CN107304727B - 用于电磁启动致动器的最佳驱动信号控制的方法和装置 - Google Patents

用于电磁启动致动器的最佳驱动信号控制的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种电磁启动致动器包括电线圈，可在静止位置和致动位置之间移动的电枢以及双向驱动器。一种用于控制致动器事件的方法包括在第一持续时间内在线圈上施加第一极性的电源电压以驱动正向电流通过线圈，从而有效地将电枢从静止位置移开。正向电流在第一持续时间结束时具有正向电流峰值。在第一持续时间之后，在第二持续时间内在线圈上施加第二极性的电源电压以驱动反向电流通过线圈。当反向电流达到预定反向电流峰值时，第二持续时间终止，其中预定反向电流峰值与返回到静止位置的电枢一致。

Description

用于电磁启动致动器的最佳驱动信号控制的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及电磁启动致动器。
背景技术
本段中的陈述仅仅提供了与本发明有关的背景信息。因此，这类陈述并不意欲构成承认了现有技术。
燃料喷射器用于将加压燃料直接喷射到内燃机的燃烧室中。已知的燃料喷射器包括电磁启动螺线管设备，其克服机械弹簧以打开位于喷射器尖端处的阀，从而允许燃料流过其中。喷射器驱动器电路控制到电磁启动螺线管设备的电流以打开和关闭喷射器。喷油器驱动器电路可以呈峰值保持控制配置或饱和开关配置进行操作。
校准燃料喷射器，其中校准包括喷射器启动信号，该喷射器启动信号包括喷射器打开时间或喷射持续时间，以及在预定或已知燃料压力下操作的对应计量或输送的喷射燃料质量。喷射器操作的特征可在于关于喷射持续时间的每个燃料喷射事件的喷射燃料质量。喷射器特征包括在与高速、高负载发动机操作相关联的高流率以及与发动机怠速条件相关联的低流率之间的范围内的计量燃料流量。
已知可以快速连续地喷射多个小喷射燃料质量来控制发动机。通常，当连续喷射事件之间的停留时间小于停留时间阈值时，后续燃料喷射事件的喷射燃料质量通常导致比使用相等喷射持续时间更大的输送幅值。因此，这类后续燃料喷射事件可能变得不稳定，导致不可接受的重复性。这种不期望的发生归因于在燃料喷射器内存在由先前的燃料喷射事件产生的剩余磁通量，这为后续燃料喷射事件提供一些帮助。剩余磁通量响应于燃料喷射器内的持续涡流和磁滞产生。已知仅仅通过调整后续喷射事件的喷射持续时间来补偿大于所需喷射燃料质量的输送幅值的影响；然而，相应的后续燃料喷射可能仍然变得不稳定，导致不可接受的重复性。
电流可以沿反向方向驱动，以减少由燃料喷射器内的剩余磁通量引起的阀关闭延迟。然而，非最佳反向电流驱动将导致燃料喷射器阀关闭瞬间与峰值反向电流点的相关性差。这可能会对精密燃料计量和喷射控制产生负面影响。
发明内容
一种电磁启动致动器包括电线圈，可在静止位置和致动位置之间移动的电枢以及双向驱动器。一种用于控制致动器事件的方法包括在第一持续时间内在线圈上施加第一极性的电源电压以驱动正向电流通过线圈，从而有效地将电枢从静止位置移开。正向电流在第一持续时间结束时具有正向电流峰值。在第一持续时间之后，在第二持续时间内在线圈上施加第二极性的电源电压以驱动反向电流通过线圈。当反向电流达到预定反向电流峰值时，第二持续时间终止，其中预定反向电流峰值与返回到静止位置的电枢一致。
附图说明
现在将参考附图通过实例的方式描述一个或多个实施例，其中：
图1A图示了根据本发明的燃料喷射器和启动控制器的示意性截面图；
图1B图示了根据本发明的图1A的启动控制器的示意性截面图；
图1C图示了根据本发明的图1A和图1B的喷射器驱动器的示意性截面图；
图2图示了根据本发明的相隔了不指示紧密间隔的停留时间的具有相同电流脉冲的两个连续燃料喷射事件的测量电流和燃料流率的非限制性示例性第一图，以及测量主励磁线圈和探测线圈电压的非限制性示例性第二图；
