CN102140973B - 控制高压共轨燃油系统的高压共轨管腔轨压的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法。该设备可以包括：工况获取装置，配置用于获取与所述发动机高压共轨燃油系统相关的工况；油量计量阀等效横截面积确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据获取的所述工况，以及根据所述高压共轨管腔的轨压目标值，使用所述油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定所述油量计量阀的等效横截面积；信号生成装置，其耦合至所述油量计量阀等效横截面积确定装置，配置用于基于确定的所述油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制所述油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。

Description

控制高压共轨燃油系统的高压共轨管腔轨压的设备和方法

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及发动机领域，更具体地，涉及一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法。

背景技术

现有发动机高压共轨燃油系统中的燃油压力控制采用PID(比例-积分-微分)类型的控制策略，这需要进行大量的标定工作。此外，采用这种现有的发动机高压共轨燃油系统控制策略，在发动机工作的某些工况条件下，高压共轨管腔中燃油压力的实际测量值同燃油压力的目标值之间有较大的偏差，这就导致了发动机高压共轨燃油系统中的燃油实际喷射量与燃油目标喷射量之间出现较大误差，直接影响了发动机的功率和各缸喷油的一致性。

因此，开发先进的发动机高压共轨燃油系统的燃油压力控制策略对提高发动机性能和减少电子控制单元标定工作至关重要。

发明内容

鉴于本领域中不存在这样的精确控制策略，本发明提供了用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法，以至少部分解决上述问题。

根据本发明的一个方面，本发明的实施方式提供了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备，该设备可以包括：工况获取装置，配置用于获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况；油量计量阀等效横截面积确定装置，其耦合至工况获取装置，配置用于根据获取的工况，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积；信号生成装置，其耦合至油量计量阀等效横截面积确定装置，配置用于基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。

根据本发明的一些实施方式，工况可以包括高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。

根据本发明的另外一些实施方式，工况可以包括高压共轨管腔的实际轨压测量值。

根据本发明的一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。

根据本发明的又一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。

根据本发明的一些实施方式，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。

根据本发明的另一方面，本发明的实施方式提供了一种用于观测燃油压力的设备，该设备包括：参数获取装置，配置用于获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值；燃油压力观测值确定装置，其与参数获取装置耦合，配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及通信装置，其与燃油压力观测值确定装置耦合，配置用于提供观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。

根据本发明的实施方式，燃油压力观测值确定装置进一步配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值。

根据本发明的又一方面，本发明的实施方式提供了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法，该方法可以包括：获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况；根据获取的工况，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积；基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。

根据本发明的一些实施方式，工况可以包括高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。

根据本发明的一些实施方式，工况可以包括高压共轨管腔的实际轨压测量值。

根据本发明的一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。

根据本发明的又一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。

根据本发明的一些实施方式，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。

根据本发明的另一方面，本发明的实施方式提供了一种用于观测燃油压力的方法，该方法包括：获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值；基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及提供观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。

根据本发明的一些实施方式，获取测量值的步骤进一步包括使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值。

利用本发明实施方式提供的诸多线性物理模型，可以更好地控制高压共轨管腔的轨压，以使其在任何工况条件下都接近其目标值。此外，由于提供了发动机高压共轨燃油系统中各设备之间关系的物理模型，能够减少电子控制单元的标定工作。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1示出了流量计量单元位于低压油路的发动机高压共轨燃油系统的示意图。

图2示出了根据本发明实施方式的、用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备的示意框图。

图3示出了根据本发明实施方式的、用于观测燃油压力的设备的示意框图。

图4示出了根据本发明实施方式的、用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法的示意流程图。

图5示出了根据本发明实施方式的、用于观测燃油压力的方法的示意流程图。

图6示出了根据本发明实施方式的、油量计量阀等效横截面积的线性物理模型的图示。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。

根据本发明的实施方式，提出了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法。此外，还提供了一种用于观测燃油压力的设备和方法，以与控制轨压的设备和方法协同工作。

另外，在本文中，所使用的术语“参数”表示任何能够指示发动机的(目标或实际)物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示凸轮轴转速的参数”与“凸轮轴转速”在本文中具有等同的含义。而且，在本文中，假设P表示某个特定的物理量，则表示P对时间的导数，即P随时间的变化率；表示该物理量P的观测值，即，经过滤波的测量值(测量值包含噪音)。

此外，在本文中，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估算，等等；所使用的术语“测量”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如直接测量、读取、计算、估算，等等。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

