CN101484679A - 用于估算喷射器燃料温度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于估算喷射器燃料温度的方法和系统。燃料系统(12)用于发动机(15)。该燃料系统具有加压燃料源(32)、多个燃料喷射器(26)和能够将来自燃料源的加压燃料分配至多个燃料喷射器的共用歧管(28)。该燃料系统还具有位于共用歧管上游的第一传感器(60)，和与发动机相连的第二传感器(64)。第一传感器能够产生指示燃料温度的第一信号。第二传感器能够产生指示发动机转速的第二信号。该燃料系统还具有与第一和第二传感器相连通的控制器(54)。控制器能够根据第一信号、第二信号和多个燃料喷射器沿共用歧管的位置来估算在多个燃料喷射器中的每一个处的燃料温度。

Description

用于估算喷射器燃料温度的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统和方法，更具体地涉及一种用于估算流过发动机的单个喷射器的燃料的温度并响应于该估算温度控制喷射器的系统和方法。

背景技术

内燃机例如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料动力发动机都使用喷射器将燃料引入到发动机的燃烧室内。在对燃料进行加压时，引导燃料通过发动机的各部分到单个喷射器并使燃料从喷射器返回，燃料从其周围和从施加在其上的功中吸收热量。由于燃料被加热，因此改变了影响喷射特性的燃料性质。另外，因为在整个发动机中的燃料加热会在发动机运行期间改变，燃料温度及因此在一个喷射器处的喷射特性会与在另一个喷射器处的燃料温度和喷射特性有所不同。如果在发动机运行期间不考虑这些变化的温度和喷射特性，那么向发动机内喷入燃料和随后的发动机的运行就可能是无法预测的。

为了说明这些燃料温度和喷射特性的变化，发动机制造商们已经在尝试估算在每一个喷射器处的燃料温度。在1999年2月2日授予Cleveland等人的美国专利No.5,865,158(′158专利)中公开了一个这样的例子。′158专利介绍了一种用于控制燃料喷射通过沿内燃机中的燃料导轨连接在一起的多个燃料喷射器的方法和系统。该方法包括生成用于每个燃料喷射器的作为期望的燃料喷射量的函数的参考燃料输送控制信号。该方法还包括将每个燃料输送控制信号的脉冲宽度作为每个燃料喷射器附近的燃料温度的函数进行调节。每个喷射器附近的燃料温度通过首先在燃料导轨的入口附近测量燃料温度而确定。然后根据燃料喷射器沿导轨的位置补偿该测量温度，以确定每个喷射器附近的燃料温度。

尽管′158专利中的方法和系统可以估算在每个喷射器处的燃料温度并响应于该估算温度控制喷射器的操作，但是其可能不够准确。具体而言，′158专利中的系统没有考虑被引至其他的燃料动力发动机附件的燃料或者这些附件的操作可能会对燃料温度造成影响。另外，′158专利没有考虑在确定燃料温度时发动机当前的稳态或瞬时操作。

发明内容

本发明的系统和方法解决了上述的一个或多个问题。

本发明的一个方面涉及一种用于发动机的燃料系统。该燃料系统包括加压燃料源、多个燃料喷射器和能够将来自燃料源的加压燃料分配至多个燃料喷射器的共用歧管。该燃料系统还包括位于共用歧管上游的第一传感器，和与发动机相连的第二传感器。第一传感器能够产生指示燃料温度的第一信号。第二传感器能够产生指示发动机转速的第二信号。该燃料系统还包括与第一和第二传感器相通信的控制器。控制器能够根据第一信号、第二信号和多个燃料喷射器沿共用歧管的位置来估算在多个燃料喷射器中的每一个处的燃料温度。

本发明的另一个方面涉及一种用于将燃料喷入发动机内的方法。该方法包括对燃料进行加压、感测加压燃料的温度和将加压燃料分配至多个有序位置。该方法还包括感测发动机的转速，并根据所感测的温度、所感测的转速和多个有序位置的顺序来估算在多个有序位置中的每一处的燃料温度。

