CN101440765B - 配备有高压燃料泵的共轨型直喷系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种内燃机(2)中共轨型直喷系统(1)的控制方法，该控制方法包括以下步骤：借助高压泵(6)将增压后的燃料输送到共轨(5)，该高压泵提供至少一个由内燃机(2)的驱动轴(21)机械操作的泵浦元件(15)；测量驱动轴(21)的角位置；测量共轨(5)中的燃料压力(P_rail)；分析共轨(5)中燃料压力(P_rail)的振荡；以及根据共轨(5)中燃料压力(P_rail)的振荡，确定高压泵(6)的泵浦元件(15)相对于驱动轴(21)的相位。

Description

配备有高压燃料泵的共轨型直喷系统的控制方法

技术领域

本发明涉及配备有高压燃料泵的共轨型直喷系统的控制方法。

背景技术

在共轨型直喷系统中，高压燃料泵借助低压泵接收来自储料罐的燃料流，并将燃料输送至以液压方式连接至多个喷射器的共轨。共轨中燃料的压力必须根据引擎点来恒定地进行控制，这可以通过改变高压泵的瞬时流速，或是通过恒定地将多余的燃料输送到共轨并通过借助调节阀将多余的燃料从共轨自身中排放出去来实现。通常，优选采用改变高压泵瞬时流速的解决方案，这是因为它提供了更高的能量效率并且不会引起燃料的过热。

为了改变高压泵的瞬时流速，在第EP0481964A1号专利申请或在第US6116870A1号专利中已经提出了针对这类问题的解决方案，这些专利描述了使用可变流速高压泵，其能够为共轨仅输送等于期望值的用于维持共轨中的燃料压力所需的燃料量；具体而言，高压泵配备有电磁致动器，其能够通过改变高压泵自身的进气阀的关闭时刻而逐个时刻地改变高压泵的流速。

或者，为了改变高压泵的瞬时流速，已经提出了在泵房的上游插入流速调节装置，该装置包括根据共轨中所需的压力进行控制的具有连续可变截面的瓶颈。

然而，上述这些用于改变高压泵的瞬时流速的方案在机械结构上非常复杂，并且无法实现以高精度来调节高压泵的瞬时流速。此外，包括可变截面瓶颈的流速调节装置在低流速的情况下提供了很小的通道截面，而这种小通道截面决定了很高的局部压力损失(局部负载损失)，这会影响到用于调节吸入到高压泵泵房中的燃料的进气阀的正常工作。

为此，在第EP1612402A1号专利申请中已经提供了针对这类问题的解决方案，该专利涉及高压泵，包括多个借助相应的进气和输送行程以往复式运动工作的泵浦元件，其中每个泵浦元件配备有与通过低压泵输送的进气管相连通的相应的进气阀。在进气管上设置有以斩波(choppered)方式控制的截流阀，用于调节输送到高压泵的瞬时燃料流速；换言之，该截流阀是打开/关闭(开/关)型阀门，它通过改变打开时间与关闭时间之间的比例来驱动，从而改变输送到高压泵的瞬时燃料流速。以这种方式，截流阀总能提供有效的宽通道截面，该宽截面并不决定可感知的局部压力损失(局部负载损失)。

借助具有恒定内部同步率的截流阀的驱动频率，其是根据高压泵的泵浦频率预先确定的(典型地，对于高压泵的每个泵浦行程执行一个截流阀的打开/关闭周期)，截流阀相对于高压泵的机械致动同步地进行控制(这是由接收来自驱动轴的运动的机械传动进行的)。已经发现，在高压泵的每次泵浦时都会有一个相当窄的临界角；如果在该临界角处给出截流阀的打开命令，则可能发生输送到高压泵的燃料输送不规律，这种输送不规律接下来会导致共轨中的燃料压力扰动。

为了避免在高压泵的临界泵浦角处发送截流阀的打开命令，已经提出了根据高压泵的泵浦来为截流阀命令确定相位；然而，这种解决方案要求精确地获知高压泵的泵浦相位(即，高压泵的机械致动相位)，因此被迫需要在高压泵中安装角编码器，这会显著增大成本(角编码器是非常昂贵的传感器并且相当笨重)。

