CN101358572B - 用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法，所述共轨型燃料供给系统用于配置有多个气缸(3)的内燃机(2)，所述方法具有下列步骤：通过高压泵(6)，将加压燃料供给至与多个喷射器(4)连接的共轨(5)中；检测所述共轨(5)内的燃料压力的有效值；将所述共轨(5)内的燃料压力的有效值与安全值进行比较；如果所述共轨(5)内的燃料压力的有效值高于所述安全值，则确定紧急状态；以及在紧急状态下，驱动所述喷射器(4)，用于排出存在于所述共轨(5)中的燃料的一部分，从而遏制在所述共轨(5)中的燃料压力的增加。

Description

用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在共轨(common-rail)型燃料供给系统中控制过压的方法。

背景技术

在目前的共轨型的直接喷射燃料系统中，低压泵将燃料从储箱供给到高压泵中，所述高压泵转而将燃料供给到共用通道或者“共轨”中。与共轨连接的是一系列喷射器(发动机的每一个气缸都有一个)，所述一系列喷射器被周期驱动以将共轨中的在压力下燃料的一部分喷射到相应气缸内部。为了正确地操作燃烧，重要的是共轨内的燃料的压力值应当总是被保持在通常可以作为发动机点的函数而变化的期望值。

为了保持在共轨内的燃料的压力值在期望值，已经提出将高压泵的大小设计成在每一个操作条件下，将超过有效消耗量的燃料量供应给共轨。与共轨连接的是电动机械调压器，该电动机械调压器通过将过量燃料排放到再循环通道中，而该再循环通道将所述过量燃料重新引入在低压泵的上游，从而将共轨内的燃料压力值保持在期望值。至于高压泵的大小必需设计成将比最大可能消耗量略微过量的燃料供给到共轨方面，这种类型的喷射系统具有不同的缺点。然而，所述最大可能消耗量的条件发生得相当少，并且在所有其它的运行条件下，通过高压泵供给到共轨中的燃料的量远大于实际的消耗量，因此必需通过调压器将所述燃料的相当大一部分排放到再循环通道中。通过高压泵泵送随后由调压器排放的燃料所做的功是“无用”功，因此，这种喷射系统存在很低的能量效率。而且，这种喷射系统趋向于使燃料过热，原因是在通过调压器将过量燃料排放到再循环通道中时，燃料本身从很高的压力下传递到基本上环境的压力下，并且作为所述压力泵的结果，燃料加热。

为了解决上述问题，已经提出使用具有可变容量的高压泵，该高压泵能够仅将为保持共轨内的燃料压力在期望值所必需的燃料量供应给共轨。

例如，专利申请EP0481964A1描述了一种配备有电磁致动器的高压泵，所述电磁致动器能够通过改变在高压泵本身的进口阀的闭合瞬间而时刻(instant by instant)改变高压泵的容量。换句话说，通过改变高压泵本身的进口阀的闭合瞬间而改变高压泵的容量。具体地，通过延迟进口阀的闭合瞬间来降低流量，并且通过将进口阀的闭合瞬间提前来提高容量。

专利US6116870A1提供了具有可变容量的高压泵的另一个实例。US6116870A1中所描述的高压泵包括：配备有在气缸内部进行往复运动的活塞的气缸；进给通道；与共轨连接的释放通道；被设计成能够使进入气缸的燃料流通过的进口阀；与释放通道连接并且被设计成能够仅仅使燃料流出气缸的单向释放阀；以及调节装置，该调节装置与进口阀连接以在活塞的压缩步骤过程中保持进口阀开启，因此能够使燃料从气缸流过进给通道。进口阀包括可以沿着进给通道移动的阀体和阀座，该阀座被设计成与阀体以流体密封的方式啮合，并且被设置在与气缸连通端相对的进给通道端。调节装置包括控制元件，该控制元件与阀体连接，并且在容许阀体以流体密封的方式啮合阀座的被动位置和不容许阀体以流体密封的方式啮合阀座的主动位置之间移动。与控制元件连接的是电磁致动器，该电磁致动器被设计成能够在被动位置和主动位置之间移动控制元件。

