CN103649505A - 适应性燃料直接喷射*** - Google Patents

Abstract

一种包括共轨的直接燃料喷射***，包括控制单元、泵和阀，所述阀通过控制单元在接通或断开基础上受到控制，以便调节输送到泵的将被供应到共轨中的燃料的体积，所述控制单元包括：第一确定器件，其适于确定峰值阶段持续时间(27)，在此期间必须向阀施加命令以便获得峰值电流(60)，来引起阀的状态改变；第二确定器件，其适于确定维持比，必须依据所述维持比向状态改变之后的阀施加命令，以便维持用以维持阀的所述状态所必需的维持电流；施加器件，其适于首先在所述峰值阶段持续时间(27)期间连续地向所述阀施加所述命令，然后根据所述维持比(28)通过脉冲宽度调制来向所述阀施加所述命令；至少一个反复的和自动的调整器件(42)。

Description

适应性燃料直接喷射***

本发明涉及一种共轨燃料直接喷射***，其为可用于内燃发动机的类型。

如以下详细描述的，燃料阀借助于以下两个变量得到控制：一方面是调节第一目标变量“峰值电流”的第一变量“峰值持续时间”，另一方面是调节在维持阶段的结束时的第二目标变量“维持电流”的第二变量“维持比”。

问题在于：变量与相关联目标变量之间的关系取决于众多机械参数或电参数，其根据不同交通工具而变化，而且还可作为温度和/或时间的函数而变化。

直接开环控制因此具有计算出过低的变量值的风险，从而具有不能生成所需的目标变量的风险。因此，如果峰值电流过低，则存在阀不打开或关闭的风险。另一方面，如果峰值电流过高，则会导致阀的不必要损耗。

为了矫正这些有害的差异和变动，可以设想使用伺服控制***，例如采用电流调控。然而，这种控制***的使用非常昂贵。

因而寻求一种使得有可能避开这些参数差异和变动的低成本解决方案。

本发明涉及一种包括共轨的直接燃料喷射***，其包括控制单元、泵和阀，所述阀通过控制单元在接通或断开基础上受到控制，以便调节输送到泵的将被供应到共轨中的燃料的体积，所述控制单元包括：

·第一确定器件，其适于确定第一变量(峰值阶段持续时间)，在此期间必须向阀施加命令以便获得第一目标变量(峰值电流)，所述第一目标变量大于或等于引起阀的状态改变所必需的基准值(基准峰值电流)，

·第二确定器件，其适于确定第二变量(维持比)，必须根据所述第二变量向状态改变之后的阀施加命令，以便维持第二目标变量(维持电流)，所述第二目标变量大于或等于维持阀的所述状态所必需的基准值(基准维持电流)，

·施加器件，其适于首先在所述峰值阶段持续时间期间连续地向所述阀施加所述命令，然后根据所述维持比通过脉冲宽度调制来向所述阀施加所述命令。

该***值得注意的是：提供了用于第一变量和/或第二变量的调整器件，这些调整器件对于所述变量来说是反复的和自动的。

根据本发明的另一特征，所述调整器件适于计算调制系数并将它作为乘数(multiplier)施加到所述变量以便校正所述变量。

根据本发明的另一特征，所述调整器件进一步包括：计算器件，其适于反复地计算所述调制系数，所述调制系数作为其前一值以及所述目标变量与其基准值之间的差值的函数。

根据本发明的另一特征，所述计算器件适于施加以下公式：

$\mathrm{CM}\left(n\right)=\mathrm{CM}(n-1)+G\·\frac{\mathrm{Vref}\left(n\right)-V\left(n\right)}{\mathrm{Vref}\left(n\right)}$