图3图示了根据本发明的相隔了指示紧密间隔的停留时间的具有相同电流脉冲的两个连续燃料喷射事件的测量电流和燃料流率的非限制性示例性第一图，以及测量主励磁线圈和探测线圈电压的非限制性示例性第二图；
图4图示了根据本发明的对应于使用燃料喷射驱动的示例性燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图，其中燃料喷射器关闭时间与线圈电流关闭并且下降到零后的喷射器螺线管线圈电压中的拐点相关；
图5图示了根据本发明的对应于使用非最佳反向燃料喷射驱动的示例性燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的剩余磁通量引起的阀关闭延迟；
图6图示了根据本发明的对应于使用最佳反向燃料喷射驱动的示例性燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的剩余磁通量引起的阀关闭延迟；
图7图示了根据本发明的对应于使用燃料喷射驱动的示例性多个小燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图，其中燃料喷射器关闭时间与线圈电流关闭并且下降到零后的喷射器螺线管线圈电压中的拐点相关；
图8图示了根据本发明的对应于使用最佳反向燃料喷射驱动的示例性多个小燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的磁通量引起的阀关闭延迟；以及
图9图示了根据本发明的确定预定反向电流的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
本发明描述了关于线性运动燃料喷射器的示例性应用的目前要求保护的主题的概念。然而，所要求保护的主题更广泛地适用于使用电线圈的任何线性或非线性电磁致动器，所述电线圈用于在磁芯内引起磁场而导致作用在可移动电枢上的吸引力。典型的实例包括用于内燃机的流体控制螺线管、汽油或柴油或CNG燃料喷射器以及用于定位和控制的非流体螺线管致动器。
现在参考附图，其中示出内容仅用于说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明的目的，图1A示意性地图示了电磁启动的直接喷射燃料喷射器10的非限制性示例性实施例。虽然在所示实施例中描绘了电磁启动的直接喷射燃料喷射器，但气孔喷射式燃料喷射器同样适用。燃料喷射器10配置成将燃料直接喷射到内燃机的燃烧室100中。启动控制器80电操作地连接到燃料喷射器10以控制其启动。启动控制器80仅对应于燃料喷射器10。在所示实施例中，启动控制器80包括控制模块60和喷射器驱动器50。控制模块60电操作地连接到喷射器驱动器50，其电操作地连接到燃料喷射器10以控制其启动。燃料喷射器10、控制模块60和喷射器驱动器50可以是配置为如本文所述操作的任何合适的设备。在所示实施例中，控制模块60包括处理设备。在一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件集成在燃料喷射器10的连接组件36内。在另一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件集成在燃料喷射器10的主体12内。在又一个实施例中，启动控制器80的一个或多个部件在燃料喷射器10的外部并且紧邻燃料喷射器10，并经由一个或多个电缆和/或电线电操作地连接到连接组件36。术语“电缆”和“电线”在本文中可互换使用以提供电力的传输和/或电信号的传输。
