電控汽油發動機ecu及其工作系統的制作方法

專利名稱：電控汽油發動機ecu及其工作系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于汽車電子技術領域，涉及一種電控汽油發動機電子控制單元 ECU及其工作系統。
背景技術：
發動機工作系統也叫發動機管理系統(Engine management system即EMS) 是以發動機電子控制單元即ECU為控制中心，利用安裝在發動機各部位的傳感器 測得發動機各種工作參數，按照ECU預先設定的控制程序，精確地控制燃油噴射 量、噴射時間、點火提前角等，使發動機在各種工況下都能工作在最佳狀態、最 佳動力輸出、最經濟的燃油消耗并且符合法規要求的排放。
ECU從名字上講是英語名稱的前三個字母縮寫(Electrical control unit),中 文的意思就是電子控制單元。又稱"行車電腦"、"車載電腦"等。
ECU的工作原理簡單地說，就是根據與發動機相連的傳感器的反饋來控制 燃油混合(空氣燃油比)和火花定時(點火提前及持續時間)。燃油混合和點火定時 的控制相當復雜。ECU需要從多個傳感器獲取數據以實現系統的最佳控制。ECU 需要了解車速、發動機轉速、曲軸位置、空氣質量(氧氣含量)、發動機溫度、發 動機負荷、油門位置、油門的變化率、變速齒輪、廢氣排放，等等。
發機管理系統可概括為傳感器、控制器、執行器三個部分，其中控制器也稱 電子控制單元(ECU—Electronic ControlUnit) 。 ECU基本功能是在實時工況 和外界工作條件下始終控制發動機處在最佳燃燒狀態。ECU以發動機轉速和負荷 為基礎，采集傳感器的信號，經過各種數學模型計算處理后，將指令發送相關執 行機構，執行各種預定的控制功能。
電噴發動機與化油器式發動機相比，突出的優點是能實現多點順序噴射，準 確控制混合氣的質量，保證氣缸內的燃料燃燒完全，降低廢氣排放和減少燃油消 耗，增加了發動機的功率和扭矩；增加實現多點順序噴射；降低耗油量；動力性 能好；降低尾氣排放污染，滿足相應的尾氣排放標準；提高駕駛的安全性，舒適 性；低溫冷起動更容易；減少維修；延長發動機壽命。ECU技術是發動機管理系統的核心技術，可能是以往在本技術領域處于領先 地位的幾家跨國公司，如德國博世、日本電裝等出于其商業利益的目的，總是想 方設法封鎖其技術，致使現有技術中沒有完整的、可靠的、性能優秀的技術方案 的公開，已公開的現有技術存在系統采用控制策略不合理、控制功能不全面、控 制功能集成性能差以及系統移植性差等諸多缺點，造成對本領域技術發展的不 利。
發明內容
本實用新型首先要解決的技術問題是針對上述現有技術現狀而提供一種發 動機工作系統的完整技術方案，使發動機工作系統采用控制策略合理、控制功能 全面、控制功能集成性能好以及系統移植性好。本實用新型進一步要解決的技術 問題是提供該發動機工作系統的電子控制單元，即ECU。
本實用新型采用以下技術方案解決上述技術問題
電控汽油發動機工作系統，它包括進氣系統，燃油供給系統，點火系統，其 特征在于它還包括電子控制系統，所述電子控制系統包括傳感器部分、電子控制
單元(ECU)和執行器部分，所述傳感器部分包括安裝在進氣系統的進氣管上的 節氣門位置傳感器和進氣壓力傳感器、進氣溫度傳感器，安裝在發動機上的凸輪 軸位置傳感器、冷卻液溫度傳感器、曲軸位置傳感器、發動機轉速傳感器，所述 傳感器部分的部件均與電子控制單元(ECU)電連接，所述執行器部分包括位于 燃油箱內的電動燃油泵、噴油器、與所述節氣門并列連接的怠速調節阓、點火線 圈；所述執行器部分的部件均與電子控制單元(ECU)電連接，所述電子控制單 元(ECU)包含有噴油控制程序、點火控制程序、怠速控制程序。
所述傳感器部分包括安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器、油箱油位傳感器、 其所驅動車輛的車速傳感器、其所驅動車輛空調蒸發器溫度傳感器，所述執行器 部分還包括碳罐電磁閥、風扇繼電器、空調繼電器、故障指示，所述電子控制單 元(ECU)包括相應控制程序和排放控制程序。
所述傳感器部分包括分別安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器前、后的前 氧傳感器與后氧傳感器，所述執行器部分還包括碳罐電磁閥。所述電子控制單元 (ECU)包括相應控制程序。
所述噴油控制程序對噴油量的控制是通過對噴油輸出脈寬的控制來實現的；在冷起動、急加速、急減速等特殊工況，采用開環控制；對于發動機其它正常運 行工況，采用閉環控制，以保證空燃比控制在理論空燃比(14.7:1)附近，使排放 達到最佳；噴油量的控制分為起動噴油量控制程序、運轉噴油量控制程序、加減 速噴油量控制程序、大負荷噴油增量控制程序、斷油控制程序和空燃比閉環控制 程序。
起動噴油量控制程序包括
(1) 、起動工況判定
當同時滿足以下條件時，ECU判定為起動工況，按起動工況程序控制噴油量
① 、點火開關信號為高電平；
② 、發動機起動完成標志為零；
◎、 ECU連續檢測到曲軸位置傳感器信號； 、 ECU檢測發動機轉速低于設定起動轉速。
當ECU在N個曲軸周期內連續檢測到發動機轉速高于或等于設定起動轉速， 即判定為起動完成；之后如果ECU在設定的時間內沒有檢測到曲軸位置傳感器 信號或點火開關信號為低電平，發動機起動完成標志清零，允許重新進入起動工 況；
(2) 、起動工況噴油量的計算
