CN104379915A - 控制燃料喷射器的喷射时间的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种控制内燃机中的燃料喷射的方法。对于每个喷射事件生成驱动信号，使用此驱动信号将喷射器保持打开以根据要求的燃料量喷射燃料。驱动信号具有基于脉宽的持续时间，该脉宽从喷射器特定的对应函数确定，该对应函数定义了脉宽（PW）与相应的代表喷射器打开时间的打开时间变量（A）之间的关系。打开时间变量基于主性能函数确定，该主性能函数定义了作为打开时间变量的函数的要求的燃料量。

Description

控制燃料喷射器的喷射时间的方法

技术领域

本发明总的涉及内燃机，且更总的涉及这种发动机中的喷射控制。

背景技术

现代的内燃机设计必须应对对于污染物排放的日益严格的法规。因此，汽车工程师力求设计带有低燃料消耗和低污染物排放的发动机，这意味着包括能够监测燃烧性能和排气内的排放物的电子装置。

在这一点上，燃料喷射发动机的合适的运行要求燃料喷射器及其控制器允许及时的、精确的和可靠的燃料喷射。实际上，已熟知的是当由喷射器所输送的燃料的性能（或更具体而言为正时）以及量的偏差超过可接受极限时将发生问题。例如，喷射器性能偏差或变化将导致由于喷射的燃料量不相等或由于此燃料喷射的相对正时而在气缸之间造成不同的转矩。且在喷射小的燃料量时，由于在打开和关闭时的响应延迟，此问题尤其尖锐。

为考虑到燃料喷射器的特异性，已建议将给定的燃料喷射器与其大量性能参数相关联。这些性能参数例如被编码在施加到喷射器的条形码内，使得性能参数可在喷射器安装在发动机内时由条形码扫描器获取且传输到发动机控制单元（ECU）。这样的用于燃料喷射器参数安装的方法例如在US 7,136,743中描述。

燃料喷射器安装的另一个方法在WO2011/073147中已公开，此方法使用分段的主性能曲线。每个待安装在发动机内的燃料喷射器提供有特定的具有机器可读取的格式的燃料喷射器参数，且这些参数被传输到发动机ECU。装配信息，优选地对于赋予主流量曲线的每个各段的特征方程的系数包含在这些燃料喷射器特定参数中。

本发明的目的

本发明的目的是提供用于内燃机中的喷射控制的另一种方法，所述方法考虑到各燃料喷射器的独立的流量特异性。

目的通过权利要求1中要求的方法实现。

发明内容

本发明涉及发动机内的燃料喷射的控制方法，其中对于每个喷射事件生成驱动信号且将驱动信号施加到喷射器，以便根据要求的燃料量在一定的时间期间打开喷射器且喷射燃料。

根据本发明，驱动脉冲的长度，即驱动信号施加到喷射器的时间周期基于脉宽（PW），所述脉宽从喷射器特定的对应函数确定，所述对应函数定义脉宽（PW）与代表喷射器打开时间的对应打开时间变量（A）之间的关系。

该打开时间变量（A）首先基于主性能函数确定，所述主性能函数定义作为打开时间变量的函数的要求的燃料量。

本方法依赖于由本发明人进行的观察，即虽然对于给定的喷射设计存在喷射器的零件之间的变化，所述变化主要通过对于给定的输送燃料量的每个喷射器不同的脉宽反映，但喷射器阀实际打开的时间间隔相当恒定。换言之，虽然燃料喷射器可具有在零件之间变化的打开和关闭延迟，但总体特性是为了输送给定的燃料量，喷射器打开（即轴针或针阀离座）的时间周期相对恒定。

为了精确近似，“打开时间”则优选地代表了在喷射器轴针/针阀离开其完全关闭的位置以打开的时刻和其返回到其完全关闭的位置的时刻之间的时间周期。

对于喷射器的打开时间一般地可通过如下公式表达：

PW+a·CR-b·OD          （公式1）

其中：

PW是脉宽，即施加到燃料喷射器以命令打开的逻辑命令；

CR是测量的关闭响应，即从脉宽信号的结束到喷射器阀的实际关闭经历的时间；

OD是打开延迟，即在脉宽信号的开始和喷射器轴针开始移动的时刻之间经历的时间；

且a和b是允许对于不同的效应进行补偿的系数，如可能要求的。

在这一点上，可注意到对于一些喷射器设计，打开延迟可能基本上是恒定的（对于此设计的所有喷射器），使得在精确近似中，打开时间可简单地计算为PW+a·CR，其中通常a=1。

