1ZRFE发动机教学实验台设计.docx

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1ZRFE发动机教学实验台设计

本科学生毕业设计

1ZR-FE发动机综合测试教学

实验台设计

系部名称：

汽车与交通工程学院

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

黑龙江工程学院

二○一一年六月

TheGraduationDesignforBachelor'sDegree

TheTeachingAndTestPlatformDesignof1ZR-FEEngineComprehensive

Candidate：

Specialty：

Class：

Supervisor：

HeilongjiangInstituteofTechnology

2011-06·Harbi

摘要

为适应汽车类专业技术人员在发动机拆装、发动机电控原理及相应故障诊断等方面的研究和培训,设计了发动机综合测试教学实验台。

实验台可安装1ZR-FE型电控发动机，测试柜中设有各种模拟通断开关的控制板等，可模拟多种系统故障，适用于教学工作。

本文重点介绍了电控电动机综合测试教学实验台的设计目的、意义、发展现状、构造与工作原理，并在此基础上设计电控发动机综合测试教学实验台的相关内容。

主要包括实验台架的设计、测试柜的设计、电路图布置、发动机拆装及故障设置及检测等内容。

通过完成对本实验台的设计，可以深刻理解和掌握电控发动机的组成和工作原理、机械设计与CAD机械制图的相关知识，同时也涉及到了发动机拆装、发动机工况检测、故障人工设置、检测及排除的实际应用，最终设计出一款及机械、电控于一体化的产品。

关键词：

电控发动机；实验台；拆装；检测；故障诊断

ABSTRACT

Toadapttotheprofessionaltechnicalpersonnelintheenginedisassembling,enginecontrolprincipleandfaultdiagnosisoftheaspectsofdesign,researchandtrainingofenginecomprehensivetestexperimentalteachingplatform.Experimentalplatformcanbeinstalled1ZR-FEmodeltest,chestelectronic-controlledenginewithvarioussimulationhigeswitchcontrolpanel,cansimulatevarioussystemfault,suitableforteachingwork.

Thispapermainlyintroducesthedesignoftheexperimentalelectronic-controlledenginepurpose,significanceanddevelopmentpresentsituation,thecompositionandworkingprinciple,andonthebasisofexperimentaldesignelectronicrelatedcontent.Includingexperimentalplatformdesignandtestthecircuitdesignanddecorateark,enginedisassemblingandfaultsettinganddetection,etc.

Throughthedesignofexperiments,deepunderstandingandmasteringofelectronic-controlledenginecomponentsandworkprinciple,mechanicalCADdesignandrelatedknowledgeofmechanicaldrawing,butalsoinvolvesenginedisassemblingandenginefaultdetection,workingoutandset,detectionofartificialofpracticalapplication,andfinallyadesigninmechanical,electricalandintegrationoftheproduct.

Keywords：

Electronicfuelinjectionengine；ExperimentalPlat；Disassemblie；Detection；Faultdetection

第1章绪论

1.1概述

当前，汽车技术已被国家列为高等职业教育的紧缺专业之一，是国家重点扶持发展的专业。

“随着经济社会的不断发展，对高等汽车专业技术人才的需求为汽车运用技术专业的发展提供了良好的机遇。

”而发动机既是汽车的动力源，又是汽车所有部件中最为复杂和最有科技含量的部件。

因此发动机的日常维护和维修变的越来越重要。

我国汽车发动机的电控化的起因与西方国家相同，但发动机电控化所经历的过程却完全不同。

西方国家经历了从起步到发展的几十年的漫长的发展过程。

而我国主要是通过技术引进的方式实现发动机电控化的，在短短的几年内，实现了小型车发动机的电控化。

因此，无论是研制人员还是使用维修人员，都必须尽快掌握电控发动机的原理和技术，迅速缩短与世界先进水平的差距。

对于使用和维修者而言，掌握电控发动机的大连理工大学专业学位硕士学位论文性能，就能够为正确使用和维修电控发动机提供正确的理论依据和合理的技术方法。

随着我国发动机电控系统开发步伐的加快，必须培养大批掌握发动机电控技术的专业人才，因此，高性能的电控发动机实验台的研制是必不可少的。

1.1.1选题的依据

随着现代汽车技术的飞速发展，汽车广泛的试用了电控发动机，电控发动机是电子控制比较集中的总成，为了提高实训教学的教学手段和质量，使学生掌握电控发动机的拆装和简单的故障检测，因此设计试验台架方便教师教学与学生进行实际试验与拆装。