附图说明

图1是根据本发明的一种示例性的燃料系统的示意性简图；和

图2是示出了一种估算燃料温度的示例性方法的控制流程图。

具体实施方式

图1示出了具有共用歧管喷射系统12和颗粒再生系统14的动力系统10。为了更清楚地说明本发明，动力系统10被图示和描述为包括四冲程柴油发动机15。但是本领域普通技术人员应该认识到，动力系统10也可以包括任意其他类型的内燃机，例如汽油发动机或气体燃料动力发动机。发动机15可以包括至少部分地限定多个燃烧室18的发动机气缸体16。在图示的实施方式中，发动机15包括四个燃烧室18。但是，应该预见到发动机15也可以包括更多或更少数量的燃烧室18并且燃烧室18可以以“直列式”结构、“V型”结构，或者其他任何适合的结构设置。

还是如图1所示，发动机15可以包括可旋转地设置在发动机气缸体16内的曲轴20。与每个燃烧室18相连的连杆(未示出)可以将活塞(未示出)连接至曲轴20，使得每个活塞在各自的燃烧室18内的滑动动作引起曲轴20旋转。同样地，曲轴20的旋转也可以引起活塞的滑动动作。

共用歧管喷射系统12可以包括协同将加压燃料喷射送入每个燃烧室18内的部件。具体地，共用歧管喷射系统12可以包括用于保持燃料供应的罐22、用于加压燃料并利用共用歧管28将加压燃料引导至多个燃料喷射器26的燃料泵送设备24，和控制系统30。

罐22可以由用于保持燃料供应的容器构成。动力系统10内的一个或多个系统可以从罐22中抽取燃料并将燃料送回罐22。应该预见到，如果需要的话，共用歧管喷射系统12可以连接至多个单独的燃料罐。

燃料泵送设备24可以包括与过滤构件34和共用歧管28串联连接的一个或多个泵送装置32。在一个例子中，泵送装置32可以具体化为低压源，例如通过燃料管路36向共用歧管28输送低压的传送泵。单向阀38可以在泵送装置32的上游设置在燃料管路36内，以提供从罐22经过燃料泵送设备24到共用歧管28的单向燃料流动。应该预见到，燃料泵送设备24除了包括上述列出的部件外还可以包括另外的和/或不同的部件，例如如果需要的话可以包括与低压源串联设置的高压源。

泵送装置32可操作地连接至曲轴20并由曲轴20驱动。泵送装置32可以对本领域普通技术人员来说可以想到的任何方式与曲轴20相连，其中曲轴20的旋转会导致泵驱动轴相应地旋转。例如，泵送装置32的泵驱动轴40如图1中所示通过齿轮系42连接至曲轴20。但是应该预见到泵送装置32也可以替代地被电子、液压、气动驱动，或以其他适当的方式驱动。

燃料喷射器26可以设置在发动机15的气缸盖(未示出)内并被依次地流体连接至共用歧管28。燃料喷射器26可以直接连接至共用歧管28，使得所有流过共用歧管28的燃料也会流过每个单独的喷射器，或者作为替代方案，燃料喷射器26可以通过多条燃料管路52连接至共用歧管28。每个燃料喷射器26都可操作地用于将一定量的加压燃料以预定的正时、燃料压力和喷射量喷入相连的燃烧室18内。燃料喷入燃烧室18内的正时可以与设置在其中作往复运动的活塞(未示出)的动作同步。例如，可以在活塞接近压缩冲程中的上止点位置时喷射燃料，以允许喷射的燃料压燃燃烧。作为替代方案，可以在活塞向上止点位置行进开始压缩冲程时喷射燃料，用于均匀充气压燃操作。还可以在膨胀冲程期间活塞从上止点位置向下止点位置运动时喷射燃料，用于随后的后喷射以形成用于再生后处理的还原环境。

控制系统30可以响应于一个或多个输入控制每个燃料喷射器26的操作。具体而言，控制系统30可以包括控制器54，该控制器54与燃料喷射器26通过多条通信线路56相通信，与温度传感器60通过通信线路62通信，并与速度传感器64通过通信线路66通信。控制器54可以通过将确定的电流波形或确定的电流波形序列施加至每个燃料喷射器26来控制燃料喷射正时、持续时间、压力、喷射量和/或其他喷射特性。波形的形状和幅度可以根据从温度传感器60和速度传感器64以及其他来源接收到的输入来确定。