每个喷射器特定的对应函数可在存储器中存储为带有打开时间变量A vs.脉宽PW的离散值的表/图。喷射器特定的对应函数也可表达为数学表达式，例如通过一个或多个特征方程。也可将映射值和数学表达式组合以描述在各自脉宽范围上的A-PW关系。

在本发明的上下文中，主性能函数定义了喷射的燃料量（或燃料要求）和相应的打开时间变量（A）之间的关系，该打开时间变量（A）表示喷射器打开的时间周期，如上文中所解释的。对于多种燃料喷射器设计所进行的实验已显示，对于给定技术或燃料喷射器的设计，流量vs.喷射器打开时间的分散性比常规的流量曲线-流量vs.脉宽（即流量vs.逻辑信号）的分散性不明显得多。

在本发明中使用的主性能函数（流量/量vs.打开时间）从测试数据通过实验建立，以代表根据一个设计的众多的喷射器。此测试优选地执行为使得主性能函数统计上代表了相同的设计的众多喷射器。

术语“喷射器设计”在此指对于燃料喷射器的构造的技术选择，包括在尺寸、机械和机电部件方面的选择，但不包括喷射器和每个喷射器部件的制造误差。

应认识到的是，与在恒定脉宽下实施喷射器流量修正的常规方法相比，本发明具有不同的方法，因为对于喷射器指令的输入是与燃料流量相关的“打开时间变量”（在此以A标记）。因此，在基于主性能函数获得了对应于期望燃料量（如由ECU所要求的）的打开时间变量值（A）之后，打开时间变量（A）的此值用作喷射器特定的对应函数的输入，该函数包含打开时间变量（A）与相应的脉宽（PW）的关系的喷射器特定值。因此，在对应函数中反映了喷射器特异性。在不同的对应表中，对于不同的喷射器相同的打开时间变量值将往往对应于不同的脉宽。

喷射器特定的对应函数的实际实施可取决于发动机管理过程变化。优选地，对应函数采取具有打开时间变量vs.脉宽的离散值的表或映射（存储在存储器内）的形式。在许多情形中，脉宽的确定将要求数学分析方法，例如内插或外插或其他合适的数学处理。然而，使用合适的数据处理，人们可使用描述这些功能的数学表达式（例如，特征方程），但这对于简单的实施显得太耗费资源。

这样的对应表可预填充以用于多个集合的点（打开时间变量；脉宽）的标准值（或主值）。预填充运行可通过ECU的编程来发生；或集合的值可与燃料喷射器相关联且在喷射器安装时被传输到ECU内。替代地，对应表可最初是空的，通过在发动机起动时的学习被填充，然后仅在它们已被充分填充之后被使用。当对应表的值仍在学习时，喷射可基于常规的流量曲线（主流量曲线）-燃料与脉宽的关系-来执行。

在所有情况中，对应表/函数优选地按要求经常被更新，一般地通过学习对于实际已应用到燃料喷射器的脉宽的OD和CR来更新。

多种方法可得到以用于基于使用螺旋管促动器或压电促动器的燃料喷射器的电压或电流检测来检测燃料喷射器的打开时间和关闭时间。然而，对于螺旋管促动的喷射器，打开时间和关闭时间的检测优选地基于喷射器螺旋管的电压。

本发明的另一个益处是喷射器特定的对应函数一般是双射的，这简化了方法在控制器中的实施。

在优选的实施例中，喷射器特定的对应函数使用由给定的打开时间变量和给定的脉宽限定的预先确定的或学习的枢轴点，这对应于零流量（或接近零的流量）。这样的枢轴点在低燃料量时，相应地在打开时间变量的低值时是有利的，因为所述枢轴点可用作脉宽确定的最低点。

