高压导线数少，对无线电干扰小。该点火系中主要部件是点火线圈及终端能量输出极（末级功率）。点火线圈及终端能量输出极装在一个壳体里，固定在气缸体上，火线圈的壳体上有各缸排序标识A、B、C、D，分别对应的缸号为1、2、3、4。1、4缸共用一个点火线圈，2、3缸共用一个点火线圈。终端能量输出极根据控制单元指令控制点火线圈初级绕组的通电断电。从而在点火线圈次级产生点火高压。4控制系统控制系统的主要作用是收集发动机的工况信号并确定最佳喷油量、最佳点火时刻。它由传感器、电控单元和执行元件组成。发动机转速传感器是一个磁感应传感器。它采集曲轴转角位置和发动机转速信号。在曲轴上有一个靶轮，靶轮上有60个齿，传感器对它进行扫描。当靶轮经过传感器时，产生一个交变电压信号，其频率随发动机转速变化而变化，控制单元根据交变电压的频率识别发动机的转速。在靶轮上有一处缺两个齿，感应传感器扫描到该处，1缸活塞处于上止点前72o，它是作为控制单元识别曲轴转角位置的基准标记。进气温度传感器是一个负温度系数（NTC）电阻，即温度升高阻值下降。它安装在进气管体上，进气温度传感器将进气温度转变成电信号，送给控制单元，用于各种控制功能的休正。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知进气温度，会导致热启动困难，排放升高等故障。冷却水温传感器也是一个NTC电阻，它与水温表传感器G2装在一个壳体内，直接与发动机冷却水接触。该信号是一个较重要的修正信号。如果该信号中断，控制单元将启用一个替代值，但不能准确感知冷却水温度，将会导致发动机冷热启动困难，油耗增加，怠速自适应差，排放升高等故障。发动机控制单元是一种具有36个插脚的电子综合控制装置。控制单元负责对发动机控制系统进行管理。它不仅控制燃油喷射系统，同时还具有点火控制、怠速控制、油箱通风控制、自诊断和备用控制等多种功能。具体功能如下：(1)给传感器提供基准电压，将所需输出的信息转变成控制单元所能接受的信号。(2)接受传感器或其他装置输入的各种信息。(3)进行存储、计算、分析处理信息；存储该车的特征参数；计算出输出值；存储运算中的数据；存储故障信息。(4)运算分析。根据信息参数求出执行命令数值，并将输出信息与标准值比较。(5)输出执行命令。把弱信号变为强的执行命令。(6)自我修正功能（自适应功能）。微机利用数字控制，能在较短的时间内处理很多信号，且具有上述功能，能够进行高精度的发动机控制。2.3 1ZZ-FE发动机的技术特点首先，这具引擎搭载了TOYOTA的可变阀门正时技术VVT-i。这项技术相当为人所熟知，并常被拿来与HONDA?Ferio所使用的VTEC作比较。如果纯粹就性能面或燃油的节省来看，VTEC对引擎的效果是要胜过于VVT-i的；然而VTEC是分段切换，VVT-i则为无段变化，想要在各种运转状况之下都能调整出理想的阀门正时，VVT-i则较居上风。多年前的NISSAN?Sentra便已经使用类似VVT-i这种改变凸轮相位角的机构，但是仅为两段变化，控制策略也相当简单，不像TOYOTA的VVT-i能作精确的调整与控制。比较不为人所注意的，TOYATA特意将Altis引擎的行程设计得很长，是一具长行程引擎。长行程引擎的中低速扭力充沛，驾驶性良好，燃烧也完全，能降低HC的污染，也能节省燃油。对定位在主流产品的乘用车来说是相当有利的。但是长行程引擎的高转速性能较差，为了能提升这具长行程引擎在高转速时的性能，TOYOTA破天荒的在这个级距的引擎里摒弃了使用传统气门座的制造方法，而以雷射在汽缸头镀上一层较薄的耐磨耗合金来取代气门座的功能4。 这是因为燃烧室的空间很有限，使用传统气门座的引擎，因为必须在燃烧室里挤出空间来让给又厚又大的气门座，很难搭配较大的气门，高速时的性能会受到相当的局限。如果采用这样的新技术，这层薄薄的耐磨耗金属可以把珍贵的空间给让出来，而能使用较大的气门，让进排气量更大，高速性能得以充分提升。从厂方公布的马力数字可以明显看出来这项技术的效果，这具长行程引擎的高转速性能比起同级车来毫不逊色。而事实上，不只是在这个等级，即便在更高等级的豪华房车或是跑车上，也很少有使用这项技术的。另外，这具引擎的进气道比一般的引擎要稍高，进排气阀的夹角小，能有效的增加进气的滚流，加上紧致的燃烧室与燃烧室混合气挤压区的设置，不管这些东西到底是怎么运作的，结果呢？是使得这具引擎有较好的燃烧效率，并且有优良的抗爆震性。所以，尽管这具引擎的压缩比高达十，却只需要使用辛烷值91（RON）的汽油即可。也就是说可以用低辛烷值的汽油来享受高压缩比所带来的各项利益。在其它的机械构造上，也相当的有意思。