CN103764981A - 监视流体喷射量的方法以及喷射流体喷射量的喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视通过喷射喷嘴（3）喷射的流体的喷射量的方法以及一种用于喷射流体喷射量的喷射系统（1），其中，利用处于运动中的关闭件（7）打开和关闭喷射喷嘴（3）。探测关闭件（7）的运动的至少三个特征点，在所述特征点，关闭部件（7）分别处于运动的一定位置，由所述特征点计算喷射量。

Description

监视流体喷射量的方法以及喷射流体喷射量的喷射系统

本发明涉及一种用于监视流体喷射量的方法以及一种用于喷射流体喷射量的喷射系统。

喷射系统通常用于喷射预先规定喷射量的流体。在汽车工程中，这种系统例如用于把燃油喷射到车辆的内燃机比如柴油机或汽油机中。为此，现代柴油机特别是采用共轨喷射系统。这种喷射系统通常具有至少一个但优选多个喷射喷嘴或喷射阀，其也称为喷射器。为便于阅读，术语“喷射喷嘴”在下面也表示喷射阀。为了喷射燃油，打开喷射喷嘴的关闭件，经过一定时间和一定量的喷射燃油即喷射量之后再将关闭件关闭。

由于通过这种系统被供应燃油的发动机在其整个使用寿命期间不允许超过一定的废气排放，需要尽可能精确地监视喷射的燃油量。不必要的废气排放往往归因于错误喷射的燃油量，这导致形成并非所愿的空气-燃油-混合物，在这种情况下，在发动机气缸中不能最佳地进行燃烧。为了防止形成这种并非所愿的混合物，必须在正确的时间以正确的形式和正确的体积进行喷射。这应特别是长时间地正确地进行，因为喷射喷嘴随着时间的推移例如积碳，进而无法像所希望的那样进行喷射。

为了调节正确的体积，尤其需要在可明确规定的时间点打开和关闭喷射喷嘴。用于控制喷射喷嘴的方法和喷射系统由现有技术已知。因而文献DE 103 45 226 A1公开了一种系统，据此，获知在喷射喷嘴打开时的第一时间点和在喷射喷嘴关闭时的第二时间点，并根据获知的值对喷射喷嘴进行控制。

由现有技术已知的系统因而允许在打开和关闭喷射喷嘴时探测定性的错误。但这样很难推断出喷射量。

因此本发明的目的是，提出一种能克服所述缺点的方法，因而借此也能够定量地获知和监视喷射喷嘴的喷射量。还要提出一种喷射系统，其能实现定量地获知喷射量。

根据本发明，所述目的通过一种根据权利要求1的方法和一种根据权利要求8的喷射系统得以实现。本发明的有利设计和改进在从属权利要求中给出。

一种用于监视通过喷射喷嘴喷射的流体喷射量的方法，其中，喷射喷嘴被处于运动中的关闭件打开和关闭，因而规定：探测运动的至少三个特征点。在这些点，关闭部件分别处于运动的一定位置，从而由所述点计算喷射量。

本发明因而基于如下认识，能高精度地较少近似地确定关闭部件的运动，只要知道某些特征点。由此能以较小的测量和计算代价计算流体喷射量。为此所考虑的点应能表明关闭部件的运动，从而能通过对特征点的比较来把多个这种运动相互区分开，而无需为此知道复杂的运动。术语“特征点”在此既包括时间点，又包括空间点。术语“位置”可以表示能用作确定运动的量度的任何测量参数。

为了达到较高的方法精度，可以规定，探测运动的四个特征点。由此能准确地计算喷射量，因为无需用于上升边沿和/或下降边沿的近似，而是这些边沿可用测量的点来产生。

运动本身可以是周期性的，也就是说，随着时间的推移，关闭部件始终都重复同一运动。这允许持续地进行喷射量的喷射，并持久地对其予以监视。用于喷射的流体优选是用于内燃机的燃油，例如用于柴油机的柴油或者用于汽油机的汽油。

