Che cos’è una ECU?

L’uso del termine ECU può essere usato per riferirsi a un’unità di controllo del motore, tuttavia ECU si riferisce anche a un’unità di controllo elettronico, che è un componente di qualsiasi sistema meccatronico automobilistico, non solo per il controllo di un motore.

Nell’industria automobilistica, il termine ECU si riferisce spesso a un’unità di controllo motore (ECU), o un modulo di controllo motore (ECM). Se questa unità controlla sia un motore che una trasmissione, viene spesso descritta come Powertrain Control Module (PCM).

Per gli scopi di questo articolo, discuteremo la ECU come Engine Control Unit.

Cosa fa una ECU?

Fondamentalmente, la ECU del motore controlla l’iniezione del carburante e, nei motori a benzina, il tempo della scintilla per accenderlo. Determina la posizione degli organi interni del motore usando un sensore di posizione dell’albero a gomito in modo che gli iniettori e il sistema di accensione siano attivati esattamente al momento giusto. Mentre questo sembra qualcosa che può essere fatto meccanicamente (e lo è stato in passato), ora c’è un po’ più di questo.

Un motore a combustione interna è essenzialmente una grande pompa d’aria che si autoalimenta usando il carburante. Quando l’aria viene aspirata, si deve fornire abbastanza carburante per creare la potenza necessaria a sostenere il funzionamento del motore e averne una quantità utile per spingere l’auto quando è necessario. Questa combinazione di aria e carburante è chiamata “miscela”. Troppa miscela e il motore sarà a pieno regime, troppo poco e il motore non sarà in grado di alimentare se stesso o l’auto.

Non solo la quantità di miscela è importante, ma il rapporto di quella miscela deve essere corretto. Troppo carburante – troppo poco ossigeno, e la combustione è sporca e dispendiosa. Troppo poco carburante – troppo ossigeno rende la combustione lenta e debole.

I motori una volta avevano questa quantità e rapporto di miscela controllata da un dispositivo di misurazione interamente meccanico chiamato carburatore, che era poco più di un insieme di fori di diametro fisso (getti) attraverso i quali il motore “succhiava” il carburante. Con le richieste dei veicoli moderni che si concentrano sull’efficienza del carburante e sulle emissioni più basse, la miscela deve essere controllata più strettamente.

L’unico modo per soddisfare questi severi requisiti è consegnare il controllo del motore a una ECU, l’unità di controllo del motore. L’ECU ha il compito di controllare l’iniezione del carburante, l’accensione e gli accessori del motore usando equazioni memorizzate digitalmente e tabelle numeriche, piuttosto che con mezzi analogici.

Gestione precisa del carburante

Una ECU ha a che fare con molte variabili quando decide il rapporto di miscela corretto.

• Richiesta del motore
• Temperatura motore/refrigerante
• Temperatura dell’aria
• Temperatura del carburante
• Qualità del carburante
• Variazione della restrizione del filtro
• Pressione dell’aria
• Efficienza di pompaggio del motore

Questi richiedono una serie di sensori per misurare tali variabili e applicarle alla logica nella programmazione dell’ECU per determinare come compensarle correttamente.

Un aumento della domanda del motore (come l’accelerazione) richiederà un aumento della quantità complessiva di miscela. A causa delle caratteristiche di combustione dei carburanti in uso, richiede anche un cambiamento nel rapporto di questa miscela. Quando si preme il pedale dell’acceleratore, la valvola a farfalla si apre per far entrare più aria nel motore. L’aumento del flusso d’aria al motore viene misurato dal sensore del flusso d’aria di massa (MAF) in modo che l’ECU possa cambiare la quantità di carburante iniettato, mantenendo il rapporto di miscela entro i limiti.

Non si ferma qui. Per ottenere i migliori livelli di potenza e una combustione sicura, l’ECU deve cambiare il rapporto della miscela e iniettare più carburante a tutto gas di quanto non farebbe durante la crociera – questa è chiamata “miscela ricca”. Al contrario, una strategia di rifornimento o un guasto che comporta l’iniezione di una quantità di carburante inferiore al normale porterebbe a una “miscela magra”.

Oltre a calcolare il rifornimento in base alla domanda del conducente, la temperatura ha un ruolo considerevole nelle equazioni utilizzate. Dal momento che la benzina viene iniettata come liquido, l’evaporazione deve avvenire prima che possa bruciare. In un motore caldo, questo è facile da gestire, ma in un motore freddo il liquido ha meno probabilità di evaporare e più carburante deve essere iniettato per mantenere il rapporto di miscela entro la gamma corretta per la combustione.

