CN100570140C - 使内燃发动机的燃料喷射装置运行的方法 - Google Patents

Abstract

内燃发动机的燃料喷射装置(14)包括有一个压电致动器(40)和一个阀门元件(24)，它们相互耦联。阈门元件(24)有一种压力级。建议：将作用于压电致动器(40)上的力的升高解释为阀门元件(24)的事实上的打开(实际喷射开始)，和/或将作用于压电致动器(40)上的力的降低解释为阀门元件(24)的事实上的关闭(实际喷射终止)，所述作用在压电致动器(40)上的力的升高和/或降低在控制压电致动器(40)时至少加以考虑，其中阀门元件(24)的关闭过程根据实际喷射开始(t₁)被引入。

Description

使内燃发动机的燃料喷射装置运行的方法

技术领域

本发明首先涉及一种用于使内燃发动机的燃料喷射装置运行的方法，在此方法中一个压电致动器与燃料喷射装置的一个阀门元件耦联，其中阀门元件有一种压力级。本发明还涉及一种计算机程序、一种用于内燃发动机的控制和/或调节装置的电存储介质和用于内燃发动机的一种控制和/或调节装置。

技术背景

由EP 1172541 A1已知了开头所述类型的方法。在那里所述的燃料喷射装置里设有一个针阀状的阀门元件，该针阀可以液压地通过一个控制腔里的压力来打开或关闭。控制腔里的压力又受到一个分配阀的影响，后者通过一个液压耦合器与一个压电致动器耦联。

由市场还已知有一个燃料喷射装置，在此装置中阀门元件可以直接地，也就是中间不接分配阀，同样也通过一个液压耦合器与压电致动器耦合。在压电致动器充电和放电时或者可以规定出压电致动器的电压变化，或者规定出电流变化，这种变化则导致在充电-或者放电过程结束时一种所希望的电压。在最后所述的情况下规定的电流特性可以附带地通过一个叠加的调压器来标度，因此至少在充电或者放电过程结束时的电压水平通过一个封闭的调节回路来调整设定。

电压梯度然而并不可以调整得任意地高。一方面它受到一个末级的最大电流的限制，用此末级来控制压电致动器，另一方面由于以下事实：在过高的电压梯度时存在着使压电致动器的谐振激发的危险，这可能造成对压电致动器的破坏或者至少造成损坏。

在已知的燃料喷射装置中，用于操纵阀门元件所必需的“电压上升”，也就是在控制压电致动器时起始电压和终止电压这间的差，随着在打开方向上作用于阀门元件上的燃料压力的增加而增加。此时这样来设计燃料喷射装置，使得在高燃料压力时必须尽量使用大部分可供利用的电压上升，以便打开阀门元件。在打开之后阀门元件加速并如此远地运动，直至在阀门元件的反向的压力面上实现力平衡。在高燃料压力时这种平衡点只是在阀门元件完全打开时才达到。

根据所述的比例关系，难于在已知的燃料喷射装置里将很小量的燃料喷入内燃发动机的一个燃烧室里。这种小量的和极小量的喷入首先是在提前喷入(“先导喷入”)时所希望的。

发明内容

本发明的任务是用一种燃料喷射装置在压电致动器和阀门元件之间采用直接耦联能够喷入尽可能少量地燃料，同时使燃料喷射装置稳定地运行，这也就是说没有振动或谐振问题。

这项任务在使内燃发动机的燃料喷射装置中运行的方法中来解决，在此方法中压电致动器与燃料喷射装置的阀门元件耦联，其中阀门元件有压力级。根据本发明：将作用于压电致动器上的力的升高解释为阀门元件的事实上的打开(实际喷射开始)，和/或将作用于压电致动器上的力的降低解释为阀门元件的事实上的关闭(实际喷射终止)，并且对于所述作用在压电致动器(40)上的力的升高和/或降低在控制压电致动器时至少加以考虑，其中阀门元件的关闭过程根据实际喷射的开始而被引入。

在一种开头所述类型的计算机程序、一种电存储介质和一种控制和/或调节装置中提出的任务被相应地解决。

发明的优点

按照发明的方法可以使一种燃料喷射装置稳定地运行，在该装置中阀门元件与压电致动器耦联，在喷入量很小一直低至1mm³/喷射并且同时燃料压力很高时。按照发明的方法还可以提高即使是在喷射量较大时的计量精度，因为实际的喷射开始和/或实际的喷射终止都是已知的，并在控制压电致动器时可以加以考虑。