为了喷射，关闭部件可以在行程运动中在关闭位置与行程位置之间移动。在关闭位置，关闭部件把喷射喷嘴完全关闭，从而流体无法从喷射喷嘴中流出。术语“行程位置”在此包括与关闭位置不同的全部位置。该术语因而既包括最远的行程位置，又包括通过关闭部件的最小程度的移动使得喷射喷嘴仅仅局部地打开，在所述最远行程位置，关闭部件移动至喷射喷嘴的止挡或者移动至可规定的最远点并喷射最大量的流体。术语“行程运动”不仅包括关闭部件的提升，而且包括其下降。

至少一个特征点优选包括：打开运动的开始点，在该开始点，关闭部件为了打开喷射喷嘴而离开关闭位置；打开运动的结束点，在该结束点，关闭部件到达行程位置；关闭运动的开始点，在该开始点，关闭部件为了关闭而离开行程位置；或关闭运动的结束点，在该结束点，关闭部件为了关闭喷射喷嘴而到达关闭位置。通过所述时间点把关闭部件的规定关闭部件运动的位置与一定的时间关联起来，从而能算出喷射量。行程周期或喷射循环即对所述四个点的一次经过因而被分成打开边沿、最大边沿和关闭边沿。打开边沿用打开运动的开始点和打开运动的结束点来限定。关闭边沿用用关闭运动的开始点和关闭运动的结束点来限定。最大边沿是行程周期的介于打开边沿和关闭边沿之间的区域。

可以规定，为了计算喷射量，求取在喷射率的特性曲线族中由该特性曲线族的轴线和曲线夹成的面积。

特性曲线族中的曲线的坐标由特征点和与相应特征点对应的喷射率来给定。术语“喷射率”在此系指每单位时间的喷射量。该喷射率可以由关闭部件的位置以及时间点来求得，所述位置规定了要喷射的流体的当前流量，进而规定了当前的喷射量。为了计算，特别是可以把喷射量绘制在特性曲线族的横坐标轴上，而在横坐标轴上绘出时间。由这些特征点给定的曲线所夹成的面积因而是喷射量的量度。可以把由曲线限定的面积块累加起来或者对曲线进行积分，由此进行面积计算。

关闭部件可以借助传动装置而处于运动中，其中，为了确定特征点而使用传动装置的信号。由此省去附加的测量系统或附加的方法步骤，因为对于关闭部件的运动来说本来就需要的传动装置也可以用于确定特征点。传动装置的信号优选可以包括传动装置的电容、电压、电容变化或电压变化。

控制装置还可以适当地控制关闭部件，使得至少一个特征点与设定好的对应于特征点之一的给定值一致。控制装置因而被设置用来调节喷射量，其方式为，它调整关闭部件的运动。设定好的给定值在此既可以包括关闭部件的预定的位置，又可以包括关闭部件的预定的时间点，在这些时间点，关闭部件应位于一定的位置。与特征点对应的给定值例如可以通过预定的时间间隔来规定，其中，该间隔的起始点由探测到的特征点之一给定，而给定值则形成该间隔的终止点。

用于喷射流体喷射量的喷射系统包括控制装置和至少一个喷射喷嘴。喷射喷嘴具有用于关闭和打开喷射喷嘴的关闭部件、用于引导关闭部件运动的传动装置以及用于探测关闭部件位置的传感器。传感器被设计用来探测运动的至少三个特征点，在这些点，关闭部件分别位于运动的一定位置。喷射系统还包括计算单元，该计算单元被设计用来由特征点计算例如喷射周期的喷射量。通过喷射系统的所述构件，因而既能实现关闭部件的运动，又能实现可靠地探测相应的位置和由此导致的喷射量。

