电喷发动机实验台设计.doc

华南热带农业大学学士学位论文电喷发动机实验台设计 工学院01汽车工程系 林明金 (B0108030) 指导老师 谢礼铭 骆剑亮【摘要】: 随着汽车工业的发展，电喷发动机在汽车上被大量引用，作为汽车专业人员，必须掌握电喷发动机的基本结构原理，所以设计符合发动机实际工作过程的电喷发动机实验台，可以直观、方便的分析发动机的结构与原理，而使用实验台故障模拟可以更好的进行故障实验，从而在汽车的教学中起到好的效果。【关键词】：电喷发动机、实验台、设计 The electricity gushes out the design of platform of the experiment of the engine Lin mingjin【Abstract】With the development of auto industry, the electricity gushes out engines and is quoted in a large amount on the automobile, as the professional personnel of the automobile , must grasp the basic structure principle that the electricity gush out the engine , so design the electricity which accords with the real work course of the engine and gush out the laboratory bench of the engine , can ocular, convenient analysis structure and principle of engine, use laboratory bench trouble simulation can carrying on trouble experimenting kind, thus get up to very good result in the teaching of the automobile.【Keyword】engine、experimental bench 、design 第一章：前言 1.1设计背景 汽车电喷技术从20世纪六七是年代以来，得到了长足的发展和广泛的应用。国际著名的汽车企业都相继开发研制并应用了许多不同类型的汽车喷射系统，使得电喷技术得到了推广，电喷发动机已经完全取代了化油器发动机。而在我国，1994 年, 我国推出了电子控制汽油喷射的桑塔纳2000 型轿车, 使得越来越多的非专业人士对“电喷”这个词越来越熟悉, 同时, 也拉开了我国汽车工业逐步以“电喷”取代化油器的序幕。“电喷”一词, 从字面理解是电子控制汽油(燃油) 喷射, 其实有两层含义: 一是发动机的电子控制, 也称发动机管理; 二是指燃油供给方式是喷射，近几年更是兴起电喷发动机的开发和使用。发动机是汽车的心脏，也是故障的多发部位，所以汽车发动机故障与排除是汽车维修人员必备的技能。电子控制技术在汽车上的广泛应用给维修人员带来了学习的困难和掌握的难度。所以研究一种适合电控发动机结构和工作过程的实验台边成了一种趋势。1.2设计必要性因为电喷发动机的技术含量高，不仅开发研制难度大，而且使用者也有一定的知识要求和技术规范。一方面电喷发动机系统故障实验台可以简单的固定发动机实体，直观的展示它的结构，从而更好的分析他的原理，而应用实验台的故障模拟，模拟各种传感器、执行器、发动机控制单元、控制系统电路故障，为使用者提供丰富的检测内容和便利的检测端口。不仅一些技术人员可以方便的提取数据，而且大专院校汽车专业的学生可以通过反复贯穿和模拟实验，强化对电喷发动机的认识，提高使用和维护水平。由此可见，开发使用的电喷发动机实验台具有较大的社会需求。