基于“學(xué)生視角”發(fā)動機電控系統(tǒng)教具的設(shè)計與開發(fā)

王文樂，季惠，王猛，徐百陽

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，江蘇 淮安 223005）

基于“學(xué)生視角”發(fā)動機電控系統(tǒng)教具的設(shè)計與開發(fā)

王文樂，季惠，王猛，徐百陽

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，江蘇 淮安 223005）

據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代汽車的主要故障約有 70%出現(xiàn)在發(fā)動機電控系統(tǒng)?！镀嚢l(fā)動機電控系統(tǒng)》作為中高職汽車專業(yè)相關(guān)的核心課程，師生們都深知學(xué)好這門課程的重要性。為了讓學(xué)生能夠更好的理解以及掌握這門課程的基本理論知識，教學(xué)過程中會借助于由一些已經(jīng)熟練掌握汽車理論以及技術(shù)的高工或者高技人員來設(shè)計的傳統(tǒng)教具及實驗臺架來輔助教學(xué)，然而效果并不十分好。作者基于多年的一線教學(xué)經(jīng)驗，在詳細了解了學(xué)生們對于現(xiàn)有的教具、實驗臺架以及借助它們進行的教學(xué)過程的詳細分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)出一系列基于“學(xué)生視角”的能夠幫助老師演示而且更能容易被學(xué)生理解的汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)教輔用具，大大提高了教學(xué)效果，取得了學(xué)生們的高度信任。文章將詳細介紹這種基于“學(xué)生視角”的發(fā)動機電控系統(tǒng)教輔用具的設(shè)計與開發(fā)的思想，以供同行參考。

發(fā)動機電控系統(tǒng)；高職教育；教輔用具；學(xué)生視角

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

電子技術(shù)在汽車上的應(yīng)用是現(xiàn)代汽車的特色之一[1]。伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上的各種電子元器件以及電控系統(tǒng)的數(shù)量也在逐漸增加，一方面代表了汽車電控技術(shù)的長足進步，另一方面也給汽車維修行業(yè)帶來了技術(shù)發(fā)展以及人才需求等一系列問題[2]。隨著電子技術(shù)被越來越多地引入到汽車裝置上，使得汽車的故障變得越來越復(fù)雜，除了以前相對簡單的機械故障外，還包括了更為復(fù)雜的電控系統(tǒng)故障，這就要求與之相適應(yīng)的更為先進的故障診斷技術(shù)以及更高的專業(yè)技術(shù)水平，所以對汽車維修人員提出了更高的要求[3]。

1 問題的提出

發(fā)動機作為組成汽車的四大部分之一，是汽車的動力來源，起著“心臟”的作用，所以發(fā)動機電控系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展也代表著汽車電控技術(shù)發(fā)展的先進程度，發(fā)動機電控系統(tǒng)的故障檢修水平也代表著汽車維修技術(shù)行業(yè)發(fā)展的技術(shù)水平[4]。據(jù)統(tǒng)計，在汽車發(fā)生的主要故障中，僅發(fā)動機電控系統(tǒng)故障率就約占 70%，而且也是最難解決的最耗時間的故障。因此，為了加快汽修行業(yè)的發(fā)展，為祖國培養(yǎng)出更多的高技術(shù)高技能人才，高職院校汽修相關(guān)專業(yè)都會開設(shè)《汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)故障診斷與檢修》這門課程，并設(shè)置為專業(yè)核心課程[5]。目的是要通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握裝配電控噴射發(fā)動機的汽車的使用、維護、基本診斷和修理等基礎(chǔ)作業(yè)，并逐步養(yǎng)成運用所學(xué)知識進行分析、判斷并排除電控噴射發(fā)動機故障的診斷與修理的職業(yè)核心能力[6]。