Flashback: Prima dell’uso dell’ECU, questa funzione era gestita da uno “starter” sul carburatore. Questo starter era semplicemente un flap che limitava il flusso d’aria nel carburatore aumentando il vuoto ai getti per promuovere un maggiore flusso di carburante. Questo metodo era spesso impreciso, problematico e richiedeva regolazioni regolari. Molti erano regolati manualmente dal guidatore durante la guida.

Anche la temperatura dell’aria gioca un ruolo nella qualità della combustione allo stesso modo della variazione della pressione atmosferica.

Perfezionare la combustione

Siccome un motore d’auto passa la maggior parte del suo tempo a velocità ridotta, l’ECU si concentra sulla massima efficienza in quest’area. La miscela ideale, in cui tutto il carburante iniettato viene bruciato e tutto l’ossigeno viene consumato da questa combustione, è conosciuta come ‘stechiometrica’ o spesso come ‘Lambda’. In condizioni stechiometriche, Lambda = 1,0.

Il sensore di ossigeno dei gas di scarico (sensore Lambda, sensore O2, sensore di ossigeno o HEGO) misura la quantità di ossigeno rimasta dopo la combustione. Questo dice al motore se c’è un eccesso di aria nel rapporto di miscela – e naturalmente se il carburante iniettato è eccessivo o insufficiente. L’ECU legge questa misura e regola costantemente la quantità di carburante iniettato per mantenere la miscela il più vicino possibile a Lambda = 1,0. Questo è noto come funzionamento a ‘circuito chiuso’, ed è un contributo importante all’efficienza avanzata che deriva dall’uso delle centraline motore.

A causa delle severe normative sulle emissioni ora in vigore, ci sono molti altri sistemi su un motore che aiutano a ridurre il consumo di carburante e/o l’impatto ambientale. Questi includono:

• Ricircolo dei gas di scarico (EGR)
• Catalizzatore e riduzione catalitica selettiva
• Reazione di iniezione dell’aria di scarico (AIR)
• Filtri antiparticolato diesel (DPF)
• Stratificazione del carburante
• Iniezione di additivi allo scarico (come l’AdBlue)
• Controllo delle emissioni evaporative (EVAP)
• Turbo e sovralimentazione
• Sistemi di propulsione ibrida
• Controllo variabile della valvola (come VTEC o MultiAir)
• Controllo variabile dell’aspirazione

Tutti i sistemi di cui sopra influenzano il funzionamento del motore in qualche modo e di conseguenza devono essere sotto il pieno controllo della ECU.

Come funziona una ECU?

Una ECU è spesso indicata come il “cervello” del motore. È essenzialmente un computer, un sistema di commutazione e un sistema di gestione della potenza in un contenitore molto piccolo. Per funzionare anche a un livello di base, deve incorporare 4 diverse aree di funzionamento.

• Input
  Questo include tipicamente sensori di temperatura e pressione, segnali on/off e dati da altri moduli all’interno del veicolo ed è come una ECU raccoglie le informazioni di cui ha bisogno per prendere decisioni.
• Un esempio di input potrebbe essere un sensore di temperatura del refrigerante, o un sensore di posizione del pedale dell’acceleratore. Anche le richieste del modulo dell’ABS (Antilock Brake System) possono essere prese in considerazione, come ad esempio per l’applicazione del controllo di trazione.
• Elaborazione

Una volta che i dati sono stati raccolti dalla ECU, il processore deve determinare le specifiche di uscita, come la larghezza dell’impulso dell’iniettore di carburante, come indicato dal software memorizzato nell’unità.

• Il processore non solo legge il software per decidere l’uscita appropriata, ma registra anche le proprie informazioni, come le regolazioni di miscela apprese e il chilometraggio.
• Output
  L’ECU può quindi eseguire un’azione sul motore, consentendo la corretta quantità di potenza per controllare gli attuatori con precisione.
• Questi possono includere il controllo della larghezza dell’impulso dell’iniettore di carburante, la temporizzazione esatta del sistema di accensione, l’apertura di un corpo farfallato elettronico o l’attivazione di una ventola di raffreddamento del radiatore.
• Gestione della potenza

L’ECU ha molti requisiti interni di potenza per le centinaia di componenti interni per funzionare correttamente. Oltre a questo, per far funzionare molti sensori e attuatori, la corretta tensione deve essere fornita dall’ECU ai componenti intorno all’auto. Questo potrebbe essere solo un costante 5 Volt per i sensori, o oltre 200 Volt per i circuiti degli iniettori di carburante.