首先参考图1，如上文所述，其示出了流量计量单元位于低压油路的发动机高压共轨燃油系统100的示意图。应当理解，图1中仅仅示出了发动机高压共轨燃油系统100中与本发明的实施方式有关的部分，发动机高压共轨燃油系统100还可以包括任意数目的其他部件。

如图1所示，发动机高压共轨燃油系统100包括：燃油箱101、燃油滤清器102、燃油低压油泵103、燃油流量计量单元116，其包括油量计量阀(例如电磁阀)，配置用于通过改变其等效横截面积来控制经由其流入高压共轨管腔117的燃油量；单向阀105，配置用于作为从燃油流量计量单元到柱塞泵腔106的单向燃油通路；高压喷油泵113，其包括高压喷油泵柱塞115和柱塞泵腔106，在凸轮轴的带动下，高压喷油泵柱塞115在柱塞泵腔106内做往复运动，当高压喷油泵柱塞115向下运动时，柱塞泵腔106内形成真空，由此通过单向阀105将燃油吸入，而当高压喷油泵柱塞115向上运动时，柱塞泵腔106内的燃油受压形成高压燃油，并在燃油压力大于高压共轨管腔117内的燃油压力时将其压入高压共轨管腔117；单向阀107，配置用于作为高压燃油从柱塞泵腔106到高压共轨管腔117的单向通路；高压共轨管腔117，配置用于储存高压燃油；喷油器111，其在喷油器驱动电磁阀110的驱动下将高压共轨管腔117中储存的高压燃油喷入各气缸；和电子控制单元(ECU)118，配置用于基于工况(例如，高压共轨管腔的轨压测量值109)来提供控制燃油流量计量单元的油量计量阀的开度(即，等效横截面积)、喷油器驱动电磁阀110(即，开闭)等的驱动信号(例如，油量计量阀的驱动信号114和喷油器电磁阀驱动信号108)。

从图1中可见，由于发动机高压共轨燃油系统100包括众多部件，工况复杂，想要通过控制油量计量阀的等效横截面积来精确地控制高压共轨管腔117中轨压是非常困难的。因此，为了解决这一技术问题，本发明关注于对油量计量阀、高压喷油泵、高压共轨管腔、喷油器的燃油流量和/或压力进行表征和建模，由此便能实现现有技术中无法实现的有效控制。为此，如下文详述的，本发明的实施方式建立了上述物理量的线性模型，并使用它们来控制高压共轨管腔117中的轨压。

下面参考图2来描述用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备200。

本领域技术人员能够理解，图2所示的控制设备200可以作为图1中示出的电子控制单元118或其部分而付诸实践。备选地，控制设备200也可以实现为单独的控制设备。

如图2所示，控制设备200包括工况获取装置202，配置用于获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况。

根据本发明的一些实施方式，工况可以包括高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值(分别用h和θ表示)。

根据本发明的另一些实施方式，工况可以包括高压共轨管腔的实际轨压测量值(用P_r表示)。

应当理解，上述工况仅是示例，这些工况可以结合起来使用(例如，包括h、θ和P_r三者)，也可以包括未提及的任何其他工况，本发明在这些方面不受限制。

应当理解，工况获取装置202可以通过实际测量来获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况(例如，直接测量P_r)。备选地或者附加地，工况获取装置202可以根据其他部件的工况，通过估计、估算或计算来获取指示与发动机高压共轨燃油系统相关的工况(例如，h为凸轮轴转角θ的函数，可以通过凸轮轴转角θ来计算h)。本发明的范围在此方面不受限制。

如图2所示，根据本发明的实施方式，控制设备200还可以包括油量计量阀等效横截面积确定装置204，其耦合至工况获取装置202，配置用于根据获取的工况(h和θ和/或P_r)，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值(用P_r，des表示，其可以根据发动机工况实时设定)，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积(用u表示)。

可以看到，根据本发明的实施方式，油量计量阀等效横截面积确定装置204使用表征油量计量阀等效横截面积的线性物理模型，以工况获取装置获取的h和θ和/或P_r为输入，确定为了满足P_r，des所应具有的油量计量阀等效横截面积。实际上，在本领域中，尚无现有技术尝试通过这种面向控制的线性物理模型来表征和控制油量计量阀等效横截面积。下面将详细介绍根据本发明实施方式的油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。

根据本发明的一些实施方式，该线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关。这里所称的“方面”既包括发动机高压共轨燃油系统的固有属性，也包括运转过程中的实时工况，例如包括但不限于：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。

