CN116263140A - 用于激励燃料喷射器阀中的螺线管致动器的减少能量波形 - Google Patents

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Abstract

运行发动机***包括在第一发动机循环中经由标准波形为燃料喷射器中的溢流阀激励螺线管致动器，以喷射一次燃料。运行发动机***和燃料***进一步包括确定燃料喷射器的减少能量运行的适当性，以及基于确定的在第二发动机循环中喷射一或多次燃料的适当性，经由减少能量波形激励螺线管致动器。操作方法和控制逻辑可以扩展发动机中用于多次燃料喷射的发动机转速范围。

Description

用于激励燃料喷射器阀中的螺线管致动器的减少能量波形
技术领域
本发明总体上涉及对用于燃料喷射器的阀的螺线管致动器激励，并且更具体地涉及通过减少能量波形对螺线管致动器激励。
背景技术
现代的内燃机利用用于相关燃料***的一系列操作和逻辑策略。在典型的燃料***配置中，多个燃料喷射器中的每一个都与发动机中的多个燃烧缸中的一个相关联。燃料喷射器是电控的，并从发动机控制***接收电控电流信号。电控电流使燃料喷射器中或与燃料喷射器相关联的螺线管或其他电致动器激励，以调节确定燃料喷射的定时和方式以及有时燃料加压的阀。
一种广泛地应用于压缩点火柴油发动机的已知燃料***配置采用直接操作的喷嘴止回阀，其可基于施加到止回阀表面的关闭液压而打开和关闭以开始和结束燃料喷射。燃料喷射器中的溢流阀控制柱塞腔和低压空间之间的流体连接。当溢流阀打开时，燃料喷射器中的柱塞可被动地往复运动以在柱塞腔和低压空间之间交换燃料。当溢流阀关闭时，柱塞将燃料喷射器中的燃料加压到喷射压力，燃料喷射的定时通过如上所述的直接操作检查来控制。
几十年来，工程师们一直在试验这样一种方式，即这种溢流阀和直接操作止回阀的电动执行器可以被激励和去激励，以达到不同的目的。在一些情况下，溢流阀关闭以开始在燃料喷射器中建立压力，止回阀操作以执行单次喷射燃料喷射，并且溢流阀打开。在其他情况下，溢流阀可在发动机循环期间关闭和打开多次，以在单个柱塞冲程期间实现多个燃料加压事件，单个柱塞冲程用于喷射多次燃料。在某些情况下采用多次燃料喷射可能是有利的。然而，某些发动机操作条件可能使得在单个发动机循环中喷射多次燃料具有挑战性。美国专利申请公开号US20210140386A1示出了一种典型的溢流阀燃料喷射器装置。
发明内容
在一个方面，一种运行用于发动机***的燃料***的方法包括：在发动机的第一发动机循环中经由标准波形激励用于燃料喷射器的阀的螺线管致动器，并且在第一发动机循环中基于经由标准波形对螺线管致动器的激励喷射一次燃料。该方法进一步包括确定燃料***的减少能量运行的适当性，以及在发动机的第二发动机循环中，基于确定的发动机***用于燃料***的减少能量运行的适当性，经由减少能量波形激励螺线管致动器。该方法进一步包括在第二发动机循环中基于经由减少能量波形激励螺线管致动器而喷射一次燃料。
在另一方面，用于发动机的燃料***包括具有激励波形控制器的燃料供应控制单元，该激励波形控制器配置成经由标准波形激励螺线管致动器，以在第一发动机循环中致动燃料喷射器中的阀。激励波形控制器还配置成通过减少能量波形激励螺线管致动器，以在第二发动机循环中致动阀，并在第二发动机循环中在激励螺线管致动器期间从较高电压电源切换到较低电压电源。
在又一方面，一种扩展在发动机中用于多次燃料喷射的发动机转速范围的方法包括：在发动机循环中多次致动发动机的燃料喷射器的阀；以及基于多次致动阀，在发动机循环中将多次燃料到发动机的燃烧缸中。该方法还包括通过减少能量波形激励阀的螺线管致动器，以引起阀的至少一个致动。
附图说明
图1是根据一个实施例的内燃机***的截面示意图；