传感器还被设计用于探测运动的四个特征点，以便尽可能精确地模拟运动，而无需过高地付出计算代价。可以在关闭位置与行程位置之间引导关闭部件进行优选周期性的行程运动。传感器可以经过适当设计，从而至少一个特征点包括：打开运动的开始点，在该开始点，关闭部件为了打开喷射喷嘴而离开关闭位置；打开运动的结束点，在该结束点，关闭部件到达行程位置；关闭运动的开始点，在该开始点，关闭部件为了关闭而离开行程位置；或关闭运动的结束点，在该结束点，关闭部件为了关闭喷射喷嘴而到达关闭位置。

根据一种实施方式，计算单元可以被设计用来根据在喷射率特性曲线族中由轴线和曲线夹成的面积计算喷射量。特性曲线族中曲线的坐标在此由特征点和与相应特征点对应的喷射率给定。为了计算，特别是可以把喷射率绘制在纵坐标轴即特性曲线族的竖直轴线上，而时间则绘制在横坐标轴即水平轴线上。计算单元可以通过对各个面积块的累加或者对曲线的积分来计算所述面积，进而也计算喷射量。

可以规定，传感器被设计用于通过传动装置的信号来探测至少一个特征点，并把该信号传输至控制装置。为此，传感器优选直接安置在传动装置中。由此省去了其它测量装置，因为直接由传动装置提供的信号用作存在特征点的量度。信号优选可以包括电容、电压、电容变化或电压变化。

计算单元可以被设计用于根据探测点之一将控制信号传输至控制装置，从而该控制装置适当地控制关闭部件，使得在下一次进行运动时该特征点与设定好的特征点一致。由此对关闭部件的运动进行控制，进而也对喷射量进行控制，这种控制超出了对喷射量的单纯监视。设定好的特征点在此用作给定值，其在下一个行程周期中被尽可能精确地控制。

按照有利的方式，传动装置可以具有比如在现代喷射系统中使用的压电促动器。针对压电促动器还可以非常简单地获知电容、电压或这些参数的变化。替代地，传动装置也可以代替压电促动器而包括磁性线圈。

关闭部件还可以具有喷嘴针。喷嘴针是用于打开和关闭喷射喷嘴的常用构件，且为此在关闭位置靠置于喷嘴针座上，喷嘴针座由此被完全封闭。喷嘴针的运动也称为针行程，还存在针行程传感器，其用于探测喷嘴针的位置，也可以是喷射系统的传感器的组成部分。

所述方法和所述喷射系统优选应用在内燃机中。这种内燃机例如可以包括柴油机优选共轨柴油机。

喷射系统优选被设计用于实施所述方法。

下面参照图1~3详述本发明的实施方式。其中：

图1为所提出类型的喷射系统的示意图；

图2示出图1中所示的喷射喷嘴的关闭部件的行程运动曲线；和

图3示出喷射系统的信号的多个时间曲线。

图1中所示为用于喷射流体喷射量的喷射系统1的示意性的方框图。喷射系统1包括控制装置2以及喷射喷嘴3和计算单元4。喷射喷嘴3包括：关闭部件7，在所示实施例中为喷嘴针，其置于喷嘴针座中；传动装置5以及传感器6。传动装置5是压电促动器，其通过施加电压而改变其中含有的压电晶体的形状，进而提升或降低关闭部件7，亦即使得关闭部件7处于行程运动中。关闭部件7为此与传动装置5刚性地连接，且通过弹簧9被从喷射喷嘴3的外围壁10向下压迫，从而关闭部件7在静止状态下亦即在不促动传动装置5的情况下将喷射喷嘴3确切地说是喷射喷嘴3的孔11封闭。代替压电促动器，传动装置5也可以包括磁性线圈。

传感器6是电容性传感器，其具有两个平行的板，这些板安置在关闭部件7的相对侧。如果关闭部件7被传动装置5移动，由传感器6测得的电容就发生改变。传感器6在此直接安置在传动装置5上，或者也可以是传动装置5的一部分。代替电容性传感器，也可以设有用于测量压电促动器的电压的传感器。电压作为压电促动器的信号可以被简单地确定，其中，在例如通过施加的电流而获知压电促动器的电荷情况下，也可以附加地求得电容。但传感器6也可以被设计用于在品质上和量度上探测所述测量参数的变化。