代替在高压泵中安装角编码器的方案，可以使用由发音轮提供的信号，其能瞬时检测驱动轴的角位置，从该驱动轴获得使高压泵运转的动作；然而，在这种情况下，对从驱动轴中产生出动作来使高压泵运转的机械传动和高压泵本身有必要进行精确的构建和组装，并且这种元件的构造和组装会显著增加成本。换言之，使高压泵运转的机械传动接收来自驱动轴的运动，并因此提供了与驱动轴的旋转速度成正比的致动频率(因此，通过获知驱动轴的旋转速度，则立即获知使高压泵运转的机械传动的致动频率)；然而，由于构建和组装限制，使高压泵运转的机械传动不能保证相对于驱动轴的预定相位的关系，并且因此无法预先获知使高压泵致动的机械传动和驱动轴之间的相位。

发明内容

本发明的目的是提供一种配备有高压燃料泵的共轨型直喷系统的控制方法，这种控制方法没有上述缺陷，特别地，该方法简单易行且具有成本效益。

根据本发明，一种内燃机中的共轨直喷系统的控制方法；该控制方法包括下列步骤：

借助高压泵将增压后的燃料输送到共轨，该高压泵提供至少一个由内燃机的驱动轴机械操作的泵浦元件；

测量驱动轴的角位置；以及

测量共轨中的燃料压力；

该控制方法的特征在于还包括以下步骤：

分析共轨中燃料压力的振荡；以及

根据共轨中燃料压力的振荡，确定高压泵的泵浦元件相对于驱动轴的相位。

附图说明

参考图示出本发明非限制性实施例的附图来描述本发明；具体地，附图是实现了本发明控制方法目的的共轨型喷射系统的示意图。

具体实施方式

在附图中，附图标记1表示共轨型系统整体，用于将燃料直喷入设置有四个汽缸3的内燃机2中。喷射系统1包括四个喷射器4，每个喷射器提供液压针式致动系统，并适于将燃料直喷入内燃机2的相应汽缸3中，并从共轨5中接收增压后的燃料。

可变输送高压泵6将燃料通过输送管7输送到共轨5。依次地，借助高压泵6的进气管9将高压泵6连接至低压泵8。低压泵8设置在燃料罐10的内部，在燃料罐10上引出喷射系统1的多余燃料排放通道11，这种排放通道11从喷射器4和液压耦连到共轨5的机械卸压阀12中接收多余的燃料。将卸压阀12调校为当共轨5中的燃料压力P_rail超过安全值时自动打开，这确保了喷射系统1的密闭性和安全性。

每个喷射器4适于在电子控制单元13的控制下将可变量的燃料喷射到相应的汽缸3中。如前所述，喷射器4提供了针式的液压致动，因此连接到排放通道11，排放通道提供了比环境压力稍高的压力并将低压泵8的上游直接连接到燃料罐10中。对于其致动，即对于喷射燃料来说，每个喷射器4吸取一定量的排放到排放通道11中的增压后的燃料。

电子控制单元13连接到压力传感器14，该压力传感器14检测共轨5中的燃料压力P_rail，并根据共轨5中的燃料压力P_rail来控制高压泵6的回流速率；这样，共轨5中的燃料压力P_rail维持在等于根据引擎点(即，根据引擎2的工作状况)随时间可变的所需值上。

高压泵6包括一对泵浦元件15，每个均由具有泵浦室17的汽缸16形成，泵浦室中运动活塞18通过凸轮19的推动以往复式运动方式滑动，凸轮19由接收来自内燃机2的驱动轴21的运动的机械传动20来运转。每个压缩室17配备有与进气管9连通的相应的进气阀22，以及与输送管7连通的相应的输气阀23。两个泵浦元件15以相反的相位往复式地运转，因此通过进气管9发送到高压泵6的燃料每次仅通过一个泵浦元件15吸入，即在该时刻执行吸气行程的那一个泵浦元件(在同一时刻，另一个泵浦元件15的进气阀22当然是关闭的，另一泵浦元件15处于压缩相位下)。

