CN101535623A - 燃料增压方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备，用于向发动机提供增压燃料，该设备包括：具有用于起动发动机的电动机的发动机起动设备，以及用于联接至电动机的燃料泵。

Description

燃料增压方法及设备
技术领域
本发明涉及内燃机燃料的输送。
背景技术
在发动机起动过程中，归咎于燃料泵及系统延长的响应时间，用于向发动机输送增压燃料的燃料轨可能不具备足够的压力来输送具有可精确符合发动机燃料要求所需的数量及品质的燃料。上述问题在依仗凸轮驱动的燃料泵来生成缸内燃料直喷所需高压的所有直喷发动机的情况下尤为严重。这种高压燃料泵通常在较低的发动机起动转速的情况下需要努力实现足够的压力。归咎于发动机起动时较低燃料压力的问题，直喷汽油发动机的固有优势(例如直接发动机起动及燃烧辅助发动机起动)不复存在。此外，常规发动机起动操作时较低的燃料压力可能导致可靠稳定的燃烧前多次熄火，由此导致较差的发动机起动性，不希望增加的尾管排放以及不希望降低的燃料经济性。类似的，在燃料/动力加浓操作过程中(特别是在E85火花点火-直喷(SIDI)发动机的情况下，因E85相对于其他燃料的相对较低的功率密度，该发动机需要较高的燃料流率)，燃料压力因瞬时较高的供应燃料速率要求会急剧降低，由此因燃料输送不足而导致较低的动力输出及较高的发动机排放。
低燃料压力的解决方法包括增加第二燃料泵。增加的泵以及驱动其所需的机构会非常笨重并需要大量的额外部件，由此恶化了包装空间问题、使车辆增加了不必要的重量、并增加了最终会需要维护的额外部件。此外，由电动机频繁驱动的燃料泵要求较大的齿轮减速系数以使电动机及燃料泵两者在正常运转范围内运转，并且上述齿轮减速装置通常非常笨重，并要求对安装的装置进行特殊定向。
发明内容
一种设备，用于为发动机提供增压燃料，该设备包括具有用于起动发动机的电动机的发动机起动设备，以及用于联接至该电动机的燃料泵。电动机优选地独立于起动功能运转，使得燃料泵可选择性地在发动机起动过程中或独立于发动机起动而运转。
附图说明
参考附图，现将通过示例来描述一个或更多实施例，其中：
图1是示出根据本发明的燃料增压设备及控制的示意图；
图2是示出根据本发明利用凸轮及蜗轮组件的燃料增压设备的示意图；
图3是示出根据本发明的凸轮及蜗轮组件的剖视图；
图4是示出根据本发明在特定示例性发动机运转情况下燃料增压控制的高水平控制例程(high level control routine)；
图5是示出根据本发明与发动机起动结合的燃料增压控制的控制例程的更详细示意图；
图6是示出根据本发明与发动机运转结合的燃料增压控制的控制例程的更详细示意图；而
图7是示出根据本发明与失效凸轮泵结合的燃料增压控制的控制例程的更详细示意图。
具体实施方式
现参考附图，其中示出的内容仅用于对特定示例性实施例进行说明，而并非对其进行限制，图1中示出了燃料增压设备10，其包括示例性发动机起动设备12以及示例性高压燃料输送设备14。起动设备12包括电动机41。电动机41包括联接至电动机输出轴16的电枢18。输出轴16联接至减速齿轮系37。齿轮系37具有例如通过常规螺纹花键联接而与小齿轮39滑动接合的输出轴20。在本实施例中，小齿轮39利用其外周上的齿轮齿(未示出)与发动机飞轮可控地啮合和松脱，并在需要起动发动机时向其传递旋转。小齿轮39还包括超越装置或单向离合器，以防止发动机一旦起动而反驱动起动电动机41。或者，齿轮系37可设置成具备上述超越功能。通过包括驱动杆35以及联接至其一端的柱塞臂27的机械连接组件来确定小齿轮39的位置。柱塞臂27的直线运动被传递至驱动杆35一端，对驱动杆35联接至小齿轮39的一端进行驱动。由此可根据柱塞臂27的直线定位来控制小齿轮39与发动机飞轮的啮合及松脱。柱塞臂27被回位弹簧(未示出)向相对于发动机飞轮的松脱位置偏压。可根据成对的螺线管线圈(即，拉入线圈15及保持线圈13)来控制柱塞臂27的位置。当需要起动时，拉入及保持线圈最初均由蓄电池29通电并且柱塞臂27沿图中相关箭头所示方向运动以使小齿轮39与发动机飞轮啮合。