其中

CM(n)是在时间n处的调制系数，

CM(n-1)是在前一时间n-1处的调制系数，

G是增益，

V(n)是在时间n处的目标变量，

Vref(n)是在时间n处的目标变量V的基准值。

根据本发明的另一特征，所述计算器件适于周期性地重新计算所述调制系数。

根据本发明的另一特征，所述计算器件适于在所述变量离开预定范围的情况下重新计算所述调制系数。

本发明的其他特征，细节、优点将在下面参考附图并通过例证给出的详细描述中变得更显而易见，附图中：

-图1是依据本发明的***在其自然位置时的总体示意图，

-图2-5示出了泵和阀装置的操作中的相应阶段，

-图6示出了与凸轮的位置相关的这些阶段，

-图7示出了与凸轮的位置相关的命令曲线和电流曲线，

-图8详细地示出了电流曲线，

-图9详细地示出了命令曲线，

-图10和11示出了调整器件，

-图12示出了由本发明提供的改进。

图1示出了一种用于供应燃料到共轨4的喷射***。所述共轨4被提供有喷射器5，在这里为4个，使得其可以向发动机的气缸中喷射燃料(未示出)。

在图1中，实线连接表示燃料管，虚线表示电连接。

低压燃料供应装置通常包括燃料箱9和低压泵7，其与压力调节器8组合向高压回路供应燃料。

该高压回路包括高压泵2和阀3，阀3用于控制从高压泵2输送到共轨4的燃料量。阀3通过控制单元1基于接通或断开而受到控制，其或者打开或者关闭。

图2-5示出了以整合到分配单元17中的高压泵2和阀3为特征的喷射***的详情的一个实施例。高压泵2为具有单活塞10的类型。该活塞10被固定在凸轮轴上的凸轮11驱动。凸轮轴被发动机以一旋转频率驱动，该旋转频率是发动机曲轴旋转频率的n倍，n为2-4之间。控制单元1观察凸轮11的角度位置来使得发送到阀3的命令与泵2的循环同步。阀3包括被控制单元1经由驱动器件13(这里为被电气地控制的电磁体)驱动的移动阀构件12。所述阀构件12在这里被返回器件14推动到默认的打开位置。分配单元17进一步包括连接到低压燃料供应装置的入口管15和连接到共轨4的出口管16。阀3的阀构件12被设置在入口管15上处于供应泵7和泵2之间。第二阀构件18，其默认位置为关闭，并且其不可控制但是被返回器件19返回，被设置在出口管16上处于泵2和共轨4之间。

图2示出了第一阶段I。在该阶段I期间，活塞10下降/吸气。阀3未接收命令，第一阀构件12位于打开位置。第二阀构件18位于关闭位置。这样燃料经由入口管15被吸入到泵2中。

图3示出了阶段II。在该阶段中活塞10已经通过其下止点(BDC)位置，并在上升中，排出燃料。阀3仍然打开，并且第二阀构件18仍然处于关闭位置。这样，燃料被排出到入口管15。

图4示出了阶段III。在该阶段中，活塞10继续上升。阀3接受命令并已改变状态。现在其被关闭，且且第一阀构件12关闭入口管15。由于活塞10的上升的影响，排出压力上升直到其超过第二阀构件18的返回器件19的返回力，第二阀构件打开。这样，燃料经由出口管16输送至共轨4。

图5示出了阶段IV。在该阶段中活塞10继续上升，并且泵2中充满压力。阀3不再接受命令。然而，因为压力的作用大于第一阀构件12的返回器件14的返回力，它保持关闭，第一阀构件12关闭入口管15。

继续其行程，活塞10到达其上止点(TDC)位置，并返回阶段I。经过上止点位置后，活塞10开始下降/吸气。泵2中的压力下降使得返回器件19关闭第二阀构件18。这结束了向共轨4的燃料排出。阀3不再被命令，下降的压力也释放了第一阀构件12，其可以通过降低的压力的影响而被打开。

