CN103835818A - 一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法 - Google Patents

一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法 Download PDF

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本发明公开了一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法，包括以下步骤：根据传感器的电气特性和应用条件确定采用传感器信号切换或传感器信号共用方式设计双ECU传感器采集电路，使传感器信号在不同ECU控制发动机时全部被相应ECU采集；根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法，设计执行器控制权切换电路；根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器；利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号简化执行器模拟器设计，将执行器模拟器加入执行器控制权切换电路，完成执行器控制权切换电路；汽油ECU向附加ECU切换，附加ECU触发执行器模拟器与汽油ECU连接。本发明方法在点火开关信号的辅助下对执行器模拟器进行简化，极大的减小了执行器模拟器的设计难度。

Description

一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法
技术领域
本发明涉及新能源汽车技术领域，特别是一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法。 
背景技术
   两用燃料切换方法是两用燃料技术的核心内容，直接影响两用燃料汽车的整车性能。目前两用燃料发动机控制方法可分为两种，即单ECU式两用燃料发动机控制方法和随动式两用燃料发动机控制方法。单ECU式两用燃料发动机控制方法可达到最佳的发动机控制效果，但开发过程复杂且应用风险大。在随动式控制方法中，附加（燃气ECU）与原机（汽油ECU）之间并不需要进行通信也不需要MAP里的数据共享，不必了解原车汽油ECU的源代码和具体的控制策略，附加ECU（燃气ECU）相当于一个翻译器，检测原车ECU的喷油脉宽信号，并转换成喷气脉宽。由于附加ECU不能获得发动机运转信息以及不能完全控制发动机的所有执行器，随动式控制方法达到最佳控制效果。此外，由于燃气燃料混合气的热值低、进气效率低、燃烧速度慢以及自燃温度较高等因素的影响，原汽油机燃用燃气时发动机的动力性和排放特性与燃用汽油时有较大的差异，从而导致原机ECU内部闭环控制参数的恶化。在独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换方法中，原机ECU和附加ECU独立控制目标发动机，既能够达到最佳控制效果，又能防止原机ECU内部闭环控制参数的恶化。随着发动机机故障诊断技术的日益完善，执行器模拟器的设计难度不断增加。本方法在点火开关信号的辅助下对执行器模拟器进行简化。迄今为止，国内还没有一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法。
研究独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换方法具有显著的意义：1）原车燃料状态下的控制系统仍沿用原型发动机控制系统，仅需开发附加燃料状态下的控制系统即可；
2）在点火开关信号的辅助下对执行器模拟器进行简化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中执行器模拟器的设计难度不断增加的缺陷，提供一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1）根据传感器的电气特性和应用条件确定采用传感器信号切换或传感器信号共用方式设计双ECU传感器采集电路，使传感器信号在不同ECU控制发动机时全部被相应ECU采集；
2）根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法，设计执行器控制权切换电路；
3）根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器；
