CN101755116B - 用于为喷射脉冲形成电控制信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为位置可调节的燃料喷射器的喷射脉冲、尤其是为共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统的喷射脉冲形成电控制信号的方法或装置。相关于脉冲边沿(喷射速率变化Q)、保持时间(Δt)和喷射速率(Q)，可自由地选择电控制信号的变化过程。由此鉴于排放较小、消耗较小并且满足严格法律条例等特点，其具有能更好地优化燃烧过程的优点。

Description

用于为喷射脉冲形成电控制信号的方法和装置

本发明涉及一种根据并列权利要求1和10的类属的、用于为共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统的位置可调节的燃料喷射器的喷射脉冲形成电控制信号的方法和装置。

已知一种燃料喷射器，其例如构造有压电执行元件。压电执行元件具有在一侧将电信号极其快速地转换成机械式往复直线运动的特性。此外，压电执行元件具有在机械压力负荷时给出电信号的特性，以至于其同时可用作用于获知燃料喷射器中或喷射系统中主要压力的传感器。

借助于执行元件的机械式往复直线运动来控制喷嘴针，利用该喷嘴针可使得在喷嘴单元之内的喷射孔不同程度地打开。通过获知燃料喷射器中的实际压力或动态压力变化，可推知喷嘴针的往复直线运动。因而，在相应地形成电控制信号时，喷嘴针可调整到一定的预定位置上。

已知的用于控制燃烧机的电子管理系统还不能借助于位置可调节的燃料喷射器来充分程度地实现内燃机的低排放和低消耗运行。

还已知的是，基本上可通过气体交换和燃料喷射量以及通过喷射速率的变化过程来影响内燃机汽缸内的混合气形成过程。到目前为止该问题通过如下方式解决，即所应用的燃料喷射器通过构造上的措施获得相应的液压机械特性。然而，此措施肯定不足以满足对未来燃烧方法的所有要求，尤其是在考虑到计划的法律条例的要求时。

另一问题还在于，迄今仍没有圆满解决精确获知实际所喷射的燃料量以及喷射时间点的问题。尤其会由于以下原因而出现该问题，即制造所应用的燃料喷射器将不可避免的具有制造公差，使得至今不能圆满解决精确获知实际所喷射的燃料量问题。

本发明的目的在于，提供一种方法或装置，鉴于优化燃烧过程，利用该方法或装置来改善内燃机汽缸中的燃料喷射。

此目的通过根据权利要求1所述方法的特征和根据权利要求10所述装置的特征来实现。

根据本发明用于为位置可调节的燃料喷射器的喷射脉冲形成电控制信号而具有根据并列权利要求1和10所述区别特征的方法或装置具有如下优点，即可自由选择喷射脉冲的形成。从而，可为预定喷射量任意地形成电控制信号。由此，可将燃料喷射或混合气形成调整并优化到理想过程。尤其有利的是，系统开发人员现具有更大的自由度并且可尤其自由地形成一个或多个脉冲边沿和/或至少另一个幅度。本发明的另一方面也在于，喷射脉冲的设定总量不依赖于电控制信号的形成而保持恒定。由此避免对内燃机的扭矩产生不希望的能量效果。

通过在并列权利要求中实施的措施，给出对权利要求1中给出方法的有利改进方案和改善。尤其有利的是，电控制信号首先构建有具有较小幅度的中间电平，使得燃料喷射器的喷嘴针在打开喷射孔时运动到中间位置。由此，可喷射预定燃料量的第一部分量。

为了为第一部分量形成电控制信号，在本发明的其他方案中，预定喷射速率变化。

第一部分喷射的另一自由度也在于，为燃料喷射器预定保持在中间位置的保持时间。通过改变喷射速率变化和/或中间位置的保持时间，可几乎任意地产生喷射特性并由此进一步优化内燃机汽缸中燃料-空气混合物的燃烧。

在本发明的其他方案中设计为：在预定喷射量的第二部分喷射开始时，将电控制信号变换到具有更高幅度的更高电平上。由此，燃料喷射器的喷嘴针调节到第二保持位置，以实现第二、更高水平的燃料喷射。

