电控汽油发动机ecu及其工作系统的制作方法

专利名称：电控汽油发动机ecu及其工作系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于汽车电子技术领域，涉及一种电控汽油发动机电子控制单元 ECU及其工作系统。
背景技术：
发动机工作系统也叫发动机管理系统(Engine management system即EMS) 是以发动机电子控制单元即ECU为控制中心，利用安装在发动机各部位的传感器 测得发动机各种工作参数，按照ECU预先设定的控制程序，精确地控制燃油喷射 量、喷射时间、点火提前角等，使发动机在各种工况下都能工作在最佳状态、最 佳动力输出、最经济的燃油消耗并且符合法规要求的排放。
ECU从名字上讲是英语名称的前三个字母缩写(Electrical control unit),中 文的意思就是电子控制单元。又称"行车电脑"、"车载电脑"等。
ECU的工作原理简单地说，就是根据与发动机相连的传感器的反馈来控制 燃油混合(空气燃油比)和火花定时(点火提前及持续时间)。燃油混合和点火定时 的控制相当复杂。ECU需要从多个传感器获取数据以实现系统的最佳控制。ECU 需要了解车速、发动机转速、曲轴位置、空气质量(氧气含量)、发动机温度、发 动机负荷、油门位置、油门的变化率、变速齿轮、废气排放，等等。
发机管理系统可概括为传感器、控制器、执行器三个部分，其中控制器也称 电子控制单元(ECU—Electronic ControlUnit) 。 ECU基本功能是在实时工况 和外界工作条件下始终控制发动机处在最佳燃烧状态。ECU以发动机转速和负荷 为基础，采集传感器的信号，经过各种数学模型计算处理后，将指令发送相关执 行机构，执行各种预定的控制功能。
电喷发动机与化油器式发动机相比，突出的优点是能实现多点顺序喷射，准 确控制混合气的质量，保证气缸内的燃料燃烧完全，降低废气排放和减少燃油消 耗，增加了发动机的功率和扭矩；增加实现多点顺序喷射；降低耗油量；动力性 能好；降低尾气排放污染，满足相应的尾气排放标准；提高驾驶的安全性，舒适 性；低温冷起动更容易；减少维修；延长发动机寿命。ECU技术是发动机管理系统的核心技术，可能是以往在本技术领域处于领先 地位的几家跨国公司，如德国博世、日本电装等出于其商业利益的目的，总是想 方设法封锁其技术，致使现有技术中没有完整的、可靠的、性能优秀的技术方案 的公开，已公开的现有技术存在系统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统移植性差等诸多缺点，造成对本领域技术发展的不 利。
发明内容
本实用新型首先要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种发 动机工作系统的完整技术方案，使发动机工作系统采用控制策略合理、控制功能 全面、控制功能集成性能好以及系统移植性好。本实用新型进一步要解决的技术 问题是提供该发动机工作系统的电子控制单元，即ECU。
本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题
电控汽油发动机工作系统，它包括进气系统，燃油供给系统，点火系统，其 特征在于它还包括电子控制系统，所述电子控制系统包括传感器部分、电子控制
单元(ECU)和执行器部分，所述传感器部分包括安装在进气系统的进气管上的 节气门位置传感器和进气压力传感器、进气温度传感器，安装在发动机上的凸轮 轴位置传感器、冷却液温度传感器、曲轴位置传感器、发动机转速传感器，所述 传感器部分的部件均与电子控制单元(ECU)电连接，所述执行器部分包括位于 燃油箱内的电动燃油泵、喷油器、与所述节气门并列连接的怠速调节阓、点火线 圈；所述执行器部分的部件均与电子控制单元(ECU)电连接，所述电子控制单 元(ECU)包含有喷油控制程序、点火控制程序、怠速控制程序。
所述传感器部分包括安装在发动机气缸部的爆震传感器、油箱油位传感器、 其所驱动车辆的车速传感器、其所驱动车辆空调蒸发器温度传感器，所述执行器 部分还包括碳罐电磁阀、风扇继电器、空调继电器、故障指示，所述电子控制单 元(ECU)包括相应控制程序和排放控制程序。
所述传感器部分包括分别安装在发动机排气管上三元催化转换器前、后的前 氧传感器与后氧传感器，所述执行器部分还包括碳罐电磁阀。所述电子控制单元 (ECU)包括相应控制程序。
所述喷油控制程序对喷油量的控制是通过对喷油输出脉宽的控制来实现的；在冷起动、急加速、急减速等特殊工况，采用开环控制；对于发动机其它正常运 行工况，采用闭环控制，以保证空燃比控制在理论空燃比(14.7:1)附近，使排放 达到最佳；喷油量的控制分为起动喷油量控制程序、运转喷油量控制程序、加减 速喷油量控制程序、大负荷喷油增量控制程序、断油控制程序和空燃比闭环控制 程序。
起动喷油量控制程序包括
(1) 、起动工况判定
当同时满足以下条件时，ECU判定为起动工况，按起动工况程序控制喷油量
① 、点火开关信号为高电平；
② 、发动机起动完成标志为零；
◎、 ECU连续检测到曲轴位置传感器信号； 、 ECU检测发动机转速低于设定起动转速。
当ECU在N个曲轴周期内连续检测到发动机转速高于或等于设定起动转速， 即判定为起动完成；之后如果ECU在设定的时间内没有检测到曲轴位置传感器 信号或点火开关信号为低电平，发动机起动完成标志清零，允许重新进入起动工 况；
