CN101418740A - 具有用于离子电流传感和燃料喷射器的共用电源的内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有用于离子电流传感和燃料喷射器的共用电源的内燃机，公开一种用于控制具有燃料喷射器和离子电流传感器的多汽缸内燃发动机的系统和方法，包括在发动机运转的至少部分时期可连接至燃料喷射器和离子传感器并供应相对于标称电池电压基本上相同的标称升压电压给燃料喷射器和离子传感器的高压电源。

Description

具有用于离子电流传感和燃料喷射器的共用电源的内燃机
技术领域
本发明涉及一种为内燃发动机(即内燃机)内的燃料喷射和离子电流传感供应电源的系统和方法。
背景技术
各种类型的火花点火、压缩点火和组合内燃发动机使用将燃料直接喷射进燃烧室内以减少燃料消耗和废气排放。这些可包括例如由汽油或汽油/酒精混合物作为燃料的直喷式火花点火(DISI)发动机、由柴油作为燃料的压缩点火发动机或者由汽油或其他燃料作为燃料的可运转于火花点火模式与压缩点火模式(有时候称之为均质充量压缩着火(HCCI)模式)的组合发动机。可采用高压电源产生用于这些应用的燃料喷射器期望的性能所需的电流，相对于12V或24V的标称电池电压，其典型电压范围例如为60V及以上。
制造商使用更加复杂的传感和处理硬件及软件持续改善内燃发动机的控制以在减少废气排放的同时提高燃料经济性及性能。为了改善燃烧过程的控制，离子电流传感(或离子传感)使用加在位于在燃烧室内的传感器上的偏置电压去产生指示燃烧质量和正时的电流信号。用于稳定的离子电流信号的偏置电压经常超过可直接从车辆电池得到的电压以至于需要升压电路或高压电源去提供例如范围在85V或以上的偏置电压。一些火花点火发动机通过开关点火线圈提供高压电源或在火花产生时使用点火线圈为电容器充电，并且随后电容器放电以在离子传感时期提供偏置电压。尽管适合一些应用，但这些系统不能在没有火花产生时提供用于离子传感的偏置电压，例如在HCCI发动机内的压缩点火模式中。
发明内容
一种用于运转具有燃料喷射器和离子电流传感器的多汽缸内燃发动机的系统和方法，包括在发动机运转的至少部分时间内可连接至燃料喷射器和离子传感器并供应相对于标称电池电压基本上相同的标称升压电压给燃料喷射器和离子传感器的高压电源。
在一个实施例中，一种直喷式多汽缸内燃发动机包括至少部分由具有关联电池电压的电池供能的电气系统、与每个汽缸关联并被配置为在发动机运转时响应控制信号将燃料直接喷射进关联汽缸的燃烧室内的燃料喷射器、定位在多个汽缸中的一个汽缸内的至少一个离子传感器、及连接于至少一个燃料喷射器以及至少一个离子传感器以供应比电池电压高的电压用于燃料喷射器和离子传感器的运转的至少一个高压电源。实施例包括由专用传感器或联合装置，例如火花塞或电热塞，实现的离子电流传感器。
本发明包括具有多种优点的多个实施例。例如，无论火花塞是否放电，本发明的系统和方法能够提供离子电流传感，例如在压缩点火发动机或包括柴油机与HCCI发动机的运转模式中。在火花点火应用中使用高压电源用于为点火线圈充电有利于更短点火线圈充电时间与更短的停留时间的更加灵活的点火正时，其因此提供更长的时间用于收集离子电流数据，该时期通常在线圈/火花放电时被遮蔽。当电源集成在发动机控制器内时，使用单个高压电源去驱动喷射器和离子传感可节省费用和减少所需的控制模块插脚的数量。
上述优点和其他优点及特征在结合附图从下面优选实施例的详细描述中更加显而易见。
附图说明
图1为说明依据本发明的一个实施例的用于控制具有用于喷射器和离子传感的共用电源的直喷内燃发动机的系统和方法运转的框图。
图2为说明依据本发明的带有用于喷射器和离子传感的共用电源的发动机控制器的一个实施例的简化示意图。
图3为说明依据本发明的带有用于喷射器和离子传感的共用电源的发动机控制器的可选实施例的简化示意图。
具体实施方式
