Co to jest ECU?

Użycie terminu ECU może odnosić się do Jednostki Sterującej Silnikiem, jednakże ECU odnosi się również do Elektronicznej Jednostki Sterującej, która jest składnikiem każdego samochodowego systemu mechatronicznego, nie tylko do kontroli silnika.

W przemyśle samochodowym, termin ECU często odnosi się do Jednostki Sterującej Silnikiem (ECU), lub Modułu Sterującego Silnikiem (ECM). Jeśli jednostka ta kontroluje zarówno silnik, jak i skrzynię biegów, jest często określana jako Powertrain Control Module (PCM).

Dla celów niniejszego artykułu, będziemy omawiać ECU jako Engine Control Unit.

Co robi ECU?

Podstawowo, ECU silnika kontroluje wtrysk paliwa i, w silnikach benzynowych, czas iskry do zapłonu. Określa położenie elementów wewnętrznych silnika za pomocą czujnika położenia wału korbowego, dzięki czemu wtryskiwacze i układ zapłonowy są aktywowane dokładnie w odpowiednim czasie. Choć brzmi to jak coś, co można zrobić mechanicznie (i tak było w przeszłości), teraz jest w tym trochę więcej racji.

Silnik spalinowy to w zasadzie wielka pompa powietrza, która napędza się za pomocą paliwa. Gdy powietrze jest zasysane, musi być dostarczona wystarczająca ilość paliwa, aby wytworzyć moc do podtrzymania pracy silnika, a jednocześnie pozostała ilość do napędzania samochodu, gdy jest to wymagane. To połączenie powietrza i paliwa nazywane jest „mieszanką”. Zbyt dużo mieszanki i silnik będzie na pełnym gazie, zbyt mało i silnik nie będzie w stanie zasilić siebie lub samochodu.

Nie tylko ilość mieszanki jest ważna, ale stosunek tej mieszanki musi być prawidłowy. Zbyt dużo paliwa – zbyt mało tlenu, a spalanie jest brudne i nieekonomiczne. Zbyt mało paliwa – zbyt dużo tlenu sprawia, że spalanie jest powolne i słabe.

Silniki kiedyś miały tę ilość mieszanki i stosunek kontrolowany przez całkowicie mechaniczne urządzenie dozujące zwane gaźnikiem, który był niczym więcej niż zbiorem otworów o stałej średnicy (dysz), przez które silnik „zasysał” paliwo. Z wymagań nowoczesnych pojazdów koncentruje się na efektywności paliwowej i niższych emisji, mieszanka musi być bardziej ściśle kontrolowane.

Jedynym sposobem, aby spełnić te surowe wymagania jest przekazanie kontroli nad silnikiem do ECU, Engine Control Unit. Zadaniem ECU jest sterowanie wtryskiem paliwa, zapłonem i urządzeniami pomocniczymi silnika za pomocą cyfrowo zapisanych równań i tabel numerycznych, a nie w sposób analogowy.

Precyzyjne zarządzanie paliwem

Układ ECU musi radzić sobie z wieloma zmiennymi przy ustalaniu właściwego stosunku mieszanki.

• Zapotrzebowanie silnika
• Temperatura silnika/chłodziwa
• Temperatura powietrza
• Temperatura paliwa
• Jakość paliwa
• Zmienna restrykcja filtra
• Ciśnienie powietrza
• Pompowanie silnika
• Wydajność pompy silnika

Wymaga to szeregu czujników do pomiaru tych zmiennych i zastosowania ich do logiki w programowaniu ECU w celu określenia, jak prawidłowo je skompensować.

Zwiększenie zapotrzebowania silnika (np. przyspieszenie) będzie wymagało zwiększenia ogólnej ilości mieszanki. Ze względu na charakterystykę spalania stosowanych paliw, wymaga to również zmiany proporcji tej mieszanki. Po naciśnięciu pedału przyspieszenia otwiera się klapa przepustnicy, wpuszczając do silnika więcej powietrza. Wzrost przepływu powietrza do silnika jest mierzony przez czujnik przepływu masowego powietrza (MAF), dzięki czemu ECU może zmienić ilość wtryskiwanego paliwa, utrzymując proporcje mieszanki w dopuszczalnych granicach.

