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發(fā)動機缸體的案例

達索系統SIMULIA Abaqus在發(fā)動機缸體疲勞試驗模擬分析中的應用
作者:張醒國 中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院 摘要: 本文利用達索系統SIMULIA Abaqus軟件對發(fā)動機缸體疲勞試驗工況進行有限元模擬仿真。通過對試驗結果與有限元計算結果的差異對比和原因分析,對有限元分析條件進行修正,從而發(fā)現缸口位置開裂的真正原因,給出相應改進方案,并得到了試驗驗證。 關鍵詞:Abaqus 有限元 高周疲勞強度 缸體疲勞試驗 1、前言 發(fā)動機作為汽車的“心臟”,為汽車的行走提供動力, 對汽車的動力性、經濟性、環(huán)保性起著至關重要的作用。發(fā)動機缸體不僅僅是發(fā)動機的骨架與外殼,同時是發(fā)動機各大部件工作中必不可少的一部分。缸體的作用是支承和保證活塞、連桿、曲軸等運動部件工作時的準確位置,保證發(fā)動機的換氣、冷卻和潤滑,提供各種輔助系統、部件及發(fā)動機的安裝。 近年來,采用有限元軟件計算評估發(fā)動機缸體強度,已經成為各大發(fā)動機設計單位在設計階段的主要手段。通過有限元分析明確缸體的危險位置,有針對性的改進設計,避免重復性試驗驗證,可以大幅度縮短設計周期,節(jié)約時間成本、人力成本、資源成本等。 在眾多有限元軟件中,Abaqus以豐富的單元種類、全面的材料模型、大量的接觸與連接類型、強大的非線性求解能力和較強的上下游分析軟件兼容性等優(yōu)點被越來越多的CAE工程師采用。在進行發(fā)動機疲勞耐久仿真分析時,Abaqus能夠提供豐富的單元類型,來準確模擬缸墊、油膜等高度非線性受載情況,同時也提供了溫度相關的材料本構模型。 本文以某型發(fā)動機為例,采用Abaqus/Standard對缸體疲勞試驗工況進行模擬,快速解決試驗中產生的缸口位置異常開裂問題。
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基于模態(tài)提升發(fā)動機NVH優(yōu)化研究
本文闡述了模態(tài)試驗的理論,通過缸體模態(tài)的有限元分析和模態(tài)測試,發(fā)現了缸體模態(tài)頻率較低。通過對缸體局部模態(tài)進行優(yōu)化,提高了模態(tài)頻率,降低了缸體產生振動輻射噪聲的風險,最終降低了發(fā)動機的噪聲及振動,提升了發(fā)動機的聲品質。 缸體發(fā)動機的核心零部件,是發(fā)動機結構的基礎。發(fā)動機眾多零部件都直接或間接地和缸體連接,發(fā)動機工作時缸體和其他零部件將產生復雜的振動或耦合共振,進而產生復雜的噪聲,即缸體強度的高低對發(fā)動機NVH及整車NVH的提升將產生重要的影響,所以確定缸體結構模態(tài)參數,特別是固有頻率和振型對控制振動輻射噪聲具有重要的意義。 結構共振噪聲在發(fā)動機噪聲中比較常見,而根據共振噪聲產生的機理,針對不同的噪聲形式可以采用不同的優(yōu)化方式進行。如控制發(fā)動機缸體結構共振噪聲,可通過優(yōu)化燃燒噪聲或者機械噪聲的方法進行,但是這樣可能會影響發(fā)動機的性能,所以往往降噪量有限。而采用模態(tài)優(yōu)化增加結構剛度或者改善自身的阻尼特性來降低表面振動的方式也可以大幅度降低缸體輻射噪聲。在激振力不變的情況下,增加結構剛度,減小結構表面響應是控制發(fā)動機表面輻射噪聲的基本途徑。