另一方面培训具有一定水平的专业人才，“真实经验”固然重要，但仅教学用车就比较昂贵，并且在车上很难立体的展示发动机的结果，而且旧车进行诊断实验或者故障演示，很多都是破坏性的，要发很大的人力物力。一般电喷发动机的学习主要是要掌握发动机的结构原理和故障排除，而电喷发动机以控制线路故障居多，也是学习的重点，因此，本课题选择设计电喷发动机的实验台架，在结合一些辅助的危机控制设备，可以使学习者在理论和实践上都收到良好的学习效果。1.3实验台现状目前国内生产汽车电控发动机实验台的高校和企业也很多，水平各异，实验台的成型产品也有不同，但是大体的结构和组成多是一样的，一般都由两个主要部分组成，即基础台架部分和控制部分。但是很多发动机台架作为教学设备，都存在着一些问题：一方面不能直观完整的分析发动机的结构原理，大部分只是针对某一车型的电控发动机，而且大多也都是电喷发动机和变速器一体化的实验台，这样设备显的比较笨重，而且也不利于直观的展示电喷发动机的基本结构。由于是电喷发动机和变速器一体化，对于教学而言，存在着弊端，缺乏针对性，不能很好的只针对电控发动机这门课程。另外一点是目前的电控发动机大部分只注重控制台架部分的设计，忽略了基础台架部分的设计，很多电喷发动机的台架设计比较粗糙，不利于发动机的固定，而且安全的要求也不是很严格，比如油箱和蓄电池的距离过近等。1.4设计目标本课题的主要设计目标是设计符合电喷发动机实验过程的实验台架，通过台架展示发动机的结构，在结合控制系统对发动机工作过程和个参数的检测、分析、对比，实现原理教学现场化，故障诊断原理化，融自动控制、检测技术、现代汽车发动机结构于一体的，具有多媒体功能的实时教学环境、科研开发平台及现代检测仪器。还要求结构简单、体积小、整体经济性好、操作简单、各种参数易观察等。而需要说明的是本课题设计的目标是为大专院校开展汽车电控技术教学提供可供反复实验操作、内容丰富、形象生动的现场教学和实验实习的设备电控汽车多媒体教学展示和测控系统，主要的意义在于更好的利用台架进行教学。一方面为了更好的让学生理解电喷发动机的构造和工作原理，掌握电喷发动机的主要故障现象和故障排除方法，可以模拟发动机故障并进行分析与排除；另一方面也使得教学过程更加的生动、直观，学生更容易参与和掌握。所以实验台架的设计力求与教学结合，通过实验台让同学更好的了解实验台的结构原理，掌握实验台的故障分析与排除。第二章：电喷发动机综述：在设计电喷实验台之前，首先需要对电喷发动机的基本结构、原理和基本概况有一定程度的研究。本章主要探析四缸电喷发动机的三个方面工作原理，包括基本结构和主要工作过程.常见故障与排除方法。2.1、AFS结构组成与原理：电喷发动机由传感器、电控单元、和执行器组成图执行器ECU传感器电控单元空气流量计喷油器进气温度传感器怠速控制器水温传感器点火器氧传感器电路断开继电器节气门位置转速传感器各种信号图1电喷发动机的控制组成图电喷发动机由传感器、电控单元(ECU ) 和执行器组成(图1) L传感器为发动机ECU 实时提供发动机的工况; ECU 根据内部储存的发动机各种运行工况下的最佳点火时间和喷油量等数据, 通过调整执行器来进行最佳控制L 传感器、ECU 和执行器只要其中一个出现故障就会导致发动机工作不良, 甚至完全停止工作, 其中以传感器的故障最为常见L，根据输出信号的方式, 传感器可分为频率型传感器和电压型传感器两类, 电压型传感器按接线数又有二线式传感器和三线式传感器两种L，所以要求测试仪能测试各类传感器的输出信号, 同时也能够模拟传感器的输出信号, 用于测试ECU 和执行器的性能。2.2、电喷发动机工作过程：汽车发动机各种运行工况的最佳喷油时间,最佳点火时间,最佳喷油持续时间,均存放在控制电脑ECU中,控制电脑根据空气流量(L型电喷系统)或者绝对压力传感器(D型电喷系统),发动机转速传感器,进气温度传感器,冷却水温度传感器,氧传感器,节气门位置传感器等传来的不同信号,通过分析,计算,判断传感器提供的这些信息,确定发动机所处工况,进而精确地控制点火和喷油时刻.2.3、常见故障尽管电喷系统有不同的结构特点和分类特性,但就其常见故障而言,有其相似或相同之处2.31,ECU常见故障电子控制单元ECU虽然较可靠,一般不易出现故障(故障率一般为10万KM不高于1/1000),但对于行使已超过10万KM以上的车辆,也会出现一些问题.