Wat is een ECU?

Het gebruik van de term ECU kan worden gebruikt om te verwijzen naar een Engine Control Unit, maar ECU verwijst ook naar een Electronic Control Unit, die een component is van elk automotive mechatronisch systeem, niet alleen voor de besturing van een motor.

In de Automotive industrie verwijst de term ECU vaak naar een Engine Control Unit (ECU), of een Engine Control Module (ECM). Als deze eenheid zowel een motor als een transmissie aanstuurt, wordt hij vaak omschreven als een Powertrain Control Module (PCM).

Voor de doeleinden van dit artikel zullen we de ECU bespreken als een Engine Control Unit.

Wat doet een ECU?

Fundamenteel regelt de motor ECU de inspuiting van de brandstof en, in benzinemotoren, de timing van de vonk om deze te ontsteken. Met behulp van een krukaspositiesensor bepaalt de ECU de positie van de interne onderdelen van de motor, zodat de injectoren en de ontsteking op precies het juiste moment worden geactiveerd. Hoewel dit klinkt als iets dat mechanisch kan worden gedaan (en dat in het verleden ook was), komt er nu iets meer bij kijken dan dat.

Een interne verbrandingsmotor is in wezen een grote luchtpomp die zichzelf aandrijft met behulp van brandstof. Als de lucht wordt aangezogen, moet er genoeg brandstof worden toegevoerd om de motor te laten draaien en tegelijk een bruikbare hoeveelheid over te houden om de auto voort te stuwen als dat nodig is. Deze combinatie van lucht en brandstof wordt een “mengsel” genoemd. Te veel mengsel en de motor zal vol gas geven, te weinig en de motor zal niet in staat zijn om zichzelf of de auto aan te drijven.

Niet alleen de hoeveelheid mengsel is belangrijk, maar ook de verhouding van dat mengsel moet juist zijn. Te veel brandstof – te weinig zuurstof, en de verbranding is vuil en verspillend. Te weinig brandstof – te veel zuurstof maakt de verbranding traag en zwak.

Er waren vroeger motoren waarbij de hoeveelheid en verhouding van het mengsel werden geregeld door een geheel mechanisch doseersysteem, een carburateur genaamd, dat niet veel meer was dan een verzameling gaatjes met een vaste diameter (jets) waardoor de motor de brandstof “aanzoog”. Nu de eisen van moderne voertuigen vooral gericht zijn op brandstofbesparing en lagere emissies, moet het mengsel strakker worden geregeld.

De enige manier om aan deze strenge eisen te voldoen is de controle over de motor over te dragen aan een ECU, de Engine Control Unit. De ECU heeft tot taak de brandstofinspuiting, de ontsteking en de hulpapparatuur van de motor te regelen met behulp van digitaal opgeslagen vergelijkingen en numerieke tabellen, in plaats van met analoge middelen.

Nauwkeurig brandstofbeheer

Een elektronische regeleenheid heeft met veel variabelen te maken bij het bepalen van de juiste mengverhouding.

• Vraag van de motor
• Temperatuur motor/koelvloeistof
• Luchttemperatuur
• Brandstoftemperatuur
• Brandstofkwaliteit
• Variabele filterrestrictie
• Luchtdruk
• Efficiëntie van de pomp

Dit vereist een aantal sensoren om dergelijke variabelen te meten en deze toe te passen op de logica in de programmering van de ECU om te bepalen hoe deze variabelen correct moeten worden gecompenseerd.

Een toename van de vraag van de motor (zoals accelereren) zal een toename van de totale hoeveelheid mengsel vereisen. Vanwege de verbrandingseigenschappen van de gebruikte brandstoffen vereist dit ook een verandering in de verhouding van dit mengsel. Wanneer u het gaspedaal indrukt, gaat de gasklep open om meer lucht in de motor toe te laten. De toename van de luchtstroom naar de motor wordt gemeten door de Mass Air Flow-sensor (MAF), zodat de ECU de hoeveelheid ingespoten brandstof kan wijzigen en de mengverhouding binnen de perken kan houden.

Hier blijft het niet bij. Voor het beste vermogen en een veilige verbranding moet de ECU de verhouding van het mengsel veranderen en bij volgas meer brandstof inspuiten dan tijdens het cruisen – dit wordt een ‘rijk mengsel’ genoemd. Dit wordt een ‘rijk mengsel’ genoemd. Omgekeerd leidt een brandstofstrategie of een fout waardoor minder dan de normale hoeveelheid brandstof wordt ingespoten, tot een ‘arm mengsel’.

