摘要：ECU是柴油发电机的综合控制装置，其功能是根据自身存储的程序对发动机各传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，控制有关执行器动作，达到快速、准确、自动控制柴油发电机组工作的目的。ECU来控制柴油从油泵（打油用）到共轨管（储存平衡柴油压力）到喷油器（使柴油雾化，与燃烧室里的空气混合，形成可燃烧的燃油气）按照一定压力、时间、射速喷射到燃烧室中，达到精确喷油的效果，燃耗更低，燃油利用率更高，排放更环保等等，它取代了传统的喷油泵供油方式。本文围绕ECU的功用、ECU的工作条件、ECU的数据运行处理及ECU的储存器四个方面，系统阐述ECU作为电控系统核心部件的功能定位与硬件组成，分析其面临的极端温度、温度波动、油料影响、潮湿环境与机械振动等恶劣工作条件，详细介绍输入信息处理、微处理器系统、输出信息处理与内存软件的工作过程，并说明ROM、EPROM、EEPROM、Flash-EPROM与RAM等存储器的功能特点与适用场合，为柴油发电机ECU的结构认知、故障诊断与维修管理提供技术参考。
一、ECU的功用
许多维修人员将柴油发电机电控系统中的ECU称为“黑匣子”，它是柴油发电机电控系统中最重要的核心部件，用从传感器、目标设定值传感器以及通过CAN总线传输过来的信息（数据）作为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，然后输出控制指令，指挥调节执行机构（执行器）进行相应的调节功能。同时，它还给传感器提供稳压电源或参考电压，其全部功能是通过各种硬件和软件的组合来完成的。借助于大规模集成电路已经可以将复杂多样的几百个元器件全部集成在1～2块多层电路板上，并封装在一个十分紧凑的铝制外壳中屏蔽起来。其电路如图1所示。
1. 信息采集与处理功能
（1）传感器信号采集。ECU通过各类传感器采集柴油发电机运行状态信息，包括转速、温度、压力、位置等参数。
（2）目标设定值输入。ECU接收目标设定值传感器输入的信息，作为控制运算的参考依据。
（3）CAN总线通信。ECU通过CAN总线与其他控制单元进行数据交换，实现信息共享与协同控制。
（4）信号运算与判断。ECU对采集的各类信息进行运算、处理、判断，决定相应的控制对策。
2. 控制指令输出功能
（1）执行器驱动。ECU输出控制指令，指挥调节执行机构进行相应的调节功能。
（2）喷油过程控制。ECU控制柴油从油泵到共轨管到喷油器，按照一定压力、时间、射速喷射到燃烧室中，达到精确喷油的效果。
（3）辅助系统控制。ECU还对EGR系统、增压系统、冷却风扇、起动机、发电机及空调设备等进行控制。
（4）性能优化。通过精确控制喷油过程，实现燃耗更低、燃油利用率更高、排放更环保的效果。
3. 电源供给功能
（1）稳压电源供给。ECU给传感器提供稳压电源，确保传感器工作稳定。
（2）参考电压供给。ECU给传感器提供参考电压，作为信号输出的基准。
4. 硬件组成特点
（1）高度集成。借助于大规模集成电路已经可以将复杂多样的几百个元器件全部集成在1～2块多层电路板上。
（2）紧凑封装。ECU封装在一个十分紧凑的铝制外壳中屏蔽起来，具有良好的散热与电磁屏蔽性能。
（3）模块化结构。ECU内部按功能分为输入处理模块、微处理器模块与输出处理模块，各模块协同工作。
图1 柴油发电机ECU电路示意图
二、ECU的工作条件
柴油发电机组 ECU 的结构以压铸铝外壳为主体，集成了多组线束插接器，内部核心是带散热设计的电路板。不同品牌和型号的 ECU 在尺寸和接口布局上差异较大，但基本构成逻辑是一致的，其外观如图2、图3所示。由于它的工作条件非常恶劣，因此，对ECU的要求如下：
1. 极端的工作温度
（1）温度范围。在正常情况下为-40～125℃。
（2）低温影响。低温下电子元器件参数漂移，电解电容容量下降，可能影响ECU起动性能。
（3）高温影响。高温下半导体器件漏电流增大，长期高温运行会加速元器件老化。
2. 剧烈的温度波动
（1）热应力交变。剧烈的温度波动会使ECU内部元器件承受热应力交变。
（2）焊点疲劳。长期热应力交变作用下可能导致焊点疲劳或元器件性能漂移。
（3）防护措施。ECU外壳采用铝制材料，具有良好的散热性能，可减小内部温度波动幅度。
3. 受油、燃料等材料的影响
（1）渗入途径。油、燃料等材料可能通过插接件或壳体密封处渗入ECU内部。
（2）危害后果。油料渗入会造成电路短路或腐蚀，影响ECU正常工作。
（3）防护要求。ECU插接件应具有良好的密封性能，壳体结合面应可靠密封。