尽管许多同级车还在使用铸铁汽缸体，这具引擎却采用了铝合金来制作汽缸体。也就是俗称的全铝合金引擎。但是用铝合金作汽缸体不算什么，值得注意的是，TOYOTA舍弃了一般传统引擎惯用的铸铁波司盖，或是铝铸造的衍架式波司盖，而采用了上下曲轴箱的强固结构。以一个整体式的下曲轴箱来固定波司与曲轴，刚性是十分的优异。这样的结构特别适合于高转速运转，惯用在大排气量的机车上，而有一款并非主流乘用车定位的名车-HONDA?S2000，也采用了相同的结构来达到跑车引擎高转速运转的刚性要求。目前各车厂均纷纷开始要在平价的乘用车上使用这样的设计，而TOYOTA硬是比人家抢先了好几年甚至是十年以上的时间。而引擎的辅机，像发电机，冷气压缩机等等都舍弃了以往常用的支架，而直接锁附在引擎上，提高了这些零件与引擎之间结合的刚性，能抑制振动噪音的发生。有人抱怨Altis的隔音材料似乎太过单薄，如果真的是这样，其实一点也不令人意外；因为这具引擎本身的刚性还及与变速箱结合的刚性都好，在NVH，也就是在振动噪音方面的特性天生就比同级车优异许多，所以省下些隔音材料似乎也不是件不合理的事。气门机构当然也有可观之处。这具引擎采用正时炼条来驱动气门。正时炼条的寿命长，在正常的使用状况下，一具引擎用到报废都不需要调整与更换，信赖度跟正时皮带比起来是要高得多了。但是整个系统较为复杂，成本也高，车厂在过去并不太喜欢。然而最近因应引擎寿命的增长，正时炼条又逐渐受到车厂的重视。Altis的引擎在这方面又抢先了同级车一步。不过使用正时炼条也不算什么了不起，虽然是新流行，但毕竟也不是新技术。比较新的技术是在这具引擎的气门挺杆上（valve?lifter）， TOYOTA在这里不使用俗称西姆的气门调隙片，而以直接选配的方法来控制气门间隙。这有什么好处呢？那就是低成本与轻量化。轻量化的结果就是使得这具引擎能使用弹簧系数较低的气门弹簧，进而降低摩擦损失，行驶起来就更加的省油了。根据台湾能源会的公布资料，Altis的省油是同级车中的第一名，测试结果跟March相差无几，当然，很多车厂都准备跟进，在这方面又是TOYOTA领先了别人一步。? ? 这具引擎还经过了日本式锱铢必较的轻量化，包括了使用塑料制的进气岐管，不锈钢制的排气岐管等等各式各样的轻量化零件，东省西扣的结果，TOYOTA得意的宣布这是世界上同排气量引擎中最轻的一具，而且轻得很惊人，减重了百分之二十以上。一般认为这具引擎比别人轻得很多是无可置疑的，但这么惊人的数字也许有点取样不公的嫌疑。? 这具引擎向后方排气，主要的原因是希望能缩短引擎与触媒转换器的距离，尽快提升在冷车激活时的触媒温度，使得触媒转换器能早点开始处理有害的废气。根据国外的报导，Corolla的消音器里还有个有趣的小玩意儿，是一个小小的以弹簧控制的阀，当转速低时，背压较低，这个阀会关闭让排气走比较远的路以取得较好的消音效果。但是一旦转速提高，这个阀会打开让排气抄个快捷方式以降低背压5。? 2.4 本章小结随着汽车技术的不断发展和人们对安全需求的不断增长，提高和改善发动机的性能一直是科研工作者追求的目标。随着新理论、新材料、新技术等的不断应用，结构更简化、性能更强、成本更低的发动机产品将不断推出，汽车安全性、舒适性、环保性，也将因此得到进一步的改善和提高。本章主要介绍了发动机的工作原理以及1ZZ-FE发动机的技术资料，对设计的展开提供基本的保障。第3章 丰田1ZZFE发动机实验台架 及显示面板的设计及总体布局3.1 实验台辅助结构设计丰田1ZZ-FE型电控发动机实验台设计包括：动力与传动系统选型、仿真控制系统设计和总体结构设计3部分为使实验台更具有车系代表性，实验台以整车为基础，保留了发动机整体结构和汽车底盘中传动系、转向系、部分电器仪表及信号系统3.1.1 动力与传动系统选型从经济性、实用性及先进性出发，以丰田花冠为基本参考车型，配备1ZZFE电控发动机、A140E自动变速器及转向助力系统等该车型配有先进的计算机控制系统，采用典型的前置发动机、前轮驱动结构因此，设计时采用横置发动机及自动变速器，使实验台结构紧凑，便于功能展示，以真实反应车型的工作特点；气配线则利用原车型连接器单独连接制成线束，沿台架边缘布线，以便于故障诊断分析时使用3.1.2 控制系统设计仿真控制系统设计包括：丰田花冠轿车控制原理分析、动力与传动系统控制步骤、控制系统组成分析、仿真控制模式设计与分析、故障树选择与设计、故障模拟单元设计与分析、故障诊断专家库设计、可识别故障码及计算机故障诊断模型建立等?实验台动力与传动系统的控制采用原车控制系统，故控制原理、控制过程具有很强的仿真性，具有实车训练的效果6。