Naast de berekening van de brandstoftoevoer op basis van de vraag van de bestuurder, speelt ook de temperatuur een belangrijke rol in de gebruikte vergelijkingen. Omdat benzine als vloeistof wordt ingespoten, moet er eerst verdamping plaatsvinden voordat de benzine kan ontbranden. In een warme motor is dit gemakkelijk te regelen, maar in een koude motor zal de vloeistof minder snel verdampen en moet meer brandstof worden ingespoten om de mengselverhouding binnen het juiste bereik voor verbranding te houden.

Flashback: Vóór het gebruik van de ECU werd deze functie geregeld door een “choke” op de carburateur. Deze choke was gewoon een klep die de luchtstroom beperkt in de carburateur het verhogen van het vacuüm op de jets om meer brandstofstroom te bevorderen. Deze methode was vaak onnauwkeurig, problematisch en vereiste regelmatige aanpassing. De temperatuur van de lucht speelt ook een rol bij de verbrandingskwaliteit, net als de wisselende luchtdruk.

Perfectioneren van de verbranding

Omdat een automotor het grootste deel van zijn tijd bij volgas doorbrengt, concentreert de ECU zich op maximale efficiency in dit gebied. Het ideale mengsel, waarbij alle ingespoten brandstof wordt verbrand en alle zuurstof bij deze verbranding wordt verbruikt, staat bekend als ‘stoichiometrisch’ of vaak als ‘Lambda’. Bij stoichiometrische omstandigheden is Lambda = 1,0.

De uitlaatgas-zuurstofsensor (Lambda-sensor, O2-sensor, zuurstofsensor of HEGO) meet de hoeveelheid zuurstof die overblijft na de verbranding. Dit vertelt de motor of er een overmaat aan lucht in de mengselverhouding is – en natuurlijk of er te veel of te weinig brandstof wordt ingespoten. De ECU leest deze meting en past de ingespoten brandstofhoeveelheid voortdurend aan om het mengsel zo dicht mogelijk bij Lambda = 1,0 te houden. Dit staat bekend als “closed loop” en is een belangrijke bijdrage aan de geavanceerde efficiency die het gebruik van motor-ECU’s oplevert.

Omdat er nu strenge emissievoorschriften gelden, zijn er veel andere systemen op een motor die helpen het brandstofverbruik en/of het milieu-effect te verminderen. Deze omvatten:

• Uitlaatgasrecirculatie (EGR)
• Katalysator en selectieve katalytische reductie
• Uitlaatluchtinjectiereactie (AIR)
• Diesel Particulate Filters (DPF)
• Fuel Stratification
• Exhaust Additive Injection (zoals AdBlue)
• Evaporative emissions control (EVAP)
• Turbo- en supercharging
• Hybride aandrijfsystemen
• Variabele Valvetrain Control (zoals VTEC of MultiAir)
• Variabele Inlaatregeling

Elk van de bovenstaande systemen heeft op een of andere manier invloed op de werking van de motor en moet daarom volledig door de ECU worden geregeld.

Hoe werkt een ECU?

Een ECU wordt vaak het ‘brein’ van de motor genoemd. Het is in wezen een computer, een schakelsysteem en een energiebeheersysteem in een zeer kleine behuizing. Om zelfs maar op een basisniveau te kunnen presteren, moet hij 4 verschillende werkingsgebieden omvatten.

• Input
  Dit omvat temperatuur- en druksensoren, aan/uit-signalen en gegevens van andere modules in het voertuig en is de manier waarop een ECU de informatie verzamelt die hij nodig heeft om beslissingen te nemen.
• Een voorbeeld van een input is een sensor voor de koelvloeistoftemperatuur of een sensor voor de positie van het gaspedaal. Verzoeken van de Antilock Brake System (ABS)-module kunnen ook worden overwogen, zoals voor de toepassing van tractiecontrole.
• Verwerking

Als de gegevens eenmaal door de ECU zijn verzameld, moet de processor uitgangsspecificaties bepalen, zoals de pulsbreedte van de brandstofinjector, zoals aangegeven door de software die in de eenheid is opgeslagen.

• De processor leest niet alleen de software om de juiste uitgang te bepalen, maar registreert ook zijn eigen informatie, zoals geleerde mengselaanpassingen en kilometerstanden.
• Uitgang
  De ECU kan dan een actie op de motor uitvoeren, waardoor de juiste hoeveelheid vermogen om actuatoren nauwkeurig te besturen.
• Dit kan onder meer zijn het besturen van de pulsbreedte van de brandstofinjector, de exacte timing van het ontstekingssysteem, het openen van een elektronisch gasklephuis of de activering van een koelventilator van de radiator.
• Power Management

De ECU heeft veel interne vermogensbehoefte om de honderden interne componenten correct te laten functioneren. Bovendien moet de ECU de juiste spanning leveren aan de componenten in de auto, zodat veel sensoren en actuatoren kunnen werken. Dit kan een constante spanning van 5 Volt zijn voor sensoren, of meer dan 200 Volt voor de brandstofinjectorcircuits.