增加結構剛度的主要目的是提高結構的固有頻率,使其達到結構衰減較大的頻率區(qū)域。 本文以某發(fā)動機缸體為案例通過仿真分析和試驗相結合的方式確定了發(fā)動機結構共振噪聲,最終通過模態(tài)提升的方式提升了發(fā)動機的NVH性能。 缸體模態(tài)有限元分析 發(fā)動機工作時缸體是主要的受力件,氣體在燃燒室燃燒所產生的氣體壓力,通過活塞連桿傳遞到曲軸,通過缸體傳出。因此發(fā)動機缸體必須要求有足夠的剛度和強度,才能承受如此大的機械負荷并保證發(fā)動機的正常運行。一般在設計缸體時,必須對其進行有限元結構分析。 模態(tài)分析的目的是識別出結構的固有頻率、振型以及阻尼比。
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船用發(fā)動機缸體鑄件
船用發(fā)動機缸體,球墨鑄鐵,鑄造工藝有難度
基于多體動力學的發(fā)動機噪聲預測與輕量化
減重前后的缸體結構對比,如圖10和圖11 所示,減重后缸體比原缸體減輕了4.44 kg 左右,對于40 kg 左右的缸體,相當于減輕了10%的質量。 圖10 發(fā)動機缸體進氣側結構改進前后對比 圖11 發(fā)動機缸體排氣側結構改進前后對比 缸體減重后需要考慮對噪聲的影響。對減重后的缸體進行1 m 噪聲分析,得到原缸體與減重缸體的總聲壓級對比圖,如圖12 所示。 圖12 發(fā)動機缸體減重前后總聲壓級對比 從圖12 可以看出,減重后的缸體在5 500 r/min下的總聲壓級差為7.5 dB,6 000 r/min 下的總聲壓級差為6.4 dB,其他轉速下的總聲壓級差在3 dB 左右。在采用相同的測量方法及測點位置時,3 dB 表示減重后發(fā)動機噪聲功率約為原發(fā)動機噪聲功率的2 倍,人耳能很容易地感覺到差別。對于減重后的缸體進行仿真分析后,發(fā)現減重后的噪聲性能很差,需要后續(xù)進一步優(yōu)化,盡可能滿足客戶對舒適性的需求。 4.2 發(fā)動機缸體優(yōu)化后的噪聲分析 提升發(fā)動機輻射噪聲性能的方式有3 種:1)從降低發(fā)動機源頭的激勵入手;2)改變發(fā)動機的響應傳遞路徑;3)增加發(fā)動機的剛度與阻尼結構,從而降低發(fā)動機輻射的表面激勵響應。由于設計部門是從減重缸體開始,既要保證不影響發(fā)動機的噪聲性能,又要達到發(fā)動機減重的效果。 因此,文章從優(yōu)化缸體結構的方向入手,通過提升發(fā)動機缸體的剛度來優(yōu)化噪聲。經過拓撲優(yōu)化的缸體的模態(tài)結果,如圖13 所示,得到的結果可以保證發(fā)動機缸體模態(tài)與原缸體的模態(tài)持平,優(yōu)化后的缸體質量比原缸體減輕3.24 kg,比設計部門提出的減重缸體多增加1.2 kg,減少率為8.1%。
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發(fā)動機缸體圖1
【加工制造】圖文并茂——發(fā)動機的加工工藝與產線運作實例
發(fā)動機及其部件(缸體、缸蓋等)是汽車上萬個零件中決定整車性能的重要組成之一,其工藝也基本代表著最先進的汽車制造技術。這次我們從夾持工藝、產線設計至整線安排,由小至大,由細節(jié)至產線看一些實例。 發(fā)動機部件液壓夾具實例 發(fā)動機缸體缸蓋這樣的異形件在每一道工序中都需要專用的液壓夾具來輔助加工,因此汽配件也是非標液壓夾具的最大應用方之一,包攬了非標夾具行業(yè)70%的市場份額。
東風康明斯缸體實例講解:感應電爐熔煉配料、元素影響及碳化硅的使用!
