电子控制单元(ECU)的作用是按照预置程序对各个传感器输入的信息进行运算、处理判断,然后发出指令,控制有关执行元件(如喷油器等)动作,以达到快速、准确、自动控制发动机工作的目的。 1.电子控制单元的组成。 它主要由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入和输出接口电路、驱动电路和固化在ROM中的发动机控制程序和原始数据等组成(见图1-54)。
(1)输入回路。它对各种输入信号进行预处理,一般包括除去杂波、把正弦波转换成矩形波及电平转换等。
(2)A/D转换器。数字计算机只能处理数字信号,AD转换器将模拟信号转换成数字信号,再输入给电子控制单元进行处理。
(3)微机。微机是发动机电控系统的神经中枢,它主要由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入输出接口(IO)等组成微机根据需要把各种传感器送来的信号用内存的程序和数据进行运算处理,并把处理结果(如喷油脉冲信号、点火控制信号等)送往输出回路。
(4)输出回路。输出电路是微机与执行器之间的连接部分,它将微机发出的控制指令,转变成控制信号来驱动执行器工作,起着控制信号生成和放大等功能。微机输出的是数字信号,而且输出信号很小,用这种信号一般不能直接驱动执行器工作,需要输出电路将其转换成可以驱动执行器工作的控制信号,如喷油器驱动信号、点火控制信号、燃油泵控制信号等。
2.汽油喷射的控制过程。
电控汽油喷射系统的工作过程就是对喷油正时和喷油持续时间(即喷油量)的控制过程。
(1)喷油正时控制喷油。正时控制就是对喷油器开始喷油时刻的控制。多点间歇喷射汽油机的喷油时刻控制分为同步喷射和异步喷射两种方式。
同步喷射是指汽油的喷射与发动机运转同步,ECU根据曲轴的转角位置来控制开始喷射的时刻。在发动机稳定工况的大部分运转时间里,汽油喷射控制系统以同步方式工作。
1)同时喷射正时控制。所有喷油器共用一个驱动器,如图1-55所示,由ECU控制同时喷油和停油,则各缸由喷油至进气的时间间隔都不相同,各进气歧管存油及蒸发的时间长短不样,各缸喷油时间不是最佳,可能会导致各缸形成的混合气浓度不一致。
ECU根据曲轴位置传感器的基准信号确定喷油控制信号,以发动机最先进入做功行程的缸为基准,在该缸排气行程上止点前某一位置,ECU输出指令信号,接通所有喷油器电磁线圈电路,各缸喷油器开始喷油。因此,这种控制方式不需要汽缸判别信号。通常曲轴每转一圈,各缸喷油器同时喷射一次,同时喷射正时图如图1-56所示。此种控制方式目前已经很少采用。
2)分组喷射正时控制。把喷油器分成几组,每组2个或每组3个喷油器,同组的2~3个喷油器共用一个ECU中的驱动器,如图1-57所示,以各组最先进入做功的缸为基准,在该缸排气行程上止点前某一位置,ECU输出指令信号,接通该组喷油器电磁线圈电路,该组喷油器开始喷油。四缸发动机是把喷油器分为两组,发动机工作时,两组喷油器轮流交替喷油,般曲轴每转一圈,只有一组喷油器喷油,如图1-58所示。
3)顺序喷射正时控制。发动机一个工作循环期间,各缸喷油器都轮流喷油一次,和发动机的点火顺序相对应,喷油是在排气上止点前一定的曲轴转角位置开始,一般在进气门打开之前完成喷油。其喷油器的控制电路如图1-59所示,喷油器驱动回路数与汽缸数目相等。顺序喷射控制各缸混合气浓度分配均匀,控制精度高,喷油系统和点火系统程序控制,广泛使用在无分电器直接点火的发动机上。
在顺序喷射正时控制中,ECU首先要判断出哪一个汽缸的活塞运行至排气上止点前某角度,这就需要根据凸轮轴位置传感器信号、曲轴位置传感器信号和发动机的做功顺序来确定各缸工作位置。当确定某缸活塞运行至排气行程上止点前某一位置时,ECU输出喷油控制信号,接通喷油器电磁线圈电路,该缸开始喷油。如图1-60所示,喷油顺序和做功顺序一致为1-3-4-2。
异步喷射是指ECU只是根据传感器的输入信号控制开始喷油时刻,与曲轴转角位置无关异步喷射方式是一种临时的补偿性喷射,发动机处于起动、加速等非稳定工况时,汽油喷射控制系统以异步喷射方式工作或增加异步喷射对同步喷射的喷油量进行补偿。
汽车急加速时,ECU除了对同步喷射进行加速时燃油增量修正外,还控制喷油器进行异步喷射,以提高汽车的加速性能。
异步喷射的时间如图1-61所示,它表明了加速时,节气门开度、吸入空气量与各缸进气行程的对应关系。
Gal是ECU计算同步喷射持续时间TA所依据的空气质量。在TA内喷射的油量正好与Gal匹配,达到目标空燃比。假定在进气行程A实际吸入第1缸的空气质量为Ga2,此时空气质量增加了ΔGal,则按同步喷射持续时间TA喷入第1缸的油量就显得不足,混合气偏稀。按工作顺序,假定在进气行程B实际吸入第3缸的空气质量为Ga3,此时空气质量增加了△Ga2,则按同步喷射持续时间TA喷入第3缸的油量也显得不足,混合气也偏稀。为了补充与空气增量△Gal和△Ga2相对应的汽油喷射量,就必须进行异步喷射。
