ECUとは
ECUという言葉は、エンジンコントロールユニットを指すことがありますが、エンジンの制御に限らず、自動車のメカトロニクスシステムの構成要素である電子制御ユニットを指すこともあります。
ここでは、ECUを「エンジン制御ユニット」として説明します。
ECUは何をしているのでしょうか？
基本的には、エンジンECUは、燃料の噴射と、ガソリンエンジンでは燃料に点火するためのスパークのタイミングを制御します。 クランクシャフトポジションセンサーでエンジン内部の位置を把握し、正確なタイミングでインジェクターや点火装置を作動させています。
内燃機関は、燃料を使って自分自身を動かす、大きな空気ポンプのようなものです。 空気が吸い込まれると、エンジンの動作を維持するのに十分な量の燃料が供給され、必要なときに車を走らせるのに十分な量の燃料が残ります。 この空気と燃料の組み合わせを「混合気」と呼びます。
混合気の量が重要なだけでなく、その比率も適切でなければなりません。
混合気の量だけでなく、その比率も重要です。
かつてエンジンは、キャブレターと呼ばれる機械的な計量装置で混合気の量と比率を制御していました。キャブレターは、一定の直径の穴（ジェット）の集まりで、エンジンが燃料を「吸い込む」だけのものでした。
そのためには、エンジンの制御をECU（Engine Control Unit）に委ねるしかありません。
この厳しい要求を満たすためには、エンジンの制御をECU（Engine Control Unit）に委ねるしかありません。ECUは、燃料噴射や点火、エンジンの補助部品を、アナログではなくデジタルで記憶された数式や数値表を用いて制御する役割を担っています。
正確な燃料管理
ECUは、多くの変数を処理して適切な混合比を決定する必要があります。
- エンジン需要
- エンジン/冷却水温度
- 空気温度
- 燃料温度
- 燃料品質
- フィルターの制限変動
- 空気圧li
- エンジンのポンプ効率
これらの変数を測定するためにいくつかのセンサーが必要であり、それをECUのプログラムのロジックに適用して、どのように正しく補正するかを決定します。
加速するなどエンジンの要求が高まると、全体の混合気の量を増やす必要があります。 また、使用する燃料の燃焼特性から、この混合気の比率を変える必要があります。 アクセルペダルを踏むと、スロットルフラップが開き、エンジンに多くの空気が入るようになります。 エンジンに送られる空気量の増加は、マス・エア・フロー・センサー（MAF）で計測され、ECUは燃料の噴射量を変更して混合比を制限することができます。
それだけではありません。最高の出力と安全な燃焼のためには、ECUは混合気の比率を変更し、フルスロットル時には巡航時よりも多くの燃料を噴射しなければなりません（これを「リッチ混合気」と呼びます）。
ドライバーの要求に応じた給油量の計算に加えて、温度も計算式に大きく関わってきます。 ガソリンは液体として噴射されるので、燃焼する前に蒸発しなければなりません。
フラッシュバック。 ECUが採用される前は、この機能はキャブレターの「チョーク」によって管理されていました。 このチョークは単純にフラップでキャブレター内の空気の流れを制限し、ジェット部の真空度を上げて燃料の流れを促進していました。 この方法は、精度が低く、問題が多く、定期的な調整が必要であった。
空気の温度もまた、大気圧の変化と同じように、燃焼の質に影響を与えます。
燃焼の完成度を高める
自動車のエンジンはスロットルを開けている時間が長いため、ECUはこの部分の効率を最大限に高めることに注力しています。 噴射された燃料がすべて燃焼し、その燃焼によってすべての酸素が消費される理想的な混合気を「理論空燃比」といい、「ラムダ」と呼ぶこともあります。
排気ガス酸素センサー（ラムダセンサー、O2センサー、酸素センサー、またはHEGO）は、燃焼後に残った酸素の量を測定します。 これにより、エンジンは混合気に空気が過剰になっているかどうか、そして当然ながら噴射される燃料が過剰か不足しているかどうかを知ることができます。 ECUはこの計測値を読み取り、混合気がラムダ＝1.0にできるだけ近づくように、常に燃料の噴射量を調整する。
