电子控制器：发动机性能提升的关键

1.电子控制器的组成

电子控制器常用ECU（Electronic Control Unit）表示，有的用ECM、EEC等表示，有些则用PCM表示（发动机和变速器共用）。ECU的作用是接收来自各种传感器的信息，经过快速地处理、运算、分析和判断后，适时地输出控制指令，控制执行器动作，借以控制发动机。ECU的核心部件是微型计算机，即微机（电脑），所以有时简单地将ECU称为微机或电脑。

发动机微机控制装置的基本结构如图4-47所示，主要由输入回路、A/D转换器、微型计算机和输出回路组成。

图4-47 电子控制装置的基本组成

（1）输入回路 由于微机的中央处理器CPU只能对一些规定的信号进行处理，所以从传感器传递的输入信号一般都要经过输入回路滤波、整形、放大等处理后才能被处理器接收并进行运算控制，输入回路作用示意如图4-48所示。

图4-48 输入回路的作用

（2）A/D转换器 从传感器输出的信号有两种：一种是模拟信号，如进气压力传感器（热模式空气流量计）输出的信号；另一种是数字信号，如霍尔式传感器输出的信号，如图4-49所示。这些信号首先通过输入回路，其中数字信号直接进入计算机，模拟信号则由A/D转换器转换成数字信号之后再输入计算机。因为计算机只能处理数字信号，所以对模拟信号必须进行转换，将输入的模拟信号转换成数字信号后，再输入到计算机中。

图4-49 传感器输出信号的种类

a）模拟信号 b）数字信号

如空气流量传感器输入的为0～5V的模拟电压信号，当输入电平与A/D转换器设定量程相同时，则模拟信号经A/D转换器转换成数字量后，才能输入微机，如图4-50所示。

图4-50 A/D转换器工作过程示意图

（3）微型计算机 微机的功能是根据发动机工作的需要，把各种传感器送来的信号用内存的程序（微机处理的程序）和数据进行运算处理，并把处理结果如点火控制信号、燃油喷射控制信号等送往输出回路。微型计算机主要由中央处理器CPU、存储器、输入/输出（I/O）接口电路四部分组成，如图4-51所示。

图4-51 微型计算机的基本组成

1）中央处理器。中央处理器CPU是计算机的核心，具有数据处理的能力，用来执行预先写入在存储器里的程序。即按照程序的顺序，从存储器中读取执行命令并译码，并从输入通道或存储通道读取运算对象。CPU能进行数据运算和逻辑运算，再将其运算结果储存到存储器，或通过输出通道，从而驱动转换执行装置。

2）存储器。存储器是用来储存程序指令和数据的部件。它由随机存储器RAM和只读存储器ROM两部分组成。

随机存储器RAM中的信息既可随时写入或读出，也可随时改写，改写时不必擦除原有内容，在计算机中只具有暂时存储信息的作用，当切断电源后，数据全部消失。因此为了能较长期的保存一些存入RAM中的数据，如故障码、空燃比学习值等，一般这些RAM都用专用的后备电路与蓄电池直接连接，使它不受点火开关控制，但当电源后备专用电路断开时或蓄电池的电源线拔掉时，存入RAM中的数据也会消失。

只读存储器ROM中的数据一旦写入就不可更改，只能读出。实质上，ROM是一次性写入、可随时读出的存储器。写入ROM中的信息是在脱机状态下进行的，所记录的信息不会由于断电而被破坏，也不会由于断电而消失。只读存储器用来存储制造厂家编制的控制程序、运行程序和原始实验数据（如最佳点火提前角的三维脉谱图数据和最佳混合气的喷油三维脉谱图数据等），即使点火开关断开或切断电源，ROM中存储的这些信息也不会丢失，可以长期保存。现在随着计算机技术的飞速发展，又相继开发了PROM、EPROM和EEP-ROM等几种新型的只读存储器，这些存储器通过特定操作可以改写存储内容。

3）输入/输出装置。输入/输出装置一般称为I/O接口。它的作用是根据中央处理器的命令，在外部传感器和执行器之间执行数据传送任务，是微机与外界进行信息交换的纽带。

4）总线。总线是一束传递信息的内部连线。在微机系统中，中央处理器、存储器与输入、输出口，通过传递信息的总线连接起来，它们之间的信息交换均要通过总线进行。总线按传递信息的类别可分为数据总线、地址总线与控制总线三种，如图4-52所示。

