CN102011656A - 用于控制燃料压力的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于控制燃料供应系统中的轨道压力的方法，该系统包括燃料泵(1)、至少一个喷射器(4)和把喷射器(4)连接到该泵(1)的轨道(3)，该方法包括步骤：a)建立所述轨道压力(P)和喷射器(4)的泄漏速度之间的关系；c)基于燃料喷射速度(Q_inj)、所述轨道压力(P)和所述轨道压力/泄漏速度关系估计从所述轨道的燃料排出速度；d)基于所述燃料排出速度估计所述泵(1)的希望的吸入流动速度；和e)控制该泵(1)以在所述希望的吸入流动速度下运行。

Description

用于控制燃料压力的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制燃料供应系统中的供应轨道压力(supply rail pressure)的方法，特别用于柴油发动机，且涉及用于执行该方法的装置。

背景技术

传统地，柴油发动机的燃料供应系统包括能输送高达1600bar的高输出压力的燃料泵、与发动机的每个汽缸相关联的喷射器和把该喷射器连接至泵的轨道。喷射器包括电磁铁(solenoid)或压电元件以对导阀(pilot valve)进行电控制。该导阀控制燃料至阀活塞的压力接收表面的流动，以使得阀活塞的末端被压靠在喷射器的喷嘴上且阻塞这些喷嘴，或被缩回，允许燃料从喷嘴喷出。由于该操作原理，流入喷射器的燃料仅部分被实际喷射到汽缸内。被用于驱动发活塞的燃料流回到油箱，且通过喷射器的内部泄露流出的燃料也如此。

燃料效率和污染物排放率严格依赖于燃料喷射正时。不仅在每个发动机冲程必须预定量的燃料被喷射入汽缸，而且在冲程过程中其还必须发生在正确的时间区间(或多个区间)。由于通过喷射器的流速依赖于轨道压力(和其它量)，如果轨道压力太低，喷射预定量的燃料可比希望的耗时，或者如果轨道压力太高，喷射可比希望的过早停止。而且，燃料的雾化依赖于轨道压力。不理想的雾化可导致污染物排放增加和/或燃料效率降低。产生理想雾化的燃料压力依赖于发动机的操作条件，从而当这些操作条件变化时，燃料压力必须被改变。出于这些原因，控制燃料压力非常重要。这必须通过以下完成，即控制泵的操作，以使得，在任意时刻处，其传送速度等于燃料被喷射器从轨道排出的速度。燃料排出速度是操作条件的相当复杂的函数，因为不仅发动机速度(即燃料喷射频率)可变化，而且每个发动机冲程喷射的燃料量也可变化，且喷射器的泄露速度依赖于其激励阶段的持续时间。而且，即使从轨道的燃料排放速度是准确已知的，泵通常不能被直接地控制来传送该排出速度，因为泵还具有内部泄露速度，该泄露速度依赖于输入和输出压力以及燃料温度，以使得在泵速度和传送速度之间没有一对一的关系。

传统地，该问题是通过以下处理的，即实验分析在各种操作条件下的整个燃料供应系统的性能，和调整泵的控制以使得在所有操作条件下保持适当的燃料轨道压力。每次当燃料供应系统被修改(例如通过替换一种不同类型的喷射器或燃料泵)时，该分析和调整都必须被重做，这需要相当多的工时。

发明内容

本发明的目的是要提供一种控制方法和用于执行该方法的装置，其便于把具有不同特性的部件整合到燃料供应系统中。

该目的是通过一种用于控制燃料供应系统中的轨道压力的方法实现的，该系统包括燃料泵、至少一个喷射器和把喷射器连接到该泵的轨道，该方法包括步骤：

a)建立所述轨道压力和喷射器的泄露速度之间的关系；

c)基于燃料喷射速度、所述轨道压力和所述轨道压力-泄露速度关系估计从所述轨道的燃料排出速度；

d)基于所述燃料排出速度估计所述泵的希望的吸入流动速度；和

e)控制该泵以在所述希望的吸入流动速度下运行。

代替整体分析燃料供应系统，根据本发明，展开了单独对于燃料供应系统的各部件的实验分析。轨道压力和喷射器泄露速度之间的关系比整个系统的性能更容易分析，因为前者与泵的所有特性无关。如果喷射器必须被替换，轨道压力-泄露速度关系必须被再次对于新喷射器建立，但是泵的特性保持不变。反之亦然，如果仅泵被替换，则不需要更新轨道压力-泄露速度关系。

