CN102144083A - 用于修正安排在燃料喷嘴外壳内的执行单元的取决于温度的长度变化的方法和装置 - Google Patents

用于修正安排在燃料喷嘴外壳内的执行单元的取决于温度的长度变化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于修正安排在燃料喷嘴(1)的外壳(2)内的执行单元(3)的取决于温度的长度变化的方法和装置。已知为了保持在执行单元(3)和燃料喷嘴控制阀之间形成的空程(L)，通过测量执行单元(3)的电容和由此求出温度(Ta)，来补偿取决于温度的长度变化。然而，为此要使用用于控制该执行单元(3)的附加测试脉冲。因此，按照本发明规定，省去使用测试脉冲，而电容(CAPA)直接在有效触发脉冲上测量。本发明的方法非常准确且可靠，因为考虑了诸如燃料压力、燃料温度和动作能量等当前的运行参数。

Description

用于修正安排在燃料喷嘴外壳内的执行单元的取决于温度的长度变化的方法和装置
本发明涉及按照并列权利要求1和9所述类型的用于补偿安排在燃料喷嘴外壳内的执行单元的取决于温度的长度变化的方法或装置。已知对于柴油发动机或者汽油机来说，使用带有一个或多个直接把燃料喷入内燃机汽缸内的燃料喷嘴的共轨喷射系统。燃料喷射器具有安排在外壳中的执行单元，在控制阀单元时触发该执行单元。该执行单元的中央驱动元件是一个压电执行器，该执行器由至少一个触发电脉冲触发并施加一个相应的冲程。在该执行单元和该阀单元之间形成一个例如2μm的最小空程，以保证燃料喷嘴的喷射孔在静止状态下可靠地密封。
另外已知，该执行单元的热膨胀系数不能完全与其外壳相等，而且特别是在动态运行中，在该执行单元与其外壳之间可能出现温度差。因此，随着该温度在该执行单元与其外壳之间出现小的长度差，这可能导致空程的改变。因为执行单元的长度本来就相对较小，故在工作温度不同时，即使执行单元的长度变化很小，也会严重地影响燃料喷嘴的喷射特性，因为该空程可能不利地相应缩小或增大。
为了解决这些问题，至今尝试求出该执行单元的温度的动态特性。然后由该温度根据已知的材料常数或者凭经验检验，求出温度对于执行单元的长度变化产生什么影响。
DE 19931233 A1建议，通过一个所谓小电容来确定执行件(执行单元)的温度。该小电容在该燃料喷嘴不被激活的触发间歇中测量。为了测量该小电容，需要一个或多个测试脉冲来触发执行单元。这个方法有缺点，即必须确定和接通附加的测试脉冲，以便能够测量该小电容。另外，这个方法提供的结果相对不准确，因为燃料喷嘴的当时的运行参数无法测量，因为它们只在有效触发时才出现。
WO 2002092985同样建议作为温度的参量考虑该执行单元的电容。然而，从该公开文献无法得知，例如，是否考虑了该执行单元中的温度分布。另外，鉴于燃料喷嘴不同的运行状态，无法得知如何设计触发电压的修正。
EP 1138935B1建议，在压电执行单元中，根据在该充电能量和放电过程中回收的能量之间的比率来评估压电温度。
另外，从EP 1811164B1已知一种方法，其中该压电执行单元的压电温度根据一个模型算出，该模型与泵入口处的燃料温度、冷却水温度、转速和喷油量有关。
本发明的任务在于，提出一种方法或一种装置，借以通过直接测量有效触发脉冲时的电容，可靠地且无需巨大消耗地补偿执行单元的取决于温度的长度变化。这个任务用并列权利要求1和9的特征解决。
