엔진 컨트롤 유닛

Engine control unit
1996년식 쉐보레 베레타의 ECU입니다.
기타 용도는 ECU를 참조하십시오.

흔히 엔진 컨트롤 모듈(ECM)이라고도 하는 엔진 컨트롤 유닛(ECU)은 내연기관의 일련의 액추에이터를 제어하여 최적의 엔진 성능을 보장하는 일종의 전자 컨트롤 유닛입니다.이를 위해 엔진 베이 내의 여러 센서에서 값을 읽고 다차원 성능 맵(룩업 테이블이라고 함)을 사용하여 데이터를 해석하고 엔진 액추에이터를 조정합니다.ECU 이전에는 혼합 공기, 점화 시기 및 공회전 속도가 기계적으로 설정되고 기계 및 공압 수단으로 동적으로 제어되었다.

ECU가 연료 라인을 제어하는 경우 이를 전자식 엔진 관리 시스템(EEMS)이라고 합니다.연료 분사 시스템은 엔진의 연료 공급을 제어하는 주요 역할을 합니다.EEMS의 전체 메커니즘은 센서와 액추에이터 스택에 의해 제어됩니다.

동작하고 있다

공연비 제어

대부분의 최신 엔진은 실린더에 연료를 공급하기 위해 어떤 유형의 연료 분사를 사용합니다.ECU는 다수의 센서 판독값을 기반으로 분사할 연료량을 결정합니다.산소 센서는 엔진이 이상 조건(화학측정학이라고 함)에 비해 농도가 높은지(연료가 너무 적은지) 또는 희박한지(산소가 너무 많거나 연료가 너무 적은지) 여부를 ECU에 알려줍니다.스로틀 위치 센서는 가속 페달(가스 페달)을 밟을 때 스로틀 플레이트가 열리는 거리를 ECU에 알려줍니다.흡입 공기량 센서는 스로틀 플레이트를 통해 엔진으로 유입되는 공기의 양을 측정합니다.엔진 냉각수 온도 센서는 엔진이 예열되었는지 냉각되었는지 여부를 측정합니다.엔진이 여전히 냉각되어 있으면 추가 연료가 분사됩니다.

컴퓨터와 함께 카뷰레터의 혼합 공기-연료 제어도 비슷한 원리로 설계되었지만 혼합 제어 솔레노이드 또는 스테퍼 모터가 카뷰레터의 플로트 볼에 통합되어 있습니다.

공회전 속도 제어

대부분의 엔진 시스템에는 ECU에 공회전 속도 컨트롤이 내장되어 있습니다.엔진 RPM은 크랭크축 위치 센서에 의해 모니터링되며, 이 센서는 연료 분사, 스파크 이벤트 및 밸브 타이밍에 대한 엔진 타이밍 기능에 주된 역할을 합니다.공회전 속도는 프로그래밍 가능한 스로틀 중지 또는 공회전 공기 바이패스 컨트롤 스테퍼 모터에 의해 제어됩니다.초기 카뷰레터 기반 시스템은 양방향 DC 모터를 사용하여 프로그래밍 가능한 스로틀 스톱을 사용했습니다.조기 스로틀 차체 분사(TBI) 시스템은 공회전 공기 컨트롤 스테퍼 모터를 사용했습니다.효과적인 공회전 속도 컨트롤은 공회전 시 엔진 부하를 예측해야 합니다.

전체 권한 스로틀 제어 시스템을 사용하여 공회전 속도를 제어하고 크루즈 컨트롤 기능과 최고 속도 제한을 제공할 수 있습니다.또한 ECU 섹션의 신뢰성을 모니터링합니다.

가변 밸브 타이밍 제어

일부 엔진에는 가변 밸브 타이밍이 있습니다.이러한 엔진에서 ECU는 엔진 사이클 중 밸브가 열리는 시간을 제어합니다.밸브는 보통 저속보다 고속에서 더 빨리 열립니다.그러면 실린더로 유입되는 공기의 흐름이 증가하여 출력 및 연비가 향상될 수 있습니다.

