我国近几年才开始开发和使用共轨柴油发动机,其技术含量高, 开发难度大, 而且对使用者也有一定的要求。共轨柴油发动机实验台能够清晰反映发动机的基本结构原理, 并能进行一般的故障诊断, 还能在展板上把发动机的控制电路图、仪表动态显示、故障灯等清晰地反映出来。
1、实验台组成
共轨柴油发动机实验台由机架、共轨柴油发动机、实验台电路、实验台展板和实验台控制装置五部分组成。该实验台选用的是南京依维柯都灵V所采用的共轨柴油发动机(型号为8140.43S) , 其经过减振器安装在一个可以移动的台架上, 电路展板上绘制有控制电路, 控制电路中需要检测的点在电路板的相应位置上都装有检测孔。板的背面布置有电子控制器ECU及线束。展板上装有故障灯、诊断接口、点火开关以及动态显示发动机工况的仪表等。它们可以比较清晰、明了、直观地反映发动机电控原理及进行一些基本的检测, 实验时能够直观地观察电控柴油发动机的控制情况。
2、实验台总体布置及机架设计
设计实验台时应尽量减少观察死角, 可将电路展板支架斜立于发动机的后部, 并将其支架与发动机支架做成一体, 便于移动、检测及排除故障。考虑到发动机需要散热, 在其前部装有散热器和风扇, 风扇由人工通过专门的开关进行控制。实验台机架主要用于支撑发动机, 其由钢结构焊接而成。依维柯共轨柴油发动机由三个支撑装置支撑, 一个位于正时齿轮端发动机壳体上的螺孔处, 通过螺栓将壳体与支撑装置相连接, 另外两个支撑装置在发动机的后部, 位于飞轮两侧的缸体上。发动机安放在实验台机架上应满足以下要求: ①总高度应方便使用者操作; ②必须考虑进排气管的走向及所要延伸的长度;③油箱和蓄电池的安放位置要考虑安全问题, 油箱的尺寸不宜过大, 并尽量远离排气管,蓄电池也要远离燃油系统等。
3、共轨柴油发动机的选型与电控系统简介
采用8140.43S型共轨柴油发动机, 用于共轨燃油喷射的柴油机电子控制系统主要由传感器和设定值发生器、电子控制单元ECU及执行器三部分组成。
3.1 传感器
传感器用于传感工况和提供系统要求的数值。传感器和设定值发生器将各种物理参数转变成电信号,控制系统传感器包括以下几种: ①飞轮转速传感器;②凸轮轴转速传感器; ③负温度特性温度传感器; ④热膜式空气质量流量传感器; ⑤油门踏板位置传感器; ⑥涡轮增压压力传感器; ⑦大气压力传感器; ⑧共轨燃油压力传感器。
3.2 电控单元ECU
电控单元ECU是共轨柴油发动机电子控制系统的核心部件, 其功能是根据各种传感器和控制开关输入的信号参数, 对喷油持续时间、喷油时刻和点火时刻等进行实时控制。
3.3 执行器
执行器是控制系统的执行机构, 用于将ECU输出的电信号转变成机械运动参数, 从而使共轨柴油发动机处于最佳工作状态。控制系统执行器包括以下几部分:①带有液压伺服系统和电气触发元件的专用喷油器: ②压力控制阀; ③冷启动电热塞; ④电气-气动转换器; ⑤增压压力执行器; ⑥涡流度控制器。
3.4 实验台的处理电路设计
依维柯共轨柴油发动机有多种传感器和执行器,它们产生各种不同的信号, 有些信号可以通过汽车上具有的仪表显示出来, 如: 发动机转速、供油压力值、故障灯、系统电压值、机油压力值(模拟) 、发动机温度值(模拟)等。有些我们无法直接获得, 如喷油压力、曲轴转速、凸轮轴转速等。我们对这些信号进行处理, 把模拟信号进行滤波和放大, 处理成与仪表相匹配的数字
信号, 然后通过放置在展板上的仪表显示出来。
4、实验台展板设计
4.1 展板特征
将共轨燃油喷射的柴油机电子控制系统电路原理图刻画在显示板上, 每一条典型线路上均设置一盏LED灯管和检测孔。因此, 每当人为设定一个故障时,不仅会有相应的故障码或故障现象产生, 而且显示板上立即会有对应的一盏LED灯管熄灭。这样可以将原理图和实际线路及时进行对比, 达到直观、明了、印象深刻的效果。更重要的是, 可以进一步用数字万用表或汽车万用示波器, 通过电路板上相应的检测孔, 测出传感器或执行器的电阻(或电压)值及其相应的波形, 从而判断其性能好坏。
4.2 展板制作
展板的表面电路是把共轨燃油喷射的柴油机电子控制系统的电路原理图刻画在展板上, 然后有选择地在一些典型故障电路上设置检测孔和LED灯管。
展板的真实电路是在展板的背面将原理图中每一条典型故障线路上设置的检测孔与发动机实际连接线相接, 即把已选定的典型故障电路上的传感器和执行器的信号线, 在进人电脑时先与展板上的检测孔相接,并在线路适当的地方加装一个设置故障的控制开关,然后进入发动机ECU。另外, 原理图中的LED灯管还要重新布线(与上述发动机实际连接线无关), 即从蓄电池电源引出一条线路, 首先经过相应的电阻, 再与LED灯管相连, 然后在线路适当的地方加装LED控制开关, 最后返回蓄电池负极, 如图1所示。图中设置故障的控制开关与LED控制开关是同一个并列开关, 只有这样才能保证两个不相关的电路能够同步起作用。

图1 展板背面的实际控制电路
1.检测孔; 2.并列开关; 3.展板正面LED位置
5、实验台控制装置设计
5.1 故障诊断接口设计
实验台要既能反映出发动机主要技术性能和参数, 同时还要具有电控传感器和执行机构的检测接口,所以在展板上要设计一个诊断接口, 便于故障的诊断和传感器、执行机构的检测。
5.2 故障灯设计
在电路图展板的右下方设计一个故障灯。闪烁故障代码开关位于保险盒的左边, 它包含"BOSCHMS6.3"电控燃油喷射系统的基本故障代码。
5.3 故障自诊断系统的功能和微机诊断仪实验
通过控制开关设置故障, 再通过诊断接口和故障灯, 调出并显示故障代码以说明自诊断系统的两个基本功能, 然后利用汽车故障微机诊断仪(修车王)输出的数据流进行故障诊断。
共轨柴油发动机实验台的设计是建立在大量实验工作基础上的, 该实验台的研制及其投入使用, 极大丰富了专业实验教学的内容并提高了实验教学水平, 因此开发实用的共轨柴油发动机实验台具有较大的社会需求。