控制模块、模块、控制件、控制器、控制单元、处理器和类似的术语是指（一个或多个）专用集成电路（ASIC）、（一个或多个）电子电路（S）、（一个或多个）中央处理单元（优选为（一个或多个）微处理器）以及执行一个或多个软件或固件程序或例程的相关联的存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）、（一个或多个）组合逻辑电路、（一个或多个）输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓冲电路以及其它组件中的一个或多个的任何一种或多种组合来提供所描述的功能。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语是指包括校准和查找表的任何指令集。控制模块具有执行以提供所需功能的一组控制程序。例如通过中央处理单元执行例程，并且可操作以监测来自感测设备和其它联网的控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。可以在正在进行的发动机和车辆操作期间以规则的间隔执行例程，例如每3.125毫秒、每6.25毫秒、每2.5毫秒、每25毫秒和每100毫秒。或者，可以响应于事件的发生而执行例程。
通常，电枢可控制到致动位置和静态或静止位置中的一个。燃料喷射器10可以是任何合适的离散燃料喷射装置，其可以被控制到打开（致动）位置和关闭（静态或静止）位置中的一个。在一个实施例中，燃料喷射器10包括限定纵向轴线101的圆筒形空心主体12。燃料入口15位于主体12的第一端14，燃料喷嘴28（燃料喷嘴可以是单个开口或在球形阀的情况下的多个孔）位于主体12的第二端16。燃料入口15流体地耦接到高压燃料管线30，高压燃料管线30流体耦接到高压喷射泵。阀组件18容纳在主体12中，并且包括针形阀20、弹簧启动枢轴22和电枢部分21。针形阀20干涉地安置在燃料喷嘴28中以控制流过其中的燃料。虽然所示实施例描绘了三角形的针形阀20，但是其它实施例可使用球。在一个实施例中，电枢部分21固定地耦接到枢轴22，并且配置成分别在第一方向81和第二方向82上与枢轴22和针形阀20为一个单位进行线性平移。在另一个实施例中，电枢部分21可以可滑动地耦接到枢轴22。例如，电枢部分21可在第一方向81上滑动，直到由固定地附接到枢轴22的枢轴止动件停止。同样，电枢部分21可以在独立于枢轴22的第二方向82上滑动，直到接触固定地附接到枢轴22的枢轴止动件。在与固定地附接到枢轴22的枢轴止动件接触之后，电枢部分21的力使得枢轴22由电枢部分21在第二方向82上推动。电枢部分21可包括与燃料喷射器10内的各个止动件接合的突起。
包括电线圈和磁芯的环形电磁体组件24配置成磁性接合阀组件的电枢部分21。电线圈和磁芯组件24用于说明目的而描述呈在燃料喷射器的主体外部；然而，本文的实施例涉及电线圈和磁芯组件24与燃料喷射器10集成或集成在燃料喷射器10内。电线圈缠绕在磁芯上，并且包括用于从喷射器驱动器50接收电流的端子。在下文中，“电线圈和磁芯组件”将简称为“电线圈24”。当电线圈24被停用和断电时，弹簧26在第一方向81上将包括电枢和针形阀20的阀组件18推向燃料喷嘴28，以将针形阀20关闭到静止位置并防止燃料流过。当电线圈24被启动并通电时，电磁力（在下文是“磁力”）作用在电枢部分21上以克服由弹簧26施加的弹簧力，并且在第二方向82上推动阀组件18，使电枢和针形阀20远离燃料喷嘴28并且允许阀组件18内的加压燃料流过燃料喷嘴28。燃料喷射器10可包括止动件29，其与阀组件18相互作用以阻止阀组件18在其被致动并被推动打开时平移。在一个实施例中，压力传感器32配置成获得靠近燃料喷射器10，优选地在燃料喷射器10的上游的高压燃料管线30中的燃料压力34。在另一个实施例中，压力传感器可以集成在燃料喷射器的入口15内来代替燃料轨道30中的压力传感器32或与压力传感器组合。图1A所示实施例中的燃料喷射器10不限于本文所描述的特征的空间和几何布置，并且可包括本领域已知的用于在打开和关闭位置之间操作燃料喷射器10以控制到发动机100的燃料输送的附加特征和/或其它空间和几何布置。