전자식 밸브 컨트롤

캠축은 없지만 흡기 및 배기 밸브 개방, 밸브 폐쇄 및 밸브 [1]개방 영역을 완전히 전자적으로 제어하는 실험용 엔진이 제작 및 테스트되었습니다.이러한 엔진은 정확한 타이밍의 전자 점화 및 연료 분사가 장착된 특정 다중 기통 엔진의 경우 스타터 모터 없이 시동 및 구동할 수 있습니다.이러한 정적 시동 엔진은 소형 하이브리드 전기 구동의 효율성과 오염 감소 효과를 제공하지만, 대형 시동 [2]모터의 비용과 복잡성은 없습니다.

이 유형의 첫 번째 생산 엔진은 이탈리아 자동차 회사 피아트에 의해 Alfa Romeo MiTo에 의해 2002년에 발명되어 2009년에 도입되었습니다.멀티아이어 엔진은 전자식 밸브 제어를 채택하여 토크와 마력을 획기적으로 향상시키고 연료 소비량을 15%까지 절감합니다.기본적으로 밸브는 ECU에 의해 작동되는 유압 펌프에 의해 열립니다.밸브는 엔진 부하에 따라 흡기 스트로크당 여러 번 열릴 수 있습니다.그런 다음 ECU가 연소를 최적화하기 위해 분사해야 할 연료량을 결정합니다.

안정된 부하 상태에서 밸브가 열리고 연료가 분사되며 밸브가 닫힙니다.스로틀이 갑자기 증가하면 밸브가 동일한 흡기 행정으로 열리고 더 많은 양의 연료가 분사됩니다.이를 통해 즉시 가속이 가능합니다.다음 스트로크의 경우 ECU는 새로운 RPM에서 엔진 부하를 계산하고 밸브를 여는 방법(조기 또는 늦게 열림, 활짝 열림 또는 하프 열림)을 결정합니다.항상 최적의 개방과 타이밍에 도달하고 연소는 가능한 한 정밀합니다.물론 정상적인 캠축에서는 밸브가 전체 흡기 기간 동안 열리고 항상 최대 상승으로 열리는 것은 불가능합니다.

캠, 리프터, 로커, 타이밍 세트를 제거하여 무게와 부피를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 마찰도 줄일 수 있습니다.엔진에서 실제로 발생하는 출력의 상당 부분이 밸브 트레인을 구동하는 데 소모되고, 이러한 모든 밸브 스프링을 분당 수천 번 압축합니다.

전자밸브가 완전히 개발되면 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다.예를 들어 실린더 비활성화는 흡기 밸브가 다운 스트로크마다 열리고 배기 밸브가 비활성화 실린더 또는 "데드 홀"의 업 스트로크마다 열리면 훨씬 더 연료 효율이 높아질 수 있다.또 다른 중요한 발전은 재래식 스로틀을 없애는 것입니다.차량이 부분 스로틀로 주행할 때, 이러한 공기 흐름의 중단으로 인해 과도한 진공 상태가 발생하여 엔진이 진공 펌프 역할을 하는 귀중한 에너지를 소모하게 됩니다.BMW는 흡기 밸브 바로 앞에 실린더별로 개별 스로틀 나비가 배치된 V-10으로 구동되는 M5를 사용하여 이 문제를 해결하려고 시도했습니다.전자 밸브 작동으로 밸브 리프트를 조절하여 엔진 속도를 제어할 수 있습니다.부분 스로틀에서는 필요한 공기와 가스가 적으면 밸브 리프트가 그만큼 좋지 않습니다.최대 스로틀은 가속 페달을 밟으면 달성되며, ECU는 전자 신호를 전송하고 ECU는 각 밸브 이벤트의 리프트를 조절하여 끝까지 엽니다.

프로그래머빌리티

ECU의 특수 범주는 프로그래밍 가능한 ECU입니다. 이러한 유닛은 사용자가 다시 프로그래밍할 수 있습니다.