按照本发明的方法的这些优点的背景在于以下事实：在一种具有一个压力级的阀门元件中在打开阀门元件或者致动压电致动器之后有一个附加的力在打开方向上作用于阀门元件上。由于阀门元件与压电致动器直接耦联，这种附加力也作用于压电致动器。通过检测作用在压电致动器上的力的变化，就可以检测到在燃料喷射装置运行中一个时刻，在此时刻阀门元件事实上打开(实际喷射开始)或者检测到一个时刻，在此时刻阀门元件关闭(实际喷射终止)。然而如果已知了实际喷射开始或者实际喷射终止的话，那么可以使压电致动器的控制相应地适应并因此大大改善在将燃料喷入内燃发动机的燃烧室里时的精度。

如上所述，按照本发明的方法的一种有利改进方案的特征在于：阀门元件的关闭过程根据实际喷射的开始而被引入。这可以很精密地实现阀门元件的所希望的开启持续时间。因此即使在内燃机的部分加载范围和全部加载范围里也可以改善计量精度。

极小量的喷射可以用按照本发明的方法来实现，如果用于控制压电致动器的一个信号或者一个信号梯度的符号在探测到了实际喷射开始之后发生了改变的话。作为信号梯度例如考虑是一种电压梯度，或者更有效地，作为信号考虑是一种电流，用此电流使压电致动器充电或者放电。因为符号的变化或者从放电转换至充电或者反过来调节都是基于探测到阀门元件的实际喷射开始而进行，因此极小量的燃料也可以稳定地喷入。

按照本发明的方法的另一种有利设计方案的特征在于：实际喷射开始和/或实际喷射终止都按照一个名义值进行调节。与在以前已知方法中不同也就是不再对控制压电致动器的开始和/或终止进行调节，而是对事实上的实际喷射开始和/或实际喷射终止进行调节，这不仅可以实现准确地计量所希望的燃料量，而且也可以精度地实现所希望的喷入时刻。这样避免了：在控制开始和喷射开始之间或者控制终止和喷射终止之间的延迟时间的分散对燃料计量的影响。

也可以按照一个名义值对实际喷射开始和实际喷射终止之间的差(实际喷射持续时间)进行调节。在这种情况下燃料的计量精度还要更好。

按照本发明的方法的另一个重要的有利设计方案规定：作用于压电致动器上的力的变化通过一个受到该力的影响的压电致动器的电的量的变化来检测。其构思在于：作用于压电致动器的力的变化在压电致动器里引起长度变化。这种变化在具有规定的伸长变化曲线的运行时(也就是具有“记忆的”电流曲线时)造成电压曲线的变化，而在具有“记忆的”电压曲线的运行时则造成致动器电流曲线的变化。这种变化按照发明可以毫无困难地检测到，从而可以检测到实际喷射开始或者实际喷射终止，而不需要附加的传感器。

这种方法变型方案的一种具体改进方案规定：为了打开阀门元件，用一个规定的电压曲线对压电致动器进行放电或充电，并且当放电电流或者充电电流超出或者低于一个极限值时，就判定实际喷射开始，其中极限值通过由压电致动器的电容常数和放电或者充电电压梯度的乘积来形成。这种方法可以很简单地实现。

同样地适合于如下方法变型方案，在此方案中为了打开阀门元件压电致动器用一种规定的电流变化曲线来进行放电或充电，而且在此方案中，如果放电或者充电电压梯度高于或者说低于一个极限值时，那就判定为一种实际喷射开始，其中极限值放电或者充电电流和压电致动器的电容常数的比来形成。

在这两个最后所列的方法变型方案中必需要了解所应用的充电和放电策略。有一种方法与一个这样的策略独立无关，在此方法中为了打开阀门元件使压电致动器放电或充电，并在此方法中借助于一个干扰量观察者来估计电流比例，这个电流比例由作用于压电致动器上的力的升高得出，而且在此方法中，如果电流比例超过一个极限值的话，那就判定为实际喷射开始。作为干扰量观察者例如可以考虑用吕贝克(Luenberger)观察者方法。

