性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

康明斯柴油機(jī)ECU電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理及其優(yōu)點(diǎn)

 

導(dǎo)讀：隨著電子技術(shù)的應(yīng)用不斷增加，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)柴油發(fā)電機(jī)電子控制系統(tǒng)（如康明斯公司），使得柴油發(fā)電機(jī)的各方面的性能都得到明顯的提高，在生活中的應(yīng)用比例日益提高?？得魉构驹诒疚闹兄攸c(diǎn)介紹了電控系統(tǒng)（ECU）的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和優(yōu)點(diǎn)等知識(shí)。

 

柴油發(fā)電機(jī)電控燃油系統(tǒng)圖

 

 

一、電控系統(tǒng)的工作原理

 

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，ECU迅速進(jìn)入工作狀態(tài)，某些程序或步驟從RAM中取出進(jìn)入中央處理器（CPU）。這些程序可以是控制柴油噴射、控制點(diǎn)火時(shí)刻、控制怠速工況等。通過(guò)CPU的控制，一個(gè)個(gè)指令信號(hào)逐個(gè)地進(jìn)行循環(huán)。在執(zhí)行程序過(guò)程中，所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)信息來(lái)自各個(gè)傳感器。從各個(gè)傳感器來(lái)的信號(hào)，首先進(jìn)入輸入級(jí)（回路），對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理。如是數(shù)字信號(hào)，根據(jù)CPU的安排，經(jīng)輸入/輸出（I/O）接口電路進(jìn)入ECU；如是模擬信號(hào)，還要經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，才能經(jīng)I/O接口電路進(jìn)入ECU。

（1）信息儲(chǔ)存

大多數(shù)信息暫時(shí)存儲(chǔ)在RAM內(nèi)，再根據(jù)需要指令從RAM送到CPU。然后將存儲(chǔ)在RAM中的參考數(shù)據(jù)也引入到CPU并與傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行比較。同時(shí)對(duì)來(lái)自有關(guān)傳感器的每一個(gè)信號(hào)依次取樣，并與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

（2）數(shù)據(jù)運(yùn)算

CPU對(duì)這些數(shù)據(jù)比較運(yùn)算后，作出決策并發(fā)出控制命令輸出信號(hào)，經(jīng)I/O接口電路，有些必要的信號(hào)還要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)。最后經(jīng)輸出級(jí)（回路）去控制執(zhí)行器的動(dòng)作。若是噴油器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，則控制噴油正時(shí)和噴油脈寬，完成控制噴油功能；如是點(diǎn)火正時(shí)信號(hào)，則控制點(diǎn)火線圈的通與斷，使次級(jí)產(chǎn)生高壓擊穿火花塞氣隙進(jìn)行跳火。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ECU的運(yùn)算速度是相當(dāng)快的，如點(diǎn)火正時(shí)，每秒可以修正上百次，因此其控制精度可以相當(dāng)高。

（3）輸入電路

輸入電路的作用是將系統(tǒng)中各傳感器檢測(cè)到的信號(hào)（息）通過(guò)I/O接口電路接口送入ECU，完成柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其各工況狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)任務(wù)。需要檢測(cè)與輸入的信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2種。從傳感器輸入來(lái)的信號(hào)首先進(jìn)入輸入回路，在輸入回路中對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除雜波和將正弦波變?yōu)榫匦畏讲ê?，再轉(zhuǎn)換成輸入電平，其過(guò)程如圖1所示。

 

圖1  輸入回路的作用圖

 

二、ECU結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

 

ECU是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，通常采用數(shù)字式ECU。ECU主要由CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口、信息傳遞總線等組成，如圖2（a）所示，ECU與CPU的組成圖ECU根據(jù)需要，能把各種傳感器送入的信號(hào)，用內(nèi)存程序（ECU進(jìn)行處理的順序）和數(shù)據(jù)事先編好并存在存儲(chǔ)器內(nèi)，使用時(shí)通過(guò)傳感器啟動(dòng)相應(yīng)程序，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。發(fā)電機(jī)組ECU 系統(tǒng)只需用一定容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器便可滿足內(nèi)存要求，無(wú)需設(shè)置外存儲(chǔ)器。在ECU控制系統(tǒng)中，為了收集和檢測(cè)各種參數(shù)，采用了許多檢測(cè)元件（如傳感器）和儀表。其主要作用是把被檢測(cè)參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，如熱電偶把溫度信?hào)變成電壓（mV）信號(hào)，壓力傳感器把壓力信號(hào)變成電壓信號(hào)等。這些信號(hào)被轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電壓后再送入ECU進(jìn)行比較和運(yùn)算處理。因而檢測(cè)元件的精度直接決定著整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度。為把ECU運(yùn)算處理的結(jié)果（如噴油器的噴油信號(hào)、點(diǎn)火正時(shí)信號(hào)等）的命令、指令轉(zhuǎn)化為控制行為、動(dòng)作并付諸實(shí)施，ECU需要配有執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)的、液動(dòng)的或氣動(dòng)的等形式，如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電磁閥等。