• Non solo la tensione deve essere corretta, ma alcune uscite devono gestire più di 30 Ampere, il che naturalmente crea molto calore. La gestione termica è una parte fondamentale della progettazione dell’ECU.

Funzione di base dell’ECU

La prima fase del funzionamento dell’ECU è in effetti la gestione della potenza. È qui che vengono regolate varie tensioni e viene gestita l’accensione dell’ECU. La maggior parte delle ECU hanno una gestione dell’alimentazione sofisticata a causa della varietà di componenti all’interno, regolando accuratamente 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V e fino a 250V tutti dalla fornitura di 10-15V dell’auto. Il sistema di gestione dell’alimentazione permette anche all’ECU di avere il pieno controllo su quando si spegne – cioè non necessariamente quando si spegne l’interruttore di accensione.

Una volta che le tensioni corrette sono fornite, i microprocessori possono iniziare ad avviarsi. Qui il microprocessore principale legge il software dalla memoria ed esegue un autocontrollo. Poi legge i dati dai numerosi sensori del motore e li converte in informazioni utili. Queste informazioni sono spesso trasmesse attraverso il CANbus – la rete informatica interna dell’auto – ad altri moduli elettronici.

Una volta che il microprocessore principale ha interpretato queste informazioni, fa riferimento alle tabelle numeriche o alle formule all’interno del software e attiva le uscite come richiesto.

Esempio. Se il sensore di posizione dell’albero motore mostra che il motore sta per raggiungere la massima compressione su uno dei cilindri, attiverà un transistor per la relativa bobina di accensione. La formula e le tabelle summenzionate all’interno del software faranno sì che l’attivazione di questo transistor sia ritardata o anticipata in base alla posizione della valvola a farfalla, alla temperatura del refrigerante, alla temperatura dell’aria, all’apertura dell’EGR, al rapporto di miscela e alle misurazioni precedenti che mostrano una combustione non corretta.

Il funzionamento del processore principale all’interno della ECU e l’attivazione di molte uscite è supervisionato da un microprocessore di monitoraggio – essenzialmente un secondo computer che si assicura che il computer principale stia facendo tutto correttamente. Se il microprocessore di monitoraggio non è soddisfatto di qualsiasi aspetto della ECU, ha il potere di resettare l’intero sistema o di spegnerlo completamente. L’uso del processore di monitoraggio è diventato imperativo con l’applicazione del controllo dell’acceleratore drive-by-wire a causa dei problemi di sicurezza se il microprocessore principale dovesse sviluppare un guasto.

Diagnosi di una ECU e delle periferiche

La complessità di implementare tutto questo controllo, tutti questi ingressi e tutte queste uscite richiede una capacità di autodiagnosi relativamente avanzata – la diagnosi tradizionale del motore diventa obsoleta. Gli ingressi e le uscite di una ECU sono monitorati individualmente dal processore, spesso decine di volte al secondo, per assicurarsi che siano entro le tolleranze impostate nel software. Se la lettura di un sensore non rientra in queste tolleranze per un periodo di tempo prestabilito, viene registrato un guasto e viene memorizzato un codice di guasto per essere recuperato dal tecnico.

Codici di guasto

Quando un codice di guasto viene memorizzato, di solito risulta che una parte della logica all’interno del software viene bypassata con una ridotta efficienza del motore, sebbene il motore sia ancora in grado di funzionare a un livello base. In alcune circostanze, la routine di autodiagnosi scopre un guasto grave che fondamentalmente impedisce al motore di funzionare, o spegne il motore nell’interesse della sicurezza.

Con la moderna gestione del motore, il primo passo di diagnosi dei guasti per un tecnico del veicolo è quello di accedere ai codici di guasto dalla memoria della ECU. Questi sono spesso memorizzati come codici alfanumerici a 5 cifre che iniziano con una P, B, C o una U, seguiti da 4 numeri. I dettagli di questi codici e le loro descrizioni possono essere trovati qui: Codici di guasto OBDII

Oltre a questi codici, il tecnico può anche visualizzare i dati del sensore dal vivo attraverso lo strumento diagnostico mentre il veicolo è in funzione. Questo gli permette di vedere una lettura del sensore che non è corretta, ma non fuori tolleranza con un margine sufficiente per segnalare un codice di errore.

Controllo elettronico dell’acceleratore

Molte persone mettono in dubbio la necessità del controllo dell’acceleratore drive-by-wire. Introdotto negli anni ’90, è ora montato su quasi tutti i motori prodotti oggi, ma quali sono i vantaggi rispetto a un cavo tradizionale?