图6示出了一曲线，在纵轴上画出了泵2的活塞10的行程，其随在横轴上画出的时间而变化，或者(其意义相同)随凸轮11在凸轮11的一完整循环内的角度而变化。上述阶段I-IV都示出了。所述循环和阶段I开始于活塞10的上止点位置20。在循环的中间，在下止点(BDC)位置21处，阶段I结束，并且阶段II开始。在时间22处，阶段II结束，阶段III开始，此处阀3改变状态(在所示示例中为关闭)。喷射装置从该时间22开始操作，并将燃料喷射到共轨4中。在时间23处，阶段III结束，阀3停止接受命令，此时阶段IV开始。因为存在压力，阀3仍然位于相同的状态，并且喷射装置继续操作直到阶段IV结束，其与新的上止点位置20重合。

根据本发明的***的功能是控制供应到共轨4中的燃料的体积。该体积是喷射装置操作(阀3关闭)的时间的直接函数。如图6的曲线中的阴影所示，该时间开始于阶段III的开始处，并结束于上止点位置20处的阶段IV的结束处。

因为位于上止点位置20处的结束时间是由凸轮角度预先确定的从而不受控制单元1的控制，所以控制单元1必须精确控制阶段III的开始时间22，阀3在此时改变状态，以便控制装置操作的时间并由此控制所喷射燃料的体积。

与图6的曲线对齐且在横轴上画出了相同比例的时间/凸轮角度的图7示出了阀3的控制。为了获得阀3的状态的改变，这里为关闭，有必要向阀3的驱动器件13的终端施加命令。驱动器件13通常为电磁体，而命令为施加到其线圈的终端的电压。与曲线25一致的电压命令的施加在驱动器件13的终端处产生了与曲线26一致的电流。所述电流作为电压25的施加时间27的函数而增加(参考图8)。

为了获得足以在时间22处改变阀3的状态的电流38，有必要精确地确定命令的施加时间27或峰值阶段持续时间27。然后需要相对于阀3的状态改变的所确定时间22在先进行电压命令的施加，以在时间22之前达所述峰值阶段持续时间27的时间24处开始施加命令。

在图8中详细示出电流曲线26。从左到右，电流曲线26从电压命令的施加开始时的初始时间30、24处以0值开始。目标是尽快地获得峰值电流38，该命令被连续地施加。接着的是被称为峰值阶段的增加阶段。在命令的施加时间27或者峰值阶段持续时间Tp之后，电流在时间31处达到最大值38或者峰值电流IM。

为获得特定体积的燃料，希望的是使峰值阶段结束时的时间31与阀3必须改变状态时的时间22重合。为此，有必要抢先所述时间22、31达峰值阶段持续时间27，以便确定时间30、24来开始施加命令。

另外，为了实现阀3的所述状态改变，有必要在峰值阶段的结束时间31处获得峰值电流IM、38，其至少等于足以发生所述状态改变的基准峰值电流IMref。该基准峰值电流IMref由阀3的制造商提供。

在峰值阶段的结束时达到的峰值电流IM、38直接地取决于命令的施加时间27，其为峰值阶段的持续时间27、Tp。

峰值阶段持续时间27、Tp是第一变量。其值由控制单元1计算并直接地确定峰值电流38、IM的值，其是第一目标变量(objective variable)。

在阀3已改变状态后，为了维持新状态，有必要在驱动器件13的终端之间，至少在维持阶段的持续时间35中保持最小维持电流39、Im。脉冲宽度调制(PWM)电压控制有利地使得有可能以公知方式来改变所获得的电流。该最小维持电流39、Im必须至少等于维持阶段结束处的基准维持电流Imref。不希望该电流超过基准维持电流值IMref过多，因为通过驱动器件13的电流在必须下一个循环前返回零值。

该基准维持电流Imref由阀3的制造商提供，且小于基准峰值电流IMref。

例如，已经被使用的一个阀的基准峰值电流IMref为7A，而基准维持电流Imref值为2.5A。

维持电流39、Im通过使用具有维持比28、R的PWM控制来产生。该脉冲宽度调制控制在开始于时间31且结束于时间32的维持阶段的维持时间35期间被施加。

维持阶段后紧接着的是位于时间32和时间33之间达持续时间36的“惯性”阶段，再紧接着的是位于时间33和时间34之间达持续时间37的最后阶段。这些惯性和最后阶段的区别在于它们的施加模式，但是它们的功能都是使得电流在下一循环开始之前返回零值。最后阶段结束时间34必须最迟在上死点位置20处被达到。最小持续时间36和37必须被提供来允许惯性阶段和最后阶段。

