CN102817734B - 采用极性转换波形的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用极性转换波形的控制系统。控制系统具有电枢、与电枢相关的绕组和至少一个电源。控制系统还具有与绕组和至少一个电源连通的控制器。控制器可被构造成在第一时间周期的过程中将具有第一极性的第一电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢，并且在第二时间周期的过程中将具有第二极性的第二电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢。

Description

采用极性转换波形的控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，并更特别是涉及一种采用极性转换波形的控制系统。

背景技术

共轨燃料喷射器提供将燃料从供应共轨引入到发动机的燃烧室中的方式。典型的共轨燃料喷射器包括致动螺线圈，在螺线圈的绕组通过特别电流波形激励以吸引金属电枢时，致动螺线圈打开燃料喷射器喷嘴。燃料接着根据绕组保持通过该波形激励的时间周期喷射到燃烧室。这种燃料喷射器的例子在2006年3月21日授权给Puckett等人的美国专利No.7013876(’876专利)中公开。

与’876专利所公开类型的燃料喷射器相关的一个问题在于定子和电枢内的残留磁性。即随着时间推移，重复地暴露于特定磁场的电枢会产生磁性，该磁性即使在螺线圈绕组不再通过电流波形激励后也得到保留。另外，电枢内的磁性根据操作的频率和持续时间波动。残留的磁性(特别是残留磁性的波动水平)会在螺线圈的绕组被激励和去激励时造成电枢不一致地运动。电枢的不一致运动会不利地影响相关燃料喷射器和发动机的性能。

本发明的控制系统解决了以上提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种控制电枢的方法。该方法可包括在第一时间周期的过程中将具有第一极性的第一电流波形引导到与所述电枢相关的绕组内以便以希望的方式运动所述电枢。该方法还包括在第二时间周期的过程中将具有第二极性的第二电流波形引导到所述绕组内以便以希望的方式运动所述电枢。

本发明的另一方面涉及一种控制系统。该控制系统包括电枢、与所述电枢相关的绕组和至少一个电源。控制系统还可包括与所述绕组和至少一个电源连通的控制器。所述控制器可被构造成在第一时间周期的过程中将具有第一极性的第一电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢，并且在第二时间周期的过程中将具有第二极性的第二电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢。

本发明的再一方面涉及一种用于具有至少一个燃烧室的发动机的燃料控制系统。所述燃料控制系统可包括加压燃料源和被构造成将加压燃料从该源喷射到所述至少一个燃烧室的至少一个燃料喷射器。燃料喷射器可具有电枢、与所述电枢相关且被构造成在通过电流波形激励时运动电枢的绕组和操作地连接到电枢的阀元件。阀元件从第一位置朝着第二位置的运动启动加压燃料喷射到至少一个燃烧室内。燃料控制系统还可包括至少一个电源和与燃料喷射器的绕组和至少一个电源连通的控制器。控制器可被构造成在第一时间周期的过程中在第一方向上引导第一电流波形经过绕组以便启动第一喷射事件，并且在第二时间周期的过程中在与第一方向相反的第二方向上引导第二电流波形经过绕组以启动基本上与第一喷射事件相同的第二喷射事件。

附图说明

图1是示例性公开的发动机的局部截面示意图；

图2是可与图1的发动机一起使用的示例性公开的燃料控制系统的局部截面示意图；以及

图3是图2的燃料控制系统的控制图。

具体实施方式

图1表示发动机10和燃料系统12的示例性实施方式。为了公开的目的，发动机10表示和描述成四冲程柴油发动机。但是本领域普通技术人员将理解到发动机10可以是另一类型的内燃发动机，例如汽油或气态燃料供能发动机。发动机10可包括限定多个缸16的发动机缸体14、可滑动地布置在每个缸16内的活塞18以及与每个缸16相关联的缸盖20。

缸16、活塞18和缸盖20可以一起形成燃烧室22。在所示实施方式中，发动机10包括六个燃烧室22。但是，设想到发动机10可包括更多或更少数量的燃烧室22，并且燃烧室22可布置成“直列”构型、“V形”构型或另一适当构型。

