电控发动机与公交车辆信号匹配设计

郭春文

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

1 前言

信号是所有电控（电脑）系统赖以正确运行的生命线，是智能系统获取外接信息的主要来源，对智能系统而言，不同的信号要求对应不同的操作要求及输出特性。对电控发动机也是如此，车辆的状况信息及驾驶员的操作意志全部表现在电控控制单元的信号输入中，正确的信号将确保发动机的安全、可靠运行，当信号与实际不一致时，将有可能导致发动机的不正确运行，在特定的环境条件下还会导致故障出现。

SC8DK是一款电控共轨系列发动机，在公交车辆上将有广泛的使用，如何使用好电控发动机，提高车辆的可靠性及安全，车辆信号的正确性是非常关键的。

2 电源控制的匹配设计

电源是电控系统的生命线，没有电源电控系统就无法工作，因此电源的质量确定了电控系统工作的稳定性。SC8DK发动机供电采用两个继电器，一个是电源继电器（主继电器）供ECU用电，另一个是压力控制阀（PCV）继电器供PCV阀用电。电源地线直接连接到蓄电瓶的负极。

SC8DK发动机ECU的电源由ECU根据钥匙开关及ECU的工作状态确定电源的供应。当钥匙开关在打开（on）位置时，ECU钥匙开关端口接受到一个高电平，在电源继电器控制端口转换为低阻状态，电源继电器线圈有电流通过，电源继电器触点导通，蓄电瓶电源被连接到ECU电源接口端；发动机ECU供电的最大冲击电流为120 A，工作时电流峰值为15 A，安装保险要求为20 A；当钥匙开关为关闭位置（off）时，ECU钥匙开关端口接受为低电平，但ECU的电源继电器控制端口并不是马上转换为高阻状态，而是延时一定时间后再转换为高阻状态，断开ECU电源；断电延时的时间一般为4 s左右，但在ECU数据更新情况下有可能更长。这样电源供应有如下作用：（1）在钥匙开关信号异常变化时，避免ECU频繁开关，导致ECU损坏；（2）在ECU数据更新时保证足够的数据写入时间，确保数据可靠更新。

钥匙开关及电源继电器控制等效接口电路如图1所示。

ECU钥匙开关输入端在28 V电压情况下电流约为5mA，相对传统汽车电路是一个很小的电流，基本上所有车辆的钥匙开关均可以满足要求。

ECU电源继电器控制端口最大允许电流为600 mA，对目前大部分车辆使用的线圈电压24 V、触点容量20 A的继电器而言，均可以满足要求（大部分此类继电器的线圈电阻高于200Ω，对应线圈最大电流为140mA）。

如果在电路上没有使用电源继电器（主继电器），蓄电瓶电源直接连接到ECU电源连接端口，经过诊断过程后ECU将输出故障代码0686（对应的闪灯数码为5）。

PCV继电器也是由钥匙开关控制，是直接控制继电器线圈。在钥匙开关打开时，PCV继电器线圈供电，PCV继电器触点结合，电源由蓄电池连接到PCV阀上。PCV阀最大工作电流约为6 A，供电电源保险要求为10 A。PCV阀根据ECU的控制指令工作，与共轨压力传感器一起形成一个闭环，确保共轨管内的燃油压力达到规定数值。

当PCV继电器出现故障，没有电源供应PCV阀时，共轨泵将不能工作，共轨管内燃油压力无法建立，喷油器不喷油，发动机不能运行，相应出现故障代码0268（对应闪灯数码为73）。

3 油门踏板信号的匹配设计

油门踏板信号是ECU控制发动机运行的核心信号之一，是发动机运行的直接指令。发动机的运行状态取决于油门信号的正确性及信号的大小。如果油门信号出现异常故障，发动机将不能正常工作。在故障情况下发动机的运行状态与发动机ECU内的数据设置有关。

