迈腾TSI发动机电控系统教学实验台设计

陆孟雄

(常州信息职业技术学院，江苏 常州 213164)

引言

汽车新技术在汽车发动机上运用越来越普遍，以新的技术和结构为主的实践教学手段十分滞后，不但不能和汽车领域大规模的汽车新技术同步，更加跟不上汽车新技术的迅速发展。汽油机上应用了很多新技术，其性能大大提高,汽油机工作原理的学习及汽油机的维修对人才要求更高。为此，开发一套用于实验和教学的TSI发动机实训教学系统非常重要。本设计根据汽车电子专业教学要求，以迈腾TSI发动机为蓝本，设计出能够故障检测和具有教学功能的实验台架，实验台能够实施故障设置，进行信号测试并且诊断，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系统信号的采集

本文采用迈腾汽车用1.8TSI发动机上的各种传感器信号作为信号源。主要传感器有冷却液温度传感器、进气压力传感器、增压压力传感器、转速传感器、油门位置传感器、燃油压力传感器、车速传感器、爆震传感器、进气温度传感器等。执行器有喷油嘴、燃油压力调节电磁阀、油箱压力调节电磁阀等。具体如图1所示。

图1 发动机传感器和执行器

在发动机试验中，要对发动机工作过程中许多相关的物理量和化学量进行精确的定量测量，这主要靠高速数据采集卡进行采样。本系统采用研华公USB-4700系列数据采集模块，该模块提供了带有16位分辩率的16SE/8Diff输入,高达200kS/s吞吐量，16路数字I/O和1个用户计数器，以及一个16位的模拟输出。考虑到1.8TSI发动机传感器和执行器数量，信号采集采用此采集卡可以满足系统的要求。

2信号调理电路

隔离、放大、整形、滤波是信号调理电路主要功能，用于传感器信号和执行器信号处理。该系统的调理电路主要分为三类:电源处理电路、传感器信号处理电路及执行器信号处理电路。

发动机电子控制系统为弱电系统，控制器工作电压为5V，无源传感器工作电压通常也是5V。整个信号调理电路由蓄电池供电，而蓄电池供电电压为直流12V，需要对汽车的电源系统进行电平转换。用市场上常见的三端固定电压稳压器7805，再配合电感、电容联合滤波电路，可提供稳定的5V电压。

传感器信号在送入采集卡之前，要对信号进行必要的处理，电路主要包括：缓冲电路、稳压电路、滤波电路。通常电阻类传感器，如温度传感器、油门位置传感器等，皆为模拟信号，信号调理电路相同。电磁感应式转速传感器的输出信号为近似正弦波的交变电压，是一种典型的模拟信号，其频率和幅值与转速成正比。将转速信号转换为方波，可以直接送入采集卡的计数器，检测频率求出转速大小。而霍尔传感器输出为脉冲信号，可以直接送入数据采集卡处理。

执行器工作信号也较为复杂，需要分别处理。如大众TSI发动机喷油器打开电压幅值可达60V左右。为了让喷出的油液雾化效果更好，在打开电压后还有一段电压震荡状态。数据采集卡输入电压范围为-10V～10V。因此，采集喷油脉冲信号时要对其进行降压处理，只需要增加一个降压电路。将喷油器脉冲信号电压降为原来的十分之一，电压满足采集卡输入电压要求，经过调理后送入数据采集卡，输出时再在软件中将采集到的信号电压值乘以10，原来的电压值即可恢复。

3实验台面板、操作台设计及尺寸确定

面板的作用是用来放置发动机电控系统各零部件；操作台主要是用于放置实验中需要的万用表、示波器等工具。

面板、操作台按已设计的尺寸加工成与实验台相符合的形状即可。面板与三角铁为螺栓连接；操作台直接水平放置在支承三角铁上。角铁和导杆座焊接在一起，导杆和导杆座是通过定位螺钉固定。

参照实验室现有电控系统实验台的实体模型，再实际在原车上测量及估算，此外，零部件之间的间隙要适中，便于安装，整体布局应该合理、美观，最终确定面板的尺寸为1680×900mm。

操作台主要是用来放置万用表、实验教学工具等；操作台离地面的高度，主要是考虑到实验者操作的方便，最终确定操作台的尺寸为730×400mm；实验台的宽度为700mm。

4实验台面板设计

实验台面板是讲解电控系统工作原理及测试的主要载体，总体布置应该直观、简洁、方便操作。实验台的显示面板上布置了发动机的各个传感器及执行器的测试端子。与实际中的汽车一样，可在该系统上用解码器读故障码及清除故障码。

布置实验台面板时，尽量保留大众原厂电路图的特点，对原厂电路图进行拆画分析，在一张图纸上就能反映迈腾1.8TSI发动机电控系统的工作原理图，这种设计可以更好的理解发动机电控系统的组成和工作原理。面板布置如图2所示。

5故障模拟设置与诊断功能

为方便设置故障及进行测试，实验台架故障设置系统收集各个执行装置和传感器的输入/输出信号，并将其设计为一个和发动机ECU的各个端口相连接的三通接头，使得ECU能够与试验台进行串联或者并联。

图2 试验台面板

通过故障设置开关进行发动机的故障设置是常用的方法，传感器可设置三种类型的故障信号：短路、断路、虚接。通过开关或者键盘可以设置相应的故障，再输入发动机控制单元，接下来发动机控制单元会对该传感器以及执行器进行故障判断，对于某些故障控制单元会记忆相应故障码，故障设置简单明了。将故障设置的控制板放置在台板侧面，以便提高学生故障判断能力，故障设置完成后可以将故障控制板锁住，使学生无法通过故障开关控制板看到发动机故障设置内容

发动机水温传感器是影响发动机工作的最重要传感器，故障设置方法非常灵活。如图3所示，采用开关直接接通水温传感器至发动机ECU的线路进行故障模拟是常见方式。水温传感器是电阻式传感器，用电位计式调节装置可实现对水温信号的故障调节，这种故障设置方法可产生的故障更接近于实际。

结束语

迈腾TSI发动机电控实验台能形象地模拟和实时演示发动机工作过程及设置各种故障。本次设计的实验台架，可直观反应迈腾直喷发动机工作原理，使学生对直喷汽油发动机电控系统的工作过程更真实易懂。实验台操作简单，结构明了，设计时充分考虑了理论和实践教学的有机结合。

图3 水温传感器故障设置

[1]吴涛,范育奇,周晨,陈金威.电控发动机测控网络系统的研究[J]. 电子质量， 2015(7).

[2]马捷.汽车电控发动机实验台的设计与应用[J]. 中国教育技术装备，2011(23).

[3]华国新.电控发动机运行测试液电双驱技术开发与应用[J]. 装备制造技术，2015(2).