根据本发明还设计为：为喷嘴针的打开时间预定第二保持时间。

本发明的另一方面在于，中间电平的数量、保持时间的数量和/或喷射速率变化的数量是可任意选择的。由此，可极其简单地适配到喷射过程的每个任意设计。在将喷嘴针支撑在其阀座上时，可尤其有针对性地捕获喷嘴针。由此，以较佳的方式得到更好的燃料量剂量的可重复性以及噪音生成的降低。此外，与较小的燃烧噪音相结合，也改善了行驶舒适性。

本发明的实施示例在附图中示出并且在下述说明中详细说明。

图1A、1B、1C示出了三个图表，该三个图表表示了执行元件上控制电流和控制电压的变化过程以及与所喷射燃料量的时间关系，

图2示例性示出具有两个根据本发明的控制信号的第二图表，

图3示出了根据本发明装置的示意结构，和

图4示出了根据本发明装置的框图。

为了更好地理解本发明，下文首先详细说明在图1A、1B、1C中所示的图表。三个图表示出了燃料喷射器的压电执行元件的控制电流I、控制电压U随时间的变化过程以及所喷射燃料量随时间的相应变化过程。

图1A中示出了依赖于时间t的电流I，该电流I可直接在压电执行元件上测得。压电执行元件具有电容特性，也即当电压上升时在执行元件中流过正的充电电流，并且当电压降低时流过负的电流。当没有电压变化时，电流返回到0。

如上所述，压电执行元件还具有传感器特性。尤其已知的是，在上升电流边沿或下降电流边沿之后，形成不同程度的电流变化过程的显著波动。例如通过喷嘴针碰撞其阀座而形成此波动。然而，该波动也由于燃料压力的波动而形成，燃料压力通过打开或闭合喷油嘴的喷射孔来确定。因而，通过相应构造电控制信号的形成，可由此获知并可控地控制也称为座颤动(Sitzprellung)的波动。出于此原因，根据本发明设计了：在指定的喷射量的喷射脉冲的情况下，首先喷射至少一个或多个部分量，随后在喷嘴针的进一步打开的状态时喷射剩余燃料量。此外，可将作为电控制信号的上升边沿的喷射速率变化和中间电平的幅度和/或保持时间预定为可自由选择的参数。由喷射速率变化对于保持时间的积分给出实际喷射的燃料量，如后续更详细说明那样。

参考图1A可知，在图表的左半部分中，至时间点t＝0为第一电流脉冲。此后，电流降低至值0。在t＝5.7时，为第二电流脉冲，该第二电流脉冲比第一电流脉冲宽。至时间点t＝10，为第三负电流脉冲以及至时间点t＝12时为第四负电流脉冲。

详细研究单个电流脉冲的边沿。

类似于电流变化过程I，在图1B的图表中记录了压电执行元件上的电压变化过程U。至时间点t＝0，电压以预定边沿上升至大约50伏特的中间值。此后，为较长的保持时间，直到电压于时间点t＝5.7时，与图1A的第二电流脉冲并行上升到大约140伏特。电压大约保持在此范围中，直至t＝10时电压以预定边沿降低至另一中间电平，例如50伏特。在另一较短保持时间之后，电压再次降低至值0。

下降电压边沿分别对应于压电执行元件上的下降电流。

类似于图1A和1B两个图表，图1C中绘出所产生的喷射量

由于机械和液压延迟，实际喷射大约在t＝1时以大约为 $\stackrel{\·}{Q}=2.5$ 的峰值开始。此后，喷射量以预定边沿降低，然后最终在大约t＝6.5时上升，在t＝8.5上升至大约为 $\stackrel{\·}{Q}=7$ 的预定值。在此范围中，实现较大部分量的喷射，直至时间点t＝12喷射脉冲以另一预定喷射速率变化

降低至大约为0。3个图表的表示在10^-4秒范围中、在相当的时间轴t上进行。

如图1A、1B、1C三个图表可见的那样，根据本发明可以以极其简单的方式通过为电控制信号预定相应的电压变化过程来控制喷射量

或喷射速率

此外，可通过相应的曲线变化过程，相关于喷射速率有利地影响喷嘴针的座节流(Sitzdrosselung)及其稳定性。

图2示出了具有用于形成电控制信号的例如两个根据本发明的曲线1和2的图表。在此图表中示出了所有参数，通过这些参数可影响喷射变化过程。为此，在图表中在Y轴上绘出喷射速率(每时间单元的喷射量)

