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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
１. １課題研究的背景與意義
系統(tǒng)仿真是迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，隨著系統(tǒng)仿真的理論方法和應(yīng)用技術(shù)的研究和深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對實(shí)際系統(tǒng)或假想的的系統(tǒng)進(jìn)行仿真的技術(shù)越來越受到人們的重視。總結(jié)和回顧系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的應(yīng)用歷史，系統(tǒng)仿真技術(shù)不僅在航天，航海，原子能，電力等領(lǐng)域進(jìn)一步提高了應(yīng)用水平，而且逐步發(fā)展到應(yīng)用于社會，經(jīng)濟(jì)，交通，生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域，已成為高科技產(chǎn)品從論證，設(shè)計(jì)，生產(chǎn)試驗(yàn)，訓(xùn)練到更新等生命周期各個(gè)階段不可缺少的技術(shù)手段，為研究和解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題提供了有效的工具。
近20多年來，隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的發(fā)展，汽車工業(yè)和汽車技術(shù)取得了長足進(jìn)步。采用電子技術(shù)已經(jīng)成為解決汽車質(zhì)量與性能諸多問題中的最佳方案。應(yīng)用微機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油與點(diǎn)火就是為了適應(yīng)社會對汽車排放法規(guī)與節(jié)能的要求。目前，多數(shù)轎車都已裝用發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，對發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制發(fā)動(dòng)機(jī)的控制已由早期的模擬裝置發(fā)展成為微機(jī)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中，微機(jī)不僅控制點(diǎn)火定時(shí)與噴油系統(tǒng)的空然比，還控制怠速轉(zhuǎn)速，爆燃，增壓壓力，近期和廢棄再循環(huán)以及變速器傳動(dòng)諸多方面，還增加了自診斷系統(tǒng)，后備系統(tǒng)與保護(hù)裝置，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。
現(xiàn)代汽車工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成熟的發(fā)展階段，世界各大汽車制造商為進(jìn)一步地爭奪汽車銷售市場，不斷加強(qiáng)開發(fā)投資力度，試圖以提高汽車安全性、降低能耗、改善舒適性和增加功能等來推動(dòng)汽車工業(yè)向高附加值方向發(fā)展。汽車電子技術(shù)是汽車技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，汽車電子化被認(rèn)為是汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中的一次革命。在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，汽車已經(jīng)由單純的機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展為高級的機(jī)電一體化產(chǎn)品，成為所謂的“電子汽車”。
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展, 現(xiàn)代汽車技術(shù)與電子技術(shù)、信息技術(shù)融合在一起, 汽車已成為現(xiàn)代科技的載體和結(jié)晶。據(jù)核計(jì)，目前平均每輛車上的電子裝備已經(jīng)占到整車成本的20%-30%，在一些豪華轎車上，使用單片微型計(jì)算機(jī)的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到50個(gè)，電子產(chǎn)品費(fèi)用占到整車成本的50%以上?？梢哉f,目前電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到汽車所有的系統(tǒng)并在提高汽車的操縱性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性和自動(dòng)化程度等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在發(fā)達(dá)國家，汽車已經(jīng)進(jìn)入電子時(shí)代，汽車電子控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代汽車技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和研究的重點(diǎn)問題。
由此可以看出，現(xiàn)代汽車已不再是傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品，其中汽車的機(jī)械部分的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了極致，汽車?yán)^續(xù)改進(jìn)的空間將集中在傳統(tǒng)汽車技術(shù)和電子技術(shù)的的結(jié)合上，汽車上70%的革新來自汽車電子技術(shù)及產(chǎn)品。然而，由于汽車運(yùn)行的環(huán)境多變，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)所處的環(huán)境惡劣，因此，由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)引起的故障也相應(yīng)增多。據(jù)相關(guān)從事汽車維修多年的人員表示，現(xiàn)代汽車由于電控系統(tǒng)引起的故障大約占全車故障的70%，特別是新車。發(fā)動(dòng)機(jī)電子燃油噴射是一項(xiàng)涉及面很廣的技術(shù)，它包括了傳感器技術(shù)、微處理技術(shù)、控制工程等多方面知識。并且，在汽車修理過程中，由于車系、車型的差別，維修人員判定傳感器元件信號及電子控制單元導(dǎo)致的故障很困難。這就給汽車維修和汽車教學(xué)帶來了很大的障礙。而現(xiàn)有的教學(xué)試驗(yàn)臺架絕大部分仍然基于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是制約學(xué)生理論學(xué)習(xí)和提高實(shí)踐能力的一個(gè)重要原因。本設(shè)計(jì)通過對發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制部分實(shí)施改制，使之形成可以脫離發(fā)動(dòng)機(jī)本體試驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用相應(yīng)傳感器來模擬實(shí)際運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)故障診斷，通過故障代碼的分析，查找并排除故障。研制出一套對汽車電子控制系統(tǒng)診斷準(zhǔn)確、操作方便、快速經(jīng)濟(jì)的故障診斷系統(tǒng)，從而把理論教學(xué)與實(shí)踐過程有機(jī)地結(jié)合起來，使理論教學(xué)更直觀，實(shí)踐過程更容易。
1.2國內(nèi)外汽車教學(xué)改裝的發(fā)展趨勢
我國改裝技術(shù)的研究與應(yīng)用開展得比較早，發(fā)展迅速。80年代就建設(shè)了一批水平高、規(guī)模大的半實(shí)物改裝系統(tǒng)，如射頻制導(dǎo)導(dǎo)彈半實(shí)物仿真改裝系統(tǒng)、工程飛行模擬等等，主要應(yīng)用于軍事用途。目前半實(shí)物改裝仿真在工業(yè)、交通優(yōu)化逐步開始應(yīng)用，同時(shí)，半實(shí)物仿真技術(shù)已成為國內(nèi)汽車工程師研究的熱點(diǎn)，已滿足應(yīng)用設(shè)計(jì)周期的縮短、產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高、開發(fā)及設(shè)計(jì)費(fèi)用的減少的要求。
在國外，汽車公司的工程師感到他們需要一種替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的新途徑。他們曾經(jīng)嘗試過的方法所遇到的主要問題還是硬件原型的不完備，整個(gè)設(shè)計(jì)在工程化時(shí)需要重新設(shè)計(jì)和重新編程。因此汽車公司的工程師開始尋找一種新的方法來填補(bǔ)傳統(tǒng)與現(xiàn)代的汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)之間的空白，使得需求定義者控制器設(shè)計(jì)人員有一個(gè)共同的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
故障診斷(Diagnostics)，是指確定故障的起因，即在不拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)本體或僅拆下個(gè)別零件的條件下，查找故障零件部位和查明故障原因的過程。診斷技術(shù)，是指能用于發(fā)現(xiàn)和分析故障元件及故障區(qū)域的技術(shù)。按故障診斷技術(shù)從無到有，與電控燃油噴射技術(shù)的發(fā)展水平相對應(yīng)的診斷技術(shù)可分為人工經(jīng)驗(yàn)診斷、簡單儀器診斷、精密監(jiān)測診斷和人工智能診斷四個(gè)階段。
人工經(jīng)驗(yàn)診斷：20世紀(jì)50年代以前，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較簡單，電控燃油噴射系統(tǒng)還沒有應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，通過簡單的測試儀表，如轉(zhuǎn)速表、氣壓表、真空表電壓表、電流表等，或者是判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否有異響、是否過熱、有異味等情況。再依靠人工經(jīng)驗(yàn)來完成對的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷工作。目前，人工經(jīng)驗(yàn)診斷方法對某些復(fù)雜故障的診斷仍十分有效。