控制器54可以具体化为包括用于控制燃料喷射器26操作的部件的单个微处理器或多个微处理器。各种商业上可以获得的微处理器都可以用于实现控制器54的功能。应该理解控制器54也可以很容易地具体化为能够控制各种机械或发动机功能的通用机械或发动机微处理器。控制器54可以包括需要用于运行应用程序的所有部件，例如存储器、辅助存储装置，和处理器，例如中央处理器或现有技术中公知的用于控制燃料喷射器26的任何其他部件。各种其他的公知电路也可以与控制器54相连，包括供电电路、信号调整电路、螺线管驱动器电路、通信电路，以及其他合适的电路。

一个或多个涉及发动机转速、喷射量、燃料流量和燃料温度的映射可以存储在控制器54的存储器内。这些映射中的每一个都可以是表格、图形和/或公式的形式。在一个实施例中，发动机转速、离开共用歧管28的燃料流量，和发动机每转一圈时的喷射量可以构成用于确定稳态热增量值的三维表的坐标轴。发动机转速和喷射量可以在另一个二维映射中关联到瞬时热增量值。另外，共用歧管的燃料出口温度、共用歧管限定的入口燃料温度，和燃料喷射器26的有序位置可以与另一个三维映射对应以确定在特定燃料喷射器位置处的燃料温度。也应该预见到，如果需要的话，燃料喷射特性例如喷射开始、脉冲宽度、电流大小、压力、喷射结束、喷射模式、喷射之间的停顿，以及其他这样的喷射特性都可以在最终的二维映射中关联到单个喷射器的燃料温度。

温度传感器60可以在共用歧管28的上游位置处安装在共用歧管喷射系统12内，以感测由泵送装置32加压的燃料的温度。例如，温度传感器60可以具体化为测量燃料管路36的壁温的表面型温度传感器、直接测量燃料管路36或罐22内的燃料温度的液体型温度传感器，或者现有技术中公知的其他任意类型的传感器。温度传感器60可以产生燃料温度信号并通过通信线路62将该信号发送至控制器54。该温度信号可以被周期性地连续发送，或者仅在控制器54要求这样做时发送。

速度传感器64可以感测发动机15的转速。例如，速度传感器64可以具体化为能够感测曲轴20的转速并产生相应的转速信号的磁性传感器。速度传感器64可以设置在嵌入曲轴20内的磁性元件(未示出)附近，嵌入由曲轴20直接或间接驱动的部件内的磁性元件(未示出)附近，或者以其他合适的方式设置以产生对应于合成磁场的转速的信号。动力源速度信号可以通过通信线路66送至控制器54。

颗粒再生系统14可以与废气处理装置44相连。具体而言，在废气从发动机15流过废气处理装置44时，可以通过金属网或陶瓷蜂窝过滤介质46从废气气流中去除颗粒物。长时间后，颗粒物会在过滤介质46内堆积，并且如果不检查的话，堆积的颗粒物可能会多到足以限制或者甚至可以阻止废气流过废气处理装置44，使得发动机15内的背压增加。发动机15的背压的增加会降低系统吸入新鲜空气的能力，导致性能下降，废气温度升高，和更多的燃料消耗。

颗粒再生系统14可以包括协同用于周期性地减少废气处理装置44内堆积的颗粒物的部件。其中这些部件可以包括一个或多个再生喷射器47和火花塞48。应该预见到颗粒再生系统14可以包括另外的或不同的部件，例如空气喷射系统、压力传感器、温度传感器、流量传感器、断流装置，以及现有技术中公知的其他部件。