4）利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号简化执行器模拟器设计，将执行器模拟器加入执行器控制权切换电路，完成执行器控制权切换电路；
5）由汽油ECU向附加ECU切换，汽油ECU失去执行器的同时，附加ECU触发执行器模拟器与汽油ECU连接。
按上述方案，步骤2）中根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法具体方法如下：
执行器的驱动方式为桥式驱动方式时，采用执行器切换控制方式设计执行器控制权切换电路；
执行器的驱动方式为低端开关驱动方式时，采用协同方式设计执行器控制权切换电路。
按上述方案，步骤3）中根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器具体方法如下：对采用基于电压的故障诊断方式的执行器，采用大阻值电阻作为执行器模拟器；对采用基于电流的故障诊断方式的执行器，采用与真实执行器的阻值相似的电阻作为执行器模拟器；
对采用基于感应电压的故障诊断方式的执行器，采用和负载特性接近的感性负载作为执行器模拟器。
按上述方案，步骤4）中利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号，采用大阻值电阻作为执行器模拟器简化执行器模拟器设计。
按上述方案，所述附加ECU为LPGECU或CNGECU。
本发明产生的有益效果是：
1）使用本发明方法原车燃料状态下的控制系统仍沿用原型发动机控制系统，不需要改动原型发动机控制系统，仅需开发附加燃料状态下的控制系统；在增加系统稳定性的同时，降低了开发难度；
2）本发明方法引入执行器模拟器解决切换过程中原机ECU故障诊断报错问题，在点火开关信号的辅助下对执行器模拟器进行简化，只需要执行器模拟器模拟电压信号，设计时采用大阻值电阻作为执行器模拟器，极大的减小了执行器模拟器的设计难度。
3）由于点火开关信号断开后汽油ECU也停止了喷油器喷油，则两用燃料发动机控制系统将不必在附加状态下采取其他措施停止喷油器的运行，可减小燃料切换执行模块的体积，并提高系统的稳定性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的曲轴位置及凸轮轴传感器信号输出电路示意图；
图3是本发明实施例的曲轴位置及凸轮轴位置传感器共用方式示意图；
图4是本发明实施例的温度传感器共用方式示意图；
图5是本发明实施例的节气门位置传感器共用方式示意图；
图6是本发明实施例的进气压力传感器共用方式示意图；
图7是本发明实施例的爆震传感器切换方式示意图；
图8是本发明实施例的氧传感器共用方式示意图；
图9是本发明实施例的EGR阀阀芯位置传感器信号分配方式示意图；
图10是本发明实施例的桥式驱动的执行器的切换控制示意图；
图11是本发明实施例的低端开关驱动的执行器的切换控制示意图；
图12是本发明实施例的ECU协同方式示意图；
图13是本发明实施例的点火线圈控制权切换电路示意图；
图14是本发明实施例的怠速阀控制权切换电路示意图；
图15是本发明实施例的部件控制权切换电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法，包括以下步骤：
1）根据传感器的电气特性和应用条件确定采用传感器信号切换或传感器信号共用方式设计双ECU传感器采集电路，使传感器信号在不同ECU控制发动机时全部被相应ECU采集；
本发明方法中，双ECU传感器采集电路采用传感器信号切换和传感器信号共用两种方式实现；优先使用传感器信号共用方式；
传感器信号共用方式将传感器信号同时被汽油ECU和附加ECU采集；
传感器信号切换即将传感器信号在汽油ECU和附加ECU之间利用继电器进行切换；
传感器信号切换方式下，获取传感器信号采集权的ECU在传感器切换后独占传感器，可以避免传感器信号受到其他ECU的干扰。
发动机上有如下传感器：霍尔效应式曲轴位置传感器、霍尔效应式凸轮轴位置传感器、节气门位置传感器、进气压力传感器、进气温度传感器、缸体温度传感器、空调盘温传感器、前氧传感器、后氧传感器和爆震传感器。另外还有一个特殊部件，EGR阀的阀芯位置传感器。
在上述传感器中，爆震传感器和EGR阀的阀芯位置传感器使用传感器信号切换方式设计双ECU传感器采集电路，其他传感器使用传感器信号共用方式设计双ECU传感器采集电路。
具体如下：
