CNG/汽油雙燃料汽車(chē)仿真控制器的研究與應(yīng)用

吳 敏

（重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，涪陵 408000）

0 引言

天然氣在我國(guó)蘊(yùn)藏豐富，其主要成份是甲烷，天燃?xì)馄?chē)是目前世界上公認(rèn)的高節(jié)能、低污染、經(jīng)濟(jì)、安全的新型代用燃料汽車(chē)，隨著國(guó)家日益重視環(huán)境保護(hù)，在油價(jià)日益高漲的背景下，天然氣汽車(chē)在我國(guó)成都、重慶、北京、上海、山東、新疆等地正如火如荼地得到推廣和發(fā)展，很多原來(lái)燒油的私家車(chē)也紛紛改裝為CNG/汽油雙燃料汽車(chē)，但是，汽車(chē)油改氣后會(huì)出現(xiàn)故障指示燈告警、回火放炮、燃油時(shí)加速無(wú)力等問(wèn)題，這些問(wèn)題已經(jīng)成為發(fā)展、推廣天然氣汽車(chē)的一種瓶頸。

1 目前汽車(chē)油改氣后所存在的問(wèn)題及原因分析

1.1 油氣混燒

傳統(tǒng)的化油器車(chē)改氣都是采用油氣切換開(kāi)關(guān)，切斷在燒氣時(shí)油泵線路，停止油泵繼續(xù)泵油。而現(xiàn)在的車(chē)都屬于微電腦控制，電噴車(chē)的油改氣，為了保證每次的順利的起動(dòng)以及防止噴油嘴長(zhǎng)期不用而堵塞，每次啟動(dòng)時(shí)都要求用油啟動(dòng)，然后轉(zhuǎn)為燒氣運(yùn)行，于是在每次油泵啟動(dòng)和切斷的過(guò)程中，都會(huì)在油泵和噴油嘴之間的管路中存余有近2L的汽油隨氣一起燃燒，這樣就沒(méi)有徹底地杜絕油氣混燒，而且每天啟動(dòng)的次數(shù)越多，耗掉的汽油也就越多，這正是電噴車(chē)油改氣后汽油莫名其妙減少的根本原因。

1.2 燒氣時(shí)回火放炮

汽車(chē)燒氣氣在切斷油泵電路時(shí)，用普通的開(kāi)關(guān)單一地切斷噴油嘴電路，原車(chē)電腦不能檢測(cè)到噴油嘴信號(hào)的存在，就會(huì)進(jìn)入到故障模式，燒氣時(shí)便會(huì)出現(xiàn)回火放炮現(xiàn)象。

1.3 燒油時(shí)怠速不穩(wěn)、供油不暢、加速無(wú)力、行駛中“頓車(chē)”

由于燃?xì)鈺r(shí)原車(chē)氧傳感器檢查、發(fā)送的信號(hào)與燒油時(shí)也有所不同，原車(chē)的ECU自學(xué)習(xí)功能將記憶下使用CNG時(shí)的狀態(tài)，默認(rèn)燒氣為正常狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換到使用汽油時(shí)，原車(chē)ECU反而認(rèn)為燒油是一個(gè)故障而進(jìn)入故障模式，將會(huì)影響汽油的控制過(guò)程，從而嚴(yán)重影響汽油的工作過(guò)程，主要表現(xiàn)為燒油時(shí)怠速不穩(wěn)、供油不暢、加速無(wú)力、行駛中車(chē)輛“頓車(chē)”等現(xiàn)象，同時(shí)儀表盤(pán)上故障指示燈告警。最終導(dǎo)致使車(chē)輛在燃燒一段時(shí)間的天然氣后重新燒油時(shí)油耗大幅度上升或根本就無(wú)法正常運(yùn)行，雙燃料汽車(chē)變成只能燒氣不能燒油的單燃料汽車(chē)，制約了雙燃料汽效能的充分發(fā)揮，這種缺陷的存在使得廣大用戶(hù)苦不堪言，有的用戶(hù)甚至為此拆掉了燃?xì)庋b置，徹底放棄燃用天然氣，造成了改裝投資的浪費(fèi)。

2 所研究的仿真控制器應(yīng)具備的功效及作用

為避免對(duì)燃油系統(tǒng)的影響，有必要研制一種仿真控制器來(lái)解決這種干擾的問(wèn)題。這種仿真控制器應(yīng)具備以下功效及作用：

1）燒氣時(shí)既能能切斷噴油嘴電路，又能讓原車(chē)電腦能檢測(cè)到噴油嘴信號(hào)的存在，向原車(chē)ECU發(fā)送一個(gè)噴油嘴電路仍在工作的虛擬信號(hào)，避免進(jìn)入故障模式。