再生喷射器47可以设置在废气处理装置44的壳体内，通过支路50连接至燃料管路36，并与控制器54通过通信线路58相通信。再生喷射器47可操作地用于以预定的正时、燃料压力和燃料流量将一定量的加压燃料喷入流过处理装置44的废气中。喷入废气处理装置44中的燃料喷射正时可以与从废气温度传感器(未示出)、一个或多个废气压力传感器(未示出)、计时器(未示出)，或其他类似的测量装置接收的测量输入同步，使得燃料喷射量基本与废气处理装置44内积累的颗粒物相对应。例如，可以在流过废气处理装置44的废气压力超过预定的压力水平或者经过过滤介质46的压降超过预定差值时喷射燃料。替代地或附加地，可以在流过过滤介质46的废气温度偏离期望温度预定值时喷射燃料。进一步还应预见到如果需要的话，除了压力或温度条件以外或者无论压力或温度条件如何，燃料还可以在设定的周期性基础上喷射。再生喷射器47的操作可以由控制器54通过通信线路58控制或者至少是监测。这样，控制器54可以进一步响应于再生喷射器47的致动和由再生喷射器47所消耗的燃料量来调节燃料喷射器26的操作。

火花塞48可以有助于在再生事件期间点燃从再生喷射器47喷入废气气流内的燃料。具体地，在再生事件期间，离开发动机15的废气温度可能会太低而无法使过滤介质46内捕获的颗粒物或从再生喷射器47中喷出的燃料自燃。要引燃燃料并随即引燃捕获的颗粒物，可以将一定量的燃料从再生喷射器47喷射或以其他方式喷向火花塞48，以建立能够轻易被火花塞48点燃的局部富油环境。穿过火花塞48的电极产生的火花可以点燃局部富油环境形成火焰，该火焰可以被喷向过滤介质46或以其他方式朝向过滤介质46行进，从而将废气处理装置44内的温度升高到能够点燃过滤介质46内捕获的颗粒物的水平。

图2是示出了估算每一个燃料喷射器26处的燃料温度用于控制燃料喷射器26操作的一种示例性方法的控制流程图。下面将详细介绍图2。

工业实用性

本发明的燃料控制系统具有在包括例如柴油发动机、汽油发动机，和气体燃料动力发动机的各种类型发动机中的广泛应用。根据本发明的燃料控制系统可以在整个运行的燃料温度范围内稳定、准确的燃料喷射器性能是至关重要的任何发动机中实施。下面介绍控制系统30的操作。

如图2中的控制流程图所示，四个不同的输入可以由准备燃料喷射事件的控制器54接收。这四个不同的输入可以包括通过通信线路62从传感器60接收的温度信号、通过通信线路58监测的再生喷射器47的状态、通过通信线路66从传感器64接收的速度信号，和由控制器54确定或监测的燃料喷射量。燃料喷射量可以是在曲轴20的单次循环期间由燃料喷射器26喷射的燃料量。该燃料喷射量可以基于操作人员输入、发动机15上的载荷、发动机15的转速，以及其他与发动机、传输机构或机械相关的参数，并通过使用存储在控制器54的存储器内的一个或多个映射、公式、图形和/或表格来确定。应该预见到燃料喷射量可以与当前喷射事件、下一个期望的喷射事件，或者刚刚经历的喷射事件相对应。

如图2中的控制块100所示，控制器54可以确定来自传感器60的燃料入口温度值(例如进入共用歧管28的燃料温度)是否落在预定的温度范围之内。在一种示例性的实施方式中，预定的温度范围可以是大约0-100摄氏度。如果来自传感器60的温度值从该预定范围偏离，那么用于进一步计算所利用的温度值可以被限制为与预定范围对应的最小或最大值。例如，如果测量的温度是-5或105摄氏度，那么用于进一步计算所利用的温度值(例如限幅入口燃料温度)可以分别被限制为0或100摄氏度。

如控制块110所示，控制器54可以根据上述的再生状态、来自传感器64的速度信号和喷射量确定燃料出口流量。再生状态可以和再生喷射器47的当前操作有关。特别地，如果再生喷射器47当前正将燃料喷入颗粒再生系统14内，那么因为再生消耗带来泵送装置效率下降，所以由泵送装置32加压并实际进入共用歧管28的燃料量可能会小于如果再生喷射器47当前不喷射燃料时的燃料量。为了计算燃料出口流量(例如流出共用歧管28的燃料流量)，控制器54可以从被燃料泵送设备24加压的燃料流量中减去由燃料喷射器26喷射的燃料流量和由再生喷射器47喷射的燃料流量(如果再生喷射器47在起作用的话)。被燃料泵送设备24加压的燃料流量可以根据燃料泵送设备24的已知容量和曲轴20的转速计算，或者替代地通过使用存储在控制器54的存储器内的关系映射对应曲轴20的转速获得。由再生喷射器47使用以再生过滤介质46的燃料量可以是总在再生期间喷射的固定量，或者替代地可以根据过滤介质或发动机性能参数确定。