簡單儀器診斷：20世紀(jì)50年代初至70年代末，由于汽油噴射系統(tǒng)開始應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，傳感器、微處理器技術(shù)、控制工程技術(shù)也隨之在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用。因此，在汽油噴射系統(tǒng)故障診斷過程中就必須借助相關(guān)傳感器、微處理器及示波器等儀器設(shè)備對發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行檢測，以判定其工作性能的好壞。
精密監(jiān)測診斷：20世紀(jì)80年代初至90年代初，電子技術(shù)的進(jìn)步，對電控燃油噴射系統(tǒng)的控制內(nèi)容更加全面，控制程度更加精確。隨之，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的各種精密診斷設(shè)備得到了快速的發(fā)展，對電控發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的準(zhǔn)確率也有了很大提高。如各種發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀、點(diǎn)火正時(shí)儀、電腦檢測儀以及各種電子化檢測儀表等都是進(jìn)行精密檢測所必備的儀器。
人工智能診斷：20世紀(jì)90年代開始，由于汽車電控燃油噴射技術(shù)的不斷完善，而且車型及其控制技術(shù)又不盡相同。因此，在汽車維修中，故障診斷就成為關(guān)鍵性問題。應(yīng)用人工智能理論與技術(shù)以及現(xiàn)代的信息技術(shù)開發(fā)出的各種故障系統(tǒng)將有助于電控燃油噴射系統(tǒng)故障診斷問題的解決。
1.3故障診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢
近年來，一些新的科學(xué)分支的出現(xiàn)和發(fā)展及其在設(shè)備故障診斷中的成功應(yīng)用，為汽車故障診斷技術(shù)的發(fā)展開拓了新的途徑。由于汽車電子化的趨勢是從整體上來設(shè)計(jì)全車的控制系統(tǒng)，因此，現(xiàn)代故障診斷系統(tǒng)的技術(shù)正向著故障專家系統(tǒng)、人工智能故障診斷系統(tǒng)方面發(fā)展，開發(fā)要求是：具有在線更新自診斷功能、故障預(yù)測功能、自我保護(hù)功能，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線信息資源的交流與共想。
1.4主要研究內(nèi)容
（1）控制柜的設(shè)計(jì)：具有較強(qiáng)的演示功能，可以實(shí)現(xiàn)隨車故障診斷以及針對不同電子控制系統(tǒng)元件進(jìn)行信號測試；
（2）控制面板的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)車輛控制信號測試；
（3）發(fā)動(dòng)機(jī)工作數(shù)據(jù)顯示：可以顯示發(fā)動(dòng)機(jī)工作油壓以及進(jìn)氣管真空變化。通過燈、儀表演示系統(tǒng)工作狀態(tài)。
（4）典型系統(tǒng)工作狀態(tài)演示：可以通過局部解剖切割的方法演示總成系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
第2章 凱美瑞電子控制系統(tǒng)的應(yīng)用
汽車電子化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志，現(xiàn)代汽車電子控制技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性, 改善了行駛的穩(wěn)定性和舒適性, 推動(dòng)了汽車工業(yè)的發(fā)展, 還為電子產(chǎn)品開拓了廣闊的市場, 從而推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。因此, 發(fā)展汽車電子控制新技術(shù), 加快汽車電子化速度, 是振興和發(fā)展汽車工業(yè)的重要手段。
近年來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用，汽車電子控制技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，尤其在控制精度、控制范圍、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等多方面有了較大突破。汽車電子控制技術(shù)已成為衡量現(xiàn)代汽車發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
汽車電子控制系統(tǒng)基本由傳感器、電子控制器（ECU）、驅(qū)動(dòng)器和控制程序軟件等部分組成，與車上的機(jī)械系統(tǒng)配合使用（通常與動(dòng)力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和車身系統(tǒng)中的子系統(tǒng)融合），并利用電纜或無線電波互相傳輸訊息，即所謂的“機(jī)電整合”，如電子燃油噴射系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)、防滑控制系統(tǒng)、電子控制懸架系統(tǒng)、電子控制自動(dòng)變速器、電子助力轉(zhuǎn)向等。汽車電子控制系統(tǒng)大體可分為四個(gè)部分：發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)，底盤綜合控制系統(tǒng)，車身電子安全系統(tǒng)，信息通訊系統(tǒng)。其中，前兩種系統(tǒng)與汽車的行駛性能有直接關(guān)系。
2.1 汽車電子技術(shù)的發(fā)展
世界汽車電子技術(shù)的發(fā)展過程在不同的資料介紹中略有不同，但按照時(shí)間順序大致可以分為以下三個(gè)階段：
第一階段 （1960～1975年）：20世紀(jì)60年代晶體管收音機(jī)、晶體管點(diǎn)火裝置的實(shí)用化揭開了電子化時(shí)代的序幕，主要產(chǎn)品有交流發(fā)電機(jī)、電子電壓調(diào)節(jié)器、電子點(diǎn)火控制器等。1967年，德國BOSCH公司利用進(jìn)氣支管絕對壓力信號和模擬計(jì)算機(jī)來控制發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比的D型燃油噴射系統(tǒng)裝配在汽車上，率先達(dá)到了當(dāng)時(shí)美國加州的排放法規(guī)要求，開創(chuàng)了汽油機(jī)電子控制燃油噴射技術(shù)的新時(shí)代。
第二階段 （1975～1985年）：由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，汽車進(jìn)入了微機(jī)控制時(shí)代，汽車上廣泛應(yīng)用集成電路和16位以下的微處理器。電子控制燃油噴射裝置的功能得到進(jìn)一步的擴(kuò)充，在三元催化轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)中采用了氧傳感器，形成了閉環(huán)控制，顯著降低了污染。有的還采用了發(fā)動(dòng)機(jī)整體控制系統(tǒng)，出現(xiàn)了無分電器的微機(jī)控制點(diǎn)火系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是發(fā)展專用的控制系統(tǒng)，主要產(chǎn)品有電子燃油噴射系統(tǒng)（EFI）、空燃比反饋控制系統(tǒng)、故障自診斷系統(tǒng)等。
第三階段 （1985年～現(xiàn)在）：高科技的迅速發(fā)展時(shí)期，汽車電子產(chǎn)品的研制開發(fā)競爭十分激烈，主要側(cè)重于汽車性能的進(jìn)一步提高、各種功能的進(jìn)一步完善及減少汽車的質(zhì)量，開始使用32位微處理器。主要產(chǎn)品有故障自診斷系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、數(shù)字式油壓表、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)等。
2.2 現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的應(yīng)用
汽車電子技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車用微型計(jì)算機(jī)的推廣使用上。雖然汽車微機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣, 但是技術(shù)比較成熟且應(yīng)用很普遍的還是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)功率和排放的閉環(huán)控制系統(tǒng)
電子點(diǎn)火正時(shí)：電子點(diǎn)火正時(shí)是利用專用微機(jī)或大規(guī)模芯片實(shí)行對點(diǎn)火時(shí)刻的最佳控制, 它的關(guān)鍵部件是高精度曲軸位置傳感器、負(fù)荷傳感器、排氣含氧量傳感器、爆然傳感器、進(jìn)排氣溫度傳感器、冷卻水溫度傳感器等。
電子控制燃油供給系統(tǒng)。目前使用最普遍的是電子汽油噴射系統(tǒng), 其次是電子式化油器和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制等。它們的關(guān)鍵部件除與電子點(diǎn)火正時(shí)系統(tǒng)相同外, 還包括進(jìn)氣流量傳感器、燃油泵和噴油嘴。電子技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用往往是綜合性的, 這樣才易于降低成本, 提高性能。如日本日產(chǎn)汽車公司生產(chǎn)的ECCS系統(tǒng)就同時(shí)具有點(diǎn)火正時(shí)、汽油噴射、廢氣再循環(huán)、怠速控制系統(tǒng)及故障診斷等多種功能。
2.2.2 汽油機(jī)電子綜合控制系統(tǒng)
汽油機(jī)電子控制裝置除完成一般的電子控制汽油噴射裝置的起動(dòng)噴油量控制、伺服噴油量控制、暖車工況控制外, 還能實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制、點(diǎn)火控制、排氣再循環(huán)控制和二次空氣供給控制、怠速控制等。此外, 新型汽油機(jī)電子控制裝置還裝有自適應(yīng)控制, 智能控制及故障自診斷操作等。汽油機(jī)電子綜合控制已將發(fā)動(dòng)機(jī)的工作控制在最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