1.1.2选题的目的

目前，我国汽车工业全球经济危机的巨大冲击，能否在未来的世界汽车业竞争中掌握主动权，关键取决于能否在电子技术上占领制高点。

这就要求汽车方面相关专业人士，对其有更深刻、更系统的了解，并且掌握其发展机理，把握其发展趋势。

而这所有的一切，都基于对理论知识的学习研究，对理论知识掌握的牢固程度，直接影响到在汽车领域的发展空间及在本行业中所走道路的长远。

可见，理论知识的重要性。

结合现在的教学来看，目前我们还没有一个科学的、系统的教学模式，老师在课堂上所讲的理论知识太抽象，学生听起来太枯燥、太乏味，学生一时不能理解，不能接受，这就给老师和学生带来了双层麻烦。

其实问题就出现在没有一套完整的教学模型，来形象的、直观的展现给学生。

老师只能运用挂图、幻灯片、录像等手段，向学生传授理论知识，这些所达到的效果是不明显的。

综述以上种种原因，为了以后便于老师教学，学生更直观、准确、形象、生动、系统地学习发动机知识，特此设计具有拆装、检验与测试功能的电控发动机教学实验台。

这样，不仅提高了学生的动手操作能力，而且加强了学生学习的趣味性，从而提高学生的积极性，达到更好的教学目的。

1.1.3选题的意义

1、有助于教学，理论与实际相结合。

2、培养学生的动手能力。

3、安全性高，防止因为操作失误出现的事故。

4、实用、耐用，从而达到节省开支的目的。

随着汽车工业的发展，人民生活水平的不断提高，汽车正在步入普通百姓的家庭，汽车保有量逐渐加大，为了和国际汽车行业接轨，国内企业可根据政府对汽车环保、安全和节能这三方面的要求，来开发相关汽车电子控制系统。

国家环保总局要求，从2004年9月1日起，我国汽油车都要达到相当于欧洲II号的排放标准，这就预示着符合欧洲III号的汽车发动机电控燃油喷射系统有广泛的市场空间。

因为目前通过电控燃油喷射闭环控制加三元催化转化器尾气候处理，是降低汽油发动机排放污染的最有效措施。

因此，该系统的自主开发将有巨大的市场前景。

对于汽车专业技术人才培养来说，如何使理论于实践相结合，提高学生的工程实践能力，是一重要的课题。

设计和制作汽车实验实训台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，很好的满足专业技术人才培养的要求。

维修人员技术水平的提高可以使汽车得到更好的维护和保养，这对于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具有极其重要的现实意义和深远的历史意义。

1.2发动机教学实验台研究现状

前期：

汽车和发动机的诞生都已有百年的历史，尤其是二战后汽车工业获得了前所未有的发展。

从而带动了包括发动机设计制造水平在内了一系列的机械工业的进步。

发动机翻转架的功能也从过去的只具有单一的拆卸，组装向检测，调试等多任务，多功能转化。

“虽然如此，国内外对汽车发动机翻转架功能的改造和技术提升进展的相对较慢，特别是对于实验、实训教学来说不够实用。

”

国内外现状：

目前，国内的发动机翻转架有固定式的和移动式的两种。

固定式汽车发动机翻转架，发动机能够在翻转架上翻转、起动并运转，但需浇注混凝土，固定时费工费时，不能在短时间内投入使用。

且不能移动，限制了实验室的调整。

另外，油、水、工件、工具易落地，达不到卫生清洁的起码要求，也不便于检测和排除故障。

移动式汽车发动机翻转架，虽然能够移动，但发动机只能在翻转架上翻转，不能起动、运转，无法对发动机进行检测、故障设置和故障诊断与排除。

”

现在较好的发动机翻转架一般可通过分体式液压升举缸等系统使发动机上下动以调整高度。

通过驱动电机和减速器带动发动机的转动和实现多级变速。

有仅举升准确，回转平稳，而且操作安全，结构合理，减轻了装卸发动机作业的劳动强度。

“适用于汽车发动机的拆装移动维修作业，运输当中可以把发动机翻转支架拆解。

”