애프터마켓 또는 업그레이드 구성 요소를 포함하도록 엔진을 개조하는 경우, 재고 ECU가 엔진을 사용할 수 있는 애플리케이션에 대해 올바른 유형의 제어를 제공하지 못할 수 있습니다.엔진 개조를 수용하기 위해 공장에서 출고된 ECU 대신 프로그래밍 가능한 ECU를 사용할 수 있습니다.ECU 업그레이드가 필요할 수 있는 일반적인 개조에는 터보차징, 슈퍼차징 또는 둘 다 자연 흡기 엔진, 연료 분사 또는 스파크 플러그 업그레이드, 배기 시스템 개조 또는 업그레이드, 변속기 업그레이드 등이 포함됩니다.ECU를 프로그래밍하려면 일반적으로 장치를 데스크톱 또는 노트북 컴퓨터와 인터페이스해야 합니다. 이 인터페이스는 프로그래밍 컴퓨터가 엔진 컨트롤 유닛에 완전한 엔진 튜닝을 전송하고 엔진의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하기 위해 필요합니다.이 인터페이스에서 일반적으로 사용되는 연결은 USB 또는 시리얼입니다.

엔진 튜닝 전문가는 광대역 람다 프로브를 사용하여 배기 가스를 모니터링하는 동안 이러한 값을 수정함으로써 엔진 속도 및 스로틀 위치에 고유한 최적의 연료 흐름을 결정할 수 있습니다.이 프로세스는 종종 엔진 성능 시설에서 수행됩니다.동력계는 일반적으로 이러한 위치에 있습니다. 이러한 장치는 엔진 속도, 출력, 토크 출력, 기어 변속 이벤트 등과 같은 엔진 튜닝 전문가에게 유용한 정보를 제공합니다.튜닝 전문가는 거리 및 기타 고성능 애플리케이션에 섀시 동력계를 사용하는 경우가 많습니다.

엔진 조정 매개 변수에는 연료 분사량, 스로틀-연료량 매핑, 기어 변속 매핑 등이 포함될 수 있습니다.언급된 매개 변수는 일반적이지만 일부 ECU는 튜닝 소프트웨어가 잠재적으로 수정할 수 있는 다른 변수를 제공할 수 있습니다.이러한 파라미터에는 다음이 포함됩니다.

  • 안티래그
  • 폐쇄 루프 람다:ECU가 영구적으로 장착된 람다 프로브를 모니터링하고 원하는 목표 공연비에 도달하도록 연료를 수정할 수 있습니다.이는 종종 화학 측정(이상적) 공연비이며, 기존의 가솔린(가솔린) 동력 차량에서는 공연비가 14.7:1입니다.이 값은 엔진이 고부하일 때 보다 풍부한 비율일 수도 있고, 저부하 크루즈 조건에서 엔진이 작동할 때 보다 희박한 비율일 수도 있어 최대의 연비를 극대화할 수 있습니다.
  • 기어 제어
  • 점화 타이밍
  • 기동 제어
  • 연료 압력 레귤레이터
  • 리미터
  • 단계별 연료 분사
  • 과도 연료 공급:스로틀 작동 시 ECU에 특정 양의 연료를 추가하도록 지시합니다.이를 "가속 농축"이라고 합니다.
  • 가변 캠 타이밍
  • 웨이스트게이트 제어
  • 수온 보정:동절기 냉간 시동 시나리오와 같이 엔진이 차가울 때 또는 엔진이 위험할 정도로 뜨거울 때 추가 연료를 추가하여 실린더 냉각을 가능하게 합니다(매우 효율적인 방법은 아니지만 비상 시에만 해당).

레이스급 ECU에는 모든 센서 데이터를 나중에 분석하기 위해 기록하는 데이터 로거가 구비되어 있는 경우가 많습니다.이는 경주 중 엔진 정지, 실화 또는 기타 바람직하지 않은 행동을 식별하는 데 유용할 수 있다.데이터 로거의 용량은 보통 0.5~16MB입니다.