在变容量高压泵出(机械的、电或电子的)故障的情况下，变容量高压泵本身能够以比所需量大得多的燃料量供给共轨，从而导致共轨内的燃料压力的快速增加。一旦检测到在高压泵的所述故障的情况，立即关闭低压泵以中断燃料到高压泵的流动，因而阻止共轨内的燃料压力的失控升高。然而，关闭低压泵具有稍微延迟的效应(等于高压泵中的某几个泵送循环)，因此在没有进一步的限制干涉的情况下，在共轨内的燃料压力可能达到高于可以被喷射系统组件物理承受的最大值的值，结果所述组件出故障，并且在高压下燃料流出并且进入发动机室中。为了在高压泵出故障的情况下限制共轨内的燃料的最大压力，在已知的喷射系统中，始终存在通过控制单元控制的电动机械调压器或机械压力限制器。

然而，使用进入到储箱中的相应减压用管道将电动机械调压器或机械压力限制器与共轨的连接在购买组件方面和安装所述组件方面需要不可忽略的成本；根据干涉情况的突发性(即，导致共轨内的燃料压力的突然升高的高压泵故障的情况)，所述成本是非常不合理的。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法，所述方法没有上述缺陷，并且特别是实施起来容易而且廉价。

根据本发明，提供一种用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法，所述共轨型燃料供给系统用于配置有多个气缸的内燃机，所述方法包括下列步骤：

通过高压泵，将加压燃料(fuel under press)供给至与多个喷射器连接的共轨中；

检测所述共轨内的燃料压力的有效值；

将所述共轨内的燃料压力的有效值与所述共轨内的燃料压力的安全值进行比较；以及

如果所述共轨内的燃料压力的有效值高于所述共轨内的燃料压力的安全值，则确定紧急状态；

所述方法的特征在于它包括下列进一步的步骤：在紧急状态下，驱动喷射器以将共轨中存在的燃料的一部分排出的，从而遏制(contain)在所述共轨中的燃料压力的增加。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，所述附图说明其实施方案的非限制性实例，其中：

-图1是实施构成本发明主题的控制方法的共轨型的燃料直接喷射系统的示意图；

-图2是图1的燃料直接喷射系统的燃料喷射器的侧视截面示意图；

-图3是图2的细节放大图；和

-图4是示意性显示图1的若干燃料直接喷射系统在高压泵出故障过程中的时间曲线的图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1在整体上表示用于将燃料直接喷射到配备有4个气缸3的内燃机2中的共轨型系统。喷射系统1包括4个喷射器4，所述喷射器4的每一个都被设计成将燃料直接喷射在发动机2的相应气缸3内，并且接受来自共轨5的加压燃料。

高压泵6通过供给管7将燃料供给到共轨5中，并且配置有用于调节流量的装置8，所述装置通过控制装置9控制，被设计成将共轨5内的燃料压力保持在通常作为发动机点(即，发动机2的运行状态)的函数而及时变化的期望值。举例来说，调节装置8包括电磁致动器(未图解)，该电磁致动器能够通过改变高压泵6本身的进口阀(未图解)的闭合瞬间而时刻改变高压泵6的燃料的流量m_HP。具体地，通过延迟进口阀(未图解)的闭合瞬间来降低燃料流量m_HP，而通过将进口阀(未图解)的闭合瞬间提前来增加燃料流量m_HP。

具有基本上恒定的容量的低压泵10将燃料通过管12从储箱11供给到高压泵6中。

控制单元9通过使用在共轨5内部的燃料压力值作为反馈变量的反馈控制，调节高压泵6的燃料流量m_HP，所述压力值是由传感器13实时检测的。

每一个喷射器4通过控制单元9周期性控制，使得它将燃料喷射到发动机的相应气缸3内。喷射器4具有针的液压致动，因此与排气通道14连接，所述排气通道14具有略高于环境压力的压力，并且通常分布(give out)在储箱11内部的低压泵10的上游。

