CN103541816A - 在内燃机中的燃料喷射控制 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种控制内燃机中的燃料喷射的方法。对于每个喷射器事件，向燃料喷射器施加驱动信号；其中所述驱动信号具有脉冲宽度，其基于对应于喷射器打开所需的最小脉冲宽度的总体性能函数和最小递送脉冲来计算。从跨越燃料喷射器的电磁促动器的端子之上的电压，通过比较电压二次导数的线段的持续时间与预定阈值来确定最小递送脉冲。

Description

在内燃机中的燃料喷射控制

技术领域

本发明大体而言涉及内燃机，并且更具体而言涉及这样的发动机中的喷射控制。

背景技术

内燃机的当前设计必须符合关于污染物排放的越来越严格的法规。因此，汽车工程师致力于设计出具有低燃料消耗和低污染物排放的发动机，这意味着包括能监视燃烧性能和废气中的排放的电子装置。

就此而言，燃料喷射发动机的适当操作需要燃料喷射器和它们的控制器允许及时、精确和可靠的燃料喷射。实际上，熟知的是，当性能或更特定而言由喷射器递送的燃料的定时和量偏离可接受的限度时产生问题。例如，喷射器性能偏差或可变性将由于喷射不相等的燃料量或者这样的燃料喷射的相对定时而在缸之间生成不同扭矩。并且当喷射较少燃料量时，由于在打开和闭合时的响应延迟，这个问题特别尖锐。

为了考虑螺线管促动的燃料喷射器的特殊性/特异性，已提出了使燃料喷射器的多个性能参数与给定燃料喷射器相关联。这些性能参数例如编码于应用于喷射器的条形码中，从而使得性能参数能在安装于发动机中时由条形码扫描仪检索并且转移到发动机控制单元(ECU)。这种燃料喷射器参数设定方法例如描述于US 7,136,743中。

另一燃料喷射器安装方法已被披露于WO2011/073147中，其使用分段总体性能（master performance）曲线。待安装于发动机中的每个燃料喷射器具备呈机器可读格式的具体燃料喷射器参数，并且这些参数转移到发动机ECU。拟合信息，优选地总体流动曲线的每个相应线段的所归属的特征性方程式的系数被包含于这些具体燃料喷射器参数中。

上述方法是有益的，因为其允许适当地描述每个喷射器的流动性能并且在弹道操作范围中提供更精细/细微控制。但是，弹道范围为关键操作区域并且看来上述方法可在某些条件下并未区别喷射器未打开的情况。

发明内容

发明目的

本发明的目的在于提供一种控制内燃机中燃料喷射的方法，其避免了上述缺点。

通过在如权利要求1中所主张的控制燃料喷射的方法实现了这个目的。

根据本发明，提供一种控制燃料喷射的方法，其中燃料喷射器利用具有一定脉冲宽度的驱动信号来操作，基于总体性能函数(燃料与脉冲宽度关系)和具体喷射器最小递送脉冲来计算脉冲宽度。

如本文所用的术语最小递送脉冲(MDP)表示将允许递送燃料的最小脉冲宽度。最小递送脉冲可在发动机运行时被学习/测量，并且优选地周期性地更新。MDP的准确性将取决于用以确定MDP所耗费的工作量。实际上，导致微小燃料量的离散测量PW值可用作MDP。替代地，可从测量值用数学方法计算(外推或内插)MDP值。

优选地，基于总体性能函数以及在总体和喷射器具体最小递送脉冲之间的差异来计算脉冲宽度。但是，可实施该方法从而使得仅当具体喷射器最小递送脉冲大于总体最小递送脉冲时执行校正。

为了改进性能，还可进一步校正脉冲宽度计算以考虑在总体与具体喷射器闭合响应之间的差异。本文的术语闭合响应表示了在驱动信号结束之后喷嘴针（pintle）到达闭合位置所需的时间。