控制模块60生成控制喷射器驱动器50的喷射器命令（致动器命令）信号52，喷射器驱动器50将燃料喷射器10启动到打开位置以实现燃料喷射事件。在所示实施例中，控制模块60与诸如发动机控制模块（ECM）5之类的一个或多个外部控制模块进行通信；然而，在其它实施例中，控制模块60可以与ECM成一体。喷射器命令信号52与在燃料喷射事件期间由燃料喷射器10输送的所需燃料质量相关。类似地，喷射器命令信号52可以与在燃料喷射事件期间由燃料喷射器10输送的所需燃料流率相关。如本文所使用的，术语“所需喷射燃料质量”是指由燃料喷射器10输送到发动机的所需燃料质量。如本文所用，术语“所需燃料流率”是指燃料由燃料喷射器10输送到发动机以实现徐所需燃料质量的速率。所需喷射燃料质量可以基于输入到控制模块60或ECM 5的一个或多个监测到的输入参数51。一个或多个监测到的输入参数51可包括但不限于通过已知方法获得的操作者扭矩请求、歧管绝对压力（MAP）、发动机转速、发动机温度、燃料温度和环境温度。喷射器驱动器50响应于喷射器命令信号52产生喷射器启动（致动器启动）信号75以启动燃料喷射器10。喷射器启动信号75控制流到电线圈24的电流，以响应于喷射器命令信号52产生电磁力。电源40为喷射器驱动器50提供DC电源。在一些实施例中，DC电源提供例如12V的低电压，并且可以使用升压转换器来输出提供给喷射器驱动器50的高电压，例如24V至200V。当使用喷射器启动信号75启动时，由电线圈24产生的电磁力在第二方向82上推动电枢部分21。当电枢部分21在第二方向82上被推动，因此造成阀组件18在第二方向82上推动或平移到致动或打开位置，允许加压燃料流过其中。喷射器驱动器50通过任何合适的方法（例如，包括脉宽调制（PWM）电力流）控制到电线圈24的喷射器启动信号75。喷射器驱动器50配置成通过产生合适的喷射器启动信号75来控制燃料喷射器10的启动。在对于给定的发动机循环采用多个连续的燃料喷射事件的实施例中，可以产生固定用于发动机循环内的每个燃料喷射事件的喷射器启动信号75。
喷射器启动信号75的特征在于喷射持续时间和包括初始峰值引入电流和次级保持电流的电流波形。初始峰值引入电流的特征在于稳态斜坡上升以达到峰值电流，其可以如本文所述进行选择。初始峰值引入电流产生作用在阀组件18的电枢部分21上的电磁力，以克服弹簧力并将阀组件18沿第二方向82推动到打开位置，使加压燃料开始流过燃料喷嘴28。当达到初始峰值引入电流时，喷射器驱动器50将电线圈24中的电流减小到次级保持电流。次级保持电流的特征在于小于初始峰值引入电流的稍微稳态的电流。次级保持电流是由喷射器驱动器50控制以将阀组件18保持在打开位置而使加压燃料继续流过燃料喷嘴28的电流电平。次级保持电流优选地由最小电流电平表示。当需要非常小的燃料量时，启动电流波形将不会达到峰值引入电流，并且在这种情况下将省略电流保持相位。喷射器驱动器50配置为能够提供用于从电线圈24汲取电流的负电流的双向电流驱动器。如本文所使用的，术语“负电流”是指使电线圈要反向的电流方向。因此，术语“负电流”和“反向电流”在本文中可互换使用。
本文的实施例旨在控制用于在发动机循环期间紧密间隔的多个燃料喷射事件的燃料喷射器。如本文所使用，术语“紧密间隔”是指每个连续的燃料喷射事件之间的停留时间小于预定的停留时间阈值。如本文所使用，术语“停留时间”是指在每对连续燃料喷射事件的第一燃料喷射事件（致动器事件）的喷射结束与对应的第二燃料喷射事件（致动器事件）的喷射开始之间的时间段。可以选择停留时间阈值以限定一段时间，使得小于停留时间阈值的停留时间指示在每个燃料喷射事件输送的喷射燃料质量的幅值上产生不稳定性和/或偏差。喷射燃料质量的幅值上的不稳定性和/或偏差可能响应于次级磁效应的存在。次级磁效应包括燃料喷射器内的持续涡流和磁滞，以及基于其的剩余通量。由于紧密间隔的燃料喷射事件之间的初始通量值的变化，存在持续的涡流和磁滞。因此，停留时间阈值不由任何固定值限定，并且其选择可以基于但不限于燃料温度、燃料喷射器温度、燃料喷射器类型、燃料压力和燃料特性，例如燃料类型和燃料混合物。如本文所使用，术语“通量”是指指示由电线圈24产生并通过电枢部分的总磁场的磁通量。由于电线圈24的匝链接磁芯中的磁通量，因此该磁通量可以由磁链进行换算。磁链基于通过电枢部分的通量密度，与气隙相邻的电枢部分的表面积和线圈24的匝数。因此，术语“通量”、“磁通量”和“磁链”在本文中将可互换使用，除非另有说明。