例如:个别电子集成块损坏,固定脚螺丝松动,电子元件焊脚接头松脱,外围接头松动以及电容元件失效等.ECU出现故障后,可能造成发动机启动困难或根本无法启动,没有高速,耗油量大等现象.上述问题,如接头松动,进行一般测试即可排除;而内部问题一般应送特约维修部门去测试和修理.2.32,传感器故障当某个传感器发生故障时,传送到电脑ECU的信息就会出现差错,而电脑仍然根据这些错误的信息产生错误的指令,引起发动机工作不良.但此时故障自诊断系统会储存一个故障代码.当电喷发动机出现故障时,可采用解码仪查询故障代码,并根据代码提示,对有关传感器进行检查测试,看该传感器是否处在正常运行的性能指标范围内.然后根据出厂说明书或维修手册的要求,可知这些传感器是否正常.2.33,执行器故障当某个执行器出现故障时,从电脑ECU送来的控制信息不能得到正确的反映,致使发动机出现各种故障.最为典型的要数喷油器了,喷油器基本由电磁线圈,吸铁开关,喷油针阀和阀座等组成.当针阀开启时就喷油雾化,而针阀的开启是由电控单元ECU产生的电脉冲来控制的.喷油器常见故障有:喷嘴堵塞,喷嘴关闭不严,针阀常开或不开等.其中针阀常开或不开原因有二:一是控制命令的问题(命令非脉冲信号,而是连续信号,造成常开;没有命令,造成不开.)二是喷油器自身内部结构卡滞.而喷嘴堵塞,关闭不严较第三种情况更为常见.堵塞是由沉积物和积炭造成,关闭不严是由针阀与阀座间间隙变大造成.这都将引起混合气浓稀的变化,严重影响发动机的工作.喷油器堵塞时,可用专用清洗机进行清洗;关闭不严滴漏时,一般需更换喷油器.2.34 ,插接件(或连接导线)连接故障电喷系统的电路引线有很多插件,当时间过长便会引起老化,或者由于插件经多次拆卸造成松动或接触不良,从而导致发动机性能时好时坏;而连接导线错综密布,随车辆的振动与车体产生摩擦,导致绝缘层破裂引起搭铁,也会引起同样的故障.比如当空气流量计中的电动燃油泵电路开关的接头接触不良时,导致发动机启动困难;喷油器控制导线搭铁时,引起燃油常喷,造成混合气过浓等. 这种情况就需要在排除故障时,进行细致地检查.2.35连接管道松脱故障电喷发动机的油道和气道,由许多管子和管件连接,漏油和漏气都会造成发动机不能正常工作.比如,进气管道漏气(胶管老化,破裂,卡子未卡紧等),漏气不经空气流量计检测,ECU测得的空气量与实际进入的空气量不相符合,因而对空燃比影响很大;燃油压力调节器真空软管漏气,致使油压升高,空燃比亦发生变化.而油管漏油,危害有三:油压下降,浪费燃油,引起火灾.所以,我们在排除故障时,要认真检查各油路,气路的密封情况.2.36空气,燃油滤清器堵塞故障电喷发动机空气滤清器出现堵塞时,将会造成混合气过浓;而汽油滤清器堵塞,则引起混合气过稀.这都会导致发动机启动困难,运转无力,怠速不稳等现象.因此,应按说明书要求进行定期维护. 宏观分析了一下电喷发动机的常见故障.由此我们可以看出,电喷发动机虽然线路复杂,理论新颖难于迅速掌握,但就同化油器发动机一样,它并不可怕,也有它的规律可循.只要在工作过程当中,注意深入研究一下电喷发动机的基础理论,并结合实践,多思考,多动手,多总结,掌握电喷发动机的维修诊断技术还是比较容易的.第三章：设计思想3.1实验台的组成与类别电喷发动机实验台通常有实验台机架、电喷发动机、实验台控制电路、实验台显示板、实验台控制系统五部分组成，目前，实验台通常有两大类，一类是按实验台显示板的显示内容不同，区分为“发动机电控电路隐含式”和“发动机电控电路展示式”，前者适合高级学员的技能强化，后者适合于初级学员的模拟操作实验。另一类是按实验台的控制系统不同，区分为“普通开关控制式”和“微机控制式”两种。前者成本较低，线路简单，但开关多且功能少，后者功能多，技术含量高，但制作难度大。