起動工況噴油量主要由發動機冷卻液溫度、進氣溫度、發動機轉速及發動機 曲軸轉過的圈數確定。
所述運轉噴油量控制程序包括發動機起動后，不管是進行空燃比開環控制 還是閉環控制，都要進行開環控制噴油量計算，閉環控制建立在開環控制的基礎 上；ECU根據采集的發動機轉速和進氣歧管壓力信號，通過標定的噴油脈譜數 據確定基本噴油量；然后根據進氣溫度、冷卻液溫度、大氣壓力、自學習修正系 數對基本噴油量進行修正后，作為開環控制噴油量。
所述加減速噴油量控制程序包括加速噴油量控制，當汽車加速時，為了
保證發動機能夠輸出足夠的扭矩，改善加速性能，必須增大噴油量，此時ECU 對噴油量進行開環控制；在發動機運轉過程中，ECU將根據節氣門位置傳感器 信號和進氣歧管壓力傳感器信號的變化速率，判定發動機是否處于加速工況；當 變化速率達到一定值時，及判定為加速工況；加速修正系數由變化速率確定。所述大負荷噴油增量控制程序包括發動機在大負荷或全負荷工況下運行 時，要求發動機輸出最大功率，ECU將根據進氣歧管壓力和發動機轉速信號， 判定發動機是否處于大負荷以上工況運行；當判定為大負荷工況時，ECU將控 制運行功率空燃比程序，增大噴油量，供給濃于理論空燃比的功率混合氣，滿足 發動機輸出最大功率的要求；此時ECU對噴油量進行開環控制。
所述斷油控制程序包括
(1) 、超速斷油控制程序，當發動機轉速超過允許的最高轉速時，ECU自動中 斷噴油，防止發動機超速運轉而損壞機件；在發動機運行過程中，ECU隨時都 將曲軸位置傳感器測得的發動機實際轉速與程序中設定的發動機最高極限轉速 進行比較；當實際轉速達到或超過極限轉速時，電腦就發出停止噴油指令，控制 噴油器停止噴油，限制發動機轉速進一步升高；當噴油器停止噴油、發動機轉速 下降至低于極限轉速時，斷油結束，恢復噴油；
(2) 、減速斷油控制，當發動機在高轉速運轉過程中節氣門突然關閉減速時， ECU自動控制噴油器中斷燃油噴射，直到發動機轉速下降到設定的轉速時，再 恢復噴油；
(3) 、溢油清除斷油控制，當同時滿足以下條件ECU進入溢油清除斷油控制， 不噴油只點火以清除溢油
① 、發動機處于起動工況；
② 、節氣門開度達到最大；
③ 、發動機轉速低于設定轉速。
所述空燃比閉環控制程序包括ECU根據氧傳感器輸入的電壓信號對噴油量 進行修正；當ECU接收到的信號電壓高于閾值電壓時，表明混合氣偏濃，空燃 比偏小，ECU將減小空燃比閉環修正值以減少噴油量，使混合氣逐漸變稀，空 燃比逐漸增大；當接收到的信號電壓低于閾值電壓時，表明混合氣偏稀，空燃比 偏大，ECU將加大空燃比閉環修正值以增加噴油量，使混合氣逐漸變濃，空燃 比逐漸減小。
所述空燃比閉環控制程序還加入自學習控制程序，ECU在空燃比閉環控制過 程當中，通過判斷發動機工況和閉環修正值來確定系統開環噴油量的偏差，并將 此偏差逐步學入自學習修正模塊當中，在以后的控制當中，自學習修正模塊中的修正值會自動記入開環基本噴油量當中。
所述電控汽油發動機具有至少2個氣缸，每個氣缸配有一只噴油器，噴油器 安裝在各缸進氣門前進氣歧管上，ECU根據檢測到的曲軸位置傳感器和凸輪軸 位置傳感器信號以及計算的噴油脈寬確定每缸噴油正時，即開始噴油時刻；發動 機一個工作循環，曲軸轉兩轉720度，各缸噴油器噴油一次。
所述點火控制程序包括點火提前角控制程序、點火閉合角控制程序和爆震控 制程序。
所述點火提前角控制程序分為起動工況點火提前角控制程序、怠速工況點火
提前角控制程序、正常運行工況點火提前角控制程序；啟動發動機時，采用固定 的點火提前角進行控制，起動工況點火提前角設定為5°;怠速工況根據發動機 冷卻液溫度對主點火提前角進行修正；正常運轉點火提前角ECU根據發動機轉速 和進氣壓力信號，根據點火提前角脈譜數據表確定基本點火提前角，然后根據一 系列參數修正得到正常運轉點火提前角。
所述點火閉合角控制程序是通過對充磁時間的長短來控制的。 所述爆震控制程序是利用推遲點火提前角的方法來消除爆震； 一旦ECU偵査 出爆震，對點火提前角的控制立即轉入閉環控制，逐步推遲點火，直到爆震完全 消失為止。
所述怠速控制程序主要是對怠速進氣量的控制，ECU檢測發動機實際怠速轉 速與怠速目標轉速比較，經過一定的控制算法后，控制怠速調節閥開度來控制怠 速進氣量，從而控制實際怠速轉速達到怠速目標轉速附近。而噴油量根據進氣量 的變化自動調整，以滿足空燃比的要求，將空燃比控制在理論最佳空燃比14. 7:1 附近。
所述排放控制程序主要是對尾氣有害氣體排放的控制和對燃油蒸發排放的 控制；尾氣有害氣體排放主要是控制尾氣中的HC、 CO和NOx， ECU根據氧傳感器 輸入的信號，對噴油量進行修正，實現空燃比的反饋控制，使混合氣的空燃比接 近理論空燃比，三元催化轉換器能更有效地起凈化作用，使有害氣體的排放量降 到最低；燃油蒸發排放的控制主要是通過對碳罐電磁閥的控制來實現；ECU根據 發動機運行工況，有規律的控制碳罐電磁閥的開啟和關閉，使燃油箱內的燃油蒸 汽進入發動機內燃燒，從而減少燃油蒸汽向大氣中排放。所述ECU增加點火反饋信號檢測，以檢測發動機點火器件故障；選用帶有 EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器， 一種掉電后數據不丟失的存儲芯片)的MCU， 使其中的軟件可重新編程，通過終端接口及外部計算機可對其重新寫入新版的軟 件；燃油噴射方式由多點順序噴射；還有車載診斷OBD裝置，當系統出現故障時， 故障燈點亮，同時ECU將故障信息以故障碼形式存入存儲器，通過一定的程序可 以將故障碼從ECU中讀出；根據故障碼的提示，迅速準確地確定故障的性質和部 位，有針對性地去檢査有關部位、元件和線路，將故障排除。