对于不紧密间隔的燃料喷射事件，可以针对每个燃料喷射事件利用与停留时间无关的固定电流波形，因为连续对中的第一燃料喷射事件对连续对中的第二燃料喷射事件的输送喷射燃料质量几乎没有影响。然而，当第一和第二燃料喷射事件紧密地间隔并且利用固定电流波形时，第一燃料喷射事件可能倾向于影响第二燃料喷射事件的输送喷射燃料质量和/或后续的燃料喷射事件。任何时候燃料喷射事件都受到发动机循环的一个或多个先前的燃料喷射事件的影响，相应的燃料喷射事件的相应输送喷射燃料质量可能导致在多个发动机循环的过程中不可接受的重复性，并且连续的燃料喷射事件被认为是紧密间隔的。更一般地，其中来自先前致动器事件的剩余通量相对于一个标准，例如相对于在没有剩余通量的情况下的性能影响到后续致动器事件的性能的任何连续的致动器事件被认为是紧密间隔的。
示例性实施例进一步旨在将燃料喷射器10的（一个或多个）反馈信号42提供给启动控制器80。下文更详细地讨论，传感器设备可以集成在燃料喷射器10内，用于测量各种燃料喷射器参数以获得电线圈24的磁链、电线圈24的电压和通过电线圈24的电流。电流传感器可以设置在启动控制器80和燃料喷射器之间的电流流动路径上以测量提供给电线圈24的电流，或者电流传感器可以集成在电流流动路径上的燃料喷射器10内。经由反馈信号42提供的燃料喷射器参数可包括通过集成在燃料喷射器10内的相应传感器设备直接测量的磁链、电压和电流。附加地或替代地，燃料喷射器参数可包括经由（一个或多个）反馈信号42提供给控制模块60并由控制模块60使用以估计燃料喷射器10内的磁链、磁通量、电压和电流的代理。具有电线圈24的磁链的反馈，电线圈24的电压和提供给电线圈24、控制模块60的电流可有利地针对多个连续喷射事件对燃料喷射器10的启动信号75进行修改。应当理解，通过开环操作控制的常规燃料喷射器仅基于从查找表获得的所需电流波形，而没有与产生影响到电枢部分21的移动的磁链（例如磁通量）的分量的力有关的任何信息。因此，常规前馈燃料喷射器仅仅考虑到用于控制燃料喷射器的电流可能会在紧密间隔的连续燃料喷射事件中容易受到不稳定的影响。
已知当喷射器驱动器50仅在正的第一方向上单向提供电流以对电线圈24通电时，释放电流以保持稳定在零将导致燃料喷射器内的磁通量逐渐衰减，例如，逐渐减弱到零。然而，磁通量衰减的响应时间是缓慢的，并且当后续紧密间隔的燃料喷射事件开始时，燃料喷射器内的磁滞的存在通常导致存在剩余通量。如上所述，剩余通量的存在影响到在后续紧密间隔的燃料喷射事件中要输送的燃料流率和喷射燃料质量的精度。
图1B图示了图1A的启动控制器80。信号流动路径362提供控制模块60和喷射器驱动器50之间的通信。例如，信号流动路径362提供控制喷射器驱动器50的喷射器命令信号（例如，图1A的命令信号52）。控制模块60进一步经由与电力传输电缆电连通的启动控制器380内的信号流动路径364与外部ECM 5进行通信。例如，信号流动路径364可以将监测到的输入参数（例如，图1A的监测到的输入参数51）从ECM 5提供给控制模块60，以产生喷射器命令信号52。在一些实施例中，信号流动路径364可以向ECM 5提供反馈燃料喷射器参数（例如，图1A的（一个或多个）反馈信号42）。