同样如图1所示，发动机10可包括可转动地布置在发动机缸体14内的曲轴24。连接杆26可将每个活塞18连接到曲轴24，使得活塞18在每个相应缸16内的滑动运动造成曲轴24的转动。类似地，曲轴24的转动可造成活塞18的滑动运动。

燃料系统12可包括协作以便将加压燃料的喷射输送到每个燃烧室22的部件。特别地，燃料系统12可包括被构造成保持燃料供给的罐28、被构造成加压燃料并通过共轨34将加压燃料引导到多个燃料喷射器32的燃料泵送装置30以及用来调节燃料喷射器32的操作的控制系统35。

燃料泵送装置30可包括用来增加燃料压力并将一个或多个加压燃料射流引导到共轨34的一个或多个泵送装置。在所公开的例子中，燃料泵送装置30包括串联布置并通过燃料管线40流体连接的低压源36和高压源38。低压源36可以是被构造成将低压供给提供给高压源38的输送泵。高压源38可以被构造成接收低压供给并将燃料压力增加到大约30-300MPa的范围。高压源38可以通过燃料管线42连接到共轨34。止回阀44可以布置在燃料管线42内，以设置用于燃料从燃料泵送装置30到共轨34的单向流动。

低压源36和高压源38中的一个或两个可以可操作地连接到发动机10并通过曲轴24驱动。低压源36和/或高压源38可以以曲轴24的转动将造成泵驱动轴相应转动的本领域中的普通技术人员容易理解的任何方式与曲轴24连接。例如，高压源38的泵驱动轴46在图1中表示成经由齿轮系48连接到曲轴24。但是，设想到低压源36和高压源38中的一个或两个可以替代地电气、液压、气动或以另一适当方式驱动。

燃料喷射器32可至少部分布置在缸盖20内并通过多个燃料管线50连接到共轨34。每个燃料喷射器32可操作，以便在预定正时、燃料压力和燃料流速将一定量的加压燃料喷射到相关燃烧室22内。燃料喷射到燃烧室22内的正时可以与活塞18的运动同步。例如，燃料可以随着活塞18接近压缩冲程的上止点位置喷射，使得喷射的燃料压缩-点燃-燃烧。替代地，燃料可随着活塞18开始朝着上止点位置的压缩冲程喷射，以便进行均质充量压燃操作。燃料也可随着活塞18在用于后期喷射的扩张冲程的过程中从上止点位置朝着下止点位置运动而喷射，以便产生用于后处理再生的还原氛围。也可以根据希望采用其他喷射正时策略。

如图2所示，每个燃料喷射器32可是闭合的喷嘴单元燃料喷射器。特别地，每个燃料喷射器32可包括喷射器主体52、可操作地连接到喷射器主体52的壳体54、布置在壳体54内的引导件55、喷嘴构件56、至少部分布置在引导件55和喷嘴构件56内的针阀元件58以及连接到主体52的与喷嘴构件56相对的端部的螺线圈致动器59。设想到附加部件可以包含在燃料喷射器32内，例如限制孔口、压力平衡通道、累积器和本领域公知的其他喷射器部件。

喷射器主体52可以是被构造成在缸盖20内组装并具有一个或多个通道的大致柱形构件。特别地，喷射器主体52可包括被构造成接收螺线圈致动器59的中央孔腔100、与中央孔腔100连通的燃料入口102和燃料出口104以及控制腔室106。控制腔室106可以经由控制通道108与中央孔腔100连通，并且与针阀元件58直接连通。控制腔室106可以选择性地排放或被供应加压燃料，以便影响针阀元件58的运动。喷射器主体52还包括使得中央孔腔100与喷嘴构件56流体连通的供应通道110。

壳体54可以是大致柱形的构件，具有用于接收引导件55和喷嘴构件56的中央孔腔60和喷嘴构件56的末端64从中伸出的开口62。例如O形圈(未示出)的密封构件可布置在引导件55和喷嘴构件56之间，以便限制燃料从燃料喷射器32泄漏。