(2) 、起动工况喷油量的计算
起动工况喷油量主要由发动机冷却液温度、进气温度、发动机转速及发动机 曲轴转过的圈数确定。
所述运转喷油量控制程序包括发动机起动后，不管是进行空燃比开环控制 还是闭环控制，都要进行开环控制喷油量计算，闭环控制建立在开环控制的基础 上；ECU根据采集的发动机转速和进气歧管压力信号，通过标定的喷油脉谱数 据确定基本喷油量；然后根据进气温度、冷却液温度、大气压力、自学习修正系 数对基本喷油量进行修正后，作为开环控制喷油量。
所述加减速喷油量控制程序包括加速喷油量控制，当汽车加速时，为了
保证发动机能够输出足够的扭矩，改善加速性能，必须增大喷油量，此时ECU 对喷油量进行开环控制；在发动机运转过程中，ECU将根据节气门位置传感器 信号和进气歧管压力传感器信号的变化速率，判定发动机是否处于加速工况；当 变化速率达到一定值时，及判定为加速工况；加速修正系数由变化速率确定。所述大负荷喷油增量控制程序包括发动机在大负荷或全负荷工况下运行 时，要求发动机输出最大功率，ECU将根据进气歧管压力和发动机转速信号， 判定发动机是否处于大负荷以上工况运行；当判定为大负荷工况时，ECU将控 制运行功率空燃比程序，增大喷油量，供给浓于理论空燃比的功率混合气，满足 发动机输出最大功率的要求；此时ECU对喷油量进行开环控制。
所述断油控制程序包括
(1) 、超速断油控制程序，当发动机转速超过允许的最高转速时，ECU自动中 断喷油，防止发动机超速运转而损坏机件；在发动机运行过程中，ECU随时都 将曲轴位置传感器测得的发动机实际转速与程序中设定的发动机最高极限转速 进行比较；当实际转速达到或超过极限转速时，电脑就发出停止喷油指令，控制 喷油器停止喷油，限制发动机转速进一步升高；当喷油器停止喷油、发动机转速 下降至低于极限转速时，断油结束，恢复喷油；
(2) 、减速断油控制，当发动机在高转速运转过程中节气门突然关闭减速时， ECU自动控制喷油器中断燃油喷射，直到发动机转速下降到设定的转速时，再 恢复喷油；
(3) 、溢油清除断油控制，当同时满足以下条件ECU进入溢油清除断油控制， 不喷油只点火以清除溢油
① 、发动机处于起动工况；
② 、节气门开度达到最大；
③ 、发动机转速低于设定转速。
所述空燃比闭环控制程序包括ECU根据氧传感器输入的电压信号对喷油量 进行修正；当ECU接收到的信号电压高于阈值电压时，表明混合气偏浓，空燃 比偏小，ECU将减小空燃比闭环修正值以减少喷油量，使混合气逐渐变稀，空 燃比逐渐增大；当接收到的信号电压低于阈值电压时，表明混合气偏稀，空燃比 偏大，ECU将加大空燃比闭环修正值以增加喷油量，使混合气逐渐变浓，空燃 比逐渐减小。
所述空燃比闭环控制程序还加入自学习控制程序，ECU在空燃比闭环控制过 程当中，通过判断发动机工况和闭环修正值来确定系统开环喷油量的偏差，并将 此偏差逐步学入自学习修正模块当中，在以后的控制当中，自学习修正模块中的修正值会自动记入开环基本喷油量当中。
所述电控汽油发动机具有至少2个气缸，每个气缸配有一只喷油器，喷油器 安装在各缸进气门前进气歧管上，ECU根据检测到的曲轴位置传感器和凸轮轴 位置传感器信号以及计算的喷油脉宽确定每缸喷油正时，即开始喷油时刻；发动 机一个工作循环，曲轴转两转720度，各缸喷油器喷油一次。
所述点火控制程序包括点火提前角控制程序、点火闭合角控制程序和爆震控 制程序。
所述点火提前角控制程序分为起动工况点火提前角控制程序、怠速工况点火
提前角控制程序、正常运行工况点火提前角控制程序；启动发动机时，采用固定 的点火提前角进行控制，起动工况点火提前角设定为5°;怠速工况根据发动机 冷却液温度对主点火提前角进行修正；正常运转点火提前角ECU根据发动机转速 和进气压力信号，根据点火提前角脉谱数据表确定基本点火提前角，然后根据一 系列参数修正得到正常运转点火提前角。
所述点火闭合角控制程序是通过对充磁时间的长短来控制的。 所述爆震控制程序是利用推迟点火提前角的方法来消除爆震； 一旦ECU侦査 出爆震，对点火提前角的控制立即转入闭环控制，逐步推迟点火，直到爆震完全 消失为止。
所述怠速控制程序主要是对怠速进气量的控制，ECU检测发动机实际怠速转 速与怠速目标转速比较，经过一定的控制算法后，控制怠速调节阀开度来控制怠 速进气量，从而控制实际怠速转速达到怠速目标转速附近。而喷油量根据进气量 的变化自动调整，以满足空燃比的要求，将空燃比控制在理论最佳空燃比14. 7:1 附近。
所述排放控制程序主要是对尾气有害气体排放的控制和对燃油蒸发排放的 控制；尾气有害气体排放主要是控制尾气中的HC、 CO和NOx， ECU根据氧传感器 输入的信号，对喷油量进行修正，实现空燃比的反馈控制，使混合气的空燃比接 近理论空燃比，三元催化转换器能更有效地起净化作用，使有害气体的排放量降 到最低；燃油蒸发排放的控制主要是通过对碳罐电磁阀的控制来实现；ECU根据 发动机运行工况，有规律的控制碳罐电磁阀的开启和关闭，使燃油箱内的燃油蒸 汽进入发动机内燃烧，从而减少燃油蒸汽向大气中排放。所述ECU增加点火反馈信号检测，以检测发动机点火器件故障；选用带有 EEPROM(电可擦可编程只读存储器， 一种掉电后数据不丢失的存储芯片)的MCU， 使其中的软件可重新编程，通过终端接口及外部计算机可对其重新写入新版的软 件；燃油喷射方式由多点顺序喷射；还有车载诊断OBD装置，当系统出现故障时， 故障灯点亮，同时ECU将故障信息以故障码形式存入存储器，通过一定的程序可 以将故障码从ECU中读出；根据故障码的提示，迅速准确地确定故障的性质和部 位，有针对性地去检査有关部位、元件和线路，将故障排除。