解剖后發(fā)現,滲漏部位有裂隙狀的缺陷,即使該缺陷在加工過程中沒有被發(fā)現,在發(fā)動機的使用過程中,此處將成為裂紋源,隨著發(fā)動機使用時間的延長,裂紋擴散將造成發(fā)動機缸體工作失效。 鑄造分公司就曾將廢鋼比例增大至60%并采用硅鋇孕育劑出爐孕育,鑄件加工氣密性檢測時,滲漏廢品高達3.3%,分析其主要就是由于氮氣孔而引起的異常,后來用硅鋯孕育劑代替硅鋇孕育劑,滲漏廢品降低至1%以下。 2.2隨流孕育 孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題,相比出爐孕育,隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后,從而明顯減少孕育衰退現象,提高孕育效果。對于致密性要求高的發(fā)動機缸體缸蓋灰鑄鐵鑄件,一般選擇0.05%-0.1%的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進共晶石墨化、減少鐵液的白口,但不增加共晶團數,不增加鐵液的縮松傾向,對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。 筆者公司2008年以前采用的是出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式,孕育劑均為硅鋇,生產的康明斯4B缸蓋,滲漏廢品率高達10%左右,后采用硅鍶隨流孕育后,滲漏廢品率降低至3.52%,對比數據見表4。 2.3出爐補碳工藝 鑄鐵在熔融狀態(tài)下并非單相液體,而是存在著未溶解石墨分子和滲碳體分子的多相體。如果長時間過熱或頻繁送電攪拌,鐵液趨向于熱力學平衡狀態(tài),未溶解的滲碳體和石墨集團被溶解,鐵液中由于濃度起伏出現新的碳原子集團,這些碳原子集團可能以滲碳體型占多數,從而增加了鐵液的白口傾向,鐵液中有效的形核核減少,導致孕育的回應能力降低,冶金質量變差。
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以東風康明斯缸體為案例,實驗分析感應電爐熔煉配料、元素影響、及碳化硅的最佳使用!
解剖后發(fā)現,滲漏部位有裂隙狀的缺陷,即使該缺陷在加工過程中沒有被發(fā)現,在發(fā)動機的使用過程中,此處將成為裂紋源,隨著發(fā)動機使用時間的延長,裂紋擴散將造成發(fā)動機缸體工作失效。 鑄造分公司就曾將廢鋼比例增大至60%并采用硅鋇孕育劑出爐孕育,鑄件加工氣密性檢測時,滲漏廢品高達3.3%,分析其主要就是由于氮氣孔而引起的異常,后來用硅鋯孕育劑代替硅鋇孕育劑,滲漏廢品降低至1%以下。 2.2隨流孕育 孕育衰退是孕育處理過程不容忽視的問題,相比出爐孕育,隨流孕育鐵液溫度較低且孕育時間延后,從而明顯減少孕育衰退現象,提高孕育效果。對于致密性要求高的發(fā)動機缸體缸蓋灰鑄鐵鑄件,一般選擇0.05%-0.1%的硅鍶孕育劑。硅鍶孕育劑能夠有效促進共晶石墨化、減少鐵液的白口,但不增加共晶團數,不增加鐵液的縮松傾向,對降低鑄件滲漏具有顯著的作用。 筆者公司2008年以前采用的是出爐孕育加倒包孕育兩種孕育方式,孕育劑均為硅鋇,生產的康明斯4B缸蓋,滲漏廢品率高達10%左右,后采用硅鍶隨流孕育后,滲漏廢品率降低至3.52%,對比數據見表4。 2.3出爐補碳工藝 鑄鐵在熔融狀態(tài)下并非單相液體,而是存在著未溶解石墨分子和滲碳體分子的多相體。如果長時間過熱或頻繁送電攪拌,鐵液趨向于熱力學平衡狀態(tài),未溶解的滲碳體和石墨集團被溶解,鐵液中由于濃度起伏出現新的碳原子集團,這些碳原子集團可能以滲碳體型占多數,從而增加了鐵液的白口傾向,鐵液中有效的形核核減少,導致孕育的回應能力降低,冶金質量變差。
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ADSTEFAN成功應用于發(fā)動機鋁合金壓鑄缸體模具設計