引导件55也可以是具有被构造成接收针阀元件58和回位弹簧90的中央孔腔68的大致柱形构件。回位弹簧90可以布置在止挡92和座置表面94之间，以便朝着喷嘴构件56的末端64轴向偏压针阀元件58。间隔件96可以布置在回位弹簧90和座置表面94之间，以便减小燃料喷射器32内的部件的磨损。设想到附加间隔件(未示出)可以布置在回位弹簧90和止挡92之间，以便进一步减小部件磨损。

喷嘴构件56可同样体现为具有中央孔腔72和压力腔室71的大致柱形构件。中央孔腔72可以被构造成接收针阀元件58。压力腔室71可以保持从供应通道110供应的加压燃料，以预备喷射事件。喷嘴构件56也可包括一个或多个孔口80，以随着针阀元件58运动离开孔口80，使得加压燃料从压力腔室71经过中央孔腔72流入发动机10的燃烧室22。

针阀元件58可以是滑动地布置在引导件55和喷嘴构件56内的细长柱形构件。针阀元件58可以在第一位置和第二位置之间运动，在第一位置，针阀元件58的末端防止燃料流过孔口80，在第二位置，孔口80打开，使得燃料流入燃烧室22。设想到根据需要，针阀元件58可以是具有针构件和活塞构件的多构件元件，或者是单个一体元件。

针阀元件58可以具有多个驱动液压表面。例如，针阀元件58可包括用来在通过加压燃料作用时通过回位弹簧90朝着第一位置或孔口堵塞位置的偏压驱动针阀元件58的液压表面112。针阀元件58还可包括与回位弹簧90的偏压相反以便在通过加压燃料作用时在相反的朝着第二位置或孔口打开位置的方向上驱动针阀元件58的液压表面114。

螺线圈致动器59可以布置在主体52的与喷嘴构件56相对的端部处，并可操作以改变作用在针阀元件58上的力，由此启动和终止燃料喷射器32的操作。特别是，螺线圈致动器59可包括具有适当形状和尺寸的绕组116，电流可流过绕组以形成磁场。螺线圈致动器59还可包括与绕组116相关的电枢118，并操作地连接到双位置控制阀元件120。在绕组116被激励时(即在电流波形经过绕组116时)，通过绕组116形成的磁场可以迫使电枢118和连接的控制阀元件120抵抗回位弹簧123的偏压从第一位置或不喷射位置到第二位置或喷射位置。例如控制阀元件120可以在下部座122和上部座124之间运动。在不喷射位置(即在控制阀元件120静靠下部座122时)，燃料可从燃料入口120经过控制通道108流入控制腔室106。随着燃料压力在控制腔室106内积累，在液压表面112处产生的向下力与回位弹簧90的力相结合，可以克服液压表面114处的向上力，由此造成针阀元件58闭合孔口80，并终止燃料喷射。在喷射位置(即在控制阀元件120静靠上部座124时)，燃料可从控制腔室106经由限制孔口121、中央孔腔100和燃料出口104流到罐28。在来自于控制腔室106的燃料排放到罐28时，液压表面112上的力会减小，并且液压表面114处的向上力会迫使针阀元件58抵抗回位弹簧90，由此打开孔口80，并开始将燃料喷射到燃烧室22。在去激励时，回位弹簧123会使得电枢118和控制阀元件120返回到不喷射位置。

控制系统35可包括有助于每个燃料喷射器32控制的部件。特别是，控制系统35可包括控制器53，控制器53选择性地将低电压源200(例如发动机10的电池)和高电压源202(例如与发动机10相关的电容器回路)与每个燃料喷射器32内的绕组116的终端204、206连通，以便通过将当前波形或当前波形的顺序通信到每个燃料喷射器32的螺线圈致动器59来控制燃料喷射的正时、数量和/或持续时间。