2）模擬一個(gè)與燃油相同的氧傳感器仿真信號(hào)，使原車(chē)汽油ECU感知燃?xì)鈺r(shí)與燃油相同，從而提供正常的點(diǎn)火管理控制功能。

它能兼顧燃油、燃?xì)鈨煞N條件，以保證雙燃料汽車(chē)在油、氣狀態(tài)下都能正常工作。

3 仿真器控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，仿真控制器共由噴油嘴仿真電路、氧傳感器仿真電路和插座CZ三部分組成。

3.1 噴油嘴仿真電路的組成及工作原理

如圖1所示為四個(gè)氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)用的仿真器。圖中功率電阻R有4個(gè)，插座CZ上的原車(chē)電腦信號(hào)腳、噴嘴連接腳有4對(duì)，繼電器K有2個(gè)（即K1和K2），動(dòng)接點(diǎn)和常閉接點(diǎn)組合共4組，第一輔助功率電阻R1、第二輔助功率電阻R2各4個(gè)，第一按鍵開(kāi)關(guān)S1有4個(gè)（即S1-1、S1-2、S1-3、S1-4），第二按鍵開(kāi)關(guān)S2也有4個(gè)（即S2-1、S2-2、S2-3、S2-4）。

仿真器與油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及原車(chē)控制電腦配合使用。仿真器中的插座CZ的第①腳通過(guò)氣閥與電源相接，第②腳接地，第③腳與原車(chē)電腦的信號(hào)輸入端相接、第④腳與噴油嘴相接。當(dāng)油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到天然氣工作狀態(tài)時(shí)，氣閥打開(kāi)，第①腳與電源接通，繼電器K吸合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，噴油嘴由于串接了功率電阻R，驅(qū)動(dòng)電壓下降，不能開(kāi)啟。噴油嘴不工作但電路仍保持暢通，原車(chē)電腦仍能檢測(cè)到噴油嘴信號(hào)，判斷為噴油嘴工作正常。保證了原車(chē)電腦正常運(yùn)行。當(dāng)油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到工作于汽油狀態(tài)時(shí)，氣閥關(guān)閉，第①腳與電源斷開(kāi)，繼電器K釋放，常閉觸點(diǎn)閉合，功率電阻R被短接，噴油嘴正常工作。對(duì)于不同的車(chē)型，噴油嘴的信號(hào)參數(shù)不同，可以通過(guò)調(diào)節(jié)第一按鍵開(kāi)關(guān)S1和第二按鍵開(kāi)關(guān)S2的通、斷改變組合后電阻的阻值，從而適應(yīng)原車(chē)電腦對(duì)噴油嘴信號(hào)的要求。第一輔助功率電阻R1和第二輔助功率電阻R2的阻值可以與功率電阻R相同，也可以不同。三個(gè)電阻的并聯(lián)組合可以得到四種不同的電阻值。如果再增加并聯(lián)電阻和按鍵開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)，可以得到更多的可供選擇的噴嘴參數(shù)。圖中⑤-⑥、⑦-⑧、⑨-⑩的作用及接線與③-④相同。

3.2 氧傳感器仿真電路的組成及工作原理

仿真器包括一個(gè)產(chǎn)生周期性振蕩信號(hào)的氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器4、第三繼電器K3、第一單刀開(kāi)關(guān)S3和第二單刀開(kāi)關(guān)S4。插座CZ上有一氧傳感器信號(hào)輸入腳?和氧傳感器信號(hào)輸出腳?，氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器4的電源端與插座CZ的第①腳相連，氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器4的輸出端通過(guò)第一單刀開(kāi)關(guān)S3與第三繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)5相接，第三繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)5還通過(guò)第二單刀開(kāi)關(guān)S4與地相接。插座CZ上的氧傳感器信號(hào)輸入腳?與第三繼電器的常閉接點(diǎn)6相接，氧傳感器信號(hào)輸出腳?與第三繼電器的動(dòng)接點(diǎn)7相接。仿真器使用時(shí)，將插座CZ上的氧傳感器信號(hào)輸入腳?與氧傳感器相接，氧傳感器信號(hào)輸出腳?與原車(chē)電腦的氧傳感器信號(hào)輸入端相接。當(dāng)油/氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到天然氣工作狀態(tài)時(shí)，第三繼電器K3也得電吸合，氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器4產(chǎn)生一個(gè)周期性振蕩信號(hào)模擬氧傳感器信號(hào)，通過(guò)氧傳感器信號(hào)輸出腳?送給原車(chē)電腦。第一單刀開(kāi)關(guān)S3和第二單刀開(kāi)關(guān)S4是用來(lái)改變氧傳感器信號(hào)輸出腳?輸出的信號(hào)時(shí)周期性振蕩信號(hào)、接地或開(kāi)路，以適應(yīng)不同車(chē)型的需要。

