发动机控制单元

发动机控制单元(ECU)，通常也称为发动机控制模块(ECM)，是一种电子控制单元，用于控制内燃机上的一系列执行器以确保最佳发动机性能。它通过从发动机舱内的多个传感器读取值、使用多维性能图（称为查找表）解释数据以及调整发动机执行器来实现这一点。在ECU出现之前，空气-燃料混合物、点火正时和怠速是通过机械和气动方式进行机械设置和动态控制的。如果发动机控制单元可以控制燃油管路，则它被称为电子发动机管理系统(EEMS)。燃油喷射系统的主要作用是控制发动机的燃油供应。EEMS的整个机制由一堆传感器和执行器控制。

大多数现代发动机使用某种类型的燃油喷射将燃油输送到气缸。ECU根据多个传感器读数确定要喷射的燃油量。与理想条件（称为化学计量比）相比，氧传感器告诉ECU发动机是富油（燃料过多或氧气过少）还是贫油（氧气过多或燃料过少）。当油门（油门踏板）被踩下时，节气门位置传感器告诉ECU节气门板打开了多远。质量空气流量传感器测量通过节流板流入发动机的空气量。发动机冷却液温度传感器测量发动机是预热还是冷却。如果发动机仍然很冷，将注入额外的燃料。带有计算机的化油器的空气燃料混合物控制的设计原理类似，但在化油器的浮筒中装有混合控制螺线管或步进电机。

大多数发动机系统都在ECU中内置了怠速控制。发动机转速由曲轴位置传感器监控，该传感器在燃油喷射、火花事件和气门正时的发动机正时功能中起主要作用。怠速由可编程节气门停止或怠速空气旁通控制步进电机控制。早期基于化油器的系统使用双向直流电机的可编程油门停止。早期的节气门体喷射(TBI)系统使用怠速空气控制步进电机。有效的怠速控制必须预测怠速时的发动机负荷。全权限油门控制系统可用于控制怠速并提供巡航控制功能和最高速度限制。它还监控ECU部分的可靠性。

一些发动机具有可变气门正时。在这样的发动机中，ECU控制发动机循环中阀门打开的时间。阀门通常在较高速度下比在较低速度下更快地打开。这可以增加进入气缸的空气流量，从而提高动力和燃油经济性。

已经制造和测试了没有凸轮轴的实验发动机，但对进气和排气门的开度、气门关闭和气门开口区域具有完全的电子控制。对于某些配备有精确定时电子点火和燃油喷射的多缸发动机，这种发动机可以在没有启动马达的情况下启动和运行。这种静态启动发动机将提供轻度混合动力驱动的效率和减少污染的改进，但没有超大启动电机的费用和复杂性。这种类型的xxx台量产发动机是由意大利汽车制造商菲亚特在阿尔法罗密欧MiTo中发明（2002年）并推出（2009年）的。他们的Multiair发动机使用电子阀控制，可显着提高扭矩和马力，同时将油耗降低15%。基本上，阀门由液压泵打开，液压泵由ECU操作。根据发动机负载，每个进气冲程阀门可以打开几次。然后，ECU决定应喷射多少燃料以优化燃烧。在稳定负载条件下，阀门打开，燃油喷射，阀门关闭。在油门突然增加的情况下，阀门在相同的进气冲程中打开，并喷射更多的燃油。这允许立即加速。对于下一个冲程，ECU在新的更高RPM下计算发动机负载，并决定如何打开阀门：提前或延迟、全开或半开。始终达到最佳开启和正时，并且燃烧尽可能精确。这对于普通的凸轮轴来说是不可能的，当然，它会在整个进气期间打开气门并始终完全升程。凸轮、挺杆、摇杆和正时装置的消除不仅减少了重量和体积，还减少了摩擦。发动机实际产生的大部分动力仅用于驱动气门机构，每分钟压缩所有这些气门弹簧数千次。一旦得到更充分的发展，电子阀门操作将产生更多的好处。例如，如果进气门可以在每次下冲程时打开，而排气门可以在停用气缸或死孔的每个上冲程时打开，则可以使气缸停用更加省油。另一个更显着的进步将是取消传统的油门。当汽车以部分油门运行时，气流的这种中断会导致真空过大，从而导致发动机消耗掉作为真空泵的宝贵能量。宝马试图在他们的V-10动力M5上解决这个问题，它的每个气缸都有单独的节气门蝴蝶，放置在进气门之前。通过电子气门操作，可以通过调节气门升程来控制发动机转速。在部分油门，当需要较少的空气和气体时，气门升程不会那么大。当油门踏板被踩下时实现全油门，向ECU发送电子信号，从而调节每个阀门事件的升程，并将其一直打开。

