汽车发动机故障虚拟实验系统研究

马玉娇

Abstract： The virtual experiment system of automobile engine fault is an important training equipment to cultivate the practical operation ability of students majoring in automobile repair and master the skills of automobile fault maintenance virtual reality technology for the development of higher vocational college to build an engine experiment system provides important technical support， so this article combining with the working practice for many years， on the carrier of jetta 1.6 LATK type engine design experimental bench， according to the engine fault points were set up common faults， let the student through the virtual practice operation with the method of the corresponding failure characterization and maintenance， so as to cultivate high quality craftsman auto repair talents.

關键词： 汽车发动机;虚拟实验系统;实验台架;检测诊断

Key words： automobile engine;virtual experiment system;experimental bench;detection diagnosis

中图分类号：U472.1            ;                          文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0248-03

0  引言

随着我国汽保有量的不断增加，社会对汽修人才的需求不断增加。发动机是汽车的核心设备，是汽车故障发生的主要位置。让学生掌握发动机维修方法是汽修专业人才培养的主要目标之一。但是根据统计高职院校所培养的人才与汽修岗位之间还存在较大的差距，尤其是在实践动手能力方面表现的比较匮乏。剖析原因主要是由于高职院校缺乏供学生实践训练的发动机虚拟平台，导致学生不能客观全面的熟悉汽车维修原理。由于发动机故障原因比较多，ATK发动机采用的直列4缸2气门多点喷射。所以本文主要是以该型号发动机电控系统故障视角构建发动机电控系统故障实验系统。

1  发动机故障虚拟实验系统开发的总体要求

发动机故障是汽车常见故障，由于发动机结构比较复杂，出现故障的原因比较多样。传统的培训方式难以让学生清晰地了解到发动机故障发生的机理与原因，因此为了让学生能够较为直观的理解汽车发动机的工作原理，熟悉掌握发动机电控系统各元件的安装位置及结构组成，增强学生维修发动机故障的技能，高职院校要构建基于虚拟技术的发动机电控系统故障实验系统。实验系统需要满足以下要求：①展示功能，为了让学生可以清晰的了解发动机电控系统的组成构成，发动机电控实验系统需要将发动机电控系统的电路图清晰的展现在实验台板上，这样便于学生在实训操作时可以快速的了解电控系统电路图，达到理论学习与实践操作的有效结合。②测量功能。在汽车发动机电控故障检修中需要频繁对传感器和执行器进行测量，因此为了延长实训系统的使用寿命，应该在展示区设置测量端口，便于学生进行测量操作。③故障设置。故障设置是发动机故障实训系统的关键内容，要求实验系统具有方便的故障设置功能，而且故障现象需要与实车保持一致，能够设置发动机在不同工况下的各种故障。④安全便捷。汽车发动机电控故障实验系统必须要考虑到学生的学情特点，尤其是在实验系统电路设置上要做好安全防护工作，避免油路、散热等给学生带来人身伤害。

2  发动机电控系统故障实验系统的设计方案

发动机电控系统故障实验系统包括硬件设备和软件设备。

2.1 发动机电控系统故障系统的硬件设计

2.1.1 实验台的设计方案

实验台是支撑发动机电控系统故障实验系统操作的主要硬件设备。基于实训教学的考虑，实验台需要在捷达实车发动机的基础上设置成移动的实验台架，实验台架包括实车发动机和测试箱两个部分。为了保证可移动实验台架的安全性，需要根据发动机的尺寸使用方管和圆管焊接成框架结构，并且涂抹防腐剂涂料。由于电控发动机的体积比较大，结构复杂，而且在工作中还会产生废气，因此在具体的设计时考虑到安全性和便捷性因素，实验台架设计应在不影响发动机正常工作的情况合理布局，保证整体的紧凑性。例如可以将散热器布置在前端、将冷却液储存罐安装在实验台架的上部右后端，蓄电池安装在下部右后端，尾气管在后下端。具体见图1所示。

实验台架需要具备以下功能：一是发动机电控系统展示功能。由于实验台架的设计主要是为了便于学生可以直观的了解发动机电控系统的电路，因此需要在可移动台架上设置操作显示面板，这样发动机电控ECU和传感器、执行器的电路图绘制在面板上;二是故障设置功能。发动机故障实验系统主要是模拟和排除故障，因此功能设置功能是整个系统的关键。故障设置的关键就是选择故障点，而故障点主要是根据校企合作中汽修企业常会遇到的维修点而设置的;三是数据检测功能。故障实验系统中还必须要设置数据检测功能，利用各种故障诊断仪器对发动机电控系统进行检测并且查找故障点。由于在实训操作中，学生需要不断拔下线束插头测量电压、电阻等物理量，以此为了保证实训系统的使用寿命，需要在元器件测量点设置在电路控制系统电路中并且固定在实验台显示面板上。

