電控發動機項目化課程教學中自制設備的研究與應用

　　摘要：結合發動機電控系統項目化課程的教學目標及對設備的要求，介紹了電控發動機多通道實時數據檢測系統的研究背景和研究內容，闡述了開發該系統的總體設計方案，運算放大電路設計思路和系統軟件開發要點，針對應用推廣的需要說明了系統對設計對象的適應性，最后結合發動機電控系統課程實踐教學的任務歸納了該系統在教學中的應用情況。
　　關鍵詞：電控發動機；項目化課程；數據檢測系統；應用
　　
　　一、“電控發動機多通道實時數據檢測系統”研究背景和研究內容
　　
　　1.研究背景
　　對高職院校汽車專業的學生來說，學習發動機電控系統的原理與檢測是重點，更是難點。南京交通職業技術學院汽車工程系自2009學年起，進行了項目化課程的改革，將原有汽車類主干專業課程分成10大項目化課程，汽車發動機電控系統維修是其中重點課程之一。該課程以汽車維修企業崗位任務為驅動，以具體工作任務為載體，通過理論與實踐緊密結合的教學方式，培養學生具有發動機電控系統的結構分析、拆裝、檢修以及故障分析、處理的專業知識和專業能力，同時能夠全面培養學生資料的收集檢查與判斷、規范使用發動機電控系統檢測設備、責任心與職業道德、應變能力等綜合素質。汽車發動機電控系統維修項目化課程自實施以來，很好地實現了項目化的教學要求，明顯提高了學生解決問題的能力。同時也暴露出一些亟待解決的問題：一是面對該課程有限的課時、有限的設備和眾多的學生，教學分組率未能達到最佳要求，學生動手操作的機會不夠；二是涉及到對發動機電控系統相關電控元件的線路電壓、波形等實時數據檢測時，學生對發動機電控系統線路破壞嚴重，教學設備消耗大，設備修復工作量大，同時教學過程也存在安全隱患。如何充分利用現有的教學資源，維護好現有的教學設備，最大程度地滿足項目化課程教學的需求，達到預jVTn+SBYt/lYJp1/ZfT03g==期的培養目標，是當前開展項目化課程教學的一大課題。
　　2.研究內容
　　“電控發動機多通道實時數據檢測系統”是在原有發動機臺架或整車的基礎上，重新進行線路改裝布置，通過設計三通數據轉接口、帶電路圖多級檢測箱、連接線束快速接口等關鍵組件，可以讓學生在多個檢測箱上同時進行一臺發動機電控系統相關電控元件的線路電壓、波形檢測，提高發動機電控系統項目化教學的分組率，同時，延長原發動機臺架或原車的使用壽命。“電控發動機多通道實時數據檢測系統”可以實現讓原有的一個發動機臺架帶動最多30個檢測箱的功能。
　　
　　二、“電控發動機多通道實時數據檢測系統”總體設計
　　
　　1.總體設計方案
　　圖1為“電控發動機多通道實時數據檢測系統”總體設計示意圖，圖中在原車發動機電控元件和原車ECU（電控單元）之間連接一個三通數據轉接口，三通數據轉接口能確保在原車電控元件和ECU間通訊不受影響的基礎上將電控元件信號引出到帶電路圖的檢測箱，三通數據轉接口與原車電控元件和ECU間可以實現即拆即裝；三通數據轉接口與檢測箱之間有連接線束，連接線束與檢測箱之間、相鄰檢測箱之間都通過快速接口實現連接，快速接口也可以實現即拆即裝。為了保證檢測箱上的數據可靠和穩定，在帶電路圖的檢測箱1內設計了運算放大電路，設置了運算放大器數據采集卡，可以將原發動機上電控信號進行有效放大，再傳送給檢測箱2、3、4等。
　　2.運算放大電路設計
　　運算放大電路由輸入回路、運算放大器數據采集卡和輸出回路三部分組成，如圖2所示，其中輸入回路分為數字信號和模擬信號兩部分，主要接收從三通數據轉接口傳來的信號，典型的有發動機轉速傳感器、噴油器控制端、水溫傳感器等，輸出端主要連接帶電路圖的檢測箱2上的電路，將放大的信號傳輸到下一個檢測箱的電路圖上。
　　3.系統軟件設計
　　 軟件設計部分是整個數據采集放大系統的主要部分，其主要功能是：實時采集發動機電控元件的參數，將信號通過運算放大器放大后，發出控制指令，將信號傳輸給檢測箱2。軟件部分也就分成了數據采集、分析判斷、輸出控制三個部分。為了確保系統運行的可靠性和穩定性，軟件設計采取了以下兩種算法：
　　（1）消除輸入信號的“抖動”干擾。當輸入信號在某一個數值附近“抖動”時，為了更好地保證數據穩定，通過軟件在邊界數值設計一個“遲滯比較器”，如圖3所示。當參數（n）在某一個邊界值（n0）附近抖動時，其輸出往往也會跟著抖動，影響輸出電路的正常工作；當采用了遲滯比較以后，一旦參數（n）超過邊界值（n0）后，其判斷的邊界數值會作相應的調整（n+offset），此時，假如參數（n）由于干擾而突然變化（nn0），條件仍然成立，不會出現先前的抖動現象。
　　（2）“多次測試，取平均值”法提高系統的穩定性。為了提高系統的穩定性，在軟件中運用了“多次測試，取平均值”法。由于本控制系統對時間的響應性要求不高，因此，具體的，用了連續檢測5次，求平均值的方法。
　　三、“電控發動機多通道實時數據檢測系統”的應用實踐
　　1.系統對設計對象的適應性
　　理論上“電控發動機多通道實時數據檢測系統”適用于目前所有的在用電控汽油發動機，包括國產和進口的各種車型，能夠在原車發動機上進行應用，也能在發動機實驗臺架上應用。只要是功能正常的電控汽油發動機，都可以應用本系統。值得強調的是傳統的化油器式發動機、柴油發動機和使用混合動力的發動機不適用于本系統。
　　2.系統在教學中的應用
　　“電控發動機多通道實時數據檢測系統”可以在發動機電控系統維修課程六大學習項目，涉及10個具體學習任務的實踐操作環節中可以應用，累計實踐教學課時為15課時，占該課程實踐教學內容的30%，相關內容如表1所示。
　　四、結語
　　1.本項目所做的工作和創新點
　　（1）結合項目化課程改革和實踐教學的實際需要，在合理構思充分調研的基礎上，在預定時間內完成了項目的硬件系統設計和軟件系統設計。
　　（2）在帶電路圖的檢測箱1內設計了運算放大電路，設置了運算放大器數據采集卡系統，實現了對發動機相關電控元件參數的實時采集和輸出控制，并對系統的抗干擾技術提出了軟件的處理方法。
　　（3）在AJR發動機臺架上研制了一個匹配的一拖三實時數據檢測系統，并完成了對系統的運行調試和教學應用試驗，通過一個學期5個班級的循環應用，效果良好。
　　2.需要進一步研究和完善的工作
　　（1）從系統設計能力分析，該項目可以實現對電控發動機數據信號一拖30個檢測箱，受限于課題經費的限制，本課題只制作了三個數據檢測箱，在連接更多的檢測箱后，應該進一步調試驗證系統可靠性和穩定性。
　　（2）從系統功能開發看，本項目只具備實時數據在線檢測功能，無法實現使用診斷儀對通訊數據進行檢測，可以通過進一步的功能拓展來實現這些功能，以便更好地滿足項目化課程的教學需求。
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文