根据本发明的又一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。

其中，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。

根据本发明的实施方式，可以利用各种手段来建立油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。下面仅描述其中的一种实施方式。

首先，对流量计量单元的流量、柱塞泵腔压力、柱塞泵腔流入高压共轨腔的流量、高压共轨管腔的轨压和喷油器喷射到气缸的流量进行建模。

如本领域技术人员所知，为了考虑高压共轨燃油系统主要的机械、液压和控制部件之间的物理关系，同时又能够利用给出的模型设计来确定油量计量阀的等效横截面积，本文做如下假设：1)忽略高压共轨系统燃油泄漏；2)流量计量单元利用油量计量阀(例如，比例电磁阀)驱动；3)忽略温度和燃油压力变化对燃油密度的影响；4)燃油流量系数不随温度和压力变化而改变；5)燃油的弹性模量不随温度而变化。如本领域技术人员所知，上述假设是建模时忽略次要矛盾、解决主要矛盾的常用方式。

1.建模

1.1流量计量单元

$Q_u=C_{u}u\sqrt{\frac{2(P_u-P_p)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1.1\right)$

其中：

Q_u：流入柱塞泵腔的燃油流量

C_u：流量计量单元流量系数(常量)

u：流量计量单元的流量计量阀等效横截面面积，为控制量

ρ：燃油密度(常量)

P_u：低压油泵供油压力(常量)

P_p：柱塞泵腔燃油压力

1.2柱塞泵腔压力

${\stackrel{\·}{P}}_p=\frac{{\mathrm{\β}}_p}{v_p}(Q_u-Q_r+A_p\mathrm{\θ})---\left(1.2\right)$

其中：

Q_r：柱塞泵腔流入高压共轨腔的流量

β_p：柱塞泵腔燃油弹性模量，β_p＝β_p(P_p)，其中β_p(P_p)是P_p的多项式。

V_p：柱塞泵腔体积。V_p＝V_max-A_ph(θ)，其中A_p为柱塞泵腔横截面积，h(θ)为柱塞升程，θ为凸轮轴转角。

ρ：燃油密度(常量)

P_p：柱塞泵腔燃油压力

θ：为柱塞运动线速度，为柴油机转速的函数。ω_c为油泵凸轮轴转速。

1.3柱塞泵腔流入高压共轨腔的流量

$Q_r=C_r{A}_r\sqrt{\frac{2(P_p-P_r)}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1.3\right)$

C_r：柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀流量系数(常量)

A_r：柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积(常量)

1.4高压共轨管腔内燃油压力

${\stackrel{\·}{P}}_r=\frac{{\mathrm{\β}}_r}{V_r}(Q_r-Q_{\mathrm{inj}})---\left(1.4\right)$

其中：

Q_inj：喷油器喷射到气缸的流量

β_r：高压共轨管腔内燃油弹性模量，β_r＝β_r(P_r)，其中β_r(P_r)是P_r的多项式

V_r：高压共轨管腔体积(常量)

P_r：高压共轨管腔内的燃油压力

1.5喷油器喷射到气缸的流量

$Q_{\mathrm{inh}}=C_{\mathrm{inj}}{A}_{\mathrm{inj}}\sqrt{\frac{2(P_r-P_{\mathrm{cyl}})}{\mathrm{\ρ}}}---(1.5)$

其中：

C_inj：喷油器流量系数(常量)

A_inj：喷油器等效横截面面积(常量)

P_cyl：气缸内压缩空气压力(常量)

2.模型线性化

如本领域技术人员所知，控制系统的数学模型是描述系统内部各物理量(或变量)之间关系的数学表达式、图形表达式或数字表达式，即，描述系统性能的数学表达式(或数字、图形表达式)。控制系统的数学模型可以有多种形式，建立系统数学模型的方法可以不同，不同的模型形式适用于不同的分析方法。理论上，没有一个数学表达式能够准确(绝对准确)地描述一个系统，因为，理论上任何一个系统都是非线性的、时变的和分布参数的，都存在随机因素，系统越复杂，情况也越复杂。

为了将非线性系统线性化常用两种处理方法：为忽略不计取常值及切线法或小偏差法。切线法或小偏差法特别适用于具有连续变化的非线性特性函数，其本质是在一个很小的范围内，将非线性特性用一段直线来代替。数学上的处理是取其泰勒展开式的线性项。