在驱动信号结束之后，可有利地从跨越喷射器电磁促动器的线圈上的电压计算出闭合响应。特别地，可从电压迹线的斜率变化确定实际闭合时间。

优选地，也从跨越燃料喷射器的电磁促动器的端子上的电压来确定了具体喷射器最小递送脉冲。特别地，通过比较电压二次导数的线段的持续时间(时间范围)与预定(校准)阈值来确定具体喷射器最小递送脉冲；所述线段持续时间相对应于闭合喷射器之后所述电压二次导数的相同符号的线段的所测量的持续时间。

优选地基于在由流动测量所确定的MDP值与从跨越燃料喷射器的电磁促动器上的电压所确定的MDP值之间的相关性来校准这个阈值。

本发明还有关于一种根据权利要求11所述的用于控制内燃机的喷射时间的系统。

根据另一方面，本发明有关于根据权利要求14所述检测电磁促动的燃料喷射器的打开的方法。这种方法可有利地在任何方法或系统中用于控制燃料喷射。

附图说明

现将参考附图仅以举例说明的方式描述本发明，在附图中：

图1：为示出在弹道区域中多个螺线管促动燃料喷射器的流动性能的曲线图(燃料质量Q与PW的关系)；

图2：为多个螺线管促动的燃料喷射器的“平宽(Flat Width)”与PW关系的曲线图；

图3：多个螺线管促动燃料喷射器的燃料质量与PW关系的曲线图，也示出了总体性能函数；

图4a：下列的曲线图为：a)随着时间跨越整个喷射器螺线管上的电压和电流：B)一次和二次电压导数，还包括电压迹线和拐点；C)：在喷射器闭合CT后的二次电压导数：D)弹道喷射器冲程的PW和阀升程。

具体实施方式

本发明解决了燃料喷射器的部件间变异性的问题，这个问题在电磁促动(螺线管)燃料喷射器的某些现代设计的情况下在弹道区域中特别尖锐。如已知的那样，螺线管促动的燃料喷射器通常包括阀组，阀组具有针或喷嘴针组件，针或喷嘴针组件在轴向移动以便打开和关闭一个或多个流动孔口，燃料通过一个或多个流动孔口在发动机中喷洒。燃料喷射器包括螺线管型的电磁促动器，通过其电枢，允许移动喷嘴针，通常克服返回弹簧，以打开阀组并且在发动机燃烧室中喷洒燃料。

燃料喷射器传统地由驱动信号操作，在被称作“脉冲宽度(PW)”的长度期间施加驱动信号。通常，为了喷射一定燃料量Q，从一表读取脉冲宽度值，并且操作燃料喷射器，对于给定喷射器事件，从而使得驱动信号在对应于脉冲宽度的时间期间被施加以影响所希望的喷射时间和通常喷射给定燃料量。因此，对于待执行的任何燃料喷射，生成PW以命令相对应的喷射器打开持续时间以便递送燃料。

如本领域中已知的那样，术语“弹道”用于表示喷嘴针基本上开闭而不留在(或甚至到达)完全打开位置的喷嘴针移动。在弹道域中操作的问题在于喷嘴针行程特别地受到打开和闭合响应/延迟(也被称作接通或断开延迟)影响。

图4d)示出了描绘为钟形的喷嘴针升程曲线2，这是弹道域典型的并且示出了打开和闭合响应。附图标记4表示施加到燃料喷射器并且造成其打开的逻辑驱动信号，由此，燃料在发动机燃烧腔室中喷洒。

驱动信号4为脉冲，具有指示为PW的脉冲宽度，其为施加驱动信号的时段。如可以看出，在施加驱动信号4时，其花费一定时间直到喷嘴针开始移动；这个时段被称作“打开延迟”或OD。

在驱动信号4结束(PW结束)与喷嘴针返回到其阀座并且稳定地闭合喷嘴器阀的时刻之间经过的时间被称作闭合响应，在本文中标注为CR。

如将会了解的，喷射的燃料量与曲线2下方的面积成比例。用于指示由燃料喷射器响应于驱动信号10而递送的燃料(Q)量的合适公式可为：

 (方程式1)。

已发展了多种方法来确定OD和CR，并且已实施多种策略来将这些考虑在内。然而，显然，常规办法的缺点是由于存在脉冲宽度的阈值，则低于这个阈值，喷射器针并不实际上适当地打开并且不喷射燃料。燃料开始流动的脉冲宽度被称作最小驱动脉冲或MDP。由于部件间变异性，这个值可被认为是对于发动机中每个喷射器特定的。关于上述方程式1，应当指出的是MDP通常与OD成比例，由此，知道MDP减缓了对于确定OD的需要。