Na tym nie koniec. W celu uzyskania najlepszych poziomów mocy i bezpiecznego spalania, ECU musi zmienić proporcje mieszanki i wtryskiwać więcej paliwa przy pełnym gazie niż podczas jazdy – jest to tak zwana „bogata mieszanka”. I odwrotnie, strategia wtrysku paliwa lub usterka, która powoduje, że wtryskiwana jest mniejsza niż normalna ilość paliwa, skutkuje „ubogą mieszanką”.

Oprócz obliczania ilości paliwa na podstawie zapotrzebowania kierowcy, temperatura odgrywa znaczącą rolę w stosowanych równaniach. Ponieważ benzyna jest wtryskiwana w postaci cieczy, zanim dojdzie do jej spalania, musi nastąpić odparowanie. W gorącym silniku jest to łatwe do opanowania, ale w zimnym silniku ciecz jest mniej prawdopodobne, aby odparować i więcej paliwa musi być wtryśnięty, aby utrzymać stosunek mieszanki w odpowiednim zakresie do spalania.

Flashback: Przed użyciem ECU, funkcja ta była zarządzana przez „dławik” na gaźniku. Dławik ten był po prostu klapką, która ograniczała przepływ powietrza do gaźnika zwiększając podciśnienie na dyszach, aby promować większy przepływ paliwa. Metoda ta była często niedokładna, problematyczna i wymagała regularnej regulacji. Wiele z nich było regulowanych ręcznie przez kierowcę podczas jazdy.

Temperatura powietrza również odgrywa rolę w jakości spalania w taki sam sposób, jak zmienne ciśnienie atmosferyczne.

Perfekcja spalania

Ponieważ silnik samochodowy spędza większość czasu na wolnych obrotach, ECU koncentruje się na maksymalnej wydajności w tym obszarze. Idealna mieszanka, w której całe wtryskiwane paliwo jest spalane, a cały tlen jest zużywany podczas tego spalania, jest znana jako „stechiometryczna” lub często jako „Lambda”. W warunkach stechiometrycznych Lambda = 1,0.

Sensor tlenu w spalinach (sonda lambda, czujnik O2, czujnik tlenu lub HEGO) mierzy ilość tlenu pozostałego po spaleniu. Dzięki temu silnik wie, czy w mieszance znajduje się nadmiar powietrza, a co za tym idzie, czy wtryskiwane jest zbyt dużo lub zbyt mało paliwa. ECU odczytuje ten pomiar i stale reguluje ilość wtryskiwanego paliwa, aby utrzymać mieszankę na poziomie jak najbliższym Lambda = 1,0. Jest to tak zwana praca w pętli zamkniętej, która w znacznym stopniu przyczynia się do zwiększenia wydajności silnika dzięki zastosowaniu sterowników ECU.

Ze względu na obowiązujące obecnie surowe przepisy dotyczące emisji, w silniku znajduje się wiele innych systemów, które pomagają zmniejszyć zużycie paliwa i/lub wpływ na środowisko. Należą do nich:

• Recyrkulacja spalin (EGR)
• Konwerter katalityczny i selektywna redukcja katalityczna
• Reakcja wtrysku powietrza do układu wydechowego (AIR)

.

• Filtry cząstek stałych do silników Diesla (DPF)
• Stratyfikacja paliwa
• Wtrysk dodatków do spalin (takich jak AdBlue)
• Kontrola emisji par (EVAP)
• Turbo doładowanie i doładowanie
• Hybrydowe systemy napędowe
• Zmienna kontrola zaworów (taka jak VTEC lub MultiAir)
• Zmienna kontrola dolotu

Każdy z powyższych systemów wpływa w jakiś sposób na działanie silnika i w konsekwencji musi być pod pełną kontrolą ECU.