设连续变化的非线性函数y＝f(x)取平衡状态A为工作点，对应y₀＝f(x₀)。当x＝x₀+Δx有y＝y₀+Δy时，设y＝f(x)在(x₀，y₀)点连续可微，则在(x₀，y₀)点附近的泰勒级数展开式为：

$y=f\left(x\right)=f\left(x_0\right){+\left(\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\right)}_{x_0}(x-x_0)+\frac{1}{2!}{\left(\frac{d^{2}f\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}\right)}_{x_0}{(x-x_0)}^2+.$

当增量(x-x₀)很小时，略去高次幂项，则有：

$y-y_0=f\left(x\right)-f\left(x_0\right)={\left(\frac{\mathrm{df}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}\right)}_{x_0}(x-x_0)$

记Δy＝KΔx(Δy＝y-y₀ Δx＝x-x₀ )

略去增量符号Δ，便得函数在平衡点A附近的线性化方程y＝K_x(K是比例系数，它是f(x)在A点处的斜率)。对于多元函数，情况是类似的，在此不再赘述。

据此，在本发明中，可以在该燃油系统的平衡点附近对物理模型做线性展开，得出线性化后的物理模型，以简化运算。如本领域技术人员所知，针对在平衡点附近的线性化物理模型，可以略去增量符号Δ。

2.1高压共轨燃油系统的线性化物理模型

在燃油压力P_p和P_r的平衡点(分别用P_p*和P_r*表示)附近，对共轨系统模型进行线性化得

${\stackrel{\·}{P}}_p=a_1{P}_p+a_2{P}_r+a_3\mathrm{\θ}+a_{4}h+a_{5}u---\left(2.1\right)$

${\stackrel{\·}{P}}_r=b_1{P}_p+b_2{P}_r---\left(2.2\right)$

其中：

$a_1=\frac{1}{V_p}[\frac{{\∂\mathrm{\β}}_p}{{\∂P}_p}(C_{u}u\sqrt{\frac{2(P_u-{P_p}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}-C_r{A}_r\sqrt{\frac{2({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}+A_p\mathrm{\θ})-{\mathrm{\β}}_p(\frac{C_{u}u}{\sqrt{2\mathrm{\ρ}(P_u-P_p*)}}+\frac{C_r{A}_r}{\sqrt{2\mathrm{\ρ}({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}})]$

$a_2=\frac{{\mathrm{\β}}_p{C}_r{A}_r}{V_p\sqrt{2\mathrm{\ρ}({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}}$

$a_3=\frac{{\mathrm{\β}}_p{A}_p}{V_p}$

$a_4=\frac{{\mathrm{\β}}_p{A}_p}{V_p^2}(C_{u}u\sqrt{\frac{2(P_u-{P_p}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}-C_r{A}_r\sqrt{\frac{2({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}+A_p\mathrm{\θ})$

$a_5=\frac{{\mathrm{\β}}_p{C}_u}{V_p}\sqrt{\frac{2(P_u-{P_p}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}$

$b_1=\frac{{\mathrm{\β}}_r{C}_r{A}_r}{V_r\sqrt{2\mathrm{\ρ}({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}}$

$b_2=\frac{1}{V_r}[\frac{{\∂\mathrm{\β}}_r}{{\∂P}_r}(C_r{A}_r\sqrt{\frac{2({P_p}^{*}-{P_r}^{*})}{\mathrm{\ρ}}}-C_{\mathrm{inj}}{A}_{\mathrm{inj}}\sqrt{\frac{2({P_r}^{*}-P_{\mathrm{cyl}})}{\mathrm{\ρ}}})-{\mathrm{\β}}_r(\frac{C_r{A}_r}{\sqrt{2\mathrm{\ρ}({P_p}^{*}-P_r*)}}+\frac{C_{\mathrm{inj}}{A}_{\mathrm{inj}}}{\sqrt{2\mathrm{\ρ}({P_r}^{*}-P_{\mathrm{cyl}})}})]$

上式中的系数a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、b₁、b₂可以通过利用平衡点的状态来获得。

由于柱塞泵腔中的燃油压力P_p不可直接测量，所以本发明设计了一种用于观测燃油压力的设备，下面参考图3来描述该观测设备。

图3示出了根据本发明实施方式的，用于观测燃油压力的设备的示意图，如图3所示，该观测设备300可以包括参数获取装置302，配置用于获取柱塞运动线速度θ、高压喷油泵柱塞的升程h、油量计量阀的等效横截面积u和高压共轨管腔的轨压的测量值P_r；和燃油压力观测值确定装置304，其与参数获取装置302耦合，配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值。