레이스 ECU는 운전자와 통신하기 위해 종종 "데이터 스택"에 연결될 수 있습니다. 데이터 스택은 운전자에게 현재 RPM, 속도 및 기타 기본 엔진 데이터를 제공하는 단순한 대시보드입니다.거의 항상 디지털인 이러한 데이터 스택은 RS-232 또는 CANbus를 포함한 여러 프로토콜 중 하나를 사용하여 ECU와 통신합니다.그런 다음 정보는 일반적으로 스티어링 칼럼 하단에 위치한 데이터 링크 인터페이스를 통해 전달됩니다.

센서

공기량, 압력, 온도, 속도, 배기 산소, * 노크 및 크랭크 각도 위치 센서에 대한 센서는 EEMS 센서에 매우 중요한 영향을 미칩니다.

역사

초기 설계

이러한 유닛화되고 자동화된 장치를 사용하여 여러 엔진 제어 기능을 동시에 관리하려는 최초의 시도 중 하나는 BMW가 1939년에 801 14기통 항공 방사형 [3]엔진을 위해 개발한 Kommandogerét였습니다.이 장치는 하드 가속을 시작하는 데 사용된 6개의 컨트롤을 801 시리즈가 장착된 항공기에서 하나의 컨트롤로 대체했습니다.그러나 엔진이 급상승해 독일 1인승 전투기인 Fw 190(Focke-Wulf Fw 190 Wurger)의 근접 편대가 다소 어려웠으며 처음에는 슈퍼차저 기어를 거칠고 임의로 전환해 항공기가 극도로 위험한 스톨에 빠질 수 있다는 문제가 있었다.

집적회로와 마이크로프로세서의 개발은 1970년대에 엔진 제어를 경제적으로 가능하게 했다.1970년대 초, 일본 전자업계는 일본 자동차의 [4]엔진 제어용 집적회로와 마이크로 컨트롤러를 생산하기 시작했다.도시바 TLCS-12 마이크로프로세서를 활용한 포드 EEC(전자엔진제어) 시스템은 1975년 [5]양산에 들어갔다.

하이브리드 디지털 설계

하이브리드 디지털 또는 아날로그 디자인은 1980년대 중반에 유행했다.이 방법에서는 아날로그 기술을 사용하여 엔진에서 입력 파라미터를 측정하고 처리한 후 디지털 ROM 칩에 저장된 룩업 테이블을 사용하여 미리 계산된 출력 값을 산출했습니다.이후의 시스템에서는 이러한 출력이 동적으로 계산됩니다.ROM 타입의 시스템은 시스템을 잘 알고 있으면 튜닝이 가능합니다.이러한 시스템의 단점은 사전 계산된 값이 이상적인 새 엔진에 대해서만 최적화된다는 것입니다.엔진이 마모됨에 따라 시스템이 다른 설계에 비해 보정 능력이 떨어질 수 있습니다.

모던 디자인

최신 ECU는 엔진 센서의 입력을 실시간으로 처리할 수 있는 마이크로프로세서를 사용합니다.전자제어유닛은 하드웨어 및 소프트웨어(펌웨어)를 포함한다.하드웨어는 프린트 회로 기판(PCB), 세라믹 기판 또는 얇은 라미네이트 기판의 전자 부품으로 구성됩니다.이 회로 기판의 주요 컴포넌트는 마이크로 컨트롤러 칩(MCU)입니다.소프트웨어는 PCB의 마이크로컨트롤러 또는 기타 칩(일반적으로 EPROM 또는 플래시 메모리)에 저장되므로 업데이트된 코드를 업로드하거나 칩을 교체하여 CPU를 재프로그래밍할 수 있습니다.이는 (전자) 엔진 관리 시스템(EMS)이라고도 합니다.

ECU reference architecture
ECU 레퍼런스 아키텍처

정교한 엔진 관리 시스템은 다른 소스로부터 입력을 수신하고 엔진의 다른 부분을 제어합니다. 예를 들어 일부 가변 밸브 타이밍 시스템은 전자적으로 제어되며 터보차저 웨이스트 게이트도 관리할 수 있습니다.또한 변속기 제어 장치와 통신하거나 전자 제어 자동 변속기, 트랙션 제어 시스템 등과 직접 연결할 수 있습니다.Controller Area Network 또는 CAN 버스 자동차 네트워크는 이러한 장치 간의 통신을 위해 자주 사용됩니다.