在按照本发明的用于补偿执行单元的取决于温度的长度变化的具有并列权利要求1和9的特征部分的特征的方法或装置中，产生这样的优点，即对当前的电容的测量和由此求出的当前温度或该执行单元的取决于温度的长度变化是在内燃机运行过程中直接在该执行单元用的一个有效触发脉冲上测定的。不需要附加的测试脉冲。这种测量方法简单得多，而且有利。另外，可以达到更好的和更可靠的实测值和结果，因为可能达到的校正质量例如不取决于干扰的信噪比。有利的是，在多次喷入例如有5个或6个触发脉冲时，在每个任意的触发脉冲上都可以进行或重复该测量。
通过在从属权项中提及的措施，有利地改进和改善在并列权利要求1和9中给出的方法或装置。特别有利的是，该执行单元的电容根据燃料喷嘴的至少一个运行参数来测量。以此可以模拟实际的情况，以便能够极为有效地和精确地对取决于温度的长度变化进行修正。
本发明的一个基本方面还在于，该执行单元的电容根据压力、温度、动作能量、触发持续时间、燃料类型和/或其他影响因素来测定。这导致对取决于温度的长度变化的可靠修正。
另外，已表明有利的是，该执行单元的电容在充电过程结束时或在有效触发脉冲保持阶段期间测量。希望进行电容测量的时刻可以非常容易地在有效触发脉冲过程中求出，因为触发脉冲的起点及其变化过程是预先给定的，并因此是已知的。这样，该电容测量便可以例如在触发脉冲开始之后180μs进行测量。
本发明的另一个方面在于，该电容可以根据执行单元及其外壳之间的热力学耦合来测定。
对于按照本发明的修正规定，该执行单元的取决于温度的长度变化通过简单地改变触发脉冲的定时加以修正。作为替代方案规定，为了达到执行单元的相应的温度变化，要修改触发脉冲的动作能量。
本发明另一个有利的方面还在于，执行单元的取决于温度的长度变化可以有选择地通过定时的变化换算为动作能量的等效变化，反之亦然。该换算最好通过贮存在存储器中的表格、贮存的特性曲线族、曲线或借助于计算公式进行。
本发明的一个实施例在附图中示出，并在下面的说明中更详细地加以描述。
图1表示一个燃料喷嘴纵剖面的局部剖面示意图，其中特别显示一个安排在外壳中的带有阀单元的执行单元；
图2表示可以识别出室温TK与驱动单元外壳温度TG之间相互关系的第一曲线图；
图3表示可以识别出执行单元电容(CAPA)与压力、温度和动作能量之间相互关系的第二曲线图；
图4表示以线性化形式描述图3的第三曲线图；
图5表示用于确定一个工作点上的执行单元电容的框图；
图6表示描述执行单元的电容CAPA和温度Ta之间相互关系的第四曲线图；
图7表示用于计算触发脉冲修正的框图；
图8表示用于确定定时修正和动作能量修正的算法；和
图9表示按照本发明的装置的框图。
在如今的汽车中，使用一般带有燃料喷射用的共轨喷入系统的内燃机。其中共轨喷射系统使用一个或多个燃料喷嘴，籍此以高压将燃料，例如柴油或汽油直接喷入内燃机的汽缸。
图1在示意图中表示按照本发明的燃料喷嘴1的驱动单元7的纵剖面。正如从图1还会看到的，在外壳2中安排该驱动单元7，它最好形成为压电执行单元3。该执行单元3以其上端与其外壳2固定连接。该执行单元3的下端被底板4封闭并可以在纵向移动。在该底板4下面，安排带有一个蘑菇状阀门6和阀门活塞5的阀体8。该蘑菇状阀门6可以用阀门活塞5上的压力加以控制。在底板4和阀门活塞5之间形成一个最小间隙，例如L＝2μm作为空程。为了保证在该执行单元3不受控的状态下燃料喷嘴1下端的喷射孔可靠地关闭，以便没有燃料可以溢出，该空程L是需要的。
执行单元3用至少一个触发电脉冲激活，并视结构形式而定产生约为30至50μm的长度变化。由于该执行单元3的长度变化，底板4压在阀门活塞5上，并打开蘑菇状的阀门6。以此引起的液压开关机制最终导致处于阀体8下部的燃料喷出用的喷射孔打开。