所有三个最后提到的方法变型方案不仅可以作用于识别出实际喷射开始，而且可以以相应的方式用相应适应的其它极限值来识别实际喷射终止。

附图说明

以下参照了附图对本发明的特别优选的实施例进行详细说明。附图所示为：

图1：具有多个燃料喷射器的一个内燃发动机的示意图；

图2：图1所示燃料喷射器的局部剖视；

图3：一条曲线，其中纵座标为在打开方向上作用的力，横座标为图2所示燃料喷射器的阀门元件的行程；

图4：曲线图，其中纵座标为喷射过程中图2所示燃料喷射器的不同的运行参数，横座标为时间；

图5：用于使图2所示燃料喷射器运行的第一种方法的功能图；

图6：用于使图2所示燃料喷射器运行的第二种方法的功能图；

图7：用于使图2所示燃料喷射器运行的第三种方法的功能图。

具体实施方式

图1中内燃发动机总体用附图标记10。它包括有多个燃烧室12，燃料直接由各自的一个燃料喷射器14喷入燃烧室。燃料喷射器14连接于一个燃料蓄压器(“Rail”)上，由一个输送系统18将燃料输入这蓄压器里。燃料喷射器14的运行由控制和/或调节装置20来控制或者调节(虚线)。为此也还应用在图1中未示出的各个不同传感器的输入信号(虚线)。

如由图2可见，燃料喷射器14包括有一个外壳22，外壳里装有一个针状阀门元件24，它可以纵向滑动。该阀门元件具有一个在打开方向上起作用的压力凸台26，它布置在一个压力室28里，该压力室通过一个通道30与燃料蓄压器16相连。一个同样也在打开方向上起作用的锥形压力面32在阀门元件处于关闭状态时流体上与压力腔28分开。

阀门元件24的与压力面32反向的端部用一个面34伸入到液压控制室36里，在控制室里有燃料蓄压器的高压。控制室36也被一个控制活塞38限制住，控制活塞的直径在本实施例中大于阀门元件24的控制面34。控制活塞38固定在一个压电致动器40上，压电致动器，在一定条件下中间接入一个在图2中未示出的末级时，由控制和/或调节装置20来控制。

为了使燃料喷射器14将燃料喷入到燃烧室12里，控制压电致动器40，使其长度变小。接着图2中的控制活塞38就向上运动。通过借助于控制腔36的液压耦联并根据在打开方向上作用于压力凸台上的力，阀门元件24也向上运动。接着压力腔28里的高燃料压力也作用在阀门元件24的端面侧的压力面32上，这在阀门元件24的首次开启运动之后，导致了一个附加的在开启方向上起作用的力并导致阀门元件24的加速开启。

因为这里打开方向上作用于阀门元件24上的力直接在开启之后迅速地提高，因此也就提到一种有“压力级”的阀门元件。在打开方向上作用于阀门元件24上的力F的升高也可以由图3见到，此处纵座标为力F，横座标为开启行程H。燃料则可以通过燃料喷出通道42进入燃烧室12里。

为了也能够用燃料喷射器14喷入很小量燃料，按照一种方法来达到，此方法参照图4来加以说明：

在本实施例中，若阀门元件24应该是关闭的话，那么压电致动器40就充电。为了打开阀门元件24使压电致动器40放电。在本实施例中用某一种此处基本为线性的电压变化曲线对压电致动器40充电或者放电。为此在放电和充电时测量电压变化或者电压梯度并相应地调整充电电流或者放电电流。压电致动器的电量Q可以简化表达为一个取决于电压的成份Q_U＝C_O·U和一个取决于长度的成分Q_X＝C_X·(X-X_O)之和。系数C_O和C_X是电容常数，U是作用在压电致动器上的电压，X是压电致动器40的当前长度。

取决于长度的成分Q_X基于以下考虑：这在打开方向上作用在阀门元件24上的力通过压力腔28的液压耦联和控制活塞38也传送到压电致动器40上。若阀门元件24开启，由于阀门元件24上的压力级这就导致力的升高(“力突变”)，在压电致动器40上也这样。这种力的突变导致压电致动器40附加的长度变化。为了即使在压电致动器40的长度变化速度升高的边界条件下也遵守规定的电压变化曲线，必须使放电电流i相比于阀门元件24静止时的状态提高。在此处所应用的方法中这种力突变和相应的电量变化被应用于检测阀门元件24的事实上的打开(喷射开始)或者阀门元件24的事实上的关闭(喷射终止)。此处应用了以下物理学基础：