所述ECU還包括電動燃油泵控制程序、主繼電器控制程序、冷卻風扇控制程 序、空調控制程序；所述ECU還設有備用運行功能，以協助駕駛員將汽車開到汽 車維修站；備用運行功能只有在發動機出現故障時才啟用，此時正常運行功能被 關閉，ECU用存儲器中預先設定的參數代替傳感器檢測的信息來控制發動機，使 發動機繼續運行；如果故障被排除，正常功能立即投入使用，備用運行功能自動 關閉。
用于電控汽油發動機工作系統的電子控制單元ECU(7)，包括用于連接傳感 器部分的輸入電路、單片機CPU、存貯器ROM、 RAM和用于連接執行器部分的輸 出電路，所述單片機CPU的兩端連接輸入電路和輸出電路，存貯器ROM、 RAM與 單片機CPU連接。
所述輸入電路包括用于連接節氣門位置傳感器(1)的接口、用于連接進氣 壓力傳感器(2)的接口、用于連接進氣溫度傳感器(3)的接口、用于連接凸輪 軸位置傳感器(4)的接口、用于連接缸體冷卻液溫度傳感器(8)的接口、用于 連接機油壓力開關信號(9)的接口、用于連接曲軸位置傳感器(4)的接口、 用于連接冷卻液溫度傳感器(8)的接口、用于連接曲軸位置傳感器(11)的接 口、用于連接發動機轉速傳感器(18)的接口、用于連接安裝在發動機氣缸部的爆 震傳感器(9)的接口，用于連接發動機轉速傳感器(18)的接口，所述輸出電路包括 用于連接電動燃油泵(14)的接口、用于連接噴油器(19)的接口、用于連接怠 速調節閥(20)的接口、用于連接點火線圈(30)的接口。
所述輸入電路還包括用于連接安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)前 的前氧傳感器(5)的接口、用于連接安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6) 后的后氧傳感器(23)的接口，所述輸出電路還包括用于連接碳罐電磁閥(22)的接□。
由于本實用新型采用ECU控制的發動機管理系統，自然具有上述背景技術所 述的諸多優點，此外，由于本實用新型釆用較為合理的全面控制策略，具有較為 全面的控制功能、良好的控制功能集成性能，以及良好的系統移植性；整個控制 系統安全可靠,成本較低。依據本實用新型研發的發動機管理系統電子控制單元 產品，至少能達到了國III排放標準，可廣泛應用于發動機制造、汽車生產的配套， 也可以對現有的在用車改用醇類、天然氣等替代燃料時發動機的技術改造。


圖1為本實用新型電控汽油發動機工作系統實施例的結構示意圖。 圖2為本實用新型電控汽油發動機工作系統實施例的結構方框圖。 圖3為本實用新型三元(HC、 CO、 NOx)凈化率曲線圖。 圖4為本實用新型空燃比(A/F)反饋控制示意圖。 圖5為本實用新型噴油時序示意圖。
圖6為本實用新型怠速工況主點火提前角與發動機轉速關系示意圖。 圖7為本實用新型怠速目標轉速與發動機冷卻液溫度關系示意圖。 圖8為本實用新型怠速控制模型示意圖。 圖9為本實用新型ECU實施例的結構方框圖。
圖中l.節氣門位置傳感器，2.進氣壓力傳感器，3.進氣溫度傳感器，30. 點火線圈，4.凸輪軸位置傳感器，5.前氧傳感器，6.三元催化轉換器，7.電子控制 單元ECU， 8.冷卻液溫度傳感器，9.爆震傳感器，IO.蓄電池，11.曲軸位置傳 感器，13.發動機，14.電動燃油泵，15.燃油箱，16.油軌，17.油箱油位傳感器， 18.轉速傳感器，19.噴油器，20.怠速閥，21.車速傳感器，22.碳罐電磁閥， 23.后氧傳感器。24.故障指示器。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的實施情況，但它們并不構成對本實用新 型的限定，僅作舉例。同時通過說明本實用新型的優點將變得更加清楚和容易理 解。
如圖1-圖8所示，本實用新型汽油發動機管理系統以發動機電子控制單元ECU為核心，釆用閉環控制、多點燃油噴射、分電器點火、三元催化器后處理、 OBD等技術，滿足國ni排放要求。發動機電子控制單元ECU硬件選用高性能的16 位微控制器(MCU)，該微控制器具有寬工作溫度范圍、高運算速度、大程序及數 據內存、靈活的I/0端口等特點。ECU驅動電路選用帶診斷功能的驅動IC，可實 現驅動輸出回路的開路、短路檢測；軟件釆用模塊化C語言編制，并采用FLASH
自編程技術，可實現程序存儲器中標定數據的修改。汽油發動機管理系統主要由 傳感器、發動機電子控制單元、執行器三部分組成。發動機電子控制單元ECU 是整個系統的核心，它采集安裝在發動機或汽車上各個部位的傳感器傳送的模擬 或數字信號，經過處理后，根據軟件中設計好的控制模型，輸出信號到各個執行 機構，精確地對噴油、點火、怠速、排放等進行控制，以滿足系統動力性、燃油 經濟性、可駕駛性和排放要求。
本實用新型電控汽油發動機工作系統，包括進氣系統，燃油供給系統，點火 系統，還包括電子控制系統，電子控制系統包括傳感器部分、電子控制單元(ECU) 和執行器部分，傳感器部分包括安裝在進氣系統的進氣管上的節氣門位置傳感器
(1)和進氣壓力溫度傳感器(2)、進氣溫度傳感器(3),安裝在發動機(13) 上的凸輪軸位置傳感器(4)、汽缸冷卻液溫度傳感器(8)、曲軸位置傳感器(ll)， 安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)前的前氧傳感器(5)，傳感器部分的 部件均與電子控制單元(ECU)連接，執行器部分包括電動燃油泵(14)、噴油器