关键环节是故障源的设置与动力及控制系统的互动连接，如图3.1所示实验台工作系统由操作装置、控制系统、动力与传动系统、信号显示等部组成汽车电子控制单元与各传感器、执行元件之间插入安装一个故障仿真设置单元，使故障设置单元上的端子与电子控制单引脚相对应，借助示波器、车用万用表、发动机综合分析仪等专门设备可动态测试系统数据信号在故（3.2）实验台主视图障设置单元上还配置了与端子数目相当的故障开关，可以通过故障开关直接设置故障，使控制系统信号真实化，故障现象以故障码的形式由控制系统相应显示装置或其他外部显示设备输出。信号输入主控修正转速信号符合信号+B电压其他信号故障设置单元电子控制单元执行器发动机反馈信号图3.1 故障仿真设置单元关系图3.2 实验台总体结构设计在本实验台的设计过程当中，考虑到教学演示操作功能的操作方便性和整体美观性以及台架整体的利用，我们设计了一个立面观看演示的台架。台架上安装了转向轮，移动很方便，还设计了防尘档板，形状显得更加美观大方。根据人体工程学原理，我们设计了功能演示板。演示版为1200mm800mm；台架高度为1100mm，宽为1200mm，底座长1400mm安装四个转向轮以方便移动，发动机支撑左右高为200mm，250mm。整个台架高1900mm，宽1400mm，长1200mm。在底部固定有油箱，电瓶等附属构件均为原车尺寸。实验台的总体结构由动力机架和演示板两部分组成动力机架采用框架结构，用方管焊接而成发动机及自动变速器系统安放在机架中央，固定在机架底面上；机架后侧支架固定安装演示板台架下方安装支撑轮，使台架可按要求移动转向系统采用齿条式转向器并配有助力系统，为使转向机构运动灵活，在机架上安装了支承板，用以固定转向机构为节省空间，没有采用原车油箱，而是用BJ2020副油箱替代，安装时对油箱进行了改造以保证燃油位置传感器和汽油泵可靠工作原车排气管尺寸较大，不便于安装在台架上，故对原车排气管进行了变形改造，并尽可能降低排气噪声及排气阻力考虑到排气管的充分散热，冷却系统风扇布置在排气管附近，以解决排气温度过高的问题，风扇尺寸为720mm420mm总体结构如图3.2所示1-演不板；2发动机；3排气管；4蓄电池；5支撑架；6油箱；7变速器操纵杆；8方向盘图3.2 实验台结构示意图3.3 实验台面板设计实验台的演示板上设置了信号灯、仪表盘、故障诊断区、线束连接区、照明区及指示仪表区，各区域设计力争紧凑演示板尺寸为1200 mm800 mm，板面中部布置仪表盘及信号灯，显示系统的工作信息；演示板左侧布置线束连接器及继电器盒，显示实验台电气线束的布置情况；底部中间位置设置4块指示仪表，2块液压表用于显示自动变速器换档工作油压，一块液压表显示燃油喷射系统供油压力，另一块真空表显示节气门下方真空度变化，指示值的波动可辅助相关故障的判定；故障诊断区则布置在演示板的右侧，具体位置如图3 .3所示为保证实验操作的安全，实验台配有灭火器，以防止由于意外及操作不当起火而造成损失；台架板面上还布置有安全开关，操作过程中因不正常操作出现意外故障时，可通过安全开关及时熄火，避免事故的发生此外，考虑到发动机排气对室内环境的危害，实验台还配置了专用废气导出管将ECU的所有线路，全部引到实验台板上，以连接口的形式固定在台板上，让学生可根据电路图，进行线路连接。为保证线路接口接触良好，对接线材料要求反复使用性强；为了让学生对传感器、执行器、电源、搭铁线路一目了然，在选择接线时，应用不同线色区分1壹号保险盒；2前照灯；3仪表盘；4点火信号中断显示灯；5发动机电子控制单元；6故障设置单元；7信号线连接器；8故障诊断端子；9进气歧管压力传感器；10监控仪表；11接线盒；12继电器盒；13贰号保险盒；14电喇叭；15万用表图3.3 实验台演示板布置图3.4 定位件的校核发动机实验台的自动变速器由前后两个定位件对其进行托举固定，其定位件是四个直径为10mm的螺钉。因为发动机完全置于空中，故此四个螺钉平均承受该自动变速器重力，此处的受力为剪应力。发动机的重力G=1550N,每个螺钉承受的剪力为FQ=G/4=387.5N。所以，故该定位件符合强度要求。3.4 本章小结本章主要介绍了发动机实验台的总体设计部分，对发动机实验台的主体台架布局，面板布置进行了介绍。在设计过程中对实验台的布局部分有些不够合理，但在经过反复审定后，确定了发动机实验台的全体布局。第4章 实验台故障设置及信号模拟功能设定4.1 实验台功能设定4.1.1 工况测试功能为保证直观的教学效果和良好的开发，实验台设置了较强的工况测试功能，能够适应汽车各工况，直接利用转速与负荷的变化实施工况控制，测试电子控制单元的控制过程数据并能利用驱动自动变速器实现带负载功能的测试，从而实现不同工况控制过程仿真信号的测试若借助发动机分析仪等专用仪器还可以实现数据流的输出测试功能7。