为了最优地控制燃料的燃烧，一般对于一个喷入周期使用多个喷入脉冲。例如，在喷入柴油时激活5至6个触发脉冲，其中在一次主喷入之前设置一次或两次预喷入。该主喷入之后可以后跟一次附加的小喷入，且在该主喷入之后大约2至3ms，为了再生运行而再激活1至2个触发脉冲。
本发明的基本意图在于，针对每个循环的至少一个上述触发脉冲，测量执行单元3的电容。原则上在每个任意触发脉冲上都可以测量该执行单元的电容，而且往往任意地重复该测量。在本发明一个特定的实施例中，在一个有效的触发脉冲的充电过程期间，例如，在充电过程结束时约180μs之后测量电容。作为替代方案，还可以在紧跟着的有效触发脉冲的保持阶段期间测量电容。因为一个有效触发脉冲充电过程的开始时刻是已知的，故可以把该电容测量的触发(测量开始)选择在每个任意时刻，因为该喷入过程不受该测量影响。为了测定执行单元的电容，对触发时刻所达到的电压进行测量，并在充电过程期间直至触发点对充电电流进行积分。通过对充电电流在该时间内的积分，给出流入该执行单元3的全部电荷。通过简单的求商便可以从该电荷和电压测定该执行单元3当时的电容。
本发明一个特殊的优点在于，对执行单元3当前电容的测量可以在内燃机的动态运行中，在一个或多个有效触发脉冲上进行。测定电容不需要测试脉冲。按照本发明的另一个优点在于，通过在一个有效触发脉冲上的直接测量，可以自动地考虑燃料喷嘴1当前的运行参数。因此，按照本发明的方法特别现实和可靠，因为在测定电容时动作能量、压力(轨压)、温度、燃料类型和其他影响因素的影响都明确地得到考虑。
在图1中还给出驱动单元7的温度TG和执行单元3的温度Ta的测量点。由于执行单元3的上部与其外壳2直接接触，导热率非常高，因而预期只有小的温度差。在蘑菇状阀门6和阀门活塞5的范围内，黑色箭头P用符号表示燃料的渗漏流。
接着，参照图2和3的示意图，对执行单元3的温度Ta和驱动单元7外壳2的温度TG之间的相互关系作较详细的说明。
在图2的曲线图中，总共显示了四条温度曲线a、b、c、d。在Y轴上画出所求出的驱动单元7外壳2温度T外壳。在X轴上，画出温度TG变化过程的在0至500范围内的测量点。通过在温度室内的试验测量求出所示出的曲线a、b、c、d，这些曲线表示在不同的测量点在驱动单元7的外壳2温度TG和室温TK之间的相互关系。针对各个测量点把该测试室调节为预先给定的恒定的室温TK。下面的曲线a是在TK＝30℃的室温下测得的。对于其上面的曲线b，室温等于TK＝40℃，对于下一条曲线c，TK＝55℃，而对于最上面的曲线d，TK＝80℃。对于该测量点，已改变了压力和触发脉冲的持续时间。图2表明，这四条温度曲线a至d非常近似地大致平行延伸。
图3含有另一条曲线，其中在图2中示出的曲线a至d以另一个形式示出。正如从图3可以看到的，在Y轴上显示该执行单元3的电容CAPA[μF]。这四条曲线a至d同样处于30℃、40℃、55℃和80℃的室温TK下，正如前面针对图2所描述的。在X轴上，再次画出在0-500之间的测量点，其中以与图2相同的方式改变压力、温度和动作能量。引人注目的是，在这些图中，尖峰是指向下方的。
在一条曲线的两个尖峰之间各有一个测量段Ma。在每一个测量段Ma内部，系统中的压力保持恒定，而且触发脉冲的触发持续时间减小。正如可以从曲线图看出的，在相对较长的时间上，电容CAPA大致是恒定的。它们在测量段Ma的末端略微上升，接着，随尖峰下降。该尖峰是由于触发脉冲的触发持续时间这样严重地缩短而出现的，使得触发脉冲的充电持续时间减少，因而其能量减少。总而言之，这导致输送给执行单元的能量较小。