如控制块120所示，控制器54可以根据上述的燃料出口流量、来自传感器64的速度信号和上述的喷射量确定稳态热增量。控制器54可以用存储在控制器54的存储器内的稳态热增量映射来对应这些输入值，以确定对应的稳态热增量值。热增量值可以和在发动机15以特别稳定的输出速度和载荷运行时加至流过发动机15的燃料的热量有关。喷射量可以指示发动机15上的载荷。对于给定的发动机转速、喷射量和燃料出口流量，可能存在单个对应的稳态热增量值。如控制块130所示，该热增量值可以通过低通滤波器以使瞬时干扰最小化。

如控制块140所示，控制器54可以根据来自传感器64的速度信号和上述喷射量确定瞬时热增量值。控制器54可以用存储在控制器54的存储器内的瞬时热增量映射来对应这些输入值，以确定对应的瞬时热增量值。热增量值可以和在发动机15因瞬时转速和载荷而运行时加至燃料中的热量有关。对于给定的发动机转速和喷射量，可能存在单个对应的瞬时热增量值。

控制器54可以将燃料出口温度确定为经过滤波的稳态热增量值、瞬时热增量值和限幅入口燃料温度的函数。燃料出口温度值可以代表离开共用歧管28以返回罐22的加压燃料温度。因为燃料路径通过发动机15和对燃料所做的功，燃料出口温度值可能会远远高于限幅入口燃料温度。

如控制块150所示，流过任一燃料喷射器26的加压燃料温度可以根据燃料出口温度值、限幅入口燃料温度和特定燃料喷射器26沿共用歧管28的位置确定。特别地，因为流过发动机15的加压燃料可以沿其通过发动机15的路径吸收热量，所以设置在下游最远处的燃料喷射器26与设置在上游最远处的燃料喷射器26相比可以获得更高的温度。事实上，在有序的第一个和最后一个燃料喷射器26之间的燃料温度梯度在某些应用中可以是基本线性的。因此，燃料出口温度和限幅入口燃料温度值可以用在测试发动机15期间确定的气缸权重因数映射对应，以确定在沿共用歧管28的任意预定位置处(例如燃料喷射器26的有序位置)的燃料温度。

因为控制系统30可以考虑到燃料动力的发动机附件的操作，所以可以达到更高的估算精确度。具体而言，因为燃料动力的发动机附件例如再生喷射器47的操作会影响被引导通过共用歧管28的燃料量，所以其操作也会影响在发动机15和加压燃料之间传递的热量。通过考虑该来源附加的或者有可能减少的热载荷，可以提高估算共用歧管喷射系统12内温度的精确度。

通过考虑发动机15的当前稳态和瞬时操作可以获得附加的估算精确度。具体而言，因为发动机15的转速和载荷能够影响发动机15的温度和消耗或经过共用歧管喷射系统12的加压燃料流量，所以在发动机15和加压燃料之间传递的热载荷也同样会被影响。通过也考虑该来源附加的或者有可能减少的热载荷，可以进一步提高控制系统30的估算精确度。

对于本领域普通技术人员来说可以想到的是，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以对本发明的燃料喷射器和控制系统进行各种变型和变化。另外，本领域技术人员从说明书的描述和根据本发明的燃料喷射器和控制系统的实际应用中可想到其他实施方式。例如，尽管可能会更加昂贵，但是应该预见到除了估算共用歧管的入口和出口温度之外，入口和出口温度还可以作为替代被直接测量。说明书和实施例仅仅是示例性的，本发明的真正范围通过下面的权利要求书及其等同物表明。