本领域技术人员会明白，关于任一附图中所说明和描述的实施例的多种特征可以与一个或多个其他附图中的特征组合以构造没有明确地说明或描述的可选实施例。已说明的特征组合提供用于典型应用的代表性的实施例。然而，与本发明教导相一致的多种组合和修改可应用于特殊的应用或实施。说明中使用的该代表性的实施例总体上涉及一种带有直喷或汽缸内喷射及使用火花塞、电热塞或设置在所述汽缸内的专用离子传感器的离子传感系统的多汽缸内燃发动机。本领域技术人员可认识到相似的应用或实施可用到其他发动机/车辆技术中。
系统10包括具有带有相应燃烧室14的多个汽缸(表示为汽缸12)的内燃发动机。作为本领域技术人员应明白的是，系统10包括多种传感器和执行器以影响发动机的控制。发动机可采用单个传感器或执行器，或者每个汽缸12可采用一个或多个传感器或执行器，这里说明和描述了代表性的执行器或传感器。例如，每个汽缸12可包括四个操作多汽缸发动机中每个汽缸的进气门16和排气门18的执行器。然而，发动机可仅包括单个发动机冷却剂温度传感器20。
控制器22具有微处理器24，其为中央处理单元(CPU)的一部分并与内存管理单元(MMU)25通讯。MMU25控制在多种计算机可读存储介质中的数据移动并传输数据进出CPU 24。计算机可读存储介质优选地包括易失性和非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)26、随机存取存储器(RAM)28和不失效存储器(KAM)30。当CPU 24处于掉电时，KAM30可用于储存多种运转变量。所述计算机可读存储介质可使用任何一种已知存储器装置，如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、快闪存储器(flash memory)，或任何其他能够存储数据的电子、磁体、光学或结合的存储器装置，其中一些带有可执行指令可被CPU 24使用以控制发动机或安装有所述发动机的车辆。计算机可读存储介质也可包括软盘、CD-ROM(只读光盘存储器)、硬盘等。
系统10包括至少部分由提供通常为12V或24V的标称电压VBAT以供能给控制器22的电池116供能的电气系统。作为本领域技术人员应明白的是，标称电压为平均设计电压，其带有实际稳态和由电池提供的响应多种环境和运转状况变化的瞬时电压，运转状况可包括例如老化、温度、充电状态以及电池负载。如现有技术所熟知，当发动机运转时，用于多种发动机/车辆附件的电能可由交流发电机/发电机补充。高压电源120产生相对于标称电池电压的升压标称电压VBOOST，取决于特殊应用和执行其电压范围可为例如85V-100V。电源120用于供应电能给燃料喷射器80和离子传感器，例如火花塞86。如图1中所说明的实施例，高压电源120可与控制模块22相集成。可选地，如果需要可采用外部高压电源。尽管说明为图1中单个功能块，但在一些应用中可具有例如多个内部或外部高压电源120为一个或多个汽缸或汽缸组相关联的部件服务。
CPU 24经由输入/输出(I/O)接口32与多个传感器和执行器通讯。接口32可用单个集成接口实现以提供多种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等。可选地，一个或多个专用硬件或固件芯片可以在特殊信号提供给CPU 24之前用于调节并处理特殊信号。通过I/O接口32由CPU24控制驱动的项目例子为燃料喷射正时、燃料喷射率、燃料喷射持续时间、节气门位置、火花塞点火正时(如果发动机为火花点火发动机)、离子电流传感和调节及其他。通过I/O接口32传送输入的传感器可指示例如活塞位置、发动机转速、车辆速度、冷却剂温度、进气歧管压力、加速器踏板位置、节气门位置、空气温度、排气温度、排气空燃比、排气成分浓度及空气流量。一些控制器架构不包含MMU 25。如果没有采用MMU 25，CPU 24管理数据并直接连接至ROM 26、RAM 28和KAM 30。当然，依赖特殊应用，本发明可利用多于一个CPU 24去提供发动机控制且控制器22可包含多个连接至MMU 25或CPU 24的ROM 26、RAM 28和KAM 30。