此外，電子技術(shù)還應(yīng)用于柴油機(jī)綜合控制系統(tǒng)、汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系、主動(dòng)懸架、通訊導(dǎo)航、娛樂和乘坐舒適性等方面。
2.3汽車電子技術(shù)的發(fā)展趨勢
當(dāng)前，汽車電子技術(shù)進(jìn)入了優(yōu)化人- 車- 環(huán)境的融化關(guān)系的階段，它向著超微型磁體、超高效電機(jī)以及集成電路的微型化方向發(fā)展，并為汽車上集中控制提供了基礎(chǔ)（如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和懸架的集中控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的集中控制）。未來汽車電子技術(shù)的突破口可能會在以下幾個(gè)方面：
（1）傳感器技術(shù)：汽車電子化越發(fā)達(dá)，自動(dòng)化程度越高，對傳感器依賴性就越大，它是促進(jìn)汽車高檔化、電子化、自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以，國內(nèi)外都將車用傳感器技術(shù)列為重點(diǎn)。其發(fā)展趨勢是：多功能化、集成化、智能化、微型化，它不僅要能提供用于模擬和處理的信號，而且還能對信號做放大和處理。同時(shí)，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
（2）微處理技術(shù)：微機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)指揮其他設(shè)備工作。目前汽車上用的微機(jī)以通用單片機(jī)和高抗干擾及耐振的汽車專用微機(jī)為主，但速度和精度要求不如計(jì)算用微機(jī)高?，F(xiàn)在，車用微機(jī)正從8位、16位發(fā)展到32位，有670萬個(gè)晶體管, 448k字節(jié)的片上快閃內(nèi)存和8個(gè)片上外圍設(shè)備,可同時(shí)管理發(fā)動(dòng)機(jī)和變速控制系。
（3）現(xiàn)場總線技術(shù)：現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動(dòng)控制裝置之間數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。由于CPU傳感器和執(zhí)行系統(tǒng)的增多,汽車系統(tǒng)中的導(dǎo)線數(shù)將會達(dá)到千根以上,許多汽車的線束質(zhì)量和線束直徑已分別達(dá)到40Kg和12Km。由于線束太多，按傳統(tǒng)的連線方式嚴(yán)重影響汽車部件的設(shè)計(jì)、布局、和制造，易使故障增多且很難診斷出故障所在，反過來就制約了控制技術(shù)在汽車中的應(yīng)用。在這種情況下，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的多路復(fù)用通信技術(shù)應(yīng)用到汽車中，則可促成對汽車性能的精確、高速控制，并可減少配線。目前, 由德國BOSCH公司推出的CAN現(xiàn)場控制總線正逐漸在被歐洲汽車商使用。在我國，由于這方面的技術(shù)研究比較晚，所以發(fā)展比較慢，但已經(jīng)有很多汽車廠家和相關(guān)科研單位及高校都在做這方面的技術(shù)研究，并取得了一定的成果。
（4）智能汽車及智能交通系統(tǒng)的研究和應(yīng)用：汽車智能化相關(guān)的技術(shù)問題已受到制造商們的高度重視。其主要技術(shù)中“自動(dòng)駕駛儀”的構(gòu)想必將依賴于電子技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)的開發(fā)將與電子、衛(wèi)星定位等多個(gè)交叉學(xué)科相結(jié)合，能根據(jù)駕駛員的目標(biāo)資料，向駕駛員提供距離最短而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線。它裝有電子地圖，可以顯示出前方道路，并采用衛(wèi)星導(dǎo)航。從全球衛(wèi)星獲取沿途天氣、車流量、交通事故、交通堵塞等各種情況，自動(dòng)篩選出最佳行車路線。
此外，還有軟件新技術(shù)、多通道傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸載體方面的電子新技術(shù)將在汽車上得到應(yīng)用。當(dāng)今社會，隨著能源問題的日益突出和對安全要求的不斷提高，未來汽車設(shè)計(jì)的主要問題仍將是環(huán)保節(jié)能和安全。電子技術(shù)的快速發(fā)展為汽車向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多媒體的方向發(fā)展創(chuàng)造了條件?？梢灶A(yù)見，未來汽車將不再僅僅是個(gè)代步工具，它同時(shí)具備了交通、娛樂、辦公和通信的多種功能。汽車的電子化使汽車工業(yè)步入了數(shù)字化時(shí)代。
隨著集成控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，汽車電子技術(shù)已明顯向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)主要方向發(fā)展。
（1）集成化
近年來嵌入式系統(tǒng)、局域網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)總線技術(shù)的成熟，使汽車電子控制系統(tǒng)的集成成為汽車技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。將發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)，集成為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合控制；將制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)綜合在一起進(jìn)行制動(dòng)控制；通過中央底盤控制器，將制動(dòng)、懸架、轉(zhuǎn)向、動(dòng)力傳動(dòng)等控制系統(tǒng)通過總線進(jìn)行連接，控制器通過復(fù)雜的控制運(yùn)算，對各子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，將車輛行駛性能控制到最佳水平，形成一體化底盤控制系統(tǒng)。
（2）智能化
智能化傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加快了汽車的智能化進(jìn)程。汽車智能化相關(guān)的技術(shù)問題已受到汽車制造商的高度重視。其主要技術(shù)中“自動(dòng)駕駛儀”的構(gòu)想必將依賴于電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。智能交通系統(tǒng)（ITS）的開發(fā)將與電子、衛(wèi)星定位等多個(gè)交叉學(xué)科相結(jié)合，它能根據(jù)駕駛員提供的目標(biāo)資料，向駕駛員提供距離最短而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線。它裝有電子地圖，可以顯示出前方道路、并采用衛(wèi)星導(dǎo)航。從全球定位衛(wèi)星獲取沿途天氣、車流量、交通事故、交通堵塞等各種情況，自動(dòng)篩選出最佳行車路線。
（3）網(wǎng)絡(luò)化
隨著電控器件在汽車上越來越多的應(yīng)用，車載電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。以分布式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)造汽車車載電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是十分必要的。大量數(shù)據(jù)的快速交換、高可靠性及低成本是對汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求。在該系統(tǒng)中，各子處理機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，控制改善汽車某一方面的性能，同時(shí)在其它處理機(jī)需要時(shí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。主處理機(jī)收集整理各子處理機(jī)的數(shù)據(jù)，并生成車況顯示。
綜上所述，當(dāng)汽車大量采用電子元件及其計(jì)算機(jī)控制技術(shù)后，其產(chǎn)品本身的質(zhì)量、安全性、排放性和舒適性得到了提高。同時(shí)，當(dāng)汽車出現(xiàn)故障時(shí)，也毫無疑問地帶來了故障診斷復(fù)雜化等新問題，給汽車故障診斷和維修工作帶來了越來越多的困難，對汽車維修技術(shù)人員的要求越來越高。這就對汽車的現(xiàn)代化保養(yǎng)與快速檢測、診斷、維修提出了新的課題題。
2.4 本章小結(jié)
本章簡要地介紹了汽車電子技術(shù)的發(fā)展歷程及以后的發(fā)展趨勢，其中主要是對于發(fā)動(dòng)機(jī)控制方面，這對于本設(shè)計(jì)有宏觀的指導(dǎo)意義，有助明確實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的目的和確定系統(tǒng)最終要達(dá)到的功能要求。
第3章 教學(xué)控制柜控制柜設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)的原理
以豐田凱美瑞轎車為基礎(chǔ), 在保持原車基本功能不變的前提下, 對汽車車身及其相關(guān)部件進(jìn)行剖析, 以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。安裝對外輸出插座, 并制作可移動(dòng)“教學(xué)控制柜”, 通過航空插頭與車內(nèi)插座相連后, 即可進(jìn)行工況檢測與故障設(shè)置, 此時(shí)可對學(xué)生進(jìn)行凱美瑞轎車維修檢測技術(shù)和判斷排除汽車故障的訓(xùn)練和教學(xué)。在教學(xué)控制柜與汽車本身脫開時(shí), 教具車仍保持原車的行駛功能狀態(tài)。學(xué)生通過教具車的演示和動(dòng)手操作, 掌握工況信息的采集和控制, 以及進(jìn)行故障診斷分析及排除的教學(xué)和考核, 從而提高學(xué)生對豐田汽車的實(shí)際動(dòng)手能力, 大大豐富汽車專業(yè)教學(xué)內(nèi)容?！?
