CN102057149B - 用于探测喷射量偏差和矫正喷射量的方法以及喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在内燃机中例如通过共轨系统进行喷射时探测喷射量偏差的方法。本发明还涉及一种用于矫正这种系统中的喷射量的方法以及一种能实施这两种方法中的至少一种方法的喷射系统。

Description

用于探测喷射量偏差和矫正喷射量的方法以及喷射系统

本发明涉及一种用于在内燃机中例如通过共轨系统进行喷射时探测喷射量偏差的方法。本发明还涉及一种用于矫正这种系统中的喷射量的方法以及一种能实施这两种方法中的至少一种方法的喷射系统。

在例如用在共轨系统中的喷射器内，利用执行器控制燃料喷射到内燃机气缸的燃烧室中。这种执行器例如可以是压电晶体堆垛。

可以按照如下方式对喷射进行控制：例如通过控制阀使得燃料从喷射器的高压区域流入到喷射器的低压区域中。利用在这种情况下产生的压力差可以打开喷射器喷嘴，从而将燃料喷射到燃烧室中。这里按照如下方式对喷嘴的打开和封闭进行控制：执行器仅仅间接地、通过压力差使得一个或多个喷射孔打开和/或封闭。

现在的问题是，如果例如打开了高、低压区域之间的阀，以便实现对于打开喷嘴或喷射孔必需的压力改变，则在高压区域和/或低压区域中就会出现压力波动。还有很多其他效应会影响对高、低压区域中的压力的调节和改变。特别是还可能在低压区域中存在不可控的且不可预料的气泡，或者由于压力波动而产生气泡，这些气泡会影响压力情况。这种压力变化可以归因于阀、执行器和其他在控制喷射时共同作用的组件。

高压区域和/或低压区域中的不可控的压力情况会对喷射量产生影响，因为执行器的作用通过高和/或低压区域中的燃料借助于压力变化传递到能打开和关闭用于喷射的喷射孔或喷嘴的机构上。因而如果每次喷射时的压力情况并不相同或者确切地已知，则对执行器的给定控制会导致不同的喷射量，这取决于高和/或低压区域中的压力情况。尤其至关重要的是，在对执行器进行给定控制时，不同的压力情况会使得喷射孔或喷嘴速度不同地且时间长短不同地打开。

因此，本发明的目的是，提出一种能探测喷射量的偏差的方法。发明目的还在于，提出一种能在存在偏差时矫正喷射量的方法。本发明的目的还在于提出一种能实施本发明的方法的喷射系统。

根据本发明，采用一种具有权利要求1的特征的用于探测喷射量偏差的方法、一种具有权利要求13的特征的用于矫正喷射量的相应方法以及一种具有权利要求17的特征的喷射系统，即可实现所述目的。本发明的有利改进可由从属权利要求的特征得到。

根据本发明，采用如下方式探测至少一个喷射量的至少一个偏差：确定至少一个参数的至少一个值与预先给定的值和/或给定值的至少一个偏差，其中该参数控制喷射器的至少一个执行器和/或表示至少一个执行器的至少一种状态。即如果执行器在喷射期间在高和/或低压区域中出现了不同的状况，则有不同的力反作用于该执行器，致使该执行器进行不同的运动。如果例如低压区域中的压力较高，则会有较大的力通过压力作用到执行器上，该力与由执行器施加的力一起叠加成合力。喷射量取决于该合力。如果由于压力情况不同于预先给定的情况而使得该合力相对于其给定值有偏差，则喷射量相对于预先给定的值也有偏差。现在可以利用如下事实：通过高和/或低压区域中的压力施加在执行器上的力对执行器的状态有影响，由此反作用于能控制执行器和/或能显示执行器状态的参数。

作为执行器，特别是考虑采用电磁执行器和压电执行器。压电执行器可明显更精确地受控制，因而是优选的。在这种情况下可特别明显地看到由于不同的压力情况引起的影响。

针对测量的参数来确定偏差，作为这种参数，特别是考虑采用至少一个施加在执行器上的电压、至少一个流到执行器中或流经执行器的电流、流到执行器中的电荷、流到执行器中的能量以及执行器的电容。如果执行器是压电执行器，则执行器上的电压、执行器中的电流、流到执行器中的电荷、流到执行器中的能量以及执行器的电容是优选的参数。

