基于“学生视角”发动机电控系统教具的设计与开发

王文乐，季惠，王猛，徐百阳

（江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏 淮安 223005）

基于“学生视角”发动机电控系统教具的设计与开发

王文乐，季惠，王猛，徐百阳

（江苏食品药品职业技术学院机电工程系，江苏 淮安 223005）

据统计，现代汽车的主要故障约有 70%出现在发动机电控系统。《汽车发动机电控系统》作为中高职汽车专业相关的核心课程，师生们都深知学好这门课程的重要性。为了让学生能够更好的理解以及掌握这门课程的基本理论知识，教学过程中会借助于由一些已经熟练掌握汽车理论以及技术的高工或者高技人员来设计的传统教具及实验台架来辅助教学，然而效果并不十分好。作者基于多年的一线教学经验，在详细了解了学生们对于现有的教具、实验台架以及借助它们进行的教学过程的详细分析的基础上，设计开发出一系列基于“学生视角”的能够帮助老师演示而且更能容易被学生理解的汽车发动机电控系统教辅用具，大大提高了教学效果，取得了学生们的高度信任。文章将详细介绍这种基于“学生视角”的发动机电控系统教辅用具的设计与开发的思想，以供同行参考。

发动机电控系统；高职教育；教辅用具；学生视角

Abstract:According to statistics, about 70% of the main faults of modern cars appear in the engine electronic control system.Automotive engine electronic control system, as the core courses in the automotive related courses, teachers and students are well aware of the importance of learning this course. In order to make students better understand and master the course of the basic theoretical knowledge, the teaching process will use the traditional teaching and experiment platform by some has mastered the theory and technology of automotive engineering or high technical personnel to design to assist teaching, but the effect is not very good. In this paper, the author based on years of teaching experience, in a detailed understanding of the students in the basis of a detailed analysis of the existing teaching and experimental platform and use them in the teaching process, designed and developed a series of "based on the perspective of students" can help teachers and students can easily demonstrate understanding of the electronic control system of automobile engine supplementary equipment, greatly improve the teaching effect, the students achieved a high degree of trust. This paper will introduce the idea of the design and development of the electronic control system based on the students' perspective.

Keywords: Engine electronic control system; higher vocational education; teaching aids; student perspective

CLC NO.: G614 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-211-04

引言

电子技术在汽车上的应用是现代汽车的特色之一[1]。伴随着汽车工业的发展，汽车上的各种电子元器件以及电控系统的数量也在逐渐增加，一方面代表了汽车电控技术的长足进步，另一方面也给汽车维修行业带来了技术发展以及人才需求等一系列问题[2]。随着电子技术被越来越多地引入到汽车装置上，使得汽车的故障变得越来越复杂，除了以前相对简单的机械故障外，还包括了更为复杂的电控系统故障，这就要求与之相适应的更为先进的故障诊断技术以及更高的专业技术水平，所以对汽车维修人员提出了更高的要求[3]。

1 问题的提出

发动机作为组成汽车的四大部分之一，是汽车的动力来源，起着“心脏”的作用，所以发动机电控系统及技术的发展也代表着汽车电控技术发展的先进程度，发动机电控系统的故障检修水平也代表着汽车维修技术行业发展的技术水平[4]。据统计，在汽车发生的主要故障中，仅发动机电控系统故障率就约占 70%，而且也是最难解决的最耗时间的故障。因此，为了加快汽修行业的发展，为祖国培养出更多的高技术高技能人才，高职院校汽修相关专业都会开设《汽车发动机电控系统故障诊断与检修》这门课程，并设置为专业核心课程[5]。目的是要通过本课程的学习，使学生掌握装配电控喷射发动机的汽车的使用、维护、基本诊断和修理等基础作业，并逐步养成运用所学知识进行分析、判断并排除电控喷射发动机故障的诊断与修理的职业核心能力[6]。

结合“实践为主，理论够用”的高职课程设置宗旨，为了尽快提高学生的维修技术水平，让他们能够更好更快的掌握汽车电子控制技术，这门课程的教学大多以“理实一体+实践”的方式进行。对于学生来说，对他们必须掌握的的理论知识的深度要求并不高，但是一些能够指导实践操作的基础理论却是必须要求识记的，“死记硬背”显然不是最好的方式。为了帮助学生更好的记住这些理论知识，授课时教师往往会借助一些经过专门设计的跟教学内容相符合的实验台架或者是示教板之类的教学用具来辅助教学[7]。例如，传感器综合试验箱、电控发动机起动台架等。