該系統(tǒng)是一種硬件在線實(shí)時(shí)技術(shù)，通過外設(shè)從而模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)用開關(guān)仿真研究汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)能大大加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)速度，降低成本。本文的目的就是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制控制用的邏輯、算法以及確定各種控制參數(shù)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)外部物理環(huán)境來調(diào)試、檢測發(fā)動(dòng)機(jī)性能。
3.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜的工作流程一般如下
用戶在進(jìn)行實(shí)物仿真系統(tǒng)時(shí)，對其外部總體設(shè)計(jì)，對其控制面板、顯示模塊，外部插頭、航空接頭及對其內(nèi)部電路布線設(shè)計(jì)。對其要求布局合理，演示直觀，最后確定模型。
3.1.2基本組成與原理
發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜由箱體、插頭面板、開關(guān)面板、顯示面板、航空接頭及支架組成，通過在其內(nèi)部配置ECU及合理的布線，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)信號測試分析
（1）ECU
ECU是實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的核心部分，它運(yùn)行實(shí)體對象和仿真環(huán)境的模型和程序。一般來說，采用層次化、模塊化的建模法，將模塊化程序劃分為不同的速率塊，在仿真計(jì)算機(jī)中按速率塊實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行。
（2）物理效應(yīng)設(shè)備
物理效應(yīng)設(shè)備的作用是模擬復(fù)現(xiàn)真實(shí)世間的物理環(huán)境，形成仿真環(huán)境或成為虛擬環(huán)境。物理效應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑多種多樣。
（3）接口設(shè)備
仿真計(jì)算機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)信號經(jīng)變換后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的物理效應(yīng)設(shè)備。接口設(shè)備同時(shí)將操作人員或?qū)嵨锵到y(tǒng)的控制輸入信號到仿真計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。
3.2 電子控制燃油噴射
3.2.1電子控制燃油噴射的基本原理
由內(nèi)燃機(jī)原理知，汽油和空氣必須按一定比例組成的混合氣進(jìn)入氣缸后，才能容易點(diǎn)燃和完全燃燒。理論上完全燃燒一定量的汽油所需的空氣量，可以用化學(xué)當(dāng)量比進(jìn)行計(jì)算。按質(zhì)量計(jì)，對汽油來說，空氣與汽油的比例為14.7：1。
一般用α表示過量空氣系數(shù)，即：
α=
α=1時(shí)稱為標(biāo)準(zhǔn)混合氣，α﹤1稱為濃混合氣，α﹥1稱為稀混合氣。
電子控制汽油噴射裝置（EFI），就是利用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確地控制發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃油量，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的混合氣的空燃比都在規(guī)定的范圍之內(nèi)?？刂破骶C合各種不同傳感器送來的信息作出判斷，控制噴嘴以一定的壓力，正確、迅速地把燃油噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管里，與吸入的空氣混合后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，同時(shí)配合電子控制點(diǎn)火在最佳時(shí)刻點(diǎn)燃可燃混合氣。圖3.1所示是電子控制燃油噴射系統(tǒng)的基本原理圖。
汽 油 泵
噴 油 嘴
壓力調(diào)節(jié)器
汽 油 箱
發(fā) 動(dòng) 機(jī)
傳 感 器
控 制 器
圖3.1 電子控制汽油噴射的基本原理方框圖
3.2.2 電子控制燃油噴射系統(tǒng)的組成
電控汽油噴射系統(tǒng)主要由燃油供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。
1、燃油供給系統(tǒng)
燃油供給系統(tǒng)的作用是將燃油從油箱中吸出，經(jīng)過加壓濾清后由噴嘴向發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中噴射。主要由汽油箱、汽油濾清器、電動(dòng)汽油泵、壓力調(diào)節(jié)器、電磁噴油器等組成。
汽油在電動(dòng)汽油泵的壓力作用下從油箱中泵出，再經(jīng)濾清器除去氧化鐵、粉塵等固體夾雜物后由燃油管輸送到壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)油壓，使燃油壓力始終高于進(jìn)氣管壓力約0.3Mpa,然后經(jīng)汽油分配管送給各缸電磁噴油器，電磁噴油器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的指令將汽油適時(shí)地噴入進(jìn)氣管中。
2、空氣供給系統(tǒng)
空氣供給系統(tǒng)的任務(wù)是按發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的需要，適時(shí)地提供足夠的空氣，并測量進(jìn)入氣缸的空氣量?？諝饬渴怯呻娍貑卧ㄟ^進(jìn)氣壓力傳感器測出的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器測出的曲軸轉(zhuǎn)速計(jì)算求得。它主要由空氣濾清器、空氣流量計(jì)、節(jié)氣門控制單元、進(jìn)氣歧管等組成。
發(fā)動(dòng)機(jī)從外界吸入的空氣，經(jīng)空氣濾清器除去雜質(zhì)后，再由節(jié)氣門根據(jù)相關(guān)工況對其進(jìn)氣量進(jìn)行控制，將足夠的空氣量通過進(jìn)氣歧管與燃油混合后或直接送入發(fā)動(dòng)機(jī)。
3、控制系統(tǒng)的組成和控制原理
控制系統(tǒng)的功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和車輛運(yùn)行狀況確定汽油的最佳噴射量和噴射時(shí)刻，使發(fā)動(dòng)機(jī)即可獲得較大的動(dòng)力，又可具備良好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)又能滿足排放的要求。該系統(tǒng)主要由ECU、傳感器和執(zhí)行器組成?；窘Y(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
傳感器
I/O
CPU
存儲器
執(zhí)行器
模
擬
信
號
數(shù)
字
信
號
輸出回路
轉(zhuǎn)換器
輸入信號
輸入信號
ECU
圖3.2 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
電子控制單元是電子控制系統(tǒng)的核心部件，它主要由輸入回路、A/D轉(zhuǎn)換器、微型計(jì)算機(jī)和輸出回路等四部分組成。其基本功能如下：
(1)給傳感器提供基準(zhǔn)電壓，將所需輸出的信息轉(zhuǎn)變成控制單元所能接受的信號；
(2)接受傳感器或其他裝置輸入的各種信息；
(3)進(jìn)行存儲、計(jì)算、分析處理信息；存儲該車的特征參數(shù)；計(jì)算出輸出值；存儲運(yùn)算中的數(shù)據(jù)；存儲故障信息；
(4)運(yùn)算分析。根據(jù)信息參數(shù)求出執(zhí)行命令數(shù)值，并將輸出信息與標(biāo)準(zhǔn)值比較；
(5)輸出執(zhí)行命令，把弱信號變?yōu)閺?qiáng)的執(zhí)行命令；
(6)自我修正、自我保護(hù)和自診斷功能；
微機(jī)利用數(shù)字控制，能在較短的時(shí)間內(nèi)處理很多信號，且具有上述功能，能夠進(jìn)行高精度的發(fā)動(dòng)機(jī)控制。