一类特殊的ECU是可编程的；这些单元可由用户重新编程。在修改发动机以包括售后市场或升级组件时，库存ECU可能无法为可能使用发动机的应用程序提供正确类型的控制。为了适应发动机的修改，可以使用可编程ECU代替出厂时的ECU。可能需要升级ECU的典型改装包括涡轮增压、机械增压或两者兼有，自然吸气发动机；燃油喷射或火花塞升级、排气系统改装或升级、变速箱升级等。对ECU进行编程通常需要将该单元与台式机或笔记本电脑连接；这种接口是必需的，因此编程计算机可以将完整的发动机调整发送到发动机控制单元，并实时监控发动机的状况。通过修改这些值，同时使用宽带lambda探头监测排气，发动机调整专家可以确定特定于发动机转速和节气门位置的最佳燃油流量。该过程通常在发动机性能设施中进行。通常在这些位置可以找到测功机；这些设备可以为发动机调校专家提供有用的信息，例如发动机转速、功率输出、扭矩输出、换档事件等。调音专家经常将底盘测功机用于街道和其他高性能应用。发动机调整参数可包括燃料喷射量、节气门-燃料量映射、换档映射等。虽然上述参数很常见，但某些ECU可能会提供其他变量，调整软件可能会在这些变量中进行修改。这些参数包括：

• 反滞后
• 闭环Lambda：让ECU监控永久安装的lambda探头并修改加油以达到所需的目标空燃比。这通常是化学计量（理想）空燃比，在传统的汽油（汽油）动力车辆上，该空燃比为14.7:1。当发动机处于高负载时，这也可以是一个更丰富的比率，或者当发动机在低负载巡航条件下运行以获得xxx燃油效率时，这可能是一个更稀的比率。
• 齿轮控制
• 点火正时
• 发射控制
• 燃油压力调节器
• 转速限制器
• 分段燃油喷射
• 瞬时加油：告诉ECU在应用油门时添加特定数量的燃油。这被称为加速浓缩。
• 可变凸轮正时
• 废气门控制
• 水温校正：允许在发动机冷时添加额外的燃料，例如在冬季冷启动情况下或发动机非常热时，以允许额外的气缸冷却（虽然不是以非常有效的方式，如仅限紧急情况）。

赛车级ECU通常配备数据记录器，用于记录所有传感器数据以供日后分析。这对于识别比赛期间的发动机熄火、失火或其他不良行为很有用。数据记录器的容量通常在0.5到16兆字节之间。为了与车手通信，赛车ECU通常可以连接到数据堆栈，这是一个简单的仪表板，向车手展示当前的RPM、速度和其他基本引擎数据。这些几乎总是数字的数据堆栈使用包括RS-232或CANbus在内的多种协议之一与ECU通信。然后通过通常位于转向柱下方的数据链路接口传递信息。

空气流量、压力、温度、速度、排气氧传感器、*爆震和曲轴角度位置传感器对EEMS产生非常重要的影响。传感器

• MAP：歧管xxx压力。
• IAT：进气温度。
• MAF：气流质量。
• CKP：曲轴位置。
• CMP：凸轮轴位置。
• ECT：发动机冷却液温度。
• O2：氧传感器。
• TP：油门位置。
• VSS：车速传感器。
• 爆震传感器
• APP：加速踏板位置。
• 制冷剂传感器

最早尝试使用这种单元化和自动化设备同时管理多个发动机控制功能的尝试之一是宝马在1939年为其80114缸航空星形发动机创建的Kommandogerät。该设备在配备801系列的飞机中用一个控件代替了用于启动硬加速的6个控件。但是，它有一些问题：它会使发动机喘振，使单引擎单座德国战斗机Fw190（Focke-WulfFw190Wurger）近距离编队飞行，有些困难，起初它切换了增压器粗鲁而随意地换档，这可能会使飞机陷入极其危险的失速。集成电路和微处理器的发展使发动机控制在1970年代变得经济可行。1970年代初，日本电子工业开始生产用于日本汽车发动机控制的集成电路和微控制器。使用东芝TLCS-12微处理器的福特EEC（电子发动机控制）系统于1975年投入批量生产。