(19)、怠速調節閥(20)、點火線圈(30);執行器部分的部件均與電子控制單 元(ECU)連接，電子控制單元(ECU)包含有噴油控制程序、點火控制程序、怠 速控制程序。
在本實施例中，傳感器部分還包括安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器(9)、安 裝在發動機上的轉速傳感器(18)、油箱油位傳感器(17)、其所驅動車輛的車速傳 感器(21)、安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)后的后氧傳感器(23)。執行 器部分還包括碳罐電磁闊(22)，電子控制單元ECU包括相應控制程序和排放控制 程序。
本實施例發動機管理系統的功能主要包括噴油控制、點火控制、怠速控制、 排放控制、OBD、后備運行及其它輔助控制等。OBD是英文On-Board Diagnostics 的縮寫，中文翻譯為"車載自動診斷系統"。0BD是一種自動診斷汽車問題的程序。當系統出現故障時，故障燈或檢査發動機警告燈亮，同時動力總成控制模塊 將故障信息存入存儲器，通過一定的程序可以將故障碼讀出。根據故障碼的提示， 維修人員能迅速準確地確定故障的性質和部位。有針對性地去檢査有關部位、元 件和線路，將故障排除。
本實用新型發動機管理系統的功能主要包括噴油控制、點火控制、怠速控制、 排放控制、0BD、后備運行及其它輔助控制等。
一、噴油控制 1、噴油量控制
ECU對噴油量的控制是通過對噴油輸出脈寬的控制來實現的。對噴油量的控 制采用以閉環控制為主，開環控制為輔的控制策略。發動機工況不同，對混合氣 濃度的要求也不相同。特別是冷起動、急加速、急減速等特殊工況，對混合氣濃 度具有特殊要求，此時采用開環控制。對于發動機其它正常運行工況，采用閉環 控制，以保證空燃比控制在理論空燃比(14.7:1)附近，使排放達到最佳。噴油量 的控制大致可分為起動控制、運轉控制、加減速控制、斷油控制和空燃比閉環控 制等。
1.1、起動噴油量控制
(1) 、起動工況判定
當同時滿足以下條件時，ECU判定為起動工況，按起動工況程序控制噴油量
① 、點火開關信號為高電平；
② 、發動機起動完成標志為零；
③ 、ECU連續檢測到曲軸位置傳感器信號； 、 ECU檢測發動機轉速低于設定起動轉速。
當ECU在N個曲軸周期內連續檢測到發動機轉速高于或等于設定起動轉速， 即判定為起動完成，發動機起動完成標志置l。之后如果ECU在設定的時間內沒 有檢測到曲軸位置傳感器信號或點火開關信號為低電平，發動機起動完成標志清 零，允許重新進入起動工況。
(2) 、起動工況噴油量的計算
起動工況噴油量主要由發動機冷卻液溫度、進氣溫度、發動機轉速及發動機 曲軸轉過的圈數確定。1.2、起動后過渡工況噴油量
發動機起動完成后，空燃比應盡快加大以滿足排放及燃油經濟性要求。但空 燃比過快會使發動機轉速不穩定，嚴重時還會導致發動機熄火。因此，發動機起 動完成后，在一定的計數周期內，空燃比還是按開環控制。計數周期由冷卻液溫 度確定，與之對應有一個起動后過渡噴油修正系數，此修正系數隨時間逐漸衰減， 直到計數周期結束修正系數衰減為零。
1. 3、起動后開環控制噴油量的計算
發動機起動后，不管是進行空燃比開環控制還是閉環控制，都要進行開環控 制噴油量計算。閉環控制建立在開環控制的基礎上。
ECU根據采集的發動機轉速和進氣歧管壓力信號，通過標定的噴油脈譜數據 確定基本噴油量；然后根據進氣溫度、冷卻液溫度、大氣壓力、自學習修正系數 對基本噴油量進行修正后，作為開環控制噴油量。
此外由于噴油器的響應時間受電池電壓的影響，還要根據電池電壓確定無效 噴油時間，經過以上修正后的開環控制噴油量乘以其它開環修正系數(如加速修 正系數、大負荷修正系數等)或閉環修正系數后與無效噴油時間之和作為總的噴 油時間。
1.4、加速噴油量控制
當汽車加速時，為了保證發動機能夠輸出足夠的扭矩，改善加速性能，必須 增大噴油量，此時ECU對噴油量進行開環控制。在發動機運轉過程中，ECU將根 據節氣門位置傳感器信號和進氣歧管壓力傳感器信號的變化速率，判定發動機是 否處于加速工況。當變化速率達到一定閾值時，及判定為加速工況。加速修正系 數由變化速率確定。
1. 5、大負荷噴油增量控制
發動機在大負荷或全負荷工況下運行時，要求發動機輸出最大功率，ECU將 根據進氣歧管壓力和發動機轉速信號，判定發動機是否處于大負荷以上工況運 行。當判定為大負荷工況時，ECU將控制運行功率空燃比程序，增大噴油量， 供給濃于理論空燃比的功率混合氣，滿足發動機輸出最大功率的要求。此時ECU 對噴油量進行開環控制。
1.6、斷油控制(1) 、超速斷油控制
超速斷油是當發動機轉速超過允許的最高轉速時，ECU自動中斷噴油，防止 發動機超速運轉而損壞機件。在發動機運行過程中，ECU隨時都將曲軸位置傳感
器測得的發動機實際轉速與程序中設定的發動機最高極限轉速進行比較。當實際 轉速達到或超過極限轉速時，電腦就發出停止噴油指令，控制噴油器停止噴油， 限制發動機轉速進一步升高。當噴油器停止噴油、發動機轉速下降至低于極限轉
速80轉/分左右時，斷油結束，恢復噴油。
(2) 、減速斷油控制
減速斷油控制是當發動機在高轉速運轉過程中節氣門突然關閉減速時，ECU 自動控制噴油器中斷燃油噴射，直到發動機轉速下降到設定的轉速時，再恢復噴 油。當同時滿足以下條件時ECU進入減速斷油控制