進(jìn)氣溫度傳感器：它是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻，即溫度升高阻值下降。它安裝于進(jìn)氣管道上，是檢測發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣的溫度的傳感器。由于吸入空氣溫度的變化會引起空氣密度發(fā)生變化，因此需要進(jìn)行燃油噴射量修正。將進(jìn)氣溫度轉(zhuǎn)變成電信號，送給控制單元，用于各種控制功能的修正。如果該信號中斷，控制單元將啟用一個(gè)替代值，但不能準(zhǔn)確感知進(jìn)氣溫度，會導(dǎo)致熱啟動(dòng)困難，排放升高等故障。
冷卻水溫傳感器也是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻，它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器處，直接與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水接觸。溫度越低阻值越大，并將冷卻液溫度的高低，轉(zhuǎn)變成電信號，輸出給電控單元，從而控制供油加濃量、點(diǎn)火正時(shí)和怠速轉(zhuǎn)速。該信號是一個(gè)較重要的修正信號，如果該信號中斷，控制單元將啟用一個(gè)替代值，但不能準(zhǔn)確感知冷卻水溫度，將會導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)困難、油耗增加、怠速自適應(yīng)差、排放升高等故障。
空氣流量計(jì)：空氣流量計(jì)安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來精確地測定吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都能獲得最佳的空燃比。根據(jù)測量原理不同，可分為葉片式、卡門渦流式、熱線式和熱膜式等幾種。當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)、油耗增加等故障。
節(jié)氣門位置傳感器：節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門體上，是檢測節(jié)氣門開度的傳感器，有線性輸出型和開關(guān)量輸出型兩種形式。它把節(jié)氣門打開的角度轉(zhuǎn)換成電壓信號送到ECU，在節(jié)氣門不同開度下進(jìn)行油量控制，怠速觸點(diǎn)信號用于斷油控制和點(diǎn)火提前角的修正。
氧傳感器：氧傳感器安裝在三元轉(zhuǎn)化器前面和排氣支管或排器管內(nèi)，用來檢測排氣中的氧含量，以確定實(shí)際空燃比與理論空燃比相比是稀還是濃，并向ECU反饋相應(yīng)的電壓信號，ECU根據(jù)此信號，控制噴油量的增加或減少，從而實(shí)現(xiàn)空燃比反饋控制。癢傳感器有氧化鋯和氧化鈦兩種，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放會增加。
執(zhí)行器有主繼電器和短路繼電器，用來控制系統(tǒng)和燃油泵的電源。
3.3 點(diǎn)火系的組成及原理
現(xiàn)代汽車中的普遍使用了電子點(diǎn)火系統(tǒng)，使點(diǎn)火時(shí)間的控制精度和可靠性發(fā)生了巨大的變化。電子點(diǎn)火系統(tǒng)主要有三大部分組成：檢測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的傳感器；處理信號并發(fā)出工作指令的ECU；執(zhí)行ECU指令的執(zhí)行器，包括點(diǎn)火器、點(diǎn)火線圈、分電器和火花塞等等。
發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間，各種傳感器分別將每瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷（進(jìn)氣歧管壓力）以及冷卻水溫度等工況信號輸入ECU中。CPU根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號，在存儲器ROM中檢查到與發(fā)動(dòng)機(jī)所處工況下對應(yīng)的最佳基本點(diǎn)火提前角和初級線圈通電時(shí)間（閉合角），并根據(jù)冷卻水溫度等信號查出相應(yīng)的點(diǎn)火提前角修正值。據(jù)此，由CPU計(jì)算出最佳的點(diǎn)火提前角，再根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角和曲軸位置傳感器判別出曲軸位置、轉(zhuǎn)角及第幾缸處于壓縮上止點(diǎn)，向點(diǎn)火器發(fā)送點(diǎn)火正時(shí)信號，按所需的通電時(shí)間，先控制功率三極管接通點(diǎn)火線圈電路，經(jīng)一段最佳通電時(shí)間，使一次電流達(dá)到飽和后，再切斷初級線圈電路，在次極線圈中感應(yīng)產(chǎn)生高壓電，直接送往相應(yīng)的火花塞，點(diǎn)燃混合氣。
在點(diǎn)火控制系統(tǒng)中，采用爆震傳感器來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)有無爆燃現(xiàn)象，并將信號送入發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元，從而對點(diǎn)火提前角進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火時(shí)刻的閉環(huán)控制，有效地抑制了發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃現(xiàn)象的發(fā)生。
3.4 故障診斷原理
電子控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，ECU輸入、輸出信號的電平都是在規(guī)定的范圍內(nèi)變動(dòng)。當(dāng)某信號一段時(shí)間內(nèi)不變化或超出規(guī)定范圍時(shí)，故障自診斷系統(tǒng)就會判定為該信號的元件或電路出現(xiàn)故障，并把這一故障以代碼的形式存入內(nèi)部存儲器，同時(shí)點(diǎn)亮儀表盤上的故障指示燈。
3.4.1傳感器的故障診斷
各種傳感器正常工作時(shí)，其輸入ECU的信號數(shù)值都是在一定范圍內(nèi)變化的。
當(dāng)某一傳感器電路出現(xiàn)超出規(guī)定的信號時(shí)，ECU就判定為該電路或傳感器信號發(fā)生故障。例如冷卻液溫度信號，當(dāng)傳感器值異?；虿荒茏R別時(shí)，ECU就可判定冷卻液溫度傳感器出現(xiàn)故障。冷卻液溫度傳感器正常工作時(shí)，其輸出電壓值在0.1～4.8V之間變化；如果輸出電壓低于0.1V（相當(dāng)于冷卻液溫度高于139℃）或高于4.8V（相當(dāng)于冷卻液溫度低于-50℃），CEU檢測到電壓值超出規(guī)定范圍時(shí)，既判定為冷卻液溫度傳感器短路或斷路。
3.4.2 執(zhí)行器的故障診斷
ECU向執(zhí)行器發(fā)出指令信號，如果沒有來自執(zhí)行器的信號信息，則顯示執(zhí)行器故障。因此，在故障診斷時(shí)，常需要增加專用回路來監(jiān)測執(zhí)行器的工作信息。例如：當(dāng)點(diǎn)火回路中的大功率晶體管不能正常工作時(shí)，點(diǎn)火器內(nèi)的點(diǎn)火監(jiān)視器回路就不能把大功率晶體管正常工作信號輸送給控制發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU。如果ECU得不到點(diǎn)火器的監(jiān)控信號，就判定點(diǎn)火系發(fā)生故障。此時(shí)，ECU立即采取措施，使噴油器停止燃油噴射。
如果由于某種原因偶爾出現(xiàn)一次不正常信號，ECU并不會判定為故障。只有當(dāng)不正常的信號持續(xù)一定時(shí)間或多次出現(xiàn)時(shí)，ECU才判定為故障。
3.4.3 線路故障診斷
故障信號的出現(xiàn)，不僅與傳感器或執(zhí)行器本身有關(guān)，還可能與出現(xiàn)故障的整個(gè)電路有關(guān)，而ECU在故障診斷系統(tǒng)判定故障時(shí)，只是提供了故障的性質(zhì)和范圍，要最后確定故障的原因，還應(yīng)進(jìn)一步檢查配線、插頭、ECU和相關(guān)元件，才能準(zhǔn)確地找到出現(xiàn)故障的具體位置，從而排除故障。
3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜的功能要求
為了實(shí)現(xiàn)方便教學(xué)以及汽車電腦檢測等目的，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：
