性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

康明斯柴油機ECU電控系統的結構原理及其優(yōu)點(diǎn)

 

導讀：隨著(zhù)電子技術(shù)的應用不斷增加，世界上許多發(fā)達國家競相開(kāi)發(fā)柴油發(fā)電機電子控制系統（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（ECU）的工作原理、結構組成和優(yōu)點(diǎn)等知識。

 

柴油發(fā)電機電控燃油系統圖

 

 

一、電控系統的工作原理

 

當發(fā)動(dòng)機啟動(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)指令信號逐個(gè)地進(jìn)行循環(huán)。在執行程序過(guò)程中，所需要的發(fā)動(dòng)機信息來(lái)自各個(gè)傳感器。從各個(gè)傳感器來(lái)的信號，首先進(jìn)入輸入級（回路），對其信號進(jìn)行處理。如是數字信號，根據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，還要經(jīng)過(guò)A/D轉換器轉換成數字信號后，才能經(jīng)I/O接口電路進(jìn)入ECU。

（1）信息儲存

大多數信息暫時(shí)存儲在RAM內，再根據需要指令從RAM送到CPU。然后將存儲在RAM中的參考數據也引入到CPU并與傳感器輸入的信號進(jìn)行比較。同時(shí)對來(lái)自有關(guān)傳感器的每一個(gè)信號依次取樣，并與參考數據進(jìn)行比較。

（2）數據運算

CPU對這些數據比較運算后，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轉換變成模擬信號。最后經(jīng)輸出級（回路）去控制執行器的動(dòng)作。若是噴油器的驅動(dòng)信號，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，則控制點(diǎn)火線(xiàn)圈的通與斷，使次級產(chǎn)生高壓擊穿火花塞氣隙進(jìn)行跳火。發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，ECU的運算速度是相當快的，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高。

（3）輸入電路

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

 

圖1  輸入回路的作用圖

 

二、ECU結構和工作過(guò)程

 

ECU是發(fā)動(dòng)機電控系統的神經(jīng)中樞，通常采用數字式ECU。ECU主要由CPU、存儲器和I/O接口、信息傳遞總線(xiàn)等組成，如圖2（a）所示，ECU與CPU的組成圖ECU根據需要，能把各種傳感器送入的信號，用內存程序（ECU進(jìn)行處理的順序）和數據事先編好并存在存儲器內，使用時(shí)通過(guò)傳感器啟動(dòng)相應程序，即可實(shí)現自動(dòng)控制。發(fā)電機組ECU 系統只需用一定容量的半導體存儲器便可滿(mǎn)足內存要求，無(wú)需設置外存儲器。在ECU控制系統中，為了收集和檢測各種參數，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由非電量轉變?yōu)殡娏?，如熱電偶把溫度信號變成電壓（mV）信號，壓力傳感器把壓力信號變成電壓信號等。這些信號被轉變成統一的標準電壓后再送入ECU進(jìn)行比較和運算處理。因而檢測元件的精度直接決定著(zhù)整個(gè)控制系統的控制精度。為把ECU運算處理的結果（如噴油器的噴油信號、點(diǎn)火正時(shí)信號等）的命令、指令轉化為控制行為、動(dòng)作并付諸實(shí)施，ECU需要配有執行機構。常用的執行機構有電動(dòng)的、液動(dòng)的或氣動(dòng)的等形式，如步進(jìn)電動(dòng)機、電磁閥等。

 

圖2  ECU電控系統結構原理圖

 

 

① CPU

CPU是整個(gè)控制系統的核心。CPU由進(jìn)行算術(shù)/邏輯運算的運算器、暫時(shí)存儲數據的寄存器、按照程度執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(shí)鐘脈沖發(fā)生器的操作下進(jìn)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(guò)程進(jìn)行隨時(shí)控制。

② 存儲器

存儲器主要是用來(lái)存放程序、數據和表格、地圖等，可按需要進(jìn)行讀?。ㄗx操作）或存入（寫(xiě)操作）。存儲器由多個(gè)存儲單元組成，每個(gè)單元有一編號，稱(chēng)為單元地址。每個(gè)單元通常存放一個(gè)有獨立意義的代碼，稱(chēng)為一個(gè)字，代碼位數稱(chēng)為字長(cháng)。隨機存儲器（RAM）主要是用于存儲ECU在操作時(shí)的可變數據，如暫存ECU輸入的信息，供CPU進(jìn)行運算使用，如各種傳感器輸送給ECU的信息與計算過(guò)程中產(chǎn)生的中間數據等，都可以暫時(shí)存儲在RAM內，根據需要可隨時(shí)調出或被新的數據代替（改寫(xiě)）。存儲在RAM的有些數據，如空燃比學(xué)習修正、故障碼等，為了能較長(cháng)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據丟失，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。當然，當電源后備專(zhuān)用電路斷開(kāi)時(shí)或蓄電池上的電源線(xiàn)被拔掉時(shí)，存入RAM內的數據也會(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、輸出執行器間進(jìn)行信息交流的控制電路。根據CPU的命令，輸入ECU 的信號以所需要的頻率通過(guò)I/O接口電路接收，而ECU輸出的信號則也是按發(fā)出控制信號的形式與要求通過(guò)I/O接口電路以最佳的處理速度輸出或送入中間存儲器。ECU系統所用的外部I/O設備一般都備有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與被控制對象進(jìn)行信息交換的紐帶，也是ECU系統不可缺少的部分，它起著(zhù)數據緩沖、電壓匹配、時(shí)序匹配等多種作用。