4.1.2 故障模拟设置与诊断功能采集各传感器、执行器输出输入信号设计一个与发动机ECU各端子连接的三向接口，该接头能使实验台与发动机ECU进行并联和串联。开关信号设置：在对发动机设置故障时，使要设置故障的传感器或执行器的输出信号先进入实验台，通过实验台中的开关将信号改变成故障信号再输入到发动机ECU，发动机ECU会判定该传感器或执行器有故障，以达到通过实验台设置故障的目的。为了能提高学生自主判断能力，在设计过程中，需将故障设置控制部分放在台板的侧面，操作完毕后可锁住，避免学生在操作过程中，根据故障设置开关的位置进行误判断。模拟信号的设置：1、对于水温、节气门位置、进气压力、进气温度这些常用信号，除了采用开关通断的故障模拟装置外，还需采用电位计式调节装置来实现对这些信号的故障调节(图4.1)，这种故障表现更接近于实际故障现象。图4.1 水温传感器(THA)故障设置电路2、曲轴位置及转速传感器信号的模拟模拟装置由曲轴转速传感器和衡圈(齿圈用60个齿分度，中间去掉2个齿)组成，利用电机带动齿圈转动，传感器每经过1个齿，就有一个脉冲信号产生，对曲轴转速传感器的信号进行模拟(见图4.2)。当双掷开关处于12位置时，曲轴位置传感器向ECU输送发动机曲轴位置与转速传感器信号；当双掷开关处于1-2位置时，转速传感器向ECU输送模拟信号8。图4.2 曲轴位置及转速传感器信号的模拟实验台设有包含各种常见电子控制系统故障的预设单元，如：传感器、执行元件的故障代码操作等针对发动机控制系统的故障，可利用发动机故障指示灯进行读取，也可利用专用设备进行读取下面以故障指示灯显示为例加以说明1、读取条件1)蓄电池电压不应低于12 V；2)关闭全车所有用电负荷；3)将自动变速器换档杆置于N或P位；4)将点火开关置于OFF位置；5)用SST(专用跳线)将故障诊断插座中的E1与TE1端子跨接2、故障诊断码的读取由“CHECK ENGINE”故障灯闪亮次数与时间显示故障码数值1)系统正常信号输出状态(如图4.3)所示图4.3 故障诊断正常码信号输出状态2)故障码的显示：如(图4.4)所示，故障灯闪亮时间的长短将遵循下述规律由接通点火开关到出现第一个故障码之间间隔40 s；故障码的第l位数字和第2位数字之间间隔15 s；故障码和故障码之间问隔25 s；所有故障码循环与下一循环之间间隔45 s；故障诊断码数列反复时间将与故障诊断插座端子TE。和E。被连接的时间一样长在完成故障诊断检查之后，应将SST(专用跳线)从故障诊断插座上拆下3)清除故障诊断码：对故障部位进行修理后，一般采用拆下EFI的15 A保险丝至少30 s的方法清除保存在ECU存储器内的故障诊断码保险丝拆下时间的长短取决于环境温度(温度低，保险丝拆下时间应长)，拆下保险丝之前应先切断点火开关在消除故障诊断码后，应进行一次工况试验，以确认“CHECK ENGINE”故障灯显示“正常码”若同的故障诊断码仍被显示，表示故障部位未被彻底修理好或故障诊断码未被有效清除图4.4故障码的显示规律4)故障诊断码的存储原则：包括“正常码”在内，均由ECU统一按编程原则存储；当2个或2个以上的故障码被显示时，小的数码将先出现；除特殊情况外，所有被检测到的故障诊断码，从它被检测到开始均由ECU保存在存储器内，直到被清除为止；故障一旦被排除，位于仪表板上的“CHECK ENGINE”故障灯将熄灭，但是故障诊断码仍被寄存在ECU的存储器内4.2 教学示教功能实验台仿照实车研制，结构元件均为实车部件，能够反映相关系统的实际组成结构及控制过程。可实现动态在线测试实验台还配有教学辅助仪表，可直观显示系统的工作情况，如真空表可显示进气系统真空度的变化，油压表可显示喷油压力的变化，液压表可显示自动变速器换档工作油压，常用信号(节气门位置、水温、进气压力、进气温度)进行处理分析，转变成能在实验台板的数码管上显示的信号。转速、车速表与实车相符，运用指针式表头显示9。4.3 外设匹配功能实验台设有故障诊断端子接口，可以与示波器、万用表、发动机分析仪等设备连接，直接测量传输信号，进行实车难以实现的故障诊断分析的实践教学过程因此，该接口设计具有很强的教学特定功能，与此相应的即为汽车修理操作中的“断电盒”功能为了便于发动机各工作状态的显示，可以在相应的点火电路、起动电路、喷油电路、喷油器电路等电路上分别并联一个LED显示灯，通过LED灯的熄亮反应相应的电路是否正常工作。根据以上要求设计出实验台显示面板4.4 本章小结 本章主要介绍了该发动机实验台是如何实现发动机工况演示及如何设置故障。