Q＝∫idt＝Q_u+Q_x＝C₀·u+C_x·(x-x₀)       (1)

这按照压电致动器40的放电电流或者充电电流来求解：

$i=i_u+i_x=\frac{{\mathrm{dQ}}_u}{\mathrm{dt}}+\frac{{\mathrm{dQ}}_x}{\mathrm{dt}}=C_0\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+C_x\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

由此得：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_x}\·(i-C_0\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}})---\left(3\right)$

若放电电流i在放电时明确地低于极限值Co·du/dt，那么这就意味着：阀门元件24正好打开。若在压电致动器40充电时充电电流i超出这个值，那么阀门元件24的运动方向正好改变。若在充电时充电电流低于这个值的话，那么阀门元件24正处于关闭中。在图4中加于压电致动器40上的电压U用44表示，电流i用46，极限值Co·du/dt用48(点划曲线)，而阀门元件24的行程H用50表示。在时刻t₁时喷射开始，在时刻t₂时阀门元件24反向，而喷射终止则在时刻t₃处。

取决于在时刻t₁时所检测到的燃料喷射器14的喷射开始，压电致动器40被控制和/或调节装置20尽可能迅速地又被关闭。为此在检测到喷射开始t₁之后使放电电流i变化，使电压U的梯度du/dt具有一种相反的符号。阀门元件24的关闭也就是说取决于事实上的打开(喷射开始)而进行。因为按照所述的方法实际喷射开始和实际喷射终止可以在时刻t₁或者t₃处检测到，因此它们可以分别按照一个名义值进行调节。也可以按照一个名义值来调节在时刻t₁时的实际喷射开始和一个差dt₁，这个差也称之为实际喷射持续时间。

最后也可以用充电电流或者放电电流i的某种规定的变化曲线使燃料喷射器14或者压电致动器40充电和放电。由以上公式(1)得出：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_0}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_u}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_0}\·(i-\frac{{\mathrm{dQ}}_x}{\mathrm{dt}})=\frac{1}{C_0}\·(i-C_x\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}})---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_x}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_x}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_x}\·(i-\frac{{\mathrm{dQ}}_u}{\mathrm{dt}})=\frac{1}{C_x}\·(i-C_0\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}})---\left(5\right)$

若在这种情况下电压梯度du/dt在放电时明确地超出值i/c_o，那么阀门元件24处于打开中。若电压梯度du/dt低于这个值，那么阀门元件24正关闭。

喷射开始和喷射终止然而也可以与充电和放电策略无关地，也就是说与是否预规定某一种电压变化曲线或某一种电流变化曲线无关地来得出。这借助于一个干扰量观察者51，例如一个吕贝克(Luenberger)观察者方法(见图5)来进行。若积分此公式：

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_0}\·\frac{{\mathrm{dQ}}_u}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{C_0}\·(i-\frac{{\mathrm{dQ}}_x}{\mathrm{dt}})=\frac{1}{C_0}\·(i-C_x\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}})---\left(6\right)$

则得到：

$u=\frac{1}{C_0}\·\∫(i-C_x\·\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}=\frac{1}{C_0}\·\∫(i-\frac{{\mathrm{dQ}}_x}{\mathrm{dt}})\mathrm{dt}=\frac{1}{C_0}\·\∫(i-i_x)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

公式(7)可以被理解为传输距离从其输入量然而只能测量到电流i。取决于在打开阀门元件24时压电致动器40的长度变化或者力的增高的电流量i_x然而不能测量到。为了求出这种量，首先将这在控制和/或调节装置20里已知的充电电流或者放电电流i输送给一个距离模拟装置(Streckennachbilung)(图5里的方框52)。在这图5所示的实施例中这个距离模拟装置由一个积分常数为C_O或者具有一个通过标准化由积分常数C_O所计算出的时间常数的积分器组成。该积分器52的输出量是在压电致动器40上观察到的电压U_b。