2.1.2 实验台控制柜的设计

实验控制柜是实验台架的CPU，其不仅要显示发动机电路系统的电路图，而且还需要预留测量端、各元件连接线路等。因此实验台控制柜主要包括以下部位：①实验台显示板的整体设计。显示板相当于汽车仪表，是展现汽车发动机运行状态的显示板。根据汽车发动机构造，显示板包括点火开关、真空表、燃油压力表以及故障诊断接口等等。由于显示板的功能要求比较多，因此为了便于学生直观了解發动机的构造，需要对显示板进行整体设计，具体就是将ECU设置在显示板的中间、显示仪表盘设在上方、点火开关、诊断接口、真空表、燃油压力表依次设在面板的下方，这样便于学生进行实训操作。②显示区电路图设计。捷达发动机的电子控制系统电路相对比较简单，因此在具体的电路图设计时需要根据实车的具体情况而设计。根据调查由于捷达发动机电控系统故障主要是线路短路或者元件本身故障。因此在设置检测端子时，需要在电子元件和发动机控制单元之间的连线上设置两处，便于学生进行检测操作。③实验台连接区布置。由于实验台是对捷达发动机进行改装组成的，电力系统的电路比较多，因此为了方便接线，需要将连接区设置在实验台显示柜显示面板的背面。

2.2 发动机电控系统故障系统的软件设计

软件设计主要是使用手持无线控制终端对实验台架设置虚拟故障。结合实践调查捷达发动机的常见故障，选择17个电子元件设计38个故障点，故障点均通过手持无线故障设计终端控制实现。

2.2.1 手持故障终端设计

故障设置终端主要是给通过特定的程序对实验台上的控制器、传感器、信号线等设置短路、断路等故障。为了便于实践教学，采取手持式故障终端设计方案更为合理，能够结合不同学生的特点而设置相应的故障点。手持故障终端结构见图2所示。

2.2.2 实验台故障设置板的设计

故障设置是发动机故障实验系统的重要功能，根据前面所述，将故障设置板（见图3）一般安装在控制柜的背面，这样可以串联实验台各传感器、执行器的电路中从而实现设置故障的目的。一实验台架可以安装多个故障设置板，故障设置板采用ARM控制器控制，控制器选用的是 STM32F429IGT6芯片，该芯片共有176个引脚，需要3.3V电源供电。具体设计流程图见图4所示。

2.2.3 手持故障终端与故障设置板之间的通信

故障设置终端和故障设置板之间采用的是ZigBee无线通信技术。

3  发动机故障实验系统功能测试

功能测试是保障发动机电控系统故障实验系统的重要举措，在测试中不仅要关注改造后发动机是否能够正常使用，而且还需要分析故障设置后是否出现理论上的故障现象、是否与实际汽车发动机故障一致。因此本文主要从以下几个方面对发动机电控故障实验系统进行功能测试：

3.1 故障点设置的性能测试

故障点设置测试非常重要，为了分析故障设置与实际发动机故障现象的差异，本次采取分组测试的方式，根据测试结果显示故障设置的现象与汽车发动机实际故障基本没有差异，部分存在差异的主要原因是由于实际车辆的发动机与实验台架上的发动机负载不同造成的。具体差异情况见表1所示。

3.2 发动机工作可靠性测试

发动机性能是否正常直接关系到实训教学的成效。为了准确检测发动机的工作性能，教师在未启动故障设计功能的情况下，对发动机的运转动作进行展示。目的就是让学生可以直观的了解到发动机在不同工况下的运转参数。具体在测试时分别以启动、怠速、低速以及高速等工况动态检测发动机的参数，并且利用仪表对输入信号和控制信号进行检测，从而为发动机电控系统教学提供数据依据。通过观察，实验台发动机在怠速状况下发动机的转速比较高，达到950r/min，经过清洗发动机节气门后，怠速转速基本达到正常水平;大负荷运转时存在噪音明显增大的现象，转速达到3500r/min，分析原因主要是由于发动机与实验台架之间的连接点没有拧紧，导致产生共振现象，因此对其连接部进行拧紧，但是其现象仍然存在。

4  结束语

总之，汽车维修专业具有很强的实践性，要求学生要具备较强的实践操作能力。基于复合型人才需求的不断增加，传统的汽修专业人才培养模式已经不适应汽修行业的发展。因此高职院校要依托虚拟技术构建发动机电控系统故障实验系统，以此为学生提供实践操作的平台，增强学生熟练处理汽车发动机故障的技能。

参考文献：

[1]金宜南.发动机电控系统故障模拟实验台开发[D].长安大学，2020.

[2]王子正.汽车发动机拆装实训与学习虚拟仿真系统研发[D].沈阳大学，2017.

[3]李昊.汽车发动机AR检修系统开发与关键技术研究[D].山东建筑大学，2020.

[4]魏晓旭，田哲文.汽车发动机拆装实践虚实结合教学模式探索[J].大学教育，2018（07）.

[5]林素敏，朱亮亮.萨特电控发动机故障实验台故障设置系统的改进研究[J].杨凌职业技术学院学报，2021（06）：12-14.

[6]陈越，闫光辉.汽车故障诊断模拟训练系统设计研究[J].科技风，2020（11）：16-17.

[7]朱军.电子控制发动机电路波形分析[M].北京：机械工业出版社，2003：108-290.

[8]德国博世公司著.魏春源等译.汽车电器与电子[M].北京理工大学出版社，2004：3-5.