在维持阶段的结束处，在时间23、32处，阀3不再接收命令。然而，如果时间/凸轮角度29被超过，阀3保持关闭，这是因为活塞10施加在阀构件12上的排出压力的作用。

这两个限制允许控制单元1确定维持阶段的持续时间35。维持阶段的持续时间35必须相对较长，以便在限制时间29之后结束。它还必须相对较短，以在达到上死点位置20之前为惯性阶段和最后阶段提供最小持续时间36和37，使得电流能被消除。

如果燃料的进入开始时的时间31处于循环中的极早期，最早在BDC位置21的处，则维持阶段的持续时间35必须被延长为至少达到限制时间29。另一方面，如果燃料的进入开始时的时间31处于循环中的晚期，则持续时间35必须被缩短来提供最小持续时间36和37。

作为所述维持时间35的函数，控制单元1确定维持比28、R，根据它脉冲宽度调制电压控制必须被施加，以便最早在维持阶段结束时间32处达到维持电流39、Im。

维持比28、R是第二变量。其值由控制单元1计算并直接确定维持电流39、Im的值，该值为第二目标变量。

由峰值阶段时间27和维持比28组成的两个变量必须被精确地确定，以便精确地控制由峰值电流38和维持电流39组成的两个目标变量。

与图8的曲线对齐且在横轴上画出了相同比例的时间/凸轮角度的图9示出了阀3的控制。

从时间30到时间31，在峰值阶段期间，命令被连续地施加(这里表示为高状态)。在维持阶段期间，从时间31到时间32，根据维持比R、28并且借助于周期性脉冲，来施加脉冲宽度调制控制。周期65的脉冲宽度64根据公式R＝L/T通过维持比R、28来确定，其中L是脉冲宽度64，T是周期的宽度65。

在惯性阶段和最后阶段期间，从时间32到时间34，命令不被施加(低状态)。

产生的问题是变量和相关的目标变量之间的关系取决于众多机械参数或电参数，比如阀3的驱动器件13的电阻和电感、各种线缆的长度和截面、摩擦等。所有这些参数都随着不同的喷射***而变化，而且可作为温度和/或时间的函数而变化。

由于这些差异和变化，直接开环控制具有计算某个变量值过低或过高的风险，以及得不到所需目标变量的风险。因此，如果峰值阶段持续时间27、Tp过短，则有所达到的峰值电流38、IM小于基准峰值电流值IMref以及阀3不改变状态的风险。另一方面，如果峰值阶段持续时间27、Tp过长，则峰值电流38、IM将大于导致状态改变所必需的值，而没有技术优势反而有增加的损耗影响。相似地，如果维持比28、R过低，则有所达到的维持电流39、Im小于基准维持电流值Imref以及阀3的状态得不到维持的风险。另一方面，如果维持比28、Rp过高，则维持电流39、Im将大于实现维修所必需的值。这是有害的，因为在下一循环前消除所述电流将变得难以实现，且通常会伴随产生更多的热。

为了消除这些缺陷并且补偿参数差异和变动，根据本发明一有利特征，喷射***进一步包括调整器件(adaptation meanS)42、72，以用于由峰值阶段持续时间27组成的第一变量和/或由维持比28组成的第二变量。这些调整器件42、72反复地和自动地操作。

两个变量27、28之一的调整完全独立于另一个的调整。所述调整器件42、72中的每个都可以被设想为独立于另一个。在一优选的实施例中，使用两个调整器件42、72，各自实现一个变量27、28的调整。