  寧波市北侖輝旺鑄模實業(yè)有限公司在V6汽車發(fā)動機鋁合金壓鑄缸體模具設計中一次試模成功,打破了國外對于這一領域的技術壟斷,給我國壓鑄界帶來了振奮,猶如一束溫暖的陽光,給處于寒冬中的同行企業(yè)帶來了發(fā)展的希望。   寧波市北侖輝旺鑄模實業(yè)有限公司地處東海之濱寧波市北侖區(qū)大矸鎮(zhèn),是中國壓鑄模骨干企業(yè)聯合體成員單位,亦是“模具之鄉(xiāng)”重點骨干私營企業(yè)之一。 在2003年就引進了日本的模流分析軟件ADSTEFAN, 長期以來在設計模具時都是先把設計方案確定后,用ADSTEFAN軟件對方案進行模擬分析論證,然后與用戶一起商討,充分做好前期論證工作,在有充分把握的前提下進行制模,所以輝旺公司設計的大部分模具試模都是一次成功。
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V型8缸發(fā)動機曲軸機構
本例中,對V型8缸發(fā)動機曲軸系統進行模擬,模型中集成了支承系統,因此計算可以獲得發(fā)動機缸體在X·Y·Z軸方向上的力矩,并且通過頻域分析,還可以獲得各階次下的力矩。(圖示為曲軸轉角與各方向的力矩的關系)
【汽車散熱器知識】
如果發(fā)動機變冷,就會加快組件的磨損,從而使發(fā)動機效率降低并且排放出更多污染物。因此,冷卻系統的另一重要作用是使發(fā)動機盡快升溫,并使其保持恒溫。 汽車冷卻系統分為兩種類型: 液冷和風冷。液冷液冷汽車的冷卻系統通過發(fā)動機中的管道和通路進行液體的循環(huán)。當液體流經高溫發(fā)動機時會吸收熱量,從而降低發(fā)動機的溫度。液體流過發(fā)動機后,轉而流向熱交換器(或散熱器),液體中的熱量通過熱交換器散發(fā)到空氣中。風冷某些早期的汽車采用風冷技術,但現代的汽車幾乎不使用這種方法了。這種冷卻方法不是在發(fā)動機中進行液體循環(huán),而是通過發(fā)動機缸體表面附著的鋁片對氣缸進行散熱。一個功率強大的風扇向這些鋁片吹風,使其向空氣中散熱,從而達到冷卻發(fā)動機的目的。因為大多數汽車采用的是液冷,管道系統汽車中的冷卻系統中有大量管道。散熱系統 泵將液體輸送至發(fā)動機缸體后,液體便開始在氣缸周圍的發(fā)動機通道里流動。接著,液體又通過發(fā)動機的氣缸蓋返回恒溫器位于液體流出發(fā)動機的位置。如果恒溫器關閉,則液體將經過恒溫器周圍的管道直接流回到泵。如果恒溫器打開,液體將首先流入散熱器,然后再流回泵。 加熱系統也有一個單獨的循環(huán)過程。該循環(huán)從氣缸蓋開始輸送液體,使其流經加熱器風箱,然后又流回泵。對于配備有自動變速器的汽車,通常會有一個獨立的循環(huán)過程來冷卻內置于散熱器的變速器油液。變速器油液由變速器通過散熱器內另一個熱交換器抽吸得到。液體汽車可以在遠低于零攝氏度到遠高于38℃的寬泛溫度范圍內工作。 因此,不管使用何種液體對發(fā)動機進行降溫,其必須具有非常低的凝固點、很高的沸點以及能吸收大量熱量。水是吸收熱量的最有效的液體之一,但水的凝固點太高,不適用于汽車發(fā)動機。大多數汽車使用的液體是水和乙二烯乙二醇的混合液(c2h6o2),也稱為防凍液。通過將乙二烯乙二醇添加到水中,可以顯著提高沸點、降低凝固點。
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汽車線束中的搭鐵設計