通过开关30(其可采用包括机械、机电或固态的任何合适形式)的闭合来对线圈通电。在柱塞臂27的接合运动过程中，电动机41由拉入线圈15供以动力，由此因拉入线圈15上的电压降在接合过程中实现低功率旋转。一旦柱塞臂27完全接合，相应的触点垫23就桥接触点21A及21B以将拉入线圈15短路，从而将起动电动机41直接耦合至满蓄电池电压以全功率旋转。对保持线圈13的持续通电保持了小齿轮39的啮合。对保持线圈13的断电使得在回位弹簧的力的作用下松开柱塞臂27，由此断开触点21A及21B以使电动机41断电并使小齿轮39与飞轮松脱。本领域的普通技术人员可以理解以上在示例性设备中描述的起动电动机布置及控制的数种改变示例。例如，保持线圈13可磁性地锁止柱塞臂，电动机41可对飞轮进行直接驱动而无需任何减速齿轮系，并且可以采用不同接合连接组件。此外，可由诸如受控机电或固态开关的受控开关来替代地提供由触点垫23以及触点21A及21B所提供的开关功能。
继续参考图1，高压燃料输送设备14包括来自主燃料泵(未示出)的高压燃料供应49。高压燃料被供应至高压燃料轨47，其对多个燃料喷射器(未示出)进行供应。
根据本发明，为高压增压泵43(可以是活塞型泵)形式的燃料泵联接至起动电动机41的输出轴16。在示例性实施例中，该联接通过减速齿轮系45并位于起动电动机41与小齿轮39相对的一端。可以构思出任何替代设置，包括不插设齿轮系而直接从输出轴16驱动高压增压泵43，使高压增压泵脱离与小齿轮驱动共用的齿轮系等。根据本发明，只需要高压增压泵43可被起动电动机41驱动即可。高压增压泵43与其抽吸一侧的燃料箱(未示出)流体连通，并当向燃料轨47供应高压燃料时运转。从以上描述可知，任何时候只要起动电动机41开始运转，高压增压泵43就向燃料轨47供应高压燃料。因此，在当拉入线圈15及保持线圈13被通电时的运转的接合周期期间以及在当仅保持线圈13保持通电时的后续运转的接合周期期间，高压增压泵将向燃料轨47提供高压燃料，由此对在发动机起动期间来自凸轮驱动的燃料泵的特有的低燃料压力进行额外补偿。此外，一旦已经发动机点火，发动机怠速得到保持并且不再需要起动，则结束对起动电动机41的进一步通电。结束对起动电动机的通电使电动机41的受迫转动停止，并从发动机分离了起动电动机41、输出轴16以及电枢18的机械联接。因此，在发动机起动之后，起动电动机电枢18以及输出轴16保持静止。因此，高压增压泵保持静止并且不对车辆的发动机电气系统产生任何寄生负载。
根据本发明的另一实施例(其中获得了额外扩展的燃料增压功能)，独立于起动设备12的起动功能，高压增压泵由起动电动机41操作。增压线圈17可受控以反抗回位弹簧(未示出)的偏压作用沿图中相关箭头所示方向拉动柱塞臂25。通过开关34(其可采用包括机械、机电或固态的任何合适形式)的闭合来对增压线圈17通电。柱塞臂25具有相应的触点垫19，其被迫与触点21A及21B接触并桥接触点21A及21B。短路的触点21A及21B使得满蓄电池电压直接耦合至起动电动机41以全功率旋转电枢、输出轴以及高压增压泵。本领域普通技术人员将理解可替代地通过诸如受控机电或固态开关的受控开关来提供由触点垫19以及触点21A及21B所提供的开关功能。上述设置有利于充分利用起动电动机41有效的转矩传递承载能力，以及其他情况下无负载的起动电动机41的几乎瞬时响应，从而在发动机运转期间向燃料轨47提供高压燃料。例如，在燃料消耗的特殊重要或持续期间，例如在燃料加浓或重载期间，上述高压增压泵的运转会起到有益效果。作为另一示例，对于缓解主凸轮驱动的燃料泵的异常运转，上述高压增压泵的运转也会起到有益效果。换言之，在高压燃料供应49到燃料轨47非正常工作(例如，低压)或完全停止工作的情况下，利用高压增压泵的如上所述构造的系统有利于(或许在降低性能水平的情况下)实现发动机的连续运转。