这些实施例和其他优选实施例在附带的从属权利要求2至11中陈述。

仍应注意的是本发明可应用于汽油机和柴油机以及螺旋管喷射器和压电喷射器。此外，虽然本发明已对于在轨迹范围内的喷射器运行而开发，但本发明也可应用于轨迹范围之外。

根据另一个方面，本发明涉及如在权利要求12中所要求保护的燃料喷射系统。

附图说明

现在将通过示例参考附图描述本发明，其中：

图1是示出了典型的一组燃料喷射器的流量曲线以及常规的主流量曲线的曲线图；

图2是图示了轴针升程和时间的关系的原理曲线；

图3是图示了一组燃料喷射器的流量（每脉冲的燃料的mg）与打开时间的关系以及主性能曲线的曲线图；

图4是图示了对应表的绘制图的曲线图，即其中绘出了在轨迹范围中对于许多燃料喷射器的打开时间与脉冲的关系；

图5是图示了包括枢轴点的对应表的绘制图的曲线图。

具体实施方式

图1图示了常规的主流量曲线，即燃料流量（燃料质量）与脉宽（时间）的关系的曲线图，所述曲线图代表了一批燃料喷射器，典型地为根据相同的制造技术（相同的构造）生产的多个喷射器。主流量曲线优选地统计上代表了一批喷射器且已通过在整个脉宽范围上的喷射器的详细的和系统的流量测试而获得。在图1中，主流量曲线由虚线表示且标记为6，且反映了螺旋管促动的燃料喷射器的给定的设计的统计上的代表性流量特性。其他的曲线代表了各独立的喷射器的测量的流量曲线，即特定的流量。

如可见的，主性能曲线6的形状相当复杂且仅总的来说可通过包括至少三阶多项式且典型地更高阶的多项式的方程来总地描述。这样的流量特性目前变得非常常见，特别是对于先进的燃料喷射器。

多个常规的燃料喷射器控制过程依赖于描述主流量曲线的特征方程，以确定对应于期望燃料量的脉宽。

如在US 7,136,743中所描述，对于每个燃料喷射器，多项式方程可存储在发动机ECU中。在发动机组装位置处，将燃料喷射器组装到发动机内且包括条形码读取器的传送装置用于获取喷射器特定的系数且将其传送到ECU内。在ECU中，这些系数用作对于在其内安装了特定喷射器的气缸内的喷射控制的特征多项式的系数。

另一个方法在WO2011/073147中描述，所述方法使用分段的主流量曲线，对于每个段通过各自的特征方程来描述流量特性。

可注意到图1中的曲线图仅示出了燃料喷射器的轨迹运行范围，其中零件到零件的变化特别地明显。如本领域技术人员已知的，术语轨迹（ballistic）用于指示轴针基本上打开和关闭而不维持在（或甚至达到）完全打开位置的轴针移动。在轨迹范围内运行的问题在于轴针行程特别地受到打开和关闭响应（或延迟）的影响。燃料喷射器一般地包括阀组，所述阀组具有针阀或轴针组件，该针阀或轴针组件轴向移动以便打开和关闭一个或多个流量孔，燃料通过所述流量孔喷射到发动机中。燃料喷射器进一步包括促动器，例如螺旋管或压电类型的促动器，所述促动器允许轴针抵抗回位弹簧而移动，以打开阀组且将燃料喷射到发动机燃烧室内。

图2示出了描述了对于轨迹范围典型的钟形形状的轴针升程曲线8，且图示了打开和关闭响应。附图标号10指示了施加到燃料喷射器且导致其打开的逻辑驱动信号，通过该信号将燃料喷射到发动机燃烧室内。

驱动信号10是具有表示为PW的脉宽的脉冲，所述脉宽是应用该逻辑信号的时间周期。如可见的，在施加驱动信号10时，需要一定的时间直至轴针开始移动；这段时间被称为“打开延迟”或OD。

在驱动信号10的结束或相应地PW的结束和轴针到达其阀座且稳定地关闭喷射器阀的时刻之间经历的时间被称为关闭响应，在此标记为CR。

多种方法可得到以用于检测燃料喷射器的打开时间和关闭时间，特别是基于喷射器螺旋管电压或电流检测。例如WO 03/023211描述了确定电磁装置的响应时间的方法。在开启和关断时喷射器响应时间的确定基于电流检测；在关闭时的响应时间的确定还被描述为基于电压检测。替代地，在本方法的上下文中，喷射器轴针的关闭响应的确定优选地基于来自喷射器的电压反馈即来自其螺旋管促动器的电压反馈而进行。可跨喷射器线圈终端的两侧测量电压。当喷射器电枢碰撞到座且停止时，在喷射器线圈电压的斜率中存在可见的且可测量的拐折。可对于线圈电压求导，且线圈电压的导数的局部最大值（该信号通常为负量）正巧与关闭时间相关联。