图4-52 微机系统总线

数据总线：主要用于传递数据和指令。

地址总线：用于传递地址码。在微机总线上，各器件之间的通信，主要是靠地址码准确地进行联系。例如需要对存储器内某单元进行存储或读出数据时，必须先将该单元的地址码送到地址总线上，然后再送出写入或读出的指令，才能完成操作。

控制总线：CPU可以通过它随时掌握各器件的状态，并根据需要随时向有关器件发出控制指令。

（4）输出回路 微机输出的是数字信号，而且输出电流很小，不能驱动执行器工作，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、电磁阀、继电器等，图4-53所示为喷油器驱动信号示意图。

图4-53 控制喷油器的输出回路

控制输出回路中，通过功率管（实际电子电路中不只是一个晶体管）的导通和截止，为喷油器提供一定宽度的脉冲驱动信号。在顺序喷射的驱动回路中，还应有缸序判别与喷油定时两个定量功能，以达到喷油正时和精确地控制喷油量的目的；有的还有保护、监测等功能。

目前的发动机电子控制器除上述基本装置外，还把电源装置、电磁干扰保护装置、自检装置、后备系统等组装在一起，装在一个盒子里，结构十分紧凑，使控制器的工作相当可靠。随着发动机性能的不断提高，要求控制的对象不断增多，加之微机芯片的功能不断增加，发动机电子控制器的性能会更加先进，控制功能会越来越强。

2.电子控制系统的工作过程

发动机起动时，电子控制器进入工作状态，某些程序或步骤从ROM中取出，进入CPU。这些程序可以是控制点火时刻、控制燃油喷射、控制怠速等。通过CPU的控制，一个个指令逐个地进行循环。

执行程序过程中，所需的发动机信息，来自各个传感器，从传感器来的信号，首先进入输入回路，对其信号进行处理。如果是数字信号，根据CPU的安排，经I/O接口直接进入微机；如果是模拟信号，还要经过A/D转换，转换成数字信号后，才能经I/O接口进入微机。大多数信息，暂时存储在RAM内，根据指令再从RAM送至CPU。下一步是将存储在ROM（或PROM）中的参考数据引入CPU，使输入传感器的信息与之进行比较。对来自有关传感器的每一个信号，依次取样，并与参考数据进行比较。CPU对这些数据比较运算后，作出决定并发出输出指令信号，经I/O接口，必要的信号还经D/A转换器转变成模拟信号，最后经输出回路去控制执行器动作。如是喷油器驱动信号，则控制喷油正时和喷油脉宽，完成控制喷油器功能。

发动机工作时，微机的运行速度是相当快的，如点火正时，每秒钟可以修正上百次，因此其控制精度是相当高的。

简单地讲，电子控制器是按照预先设计的程序，根据安装在车辆和发动机上的各种传感器和开关传输的信息，包括模拟信号和数字信号，进行计算、比较、分析，完成各种处理，求出最佳喷油时间和最合适的喷油量，并且计算出在什么时刻、在多长的时间范围内向执行器发出动作指令，执行各种预定的控制功能，从而精确控制发动机的工作过程。

由于发动机的工作是高速变化的，而且要求计算精度高，处理速度快，因此ECU的性能应当随发动机技术的发展而发展，微处理器的内存越来越大，信息处理能力越来越高。

图4-54是日本电装公司ECD-U2共轨系统与五十铃汽车公司6HK1-TC柴油机实际配用的ECU。由图4-54可见，当时所采用的ECU的接插座有120针。

图4-54 ECD-U2共轨系统的ECU硬件图

根据博世公司介绍，在ECU方面，10年前使用的是8位的控制器，而现在已用新一代32位控制器，具有相当于700万只晶体管的功能，几乎具有相当于Pentium-Ⅱ处理器的工作能力，处理能力提高了4倍，记忆功能增加了30倍。10年前匹配发动机仅需用到500个参数，由于功能扩大，而今匹配发动机需要用到6000多个参数。因此，接插座在1989年时大约要用55针，现在轿车电子控制器用的接插座已经用到154针。

图4-55是轿车柴油机管理系统所使用的信息量。(www.xing528.com)

3.名词解释

（1）模拟电压信号 模拟电压信号在一定范围内是连续地变化，柴油发动机的电脑控制系统，大多数的传感器都是产生模拟电压信号，例如各种温度传感器、转速传感器等，其电压变化都不是突然地升高或降低，而是进行连续的变化。