优选地，利用各条控制线路31，33，通过关于开关30，34所图示的基于计算机的控制器11，来实现对开关30及34的控制以及触点垫23及19以及触点21A及21B的功能的替代性应用。控制器11优选地为通用数字计算机，包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模数(A/D)及数模(D/A)电路、输入/输出电路及装置(I/O)以及适当的信号调节及缓冲电路。控制器具有一组控制例程，包括常驻程序指令以及存储在ROM中的标定数据。
通常在预设循环周期期间执行用于发动机控制(包括起动)的例程，使得在每一个循环周期对各个算法至少执行一次。存储在非易失性存储器中的例程由中央处理单元执行，并用于监控来自感应装置的输入并执行控制及诊断例程以利用预设的标定数据来控制发动机的运转。通常在正在进行的发动机运转期间以规则间隔(例如，每3.125，6.25，12.5，25以及100毫秒)来执行循环周期。替代地，可响应于事件的发生或诸如操作者对发动机点火的请求的中断请求来执行算法。
如上所述，高压增压泵43联接至起动电动机41的输出轴16。在图1所示的一个示例性实施例中，该联接通过减速齿轮系45并位于起动电动机41与小齿轮39相对的一端。使用减速齿轮系45通过引入齿轮减速系数而使得能够使用以高速运转的公知起动电动机和以低速运转的公知燃料泵。但是，减速齿轮系45的很多实施例都要求较大的封装空间，并且必须接近起动电动机41及输出轴16布置。发动机舱内、特别是非常接近起动电动机41的封装空间并不总是可方便使用，并且会引起严重的发动机设计问题。图2及图3示出了一种示例性实施例，其利用凸轮及蜗轮组件60来替代减速齿轮系45以实现上述齿轮减速系数，同时获得灵活的封装空间。但是，清楚的是可以构思出很多减速齿轮系45的替代实施例，包括业界公知的常用齿轮及行星齿轮组。
图2示出了示例性燃料增压设备10，包括发动机起动设备12、取活塞泵90形式的高压增压泵43、高压燃料输送设备14以及凸轮及蜗轮组件60。凸轮及蜗轮组件60包括蜗轮70、凸轮80以及轴72。发动机起动设备12的电动机41使蜗杆50旋转，蜗杆50在本实施例中被固定安装至输出轴16。可以理解，蜗杆50可安装至输出轴16，或者蜗杆50可存在于其自身的轴上，该轴通过一些联接装置联接至输出轴16。蜗杆50利用围绕圆柱形芯的螺纹，与蜗轮70机械地相互作用，使得当输出轴16旋转时，蜗杆50使蜗轮70旋转。
诸如利用图2的示例性系统的蜗轮机构的蜗轮机构特别有利于用于要求高齿轮减速系数并还要求灵活的封装空间的应用场合中。本领域的普通技术人员将理解蜗轮公知可实现高齿轮减速系数。此外，蜗杆50是紧凑部件，并且可仅相对地略微大于供其安装的轴，并且蜗轮70可围绕蜗杆50以任何支持蜗杆50与蜗轮70之间的机械接触的取向灵活布置。由于蜗轮设计适应齿轮减速及封装空间问题的这些特征，能够非常接近发动机缸体及其他较大的不可动发动机部件来将高压增压泵43连接至起动电动机41，并能够实现蜗轮固有的齿轮减速功能。
蜗杆50及蜗轮70实现了转矩的传递，并提供了用于驱动高压增压泵43的齿轮减速系数。可以多种方法来利用通过蜗轮70提供的转矩。在图2所示的示例性实施例中，为了从蜗杆50向一些燃料泵驱动机构(在此情况下是凸轮80)传递转矩，蜗轮70被安装至轴72。图3示出了示例性实施例，其中凸轮及蜗轮组件60保持与蜗杆50接触。轴72通过轴承74及76轴向保持定位并被允许旋转。凸轮80固定安装至轴72，使得当蜗轮70通过蜗杆50旋转时，轴72回转，使得凸轮80与蜗轮70一起回转。返回参考图2，凸轮80是旋转盘并为业界所公知。凸轮80形成为这样的形状，使得当凸轮80回转时，凸轮80圆周上的凸角82围绕凸轮80的中心回转。凸角82与活塞泵90相互作用以驱动活塞机构进入和退出，由此为活塞泵90供以动力。凸轮可利用单个凸角(与凸轮轴应用领域中所广泛使用的类似)，或者凸轮可利用多个凸角。在本示例性实施例中所使用的凸轮80使用三个凸角82。在活塞泵90的该具体示例性实施例中，活塞机构包括活塞92、活塞弹簧94以及平面板96。布置平面板96使得在凸轮80回转时，围绕凸轮80圆周的凸角82与平面板96相互作用并用各个凸角82将平面板96向外推。