CN100455785C - 内燃机的燃油供给设备 - Google Patents

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Abstract

当只从进气通道喷射器喷射燃油时，ECU计算高压分配管道中燃油压力和目标压力之差。ECU确定与冷却剂温度相关的燃油体积弹性模量。ECU根据压力差和体积弹性模量确定要从高压泵排出的燃油量。然后ECU根据确定出来的排放量启动高压泵。

Description

内燃机的燃油供给设备
技术领域
本发明涉及内燃机的燃油供给设备，它利用高压泵压缩燃油并且把燃油从泵排到高压管道中以把高压燃油提供给气缸内喷射器。
背景技术
日本待决专利申请No.7-103048披露了内燃机的一种传统燃油供给设备。传统的燃油供给设备所应用到的内燃机包括内燃机的每个气缸中的气缸内喷射器和进气通道喷射器。内燃机通常根据发动机负荷和发动机速度等发动机驱动状态启动上述两种喷射器中的一种合适的喷射器。当从气缸内喷射器喷射燃油时(气缸内喷射模式)，需要把高压燃油提供给与气缸内喷射器连接的高压分配管道。
在气缸内喷射模式中，高压泵压缩燃油以把高压分配管道中的燃油压力提高到预定燃油压力。当从进气通道喷射器喷射燃油时(进气口喷射模式)，高压泵停止运行以降低高压分配管道中的燃油压力。但是，当从进气口喷射模式向气缸内喷射模式转换时，传统的燃油供给设备不能立刻把燃油压力升高到预定压力。另外，当从进气口喷射模式向气缸内喷射模式转换时，高压分配管道中出现很大的燃油压力脉动。这使得燃油喷射量不稳定并且降低了内燃机的燃烧特性。为了解决该问题，当高压分配管道中燃油压力变得小于下限压力时，可以通过启动进气口喷射中的高压泵来升高高压分配管道中的燃油压力。这意味着即使在进气口喷射模式中也保持高压分配管道中的燃油压力使之大于或等于下限压力。
但是每当高压分配管道中的燃油压力变得比下限压力低时，高压泵中的所有低压燃油量都会排入高压分配管道。因此，高压泵可能会过高地升高高压分配管道中的燃油压力。过高的燃油压力会使得燃油从气缸内喷射器中泄露出来或恶化内燃机的废气排放。
发明内容
本发明的一个目的是给具有气缸内喷射器和进气通道喷射器的内燃机提供一种燃油供给设备，当驱动发动机只从进气通道喷射器喷射燃油时该燃油供给设备调节和稳定高压燃油的压力。
本发明的一个方面是一种内燃机的燃油供给设备。内燃机包括：燃烧室；与燃烧室连接的进气通道；气缸内喷射器，用来直接把燃油喷入燃烧室；进气通道喷射器，用来把燃油喷入进气通道；低压泵，用来从油箱抽出燃油并且排出低压燃油；低压管道，用来把低压燃油提供给进气通道喷射器；高压泵，用来压缩低压燃油并且排出高压燃油；和高压管道，用来把高压燃油提供给气缸内喷射器。燃油供给设备包括控制高压泵的控制器。如果在只从进气通道喷射器喷射燃油时高压管道中的燃油压力比目标压力低预定值，控制器确定把高压管道中燃油压力升高到目标压力所需要的高压泵排放量。另外，控制器根据确定出来的所需排放量控制高压泵。
通过下面结合附图的描述，其中利用具体的例子来说明本发明的原理，本发明的其它方面和优点将变得明显。
附图说明
参考下面结合附图对目前优选实施例的描述可以最好地理解本发明以及它的目的和优点，在附图中：
图1是根据本发明的一个优选实施例的内燃机燃油供给设备的示意图；
图2是流程图，示出了在进气口喷射模式的过程中执行的对高压分配管道中燃油压力的控制；
图3示出了高压分配管道中燃油压力的目标值和容许范围；和
图4是流程图，示出了对高压泵排放量的调节。
具体实施方式
下面参考图1到图4描述根据本发明一个优选实施例的内燃机燃油供给设备。在该优选实施例中，内燃机是四缸汽油发动机。
如图1所示，内燃机的燃油循环系统包括：低压燃油系统12，它把燃油喷入进气通道的进气口11；和高压燃油系统14，它把燃油直接喷入燃烧室13。