两个调整器件42、72在形式上是相同的，给出的描述是通用的。

图10、11示出了一个***，其具有用于由峰值阶段27组成的第一变量和由维持比28组成的第二变量的相应调整器件42、72。

控制单元1包括确定变量27、28的确定器件40、70。器件40确定峰值阶段持续时间27(第一变量)。这作为向器件40的输入的函数而得到确定，其包括例如：发动机转速55、燃料的体积56、泵2的温度57和电池电压58。该确定过程与在现有开环***中采用的公知过程相同，并不构成本发明的主题。

器件70确定维持比28(第二变量)。这作为向器件70的输入的函数而得到确定，其包括例如：发动机转速55、燃料的体积56、泵2的温度57和电池电压58。该确定过程与在现有开环***中采用的公知过程相同，并不构成本发明的主题。

装置的输出变量27’、28’被命令施加器件使用来驱动阀3。在本发明之外，输出变量27’、28’分别与分别来自确定器件40、70的变量27、28相等。

在峰值阶段持续时间27’(第一变量)期间的命令施加获得峰值电流IM、38(第一目标变量)。依据维持比28’(第二变量)的命令施加获得维持电流Im、39(第二目标变量)。

根据本发明，除了确定器件40、70，控制单元1进一步包括调整器件42、72。这些调整器件42、72包括混合器(mixer)41、71和计算器件44、74，并且适于调整来自确定器件40、70的变量27，28，从而获得调整后的变量27’、28’。

根据一个实施例，调整器件42、72的计算器件44、74计算调制系数43、73。混合器41、71于是为乘法器。输出变量27’、28’等于来自确定器件40、70的变量27、28乘以调制系数43、73。所述调制系数43、73被调整器件42、72的计算器件44、74存储和更新。

根据一个实施例，调制系数43、73通过递推被计算作为其前一值以及实际上获得的目标变量60、90与目标变量的基准值61、91之间的差值的函数。所使用的递推公式有利地为收敛的。因此，计算器件44、74修正调制系数43、73，其允许变量27、28得到修正，其修正目标变量60、90，使得并目直到差异消除，并且目标变量60、90的值基本上等于目标变量的基准值61、91。

根据一个实施例，调制系数43、73借助于下述公式来计算：

$\mathrm{CM}\left(n\right)=\mathrm{CM}(n-1)+G\·\frac{\mathrm{Vref}\left(n\right)-V\left(n\right)}{\mathrm{Vref}\left(n\right)}$

其中，CM(n)是在当前时间n处的调制系数43、73，

CM(n-1)是在前一时间n-1处的调制系数63、93，

G是增益62、92，

V(n)是在时间n处的目标变量60、90，即分别为IM、38以及Im、39，并且

Vref(n)是在时间n处的目标变量V的基准值61、91，即分别为IMref、Imref。

递推公式可以以任意值的CM(0)开始，例如等于1。

增益G62、92被确定为使得公式在少量迭代中收敛(基本上零差值)。例如，这可以通过在原型上的反复试验或通过模拟来完成。

该公式可以被实施为如图10和11所示。第一加法器(adder)45、75确定目标变量的测量值60、90与目标变量的基准值61、91之间的差值。第一乘法器46、76使该差值除以基准值61、91。第二乘法器47、77使前一结果乘以增益G、62、92。第二加法器48、78使该结果加上由延迟单元50、80存储的前一时间n-1处的调制系数CM(n-1)、63、93。

该结果然后被饱和器(saturator)49、79饱和。结果是新的调制系数CM(n)、43、73。该饱和器49、79是可选的。它允许在调制系数CM(n)的过多漂移和变化范围内被限定出的公差得到避免。它还可以用于检测任何这样的漂移。通过适当选择的饱和极限，使得有可能在饱和器49、79被致动时，由此推导出装置的漂移的振幅大于可能由需要被校正的差值和变化引起的振幅。这表明示意有故障的报警情况。