（1）霍尔效应式曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器
曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器均为开关型霍尔效应式传感器，这种传感器的信号输出电路如图2所示，
曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器采用信号共用方式。曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器都需要为传感器提供5V电源，在双ECU共用传感器信息时，仍利用原汽油ECU对传感器供电，附加ECU仅接入传感器信号线和信号地。如图3所示。
（2）温度传感器
温度传感器包括进气温度、缸体温度和空调盘温，这些传感器采用信号共用方式。温度传感器信号采样电路如图4所示。Rs为温度传感器，在汽油ECU中，精密电阻R1已和Rs串联于VCC与GND之间。所以附加ECU在采集温度信息时只需将温度传感器信息引入,不需在内部再次添加串联电阻。
（3）节气门位置传感器
由于汽油ECU已为节气门位置传感器供电，所以附加ECU只需将信号采入，而不用提供电源。在双ECU共用传感器信息时，节气门位置传感器采样电路如图5所示。
（4）进气压力传感器
进气压力传感器采用信号共用方式。汽油ECU已为传感器供电，所以附加ECU只需将信号采入，而不用提供电源。
在双ECU共用传感器信息时，进气压力传感器采样电路如图6所示。
（5）爆震传感器
爆震传感器为压电式传感器。由于压电传感器阻抗大，为避免附加ECU影响爆震传感器工作，爆震传感器采用切换方式。爆震传感器切换电路如图7所示。
（6）前氧传感器和后氧传感器
前氧传感器和后氧传感器内阻随温度增加而减小，常温时，氧传感器内阻很大，而在高温下传感器内阻较低。在发动机排气温度上升时，氧传感器内阻逐渐降低，在350℃时传感器内阻已远小于ECU采样通道的等效电阻。而在低温下，传感器内阻由于温度及个体不同将出现较大差异，此时以传感器信息对发动机控制无意义。故前氧传感器和后氧传感器可以采用双ECU共用的方式。如图8所示。
（7）EGR阀
对象发动机的EGR采用比例电磁铁式EGR阀，EGR阀阀芯由比例电磁铁驱动，而比例电磁铁的驱动信号和EGR阀阀芯位置传感器存在对应关系[-]。在燃料切换时，必须将EGR阀整体切换，则失去EGR阀的ECU将可能由于EGR阀的驱动信号与阀芯位置传感器输出差异而产生故障误报。故失去EGR阀的ECU的阀芯位置传感器必须进行模拟。
但本发明所采用的燃料切换方法中，在发动机处于附加状态时将断开汽油ECU点火开关，此时EGR阀停止了对EGR阀的驱动，EGR阀芯复位，此时EGR阀传感器输出一个固定电压。
对象发动机的EGR阀阀芯复位时EGR阀芯位置传感器输出电压约为0.7V。EGR阀芯位置传感器信号分配电路如图9所示。在汽油状态，EGR阀阀芯位置传感器由汽油ECU和附加ECU同时采样。在附加状态，汽油ECU采集由R1和R2组成的固定电压信号，附加ECU此时独占EGR阀芯位置传感器。R1取值为6.1kΩ，R2取值为1kΩ。
2）根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法，设计执行器控制权切换电路；
独立控制式汽油/附加燃料两用燃料发动机在工作时，不会同时使用汽油和附加燃料，这意味着汽油ECU和附加ECU不会同时获取执行器控制权。使用不同燃料时，需将同一个执行器交由不同ECU控制，这可以通过执行器切换方式或执行器协同方式实现。
在发动机上，执行器的驱动方式只有两类：桥式驱动方式和低端开关驱动方式；除步进电机外，发动机所有执行器包括喷油器、点火线圈、各类电控阀和各类继电器均采用低端开关驱动方式。
采用桥式驱动的执行器只能采用执行器切换控制方式，而低端开关驱动的执行器除切换控制方式外还可以采取协同方式，优先采用协同方式设计执行器控制权切换电路；
具体电路可设计如下：
（1）执行器切换方式
桥式驱动的执行器切换控制方式如图10所示，利用继电器将执行器在两种ECU之间进行切换。低端开关驱动的执行器切换控制方式如图11所示，即利用机械或电子开关将执行器在两种ECU之间进行切换。
通过这种方式，执行器得以在不同ECU之间切换，当执行器连接不同ECU后，ECU随即获取对执行器的所有控制权。失去执行器的ECU不会影响获取执行器的ECU对执行器的控制。
（2）ECU协同方式
