性能特點和作用說明

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

 

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)達國家競相開發(fā)柴油發(fā)電機電子控制系統(tǒng)（如康明斯公司），使得柴油發(fā)電機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。康明斯公司在本文中重點介紹了電控系統(tǒng)（ECU）的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和優(yōu)點等知識。

 

柴油發(fā)電機電控燃油系統(tǒng)圖

 

 

一、電控系統(tǒng)的工作原理

 

當發(fā)動機啟動時，ECU迅速進入工作狀態(tài)，某些程序或步驟從RAM中取出進入中央處理器（CPU）。這些程序可以是控制柴油噴射、控制點火時刻、控制怠速工況等。通過CPU的控制，一個個指令信號逐個地進行循環(huán)。在執(zhí)行程序過程中，所需要的發(fā)動機信息來自各個傳感器。從各個傳感器來的信號，首先進入輸入級（回路），對其信號進行處理。如是數(shù)字信號，根據(jù)CPU的安排，經(jīng)輸入/輸出（I/O）接口電路進入ECU；如是模擬信號，還要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，才能經(jīng)I/O接口電路進入ECU。

（1）信息儲存

大多數(shù)信息暫時存儲在RAM內(nèi)，再根據(jù)需要指令從RAM送到CPU。然后將存儲在RAM中的參考數(shù)據(jù)也引入到CPU并與傳感器輸入的信號進行比較。同時對來自有關(guān)傳感器的每一個信號依次取樣，并與參考數(shù)據(jù)進行比較。

（2）數(shù)據(jù)運算

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

（3）輸入電路

輸入電路的作用是將系統(tǒng)中各傳感器檢測到的信號（息）通過I/O接口電路接口送入ECU，完成柴油發(fā)電機在運行過程中對其各工況狀態(tài)的實時檢測任務(wù)。需要檢測與輸入的信號有模擬信號和數(shù)字信號2種。從傳感器輸入來的信號首先進入輸入回路，在輸入回路中對輸入的信號進行預(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)和工作過程

 

ECU是發(fā)動機電控系統(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，用內(nèi)存程序（ECU進行處理的順序）和數(shù)據(jù)事先編好并存在存儲器內(nèi)，使用時通過傳感器啟動相應(yīng)程序，即可實現(xiàn)自動控制。發(fā)電機組ECU 系統(tǒng)只需用一定容量的半導(dǎo)體存儲器便可滿足內(nèi)存要求，無需設(shè)置外存儲器。在ECU控制系統(tǒng)中，為了收集和檢測各種參數(shù)，采用了許多檢測元件（如傳感器）和儀表。其主要作用是把被檢測參數(shù)由非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚鐭犭娕及褱囟刃盘栕兂呻妷海╩V）信號，壓力傳感器把壓力信號變成電壓信號等。這些信號被轉(zhuǎn)變成統(tǒng)一的標準電壓后再送入ECU進行比較和運算處理。因而檢測元件的精度直接決定著整個控制系統(tǒng)的控制精度。為把ECU運算處理的結(jié)果（如噴油器的噴油信號、點火正時信號等）的命令、指令轉(zhuǎn)化為控制行為、動作并付諸實施，ECU需要配有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有電動的、液動的或氣動的等形式，如步進電動機、電磁閥等。

 

圖2  ECU電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

 

 

① CPU

CPU是整個控制系統(tǒng)的核心。CPU由進行算術(shù)/邏輯運算的運算器、暫時存儲數(shù)據(jù)的寄存器、按照程度執(zhí)行各裝置之間信號傳送及控制任務(wù)的控制器等組成，如圖2（b）所示。CPU的工作是在時鐘脈沖發(fā)生器的操作下進行的。當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ECU工作過程進行隨時控制。

② 存儲器

存儲器主要是用來存放程序、數(shù)據(jù)和表格、地圖等，可按需要進行讀?。ㄗx操作）或存入（寫操作）。存儲器由多個存儲單元組成，每個單元有一編號，稱為單元地址。每個單元通常存放一個有獨立意義的代碼，稱為一個字，代碼位數(shù)稱為字長。隨機存儲器（RAM）主要是用于存儲ECU在操作時的可變數(shù)據(jù)，如暫存ECU輸入的信息，供CPU進行運算使用，如各種傳感器輸送給ECU的信息與計算過程中產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)等，都可以暫時存儲在RAM內(nèi)，根據(jù)需要可隨時調(diào)出或被新的數(shù)據(jù)代替（改寫）。存儲在RAM的有些數(shù)據(jù)，如空燃比學(xué)習修正、故障碼等，為了能較長期地保存，防止點火開關(guān)斷開時由于電源被切斷而造成數(shù)據(jù)丟失，一般這種RAM都通過專用的電源后備電路與蓄電池直接連接，使RAM 不受點火開關(guān)控制。當然，當電源后備專用電路斷開時或蓄電池上的電源線被拔掉時，存入RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)也會自然消失。