该汽车教学模型由电喷发动机固定台架和控制部分两大部分组成，并且配置有显示板。本课题主要研究，“发动机电控电路展示式”、“微机控制式”电喷发动机实验台，主要由三部分组成（表1）。表1实验台组成固定台架部分移动式电控发动机台架、折叠式信号显示检测试验台、故障模拟系统中间部分数字式工作状态参数显示模块、故障诊断接口/信号检测接口控制部分微机、显示器、测控应用软件、输入/输出设备及机箱等3.2实验台的的功能与特点 本课题的研究的电喷发动机台架是用于教学与培训，在调研时就很注意听取学生的意见，使设计最大程度的接近实际，是实验台具有优秀教学设备应具备的功能与特点： 结构原理展示可视化教学工作过程与教学实验实验演示演示系统功能故障模拟模拟故障排除图1实验台的功能如图1所示：实验台的主要功能有两个：教学演示和教学模拟，教学演示一个方面就是最好的展示电控发动机原理及结构：发动机上固定的各部件及控制元件的安装位置及外观结构，相关电路的结构及走向，各接插件的结构及引线。以便利用开关及各检测端子，使用万用表、示波器等检查汽车的故障，并可检查各传感器、元器件在各种工况下的电压或电阴及其变化。为了使学生更容易了解电喷发动机的故障检测与排除，实验台的设计还借助各模拟装置、开关，用各种专用检测电脑读取检查发动机，并检查各种故障现象及原因，借助大型的显示板与教学板上的各种指示灯、传感器和仪表显示并检查相应的故障。除此之外，格外的配置相应的软硬件使实验台还有其他辅助能耗对发动机的二次影响及电控调整的功能。总之可实验台力求适宜于是实际教学，可以广泛用于大学汽车专业、职业学校、中专、技校、职业培训等理论辅助教学、技能培训、实验模拟以及各种岗位证书、技能等级考核等。第四章：实验台设计4.1实验台机架的设计（绘图）实验台机架主要用于支撑发动机，由钢结构焊接而成，设计时，要预先确定发动机的定位方式和尺寸，实验台机架的的宽度由主水箱的宽度决定，其总长度不仅要考虑实验台的长度，还要考虑实验台显示板的厚度；发动机安放在实验台上的总高度应方便使用者操作；必须考虑进排起管的走向和要延伸的长度；油箱和蓄电池的安放位置都要考虑安全问题，油箱的尺寸不宜过大，并尽量远离排气管，蓄电池要远离燃油系统；主水箱和发动机的距离要适合上下水管的长度，主副水箱的安放高度要适合冷却液的流动等。4.11整体布置：外形设计力求可以最稳的固定电喷发动机，最好的展示电喷发动机的构造，刚架结构力求简单。主体部分结构分明，整体布置方面、简单、安全，采取又能完全的布置所有的部件，又能最有效的节省材料的方案。如图 图2实验台基架布置图4.12总体尺寸：实验台机架的的宽度由主水箱的宽度决定，其总长度不仅要考虑实验台的长度，还要考虑实验台显示板的厚度；发动机安放在实验台上的总高度应方便使用者操作；必须考虑进排起管的走向和要延伸的长度，保证既有效又美观，即够强度又够经济的尺寸设计。如图3图3实验台基架尺寸图4.13材料选择与受力分析 ：实验台机架主要用于支撑发动机，取到支撑和固定作用，由于发动机本身重量就比较的重，重量一般都在500kg600kg，所以实验台机架必须要有一定的刚度和力度，此外电喷发动机在工作过程，由于存在一定的转速和振动，所以在电喷发动机工作过程必须承受转矩和振动。另外实验台基架力求不要太笨重且造价不宜过高，所以本设计的实验台选用钢结构焊接而成。如图所示发动机的的支撑部位主要在支撑杆1和支撑杆2，所以只要对支撑杆1、2进行受力分析便可，而杆1作为又是支撑杆2的支撑杆，且中间采取焊接而成，且支撑杆1又是垂直支撑，因而只需对支撑杆1进行受力分析。其他的台架杆件没有受到主要的力，我们支架采取的钢结构已经具备足够的强度和刚度。杆件支撑杆1和支撑杆2的受力分析如下可见实验台基架的杆件选用普通结构钢完全符合要求，因为选用的结构刚达到了台架支撑的受力，具备了应有的刚度和强度。4.14关键部位设计 ：油箱和蓄电池的安放位置都要考虑安全问题，油箱的尺寸不宜过大，并尽量远离排气管，蓄电池要远离燃油系统；主水箱和发动机的距离要适合上下水管的长度，主副水箱的安放高度要适合冷却液的流动。