整車發(fā)動機搭鐵設計舉例 Engine Hitch Design 由于發(fā)動機上的電器件(發(fā)電機、起動機等眾多用電器件)的負極直接與發(fā)動機缸體剛性對接,發(fā)動機缸體通過搭鐵電纜搭鐵形成一個搭鐵回路。 風險: ①發(fā)動機搭鐵一旦接觸不好,將造成停車時起動機搭鐵不良,無法起動。 ②行車時,發(fā)電機搭鐵不良工作不正常,整車虧電以致發(fā)動機突然熄火。 ③部分接觸點因接觸電阻偏大而燒蝕。 最有效的發(fā)動機搭鐵 :直接將發(fā)動機缸體與蓄電池負極對接。 但由于布置原因,很難直接接到蓄電池負極,因此最好在發(fā)動機缸體和變速器殼體上對接,保證良好搭鐵性。 對于發(fā)動機搭鐵選擇: ① 首選方案 為接在發(fā)動機懸置上或缸體上,優(yōu)點:搭鐵可靠,搭鐵線短,成本低。 ② 次選方案 為接在變速器與發(fā)動機對接的缸體上,優(yōu)點:搭鐵可靠,但搭鐵線偏長,成本較高。 因為此零件是靠 2 個安裝螺栓連接到缸體或變速器體上,過多地通過其他零件的裝配達到搭鐵,會存在搭鐵接觸不良隱患。 若安裝螺栓扭矩不到位,或發(fā)動機振動過大,或發(fā)動機前傾后傾,都會引起發(fā)動機與懸置、車身間歇性接觸不良,導致電壓降過大,部分發(fā)動機電器件不工作。
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發(fā)動機缸體圖2
工業(yè)CT檢測:微米級高精度無損檢測服務
五、工業(yè)CT檢測典型檢測案例 案例 1:汽車發(fā)動機缸體鑄件氣孔缺陷分析 項目背景 某國內頭部車企發(fā)動機缸體出現批次性滲漏問題,傳統滲透檢測、超聲檢測無法精準定位內部隱蔽孔隙的分布與連通性,導致產品良品率持續(xù)偏低。 檢測過程 華南檢測技術團隊采用工業(yè)CT檢測完成缸體全尺寸掃描,通過三維重建完整呈現工件內部結構,精準定位孔隙的尺寸、分布位置與連通狀態(tài),結合鑄造工藝參數完成缺陷成因分析。 項目成果 基于檢測數據指導客戶調整鑄造壓力與冷卻速率,最終批次產品缺陷率降低 70%,發(fā)動機缸體滲漏問題徹底解決,成品合格率大幅提升。 案例 2:消費電子 BGA 焊接失效分析 項目背景 某消費電子企業(yè)智能終端產品出現批次性功能故障,返修率居高不下,疑似 BGA 芯片焊接缺陷導致,傳統檢測手段無法在非拆解狀態(tài)下完成焊球缺陷識別。 檢測過程 通過工業(yè)CT檢測在不拆解產品的前提下,完成 BGA 陣列全部焊球的掃描成像,精準識別虛焊、連錫、焊盤異物與錫膏過量等缺陷,定位錫膏印刷與回流焊工藝的核心漏洞。 項目成果 指導客戶優(yōu)化回流焊溫度曲線與錫膏印刷工藝,產品最終良品率提升至 98%,順利通過終端品牌方的質量審核,批量交付周期大幅縮短。 結語 工業(yè)CT檢測技術已成為現代制造業(yè)精細化質量管控的核心工具,推動行業(yè)向智能化、高可靠性方向持續(xù)升級。 廣東省華南檢測技術有限公司始終以技術為核心,以客戶需求為導向,持續(xù)升級檢測能力,為全國制造業(yè)企業(yè)提供高效、精準、權威的工業(yè)CT檢測服務。 如需了解更多技術細節(jié)或預約檢測服務,可訪問廣東省華南檢測技術有限公司官網,或直接聯系我們的專業(yè)技術團隊。
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鑄造工藝流程簡介
發(fā)動機類鑄件生產屬于專業(yè)化流水生產,產品結構較復雜,鑄造難度也較大,加上生產工序繁多對工藝裝備要求較高,尤其是發(fā)動機缸體或缸蓋,不僅需要高度精確的尺寸,而且還需要復雜的內外形結構。要求缸體的缸套及活塞環(huán)具有較高的耐磨性及穩(wěn)定性,對排氣管則要求有較好的耐熱性。 在很大程度上,汽車發(fā)動機缸體的鑄造水平可反映出一個國家機械產品的質量。 鑄造工藝流程 液體金屬→充型→凝固收縮→鑄件 工藝特點 1. 可生產形狀任意復雜的制件,特別是內腔形狀復雜的制件。 2. 適應性強,合金種類不受限制,鑄件大小幾乎不受限制。 3. 材料來源廣,廢品可重熔,設備投資低。 4. 廢品率高、表面質量較低、勞動條件差。 鑄造分類 發(fā)動機鑄造多為砂型鑄造,我們就詳細介紹一下這種工藝: 砂型鑄造:在砂型中生產鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。 工藝流程: 砂型鑄造工藝流程 技術特點: 1、適合于制成形狀復雜,特別是具有復雜內腔的毛坯; 2、適應性廣,成本低; 3、對于某些塑性很差的材料,如鑄鐵等,砂型鑄造是制造其零件或,毛坯的唯一的成形工藝。 應用:汽車的發(fā)動機氣缸體、氣缸蓋、曲軸等鑄件 來源:金屬加工整理