④ ECU系統總線(xiàn)

ECU系統總線(xiàn)是一束用于傳遞內部信息的連線(xiàn)，如圖3所示。在ECU系統中，CPU、存儲器（ROM、RAM）、I/O接口通過(guò)傳遞信息的總線(xiàn)連接起來(lái)，它們之間的信息交換均要通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行?？偩€(xiàn)一般包括數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)3根?？偩€(xiàn)利用數據、存儲地址、控制信號來(lái)對系統中的各個(gè)元器件講行操作控制，同時(shí)利用連接總線(xiàn)的方式可擴充系統的存儲器與I/O的功能。

○ 數據總線(xiàn)主要用于傳遞指令與數據。數據總線(xiàn)由幾根導線(xiàn)組成，一般導線(xiàn)數是與數據的位數——對應的，如普通的8位ECU的數據總線(xiàn)應由8根導線(xiàn)組成。

○ 地址碼的傳遞是由地址總線(xiàn)來(lái)完成的。在ECU總線(xiàn)上，各元器件之間的通信主要靠地址碼準確地進(jìn)行聯(lián)系。例如需要對存儲器內某單元進(jìn)行存儲或讀出數據時(shí)，必須先將該單元的地址碼送到地址總線(xiàn)上，然后再送出寫(xiě)或讀的指令才能完成操作。地址總線(xiàn)的導線(xiàn)根數與地址碼的位數、地址碼的傳遞方式有關(guān)。對于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(xiàn)就有16根。

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

 

圖3  ECU電控系統電路圖

 

⑤ ECU的外部設備輸入級與輸出級。

在ECU控制系統中，除了ECU之外，還有一些外部設備，由此組成輸入級、輸出級。外部設備是溝通EC U與應用對象之間聯(lián)系的I/O裝置。

○ 輸入級的作用

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

○ 輸出級的作用

在ECU與噴油器、點(diǎn)火線(xiàn)圈等執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變?yōu)榭刂菩盘杹?lái)驅動(dòng)執行器進(jìn)行工作（動(dòng)作），它起到控制信號與放大信號的功用，由此輸出3 個(gè)控制信號∶噴油器驅動(dòng)信號、柴油泵驅動(dòng)信號、點(diǎn)火正時(shí)控制信號。輸出外部設備是指柴油噴射系統、點(diǎn)火系統中的各個(gè)執行元件（如電動(dòng)柴油泵、電磁式噴油器、點(diǎn)火線(xiàn)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(dòng)C.ECU控制系統還可以進(jìn)一步擴展輸出級，以獲得更多的應用。例如可擴展對用于調節怠速轉速的節氣門(mén)后旁通閥進(jìn)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(dòng)機渦流增壓機壓力的控制等。

 

三、EUC電控系統的優(yōu)點(diǎn)

 

普通的柴油發(fā)電機具有熱效率高、功率范圍寬、適應性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于現代化建設的各個(gè)領(lǐng)域，在大功率柴油發(fā)電機中居主導地位。但柴油發(fā)電機同時(shí)存在振動(dòng)、噪聲大，排放污染嚴重以及冷起動(dòng)困難等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)使得柴油發(fā)電機在整個(gè)發(fā)電設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(dòng)性能，柴油車(chē)上一般加裝有起動(dòng)預熱系統，普通柴油柴油發(fā)電機起動(dòng)預熱系統需要人工操作，而電控柴油發(fā)電機進(jìn)預熱裝置由電控單元（簡(jiǎn)稱(chēng)ECU）直接控制。柴油發(fā)電機在低溫起動(dòng)時(shí)，由電控單元直接對其預熱裝置進(jìn)行控制，使柴油發(fā)電機能夠低溫快速起動(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)電機可根據柴油發(fā)電機的轉速和負荷精確控制噴油量，使柴油發(fā)電機在穩態(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(dòng)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(huì )使噴油量、噴油正時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。電控柴油發(fā)電機的ECU能根據各種傳感器信號精確計算噴油量和噴油正時(shí)，不會(huì )產(chǎn)生機械誤差，從而可以提高柴油發(fā)電機的動(dòng)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)電機電控系統中的傳感器、執行器和連接線(xiàn)路進(jìn)行監測，當傳感器及其連接電路出現故障時(shí)，ECU會(huì )確定故障，并以故障碼的形式進(jìn)行存儲，為排除故障帶來(lái)方便。

4、 適應性廣：

只要改變ECU的控制程序和數據，即對ECU重新編程，一種噴油泵就能廣泛地應用在各種柴油發(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進(jìn)行組合實(shí)行集中控制，縮短柴油發(fā)電機電控系統開(kāi)發(fā)周期，并可降低成本，從而擴大柴油電控系統的應用范圍。

5、 提高運轉平穩性：

電控柴油發(fā)電機取消了機械式調速器，改用電子調速器。電子調速器響應性良好，無(wú)論負荷如何增減，都不會(huì )使柴油發(fā)電機運轉產(chǎn)生波動(dòng)，保證柴油發(fā)電機運轉平穩。

 

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