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)行器間進行信息交流的控制電路。根據(jù)CPU的命令，輸入ECU 的信號以所需要的頻率通過I/O接口電路接收，而ECU輸出的信號則也是按發(fā)出控制信號的形式與要求通過I/O接口電路以最佳的處理速度輸出或送入中間存儲器。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I/O接口才能與ECU連接，因此I/O接口是ECU與被控制對象進行信息交換的紐帶，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、存儲器（ROM、RAM）、I/O接口通過傳遞信息的總線連接起來，它們之間的信息交換均要通過總線進行?？偩€一般包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線3根?？偩€利用數(shù)據(jù)、存儲地址、控制信號來對系統(tǒng)中的各個元器件講行操作控制，同時利用連接總線的方式可擴充系統(tǒng)的存儲器與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完成的。在ECU總線上，各元器件之間的通信主要靠地址碼準確地進行聯(lián)系。例如需要對存儲器內(nèi)某單元進行存儲或讀出數(shù)據(jù)時，必須先將該單元的地址碼送到地址總線上，然后再送出寫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)。對于8位ECU，若地址碼采用二進制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可通過控制總線隨時掌握各個元器件的狀態(tài)，并根據(jù)需要隨時向有關(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)備輸入級與輸出級。

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、輸出級。外部設(shè)備是溝通EC U與應(yīng)用對象之間聯(lián)系的I/O裝置。

○ 輸入級的作用

將系統(tǒng)中各傳感器檢測到的信號經(jīng)過I/O接口電路送入ECU進行處理，完成在柴油發(fā)電機運行過程中對其各工況狀態(tài)的實時檢測。在控制過程中，需要檢測與輸入的信號有模擬信號和脈沖數(shù)字信號2種。輸入外部設(shè)備是指電控柴油噴射發(fā)動機中所設(shè)置的各種傳感器（如進氣溫度、進氣流量、發(fā)動機冷卻液溫度等傳感器），它們把所檢測到的信息輸入ECU進行處理。

○ 輸出級的作用

在ECU與噴油器、點火線圈等執(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)榭刂菩盘杹眚?qū)動執(zhí)行器進行工作（動作），它起到控制信號與放大信號的功用，由此輸出3 個控制信號∶噴油器驅(qū)動信號、柴油泵驅(qū)動信號、點火正時控制信號。輸出外部設(shè)備是指柴油噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)中的各個執(zhí)行元件（如電動柴油泵、電磁式噴油器、點火線圈等），它們接收由ECU發(fā)出（輸出）的不同指令（信號）并作出操縱動C.ECU控制系統(tǒng)還可以進一步擴展輸出級，以獲得更多的應(yīng)用。例如可擴展對用于調(diào)節(jié)怠速轉(zhuǎn)速的節(jié)氣門后旁通閥進行控制，對廢氣再循環(huán)中回流閥的控制，以及對增壓發(fā)動機渦流增壓機壓力的控制等。

 

三、EUC電控系統(tǒng)的優(yōu)點

 

普通的柴油發(fā)電機具有熱效率高、功率范圍寬、適應(yīng)性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)的各個領(lǐng)域，在大功率柴油發(fā)電機中居主導(dǎo)地位。但柴油發(fā)電機同時存在振動、噪聲大，排放污染嚴重以及冷起動困難等缺點，這些缺點使得柴油發(fā)電機在整個發(fā)電設(shè)備的競爭中仍處于劣勢狀態(tài)。為了改善柴油發(fā)電機的冷起動性能，柴油車上一般加裝有起動預(yù)熱系統(tǒng)，普通柴油柴油發(fā)電機起動預(yù)熱系統(tǒng)需要人工操作，而電控柴油發(fā)電機進預(yù)熱裝置由電控單元（簡稱ECU）直接控制。柴油發(fā)電機在低溫起動時，由電控單元直接對其預(yù)熱裝置進行控制，使柴油發(fā)電機能夠低溫快速起動，大大改善了低溫的起動性能。

1、 提高排放性能：

電控柴油發(fā)電機可根據(jù)柴油發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和負荷精確控制噴油量，使柴油發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)工況下的煙度大大降低，從而提高發(fā)電機組的排放性能。此外，電控柴油發(fā)電機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、 動力性和經(jīng)濟性：

普通柴油柴油發(fā)電機機械磨損較為嚴重，會使噴油量、噴油正時產(chǎn)生較大的誤差。電控柴油發(fā)電機的ECU能根據(jù)各種傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時，不會產(chǎn)生機械誤差，從而可以提高柴油發(fā)電機的動力性和經(jīng)濟性。

3、 具有自診斷功能：

ECU能夠不斷地對柴油發(fā)電機電控系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和連接線路進行監(jiān)測，當傳感器及其連接電路出現(xiàn)故障時，ECU會確定故障，并以故障碼的形式進行存儲，為排除故障帶來方便。

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)電機上。柴油發(fā)電機的燃油噴射技術(shù)可與變速器控制、怠速控制等各種控制系統(tǒng)進行組合實行集中控制，縮短柴油發(fā)電機電控系統(tǒng)開發(fā)周期，并可降低成本，從而擴大柴油電控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

5、 提高運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性：

電控柴油發(fā)電機取消了機械式調(diào)速器，改用電子調(diào)速器。電子調(diào)速器響應(yīng)性良好，無論負荷如何增減，都不會使柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生波動，保證柴油發(fā)電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

 

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