决定性的是，在观察各条曲线时，亦即，在恒定的室温TK下，在共轨系统中压力从左到右恒定的，只要不出现尖峰，此后压力上升。同时，该测量曲线包含这样的信息，即执行单元所获得的最大电荷取决于压力。总的来看，人们获得这样的信息，即在什么压力下，在什么触发持续时间(定时)测量，使该执行单元获得什么充电能量。因此，从这些测量中可以看出，电容CAPA基本上取决于压力和触发。
当在不同的室温下进行电容测量时，便可以得出电容CAPA随温度的变化。这样，在曲线a(检验室温度TK＝30℃)测量出最低电容CAPA＝6.0μF。与此相反，对于检验室温度TK＝80℃的曲线d，作为最低数值给出电容大致为6.6μF。在40℃和50℃的检验室温度下，曲线b和c给出电容的相应的中间值。
曲线c、d的实线表示所求出的电容CAPA的平均值。
因为图3的曲线难以进行分析，在图4中描绘了第三曲线图，其中该电容变化曲线表示为趋势曲线。在y轴上画出执行单元的电容CAPA，而在x轴上画出压力或者为此选择的标称能量(动作能量)。因此，图4示意地表示在预先给定的压力和相应的动作能量下，执行单元3电容CAPA与驱动单元7外壳温度TG的关系。此外，从图4可以看出，对于燃料喷嘴系统中的每个压力值，都必须预先给定一定的动作能量标称值。这意味着，在系统中压力较高时，也必须施加较高的打开力。然而，较高的打开力需要相应较高的标称能量来开动喷射阀。因此，系统中的压力唯一地确定该执行单元3运行所必需的参数。
图5表示按照本发明的装置的框图，以此可以算出受作为干扰参数的能量偏移量(能量偏移量，EGY_OF)影响的电容CAPA。这些干扰参数，正如它们在图3的曲线族上尤其以尖峰形式示出的，可以借助于图5的装置算出，从而得到图4的变化过程平滑化的曲线族。干扰参数取决于压力，并在触发脉冲的能量改变时给出。
作为输入量，在图5的方框40中输入实测的压力值，或者作为替代方案，输入整定值。在方框40中，存储取决于压力的特性曲线族。它包含单位能量的电容变化的导数。该导数取决于压力。在输出侧给出压力修正后的电容CAPA值。在方框40后面是方框41，该框形成为乘法器。在该乘法器41中，另外作为干扰参数还输入能量偏移量EGY_OFS。从梯度dT/d能量*EGY_OFS获得电容CAPA的校正值。乘法器41的结果引入加法器42。另外，把从图3的实测值求出的受干扰作用的电容CAPA输入加法器42。在加法器42的输出端获得一个就标称能量进行了修正的电容CAPA，亦即，修正后的电容CAPA与干扰能量影响无关，并给出图4的平滑化的取决于压力的曲线族。
此外，还必须从电容实测值消除温度干扰的影响。这借助于图6的曲线图进行。在图6中，在Y轴上画出执行单元3的实测电容，而在X轴上画出执行单元3的温度Ta。因此，从该曲线可以对于执行单元的每个电容值读出相应的温度Ta。例如，正如从图6可以看出的，在电容为7.5μF时，执行单元的温度Ta＝75℃。
现在，在图4的曲线图中可以求出消除了能量偏移和温度影响的电容值，因此，给出图4的平滑化的曲线族。在图4中，画出电容CAPA(Y轴)随压力和标称能量(X轴)的变化。因此，这些曲线以修正后的形式反映出电容CAPA随温度的变化过程。该曲线族的变化比图3的略为平滑。这与消除了温度造成的误差影响有关。
图4的曲线图被反过来利用，作为输入量输入压力、标称能量和消除了干扰量的电容值CAPA，并从图4的特性曲线族读出执行单元3的相应的温度Ta。这样取得的执行器温度Ta可以通过能量的修正，或者通过触发脉冲定时的修正来补偿执行单元3的取决于温度的长度变化。