图2是根据一个实施例的激励波形控制器的功能框图；
图3是根据一个实施例的螺线管激励和燃料喷射器运行的曲线图；
图4是示出根据一个实施例的在两个发动机循环中用于螺线管致动器的示例性激励波形的图；以及
图5是示出根据一个实施例的示例方法和逻辑流程的流程图。
具体实施方式
现在参见图1，示出了根据一个实施例的内燃发动机***10。发动机***10包括其中形成有燃烧缸14的内燃机12。燃烧缸14可以是发动机12中任意数量的燃烧缸中的一个，其布置方式可以是任何合适的布置方式，例如直列式、V形或另一种。发动机12将典型地装备有进气***、排气***、发动机阀、和未明确示出的各种其他装置。活塞在燃烧缸14中在上止点位置和下止点位置之间可移动，通常以传统的四冲程模式。发动机12可以是压缩点火的并且以诸如柴油馏分燃料的合适的压缩点火燃料操作，但是本发明不限于此。发动机12还可包括通过传动机构与具有凸轮凸角18的可旋转凸轮轴16联接的可旋转曲轴(未示出)。凸轮轴16将典型地包括多个凸轮凸角，这些凸轮凸角被安排成用于操作包括发动机***10中的燃料喷射器的设备，如在此进一步讨论的。
发动机***10还包括燃料***20。燃料***20通常包括多个燃料喷射器，每个燃料喷射器定位成部分地延伸到发动机12中的多个燃烧缸中的一个内。在图1中，示出了与燃烧缸14相关联的一个燃料喷射器22，并且将理解的是，燃料喷射器22的描述和讨论应以类似于燃料***20的任何其他燃料喷射器的方式来理解。燃料喷射器22包括具有延伸到燃烧缸14中的喷嘴26的喷射器壳体24。多个喷嘴出口30形成在喷嘴26中并与燃烧缸14流体连通。燃料喷射器22还包括在喷射器壳体24中可移动的直接操作的止回阀或DOC 28，以打开和关闭喷嘴出口30，从而将诸如柴油蒸馏燃料的液体燃料直接喷射到燃烧缸14中。DOC 28基于压力控制室38中的流体压力(通常为燃料的流体压力)直接液压操作。
燃料喷射器22还包括喷射控制阀组件32。喷射控制阀组件32可操作以控制压力控制室38中的关闭液压，从而能够打开和关闭DOC 28。喷射控制阀组件32包括可移动以打开和关闭阀座36的喷射控制阀34。当阀座36打开时，压力控制室38可流体连接到由喷射器壳体24限定的低压空间54，使得DOC 28能够打开并允许从喷嘴出口30喷射燃料。当阀座36关闭时，在压力控制室38中看到增加的液压压力并导致DOC 28关闭。电枢40与喷射控制阀34连接。电枢40与螺线管致动器42相关联，螺线管致动器42可被激励以磁性地吸引电枢40并打开阀座36。当螺线管致动器42去激励时，偏压弹簧52促使喷射控制阀34抵靠阀座36关闭。
燃料喷射器22还包括溢流阀组件44。溢流阀组件44包括与电枢48和螺线管致动器50联接的溢流阀46。当螺线管致动器50被激励时，电枢48被磁性地吸引向螺线管致动器50。当螺线管致动器50被去激励时，偏压弹簧52迫使电枢48和溢流阀46远离螺线管致动器50。燃料喷射器22还包括在柱塞腔58中可移动的柱塞46。在一种实施方式中，柱塞56通过凸轮轴16的旋转以通常已知的方式机械地凸轮致动。当溢流阀46打开时，柱塞56的向上运动使得燃料例如通过溢流通道64从低压空间54吸入柱塞腔58。柱塞56的向下运动使得燃料从柱塞腔58通过溢出通道64排出并返回到低压空间54。当溢流阀46关闭时，柱塞腔58和低压空间54之间的流体连通被阻断，并且柱塞56的前进导致柱塞腔58中的燃料压力增加。增加的燃料压力通过喷嘴供应通道60连通到喷嘴出口30附近。当DOC28被提升时，在期望的定时，燃料从喷嘴供应通道60喷出喷嘴出口30。另一流体通道62流体连接在喷嘴供应通道60和喷射控制阀34之间。在所示实施例中，溢流阀组件44位于燃料喷射器22中。在其他实施例中，溢流阀组件可定位在燃料喷射器22的外部。同样在所示实施例中，用于直接控制DOC 28的液压控制流体是燃料。在其他情况下，不同的流体，例如发动机油，可以用于喷嘴出口检查的直接控制。柱塞56可以装备有与凸轮凸角18接触的挺杆。在其他情况下，摇臂致动组件可***柱塞56和凸轮轴16之间。