优选地，在步骤c)至e)之前，轨道压力和泵的效率之间的关系也被用实验方法建立，且由此确定的关系被考虑用于在步骤d)中估计希望的吸入流动速度。

由于燃料的粘度依赖于其温度，轨道压力-泄露速度关系应被作为燃料温度的函数建立。尽管在喷射器和泵的泄露中燃料在解压时被加热，燃料温度的单独测量(例如在泵的输入端)是足够的，因为对于给定的输入温度，燃料温度的增加量由轨道压力确定。

喷射器的泄露速度依赖于导阀的激励状态而改变。由于导阀的工作循环是发动机速度的函数，轨道压力-泄露速度关系应优选地描述该泄露速度作为至少与喷射器的关闭状态相关联的静态泄露速度和与其打开状态相关联的动态泄露速度的发动机速度加权和。

优选地，轨道压力-泄露速度关系，特别是动态泄露速度，应被作为喷射器激励时间的函数而建立，因为在导阀的激励状态中的喷射器的瞬时泄露速度通常被发现不是恒定的，而是导阀已被激励时长的函数。

在零激励时间，即用于泄露速度的静态分量，令人惊讶地发现泄露速度相对于轨道压力超过线性地增加。这是令人惊讶的，因为由于燃料所通过的较小的间隙，通过喷射器的泄露流应为层状的且泄露速度G_st应由此由Poiseuille’s公式描述：

$G_{\mathrm{st}}=\frac{K}{\mathrm{\γ}}\mathrm{\Δp}$

K表示几何依赖因数，γ表示燃料的粘度。即，泄露速度G_st应直接与压降Δp(其基本上等于轨道压力)成比例。实际上，该公式没有正确地描述泄露速度Gst和轨道压力Δp之间的关系，这可能是由于燃料的粘度γ在由于喷射器中减压而加热时被降低的原因。

如已指出的，动态泄露速度可依赖于激励时间。特别地，动态泄露速度可被发现在激励时间低于给定阈值时随激励时间以第一高速下增加，且在激励时间高于所述给定阈值时随激励时间以第二低速增加。这可归因于，当激励时间低于预定阈值时，导阀的可移动件被流过导阀的燃料移动且由此不阻碍燃料的流动。当可移动件已经到达邻接件(且喷射器被完全打开)时，可移动件变为对于流过导阀的燃料流的附加阻碍，以使得通过导阀的瞬时流动速度被降低。

根据替换方案，该目的是通过一种用于控制燃料供应系统中的轨道压力的方法实现，该系统包括燃料泵、至少一个喷射器和把喷射器连接到该泵的轨道，该方法包括步骤：

b)建立所述轨道压力和所述泵的效率之间的关系；

c)至少基于燃料喷射速度估计从所述轨道的燃料排出速度；

d)基于所述燃料排出速度和所述效率估计所述泵的希望的吸入流动速度；和

e)控制泵以在所述希望的吸入流动速度下操作。

由于燃料粘度依赖于温度，轨道压力-泄露速度关系也优选地被作为燃料温度的函数建立。

尽管在步骤d)中获得的估计值相当接近把轨道压力保持在希望的恒定数值所需的泵的实际吸入流动速度，较小的偏差可导致轨道压力缓慢漂移。这种缓慢漂移可被步骤e)补偿，步骤e)包括：

e1)把基于所述希望的吸入流动速度确定的控制参数输入到所述泵；

e2)检测当前轨道压力和目标轨道压力之间的偏差；和

e3)根据所述偏差校正所述控制参数。

由此，在步骤e1)中的控制参数输入在非常短的时间内在开放控制回路中被获得，使得能快速地对由于发动机负荷和/或速度变化导致的燃料排出速度的变化做出反应，而泵操作的精细控制被在步骤e2)和e3)中的闭合回路中执行。