沿着进气管9设置有提供电磁致动的截流阀24，其由电子控制单元13进行控制并且是打开/关闭(开/关)类型的；换言之，截流阀24可以仅处于完全打开的位置或完全关闭的位置。具体地，截流阀24提供了有效的宽引入截面，以充分地实现对每个泵浦元件17的输送，而不会引起任何压力下降。

从共轨5的下列状态方程中得出共轨5中的燃料压力变化dP_rail/dt：

[1] dP_rail/dt＝(k_b/V_r)×(m_HP-m_Inj-m_Leak-m_BackFlow)

dP_rail/dt是共轨5中的燃料压力变化；

k_b是燃料体模量；

V_r是共轨5的体积；

m_HP是来自高压泵6的燃料流速；

m_Inj是喷射器4的汽缸3中的喷射器燃料流速；

m_Leak是通过泄露损失的燃料流速(绝大部分通过喷射器4)；

m_{BackFlow rate}是通过喷射器4吸取用于其致动以及排放到排放通道11中的燃料流速。

从上述方程中可以明显地看到，如果高压泵6的燃料流速m_HP高于通过喷射器4喷射到汽缸3中的燃料流速m_Inj、通过泄露损失的燃料流速m_Leak、以及通过喷射器4吸取用于其致动并排放到排放通道11中的燃料流速m_BackFlow的总和，则共轨5中的燃料压力变化dP_rail/dt是正的。值得注意的是，根据喷射器4的驱动模式，通过喷射器4喷射到汽缸3中的燃料流速m_Inj和通过喷射器4吸取用于其致动并排放到排放通道11中的燃料流速m_BackFlow是极度可变的(甚至可以是零)，而通过泄露损失的燃料流速m_Leak则是相当稳定的(它仅随着共轨5中燃料压力P_rail的增大而略微增大)，并且总是存在的(即，永远不会是零)。

高压泵6的流速仅通过使用截流阀24来进行控制，该截流阀24是以斩波方式通过电子控制单元13根据共轨5中燃料压力P_rail来进行控制的。具体地，电子控制单元13根据引擎点逐个时刻地确定共轨5中燃料压力P_rail的所需值，并因此调节由高压泵6输送到共轨5的瞬时燃料流速，以便遵循共轨5中燃料压力P_rail的所需值本身。为了调节由高压泵6输送到共轨5的瞬时燃料流速，电子控制单元13通过改变截流阀24的打开时间的持续时间和关闭时间的持续时间之间的比例，调节由高压泵6通过截流阀24吸入的瞬时流速。

换言之，电子控制单元13周期性地控制截流阀24的打开和关闭，以阻塞通过高压泵6吸入的燃料流速，并通过改变截流阀24的打开时间的持续时间和关闭时间的持续时间之间的比例来调节由高压泵6吸入的燃料流速。通过改变截流阀24的打开时间的持续时间和关闭时间的持续时间之间的比例，截流阀24的打开时间的百分比相对于高压泵6的泵旋转的持续时间发生变化。在截流阀24的打开时间期间，高压泵6吸入可能穿越截流阀24的最大量流速，而在截流阀24的关闭期间，高压泵6不发生任何吸入；这样，可以获得在极大值和零之间可变的高压泵6的平均泵旋转流速。

已经观察到，在高压泵6的每次泵浦中具有相当窄的临界角；如果在临界角处给出截流阀24的打开命令，则可能发生输送到高压泵6的燃料输送不规律，这种输送不规律接着会导致共轨5中的燃料压力P_rail的扰动。