燃料***20还包括燃料控制***70。燃料控制***70包括其上具有电子控制单元或ECU 74的电子控制模块或ECM 72。ECU 74可以是或可以包括可编程逻辑控制器(例如微处理器或微控制器)和存储程序控制指令的合适的计算机可读存储器，程序控制指令在由处理器执行时使得燃料喷射器22根据本发明操作。可以使用任何合适的计算机可读存储器，例如RAM、ROM、EPROM、DRAM、SDRAM、FLASH、或其他存储器。燃料控制***70还包括诸如电池78的低压电源和升压的高压电源80。电池78被示出为ECM 72的一部分，但在其他实施例中可以是单独的装置。高压电源或HVPS 80示出为与ECM 72物理分离，但在一些实施例中也可以是ECM 72的一部分。燃料控制***70还包括发动机转速传感器82和燃料温度传感器84。如将从以下描述中进一步显而易见的，燃料控制***70被独特地配置成在与某些其他已知控制***布置的情况相比不同或更宽的发动机操作条件下以多次燃料喷射模式操作燃料喷射器22和可能包括在燃料***20中的其他这种燃料喷射器。此外，如在此还进一步讨论的，燃料控制***70能够以相对减少的能量或减少的功率消耗模式操作燃料喷射器22和可能包括在燃料***20中的其他这种燃料喷射器。
在某些情况下，ECM的或由ECM控制的较高电压电源具有不能超过的最大功率输出。当发动机的发动机转速增加时，通常需要增加在给定的发动机循环中喷射的燃料量并且潜在地增加每单位时间喷射的燃料量。虽然发动机可以在工作范围的一部分上(例如在较低的发动机速度下)以喷射次数、正时和次各种组合和/或模式运行，但在发动机工作范围的其他部分(例如在较高的发动机速度)中利用多次喷射或其他变化可能是期望的，但具有挑战性。换句话说，在较高的发动机转速下，可能希望使用多次燃料来输送所需的加燃料量，但是输送多次燃料的能力可能基于ECM的电源能力而受到限制。如果所有燃料需要以单次进入燃烧缸，则燃料的压力上升速率通常也需要相对较高。缺乏多次喷射能力可能会对增加的噪音、振动、粗糙度、烟雾不透明度、冷模式或冷启动条件、发动机的瞬态运行条件或其他运行特性或状态产生不利影响。本发明提供了这些和其他挑战的解决方案。
为此，燃料供应控制单元或ECU 74可包括激励波形控制器76。激励波形控制器76可包括电子控制单元74的软件、固件或硬件(包括电路)的任何组合，并被构造成根据多个不同波形激励燃料喷射器的螺线管致动器。特别地，激励波形控制器76构造成通过标准波形激励螺线管致动器，例如螺线管致动器50和42中的一个或两个，以致动燃料喷射器22中的阀，例如喷射控制阀34或溢流阀46。激励波形控制器86还可以被构造成通过减少能量波形激励螺线管致动器中的一个或两个以致动所述阀。
激励波形控制器76还被构造成在激励所述螺线管致动器期间从诸如HVPS 80的较高电压电源切换到诸如电池78的较低电压电源。在一些实施例中，激励波形控制器76经由标准波形激励螺线管致动器50以在第一发动机循环中一次或多次地致动溢流阀46，并且经由减少能量波形激励螺线管致动器50以在第二发动机循环中一次或多次地致动溢流阀46。在给定的发动机循环内，激励波形控制器76可以多次激励螺线管致动器50，潜在地使用用于一个或多个激励的标准波形和用于一个或多个激励的减少能量波形。减少能量波形的一部分可以由来自HVPS 80的电力产生，而一部分由来自电池78的电力产生，如在此进一步讨论的。