所述ECU还包括电动燃油泵控制程序、主继电器控制程序、冷却风扇控制程 序、空调控制程序；所述ECU还设有备用运行功能，以协助驾驶员将汽车开到汽 车维修站；备用运行功能只有在发动机出现故障时才启用，此时正常运行功能被 关闭，ECU用存储器中预先设定的参数代替传感器检测的信息来控制发动机，使 发动机继续运行；如果故障被排除，正常功能立即投入使用，备用运行功能自动 关闭。
用于电控汽油发动机工作系统的电子控制单元ECU(7)，包括用于连接传感 器部分的输入电路、单片机CPU、存贮器ROM、 RAM和用于连接执行器部分的输 出电路，所述单片机CPU的两端连接输入电路和输出电路，存贮器ROM、 RAM与 单片机CPU连接。
所述输入电路包括用于连接节气门位置传感器(1)的接口、用于连接进气 压力传感器(2)的接口、用于连接进气温度传感器(3)的接口、用于连接凸轮 轴位置传感器(4)的接口、用于连接缸体冷却液温度传感器(8)的接口、用于 连接机油压力开关信号(9)的接口、用于连接曲轴位置传感器(4)的接口、 用于连接冷却液温度传感器(8)的接口、用于连接曲轴位置传感器(11)的接 口、用于连接发动机转速传感器(18)的接口、用于连接安装在发动机气缸部的爆 震传感器(9)的接口，用于连接发动机转速传感器(18)的接口，所述输出电路包括 用于连接电动燃油泵(14)的接口、用于连接喷油器(19)的接口、用于连接怠 速调节阀(20)的接口、用于连接点火线圈(30)的接口。
所述输入电路还包括用于连接安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)前 的前氧传感器(5)的接口、用于连接安装在发动机排气管上三元催化转换器(6) 后的后氧传感器(23)的接口，所述输出电路还包括用于连接碳罐电磁阀(22)的接□。
由于本实用新型采用ECU控制的发动机管理系统，自然具有上述背景技术所 述的诸多优点，此外，由于本实用新型釆用较为合理的全面控制策略，具有较为 全面的控制功能、良好的控制功能集成性能，以及良好的系统移植性；整个控制 系统安全可靠,成本较低。依据本实用新型研发的发动机管理系统电子控制单元 产品，至少能达到了国III排放标准，可广泛应用于发动机制造、汽车生产的配套， 也可以对现有的在用车改用醇类、天然气等替代燃料时发动机的技术改造。


图1为本实用新型电控汽油发动机工作系统实施例的结构示意图。 图2为本实用新型电控汽油发动机工作系统实施例的结构方框图。 图3为本实用新型三元(HC、 CO、 NOx)净化率曲线图。 图4为本实用新型空燃比(A/F)反馈控制示意图。 图5为本实用新型喷油时序示意图。
图6为本实用新型怠速工况主点火提前角与发动机转速关系示意图。 图7为本实用新型怠速目标转速与发动机冷却液温度关系示意图。 图8为本实用新型怠速控制模型示意图。 图9为本实用新型ECU实施例的结构方框图。
图中l.节气门位置传感器，2.进气压力传感器，3.进气温度传感器，30. 点火线圈，4.凸轮轴位置传感器，5.前氧传感器，6.三元催化转换器，7.电子控制 单元ECU， 8.冷却液温度传感器，9.爆震传感器，IO.蓄电池，11.曲轴位置传 感器，13.发动机，14.电动燃油泵，15.燃油箱，16.油轨，17.油箱油位传感器， 18.转速传感器，19.喷油器，20.怠速阀，21.车速传感器，22.碳罐电磁阀， 23.后氧传感器。24.故障指示器。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新 型的限定，仅作举例。同时通过说明本实用新型的优点将变得更加清楚和容易理 解。
如图1-图8所示，本实用新型汽油发动机管理系统以发动机电子控制单元ECU为核心，釆用闭环控制、多点燃油喷射、分电器点火、三元催化器后处理、 OBD等技术，满足国ni排放要求。发动机电子控制单元ECU硬件选用高性能的16 位微控制器(MCU)，该微控制器具有宽工作温度范围、高运算速度、大程序及数 据内存、灵活的I/0端口等特点。ECU驱动电路选用带诊断功能的驱动IC，可实 现驱动输出回路的开路、短路检测；软件釆用模块化C语言编制，并采用FLASH
自编程技术，可实现程序存储器中标定数据的修改。汽油发动机管理系统主要由 传感器、发动机电子控制单元、执行器三部分组成。发动机电子控制单元ECU 是整个系统的核心，它采集安装在发动机或汽车上各个部位的传感器传送的模拟 或数字信号，经过处理后，根据软件中设计好的控制模型，输出信号到各个执行 机构，精确地对喷油、点火、怠速、排放等进行控制，以满足系统动力性、燃油 经济性、可驾驶性和排放要求。
本实用新型电控汽油发动机工作系统，包括进气系统，燃油供给系统，点火 系统，还包括电子控制系统，电子控制系统包括传感器部分、电子控制单元(ECU) 和执行器部分，传感器部分包括安装在进气系统的进气管上的节气门位置传感器
(1)和进气压力温度传感器(2)、进气温度传感器(3),安装在发动机(13) 上的凸轮轴位置传感器(4)、汽缸冷却液温度传感器(8)、曲轴位置传感器(ll)， 安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)前的前氧传感器(5)，传感器部分的 部件均与电子控制单元(ECU)连接，执行器部分包括电动燃油泵(14)、喷油器