厳しい排出ガス規制のため、エンジンには他にも燃費や環境負荷を低減するためのシステムが数多く搭載されています。 それは以下のようなものです。
- EGR（Exhaust Gas Recirculation）
- 触媒コンバーターと選択的触媒還元
- AIR（Exhaust Air Injection Reaction）
- ディーゼル微粒子
- のようなシステムがあります。
- ディーゼル・パティキュレート・フィルター（DPF）
- 燃料の重層化
- 排気ガス添加剤の注入（AdBlueなど）
- 蒸発性排ガス規制
- ターボチャージとスーパーチャージ
- ハイブリッドパワートレインシステム
- 可変バルブトレイン制御（VTECやMultiAirなど）
- 可変吸気制御
- 入力
温度センサーや圧力センサー、オン/オフ信号、車内の他のモジュールからのデータなど、ECUが判断するために必要な情報を収集するためのものです。 - 処理
- プロセッサはソフトウェアを読み込んで適切な出力を決定するだけでなく、学習した混合気の調整値や走行距離などの情報を自ら記録します。
- 出力
ECUはエンジンに対してアクションを起こし、適切な量の電力でアクチュエータを正確に制御することができます。 - 燃料噴射装置のパルス幅の制御、点火システムの正確なタイミング、電子スロットルボディの開度、ラジエータ冷却ファンの作動などがあります。 さらに、多くのセンサーやアクチュエーターが動作するためには、ECUから車内の部品に適切な電圧が供給される必要があります。
- 電圧が正しいだけでなく、一部の出力は30アンペア以上を処理しなければならず、当然ながら多くの熱を発生させます。
ECUの基本的な機能
ECUの動作の最初の段階は、実は電源管理です。 ここでは各種電圧の調整や、ECUの電源投入などが行われます。 ほとんどのECUは、内部にさまざまな部品があるため、高度なパワーマネジメントを行っており、車の10～15Vの電源から1.8V、2.6V、3.3V、5V、30V、最大250Vまでを正確に制御しています。
適切な電圧が供給されると、マイクロプロセッサーが起動します。 メインのマイクロプロセッサーは、メモリーからソフトウェアを読み込み、セルフチェックを行います。 また、エンジンに搭載されている各種センサーからデータを読み取り、有用な情報に変換します。
メインマイクロプロセッサーは、これらの情報を解釈した後、ソフトウェア内の数値表や計算式を参照し、必要に応じて出力を有効にします。 例えば、クランクシャフトポジションセンサーが、エンジンがいずれかのシリンダーで最大圧縮に達しようとしていることを示すと、該当するイグニッションコイル用のトランジスターを作動させます。
ECU内のメインプロセッサーの動作や多くの出力の起動は、メインコンピューターが正しく動作しているかどうかを確認する第2のコンピューターともいえるモニタリングマイクロプロセッサーによって監視されています。 監視用マイクロプロセッサーは、ECUの動作に問題があった場合、システム全体をリセットしたり、完全にシャットダウンしたりすることができます。
ECUおよび周辺機器の診断
これらすべての制御、これらすべての入力、これらすべての出力を実装する複雑さは、比較的高度な自己診断機能を必要とし、従来のエンジン診断は時代遅れとなります。 ECUの入力と出力は、ソフトウェアで設定された許容範囲内にあることを確認するために、プロセッサによって個別に、多くの場合1秒間に何十回も監視されます。
フォールトコード
フォールトコードがメモリに格納されると、通常、ソフトウェア内のロジックの一部がバイパスされ、エンジンの基本的な機能は維持されるものの、エンジン効率が低下します。
最新のエンジンマネジメントでは、車両技術者が最初に行う故障診断は、ECUメモリの故障コードにアクセスすることです。