根据在图2和3中的图解，每一个燃料喷射器4容纳于具有纵轴16的圆柱体15中，并且被控制成从喷嘴17喷射燃料，喷嘴17通过喷射阀18调节。在圆柱体15中制造有喷射室19，所述喷射室19在底部与喷射阀18的阀座20分开，并且以可滑动的方式容纳喷射阀18的针21的底部，这样，针21能够在液压致动器装置22的推动下沿着纵轴16在阀座20的闭合位置和打开位置之间移动。

针21的顶部容纳于控制室23中，并且与弹簧24连接，该弹簧24对针21本身施加趋向于将针21本身保持在闭合位置的方向向下的力。

此外，圆柱体15具有供给通道25，该供给通道25从圆柱体15的顶端开始，并且将加压燃料供给到喷射室19中。从供给通道25分支的是另一个供给通道26，该供给通道26被设计成使供给通道25与控制室23连通，以将加压燃料也供给到控制室23。

从控制室23开始的是排放管27，该排放管27分布在圆柱体15的顶部内，并且将控制室23设置为与排气通道14连通。排放管27通过控制阀28来调节，该控制阀28被设置在控制室23的附近，并且通过在其中控制室23与排放管27分离的闭合位置和其中控制室23与排放管27连接的打开位置之间的电磁致动器29控制。电磁致动器29包括趋向于将控制阀28保持在闭合位置的弹簧30。

相对于供给通道25的部分，供给通道26的部分、控制阀28的部分和排放管27的部分是大小合适的，以这样的方式使得当在控制阀28打开时，控制室23中的燃料压力将下降至比喷射室19中的燃料压力低得多的值，并且以这样的方式使得流过排放管27的燃料流量是流过喷嘴17的燃料流量的一部分。

在使用中，当切断电磁致动器29的电源时，通过弹簧30产生的力将控制阀28保持在闭合位置。因此，作为供给通道26的结果，控制室23中的燃料压力与喷射室19中的燃料压力相同。在这种情形下，由弹簧24产生的力和由针21的对控制室23有利的可用区域相对于喷射室19的不平衡所产生的液压力将喷射阀18保持在闭合位置。

当电磁致动器29通电时，控制阀28对抗弹簧30的力而带进打开位置。因此，将控制室23设置为与排气通道14连通，并且在控制室23中的燃料压力下降至比喷射室19中的燃料压力低得多的值。如前所述，在喷射室19中和在控制室23中的燃料压力之差是由于供给通道26的部分、控制阀28的部分和排放管27的部分相对于供给通道25的部分的大小调整所致的。

作为喷射室19中和控制室23中的燃料压力之间的不平衡的结果，在针21上产生液压力，所述液压力对抗弹簧24的作用向上移动针21以使喷射阀18进入打开位置，并能够通过喷嘴17喷射燃料。

当切断电磁致动器29的电源时，由弹簧30产生的力使控制阀28进入闭合位置。因此，在控制室23中的燃料压力趋向于升高直至它达到喷射室19中的燃料压力。在这种情形下，由弹簧24产生的力和由针21的对控制室23有利的可用区域相对于喷射室19的不平衡产生的液压力使喷射阀18进入在上述闭合位置。

优选地，供给通道26具有限制部分，以在针21的闭合瞬间过程中(即，当针21从打开位置转到闭合位置时)，获得控制室23和喷射室19之间的压差的瞬间增加，从而增加作用于针21的力，因此，加速针21本身的闭合。

从上述清楚看出，当喷射器4的电磁致动器29被控制时，首先打开控制阀28，并且存在于控制室23中的燃料开始流过排放管27并且流向排气通道14。在离打开控制阀28一定时间间隔之后，在针21上，产生液压性的推力，从而导致喷射阀18打开，因此通过喷嘴17供给燃料。