（1）電子控制方面，利用單片機(jī)模擬各種傳感器信號取代傳感器所反饋的信號來控制實(shí)驗(yàn)臺中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。
（2）可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射、電子點(diǎn)火，以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。
（3）系統(tǒng)要設(shè)置一塊轉(zhuǎn)接板，通過轉(zhuǎn)接板可以與同一車系不同車型的電腦連接，從而檢測汽車電腦工作是否正常。
（4）系統(tǒng)應(yīng)有一個(gè)故障診斷端子，通過與發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析儀連接，可以測出各傳感器信號數(shù)據(jù)流，而且可以讀取ECU故障碼，從而排除故障。
3.6發(fā)動(dòng)機(jī)控制柜的工作原理及過程
在系統(tǒng)使用前，先將從單片機(jī)芯片輸出的傳感器模擬信號輸出端子與跳線接口的輸入端接好，再把所要檢測的汽車電腦的輸入口與轉(zhuǎn)接板上相應(yīng)的輸出口相接。啟動(dòng)電源，根據(jù)需要來操作不同的功能開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)或檢測汽車電腦工作情況的要求。
（1）模擬發(fā)動(dòng)機(jī)電控燃油噴射、電子點(diǎn)火，以滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。
當(dāng)半實(shí)物仿真系統(tǒng)作為教學(xué)演示使用時(shí)，應(yīng)該把一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、控制精確的汽車電腦接入系統(tǒng)。它的輸入端和輸出端分別與轉(zhuǎn)接板和執(zhí)行器相連。然后接通電源，通過操作面板上的功能開關(guān)控制執(zhí)行器的各工況下的工作。
接通電源前，把操作面板上的各控制開關(guān)置于空擋位置。當(dāng)接通電源時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，程序進(jìn)行初始化，此時(shí)，操作面板上轉(zhuǎn)速顯示數(shù)碼管顯示轉(zhuǎn)速為800r/min，即怠速工況下的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在系統(tǒng)的演示功能區(qū)里，噴油器噴油和火花塞開始演示。當(dāng)把操作面板上轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于增擋位置時(shí)，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動(dòng)增加50轉(zhuǎn)，而噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸加快，當(dāng)數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為3500r/min——本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速便不再增加。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最高轉(zhuǎn)速工作；相反，當(dāng)置轉(zhuǎn)速控制開關(guān)于減擋位置時(shí)，數(shù)碼管顯示的轉(zhuǎn)速會每隔2秒鐘會自動(dòng)減少50轉(zhuǎn)，噴油器和火花塞的工作速度會隨著轉(zhuǎn)速的減少逐漸減緩，當(dāng)數(shù)碼管上顯示轉(zhuǎn)速為600r/min——本實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)的最低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速便不再減少。相應(yīng)地，執(zhí)行器也對應(yīng)于最低轉(zhuǎn)速工作。在轉(zhuǎn)速增加或減少的過程中，如果把轉(zhuǎn)速控制開關(guān)置于空擋位置時(shí)，那么實(shí)驗(yàn)臺將會在當(dāng)前轉(zhuǎn)速工況下工作。如果按下操作面板上轉(zhuǎn)速復(fù)位鍵時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺執(zhí)行器就回到怠速工況，隨后再根據(jù)開關(guān)的狀態(tài)繼續(xù)工作。同樣，在操作面板上還有進(jìn)氣溫度控制開關(guān)和水溫控制開關(guān)，當(dāng)它們工作時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會對應(yīng)于不同的進(jìn)氣溫度和水溫進(jìn)行不同工況下的工作。
執(zhí)行器在工作時(shí)，可以用專用儀器接在故障診斷端子上讀取各信號數(shù)據(jù)流，對汽車電腦的工作進(jìn)行分析，從而就可以對汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。
3.7本章小結(jié)
本章主要闡述發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制燃油噴射和點(diǎn)火系故障診斷實(shí)驗(yàn)臺的基本原理，明細(xì)的講解了車用主要傳感器工作原理和控制過程。從理論上來分析故障發(fā)生的位置和機(jī)理，提出了實(shí)驗(yàn)臺的功能要求，對以后設(shè)計(jì)任務(wù)的切實(shí)開展有明確的指導(dǎo)作用。
第4章 凱美瑞轎車的教學(xué)改裝設(shè)計(jì)
4.1 總體方案的確定
以豐田凱美瑞轎車為基礎(chǔ), 在保持原車基本功能不變的前提下, 對汽車車身及其相關(guān)部件進(jìn)行剖析, 以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。安裝對外輸出插座, 并制作可移動(dòng)“教學(xué)控制柜”, 通過航空插頭與車內(nèi)插座相連后, 即可進(jìn)行工況檢測與故障設(shè)置, 此時(shí)可對學(xué)生進(jìn)行凱美瑞轎車維修檢測技術(shù)和判斷排除汽車故障的訓(xùn)練和教學(xué)。在教學(xué)控制柜與汽車本身脫開時(shí), 教具車仍保持原車的行駛功能狀態(tài)。學(xué)生通過教具車的演示和動(dòng)手操作, 掌握工況信息的采集和控制, 以及進(jìn)行故障診斷分析及排除的教學(xué)和考核, 從而提高學(xué)生對豐田汽車的實(shí)際動(dòng)手能力, 大大豐富汽車專業(yè)教學(xué)內(nèi)容。
4.1.1 凱美瑞轎車特點(diǎn)與改裝計(jì)劃
1、凱美瑞轎車的特點(diǎn)
(1) 潤滑系統(tǒng) 汽缸蓋裝有VVT-i 控制器和凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥, 控制潤滑系統(tǒng)的工作過程。
(2) 采用VVT-i 智能可變氣門正時(shí)系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、節(jié)氣門位置和水溫傳感器信號、發(fā)動(dòng)機(jī)電腦計(jì)算出各個(gè)行駛條件下的最佳氣門正時(shí)、控制凸輪軸正時(shí)油壓控制閥動(dòng)作, 使進(jìn)氣凸輪軸在400 范圍內(nèi)保持最佳氣門正時(shí), 提高了燃油經(jīng)濟(jì)性和發(fā)動(dòng)機(jī)性能, 實(shí)現(xiàn)在所有速度范圍內(nèi)提高扭矩和燃油經(jīng)濟(jì)性, 減少廢氣排放量。VVT-i 控制器裝在進(jìn)氣凸輪軸前端, 由與進(jìn)氣凸輪軸耦合的葉片和從動(dòng)正時(shí)鏈的殼體組成,在進(jìn)氣凸輪軸上的提前或滯后油路傳遞機(jī)油壓力, 使VVT-i 控制器葉片沿圓周方向旋轉(zhuǎn), 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)電腦的提前、滯后或保持信號, 凸輪軸正時(shí)機(jī)油控制閥選擇至VVT-i 控制器的通路。
(3) 燃油系統(tǒng)
燃油系統(tǒng)采用了無回油系統(tǒng), 以減少燃油蒸氣的排放, 采用燃油切斷控制, 在安全氣囊展開時(shí), 燃油泵停止工作, 以提高安全性。
(4) 點(diǎn)火系統(tǒng)采用了DIS