 

圖2  ECU電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

 

 

① CPU

CPU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。CPU由進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算的運(yùn)算器、暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的寄存器、按照程度執(zhí)行各裝置之間信號(hào)傳送及控制任務(wù)的控制器等組成，如圖2（b）所示。CPU的工作是在時(shí)鐘脈沖發(fā)生器的操作下進(jìn)行的。當(dāng)ECU通電后，脈沖發(fā)生器立即產(chǎn)生一連串的具有一定頻率的脈寬電壓送入CPU，其作用是對(duì)ECU工作過(guò)程進(jìn)行隨時(shí)控制。

② 存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器主要是用來(lái)存放程序、數(shù)據(jù)和表格、地圖等，可按需要進(jìn)行讀取（讀操作）或存入（寫(xiě)操作）。存儲(chǔ)器由多個(gè)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元有一編號(hào)，稱(chēng)為單元地址。每個(gè)單元通常存放一個(gè)有獨(dú)立意義的代碼，稱(chēng)為一個(gè)字，代碼位數(shù)稱(chēng)為字長(zhǎng)。隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）主要是用于存儲(chǔ)ECU在操作時(shí)的可變數(shù)據(jù)，如暫存ECU輸入的信息，供CPU進(jìn)行運(yùn)算使用，如各種傳感器輸送給ECU的信息與計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)等，都可以暫時(shí)存儲(chǔ)在RAM內(nèi)，根據(jù)需要可隨時(shí)調(diào)出或被新的數(shù)據(jù)代替（改寫(xiě)）。存儲(chǔ)在RAM的有些數(shù)據(jù)，如空燃比學(xué)習(xí)修正、故障碼等，為了能較長(zhǎng)期地保存，防止點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)由于電源被切斷而造成數(shù)據(jù)丟失，一般這種RAM都通過(guò)專(zhuān)用的電源后備電路與蓄電池直接連接，使RAM 不受點(diǎn)火開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)然，當(dāng)電源后備專(zhuān)用電路斷開(kāi)時(shí)或蓄電池上的電源線被拔掉時(shí)，存入RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)也會(huì)自然消失。

③ I/O接口電路

I/O接口電路是CPU與輸入傳感器、輸出執(zhí)行器間進(jìn)行信息交流的控制電路。根據(jù)CPU的命令，輸入ECU 的信號(hào)以所需要的頻率通過(guò)I/O接口電路接收，而ECU輸出的信號(hào)則也是按發(fā)出控制信號(hào)的形式與要求通過(guò)I/O接口電路以最佳的處理速度輸出或送入中間存儲(chǔ)器。ECU系統(tǒng)所用的外部I/O設(shè)備一般都備有I/O接口，通過(guò)I/O接口才能與ECU連接，因此I/O接口是ECU與被控制對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶，也是ECU系統(tǒng)不可缺少的部分，它起著數(shù)據(jù)緩沖、電壓匹配、時(shí)序匹配等多種作用。

④ ECU系統(tǒng)總線

ECU系統(tǒng)總線是一束用于傳遞內(nèi)部信息的連線，如圖3所示。在ECU系統(tǒng)中，CPU、存儲(chǔ)器（ROM、RAM）、I/O接口通過(guò)傳遞信息的總線連接起來(lái)，它們之間的信息交換均要通過(guò)總線進(jìn)行?？偩€一般包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線3根。總線利用數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)地址、控制信號(hào)來(lái)對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)元器件講行操作控制，同時(shí)利用連接總線的方式可擴(kuò)充系統(tǒng)的存儲(chǔ)器與I/O的功能。

○ 數(shù)據(jù)總線主要用于傳遞指令與數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線由幾根導(dǎo)線組成，一般導(dǎo)線數(shù)是與數(shù)據(jù)的位數(shù)——對(duì)應(yīng)的，如普通的8位ECU的數(shù)據(jù)總線應(yīng)由8根導(dǎo)線組成。

○ 地址碼的傳遞是由地址總線來(lái)完成的。在ECU總線上，各元器件之間的通信主要靠地址碼準(zhǔn)確地進(jìn)行聯(lián)系。例如需要對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)某單元進(jìn)行存儲(chǔ)或讀出數(shù)據(jù)時(shí)，必須先將該單元的地址碼送到地址總線上，然后再送出寫(xiě)或讀的指令才能完成操作。地址總線的導(dǎo)線根數(shù)與地址碼的位數(shù)、地址碼的傳遞方式有關(guān)。對(duì)于8位ECU，若地址碼采用二進(jìn)制16位一次傳遞方式，這樣，地址總線就有16根。

○ 控制總線連接著ECU系統(tǒng)中的其他元器件，其中CPU可通過(guò)控制總線隨時(shí)掌握各個(gè)元器件的狀態(tài)，并根據(jù)需要隨時(shí)向有關(guān)的元器件發(fā)出控制指令。