如本领域技术人员所知，可以采用各种手段来设计柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型，下面仅给出其中的一个实施方式。

假设燃油柱塞泵中燃油压力的观测值为高压共轨管腔中燃油压力的观测值为高压共轨管腔中燃油压力的测量值为P_r。选择适当的L＝[L_p L_r]，使得

${\stackrel{\·}{\hat{P}}}_p=a_1{\hat{P}}_p+a_2{\hat{P}}_r+a_3\mathrm{\θ}+a_{4}h+a_{5}u+L_p({\hat{P}}_r-P_r)---\left(2.3\right)$

${\stackrel{\·}{\hat{P}}}_r=b_1{\hat{P}}_p+b_2{\hat{P}}_r+L_r({\hat{P}}_r-P_r)---\left(2.4\right)$

是稳定和收敛的。由此公式(2.3)和(2.4)有解，即，可以得到状态观测量的值，或和二者的值。

可见，根据本发明的一些实施方式，燃油压力观测值确定装置304可以进一步配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值

另外，观测设备300还可以包括通信装置306，其与燃油压力观测值确定装置304耦合，配置用于向控制设备提供燃油压力的观测值(或和二者)，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。

根据本发明的一些实施方式，提供和二者(即，该线性物理模型可以使用两个值的观测值)的优势在于能够提高等效横截面积的线性物理模型的准确性。而根据本发明的另一些实施方式，仅提供观测值的优势在于不需要求解出缩短运算时间。

当然，本领域技术人员可以理解，以上只示出了估算柱塞泵腔燃油压力的观测值(或和二者)的一种实施方式，本领域技术人员可以基于本发明的思想对上述实施方式做出任何修改，这些都应落入本发明的保护范围。备选地，在发动机工况不改变的情况下，并不是在每次确定油量计量阀等效横截面积时都需要重新计算柱塞泵腔燃油压力的观测值(或和二者)，而是可以将其记录下来，重复使用，以减少运算压力，提高系统实时性。

在确定了柱塞泵腔燃油压力的观测值(或和二者)之后，下面可以继续基于公式(2.1)和(2.2)来推导油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。

首先，定义高压共轨管腔的轨压目标值为P_r，des，轨压实际测量值为P_r，轨压实际测量值与目标值的误差为：e＝P_r-P_r，des。

则：

P_r＝e+P_r，des， $\stackrel{\·}{e}={\stackrel{\·}{P}}_r,$ $\stackrel{\·\·}{e}={\stackrel{\·\·}{P}}_r$

由此，油量计量阀等效横截面积的线性物理模型为：

$u=\frac{1}{b_1{a}_5}[(b_2{a}_1-b_1{a}_2)P_{r,\mathrm{des}}-b_1{a}_3\mathrm{\θ}-b_1{a}_{4}h+k_{p}e+k_i\∫e+k_d\stackrel{\·}{e}]---\left(2.5\right)$

令 $\stackrel{\·\·}{e}-(a_1+b_2+k_d)\stackrel{\·}{e}+(a_1{b}_2-b_1{a}_2-k_p)e-k_i\∫e=0,$

则通过选择适当的k_p、k_i及k_d增益值，可以确定

当t→∞时，e→0。

从公式(2.5)可知，u的前馈控制项为：

$u_{\mathrm{FF}}=\frac{1}{b_1{a}_5}[(b_2{a}_1-b_1{a}_2)P_{r,\mathrm{des}}-b_1{a}_3\mathrm{\θ}-b_1{a}_{4}h]---\left(2.6\right)$

反馈控制项为：

$u_{\mathrm{FB}}=\frac{1}{b_1{a}_5}(k_{p}e+k_i\∫e+k_d\stackrel{\·}{e})---\left(2.7\right)$

由此，便得到了油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。如图6所示，其中图形化地示出了油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。

具体地，从图6可见，根据油量计量阀等效横截面积的线性物理模型，前馈控制项与P_r，des、h和θ相关。其中为了计算各个系数，需要知道和当然如上文所述，也可以仅需知道