① 、發動機起動后過渡工況結束；
② 、節氣門關閉；
③ 、發動機轉速高于設定的減速斷油控制轉速； 、車速高于設定值；
⑤、進氣壓力低于一定值。
由于發動機起動后過渡工況轉速有可能超過設定的減速斷油控制轉速，此時 斷油會引起起動后發動機轉速波動較大，所以此時不應該斷油。設定的減速斷油 控制轉速由怠速控制目標轉速確定，比怠速控制目標轉速高一個較大的固定值。 如怠速控制目標轉速為900rpm/min時，減速斷油控制轉速為1800rpm/min。
當節氣門打開或發動機轉速低于設定的減速斷油恢復轉速時，ECU控制噴油 器恢復噴油。設定的減速斷油恢復轉速由怠速控制目標轉速確定，比怠速控制目 標轉速高一個較小的固定值。如怠速控制目標轉速為900rpm/min時，減速斷 油恢復轉速為1400rpm/min。
(3) 、溢油清除斷油控制
發動機起動特別是低溫冷起動時，若多次起動未成功，淤積在氣缸內的濃混 合氣可能會浸濕火花塞，使之不能跳火，這種情況稱為溢油或淹缸。此時若繼續 噴油，會使淹缸越來越嚴重。ECU程序中設有溢油清除斷油控制功能，當同時滿 足以下條件ECU進入溢油清除斷油控制，不噴油只點火以清除溢油① 、發動機處于起動工況；
② 、節氣門開度達到最大；
③ 、發動機轉速低于設定轉速。
1.7、 空燃比閉環控制
當混合氣的空燃比控制在理論空燃比(14.7)附近時，三元(HC、 CO、 NOx)催 化轉換器對碳氫化合物(HC)、 一氧化碳(CO)的氧化效率和氮氧化物(N0x)的還原 效率最高，并轉化為二氧化碳(C02)、水(H20)、氧氣(02)、氮氣(N》等無害成分， 其凈化率曲線如圖3所示。為了達到排氣凈化的目的和滿足排放法規的要求，發 動機排放控制系統配裝了三元催化轉換器和氧傳感器。利用氧傳感器對空燃比進 行反饋控制，將空燃比精確控制在理論空燃比(14.7)附近，再利用三元催化轉換 器，將排氣中三種主要的有害成分(HC、 C0、 NOx)轉化為無害成分。
空燃比(A/F)反饋控制的如示意圖4所示，ECU根據氧傳感器輸入的電壓信號 對噴油量進行修正。當ECU接收到的信號電壓高于閾值電壓(通常為0. 45V左右) 時，表明混合氣偏濃，空燃比偏小，ECU將減小空燃比閉環修正值以減少噴油量， 使混合氣逐漸變稀，空燃比逐漸增大。當接收到的信號電壓低于閾值電壓時，表 明混合氣偏稀，空燃比偏大，ECU將加大空燃比閉環修正值以增加噴油量，使混 合氣逐漸變濃，空燃比逐漸減小。ECU程序中對空燃比閉環修正值計算采用比例 積分的控制算法。
1.8、 空燃比自學習控制
發動機的很多控制參數主要依據ECU中事先編號的控制軟件，其中包含了大 量的脈譜數據。這些脈譜數據是在發動機臺架和整車上進行的樣機性能試驗數 據，即樣機標定的結果整理而成的。換句話說，這些數據對于用于標定的樣機是 完全真實可靠的。然而，當汽車被大批量生產出來，并由眾多的、各具特點的使
用者駕駛在各個不同的地區，這些數據就不一定是完全可靠的。由同樣的脈譜也 不一定能夠使同型號的發動機都達到性能最優化。原因就是這些發動機存在著很 多差異，這些差異主要由下面的原因產生
(1) 、即使是同一型號的新發動機，也由于制造誤差、裝配誤差和調整誤差， 每一臺都不完全一樣的；
(2) 、隨著發動機的老化，因使用程度、磨損程度等造成了更大的差異；(3) 、各種傳感器、執行器在使用過程性能參數產生漂移；
(4) 、駕駛區域的氣候條件、燃燒條件不一樣。
所以，在ECU控制軟件時，必須考慮到如何適應這些差異的變化。 一個最實 用的解決辦法就是加入自學習控制功能。ECU在空燃比閉環控制過程當中，通過 判斷發動機工況和閉環修正值來確定系統開環噴油量的偏差，并將此偏差逐步學 入自學習修正模塊當中，在以后的控制當中，自學習修正模塊中的修正值會自動 記入開環基本噴油量當中。
2、噴油正時控制
發動機燃油噴射系統按噴油器安裝部位分為單點燃油噴射系統和多點燃油 噴射系統兩類。單點噴射系統只有一只噴油器，噴油器安裝在節氣門體上；多點 燃油噴射系統每個氣缸配有一只噴油器，噴油器安裝在各缸進氣門前進氣歧管 上。對于多點燃油噴射系統，根據噴射燃油的時序，又可分為同時噴射、分組噴 射和順序噴射三種類型。多點順序噴射的優點是各缸噴油時刻均可設計在最佳時 刻，燃油霧化質量好，有利于提高燃油經濟性和降低有害成份(HC、 CO、 NOx)排 放。本系統采用多點順序噴射方式。
ECU根據檢測到的曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號以及計算的噴油 脈寬確定每缸噴油正時(即開始噴油時刻)。發動機一個工作循環(曲軸轉兩轉 720度)，各缸噴油器噴油一次。噴油時序如圖5所示。
二、點火控制
點火控制可以分為點火提前角控制、點火閉合角控制和爆震控制，其中最 主要是點火提前角控制，點火提前角對發動機的動力性、經濟性和排放有十分重 要的影響。
1、點火提前角控制 根據發動機運行工況不同，ECU對點火提前角控制也不一樣。可分為起動工 況點火提前角控制控制、怠速工況點火提前角控制控制、正常運行(非怠速)工 況點火提前角控制控制。
1.1、起動工況點火提前角
發動機起動時點火提前角一般不宜過大。起動時，發動機轉速變化大，進氣 壓力不穩定，不能用來計算確定點火提前角。所以在啟動發動機時，采用固定的點火提前角進行控制，起動工況點火提前角設定為5°。 1.2、怠速工況點火提前角