现在还参考图2，在功能框图中更详细地示出了激励波形控制器76的特征和功能。激励波形控制器76可以被理解为具有多个不同的控制框，包括判定框110，其执行使用或不使用减少能量波形的判定。在框120处示出标准波形定义，并且在框114处示出减少能量波形定义。框120和114被理解为指定诸如振幅、持续时间和电源的因素，所述因素用于或部分用于根据相应波形产生的电控制电流，电控制电流用于控制燃料喷射器22中的诸如溢流阀46的阀。燃料的单独喷射或喷出参数在框112处示出并作为框114的输入。在切换框116处，可以适当地应用标准波形定义、减少能量波形判定和减少能量波形定义，以产生用于框118处的燃料喷射或喷出波形定义。判定框110的输入可以包括电源电压100，例如可用的电池电源电压、喷射次数102、发动机转速104、待输送的喷射压力106和当前燃料温度108。这些相同的输入100、102、104、106、108可以被馈送到框112。应当理解，在框112处，可以处理各种输入以使用减少能量波形来确定螺线管激励的参数。这样的参数可以包括第一层持续时间122、第一层最大电平124、第一层最小电平126和第一层电源128，例如相对于电池的升压。参数还可以包括第N层持续时间130、第N层最大电平132、第N层最小电平134和第N层电源136。因此，可以将框112处的参数理解为次参数，以及另外的“N”次类似参数。因此，ECM72可以针对喷射1至N的任何组合使用相对于正常波形的减少能量波形，并且为减少能量波形提供连续可变的波形形状。根据框114确定减少能量波形，然后可以如框118中那样将其用于给定喷射的波形定义中。
判定框110执行使用或不使用如上所述的减少能量波形的判定。在一些情况下，激励波形控制器76被理解为确定发动机***10对于燃料***22的减少能量运行的适当性。这意味着，有时，发动机***10可能不适合或不适合于多次喷射或可能使用减少能量波形的另一种情况。在其他情况下，发动机***10可适于或适于使用减少能量波形。例如，相对较低的燃料温度可能与较高的燃料粘度相关，这使得以几个较小的喷射足够的燃料而不是在一次较大的喷射不可行。发动机转速还可以超过这样的速度，在该速度下，有足够的时间来喷射几个较小的喷射而不是一个较大的喷射。列出的参数的各种其他组合或其他参数可以证明标准能量波形、减少能量波形或其组合的选择是合理的。在任何情况下，燃料喷射器22中的螺线管致动器可以以减少能量波形操作以喷射至少一次燃料，其中发动机***10对于燃料***20的减小能量操作的适当性被确定。
现在还参考图3，示出了曲线图200，其示出了将标准波形与减少能量波形进行比较的示例控制电流特征。在图3中，与220处的减少能量波形溢出阀电流相比，在210处示出了标准波形溢出阀电流。喷射压力以迹线250示出，喷射速率以迹线260示出。标准波形电流210包括最初拉入溢出阀46的拉入(pull-in)电流211、保持(keep-in)电流213和约束(hold-in)电流215。使用标准波形，可以使用HVPS 80产生拉入电流211，同样可以使用HVPS产生保持电流213，以及使用电池78产生约束电流215。使用减少能量波形220，可以使用HVPS 80产生拉入电流，使用电池78产生保持电流，以及使用电池78产生约束电流。因此，通过图3中所示的比较可以理解，标准波形对于拉入电流211以及对于保持电流213采用较高电压电源。
在所说明的实例中，标准波形和减少能量波形中的每一个由具有较大振幅的拉入电流、具有中等振幅的保持电流和具有较小振幅的约束电流限定。使用较高电压电源产生减少能量波形的拉入电流，然而，与标准波形相反，使用较低电压电源产生减少能量波形的保持电流。标准波形的拉入电流具有相对较长的持续时间，而减少能量波形的拉入电流具有相对较短的持续时间。这种策略能够利用减少能量波形来节省能量。图3中还示出了用于DOC电流的标准波形230与用于DOC电流的减少能量波形240的比较。与关于激励溢流阀螺线管致动器所描述的那些原理类似的原理应用于激励DOC螺线管致动器。