低压燃油系统12包括容纳燃油的油箱15和抽出燃油的馈油泵16(低压泵)。馈油泵16抽出的燃油经过布置在低压燃油通道17中的过滤器17a和压力调节器17b送到低压分配管道18(低压管道)。过滤器17a过滤燃油。压力调节器17b调节低压燃油通道17中的燃油压力。在优选实施例中，当低压燃油通道17中的燃油压力大于或等于预定压力(如0.4Mpa)时，压力调节器17b把低压燃油通道17中的燃油返回油箱15，从而低压燃油通道17中的燃油压力保持在预定压力以下。低压分配管道18把低压燃油分配到布置在内燃机每个气缸中的进气通道喷射器19。每个进气通道喷射器19把燃油喷入与它对应的进气口11中。
高压燃油系统14包括连接到低压燃油通道17的高压泵20。高压泵20具有气缸20a。活塞20b容纳在气缸20a中。活塞20b与凸轮32接触，凸轮32布置在进气凸轮轴31上。活塞20b随着凸轮32的转动在气缸20a中往复移动。气缸20a的一个内表面和活塞20b的上部端表面限定了压缩室20c。低压燃油从低压燃油通道17抽到压缩室20c中并且被活塞20b压缩。然后把压力相对较高的燃油从高压泵20排到高压燃油通道21并且送到高压分配管道22(高压管道)中。以这种方式升高高压分配管道22中的燃油压力。
高压分配管道22把高压燃油分配到布置在内燃机每个气缸中的气缸内喷射器23中。每个气缸内喷射器23把燃油直接喷入与之对应的燃烧室13中。在高压泵20中布置有电磁溢出阀20d。通过调节电磁溢出阀20d的打开时间来改变从低压燃油通道17抽入压缩室20c中的低压燃油量。以这种方式调节从高压泵20提供给高压分配管道22的燃油量。
安全阀24布置在连接高压分配管道22和油箱15的排油通道25中。在该优选实施例中，安全阀24是电磁阀，它响应施加到电磁螺线管24a上的电压而打开。当安全阀24打开时，高压分配管道22中的高压燃油通过排油通道25返回油箱15。这样就降低了高压分配管道22中的燃油压力从而把燃油压力调节到适当的压力。
根据内燃机的发动机负载或发动机转速使用进气通道喷射器19和气缸内喷射器23中合适的一种喷射器。
例如，当从气缸内喷射器23中喷射燃油时(气缸内喷射模式)，希望直接喷入燃烧室13中的燃油来冷却燃烧室13。在气缸内喷射模式中，必须把雾化的燃油喷入燃烧室13。在高负载驱动过程中，其中把大量进气抽入燃烧室13并且增强燃油的雾化，把内燃机设定在气缸内喷射模式。在低负载驱动过程中，抽入燃烧室13中的进气量较小。因此就不能希望在燃烧室13中增强燃油的雾化。在这种情况下，内燃机设定在只从进气通道喷射器19中喷射燃油的进气口喷射模式。在气缸内喷射模式中，高压分配管道22中的燃油压力必须保持在较高状态。
燃油供给设备包括电子控制单元(ECU)100以控制对高压泵20和安全阀24的操作。ECU100根据发动机驱动状态控制整个内燃机。例如ECU100选择喷射器19和23，并且调节从喷射器19和23喷出的燃油量。
ECU100连接压力传感器26，压力传感器26监测高压分配管道22中的燃油压力。ECU100被提供来自压力传感器26的探测信号。加速器传感器27连接到加速器踏板上并且给ECU100提供探测信号，该探测信号具有与加速器踏板压下量成正比的电压。转速传感器28布置在例如曲轴的附近，它给ECU100提供与曲轴转速一致的探测信号。安装到内燃机气缸体上的温度传感器29给ECU100提供和水套中循环的冷却剂温度一致的探测信号。
ECU100根据这些传感器提供的探测信号确定或计算发动机负载和发动机速度，并且从计算出来的发动机负载和计算出来的发动机速度确定内燃机的驱动状态。ECU100在气缸内喷射模式中主动控制对高压泵20的启动。
当驱动发动机以只从进气通道喷射器19喷射燃油时(进气口喷射)，ECU100执行稳定高压分配管道22中燃油压力的控制。具体地说，当高压分配管道22中的燃油压力比目标压力低预定值或更多时，ECU100确定或计算把高压分配管道22中燃油压力升高到目标压力所需的高压泵20排量。ECU100启动高压泵20从而达到计算出来的排放量。例如，ECU100产生驱动信号来启动高压泵20排出计算出来的量并且给高压泵20提供驱动信号。在该优选实施例中，驱动信号是具有和电磁溢出阀20d打开时间对应的占空比的信号。
图2是流程图，示出了在进气口喷射模式过程中所执行的对高压分配管道22中燃油压力的控制(调节)。ECU100以预定时间间隔反复执行该控制。ECU100起到控制单元的作用。
