汽车燃气电控系统测试台设计

陈 慧

(无锡职业技术学院 电子与信息技术学院， 江苏 无锡 214121)

由于世界石油资源的紧缺(据估计，按目前的消耗速度，不到2035年，地球石油资源将被消耗殆尽)以及各国环保意识的增强和法规的不断健全，近些年来，作为优质、清洁和价廉的汽车燃料——压缩天然气(CNG)正逐步在发达国家得到广泛应用，从而推动了开发压缩天然气汽车(CNGV)的快速发展.以天然气(NG)为能源取代汽油、柴油燃料的天然气汽车(NGV)，自20世纪以来在世界范围得到了普遍发展.

天然气除了资源丰富之外，它还是一种优良的绿色环保汽车燃料.同时，天然气汽车的燃料消耗成本较低，通常比燃油汽车节省燃料费50%左右.除此之外，通过加大供气基础设施的建设和随车贮气装置的改善，天然气汽车的运行能力也不断提高.社会普遍认为，天然气汽车是目前最具有推广价值的低污染、低消耗的汽车.可以说，21世纪是天然气汽车工业发展的一个重要方向，是天然气汽车的新世纪.

如今国内的燃气汽车主要分布在一些比较发达的城市，而且它们几乎不是真正的燃气汽车.因为原车的本身是以汽油作为动力燃料，烧天然气是在原车的基础上进行改装，使其可以烧天然气，让天然气代替汽油减少费用.改装过后的汽车以天然气为燃料能正常地运行，则必须要有符合烧天然气的一套电喷系统，该电喷系统包括ECU(Electronic control unit)、OBD(On-borad diagnostic)、油气切换开关(简称开关)[1],电喷系统合理地控制发动机使其正常运行,其中油气切换开关可以随意地在汽油和天然气之间切换.表面上看这样的做法天衣无缝，其实在这电喷系统中隐藏着一个非常重要的问题.当烧天然气时，汽油的ECU根本就不知道此时的发动机用的是天然气.虽然燃气ECU是此时的主控器，但传感器信号是用汽油的ECU 所采集到的信号，说明汽油ECU是工作的，只是喷油器被关闭，燃气ECU控制喷气阀在喷气.天然气是气体，汽油是液体，两种燃料的物理状态不同，当用天然气时，发动机扭矩和输出功率都会下降.而汽油ECU检测到这一状况时，当次数超过设定的值时，汽油ECU就会启动故障灯，报告驾驶员汽车出现故障.当然这不是真正的故障，而是人为所致，所以燃气ECU的OBD就要负责把故障灯的变量不断地清零.但是这样不断地清零操作会引发一个问题：当真正的故障来了时，故障灯也不会亮了.

为了避免上述问题出现，保障汽车发动机与驾驶员的安全，设计了汽车燃气电控系统测试台.

1 总体方案设计

1.1 测试台功能分析

燃气电控系统中包括ECU、OBD仿真器和切换开关3个电子控制器.因此，燃气电控系统测试台要对这3个电子器件进行同时测试，并将燃气电控系统输出的信号进行监测并显示，根据显示的参数判断燃气电控系统的好坏.测试台为了测试ECU，则必须有汽油ECU的各种传感器信号，还有汽油ECU喷油信号、点火信号、点火开关信号(即点火钥匙).在测试OBD方面，测试台必须有OBD诊断通讯协议及OBD的通讯线K线、CAN总线、J1850[1].测试台在测试开关方面，只作简单的气量显示测试(因为测试台显示器上没有扩展触摸屏).测试台必须完成ECU、OBD、开关所包含信号的测量，具体关系如图1所示.

图1 测试台输入输出信号

点火开关模拟点火钥匙信号，面板采用0～12 V开关直接模拟，开关打在12 V上，相当于驾驶员发动汽车，测试台要把相应的信号传给ECU.而开关打在0 V上，相当于驾驶员将汽车熄火，关闭发动机；点火信号模拟点火线圈初级信号，采用电阻式负载模拟初级线圈，只模拟一缸点火信号，点火信号相当于汽车发动机的火花塞充电，以致火花塞能够产生电弧起到点燃燃料的作用；喷油信号模拟喷油器信号，包括8缸8路信号，喷油信号采用电阻式负载模拟喷油器，输入到燃气ECU的信号数由面板选择开关选择的缸数确定，如选择4缸，则只输出1～4个喷油信号.喷油信号产生是根据节气门开度(俗称油门)计算出来的喷油时间；气量信号通过面板上的气量传感器类型选择开关，选择霍尔式气量传感器信号和电阻式气量传感器信号，霍尔式可选择12 V输出和0～5 V电压输出；电阻式输出可以选择多种电阻范围，包括90 Ω～50 kΩ范围，同时可以选择为正电压系数或负电压系数，目前阶段暂时选择一种阻值模拟；气量信号反应气瓶中剩余的天然气，让驾驶人员知道气瓶中的余量，以便及时进行加气；减压器温度信号、燃气温度信号采用线性电阻模拟，模拟电阻范围0～1 kΩ，燃气温度信号反应气瓶中天然气的温度.减压器的主要作用是将气瓶中的天然气输出压力达到合理范围，燃气压力和进气压力信号采用电压式电路模拟，输出电压范围0～5 V；电磁阀信号用来模拟燃气系统的电磁阀工作，采用一个继电器模拟，电磁阀主要作用是控制燃气的打开和关闭，在切换成燃气时，必须打开电磁阀才能进行喷气，使天然气燃烧；喷气信号是ECU根据喷油信号换算出来的喷气时间信号，它的大小直接控制喷气阀打开的时间.目前测试台上暂时采用实物喷轨.氧传感器信号类型通过面板上的“氧传感器信号选择”开关选择为开关型或线性氧传感器类型.对于开关型氧传感器又可以通过面板开关“氧传感器信号输出模式选择”开关选择为直接输出0～1 V手动调节信号或输出开关型信号.