• Niet alleen moet de spanning correct zijn, maar sommige uitgangen moeten ook meer dan 30 Ampère verwerken, wat natuurlijk veel warmte creëert. Thermisch beheer is een belangrijk onderdeel van het ECU-ontwerp.

Basisfunctie van de ECU

De eerste fase van de werking van de ECU is in feite het vermogensbeheer. Hier worden verschillende spanningen geregeld en wordt het inschakelen van de ECU afgehandeld. De meeste ECU’s hebben een geavanceerd power management door de verscheidenheid van componenten binnenin, die nauwkeurig 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V en upto 250V allemaal regelen van de 10-15V voeding van de auto. Het power management systeem stelt de ECU ook in staat om volledige controle te hebben over wanneer het zichzelf uitschakelt – dat wil zeggen niet noodzakelijk wanneer u het contact uitschakelt.

Als de juiste voltages worden geleverd, kunnen de microprocessoren beginnen op te starten. Hier leest de hoofd microprocessor software uit het geheugen en voert een zelf-controle uit. Vervolgens leest hij gegevens van de talrijke sensoren op de motor en zet deze om in bruikbare informatie. Deze informatie wordt vaak via de CANbus – het interne computernetwerk van uw auto – naar andere elektronische modules verzonden.

Als de hoofd microprocessor deze informatie heeft geïnterpreteerd, verwijst hij naar de numerieke tabellen of formules in de software en activeert de uitgangen zoals vereist.

Voorbeeld. Als de krukaspositiesensor aangeeft dat de motor op het punt staat de maximale compressie van een van de cilinders te bereiken, activeert hij een transistor voor de desbetreffende bobine. De eerder genoemde formule en tabellen in de software zorgen ervoor dat de activering van deze transistor wordt vertraagd of vervroegd op basis van de gasklep stand, koelvloeistof temperatuur, lucht temperatuur, EGR opening, mengsel verhouding en eerdere metingen die een onjuiste verbranding laten zien.

De werking van de hoofdprocessor in de ECU en de activering van vele uitgangen wordt overzien door een monitoring microprocessor – in wezen een tweede computer die controleert of de hoofdcomputer alles goed doet. Indien de monitoring microprocessor niet tevreden is met enig aspect van de ECU, heeft hij de macht om het gehele systeem te resetten of volledig uit te schakelen. Het gebruik van de bewakingsprocessor werd noodzakelijk bij de toepassing van drive-by-wire-gasklepregeling, omdat men zich zorgen maakte over de veiligheid, mocht de hoofd-microprocessor een fout ontwikkelen.

Diagnose van een elektronische regeleenheid en randapparatuur

De complexiteit van de implementatie van al deze regelingen, al deze ingangen en al deze uitgangen vereist een relatief geavanceerde zelfdiagnosecapaciteit – de traditionele motordiagnose is dan achterhaald. De ingangen en uitgangen van een elektronische regeleenheid worden afzonderlijk door de processor gecontroleerd, vaak tientallen keren per seconde, om er zeker van te zijn dat ze binnen de in de software vastgestelde toleranties vallen. Als een sensorwaarde gedurende de vooraf bepaalde tijd buiten deze toleranties valt, wordt een fout geregistreerd en een foutcode opgeslagen voor opvraag door de technicus.

Foutcodes

Wanneer een foutcode in het geheugen wordt opgeslagen, resulteert dit gewoonlijk in een deel van de logica binnen de software die wordt omzeild met verminderde motorefficiency, zij het met de motor die nog steeds op een basisniveau kan functioneren. In sommige omstandigheden ontdekt de zelfdiagnoseroutine een ernstige fout die ofwel de motor fundamenteel verhindert te draaien, ofwel de motor in het belang van de veiligheid uitschakelt.

Met modern motormanagement is de eerste foutdiagnosestap voor een voertuigtechnicus de toegang tot foutcodes uit het ECU-geheugen. Deze worden vaak opgeslagen als 5 cijferige alfanumerieke codes beginnend met een P, B, C of een U, gevolgd door 4 cijfers. Details van deze codes en hun beschrijvingen kunnen hier worden gevonden: OBDII Foutcodes

Naast deze codes, kan de technicus ook levende sensorgegevens door het kenmerkende hulpmiddel bekijken terwijl het voertuig loopt. Dit staat hen toe om een sensorlezing te zien die onjuist is, maar niet uit tolerantie door genoeg van een marge om een foutencode te vlaggen.