根据优选实施例，借助具有常整数同步率的截流阀24的驱动频率，其是根据高压泵6的泵浦频率预先确定的(典型地，对于高压泵6的每次泵浦执行截流阀24的一个打开/关闭周期)，电子控制单元13相对于高压泵6的机械致动同步地驱动截流阀24(这是通过接收来自驱动轴21的运动的机械传动20所进行的)。为了避免在临界角处给出截流阀24的打开命令，电子控制单元13相对于高压泵6的机械致动(即相对于驱动轴21的角位置，从驱动轴获得用于使高压泵6致动的运动)适当地为截流阀24的打开命令确定相位；接着，电子控制单元13必须得知高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的至少具有相当精度的相位。

换言之，电子控制单元13相对于高压泵6的机械致动(即相对于驱动轴21的角位置，从驱动轴获得用于使高压泵6致动的运动)为截流阀24的驱动确定相位，以便以位于高压泵6的临界角之外的所需角位置给出截流阀24的打开命令。

为了估算高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位，电子控制单元13以已知方式借助键连接在驱动轴21本身上的发音轮(未示出)来测量驱动轴21的角位置，借助压力传感器14以已知方式测量共轨5中的燃料压力P_rail，分析共轨5中的燃料压力P_rail的振荡，并根据共轨5中的燃料压力P_rail的振荡来确定高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位。

优选地，当没有燃料喷射时，即在当内燃机2的曲柄转动时共轨5的增压步骤期间，或者在内燃机2的切断步骤期间，电子控制单元13根据共轨5中的燃料压力P_rail的振荡来确定高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位。具体地，在内燃机2的切断相期间，仅当共轨5中的燃料压力P_rail高于预定阈值时(即在压力P_rail已达到基本上稳定的值时)和/或仅当驱动轴21的旋转速度包含在预定的测量范围内时，电子控制单元13确定泵浦元件15的相位；这样，通过提高在确定泵浦元件15的相位时的精度，可以使得压力信号中呈现的信息更为可信。

根据前面的方程[1]，当没有燃料喷射时，共轨5中的燃料压力P_rail通过高压泵6的燃料流速m_HP的作用而增大，并通过由泄露损失的燃料流速m_Leak的作用而下降。由泄露损失的燃料流速m_Leak是相当稳定的(它仅会随着共轨5中的燃料压力P_rail增大而略微增大)并且总是存在的(即，永远不会是零)，而高压泵6的燃料流速m_HP具有可变的趋势，其在高压泵6的泵浦元件15的TDC(上止点)处具有零值；因此，当没有燃料喷射时，共轨5中的燃料压力P_rail具有可变的趋势，其在高压泵6的泵浦元件15的TDC(上止点)处具有极大值。

为了确定高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位，电子控制单元13确定驱动轴21的角位置，在该角位置处共轨5中的燃料压力P_rail达到相对极大值，并根据共轨5中的燃料压力P_rail达到相对极大值时驱动轴21的角位置，确定发生每个泵浦元件15的TDC时驱动轴21的角位置。根据第一实施例，发生每个泵浦元件15的TDC(上止点)时驱动轴21的角位置经估算等于共轨5中的燃料压力P_rail达到相对极大值时驱动轴21的角位置。根据另外的实施例，发生每个泵浦元件15的TDC时驱动轴21的角位置经估算等于共轨5中的燃料压力P_rail达到极大值时通过角修正值修正的驱动轴21的角位置；优选地，将该角修正值代数地加到共轨5中的燃料压力P_rail达到相对极大值时驱动轴21的角位置上，并且该值可以是常数，或是根据驱动轴21的旋转速度、共轨5中的燃料压力P_rail、和/或由泄露损失的燃料流速m_Leak是可变的。角修正值考虑到了液压惯性，液压惯性确定了每个泵浦元件15的TDC和共轨5中压力峰值之间的偏移量。

如果共轨5中的燃料压力P_rail的测量频率(即，采样频率)足够高(即明显高于高压泵6的致动频率)，则电子控制单元13将在测量时刻驱动轴21的相应角位置与每次测量相关联，检测泵浦周期期间共轨5中的燃料压力P_rail的测量序列，借助算术比较来识别最高的测量值，并确立最高的测量值是相对极大值。这种方法极其简单，但另一方面需要共轨5中的燃料压力P_rail的测量频率(即，采样频率)足够高，而在电子控制单元13上随之产生不可忽略的负载。