但是经过多年一线实践教学经验以及基于教学过程中学生们的反馈得知：现有的实验台架或教具对于作为他们来说仍然比较“复杂”，不容易理解。因为学生们认为这些教具一般都是熟练掌握汽修技术或者原理的高级工程师或者高级技术人员基于“他们的角度”看待问题而设计出来的，他们认为很简单的原理以及演示过程，从学生的角度看起来并不一定会和他们一样，学生们理解起来依然很费劲[8]-[9]。

2 具体分析及解决方案

2.1 具体情况分析

汽车发动机电控系统的组成与任何组成电控系统的组成部分一样，都离不开传感器、ECU以及执行器三大部分。而传感器作为整个电控系统的信号输入装置，掌握它的工作原理以及作用对于接下来其它部分的学习很有帮助，所以传感器的结构、原理、故障检测及与ECU的信号传递关系是学好整个发动机电控系统的基础。典型的发动机电控系统主要由空气流量计（进气压力传感器）、曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器、爆震传感器、氧传感器等组成[10]。

以结构及原理最为简单的冷却液温度传感器为例，介绍学生理解仍然比较困难的原因：

1）现有实训室的实验台架都是将经过翻新改造的原车发动机安装在台架上，并通过设计保持原车ECU与发动机上各传感器之间的信号传递关系不变（原有接线方式不变），大多数的台架还设置了配有发动机电控系统原理图的面板。面板上有发动机执行区信号检测区、PIE面板绘制发动机电控系统原理图、方便老师讲授和组织实训教学，学员可直观对照发动机电路原理图和发动机实物；认识、测试和分析控制系统的工作原理；实训台面板上安装有检测端子，可直接在面板上检测各传感器、执行器的电阻、电压、电流、频率信号；实训台面板上安状数显仪表或原车仪表，可实时显示发动机转速、水温等参数的变化。如图1所示为一台典型的电控发动机实训台架。

图1 电控发动机实训台架

2）实训室的传感器综合分析实验箱是采用原车传感器与执行器实物总成为基础，能够充分展示汽车传感器与执行器的组成结构和工作过程的模拟装置。每个实验箱面板上配有各传感器与执行器检测端子，学生可以通过检测端子测量信号，面板上配有信号端子开关，通过开关设置故障观察输出电压的变化。有的实验箱面板上装有数字电压表，可显示传感器工作电压。如图2所示为冷却液温度传感器综合分析实验箱。

图2 冷却液温度传感器综合分析实验箱

3）冷却液温度传感器的作用是检测发动机冷却液的温度，并将温度信号变换为电信号传送给电控ECU，ECU根据发动机的温度信号修正喷油时间和点火时间，控制发动机的怠速，从而使发动机的工作状态处于最佳状态运行。一般都是采用负温度系数热敏电阻型。它主要由热敏电阻、塑料壳体、接线插座组成，其结构如图3所示。

图3 冷却液温度传感器

4）冷却液温度传感器的工作原理与进气温度传感器相似，其都是利用负温度系数热敏电阻的特性，当发动机正常工作时，电路中电流发生变化，使得热敏电阻两端的电也随之发生变化，并提供给电控单元 ECU，电控单元根据发动机温度的变化来修正燃油喷射量和点火提前角。如图4所示。

图4 冷却液温度传感器电阻与温度对照图

如上所述，在实际教学过程中，为了能够给学生讲解清楚冷却液温度传感器的原理以及信号传递的类型、方式，教师通常都是借助于实验台架或者实验箱利用万用表对实物进行检测，一边通过加热或者冷却来改变冷却液温度传感器上安装有测温电阻的测量头的温度，让学生通过观察万用表上电阻或者电压值，来给学生介绍电阻和温度变化之间的关系。然而，学生无论如何也是无法通过万用表上的瞬间电压或电阻的变化就能将其同温度的变化联系起来。因此，很多学生仍然处于不懂的状态。

2.2 解决方案的提出

因此，有学生提出：针对诸如冷却液温度之类的传感器，有没有这样一种教辅用具，利用该教具既能够显示出该传感器的电压或电阻信号随着冷却液温度变化的情况，同时对应的也能够在同一显示屏上显示出当前温度值，更进一步说，如果能够显示出波形对应关系就更好了。

3 设计实现方法

基于上述想法，如果真证能够设计出一种或者多种从“学生的角度”看待理解问题的教辅用具，肯定会更有利于教学。因此，经过对冷却液温度传感器进行结构电路分析的基础上，我们提出了如下的想法：