本发明的另一目的是一种用于执行上述方法的控制器，该控制器包括用于执行步骤a)至d)的前馈单元，和用于执行步骤e)的反馈单元。

本发明的又一目的是一种数据处理器程序产品，包括程序编码装置，用于使得数据处理器能形成上述控制器的至少前馈单元或用于执行上述方法。

数据处理器程序产品还可包括数据载体，所述程序编码装置被以机器可读取的形式记录在该载体中。

附图说明

从下面参考附图对于本发明的实施例的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。

图1是燃料供应系统的方块图；

图2是图1的燃料供应系统的喷射器的截面图；

图3是燃料供应系统的控制器的方块图；

图4是燃料供应系统的控制所基于的实验泄露速度数据的例子；

图5示出了作为各种燃料温度下的轨道压力的函数的静态泄露速度；

图6示出了作为各种轨道压力和燃料温度数值下的激励时间的函数的动态泄露速度；

图7是作为40℃的燃料温度和各种轨道压力数值下的发动机速度的函数的燃料泵的效率特性的例子；

图8示出了各种燃料温度和300bar轨道压力下的泵效率的特性；和

图9示出了各种燃料温度和1600bar轨道压力下的效率特性。

附图标记

1     燃料泵

2     油箱

3     轨道

4     喷射器

5     控制器

6     传感器

7     传感器

11    燃料入口

12    喷射喷嘴

13    供给管

14    控制活塞

15    控制腔室

16    供给孔

17    放油孔

18    (引导单元)销元件

19    电磁铁

20    返回口

22    控制单元

22’  储存器

23    控制单元

23’  储存器

24    控制单元

25    减法器(subtractor)

26    PID

27    加法器

st28、st40、st55、dyn300/28、dyn300/55，...特性

具体实施方式

图1是本发明可适用于其中的柴油发动机的燃料供应系统的示意性略图。燃料泵1，例如齿轮泵或具有多个由相同旋转偏心装置驱动的活塞的泵，把燃料从油箱2抽出且将其在高压下供应至轨道3。轨道3使得任意数量的喷射器4连接至该轨道，以把燃料从轨道喷射至柴油发动机的汽缸(未示出)内。基于通过轨道3处的传感器6、7检测的轨道压力P和燃料温度T_fuel、柴油发动机的旋转速度n和每汽缸每冲程要被喷射的燃料喷射量Q_inj(由更高级别控制器(未示出)设定)，电子控制器5控制泵1的旋转速度和喷射器4的激励时间。

图2是一个喷射器4的示意性纵向截面。高压燃料入口11(其接收来自轨道3的燃料)通过供给管13而被连接到喷射器4的底端处的喷射喷嘴12。在所示的结构中，喷嘴12处的燃料的输出被控制活塞14的锥形末端阻塞。控制腔室15位于控制活塞14的与所述末端相对的端部处，该控制腔室经由小供给孔16与燃料入口11相通。控制腔室15内的加压燃料将控制活塞14向下推。控制活塞14的形状设置为使得如果活塞14的末端处的压力和控制腔室15中的压力是相等，净向下的力保持活塞14压靠喷射喷嘴12。

控制腔室15具有放油孔17，其在静止时通过导阀的销元件18被保持阻塞。如果销元件18通过激励导阀的电磁铁19而被允许后退，燃料从控制腔室15通过放油孔17逸出，导致控制腔室15内的压力下降，由此控制活塞14被作用在其底部末端上的压力向上移动。活塞14的末端被由此从喷嘴12移除，且燃料从喷嘴12被喷射到燃烧缸中。