喷射器驱动器50经由电源流动路径366从图1A的电源40接收DC电力。可以通过使用添加到电源流动路径366的小调制信号来消除信号流动路径364。使用所接收的DC电力，喷射器驱动器50可基于来自控制模块60的喷射器命令信号产生喷射器启动信号（例如，图1A的喷射器启动信号75）。
喷射器驱动器50配置为通过产生合适的喷射器启动信号75来控制燃料喷射器10的启动。喷射器驱动器50是双向电流驱动器，其响应于相应的喷射器启动信号75经由第一电流流动路径352为电流线圈24提供正电流，并经由第二电流流动路径354提供负电流。经由第一电流流动路径352的正电流被提供以对电线圈24通电，并且经由第二电流流动路径354的负电流使电流反向而从电线圈24汲取电流。电流流动路径352和354形成闭环；也就是说，进入352的正电流导致流动路径354中相等且相反（负）的电流，反之亦然。信号流动路径371可以将第一电流流动路径352的电压提供给控制模块60，并且信号流动路径373可以将第二电流流动路径354的电压提供给控制模块60。施加到电线圈24的电压和电流是基于信号流动路径371和373处的电压之间的差异。在一个实施例中，喷射器驱动器50利用开环操作来控制燃料喷射器10的启动，其中喷射器启动信号的特征在于精确的预定电流波形。在另一个实施例中，喷射器驱动器50利用闭环操作来控制燃料喷射器10的启动，其中喷射器启动信号基于经由信号流动路径371和373作为对控制模块的反馈而提供的燃料喷射器参数。可以经由信号流动路径356向控制模块60提供到线圈24的测量电流。在所示实施例中，电流由第二电流流动路径354上的电流传感器测量。燃料喷射器参数可包括燃料喷射器10内的磁链、电压和电流值，或者燃料喷射器参数可包括控制模块60用来估计燃料喷射器10内的磁链、电压和电流的代理。
在一些实施例中，喷射器驱动器50配置为全四象限操作。图1C图示了图1B的喷射器驱动器50的示例性实施例，所述喷射器驱动器利用两个开关组370和372来控制在喷射器驱动器50和电线圈24之间提供的电流。在所示实施例中，第一开关组370包括开关设备370-1和370-2，并且第二开关组372包括开关设备372-1和372-2。开关设备370-1、370-2、372-1、372-2可以是固态开关，并且可包括能够在高温下进行高速切换的硅（Si）或宽带隙（WBG）半导体开关。喷射器驱动器50的四象限操作基于由控制模块60确定的对应的开关状态来控制电流流入和流出电流线24的方向。控制模块60可确定正开关状态、负开关状态和零开关状态，并且基于所确定的开关状态来命令第一开关组370和第二开关组372在打开位置和关闭位置之间。在正开关状态下，第一开关组370的开关设备370-1和370-2被命令到关闭位置，并且第二开关组372的开关设备372-1和372-2被命令到打开位置来控制正电流进入第一电流流动路径352并流出第二电流流动路径354。这些开关设备可使用脉冲宽度调制进一步调制以控制电流的幅值。在负开关状态下，第一开关组370的开关设备370-1和370-2被命令到打开位置，并且第二开关组372的开关设备372-1和372-2被命令到关闭位置来控制负电流进入第二电流流动路径354并流出第一电流流动路径352。这些开关设备可使用脉冲宽度调制进一步调制以控制电流的幅值。在零开关状态下，所有开关设备370-1、370-2、372-1、372-2被命令到打开位置，以便控制没有电流进入或流出电磁组件。因此，可以实现通过线圈24的电流的双向控制。
在一些实施例中，用于从电线圈24汲取电流的负电流被施加足够的持续时间，以在电流释放之后减少燃料喷射器10内的剩余通量。在其它实施例中，在电流释放之后但另外仅在燃料喷射器已经关闭或者致动器已经返回到其静态或静止位置之后施加负电流。此外，另外的实施例可包括开关组370和372而在打开和关闭位置之间交替切换，以使流到线圈24电流流动方向交替，包括用于实现电流流动分布的脉冲宽度调制控制。利用两个开关组370和372允许通过减少电线圈24内涡流和磁滞的存在来针对发动机事件期间的多个连续的燃料喷射事件精确地控制施加到电线圈24的电流流动路径352和354的电流流动方向和幅值。