4. 潮湿环境
（1）受潮影响。潮湿环境会使ECU内部电路板受潮，导致绝缘性能下降。
（2）腐蚀风险。潮湿环境还会导致金属件腐蚀，影响插接件接触可靠性。
（3）防护措施。ECU应具有良好的防潮密封性能，避免在潮湿环境中长期暴露。
5. 机械作用
（1）振动来源。机械作用，如发动机抖动，会使ECU承受持续振动。
（2）振动危害。持续振动可能导致元器件松动或焊点开裂。
（3）安装要求。ECU安装时应采用减振措施，如橡胶固定，减小振动传递。
6. 电压波动与电磁兼容性
（1）电压波动适应。ECU在起动电压不足（冷起动）或充电电压过大（车载电子系统电涌）时都要能正常工作。
（2）电磁兼容性要求。电子系统还要满足EMC（电磁兼容性）的要求。
（3）抗干扰标准。电子抗干扰标准和对高频信号干扰限制尤为严格。
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图2 柴油机ECU整体三维视图 |
图3 柴油机电控控制单元ECU外观线框图 |
三、ECU的数据运行处理
1. 输入信息处理部分
（1）信号滤波。输入电路将各种传感器传输来的信号经过滤波，过滤掉干扰信号。
（2）整形与放大。信号经过整形和放大处理，使其满足后续处理要求。
（3）模-数转换。模拟量还要经过模-数（A-D）转换，转变成ECU能接收且量程合适的数字信号。
（4）信号预处理。输入信息处理部分还对信号进行线性化处理与温度补偿，提高信号精度。
2. 微处理器系统
（1）基本组成。根据输入的信息和内存的调节策略以及数据、图表等进行分析和运算而产生控制指令。
（2）微处理器。微处理器系统包括微处理器（CPU）、各种存储器、输入输出接口（I/O）。
（3）总线系统。在CPU、存储器和I/O之间传递信息的数据总线、地址总线和控制总线。
（4）计时器。产生时间节拍脉冲以控制ECU运作的计时器等。
（5）单片机集成。微处理器系统的各部分通常全部集中在一块芯片中，即所谓的单片机。
3. 输出信息处理部分
（1）信号调制与放大。将ECU输出的只有mA级的各种控制指令调制、放大成可以驱动各种执行器的控制信号并输出。
（2）安全性保障。保障ECU抗短路和过热的安全性。
（3）开关信号。控制执行器的信号有两种：一种是使执行器实现通断功能的开关信号。
（4）PWM信号。另一种是脉冲宽度调制（PWM）信号，它们具有恒定频率的矩形信号和可变的接通持续时间，可使诸如EGR阀和增压压力调节器等执行器达到各种任意的位置。
4. 内存软件
（1）驱动程序与专用程序。在柴油发电机ECU储存的软件中，既有各种用于ECU自身运行的驱动程序，也有为控制发电机组及其发动机运行而编制的专用程序。
（2）数字化描述。这些专用程序就是对每一个受控过程的数字化描述，将各种传感器采集和输送的各种信息和数据，经过分辨、计算、比较和逻辑分析，再将得到的结果变换成驱动各个执行器的控制指令。
（3）程序储存。各种用于信号处理的计算公式、逻辑分析方法和数据表格等均可编成程序储存在存储器中。
（4）抗干扰处理。作为抗电磁干扰的措施之一，通常对输入的数据采用软件滤波或采用傅里叶变换和小波变换等成熟的数据处理方法进行处理，这些处理软件也被放入内部存储器中。
（5）故障自诊断。在软件设计中，还必须考虑运行故障的判断、记载和读出。进行故障自诊断不能只依靠软件，还需要有硬件电路的帮助，需要有更多的传感器提供足以判断故障的信息。
（6）MAP控制。电控系统都采用MAP来确定控制量的目标值。对于柴油发电机的电控喷油系统而言，最基本的控制目标就是喷油量和喷油提前角（对于共轨喷油系统还有喷油压力），它们应随柴油发电机转速和负荷工况而变。
（7）标定试验。电控柴油发电机在开发过程中必须事先经过大量的标定试验寻找出对应于各个转速和负荷工况下的最佳目标值，以二维数表的形式存入ROM等存储器中。
（8）运行控制。运行时只要根据柴油发电机的具体运行工况，对照MAP的要求，即可给出相应的控制和调节指令，以控制相关的执行器（喷油泵或喷油器的电磁阀）按时准确地动作，从而达到优化喷油过程的目标。
（9）其他系统控制。除了主要对喷油过程进行控制之外，ECU还必须对柴油发电机其他系统和有关附件的运行进行控制，例如EGR和增压系统等的控制阀以及冷却风扇、起动机、发电机和空调设备的开关等。