 

圖3  ECU電控系統(tǒng)電路圖

 

⑤ ECU的外部設(shè)備輸入級(jí)與輸出級(jí)。

在ECU控制系統(tǒng)中，除了ECU之外，還有一些外部設(shè)備，由此組成輸入級(jí)、輸出級(jí)。外部設(shè)備是溝通EC U與應(yīng)用對(duì)象之間聯(lián)系的I/O裝置。

○ 輸入級(jí)的作用

將系統(tǒng)中各傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過(guò)I/O接口電路送入ECU進(jìn)行處理，完成在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其各工況狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。在控制過(guò)程中，需要檢測(cè)與輸入的信號(hào)有模擬信號(hào)和脈沖數(shù)字信號(hào)2種。輸入外部設(shè)備是指電控柴油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)中所設(shè)置的各種傳感器（如進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度等傳感器），它們把所檢測(cè)到的信息輸入ECU進(jìn)行處理。

○ 輸出級(jí)的作用

在ECU與噴油器、點(diǎn)火線圈等執(zhí)行器件之間建立起聯(lián)系，將ECU處理信息后做出的決策指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行工作（動(dòng)作），它起到控制信號(hào)與放大信號(hào)的功用，由此輸出3 個(gè)控制信號(hào)∶噴油器驅(qū)動(dòng)信號(hào)、柴油泵驅(qū)動(dòng)信號(hào)、點(diǎn)火正時(shí)控制信號(hào)。輸出外部設(shè)備是指柴油噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)中的各個(gè)執(zhí)行元件（如電動(dòng)柴油泵、電磁式噴油器、點(diǎn)火線圈等），它們接收由ECU發(fā)出（輸出）的不同指令（信號(hào)）并作出操縱動(dòng)C.ECU控制系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展輸出級(jí)，以獲得更多的應(yīng)用。例如可擴(kuò)展對(duì)用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的節(jié)氣門(mén)后旁通閥進(jìn)行控制，對(duì)廢氣再循環(huán)中回流閥的控制，以及對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)渦流增壓機(jī)壓力的控制等。

 

三、EUC電控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

 

普通的柴油發(fā)電機(jī)具有熱效率高、功率范圍寬、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，在大功率柴油發(fā)電機(jī)中居主導(dǎo)地位。但柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)存在振動(dòng)、噪聲大，排放污染嚴(yán)重以及冷起動(dòng)困難等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)使得柴油發(fā)電機(jī)在整個(gè)發(fā)電設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)中仍處于劣勢(shì)狀態(tài)。為了改善柴油發(fā)電機(jī)的冷起動(dòng)性能，柴油車(chē)上一般加裝有起動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)，普通柴油柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)需要人工操作，而電控柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)預(yù)熱裝置由電控單元（簡(jiǎn)稱(chēng)ECU）直接控制。柴油發(fā)電機(jī)在低溫起動(dòng)時(shí)，由電控單元直接對(duì)其預(yù)熱裝置進(jìn)行控制，使柴油發(fā)電機(jī)能夠低溫快速起動(dòng)，大大改善了低溫的起動(dòng)性能。

1、 提高排放性能：

電控柴油發(fā)電機(jī)可根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷精確控制噴油量，使柴油發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下的煙度大大降低，從而提高發(fā)電機(jī)組的排放性能。此外，電控柴油發(fā)電機(jī)還采用選擇性催化還原技術(shù)，有效地減少和抑制顆粒物和氮氧化合物，或采用微粒捕集器技術(shù)有效地減少顆粒物和降低排放量。

2、 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性：

普通柴油柴油發(fā)電機(jī)機(jī)械磨損較為嚴(yán)重，會(huì)使噴油量、噴油正時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。電控柴油發(fā)電機(jī)的ECU能根據(jù)各種傳感器信號(hào)精確計(jì)算噴油量和噴油正時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械誤差，從而可以提高柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

3、 具有自診斷功能：

ECU能夠不斷地對(duì)柴油發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和連接線路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)傳感器及其連接電路出現(xiàn)故障時(shí)，ECU會(huì)確定故障，并以故障碼的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，為排除故障帶來(lái)方便。

4、 適應(yīng)性廣：

只要改變ECU的控制程序和數(shù)據(jù)，即對(duì)ECU重新編程，一種噴油泵就能廣泛地應(yīng)用在各種柴油發(fā)電機(jī)上。柴油發(fā)電機(jī)的燃油噴射技術(shù)可與變速器控制、怠速控制等各種控制系統(tǒng)進(jìn)行組合實(shí)行集中控制，縮短柴油發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，并可降低成本，從而擴(kuò)大柴油電控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

5、 提高運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性：

電控柴油發(fā)電機(jī)取消了機(jī)械式調(diào)速器，改用電子調(diào)速器。電子調(diào)速器響應(yīng)性良好，無(wú)論負(fù)荷如何增減，都不會(huì)使柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生波動(dòng)，保證柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

 

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