电喷发动机用氧化锆型氧传感器故障模拟方法及装置 【技术领域】
本发明属于一种电喷发动机(电控汽油喷射发动机)测试仪器，尤其是一种使电喷发动机用氧化锆型氧传感器故障模拟方法及装置。
背景技术
根据中国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2005年4月27日发布的排放法规GB18352.3‑2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》要求，2008年中国全面实施第三阶段排放标准，轻型汽车必须装备On‑board diagnostic(OBD，车载诊断系统)。按照法规规定，车载诊断系统监测的部件包括：三效催化转换器、氧传感器、发动机失火率、排放控制部件和系统及任何与排放有关的电路。
氧传感器是排气氧传感器(Exhaust Gas Oxygen Sensor，EGO)的简称，其功用是通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制(闭环控制)，从而将过量空气系数(λ)控制在0.98～1.02之间(空燃比A/F约为14.7)，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油之目的。
在电喷发动机中，OBD系统需对发动机电控系统采用的氧传感器信号进行实时监测，一旦发现发动机电控系统的氧传感器信号不正常，OBD系统将会报警。在发动机电控系统中，目前使用的氧传感器可划分为二大类型：一)氧化锆型氧传感器，氧化锆型氧传感器是将废气中的氧分子含量的变化转换成电压的变化。二)氧化钛型氧传感器，二氧化钛型氧传感器则是将废气中的氧分子含量的变化转换成传感器电阻的变化。以下氧传感器均指氧化锆型氧传感器。
在以下三种场合下，需要使电喷发动机的氧传感器产生故障：一)在开发OBD系统的氧传感器信号监测功能时需要发动机要有氧传感器故障现象。二)在验证新车或在用车的OBD系统是否有效监测氧传感器故障时，也需要使发动机的氧传感器故障。三)用于三元催化转换器故障诊断的双氧传感器诊断算法的试验和验证。这些故障很难在一套新的电喷发动机的氧传感器中产生，且难以产生定量的氧传感器故障。
中国发明专利“一种电控汽油喷射发动机氧传感器故障发生方法及装置”(专利号：200710051383.5)需要使用单独板卡及移动电脑和220v电源，给随车使用带来不方便之处；也存在故障模拟形式少等缺点。
【发明内容】
本发明针对电喷发动机控制系统，目的是提供一种可使电喷发动机用氧传感器产生上限电压上偏移、上限电压下偏移、下限电压上偏移、下限电压下偏移、时间响应延迟、上升沿的上升斜率改变和下降沿的下降斜率改变的独立故障模拟模式及上限电压偏移、下限电压偏移、时间响应延迟和斜率改变四种故障模式的任意比例混合故障模拟模式，使得故障模拟信号输出与实际故障信号输出更为符合；以便用于OBD系统的开发与验证和其他相关研究的需要的电喷发动机用氧化锆型氧传感器故障模拟方法及装置。。
为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：断开氧传感器与ECU(电控单元)之间连接的信号线，在氧传感器与ECU之间设置一个氧传感器故障模拟装置，氧传感器输出的信号不直接输入ECU，而直接输入氧传感器故障模拟装置，氧传感器故障模拟装置通过A/D转换器对氧传感器输出的信号进行采样，氧传感器故障模拟装置的主控单元在此信号的基础上叠加电压偏移信号或响应延迟信号或同时叠加电压偏移信号和响应延迟信号，使之产生氧传感器故障的模拟信号，然后利用D/A转换器将此处理后的信号输出给电喷发动机ECU。
上述氧传感器故障模拟装置由主控单片机，D/A输出模块，液晶显示模块，参数设置模块和上位机系统构成，其中主控单片机的A/D采样输入端与氧传感器的输出信号相连，D/A输出模块与主控单片机的SPI口和普通I/O口相连，液晶显示模块与主控单片机的I/O口相连，参数设置模块与主控单片机的I/O口相连，上位机系统与主控单片机通过RS232串口相连。
氧传感器故障模拟装置由液晶显示模块J1，主控单片机U1，D/A转换芯片U2，电平转换芯片U3，按键B1～B6，电阻R1‑R6，电容C1‑C8构成，其中：
在氧传感器与ECU之间断开信号连接线，将氧传感器输出信号直接接入氧传感器故障模拟装置，与主控单片机的A/D口相连；液晶显示模块的数据口与主控单片机相连，控制口RST、INT、BUSY、CS2、CS1、RD、WR、RS与主控单片机的普通I/O口相连，电平转换芯片的T1I、电阻R10与主控单片机的串口TXD0、RXD0相连，按键输出B1‑B6与主控单片机的普通I/O口相连；D/A转换芯片的控制口SDI、CLK、CS、DACS、REG、RSET分别与主控单片机的SPI口的MOSI和SCK相连及普通I/O口相连，D/A转换芯片的输出口OUTA、OUTB与ECU的输入接口相连。
【附图说明】
图1为本发明的原理和连接示意图。
图2为本发明的电气连接图。
图3为本发明的氧传感器信号上限电压上偏移故障现象图。
图4为本发明的氧传感器信号上限电压下偏移故障现象图。
图5为本发明的氧传感器信号下限电压上偏移故障现象图。
图6为本发明的氧传感器信号下限电压上偏移故障现象图。
图7为本发明的氧传感器信号时间响应延迟故障现象图。
图8为本发明的氧传感器信号斜率改变故障现象图。
图9为本发明的氧传感器信号混合模式故障模拟现象图
图1中：1、2‑加热线、3、4‑信号线。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