传感器6采用结合图2和3详述的方法来探测关闭部件7的行程运动的用电容的时间曲线表示的点。由传感器6测得的电容以及所表示的点经由线路8传输至计算单元4，该计算单元由这些数据计算出喷射量，所述线路可以包括电缆线或者无线的无线电通信。下面还将参照图3详述利用计算单元4计算喷射量的方法。在当前实施例中，四个特征点包括：打开运动的开始点，在该开始点，关闭部件7为了打开喷射喷嘴3而离开关闭位置；打开运动的结束点，在该结束点，关闭部件7到达最远的行程位置；关闭运动的开始点，在该开始点，关闭部件7为了关闭而离开最远的行程位置；以及关闭运动的结束点，在该结束点，关闭部件7为了关闭喷射喷嘴3又到达关闭位置。行程位置在此是最远的行程位置，亦即弹簧9被最大程度地压缩进而使得关闭部件7顶靠外围壁10的上端时所在的位置。

关闭部件7因而在周期性的行程运动中持续不断地上下移动，由此通过图1中未示出的供应管路把燃油（在所示实施例中为柴油燃油）从喷射系统1喷射到柴油机的为明了起见也未示出的气缸中。

计算单元4是其中装有喷射系统1的车辆的车载计算机的组成部分。计算单元4通过另一线路8′与控制装置2连接，该线路如同线路8一样可以是无线的或者是有线的。计算单元4对求得的喷射量与喷射量设定值进行比较，或者对各个或全部特征点与特征点的设定的给定值进行比较，且只要求得的值不同于给定值就把控制信号经由线路8′发送至控制装置2。控制装置2通过线路8″来控制传动装置5，进而控制关闭部件7的运动，所述线路同样可以是无线的或有线的。为了减小差异，控制装置2现在适当地控制传动装置5，使得至少一个或者也可以全部特征点在再次经历行程循环时与给定值一致，所述给定值作为设定的特征点。这种控制必要时包括相比于先前的行程循环较早或较晚地将关闭部件7打开或关闭。在此规定给定值相距一定的事件有一段时间间隔，所述事件在所示实施例中是打开运动的开始时间点。控制装置2也是车载计算机的一部分。整个喷射系统1当前都接入车载诊断（OBD）系统中。

图2中示出关闭部件7的行程运动的时间曲线的两个变型。图2a)和2b)在此示出这种曲线的其形状各不相同的范例。在这些附图以及随后的附图中，反复出现的特征标有相同的附图标记。在图2a)以及图2b)中，在横坐标轴12上绘出时间，而在纵坐标轴13上绘出针行程，亦即作为关闭部件7的喷嘴针在关闭位置上方的高度。关闭部件7的运动可以用四个特征点14、15、16和17来表征，即打开运动的开始点14、打开运动的结束点15、关闭运动的开始点16和关闭运动的结束点17。在打开运动的开始点14，关闭部件7远离关闭位置，并一直提升直至打开运动的结束点15。在所示实施例中，最大的针行程18为100μm。据图2a)所示实施例，该打开运动直线地进行，其也称为关闭部件7的运动的打开边沿。最大的针行程18表明上面的顶靠点，此时关闭部件7处于打开运动结束之时。在打开运动的结束点15与关闭运动的开始点16之间的时段内，关闭部件7都保持在该位置，这也称为最大边沿。在该时段期间可以喷射最大可能量的燃油。从关闭运动的开始点16起，关闭部件7又朝向关闭位置移动，关闭部件最终在关闭运动的结束点17到达所述关闭位置。在所示实施例中，也称为关闭部件7的运动的关闭边沿的该运动明显比打开边沿短，但也是直线形的。