(19)、怠速调节阀(20)、点火线圈(30);执行器部分的部件均与电子控制单 元(ECU)连接，电子控制单元(ECU)包含有喷油控制程序、点火控制程序、怠 速控制程序。
在本实施例中，传感器部分还包括安装在发动机气缸部的爆震传感器(9)、安 装在发动机上的转速传感器(18)、油箱油位传感器(17)、其所驱动车辆的车速传 感器(21)、安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)后的后氧传感器(23)。执行 器部分还包括碳罐电磁阔(22)，电子控制单元ECU包括相应控制程序和排放控制 程序。
本实施例发动机管理系统的功能主要包括喷油控制、点火控制、怠速控制、 排放控制、OBD、后备运行及其它辅助控制等。OBD是英文On-Board Diagnostics 的縮写，中文翻译为"车载自动诊断系统"。0BD是一种自动诊断汽车问题的程序。当系统出现故障时，故障灯或检査发动机警告灯亮，同时动力总成控制模块 将故障信息存入存储器，通过一定的程序可以将故障码读出。根据故障码的提示， 维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位。有针对性地去检査有关部位、元 件和线路，将故障排除。
本实用新型发动机管理系统的功能主要包括喷油控制、点火控制、怠速控制、 排放控制、0BD、后备运行及其它辅助控制等。
一、喷油控制 1、喷油量控制
ECU对喷油量的控制是通过对喷油输出脉宽的控制来实现的。对喷油量的控 制采用以闭环控制为主，开环控制为辅的控制策略。发动机工况不同，对混合气 浓度的要求也不相同。特别是冷起动、急加速、急减速等特殊工况，对混合气浓 度具有特殊要求，此时采用开环控制。对于发动机其它正常运行工况，采用闭环 控制，以保证空燃比控制在理论空燃比(14.7:1)附近，使排放达到最佳。喷油量 的控制大致可分为起动控制、运转控制、加减速控制、断油控制和空燃比闭环控 制等。
1.1、起动喷油量控制
(1) 、起动工况判定
当同时满足以下条件时，ECU判定为起动工况，按起动工况程序控制喷油量
① 、点火开关信号为高电平；
② 、发动机起动完成标志为零；
③ 、ECU连续检测到曲轴位置传感器信号； 、 ECU检测发动机转速低于设定起动转速。
当ECU在N个曲轴周期内连续检测到发动机转速高于或等于设定起动转速， 即判定为起动完成，发动机起动完成标志置l。之后如果ECU在设定的时间内没 有检测到曲轴位置传感器信号或点火开关信号为低电平，发动机起动完成标志清 零，允许重新进入起动工况。
(2) 、起动工况喷油量的计算
起动工况喷油量主要由发动机冷却液温度、进气温度、发动机转速及发动机 曲轴转过的圈数确定。1.2、起动后过渡工况喷油量
发动机起动完成后，空燃比应尽快加大以满足排放及燃油经济性要求。但空 燃比过快会使发动机转速不稳定，严重时还会导致发动机熄火。因此，发动机起 动完成后，在一定的计数周期内，空燃比还是按开环控制。计数周期由冷却液温 度确定，与之对应有一个起动后过渡喷油修正系数，此修正系数随时间逐渐衰减， 直到计数周期结束修正系数衰减为零。
1. 3、起动后开环控制喷油量的计算
发动机起动后，不管是进行空燃比开环控制还是闭环控制，都要进行开环控 制喷油量计算。闭环控制建立在开环控制的基础上。
ECU根据采集的发动机转速和进气歧管压力信号，通过标定的喷油脉谱数据 确定基本喷油量；然后根据进气温度、冷却液温度、大气压力、自学习修正系数 对基本喷油量进行修正后，作为开环控制喷油量。
此外由于喷油器的响应时间受电池电压的影响，还要根据电池电压确定无效 喷油时间，经过以上修正后的开环控制喷油量乘以其它开环修正系数(如加速修 正系数、大负荷修正系数等)或闭环修正系数后与无效喷油时间之和作为总的喷 油时间。
1.4、加速喷油量控制
当汽车加速时，为了保证发动机能够输出足够的扭矩，改善加速性能，必须 增大喷油量，此时ECU对喷油量进行开环控制。在发动机运转过程中，ECU将根 据节气门位置传感器信号和进气歧管压力传感器信号的变化速率，判定发动机是 否处于加速工况。当变化速率达到一定阈值时，及判定为加速工况。加速修正系 数由变化速率确定。
1. 5、大负荷喷油增量控制
发动机在大负荷或全负荷工况下运行时，要求发动机输出最大功率，ECU将 根据进气歧管压力和发动机转速信号，判定发动机是否处于大负荷以上工况运 行。当判定为大负荷工况时，ECU将控制运行功率空燃比程序，增大喷油量， 供给浓于理论空燃比的功率混合气，满足发动机输出最大功率的要求。此时ECU 对喷油量进行开环控制。
1.6、断油控制(1) 、超速断油控制
超速断油是当发动机转速超过允许的最高转速时，ECU自动中断喷油，防止 发动机超速运转而损坏机件。在发动机运行过程中，ECU随时都将曲轴位置传感
器测得的发动机实际转速与程序中设定的发动机最高极限转速进行比较。当实际 转速达到或超过极限转速时，电脑就发出停止喷油指令，控制喷油器停止喷油， 限制发动机转速进一步升高。当喷油器停止喷油、发动机转速下降至低于极限转
速80转/分左右时，断油结束，恢复喷油。
(2) 、减速断油控制
减速断油控制是当发动机在高转速运转过程中节气门突然关闭减速时，ECU 自动控制喷油器中断燃油喷射，直到发动机转速下降到设定的转速时，再恢复喷 油。当同时满足以下条件时ECU进入减速断油控制