开发此功能主要针对教学演示功能的开发。在试验中对实车的故障诊断有了更进一部的了解，同时对发动机的各种故障及故障的排除也有了初步的认识。第5章 实验台整体结构校核及加工工艺5.1 实验台的整体校核通过上面对实验台的总体设计，可以知道实验台的总重量主要由三部分组成：即显示面板的重量约20Kg、主机重量约155Kg、台架自重约50Kg，其他部分大约为25Kg，则台架总重大约为250Kg。台架由四个转向轮支撑，将四个支撑点转化为两根简支梁上各两个约束点，这两根简支梁分别承受125Kg的均布载荷P。简化后的力学模型如(图5.1)所yxPXLFAyAAA FByB示。图5.1 实验台台受力分析对其进行受力分析，所得到的剪力图Q和弯距图M分别如(图5.2)、(图5.3)所示。图5.2 剪力Q图图5.3 弯矩M(X)图受力较核：1求支座的约束力FAy、FBy由载荷及支座约束力的对称性可知FAy = FBy = P =775N （4.1）2求任意截面上的内力设所求危险截面距支座A的距离为X，由平衡条件可得Fiy = 0 则： FAyPXFQ(X) = 0 （4.2）Mio0 则： FAyX PX2M(X)0 （4.3）将（4.1）代入（4.2）可得： FQ(X)FAyPXPLPX （0XL） （4.4）将（4.1）代入（4.3）可得： M(X)FAyXPX2PLXPX2 （4.5）因为,弯曲应力的最大之发生在弯矩最大点,求弯矩的最大值。即求M(X)的最大值。所以由（4.5）代入相关数据可得：当时X = L =0.42m = 224.07N.m横截面上的最大正应力公式为： （4.6）其中Wz为弯曲截面系数由于该支撑轮处的制作材料选用的是45号钢板制成。根据型钢表可以查得：则 由参考资料查得， 该钢板的许用拉应力为 许用压应力为 由受力图可知该支撑架只承受压应力，因此，此时无需对拉应力进行校核只需对压应力进行校核即可。由于 所以该支撑架符合要求，所选材料合格。5.2 实验台的制作5.2.1 台架的焊接根据实验台所用的器材部件确定出试验台台架各边尺寸，在制做过程中要将框架的各边按照所设定的进行选材，根据校核，我们选择45#碳素钢材作为实验台架的基础材料，采用焊接技术进行连接。我们将选好的材料按实际设计的尺寸进行选截，由于理论的设计尺寸，和现实中制作的误差，在截取后还要进行尺寸测量，对不符合要求的要采取适当的方式进行校准，以满足制作的需要。在整个焊接过程中要遵循由简入烦、由外到内、由下至上的原则进行。将钢料截好之后，按由下到上的顺序将各边焊接在一起，即先将下地面的各边焊接在一起之后，再焊接四根立柱，最后焊接上部横梁。在实验台框架各主边焊接完了后，我们要在框架主边上焊接或用螺栓连接一些小的部件，用来固定面板。5.2.2 显示面板的制作1、材料的选择实验台有一块控制面板，用来显示和操作。为了与台架更好的连接，选择与台架一样的材料即45号薄钢板。2、尺寸的确定为了使实验台整体布局合理、美观，所以使控制板的长度以框架的长度保持一致，同时又考虑到安装在控制板上的各组件的大小及尺寸和方便操作员的实际操作，操作面板的高度要适当。3、控制面板的布置考虑到控制板上的布局美观和线束的简洁和缩短线束的距离，因此我们按照接线方式和连接形式来确定各组件的安装位置。在操作板上左侧是显示器，右侧下方是各种控制开关和传感器，上方是诊断端口10。5.2.3 组件的安装1、在上面我们已经将各组件的位置确定了，并且使各组件间保持了一定的间隙，先将各组件在控制板上的位置用铅笔画出他们具体的位置，之后，在画出的组件的位置上用做出是组件固定在控制板上的螺纹孔。然后把各个器件依次用螺栓固定在面板上。2、把面板组放在台架上，用螺栓固定。3、连接线路和管路。5.2.4 实验台的整体合理性实验台的整体合理性：在实验台各部安装完了后，由于控制板上各组件的连接造成了实验台内线路的混乱，为了避免实验时线路损坏和实验台布线的合理性，将实验台内的线路按其分布捆成线束，以线束的方式固定，这样就避免了实验台内线路的混乱，使实验台总体布局合理。同时为了使实验台整体看起来美观，将实验台框架刷上油漆，就使实验台整体看起来整齐美观了。因为，控制板我们选用的是胶合板因此就不可避免的存在边缘的不整齐和毛边，为了使控制板美观，将控制面板半边用装饰条包上，这样就使控制板看起来美观了。5.3 本章小结故障诊断实验台的设计是该设计的主体部分，详细阐述了其总体方案的确定，对整个实验台进行了必要的受力校核，以及相关重要电器元件的选择，控制面板的布置。这是下一步进行软件设计的基础，电器元件的好坏将直接影响到软件系统的调试与运行。