Elektronische Throttle Control

Meelke mensen vragen de noodzaak van drive-by-wire gaspedaalcontrole. Geïntroduceerd in de jaren ’90, is het nu gemonteerd op bijna elke motor geproduceerd vandaag, maar wat zijn de voordelen ten opzichte van een traditionele kabel?

Tot de jaren ’80, werd de meeste gaspedaal / gaspedaal controle beheerd met een kabel van het pedaal naar de carburateur. Het stationaire toerental werd ingesteld door simpelweg een schroef te verstellen om de gasklep iets open te houden totdat de motor stationair draaide. Deze eenvoudige methode vereiste regelmatige afstelling van het stationair toerental en was gevoelig voor afwijkingen wanneer een motor koud was of als verschillende onderdelen versleten.

In de jaren tachtig, met de mainstream introductie van ECU’s, werden elektronische Idle Air Control kleppen geïntroduceerd die veel van deze problemen oplosten, maar de ECU controleerde nu een deel van de luchtstroom en toch bleven alle andere componenten.

Met de efficiëntie van de werking van de motor en de efficiëntie in de auto-assemblage vooruit, werd elektronische gasklepregeling geïntroduceerd. Dit versnelde de fabricage van een auto (geen stijve gaskabels die door het schutbord liepen), het verwijderde de noodzaak voor een Idle Air Control klep en het gaf de motor ECU extra controle over de motor voor een verbeterde EGR-functie, verbeterde controle over het afzetten van de motor en verbeterde startmogelijkheden.

Een belangrijk voordeel van elektronische gasklepregeling is dat de ECU de hoek van de gasklep tijdens het accelereren kan aanpassen aan de werkelijke luchtstroom door de motor. Dit verbetert de snelheid waarmee de lucht door de inlaat stroomt en zorgt voor een toename van het koppel en de rijeigenschappen. Dit staat bekend als torque-mapping en is alleen mogelijk met elektronische gasklepregeling.

Aanpassingen

De moderne voertuigen worden gebouwd met veel kleinere toleranties dan die van vroeger, maar ze zijn nog steeds onderhevig aan fabricageschommelingen, mechanische slijtage en milieuaspecten. Als zodanig zijn ze in staat zich aan te passen aan geleidelijke veranderingen in de werking van de motor.

Voorbeeld. Wanneer een luchtfilter verstopt raakt door stof, kan de ECU de motor ter compensatie met een iets lagere brandstofinspuitingshoeveelheid starten. Hierdoor kan de motor vanaf het opstarten optimaal presteren, in plaats van op fabrieksniveau te beginnen en tijdens elke rit naar het optimale mengsel toe te werken. Dit gebeurt door de Lambda-waarden van eerdere ritten op te slaan.

Deze aanpassingen gelden niet alleen voor verstopte luchtfilters, maar voor veel systemen in een motor of transmissie. Naarmate componenten in hydraulische systemen slijten, moet de timing van de activering van de solenoïde worden aangepast om dit te compenseren. Op dezelfde manier, als de motor slijt, verslechtert het vermogen om een luchtpomp te zijn enigszins en de openingshoek van de gasklep zal moeten veranderen om het juiste stationaire toerental te handhaven.

De tijdlijn van de ECU

Jaren 70

ECU’s begonnen eenvoudig met het regelen van een paar solenoïden op carburateurs om ze effectiever te laten functioneren. Sommigen begonnen met het regelen van het mengsel bij stationair toerental.

De jaren tachtig

Met de introductie van brandstofinjectie kreeg de ECU een nieuwe rol toebedeeld: hij werd volledig verantwoordelijk voor het brandstof- en ontstekingsbeheer van benzinemotoren.

De lambda-regeling werd al snel opgenomen in het systeem en de ECU begon al snel aan een nieuw tijdperk in motorefficiëntie.

De jaren negentig

De ECU regelde nu ook de veiligheid van voertuigen. Het begon ook te verschijnen op dieselmotoren, die geen kleine rol gespeeld in het succes van de turbodieselmotor in de komende decennia.

2000

De invoering van Drive-by-Wire gaspedaal controle, turbocharger controle en tal van emissie-systemen allemaal onder de strakke controle van de ECU.

2010s en verder

De ECU heeft nu volledige controle over de verbranding van het mengsel, het openen van de gasklep, het koelsysteem en de emissiesystemen. Hij kan meer dan honderd in- en uitgangen hebben en maakt deel uit van een netwerk van tientallen andere elektronische regeleenheden in het voertuig. Hybride systemen zijn voor hun werking afhankelijk van communicatie met de elektronische regeleenheid, terwijl rijassistentiefuncties communiceren om waar nodig de vraag van de motor over te nemen.