或者，在电子控制单元13中，存储了根据高压泵6的泵浦元件15的位置在共轨5中的燃料压力P_rail的变体模型。在使用中，电子控制单元13将在测量时刻驱动轴21的相应角位置与每次测量相关联，检测泵浦周期期间共轨5中的燃料压力P_rail的测量序列，并且通过使用燃料压力P_rail的该变体模型并结合燃料压力P_rail测量，估算在共轨5中的燃料压力P_rail达到相对极大值时驱动轴21的角位置。

例如，共轨5中的燃料压力P_rail的变体模型可以通过下列方程表示：

$\left[2\right]---\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{rail}}}{\mathrm{dt}}=\frac{k_b}{V_r}\·(m_{\mathrm{HP}}-m_{\mathrm{leak}})$

$\left[3\right]{---m}_{\mathrm{HP}}=\mathrm{\η}\·\frac{V_p}{2}\·\underset{{\mathrm{\θ}}_0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

通过泄露损失的燃料流速m_Leak可以在没有喷射时，以及通过分析共轨5中的燃料压力P_rail的衰退、高压泵6的燃料流速m_HP是零时，通过电子控制单元13进行估算，；具体地，使用了由上述方程[1]导出的下列方程[4]：

[4] dP_rail/dt＝(k_b/V_r)×(-m_Leak)

dP_rail/dt是共轨5中的燃料压力变化；

k_b是燃料体模量；

V_r是共轨5的体积；

m_Leak是通过泄露损失的燃料流速(绝大部分通过喷射器4)；

换言之，从获得的共轨5中燃料压力P_rail的趋势中去除了通过泄露损失的燃料流速m_Leak的作用，并且获得了仅由于高压泵6的、所测量的燃料压力P_rail的趋势；通过比较仅由于高压泵6的所测量的燃料压力P_rail的趋势和通过方程[3]提供的相应理论趋势，获得所寻求的相位确定。

值得注意的是，电子控制单元13优选地执行在不同的后续时刻对高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位进行的各种估算，并确定各种估算的可能的加权算术平均值；重复这一过程直至所获得的平均值稳定为止。

上述用于估算高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位的方法提供了多个优点，因为它能实现有效地(即迅速且精确地)且高效地(即最少利用资源)确定高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位。具体地，值得注意的是，上述估算高压泵的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位的方法是具有成本效益的，并且在共轨型喷射系统中易于实现，这是因为不需要安装相对于那些正常存在的元件以外的任何附加元件。

利用上述估算高压泵6的泵浦元件15相对于驱动轴21的相位的方法，可以避免在以相对于内燃机2基础角的精确角度下组装高压泵6的键连接步骤期间，进行高代价的精度组装设计。

Claims (13)

1.一种内燃机(2)中共轨型直喷系统(1)的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

借助高压泵(6)将增压后的燃料输送到共轨(5)，该高压泵提供至少一个由内燃机(2)的驱动轴(21)机械操作的泵浦元件(15)；

测量驱动轴(21)的角位置；

测量共轨(5)中的燃料压力(P_rail)；

分析共轨(5)中燃料压力(P_rail)的振荡；以及

根据共轨(5)中燃料压力(P_rail)的振荡，确定高压泵(6)的泵浦元件(15)相对于驱动轴(21)的相位，

其中确定高压泵(6)的泵浦元件(15)相对于驱动轴(21)的相位的步骤还包括下列步骤：确定驱动轴(21)的角位置，在该角位置处共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值；以及，根据共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值时的驱动轴(21)的角位置，确定发生泵浦元件(15)的TDC的驱动轴(21)的角位置；

其中确定在共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值时驱动轴(21)的角位置的步骤还包括下列步骤：