在图2b)所示的实施例中，用时间点和行程位置规定了其坐标，在该坐标中，在特征点14、15、16、17处绘出了与图2a)相同的四个特征点14、15、16、17。然而与图2a)不同的是，在打开运动的开始点14与打开运动的结束点15之间的打开边沿以及在关闭运动的开始点16和关闭运动的结束点17之间的关闭边沿并不是直线形的，而是打开边沿按指数上升，关闭边沿也非直线形地下降。在所示实施例中，打开边沿和关闭边沿的形状与所用燃油有关，且在计算单元4的喷射量计算之前被相应地设定好。也就是说，计算单元4基于四个特征点14、15、16、17通过设定好的数学函数把这些点彼此关联起来。

据这里未示出的实施例，也可以由传感器6获知特征点14、15、16、17中的三个特征点。在这种情况下，对于完整地介绍图2a)和2b)中所示的行程曲线来说缺少的点通过两个相邻的点和设定好的数学函数来获知，例如通过两条相交的拟合直线来获知。在个别情况下，打开运动的结束点15与关闭运动的开始点16特别是可以重叠，也就是说，最大边沿仅由该点给定。

图3中所示为关闭部件7的多个信号曲线。在图3a)~3d)的每幅图中都在横坐标轴12上绘出了时间，在图3a)中在纵坐标轴18上绘出了施加在传动装置5上的电流，在图3b)中在纵坐标轴19上绘出了施加在传动装置5上的电压，在图3c)中在纵坐标轴20上绘出了传动装置5的由传感器6测得的电容15，在图3d)中在纵坐标轴21上绘出了喷射率。

在图3a)中示出的电流时间曲线用于控制传动装置5，该曲线首先从零线开始上升，以便引起压电促动器的电压变化，该压电促动器作为用于关闭部件7的传动装置5。由此导致的电压上升在图3b)中示出。通过电流变化即载流子数量的变化和电压变化，压电促动器的电容发生变化，这种电容变化在图3c)中示出。这种电容变化也进行至一定的最大值，从该最大值起，电压不再上升，进而电容也不再增大。在图3所示的实施例中，由在图3c)中示出的电容曲线，利用传感器6确定出四个特征点14、15、16、17，以及由这些点利用计算单元4获知喷射率。

打开运动的开始时间点14通过达到电容的第一局部最大值22来获知，该最大值也可以通过电容变化曲线的零点即电容曲线导数的零点来确定。打开运动的结束时间点15通过达到电容的第二局部最大值23来获知。关闭运动的开始点16通过第一次超过电容阈值或者第一次低于电压阈值24而获知。在图3c)中可看到的电容振荡起因于传动装置5在电流已换向之后发生的振动。通过这种振动产生了电容振荡，其中，随着达到所述振荡的第一局部最小值25而得到关闭运动的结束17。替代于所述方法，在另一实施方式中也可以采用超过或低于电容变化，用于获知特征点14、15、16、17。但也可以采用传动装置5的直接信号，比如在图3b)中示出的电压或电压变化。

通过对在图3d)中位于曲线下面的面积26的积分，由计算单元4算得喷射量。除了积分外，位于曲线下面的面积26也可以通过对三个面积块即位于入口边沿下面的面积块、位于最大边沿下面的面积块和位于出口边沿下面的面积块的累加得到。为此可以规定用于计算在相应边沿下面的面积的公式，这些公式在最简单的情况下是线性的。该面积的下边界在此由所示的零线给定，为明了起见，该零线被从横坐标轴12抬起地示出。如果所求得的喷射量不同于其给定值，例如因为达到了打开运动15′的过早的结束时间点，进而使得喷射量过大，则利用控制装置2控制传动装置5，使得关闭部件7在下次行程循环中缓慢地打开，进而使得打开运动的结束时间点15又与其给定值一致。

不同实施方式的仅仅在这些实施例中公开的特征可以相互组合地和分别单独地要求权利保护。

Claims (15)

