CNG/汽油雙燃料汽車仿真控制器的研究與應用

吳 敏

（重慶工貿職業技術學院 信息工程系，涪陵 408000）

0 引言

天然氣在我國蘊藏豐富，其主要成份是甲烷，天燃氣汽車是目前世界上公認的高節能、低污染、經濟、安全的新型代用燃料汽車，隨著國家日益重視環境保護，在油價日益高漲的背景下，天然氣汽車在我國成都、重慶、北京、上海、山東、新疆等地正如火如荼地得到推廣和發展，很多原來燒油的私家車也紛紛改裝為CNG/汽油雙燃料汽車，但是，汽車油改氣后會出現故障指示燈告警、回火放炮、燃油時加速無力等問題，這些問題已經成為發展、推廣天然氣汽車的一種瓶頸。

1 目前汽車油改氣后所存在的問題及原因分析

1.1 油氣混燒

傳統的化油器車改氣都是采用油氣切換開關，切斷在燒氣時油泵線路，停止油泵繼續泵油。而現在的車都屬于微電腦控制，電噴車的油改氣，為了保證每次的順利的起動以及防止噴油嘴長期不用而堵塞，每次啟動時都要求用油啟動，然后轉為燒氣運行，于是在每次油泵啟動和切斷的過程中，都會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，這樣就沒有徹底地杜絕油氣混燒，而且每天啟動的次數越多，耗掉的汽油也就越多，這正是電噴車油改氣后汽油莫名其妙減少的根本原因。

1.2 燒氣時回火放炮

汽車燒氣氣在切斷油泵電路時，用普通的開關單一地切斷噴油嘴電路，原車電腦不能檢測到噴油嘴信號的存在，就會進入到故障模式，燒氣時便會出現回火放炮現象。

1.3 燒油時怠速不穩、供油不暢、加速無力、行駛中“頓車”

由于燃氣時原車氧傳感器檢查、發送的信號與燒油時也有所不同，原車的ECU自學習功能將記憶下使用CNG時的狀態，默認燒氣為正常狀態。在轉換到使用汽油時，原車ECU反而認為燒油是一個故障而進入故障模式，將會影響汽油的控制過程，從而嚴重影響汽油的工作過程，主要表現為燒油時怠速不穩、供油不暢、加速無力、行駛中車輛“頓車”等現象，同時儀表盤上故障指示燈告警。最終導致使車輛在燃燒一段時間的天然氣后重新燒油時油耗大幅度上升或根本就無法正常運行，雙燃料汽車變成只能燒氣不能燒油的單燃料汽車，制約了雙燃料汽效能的充分發揮，這種缺陷的存在使得廣大用戶苦不堪言，有的用戶甚至為此拆掉了燃氣裝置，徹底放棄燃用天然氣，造成了改裝投資的浪費。

2 所研究的仿真控制器應具備的功效及作用

為避免對燃油系統的影響，有必要研制一種仿真控制器來解決這種干擾的問題。這種仿真控制器應具備以下功效及作用：

1）燒氣時既能能切斷噴油嘴電路，又能讓原車電腦能檢測到噴油嘴信號的存在，向原車ECU發送一個噴油嘴電路仍在工作的虛擬信號，避免進入故障模式。

2）模擬一個與燃油相同的氧傳感器仿真信號，使原車汽油ECU感知燃氣時與燃油相同，從而提供正常的點火管理控制功能。

它能兼顧燃油、燃氣兩種條件，以保證雙燃料汽車在油、氣狀態下都能正常工作。

3 仿真器控制器的結構及工作原理

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所示為四個氣缸的發動機用的仿真器。圖中功率電阻R有4個，插座CZ上的原車電腦信號腳、噴嘴連接腳有4對，繼電器K有2個（即K1和K2），動接點和常閉接點組合共4組，第一輔助功率電阻R1、第二輔助功率電阻R2各4個，第一按鍵開關S1有4個（即S1-1、S1-2、S1-3、S1-4），第二按鍵開關S2也有4個（即S2-1、S2-2、S2-3、S2-4）。

仿真器與油/氣轉換開關及原車控制電腦配合使用。仿真器中的插座CZ的第①腳通過氣閥與電源相接，第②腳接地，第③腳與原車電腦的信號輸入端相接、第④腳與噴油嘴相接。當油/氣轉換開關切換到天然氣工作狀態時，氣閥打開，第①腳與電源接通，繼電器K吸合，常閉觸點斷開，噴油嘴由于串接了功率電阻R，驅動電壓下降，不能開啟。噴油嘴不工作但電路仍保持暢通，原車電腦仍能檢測到噴油嘴信號，判斷為噴油嘴工作正常。保證了原車電腦正常運行。當油/氣轉換開關切換到工作于汽油狀態時，氣閥關閉，第①腳與電源斷開，繼電器K釋放，常閉觸點閉合，功率電阻R被短接，噴油嘴正常工作。對于不同的車型，噴油嘴的信號參數不同，可以通過調節第一按鍵開關S1和第二按鍵開關S2的通、斷改變組合后電阻的阻值，從而適應原車電腦對噴油嘴信號的要求。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。三個電阻的并聯組合可以得到四種不同的電阻值。如果再增加并聯電阻和按鍵開關個數，可以得到更多的可供選擇的噴嘴參數。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

