花冠轿车发动机电子控制系统实验台设计.docx

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花冠轿车发动机电子控制系统实验台设计

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，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。

本设计主要是针对丰田1ZZ-FE发动机进行展开，首先介绍了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：

1ZZ-FE；实验台；设计：

教学；故障检测；

ABSTRACT

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

ThedesignismainlydirectedagainstToyota1ZZ-FEenginetostart,firstofallintroducedthe1ZZ-FEengine'sinternalstructure,workingprincipleandoperation.Onthisbasis,ateachingoftheengineforthepurposeoftest-beddesign.Forthepurposeofteachingit,thetest-bedstructureischaracterizedbyrelativelysimpletest-bedhasadetectionterminalandself-diagnosticinterfacetofacilitatetheprocessofteachingtoenablestudentstounderstandandintuitivefaultbysettingthehandstostrengthentheircapacityinordertoachievegoodteachingeffectiveness.

Keywords：

1ZZ-FE；Bedstand；Test-Bed；Teaching；Faulttest

目　　录

1.4故障诊断技术的发展趋势………………………………………………………4

第2章花冠1ZZ-FE发动机结构特点………………………………………………5

2.1动机相关资料………………………………………………………………………5

2.1.1动机的作用和组成………………………………………………………5

2.1.2油发动机的工作原理………………………………………………………5

2.21ZZ-FE发动机相关资料…………………………………………………………8

2.31ZZ-FE发动机技术特点…………………………………………………………9

2.4本章小结…………………………………………………………………………11

第5章实验台故障设置及信号模拟功能设定…………………………………25

5.1实验台功能设定…………………………………………………………………25

5.1.1工况测试功能……………………………………………………………25

5.1.2故障模拟设置及诊断功能………………………………………………25

5.2教学示教功能……………………………………………………………………28

5.3外设匹配功能……………………………………………………………………28

第1章绪　　论

1.1电器实验台设计的目的和意义

1.1.1目的

随着轿车产量和保有量日益增大，相关的使用与维修问题也接踵而来，而现代轿车是以广泛采用电子技术为标志的,其结构比较复杂,且汽车运行中电器故障所占的比重远远高于其他故障,约占40%～60%,这对从事汽车工程相关专业的人员提出了更高的要求[1]。

先进的汽车实验台可以培养学生实践动手能力，分析处理问题能力，工程实践能力和创新能力及商品意识，很好的满足专业技术人才培养的要求。

因此，设计出的汽车电器系统实验台作为实验设备，在教学的过程中可以为学生及汽车专业技术人才营造良好的学习氛围，起到理论联系实际的一个纽带，为实验教学提供了有利的条件，在满足教学实验的基础上提高了学生及汽车故障诊断、维修能力。

学生掌握汽车电器的故障诊断这项技能，对学生未来的发展是有很大帮助的。

如何设计一个使学生容易理解、操作简单、经济、方便维修的实验台是这次设计的主要目的。

1.1.2实验台设计的意义

１、先进的汽车实验、实训台设计与制作可以培养学生实践动手能力、分析处理问题的能力、工程实践能力和创新能力及商品意识,满足专业技术人才培养的要求。

可以提高汽车的使用寿命和经济效益,推动汽车工业及国民经济的发展。

２、与实践相结合,提高学生的实际操作能力。

３、伴随汽车电器技术的进步,实验台还可以进行更新换代,节约研制经费。

４、对实验台的开发和设计,可以建立一种科研环境,给学生营造良好的学习氛围。

在设计过程中,需要对以往学过的知识进行复习,还有很多的理论需要深入的研究,以便同实际操作结合。

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研究和发展现状

随着汽车工业的发展，汽车作为一种代步工具，已经进入普及时代。

目前，平均每辆汽车上的电子装备已经占到整车成本的20%—30%，一些高档轿车上电器产品所占比重更高，电器产品的费用已经占到整车成本的50%以上。

据美国汽车工业界的预测，2003年全球汽车电器产品的总销售额将达800亿美元。

汽车电器是汽车的重要组成部分，其自身的性能对汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、操纵性、舒适性、娱乐性等各种性能都会产生直接而重要的影响。

现代汽车已不再是传统的机电产品，其中汽车机械部分的发展已经达到了极致，汽车电器还有广泛的发展空间，汽车上70%的革新来自汽车电子技术及产品。

汽车电子属于典型的高技术、高附加值、高增长的新兴产业，具有巨大的市场容量和很强的技术渗透性与产业带动性，是我国占领产业技术制高点、大力推进高新技术产业化的良好机遇。

在发达国家，汽车已经进入电子时代，汽车电器技术已经成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题。

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。

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。

1.3设计的要主内容

由以上论述可知，花冠电控实验台主要由台架和台面组成。

主要内容如下：

1、完成实验台布局设计（台架、展板）、演示装置设计、

2、实现车用传感器的信号输入、尽可能解决信号之间匹配（转速与负荷）。

3、面板设计及选择原件定位。

4、演示装置及检测装置设计。

5、实现故障设置，故障演示。

6、研究方法:

实验室调研，借鉴参考台架。

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。

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。

第2章花冠1ZZ-FE发动机结构特点

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）

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。

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3.0～6.5MPa，最高温度可达2200～2800K，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0.35～0.5MPa，气体温度降低到1200～1500K。

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0.105～0.12MPa，温度约为900～1100K。

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。

2.21ZZ-FE发机动的相关材料

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-FE。

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。

2.31ZZ-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