Fino agli anni ’80, la maggior parte del controllo dell’acceleratore era gestito con un cavo dal pedale al carburatore. Il minimo veniva regolato semplicemente regolando una vite per tenere la valvola a farfalla leggermente aperta fino a quando il motore girava correttamente al minimo. Questo semplice metodo richiedeva una regolazione regolare del minimo ed era soggetto a deviazioni quando il motore era freddo o quando varie parti si usuravano.

Negli anni ’80, con l’introduzione tradizionale delle ECU, furono introdotte valvole elettroniche per il controllo dell’aria al minimo che risolvevano molti di questi problemi, tuttavia la ECU controllava ora una parte del flusso d’aria, mentre tutti gli altri componenti rimanevano.

Con l’efficienza del funzionamento del motore e l’efficienza nell’assemblaggio delle auto che andava avanti, fu introdotto il controllo elettronico della valvola a farfalla. Questo accelerò la fabbricazione di un’auto (nessun cavo rigido dell’acceleratore che passa attraverso il firewall), rimosse la necessità di una valvola di controllo dell’aria al minimo e permise all’ECU del motore un controllo addizionale sul motore per una migliore funzione EGR, un migliore controllo dello spegnimento del motore e un migliore avviamento.

Un importante vantaggio del controllo elettronico dell’acceleratore è che l’ECU può regolare l’angolo dell’acceleratore durante l’accelerazione per complimentarsi con il reale flusso d’aria attraverso il motore. Questo migliora la velocità con cui l’aria passa attraverso l’aspirazione e fornisce guadagni in coppia e guidabilità. Questo è noto come torque-mapping ed è possibile solo con il controllo elettronico dell’acceleratore.

Adattamenti

I veicoli moderni sono costruiti con tolleranze molto più strette di quelli del passato, ma sono ancora suscettibili di variazioni di fabbricazione, usura meccanica e aspetti ambientali. Come tali, sono in grado di adattarsi a cambiamenti graduali nel funzionamento del motore.

Esempio. Quando un filtro dell’aria viene bloccato dalla polvere, l’ECU può avviare il motore con una quantità di iniezione di carburante leggermente ridotta per compensare. Questo gli permette di funzionare al massimo dell’efficienza fin dall’avvio del motore, piuttosto che iniziare ai livelli di fabbrica e lavorare verso la miscela ottimale ad ogni viaggio. Lo fa memorizzando i valori Lambda dei viaggi precedenti.

Questi adattamenti non si applicano solo ai filtri dell’aria bloccati, ma a molti sistemi su un motore o una trasmissione. Man mano che i componenti dei sistemi idraulici si usurano, richiedono modifiche ai tempi di attivazione dei solenoidi per compensare. Allo stesso modo, man mano che il motore si usura, la capacità di essere una pompa dell’aria si deteriora leggermente e l’angolo di apertura del flap dell’acceleratore dovrà cambiare per mantenere la corretta velocità del minimo.

La linea temporale della ECU

1970s

Le ECU hanno iniziato semplicemente controllando un paio di solenoidi sui carburatori per farli funzionare più efficacemente. Alcune cominciarono a controllare la miscela al minimo.

1980

Con l’introduzione dell’iniezione di carburante, la ECU assunse un nuovo ruolo di essere completamente responsabile della gestione del carburante e dell’accensione dei motori a benzina.

Il controllo Lambda a circuito chiuso fu presto incluso e la ECU iniziò rapidamente una nuova era nell’efficienza del motore.

1990

La ECU stava ora gestendo la sicurezza del veicolo. Stava anche cominciando ad apparire sui motori Diesel, il che ha giocato una parte non piccola nel successo del motore turbodiesel nei prossimi due decenni.

2000s

L’adozione del controllo dell’acceleratore Drive-by-Wire, il controllo del turbocompressore e numerosi sistemi di emissione tutti sotto lo stretto controllo della ECU.

2010s e oltre

La ECU ha ora il pieno controllo sulla combustione della miscela, l’apertura dell’acceleratore, il sistema di raffreddamento e i sistemi di emissione. Può avere più di cento ingressi e uscite e fa parte di una rete di decine di altre unità di controllo elettronico all’interno del veicolo. I sistemi ibridi si basano sulla comunicazione con la ECU per funzionare, mentre le funzioni di assistenza alla guida comunicano per prendere il controllo della domanda del motore quando necessario.