根据图1，图2，氧传感器故障模拟装置安装在氧传感器和电控单元ECU之间，氧传感器加热线1、2仍然与ECU相连，故障发生装置不对加热线进行控制；氧传感器信号地3仍然与ECU相连，与故障模拟装置的电源地共地处理；氧传感器信号输出线4断开与ECU之间的连接，将氧传感器的输出信号输入到故障模拟装置主控单片机的A/D采样通道，主控单片机以10ms为周期对氧传感器信号进行采样，将模拟信号转化成数字信号，并用液晶显示模块实时更新并显示采样信号和通过串口向上位机系统发送采样信号，主控系统对采集的数字量信号进行标度转换、电压偏移处理和响应延迟处理后，输出到D/A转换模块转换为模拟量输出给电喷发动机的ECU。
本发明上位机系统软件。氧传感器故障模拟装置有两种运行模式：单机运行和联机运行。单机运行模式：单独使用氧传感器模拟装置进行氧传感器故障模拟。联机运行模式：将氧传感器故障模拟装置和上位机系统相连后通过上位机软件实现氧传感器故障模拟。
该模式下的相应参数设置为：
上限偏移：用于设置氧传感器故障信号上限上偏移量或上限下偏移量，偏移的范围为0～±0.3V，调节精度为0.02v；
下限偏移：用于设置氧传感器故障信号下限上偏移量或下限下偏移量，偏移的范围为0～±0.3V，调节精度为0.02v；
时间延迟：用于设置氧传感器故障信号时间响应延迟，延迟的范围为0～2S，调节精度为0.01s；
平顺处理：用于设置氧传感器故障信号数字滤波及平均值处理，用于调节氧传感器信号上升沿或下降沿斜率，调节范围为0～20，调节精度为1；
正常工作：正常工作模式。
图3显示的是本发明实现的氧传感器信号上限电压上偏移故障现象图，图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后输出的氧传感器故障模拟信号。在产生图4所示故障时，以0.3V为基点，对输入信号叠加一个上偏移电压信号，输入电压在0.3V时计算的输出信号叠加量为0，电压信号与0.3V的差别越大，则计算的输出信号发生的上叠加量越大，从而实现上限电压上偏移，叠加量的调节范围为0‑0.3V，调节精度为0.02V。
图4显示的是本发明实现的氧传感器信号上限电压下偏移故障现象图，图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后输出的氧传感器故障模拟信号。在产生图5所示故障时，以0.3V为基点，对输入信号叠加一个下偏移电压信号，输入电压在0.3V时计算的输出信号发生的叠加量为0，信号电压与0.3V的差别越大，则计算的输出信号发生的下叠加量越大，从而实现上限电压下偏移，叠加量的调节范围为0‑0.3V，调节精度为0.02V。
图5显示的是本发明实现的氧传感器信号下限电压上偏移故障现象图，图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后输出的氧传感器故障模拟信号。在产生图6所示故障时，以0.7V为基点，对输入信号叠加一个上偏移电压信号，输入电压在0.7V时计算的输出信号发生的叠加量为0，信号电压与0.7V的差别越大，则计算的输出信号发生的上叠加量越大，从而实现下限电压上偏移，叠加量的调节范围为0‑0.3V，调节精度为0.02V。
图6显示的是本发明实现的氧传感器信号下限电压下偏移故障现象图，图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后输出的氧传感器故障模拟信号。在产生图7所示故障时，以0.7V为基点，对输入信号叠加一个下偏移的电压信号，就可使输入电压在0.7V时计算的输出信号发生的叠加量为0，信号电压与0.7V的差别越大，则计算的输出信号发生的下叠加量越大，从而实现下限电压下偏移，叠加量的调节范围为0‑0.3V，调节精度为0.02V。
图7显示的是本发明实现的氧传感器信号时间响应延迟故障现象图。图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后的氧传感器故障模拟信号。主控系统采集到氧传感器信号后，将前一段时间t0内采集的氧传感器信号进行保存，并在此段时间内输出一个固定模拟信号给ECU，达到设定的延迟时间后，将保存的信号按先进先出的原则进行D/A输出，从而改变氧传感器信号输出的周期，实现氧传感器老化的故障模拟。可以通过更改t0来改变氧传感器信号的输出周期，时间t0的调节范围为0～2S，调节精度为0.01s。
图8显示的是本发明实现的氧传感器信号斜率改变故障现象图。图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后的氧传感器故障模拟信号。主控系统采集到氧传感器信号后，计算前一段时间t1内采集的氧传感器信号的平均值，通过对信号的平均值处理来改变氧传感器信号上升或下降的斜率，再将此平均值通过D/A转换模块输出给ECU。通过更改t1来改变氧传感器信号的变化斜率，时间t1的调节范围0～20。
图9显示的是本发明实现的氧传感器信号混合故障模式故障现象图。图中粗黑线为采集的氧传感器信号，细线为经处理后的氧传感器故障模拟信号。主控系统采集到氧传感器信号后，分别对采样到的信号进行上限电压上偏移、下限电压下偏移和时间响应延迟三种故障模拟进行叠加，主控系统将此信号通过D/A转换模块输出给ECU。分别调整三种故障模式的设置参数来实现不同混合比的故障模拟信号的输出。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。