控制器53可体现为包括用于控制燃料喷射器32的操作的装置的单个微型处理器或者多个微型处理器。多种可以购买到的微型处理器可被构造成执行控制器53的功能。应该理解到控制器53可容易体现为能够控制多种工作机或发动机功能的通用工作机或发动机微型处理器。控制器53可包括运行应用软件需要的所有部件，例如存储器、辅助存储装置和例如中央处理单元的处理器，或者本领域公知的用于控制燃料喷射器32的任何其他装置。多种其他公知的电路可与控制器53相关，包括电源电路、信号调节电流、螺线圈驱动电路、通信电路、转换电路和其他适当电路。

通过控制器53在绕组116内引起的电流的正时和电压水平可以改变，以影响燃料喷射。例如，如图3的控制图所示，在第一喷射事件的过程中，在开始控制阀元件120朝着喷射位置运动的正时T1，在绕组116内引起第一电流。通过将升高的电压(例如来自于高电压源202的电压)连通到绕组1116的终端204同时将终端206接地，可以在绕组116内引起第一电流。第一电流可以经由绕组116在第一方向上从终端204流到终端206。第一电流的电压可以足够高，以克服控制阀元件120内的惯性作用。

在正时T2，施加到终端204的电压会减小，以便在绕组116内引起第二电流，第二电流继续使得控制阀元件120朝着喷射位置运动。由于控制阀元件120在正时T2已经运动，第二电流使得该运动继续所需的电压可以小于第一电流开始该运动所需的电压。通过将低电压源200连通到终端204，同时使得终端206接地，可以在绕组116内引起第一电流。

在正时T3，流过绕组116的电压会进一步减小，以便引起第三电流或保持电流，该电流继续燃料喷射的持续时间，直到正时T4。控制器58可经由本领域公知的任何切换程序通过选择性地切换(即接通和关断)从低电压源200接收的电力来减小第三电流的电压。第三电流可具有足够高的电压，从而克服回位弹簧123的力，并将控制阀元件120保持在喷射位置。

第二和第三电流的每个可具有小于前面电流的电压(即第二电流可具有小于第一电流的电压，并且第三电流可具有小于第二电流的电压)，以保存能量，并减小螺线圈致动器59的冷却要求，同时满足控制阀元件120的力要求。在正时T4，施加到终端204的电压可甚至进一步减小到大约零，使得回位弹簧116将电枢118和控制阀元件114运动到不喷射位置，由此终止燃料喷射。为了公开的目的，从正时T1到正时T4在绕组116内引起的电压水平连同电压水平的持续时间的组合可以认为是用来产生第一喷射事件的第一波形208。

在一些实施方式中，第一波形208可包括在正时T5开始的具有相反极性的附加电流，该电流只在将电流返回到大约零之前短暂地施加到螺线圈致动器59。为了颠倒螺线圈致动器59内的电流的极性，控制器58可将电压从低电压源200连通到终端206，同时使得终端204接地。通过将电压连通到终端206，同时使得终端204接地，经过绕组116的电流可相对于具有第一波形208的其他电流在相反方向上经过。在正时T5开始的这种持续时间短暂的相反极性的电流可用来使得电流快速地从螺线圈致动器59排出，由此减小由于螺线圈致动器59内的感应电流和形成涡流而造成的喷射终止的延迟。

第二波形210同样在图3中表示。第二波形210可以包括从正时T6到正时T10在绕组116内引起的电流组合，该电流组合一起在发动机10的操作过程中产生与第一喷射事件大致相同的第二喷射事件。如图3所示，第二波形210的不同电压水平的大小和持续时间可以与第一波形208的不同电压水平的大小和持续时间大致相同。但是，第二电流波形210的极性与第一波形208的极性相反。即，来自于低电压源200和高电压源202的电压可以在第二波形210经由终端206(代替终端204)施加到绕组116的过程中通过控制器53引导，而终端204可以在第二波形210的施加过程中接地(代替终端206)。因此，在第二波形210的施加过程中，电流可在与施加第一波形208的过程中的电流流动方向相反的方向上流过绕组116。