为确保油门踏板的正确可靠，系统采用两组相互独立、输出相同的油门踏板信号，互为备份，独立运行。ECU的油门接口等效电路如图2所示。

SC8DK发动机的油门信号条件及要求如下：

（1）双路模拟信号输出：0.85～4.2 V

（2）油门踏板输出在怠速与满度间单调变化

（3）ECU供电电源：5VDC

（4）怠速输出电压：0.85±0.05 V（在全部的工作条件下均要求满足）

（5）满度输出电压：4.20±0.10 V（在全部的工作条件下均要求满足）

（6）工作温度范围：-40～80℃

（7）电源地线断路输出：≥4.85 V（负载电阻为750 kΩ，0.047μF）

（8）电源断路输出：≤0.2 V（负载电阻为750 kΩ，0.047μF）

正常的油门信号输出范围应该在0.8～4.3 V；当线路出现故障时（线路短路、线路接地、线路接电源），油门输出信号将大于4.75 V或小于0.3 V，ECU认为油门信号故障，相应油门失效。

在两个油门信号正常的情况下，ECU以较小的油门信号控制发动机的运行，各项运行功能正常；当有一个油门信号故障时，ECU以无故障的油门信号控制发动机运行，部分控制功能关闭；在两个油门信号同时出现故障时，发动机ECU以固定油门开度30%控制发动机运行，实际的发动机转速将根据发动机的负荷状况变化。

为了发动机的安全、可靠运行，油门踏板的输出信号必须满足ECU的匹配特性要求，不然的话会导致车辆异常、甚至事故。例如：一款油门踏板在油门电源地线断路的情况下输出油门信号为4.5 V，油门电源线断路情况下输出油门信号为0.1 V；如果第一组油门信号的电源地线发生断路，那么输出油门信号为4.5 V，对应油门开度为100%；而第二组油门信号的电源线断路时的输出油门信号为0.1 V，对应为故障，信号无效；那么发动机将以最大油门100%运行，这样是非常危险的，甚至会导致事故发生。所以对发动机而言必须选择正确的油门踏板，尽可能确保车辆的安全、可靠行驶。

4 车辆状态物理信号的匹配设计

车辆的状态信号是发动机赖以正常运转的信息基础，对公交车辆而言主要有：离合器开关信号、空档开关信号、起动开关信号及起动电机控制、停机开关信号、车速信号，诊断开关及发动机状态指示灯、双工况开关信号及指示灯、低温预热指示灯、油水分离器液位信号及液位报警指示灯，冷却水箱液位开关，怠速提升开关信号等。

4.1 离合器开关信号

离合器开关信号表示发动机与变速箱的连接状态。对手动机械变速箱而言，SC8DK发动机的ECU要求离合器信号为常接电源，也就是说，在离合器踏板没有踩下时，离合器结合，发动机ECU的离合器信号接口为高电平、接蓄电池电源；在离合器踏板踩下时，离合器分离，发动机ECU的离合器信号接口为低电平、断开。对自动变速箱而言，由于没有离合器的存在，也就不存在离合器开关物理信号的连接了，可以通过在软件中选择变速箱软件开关的设置（与自动变速箱诊断选择设置相同），自动设定离合器信号为闭合，并通过相同的软件开关量实现离合器开关诊断功能的屏蔽。离合器开关信号的电路接口等效图如图3所示。

其中Rx为3.4 kΩ，接口在高电平接蓄电池的情况下最大电流约为10mA。

离合器的诊断过程与车速变化有关，当车辆由静止、超过设定的车速、静止的过程后开始诊断，当车辆在下一个由静止、超过设定的车速、静止的过程中，离合器开关信号没有变化，那么意味着离合器开关失效。离合器开关没有连接或离合器开关失效将影响车辆的部分使用功能。

目前，在大部分车辆上使用的离合器开关均为行程开关，在离合器踩下一定行程后离合器开关的触点就已经断开，而实际上在离合器开关断开的情况下离合器油路的压力并没有建立起来，离合器没有开始分离，这一点在使用中一定要注意。在实际车辆中，一定要注意离合器的使用，有些驾驶人员将脚一直踩在离合器踏板上，离合器开关处于断开位置，而实际上离合器并没有分离，会导致车辆的一些功能不能实现，有时会出现故障码。