上述氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器可以采用常用的周期振蕩電路。圖中的氧傳感器仿真信號(hào)發(fā)生器4為一個(gè)方波發(fā)生器，由兩個(gè)運(yùn)算放大器U3、U4，充電電阻RP2、充電電容C4和電阻R8、R9、R10、R11等組成。此方波發(fā)生器的工作原理如下：當(dāng)電源接通后，充電電容C4通過(guò)充電電阻RP2充電。此時(shí)U3的兩個(gè)輸入端的電壓V3＞V2，U3輸出端為高電位，U4的兩輸入端V5＜V6，U4輸出端為低電位。當(dāng)C4上的電壓升高到V3＜V2時(shí)，U3輸出端轉(zhuǎn)為低電位，V5＜V6，U4輸出端轉(zhuǎn)為高電位。C4通過(guò)RP2放電，放電到一定時(shí)間，又轉(zhuǎn)為V3＞V2，U3輸出端又轉(zhuǎn)為高電位，U4的兩端入端V5＜V6，U4輸出端轉(zhuǎn)為低電位。如此循環(huán)不已，即得到一個(gè)方波振蕩信號(hào)。

4 仿真控制器的安裝與調(diào)試

4.1 安裝注意事項(xiàng)

1）確認(rèn)信號(hào)仿真控制器的線束與需要改裝的車(chē)型一致。

2）安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離雨水潮濕處及高溫處。

3）應(yīng)遠(yuǎn)離點(diǎn)火高壓線，并保持良好的絕緣。

4.2 接線

圖1 仿真器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

仿真控制器的接線分為三束，一束為接到噴嘴的線束（圖1中的③-④、⑤-⑥、⑦-⑧、⑨-⑩），一束為接到氧傳感器的線束（圖1中的?-?），一束為電源線束（圖1中的①-②），具體安裝步驟如下：

1）將原車(chē)的噴嘴線束從噴嘴撥下，插到仿真控制器線束相應(yīng)的接播件上，仿真器控制線束上的另外一個(gè)接插件插到噴嘴上。

2）先將氧傳感器信號(hào)輸出線剪斷，白色線（即圖1中?）與氧傳感器相接，黃色線（即圖1中?）與原車(chē)電腦的氧傳感器信號(hào)輸入端相接，（注意：為了方便更換氧傳感器，通常在氧傳感器插頭后做剪斷處理）。

3）電源線束中，藍(lán)色線（即圖1中①）接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的氣態(tài)輸出端，黑色線（即圖1中②）接電源負(fù)極（搭鐵）。

4.3 開(kāi)關(guān)設(shè)定

仿真器上有二個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)（S3和S4），具體設(shè)置方法如表1所示。

表1 仿真器輸出信號(hào)設(shè)置方法

4.4 車(chē)輛氧傳感器信號(hào)輸出線的判定

先找到氧傳感器，一般氧傳感器具有四根線，其中只有一根為氧傳傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的信號(hào)連接線，將萬(wàn)用表打至直流電壓檔，量程選2.5 V檔，將萬(wàn)用表紅表筆接到氧傳感器插頭中的任一根線，黑表筆搭鐵，在燒油狀態(tài)下,氧傳感器信號(hào)線向發(fā)動(dòng)機(jī)ECU輸出的直流電壓應(yīng)在0～1V之間波動(dòng)，每10s約7次左右，否則就是另外三根線，依次判定，直到找出為止。

4.5 車(chē)輛氧傳感器測(cè)量中的注意事項(xiàng)

測(cè)量氧傳感器要用高內(nèi)阻的電壓表，以防測(cè)試時(shí)損壞氧傳感器，另外電壓表量程以直流2V為宜，電壓表要用指針式的，便于觀察。

4.6 仿真器控制器信號(hào)頻率的調(diào)整方法

在燒氣模式下，用直流電壓表測(cè)量仿真器控制器與原車(chē)ECU連接端的對(duì)地電壓，輸出電壓應(yīng)在0.2～0.8 V之間波動(dòng)，調(diào)整仿真器控制器的電位器，直到仿真信號(hào)在0.2～0.8 V之間的波動(dòng)頻率與燒油時(shí)相同為止，即仍為每10s約7次左右。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前天然氣汽車(chē)改裝后所出現(xiàn)的不足，重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目組對(duì)CNG/汽油雙燃料汽車(chē)的仿真控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，并進(jìn)行了多次臺(tái)架試驗(yàn)及道路裝車(chē)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案合理可行。

[1]邵毅明.壓縮天然氣汽車(chē)改裝與維修[M].北京: 人民交通出版社, 2004.

[2]阮登芳,鄧兆祥.恢復(fù)改裝天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的措施[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,(5).