Jak działa ECU?

Centrala ECU jest często nazywana „mózgiem” silnika. Jest to w zasadzie komputer, system przełączający i system zarządzania energią w bardzo małej obudowie. Aby działać nawet na podstawowym poziomie, musi obejmować 4 różne obszary działania.

• Wejście
  To zazwyczaj obejmuje czujniki temperatury i ciśnienia, sygnały włączania/wyłączania oraz dane z innych modułów w pojeździe i jest to sposób, w jaki ECU zbiera informacje potrzebne do podejmowania decyzji.
• Przykładem wejścia może być czujnik temperatury płynu chłodzącego lub czujnik położenia pedału przyspieszenia. Żądania z modułu systemu ABS (Antilock Brake System) mogą być również brane pod uwagę, takie jak zastosowanie kontroli trakcji.
• Przetwarzanie

Po zebraniu danych przez ECU, procesor musi określić specyfikacje wyjściowe, takie jak szerokość impulsu wtryskiwacza paliwa, zgodnie z zaleceniami oprogramowania przechowywanego w jednostce.

• Procesor nie tylko czyta oprogramowanie, aby zdecydować o odpowiednim wyjściu, ale również zapisuje własne informacje, takie jak wyuczone korekty mieszanki i przebieg.
• Wyjście
  ECU może następnie wykonać działanie na silniku, pozwalając na odpowiednią ilość mocy do precyzyjnego sterowania siłownikami.
• Mogą one obejmować kontrolę szerokości impulsu wtryskiwaczy paliwa, dokładny czas układu zapłonowego, otwarcie elektronicznego korpusu przepustnicy lub aktywację wentylatora chłodzącego chłodnicę.
• Zarządzanie mocą

ECU ma wiele wewnętrznych wymagań dotyczących mocy dla setek wewnętrznych komponentów, aby działać poprawnie. Ponadto, aby wiele czujników i siłowników mogło działać, ECU musi dostarczyć prawidłowe napięcie do komponentów w całym samochodzie. Może to być tylko stabilne 5 V dla czujników lub ponad 200 V dla obwodów wtryskiwaczy paliwa.

• Nie tylko napięcie musi być prawidłowe, ale niektóre wyjścia muszą obsługiwać więcej niż 30 A, co oczywiście wytwarza dużo ciepła. Zarządzanie termiczne jest kluczową częścią projektowania ECU.

Podstawowe funkcje ECU

Pierwszym etapem działania ECU jest w rzeczywistości zarządzanie energią. To tutaj regulowane są różne napięcia i obsługiwane jest włączanie zasilania ECU. Większość ECU ma wyrafinowane zarządzanie energią ze względu na różnorodność komponentów wewnątrz, precyzyjnie regulując 1.8V, 2.6V, 3.3V, 5V, 30V i do 250V wszystko z zasilania samochodu 10-15V. System zarządzania energią pozwala również ECU na pełną kontrolę nad tym, kiedy się wyłącza – czyli niekoniecznie po wyłączeniu stacyjki.

Po dostarczeniu odpowiednich napięć mikroprocesory mogą rozpocząć rozruch. Tutaj główny mikroprocesor odczytuje oprogramowanie z pamięci i przeprowadza samosprawdzenie. Następnie odczytuje dane z licznych czujników w silniku i przetwarza je na użyteczne informacje. Informacje te są często przesyłane przez CANbus – wewnętrzną sieć komputerową samochodu – do innych modułów elektronicznych.

Gdy główny mikroprocesor zinterpretuje te informacje, odwołuje się do tabel numerycznych lub wzorów w oprogramowaniu i aktywuje wyjścia zgodnie z wymaganiami.

Przykład. Jeżeli czujnik położenia wału korbowego wskazuje, że silnik osiąga maksymalny stopień sprężania w jednym z cylindrów, aktywuje on tranzystor odpowiedniej cewki zapłonowej. Wspomniany wcześniej wzór i tabele w oprogramowaniu spowodują opóźnienie lub przyspieszenie aktywacji tego tranzystora w zależności od położenia przepustnicy, temperatury płynu chłodzącego, temperatury powietrza, otwarcia EGR, składu mieszanki i poprzednich pomiarów wskazujących na nieprawidłowe spalanie.