最近几年，国内有研究人员综合固定式和移动式各自的优点，设计出了一种新型翻转架，它集发动机的拆卸、组装、调试、大修、起动、故障设置及诊断、排除、检测等功能为一体。

而且还配备了具有移动定位功能的“移动台架”。

“移动台架”的工具箱内置有齐全的发动机解体、组装、检修、调试所需的工、量具。

功能发动机翻转架与移动台架配合使用，改变了就地或在工作台上解体、组装发动机等不理想的实训教学方式，解决了学生动手少、浪费师资和实训场地紧缺的难题。

“由于多功能发动机翻转架与移动台架能够自由移动，从而可以任意组合、调整实验室，提高了发动机和移动台架的利用率。

使用多功能发动机翻转架，可以方便地检测、诊断、排除发动机的各种故障，并能在教学中设置发动机故障和各种异响。

”在生产实际中，使用多功能发动机翻转架与移动台架，避免了修理厂在发动机大修过程中重复吊装和工作台不能移动造成的误工现象。

“这种新型发动机翻转架保留了传统固定式和移动式翻转架的优点，克服了其弊端，增加了翻转架的功能，能够完成发动机的全部实训课题，实现了一机多用，并提高了汽车修理厂发动机大修作业的工作效率。

”

1.3本设计的基本内容和需要解决的问题

1.3.1设计的主要内容：

（1）设计发动机实验台架，此台架可安装固定1ZR-FE发动机，真实可运行的发动机，充分展示发动机组成结构。

可在拆装台架上进行发动机拆装和修理的实操，也可与运行台架相连，通过接通拆装台架上的电路、油路、气路等，运行发动机。

配有仪表总成，ECU以及OBDⅡ检测连接座。

可进行电控系统的自诊断功能或人工读取故障码和数据流。

（2）设计发动机测试柜，此柜可与发动机实验台连接，可通过示波器、发动机分析仪、万用表等仪器对发动机工况进行测试。

利用测试柜上的开关转换，可完成设置故障功能，设置故障完成后，学生可利用专用的仪器或万用表从面板上检测，检查出设置故障点的位置和内容，可用于发动机电控系统的教学实验。

（3）实验台电控系统线路连接图的改造设计。

1.3.2解决的主要内容：

（1）如何实现发动机既能正常运行并检测又能满足拆装要求。

（2）如何将发动机主台架和附实验台架合理布置及连接。

（3）如何设计测试柜内电路及控制开关的布置。

（4）如何解决实验台与测试柜连接问题。

（5）如何让此实验台架更方便使用、维护、保养。

第2章电控发动机原理与实验台总体方案

2.1发动机电控系统

在现代教学活动中实验台已经被大规模的使用。

随着汽车产业的发展，汽车人才的紧缺，越来越多的人选择了汽车行业，因此教学实验台在学校处于正在普及发展的阶段。

研究实验台设计的主要还是专业的企业。

另外还有汽车企业提供给学校方便教学的实验台。

因此实验台的研究已经处于一个接近成熟的阶段。

2.1.1电控汽油喷射（EFI）系统

电子控制汽油喷射（ElectronicFuelInjection，简称EFI）系统是在恒定的压力下，利用喷油器将一定数量的汽油直接喷入气缸或进气管道内的汽油燃料供给装置，以电控单元（ElectronicControlUnit，简称ECU）为控制中心，根据空气流量和转速来决定其基本喷油量，并利用安装在发动机上的各种传感器测出发动机的各种运行参数，再按照电控单元中预存的控制程序进行修正，并精确地控制喷油器的喷油量，使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的可燃混合气，从而使汽油机的动力性、经济型、净化性大幅度提高。