附图标记列表：

10.动力系统

12.共用歧管喷射系统

14.颗粒再生系统

15.发动机

16.气缸体

18.燃烧室

20.曲轴

22.罐

24.燃料泵送设备

26.燃料喷射器

28.共用歧管

30.控制系统

32.泵送装置

34.过滤构件

36.燃料管路

38.单向阀

40.驱动轴

42.齿轮系

44.废气处理装置

46.过滤介质

47.再生喷射器

48.火花塞

50.支路

52.燃料管路

54.控制器

56.通信线路

58.通信线路

60.温度传感器

62.通信线路

64.速度传感器

66.通信线路

100.控制块：最小/最大限制

110.控制块：燃料入口流量-f(发动机转速，喷射量)-再生量

120.控制块：稳态热增量映射

130.控制块：低通滤波器

140.控制块：瞬时热增量映射

150.控制块：#n号气缸的权重因数映射

Claims (10)

1.一种用于发动机(15)的燃料系统(12)，包括：

加压燃料源(32)；

多个燃料喷射器(26)；

共用歧管(28)，其将来自所述源的加压燃料分配至所述多个燃料喷射器；

第一传感器(60)，其位于所述共用歧管的上游并能够产生指示燃料温度的第一信号；

第二传感器(64)，其与所述发动机相连并能够产生指示发动机转速的第二信号；和

控制器(54)，其与所述第一传感器和第二传感器相通信并且能够根据所述第一信号、所述第二信号和所述多个燃料喷射器沿所述共用歧管的位置来估算在所述多个燃料喷射器中的每一个处的燃料温度。

2.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，在所述多个燃料喷射器中的每一个处的燃料温度根据被发动机附件(47)消耗的燃料量来进一步地估算。

3.根据权利要求2所述的燃料系统，其特征在于，所述控制器能够：

根据所述第二信号和被所述发动机附件消耗的燃料量来确定进入所述共用歧管的燃料流量；并且

根据确定的进入所述共用歧管的燃料流量、所述第二信号和由所述多个燃料喷射器在发动机每转一圈时喷射的燃料量来确定从所述共用歧管返回所述源的燃料流量。

4.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，在所述多个燃料喷射器中的每一个处的燃料温度根据由所述多个燃料喷射器在发动机每转一圈时喷射的燃料量来进一步地估算。

5.根据权利要求1所述的燃料系统，其特征在于，所述控制器包括存储器，该存储器中存储有第一映射，该第一映射将所述第一信号和由所述多个燃料喷射器在发动机每转一圈时喷射的燃料量关联为稳态热增量。

6.根据权利要求5所述的燃料系统，其特征在于，所述控制器的存储器中还存储有第二映射，该第二映射将所述第一信号和由所述多个燃料喷射器在发动机每转一圈时喷射的燃料量关联为瞬时热增量。

7.一种用于将燃料喷入发动机(15)内的方法，包括：

对燃料进行加压；

测量加压燃料的温度；

将所述加压燃料分配至多个有序位置；

将所述加压燃料在所述多个有序位置(26)中的每一处喷入所述发动机内；

感测所述发动机的转速；

根据所感测的温度、所感测的转速、所述多个有序位置的顺序和在发动机每转一圈时喷入所述发动机内的加压燃料量来估算在所述多个有序位置中的每一处的燃料温度。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

使加压燃料燃烧，以产生功率输出和废气气流；

从所述废气气流中收集颗粒物；

将加压燃料引至收集的颗粒物，以使所述收集的颗粒物燃烧，其中所述估算温度的步骤还根据引至所述收集的颗粒物的加压燃料量进行；

确定加压燃料量；

确定引至所述收集的颗粒物的加压燃料量；并且

根据确定的加压燃料量、确定的引至所述收集的颗粒物的燃料量、所感测的发动机转速和发动机每转一圈时喷射的加压燃料量来确定未使用的加压燃料量。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述估算温度的步骤包括∶

用第一映射对应所感测的发动机转速和发动机每转一圈时喷射的加压燃料量以确定稳态热增量；并且

用第二映射对应所感测的发动机转速和发动机每转一圈时喷射的加压燃料量以确定瞬时热增量。

10.一种内燃机(15)，包括：

根据权利要求1至6中任意一项所述的燃料系统；和

构成多个燃烧室(18)的发动机气缸体(16)，所述燃烧室能够容纳从所述多个燃料喷射器(26)喷射的加压燃料并产生功率输出和废气气流。

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