混合数字或模拟设计在1980年代中期很流行。这使用模拟技术来测量和处理来自引擎的输入参数，然后使用存储在数字ROM芯片中的查找表来产生预先计算的输出值。后来的系统动态计算这些输出。如果您对系统非常了解，则可以调整ROM类型的系统。这种系统的缺点是预先计算的值仅对理想化的新发动机是最佳的。随着发动机的磨损，与其他设计相比，系统可能无法进行补偿。

现代ECU使用微处理器，可以实时处理来自发动机传感器的输入。电子控制单元包含硬件和软件（固件）。硬件由印刷电路板(PCB)、陶瓷基板或薄层压基板上的电子元件组成。该电路板上的主要组件是微控制器芯片（MCU）。该软件存储在微控制器或PCB上的其他芯片中，通常存储在EPROM或闪存中，因此可以通过上传更新代码或更换芯片来重新编程CPU。这也称为（电子）发动机管理系统（EMS）。精密的发动机管理系统接收来自其他来源的输入，并控制发动机的其他部件；例如，一些可变气门正时系统是电子控制的，涡轮增压器废气门也可以进行管理。它们还可以与变速器控制单元通信或直接连接电子控制的自动变速器、牵引力控制系统等。控制器局域网或CAN总线汽车网络通常用于实现这些设备之间的通信。现代ECU有时包括巡航控制、变速箱控制、防滑制动控制和防盗控制等功能。通用汽车(GM)的xxx款ECU于1979年作为试点项目使用了混合数字ECU的小规模应用，但到1980年，所有活动程序都使用基于微处理器的系统。

由于为满足1981年清洁空气法案的要求而生产的ECU数量大幅增加，因此1981车型年只能制造一个ECU模型。从1981年xxx个大批量生产年份开始，安装在GM车辆上的大批量ECU是一个基于现代微处理器的系统。通用汽车迅速采取行动，用燃油喷射代替汽化，作为其制造的车辆的首选燃油输送方式。这个过程在1980年首次看到了燃油喷射凯迪拉克发动机的成果，随后是1982年为雪佛兰克尔维特提供动力的庞蒂亚克2.5LI4IronDuke和雪佛兰5.7LV8L83Cross-Fire发动机。由奥兹莫比尔5.0升V8LV2发动机提供动力的1990年凯迪拉克Brougham是最后一款在北美市场上销售的化油器乘用车（1992年由化油器发动机提供动力的大众甲壳虫车型在墨西哥有售，但在墨西哥不出售）美国或加拿大），到1991年，通用汽车是美国和日本主要汽车制造商中最后一家放弃化油器并完全使用燃油喷射发动机制造其所有乘用车的汽车制造商。1988年，Delco（通用汽车的电子部门）每天生产超过28,000个ECU，使其成为当时世界上xxx的车载数字控制计算机生产商。0LV8LV2发动机是最后一款在北美市场生产销售的化油器乘用车（1992年大众甲壳虫车型由化油器发动机提供动力，可在墨西哥购买，但在美国或加拿大不销售），到1991年通用汽车是美国和日本主要汽车制造商中最后一家放弃化油器并完全使用燃油喷射发动机制造所有乘用车的公司。1988年，Delco（通用汽车的电子部门）每天生产超过28,000个ECU，使其成为当时世界上xxx的车载数字控制计算机生产商。0LV8LV2发动机是最后一款在北美市场生产销售的化油器乘用车（1992年大众甲壳虫车型由化油器发动机提供动力，可在墨西哥购买，但在美国或加拿大不销售），到1991年通用汽车是美国和日本主要汽车制造商中最后一家放弃化油器并完全使用燃油喷射发动机制造所有乘用车的公司。1988年，Delco（通用汽车的电子部门）每天生产超过28,000个ECU，使其成为当时世界上xxx的车载数字控制计算机生产商。

这种系统用于许多其他应用中的内燃机。在航空应用中，这些系统被称为FADEC（全权限数字发动机控制）。这种电子控制在活塞发动机轻型固定翼飞机和直升机中不如在汽车中常见。这是由于具有磁点火系统的化油器发动机的常见配置不需要交流发电机产生的电力来运行，这被认为是安全优势。