测试台具备模拟KWP2000、J1850、ISO-15765这3种协议的能力，以测试OBD通讯功能.测试台监测OBD与ECU之间的通讯信号，判断通讯状态(暂时保留).测试台监测开关与ECU之间的通讯，判断开关切换功能和气量指示是否正确.开关与ECU之间有三根信号线：气量、切换状态、切换按钮.测试台将实时监测这3个信号，以便正确地显示气量信息、燃料信号和开关切换的状态.

1.2 各控制信号实施方式

为了在测试时方便对各个输出信号进行手动操作，需要将信号进行分类.分类的依据是信号的类型.连续模拟信号用旋钮进行操作，开关信号用二挡、三挡、多挡开关进行操作.

1.3 测试台的结构和主要模块

图2是测试台的系统框图，框图中包含了测试台的结构和主要模块.在测试系统中，测试台要为燃气电喷系统供电.电喷系统供电方式为DC12 V.所以测试台要在内部产生12 V稳定直流电源，电流要在5 A以上.为了进行对燃气系统的供电电压波动测试，测试台给燃气系统提供的12 V电源可以通过外接稳压可调电源.为观察当前的燃气系统电负荷状态，测试台需具备显示供给燃气系统12 V电源的电压值和电流值，因此，电路设计要有电压监视和电流监视功能，电压监视和电流监视的采样值输入到单片机模块.

图2 测试台系统框图

测试台输入到燃气系统的开关信号，采用手动开关.测试台输入到燃气系统的模拟量信号通过旋钮实现.测试台的喷油信号采用电路模拟，点火信号也采用电路模拟，这些模拟电路的电压与供给燃气系统的12 V电源一致.

测试台采用8英寸夏普彩色液晶屏显示测试信息，保留CAN输出，以备后续增加上位机功能.测试台与燃气系统的连接采用引出线束方式.测试台采集ECU与OBD之间的通讯信号，用于测试它们之间的通讯状态；采集切换开关与ECU之间的通讯信号用于测试它们之间的通讯状态；测试台模拟汽油ECU的三种通讯协议，与OBD通讯，测试OBD功能.

2 软件设计

ECU测试是要调节测试台上的各种模拟信号，观察测试台显示值与标定电脑(标定电脑是一种将ECU内部标定数据读出并进行显示的计算机)上显示值的差异；调节各种模拟信号时，标定电脑上是否会出现报错等故障.OBD仿真器测试是选择测试台上的各种协议，观察测试台上监测到ECU与OBD的通讯状态、OBD协议通讯状态.开关测试是调节气量，观察测试台上检测到的开关与ECU通讯状态及标定电脑上显示的气量是否正确，切换按钮是否有效.

基于上述测试方法和硬件功能设计，软件设计必须具备信号采集、信号监测、通讯、显示功能.信号采集是采集各种信号，包括模拟信号(模拟量和开关量)、12 V电源状态与各种选择状态(选择开关选择的状态)等信号.信号监测是监测ECU与开关之间的通讯信号，监测ECU与OBD之间的通讯信号.通讯是实现与OBD之间的三种通讯协议，模拟汽油ECU诊断接口.显示主要是显示信号状态、变量值、选择状态等.

系统主程序流程如图3所示.

图3 主程序流程图

图4 液晶面板上各参数显示

3 软硬件系统的调试

第一步测试12 V电源和地之间是否出现了短路，第二步上电调试.使用的工具是数字万用表和数字示波器.下载程序到目标板上，上电让系统运行起来.用示波器测试各模块输出的信号是否符合设计的要求.

在调试正弦波时，用示波器观察集成电路LM356-N的输出端六号引脚时有正弦波出现.最大电压只有0.8 V，符合氧传感器信号的幅值要求.

装上燃气ECU，调节TPS(节气门开度)进气压力、发动机转速、减压阀温度、燃气压力、燃气温度等参数使之到合理范围.旋动气量旋钮，对照切换开关的气量指示灯和液晶面板的气量指示灯是否一致. 调试各个参数，将液晶面板上的显示(见图4)与标定电脑进行比对.调试结果验证了本设计的测试系统的可行性.

4 结论

针对改装后的天然气汽车的电喷系统出现的问题，通过分析燃气电控系统的ECU、OBD仿真器和切换开关3个电子控制器的工作原理，设计了汽车燃气电控系统的测试台，并对软硬件进行调试，调试结果验证了本设计系统的可行性.此测试台测试燃气ECU可以在实验室完成，代替实车测试，从而提高测试效率，节省人力、财力.

参考文献：

[1] 吴文琳. 汽车传感器识别与检修精华[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[2] 王建海,方茂东,高继东,等.汽油车车载诊断系统(OBD)基本原理及其应用[J].汽车工程，2006(5)：491-494.

[3] 王加升. 汽车发动机电控技术[M]. 北京：北京理工大学出版社, 2010.

[4] 朱会田，吴政清，王远. 汽车电控与新型装置维修技术[M]. 北京：金盾出版社, 2010.

[5] 吴基安，吴洋. 新能源汽车知识读本[M]. 北京：人民邮电出版社, 2009.

[6] EHSANI M. 现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池车的基本原理、理论和设计[M]. 倪光正，倪培宏，熊素铭,译.北京：机械工业出版社, 2008.