如果由于高压区域或低压区域中的压力波动而在执行器上作用有附加的力，则该附加的力使得在执行器的输入端之间形成附加的电压，该附加电压与必要时施加的电压相叠加。

在执行器是压电执行器时，尤其执行器的电容也相对于参考状态发生改变，如果由于压力情况而在该执行器上施加有不同于参考状态的或附加的力。这使得流入到执行器中的电荷和/或能量相对于参考状态改变。因而通过测量这些参数就能推断出由于在高压区域和/或低压区域中的压力情况而施加的力和/或该力与给定值的偏差。于是，存在这种偏差可以表明喷射量有偏差。

特别是在多次喷射时会产生由不可控的压力情况引起的众多问题。尤其是通过快速进行的相继的多次喷射，会在第二次喷射和后续喷射中产生一些能改变压力情况的效应。然而恰恰对于多次喷射来说重要的是，多次喷射的各次喷射相互间关系正确。因此优选的是，为了探测喷射量的偏差，确定两次喷射之间的相应参数的值的偏差。在这里，在多次喷射的第一次喷射时的参数的值优选为预先给定的值或参考值(给定值)。

优选的是，针对多次喷射，确定多次喷射的第一次喷射与同一多次喷射的后一次喷射之间的差。特别优选的是，为了确定多次喷射的第二次喷射中的偏差，确定该次喷射的值与第一次喷射的值之间的差，在多次喷射的第三次喷射中，确定该次喷射的值相对于第二次喷射的值的差。相应的情况优选适用于可能发生的后续喷射。

该方法相应地可应用于单次喷射。在此，可以将一次独立喷射的值与后一次独立喷射的例如在同一气缸的后续冲程中的相应值比较。

通常可以将在一次喷射期间压电执行器的动作分为三个阶段。首先在充电阶段中将电荷充入到执行器中。在充电阶段之后紧接着是保持阶段，执行器在该保持阶段中基本上不变化。最后在放电阶段中将执行器放电。

充入到执行器中的电荷与执行器的电容C和施加在执行器上的电压U的关系式为C(t)＝Q(t)/U(t)。在喷射器的高压区域和/或低压区域中的压力情况的偏差会导致执行器的电容C改变。于是执行器的电容是一个合适的参数，以便确定变化的压力情况，亦即作用到执行器上的力的偏差，进而确定执行器的不同动作，因为在电容与作用到执行器上的力之间存在由压电效应引起的关系。这里可以利用在本段开头部分给出的带有电荷和电压的关系式来求得电容，即测得电荷和电压，其中电荷通常又通过测量流入到执行器中的电流并通过对电流的积分来确定。

然而，执行器的电容并非在每个阶段中或者在任何时刻都一定能测得，或者在很多喷射系统中并非在每个阶段中都能确定。因此例如可以规定，仅在压电执行器的充电阶段结束时刻，即在阀行程结束时才通过测量电荷和电压来确定电容。于是根据求得的电容仅能推断出此时产生的压力或力情况。然而在这种情况下允许测量流入到或已流入到执行器中的电荷，并允许推断出在充电阶段期间已产生的压力或力情况，因为在充电阶段期间的—在这种情况下未测量的—电容变化由于所谓的驱动器反作用而影响实际流入到执行器中的电荷。这里如所述优选通过对压电电流的积分，例如通过硬件积分来确定电荷。因此通过单点测量，亦即在喷射过程期间仅在一个时刻确定电荷和电压，既可以推断出在充电阶段期间压力情况的偏差，又可以推断出在充电阶段之后的保持阶段期间的偏差。由此还可以探测实际喷射量相对于参考喷射量的偏差。替代于电荷，也可以考虑采用测得的电压的值，以便针对给定的电容推断出在充电阶段期间的情况。

本发明的方法的特殊优点在于，它能应用在第二代压电共轨系统(PCR2)中，在这种系统中按照标准仅对电荷Q和电压U进行单点测量。在所述第二代压电共轨系统中，这种测量在保持阶段开始。由所述一种测量就已经能确定对执行器的特别是在下述情况下的一定的影响。

