电控发动机项目化课程教学中自制设备的研究与应用

　　摘要：结合发动机电控系统项目化课程的教学目标及对设备的要求，介绍了电控发动机多通道实时数据检测系统的研究背景和研究内容，阐述了开发该系统的总体设计方案，运算放大电路设计思路和系统软件开发要点，针对应用推广的需要说明了系统对设计对象的适应性，最后结合发动机电控系统课程实践教学的任务归纳了该系统在教学中的应用情况。
　　关键词：电控发动机；项目化课程；数据检测系统；应用
　　
　　一、“电控发动机多通道实时数据检测系统”研究背景和研究内容
　　
　　1.研究背景
　　对高职院校汽车专业的学生来说，学习发动机电控系统的原理与检测是重点，更是难点。南京交通职业技术学院汽车工程系自2009学年起，进行了项目化课程的改革，将原有汽车类主干专业课程分成10大项目化课程，汽车发动机电控系统维修是其中重点课程之一。该课程以汽车维修企业岗位任务为驱动，以具体工作任务为载体，通过理论与实践紧密结合的教学方式，培养学生具有发动机电控系统的结构分析、拆装、检修以及故障分析、处理的专业知识和专业能力，同时能够全面培养学生资料的收集检查与判断、规范使用发动机电控系统检测设备、责任心与职业道德、应变能力等综合素质。汽车发动机电控系统维修项目化课程自实施以来，很好地实现了项目化的教学要求，明显提高了学生解决问题的能力。同时也暴露出一些亟待解决的问题：一是面对该课程有限的课时、有限的设备和众多的学生，教学分组率未能达到最佳要求，学生动手操作的机会不够；二是涉及到对发动机电控系统相关电控元件的线路电压、波形等实时数据检测时，学生对发动机电控系统线路破坏严重，教学设备消耗大，设备修复工作量大，同时教学过程也存在安全隐患。如何充分利用现有的教学资源，维护好现有的教学设备，最大程度地满足项目化课程教学的需求，达到预jVTn+SBYt/lYJp1/ZfT03g==期的培养目标，是当前开展项目化课程教学的一大课题。
　　2.研究内容
　　“电控发动机多通道实时数据检测系统”是在原有发动机台架或整车的基础上，重新进行线路改装布置，通过设计三通数据转接口、带电路图多级检测箱、连接线束快速接口等关键组件，可以让学生在多个检测箱上同时进行一台发动机电控系统相关电控元件的线路电压、波形检测，提高发动机电控系统项目化教学的分组率，同时，延长原发动机台架或原车的使用寿命。“电控发动机多通道实时数据检测系统”可以实现让原有的一个发动机台架带动最多30个检测箱的功能。
　　
　　二、“电控发动机多通道实时数据检测系统”总体设计
　　
　　1.总体设计方案
　　图1为“电控发动机多通道实时数据检测系统”总体设计示意图，图中在原车发动机电控元件和原车ECU（电控单元）之间连接一个三通数据转接口，三通数据转接口能确保在原车电控元件和ECU间通讯不受影响的基础上将电控元件信号引出到带电路图的检测箱，三通数据转接口与原车电控元件和ECU间可以实现即拆即装；三通数据转接口与检测箱之间有连接线束，连接线束与检测箱之间、相邻检测箱之间都通过快速接口实现连接，快速接口也可以实现即拆即装。为了保证检测箱上的数据可靠和稳定，在带电路图的检测箱1内设计了运算放大电路，设置了运算放大器数据采集卡，可以将原发动机上电控信号进行有效放大，再传送给检测箱2、3、4等。
　　2.运算放大电路设计
　　运算放大电路由输入回路、运算放大器数据采集卡和输出回路三部分组成，如图2所示，其中输入回路分为数字信号和模拟信号两部分，主要接收从三通数据转接口传来的信号，典型的有发动机转速传感器、喷油器控制端、水温传感器等，输出端主要连接带电路图的检测箱2上的电路，将放大的信号传输到下一个检测箱的电路图上。
　　3.系统软件设计
　　 软件设计部分是整个数据采集放大系统的主要部分，其主要功能是：实时采集发动机电控元件的参数，将信号通过运算放大器放大后，发出控制指令，将信号传输给检测箱2。软件部分也就分成了数据采集、分析判断、输出控制三个部分。为了确保系统运行的可靠性和稳定性，软件设计采取了以下两种算法：
　　（1）消除输入信号的“抖动”干扰。当输入信号在某一个数值附近“抖动”时，为了更好地保证数据稳定，通过软件在边界数值设计一个“迟滞比较器”，如图3所示。当参数（n）在某一个边界值（n0）附近抖动时，其输出往往也会跟着抖动，影响输出电路的正常工作；当采用了迟滞比较以后，一旦参数（n）超过边界值（n0）后，其判断的边界数值会作相应的调整（n+offset），此时，假如参数（n）由于干扰而突然变化（nn0），条件仍然成立，不会出现先前的抖动现象。
　　（2）“多次测试，取平均值”法提高系统的稳定性。为了提高系统的稳定性，在软件中运用了“多次测试，取平均值”法。由于本控制系统对时间的响应性要求不高，因此，具体的，用了连续检测5次，求平均值的方法。
　　三、“电控发动机多通道实时数据检测系统”的应用实践
　　1.系统对设计对象的适应性
　　理论上“电控发动机多通道实时数据检测系统”适用于目前所有的在用电控汽油发动机，包括国产和进口的各种车型，能够在原车发动机上进行应用，也能在发动机实验台架上应用。只要是功能正常的电控汽油发动机，都可以应用本系统。值得强调的是传统的化油器式发动机、柴油发动机和使用混合动力的发动机不适用于本系统。
　　2.系统在教学中的应用
　　“电控发动机多通道实时数据检测系统”可以在发动机电控系统维修课程六大学习项目，涉及10个具体学习任务的实践操作环节中可以应用，累计实践教学课时为15课时，占该课程实践教学内容的30%，相关内容如表1所示。
　　四、结语
　　1.本项目所做的工作和创新点
　　（1）结合项目化课程改革和实践教学的实际需要，在合理构思充分调研的基础上，在预定时间内完成了项目的硬件系统设计和软件系统设计。
　　（2）在带电路图的检测箱1内设计了运算放大电路，设置了运算放大器数据采集卡系统，实现了对发动机相关电控元件参数的实时采集和输出控制，并对系统的抗干扰技术提出了软件的处理方法。
　　（3）在AJR发动机台架上研制了一个匹配的一拖三实时数据检测系统，并完成了对系统的运行调试和教学应用试验，通过一个学期5个班级的循环应用，效果良好。
　　2.需要进一步研究和完善的工作
　　（1）从系统设计能力分析，该项目可以实现对电控发动机数据信号一拖30个检测箱，受限于课题经费的限制，本课题只制作了三个数据检测箱，在连接更多的检测箱后，应该进一步调试验证系统可靠性和稳定性。
　　（2）从系统功能开发看，本项目只具备实时数据在线检测功能，无法实现使用诊断仪对通讯数据进行检测，可以通过进一步的功能拓展来实现这些功能，以便更好地满足项目化课程的教学需求。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文