汽車發動機噴油、點火控制系統信號模擬與故障診斷儀器的設計

金立娟

(黑龍江省交通發展股份有限公司哈大分公司)

1 診斷儀器儀器設計

1.1 診斷儀的設計要求

(1)模擬汽車發動機電子控制系統中傳感器的信號，控制診斷儀中執行元件的工作。(2)可以脫離汽車發動機模擬電控燃油噴射、電子點火過程，進而實現對電子控制系統部件檢測。(3)設置電路接線轉接板，通過轉接板可以與同一車系不同車型的ECU連接，從而檢測ECU工作是否正常。(4)診斷儀具有診斷檢測端子，可以與試驗車輛進行連接，進行隨車故障診斷。(5)根據車載診斷系統協議，提供標準車載診斷端子，可以方便的與外部設備進行數據通訊。

1.2 診斷儀的設計路線

(1)選擇參照車型，結合其發動機運行工況選擇一個具有代表性的發動機。(2)采集發動機上的數據流，通過整理建立一個比較標準的發動機特定工況傳感器信號數據庫。(3)根據測得的數據流分析各傳感器信號與發動機轉速的關系。(4)根據曲線圖用單片機匯編語言模擬各種傳感器信號，使模擬信號能夠正確控制噴油器、火花塞等執行器的正常工作。(5)診斷儀控制演示面板的設計。

1.3 診斷儀的設計

1.3.1 檢測車輛選型、定型

為了保證診斷儀具有一定適用性，同時具有較強的同車系內不同車型的互換診斷性能。根據國內汽車市場車系保有率，選擇具有代表意義的大眾車系，并在傳感器信號分析過程中，選擇了大眾5氣門發動機進行數據采集，收集整理信號的變化規律，進行進行控制系統設計。

1.3.2 控制系統信號數據采集

為使診斷儀真實模擬汽車發動機運行過程中電子控制信號的變化規律，從而實現對于電子控制系統的元件測試功能。需要從所選發動機上大量采集所需的數據流，通過數據流分析各傳感器信號的特點，從而能控制信號的精度。在發動機數據采集過程中，使用大眾車系專用診斷測試儀進行數據采集。受到測試條件的限制，考慮到由于汽車運行工況的不唯一，同時運行條件的變化對執行元件也會產生不同的執行結果等因素，因此在數據采集過程中，進行了汽車發動機自由加減速工況數據的測試，在水溫達到正常即80℃時開始采集，電腦會自動記錄，每隔1.3s記錄一次，控制節氣門拉索，使發動機轉速從怠速起緩慢增加到3 500r/min左右，反復多次測試，得到比較準確的發動機信號數據。并在此基礎之上，進行數據的分析與整理。將采集得到的數據進行處理，摒棄突變信號，建立不同測試條件下的傳感器信號數據庫。

1.3.3 數據流的分析處理

發動機怠速時的轉速范圍為800～920r/min。此時，各傳感器信號比較穩定;隨著轉速的增加，各傳感器信號開始變化。從所測數據中可以看出，轉速越高，在同一段時間內，曲軸相應轉過的角度越大，如果混合氣的燃燒速率不變，最佳點火提前角則應線性增加。但轉速升高時，由于混合氣的壓力與溫度的提高以及擾流的增加，使燃燒速度隨之加快，故最佳點火提前角應隨發動機的轉速升高而增大，但不是線性關系。

當發動機啟動時，由于轉速波動較大，無論是空氣流量計還是進氣歧管壓力傳感器，都不能精確測量進氣量。因此，啟動時，ECU一般不根據吸入的空氣質量來計算噴油時間，而是根據發動機冷卻水的實際溫度由ROM內存儲的水溫—噴油時間圖查出基本噴油脈寬，然后再根據進氣溫度信號和蓄電池電壓信號，進行進氣溫度修正和蓄電池電壓修正，以此得到啟動時的噴油脈寬。

根據所測得的數據，可以作出點火提前角、空氣質量流量、噴油時間、節氣門開度、氧傳感器電壓分別和發動機轉速的關系圖曲線。如圖1、圖2。

圖1 點火提前角與發動機轉速的關系曲線

圖2 空氣質量流量與發動機轉速的關系曲線

1.3.4 車用傳感器信號的模擬、設計

(1)信號模擬:基于測試結果，分析不同車用傳感器信號的特點，將車用傳感器信號進行分類模擬。

①線性模擬，隨機變化:處理過程中將溫度傳感器、位置傳感器等信號在正常工作范圍內進行線性變化模擬其變化規律。②線性模擬、運行工況匹配:將空氣流量信號線性模擬過程中盡可能與發動機自由加減速工況變化實際需求一致。③標準信號源輸出，連續變化:模擬車輛曲軸轉速信號與轉角信號，考慮到實際檢測過程分析結果的真實，只建立了發動機運行轉速從600～3500 RPM之間的變化。④反饋傳感器信號模擬變化:主要考慮到發動機控制系統中反饋用的傳感器的控制信號，診斷儀主要輸出連續反饋信號，進行不同控制修正。變化過程含正常及故障規律。