最新のエンジンマネジメントでは、車両技術者が最初に行う故障診断は、ECUのメモリに格納されている故障コードにアクセスすることです。 これらのコードの詳細とその説明はこちらをご覧ください。 OBDII Fault Codes
これらのコードに加えて、技術者は車両が走っている間、診断ツールを通してライブセンサーデータを見ることができます。
電子スロットルコントロール
ドライブバイワイヤ式スロットルコントロールの必要性を疑問視する人は少なくありません。
80年代までは、ほとんどのスロットル/アクセルコントロールは、ペダルからキャブレターまでのケーブルで管理されていました。 アイドリング速度の設定は、エンジンが正しくアイドリングするまでスロットルフラップがわずかに開いたままになるよう、ネジを調整するだけで行われていました。
1980年代に入り、ECUが主流になると、電子式アイドルエアコントロールバルブが導入され、これらの問題の多くが解決されましたが、ECUは空気の流れの一部を制御するものであり、他の部品はすべて残っていました。
エンジン動作の効率化と自動車の組み立ての効率化が進む中、電子スロットル制御が導入されました。これにより、自動車の製造時間が短縮され（ファイアウォールを通る硬いスロットルケーブルが不要になりました）、アイドルエアコントロールバルブが不要になり、EGR機能の向上、エンジン停止制御の向上、始動性の向上など、エンジンECUによるエンジン制御が可能になりました。
電子制御スロットルの大きなメリットは、加速時にエンジンを通過する空気の流れに合わせてECUがスロットルの角度を調整することで、空気が吸気口を通過する速度が向上し、トルクやドライバビリティが向上することです。 これはトルクマッピングと呼ばれ、電子制御スロットルでのみ可能な機能です。
Adaptations
現代の自動車は、過去の自動車に比べてはるかに厳しい公差で作られていますが、製造上のばらつき、機械的な摩耗、環境的な側面の影響を受けやすいことに変わりはありません。
例。 例えば、エアフィルターにゴミが詰まると、ECUはそれを補うために燃料の噴射量を少し減らしてエンジンを始動させます。 これにより、工場出荷時のレベルでスタートし、走行のたびに最適な混合気を求めていくのではなく、エンジン始動時から最高の効率で走行することが可能になりました。
このような適応は、エアフィルターの詰まりだけでなく、エンジンやトランスミッションの多くのシステムにも当てはまります。 油圧システムの部品が摩耗すると、それを補うためにソレノイドの作動タイミングを変更する必要があります。
ECUの年表
1970年代
ECUは当初、キャブレターのソレノイドを数個制御してキャブレターの機能を向上させることから始まった。
1980年代
フューエルインジェクションの導入により、ECUはガソリンエンジンの燃料と点火の管理を完全に担当するという新たな役割を担うことになった。
2000年代
ドライブ・バイ・ワイヤによるスロットル制御、ターボチャージャー制御、多数の排出ガスシステムの採用など、すべてがECUの厳密な制御下に置かれました。
2010年代以降
ECUは混合気の燃焼、スロットル開度、冷却システム、排出ガスシステムを完全に制御するようになりました。 また、ECUは100以上の入出力を持ち、車内の数十個の電子制御ユニットのネットワークの一部となっています。 ハイブリッドシステムはECUとの通信によって機能し、運転支援機能は必要に応じてエンジンの要求を制御する。
上記のシステムは、いずれもエンジンの動作に何らかの影響を与えるため、ECUによる完全な制御が必要となります。
ECUの仕組み
ECUは、エンジンの「頭脳」と呼ばれています。 基本的には、非常に小さなケースの中に、コンピュータ、スイッチングシステム、電源管理システムが入っています。
ECUがデータを収集した後、プロセッサはユニット内のソフトウェアの指示に従って、燃料噴射装置のパルス幅などの出力仕様を決定する必要があります。