結(jié)合“實踐為主，理論夠用”的高職課程設(shè)置宗旨，為了盡快提高學(xué)生的維修技術(shù)水平，讓他們能夠更好更快的掌握汽車電子控制技術(shù)，這門課程的教學(xué)大多以“理實一體+實踐”的方式進行。對于學(xué)生來說，對他們必須掌握的的理論知識的深度要求并不高，但是一些能夠指導(dǎo)實踐操作的基礎(chǔ)理論卻是必須要求識記的，“死記硬背”顯然不是最好的方式。為了幫助學(xué)生更好的記住這些理論知識，授課時教師往往會借助一些經(jīng)過專門設(shè)計的跟教學(xué)內(nèi)容相符合的實驗臺架或者是示教板之類的教學(xué)用具來輔助教學(xué)[7]。例如，傳感器綜合試驗箱、電控發(fā)動機起動臺架等。

但是經(jīng)過多年一線實踐教學(xué)經(jīng)驗以及基于教學(xué)過程中學(xué)生們的反饋得知：現(xiàn)有的實驗臺架或教具對于作為他們來說仍然比較“復(fù)雜”，不容易理解。因為學(xué)生們認為這些教具一般都是熟練掌握汽修技術(shù)或者原理的高級工程師或者高級技術(shù)人員基于“他們的角度”看待問題而設(shè)計出來的，他們認為很簡單的原理以及演示過程，從學(xué)生的角度看起來并不一定會和他們一樣，學(xué)生們理解起來依然很費勁[8]-[9]。

2 具體分析及解決方案

2.1 具體情況分析

汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)的組成與任何組成電控系統(tǒng)的組成部分一樣，都離不開傳感器、ECU以及執(zhí)行器三大部分。而傳感器作為整個電控系統(tǒng)的信號輸入裝置，掌握它的工作原理以及作用對于接下來其它部分的學(xué)習(xí)很有幫助，所以傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、故障檢測及與ECU的信號傳遞關(guān)系是學(xué)好整個發(fā)動機電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。典型的發(fā)動機電控系統(tǒng)主要由空氣流量計（進氣壓力傳感器）、曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、進氣溫度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、爆震傳感器、氧傳感器等組成[10]。

以結(jié)構(gòu)及原理最為簡單的冷卻液溫度傳感器為例，介紹學(xué)生理解仍然比較困難的原因：

1）現(xiàn)有實訓(xùn)室的實驗臺架都是將經(jīng)過翻新改造的原車發(fā)動機安裝在臺架上，并通過設(shè)計保持原車ECU與發(fā)動機上各傳感器之間的信號傳遞關(guān)系不變（原有接線方式不變），大多數(shù)的臺架還設(shè)置了配有發(fā)動機電控系統(tǒng)原理圖的面板。面板上有發(fā)動機執(zhí)行區(qū)信號檢測區(qū)、PIE面板繪制發(fā)動機電控系統(tǒng)原理圖、方便老師講授和組織實訓(xùn)教學(xué)，學(xué)員可直觀對照發(fā)動機電路原理圖和發(fā)動機實物；認識、測試和分析控制系統(tǒng)的工作原理；實訓(xùn)臺面板上安裝有檢測端子，可直接在面板上檢測各傳感器、執(zhí)行器的電阻、電壓、電流、頻率信號；實訓(xùn)臺面板上安狀數(shù)顯儀表或原車儀表，可實時顯示發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫等參數(shù)的變化。如圖1所示為一臺典型的電控發(fā)動機實訓(xùn)臺架。

圖1 電控發(fā)動機實訓(xùn)臺架

2）實訓(xùn)室的傳感器綜合分析實驗箱是采用原車傳感器與執(zhí)行器實物總成為基礎(chǔ)，能夠充分展示汽車傳感器與執(zhí)行器的組成結(jié)構(gòu)和工作過程的模擬裝置。每個實驗箱面板上配有各傳感器與執(zhí)行器檢測端子，學(xué)生可以通過檢測端子測量信號，面板上配有信號端子開關(guān)，通過開關(guān)設(shè)置故障觀察輸出電壓的變化。有的實驗箱面板上裝有數(shù)字電壓表，可顯示傳感器工作電壓。如圖2所示為冷卻液溫度傳感器綜合分析實驗箱。