因此，虽然传统方案依赖于上文所考虑的方程式1，在弹道区域中，所喷射的燃料量主要地取决于燃料喷射器的闭合响应，对于某些喷射器而言，命令脉冲宽度可低于喷射器最小驱动脉冲，从而使得并无燃料被喷射。

本方法补救了这种情形。因而本方法有关于控制在具有带相关联电磁促动的燃料喷射器的至少一个缸的内燃机中的燃料喷射以执行喷射器事件，其中，对于每个喷射器事件，具有一定脉冲宽度PW的驱动信号被施加到燃料喷射器以影响所希望的喷射/打开时间。

本方法采用总体性能函数，总体性能函数固定了在所希望的燃料质量Q与脉冲宽度PW之间的关系。因此，为了喷射一定燃料质量Q，PW值首先基于总体性能函数来确定，这个PW值基于具体喷射器的MDP而被进一步校正。

现将在下文中给出控制燃料喷射的本方法的优选实施例，以及确定可应用于所述方法中的每个喷射器的MDP的优选方法。

图1为示出在弹道区域中多个螺线管促动的喷射器的流动性能函数的曲线图(燃料质量Q与脉冲宽度PW的关系)。可观察到不可忽略的部分与部分间变异性。这个曲线图还示出在给定较小PW，即，例如210μs，某些喷射器并不喷射燃料，而其它喷射器递送了介于0.5mg与1mg之间的燃料。对于并不喷射的喷射器，因而尚未到达最小驱动脉冲MDP。

如上文中已经解释的那样，已知切换时间明显地影响所递送的燃料量，闭合时间通常认为与弹道域中递送的燃料质量成比例。

本申请者在先前已确定了可基于来自喷射器，即来自其螺线管促动器的电压反馈来确定喷射器喷嘴针闭合响应。在终止驱动信号之后可测量跨越整个喷射器线圈端子上的电压。当喷射器电枢撞击支座并且停止时，存在着一次电压导数的可见并且可测量的斜率变化，这可用于检测喷嘴针闭合。更具体而言，在喷射器闭合时，在喷射器线圈电压的斜率中存在拐点。因此，可得到线圈电压的导数并且该线圈电压的导数的局部最大值(信号通常为负量)刚好与闭合时间相关。

参考图4a)，线8指示了随着时间在喷射器的螺线管线圈处的电压，而同时电流迹线以10指示。

在弹道域中的驱动事件的图示示例中，促动逻辑生成了具有持续时间PW的步骤以便向线圈充电，且目的是为了打开喷射器以喷射预定量。

一旦已经过了PW，这个目的是为了闭合促动器和控制逻辑在PW之后直接向线圈施加负电压–V₀以便使线圈中的电流崩溃并且抵消磁场。在特定时间后，电流为零并且抑制-V ₀ 电压。然后，线圈电压从-V ₀ 发展为0(渐进地)。

圆圈12指示电压迹线中的拐点，已观察到该拐点对应于闭合时间CT。可从第一/一阶电压导数作为斜率变化来确定这个点。

关于本发明，现已发现喷射器的打开状态可与闭合时间CT之后的二阶电压导数

的线段的正部分的长度(持续时间/时间范围)相关。

特别地，已设计出一种方法，根据该方法，可通过比较对于给定PW而言的二次导数的这个线段长度与预定阈值来检测喷射器的实际打开。如果这个线段长度超过了阈值，这意味着喷射器打开并且实际上喷射燃料。因而这个方法可用于确定喷射器的MDP。