换句话说，如果喷射器4的电磁致动器29被控制比阈值ET_min长的时间间隔，则仅发生燃料通过喷嘴17的供给。相反，如果喷射器4的电磁致动器29被控制比阈值ET_min低的时间间隔，则可能发生控制阀28的打开，因此燃料流出到排气通道14中，但是没有发生燃料通过喷嘴17的供给。明显的是，如果喷射器4的电磁致动器29被控制极短并且比阈值ET_min短得多的时间间隔，则甚至不发生控制阀28的打开。

喷射器4的阈值ET_min与喷射器4本身的组件的特性、公差和老化有关。因此，在喷射器4之间的阈值ET_min可以变化(略微)，并且对于同一个喷射器4，在喷射器4本身的寿命中也可以变化(略微)。而且，喷射器4的阈值ET_min可以以也与共轨5中的燃料压力值也成反比的方式变化，即共轨5中的燃料压力越高，阈值ET_min越低。

参考图1，控制单元9时刻确定在共轨5内部的燃料压力值的期望值，该期望值作为发动机点的函数，因此对共轨5的燃料压力的有效值有序地作用以快速并且精确地追随期望值。

在共轨5内部的燃料压力的变量dP/dt由共轨5的下列状态等式得到：

[1]dP/dt＝(k_b/Vr)×(m_HP-m_喷射-m_泄漏-m_回流)

其中

dP/dt    是共轨5内部的燃料压力的变量；

k_b       是燃料的体积模量，

Vr       是共轨5的容积，

m_HP      是高压泵6的燃料流量，

m_喷射    是通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量，

m_泄漏    是由喷射器4的泄漏所致的燃料损失的流量，

m_回流    是为喷射器4的致动而被喷射器4吸收，并且排放到排放

管线14中的燃料的流量。

从上述方程清楚地显现，在共轨5内部的燃料压力的变量dP/dt是正的，条件是高压泵6的燃料流量m_HP大于下列流量之和：通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射，由喷射器4的泄漏所致的燃料损失的流量m_泄漏，以及为喷射器4的致动而被它们吸收并且排放到排放管线14中的燃料的流量m_回流。应当注意通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射和为致动喷射器4而被其吸收并且排放到排放管线14中的燃料的流量m_回流，根据控制喷射器4的方式而极大地变化(它们甚至可以是0)，而由喷射器4泄漏所致的燃料损失的流量m_泄漏是相当恒定的(它仅仅随着共轨5内部的燃料压力增加而略有增加)，并且总是存在的(即，它从不为0)。

当控制单元9检测到紧急状态，即，存在导致共轨5内的燃料压力突然增加的高压泵6的故障(例如，所述控制单元9通过压力传感器13检测到共轨5中的燃料压力的意外地突然升高)时，控制单元9本身立即关闭低压泵10以停止高压泵6的供给(即，中断燃料到高压泵6的流动)。而且，为了防止共轨5内的燃料压力超过确保喷射系统1的密封性和整体性的安全值，控制单元9控制喷射器4(即，它给喷射器4的电磁致动器29通电)以将存在于共轨5中的部分燃料排放，即与产生发动机控制所需的转矩所必需的流量相比，为喷射器4致动而吸收并且被排放到排气通道14中的燃料的流量m_回流增加，并且通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射也可以增加。

换句话说，根据存在共轨5中的燃料压力的增加，控制单元9决定是否为了容纳所述增量，而充分增加为喷射器4致动而被吸收并且被排放到排气通道14中的燃料的流量m_回流，或是否还必需相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量，增加通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射。显然，存在于共轨5中的燃料压力增量越高(即，高压泵6的燃料流量m_HP比实际需要更高)，就越可能是，为了容纳所述增量，控制单元9还将不得不使相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量，增加通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射。