结论本文首先对发动机系统的历史、发展趋势及分类、结构和基本原理等做了一番概述，从中也着重说明了发动机系统目前在汽车安全配置方面的重要性，另一方面，这也意味着发动机在汽车专业教学的不可忽略性，而对比自动发动机性能实验的多种实验方法，室内实验台无非是最佳的选择11。接着论文分析了国内外自动变速器实验台研制现状，随后提出了丰田1ZZ-FE发动机教学实验台总体方案，完成了实验台的结构设计。 丰田1ZZ-FE发动机实验台能形象地模拟和实时演示发动机工作过程及设置各种故障。该实验台架通过变速箱传动装置，带有完整的自动变速器组件和附件，可直观反应换档时的发动机作用原理，使汽车的发动机工作过程更真实易懂。实验台操作简单，结构明了，设计时充分考虑了和实践教学相结合，可实现故障模拟及检测。随着发动机系统向复合化、集成化、低成本化发展，发动机实验台也必将在技术上有大的突破。 在认真总结前面工作的基础上，得出以下结论： 1、本实验系统能够模拟发动机工作过程。2、可以作为发动机工作教学演示平台。 3、本课题创新点如下：（1）可动态设置发动机系统故障。符合教学对发动机系统实验台的要求；（2）设置了和实验台原理图相融合的检测端子，更便于教学过程实际故障排除操作的方便性；参考文献1戴冠军.丰田轿车电控系统维修手册M北京：机械工业出版社，20022夏耀良.汽车电控示教台研制J .重庆职业技术学院学报，2005(7)：56-583王遂双.汽车电子控制系统的原理与检修M北京：北京理工大学出版社。20004霍莱姆比克B汽车电气与电子系统M徐鸣，译北京：机械工业出版社，19985陈春森实验室建设与教学管理工作的思路J .实验室科学，2006(2).6董辉.汽车用传感器M.北京：北京理工大学出版社，2000.7陈家瑞.汽车构造M.机械工业出版社，2005.8李捷辉.采用单片机控制汽油机正时点火系统M测控技术，19999李涵武.汽车电器与电子技术J哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.10姜斯平、王军.汽油机电子燃油喷射模拟演示系统M交通与计算机，1999.11张金柱，司传胜汽车维修工程J.北京：机械工业出版社200512李晓洲，叶健梅电控发动机的燃油喷射控制南通航运职业技术学院学报J.2004.6.13陈三昧M，陈晨.车载电控喷油系统原理及构成2005.12.14黄河汽车电喷系统基本原理M.上海:上海交通大学出版社200315殷玉枫.机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社，2006.140-141.16Deroit.Michigan,Development of Toyata 1ZZ-FE Engine JNew Engine Design and Automotive Filtration,1998.17Deroit.Development of Toyota 1ZZ-FE Engine J New Engine Design and Automotive Filtration,1998.致谢 三个多月的毕业设计结束了，在这三个多月里，经过数次的尝试和修改，在指导老师鲍宇的精心指导下，我的毕业设计即将顺利完成。在本文即将完成之际，首先感谢我的指导老师鲍宇老师，本论文是在鲍老师的精心指导和严格要求下完成的。通过本设计使我对汽车发动机原理及丰田卡罗拉汽车有了更深一步的认识，在这三个多月里遇到了很多的困难，但是最后都在鲍老师的指导下成功解决。通过本次设计使我在今后的学习和工作中无论遇到什么困难，都能勤奋努力、奋发向上。最后衷心感谢鲍老师在学业上对我的谆谆教诲。师恩难忘，希望有一天能以工作上的优异成绩回报老师的教导之情。同时也要感谢所有帮助过我的同学感谢他们对我的关心和支持。感谢车辆工程专业所有同学对我的帮助和勉励，同窗之谊，终生难忘！最后，衷心感谢各位专家学者为论文审阅工作付出的辛勤劳动。