平面板96安装至活塞92，该活塞将力从平面板96轴向传递至活塞泵90的内部机构以执行燃料泵吸作业。活塞92及平面板96被活塞弹簧94朝向外侧位置偏压，活塞弹簧94围绕活塞92布置，并压缩位于平面板96与活塞泵90的主体之间。活塞弹簧94的偏压作用被围绕凸轮80的圆周旋转的凸角82抵抗，使得完成上述进入及退出运动以向活塞泵90供以动力。由此，在利用不同的封装空间选择并实现利用活塞泵90所需的齿轮减速系数的情况下，凸轮及蜗轮组件60从高速输出轴16向活塞泵90传递动力。本领域的普通技术人员可理解，可在不同的封装空间效果的情况下利用多种布置来将高速输出轴16转换为用于燃料泵的低速输入，因此本发明并不意在受限于上述实施例。
已经描述了用于实现燃料增压的有效实施例，现参考剩余的图4至图7来描述根据本发明适于由控制器11执行以实现特定功能的示例性例程。图4示出了在结合上述示例性设备实施的情况下，根据本发明在特定示例性发动机运转情况期间，用于燃料增压控制的高水平控制例程。该例程通过框201至205的逻辑判断来判定发动机运转或控制模式是否要求高压增压泵的运转以及通过执行适当更详细的增压控制例程207而获得的伴随燃料增压。在无需高压增压泵运转的情况下，执行框215随即通过使开关30及34失效或断开而使全部线圈13，15及17断电。
分别在判断框201，203及205以及相应的详细增压例程209，211及213中示出了说明本发明的实用性并证实各种不同独创控制方面的三个示例性情况。在当例如根据操作者启动或随后的控制器起动运转希望或开始发动机起动时希望高压增压泵运转的第一情况下，判断框201将控制传至将在图5中进一步说明的起动增压控制例程。类似的，在当例如根据车辆节气门踏板位置而运转发动机及希望燃料加浓时希望高压增压泵运转的第二情况下，判断框203将控制传至将在图6中进一步说明的运转增压控制例程。并且，在当想要根据例如诊断出故障的凸轮驱动泵或低压燃料供应而运转发动机时希望高压增压泵运转的第三情况下，判断框205将控制传至将在图7中进一步说明的运转增压控制例程。
将上述发动机起动期间高压增压泵运转的第一示例性情况做为增压例程209并具体参考图5，由控制器11执行的示例性例程包括在框301的判定，以提供发动机起动控制开始时的初始时期，在此期间使高压增压泵回转起来并产生压力。因此，如果尚未经过该初始超时时段，则框301将控制传至框303，在此仅增压线圈17被通电以在发动机起动之前于燃料轨内产生足够的压力。在框303之后，例程结束。当已经经过了初始超时时段时，框301将控制传至框305，在此增压线圈被断电，这是因为根据后续说明的框，不再需要持续的通电以维持高压增压泵的旋转。随后，在框307及309，保持及拉入线圈被通电以使发动机起动并使高压增压泵持续运转。随后框311表示例如可通过压力泄放及使燃料返回燃料箱来保持希望的燃料轨压力而实现的燃料压力调节。随后，例程结束。当不再需要起动时，并且假定无需其他高压增压运转模式，则图4的框215将使全部线圈断电，由此结束小齿轮到飞轮的啮合以及起动电动机的旋转。
接着将上述发动机运转期间高压增压泵运转的第二示例性情况做为增压例程211并具体参考图6，由控制器11执行的示例性例程包括框401，在此仅对增压线圈17通电以结合由凸轮驱动的燃料泵独立产生的压力而在燃料轨中产生压力。框401将控制传至框403，其代表例如可通过压力泄放及使燃料返回燃料箱来保持希望的燃料轨压力而实现的燃料压力调节。随后，例程结束。当不再需要由高压增压泵来提高燃料压力时，并且假定无需其他高压增压运转模式，则图4的框215将使全部线圈断电，由此结束起动电动机的旋转以及高压增压泵的运转。
接着将上述响应于诊断出故障的凸轮驱动泵的发动机运转期间高压增压泵运转的第三示例性情况做为增压例程213并具体参考图7，由控制器11执行的示例性例程包括框501，在此仅对增压线圈17通电以结合由凸轮驱动的燃料泵独立产生的压力(已经诊断出该压力不足)而在燃料轨中产生压力。框501将控制传至框503，其代表例如可通过压力泄放及使燃料返回燃料箱来保持希望的燃料轨压力而实现的燃料压力调节。随后，例程结束。当不再需要由高压增压泵来提高燃料压力时，并且假定无需其他高压增压运转模式，则图4的框215将使全部线圈断电，由此结束起动电动机的旋转以及高压增压泵的运转。