在图4b)中，分别用14和16来指示一阶电压导数和二阶电压导数。如本领域技术人员将理解的那样，对应于喷嘴针闭合的电压迹线的拐点可在数学上被限定为电压二阶导数的上升的零交叉。那么用于确定喷射器打开的目前的相关标准是在喷射器闭合之后电压二次导数的正线段的持续时间/长度，即在CT(在时间CT的向上的零交叉)与正曲线再次遇到x轴线的时刻之间的长度，参看图4c)。在喷射器闭合时间CT之后的电压二次导数的这个正线段在本文中被称作平宽或FW。

并不参阅任何理论，认为平宽的长度为电压迹线拐点的幅值的图像，并且因而，以一定方式反映了由速度变化造成的通量变化的量值。

图2为其中描绘了FW与PW关系的曲线图。水平虚线表示预定FW阈值，其为校准值。对于低于阈值线的所有点，认为不发生燃料喷射，与脉冲宽度的量值无关。根据本过程，理想的MDP值因而为FW在虚线22上的PW值。实际上，所选的MDP值可为与最接近(但高于)FW阈值的点对应的PW，或者内插或计算的值以匹配或者很接近FW阈值。

FW阈值通常可基于初始流动测试来校准，执行初始流动测试以构建总体性能参数，因为在构建总体性能参数期间，对于燃料喷射器的采样/样品，精确地确定了(通常在流量支架（flow stand）上，其中能测量所喷射的燃料质量)在PW与喷射的燃料质量之间的关系。优选地，出于本方法的目的，对于在校准期间的每个样品喷射器，确定了CT和FW。因而可从这组数据确定出哪个为用于FW的适当阈值以便识别喷射器打开。

在便利的方案中，基于在现实MDP(如从实际流动测量所确定)与电压确定的MDP(基于FW)之间的相关性系数来选择FW阈值，在总体构建期间获得这些点，如所解释的那样。对于多种候选FW阈值（渐进地增加FW阈值）确定了相关性系数(最小平方线性回归)并且所选定FW阈值为相关性系数最大的阈值。

现将解释使用上述MDP确定来控制燃料喷射的方法的优选实施例。

如已知的那样，一种发动机控制单元ECU通常通过操作以考虑多种操作参数来计算满足驱动器扭矩要求所需的燃料量。

出于喷射目的，从根据所要求的燃料量Q限定脉冲宽度的总体性能函数来确定了用于促动燃料喷射器的脉冲宽度。这种总体性能函数可作为映射/表与燃料量的离散值与脉冲宽度的关系而被一起存储于存储器中。也可由数学表达，例如通过一个或多个特征方程式来表达总体性能函数。也可以组合映射值与(多个)数学表达来描述在相应脉冲宽度范围的Q-PW关系。

总体性能函数用作喷射器的组或集合的代表性函数。其因而通常可为校准/实验曲线/函数，并且可选地为在统计上代表性的曲线。

用于总体性能函数的MDP也优选地通过校准和/或计算来确定。此外，闭合延迟可与总体性能函数的每个点相关联。

当发动机运行时，从在各个PW处的电压迹线学习CT和MDP值。可实施调度程序以便集合/收集值和填写表。当学习CT值时，也优选地对于每个PW确定FW值，以便确定每个喷射器的MDP。实际上，MDP值可为内插的，或者可使用对应于大于阈值的最接近的所测量FW值的PW。

一旦已学习了每个喷射器的MDP之后，校正的脉冲宽度可计算为

 (方程式2)

其中PW _master 为对于所希望的燃料量Q从总体性能函数所确定的PW；MDP _inj 和MDP _master 分别为具体喷射器的和总体的最小递送脉冲，并且k ₁ 为可能的调整系数。

换言之，PW值从总体函数确定，但被校正用于MDP中的偏差。

优选地，总体性能函数具有相对较小的MDP、并且因而置于图3的曲线图的左边，其中，其以20指示。在此情况下，校正主要意味着向从总体函数所确定的PW值添加一值，补偿喷射器打开的延迟。

应当指出的是，具有较小MDP的这样的总体性能函数可从喷射器的集合得到，通过从具有最小MDP的喷射器的给定集合得到流动数据。例如，对于100个喷射器的样品，可从最早打开的50或25个喷射器的流动测试值，通过平均化流量值而构建总体。

