毕设论文z1zfe发动机实验台设计生.docx

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毕设论文z1zfe发动机实验台设计生

1ZZ-FE发动机实验台设计

摘要

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1ZZ-FE型电控发动机仿真实验台，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。

本设计主要是针对丰田1ZZ-FE发动机进行展开，首先了解1ZZ-FE发动机的内部结构、工作原理及运行情况。

在此基础上，提出了一种以教学为目的的发动机实验台设计方案。

针对它的教学目的，该实验台的特点是结构相对较为简单，实验台设有检测端子和自诊断接口，便于在教学过程中，让学生直观了解并通过设置故障增强其动手能力，以达到良好的教学效果。

关键词：

发动机；实验台；故障检测

1ZZ-FEEngineExperimentalDesign

Abstract

Automobilenewtechnologyisdevelopingveryrapidly,andtheapplicationinautomobileengineeringisbecomingmoreandmorecommon.Andtherelateduniversitiesandtechnicaltraininginstitutionsinsocietywithnewtechnologyintheteachingtheory,correspondingmostofnewtechnology,newstructureofpracticeteaching,notonlymeanslaginautofieldwidelylaunchnewtechnologysynchronizationofthecar,carmorewiththerapiddevelopmentofnewtechnologyisdeveloped.Therefore,Toyota1ZZ-FEtypeelectronic-controlledenginesimulationplatform,thedesignwithToyotacorolla1ZZ-FE,designandmanufactureofenginewithfaultdiagnosisandthefunctionofteachingdemonstrationexperimentplatform,canbecombinedexperimentalfaultdiagnosiscanbeset,andsignaltest,dataflowanalysis,etc.Purposeisthroughthecombiningtheorywithpractice.

ThedesignismainlydirectedagainstToyota1ZZ-FEenginetostart,firstofallfindoutthe1ZZ-FEengine'sinternalstructure,workingprincipleandoperation.Onthisbasis,ateachingoftheengineforthepurposeoftest-beddesign.Forthepurposeofteachingit,thetest-bedstructureischaracterizedbyrelativelysimpletest-bedhasadetectionterminalandself-diagnosticinterfacetofacilitatetheprocessofteachingtoenablestudentstounderstandandintuitivefaultbysettingthehandstostrengthentheircapacityinordertoachievegoodteachingeffectiveness.

Keywords：

engine；test-bed；faulttest

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪　　论1

1.1引言1

1.2课题研究的背景与意义1

1.3国内外研究状况2

1.4故障诊断技术的发展趋势3

1.5发动机试验台架的场地4

第2章1ZZ-FE发动机相关资料及技术特点6

2.11ZZ-FE发动机的相关资料6

2.21ZZ-FE发动机的技术特点8

2.3VVT-i系统的组成10

2.4VVT-i系统的主要部件的构成10

2.5本章小结11

第3章丰田1ZZ—FE发动机实验台架设计及总体布局12

3.1实验台辅助结构设计12

3.1.1动力与传动系统选型12

3.1.2控制系统设计12

3.2实验台总体结构设计13

3.3实验台面板设计14

3.4定位件的校核15

3.5本章小结16

第4章实验台故障设置及信号模拟功能设定17

4.1实验台功能设定17

4.1.1工况测试功能17

4.1.2故障模拟设置与诊断功能17

4.2外设匹配功能20

4.3本章小结20

第5章实验台整体结构校核及加工工艺21

5.1实验台的整体校核21

5.2实验台的制作23

5.2.1台架的焊接23

5.2.2显示面板的制作24

5.2.3组件的安装24

5.2.4实验台的整体合理性24

5.3本章小结25

结　　论26

参考文献26

致　　谢27

附录A28

附录B41

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1ZZ—FE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发动机试验台架的场地

发动机试验台架一般都坐落在实验室中，用作一体化教学使用。

第一个是电子控制实验室，此控制室配有精密的电子控制仪器，这些仪器用于控制教学的发动机。

实验台主要有两种功能：

一是演示发动机电控系统工作原理的功能，二是进行故障模拟的功能。

目前用于演示发动机电控系统工作原理的方法主要有三种，第一种是利用实验台显示面板的图形表示，发动机电控系统的原理图印制在显示面板的正面，为了能够方便地对发动机各个线路进行控制和检测有关信号，控制开关和检测插口都设置在显示面板正面。

