电控系统的结构与功用
3.1.1 电控系统的构成
1.基本结构
汽车发动机电子控制系统，简称电控系统。电控系统可对发动机运行过程进行连续监测和控制，能使控制对象迅速、准确地工作，以降低汽车的排放和燃油消耗，提高汽车行驶的稳定性、安全性和舒适性。
汽车任何一个电控系统都是由电控单元、相关传感器和执行器、自诊断接口、连接线路等几部分组成。
2.电控单元(ECU)
电控单元是发动机控制系统的核心元件。早期的电控单元由分立电子元件或模拟电子电路、模拟集成电路组成，控制功能有限，控制精度较低。由于发动机工况是高速和不断变化的，并且要求计算机精度高、处理速度快，因而ECU的性能应随发动机技术的发展而发展，车用微处理器的内存越来越大，信息处理能力也越来越大。
当代汽车上使用的电控单元属于单片机系列，是专为汽车开发设计的ECU，其内部结构及指令系统都针对汽车的使用特点作了特殊设计。内部硬件主要有输入和输出接口、微处理器、存储器、定时器、计数器、数据传输总线和电源等部分。在一般情况下，ECU必须能在环境温度-40～80℃、蓄电池电压10～15V的条件下无故障地工作。
1)输入接口电路
输入接口电路负责将外部传感器的信息传递给微处理器，它能对来自各传感器的输入信号进行预处理，并能通过模数转换器，将模拟信号放大并转换成微处理器可接收的数字信号。
2)微处理器(CPU)
微处理器也叫中央处理器，是单片机的核心构件，主要包括运算器和控制器两部分。
运算器是单片机执行算术与逻辑运算的部件，其中包括若干个寄存器，可直接参与运算并存放中间运算结果。
控制器是单片机的指挥控制中心，它本身不具备运算功能，只负责从内存储中读取指令或数据，并对指令进行分析类比，然后根据具体需求向单片机各个部件发出控制信号，并协调单片机各组成部分的工作。
衡量CPU品质最重要的指标是主频与数据传送位数。主频的高低反映出CPU工作速度，主频越高，CPU运算速度越快。数据传送位数是指CPU能在同时间、同步并行传送的二进制信息量。
3)存储器
存储器是单片机的记忆单元，单片机工作时用来存储指令或数据。单片机的存储器按设置方式分为内存储器和外存储器。内存储器集成在单片机芯片内，外存储器是单片机的扩展内存，设置在芯片的外围。按使用功能，存储器又分为随机存储器和只读存储器两类。
4)定时/计数器
定时/计数器可以实现定时或计数功能，对单片机进行相应控制。
5)输出接口
输出接口负责ECU与执行元件间的联系，它将ECU作出的决策指令转变为控制信号，通过数模转换器，将数字信号还原放大成相应的模拟信号，然后驱动执行元件工作。
6)内部数据传输总线
内部数据传输总线负责ECU内部各元件间的信号数据传递工作，可双向传送大量信息数据。
7)串行数据通信接口
串行数据通信接口用于ECU多路传输通信系统间的连接，ECU可通过串行数据通信线与其他ECU实现联网，并能进行相互间的数据交换。
3.传感器
传感器是电控系统感知发动机工作状态信息的触角，它负责采集汽车在不同运行状况下的实时信息;同时也是一种信号转换装置，可以将各种物理参量转换成相应的电信号，再向ECU提供发动机在各种不同工况时的参数信息。根据检测功能和检测对象的不同，发动机上的传感器分别设置在发动机的不同部位。
汽车上采用的传感器的种类和结构形式很多，即便是相同功能的传感器，使用在不同车型或发动机上时，也有不同的形式和技术要求。传感器向ECU提供的电信号分为模拟和数字两种。
4.执行器
执行器就是执行元件，其任务是根据ECU输出的控制信号，作出某种相应的动作反应，或将被控制对象的控制参量迅速调整到ECU设定的值，以实现ECU预定的具体控制目标或功能，它是ECU各项控制指令的具体执行者。
3.1.2 电控系统诊断原理
1.电控系统自诊断功能
1)自诊断定义
汽车电控系统依据专门程序，对其工作状态及信号参数进行监测和判定的功能，称为自诊断功能。
2)自诊断对象
自诊断对象包括微处理器及其相关的外围设备、执行器和传感器、自诊断器等。自诊断过程就是由监测电路检测传感器、执行器、微处理器及其他外接设备的各种实际参数，并将检测到的实际数据与存储器中的标准数据进行比较，根据比较结果，再对系统是否存在故障进行判定。
自诊断功能可使电控系统自动、及时、准确地判定系统中是否存在故障，并在出现故障时采取必要措施，使系统处于故障安全状态;同时，向驾驶员发出警示信号，使驾驶员能够了解控制系统的实际状态，以便采取相应的处理措施;还能将故障情况记录下来，为维修提供参考和帮助。
3)自诊断信号来源
汽车电控系统中的控制单元可采集到的信息，大致来源有以下几方面。
Ⅰ.描述各电控总成及元器件工况参数的信号
如冷却水温度、转速、节气门开度等传感器信号。这类信号特点是其数值都有正常的工作范围，确认此等输入信号值是否真实，即可判定此传感器是否有故障存在。
Ⅱ.描述汽车操作情况的信号
可由驾驶者通过直觉判定有无故障存在的信号，如点火开关信号、空调开关信号、灯光开关信号灯等。这类开关信号是否正常，电控单元的自诊断系统通常不会对其进行自诊断。
Ⅲ.来自相关电控系统的信号