调制系数CM、43、73可通过计算器件44、74被周期性地计算。差异因此基本保持为0，并且***能够提供峰值持续时间Tp、27以及相应的维持比R、28，其确保峰值电流IM、38以及相应的维持电流Im、39分别接近其基准值IMref、Imref，从而离开第一递推而避开参数差值，并以适应性方式校正参数中的至少一个随时间的任何变化。

两种现象可能导致必须采用调整。一方面，部件之间的公差的差异，其最初出现。这些差异的后果在操作的第一循环期间在少量递推中通过调整得到校正。另一方面，参数的变化，其随时间推移而发生。与磨损相关的这些变化以相对较慢的时间常数为特征。结果是，调整计算频率不必很高。

根据一个实施例，作为周期性重新计算的替代，计算器件44、74可以观察测量值60、90和基准值61、91之间的差值，并只在该差值偏离给定范围时才触发新的调整计算。该范围的上限和下限被确定为由阀3的制造商提供的基准值IMref和Imref的公差的函数。

图12示出了来自图8的在调整两个变量前后的电流曲线，以便显示由本发明获得的改进。曲线94是调整前的曲线。可以看到峰值电流值IM、95明显高于基准值IMref。同样，维持电流值Im、96远高于基准值Imref。曲线97是调整后的曲线。可以看到峰值电流值IM、98现在基本上等于基准值IMref。同样，维持电流值Im、99现在基本上等于基准值Imref。

Claims (5)

1.一种包括共轨(4)的直接燃料喷射***，包括控制单元(1)、泵(2)和阀(3)，所述阀(3)通过控制单元(1)在接通或断开基础上受到控制，以便调节输送到泵(2)的将被供应到共轨(4)中的燃料的体积，所述控制单元(1)包括：

·第一确定器件(40)，其适于确定第一变量(峰值阶段持续时间(27))，在此期间必须向阀(3)施加命令以便获得第一目标变量(峰值电流(38、60))，所述第一目标变量大于或等于引起阀(3)的状态改变所必需的基准值(基准峰值电流(61))，

·第二确定器件(70)，其适于确定第二变量(维持比(28))，必须依据所述第二变量向状态改变之后的阀(3)施加命令，以便维持第二目标变量(维持电流(39、90))，所述第二目标变量大于或等于维持阀(3)的所述状态所必需的基准值(基准维持电流(91))，

·施加器件，其适于首先在所述峰值阶段持续时间(27)期间连续地向所述阀(3)施加所述命令，然后根据所述维持比(28)通过脉冲宽度调制来向所述阀(3)施加所述命令，

·用于第一变量(27)和/或第二变量(28)的调整器件(42、72)，这些调整器件(42、72)对于所述变量(27、28)来说是反复的和自动的，

其特征在于：所述调整器件(42、72)适于计算调制系数(42、73)并将它作为乘数施加到所述变量(27、28)以便校正所述变量。

2.如权利要求1所述的***，其中，所述调整器件(42、72)进一步包括计算器件(44、74)，其适于以反复方式计算所述调制系数(43、73)，所述调制系数作为其前一值(63、93)以及所述目标变量(38、39、60、90)与其基准值(61、91)之间的差值的函数。

3.如权利要求2所述的***，其中，所述计算器件(44、74)适于施加下述公式：

$\mathrm{CM}\left(n\right)=\mathrm{CM}(n-1)+G\·\frac{\mathrm{Vref}\left(n\right)-V\left(n\right)}{\mathrm{Vref}\left(n\right)}$

其中

CM(n)是在时间n处的调制系数(43、73)，

CM(n-1)是在前一时间n-1处的调制系数(63、93)，

G是增益(62、92)，

V(n)是在时间n处的目标变量(38、39、60、90)，

Vref(n)是在时间n处的目标变量V的基准值(61、91)。

4.如权利要求2或3所述的***，其中，所述计算器件(44、74)适于周期性地重新计算所述调制系数(43、73)。

5.如权利要求2-4任意一项所述的***，其中，所述计算器件(44、74)适于在所述变量(38、39、60、90)离开预定范围的情况下重新计算所述调制系数(43、73)。

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