上述曲线图或框图给出按照本发明的用于补偿执行单元3的取决于温度的长度变化的算法。该算法最好以程序形式实现，这可以省去计算单元。
在图7的框图中描绘了用于实现执行单元3的取决于温度的长度变化的整个相互关系，该执行单元利用其调节后的空气缝隙L实现对空程量的相应作用。首先，如上所述，在输入端70输入从实测的执行单元3的电容求出的温度Ta。在方框75中含有带有一个特性曲线族的曲线图，以此可以把执行单元3的温度Ta转换为空程L的变化量。因此，在X轴上画出执行器温度Ta，而在y轴上画出空程L的大小。因此，所示曲线dT_BG[Temp](Blind Gap)根据确定的执行单元3的温度Ta给出空程比的变化。
如图1所示，执行单元3和阀门活塞5之间的空程L约为2μm。因此，在执行单元的温度变化时，可能使空程L增大或缩小。原则上，由于所选择的外壳2和执行单元3的材料常数，空程L大致是恒定的。然而，当动态运行时，在执行单元3和外壳2之间会出现温度差，这样可能导致空程L的减小或增大。就是说，在该执行器3被触发时，喷射阀打开稍晚，关闭稍早，反之亦然。这样便可能无法在所设置的定量喂料机构中喷入预先给定的燃料量。因此，按照本发明规定，这样改变触发脉冲的定时值，使得总是确定所设置的燃料量并能可靠地喷入。
在图7上部，还设置另一个修正单元，它在执行单元3与其外壳2之间出现温度差时，也就是在该执行单元3与其外壳2之间未发生完美的温度补偿时起作用。这尤其当在静态下温度相等，但是在动态下执行单元3的温度Ta偏离其外壳2的温度TG时出现。因此，输入端70上执行单元3的温度Ta再引到滤波器PT1(方框71)上。该PT1滤波器71在执行单元3与其外壳2之间的温度变化上引起一个时间延迟。按照这个模型使外壳温度有偏差。该执行单元3的滤波后的和未经滤波的温度施加在加法器73上，结果使得执行单元3与其外壳2之间的温度差在方框73的输出端可供使用。
另外，使PT1框(方框71)的输出信号与方框72的曲线图耦合。方框72的曲线图含有特性曲线族，由此给出触发脉冲定时相对变化和温度差dT_BG/d_Temp(y轴)之间的相互关系。在x轴上画出驱动单元7外壳的温度TG。该特性曲线族实际上包含驱动单元7外壳所用材料的温度系数。该结果在方框74中乘以该温度差，并与方框75的输出信号在加法器77中相加。因此，在输出端76上便有控制信号定时的校正值，以此可以根据执行单元3的取决于温度的长度变化修正空程L。
为了解释补偿算法，在图8给出一个公式，可以用它修正执行单元3的取决于温度的长度变化。在一个特性曲线族中，对于每个工作点都存储触发脉冲关于能量偏移的灵敏度。例如在100MP的压力下操作燃料喷嘴。喷油量在一个喷入脉冲时等于例如2mg。在100MP下，该执行单元3以52mJ的标准能量运行。若该能量例如提高10mJ，提高到62mJ，则例如给出大致1.4mg的数量变化。在能量降低时喷油量减小某个值。
图8的示意公式表示用于修正执行单元的取决于温度的长度变化的作为本发明基础的一般做法。在该示意公式中，从上述曲线图求出喷入燃料的数量变化d_MF关于能量变化d_EGY的梯度。该梯度为d_MF/d_EGY。另外，该燃料量(MF)是触发脉冲定时(TI)和燃料喷嘴中压力(pressure)的函数。由此，单位定时变化的数量变化d_MF/d_TI用下式求出：
MF＝MF(TI，压力)→d_MF/d_TI。