4.2 空档开关信号

空档开关信号为车辆基本信号，对机械变速箱而言空档信号在变速箱机体上，当变速箱处于空档位置时，开关闭合，电源通过开关被连接到ECU，ECU得到一个高电平，表示车辆在空档状态。有些变速箱的空档开关由于安装深度浅，会导致空档信号故障。

空档开关的接口电路与离合器开关类似，在接高电平蓄电池的情况下最大电流约为5mA。空档信号的故障诊断与离合器信号的故障诊断相同。在空档信号缺失的情况下，发动机的大部分附加控制功能就不能实现。

4.3 起动开关信号及起动电机控制

起动开关信号为ECU提供一个状态信号，在起动按钮按下时起动开关接通，ECU接收到起动信号，当发动机转速低于设定转速值时，发动机进入启动模式运行，起动完成后自动退出。起动开关接口等效电路与离合器开关等效电路相同。

ECU同时可以对起动电机运行提供控制功能，在起动电机不允许运行的情况下阻止起动电机的运转。等效电路图如图4所示。

起动控制电路可以承受的最大电流为350mA，起动继电器的线圈电阻必须大于80Ω，这样才能确保ECU控制电路的安全。

ECU在正确辅助信号的前提下可以实现：空档允许起动或离合器分离允许起动；在发动机运转情况下阻止起动电机运转；发动机成功起动后自动终止起动电机运转；起动电机连续运转情况下阻止起动电机超时间拖动；起动电机停止后，强制延时，确保起动间歇时间。通过一系列的控制策略可以有效保护起动系统的安全及可靠运行。

4.4 停机开关及车速信号

停机开关信号接高电平有效，当ECU停机开关信号端口接收到电瓶电压时发动机停止喷油，促使发动机停机，一般安装在发动机动力舱，用于发动机的维修检查。接口等效电路与离合器开关相同。

车速信号为车辆行驶的标志性数据，与部分信号故障诊断相关，用于车辆运行里程的累积，并可以依据车辆运行速度计算车辆的燃油经济性数据。

车辆信号要求为方波信号，最高低电平为1.8 V，最低高电平为3.2V，接口等效电路见图5。

大部分的车速传感器均可满足要求，但有些仪表的上拉电阻小，系统连接后导致车速信号的最高低电平高于1.8 V，需要注意。

4.5 状态指示灯

（1）诊断开关及发动机状态指示灯

诊断信号开关为常开开关，当ECU诊断开关接口接地时发动机状态指示灯输出闪码。诊断信号开关接口电路图见图6。

其中电阻为3.3 kΩ，当诊断开关接地时，通过开关触点的电流为3mA。

发动机状态指示灯由ECU控制，指示灯的一端接电源，另一端接ECU指示灯的控制端口。当需要指示灯亮时，ECU端口在内部电路的控制下，表现为低阻特性；当不需要指示灯亮时表现为高阻状态，接口电路如图7所示。

允许通过ECU指示灯端口的最大电流为500 mA。请一定要注意，当ECU指示灯端口直接与电源连接时，由于大电流流过将导致输出端口电路损坏。一定要避免过大电流的接入。一般车辆上常用的2W仪表指示灯可以直接接入，带限流电阻的发光二级管也可以直接接入。

线路连接正确，车辆无故障情况下，当发动机ECU供电且不运转时，发动机状态指示灯亮；当发动机运转时，如果发动机状态指示灯亮，表示ECU检测到有故障产生，需要检查排除；如果指示灯不亮，说明ECU没有检测到故障。

（2）双工况开关信号及指示灯

双工况开关信号为常开开关，当需要转换工况时，将ECU的双工况开关信号接口连接电源。在满足工况转换条件下，发动机进行工况转换；不满足转换条件则保持原有工况。双工况开关接口等效电路与离合器开关等效电路类同，在连接28 V电源的情况下通过开关的电流约为6mA。