如在下文中将理解的，喷射的燃料量与曲线8下方的面积成比例。用于指示响应于驱动信号10由燃料喷射器输送的燃料量（Q）的合适公式可以是：

Q=c·(PW+a·CR-b·OD)          （公式2）

其中系数a提供为补偿当轴针在极限位置（关闭-完全打开）之间通行时的降低的流量-这主要是轨迹范围的情况中。系数b被用于潜在的修正；然而，认为在大多数情况中b=1，因为在轴针开始移动前无燃料流动。

且喷射器打开时间，即轴针离座的时间，可如在公式1中表达，如上文所述：

A=PW+a·CR-OD          （公式3）

此打开时间标记为A，且在后文中称为打开时间变量。当打开延迟的变化性非常低时，对于前文中说明的一些喷射器设计，为了比较的目的，项OD甚至可以被省略。

现在转到图3，图中绘出了燃料量Q与打开时间变量A的关系，该打开时间变量A表示喷射器阀组打开的时期。在此图中可观察到相似的特性，这图示了为输送给定的燃料质量的喷射器打开时间相当恒定。本方法依赖于此发现。

换言之，虽然常规的流量与PW的曲线图展示了明显的零件到零件的变化，并且在OD和CR的项中存在不可忽略的变化，但为输送相同的燃料量的打开时间（A）在多个喷射器之间是非常相似的。

图3的曲线图可在与图1的曲线图相同的条件下确定。实际上，对于图1中所示的曲线的每一对（燃料质量；PW）而言，也可以确定与PW相关的OD和CR，然后计算相应的打开时间变量A。

此外，可从代表性测试数据，优选地对于给定的燃料喷射器设计在统计上是代表性的，详细描述主性能函数（流量vs.打开时间变量A）。在图3中，主性能函数被描绘为曲线16。

主性能函数16因此有利地是模型函数，所述模型函数可在数学上通过一个或多个方程表达或实际上通过任何数学表达式来表达。ECU优选地构造为与此数学表达式协作，以便避免内插。然而，替代地主性能函数可作为表或图（也就是，具有离散值的表或图）被编程/存储在ECU内，但这不是优选的。

现在，一旦代表期望燃料量的打开时间的A值已从主性能函数16确定，则对于驱动信号的脉宽PW从表达了打开时间变量A与脉宽PW的关系的喷射器特定的对应函数确定。对于发动机内的每个燃料喷射器存在一个这样的对应函数，以考虑到喷射器特异性。在本变型中，喷射器特定的对应函数采用具有打开时间变量A vs. PW的离散值的表（或图——存储在存储器内）的形式。

图4以曲线图图示了对于相同设计的八个燃料喷射器（与图3中相同的多个喷射器）的这样的对应表的内容。每个喷射器特定的对应函数由多个对（A；PW）限定；且可观察到每个喷射器之间的变化性。

假定ECU已确定必须喷射3 mg的燃料质量。从图3的主性能函数得到这要求480μs的打开时间A。如上文所解释，虽然喷射器关闭和响应延迟可能变化，但总之喷射器将在大约480μs期间保持打开以喷射3 mg的燃料质量。

现在，为喷射这3 mg的燃料质量，使用打开时间A作为输入变量，足以从每个喷射器的对应表导出PW。这样的对应表是已整合了喷射器特定的OD和CR的允许导出操作的PW值的修正表。因此，不要求用于喷射器响应延迟的另外的PW修正。

如将从图4中知道的，在A=480μs处，取决于喷射器，PW在220μs和280μs之间变化。对于每个喷射器，对应于A=480μs的各自PW因此从各独立的对应表中获得。

然而，在图4中可注意到对于非常低的燃料喷射，即相对小的A或PW值，比如说A低于400，出现发散性行为。这是由于在本示例中用于测量在本示例中选择的OD和CR的检测方法。的确，对于非常小的喷射，基于喷射器螺旋管的电压痕迹的CR检测执行得不好，因此导致在此范围内的明显的变化。

为应对此问题，本发明方法有利地使用给定的打开时间值A和PW的虚拟的“枢轴点”，比如说（A0；PW0），所述枢轴点通过测试/标定确定为零流量点，即，该点对应于零流量处的最大脉宽。