圖2 冷卻液溫度傳感器綜合分析實驗箱

3）冷卻液溫度傳感器的作用是檢測發(fā)動機冷卻液的溫度，并將溫度信號變換為電信號傳送給電控ECU，ECU根據(jù)發(fā)動機的溫度信號修正噴油時間和點火時間，控制發(fā)動機的怠速，從而使發(fā)動機的工作狀態(tài)處于最佳狀態(tài)運行。一般都是采用負溫度系數(shù)熱敏電阻型。它主要由熱敏電阻、塑料殼體、接線插座組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冷卻液溫度傳感器

4）冷卻液溫度傳感器的工作原理與進氣溫度傳感器相似，其都是利用負溫度系數(shù)熱敏電阻的特性，當(dāng)發(fā)動機正常工作時，電路中電流發(fā)生變化，使得熱敏電阻兩端的電也隨之發(fā)生變化，并提供給電控單元 ECU，電控單元根據(jù)發(fā)動機溫度的變化來修正燃油噴射量和點火提前角。如圖4所示。

圖4 冷卻液溫度傳感器電阻與溫度對照圖

如上所述，在實際教學(xué)過程中，為了能夠給學(xué)生講解清楚冷卻液溫度傳感器的原理以及信號傳遞的類型、方式，教師通常都是借助于實驗臺架或者實驗箱利用萬用表對實物進行檢測，一邊通過加熱或者冷卻來改變冷卻液溫度傳感器上安裝有測溫電阻的測量頭的溫度，讓學(xué)生通過觀察萬用表上電阻或者電壓值，來給學(xué)生介紹電阻和溫度變化之間的關(guān)系。然而，學(xué)生無論如何也是無法通過萬用表上的瞬間電壓或電阻的變化就能將其同溫度的變化聯(lián)系起來。因此，很多學(xué)生仍然處于不懂的狀態(tài)。

2.2 解決方案的提出

因此，有學(xué)生提出：針對諸如冷卻液溫度之類的傳感器，有沒有這樣一種教輔用具，利用該教具既能夠顯示出該傳感器的電壓或電阻信號隨著冷卻液溫度變化的情況，同時對應(yīng)的也能夠在同一顯示屏上顯示出當(dāng)前溫度值，更進一步說，如果能夠顯示出波形對應(yīng)關(guān)系就更好了。

3 設(shè)計實現(xiàn)方法

基于上述想法，如果真證能夠設(shè)計出一種或者多種從“學(xué)生的角度”看待理解問題的教輔用具，肯定會更有利于教學(xué)。因此，經(jīng)過對冷卻液溫度傳感器進行結(jié)構(gòu)電路分析的基礎(chǔ)上，我們提出了如下的想法：

桑塔納時代超人發(fā)動機上的冷卻液傳感器電路如圖5所示。其傳感器插座上有4個接線端子，其中兩根接ECU，另外的兩根接儀表板的水溫表，傳感器1號、3號及4號端子為信號輸出端子，分別通過外部導(dǎo)線連接到電控單元ECU的67號、53號端子，電控單元ECU根據(jù)其信號檢測發(fā)動機冷卻液的溫度。4號端子連接到水溫儀表上，可以實時顯示冷卻液的溫度。傳感器2號端子是外部接線端子。

圖5 冷卻液溫度傳感器硬件電路

圖5中一般與冷卻液溫度計本體相連的的都為公插頭，與ECU端相連的為母插頭。為了能夠?qū)λ欣鋮s液溫度傳感器（其它車型冷卻液溫度傳感器大都為二線制的，僅具有1、3兩個功能的端子）進行離線測量，設(shè)計了二線制的母插頭，二線制的母插頭接線與1、3同，即1個接地端，一個信號兼5V電壓供給端。然后該母插頭接線與萬用表電阻檔測量電路連接，由每一個一個電阻測量端同時接出兩根引線，即一共接出4根線，然后兩兩分別接到參數(shù)轉(zhuǎn)換電路的電阻/電壓轉(zhuǎn)換檔以及電阻/溫度轉(zhuǎn)換擋，輸出模擬電壓以及溫度值。最后，經(jīng)過ICL7106積分轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過顯示屏輸出。具體的電路如圖6所示。