在运转中，空气通过进气道34并经由用36表示的进气歧管被分散至多个汽缸中。系统10优选地包括提供相应信号(MAF)至控制器22以指示质量空气流量的质量空气流量传感器38。节气门40可用于调节通过进气道34的空气流。节气门40优选地根据控制器22产生的相应的节气门位置信号通过合适的执行器42电子控制。节气门位置信号可响应相应的发动机输出或由操作者通过加速器踏板46指示的所需扭矩而产生。节气门位置传感器48提供反馈信号(TP)至控制器22以指示节气门40的实际位置去执行节气门40的闭环控制。
歧管绝对压力传感器50用于提供指示歧管压力的信号(MAP)至控制器22。空气通过进气歧管36经由一个或多个进气门16的适当的控制进入燃烧室14。进气门16和排气门18可使用总体上用标号52指示的传统的凸轮轴装置控制。凸轮轴装置52包括凸轮54，其每次燃烧或发动机循环完成旋转一周，对于四冲程发动机需要曲轴56旋转两周，这样凸轮轴54以曲轴56一半的速度旋转。凸轮轴54的旋转(或控制器22处于可变凸轮正时或无凸轮发动机应用)控制一个或多个排气门18以通过排气歧管排出燃烧后空气/燃料混合物。凸轮轴每旋转一转或等同的每一次燃烧循环，汽缸识别传感器58就提供信号(CID)，通过其能确定凸轮轴旋转位置。汽缸识别传感器58包括与凸轮轴54一起旋转的传感轮60，所述传感轮60包括单个突出部或齿，其旋转可被霍尔效应传感器或可变磁阻传感器62检测到。汽缸识别传感器58可被用于识别在汽缸12内指定活塞64的特定位置以用于例如确定燃料供应或点火正时。
通过包括齿轮68和关联传感器70的曲轴位置传感器66提供用于控制发动机的额外旋转位置信息。在一个实施例中，齿轮68包括35个以10度间隔相等分开的齿，其带有单个20度被称为缺失齿的间隙或空间。与汽缸识别传感器58结合，曲轴位置传感器66的缺失齿可被用于产生被控制器22用于燃料喷射和点火正时的信号(PIP)。在控制器22内的专用集成电路芯片(EDIS)可被用于调节/处理由曲轴位置传感器66产生的原始旋转位置信号并且每个燃烧循环每个汽缸均输出信号(PIP)。曲轴位置传感器66也可用于确定发动机转速并在需要时可根据绝对、相对或差分发动机转速识别汽缸燃烧事件。
排气氧传感器63提供信号(EGO)至控制器22以指示排气是稀化学计量还是富化学计量。取决于特殊应用，排气氧传感器63可提供相应于富化学计量或稀化学计量工况的两态信号，或可选地提供与排气的化学计量成比例的信号。这信号可用于例如调节空燃比或控制一个或多个汽缸运转模式。废气通过排气歧管并且在排出到大气之前通过一个或多个排放控制或处理装置90。
燃料输送系统包括带有用于供应燃料给共燃料轨112的燃料泵110的燃料箱100，共燃料轨112提供加压燃料给喷射器80。在一些直喷应用中，凸轮驱动高压燃料泵(未显示)可与低压燃料泵110结合以在共燃料轨112中提供期望的燃料压力。燃料压力可由来自控制器22的相应的信号控制在预定运转范围。在图1中说明的代表性实施例中，燃料喷射器80侧安装于燃烧室14的进气侧，典型地位于进气门16之间，并且响应来自控制器22由驱动器82处理的指令信号直接喷射燃料至燃烧室14内。当然，本发明也可应用于具有穿过燃烧室14的上面或顶部中置安装的燃料喷射器80的应用。
驱动器82可包括多种电路和/或电子装置以选择性地从高压电源120供应电能去驱动与燃料喷射器80关联的螺线管，参照图2-3更详细地描述，且取决于特殊应用和执行可与单个燃料喷射器80或多个燃料喷射器关联。尽管说明和描述关于直接喷射应用，其燃料喷射器常需要高压驱动，但本领域技术人员应该认识到本发明的教导也可应用于使用进气道喷射或每个汽缸多个喷射器和/或每个循环多次燃料喷射的组合策略。