1. 一种用于监视通过喷射喷嘴（3）喷射的流体的喷射量的方法，其中，利用处于运动中的关闭件（7）打开和关闭喷射喷嘴（3），

其特征在于，

探测运动的至少三个特征点，在所述特征点，关闭部件（7）分别处于运动的一定位置，由所述特征点计算喷射量。

2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，探测运动的四个特征点。

3. 如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，关闭部件（7）在行程运动中在关闭位置与行程位置之间移动，其中，至少一个特征点包括：打开运动的开始点（14），在该开始点，关闭部件（7）为了打开喷射喷嘴（3）而离开关闭位置；打开运动的结束点（15），在该结束点，关闭部件（7）到达行程位置；关闭运动的开始点（16），在该开始点，关闭部件（7）为了关闭而离开行程位置；或关闭运动的结束点（17），在该结束点，关闭部件（7）为了关闭喷射喷嘴（3）而到达关闭位置。

4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了计算喷射量，求取在喷射率的特性曲线族中由该特性曲线族的轴线和曲线夹成的面积，其中，特性曲线族中的曲线的坐标由特征点和与相应特征点对应的喷射率来给定。

5. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，关闭部件（7）借助传动装置（5）而处于运动中，其中，为了确定特征点而使用传动装置（5）的信号。

6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述信号包括传动装置（5）的电容、电压、电容变化或电压变化。

7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，控制装置（2）适当地控制关闭部件（7），使得至少一个特征点与设定好的给定值一致。

8. 一种用于喷射流体喷射量的喷射系统（1），包括控制装置（2）和至少一个喷射喷嘴（3），其中，喷射喷嘴（3）具有用于关闭和打开喷射喷嘴（3）的关闭部件（7）、用于引导关闭部件（7）运动的传动装置（5）和用于探测关闭部件（7）的位置的传感器（6），

其特征在于，

传感器（6）被设计用来探测运动的至少三个特征点，在所述特征点，关闭部件（7）分别位于运动的一定位置，喷射系统（1）包括计算单元（4），该计算单元被设计用来由特征点计算喷射量。

9. 如权利要求8所述的喷射系统（1），其特征在于，传感器（6）被设计用于探测运动的四个特征点，其中，优选引导关闭部件（7）在关闭位置与行程位置之间进行行程运动，传感器（6）经过适当设计，从而至少一个特征点包括：打开运动的开始点（14），在该开始点，关闭部件（7）为了打开喷射喷嘴（3）而离开关闭位置；打开运动的结束点（15），在该结束点，关闭部件（7）到达行程位置；关闭运动的开始点（16），在该开始点，关闭部件（7）为了关闭而离开行程位置；或关闭运动的结束点（17），在该结束点，关闭部件（7）为了关闭喷射喷嘴（3）而到达关闭位置。

10. 如权利要求8或权利要求9所述的喷射系统（1），其特征在于，计算单元（4）被设计用来根据在喷射率特性曲线族中由轴线和曲线夹成的面积计算喷射量，其中，特性曲线族中曲线的坐标由特征点和与相应特征点对应的喷射率给定。

11. 如权利要求8~10中任一项所述的喷射系统（1），其特征在于，传感器（6）被设计用于通过传动装置（5）的信号来探测至少一个特征点，并把该信号传输至控制装置（2）。

12. 如权利要求11所述的喷射系统（1），其特征在于，所述信号包括电容、电压、电容变化或电压变化。

13. 如权利要求8~12中任一项所述的喷射系统（1），其特征在于，计算单元（4）被设计用于根据探测点之一将控制信号传输至控制单元，从而该控制单元适当地控制关闭部件（7），使得在下一次进行运动时该特征点与设定好的特征点一致。

14. 如权利要求8~13中任一项所述的喷射系统（1），其特征在于，传动装置（5）具有压电促动器。

15. 如权利要求8~14中任一项所述的喷射系统（1），其特征在于，关闭部件（7）具有喷嘴针。

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