一方面，在充电阶段期间在执行器上会产生附加的反力。这种反力如上所述例如由高压和/或低压区域中的不同的压力情况而引起。只要在充电阶段结束时不再存在附加力，在充电阶段之后紧接着在保持阶段开始时进行的测量中就无法确定对电容C的影响。其原因是，仅在实际上有附加的力作用到执行器上期间电容才与其给定值存在偏差。

但另一方面，可以借助于电荷Q来确定充电阶段期间的干扰。电荷Q可以例如在PCR2系统中如上所述通过对在充电阶段期间流入到压电执行器中的电流的积分来确定。在充电阶段期间，执行器的电容由于附加的力影响而改变，故在充电阶段结束时，充入到执行器中的电荷由于已经提及的驱动器反作用—亦即执行器的电容对控制着执行器的驱动器的反作用—而与在没有这种附加的力影响情况下有所不同。因此在已有的PCR2系统中采用本发明的方法就已经可以探测在充电阶段期间产生的实际的力、干扰或偏差。

另一种情况是干扰，例如在PCR2系统中在保持阶段开始时测量电容就能探测到这种情况，在保持阶段开始时亦即在所述测量本身期间存在这种干扰。由于干扰影响恰恰在电容测量期间存在，故可明显地测得对电容的影响。相反，对电荷的影响通常不存在，因为在保持阶段期间通常不再流有充电电流。

仅在保持阶段开始时进行一次测量并不能确定在保持阶段开始之后即在保持阶段的晚些时刻或者在放电阶段产生的干扰。因此优选的是，替代于或附加于在保持阶段开始时进行的一次或多次测量，在充电阶段期间进行测量，在保持阶段的晚些时刻进行测量，或者也可以在放电阶段期间或之后进行测量。如果要使得为此付出的代价特别是计算代价保持在一定限度内，则可以仅进行少数几次测量，这几次测量以适当的方式在喷射期间分布。测量点的有益分布在此取决于特定喷射系统的情况，特别是取决于燃料流经一定的缩窄部分的持续时间有多长，气泡以何种方式在燃料中出现。在高和低压区域中的压力波动的持续时间也对测量点的适当布置位置有影响。

如果喷射期间的测量次数尽可能大，则可以实现特别精确地确定控制着执行器的和/或表示执行器状态的参数的偏差，进而还特别精确地矫正喷射量。因此还特别优选的是，参数以阵发式测量(Burst-Messung)的形式存在，即随着时间连续或准连续，进而允许根据时间来探测偏差。

如所述优选的是，为了探测偏差，可以确定参数的值相对于前次喷射中的参数的值的差。在此优选的是，在两次喷射中的值相互间有一定关系，这些值在相应的喷射期间在相应时刻获得。通过这种方式可以确定，在相应时刻，系统在本次喷射中是否处于与先前的参考喷射相同的状态或者相同的阶段。

根据本发明，还提出一种用于矫正喷射量的方法。在此优选的是，采用上述方法探测喷射量的偏差，然后改变至少一个控制着执行器的参数，使得控制着执行器的和/或显示至少一个执行器状态的至少一个参数的至少一个值的偏差减小、减到最小或被消除。用于矫正喷射量的方法也可以按照如下方式实施：仅确定执行器与其给定状态的偏差，或者附加地或替代地确定至少一个所测参数与其给定值的偏差，即例如与前次喷射的相应值的偏差，并通过控制来矫正执行器或相应的参数，使得附加的或有偏差的力对执行器或参数的影响被抵消。另外也可以代替喷射量，而确定和/或矫正与喷射量和/或喷射量偏差相关联的参数，该参数与喷射量或喷射量偏差的关系是已知的。

喷射量可以采用不同的方式来矫正。可以如上所述那样利用所述参数之一按照不同的方式控制执行器。例如可以施加不同的电压，和/或改变流入到执行器中的电荷和/或能量。另外还可以延长或缩短打开时间或喷射时间，以便平衡由干扰引起的过高或过低的喷射量。过高的喷射量例如可以通过缩短喷射时间来平衡，过低的喷射量可以通过延长喷射时间来平衡。延长或缩短喷射时间可以在充电阶段、保持阶段和/或放电阶段进行。优选在保持阶段进行矫正。