直接點(diǎn)火裝置DIS 直接點(diǎn)火裝置的每個(gè)汽缸有一個(gè)帶點(diǎn)火器的點(diǎn)火線圈與火花塞直接接觸, 以簡化系統(tǒng)和提高點(diǎn)火效率。
(5) 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)
采用L 型EFI 電控形式, 包括ESA 電子點(diǎn)火提前控制、怠速控制、VVT-i 智能可變氣門正時(shí)控制、燃油泵控制、燃油蒸氣排放控制、空調(diào)功能控制、冷卻風(fēng)扇控制、發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制、安全保護(hù)控制等。
2、教具車的改裝
豐田凱美瑞教具車包括教具車本體和教學(xué)控制柜兩大部分。也分為“保持原車行駛”和“進(jìn)入檢測與排故程序”兩大狀態(tài)。在原型車線路基本不變的情況下, 在原車線束加設(shè)了相應(yīng)線路, 并作了改動(dòng)。
(1) 根據(jù)教學(xué)需要, 切割左側(cè)前車門, 展示車內(nèi)的防撞桿和其它結(jié)構(gòu), 可以觀察電動(dòng)窗升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況和中央門鎖的工作情況。
(2) 在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi), 加設(shè)3 個(gè)壓力表組和電磁閥工況顯示燈組。3 個(gè)壓力表分別是進(jìn)氣歧管真空度表、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力表和自動(dòng)變速器油壓表, 分別對真空度、燃油壓力和變速器油壓進(jìn)行監(jiān)測。5 個(gè)變速器電磁閥信號燈分別是: 換檔電磁閥S1、S2、鎖止電磁閥SL、壓力調(diào)節(jié)電磁閥SLT 和計(jì)時(shí)電磁閥ST, 分別對他們的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)測。
圖4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙壓力表
(3) 空調(diào)高、低壓壓力表組, 安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙最前部, 對空調(diào)的高、低壓進(jìn)行監(jiān)測。
(4) 在駕駛室副駕駛座下面, 安裝四個(gè)航空插座, 車內(nèi)所有改制線路均通到航空插座上,ABCD 四個(gè)航空插座為: A、B 為發(fā)動(dòng)機(jī)教學(xué)控制; C 是自動(dòng)變速器和ABS 教學(xué)控制; D 為空調(diào)與車身電氣教學(xué)控制。平時(shí), 四個(gè)插座上面安裝短接端蓋, 此時(shí)教學(xué)車保持原車全部功能, 擰下短接端蓋, 將4 根電纜和教學(xué)控制柜相連, 此時(shí)即進(jìn)入檢測與排故狀態(tài)。
圖4.2 ABCD4個(gè)航空接頭插座
3、增設(shè)教學(xué)電子控制柜
教學(xué)電子控制機(jī)柜是一個(gè)可移動(dòng)的控制機(jī)柜, 正面上半部分是檢測面板, 下半部分是一個(gè)儲物箱, 檢測面板上方有4 個(gè)數(shù)字式電表分別顯示空氣流量計(jì)VG、進(jìn)氣溫度傳感器THA、水溫傳感器THW 和節(jié)氣門位置傳感器VTA, 可實(shí)際測量空氣流量、氣溫、水溫和節(jié)氣門位置的電壓反饋信號, 并通過4 個(gè)模擬故障設(shè)置開關(guān)可產(chǎn)生上述4 個(gè)傳感器模擬信號, 用以取代4 個(gè)傳感器輸出信號, 以觀察不同的輸出信號對發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響和設(shè)置傳感器信號誤差故障。
4個(gè)數(shù)字式電表下面分別是發(fā)動(dòng)機(jī)部分, 自動(dòng)變速器部分和ABS、空調(diào)和車身電氣部分的檢測插孔, 這些檢測插孔有些是從汽車電腦端引出來的, 也有的是從傳感器、執(zhí)行器和其它元件上引出來的, 在這些插孔上測量與在車上各元件端測量一樣, 故可用萬用表和示波器測得汽車運(yùn)行時(shí)的各個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù), 可觀察各傳感器的輸出波形變化, 以加深對汽車各組成部件工作原理工作過程的了解, 并可進(jìn)一步根據(jù)測得的數(shù)據(jù)來分析判斷汽車的運(yùn)行工況和故障原因及故障存在的部位。
圖4.3控制柜4個(gè)數(shù)字式電表
轎車仿真系統(tǒng)的研究教學(xué)電子控制機(jī)柜分別設(shè)置了發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器和ABS、汽車空調(diào)和車身電氣的等故障開關(guān)共百余個(gè), 按下一個(gè)開關(guān), 就會在教具車的相應(yīng)部位產(chǎn)生一個(gè)故障。故障設(shè)置開關(guān)下方是A、B、C、D 四個(gè)航空插座, 與車內(nèi)4 個(gè)航空插座相對應(yīng)。通過4 根電纜, 使得控制機(jī)柜與教具車連成一體, 教具車即進(jìn)入檢測故障設(shè)置狀態(tài)。
5、線路改造與連接
(1) 將A、B、C、D 四個(gè)短接插頭對應(yīng)插入教具車副駕駛座下的A、B、C、D 四個(gè)航空插座, 此時(shí), 教具車保持原車的全部行駛功能。
(2) 教具車點(diǎn)火開關(guān)置于“OFF”, 從教具車航空插座上擰下短接電纜插頭, 從教學(xué)控制機(jī)柜儲物箱內(nèi)取出A、B、C、D 四根短接電纜。將短接電纜插頭對應(yīng)連接教具車A、B、C、D 和教學(xué)控制機(jī)柜A、B、C、D 四個(gè)航空插座, 連接可靠并擰緊鎖住。
(3) 將教具車點(diǎn)火發(fā)動(dòng)后, 教學(xué)控制機(jī)柜4個(gè)數(shù)字電子表即顯示空氣流量計(jì)、節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度傳感器和水溫傳感器的動(dòng)態(tài)反饋信號。在各檢測孔用萬用表和示波器可測得各元件數(shù)據(jù)和波形。打開發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙蓋, 可觀察各儀表顯示的油壓、真空度和空調(diào)壓力信號, 將電腦診斷儀插入教具車診斷座, 可讀得汽車運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流。
(4) 操縱車窗門鎖開關(guān), 可從剖切部位觀察電動(dòng)門窗機(jī)構(gòu)和中央門鎖的動(dòng)作過程。
(5) 打開教學(xué)控制柜后蓋, 即露出故障設(shè)置開關(guān)。可分別設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器和ABS、汽車空調(diào)和車身電氣部分的故障, 按下開關(guān)即可設(shè)置一個(gè)故障。當(dāng)開關(guān)撥到模擬位置時(shí), 此時(shí)真實(shí)傳感器信號被切斷, 轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)傳感器顯示數(shù)字電子表下的旋扭即可將模擬的傳感器信號輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)電腦, 產(chǎn)生相應(yīng)的故障現(xiàn)象或電腦進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)。
5、開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
通過使用加設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的真空表壓力,再配合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表及示波器, 可以同時(shí)將真空度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油脈寬這三組數(shù)據(jù)流形象直觀地展現(xiàn)給學(xué)生, 可以使學(xué)生明白發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的噴射控制工作過程, 如單次噴油時(shí)間及噴油頻率的區(qū)別; 轉(zhuǎn)速不發(fā)生改變, 真空度就不會改變,單次噴油時(shí)間就不會發(fā)生改變, 即無論轉(zhuǎn)速是在怠速、2000 RPM、3000 RPM,只要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定, 真空度就會變化, 則單次噴油時(shí)間不會改變。這樣, 學(xué)生明白了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的噴射控制工作過程和噴油時(shí)間的關(guān)系。