附录AEngine Operating PrinciplesMost automobile engines are internal combustion,reciprocating 4-stroke gasoline engines,but other types have been used,including the diesel,the rotary(wankel),the 2-srtoke,and stratified charge.Reciprocating means up and dowm or banck and forth ,It is the up and down action of a piston in the cylinder blick,or engine block.The bilck is an iron or aluminum casting that contains engine cylinders and passges called water jackets for coolant circulation.The top of the block is convered with the cylinder head.Which forms the combustion chanber.The bottom of the block is covered with an oil pan or oil sump.Power ia produced by the linear motion of a piston in a cylinder.However,this linear motion must be changed into rotary motion to turn the wheels of cars of trucks.The piston is attached to the top of a connecting rod by a pin ,called a piston pin or wrist pin.The bottom of the connecting rod is attached to the crankshaft.The connecting rod transmits the up-and-down motion of the piston to the crankshaft,which changes it into rotary motion.Term: stroke is used to indicate the movement within the cylinder piston, piston stroke is the distance from the engine type according to need two-stroke or four-stroke cycle to finish a job and four stroke engines are also called otto engine, in order to commemorate German engineers otto, he is the first application in 1876, the principle of in four stroke engines, cylinder piston required to complete a four-stroke cycle, each stroke work according to their behavior named respectively: intake stroke, compression stroke, function and exhaust stroke.1. Intake strokeWhen the piston moves down, spray the mixture through open after entering the inlet valve, in order to achieve maximum cylinder amount of inlet in Detroit, arrive before BDC 10 , open and exhaust has 20 to open the inlet valve overlap, has been opened to the pistons to come fully into the mixture after about 50 .2. Compression strokeThe piston start moving up huge inlet valve closed, and the mixture in the combustion chamber, according to the different factors including compression compression ratio, the throttle valve, pressure revs up to about 1 mpa, close to the top, the spark plug stroke