在步骤S10，ECU100分别根据压力传感器26和温度传感器29的探测信号计算高压分配管道22中的燃油压力和冷却剂温度。ECU100分别根据加速器传感器27和转速传感器28的探测信号计算发动机负载和发动机速度。
在步骤S20，ECU100计算目标压力和计算出来的燃油压力之间的压力差dP。
下面参考图3详细描述步骤S20。ECU100具有给高压分配管道22中的燃油压力设定的目标压力Pt(控制目标值)。目标压力Pt在最小燃油压力Pmin和最大燃油压力Pmax之间的范围内。设定最小燃油压力Pmin使得当从进气口喷射模式转换到气缸内喷射模式时立刻达到所需的燃油压力。设定最大燃油压力Pmax使得燃油不会从气缸内喷射器23中泄露出去。ECU100具有给目标压力Pt设定的容许范围(Pt-dPt＜Pt＜Pt+dPt)。目标压力Pt的容许范围是目标压力Pt加上/减去容许值dPt，其中dPt大于零。目标压力Pt的容许范围设定得大于最小燃油压力Pmin但小于最大燃油压力Pmax。更具体地说，目标压力Pt的容许范围具有上限(Pt+dPt)和下限(Pt-dPt)。在上限和最大燃油压力Pmax之间提供一个余量，在下限和最小燃油压力Pmin之间提供一个余量。
在步骤S30，ECU100判断压力差dP的绝对值是否小于容许值dPt。当像图3中的压力差dP1的情形一样压力差dP的绝对值小于容许值dPt时(步骤S30：是)，高压分配管道22中的燃油压力就在目标压力Pt的容许范围内。在这种情况下，ECU100在该时间点结束图2的控制。
当压力差dP的绝对值大于或等于容许值dPt时(步骤S30：否)，ECU100就在步骤S40中判断压力差dP是正还是负。当像图3中的压力差dP2的情形一样压力差dP是负时(步骤S40：是)，高压分配管道22中的燃油压力就比目标压力Pt低容许值dPt或更多。在这种情况下，ECU100在步骤S50控制对高压泵20的启动来增加高压分配管道22中的燃油压力。后面将详细描述步骤S50。
当像图3中的压力差dP3的情形一样压力差dP是正时(步骤S40：否)，高压分配管道22中的燃油压力就比目标压力Pt高容许值dPt或更多。在这种情况下，ECU100在步骤S60打开安全阀24来降低高压分配管道22中的燃油压力。在该优选实施例中，ECU100具有一个把压力差dP和安全阀24打开时间联系起来的图。ECU100根据图来确定安全阀24的打开时间。ECU100打开安全阀24所确定的时间使得高压分配管道22中的燃油压力降低并且落在目标压力Pt的容许范围(Pt-dPt＜Pt＜Pt+dPt)内。随后ECU100关闭安全阀24。
下面参考图4的流程图详细描述步骤S50中对高压泵20排放量的调节。
当在步骤S40中判断出高压分配管道22中的燃油压力比目标压力Pt低容许值dPt或更多时(图2)，ECU100在步骤S50中调节高压泵20的排放量。为了调节高压泵20的排放量，ECU100计算把高压分配管道22中燃油压力升高到目标压力Pt所需的排油量，并且根据计算出来的排放量启动高压泵20。
更具体地说，ECU100在步骤S51根据冷却剂温度确定燃油的体积弹性模量K。例如，ECU100可以使用一个把体积弹性模量K和冷却剂温度联系起来的图确定体积弹性模量K。在步骤S52，ECU100根据压力差dP和体积弹性模量K计算要从高压泵20排出的燃油量(需要的排放量)dV。在该优选实施例中，ECU100根据公式1确定或计算需要的排放量dV。
dP＝K×dV/(V+dV)(1)
在公式(1)中，V表示高压分配管道的容量(内部容积)。
在步骤S53，ECU100根据排放量dV确定给高压泵20中电磁溢出阀20d的激励定时。
现在描述对激励定时的确定。ECU100确定高压泵20的控制占空比X(占空值)。在该优选实施例中，控制占空比X是电磁溢出阀20d的打开时间与高压泵20的活塞20b的压缩时间(压缩冲程)(压缩燃油的总时间)之比。ECU100根据公式2计算控制占空比X。
X＝(dV/dVmax)×100(2)
在公式2中，dVmax表示高压泵的最大排出量。
当确定出或计算出的所需排放量dV大于高压泵20的最大排出量dVmax时，修正所需的排放量dV使之等于最大排出量dVmax。在这种情况下控制占空比X是1.0。