并且在X轴上绘出时间t。曲线1和2作为示例示出了不同的控制信号或不同的喷射变化过程。由于曲线1和2示意性地具有相同的变化过程，下文中仅详细说明曲线1。曲线2与其的不同仅在于较小的喷射速率

幅度和较小的喷射速率变化

幅度。

曲线1首先从值0开始上升直至在时间段t₁之内达到第一喷射速率

喷射速率变化为值

随后，在保持时间Δt₁期间喷射速率

保持恒定。此后，在时间段t2之内，电控制信号以喷射速率变化

上升到喷射速率

此后，喷射速率在时间段Δt₂期间保持恒定。随后，曲线1在时间段Δt₃期间降低至值0。为下降边沿选择喷射速率变化

可改变根据本发明的电控制信号的该原理上的变化过程，例如曲线2所示。为曲线2选择较低的喷射速率变化

喷射时间t1、t2和t3与曲线1相同。仅将最大喷射速率

降低。由此，使得总喷射量减少，其中该总喷射量通过积分形成可极其简单地计算获得，如下所示。

为了确定用于控制位置可控制的燃料喷射器的电控制信号，目前仅应用下列参数：

喷射速率变化

喷射时长t2，

喷射速率

保持时间Δt₂，和

喷射速率变化

然而，对于未来的喷射方法而言，在压电运行喷射系统的情况下，所述参数并不充分。因而，根据本发明建议，对已知参数扩展如下参数：

喷射速率变化

时间段t1，

喷射速率

保持时间Δt₁。

根据本发明的参数是可自由选择的。在本发明的其他方案中设计了：为其他中间电平构造电控制信号。

在该实施示例中，出于简化原因仅示出了单个部分量。该部分量通过根据本发明的、新的参数来确定：

第一部分量在时间段t₁之内以喷射速率变化

上升至喷射速率

喷射速率在保持时间Δt₁期间保持恒定。随后，在时间段t₂之内以喷射速率变化

达到喷射速率

喷射速率

在保持时间Δt₂期间保持恒定。随后，控制信号在时间段Δt₃期间并以喷射速率变化

降低至值0。

通过对总曲线的积分形成计算总喷射量。

对于本发明重要的是，额外参数的变化对于预定燃料喷射的计划总量不产生影响。在此尤其必要的是，变换所希望的喷射速率及其喷射速率变化过程。此外还需考虑的是，电控制参数还对执行元件线路中的液压参量产生相应的影响。在考虑所有因素后，能够精确和可重复地确定实际喷射燃料量，使得可最佳地调节燃料-空气混合物的燃烧过程。

下面给出一种算法，利用该算法，通常可根据下面的公式来计算所希望的喷射量Q：

$Q=\∫Q\left(t\right)\mathrm{dt}=f(\stackrel{\·\·}{P},[t_1,t_2,t_3\left]\right)$

其中 $\stackrel{\·\·}{P}=[{\stackrel{\·\·}{Q}}_1,{\stackrel{\·\·}{Q}}_2,{\stackrel{\·\·}{Q}}_3,{\mathrm{\Δt}}_1,\mathrm{\Δ}{t}_2]$ 且

以及 $Q=\stackrel{\·}{Q}*t.$

对于所希望的燃烧变化过程，下列电控制信号参数：

-所希望的待喷射的燃料量Q，

-喷射速率变化

-喷射速率

以及

-保持时间Δt₁

例如在相应装备的试验电机上或在车辆中试验性地确定并存储在表格中，其中该确定依赖于共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统的燃料喷射器类型。在适当选择喷射速率变化

和确定取决于系统的临界值后，剩余参数作为具有相应的边界条件的非线性优化的解(Loesung)而给出。

在找到解后，随后变换到相应于图1A、1B的电控制参量，这些电控制参量确定理想喷嘴针驱动线路(Duesennadelantriebsstrecke)的充电过程、保持过程和放电过程。预定每时间单元的充电时间和电荷变化将为随后的能量调节回路确定能量额定值。此外，在驱动中，为每个汽缸分别考虑不同效率的调整和均衡(Gleichstellung)。

备选地，通过来自用于每个汽缸的喷射系统的合适应答信号来跟踪预调整值自身。这可例如是喷射起始、达到喷嘴针完全打开的时间点的基于模型或现象学的检测，或是达到的喷射速率本身。由此能够将燃料喷射器的制造公差和取决于工作点的公差降到最低。