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發(fā)動機缸體缸蓋的快速形狀及拓撲優(yōu)化
背景 客戶是一家北美領先的汽車制造商 客戶希望能在氣缸蓋和缸體上嘗試做減重修改。該項目的交付期限很短,客戶希望在性能目標達到的前提下,從各個部件中實現合理的減重目標。此外,客戶希望同時進行形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化,以提高材料利用率。同時,可以針對缸體上的筋作進一步優(yōu)化設計和拓撲優(yōu)化,實現動力總成的剛度和彎曲模態(tài)的優(yōu)化方案。 解決方案 由于時間至關重要,DEP團隊采用了“極簡設計方法”應用于該項目。極簡設計方法包括將設計更改盡可能減少,同時需要驗證工藝制造可行性。 形狀優(yōu)化: 形狀優(yōu)化包括以下步驟: 對初始輸入模型進行NVH,疲勞分析; 利用Meshworks建立參數化模型,獲取最優(yōu)的重量以及和初始方案一致的性能; 經過和制造團隊的討論,得到可行的設計修改空間;例如,合理的壁厚,翻邊厚度,筋的厚度,凸臺高度等; 將參數化的變量值修改為合理范圍,以達到所有的目標值; 所有的分析如下: 缸體疲勞分析; 缸孔變形分析; NVH分析 – 動力總成彎曲模態(tài),偏移,以及附件加速度和噪聲分析。 拓撲優(yōu)化 用MeshWorks快捷的在缸體上直接增加筋或刪除筋,以及創(chuàng)建包絡拓撲空間 CAD-Morpher 可以依據網格的變形結果,將原始CAD數據進行100%的變形,這個結果是可以直接導出為CAD軟件可識別的格式,例如parasolid格式。 結果 重量降低10%,同時各項性能指標全部滿足設計要求。
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起動機運轉但發(fā)動機無法起動的故障診斷
如果起動機運轉但發(fā)動機無法起動,故障部位可能會在發(fā)動機控制(傳感器、執(zhí)行器、控制單元)系統里,也可以圍繞起動時對混合氣的要求,即進排氣、噴油(油量和正時)、點火(能量和正時)三方面著手進行分析。 分析時,可采用尾氣分析的方法確定氣缸內是否有混合氣,是否發(fā)生了燃燒。通過真空壓力表測量發(fā)動機進氣岐管真空度或排氣管背壓確定進排氣系統是否存在故障。 (1)點火系統故障分析 對于邁騰汽車而言,只要一個氣缸混合氣可以燃燒,發(fā)動機就會有著車的跡象或者至少有燃燒跡象。發(fā)動機無法起動的故障,一般為所有氣缸不工作所致。 結合點火線圈電路圖可知,每個點火線圈都有兩根接地線,這些接地線最終匯總到一起連接到發(fā)動機缸體的接地點上。如果這個接地點或線路出現故障,則會造成所有點火線圈均無法工作,因此點火線圈公用接地異常也是造成發(fā)動機無法起動的一個原因。 點火線圈的主電源來自部件供電繼電器J757,而J757的控制線圈通過SB5熔絲來自于J271主繼電器。 由于所有點火線圈同時損壞的概率很小,往往故障都是由共性事件造成,因此可圍繞點火線圈供電異常進行分析,具體可能故障原因有: 1)SB16(20A)熔絲及供電線路故障。 2)部件供電繼電器J757及相關線路故障。 3)SB5(10A)熔絲及供電線路故障。 4)點火線圈自身故障(此概率很小)。 (2)燃油泵控制系統的故障分析 結合電路圖可看出,在電源和接地線路正常的情況下,燃油泵控制單元接收發(fā)動機控制單元指令,給燃油泵提供驅動電流,使燃油泵開始運轉泵油。
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