① 、发动机起动后过渡工况结束；
② 、节气门关闭；
③ 、发动机转速高于设定的减速断油控制转速； 、车速高于设定值；
⑤、进气压力低于一定值。
由于发动机起动后过渡工况转速有可能超过设定的减速断油控制转速，此时 断油会引起起动后发动机转速波动较大，所以此时不应该断油。设定的减速断油 控制转速由怠速控制目标转速确定，比怠速控制目标转速高一个较大的固定值。 如怠速控制目标转速为900rpm/min时，减速断油控制转速为1800rpm/min。
当节气门打开或发动机转速低于设定的减速断油恢复转速时，ECU控制喷油 器恢复喷油。设定的减速断油恢复转速由怠速控制目标转速确定，比怠速控制目 标转速高一个较小的固定值。如怠速控制目标转速为900rpm/min时，减速断 油恢复转速为1400rpm/min。
(3) 、溢油清除断油控制
发动机起动特别是低温冷起动时，若多次起动未成功，淤积在气缸内的浓混 合气可能会浸湿火花塞，使之不能跳火，这种情况称为溢油或淹缸。此时若继续 喷油，会使淹缸越来越严重。ECU程序中设有溢油清除断油控制功能，当同时满 足以下条件ECU进入溢油清除断油控制，不喷油只点火以清除溢油① 、发动机处于起动工况；
② 、节气门开度达到最大；
③ 、发动机转速低于设定转速。
1.7、 空燃比闭环控制
当混合气的空燃比控制在理论空燃比(14.7)附近时，三元(HC、 CO、 NOx)催 化转换器对碳氢化合物(HC)、 一氧化碳(CO)的氧化效率和氮氧化物(N0x)的还原 效率最高，并转化为二氧化碳(C02)、水(H20)、氧气(02)、氮气(N》等无害成分， 其净化率曲线如图3所示。为了达到排气净化的目的和满足排放法规的要求，发 动机排放控制系统配装了三元催化转换器和氧传感器。利用氧传感器对空燃比进 行反馈控制，将空燃比精确控制在理论空燃比(14.7)附近，再利用三元催化转换 器，将排气中三种主要的有害成分(HC、 C0、 NOx)转化为无害成分。
空燃比(A/F)反馈控制的如示意图4所示，ECU根据氧传感器输入的电压信号 对喷油量进行修正。当ECU接收到的信号电压高于阈值电压(通常为0. 45V左右) 时，表明混合气偏浓，空燃比偏小，ECU将减小空燃比闭环修正值以减少喷油量， 使混合气逐渐变稀，空燃比逐渐增大。当接收到的信号电压低于阈值电压时，表 明混合气偏稀，空燃比偏大，ECU将加大空燃比闭环修正值以增加喷油量，使混 合气逐渐变浓，空燃比逐渐减小。ECU程序中对空燃比闭环修正值计算采用比例 积分的控制算法。
1.8、 空燃比自学习控制
发动机的很多控制参数主要依据ECU中事先编号的控制软件，其中包含了大 量的脉谱数据。这些脉谱数据是在发动机台架和整车上进行的样机性能试验数 据，即样机标定的结果整理而成的。换句话说，这些数据对于用于标定的样机是 完全真实可靠的。然而，当汽车被大批量生产出来，并由众多的、各具特点的使
用者驾驶在各个不同的地区，这些数据就不一定是完全可靠的。由同样的脉谱也 不一定能够使同型号的发动机都达到性能最优化。原因就是这些发动机存在着很 多差异，这些差异主要由下面的原因产生
(1) 、即使是同一型号的新发动机，也由于制造误差、装配误差和调整误差， 每一台都不完全一样的；
(2) 、随着发动机的老化，因使用程度、磨损程度等造成了更大的差异；(3) 、各种传感器、执行器在使用过程性能参数产生漂移；
(4) 、驾驶区域的气候条件、燃烧条件不一样。
所以，在ECU控制软件时，必须考虑到如何适应这些差异的变化。 一个最实 用的解决办法就是加入自学习控制功能。ECU在空燃比闭环控制过程当中，通过 判断发动机工况和闭环修正值来确定系统开环喷油量的偏差，并将此偏差逐步学 入自学习修正模块当中，在以后的控制当中，自学习修正模块中的修正值会自动 记入开环基本喷油量当中。
2、喷油正时控制
发动机燃油喷射系统按喷油器安装部位分为单点燃油喷射系统和多点燃油 喷射系统两类。单点喷射系统只有一只喷油器，喷油器安装在节气门体上；多点 燃油喷射系统每个气缸配有一只喷油器，喷油器安装在各缸进气门前进气歧管 上。对于多点燃油喷射系统，根据喷射燃油的时序，又可分为同时喷射、分组喷 射和顺序喷射三种类型。多点顺序喷射的优点是各缸喷油时刻均可设计在最佳时 刻，燃油雾化质量好，有利于提高燃油经济性和降低有害成份(HC、 CO、 NOx)排 放。本系统采用多点顺序喷射方式。
ECU根据检测到的曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器信号以及计算的喷油 脉宽确定每缸喷油正时(即开始喷油时刻)。发动机一个工作循环(曲轴转两转 720度)，各缸喷油器喷油一次。喷油时序如图5所示。
二、点火控制
点火控制可以分为点火提前角控制、点火闭合角控制和爆震控制，其中最 主要是点火提前角控制，点火提前角对发动机的动力性、经济性和排放有十分重 要的影响。
1、点火提前角控制 根据发动机运行工况不同，ECU对点火提前角控制也不一样。可分为起动工 况点火提前角控制控制、怠速工况点火提前角控制控制、正常运行(非怠速)工 况点火提前角控制控制。
1.1、起动工况点火提前角
发动机起动时点火提前角一般不宜过大。起动时，发动机转速变化大，进气 压力不稳定，不能用来计算确定点火提前角。所以在启动发动机时，采用固定的点火提前角进行控制，起动工况点火提前角设定为5°。 1.2、怠速工况点火提前角
怠速工况主点火提前角根据发动机转速确定，如图6所示。怠速转速高时， 主点火提前角大，怠速转速低时时，主点火提前角小。