双工况开关指示灯等效电路与发动机状态指示灯等效电路相同，当发动机运行在第二工况（经济工况，低功率）时，双工况指示灯亮。

双工况一般使用于客流变化大的车辆中，通过不同工况的选择，降低动力要求，达到一定的节油目的。

（3）冷起动指示灯

冷起动指示灯在钥匙开关打开时亮短暂的时间，用于冷起动指示灯的检查。但当ECU检查到冷却水温度低于设定值时，冷起动指示灯将按要求持续点亮到预热结束；当ECU检查到预热系统存在故障的情况下，冷起动指示灯将闪烁。冷起动指示灯的接口等效电路与起动控制电路相同。最大允许通过电流为350mA。

（4）油水分离液位信号及液位报警指示灯

油水分离液位开关的等效接口电路与诊断开关雷同，在开关闭合状态下通过开关的电流为5mA。在确定的条件下，ECU在油水分离器液位开关连续闭合到规定的时间时，ECU认为油水分离器中水位高，提醒驾驶员需要清理积水。

油水分离液位报警指示灯由ECU控制，接口等效电路与起动控制电路相同。当灯亮时，表示ECU认为需要清理油水分离器中的积水。

4.6 冷却水箱液位开关信号

冷却水箱液位开关信号是长高接电源信号，当冷却水箱液位低时，ECU没有接收到高电平信号，认为水箱液位低，当低电平信号连续时间超过设定值，ECU认为水箱液位低，输出报警。冷却水箱液位开关信号等效电路图见图8，最大输入电流约为6mA。

4.7 怠速提升开关

怠速提升开关信号是接电源的一个高电平信号。在车辆驻车的情况下（离合器开关信号为高、空档开关信号为高接电源），怠速提升开关为高接电源时，发动机转速提升到设定转速，在公交车辆上可以用于空调怠速提升。怠速提升开关等效电路图与冷却水箱液位开关信号等效电路图相同。

4.8 发动机转速输出

ECU对应发动机运转每转输出3个脉冲信号，用于脉冲计数式仪表的发动机转速显示，对应输出高电平接近电瓶电压，输出低电平一般小于0.7 V（仪表信号接口与电源间等效电阻为5 kΩ时，实际情况取决于仪表的接口电路），可吸收的最大电流约为20mA，接口等效电路见图9。

5 诊断及通讯信号

ECU具备CAN总线通信接口，内置120终端电阻，发动机ECU在CAN总线电路中作为一个终端布置，通信波特率为250 K，通信协议满足SAE J1939相关标准，报文格式满足CAN2.0B。目前ECU支持报文内容有：EEC1、EEC2、EEC3、TSC1、ETC、ETC2、ET、EC、LFC、EBC1等报文。

ECU具备K-line接口，满足ISO 9141和ISO 14230等标准，用于ECU数据的更新与ECU诊断数据的通信。

6 车辆信号的选取

在实际车辆匹配中，车辆的使用功能要求与车辆信号的匹配息息相关，车辆信号的正确性直接影响到使用功能的正确性。在使用物理信号控制模式下，发动机可以运转的最小条件为电源及供电继电器，钥匙开关信号、油门踏板信号；保证发动机运行的基本条件为电源及供电继电器，钥匙开关信号、油门踏板信号、起动信号，离合器开关、空挡开关、诊断开关和诊断指示灯。其它车辆信号需要根据系统的保护功能要求（油水分离器水位高保护、冷却液缺液保护）、使用功能要求（起动保护、空调怠速提升、冷起动功能、经济工况）来确定。

7 结论

如文中所述，对不同的使用功能要求需要相对应的车辆运行状态（信号条件），在信号出现异常的情况下，为确保人员及车辆的安全，电控发动机将以标定的安全模式运行。例如：当两路油门信号同时出现故障情况时，发动机以一个合适的低转速运行，与油门踏板的机械位置没有任何关系；对空档开关信号，与很多的逻辑控制有关，当空档开关失效时（如开关开路），发动机的开关怠速提升功能不能实现。总之，只有正确的信号才能确保电控发动机的稳定、可靠、安全的运行。