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性能特点和作用说明 |
康明斯柴油机ECU电控系统的结构原理及其优点 |
导读：随着电子技术的应用不断增加，世界上许多发达国家竞相开发柴油发电机电子控制系统（如康明斯公司），使得柴油发电机的各方面的性能都得到明显的提高，在生活中的应用比例日益提高。康明斯公司在本文中重点介绍了电控系统（ECU）的工作原理、结构组成和优点等知识。
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柴油发电机电控燃油系统图 |
一、电控系统的工作原理
当发动机启动时，ECU迅速进入工作状态，某些程序或步骤从RAM中取出进入中央处理器（CPU）。这些程序可以是控制柴油喷射、控制点火时刻、控制怠速工况等。通过CPU的控制，一个个指令信号逐个地进行循环。在执行程序过程中，所需要的发动机信息来自各个传感器。从各个传感器来的信号，首先进入输入级（回路），对其信号进行处理。如是数字信号，根据CPU的安排，经输入/输出（I/O）接口电路进入ECU；如是模拟信号，还要经过A/D转换器转换成数字信号后，才能经I/O接口电路进入ECU。
（1）信息储存
大多数信息暂时存储在RAM内，再根据需要指令从RAM送到CPU。然后将存储在RAM中的参考数据也引入到CPU并与传感器输入的信号进行比较。同时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。
（2）数据运算
CPU对这些数据比较运算后，作出决策并发出控制命令输出信号，经I/O接口电路，有些必要的信号还要经A/D转换变成模拟信号。最后经输出级（回路）去控制执行器的动作。若是喷油器的驱动信号，则控制喷油正时和喷油脉宽，完成控制喷油功能；如是点火正时信号，则控制点火线圈的通与断，使次级产生高压击穿火花塞气隙进行跳火。发动机工作时，ECU的运算速度是相当快的，如点火正时，每秒可以修正上百次，因此其控制精度可以相当高。
（3）输入电路
输入电路的作用是将系统中各传感器检测到的信号（息）通过I/O接口电路接口送入ECU，完成柴油发电机在运行过程中对其各工况状态的实时检测任务。需要检测与输入的信号有模拟信号和数字信号2种。从传感器输入来的信号首先进入输入回路，在输入回路中对输入的信号进行预处理，去除杂波和将正弦波变为矩形方波后，再转换成输入电平，其过程如图1所示。
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图1 输入回路的作用图 |
二、ECU结构和工作过程
ECU是发动机电控系统的神经中枢，通常采用数字式ECU。ECU主要由CPU、存储器和I/O接口、信息传递总线等组成，如图2（a）所示，ECU与CPU的组成图ECU根据需要，能把各种传感器送入的信号，用内存程序（ECU进行处理的顺序）和数据事先编好并存在存储器内，使用时通过传感器启动相应程序，即可实现自动控制。发电机组ECU 系统只需用一定容量的半导体存储器便可满足内存要求，无需设置外存储器。在ECU控制系统中，为了收集和检测各种参数，采用了许多检测元件（如传感器）和仪表。其主要作用是把被检测参数由非电量转变为电量，如热电偶把温度信号变成电压（mV）信号，压力传感器把压力信号变成电压信号等。这些信号被转变成统一的标准电压后再送入ECU进行比较和运算处理。因而检测元件的精度直接决定着整个控制系统的控制精度。为把ECU运算处理的结果（如喷油器的喷油信号、点火正时信号等）的命令、指令转化为控制行为、动作并付诸实施，ECU需要配有执行机构。常用的执行机构有电动的、液动的或气动的等形式，如步进电动机、电磁阀等。
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图2 ECU电控系统结构原理图 |
① CPU
CPU是整个控制系统的核心。CPU由进行算术/逻辑运算的运算器、暂时存储数据的寄存器、按照程度执行各装置之间信号传送及控制任务的控制器等组成，如图2（b）所示。CPU的工作是在时钟脉冲发生器的操作下进行的。当ECU通电后，脉冲发生器立即产生一连串的具有一定频率的脉宽电压送入CPU，其作用是对ECU工作过程进行随时控制。
② 存储器
存储器主要是用来存放程序、数据和表格、地图等，可按需要进行读取（读操作）或存入（写操作）。存储器由多个存储单元组成，每个单元有一编号，称为单元地址。每个单元通常存放一个有独立意义的代码，称为一个字，代码位数称为字长。随机存储器（RAM）主要是用于存储ECU在操作时的可变数据，如暂存ECU输入的信息，供CPU进行运算使用，如各种传感器输送给ECU的信息与计算过程中产生的中间数据等，都可以暂时存储在RAM内，根据需要可随时调出或被新的数据代替（改写）。存储在RAM的有些数据，如空燃比学习修正、故障码等，为了能较长期地保存，防止点火开关断开时由于电源被切断而造成数据丢失，一般这种RAM都通过专用的电源后备电路与蓄电池直接连接，使RAM 不受点火开关控制。当然，当电源后备专用电路断开时或蓄电池上的电源线被拔掉时，存入RAM内的数据也会自然消失。
③ I/O接口电路