仿真器包括一個產生周期性振蕩信號的氧傳感器仿真信號發生器4、第三繼電器K3、第一單刀開關S3和第二單刀開關S4。插座CZ上有一氧傳感器信號輸入腳?和氧傳感器信號輸出腳?，氧傳感器仿真信號發生器4的電源端與插座CZ的第①腳相連，氧傳感器仿真信號發生器4的輸出端通過第一單刀開關S3與第三繼電器的常開接點5相接，第三繼電器的常開接點5還通過第二單刀開關S4與地相接。插座CZ上的氧傳感器信號輸入腳?與第三繼電器的常閉接點6相接，氧傳感器信號輸出腳?與第三繼電器的動接點7相接。仿真器使用時，將插座CZ上的氧傳感器信號輸入腳?與氧傳感器相接，氧傳感器信號輸出腳?與原車電腦的氧傳感器信號輸入端相接。當油/氣轉換開關切換到天然氣工作狀態時，第三繼電器K3也得電吸合，氧傳感器仿真信號發生器4產生一個周期性振蕩信號模擬氧傳感器信號，通過氧傳感器信號輸出腳?送給原車電腦。第一單刀開關S3和第二單刀開關S4是用來改變氧傳感器信號輸出腳?輸出的信號時周期性振蕩信號、接地或開路，以適應不同車型的需要。

上述氧傳感器仿真信號發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發生器4為一個方波發生器，由兩個運算放大器U3、U4，充電電阻RP2、充電電容C4和電阻R8、R9、R10、R11等組成。此方波發生器的工作原理如下：當電源接通后，充電電容C4通過充電電阻RP2充電。此時U3的兩個輸入端的電壓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C4上的電壓升高到V3＜V2時，U3輸出端轉為低電位，V5＜V6，U4輸出端轉為高電位。C4通過RP2放電，放電到一定時間，又轉為V3＞V2，U3輸出端又轉為高電位，U4的兩端入端V5＜V6，U4輸出端轉為低電位。如此循環不已，即得到一個方波振蕩信號。

4 仿真控制器的安裝與調試

4.1 安裝注意事項

1）確認信號仿真控制器的線束與需要改裝的車型一致。

2）安裝時應遠離雨水潮濕處及高溫處。

3）應遠離點火高壓線，并保持良好的絕緣。

4.2 接線

圖1 仿真器的結構及工作原理圖

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

2）先將氧傳感器信號輸出線剪斷，白色線（即圖1中?）與氧傳感器相接，黃色線（即圖1中?）與原車電腦的氧傳感器信號輸入端相接，（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，藍色線（即圖1中①）接到轉換開關的氣態輸出端，黑色線（即圖1中②）接電源負極（搭鐵）。

4.3 開關設定

仿真器上有二個微動開關（S3和S4），具體設置方法如表1所示。

表1 仿真器輸出信號設置方法

4.4 車輛氧傳感器信號輸出線的判定

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動機ECU的信號連接線，將萬用表打至直流電壓檔，量程選2.5 V檔，將萬用表紅表筆接到氧傳感器插頭中的任一根線，黑表筆搭鐵，在燒油狀態下,氧傳感器信號線向發動機ECU輸出的直流電壓應在0～1V之間波動，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 車輛氧傳感器測量中的注意事項

測量氧傳感器要用高內阻的電壓表，以防測試時損壞氧傳感器，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 仿真器控制器信號頻率的調整方法

在燒氣模式下，用直流電壓表測量仿真器控制器與原車ECU連接端的對地電壓，輸出電壓應在0.2～0.8 V之間波動，調整仿真器控制器的電位器，直到仿真信號在0.2～0.8 V之間的波動頻率與燒油時相同為止，即仍為每10s約7次左右。

5 結束語

針對目前天然氣汽車改裝后所出現的不足，重慶工貿職業技術學院項目組對CNG/汽油雙燃料汽車的仿真控制器進行了設計與仿真，并進行了多次臺架試驗及道路裝車試驗，實驗測試結果表明該設計方案合理可行。

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

[2]阮登芳,鄧兆祥.恢復改裝天然氣發動機動力性能的措施[J].重慶大學學報(自然科學版),2005,(5).