4.1.2 控制柜總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
按照該控制柜的功能要求可以知道，該控制柜上需安裝的主要硬件設(shè)備有PC機(jī)及其顯示器、噴油裝置、點(diǎn)火裝置、系統(tǒng)電源、汽車ECU、控制面板等其他附屬件。其中控制面板上安裝診斷端子、各種傳感器等。
控制柜的結(jié)構(gòu)尺寸主要由點(diǎn)火和噴油裝置、PC機(jī)和顯示器、油箱之間的相對位置決定?？紤]到在教學(xué)實(shí)驗(yàn)或汽車維修過程中學(xué)生或維修人員大都采用站立的姿勢操作故障診斷實(shí)驗(yàn)臺，且為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)用性，操作方便、易于觀察，將控制柜設(shè)計(jì)成三維一體結(jié)構(gòu)。
4.2 控制柜的制作
4.2.1 控制面板的制作
1、材料的選擇
控制柜有一塊控制面板，用來顯示和操作。為了與柜更好的連接，選擇與臺架一樣的材料即45號薄鋼板。
2、尺寸的確定
為了使控制柜整體布局合理、美觀，所以使控制板的長度以框架的長度保持一致，同時(shí)又考慮到安裝在控制板上的各組件的大小及尺寸和方便操作員的實(shí)際操作，操作面板的高度要適當(dāng)。
3、控制面板的布置
考慮到控制板上的布局美觀和線束的簡潔和縮短線束的距離，因此我們按照接線方式和連接形式來確定各組件的安裝位置。在操作板上左側(cè)是顯示器，右側(cè)及下
圖4.1 控制柜主視圖 圖4.2 控制柜左視圖
4.2.2組件的安裝
1、在上面我們已經(jīng)將各組件的位置確定了，并且使各組件間保持了一定的間隙，先將各組件在控制板上的位置用鉛筆畫出他們具體的位置，之后，在畫出的組件的位置上用做出是組件固定在控制板上的螺紋孔。然后把各個(gè)器件依次用螺栓固定在面板上。
2、把面板組放在臺架上，用螺栓固定。
3、連接線路和管路。
4.2.3 控制柜的整體合理性
控制柜的整體合理性：在實(shí)驗(yàn)臺各部安裝完了后，由于控制板上各組件的連接造成了控制柜內(nèi)線路的混亂，為了避免實(shí)驗(yàn)時(shí)線路損壞和控制柜布線的合理性，將控制柜內(nèi)的線路按其分布捆成線束，以線束的方式固定，這樣就避免了控制柜內(nèi)線路的混亂，使控制柜總體布局合理。同時(shí)為了使控制柜整體看起來美觀，將控制柜框架刷上油漆，就使控制柜整體看起來整齊美觀了。因?yàn)椋刂瓢逦覀冞x用的是膠合板因此就不可避免的存在邊緣的不整齊和毛邊，為了使控制板美觀，將控制面板半邊用裝飾條包上，這樣就使控制板看起來美觀了。
4.3 硬件的選擇與安裝
4.3.1 控制柜主要部件的選擇
1、微機(jī)的選擇：本實(shí)驗(yàn)臺主要功能是進(jìn)行點(diǎn)火和噴油的教學(xué)演示和故障診斷，通過微機(jī)系統(tǒng)輸出相關(guān)的診斷結(jié)果。因此，對微機(jī)的系統(tǒng)配置要求不高，一般的個(gè)人電腦都能滿足要求。
2、LED顯示器：該顯示器主要用來顯示轉(zhuǎn)速的變化，普通的8位就可以；
3、電位器：控制精度要求達(dá)到0.1V；
4、電源：要求電壓穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。
4.3.2 控制柜主要電路圖
1、ABS電路分布圖
圖4.3 ABS電路分布圖
2、發(fā)動(dòng)機(jī)控制電路圖
圖4.4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制電路圖
3、自動(dòng)變速器電路分布圖
圖4.5 自動(dòng)變速器電路分布圖
4.5本章小結(jié)
故障診斷控制柜的設(shè)計(jì)是該設(shè)計(jì)的主體部分，詳細(xì)闡述了其總體方案的確定，對，相關(guān)重要電器元件的選擇，控制面板的布置。
結(jié) 論
以豐田凱美瑞轎車為基礎(chǔ), 在保持原車基本功能不變的前提下, 對汽車車身及其相關(guān)部件進(jìn)行剖析, 以展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。安裝對外輸出插座, 并制作可移動(dòng)“教學(xué)控制柜”, 通過航空插頭與車內(nèi)插座相連后, 即可進(jìn)行工況檢測與故障設(shè)置, 此時(shí)可對進(jìn)行凱美瑞轎車維修檢測技術(shù)和判斷排除汽車故障的訓(xùn)練和教學(xué)。在教學(xué)控制柜與汽車本身脫開時(shí), 教具車仍保持原車的行駛功能狀態(tài)。通過教具車的演示和動(dòng)手操作, 掌握工況信息的采集和控制, 以及進(jìn)行故障診斷分析及排除的教學(xué)和考核。
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致 謝
三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這三個(gè)多月里，經(jīng)過數(shù)次的嘗試和修改，在指導(dǎo)老師鮑宇的精心指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)順利完成了，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中通過我對豐田凱美瑞轎車的教學(xué)改裝設(shè)計(jì)，不僅使我對汽車電子控制系統(tǒng)有了進(jìn)一步了解，還使我對汽車控制技術(shù)有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，而且使我的理論專業(yè)知識得到了加強(qiáng)和鞏固，動(dòng)手操作實(shí)踐能力也得到了提高，相信這在以后的工作中將對我會有很大的幫助，同時(shí)，也讓我體會了理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要性。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的圓滿結(jié)束，特別要感謝我的指導(dǎo)教師鮑宇老師，還有幫助過我的所有老師，在我畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，他們都給了我很大的幫助，才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利地完成。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，感覺到我真的學(xué)到了很多的東西，使我在大學(xué)中學(xué)到的知識全部的貫穿起來，對所學(xué)知識的應(yīng)用能力得到了進(jìn)一步的提高。
再次感謝我的指導(dǎo)教師鮑宇老師和各位老師的指點(diǎn)和幫助！
附錄
1. Welding on Engines with Electronic Controls
Because the strength of the frame may decrease, some manufacturers do not recommend welding onto a chassis frame or rail. Consult the OEM of the equipment or your Caterpillar dealer regarding welding on a chassis frame or rail.
Proper welding procedures are necessary in order to avoid damage to the engine’s ECM, sensors, and associated components. When possible, remove the component from the unit and then weld the component. If removal of the component is not possible, the following procedure must be
Followed when you weld on a unit that is equipped with a Caterpillar Electronic Engine. The following procedure is considered to be the safest procedure to weld on a component. This procedure should provide a minimum risk of damage