现在参照图4，在310处示出了用于在第一发动机循环中喷射一次燃料的溢出电流的标准波形的特征，以及用于在第二发动机循环中喷射多次燃料的减少能量波形320和330的特征。从图4中可以注意到，迹线310的持续时间相对较长，并且包括持续时间较长的拉入电流。迹线320和330的持续时间较短，并且每个迹线包括持续时间相对较短的拉入电流。与第二发动机循环中的燃料的两次喷射相比，在第一发动机循环的单次喷射中可以喷射相同或不同的总体积的燃料。
然而，应当理解，可以设想对图4中描绘的场景的各种修改和扩展。如图所示，在第二发动机循环中，减少能量波形用于在第二发动机循环中的第一时间和第二时间中的每一个时间激励螺线管致动器，以喷射第一喷射量和第二次燃料。可替代地，在第二发动机循环中，可以使用减少能量波形来第一次激励螺线管致动器以致动相关联的阀以在第二发动机循环中喷射第一次燃料，并且使用标准波形来第二次激励螺线管致动器以致动阀以在第二发动机循环中喷射第二次燃料。此外，在给定的发动机循环中，喷射量可以在喷射之间变化。在给定的发动机循环中可以喷射两、三或更多次燃料，每次具有相同或不同的喷射量。减少能量波形也可用于发动机循环中燃料的单次喷射。
工业实用性
总体上参考附图，但现在集中于图5，示出了根据一个实施例的说明示例性方法和逻辑流程的流程图400。在框410处，溢流阀的螺线管致动器在第一发动机循环中经由标准波形被激励。流程图400从框410前进到框420，以如框410中那样基于经由标准波形激励螺线管致动器在第一发动机循环中喷射一次燃料。流程图400从框420前进到框425以监测发动机***的运行状况。可以回想到，如框425中那样监测发动机***的运行状况可以包括监测诸如发动机转速和燃料温度之类的参数。流程图400从框425前进到框430以确定发动机***对于燃料***的减少能量运行的适当性。流程图400从框430前进到框440，以确定第二发动机循环的一或多次燃料的参数。流程图400从框440前进到框450，以在第二发动机循环中经由减少能量波形来激励溢流阀的螺线管致动器。应当理解，框450可以对应于使用减少能量波形的螺线管致动器的多次激励而被执行多次。还应该理解的是，在第二发动机循环中，溢流阀的螺线管致动器可以使用减少能量波形，并且还可以使用标准能量波形被激励。换句话说，在发动机循环中的多次喷射中，可以分别使用标准能量波形和减少能量波形。流程图400从框450前进到框460，以在第二发动机循环中喷射一次或多次燃料。
从前面的描述可以理解，燃料喷射器中的阀可以在发动机循环中被致动多次，并且基于阀的多次致动将燃料的多次燃料喷射到发动机中的燃烧缸中。用于该阀的螺线管致动器可以使用减少能量波形来激励，以引起该阀的多个致动中的至少一个致动。通过使用减少能量波形，ECM的功率输出能力不会被超过或以其他方式受到限制。如上所述，在某些已知***中，在某一发动机转速以上采用多次喷射操作可能是有挑战性的或不可能的。因此，通过使用如本文所述的减少能量波形，可延长其中可使用多次燃料喷射的发动机转速范围。
本说明书仅用于说明目的，并且不应解释为以任何方式缩小本发明的宽度。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和公平的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过阅读附图和所附权利要求书，其他方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词“一(a/an)”旨在包括一个或多个项目，并且可与“一个或多个”互换使用。在仅意指一个项目的情况下，使用术语“一个”或类似语言。此外，如在此使用的，术语“具有(has/have/having)”等旨在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。