特别有益因而优选的是，在执行器末级的输入端和/或输出端上测量用于确定偏差的参数的值，通过这些参数来控制一个或多个执行器。在此可以特别有益地实施该方法，如果执行器末级未自动地平衡相应参数的变化。因此，作为执行器末级优选使用脉冲式末级、类似电荷源的源，例如CC-Evo驱动器。也可以使用类似能量源的源作为执行器末级。如果使用压电执行器，则在这种情况下可以使用压电功率末级。

下面将借助一些附图来介绍本发明的实施例。

图中示出：

图1示出如在共轨系统中使用的压电喷射器；

图2为在压电喷射器中的高压区域与低压区域之间的控制阀单元的示意图；和

图3示出利用这种压电喷射器相继进行喷射的电荷差和电容差。

图1示出如在共轨系统中使用的带有压电执行器的喷射器，其也称为压电喷射器。这里所述的发明可以应用在带有这种喷射器的喷射系统中。

下面首先要简短地介绍这种喷射器的工作原理。但也可以代替所述喷射器，而使用例如具有通常的电磁执行器而不是压电执行器的其他喷射器。

在喷射器中，高压区域1与共轨系统的高压区域通过高压接管12耦联。高压区域1与喷射器的具有低压接管的低压区域2通过控制阀3而隔开。喷射器还具有控制活塞4，该控制活塞的一端与喷嘴针5连接，该喷嘴针封闭或开通喷射孔6或喷嘴6。通过喷射孔6或喷嘴6可以将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。

在封闭状态下，喷嘴针5采用如下机理顶压到喷射孔上。控制活塞4和喷嘴针5与喷射器的高压区域1连接，其中控制活塞4的背离喷嘴针5的一侧在控制室7内终止，且在这里被处于高压下的燃料包围。另一方面，喷嘴针5邻接高压腔8，在该高压腔中也存在处于高压下的燃料。沿运动方向观察，控制活塞4在控制室7中与处于高压下的燃料接触的面积大于喷嘴针5在高压腔8中与处于高压下的燃料接触的在运动方向上的有效面积。由此使得控制活塞4和喷嘴针5通常沿着喷嘴针5的方向压靠到喷射孔6上。

使得高压区域1与低压区域2隔开的控制阀3设置在与控制室7连接的排流限制器(Ablaufdrossel)9的上方。控制阀3可以通过在此被设计成压电执行器的执行器10打开和关闭。如果现在控制阀3被执行器10打开，则来自高压区域1的燃料经由排流限制器9从控制室7流入到低压区域2中。由此使得控制室7中的燃料沉降到控制活塞4上，致使在控制室7中施加到控制活塞4上的力小于在高压腔8中施加到喷嘴针5上的力。这样就使得控制活塞4和喷嘴针5从喷射孔6离开被压向控制阀3，从而打开喷射孔。替代于压电执行器，执行器也可以是电磁执行器。

图2示意性地示出控制阀3，其通过阀活塞21与执行器10连接。如果执行器10通过施加压力而移动(ausdehnen)，它就将阀活塞21和控制阀3向下压，致使从与控制室7连接的且处于高压下的阀室(Ventilraum)13至低压区域2的通道打开，燃料从图2中未示出的高压区域1经由阀室13流入到低压区域2中。在执行器10之前的室25与设置在执行器10下端的执行器膜片邻接，该室与低压区域2燃料流通地连接。因而如果控制阀3打开，则燃料从控制室7高速地流入到低压区域2中。一方面，在低压区域2中可能存在气泡，这些气泡会改变燃料从控制室7流到低压区域中的流出特性。而且，由于燃料快速地流出，还可能既在高压区域1中又在低压区域2中产生压力波动，这种压力波动在系统内会有所反映，于是反作用到执行器10上。此外还可能直接在执行器膜片之前在区域25中产生气泡，这些气泡会改变作用到执行器10上的反作用力。作用到执行器10上的力因而特别是取决于室25是否充填有气体或液体，因为位于那里的介质在执行器移动时必定被压迫穿过图2中看不到的在阀活塞21与邻接的喷射器部分之间的间隙。这些效应导致实际喷射量相对于给定喷射量存在偏差，对这种偏差的探测和矫正是此处所述方法的主题。