桑塔纳时代超人发动机上的冷却液传感器电路如图5所示。其传感器插座上有4个接线端子，其中两根接ECU，另外的两根接仪表板的水温表，传感器1号、3号及4号端子为信号输出端子，分别通过外部导线连接到电控单元ECU的67号、53号端子，电控单元ECU根据其信号检测发动机冷却液的温度。4号端子连接到水温仪表上，可以实时显示冷却液的温度。传感器2号端子是外部接线端子。

图5 冷却液温度传感器硬件电路

图5中一般与冷却液温度计本体相连的的都为公插头，与ECU端相连的为母插头。为了能够对所有冷却液温度传感器（其它车型冷却液温度传感器大都为二线制的，仅具有1、3两个功能的端子）进行离线测量，设计了二线制的母插头，二线制的母插头接线与1、3同，即1个接地端，一个信号兼5V电压供给端。然后该母插头接线与万用表电阻档测量电路连接，由每一个一个电阻测量端同时接出两根引线，即一共接出4根线，然后两两分别接到参数转换电路的电阻/电压转换档以及电阻/温度转换挡，输出模拟电压以及温度值。最后，经过ICL7106积分转换电路转换成数字量通过显示屏输出。具体的电路如图6所示。

借助于图6的辅助教具，教师们在课堂上演示的时候，只需要将每一个待测量的传感器的公插头与母插头对接，然后让传感器本体插入热水中或者用加热器加热来改变温度，那么该教具的显示屏就能够同时显示出此传感器的电阻和温度的随冷却液温度的变化而变化的情况，最后将这两组数据同时输入到示波器输出波形显示。如此，学生们在教师演示的过程中或者自身体验过程中，就能比较直观形象的观察到各个参数之间的变化与对应关系，教师甚至无需多做解释，学生就能够体会的非常清楚。

图6 冷却液温度传感器辅助教具硬件电路

同样，基于此思想，可以设计开发出更多的类似教具。例如空气温度传感模拟器、曲轴转速传感模拟器等等，可供同行借鉴与参考。

4 效果

基于“学生视角”利用现有技术条件以及电路基础，对涉及到多个需要改造的传感器实物以及检测显示工具进行剖解、电路改造、转换、添加显示面板等，设计出一系列集温度、压力、流量、转速、电阻、电压等数值一体并能显示波形等的辅助教学用具，以满足汽车发动机电控系统的教学要求。实践表明，此种基于学生角度开发与设计的教辅用具，应用于实际教学过程，确实取了特别好的教学效果，得到了学生们积极的良好的反馈。此外，教具还可以转变为一种特定的检测工具，随车使用，方便车主和维修人员快速排查故障。发动机正常工作时，冷却液温度是80-90度，若温度不在此范围，可判断为冷却温度传感器故障。

[1]陈天殷.汽车电子技术的现状与展望[J]. 汽车电器,2012, (12):1-3+7.

[2] 涂志军,徐会波.汽车电子技术的应用与发展研究[J]. 科技资讯,2012, (05):90-91.

[3] 庄彦霞. 汽车电子技术的应用与发展趋势浅析[J]. 农业装备与车辆工程,2009,(02):50-52.

[4] 黄欲飘. 汽车发动机电控系统课程的教学策略[J]. 西部素质教育,2016,(07):182.

[5] 赵桂良. 汽车发动机电控技术课程理实一体化教学探索[J]. 科技展望,2016,(07):355.

[6] 杨秀芳. 基于工作过程的汽车发动机电控技术课程教学改革[J].西部素质教育,2016,(05):82.

[7] 刘好洁,张燕燕,康红伟,杨国锋. 基于学生角度的机械设计课程设计的学习与探讨[J]. 实验科学与技术,2015,(02):216-218.

[8] 刘明国,丛国凤. 从学生角度来审视课堂教学CAI课件的开发[J].科技信息,2013,(08):314+316.

[9] 梁炳钊. 从学生角度出发,提高课堂有效性[J]. 现代教育科学,2010,(04):78-79.

[10] 黄林火. 丰田轿车发动机电控系统电路的改进及运用[J]. 时代汽车,2015,(12):54-57.

Design and development of teaching aid for engine electronic control system based on student perspective

Wang Wenle, Ji Hui, Wang Meng, Xu Baiyang
( Mechanical and Electronic Engineering Department, Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, JiangSu Huaian 223005 )

G614 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.073

王文乐（1981-），工程师/博士，就职于江苏食品药品职业技术学院。专业：自动化控制、车辆工程。2017省级大学生创新项目。