为了增加为喷射器4致动而被吸收并且被排放到排气通道14中的燃料的流量m_回流，在喷射器4本身不用于喷射燃烧过程所需的燃料时，控制单元9使用脉冲串驱动喷射器4(即，它给喷射器4的电磁致动器29通电)，所述脉冲串的每一个都具有接近，但是短于相应阈值ET_min的驱动时间间隔ET_red。以这种方式，没有进行燃料到气缸3的喷射，而是增加为喷射器4致动而被吸收并且被排放到排气通道14中的燃料的流量m_回流。应当强调用以驱动每一个喷射器4的驱动时间间隔ET_red必需短于阈值ET_min，但是必需不过分短于阈值ET_min。另外，排放到排气通道14中的燃料量很小，甚至为0。换句话说，所述控制策略预想到在喷射器4本身不用于喷射燃烧过程所需的燃料时的喷射器4的一系列微致动。

每一个喷射器4的驱动时间间隔ET_red的持续时间通常取决于共轨5内的燃料压力，并且必需始终短于阈值ET_min，以防止不需要的在气缸3内的燃料喷射。如前所述，因为从喷射器4到喷射器4的阈值ET_min可以变化以及在给定的喷射器4的寿命中，优选在控制单元9中执行每一个喷射器4的驱动时间间隔ET_red的持续时间的优化算法，以防止所述驱动时间间隔ET_red可能超过阈值ET_min。

为了相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量，增加通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料流量m_喷射，在辅助性打开不导致任何燃烧，并且由此不导致释放不适宜的转矩时，控制单元9优选进行喷射器4的所述辅助性打开。例如，控制单元9可以只在气缸3的排气步骤中(或者也在膨胀步骤的末端部分中)进行喷射器4的辅助性打开。实际上，在每一个气缸3的排气步骤中，喷射到气缸3本身中的燃料没有燃烧(因此，它不导致产生任何不适宜的转矩)，并且立即排出到排气系统中。

在特别临界的情形下(通常地，在其中通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射通常为0的关闭步骤期间出现高压泵6的故障时)，为了充分限制存在于共轨5中的燃料压力的增加，仅在所述辅助性打开不导致任何燃烧并且由此不导致释放不适宜的转矩时，才进行喷射器4的辅助性打开可能是不够的。在这种情况下，可能有用的是降低(通过适当地控制调节进入空气的流量的节流阀)被气缸3所吸收的空气的流量，以这样的方式使得由于缺乏燃烧空气，而防止在辅助性打开过程中被喷射到气缸3中的辅助性燃料的任何情况的燃烧。

应当注意气缸3所吸收的空气的流量的降低不但对于因缺乏燃烧空气而防止在气缸3内部的辅助性燃料的燃烧是有利的，而且对于因缺乏燃烧空气而防止在排气系统内的辅助性燃料的燃烧是有利的。以这种方式，可以防止在排气系统中的过度的过热温度，该过热温度可能损害排气系统本身。

概括上面所述，在控制单元9检测到共轨5中的燃料压力的意外地突然增加时，控制单元9本身立即关闭低压泵10，以中断到高压泵6的供给。而且，为了防止在共轨5中的燃料压力超过确保喷射系统1的密封性和整体性的安全值，控制单元9通过在喷射器4上给与微致动的脉冲(burst)以及可以通过优选在气缸3的排气步骤过程中进行喷射器4的辅助性打开，驱动喷射器4，以将在共轨5中存在的燃料的一部分排出，所述脉冲将能够增加为喷射器4致动而被吸收的燃料的流量m_回流。如果控制单元9进行喷射器4的辅助性打开，则控制单元9本身关闭调节进入空气的流量的节流阀，以降低气缸3所吸收的空气的流量，以这样的方式使得由于缺乏燃烧空气，而防止在辅助性打开过程中喷射到气缸3中的辅助性燃料的任何情况下的燃烧。

上面所述在图4的曲线图中有示意性显示，其中在t₁时刻，高压泵6出现导致高压泵6的燃料流量m_HP的不均匀增加的故障。在图4中，m_HP表示高压泵6的所期望的燃料流量，而M_Phil是高压泵6的有效的燃料流量。在高压泵6出故障之后，共轨5中的燃料压力(在图4中由p表示)从作为期望工作值的p₁值增加，直至它达到作为上述应急程序的干涉阈值的p₂值为止。当在共轨5中的燃料压力达到作为上述应急程序的干涉阈值的p₂值时，控制单元9将低压泵10关闭(m_LP为低压泵10的燃料流量)，并且驱动喷射器4以增加为喷射器4致动而被吸收并且被排放到排气通道14中的燃料流量m_回流，并且增加通过喷射器4喷射到气缸3中的燃料的流量m_喷射。在图4中，rpm为的发动机2的r.p.m。