仍从图6中可见，和的值与u、h、θ和P_r相关。

还从图6中可见，反馈控制项与误差e相关，即，与P_r，des和P_r相关。

如本领域技术人员所知，该线性物理模型可以仅包括前馈控制项、反馈控制项，或者可以包括二者的组合。本发明在此不受限制。

当然，应当理解，上文给出的仅是推导线性物理模型的一种实施方式。该模型的各种变形是可能的。例如，在某些工况条件下，在物理模型中可以不考虑上文提及的一个或多个方面，和/或增加与发动机高压燃油系统有关的新的方面。实际上，基于本发明给出的如上启示和教导，本领域技术人员可以结合其具体需求和条件，设计实现任何适当的物理模型来表征油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。

继续参考图2，控制设备200可以进一步包括信号生成装置206，其耦合至油量计量阀等效横截面积确定装置204，配置用于基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。

接下来，参考图4来描述根据本发明实施方式的、用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法400的示意流程图。

如图4所示，该用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法400可以包括：获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况(S402)；根据获取的工况，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积(S404)；基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号(S406)。

接着参考图5来描述根据本发明实施方式的、用于观测燃油压力的方法500的示意流程图。

如图5所示，方法500可以包括：获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值(S502)；基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值(S504)；以及提供观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用(S506)。

根据本发明的一些实施方式，步骤504可以进一步包括使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值。

可以理解，方法400和500中记载的步骤与上文参考图2和图3描述的控制设备200和观测设备300中的装置分别完全对应一致。由此，上文参考控制设备200和观测设备300的各个装置而描述的操作、功能和/或特征同样适用于方法400和500的各个步骤。而且，方法400和500中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行和/或并行执行。

另外，应当理解，参考图4和图5描述的方法400和500可以通过计算机程序产品来实现。例如，该计算机程序产品可以包括至少一个计算机可读存储介质，其具有存储于其上的计算机可读程序代码部分。当计算机可读代码部分由例如处理器执行时，其用于执行方法400和500的步骤。

本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了控制设备和观测设备的若干装置或子装置，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。

Claims (16)

1.一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备，其特征在于，所述设备包括：

工况获取装置，配置用于获取与所述发动机高压共轨燃油系统相关的工况；

油量计量阀开度确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据获取的所述工况，以及根据所述高压共轨管腔的轨压目标值，使用所述油量计量阀开度的线性物理模型来确定所述油量计量阀的开度；

信号生成装置，其耦合至所述油量计量阀开度确定装置，配置用于基于确定的所述油量计量阀的开度，生成用于控制所述油量计量阀的开度的驱动信号。

2.如权利要求1的设备，其特征在于，所述工况包括所述高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。

3.如权利要求1的设备，其特征在于，所述工况包括所述高压共轨管腔的实际轨压测量值。

4.如权利要求2的设备，其特征在于，所述线性物理模型与所述发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：

柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。

5.如权利要求3的设备，其特征在于，所述线性物理模型与所述发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：

柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。

6.如权利要求4或5的设备，其特征在于，柱塞泵腔的体积与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；

柱塞运动线速度与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；

在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。

7.一种用于观测燃油压力的设备，其特征在于，所述设备包括：

参数获取装置，配置用于获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的开度和高压共轨管腔的轨压的测量值；

燃油压力观测值确定装置，其与所述参数获取装置耦合，配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定所述柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及

通信装置，其与所述燃油压力观测值确定装置耦合，配置用于提供所述观测值，以供油量计量阀开度的线性物理模型使用。

8.如权利要求7的设备，其特征在于，所述燃油压力观测值确定装置进一步配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定所述高压共轨管腔轨压的观测值。

9.一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取与所述发动机高压共轨燃油系统相关的工况；

根据获取的所述工况，以及根据所述高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀开度的线性物理模型来确定油量计量阀的开度；

基于确定的所述油量计量阀的开度，生成用于控制所述油量计量阀的开度的驱动信号。

10.如权利要求9的方法，其特征在于，所述工况包括所述高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。

11.如权利要求9的方法，其特征在于，所述工况包括所述高压共轨管腔的实际轨压测量值。

12.如权利要求10的方法，其特征在于，所述线性物理模型与所述发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：

柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。

13.如权利要求11的方法，其特征在于，所述线性物理模型与所述发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关：

柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。

14.如权利要求12或13的方法，其特征在于，柱塞泵腔的体积与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；

柱塞运动线速度与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；

在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。

15.一种用于观测燃油压力的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的开度和高压共轨管腔的轨压的测量值；

基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定所述柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及

提供所述观测值，以供油量计量阀开度的线性物理模型使用。

16.如权利要求15的方法，其特征在于，所述获取的测量值的步骤进一步包括使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定所述高压共轨管腔轨压的观测值。