在图1中的实施例，根据当前运转模式响应由控制器22产生并由驱动器82处理和驱动的信号(fpw)，对于单个发动机循环在一个或多个喷射事件中，燃料喷射器80将一些燃料直接喷射进入燃烧室14。在燃烧循环期间的适当时间，控制器22产生由点火系统84处理的信号(SA)以控制火花塞86并开始在燃烧室14内的燃烧，并且随后在火花塞86上施加高压偏置以激活这里描述的离子电流传感。取决于具体应用，该高压偏置可通过火花间隙施加或施加在火花塞86的中心电极与汽缸壁之间。点火系统84可包括一个或多个点火线圈和其他电路/电子装置去驱动关联的火花塞86并提供离子传感。点火线圈的充电可由高压电源120或电池电压供能，如分别参照图2和图3所描述。然而，使用由高压电源120提供的升压电压可提供多种好处，例如减少点火线圈充电时间和停留时间，这样总体上允许更大的点火正时灵活性和/或更长的离子传感时期。
在一个实施例中，每个火花塞86包括专用线圈和关联的电子装置。可选地，单个点火系统84可与多个火花塞86关联。此外，点火系统84可包括多种组件去提供离子电流传感，如参照图2-3描述。图示的代表性的实施例包括每个汽缸内的单个火花塞86，其作用是点燃燃料混合物并且然后作为这里描述的离子传感器。然而，本发明可用于使用双火花塞的应用中，双火花塞中一个或两个提供混合物点燃和/或离子传感。同样地，本发明的实施例可结合其他类型可提供离子信号的装置，例如电热塞或特殊用途专用离子传感器。依据本发明，至少一个共用电源120连接到至少一个燃料喷射器80和至少一个离子传感器(在图示的代表性实施例中由火花塞86实现)并且如这里详细描述在至少一部分发动机运转循环内供应高于电池电压VBAT的电压VBOOST。
控制器22包括执行控制系统10的控制逻辑的软件和/或硬件。在一个实施例中，控制器22控制高压电源120、燃料喷射器80和火花塞86以使电源120选择性地将基本上相同的升压标称电压(相对于电池电压)通过驱动器82提供给燃料喷射器80以及通过点火系统84提供给火花塞86。当然，实际电压可随着周围环境和运转状况的函数而改变。类似地，取决于特殊应用和执行，不同升压标称电压可供应给燃料喷射器80和火花塞86或其他离子电流传感器。
图2为说明用于运转依照本发明一个实施例的集成的高压电源的连接的简化示意图。在该实施例中，电源120与发动机/车辆控制器22集成在一起并包括在运转时用于响应在控制器22内的控制逻辑选择性地连接多种输入/输出的多个开关200。开关200可由一种或多种类型的固态装置，例如晶体管和/或继电器实现，并响应控制信号运转以在发动机运转循环不同部分去选择性地从相同的高压电源120供应基本上相同的标称电压至燃料喷射器和离子传感器。本发明认识到燃料喷射器螺线管82的运转总体上需要高压和相应大电流去启动燃料喷射事件然后通过低压和关联的保持电流以完成该事件。因此，高压电源仅用于运转循环的小部分。在发动机运转循环(点火之后)的不同部分，离子电流传感也使用高压偏置去产生非常小(属于微安培级别的)电流这样可以使用共用高压电源。对于火花点火应用，高压电源也可用于为点火线圈充电所以充电时间和停留时间如前述减少。
在运转时，开关210和开关214闭合以选择性地连接燃料喷射器螺线管82至高压电源VBOOST。电流被二极管220和222阻断并流过螺线管线圈82去启动燃料喷射事件。保持电流可随后通过使用电池电压和开关210、212和214适当的动作提供去完成该燃料喷射事件。来自高压电源120的基本上相同的电压可用于为点火线圈84充电而产生击穿火花塞86的空气间隙的火花，并且随后应用偏置电压去感应指示相应汽缸内的燃烧质量和正时的离子电流信号Isense。为对点火线圈84充电，开关216闭合将初级绕组240的一侧244连接至接地，并且初级绕组240的另一侧242连接至升压电压，导致电流流过初级绕组240。软打开技术可用于确保在开始线圈充电时火花放电事件没有发生而是在期望的线圈闭合时间发生。当控制器22的控制逻辑产生火花信号时，开关216打开去缩灭(collapse)线圈84的磁场并在次级绕组250处感应高压(属于千伏级别)，导致击穿火花塞86的电极的火花放电去启动在相应汽缸内的燃烧。升压电压然后用作为击穿火花塞86的偏置电压，在汽缸内的燃料/空气混合物燃烧时产生的离子击穿火花塞86的空气间隙并产生可被控制器22检测到的小离子电流230。电流镜或类似电路可集成进点火系统84或控制器22内以检测和放大离子电流信号。