当电磁铁19的激励停止时，销元件18通过弹簧而被再次压靠放油孔17。结果，控制腔室15中的压力再次上升，且最终变得足以把控制活塞14再次压靠喷嘴12。

当喷射喷嘴12被阻塞时，燃料可从喷射器的高压区域逸出到其返回口20且从那里经由间隙(例如沿着控制活塞14)返回油箱2。此外，当电磁铁19被激励时，通过放油孔17选出的燃料将到达返回口20。由此通过喷射器4的总燃料流可被认为是由三部分组成，首先是实际被喷入燃烧缸内的流，其次是可被定义为总泄露流的一部分的静态泄露流(其不管电磁铁19是否被激励都存在)，以及动态泄露流，该动态泄露流由用于驱动销元件18的移动的燃料组成或其通过喷射器内部的泄露逸出，其仅在电磁铁19被激励且控制活塞14被从图2所示的静止位置移开时存在。

图3是控制器5的方块图。为了便于说明，控制器5被示出划分为三个控制器单元22、23、24，其中任意一个可被其自身的硬件实现。但是，在最实际的实施例中，希望每个控制单元被作为软件模块实现，且所有模块在相同硬件上执行。

第一开放回路控制器单元22从更高级别发动机控制器(未示出)接收数据Q_inj，该数据描述在发动机冲程中要被喷入发动机每个汽缸内的燃料量，且接收激励时间ET，该激励时间描述在所述冲程中激励电流将被供应到电磁铁19多长时间。应注意，Q_inj和ET二者可被认为是标量(如果每冲程仅一个燃料喷射)，或矢量(在多个喷射的情况下)，矢量的分量描述喷射量和每个喷射的激励时间。当前发动机速度n通过发动机的输出轴处的旋转速度传感器而被提供给控制单元22，或旋转速度的目标数值n由所述更高级别控制器发送。燃料温度数据T_fuel由传感器6提供。

控制单元22包括储存器22’，其中记录有静态和动态泄露速度的多个特性和用于控制单元22的操作的最终程序指令。这些特性可由实验泄露速度数据得到，典型地如图4所示。图4中所示的曲线示出了在平衡条件下的平均泄露速度，其被观测作为在例如n＝1500rpm的发动机恒定旋转速度下，各种轨道压力值(从300bar至1600bar)和燃料温度值(从28℃至55℃)下的激励时间ET的函数。非常清楚，对于ET＝0，图4的曲线给出静态泄露速度。

图5是喷射器4的静态泄露速度G_st的特性曲线st28、st40、st55的典型例子，其为用于燃料温度28℃、40℃和55℃时的轨道压力P的函数，如将被记录在控制单元22的储存器22’中的那些。可以看到，泄露速度G_st随着燃料温度T_fuel而增加，因为当燃料被加热时其粘度降低。不希望的是，静态泄露速度的压力依赖性。理论上，层流的流速由Poiseuille’s公式支配

$G_{\mathrm{st}}=\frac{K}{\mathrm{\γ}}\mathrm{\Δp}$

其中K表示几何依赖因数，γ表示燃料的粘度，且喷射器4中的压降Δp可被认为等于轨道压力P。即，泄露速度G_st应直接与轨道压力P成比例。从图5中可清楚，该等式没有给出泄露速度G_st的满意描述。泄露速度G_st随轨道压力的实际增加比两个公式任一个预测的更显著。其原因是喷射器内的燃料的减压不是等温的。柴油燃料具有负Joule-Thomson系数，以使得减压导致其被加热。热量和其在泄露速度上的作用以复杂方式依赖于泄露路径的形状，以及燃料中产生的热被耗散的速度。非常清楚，给定喷射器的静态泄露速度G_st在燃料温度T_fuel和轨道压力P上的依赖性由实验最佳地确定。