若参量i_x＝0，那么U_b＝U。然而若是压电致动器40在阀门元件24打开或关闭时改变了其长度并因此i_x≠0，那么U_b与U相互有偏差。在54里形成在U_b和所测电压U之间的差并输送给一个反馈环节56。该环节例如可以是一个简单的比例放大器或者PI-环节，但也可以是一种具有二阶或更高阶传输性能的放大器。

反馈构件56的输出信号然后用负的符号接通到距离模拟装置52的输入上。这种输出信号对应于观察者51的传输性能跟随本身未知的参量i_x并且可以直接地或者通过另一个滤波环节58导引用作为未知参量i_x的观察到的信号i_x，b。若在放电时信号i_x，b低于一个规定的阈值，那么就探测到阀门元件24的打开，若在充电时它大于第二规定的阈值，那就探测到阀门元件24关闭过程的开始。若在充电过程结束之后其低于第二或另外的第三阈值的话，那么这就被检测作为喷射终止。

如由图6可见，反馈环节和滤波环节58可以被组合成一个单元60。这里过滤的信号由反馈环节的输出信号的加权的部分构在。在PI环节作为反馈环节56的例子里这可以如下加以说明：例如作为观察到的信号i_x，b代替反馈环节56的输出信号也只能应用其I-部分或者由I-部分和乘以一个系数K的P-部分之和，其中K应在0和1之间。这相当于用一个第一阶的延迟环节对输出信号的滤波。

压电致动器40的距离模拟装置可以如同以下所表示的那样还要更准确地适应于其实际的性能：那么例如可以通过一个以相同方式非线性积分器52来模拟压电致动器40的非线性性能和/或可以通过接入一个滞后环节60到距离模拟装置里来考虑滞后效应(见图7)。

此处应该指出：上面所述的方法以一种计算机程序的形式被存入在控制和/或调节装置20的一个存储器上。

Claims (8)

1.使内燃发动机(10)的燃料喷射装置(14)运行的方法，在此方法中压电致动器(40)与燃料喷射装置(14)的阀门元件(24)耦联，其中阀门元件(24)有压力级，其特征在于，作用在压电致动器(40)上的力(F)的升高被解释为阀门元件(24)的事实上的打开，和/或作用在压电致动器(40)上的力(F)的降低被解释为阀门元件(24)的事实上的关闭，并在控制压电致动器(40)时至少对于所述作用在压电致动器(40)上的力(F)的升高和/或降低加以考虑，其中阀门元件(24)的关闭过程根据实际喷射开始(t₁)被引入。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，用于控制压电致动器(40)的信号或信号梯度(du/dt)的符号一旦探测到了实际喷射开始(t₁)就发生变化。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，实际喷射开始(t₁)和/或实际喷射终止(t₃)按名义值进行调节。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，实际喷射开始(t₁)和实际喷射终止(t₃)之间的差(dt_i)按名义值进行调节。

5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作用于压电致动器(40)上的力的变化通过压电致动器(40)的受到该力影响的电参量(i，U)的变化来检测。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，为了打开阀门元件(24)用规定的电压变化曲线(44)使压电致动器(40)放电或充电，并且当放电电流小于极限值(48)时，就判定为实际喷射开始(t₁)；当充电电流大于极限值(48)时，就判定为实际喷射开始(t₁)，其中该极限值(48)由压电致动器(40)的电容常数(C_O)和放电或者充电电压梯度(du/dt)的乘积构成。

7.按权利要求5所述的方法，其特征在于，为了打开阀门元件(24)用规定的电流变化曲线使压电致动器(40)放电或充电，而且如果放电电压梯度(du/dt)大于极限值(i/C_O)时，就判定为实际喷射开始；如果充电电压梯度(du/dt)小于极限值(i/C_O)时，就判定为实际喷射开始，其中该极限值(i/C_O)由放电或者充电电流(i)和压电致动器(40)的电容常数(C_O)的商来构成。

8.按权利要求5所述的方法，其特征在于，为了打开阀门元件(24)使压电致动器(40)放电或充电，并借助于干扰量观察者(51)来估计电流成分(i_x，b)，该成分由作用于压电致动器(40)上的力的升高得出；而且如果电流成分(i_x，b)超出极限值，那就判定为实际喷射开始。

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