协同方式只能用于低端开关驱动的执行器，如图12所示。
汽油ECU利用低端开关驱动器Q1实施执行器RL控制，同时附加ECU也利用低端开关驱动器Q2实施执行器RL控制。当Q2处于断开状态时，Q1即可控制执行器运行，Q2并不影响Q1控制执行器的导通与断开。同理，在Q1处于断开状态时，Q2也可控制执行器运行，Q1也不会影响Q2控制执行器的导通与断开。Q2和Q1不能同时导通，同时导通将使Q1和Q2对负载RL的控制效果叠加，虽然不会造成执行器或执行器驱动损坏，但是可能使执行器的通电时间延长而造成控制效果变化。
两用燃料发动机控制系统中汽油ECU的执行器驱动器和附加ECU的执行器驱动器不会同时工作，满足协同方式对于驱动器这个要求。所以可以采用协同方式。附加ECU可以在发动机处于汽油状态时主动停止对执行器的控制，以避免影响汽油ECU对执行器的控制。而汽油ECU如不能主动停止对执行器的控制，将影响附加ECU对执行器的控制，所以在电路中增加开关K1，当附加ECU控制执行器时，主动断开汽油ECU与执行器。
3）根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器；
执行器切换后，必然有ECU失去执行器。在汽油状态，附加ECU失去执行器；而在附加状态，汽油ECU将失去执行器。
附加ECU可针对燃料切换进行了特殊设定，在汽油状态将不控制执行器并停止执行器故障诊断，以此避免影响汽油ECU对执行器的控制，同时避免自身由于失去执行器而诊断出故障。
但汽油ECU是原型发动机控制ECU，没有针对燃料切换的特殊设定，则在附加状态，汽油ECU将由于失去执行器而触发故障诊断系统诊断出执行器故障。在某些执行器被诊断出故障后，汽油ECU将进入故障运行模式，会影响燃料切换过程。例如：当点火线圈被诊断出故障后将停止相应缸的喷油器喷射。在发动机由附加状态返回汽油状态时将由于喷油器没有喷油而停机，导致附加向汽油的燃料切换失败。所以必须采用相应措施防止汽油ECU在失去执行器后诊断出执行器故障。本发明通过设计执行器模拟器，防止汽油ECU在失去执行器后诊断出执行器故障。
（1）采用基于电压的故障诊断方式的执行器：执行器模拟器只需产生和执行器相似的电压特征，而这类电压特征并不涉及感应电压，利用电阻即可实现。故采用大阻值电阻作为执行器模拟器。电阻阻值大，则电阻功率相应就比较小，电阻的体积和发热量也会小很多。故执行器模拟器应优先选择大阻值电阻。
（2）采用基于电流的故障诊断方式的执行器：执行器模拟器需产生和执行器相似的电流特征。故采用与真实执行器的阻值相似的电阻作为执行器模拟器。由于执行器模拟器阻值必须与执行器相同，通常这一类的执行器的电流都较大，例如喷油器工作电流约1A，点火线圈工作电流约10A，执行器模拟器在工作时也要达相同的电流。这样，执行器模拟器的发热量就很大，为避免执行器模拟器烧毁，必须选择体积大、耐高温的大功率电阻。
（3）采用基于感应电压的故障诊断方式的执行器：执行器模拟器需产生和执行器相似的电压特征，由于执行器的电压特征包括感应电压，故不能采用电阻，应采用和负载特性接近的感性负载作为执行器模拟器。这种执行器模拟器与执行器非常接近，模拟难度最大。
4）利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号采用大阻值电阻作为执行器模拟器进行执行器模拟器设计，完成执行器控制权切换电路；
由于汽油ECU点火开关信号断开后，汽油ECU自主终止了点火和喷油过程。这意味着汽油ECU停止了对喷油器和点火线圈的驱动。
而点火开关信号接通后，点火和喷油动作迅速出现。
在汽油ECU停止对执行器的驱动时，附加ECU对执行器的故障诊断仅限于进行基于电压特征的故障诊断，所以此时执行器模拟器仅采用阻值较大的电阻就可以避免故障诊断系统诊断出故障。这就极大地简化了点火线圈模拟器的结构，同时功耗和体积大幅度降低。
点火开关信号断开后汽油ECU也停止了喷油器喷油，则两用燃料发动机控制系统将不必在附加状态下采取其他措施停止喷油器的运行，可减小燃料切换执行模块的体积。
由于断开汽油ECU的点火开关信号的目的是使汽油ECU停止对喷油器、点火线圈等执行器的驱动，以避免汽油ECU进行基于电流或基于感应电压的故障诊断，所以只有在发动机运转过程中需要对点火开关信号进行控制，因为只有在发动机运转时，汽油ECU才会控制喷油器和点火线圈通电。而在发动机曲轴未转动时，汽油ECU没有控制喷油器和点火线圈通电，此时并不需要在燃料切换时断开点火开关信号。如果在发动机没有转动的状态下断开汽油ECU的点火开关信号，将导致汽油ECU进入休眠状态，断开主继电器。所以，只有在汽油ECU正在控制喷油器和点火线圈时，执行由汽油到附加的燃料切换才需要断开点火开关信号。而在其他状态下，并不需要附加ECU断开汽油ECU的点火开关信号。