借助于圖6的輔助教具，教師們在課堂上演示的時候，只需要將每一個待測量的傳感器的公插頭與母插頭對接，然后讓傳感器本體插入熱水中或者用加熱器加熱來改變溫度，那么該教具的顯示屏就能夠同時顯示出此傳感器的電阻和溫度的隨冷卻液溫度的變化而變化的情況，最后將這兩組數(shù)據(jù)同時輸入到示波器輸出波形顯示。如此，學(xué)生們在教師演示的過程中或者自身體驗過程中，就能比較直觀形象的觀察到各個參數(shù)之間的變化與對應(yīng)關(guān)系，教師甚至無需多做解釋，學(xué)生就能夠體會的非常清楚。

圖6 冷卻液溫度傳感器輔助教具硬件電路

同樣，基于此思想，可以設(shè)計開發(fā)出更多的類似教具。例如空氣溫度傳感模擬器、曲軸轉(zhuǎn)速傳感模擬器等等，可供同行借鑒與參考。

4 效果

基于“學(xué)生視角”利用現(xiàn)有技術(shù)條件以及電路基礎(chǔ)，對涉及到多個需要改造的傳感器實物以及檢測顯示工具進行剖解、電路改造、轉(zhuǎn)換、添加顯示面板等，設(shè)計出一系列集溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、電阻、電壓等數(shù)值一體并能顯示波形等的輔助教學(xué)用具，以滿足汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)的教學(xué)要求。實踐表明，此種基于學(xué)生角度開發(fā)與設(shè)計的教輔用具，應(yīng)用于實際教學(xué)過程，確實取了特別好的教學(xué)效果，得到了學(xué)生們積極的良好的反饋。此外，教具還可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特定的檢測工具，隨車使用，方便車主和維修人員快速排查故障。發(fā)動機正常工作時，冷卻液溫度是80-90度，若溫度不在此范圍，可判斷為冷卻溫度傳感器故障。

[1]陳天殷.汽車電子技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 汽車電器,2012, (12):1-3+7.

[2] 涂志軍,徐會波.汽車電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究[J]. 科技資訊,2012, (05):90-91.

[3] 莊彥霞. 汽車電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢淺析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009,(02):50-52.

[4] 黃欲飄. 汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)課程的教學(xué)策略[J]. 西部素質(zhì)教育,2016,(07):182.

[5] 趙桂良. 汽車發(fā)動機電控技術(shù)課程理實一體化教學(xué)探索[J]. 科技展望,2016,(07):355.

[6] 楊秀芳. 基于工作過程的汽車發(fā)動機電控技術(shù)課程教學(xué)改革[J].西部素質(zhì)教育,2016,(05):82.

[7] 劉好潔,張燕燕,康紅偉,楊國鋒. 基于學(xué)生角度的機械設(shè)計課程設(shè)計的學(xué)習(xí)與探討[J]. 實驗科學(xué)與技術(shù),2015,(02):216-218.

[8] 劉明國,叢國鳳. 從學(xué)生角度來審視課堂教學(xué)CAI課件的開發(fā)[J].科技信息,2013,(08):314+316.

[9] 梁炳釗. 從學(xué)生角度出發(fā),提高課堂有效性[J]. 現(xiàn)代教育科學(xué),2010,(04):78-79.

[10] 黃林火. 豐田轎車發(fā)動機電控系統(tǒng)電路的改進及運用[J]. 時代汽車,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 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-211-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.073

王文樂（1981-），工程師/博士，就職于江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院。專業(yè)：自動化控制、車輛工程。2017省級大學(xué)生創(chuàng)新項目。