(2)信號設計

①線性信號設計;②轉速信號設計。

發動機轉速信號模擬輸出為60-2脈沖波形，在發動機不同轉速時，輸出波形的頻率不同。

其中，在一個周期內每輸出58個對稱脈沖以后，有兩個脈沖寬度的低電平。此波形用定時器控制輸出。溢出時間的計算方法如下。

曲軸每轉兩圈為一個周期，這樣對應于Nr/min的周期T為

周期T(ms):

溢出時間t(ms):

定時器初值TC:

在轉速信號模擬中，采用了AT89C51芯片，12MHZ晶振，設計過程中加有按鍵復位電路。系統主要程序的設計包括如下。

a主程序:主程序在剛上電時對系統進行初始化，然后讀一次鍵開關狀態，由鍵位值決定程序的執行方式。當p1.0口為高電平時，執行自增程序;當p3.0口為高電平時，執行自減程序。在此程序中，最低轉速為600r/min，最高轉速為3500r/min，當p1.0和p3.0都為低電平時，p1.2口輸出當前轉速的波形信號，從而控制執行器的工作。b初始化程序:在系統初始化時，將所用的定時器初值從ROM表中裝入寄存器R3和R4中。c自增功能程序:自增程序中使用了定時器1，控制轉速的增加，每隔2s，轉速增加50r/min，當增到上限3500r/min時，便不再增加。d自減功能程序:類似于自增程序，每隔2s，轉速減少50r/min，當減到600r/min時，便不再減小。e子程序:子程序中使用了定時器0，以p1.2口為輸出口，控制輸出60-2脈沖信號。

1.3.5 診斷儀控制面板設計

在本實驗臺的設計過程當中，考慮到教學演示操作功能的操作方便性和整體美觀性以及臺架整體的利用，我們設計了一個斜面操作、立面觀看演示的臺架。臺架上安裝了轉向輪，移動很方便，還設計了防塵檔板，形狀顯得更加美觀大。

2 實驗臺的定型

(1)臺架的總體結構。根據人體工程學原理，我們設計了一塊大約30°的斜面操作板，還有一塊功能演示板。操作臺兩垂邊分別是150mm，500mm;操作臺下邊離地高度是900mm，操作臺上邊至上邊緣的高600mm，上立體是長寬高800mm×250mm×600mm，整個臺架高1650mm，寬750mm，長800mm。(2)臺架的總體布置。在實驗臺的下方有主機和顯示器、蓄電池和油箱以及一些附加件。在操作面板上裝有89C51芯片盒、轉接板、診斷端子、控制開關、電源開關、數碼顯示管，在功能演示面板上有噴油裝置、點火裝置以及油量流量計和點火時刻表。(3)臺架的校核。實驗臺中，估計各器件與臺架總重為100kg，所以選擇了2mm厚的鋼板，為了便于焊接選擇45號鋼，臺架上最重的是主機和顯示器，油箱，臺架自重，所以四個轉向輪周圍是危險點，之后采用力學原理進行校核，直到支撐架符合要求，所選材料合格。

3 運行調試

3.1 程序的調試

在程序的調試當中，使用了偉福系列E51/S仿真器和RIGOL DS 5062C型示波器。在程序調試前，先把仿真器與電腦主機箱連接好，接通電源，把示波器與89C51芯片的p1.2引腳連接。啟動計算機，設置仿真器，選擇E51/S型仿真頭。調入所編程序，進行編譯，然后執行程序。在這里，由于沒有外部扳鍵，在程序中用軟件控制p1.0或p3.0的位狀態。當p1.0與p3.0位都為低電平時，自動捕捉所得到的信號波形輸出的頻率保持在一定幅度內不變;當置p1.0位為高電平時，波形的輸出頻率每隔2秒鐘會增加一點，當增到某一頻率時將不再增加;相反，當置p3.0位為高電平時，波形的輸出頻率將會逐漸減小，當降到某一最小頻率時將保持不變。其中，由于扳鍵的抖動、連接電路的穩固性和儀器本身的精度，在波形輸出時會出現小范圍的波動，屬正常情況。

3.2 外部電路的調試

將調試無誤的程序寫入89C51芯片的ROM中，接好上電復位電路和按鍵復位電路，并將扳鍵開關與p1.0和p3.0口按照電路圖接好，將信號輸出口p1.2口與汽車電腦入口端子相連，并將汽車電腦的控制端子與點火裝置、噴油器接好。開啟電源，芯片在上電時自動復位，如果開關在空擋位置，則噴油、點火裝置在怠速工況下工作;如果開關置在p1.0處，則噴油、點火逐漸加快，當到某一時刻將不再增快;如果開關置在p3.0處，則噴油、點火速度逐漸減緩，當到某一時刻就會保持不變。在工作的任意時刻，可以通過復位開關進行硬件復位。

4 結論

(1)模擬發動機電控燃油噴射、電子點火，以滿足教學實驗的要求。(2)通過實驗臺上的轉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。