Claims (10)

1.一种运行用于发动机的燃料***的方法，其包括：
在发动机的第一发动机循环中经由标准波形激励用于燃料喷射器的阀的螺线管致动器；
在所述第一发动机循环中基于经由标准波形激励螺线管致动器喷射一次燃料；
确定所述燃料***的减少能量运行的适当性；
在所述发动机的第二发动机循环中，基于对所述燃料***的减少能量运行的适当性的确定，经由减少能量运行来激励所述螺线管致动器；以及
在所述第二发动机循环中基于所述经由减少能量波形激励螺线管致动器喷射一次燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，
所述确定适当性包括确定所述燃料喷射器的所述阀的减少能量的多次(multi-shot)致动的适当性；以及
其中，在所述第二发动机循环中喷射的燃料的喷射是在所述第二发动机循环中多次燃料喷射中的一个。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述螺线管致动器包括溢流阀的螺线管致动器。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述确定适当性基于发动机转速。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述确定适当性基于电源电压、燃料喷射数、喷射压力和燃料温度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中
所述标准波形和所述减少能量波形中的每一个由具有较大振幅的拉入(pull-in)电流、保持(keep-in)电流、和具有较小振幅的约束(hold-in)电流限定；
所述标准波形的拉入电流具有较长的持续时间，所述减少能量波形的拉入电流具有较短的持续时间；以及
所述标准波形的拉入电流和保持电流由较高电压电源产生，而所述减少能量波形的保持电流由较低电压电源产生。
7.一种用于发动机的燃料***，其包括：
包括激励波形控制器的燃料供应控制单元，所述激励波形控制器构造成：
在第一发动机循环中经由标准波形激励螺线管致动器以致动燃料喷射器中的阀；
在第二发动机循环中经由减少能量波形激励所述螺线管致动器以致动所述阀；以及
在第二发动机循环中的所述螺线管致动器的激励期间从较高电压电源切换到较低电压电源。
8.如权利要求7所述的燃料***，其中所述激励波形控制器还被构造成从产生所述减少能量波形的拉入电流的所述较高电压电源切换到产生所述减少能量波形的保持电流的所述较低电压电源。
9.如权利要求7或8所述的燃料***，其中所述激励波形控制器进一步被构造为：
在所述第二发动机循环中，经由所述减少能量波形第一次激励所述螺线管致动器以便致动所述阀从而喷射第一次燃料；以及
在所述第二发动机循环中第二次激励所述螺线管致动器，以致动所述阀从而在所述第二发动机循环中喷射第二次燃料；
所述激励波形控制器进一步被构造为经由减少能量波形第二次激励所述螺线管致动器；以及
所述燃料***进一步包括燃料喷射器，并且所述阀包括燃料喷射器的溢流阀。
10.一种扩展发动机中用于多次燃料喷射的发动机转速范围的方法，包括：
在发动机循环中多次致动用于发动机的燃料喷射器的阀；
在所述发动机循环中基于所述多次致动阀将燃料多次喷射到所述发动机的燃烧气缸中；以及
通过减少能量波形激励所述阀的螺线管致动器，以引起所述阀的至少一个致动。
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