在任意给定燃料温度T_fuel和轨道压力P下，图5的静态泄露速度G_st和图4的测量数据之间的差异对应于动态泄露。记录在控制单元22的储存器22’中的特性说明了在每次喷射时间的燃料质量泄露方面的动态泄漏量Δm_dyn。该泄漏量Δm_dyn是直接由图4的实验数据通过减去静态泄露速度G_st并将该结果除以每单位时间的喷射次数(即除以n)而被计算。

图6示例性地示出了对于各种燃料压力和温度的特性dyn300/28、dyn300/55、dyn750/28、...、dyn1600/55，其为激励时间ET的函数。在300bar或750bar的较低轨道压力数值下，泄漏量Δm_dyn表现为在所示的ET的整个范围内随激励时间线性增加。在1200bar的轨道压力下，泄漏量曲线dyn1200/28、dyn1200/55的斜率在1200μs的激励时间上方降低，且在1600bar，对于28℃的燃料温度，曲线dyn1600/28的泄露的降低在ET＝约1000μs被处观察到，且在曲线1600/55中，对于55℃的燃料温度是在ET＝约900μs处。其原因被认为是在喷射器4的内部结构中：只要导阀销元件18被通过放油孔17选出的燃料向上推，其不会构成对于放油孔17处的动态泄露的阻碍。动态泄露速度由此在这里主要由放油孔17的宽度和燃料温度确定。。销元件18到达邻接件所需使得时间越短，通过放油孔17的流速越高，即燃料压力P和温度T_fuel越高。当销元件18已到达邻接件时，其形成对于燃料流动的另一阻碍，且通过放油孔17的流速将降低。当销元件18已到达其邻接件时，图6中所示的动态泄漏量Δm_dyn(其为通过放油孔17的流的累积(integral))将展现出降低的增加速度。

在燃料供应系统具有每冲程单一喷射的情况下，控制单元22将查询在被其接收的轨道压力P、燃料温度T_fuel和激励时间ET的数值处的图7的动态泄露特性，且将由此确定的泄漏量Δm_dyn的数值乘以旋转速度n，以计算在每时间单位的质量方面的动态泄露速度G_dyn。

在多喷射系统的情况下，对于相同冲程的每个喷射，泄露量可从图6的特性中查询，考虑单独的激励时间ET(其可对于各个喷射是不同的)，且单独喷射的泄漏量的和给出每喷射器和冲程的总泄漏量。

动态泄露速度G_dyn是在控制单元22中通过把泄漏量Δm_dyn乘以每时间单元的冲程数(即乘以旋转速度n)获得。控制单元22计算泵1的希望的输送速度Q_{out_pump}作为在给定操作条件n、T_fuel和P_set下的喷射器4的总泄露速度G_st和G_dyn以及特定喷射流速Q_inj的和。

第二控制单元23接收希望的输送速度Q_{out_pump}，T_fuel and P_set。控制单元23包括储存器23’，其具有储存在其中的燃料泵1的效率特性。如同喷射器的泄露特性，这些效率特性可通过实验针对特定类型的燃料泵而被确定。图7至9示出了这样的特性的典型例子。在图7中，效率被示出为在不同轨道压力P和40℃的温度T_fuel下的泵旋转速度的函数。希望的是，效率η随压力P降低。但是，令人惊讶地，该效率η被观测到，在较低的轨道压力P数值下随泵旋转速度降低，而在高压数值下随其增加。该后面的现象是非常独立于燃料温度，如图8和9所证实的，其示出了在轨道压力P(在图8的情况中为300bar且在图9的情况中为1600bar)下，对于不同的燃料温度T_fuel，效率作为泵旋转速度的函数。

基于储存的泵效率特性，控制单元23输出控制参数至燃料泵1，以在其输出侧给出希望的流速Q_{out_pump}。在最实际的实施例中，该控制参数将为泵1的目标旋转速度。

由于该目标旋转速度是在开放控制回路中确定，无论何时柴油发动机的操作条件改变，其更新的数值都可以最小延迟地被利用。由于希望的喷射量Q_inj、发动机速度n等的改变导致的轨道压力P的波动可由此被保持在非常低的水平。