如前所述，在它检测到存在导致共轨5本身内的燃料压力的突然增加的高压泵6的故障时，控制单元9通过关闭低压泵10并且限制共轨5内的燃料压力来干涉。同样在控制单元9本身检测到压力传感器13的故障时，控制单元9进行类似的干涉，从而使得不能足够精确地获知共轨5内的燃料压力。

上述用于处理与高压泵6的故障相关的紧急情况的控制策略具有下列优点：在包括共轨5中的燃料压力的增加时特别有效，同时实施起来非常廉价，因为它只使用燃料直接喷射的当代发动机中通常存在的组件。换句话说，它不再必需将电动机械调压器或机械压力限制器与共轨5连接，以用于在紧急情况下限制共轨5中的燃料压力，因为通过上述喷射器4的控制，同样有效地获得所述限制。

Claims (8)

1.一种用于在共轨型燃料供给系统中控制过压的方法，所述共轨型燃料供给系统用于配置有多个气缸的内燃机，所述方法包括下列步骤：

通过高压泵将加压燃料供给至与多个喷射器连接的共轨，其中所述喷射器中的每一个具有针的液压致动，并且为其致动而吸收一定流量(m_回流)的燃料，所述燃料被排放到排气通道中；

检测所述共轨内的燃料压力的有效值；

将所述共轨内的燃料压力的有效值与所述共轨内的燃料压力的安全值进行比较；

如果所述共轨内的燃料压力的有效值高于所述共轨内的燃料压力的安全值，则确定紧急状态；和

在紧急状态下，驱动所述喷射器以将存在于所述共轨中的燃料的一部分排出，以遏制所述共轨中的燃料压力的增加；

所述方法的特征在于它包括进一步的步骤：

在紧急情况下，为了遏制所述共轨中的燃料压力的增加，决定增加所述喷射器为它们的致动而吸收的燃料的流量(m_回流)是否足够；和

在紧急情况下，当增加所述喷射器为它们的致动而吸收的燃料的流量(m_回流)不足够时，也驱动所述喷射器，用于使喷射到所述气缸中的燃料的流量(m_喷射)相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量而增加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压泵接收来自低压泵的燃料，在紧急情况下，存在可预想到的关闭所述低压泵的另外步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在紧急情况下，在辅助性打开不导致燃烧，并且由此不导致释放不适宜的转矩时，进行所述喷射器的所述辅助性打开。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述气缸排气步骤过程中和在所述气缸的膨胀步骤的末尾部分过程中，进行所述喷射器的所述辅助性打开。

5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下另外步骤：当驱动所述喷射器以用于使喷射到所述气缸中的燃料的流量相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量而增加时，在紧急情况下，降低由所述气缸吸入的空气的流量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中在紧急情况下，驱动所述喷射器只为增加为所述喷射器致动而被喷射器本身吸收的燃料的流量(m_回流)，并且只在需要的情况下，也驱动所述喷射器，用于使喷射到所述气缸中的燃料的流量(m_喷射)相对于产生发动机控制所需的转矩所必需的流量而增加。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括下列进一步的步骤：

确定所述喷射器的阈值(ET_min)，以使如果所述喷射器被驱动比阈值(ET_min)短的时间间隔，则每一个喷射器都没有进行任何燃料的喷射；以及

在紧急情况下，当所述喷射器本身不用于喷射燃烧过程所需的燃料时，通过所述喷射器本身被驱动比阈值(ET_min)短的驱动时间间隔(ET_red)，增加为所述喷射器致动而被喷射器所吸收的燃料的流量(m_回流)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中即使在检测到测量所述共轨内的燃料压力的压力传感器的故障时，也确定紧急状态。

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