枢轴点因此有利地用作对应函数（表或曲线）中的下端点，且将允许通过内插确定低PW值。

应认识到的是已发现此枢轴点可能取决于喷射器设计，且在此情况中相同的枢轴点可能应用于所有喷射器特定的对应表。这样的收敛可从图5中领会到。

可注意到在图5的示例中，喷射器具有相对恒定的OD且枢轴点通过标定而确定。然而，值得注意的是作为枢轴点的横坐标的点PW0可对应于零流量处的最大PW或通过喷射器输送燃料的最小PW（在现有技术中也被称为最小输送脉冲-MDP）。已知多种方法来确定此MDP，然后允许在运行中的发动机中测量MDP。在发动机中测量MDP允许考虑到老化而更新枢轴点的PW0位置。在此情况中，可使用PW0与A0的映射关系，使得当枢轴点的横坐标由于不同的MDP改变时，纵坐标A0也可适应地改变。而且，MDP值接近零流量处的最大PW值，且可用作更精确地确定最大PW值的基础。

Claims (15)

1.一种用于控制内燃机中的燃料喷射的方法，该内燃机具有至少一个气缸，所述气缸带有用于执行喷射事件的相关的燃料喷射器，其中对于每个喷射事件生成驱动信号，使用所述驱动信号保持喷射器打开以根据要求的燃料量喷射燃料；

其中所述驱动信号具有基于脉宽的持续时间，所述脉宽从喷射器特定的对应表确定，所述对应表定义所述脉宽（PW）与相应的打开时间变量（A）之间的关系，所述打开时间变量（A）代表喷射器打开时间；

所述打开时间变量基于主性能函数确定，所述主性能函数定义作为打开时间变量（A）的函数的要求的燃料量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷射器特定的对应函数采取表的形式，所述表最初以标定值填入，或在首次发动机起动之后通过学习填入。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述对应函数以定期的或非定期的方式更新。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中脉宽（PW）值从所述喷射器特定的对应函数中导出，或通过直接读取或通过数学分析从存储在对应表中的离散值导出。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述主性能函数表达为带有离散值的表或表达为数学表达式。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述打开时间变量（A）对应于喷射器轴针从其阀座升起的时间周期。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述打开时间变量（A）计算为：

A=PW+a·CR-b·OD，其中：

PW是脉宽，

CR是测量的关闭响应，和

OD是打开延迟。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在一定的条件下特别是对于低燃料量或相应地对于打开时间变量的低值，脉宽的对应值通过使用由给定的打开时间变量（A0）和给定的脉宽（PW0）限定的预先确定的枢轴点由数学分析确定，所述枢轴点对应于零流量处的最大脉宽。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述枢轴点对于所有喷射器特定的对应函数是相同的。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述枢轴点的脉宽（PW0）被定期测量，且如需要的话，被适应地修改。

11.根据权利要求8、9或10所述的方法，其中所述枢轴点的打开时间变量（A0）基于其测量的脉宽（PW0）从表中读取。

12.一种燃料喷射系统，包括：

连接到多个喷射器且适合于为每个喷射器生成具有脉宽的各自驱动信号以便执行喷射事件的喷射器驱动器级；和

控制单元，所述控制单元与喷射器驱动器级相关：

主性能函数，所述主性能函数定义了作为代表喷射器打开时间的打开时间变量（A）的函数的要求的燃料量；和

喷射器特定的对应表，所述对应表对于每个喷射器定义作为所述打开时间变量（A）的函数的脉宽（PW）；其中所述控制单元构造为对于给定的喷射器通过如下方式确定驱动信号的脉宽：首先基于所述主性能函数确定对应于要求的燃料量的打开时间变量（A），且然后从各自喷射器特定的对应函数导出对应于先前确定的打开时间变量（A）的脉宽（PW）。

13.根据权利要求12所述的系统，其中脉宽（PW）值从所述喷射器特定的对应函数，或通过直接读取或通过数学分析从存储在对应表中的离散值导出。

14.根据权利要求12或13所述的系统，其中所述主性能函数表达为带有离散值的表或表达为数学表达式。

15.根据权利要求12、13或14所述的系统，其中所述打开时间变量（A）对应于喷射器轴针从其阀座升起的时间周期。