Pracę głównego procesora wewnątrz ECU i aktywację wielu wyjść nadzoruje mikroprocesor monitorujący – w zasadzie drugi komputer, który upewnia się, że główny komputer robi wszystko poprawnie. Jeśli mikroprocesor monitorujący nie jest zadowolony z jakiegoś aspektu ECU, ma możliwość zresetowania całego systemu lub całkowitego wyłączenia go. Użycie procesora monitorującego stało się niezbędne przy zastosowaniu sterowania przepustnicą drive-by-wire ze względu na obawy o bezpieczeństwo w przypadku awarii głównego mikroprocesora.

Diagnostyka ECU i urządzeń peryferyjnych

Złożoność implementacji całej tej kontroli, wszystkich tych wejść i wszystkich tych wyjść wymaga stosunkowo zaawansowanej zdolności autodiagnostyki – tradycyjna diagnostyka silnika staje się przestarzała. Wejścia i wyjścia ECU są indywidualnie monitorowane przez procesor, często dziesiątki razy na sekundę, aby upewnić się, że mieszczą się w granicach tolerancji określonych w oprogramowaniu. Jeśli odczyt czujnika nie mieści się w tych tolerancjach przez ustalony okres czasu, błąd jest rejestrowany i kod błędu przechowywane do pobrania przez technika.

Kody błędów

Gdy kod błędu jest przechowywany w pamięci, zwykle powoduje to niektóre z logiki w ramach oprogramowania są pomijane z obniżoną sprawność silnika, aczkolwiek z silnikiem nadal jest w stanie funkcjonować na poziomie podstawowym. W niektórych okolicznościach, procedura autodiagnostyki odkrywa poważną usterkę, która albo zasadniczo uniemożliwia pracę silnika, lub wyłącza silnik w interesie bezpieczeństwa.

W przypadku nowoczesnego zarządzania silnikiem, pierwszym krokiem diagnostyki usterek dla technika samochodowego jest dostęp do kodów usterek z pamięci ECU. Są one często przechowywane jako 5-cyfrowe kody alfanumeryczne zaczynające się od P, B, C lub U, po których następują 4 cyfry. Szczegółowe informacje na temat tych kodów i ich opisy można znaleźć tutaj: OBDII Fault Codes

Oprócz tych kodów, technik może również przeglądać dane czujników na żywo za pośrednictwem narzędzia diagnostycznego, gdy pojazd jest uruchomiony. To pozwala im zobaczyć odczyt czujnika, który jest nieprawidłowy, ale nie wykracza poza tolerancję na tyle, aby oznaczyć kod błędu.

Elektroniczna kontrola przepustnicy

Wiele osób kwestionuje konieczność stosowania kontroli przepustnicy drive-by-wire. Wprowadzona w latach 90-tych, jest teraz montowana w prawie każdym produkowanym obecnie silniku, ale jakie są jej zalety w porównaniu z tradycyjnym przewodem?

Do lat 80-tych, większość przepustnic/przyspieszaczy była sterowana przewodem od pedału do gaźnika. Prędkość obrotowa biegu jałowego była ustawiona przez proste wyregulowanie śruby, aby utrzymać klapę przepustnicy lekko otwartą, aż silnik pracował prawidłowo. Ta prosta metoda wymagała regularnej regulacji prędkości biegu jałowego i była podatna na odchylenia, gdy silnik był zimny lub gdy różne części się zużywały.

W latach 80-tych, wraz z wprowadzeniem ECU, wprowadzono elektroniczne zawory Idle Air Control, które rozwiązały wiele z tych problemów, jednak ECU kontrolowało teraz część przepływu powietrza, a mimo to wszystkie inne elementy pozostały.