图2图示了根据本发明的相隔了不指示紧密间隔的停留时间的具有相同电流脉冲的两个连续燃料喷射事件的测量电流和燃料流率的非限制性示例性第一图1000，以及测量主励磁线圈和探测线圈电压的非限制性示例性第二图1010。延伸穿过图1000和1010中的每一个的垂直虚线1001表示第一燃料喷射事件的喷射结束的第一时间，垂直虚线1002表示第二次燃料喷射事件的喷射开始的第二时间。停留时间1003表示分离第一和第二燃料喷射事件的垂直虚线1001和1002之间的时间段。在所示实施例中，停留时间超过停留时间阈值。因此，第一和第二燃料喷射事件不指示紧密间隔。
参考第一图1000，分别图示了两个燃料喷射事件的测量电流和流率曲线1011、1012。沿着图1000左侧的垂直y轴表示以安培（A）为单位的电流，而沿着图1000右侧的垂直y轴表示以每毫秒（ms）的毫克数（mg）为单位的燃料流率。测量电流曲线1011对于每个燃料喷射事件基本相同。类似地，由于燃料喷射事件不指示紧密间隔，所以测量燃料流率曲线1012对于每个燃料喷射事件基本相同。
参考第二曲线1010，分别图示了两个燃料喷射事件的测量主励磁线圈和探测线圈电压曲线1013、1014。测量主线圈电压可表示图1A的电磁线圈24的测量电压，并且测量探测线圈电压可表示与图1A的电线圈24相互磁耦合的探测线圈25的测量电压。曲线1010的垂直y轴表示电压（V）。因此，当主励磁线圈通电时，由主励磁线圈产生的磁通量可由于相互磁耦合链接到探测线圈。测量的探测线圈电压曲线1014指示在探测线圈中产生的电压，其与相互磁链的变化率成比例。对于不指示紧密间隔的第一和第二燃料喷射事件中的每一个，曲线1010的分别测量的主励磁线圈和探测线圈电压曲线1013、1014基本相同。
图3图示了根据本发明的相隔了指示紧密间隔的停留时间的具有相同电流脉冲的两个连续燃料喷射事件的测量电流和燃料流率的非限制性示例性第一图1020，以及测量主励磁线圈和探测线圈电压的非限制性示例性第二图1030。每个曲线1020和1030中的水平x轴表示以秒（s）为单位的时间。延伸穿过图1020和1030中的每一个的垂直虚线1004表示第一燃料喷射事件的喷射结束的第一时间，垂直虚线1005表示第二次燃料喷射事件的喷射开始的第二时间。停留时间1006表示分离第一和第二燃料喷射事件的垂直虚线1004和1005之间的时间段。在所示实施例中，停留时间小于停留时间阈值。因此，第一和第二燃料喷射事件指示紧密间隔。
参考第一图1020，分别图示了两个燃料喷射事件的测量电流和流率曲线1021、1022。沿着图1020左侧的垂直y轴表示以安培（A）为单位的电流，而沿着图1020右侧的垂直y轴表示以每毫秒（ms）的毫克数（mg）为单位的燃料流率。测量电流曲线1021对于每个燃料喷射事件基本相同。然而，测量的流率曲线1022图示了即使测量的电流曲线基本相同，在第一和第二燃料喷射事件中的每一个之间测量的燃料流率的变动。测量的燃料流率的这种变动在紧密间隔的燃料喷射事件中是固有的，并且不期望地导致在第二燃料喷射事件期间输送的喷射燃料质量不同于在第一燃料喷射事件时输送的喷射燃料质量。
参考第二曲线1030，分别图示了两个燃料喷射事件的测量主励磁线圈和探测线圈电压曲线1033、10134。测量主线圈电压可表示图1A的电磁线圈24的测量电压，并且测量探测线圈电压可表示与图1A的电线圈24相互磁耦合的探测线圈25的测量电压。曲线1030的垂直y轴表示电压（V）。因此，当主励磁线圈通电时，由主励磁线圈产生的磁通量可由于相互磁耦合链接到探测线圈。测量的探测线圈电压曲线1034指示在探测线圈中产生的电压，其与相互磁链的变化率成比例。与第一燃料喷射事件相比，曲线1030的测量的主激励线圈和探测线圈电压曲线1023、1024分别在第二喷射事件期间偏差。该偏差表示当喷射事件紧密间隔时剩余通量或磁通量的存在。参考图2的曲线图1010，当第一和第二燃料喷射事件不紧密间隔时，与第一燃料喷射事件相比，测量的主励磁线圈和探测线圈电压曲线1013、1014在第二喷射事件期间分别不偏差。