怠速工况根据发动机冷却液温度对主点火提前角进行修正。发动机冷起动 后，为了使三元催化器快速起燃，可根据发动机冷却液温度适当减小怠速点火提 前角以提高排气温度，使三元催化器快速起燃，减小有害气体排放。当发动机冷 却液温度过高时，为了避免发动机过热，也应当减小点火提前角。
怠速工况开空调时，也要对点火提前角进行修正，以加大发动机输出扭矩。 此时点火提前角增加3°。
此外还要根据发动机怠速转速的变化进行怠速修正，以保证怠速稳定性。当 ECU检测怠速转速具有下降趋势时，将适当增大点火提前角；当转速具有上升趋 势时，将适当减小点火提前角，以使怠速转速稳定。
1.3、正常运转点火提前角
正常运转点火提前角ECU根据发动机转速和进气压力信号，通过査表(点火 提前角脉谱数据表)确定基本点火提前角，然后根据一系列参数修正得到正常运 转点火提前角。
存储在ECU存储器中的点火提前角脉谱数据表，是通过发动机台架试验，并 综合考虑发动机油耗、扭矩、排放和爆震等因素，对试验结果进行优化处理后确 定。
正常运转点火提前角的修正主要包括冷却液温度修正、过渡工况修正、功率 加浓修正等。
2、点火闭合角控制
点火闭合角控制也叫充磁时间控制。ECU对点火能量的控制是通过充磁时间 的长短来控制的，这种控制的目的是维持基本恒定的点火能量。点火线圈充磁时 间决定了火花塞的点火能量，太长的充磁时间会损害线圈或线圈驱动器，太短会 导致失火。充磁时间与蓄电池电压和发动机转速相关。电池电压降低时，初级线 圈电流增长速度较慢，所以必须通过较大的充磁时间来平衡总的点火能量；反之， 电压升高时，充磁时间减小。发动机在高转速时(如3000转以上)，由于点火线圈充放电的频率加快，线圈发热量增大，为保护点火线圈需适当减小充磁时间。 3、爆震控制
爆震是燃烧室内的混合气在火花塞点燃的火焰前锋没有传播到的时候，自己 着火产生冲击性的燃烧现象。爆震持续发生，可能使火花塞的电极或活塞产生过 热而造成熔损。爆震与点火提前角有密切的关系，通常能发出最大扭矩的点火提 前角就在开始引起爆震的的附近。ECU通过爆震传感器来检测发动机是否产生爆震。
ECU对爆震的控制，是利用推迟点火提前角的方法来消除爆震。 一旦ECU侦 查出爆震，对点火提前角的控制立即转入闭环控制，逐步推迟点火，直到爆震完 全消失为止。
当爆震完全消失后并在若干循环内不再出现，ECU会逐渐将点火角提前，直 到恢复爆震前的水平，并重新开始正常的点火控制。所以，对爆震的控制实际上 是对点火提前角延迟一提前的过程。这样控制的根据是，爆震在一定程度上可视 作随机现象，ECU力求尽快恢复正常点火提前以保证发动机的性能和排放。
为确切的检测和控制爆震信号，首先对爆震传感器信号进行滤波并将滤波后
的信号进行A/D转换，然后通过对爆震窗口 (包括窗口起始时刻和窗口长度)的
确定来对信号进行积分。如爆震信号积分值高于设定的爆震判别阈值，则按照标
定的点火推迟量推迟点火角以减少爆震产生的机会。
另外，在出现爆震后的点火闭环控制过程，也是自学习过程。利用此时学习 到的数据，作为长期修正点火提前角控制的依据。 三、怠速控制
怠速控制主要是对怠速进气量的控制，ECU检测发动机实际怠速转速与怠速 目标转速比较，经过一定的控制算法后，控制怠速调节阀开度来控制怠速进气量， 从而控制实际怠速转速达到怠速目标转速附近。而喷油量根据进气量的变化自动 调整，以满足空燃比的要求，将空燃比控制在理论最佳空燃比(14.7:1)附近。
1、怠速目标转速
怠速目标转速主要由发动机冷却液温度确定，冷却液温度越低，怠速目标转 速越高，如图7所示。怠速工况开空调时，需要提高怠速目标转速，以保证怠速稳定性。此时怠速 目标转速比正常怠速目标转速高100rpm/min。 2、怠速调节阀开度调节
ECU调节怠速调节阀开度的目的是调节怠速进气量，从而控制实际怠速转速 逼近怠速目标转速，这是一个闭环控制系统。怠速闭环控制的控制算法采用PID 调节方式，即比例-积分-微分调节。控制模型如图8所示。
(1) 、比例控制
比例控制能迅速反应转速误差，从而减小稳态误差。当怠速目标转速减实际 怠速转速的差值为正值(即实际怠速转速低于怠速目标转速)时，比例控制器输 出为正值，以增大怠速调节阀开度，相反情况比例控制器输出为负值，以减小怠 速调节阀开度，差值越大，比例控制器输出的绝对值越大，以快速响应转速误差。 比例控制器可以减小稳态误差，使实际怠速转速接近怠速目标转速，但不能清除 稳态误差。清除稳态误差的任务由积分控制器来完成。
(2) 、积分控制
积分控制器的任务是清除稳态误差。只要怠速目标转速与实际怠速转速的差 值不为零，积分控制器就不停的积累这些差值，并输出控制量以清除误差。理论 上只要有足够的时间，积分控制器能完全清除误差，使实际怠速转速达到怠速目 标转速。实际上由于测量误差、控制精度及外界干扰等因素，实际怠速转速只能 控制在怠速目标转速附近很小范围内波动。
(3) 、微分控制
微分控制器是以误差变化率为依据进行控制输出的。例如，虽然实际怠速转 速远高于怠速目标转速，比例控制器输出为负值，但如果在减速过程中，转速下 降越来越快，此时误差变化率为正值，微分控制器输出为正值，以加大控制输出， 使转速下降变慢。微分控制器的作用是改善系统的动态性能，可以减小超调量， 克服系统振荡，使系统稳定性提高。
3、怠速自学习控制