与传统化油器式发动机相比，装有汽油喷射系统的发动机具有以下优点：

（1）可以提高发动机的充气效率，使各缸混合气分配比较均匀，精确控制各个缸混合气与工况的匹配。

（2）排气污染降低。

（3）适合全车电子化控制的要求。

（4）发动机故障率大大降低。

图2.1电控系统工作流程图

2.1.2L型电控燃油喷射系统工作原理（所选发动机所属型号）

L型汽油喷射系统是20世纪70年代发展起来的，是电子控制的多点、间歇式汽油喷射系统，目前应用最为广泛。

它以发动机的进气量和发动机转速作为基本控制参数，从而提高了喷油量的控制精度。

L型汽油喷系统由空气供给装置、燃油供给装置、电子控制装置组成。

如2.2图所示。

汽油箱11内的汽油被电动汽油泵9吸出并加压至0.25MPa左右，经汽油滤清器7滤除杂质后被送至燃油分配管13。

燃油分配管与安装在各缸进气支管上的喷油器6相连。

在燃油分配管的末端装有燃油压力调节器14，用来调节油压使其保持稳定。

发动机的进气量由汽车驾驶员通过加速踏板操纵节气门21来控制。

由安装在进气管上的空气流量计18计量，并将进气量变化转变成电信号传输给电控单元15.节气门开度越打，进气量越多，反之亦然。

喷油器的喷油量和喷油时刻由电控单元控制。

控制单元首先根据分电器中的曲轴转角传感器确定发动机转速，再根据转速和进气量计算出相应的喷油量，并通过控制喷油持续时间来控制喷油量。

电控单元还根据曲轴转角传感器发出的第一缸上止点信号，控制各缸喷油器在进气行程开始之前进行喷油。

电控单元根据进气量和发动机转速计算出的喷油量是基本喷油量，是汽油机能够运转的基本条件。

以此为基础，再根据发动机的运行状况加以修成，得到的修正喷油量才能满足发动机各种运行工况对混合气成分的要求。

当发动机在怠速工作时，节气门接近关闭，节气门位置传感器17中的怠速触点闭合，这时电控单元指令喷油器增加喷油量，供给发动机较浓的混合气，以维持怠速运转的稳定性，并将怠速的有害排放控制在最低水平。

发动机在中小负荷下运转时，电控单元根据发动机温度传感器3和进气温度传感器传输来的发动机温度和进气温度信号，对今本喷油量进行修正，修正后的喷油量满足向发动机提供经济混合气成分的要求。

在发动机在全负荷下工作时，节气门全开，节气门位置传感器中的全负荷触点闭合。

电控单元按照供给发动机功率混合气成分的要求增加喷油量，实现全负荷加浓，以使发动机发出最大功率。

在发动机冷起动时，由冷起动喷油器16向进气管额外喷入一定数量的汽油，以加浓混合气，保证起动加浓。

在暖车期间混合气需要加浓的程度取决于发动机的温度。

电控单元根据安装在机体水套中的发动机温度传感器输入的电信号，判定发动机温度的高低，并形成相应大小的控制电流，控制喷油器的喷油量，使系统多喷油保证暖机加浓。

图2.2L-叶特朗尼克电子控制汽油喷射系统示意图[23]

2.1.3L型电控燃油喷射系统组成（所选发动机所属型号）

（1）空气供给系统

空气供给系统的主要作用是根据发动机的不同工况，向发动机提供相应的空气量，并对空气量进行直接计量，从而使提供的空气与喷油器所提供的燃油形成符合一定空燃比要求的可燃混合气。

空气流经空气滤清器后，经过空气流量计测量，然后通过节气门体进入进气总管，再分配到各进气歧管，空气在进气歧管中与喷油器供给的燃油混合并被吸入气缸。

空气供给系统主要由空气滤清器、空气流量计、节气门体、进气总管和进气歧管等组成（如图2.3所示）。

空气滤清器的作用是在空气流进发动机各缸之前，除去空气中所含的尘土、沙粒等颗粒物，以减轻对气缸、活塞和活塞环的磨损，并减少对空气流量计的不良影响。

图2.3电控发动机空气供给系统的组成

空气流量计主要是用来计量流入发动机的空气量，并把测量的信号送给电控单元。

它和转速信号是确定发动机基本喷油量的两个基本参数。

空气流量计根据测量方式的不同，有不同的形式，如热线式、卡门涡流式、叶片式。

其中，LH型电控燃油喷射系统所采用的空气流量计为热线式，它可以直接测量流入进气总管的空气质量流量，测量的精度较高，响应性好。

节气门体总成主要是对进入发动机的空气量进行控制。

它主要由节气门、怠速旁通气道、怠速控制阀以及感知节气门位置的节气门位置传感器等组成。

（2）燃油供给系统

燃油供给系统的作用是向发动机提供工作时所需要的燃油，并将燃油雾化从而与空气混合形成发动机工作所需的可燃混合气。

燃油供给系统主要由以下几部分组成：

燃油箱、电动燃油泵、燃油滤清器、燃油压力调节器以及喷油器等。

电动燃油泵从油箱中吸取燃油并加压，燃油经过燃油滤清器过滤后，经压力调节器调整压力，一般将供油压力调整到比进气歧管压力高出约250～300kPa，然后经过供油管路分配给各个进气歧管上的喷油器和冷起动喷油器。

电动燃油泵所供给的燃油量一般是发动机工作所需燃油量的6～8倍，其余的燃油在燃油压力调节器的作用下，经过回油管路流回燃油箱。

燃油供给系统的工作流程如图2.4所示。

图2.4电控发动机燃油供给系统工作流程

（3）电子控制系统

电子控制系统是电控燃油喷射系统的核心，电子控制系统性能的好坏对发动机工作性能有着决定性的影响。

电子控制系统的主要作用是：

在发动机不同工况下，根据各种传感器传送的信号，决定喷油量和喷油时刻等，以获得最佳空燃比；对点火进行控制，确定最佳点火时刻；对怠速进行控制；对发动机进行排放控制；它还可以检测电控系统产生的故障，并将检测到的故障以代码的形式存储到ECU中，供检修时调用，还具有安全保险与后备功能。