为了使实验台的显示面板更直观，控制面板上的电路原理图根据各部分性质的不同，分别用不同的颜色加以区分。

在控制面板的背面，每一个控制开关的和检测插口都必须与发动机的实际线路相连，即每一个传感器、执行器和信号线、接地线等在进入发动机电控单元或者由发动机控制单元输出、接地之前，必须要先与显示面板上的控制开关相连，然后经过检测插孔，最后才能进入发动机电控单元、执行器或接地。

各种电源线的连接也是如此，即电源线在进入用电单元前，先与检测插孔相连，再经过控制开关，最后接入用电单元。

这样设计不仅可以方便地实现对各种信号、电源等的控制，而且由于每个控制开关和检测插孔都在显示面板上相应的电路原理图中，所以比较直观。

这是最简单的一种表达方式。

第二种演示发动机电控系统工作原理的表达方式是利用LED显示，将发动机电控系统的原理图制作在实验台的显示面板上，发动机电控系统原理图中的传感器、执行器、电源和搭铁线路由LED显示灯表示。

通过操纵控制开关，LED显示灯将依次点亮，表示从电源到ECU、从传感器到ECU、从ECU到执行器、从ECU到搭铁等电路中的电流，从而直观地表达发动机电控系统的工作原理。

第三种演示发动机电控系统工作原理的表达方式是利用安装在显示面板上的液晶显示屏显示输出的方式。

发动机电控系统实验台，各种传感器、发动机控制单元、执行器实物都安装在实验台上，同时将发动机喷油量信号和点火提前角信号在发动机实验台的液晶显示屏上用直方图表示出来，当改变输入信号时，就可以直观地显示出输出的变化。

上述三种演示发动机电控原理的方式虽然比较直观，但不能精确地定量反映输出与输入之间的关系，因此不能够真实地反映发动机电控系统的工作原理和工作过程。

用于教学的电控发动机实验台的第二种功能是故障模拟的功能。

作为电控发动机故障模拟的实验台又可分为开关控制式和微机控制式。

发动机电控系统故障的主要原因是一些传感器信号丢失或线路断路以及短路，或者传感器信号的电压幅值或频率超出了正常范围。

为了模拟发动机电控系统的故障，要求发动机实验台不仅能够设置各种故障，而且要使这些故障具有重复性。

例如某大学设计的发动机故障模拟实验台为开关控制式，主要由发动机及其电控系统、故障模拟装置、显示面板及电涡流测功机、AVL五气体分析仪、电子秤、点火提前角仪、示波器、信号发生器及数字式万用表等相关的测试设备组成。

其中故障模拟装置主要由相关的控制开关、检测插口等组成，其主要作用是根据需要人为地为各传感器、执行器、控制单元、线路等设置故障。

故障模拟装置的控制开关及检测插口装在显示面板上相应的电路中。

控制显示面板上的控制开关，可以设置不同的故障。

故障设置后，通过诊断座上的插孔和按钮可以直接调出故障代码，另外通过相应的检测设备可以检测出该故障对发动机的动力性、经济性以及排放性的影响。

实验台不仅可以通过控制开关的通断模拟传感器、执行器、控制单元和线路的故障，而且可以利用信号发生器向发动机控制单元发出模拟信号，替代发动机电控系统原传感器信号，当使模拟信号的大小、频率等改变时，可以检测发动机性能参数的变化并读取故障码。

如果模拟信号超出了允许的范围，就会产生故障码并引起发动机工作性能的相应改变，这样就可以演示发动机故障形成的过程以及对发动机工作造成的影响。

第2章1ZZ-FE发动机相关资料及技术特点

2.11ZZ-FE发动机的相关资料

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-FE。

发动机外型如图2-1。

图2-1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。

2.1.1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。

2.1.2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。

2.1.3点火系统

1ZZ-FE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。

2.1.4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。

2.21ZZ-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。

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