由于发动机的差异及发动机的老化，怠速对进气量的要求会逐渐变化，因此 ECU提供了怠速的自学习的功能。发动机在充分暖机和稳定的怠速工况下，ECU 从怠速闭环控制中，慢慢学习怠速调节阔开度的变化，并将学得的怠速调节阔开度值，储存于RAM中，发动机起动时便要利用这一值来作为计算起动怠速调节阀 开度的其中一项。怠速自学习值会随着发动机不同的稳定怠速工况而缓慢地改变。
4、稳定怠速的点火提前角调节
通过调节怠速调节阀开度来调节怠速转速，是怠速调节控制的主要控制方 法。但由于怠速调节阀调节精度的原因，怠速调节阀每调节一个最小单位，怠速 转速会变化几十转/分钟。为了更加精确的控制怠速转速，可通过适当调节怠速 点火提前角来调节怠速转速。在实际怠速转速与怠速。
目标转速差值为几十转/分钟的范围内，当ECU检测怠速转速具有下降趋势 时，适当增大点火提前角；当转速具有上升趋势时，适当减小点火提前角，以使 怠速转速稳定。
四、 排放控制
ECU对排放控制主要有对尾气有害气体排放的控制和对燃油蒸发排放的控 制。尾气有害气体排放主要是控制尾气中的HC、 CO和NOx，使之达到国家有关 排放标准。燃油蒸发排放的控制主要是通过对碳罐电磁阀的控制来实现。
1、 尾气有害气体排放控制
在汽车发动机的排气管上安装三元催化转换器可净化排气中的C0、 HC、和 NOx三种有害气体成分，但三元催化转换器只能在空燃比接近理论值 (A/F=14.7:l)的范围内催化效果最佳。在排气管中安装氧传感器，它可通过检 测排气中氧的含量来获取混合气空燃比的高低。ECU根据氧传感器输入的信号， 对喷油量进行修正，实现空燃比的反馈控制，使混合气的空燃比接近理论空燃比， 三元催化转换器能更有效地起净化作用，使有害气体的排放量降到最低，符合国 家有关排放标准。
2、 燃油蒸发排放控制
燃油蒸发排放控制是ECU根据发动机运行工况，有规律的控制碳罐电磁阀的 开启和关闭，使燃油箱内的燃油蒸汽进入发动机内燃烧，从而减少燃油蒸汽向大 气中排放。
五、 OBD
发动机管理系统除燃料喷射和点火功能等基本功能外，还有车载诊断(OBD)功能，当系统出现故障时，故障(MIL)灯点亮，同时ECU将故障信息以故障码 形式存入存储器，通过一定的程序可以将故障码从ECU中读出。根据故障码的提 示，迅速准确地确定故障的性质和部位。有针对性地去检査有关部位、元件和线 路，将故障排除。车载诊断功能按OBDII标准设计，以满足欧III标准对排放的要 求，内容主要包括以下几个方面
(1) 、当排放控制系统(包括与排放有关的任何传感器、执行器或输出装置) 失效导致排放超过规定的极限值时，OBD必须指示它们的失效；
(2) 、为了满足欧III标准,OBD的设计具有严格的排放针对性。汽油发动机OBD 必须检测以下项目发动机在一定工况区内出现的失火率；催化转换器的净化效 率下降到某个限值之下；氧传感器老化导致排放超过限值；蒸发排放物控制系统 中炭罐控制阀(至少应监测其电路是否连通)；其他与排放有关的传感器或其他 排放控制装置失效等情况
(3) 、每次发动机起动时，必须开始一系列的诊断检测。
(4) 、 OBD必须装有能使驾驶人感知故障存在的故障指示器。排放一旦超过 限值，发动机控制进入永久性排放失效模式，故障指示器应在2个运转循环内激 活。
(5) 、 OBD必须记录指示排放控制系统状态的代码。
(6) 、如果不再出现可能损坏催化器的失火水平，故障指示器可以切换回到 先前检测到失火的第一个运转循环的激活状态，相应的失火代码和冻结帧可以被 擦除。对于失火以外的其他故障，如果在三个连续的运转循环中不再检测到该故 障，并且没有检测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个发动机暖机循环内没有出现相同的失效，OBD可以擦除失
效代码和冻结帧信息。
(8) 、 OBD在下列情况下可以临时停止工作
① 、冷却液温度低于-7'C;
② 、海拔高于2500米；
③ 、油箱油位低于20%;
、道路路面情况十分恶劣。
(9) 、为了满足以上要求，系统硬件应作以下升级① 、在三元催化转换器后增加一个氧传感器，前后两个氧传感器组合起 来对催化转换器的净化率进行监控，同时对燃油控制进行补偿。
② 、ECU增加点火反馈信号检测，以检测发动机点火器件故障。
(D、选用带有EEPROM的MCU，使其中的软件可重新编程，通过终端接口 及外部计算机可对其重新写入新版的软件。
、燃油喷射方式由多点顺序喷射取代多点同时喷射或单点喷射。 ⑤、点火方式采用无分电器直接点火方式。增加曲轴位置传感器。 ◎、增加油箱油位传感器。 六、辅助控制
1、 电动燃油泵控制
(1) 、当点火开关接通后，ECU控制电动燃油泵运行3秒钟，由于建立足够的 油压；
(2) 、点火开关接通后3秒内，若ECU没有检测到发动机转速信号，电动燃油 泵停止运行；若ECU检测到发动机转速信号，电动燃油泵继续运行；
(3) 、若发动机运转过程中熄火，ECU连续100ms内没有检测到发动机转速信 号，电动燃油泵延时2秒钟关闭；
(4) 、当点火开关关闭时，电动燃油泵立即停止运行。
2、 主继电器控制
(1) 、当点火开关接通时，主继电器线圈通电，其输出触点向系统有关部件提 供电压。此后主继电器一直工作。
(2) 、当点火开关断开时，主继电器线圈延时3秒钟断电，ECU在这3秒钟控 制怠速调节阀步进电机复位，回到初试位置，以便发动机下次起动。
3、 冷却风扇控制
冷却风扇的工作根据发动机冷却液温度来控制。
(1) 、当冷却液温度高于92'C时，冷却风扇的启动；