produces the spark gap in the breakdown ignition mixture lighting.3. Doing workBurning gas pressure of inflation rose to 3.5 mpa, promote the piston moves to the cylinder, and exhaust door open.4 gas strokeWith exhaust before more open about 50 , piston, make up in the air pressure drops in exhaust stroke, reduce backpressure, discharge waste piston stroke, for the next intake, normally, inlet in exhaust before opening.Only the engine keep running, each cylinder within four four-stroke cycle continuously.Two stroke engine also through the four-stroke cycle to complete a job but intake stroke, compression stroke for a stroke, do work schedule another stroke, the four-stroke cycle and two terms two travel itinerary is called the term two-cycle but actually not so accurate. However,the intake and the compression actions are combined in one seroke,and the power and exhaust actions are combined in the other stroke.The term 2-stroke cyde or 2-stroke is preferred to the term 2-cyde,which is really not accurate.In automobile engines,all pistons are attached to a single crankshaft.the more cylinders an engine has,the more power strokes produced for cach revolution.This means that an 8-cylinder engine runs more smoothly bacause the power atrokes are closer togther in time and in degrees of engine rotation.The cylinders of multi-cylinder automotive engines arranged in one of three ways.1.Inline engines use a single block of cylinder.Most 4-cylinder and any 6-cylinder engines are of this design.The cylinders do not have to be vertical.They can be inclined either side.2.V-type engines use two equal bands of cylinders,usually inclined 60 degrees or 90 degrees from the cach other.Most V-type engines have 6 or 8 cylinders,although v-4 and v-12 engines have been built.3.Horizontally opposed,or pancake engines have two equal banks of cylinders 180 degrees apart.These space saving engine designs are often air-cooled,and are found in the Chevrol