如在图2中说明的实施例，用于离子传感的偏置电压由高压电源120提供而不是充电电容器或点火线圈自身，这样无论线圈是否被充电去产生火花，可采用离子传感。在上面的例子中，如果发动机随后运转在HCCI模式，则偏置电压可仍然加于火花塞86的电极(或从电极至汽缸壁)上而不用闭合开关216去为点火线圈充电。
图3为说明依照本发明的用于离子传感器和燃料喷射器的高压电源的可选实施例的简化示意图。在这个实施例中，燃料喷射器螺线管82如之前在图2中描述的运转。然而，电源120′使用电池电压通过二极管251去为点火线圈84充电并选择性地通过开关216将升压电压连接至初级绕组240的一侧244以缩灭线圈84的磁场并启动火花事件。因此，在这个实施例中，通过在高压电源与接地之间选择性地切换初级绕组240的一侧244控制点火线圈。升压电压提供击穿火花塞86的间隙的偏置电压以在关联汽缸内燃料/空气混合物后续燃烧期间形成导电离子时有利于离子电流信号230的产生。
同样地，本发明包括多个实施例，其提供用于离子电流传感器和燃料喷射器的共享的高压电源以促进离子电流传感，无论火花塞是否放电，例如压缩点火发动机或包括例如柴油机与HCCI发动机的运转模式。在火花点火应用中用于为点火线圈充电的高压电源的可用性有利于更短点火线圈充电时间与更短的停留时间的更加灵活的点火正时，其因此提供更长的时期用于收集离子电流数据，该时期当线圈/火花放电时通常地被遮蔽。依照本发明当电源集成在发动机控制器内时，使用单个高压电源去启动喷射器和离子传感也可节省费用和减少所需的控制模块插脚的数量。
尽管已经详细描述了最佳实施例，本领域技术人员可以发现在本发明的权利要求范围内的多种可选设计和实施例。尽管已经描述了关于一个或多个期望特性的多种实施例可能具有优点或相较于其他实施例更为优选，本领域技术人员应该意识到，取决于具体应用和执行，为了达到期望系统属性可对一个或多个特性妥协。这些属性包括，但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、可销售性、外观、装配、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。这里论述的实施例在一个或多个属性上相对于其他实施例或现有技术应用不令人满意也未超出本发明范围之外，并且可满足特殊应用。

Claims (20)

1.一种具有至少部分由具有关联电池电压的电池供能的电气系统的多汽缸内燃发动机，该发动机包括：
燃料喷射器，所述燃料喷射器与每个汽缸关联并被配置用于在发动机运转时响应控制信号喷射燃料；
定位在多个汽缸中的一个内的至少一个离子传感器；及
至少一个共用电源，所述至少一个共用电源连接至至少一个燃料喷射器及至少一个离子传感器用于供应比所述电池电压高的电压以用于所述至少一个燃料喷射器和所述至少一个离子传感器的运转。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述离子传感器包括火花塞。
3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，进一步包括：
点火线圈，所述点火线圈包括具有至少在离子传感时期连接至所述共用电源的初级绕组和连接至所述火花塞的次级绕组，所述初级绕组的第一侧连接至所述共用电源。
4.如权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述点火线圈的初级绕组具有连接至电池电压的第二侧，以及所述点火线圈通过在所述共用电源与接地之间切换所述第一侧控制。