최신 ECU에는 크루즈 컨트롤, 변속기 컨트롤, 미끄럼 방지 브레이크 컨트롤, 도난 방지 컨트롤 등의 기능이 포함되어 있는 경우가 있습니다.

제너럴 모터스(GM)의 첫 ECU는 1979년에 시범 프로그램으로 하이브리드 디지털 ECU를 조금씩 적용하였으나 1980년에는 모든 활성 프로그램이 마이크로프로세서 기반 시스템을 사용하게 되었다.1981년 청정 공기법 요건을 충족하기 위해 생산된 ECU의 부피가 크게 증가했기 때문에 1981년식 [6]ECU 모델은 하나만 제작할 수 있었다.최초의 대량 생산 연도인 1981년부터 GM 차량에 탑재된 대용량 ECU는 현대적인 마이크로프로세서 기반 시스템이었다.GM은 자신들이 제조한 차량에 선호하는 연료 공급 방법으로 탄소를 연료 분사로 대체하기 위해 빠르게 움직였습니다.이 과정은 1980년 연료 주입식 캐딜락 엔진으로 처음 결실을 맺었고, 이어 폰티악 2.5L I4 "아이언 듀크"와 쉐보레 5.7L V8 L83 "크로스 파이어" 엔진이 1982년 쉐보레 콜벳에 동력을 공급했다.Oldsmobile 5.0L V8 LV2 엔진에 의해 구동되는 1990년식 캐딜락 브로햄은 북미 시장에서 판매하기 위해 제조된 마지막 카뷰레 승용차였다. 1992년식 폭스바겐 비틀 모델은 멕시코에서 구입할 수 있었지만 미국이나 캐나다에서는 판매되지 않았고 1991년식 GM에 의해 마지막으로 판매되었다.미국과 일본의 주요 자동차 회사들은 카뷰레션을 포기하고 연료 주입식 엔진으로 모든 승용차를 생산한다.1988년 델코(GM의 전자 부문)는 하루에 28,000개 이상의 ECU를 생산하여 당시 [7]세계 최대의 온보드 디지털 제어 컴퓨터 생산업체가 되었습니다.

기타 응용 프로그램

이러한 시스템은 다른 애플리케이션의 많은 내연기관에 사용됩니다.항공 애플리케이션에서는, 이 시스템을 「FADC」(Full Authority Digital Engine Controls)라고 부릅니다.이러한 종류의 전자 제어는 자동차보다 피스톤 엔진식 경량 고정익 항공기와 헬리콥터에서 덜 일반적이다.이는 교류발전기에서 발생하는 전력을 필요로 하지 않는 마그네토 점화 시스템을 갖춘 카뷰레 엔진 구성이 일반적이기 때문에 안전상의 [8]이점이라고 할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Austen, Ian (2003-08-21). "WHAT'S NEXT; A Chip-Based Challenge to a Car's Spinning Camshaft". The New York Times. Retrieved 2009-01-16.
  2. ^ Kassakian, J.G.; Wolf, H.-C.; Miller, J.M.; Hurton, C.J. (1996). "Automotive electrical systems circa 2005". IEEE Spectrum. 33 (8): 22. doi:10.1109/6.511737.
  3. ^ Gunston, Bill (1989). World Encyclopedia of Aero Engines. Cambridge, England: Patrick Stephens Limited. p. 26. ISBN 978-1-85260-163-8.
  4. ^ "Trends in the Semiconductor Industry: 1970s". Semiconductor History Museum of Japan. Retrieved 27 June 2019.
  5. ^ "1973: 12-bit engine-control microprocessor (Toshiba)" (PDF). Semiconductor History Museum of Japan. Retrieved 27 June 2019.
  6. ^ GM 배기가스 규제 프로젝트 센터– I Was There – GMnext
  7. ^ Delco Electronics Magazine, The Atwood Legacy, 89년 봄, 25페이지
  8. ^ Pilot's Encyclopedia of Aeronautical Knowledge. Federal Aviation Administration.
  9. ^ "SECU3 open source ECU".SECU-3

외부 링크