(2) 、当冷却液温度低于86'C时，冷却风扇的停止。 冷却风扇的工作的冷却液温度控制点可标定。
4、 空调控制
当同时满足以下条件时，ECU控制空调离合器继电器工作(1) 、发动机起动完成；
(2) 、发动机转速高于设定转速(700rpm/min);
(3) 、空调工作请求开关闭合；
(4) 、空调冷凝器温度高于设定温度(l(TC);
(5) 、空调停止工作后延时时间结束；
当上列条件同时满足后，为了保证空调离合器吸合时不会引起发动机转速波
动太大，ECU先要适当增大怠速调节阀开度，然后再控制空调离合器继电器线圈 通电。
当满足下列条件之一，ECU控制空调离合器继电器线圈断电
(1) 、发动机起动过程中；
(2) 、发动机转速低于设定转速(700rpm/min);
(3) 、空调工作请求开关断开；
(4) 、空调冷凝器温度低于设定温度(rc);
若空调已开启，ECU控制空调离合器继电器线圈断电前，先要适当减小怠速 调节阀开度和点火提前角，以保证空调离合器断开时不会引起发动机转速波动太 大。空调停止工作后，ECU延时一定时间才允许再次空调离合器继电器线圈通电。
七、后备运行
若汽车出现了故障就立即关闭电子控制系统，会给驾驶员带来很大的麻烦， 为此ECU设有备用运行功能，以协助驾驶员将汽车开到汽车维修站。备用运行功 能只有在发动机出现故障时才启用，此时正常运行功能被关闭，ECU用存储器中 预先设定的参数代替传感器检测的信息来控制发动机，使发动机继续运行。如果 故障被排除，正常功能立即投入使用，备用运行功能自动关闭。
权利要求1、用于电控汽油发动机工作系统的电子控制单元ECU(7)，其特征在于，包括用于连接所述工作系统传感器部分的输入电路、单片机CPU、存贮器ROM、RAM和用于连接所述工作系统执行器部分的输出电路，所述单片机CPU的两端连接输入电路和输出电路，存贮器ROM、RAM与单片机CPU电连接。
2、 如权利要求1所述的电子控制单元ECU(7),其特征在于，所述输入电路包 括用于连接节气门位置传感器(1)的接口、用于连接进气压力传感器(2)的接口、 用于连接进气温度传感器(3)的接口、用于连接凸轮轴位置传感器(4)的接口、 用于连接缸体冷却液温度传感器(8)的接口、用于连接机油压力开关信号(9)的 接口、用于连接曲轴位置传感器(4)的接口、用于连接冷却液温度传感器(8)的 接口、用于连接曲轴位置传感器(11)的接口、用于连接发动机转速传感器(18)的 接口、用于连接安装在发动机气缸部的爆震传感器(9)的接口，用于连接发动机转速 传感器(18)的接口，所述输出电路包括用于连接电动燃油泵(14)的接口、用于连 接喷油器(19)的接口、用于连接怠速调节阀(20)的接口、用于连接点火线圈(30) 的接口。
3、 如权利要求2所述的电子控制单元ECU(7)，其特征在于，所述输入电路还 包括用于连接安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)前的前氧传感器(5)的接 口、用于连接安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)后的后氧传感器(23)的接 口，所述输出电路还包括用于连接碳罐电磁阀(22)的接口。
4、 电控汽油发动机工作系统，它包括进气系统，燃油供给系统，点火系统，其 特征在于它还包括电子控制系统，所述电子控制系统包括传感器部分、如权利要求 1至3任一项所述的电子控制单元ECU(7)和执行器部分，所述传感器部分包括安装 在进气系统的进气管上的节气门位置传感器(1)和进气压力传感器(2)、进气温度 传感器(3)，安装在发动机(13)上的凸轮轴位置传感器(4)、冷却液温度传感器(8)、曲轴位置传感器(11)、发动机转速传感器(18)，所述传感器部分的部件均与 所述电子控制单元ECU(7)电连接，所述执行器部分包括位于燃油箱(15)内的电动 燃油泵(14)、喷油器(19)、与所述节气门并列连接的怠速调节阀(20)、点火线圈(30);所述执行器部分的部件均与电子控制单元ECU(7)电连接。
5、如权利要求4所述的电控汽油发动机工作系统，其特征在于，所述传感器部分 还包括安装在发动机气缸部的爆震传感器(9)。
6、如权利要求5所述的电控汽油发动机工作系统，其特征在于所述传感器部分 包括安装在发动机排气管上三元催化转换器(6)前的前氧传感器(5)，安装在发动机 排气管上三元催化转换器(6)后的后氧传感器(23)，所述执行器部分还包括碳罐电磁 阀(22)。
专利摘要一种电控汽油发动机ECU及其工作系统，该系统包括进气系统，燃油供给系统，点火系统，还包括电子控制系统，电子控制系统包括传感器部分、电子控制单元ECU和执行器部分，传感器部分包括节气门位置传感器和进气压力温度传感器、进气温度传感器等一系列传感器，执行器部分包括电动燃油泵、喷油器、怠速调节阀、点火线圈；所有传感器与执行器均与ECU电连接，ECU包含有喷油控制程序、点火控制程序、怠速控制程序；该系统采用控制策略合理、控制功能全面、控制功能集成性能好以及系统移植性好；该ECU包括用于连接传感器部分的输入电路、单片机CPU、存贮器ROM、RAM和用于连接执行器部分的输出电路。
文档编号F02D43/04GK201306223SQ20082013886
公开日2009年9月9日 申请日期2008年10月9日 优先权日2008年10月9日
发明者张和君, 王和平 申请人:张和君;王和平