图3示出流入到执行器10中的电荷在两次相继的喷射之间的差(虚线)以及在两次相继的喷射期间的电容的差(实线)。这些差通过在PCR2系统中的测量得到，所述测量在充电阶段结束之后紧接着均在保持阶段开始，即对于每次喷射来说都在相同的阶段中开始，其中电荷通过对为此测得的流经执行器10的电流的积分来确定，电容由此总是根据同样测得的施加在执行器10上的电压得到。所示的差因而通过在PCR2系统中按照标准进行的单点测量而得到。

在本实施例所涉及的内燃机运行时，在每个气缸的工作冲程开始时，在多次喷射中相继地进行五次独立的喷射，其中计算图3的在时间上相继的每两次喷射的差。相继的每两次喷射的电荷差在左边的竖直轴上绘出，而电容的差在右边的竖直轴上绘出。电荷差的测量结果带有不精确度31，而电容差带有不精确度32。在水平轴上绘出进行相应测量时的转速。在一种替代的设计中，也可以在用作参考喷射的第一次独立喷射时求得和使用分别测得的参数与相应参数的差。

曲线33a和33b示出多次喷射的第二次和第三次喷射之间的电荷差或电容差。电荷在此用空心方框来表示，电容用实心圆来表示。针对这些差，能特别清楚地看到电荷差与电容差之间的相关性。可以看到，第三次喷射时的相应值大于第二次喷射时的相应值，这使得差为正。所述相关性可以归因于：作用到执行器10上的力相对于以前的喷射出现偏差，更确切地说，在充电阶段结束之后，亦即在保持阶段开始时进行的喷射测量期间，仍存在不同于参考喷射时的力，且基于其电容和电荷而具有不同的值。可以考虑其他情况，特别是如下情况：在单点测量期间，电容具有不变的值，只是电荷相对于参考喷射具有偏差。这归因于在充电阶段期间力或压力情况不变，而在保持阶段中也产生相对于参考喷射不变的压力。相反也可考虑，电荷差消失或者具有可忽略不计的值，而测得的电容则不同于当前的喷射。这允许—根据充电阶段期间的通常的力情况—推断出在保持阶段期间变化的力或压力情况。

在图3中还具体地用实心方块示出在多次喷射的第二次和第一次喷射之间的电荷差，用实心三角示出第四次和第三次喷射之间的差，用叉号示出第五次和第四次喷射之间的电荷差。用星号示出第二次和第一次喷射之间的电容差，用垂直的线条示出第四次和第三次测量之间的电容差，用水平的横线示出第五次和第四次喷射之间的电容差。

现在可以利用所示的差来探测喷射量偏差。可以将电容和电荷视为能表示执行器状态的参数或能控制执行器的参数。如在图3中可看到，这些参数的值在相继的测量中各不相同，这表明存在喷射量偏差。这种偏差可能已经由于各次喷射的不同给定量而产生。但这种偏差也有可能由于干扰例如低压区域或高压区域中的压力波动而引起。这种由干扰引起的在实际喷射量与给定喷射量之间的偏差现在按照如下方式来探测：将在内燃机运行时实际测得的测量点分别与根据运行状态预先给定的给定值相比较。在这种情况下确定的相对于给定值的偏差致使喷射量出现偏差，于是可以采用如下方式来矫正喷射量偏差：改变对执行器10的控制时间，使得测量点与相应给定值的偏差减到最小，优选消失。