Wraz z wydajnością pracy silnika i wydajnością montażu samochodów, wprowadzono elektroniczne sterowanie przepustnicą. Przyspieszyło to produkcję samochodu (brak sztywnych kabli przepustnicy przechodzących przez ścianę ogniową), usunęło potrzebę stosowania zaworu Idle Air Control i pozwoliło ECU silnika na dodatkową kontrolę nad silnikiem w celu poprawy funkcji EGR, poprawy kontroli nad wyłączaniem silnika i poprawy rozruchu.

Jedną z ważnych zalet elektronicznego sterowania przepustnicą jest to, że ECU może dostosować kąt otwarcia przepustnicy podczas przyspieszania, aby uzupełnić rzeczywisty przepływ powietrza przez silnik. Poprawia to prędkość, z jaką powietrze przechodzi przez wlot i zapewnia wzrost momentu obrotowego i właściwości jezdnych. Jest to znane jako torque-mapping i jest możliwe tylko z elektronicznym sterowaniem przepustnicą.

Adaptacje

Nowoczesne pojazdy są budowane z zachowaniem znacznie większych tolerancji niż te z przeszłości, jednak nadal są podatne na zmiany produkcyjne, zużycie mechaniczne i aspekty środowiskowe. W związku z tym są one w stanie dostosować się do stopniowych zmian w pracy silnika.

Przykład. Gdy filtr powietrza zostaje zatkany przez kurz, ECU może uruchomić silnik z nieco zmniejszoną ilością wtryskiwanego paliwa, aby to zrekompensować. Dzięki temu silnik może pracować z najwyższą wydajnością od momentu uruchomienia, zamiast zaczynać od poziomu fabrycznego i dążyć do uzyskania optymalnej mieszanki podczas każdej podróży. Dzieje się tak dzięki zapamiętywaniu wartości lambda z poprzednich przejazdów.

Te adaptacje mają zastosowanie nie tylko do zablokowanych filtrów powietrza, ale do wielu układów w silniku lub skrzyni biegów. W miarę zużywania się elementów w układach hydraulicznych, wymagają one zmian w czasie aktywacji cewek, aby to skompensować. Podobnie, w miarę zużywania się całego silnika, zdolność do bycia pompą powietrza nieco się pogarsza, a kąt otwarcia klapy przepustnicy będzie musiał się zmienić, aby utrzymać prawidłową prędkość biegu jałowego.

Okres czasu powstania ECU

Lata 70-te

ECU zaczęły po prostu kontrolować kilka elektromagnesów w gaźnikach, aby działały bardziej efektywnie. Niektóre z nich zaczęły kontrolować skład mieszanki na biegu jałowym.

Lata 80-te

Wraz z wprowadzeniem wtrysku paliwa, ECU przyjęło nową rolę, będąc w pełni odpowiedzialnym za zarządzanie paliwem i zapłonem w silnikach benzynowych.

Kontrola lambda w zamkniętej pętli została wkrótce włączona, a ECU szybko rozpoczęło nową erę w wydajności silników.

Lata 90-te

ECU zajmowało się teraz bezpieczeństwem pojazdu. Zaczynał również pojawiać się w silnikach wysokoprężnych, co odegrało niemałą rolę w sukcesie silników turbodoładowanych w ciągu następnych kilku dekad.

Lata 2000

Przyjęcie sterowania przepustnicą Drive-by-Wire, sterowanie turbosprężarką i liczne systemy emisji spalin, a wszystko to pod ścisłą kontrolą ECU.

Lata 2010 i później

ECU ma teraz pełną kontrolę nad spalaniem mieszanki, otwarciem przepustnicy, układem chłodzenia i systemami emisji spalin. Może mieć ponad sto wejść i wyjść i jest częścią sieci kilkudziesięciu innych Elektronicznych Jednostek Sterujących w pojeździe. Systemy hybrydowe funkcjonują w oparciu o komunikację z ECU, natomiast układy wspomagające jazdę komunikują się z nim, aby w razie potrzeby przejąć kontrolę nad zapotrzebowaniem na moc silnika.