ECU根据节气门开度的变化,对异步喷射及喷油量进行控制。在一定时间间隔(如10~20ms),节气门开度变化量越大,吸入空气的增量就越大,异步喷射的喷油量也越多。
(2)唢油持续时间(即喷油量)控制。电控汽油喷射系统对喷油量精确控制就是通过精确地确定和控制喷油的持续时间来实现的。根据发动机的运行特点,喷油持续时间控制分为起动时喷油持续时间的控制和起动后喷油持续时间的控制。
发动机起动时的基本喷油时间不是根据进气量(或进气支管绝对压力)和发动机转速确定的,这与发动机起动后的控制方式不同。发动机起动时,由于转速低且波动大,因此,ECU不能用进气量来计算喷油量,而是根据发动机的热状态决定。即ECU根据发动机当时的冷却液温度,从预存的水温一喷油时间数据图表中找出相应的基本喷油时间,然后进行进气温度和蓄电池电压修正,得到起动时的喷油持续时间。
有些电控汽油喷射系统为改善发动机起动性能,在起动时,除同步喷射外,还根据起动开关接通状态,ECU自曲轴位置传感器检测到的第一个转速信号开始,以一个固定的喷油持续时间,同时向各缸进行异步喷射,以补充冷起动过程中对燃油量的额外要求。
发动机起动后喷油持续时间由发动机转速和进气量确定的基本喷油持续时间、由发动机运行状态参数决定的修正喷油持续时间构成。
(3)断油控制。断油控制是指ECU停止向喷油器驱动电路发送喷射信号,喷油器暂停工作。电控汽油杋中,ECU停油控制基于两种情况:以降低燃油消耗,改善排气污染为目的的减速断油控制;以防止发动机超速损坏为目的的超速断油控制。
1)减速时断油控制。当发动机在高转速运行下节气门突然关闭时,发动机处于强制怠速工况,这种工况一般为汽车减速运行工况,发动机不再需要供应燃油,为避免混合气过浓,燃油经济性和排放变坏,ECU执行减速断油控制,喷油器停止喷油。当发动机转速降至预设转速,或节气门重新打开时,ECU才使喷油器恢复喷油
断油转速和恢复喷油转速与冷却水温度,空调是否工作,用电器用电情况等因素有关。
发动机水温越低,断油转速越高。减速时断油和恢复供油的转速特性如图1-62所示。
2)超速时断油控制。当发动机转速过高,可能引起发动机损坏时,ECU执行发动机超速断油控制,对发动机的最高转速进行限制。
Bosch公司 Motronic系统中采用切断燃油供给的电子限速装置,如图1-63所示。发动机运行时,ECU将发动机的实际转速与存储在ROM中的最高转速进行比较,当转速超过设定转速时,ECU停止输出喷油信号,转速下降至设定转速时再恢复喷油,如此反复循环,从而防止发动机转速继续上升。
3.故障自诊断系统。
现代汽车发动机电控系统中,一般都设有故障自诊断功能,该系统还可监测诊断发动机。
控制系统工作情况及工作中出现的故障。它一般具有如下功能:
(1)及时地检测出电控系统出现的故障。
(2)将故障信息以代码形式存储在ECU的存储器内。
(3)发出故障指示或警告信息,如点亮仪表板上的“故障指示灯”。
(4)维修人员可以读取故障码,为诊断故障原因提供参考。
般在仪表板下方或发动机舱内设有一个专用接口(简称OBD-Ⅱ),即故障诊断接口,该接口直接与ECU相连,如图1-64所示。将解码器或检测设备插入此专用接口,便可将故障码或诊断的传感器、执行器等信号的数据流读出,以便在控制系统出现故障时,能及时、快速地查找和排除。
4.安全保险功能。
安全保险功能又叫故障保险功能,它是电子控制单元检测出故障后,采取的一种保险措施。当某个传感器或执行器出现故障时,如果发动机ECU仍然按照正常方式继续控制发动机运转,就有可能使发动机或有关部件出现更严重的问题。安全保险功能主要依靠ECU内的软件来实现。当系统诊断出有故障出现时,一方面发出故障警告信号、保存故障码;另一方面ECU会自动启用安全保险功能,按照存储器内设定的程序和数据,使控制系统继续工作或强制停机。
5.后备系统。
后备系统也叫后备功能,它是当ECU内电子控制单元控制程序出现故障时,ECU把燃油喷射和点火正时控制在预定水平上,作为一种备用功能使车辆仍能继续慢速行驶,回到修理厂所以,也称之为跛行系统。
图1-65是发动机ECU后备系统的原理框图。其后备系统为一专用后备电路,由集成电路组成。监视回路中装有监视计数器,正常工作情况下,电子控制单元定时进行清零。出现异常情况时,例行程序不能正常运行。如果这时计数器的定期清零工作不能进行,计算机显示溢出当监视器发现计算机溢岀,就能检测出异常情况。当监视器监测出电子控制单元出现异常情况而满足启用后备系统的条件时,首先点亮“发动机故障灯”,提示驾驶员发动机已出现故障,需要进行维修;与此同时,ECU自动转换成简易控制的后备功能。
后备系统只是简易控制,只能维持基本功能,使车辆能够慢速行驶,而不能保证发动机运行在最佳状态,不宜在“后备”状态下长时间行驶,应及时检查修理。
丰田雷克萨斯LS-400电控汽油喷射系统电路图,如图1-66所示。
桑塔纳2000 GSi AJR发动机电控系统电路图,如图1-67、图1-68所示。