例如使用变阻器来控制5V灯泡的亮或暗，为模拟电压的例子。

如图4-56所示。变阻器电压低时，少量电流流过灯泡，灯泡亮度暗淡，如图4-56b所示，相当于送出弱信号；当变阻器电压高时，大量电流流过灯泡，灯泡亮度明亮，如图4-56c所示，相当于送出强信号。

（2）数字电压信号 将一个普通的ON/OFF开关与5V灯泡连接，当开关OFF时，灯泡电压为0V，灯泡不亮；当开关ON时，5V电压送至灯泡，灯泡点亮。由开关送出的信号为0V或5V，电压信号为低或高，如图4-57所示，此种电压信号如同数字信号，当开关迅速ON、OFF时，方波数字信号从开关送至灯泡。

汽车电脑中的微处理器，包含有大量的微小开关，能在每秒钟内产生许多数字电压信号，用来控制各种执行元件动作。微处理器能改变ON、OFF时间之长短。以达到精确控制之目的，如图4-58所示，ON时间之宽度，称为脉冲宽度。

在低数字信号处指定一个值为0，而在高数字信号处指定另一个值为1，即称为二进制码信号，又称为二进位码信号，如图4-59所示。汽车的电脑系统中，信息是以二进制码形式进行数字信号传送的。

图4-55 轿车柴油机管理系统所使用的信息量

图4-56 模拟电压信号

a）～e）不同电压与灯泡亮度

图4-57 数字电压信号

图4-58 时间可变的数字信号

图4-59 二进制码信号的数字电压信号

图4-601 周期的工作时间比例

（3）占空比 所谓占空比，是指在一个周期（或循环）的时间中ON所占时间之比例。完成一次循环所需的时间称为周期。

如图4-60所示，若A为10ms，B为10ms，则每一周期中，ON的占空比小时，对常闭型的控制阀而言，阀的开度会越小，所能通过的空气或燃油越少；而ON的占空比越大时，则阀的开度会越大，所能通过的空气或燃油越多，占空比大小的比较如图4-61所示。

图4-60中占空比为

图4-61 ON占空比的大小

a）ON工作时间比例小 b）ON工作时间比例大

图4-62 高、低频率波形的差异

（4）频率 所谓频率，是指从ON到OFF，或从正到负，脉冲或波形变化速度的快慢，简而言之，即1s内所产生的周期数或循环数。例如家庭用电为220V/50Hz，表示我们所用的交流电压，每秒钟有50个周期（循环）的连续变化。频率是以赫兹（Hz）为单位。

如图4-62所示，高频率波形较陡峭，波形会迅速上升及下降，而低频率波形较和缓，波顶与波顶间的距离较大。

（5）脉冲宽度 电磁阀的脉冲宽度是以毫秒（ms）计算，如燃油喷射系统的喷油器即是，当燃油量必须增加时，脉冲宽度的毫秒数也随之增加。电磁阀的开度（行程），是以时间的长短控制电磁阀的打开时间。

如图4-63所示，采用脉冲宽度控制的电磁线圈式喷油器，针阀行程0.1mm左右，针阀打开时间也很短，各种作用状态下，在1.5～10ms之间。脉冲宽度随喷油量而改变，例如加速时因油门行程加大，空气进入量多，需要更多燃油时，ECU会增加脉冲宽度，也就是ON的时间变长，喷油器打开时间变长，喷油量增加。

图4-63 ECU送给喷油器不同的脉冲宽度信号

（6）脉冲宽度调节 电磁阀是以方波控制，且ON/OFF时间（ON/OFF Time）是可变的，称为脉冲宽度调节。

脉冲宽度调节电磁线圈常用于控制EGR阀，依所需的排气回流率，电脑控制不同的占空比比例。当占空比为0%时，表示EGR阀关闭，无排气回流；当占空比为100%时，EGR阀全开，排气回流量最大（占空比在0%～100%间变化）。

（7）脉冲 表示电压或电流的突然增加或减小。一个完整的脉冲必须是能在瞬间升高或降低。

（8）波形 表示电压或电流在较长的时间间隔中增加或减小，而电压在正、负间变换。

方波系电压的瞬间变化，如图4-64a所示；而正弦波或模拟波则是电压的逐渐变化，如图4-64b所示。

图4-64 方波与正弦波

a）DC电压ON与OFF b）AC交流电压