M11康明斯发动机燃油系工作原理与故障分析实训

康明斯发动机是高速推土机、挖掘机和装载机等工程机械的主要动力装置， 其工作状态决定着整个高速推、挖、装的工作进度。该发动机的智能化、自动化程度一般都比较高， 结构复杂， 故障发生率也比较高。液压系统一旦出现故障后， 检测与维修难度都比较大。利用微电脑技术和电子技术对康明斯发动机的工作过程和工作原理进行仿真模拟和演示操作， 可以直观地反映出发动机的工作状态与故障特性， 进行发动机的故障诊断与排除教学实验， 有助于受训人员掌握发动机的工作原理、熟悉发动机的结构、故障特点、检测手段与排除方法， 提高其检测、维修与保障的能力。
1、M11发动机燃油系实训台总体结构设计
燃油系实训台的典型结构由LCD显示屏、工作原理演示面板、故障原因示意区、故障排除方法区、故障原因设置区、声音提示装置、模式选择开关区、工作参数调整按钮区、微电脑控制单元和相应的驱动电路与控制软件组成。实训台架上的工作原理演示面板、各种设置、调整与控制开关均由大面积薄膜开关组件制成。
1.1 实训台的机械结构
实训台机械结构由可移动万向台架组成,分为上下两部分。其中上部台架主要安装LCD显示屏、工作原理图、故障现象设置按钮薄膜开关阵列、故障原因设置薄膜开关阵列等。微电脑控制单元和驱动电路、附件电缆等安装在上部台架里。上部参加采用双后开门结构， 方便安装与维修。台架的下部主要安装电源设备、模式选择与参数调整开关、故障原因排除按钮阵列以相应的连接电缆等附件。下部前后均开门。台架经过高温喷漆处理, 牢固耐用， 外形尺寸为（1400×580×1600）mm。
1.2 微电脑控制单元的设计
微电脑控制单元是整个实训台的控制中枢， 其核心是C8051F029单片机。控制单元接受用户输入的控制信息， 包括设置的故障原因、故障现象、选择的故障排除方法与工作模式、选择的其它系统状态信息等， CPU根据这些信息做出处理， 然后输出控制信息， 使工作原理图的流水灯按照程序进行动态运转以模拟总成或系统的工作过程； 模拟故障分析排除过程， 指导受训人员学习和掌握故障诊断与排除方法； 根据实训台的教学、训练流程， 同步给出语音提示信息； 设置考核题目， 对受训人员的训练情况进行考核和验收， 促进受训人员的训练
与学习。
控制单元由MCS51单片机处理模块、模拟量输入、开关量输入输出、电源模块、串行通讯模块、电平转换与驱动模块、语音模块等组成。硬件控制板以C8051F020单片机为核心， 并完善了系统硬件环境， 保证实训台在使用过程中， 能够实时采集到真实的信号数据， 可靠地实现对整个系统的控制， 减少故障的发生，延长系统的使用寿命。整个电路系统的原理框图如图2所示。

图2 微电脑控制系统原理框图
2、实训台研制中的关键技术
2.1 PT泵燃油系工作原理图的LED的可控动态演示M11发动机PT泵燃油系的工作原理演示图， 需要多个LED灯来进行动态演示。而微控制器I/O端口数量是有限的， 软件上采用循环算法效率不高， 且采用并行驱动难以实现。项目组在设计过程中， 采用高性能8位3态总线中继或收发器件HC245级联， 达到扩展CPU的I/O端口数量的目的。这样用有限的I/O端口即可控制大数量LED的动态显示， 当需要增加LED数量时，只需进一步级联HC245即可， 而不用占用新的I/O端口。LED的动态可控流水操作， 充分展示了新型工程各总成及系统的工作原， 极大地提高了实训台的直观性、逼真性， 提高了参训人员的训练积极性， 加深了对工作原理的理解和掌握。
2.2 实训台教学、实训过程与语音提示的同步处理
实训台运行时， 无论是工作原理的演示过程， 还是故障现象、故障原因及故障排队方法的教学或考核， 都伴随有相应的语音提示。因此在硬件和软件设计时， 必须考虑语音与动作的同步问题。这样才能提高教学与训练效果。
项目设计中采用了语音芯片， 并在软件设计中开发了相应的语音同步程序， 使实训台的工作过程中的语音提示准确同步， 极大地提高了实训台的使用性能。
2.3 大容量开关矩阵输出量的数据采集
实训台的故障现象、故障原因、故障排除方法和状态参数的调整等都是通过薄膜开关来实现。因此实训台的开关数量相当多， 微电脑控制单元的端口不但要分配给工作原理演示流水LED的控制， 而且还要与这些开关进行信息交互， 对系统的硬软件资源要求*。项目组经过反复研究讨论， 采用了两种开关数据采集方案：
①选用高性能数码管/键盘驱动模块CH452进行开关动作识别并完成开关左侧LED示意灯的控制；
②在开关上接入不同阻值的电阻， 再将开关输入量送入A/D进行采用和转换， 根据其模拟量的不同来识别不同的开关输入。通过这两种方案的结合， 解决了开关矩阵的信息输入问题。这一方案扩展了实训台的适用范围， 提高了实训台的使用性能。
2.4 燃油系故障树的构建
实训台的故障分析过程中， 受训人员应能根据燃油系的常见故障现象， 分析判断相应的故障原因， 并能根据故障原因掌握故障的排除方法与调整、调试技巧与措施。但由于实训台面板和薄膜开关矩阵中开关量的限制， 在设计和规划故障现象、故障原因与故障排除方法等按钮时， 遇到了较大的困难。笔者利用了故障树理论， 构建了燃油系常见故障现象、故障原因和故障排除方法故障树。结合单片机的软件编程， 实现了结构化、参数化和模块化的控制软件与故障树的有机结合， 解决了故障分析实训过程中的困难。
3、结束语
本文研制的实训台包含了M11康明斯发动机PT泵燃油供给系的工作原理、故障现象、故障原因分析诊断以及故障排除方法的教学、实训和考核等功能， 能够适用于驾驶操作与维修人员及相关人员的教学与实训， 实训内容广泛全面， 满足了工程装备保障分队操作使用维修人员学习和掌握PT泵燃油系工作原理的需求， 以及对PT泵燃油系常见故障现象、故障原因的分析判断训练和故障排除方法的实训要求， 具有较高的使用价值。