ECU100把确定出的占空比X转换为凸轮32的凸轮角并且把转换得到的凸轮角确定为高压泵20(电磁溢出阀20d)的激励定时。
当把控制占空比转换为凸轮角时，可以根据发动机转速修正转换得到的凸轮角。该修正使得高压泵20对排放量调节的响应不受发动机转速的影响。
在步骤S54，ECU100在预定的激励定时启动高压泵20。这样在进气口喷射模式中高压泵20把保持高压分配管道22中燃油压力在目标压力Pt所需的高压燃油量馈送出来。
在步骤S55，ECU100使用启动高压泵20之前和之后的燃油压力获取或修正和存储燃油的体积弹性模量K。更具体地说，ECU100从压力传感器26提供的探测信号得到高压分配管道22中的燃油压力。ECU100计算该燃油压力和启动高压泵20前高压分配管道22中的燃油压力之差dP′。ECU100根据燃油压力差dP′和从高压泵20中实际排出的燃油量来获得燃油的体积弹性模量K，其中从高压泵20中实际排出的燃油量是所需的排放量dV。
更具体地说，ECU100使用公式3获得体积弹性模量K。
dP′＝K×dV/(V+dV)(3)
体积弹性模量K随着燃油温度的变化而变化。因此，ECU100使用上述联系燃油的体积弹性模量K和冷却剂温度的图把从公式3得到的燃油的体积弹性模量K和与燃油温度相关的物理量联系起来。在该优选实施例中，ECU100获得每个冷却剂温度的体积弹性模量K。ECU100可以获得冷却剂温度预定范围(控制区域)中的体积弹性模量K。通过使用这样获得的体积弹性模量K，以很高的精度计算出适合内燃机驱动状态的所需排放量dV。
现在描述使用公式1的计算，它计算为把高压分配管道22中燃油压力保持在目标压力Pt所需的排油量(所需的排放量)dV。
假设施加到物体上的压力升高了预定压力，那么物体单位容积的容积变化量正比于根据物体类型(材料)确定出来的体积弹性模量(常数)。
假设高压泵20给高压分配管道22提供所需的高压燃油排放量dV并且把高压分配管道22中燃油压力升高到目标压力Pt，压缩前高压分配管道22中燃油的容积等于高压分配管道22的容量V。压缩后高压分配管道22中燃油的容积等于总容积V+dV，它是压缩前燃油容积(容积V)和所需的排放量dV之和。燃油的总容积V+dV受到压缩并且容纳在高压分配管道22的容量V内从而压缩后高压分配管道22中的压力变成目标压力Pt。因此，燃油单位容积的容积变化量表示为dV/(V+dV)。可以根据上述压力差dP和燃油单位容积的容积变化量之间的正比关系dP＝K×dV/(V+dV)来计算所需的排放量dV。
该优选实施例的燃油供给设备具有下述的优点。
(1)在进气口喷射模式过程中，当高压分配管道22中的燃油压力比目标压力Pt低容许值dPt或更多时，ECU100计算把高压分配管道22中燃油压力升高到目标压力Pt所需的高压泵20排油量(所需的排放量)dV。ECU100利用计算出来的所需排放量dV启动高压泵20。这种结构在进气口喷射模式的过程中最优化地稳定了高压分配管道22中的燃油压力。
(2)使用公式dP＝K×dV/(V+dV)计算所需的排放量dV。因此，对所需的排放量dV的计算既容易又精确。
(3)ECU100根据从高压泵20排出的实际燃油量(所需的排放量)dV和燃油压力的压力差dP′得到燃油的体积弹性模量K，其中压力差dP′是给高压分配管道22提供燃油量dV时高压分配管道22中实际增加的压力。然后ECU100获得每个冷却剂温度下的体积弹性模量K。在计算所需的排放量dV时ECU100考虑了获得的体积弹性模量K。因此，计算出来的所需排放量dV很精确。这就精确地把高压分配管道22中的燃油压力保持在目标压力Pt。
对每个冷却剂温度都获取燃油体积弹性模量K。因此，即使在燃油温度变化后模式从气缸内喷射模式转换到进气口喷射模式，也精确地计算出所需的排放量dV。
(4)ECU100确定高压泵20与所需排放量dV对应的控制占空比X并且根据确定出来的控制占空比X控制对高压泵20的启动。因此，既容易又合适地调节高压泵20排放到高压分配管道22的燃油量。
(5)当高压分配管道22中的燃油压力比目标压力Pt高出容许值dPt或更多时，打开安全阀24。这样就防止高压分配管道22中燃油压力过度增加。