5.如权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述点火线圈的初级绕组具有选择性地连接至接地的第二侧，以及所述点火线圈通过在开路与接地之间切换所述第二侧控制。
6.如权利要求2所述的发动机，其特征在于，在发动机运转时所述火花塞点燃在汽缸内的燃料/空气混合物，以及在火花放电后所述共用电源给所述火花塞加上偏置电压以感应指示所述汽缸内的燃烧的离子电流。
7.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，进一步包括与所述至少一个燃料喷射器和至少一个离子传感器通讯的基于微处理器的发动机控制器，且所述共用电源包含在所述发动机控制器内。
8.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述共用电源提供基本上相同的标称电压给所述至少一个燃料喷射器和所述至少一个离子传感器。
9.如权利要求1所述的发动机，其特征在于，每个燃料喷射器均位于相应的汽缸内以响应控制信号直接将燃料喷射进所述汽缸内。
10.一种用于具有与每个汽缸关联的燃料喷射器和火花塞的直喷式多汽缸内燃发动机的电源系统，所述燃料喷射器响应控制信号将燃料直接喷射进汽缸内，所述火花塞具有用于选择性地作为点火源和离子传感器运作的关联的点火线圈，所述电源系统包括：
高压电源，所述高压电源在发动机运转的至少部分时期可连接至所述燃料喷射器和所述点火线圈并提供相对于标称电池电压基本上相同的标称升压电压给所述燃料喷射器和所述点火线圈。
11.如权利要求10所述的电源系统，其特征在于，每个点火线圈包括带有至少在离子传感时期连接至所述高压电源的第一侧的初级绕组和连接至所述火花塞的次级绕组。
12.如权利要求11所述的电源系统，其特征在于，所述点火线圈的初级绕组具有连接至电池电压的第二侧，以及所述点火线圈通过在所述高压电源与接地之间切换所述第一侧控制。
13.如权利要求11所述的电源系统，其特征在于，所述点火线圈的初级绕组具有选择性地接地的第二侧，以及所述点火线圈通过在高阻抗与接地之间切换所述第二侧控制。
14.如权利要求10所述的电源系统，其特征在于，所述高压电源集成进用于控制所述点火线圈和所述燃料喷射器运转的基于微处理器的发动机控制器内。
15.一种用于控制具有燃料喷射器和离子传感器的多汽缸内燃发动机的方法，该方法包括：
从具有高于车辆电池标称电压的标称电压的共用高压电源选择性地提供基本上相同的电压给所述燃料喷射器和所述离子传感器。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述离子传感器包括火花塞。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，选择性地提供包括选择性地将所述共用高压电源连接至与所述火花塞关联的点火线圈的初级绕阻。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，选择性地提供包括将所述共用高压电源连接至与所述火花塞关联的点火线圈的初级绕阻的第一侧并且选择性地将所述初级绕阻的第二侧接地。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，选择性地提供包括：
提供电池电压给点火线圈的初级绕阻以为所述点火线圈充电；及
在所述点火线圈放电之后的离子电流传感时期，提供高压至所述初级绕阻。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述燃料喷射器包括在运转时用于将燃料直接喷射进相应汽缸内的直喷式燃料喷射器。
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