发动机执行器包括喷油、点火、可变进气口控制阀（PDA阀）、EGR阀、碳罐阀、怠速阀、冷却风扇控制继电器、空调压缩机控制继电器等等。具体执行器的控制权切换控制电路设计包含两方面：执行器控制权切换电路选择和执行器模拟器的选择。
执行器控制权切换电路的一种设计思路如下：
执行器控制权切换电路根据具体负载类型选择，电路中的切换开关依据执行器的工作电流选取继电器实现。
（1）点火线圈控制权切换电路
点火线圈的控制权切换电路使用如图13所示电路。当汽油ECU控制点火线圈时，继电器连接汽油ECU和点火线圈RL，附加ECU此时软件控制停止点火线圈控制及对点火线圈的故障诊断。在附加ECU控制点火线圈时，继电器断开了点火线圈与汽油ECU。汽油ECU同时连接点火线圈模拟器Rsim。
（2）喷油器
喷油器在两用燃料发动机中与其他执行器均不相同，其只由汽油ECU控制。在发动机燃料切换为附加时，喷油器只需停止喷射。在发动机燃料切换回汽油时，喷油器需要开始喷射。而点火开关信号的断开与接通使喷油过程中断和运行。所以利用点火开关信号断开与接通，可以方便地实施喷油器控制权控制，即在燃用汽油时喷油器可以动作，在燃用附加时喷油器停止动作。所以，喷油器不需使用额外硬件或软件方法即可满足两用燃料发动机的燃料切换要求。
（3）附加喷嘴
附加喷嘴由附加ECU自身根据燃料状态控制，不需附加电路执行控制权切换。
（4）怠速阀
发动机的怠速阀为步进电机式怠速阀，电机形式为两相四线制步进电机。采用带模拟负载的桥式驱动执行器的切换控制电路实施控制权切换。图14为步进电机一相的控制权切换电路。
（5）PDA阀、EGR阀、碳罐阀、各类继电器
除怠速阀外，其他的执行器均采用低端开关驱动。基于简化电路的要求，执行器控制权切换电路使用ECU协同方式，如图15所示。
5）由汽油ECU向附加ECU切换，汽油ECU失去执行器的同时，附加ECU触发执行器模拟器与汽油ECU连接。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种独立控制式点火开关辅助型两用燃料切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）根据传感器的电气特性和应用条件确定采用传感器信号切换或传感器信号共用方式设计双ECU传感器采集电路，使传感器信号在不同ECU控制发动机时全部被相应ECU采集；
2）根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法，设计执行器控制权切换电路；
3）根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器；
4）利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号简化执行器模拟器设计，将执行器模拟器加入执行器控制权切换电路，完成执行器控制权切换电路；
5）由汽油ECU向附加ECU切换，汽油ECU失去执行器的同时，附加ECU触发执行器模拟器与汽油ECU连接。
2.根据权利要求1所述的两用燃料切换控制方法，其特征在于，步骤2）中根据执行器的驱动方式选择执行器切换方法具体如下：
执行器的驱动方式为桥式驱动方式时，采用执行器切换控制方式设计执行器控制权切换电路；
执行器的驱动方式为低端开关驱动方式时，采用协同方式设计执行器控制权切换电路。
3.根据权利要求1所述的两用燃料切换控制方法，其特征在于，步骤3）中根据执行器故障诊断方式设计执行器模拟器具体方法如下：对采用基于电压的故障诊断方式的执行器，采用大阻值电阻作为执行器模拟器；对采用基于电流的故障诊断方式的执行器，采用与真实执行器的阻值相似的电阻作为执行器模拟器；
对采用基于感应电压的故障诊断方式的执行器，采用和负载特性接近的感性负载作为执行器模拟器。
4.根据权利要求1所述的两用燃料切换控制方法，其特征在于，步骤4）中利用附加ECU控制汽油ECU的点火开关信号，采用大阻值电阻作为执行器模拟器简化执行器模拟器设计。
5.根据权利要求1所述的两用燃料切换控制方法，其特征在于，所述附加ECU为LPGECU或CNGECU。
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