若汽车的某电控系统或装置达到了工作条件，但其未进入工作状态，则自诊断系统将判断为有故障，并会立即进行警示。
Ⅳ.反馈控制信号
汽车电控系统的输出控制电路可分为开环和闭环两类。典型的闭环控制电路有氧传感器反馈控制和发动机点火正时控制等。采用闭环控制的电路中都有反馈信号产生，一旦控制电路发生故障，电控单元就能根据反馈信号很快加以确认;而开环控制的电路中无信号反馈，其输出控制电路若发生故障，电控单元只有通过各种输入信号的正常工作范围进行判断后，才能确认是否有故障存在。
2.信号值的判断原则
1)信号值范围判断
汽车各电控系统工作时，如果某传感器输入到ECU的信号值，持续超出规定的范围，此时自诊断系统即断定此信号有故障;而对于偶然出现的异常信号，自诊断系统并不会立即判定为有故障，通常会采用自身存储的标准数据来替代，并对系统的控制工作继续进行，使其照样能维持一定水平的工作能力。在系统继续工作时，再次进行检测和判断，以断定信号是否确实异常。如果没有再次出现此故障信号，则会被诊断为偶发故障，并记录其代码。若再次检测到该异常信号，自诊断系统将诊断为该传感器有故障，或提示是相关电路发生短路或短路故障，同时发出故障警示，而电控单元无法最终确认这个传感器本身性能到底是好还是坏。
2)监控回路信号判断
汽车各电控系统在工作过程中，会不断地向执行机构发出各种工作指令。若执行系统不能正常工作，则其监控回路将把信息反馈给ECU，由ECU进行确认，同时采取相应的应急措施，并及时发出故障警示，以确保系统的安全运转。
3)ECU自身故障判断
在ECU中设有内部监视电路，用以监视其内部元件是否按正常控制程序工作。监控电路内的时钟监视器，能按时对ECU进行复位控制。当ECU内部发生故障后，相关控制程序将得到不正常执行，此时时钟监控电路就不能使ECU复位，从而造成程序的溢出。ECU的自诊断系统据此判断内部故障的存在，并予以应急控制和故障警示。
为了防止因电控单元出现故障时汽车被迫停驶，在多数ECU内部都设有备用的应急电路。当应急电路收到监控电路的异常信号后，会即刻启动备用电路，以简单的控制程序，保证发动机的喷油量与点火定时等控制功能，可按预先设定的程序进行控制，从而保证汽车仍能维持一定的运行能力。
4)故障安全保护功能
电控系统ECU判定系统中存在故障时，会采取必要的控制措施，以避免故障进一步扩大，使汽车性能的损害程度降至最低，称为故障安全保护功能。
当汽车电控系统出现故障后，ECU将通过对输出电路或电源开关的控制，使系统处于应急安全保护运行状态。也有一些系统是通过检测电路或安全电路使系统处于安全保护运行模式。不同控制系统采用的故障应急处理方式会有所不同。
3.系统启动自检过程
发动机ECU的自检过程，实际是对其自身、连接电路和电气元件静态初始参数的检测，它只是自诊断过程中的第一步。
汽车ECU在每次接通电源后，与家用电脑一样都要进行初始化的过程。即运行专用程序对微控制器、EPROM/RAM和自身集成选择电路以及外围电路、电气元件的功能进行检测，包括程序功能的校验、参数变量的校正、对随机存储器进行读写检查和对外围电路元件及设备的测试。
在自检过程中，ECU通过检测传感器和执行器的回路电压或电流的变化，来确定传感器、执行器及其线路是否发生了故障，如果检测到回路异常，ECU一边将故障信息以特定的数字代码存储在非易失存储器中，同时通过故障指示灯发出相关的警示信号。
4.运行中的自诊断过程
汽车各电控系统启动后，其各自ECU的故障自诊断监测电路，每隔一定时间都要运行诊断程序。当汽车处于运行状态时，ECU将不断实时检测各传感器输入接口传来的电信号，并与内部预先存储的标准参数类比，同时完成对输入信息的判断和处理工作。
当判定系统中存在故障时，便将相应的故障信息存储起来，并控制警示存储的故障代码;也可以通过动态数据分析，来确定系统存在的故障。
3.1.3 电控系统的工作过程
1.电喷发动机控制目的
汽车发动机电控系统通过控制程序的最优化设计，依靠电子技术和电控方式，对发动机的点火、喷油、进气量、空燃比、废气排放等进行综合性实时优化控制，使发动机在不同工况下始终工作在最佳状态，以达到提高功率、改善性能、保证安全和节能、降低污染排放的控制目的。
2.控制对象与功能
尽管发动机电控系统在类型、结构、控制精度等方面都存在很多差异，但最基本的控制原则是相同的，即以ECU为核心控制件，以实际空气量和发动机负荷为基础参数，以空燃比和点火正时为重点控制目标，以喷油器和点火器等为具体控制对象，以获得与发动机各种运行工况相匹配的最佳空燃比、最佳喷油和点火时刻为最终目的。
空燃比控制与空燃比反馈修正控制的目的，是对燃油喷射量实施调整与修正，使混合气达到或接近理想的理论空燃比值。
点火控制包括点火提前角控制、闭合角控制和爆震控制三个方面。目的在于保证可燃混合气能在适当时机被点燃，使发动机动力性、经济性达到最佳，有害物质的排放量达到最小。
3.控制方式与内容
发动机电控系统的控制方式有闭环控制、开环控制以及开环与闭环相结合的综合控制等三种方式。具体控制内容有:空燃比与燃油喷射量控制、点火控制、发动机怠速控制、排放净化控制、安全保护功能等。