怠速工況主點火提前角根據發動機轉速確定，如圖6所示。怠速轉速高時， 主點火提前角大，怠速轉速低時時，主點火提前角小。
怠速工況根據發動機冷卻液溫度對主點火提前角進行修正。發動機冷起動 后，為了使三元催化器快速起燃，可根據發動機冷卻液溫度適當減小怠速點火提 前角以提高排氣溫度，使三元催化器快速起燃，減小有害氣體排放。當發動機冷 卻液溫度過高時，為了避免發動機過熱，也應當減小點火提前角。
怠速工況開空調時，也要對點火提前角進行修正，以加大發動機輸出扭矩。 此時點火提前角增加3°。
此外還要根據發動機怠速轉速的變化進行怠速修正，以保證怠速穩定性。當 ECU檢測怠速轉速具有下降趨勢時，將適當增大點火提前角；當轉速具有上升趨 勢時，將適當減小點火提前角，以使怠速轉速穩定。
1.3、正常運轉點火提前角
正常運轉點火提前角ECU根據發動機轉速和進氣壓力信號，通過査表(點火 提前角脈譜數據表)確定基本點火提前角，然后根據一系列參數修正得到正常運 轉點火提前角。
存儲在ECU存儲器中的點火提前角脈譜數據表，是通過發動機臺架試驗，并 綜合考慮發動機油耗、扭矩、排放和爆震等因素，對試驗結果進行優化處理后確 定。
正常運轉點火提前角的修正主要包括冷卻液溫度修正、過渡工況修正、功率 加濃修正等。
2、點火閉合角控制
點火閉合角控制也叫充磁時間控制。ECU對點火能量的控制是通過充磁時間 的長短來控制的，這種控制的目的是維持基本恒定的點火能量。點火線圈充磁時 間決定了火花塞的點火能量，太長的充磁時間會損害線圈或線圈驅動器，太短會 導致失火。充磁時間與蓄電池電壓和發動機轉速相關。電池電壓降低時，初級線 圈電流增長速度較慢，所以必須通過較大的充磁時間來平衡總的點火能量；反之， 電壓升高時，充磁時間減小。發動機在高轉速時(如3000轉以上)，由于點火線圈充放電的頻率加快，線圈發熱量增大，為保護點火線圈需適當減小充磁時間。 3、爆震控制
爆震是燃燒室內的混合氣在火花塞點燃的火焰前鋒沒有傳播到的時候，自己 著火產生沖擊性的燃燒現象。爆震持續發生，可能使火花塞的電極或活塞產生過 熱而造成熔損。爆震與點火提前角有密切的關系，通常能發出最大扭矩的點火提 前角就在開始引起爆震的的附近。ECU通過爆震傳感器來檢測發動機是否產生爆震。
ECU對爆震的控制，是利用推遲點火提前角的方法來消除爆震。 一旦ECU偵 查出爆震，對點火提前角的控制立即轉入閉環控制，逐步推遲點火，直到爆震完 全消失為止。
當爆震完全消失后并在若干循環內不再出現，ECU會逐漸將點火角提前，直 到恢復爆震前的水平，并重新開始正常的點火控制。所以，對爆震的控制實際上 是對點火提前角延遲一提前的過程。這樣控制的根據是，爆震在一定程度上可視 作隨機現象，ECU力求盡快恢復正常點火提前以保證發動機的性能和排放。
為確切的檢測和控制爆震信號，首先對爆震傳感器信號進行濾波并將濾波后
的信號進行A/D轉換，然后通過對爆震窗口 (包括窗口起始時刻和窗口長度)的
確定來對信號進行積分。如爆震信號積分值高于設定的爆震判別閾值，則按照標
定的點火推遲量推遲點火角以減少爆震產生的機會。
另外，在出現爆震后的點火閉環控制過程，也是自學習過程。利用此時學習 到的數據，作為長期修正點火提前角控制的依據。 三、怠速控制
怠速控制主要是對怠速進氣量的控制，ECU檢測發動機實際怠速轉速與怠速 目標轉速比較，經過一定的控制算法后，控制怠速調節閥開度來控制怠速進氣量， 從而控制實際怠速轉速達到怠速目標轉速附近。而噴油量根據進氣量的變化自動 調整，以滿足空燃比的要求，將空燃比控制在理論最佳空燃比(14.7:1)附近。
1、怠速目標轉速
怠速目標轉速主要由發動機冷卻液溫度確定，冷卻液溫度越低，怠速目標轉 速越高，如圖7所示。怠速工況開空調時，需要提高怠速目標轉速，以保證怠速穩定性。此時怠速 目標轉速比正常怠速目標轉速高100rpm/min。 2、怠速調節閥開度調節
ECU調節怠速調節閥開度的目的是調節怠速進氣量，從而控制實際怠速轉速 逼近怠速目標轉速，這是一個閉環控制系統。怠速閉環控制的控制算法采用PID 調節方式，即比例-積分-微分調節。控制模型如圖8所示。
(1) 、比例控制
比例控制能迅速反應轉速誤差，從而減小穩態誤差。當怠速目標轉速減實際 怠速轉速的差值為正值(即實際怠速轉速低于怠速目標轉速)時，比例控制器輸 出為正值，以增大怠速調節閥開度，相反情況比例控制器輸出為負值，以減小怠 速調節閥開度，差值越大，比例控制器輸出的絕對值越大，以快速響應轉速誤差。 比例控制器可以減小穩態誤差，使實際怠速轉速接近怠速目標轉速，但不能清除 穩態誤差。清除穩態誤差的任務由積分控制器來完成。
(2) 、積分控制
積分控制器的任務是清除穩態誤差。只要怠速目標轉速與實際怠速轉速的差 值不為零，積分控制器就不停的積累這些差值，并輸出控制量以清除誤差。理論 上只要有足夠的時間，積分控制器能完全清除誤差，使實際怠速轉速達到怠速目 標轉速。實際上由于測量誤差、控制精度及外界干擾等因素，實際怠速轉速只能 控制在怠速目標轉速附近很小范圍內波動。
(3) 、微分控制
微分控制器是以誤差變化率為依據進行控制輸出的。例如，雖然實際怠速轉 速遠高于怠速目標轉速，比例控制器輸出為負值，但如果在減速過程中，轉速下 降越來越快，此時誤差變化率為正值，微分控制器輸出為正值，以加大控制輸出， 使轉速下降變慢。微分控制器的作用是改善系統的動態性能，可以減小超調量， 克服系統振蕩，使系統穩定性提高。
3、怠速自學習控制