为了避免目标轨道压力P_set和施加压力P之间的长时间偏离，第三控制单元24建立闭环控制：减法器25确定轨道压力P和其目标数值P_set之间的偏差P_err且将其提供给PID控制器26。通过PID控制器26的修正项输出通过加法器27被加在来自控制单元23的控制信号上，且泵1使用加法器27的输出而被控制。这样，开放回路控制的高响应速度被与闭环控制的精确和无漂移相结合。

Claims (13)

1.一种用于控制燃料供应系统中的轨道压力的方法，该燃料供应系统包括燃料泵(1)、至少一个喷射器(4)和把喷射器(4)连接到该泵(1)的轨道(3)，该方法包括步骤：

a)建立所述轨道压力(P)和喷射器(4)的泄露速度(G_st，Δm_dyn)之间的关系(st28，st40，st55，dyn300/28，...)；

c)基于燃料喷射速度(Q_inj)、所述轨道压力(P)和所述轨道压力/泄露速度关系(st28，st40，st55，dyn300/28，...)估计从所述轨道的燃料排出速度；

d)基于所述燃料排出速度估计所述泵(1)的希望的吸入流动速度；和

e)控制该泵(1)以在所述希望的吸入流动速度下运行。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

b)建立所述轨道压力(P)和所述泵(1)的效率(η)之间的关系，

其中所述轨道压力/效率关系(η)被考虑用于步骤d)中对希望的吸入流动速度的估计。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述轨道压力/泄露速度关系(st28，st40，st55，dyn300/28，...)被建立为燃料温度(T_fuel)的函数。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述轨道压力/泄露速度关系(st28，st40，st55，dyn300/28，...)限定泄露速度作为至少静态泄露速度(G_st)和动态泄露速度(Δm_dyn)的发动机速度加权和。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述轨道压力/泄露速度关系(st28，st40，st55，dyn300/28，...)被建立为喷射器激励时间(ET)的函数。

6.如权利要求5所述的方法，其中，在喷射器激励时间为0时，泄露速度(G_st)随轨道压力(P)超过线性地增加。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中，在恒定轨道压力(P)时，如果激励时间(ET)低于给定阈值，泄露速度(Δm_dyn)随激励时间(ET)以第一高速增加，如果激励时间(ET)高于给定阈值，泄露速度(Δm_dyn)随激励时间(ET)以第二低速增加。

8.一种用于控制燃料供应系统中的轨道压力(P)的方法，该燃料供应系统包括燃料泵(1)、至少一个喷射器(4)和把喷射器(4)连接到该泵(1)的轨道(3)，该方法包括步骤：

b)建立所述轨道压力(P)和所述泵(1)的效率(η)之间的关系；

c)至少基于燃料喷射速度(Q_inj)估计从所述轨道(3)的燃料排出速度；

d)基于所述燃料排出速度和所述效率(η)估计所述泵(1)的希望的吸入流动速度；和

e)控制泵(1)以在所述希望的吸入流动速度下操作。

9.如权利要求2或8所述的方法，其中，所述轨道压力/效率关系(η)被建立为燃料温度(T_fuel)的函数。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤e)包括

e1)把基于所述希望的吸入流动速度确定的控制参数输入到所述泵(1)；

e2)检测当前轨道压力(P)和目标轨道压力(P_set)之间的偏差；和

e3)根据所述偏差校正所述控制参数。

11.一种用于执行前述权利要求中任一项所述方法的控制器(5)，包括用于执行步骤a)至d)的前馈单元(22，23)和用于执行步骤e)的反馈单元(24)。

12.一种数据处理器程序产品，包括程序编码装置，用于使得数据处理器能至少形成权利要求11的控制器(5)的前馈单元(22，23)或用于执行权利要求1至9任一项所述的方法。

13.如权利要求12所述的数据处理器程序产品，还包括数据载体，所述程序编码装置被以机器可读形式记录在该数据载体中。

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