根据高压泵(6)的泵浦元件(15)的位置确定共轨(5)中的燃料压力(P_rail)的变体模型；

通过将测量时刻驱动轴(21)的相应角位置与每次测量相关联，检测泵浦周期期间共轨(5)中的燃料压力(P_rail)的测量序列；并且

使用燃料压力(P_rail)的该变体模型与燃料压力(P_rail)的测量相结合，估算在共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值时驱动轴(21)的角位置；

该控制方法的特征在于：在共轨(5)中燃料压力(P_rail)的该变体模型通过下列方程表示：

$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{rail}}}{\mathrm{dt}}=\frac{k_b}{V_r}\·(m_{\mathrm{HP}}-m_{\mathrm{leak}})$

$m_{\mathrm{HP}}=\mathrm{\η}\·\frac{V_p}{2}\·\underset{{\mathrm{\θ}}_0}{\overset{\mathrm{\π}}{\∫}}\sin \mathrm{\θ}\left(t\right)\mathrm{dt}$

P_rail  是共轨(5)中的燃料压力；

k_b  是燃料体模量；

V_r  是共轨(5)的体积；

m_HP  是来自高压泵(6)的燃料流速；

m_Leak  是通过泄露损失的燃料流速；

V_p  是高压泵(6)的每个泵浦元件(15)的体积；

η  是高压泵(6)的效率；

θ₀  是输送角的起始值；

θ  是高压泵(6)的旋转角。

2.根据权利要求1的控制方法，还包括下列步骤：

通过截流阀(24)将燃料输送到高压泵(6)；

周期性地控制截流阀(24)的打开和关闭，以阻塞通过高压泵(6)本身吸入的燃料的流速；

通过改变截流阀(24)的打开时间的持续时间与关闭时间的持续时间之间的比例，来调节通过高压泵(6)吸入的燃料的流速；以及

与高压泵(6)的机械致动同步地并因此与驱动轴(21)的旋转同步地驱动截流阀(24)。

3.根据权利要求2的控制方法，还包括以下步骤：

相对于高压泵(6)的机械致动来为截流阀(24)的驱动确定相位，以便在相对于高压泵(6)的机械致动且因此相对于驱动轴(21)的所需角位置处给出截流阀(24)的打开。

4.根据权利要求2的控制方法，还包括以下步骤：

确定高压泵(6)的至少一个临界角；以及

相对于高压泵(6)的机械致动且因此相对于驱动轴(21)的旋转来为截流阀(24)的驱动确定相位，以便在高压泵(6)的临界角之外给出截流阀(24)的打开控制。

5.根据权利要求1的控制方法，其中当没有喷射时，根据共轨(5)中的燃料压力(P_rail)的振荡来确定高压泵(6)的泵浦元件(15)相对于驱动轴(21)的相位。

6.根据权利要求5的控制方法，其中当启动内燃机(2)时，在共轨(5)的增压相期间确定泵浦元件(15)的相位。

7.根据权利要求1的控制方法，其中在内燃机(2)的关闭相期间确定泵浦元件(15)的相位。

8.根据权利要求7的控制方法，其中仅当共轨(5)中的燃料压力(P_rail)高于给定的预定阈值时，在内燃机(2)的关闭相期间确定泵浦元件(15)的相位。

9.根据权利要求7的控制方法，其中仅当驱动轴(21)的旋转速度包含在预定的测量范围内时，在内燃机(2)的关闭相期间确定泵浦元件(15)的相位。

10.根据权利要求1至9中任一项的控制方法，其中根据共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值时的驱动轴(21)的角位置，估算发生泵浦元件(15)的TDC的驱动轴(21)的角位置。

11.根据权利要求1的控制方法，其中根据共轨(5)中的燃料压力(P_rail)达到相对极大值时通过角修正值修正的驱动轴(21)的角位置，估算发生泵浦元件(15)的TDC的驱动轴(21)的角位置。

12.根据权利要求11的控制方法，其中所述角修正值是常数且是预先确定的。

13.根据权利要求11的控制方法，其中根据驱动轴(21)的旋转速度、共轨(5)中的燃料压力(P_rail)、和/或由共轨(5)泄露损失的燃料流速(m_Leak)，所述角修正值是可变的。

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