基架的转动轮设计要有一定的刚度，能够周向转动。4.2电喷发动机的改进：电喷发动机的核心是一台电喷发动机，为了使学习者可以直观的学习发动机的结构原理，且在实验中可以准确的了解发动机的工作过程及参数变化，所以要对选用的发动机做适当的改进。如在节气门处进气总管处钻一个小孔，在实验台显示板上设立一个真空压力表，用一定长度的软管将两者相连，便可观察到发动机在不同公况下进气管真空度的变化情况。同样，发动机油路压力、蓄电池电压电流以及发动机其他参数的变化均可通过对发动机的适当改造，以及在显示板上设置对应仪表，将所了解的参数及时反映出来，做多大的改造完全由制作者根据教学情况和实验内容而定。4.3实验台电路实验台电路一般由总成线和电控发动机连接线两部分组成,电喷发动机总成线：该线束的一端与固定在发动机上的各传感器、执行器、电器部件相连的接插头，另一端是与发动机ecu、故障检测插座、电喷发动机连接线相连的接插头。通常情况用车用原线束即可，无须更改。电喷发动机连接线：该线束的一端和电喷发动机总成线相连的接插头，另一端和仪表、点火开关、部分电器、部分执行器相连的接插头。必须将之从总多复杂的全车线束中整理出来。4.4实验台显示板显示板的特征：电控系统原理图刻画在显示板上，每一条典型线路上均设置一盏led灯管和检测插孔。所以，每当认为设定一个故障时，不仅会有相应的故障码或者故障现象产生，而且显示板上立即会有一盏led灯管熄灭，原理图和实际电路及时对比，显得直观、明了、印象深刻。更重要的是，可以进一步对检测孔进行测试，获取不同工况下的电路信号变化，以验证故障的存在，从而强化对故障特征的印象，显示板的设计与制作：显示板的表面电路是把发动机电控系统的电路原理图画在显示板上，然后有选择的在一些典型故障电路上设置检测插孔和led灯管。显示板的真实电路是，在显示板背面原理图的每一条典型电路上设置检测插孔与发动机实际电路接线连接。既把自己选的典型故障电路上的传感、执行器的信号线，在进入电脑前和显示板上的检测插孔 连接，并在线路中的适当地方设置一个设置故障的控制开关，最后进入ecu。同样，原理图上的led灯管还要另外布线，从蓄电池上引出线路，首先经过相应的电阻，再和led灯管相接，在线路中加装led灯管控制开关，最后返回蓄电池负极。如图。设置故障的控制开关和led灯管的控制开关是一个并列开关，由并列开关控制两个电路同时接通和断开。实验台控制系统实验台的电路是普通开关控制式的电路，当认为的选择断开某一个控制开关时，即断开某个传感器电路时，便可出现故障码或者出现故障。而断开执行器、电源和接地电路，可模拟产生无故障码的其他故障。12v检测插孔检测插孔执行器传感器汽车发动机电脑ecu执行器传感器并列开关 图1显示板背面的实际控制电路4.5控制部分：本实验台的控制方式主要选用微机控制式的“实验台控制系统”主要由故障模拟结构，微机控制单元，控制键盘和led显示灯四部分组成，如图所示，我们按选定的故障编码在控制键盘上按下控制开关，实验台微机控制单元一方面触发故障模拟机构动作，导致电控发动机产生相应的鼓掌码或者故障现象，另一方面触发led显示灯显示出故障，这样就可以作到直观方便的进行故障模拟和排除实验。如图4故障模拟电路故障模拟电路汽车发动机电脑ecu执行器传感器 传感器 并行接口 Led数码显示电路锁存器实验台控制电路微机并行接口键盘图4实验台控制原理图结束与展望电喷发动机实验台的开发及设计建立在大量的实验和教学工作的基础上，该实验台的研制及投入使用，不仅极大的丰富了专业实验教学的内容和提高了实验教学水平，而且对于开发实验台的软件系统也是一台极好的实验设备。 本课题对目前教学所用试验台存在的不足，经过实地调研，设计了新型电喷发动机试验台。在认真领会、吸收已设计的试验台的设计思想、设计步骤、设计内容、设计结果的基础上，一边同时翻阅大量相关课题的科技文献，同时在导师骆剑亮副教授的指点下，进行了深入总结研究，本设计主要解决了