I/O接口电路是CPU与输入传感器、输出执行器间进行信息交流的控制电路。根据CPU的命令，输入ECU 的信号以所需要的频率通过I/O接口电路接收，而ECU输出的信号则也是按发出控制信号的形式与要求通过I/O接口电路以最佳的处理速度输出或送入中间存储器。ECU系统所用的外部I/O设备一般都备有I/O接口，通过I/O接口才能与ECU连接，因此I/O接口是ECU与被控制对象进行信息交换的纽带，也是ECU系统不可缺少的部分，它起着数据缓冲、电压匹配、时序匹配等多种作用。
④ ECU系统总线
ECU系统总线是一束用于传递内部信息的连线，如图3所示。在ECU系统中，CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接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。总线一般包括数据总线、地址总线和控制总线3根。总线利用数据、存储地址、控制信号来对系统中的各个元器件讲行操作控制，同时利用连接总线的方式可扩充系统的存储器与I/O的功能。
○ 数据总线主要用于传递指令与数据。数据总线由几根导线组成，一般导线数是与数据的位数——对应的，如普通的8位ECU的数据总线应由8根导线组成。
○ 地址码的传递是由地址总线来完成的。在ECU总线上，各元器件之间的通信主要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，然后再送出写或读的指令才能完成操作。地址总线的导线根数与地址码的位数、地址码的传递方式有关。对于8位ECU，若地址码采用二进制16位一次传递方式，这样，地址总线就有16根。
○ 控制总线连接着ECU系统中的其他元器件，其中CPU可通过控制总线随时掌握各个元器件的状态，并根据需要随时向有关的元器件发出控制指令。
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图3 ECU电控系统电路图 |
⑤ ECU的外部设备输入级与输出级。
在ECU控制系统中，除了ECU之外，还有一些外部设备，由此组成输入级、输出级。外部设备是沟通EC U与应用对象之间联系的I/O装置。
○ 输入级的作用
将系统中各传感器检测到的信号经过I/O接口电路送入ECU进行处理，完成在柴油发电机运行过程中对其各工况状态的实时检测。在控制过程中，需要检测与输入的信号有模拟信号和脉冲数字信号2种。输入外部设备是指电控柴油喷射发动机中所设置的各种传感器（如进气温度、进气流量、发动机冷却液温度等传感器），它们把所检测到的信息输入ECU进行处理。
○ 输出级的作用
在ECU与喷油器、点火线圈等执行器件之间建立起联系，将ECU处理信息后做出的决策指令转变为控制信号来驱动执行器进行工作（动作），它起到控制信号与放大信号的功用，由此输出3 个控制信号∶喷油器驱动信号、柴油泵驱动信号、点火正时控制信号。输出外部设备是指柴油喷射系统、点火系统中的各个执行元件（如电动柴油泵、电磁式喷油器、点火线圈等），它们接收由ECU发出（输出）的不同指令（信号）并作出操纵动C.ECU控制系统还可以进一步扩展输出级，以获得更多的应用。例如可扩展对用于调节怠速转速的节气门后旁通阀进行控制，对废气再循环中回流阀的控制，以及对增压发动机涡流增压机压力的控制等。
三、EUC电控系统的优点
普通的柴油发电机具有热效率高、功率范围宽、适应性好等优点，被广泛应用于现代化建设的各个领域，在大功率柴油发电机中居主导地位。但柴油发电机同时存在振动、噪声大，排放污染严重以及冷起动困难等缺点，这些缺点使得柴油发电机在整个发电设备的竞争中仍处于劣势状态。为了改善柴油发电机的冷起动性能，柴油车上一般加装有起动预热系统，普通柴油柴油发电机起动预热系统需要人工操作，而电控柴油发电机进预热装置由电控单元（简称ECU）直接控制。柴油发电机在低温起动时，由电控单元直接对其预热装置进行控制，使柴油发电机能够低温快速起动，大大改善了低温的起动性能。
1、 提高排放性能：
电控柴油发电机可根据柴油发电机的转速和负荷精确控制喷油量，使柴油发电机在稳态及瞬态工况下的烟度大大降低，从而提高发电机组的排放性能。此外，电控柴油发电机还采用选择性催化还原技术，有效地减少和抑制颗粒物和氮氧化合物，或采用微粒捕集器技术有效地减少颗粒物和降低排放量。
2、 动力性和经济性：
普通柴油柴油发电机机械磨损较为严重，会使喷油量、喷油正时产生较大的误差。电控柴油发电机的ECU能根据各种传感器信号精确计算喷油量和喷油正时，不会产生机械误差，从而可以提高柴油发电机的动力性和经济性。
3、 具有自诊断功能：
ECU能够不断地对柴油发电机电控系统中的传感器、执行器和连接线路进行监测，当传感器及其连接电路出现故障时，ECU会确定故障，并以故障码的形式进行存储，为排除故障带来方便。
4、 适应性广：
只要改变ECU的控制程序和数据，即对ECU重新编程，一种喷油泵就能广泛地应用在各种柴油发电机上。柴油发电机的燃油喷射技术可与变速器控制、怠速控制等各种控制系统进行组合实行集中控制，缩短柴油发电机电控系统开发周期，并可降低成本，从而扩大柴油电控系统的应用范围。
5、 提高运转平稳性：
电控柴油发电机取消了机械式调速器，改用电子调速器。电子调速器响应性良好，无论负荷如何增减，都不会使柴油发电机运转产生波动，保证柴油发电机运转平稳。
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