（10）PWM信号的应用。所有控制指令均来自微处理器的数字信号，由于它们的电流很小（mA级），需经输出级（终端模块）调制和放大后，才能生成各种开关、继电器、数显和驱动电磁阀等执行器的输出信号。其中PWM信号是ECU最常用的脉冲输出信号，这是一种频率一定但通电（脉冲）时间变化的方形数字信号，每一个脉冲高电平占据的时间称为脉宽b，它与两个脉冲时间间隔之比（a/b）称为占空比。PWM信号的优点是既可以用于控制惯性较大和反应较缓慢的电磁阀（如EGR和增压系统的控制），只需改变占空比，就能改变输出信号的平均电压，从而能控制这类电磁阀的动作；同时，也可以用于喷油器高频电磁阀的控制，这时喷油器针阀质量轻、惯性小，升起和落座迅速，因此只需调节PWM信号的频率，使喷油过程在一个脉冲内完成，即可用PWM信号的脉宽来控制喷油器针阀开启时间的长短，以完成喷油量的精确控制。
四、ECU的储存器
柴油发电机ECU的储存器中储存着数据和计算调节策略用的程序。它们根据功能的不同，主要有以下几种形式的存储器：
1. ROM（只读存储器）
（1）基本特点。ROM是一种只读存储器，其中的内容由制造商确定后不能再改变。
（2）储存内容。用于储存控制逻辑软件、计算程序以及控制参数的目标值等长期信息。
（3）适用场合。适用于不需要修改的程序与数据储存。
2. EPROM（可擦可编程只读存储器）
（1）基本特点。储存的内容可在紫外线照射下擦除，而新内容可用专门的编程器写入。
（2）擦除方式。通过紫外线照射擦除原有内容。
（3）写入方式。使用专门的编程器写入新内容。
（4）适用场合。适用于需要偶尔修改程序或数据的场合。
3. EEPROM
（1）基本特点。它是作为不会丢失的写-读存储器被应用的。
（2）储存内容。例如用于储存防盗锁码或故障存储器信息。
（3）单元擦除。与Flash-EPROM不同，EEPROM中的每一个储存单元能够单独擦除。例如仅擦除故障存储器。
（4）写循环设计。此外，它是为多次写循环设计的。
（5）适用场合。适用于需要频繁修改部分数据的场合。
4. Flash-EPROM
（1）基本特点。它是一种通过电路可擦可编程的只读存储器。
（2）技术优势。由于其所具备的优越性，越来越多地取代传统的EPROM。
（3）编程方式。它还能在维修站用合适的诊断仪重新进行编程。
（4）适用场合。适用于需要整体更新程序或数据的场合。
5. ROM类存储器的共同特点
（1）断电不丢失。以上4种ROM类存储器用于储存在切断电源后也不会丢失的长期信息，如控制逻辑软件、计算程序以及控制参数的目标值［如各种脉谱图（MAP）等］。
（2）灵活性差异。但是，其中ROM一次存入信息后就不能更改，不如EPROM、Flash-EPROM和EEPROM在修改程序和数据上那样灵活和方便。
（3）EEPROM与Flash-EPROM的优势。特别是EEPROM和Flash-EPROM可以直接由微处理器改写其内容，而且可以只改写部分内容，因此目前得到越来越广泛的应用。
（4）单片机集成。甚至有的单片机不加区分地将所有信息都储存在EEPROM和Flash-EPROM中。
（5）EOL功能。它们均可以在生产线上根据柴油发电机型号与要求的不同，写入新的程序或选取一部分已经写入的程序，即具有EOL（End of Line）功能，这就为多种型号柴油发电机共用一个型号的ECU提供了可能。
6. RAM（随机存取存储器）
（1）基本特点。RAM是一种写-读存储器。
（2）储存内容。ECU可用它来暂时存取当前的运行和信息数据，如传感器输入的实时信息、计算过程中的数据等。
（3）实时更新。这些信息和数据在柴油发电机运行中实时被更新。
（4）断电丢失。但是点火开关断开后，其中储存的信息和数据将全部丢失。
总结
ECU作为柴油发电机电控系统的核心部件，承担着信号采集与处理、数据运算与分析、控制策略实现、控制指令产生及数据通信交换等功能，其性能与可靠性直接决定柴油发电机的动力性、经济性与排放表现。ECU面临极端温度、剧烈温度波动、油料影响、潮湿环境与机械振动等恶劣工作条件，并需在起动电压不足或充电电压过大时保持正常工作，同时满足电磁兼容性要求。在数据处理方面，ECU通过输入信息处理、微处理器系统、输出信息处理与内存软件四个环节完成从信号采集到执行器驱动的全过程控制，其中PWM信号既可用于控制惯性较大的电磁阀，也可用于喷油器高频电磁阀的精确控制。在存储器方面，ROM、EPROM、EEPROM与Flash-EPROM用于储存断电后不丢失的长期信息，RAM用于暂存实时运行数据。EEPROM与Flash-EPROM因可直接由微处理器改写且支持部分擦除，在现代电控柴油发电机中得到越来越广泛的应用，其EOL功能为多种型号柴油发电机共用一个ECU提供了可能。
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