为了进一步增加PW校正的准确度，可校正PW以考虑在总体性能函数与具体喷射器之间的闭合时间CT的差异。因而，可如下修改方程式(2)：

 (方程式3)

以求闭合响应变化的积分。

在方程式3中， CR _{inj_pw} 和CR _master 为在相对应PW处的具体喷射器的和总体的闭合响应；并且k ₂ 为可能调整系数。

因此，方程式3给出可在发动机中用于命令驱动脉冲长度的校正的PW值。

优选地，对于如图3中定位的总体，如果MDP _inj 大于MDP _master ，则燃料控制算法仅采用校正。

Claims (15)

1.一种控制内燃机中的燃料喷射的方法，内燃机具有带有用于执行喷射器事件的相关联的电磁促动的燃料喷射器的至少一个缸，其中对于每个喷射器事件，向所述燃料喷射器施加驱动信号；

其中所述驱动信号具有脉冲宽度，其基于对应于所述喷射器打开所需的最小脉冲宽度的总体性能函数和最小递送脉冲来计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述总体性能函数得到的所述脉冲宽度基于总体与具体注射器最小递送脉冲之间的差异而受校正。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，学习和/或周期性地更新用于每个注射器的最小递送脉冲值。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，仅在所述具体喷射器最小递送脉冲大于所述总体最小递送脉冲的情况下实现对于脉冲宽度的所述计算。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述脉冲宽度还基于在总体与具体喷射器闭合响应之间的差异来校正。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从跨越所述燃料喷射器的所述电磁促动器的端子之上的电压来确定所述具体喷射器的最小递送脉冲。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过比较所述电压二次导数的线段的持续时间与预定阈值来确定所述具体喷射器最小递送脉冲；且其中所述线段持续时间对应于在闭合所述喷射器之后所述电压二次导数相同符号的线段的持续时间。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，与具有最接近或等于所述阈值的持续时间的所述线段对应的所述脉冲宽度定义为所述具体喷射器的最小递送脉冲。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，基于由流动测量所确定的MDP值与从跨越所述燃料喷射器电磁促动器之上的电压所确定的MDP值之间的相关性来校准所述阈值。

10.根据权利要求7、8或9所述的方法，其中，在所述驱动脉冲结束之后，基于跨越所述电磁促动器线圈之上的电压斜率变化来确定所述喷射器的所述闭合。

11.一种用于控制内燃机中的燃料喷射的系统，所述内燃机具有带相关联的电磁促动的燃料喷射器的至少一个缸，所述系统包括：

驱动电路，配置成用以输出驱动信号以影响所希望的喷射器打开事件；

储存的总体性能函数，包括限定着脉冲宽度与燃料量关系的数据；

其中所述驱动信号具有命令脉冲宽度，基于所述总体性能函数和最小递送脉冲来计算所述命令脉冲宽度。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，从所述总体性能函数所获得的所述脉冲宽度基于在总体与具体注射器最小递送脉冲之间差异来校正;并且优选地还基于在所述总体和具体喷射器闭合响应之间的差异来校正。

13.根据权利要求10或11中任一项所述的方法，其中，从跨越所述燃料喷射器的所述电磁促动器的端子之上的电压来确定所述具体喷射器最小递送脉冲; 和通过比较所述电压二次导数的线段的持续时间与预定阈值来确定所述具体喷射器最小递送脉冲；所述线段持续时间对应于在闭合所述喷射器之后所述电压二次导数相同符号的线段的持续时间。

14.一种检测电磁促动的燃料喷射器的打开的方法，通过向所述电磁促动的燃料喷射器施加驱动信号来促动所述电磁促动的燃料喷射器，所述方法包括：

a)从所述喷射器的闭合来监视所述燃料喷射器的线圈电压；

b)在喷射器闭合之后，确定所述线圈电压的所述第二导数的相同符号的曲线段的长度；

c)如果所述曲线段的长度超过校准阈值，得出所述喷射器已打开的结论。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述驱动脉冲结束之后，基于跨越所述电磁促动器线圈之上的所述电压迹线的斜率来确定所述喷射器的闭合。

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