电子控制系统有很多形式，复杂程度也有很大差别。

电子控制系统主要由3部分组成：

传感器、电子控制单元（ECU）、执行器。

电控单元（ECU）是电子控制系统的神经中枢，它接收各传感器传输的信号，经过计算、分析和处理，向各个执行器发出动作指令，指示执行器完成各种功能，从而实现对空燃比、点火正时以及怠速、排放等的控制。

电控单元还有存储功能，它不仅可存储发动机工作时所需要的控制数据资料，并且可以把发动机的故障以代码的形式存储起来。

传感器的作用是将各种需要检测的物理量变成电信号送至ECU。

它们根据各自功能的不同，分布在发动机的不同部位。

它能检测和反映发动机工作状态的各种参数，并把这些参数转换成电控单元所能接受的电信号传输给电控单元，为电控单元提供所需的信息。

发动机电控系统主要的传感器有：

空气流量传感器、进气歧管绝对压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、发动机曲轴位置传感器、节气门位置传感器、氧传感器以及爆震传感器等。

执行器是根据电控单元的指令完成一定动作的装置。

主要的执行器有：

喷油器、燃油泵、怠速控制阀、EGR阀、燃油蒸发污染控制电磁阀以及点火器等。

电子控制系统的工作流程如图2.5所示。

图2.5电控发动机电子控制系统工作流程

2.2实验台总体结构设计

本实验台设计包括:

动力系统、电控系统和整体结构设计三部分。

2.2.1动力系统

实验台设计应满足教学与技能训练的要求，故动力系统选型的基本原则为具有先进性、可操控性、典型性和经济性。

根据这一原则，选择丰田COROLLA（花冠）为基本车系，发动机为具有代表意义的1ZR-FE型，该车系配备有先进的计算机控制系统，且具有制造成本低等特点。

该车系采用典型的前置发动机结构。

因此,在设计中采用横置发动机，使实验台架结构紧凑，并能真实反映原车系的工作特点，电气配线则利用原车系连接器单独连接

制成线束，沿台架边缘布线。

2.2.2基于实验台电控系统的设计方案

电控系统选型包括:

控制原理分析、动力系统控制步骤、控制系统组成分析、控制模式设计与分析、故障选择与设计、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。

关键环节是故障源的设置及与动力、控制系统的互动连接。

实验台工作系统由操作装置、控制系统、动力与传动系统、信号显示等部分组成。

汽车电控单元与各传感器、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元引角相对应，借助示波器、万用表等专用仪器可动态测试系统数据信号。

在故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输出，该装置的合理性直接关系到实验台的工作效果。

2.2.3整体结构设计

实验台的整体结构由主实验台架、副实验台架和测试柜组成。

主实验台架用于固定发动机，并能翻转发动机进行拆装实训。

副实验台架用于连接发动机正常运转所需要的附属元件，使发动机能进行正常工作。

测试柜主要用于调节发动机工况、检测发动机工作性能和设置故障、排除故障等功能。

台架下方安装转向轮，为节省空间，没有采用原车120L的油箱，而是用副油箱（40L）替代安装在实验台机架上；安装时因油箱高度较低，汽油泵与油箱底部间隔不够，采用汽油泵倾斜布置，解决了油面高度问题，同时也保证了燃油位置传感器可靠工作。

实车排气管尺寸较大，不便于安装在实验台架上；为缩小安装尺寸并尽可能降低排气噪声，在不增加排气阻力的前提下，对原车排气管进行了改造，采用变形布置。

考虑到排气管的充分散热，将冷却系统风扇布置在排气管附近，解决了排气温度过高的问题。

2.3本章小结

由于本次设计是电控发动机综合测试教学实验台，所以需要掌握电控发动机的相关知识，所以本章大半中介绍电控发动机的情况，为后续设计铺垫，也为如何设计发动机故障检测和排除打下基础。

第3章发动机实验台架设计

3.1概述

设计发动机实验台架的主要目的是用于发动机拆装的教学，因此，该实验台应该具有安装和固定发动机并能翻转发动机的功能。

汽车电控发动机实验台设计应具有直观的示教效果、良好的可操控性，并能在实践教学环节中充分发挥作用，为使实验台更具有车系代表性，实验台在整车基础上保留了发动机整体结构和部分电器仪表及信号系统等，以尽可能扩大实验台的应用范围、扩展功能。

此试验台架与普遍台架的最重要区别在于在工况试验后，可自由对发动机进行拆解和部分性能