由于發動機的差異及發動機的老化，怠速對進氣量的要求會逐漸變化，因此 ECU提供了怠速的自學習的功能。發動機在充分暖機和穩定的怠速工況下，ECU 從怠速閉環控制中，慢慢學習怠速調節闊開度的變化，并將學得的怠速調節闊開度值，儲存于RAM中，發動機起動時便要利用這一值來作為計算起動怠速調節閥 開度的其中一項。怠速自學習值會隨著發動機不同的穩定怠速工況而緩慢地改變。
4、穩定怠速的點火提前角調節
通過調節怠速調節閥開度來調節怠速轉速，是怠速調節控制的主要控制方 法。但由于怠速調節閥調節精度的原因，怠速調節閥每調節一個最小單位，怠速 轉速會變化幾十轉/分鐘。為了更加精確的控制怠速轉速，可通過適當調節怠速 點火提前角來調節怠速轉速。在實際怠速轉速與怠速。
目標轉速差值為幾十轉/分鐘的范圍內，當ECU檢測怠速轉速具有下降趨勢 時，適當增大點火提前角；當轉速具有上升趨勢時，適當減小點火提前角，以使 怠速轉速穩定。
四、 排放控制
ECU對排放控制主要有對尾氣有害氣體排放的控制和對燃油蒸發排放的控 制。尾氣有害氣體排放主要是控制尾氣中的HC、 CO和NOx，使之達到國家有關 排放標準。燃油蒸發排放的控制主要是通過對碳罐電磁閥的控制來實現。
1、 尾氣有害氣體排放控制
在汽車發動機的排氣管上安裝三元催化轉換器可凈化排氣中的C0、 HC、和 NOx三種有害氣體成分，但三元催化轉換器只能在空燃比接近理論值 (A/F=14.7:l)的范圍內催化效果最佳。在排氣管中安裝氧傳感器，它可通過檢 測排氣中氧的含量來獲取混合氣空燃比的高低。ECU根據氧傳感器輸入的信號， 對噴油量進行修正，實現空燃比的反饋控制，使混合氣的空燃比接近理論空燃比， 三元催化轉換器能更有效地起凈化作用，使有害氣體的排放量降到最低，符合國 家有關排放標準。
2、 燃油蒸發排放控制
燃油蒸發排放控制是ECU根據發動機運行工況，有規律的控制碳罐電磁閥的 開啟和關閉，使燃油箱內的燃油蒸汽進入發動機內燃燒，從而減少燃油蒸汽向大 氣中排放。
五、 OBD
發動機管理系統除燃料噴射和點火功能等基本功能外，還有車載診斷(OBD)功能，當系統出現故障時，故障(MIL)燈點亮，同時ECU將故障信息以故障碼 形式存入存儲器，通過一定的程序可以將故障碼從ECU中讀出。根據故障碼的提 示，迅速準確地確定故障的性質和部位。有針對性地去檢査有關部位、元件和線 路，將故障排除。車載診斷功能按OBDII標準設計，以滿足歐III標準對排放的要 求，內容主要包括以下幾個方面
(1) 、當排放控制系統(包括與排放有關的任何傳感器、執行器或輸出裝置) 失效導致排放超過規定的極限值時，OBD必須指示它們的失效；
(2) 、為了滿足歐III標準,OBD的設計具有嚴格的排放針對性。汽油發動機OBD 必須檢測以下項目發動機在一定工況區內出現的失火率；催化轉換器的凈化效 率下降到某個限值之下；氧傳感器老化導致排放超過限值；蒸發排放物控制系統 中炭罐控制閥(至少應監測其電路是否連通)；其他與排放有關的傳感器或其他 排放控制裝置失效等情況
(3) 、每次發動機起動時，必須開始一系列的診斷檢測。
(4) 、 OBD必須裝有能使駕駛人感知故障存在的故障指示器。排放一旦超過 限值，發動機控制進入永久性排放失效模式，故障指示器應在2個運轉循環內激 活。
(5) 、 OBD必須記錄指示排放控制系統狀態的代碼。
(6) 、如果不再出現可能損壞催化器的失火水平，故障指示器可以切換回到 先前檢測到失火的第一個運轉循環的激活狀態，相應的失火代碼和凍結幀可以被 擦除。對于失火以外的其他故障，如果在三個連續的運轉循環中不再檢測到該故 障，并且沒有檢測到其他可以激活故障指示器的故障，故障指示器可以解除激活。
(7) 、如果在40個發動機暖機循環內沒有出現相同的失效，OBD可以擦除失
效代碼和凍結幀信息。
(8) 、 OBD在下列情況下可以臨時停止工作
① 、冷卻液溫度低于-7'C;
② 、海拔高于2500米；
③ 、油箱油位低于20%;
、道路路面情況十分惡劣。
(9) 、為了滿足以上要求，系統硬件應作以下升級① 、在三元催化轉換器后增加一個氧傳感器，前后兩個氧傳感器組合起 來對催化轉換器的凈化率進行監控，同時對燃油控制進行補償。
② 、ECU增加點火反饋信號檢測，以檢測發動機點火器件故障。
(D、選用帶有EEPROM的MCU，使其中的軟件可重新編程，通過終端接口 及外部計算機可對其重新寫入新版的軟件。
、燃油噴射方式由多點順序噴射取代多點同時噴射或單點噴射。 ⑤、點火方式采用無分電器直接點火方式。增加曲軸位置傳感器。 ◎、增加油箱油位傳感器。 六、輔助控制
1、 電動燃油泵控制
(1) 、當點火開關接通后，ECU控制電動燃油泵運行3秒鐘，由于建立足夠的 油壓；
(2) 、點火開關接通后3秒內，若ECU沒有檢測到發動機轉速信號，電動燃油 泵停止運行；若ECU檢測到發動機轉速信號，電動燃油泵繼續運行；
(3) 、若發動機運轉過程中熄火，ECU連續100ms內沒有檢測到發動機轉速信 號，電動燃油泵延時2秒鐘關閉；
(4) 、當點火開關關閉時，電動燃油泵立即停止運行。
2、 主繼電器控制
(1) 、當點火開關接通時，主繼電器線圈通電，其輸出觸點向系統有關部件提 供電壓。此后主繼電器一直工作。
(2) 、當點火開關斷開時，主繼電器線圈延時3秒鐘斷電，ECU在這3秒鐘控 制怠速調節閥步進電機復位，回到初試位置，以便發動機下次起動。
3、 冷卻風扇控制
冷卻風扇的工作根據發動機冷卻液溫度來控制。
(1) 、當冷卻液溫度高于92'C時，冷卻風扇的啟動；