本发明的建模实施示例示于图3中。图3示意性示出具有算法的装置10，利用该算法，可为电控制信号的喷射速率变化过程确定调节函数。首先，在第一单元11中输入、中间存储和处理(aufbereiten)若干系统参数，尤其是预定量、轨压、喷射速率变化、第一部分喷射的速率以及第一部分喷射的保持时间。第一单元11由输入的数据确定电控制信号的变化过程，利用该电控制信号控制燃料喷射器，以实现所希望的液压喷射时长。

喷射速率变化、第一部分喷射速率和第一部分喷射的保持时间并行给到变换器12并进行相应的变换。变换器12的输入同时与第一单元11的输出连接。变换器12由输入数据计算每时间单元的电荷变化、充电时间和喷射时长。此数据可在输出侧使用并且与第一控制计算机(控制器)13的输出数据结合。第一控制计算机13与系统反馈连接并为每时间单元的电荷变化和充电时间提供相应的预定。该结果给到第二控制计算机14。由输入值计算最终的每时间单元的电荷变化并使其在输出端可用。此外，第二计算机与能量反馈连接。

利用上述方法或算法，可基于长时间稳定的喷射系统利用均衡函数(Gleichstellungsfunktion)或利用喷射起始的调整和所需喷射量确定喷射速率变化过程的自由形成。同时可描述简单的参数化。

图4示意性示出根据本发明用于为位置可调节燃料喷射器2的喷射脉冲、尤其是共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统10的喷射脉冲形成电控制信号的装置10。燃料喷射器2布置在内燃机的汽缸6的汽缸盖上。控制器1优选地通过电导线7与燃料喷射器2的压电执行元件3连接。在通过控制器1的电控制信号控制执行元件3时，执行元件3操纵布置在喷油嘴4之内的喷嘴针。由此，位于喷油嘴4的下部分的喷射孔打开或闭合。通过燃料管路5向燃料喷射器2供应燃料。

Claims (12)

1.一种用于为燃料喷射器(2)的喷射脉冲形成电控制信号的方法，其中所述电控制信号操纵所述燃料喷射器(2)的压电执行元件(3)以将预定燃料量喷射到内燃机的汽缸(6)中，以及其中借助于所述电控制信号的曲线变化过程，依赖于轨压、起升行程和/或所述燃料喷射器(2)的打开时长来调节所述燃料喷射器(2)的喷射速率

其特征在于，

-对于至少一个待喷射部分量，可相关于至少一个脉冲边沿和/或幅度而自由地形成所述电控制信号的曲线变化过程，

-其中设置所述喷射脉冲的形成，使得所述待喷射的预定燃料量不依赖于所述电控制信号的曲线变化过程而保持恒定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于部分量的所述喷射的所述喷射脉冲首先构造有具有第一幅度的中间电平

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为形成所述喷射脉冲而预定喷射速率变化

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为所述中间电平

预定保持时间(Δt₁)。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述喷射脉冲以第二喷射速率变化

从中间电平

变到具有第二幅度

的更高电平。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为所述第二幅度

预定预定的第二保持时间(Δt₂)。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，从所述第二幅度

开始，预定具有第三喷射速率变化

的向下调速。

8.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，所述中间电平

的数量、所述保持时间(Δt)的数量和/或所述喷射速率变化的数量是可任意选择的。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相应于所述曲线变化过程确定实际喷射燃料量并且将所述实际喷射燃料量与预定燃料量进行比较。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统(10)的燃料喷射器的喷射脉冲形成电控制信号。

11.一种用于为燃料喷射器(2)的喷射脉冲形成电控制信号的装置，所述装置具有控制器(1)，利用所述控制器(1)可控制所述燃料喷射器(2)的压电执行元件(3)，以将预定燃料量喷射到内燃机的汽缸(6)中，以及其中借助于所述电控制信号的曲线变化过程，依赖于轨压、起升行程和/或所述燃料喷射器(2)的打开时长来调节所述燃料喷射器(2)的喷射速率其特征在于，

-将所述控制器(1)构造成，相关于至少一个脉冲边沿和/或幅度而自由地形成所述电控制信号的曲线变化过程，

-其中设置所述电控制信号的形成，使得待喷射的预定燃料量(Q)不依赖于所述电控制信号的曲线变化过程而保持恒定。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，为共轨喷射系统或泵喷嘴喷射系统(10)的燃料喷射器的喷射脉冲形成电控制信号。

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