(6)设定目标压力Pt使得当进气口喷射模式转换到气缸内喷射模式时立刻达到所需的燃油压力。因此，该优选实施例的燃油供给设备满足内燃机的燃油压力需求。
设定目标压力Pt使得燃油不会从气缸内喷射器23中泄露出去。这样就避免了高压分配管道22中燃油压力增加得太多并且避免过高的液压作用在气缸内喷射器23上。
应该理解对于本领域技术人员来讲无需偏离本发明的精神或范围就可以以许多其它的特定形式来具体实施本发明。特别是应该理解本发明可以以下述形式来具体实施。
容许值dPt可以在目标压力Pt的高压侧和低压侧取不同的值。
在进气口喷射模式的过程中可以把目标压力Pt设定为高压分配管道22中燃油压力的控制目标值，并且可以取任意值。
可以通过不采用公式1的方法来确定所需的排放量。高压分配管道22中燃油压力升高引起的高压分配管道22中单位容积高压燃油的容积变化量(容积减少量)与从高压泵20排到高压分配管道22中的燃油量(所需的排放量)有关联。考虑到这点，可以使用其它的方法来计算所需的排放量。例如，可以首先计算出当高压分配管道22中燃油压力升高到目标压力Pt时高压分配管道22中单位容积高压燃油的容积变化量(容积减少量)。然后，可以从计算出来的单位容积的容积变化量(容积减少量)计算出高压分配管道22中高压燃油的总容积变化量(总容积减少量)。当燃油压力等于目标压力Pt时，可以计算出补偿高压分配管道22中计算出来的总容积变化量(总容积减少量)所需的高压泵20的排油量。
内燃机可以不具有进气通道喷射器19，而是具有位于在进气通道中进气通道分成每个气缸的进气口的上游处的喷射器(如布置在缓冲罐中的冷启动喷射器)。本发明的燃油供给设备能够应用到任何具有气缸内喷射器和进气通道喷射器的内燃机中。因此，本发明的燃油供给设备能够应用到具有单独一个气缸的内燃机中。
本发明这里给出的例子和实施例应认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于这里给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等效形式中进行改进。

Claims (7)

1.一种用于内燃机的燃油供给设备，其中内燃机包括：燃烧室；与燃烧室连接的进气通道；气缸内喷射器，用来直接把燃油喷入燃烧室；进气通道喷射器，用来把燃油喷入进气通道；低压泵，用来从油箱抽出燃油并且排出低压燃油；低压管道，用来把低压燃油提供给进气通道喷射器；高压泵，用来压缩低压燃油并且排出高压燃油；和高压管道，用来把高压燃油提供给气缸内喷射器，燃油供给设备包括：
控制器，用于控制高压泵并将高压管道中的燃油压力保持在不比目标压力低第一预定值且不比目标压力高第二预定值的范围内，其中如果在只从进气通道喷射器喷射燃油时高压管道中的燃油压力比目标压力低第一预定值，控制器确定把高压管道中燃油压力升高到目标压力所需要的高压泵排放量，并且控制器根据确定出来的所需排放量控制高压泵。
2.如权利要求1所述的燃油供给设备，其中控制器根据燃油的体积弹性模量和目标压力与高压管道中燃油压力之差确定所需的排放量。
3.如权利要求2所述的燃油供给设备，其中控制器使用公式dP＝K×dV/(V+dV)确定所需的排放量，其中dV表示所需的排放量，dP表示目标压力和高压燃油压力之差，K表示高压燃油的体积弹性模量，V表示高压管道的容量。
4.如权利要求2或3所述的燃油供给设备，其中控制器根据高压泵排出燃油前和排出燃油后高压管道中燃油压力的变化修正体积弹性模量。
5.如权利要求4所述的燃油供给设备，其中控制器为每个控制区域存储由随着燃油温度的变化而变化的物理量限定的体积弹性模量。
6.如权利要求1到3中任何一项权利要求所述的燃油供给设备，其中控制器根据计算出来的所需排放量确定高压泵的占空值，并且根据占空值控制高压泵的启动。
7.如权利要求1到3中任何一项权利要求所述的燃油供给设备，其中内燃机进一步包括从高压管道释放燃油的安全阀，当高压管道中的燃油压力比目标压力高第二预定值或更多时控制器打开安全阀。
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