在内燃机运行期间为相同目的而测得的其他测量参数例如可以是执行器上的电压、流经执行器的电流、流入到执行器中的电荷和/或流入到执行器中的能量。按照相应的方式为了探测且必要时矫正实际喷射量与给定喷射量之间的偏差而使用的替代的或附加的测量点还可以在一个独立喷射的充电阶段期间、保持阶段期间、保持阶段结束时在放电阶段期间和/或在放电阶段结束后设定。例如可以在能控制执行器的执行器末级的输入端和/或输出端上进行测量。这种执行器末级例如可以是CC-Evo驱动器。优选该末级具有载荷反作用(Lastrückwirkung)，和/或具有节拍(getaktet)。末级例如可以作为电荷源或能量源工作。

根据测得的偏差例如还可以确定喷射器的喷射阀提早或滞后和/或缓慢或迅速地打开。

如果按照所述方式探测到了喷射量偏差，则可以采用如下方式矫正喷射量：矫正至少一个能控制执行器10的值，使得能控制执行器10的和/或能表示执行器10的状态的参数的值偏差减小、减到最小或者被消除。特别是还可以提早或滞后地关闭或打开喷射阀。

Claims (14)

1.一种用于在带有燃料喷射器的内燃机的一个气缸中探测燃料的实际喷射量与给定喷射量之间的偏差的方法，该燃料喷射器带有压电执行器，所述燃料喷射器是具有压电执行器的压电燃料喷射器，

其中，探测喷射量的偏差，其方式为，在喷射时间点确定至少一个工作参数的值与分别预先给定的值的偏差，其中该工作参数控制着压电燃料喷射器的压电执行器(10)或表示压电燃料喷射器的压电执行器的工作状态，

其中，压电执行器的相关的工作参数包括压电执行器(10)上的电压、流入到或流经执行器的电流、流入到执行器中的电荷、流入到执行器中的能量和执行器的电容，

其特征在于，所述预先给定的值是在相应的时间点在同一燃料喷射器的前次喷射时的相应的工作参数的值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过至少一个偏差来确定在喷射器的至少一个低压区域(2)和/或至少一个高压区域(1)中的至少一个压力波动，由此探测喷射量的偏差。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预先给定的值是在紧接着进行的前次喷射时在喷射的相同阶段的相应参数的值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定在多次喷射的第一次喷射和同一多次喷射的后一次喷射时的工作参数的值之间的偏差。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在给执行器(10)充电的充电阶段结束之后紧接着确定用于确定偏差的值，其中作为所述值，确定在充电阶段期间流入到执行器中的电荷，和/或确定执行器的由电荷和施加在执行器(10)上的电压决定的电容。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，由所确定的电容推断出在充电阶段结束时作用到执行器(10)上的力的偏差，和/或由所确定的电荷推断出在充电阶段期间作用到执行器(10)上的力的偏差。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在执行器(10)的充电阶段期间和/或在保持阶段期间和/或在保持阶段结束时和/或在放电阶段期间和/或在放电阶段之后，测量用于确定所述偏差的至少一个值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在充电阶段和/或保持阶段和/或放电阶段期间，在多次测量中和/或在多个时刻期间，测量所述工作参数的值，其中在阵发式测量中通过多次测量来测量所述工作参数。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由所确定的偏差来确定燃料喷射器的喷射阀(6)提早或滞后和/或缓慢或迅速地打开。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在控制着压电执行器(10)的执行器末级的输入端和/或输出端上测量至少一个工作参数的至少一个值。

11.一种用于在内燃机的一个气缸中矫正燃料喷射量的方法，其中采用根据前述权利要求1-10中任一项的方法来探测至少一个喷射量的偏差，并按照如下方式矫正喷射量：矫正控制着执行器(10)的至少一个工作参数的值，使得所述值的偏差减小到所述预先给定的值。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，通过矫正控制着执行器(10)的至少一个工作参数的值来延长或缩短执行器的保持阶段和/或放电阶段，和/或提早或滞后地关闭燃料喷射器的至少一个喷射阀(6)。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，压电执行器(10)被执行器末级控制，该末级具有载荷反作用和/或具有节拍和/或作为电荷源工作和/或作为能量源工作。

14.一种具有至少一个燃料喷射器的喷射系统，该喷射器具有至少一个压电执行器(10)，其特征在于，该喷射系统被设计用于采用根据权利要求1至13中任一项的方法来探测和/或矫正通过至少一个燃料喷射器喷入的喷射量的偏差。