与梯度d_MF/d_EGY结合可以确定定时修正量(Timing correction)和/或能量修正量(Energy correction)。
图9用示意图表示按照本发明的装置的方框图。计算单元90与测量机构91连接，后者被构造用于测量执行单元3的电容。另外，该计算单元90还与存储器92连接，其中连同算法、数据、曲线、特性曲线族和实测值一起存储程序。按照本发明规定，单元90至92例如是发动机控制设备的现有机构。

Claims (13)

1.一种用于补偿安排在燃料喷嘴(1)的外壳(2)内的执行单元(3)的取决于温度的长度变化的方法，其中首先求出执行单元(3)的电容(CAPA)，其中从该电容(CAPA)确定出执行单元(3)的温度(Ta)，其中在考虑所求出的温度(Ta)的情况下修正执行单元(3)用的下一个有效触发脉冲，其特征在于，
一对执行单元(3)的当前电容(CAPA)的测量是在内燃机运行过程中直接在执行单元(3)用的至少一个有效触发脉冲上进行的。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，执行单元(3)的电容(CAPA)根据燃料喷嘴(1)的至少一个运行参数来测量。
3.按照上列权利要求中任一项的方法，其特征在于，该执行单元(3)的电容(CAPA)根据压力、温度、动作能量、触发持续时间、燃料类型和/或其他影响因素来确定。
4.按照上列权利要求中任一项的方法，其特征在于，该电容(CAPA)在充电过程结束时或者在有效触发脉冲保持阶段期间来测量。
5.按照上列权利要求中任一项的方法，其特征在于，该电容(CAPA)根据在执行单元(3)与其外壳(2)之间的热力学耦合来确定。
6.按照上列权利要求中任一项的方法，其特征在于，该执行单元(3)的取决于温度的长度变化通过对触发脉冲定时或动作能量的改变来修正。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，为了补偿执行单元(3)的取决于温度的长度变化，把定时的变化换算为动作能量的等效变化，或相反。
8.按照权利要求6或7中任一项的方法，其特征在于，定时变化的或等效动作能量的换算值以表格、曲线或公式的形式存储。
9.一种用于按照上列权利要求中任一项的方法的、用以补偿安排在燃料喷嘴(1)的外壳(2)内的执行单元(3)的取决于温度的长度变化的装置，带有受程序控制的计算单元(90)、用于执行单元(3)的电容的测量机构(91)、存储器(92)和用于补偿取决于温度的长度变化的程序，其特征在于，
—设计带有这样一种算法的程序，即利用该算法在内燃机运行过程中直接在执行单元(3)用的至少一个有效触发脉冲上测量执行单元(3)的电容。
10.按照权利要求9的装置，其特征在于，电容(CAPA)可根据至少一个运行参数，例如压力、动作能量和/或温度来测量。
11.按照权利要求9或10中任一项的装置，其特征在于，在存储器中存储有关于在电容和/或执行器温度(TA)与动作能量和压力之间的关系的表格。
12.按照权利要求9至11中任一项的装置，其特征在于，在存储器中存储有数量特性曲线族，借助该数量特性曲线族可以针对燃料喷嘴(1)的任意工作点把所求出的定时变化换算为动作能量的等效变化，或相反。
13.按照权利要求9至12中任一项的装置，其特征在于，设计该程序，以便通过对触发脉冲的定时改变和/或通过对动作能量的改变来补偿执行单元(3)的取决于温度的长度变化。
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