(2) 、當冷卻液溫度低于86'C時，冷卻風扇的停止。 冷卻風扇的工作的冷卻液溫度控制點可標定。
4、 空調控制
當同時滿足以下條件時，ECU控制空調離合器繼電器工作(1) 、發動機起動完成；
(2) 、發動機轉速高于設定轉速(700rpm/min);
(3) 、空調工作請求開關閉合；
(4) 、空調冷凝器溫度高于設定溫度(l(TC);
(5) 、空調停止工作后延時時間結束；
當上列條件同時滿足后，為了保證空調離合器吸合時不會引起發動機轉速波
動太大，ECU先要適當增大怠速調節閥開度，然后再控制空調離合器繼電器線圈 通電。
當滿足下列條件之一，ECU控制空調離合器繼電器線圈斷電
(1) 、發動機起動過程中；
(2) 、發動機轉速低于設定轉速(700rpm/min);
(3) 、空調工作請求開關斷開；
(4) 、空調冷凝器溫度低于設定溫度(rc);
若空調已開啟，ECU控制空調離合器繼電器線圈斷電前，先要適當減小怠速 調節閥開度和點火提前角，以保證空調離合器斷開時不會引起發動機轉速波動太 大。空調停止工作后，ECU延時一定時間才允許再次空調離合器繼電器線圈通電。
七、后備運行
若汽車出現了故障就立即關閉電子控制系統，會給駕駛員帶來很大的麻煩， 為此ECU設有備用運行功能，以協助駕駛員將汽車開到汽車維修站。備用運行功 能只有在發動機出現故障時才啟用，此時正常運行功能被關閉，ECU用存儲器中 預先設定的參數代替傳感器檢測的信息來控制發動機，使發動機繼續運行。如果 故障被排除，正常功能立即投入使用，備用運行功能自動關閉。
權利要求1、用于電控汽油發動機工作系統的電子控制單元ECU(7)，其特征在于，包括用于連接所述工作系統傳感器部分的輸入電路、單片機CPU、存貯器ROM、RAM和用于連接所述工作系統執行器部分的輸出電路，所述單片機CPU的兩端連接輸入電路和輸出電路，存貯器ROM、RAM與單片機CPU電連接。
2、 如權利要求1所述的電子控制單元ECU(7),其特征在于，所述輸入電路包 括用于連接節氣門位置傳感器(1)的接口、用于連接進氣壓力傳感器(2)的接口、 用于連接進氣溫度傳感器(3)的接口、用于連接凸輪軸位置傳感器(4)的接口、 用于連接缸體冷卻液溫度傳感器(8)的接口、用于連接機油壓力開關信號(9)的 接口、用于連接曲軸位置傳感器(4)的接口、用于連接冷卻液溫度傳感器(8)的 接口、用于連接曲軸位置傳感器(11)的接口、用于連接發動機轉速傳感器(18)的 接口、用于連接安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器(9)的接口，用于連接發動機轉速 傳感器(18)的接口，所述輸出電路包括用于連接電動燃油泵(14)的接口、用于連 接噴油器(19)的接口、用于連接怠速調節閥(20)的接口、用于連接點火線圈(30) 的接口。
3、 如權利要求2所述的電子控制單元ECU(7)，其特征在于，所述輸入電路還 包括用于連接安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)前的前氧傳感器(5)的接 口、用于連接安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)后的后氧傳感器(23)的接 口，所述輸出電路還包括用于連接碳罐電磁閥(22)的接口。
4、 電控汽油發動機工作系統，它包括進氣系統，燃油供給系統，點火系統，其 特征在于它還包括電子控制系統，所述電子控制系統包括傳感器部分、如權利要求 1至3任一項所述的電子控制單元ECU(7)和執行器部分，所述傳感器部分包括安裝 在進氣系統的進氣管上的節氣門位置傳感器(1)和進氣壓力傳感器(2)、進氣溫度 傳感器(3)，安裝在發動機(13)上的凸輪軸位置傳感器(4)、冷卻液溫度傳感器(8)、曲軸位置傳感器(11)、發動機轉速傳感器(18)，所述傳感器部分的部件均與 所述電子控制單元ECU(7)電連接，所述執行器部分包括位于燃油箱(15)內的電動 燃油泵(14)、噴油器(19)、與所述節氣門并列連接的怠速調節閥(20)、點火線圈(30);所述執行器部分的部件均與電子控制單元ECU(7)電連接。
5、如權利要求4所述的電控汽油發動機工作系統，其特征在于，所述傳感器部分 還包括安裝在發動機氣缸部的爆震傳感器(9)。
6、如權利要求5所述的電控汽油發動機工作系統，其特征在于所述傳感器部分 包括安裝在發動機排氣管上三元催化轉換器(6)前的前氧傳感器(5)，安裝在發動機 排氣管上三元催化轉換器(6)后的后氧傳感器(23)，所述執行器部分還包括碳罐電磁 閥(22)。
專利摘要一種電控汽油發動機ECU及其工作系統，該系統包括進氣系統，燃油供給系統，點火系統，還包括電子控制系統，電子控制系統包括傳感器部分、電子控制單元ECU和執行器部分，傳感器部分包括節氣門位置傳感器和進氣壓力溫度傳感器、進氣溫度傳感器等一系列傳感器，執行器部分包括電動燃油泵、噴油器、怠速調節閥、點火線圈；所有傳感器與執行器均與ECU電連接，ECU包含有噴油控制程序、點火控制程序、怠速控制程序；該系統采用控制策略合理、控制功能全面、控制功能集成性能好以及系統移植性好；該ECU包括用于連接傳感器部分的輸入電路、單片機CPU、存貯器ROM、RAM和用于連接執行器部分的輸出電路。
文檔編號F02D43/04GK201306223SQ20082013886
公開日2009年9月9日 申請日期2008年10月9日 優先權日2008年10月9日
發明者張和君, 王和平 申請人:張和君;王和平