已经描述了特定优选实施例及其改变示例。在阅读并理解说明书的情况下，可进行其他改变及替代。因此，本发明并不意在受限于这里揭示的被视为实施本发明的最佳模式的具体实施例，相反，本发明应包含落入所附权利要求的范围内的全部实施例。

Claims (20)

1.一种用于向发动机提供增压燃料的设备，所述设备包括：
具有用于起动所述发动机的电动机的发动机起动设备；以及
用于联接至所述电动机的燃料泵。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述发动机起动设备可用于选择性地使所述电动机与所述发动机接合。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述发动机起动设备用于当所述电动机与所述发动机脱离时选择性地对所述电动机供以动力。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述燃料泵用于在起动循环期间向所述发动机提供燃料压力。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述燃料泵用于在燃料加浓期间向所述发动机提供燃料压力。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述燃料泵用于当另一燃料泵吸装置不能满足燃料压力要求时向所述发动机提供燃料压力。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述电动机通过减速齿轮系联接至所述燃料泵。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述燃料泵包括活塞型泵。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述电动机通过包括蜗杆及蜗轮的齿轮减速装置而联接至所述燃料泵。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述齿轮减速装置还包括凸轮。
11.一种用于向内燃机提供增压燃料的方法，所述方法包括：
将燃料泵联接至包括电动机的发动机起动设备。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤独立于用于使所述发动机起动设备与所述发动机脱离的机构。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述联接步骤用于当所述发动机起动设备与所述发动机脱离时对所述燃料泵供以动力。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤对在起动循环期间提供所述增压燃料是有效的。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤对在燃料加浓期间提供所述增压燃料是有效的。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤对当另一燃料泵吸装置不能满足燃料压力要求时提供所述增压燃料是有效的。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤包括引入齿轮减速系数，用于将高速运转的所述电动机联接至低速运转的所述燃料泵。
18.如权利要求11所述的方法，其中，所述联接步骤包括驱动用于对所述燃料泵供以动力的凸轮机构。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述联接步骤还包括利用蜗杆及蜗轮。
20.如权利要求17所述的方法，其中，所述燃料泵包括活塞型燃料泵。
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