控制器53可分别在第一时间周期和第二时间周期的过程中将第一波形208和第二波形210选择性地引导经过喷射器32的绕组116，以便以希望的方式将燃料喷射到燃烧室22内(参考图1)，同时还减小了电枢118内的残留磁性的可能性。即，第一波形208的使用可产生在第一方向上经过电枢118且使得电枢118以希望方式运动并启动燃料喷射的第一磁场，而第二波形210可在与第一方向大致相反的第二方向上产生经过电枢118以造成电枢118的希望运动的第二磁场。通过采用第一波形208和第二波形210，通过第一波形208的使用在电枢118内产生的残留磁性可基本上通过第二波形210的相反极性来去除，反之亦然。在一些例子中，控制器53可针对连续的喷射事件交替地使用第一波形208和第二波形210。在另一例子中，控制器53可主要采用第一波形208，并只在电枢118内确定已经产生阈值量的残留磁性之后或者在使用第一波形208阈值次数之后，周期性地通过第二波形210替代。通过只根据需要或周期性地使用第二波形210，控制器部件的计算复杂性、成本和/或磨损可以得到减小。

工业实用性

本发明的控制系统在许多不同技术中具有广泛应用。特别是，采用螺线圈致动器(其中致动器的电枢内的残留磁性是不希望的)的任何装置可得益于本发明的控制系统。但是，本发明的控制系统在发动机、特别是发动机的燃料喷射器中具有特别应用，在这些发动机、特别是发动机的燃料喷射器中，性能的一致性和准确性都很关键且受到残留磁性的不利影响。在这些应用中，燃料喷射器的电枢的残留磁性可以通过选择性地转换经过相关绕组的波形的极性来减小(如果没有完全消除的话)。

本领域普通技术人员将明白可以针对本发明的燃料喷射器进行许多变型和改型，而不偏离本发明的范围。本领域的普通技术人员从这里公开的燃料喷射器的说明书的考量和实践中将明白其他的实施方式。说明书和例子旨在认为只是示例性的，本发明的真实范围通过权利要求及其等同物来指明。

Claims (8)

1.一种采用极性转换波形的控制系统，包括：

电枢；

与所述电枢相联的绕组；

至少一个电源；以及

与所述绕组和至少一个电源连通的控制器，所述控制器能够：

在第一时间周期的过程中将具有第一极性的第一电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢，

在第二时间周期的过程中将具有第二极性的第二电流波形引导到绕组内，以便以希望的方式运动电枢；以及

所述控制器能够通过将所述第二电流波形在与所述第一电流波形相反的方向上引导经过所述绕组来将具有第二极性的第二电流波形引导到所述绕组内。

2.根据权利要求1所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述第一电流波形和第二电流波形具有大致相同的电压大小和持续时间。

3.根据权利要求2所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述第一电流波形和第二电流波形的每个至少包括第一水平的第一电压持续时间和小于所述第一水平的第二水平的第二电压持续时间以及小于所述第二水平的第三水平的第三电压持续时间。

4.根据权利要求3所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述第一电流波形和第二电流波形的每个进一步包括相对于所述第一电压持续时间、第二电压持续时间和第三电压持续时间具有相反极性的最后电压持续时间。

5.根据权利要求1所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述控制器还能够交替使用所述第一电流波形和第二电流波形。

6.根据权利要求1所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述控制器还能够只在使用所述第一电流波形阈值次数之后使用所述第二电流波形。

7.根据权利要求1所述的采用极性转换波形的控制系统，其中，所述至少一个电源包括高电压电源和低电压电源。

8.一种用于具有至少一个燃烧室的发动机的燃料控制系统，所述燃料控制系统包括：

根据权利要求1-7任一项所述的采用极性转换波形的控制系统；

加压燃料源；以及

至少一个燃料喷射器，其能够将所述加压燃料从所述源喷射到所述至少一个燃烧室，所述至少一个燃料喷射器包括操作地连接到所述采用极性转换波形的控制系统的电枢的阀元件，其中：

所述阀元件从第一位置朝着第二位置的运动启动加压燃料喷射到所述至少一个燃烧室的喷射事件；以及

所述第一电流波形和第二电流波形启动第一喷射事件和与所述第一喷射事件大致相同的第二喷射事件。