可以基于燃料喷射的监测参数中可辨别的变化来各自感测喷射开始（SOI）时间和喷射结束（EOI）时间。SOI时间指示喷射器开始打开以输送燃料（从静止位置释放）的时间点。SOI时间可以互换地称为实际的喷射器打开时间。在一些实施例中，SOI时间对应于指示靠近燃料喷射器的燃料压力34明显降低的时间点。然而，本发明不限于任何一种用于确定SOI时间的方法，并且可以利用任何方法来获得SOI时间，例如通过参考剩余电压。如上所述，可以通过图1A的燃料轨道30处的燃料传感器32来测量燃料压力，或者可以通过位于燃料喷射器10的入口15内的燃料传感器来测量燃料压力。EOI时间指示喷射器关闭并且燃料输送停止的时间点。EOI时间可以互换地称为实际的喷射器关闭时间（返回静止位置）。EOI时间可以被选择为对应于指示电线圈24上的电压中可辨别的剩余电压拐点的时间点的时间。电线圈24上的电压可以通过集成在燃料喷射器内的对应的传感器获得，并经由反馈信号42提供给控制模块60。同样地，获得的燃料喷射器参数可包括经由（一个或多个）反馈信号42提供给控制模块60并且由控制模块60使用以估计燃料喷射器10内（例如，电线圈24上）的电压的代理。因此，控制模块60可基于电线圈24上获得的电压来确定可识别的剩余电压拐点。
在紧密间隔的多个小批量喷射系统中，由于诸如涡流和磁滞（剩余通量）的次级磁效应之类的第二和后续燃料喷射变得不稳定。对于仅使用电流控制的常规喷射器驱动来说，难以实现稳定的多重燃料喷射，使得该方案不是非常有效。另外，由于喷射器到喷射器的变化，以单次或多次脉冲喷射的固定脉冲喷射的燃料质量不是确定性的。在常规电流调节系统中，如上所述，在关闭线圈电流并降到零之后，阀门关闭事件与喷射器驱动线圈的感应电压的拐点相关。这导致电压拐点和阀关闭瞬间之间的显著延迟。在使用反向电流驱动的电流调节系统中，降低了阀关闭延迟，然而，这种非最佳反向电流驱动导致阀关闭瞬间与峰值反向电流点或线圈电压拐点的相关性较差。另外，基于电压拐点确定阀关闭时间需要具有较高阶导数的复杂信号处理，并且可能易受噪声和喷射器设计变动的影响。
通过确定用于燃料喷射器的最佳驱动信号，使得阀关闭事件与驱动信号的预定水平直接相关，从而能够实现更精确的燃料速率控制。在优选实施例中，阀关闭事件与达到最佳峰值反向电流的喷射器线圈电流的瞬间直接相关。这样实现了精确的燃料计量和喷射控制，从而最大限度地减少燃料输送控制的校准要求，并简化了控制器的硬件和软件需求。此外，可能潜在地降低了燃料消耗和排放。
最佳喷射器驱动利用能够在喷射器已经被命令关闭之后，在第一方向上并且在与第一方向相反的方向上施加喷射器线圈电流和/或电压以打开阀的驱动器。示例性驱动器是具有4个固态开关的H桥驱动器，其中具有续流二极管。图1C中描绘了该示例性驱动器的一个实施例。基于线圈电流在反向方向上达到预定值的时间来确定喷射器已经被命令关闭之后的反向电压的持续时间。在一个实施例中，预定反向电流经过选择使得当反向电压在反向电流在反向方向上达到所述预定值的瞬间被切断时，线圈电压在最短时间内返回到零，而在正向方向上钳位在电源电压之后不会有任何进一步的下冲，直到电流减小到零为止。在另一个实施例中，预定反向电流经过选择使得当反向电压在反向电流在反向方向上达到预定值的瞬间被切断，并且在相等命令持续时间下开始下一个紧密间隔的喷射时，在第一方向上的下一个峰值电流在同一方向上达到先前峰值电流的预定频带内。在另一个实施例中，预定反向电流被选择成使得当反向电压在反向电流在反向方向上达到预定值的瞬间被切断时，链接线圈的通量在预定时间内在第二方向上达到预定值。
可以想象的是，预定反向电流可以随着喷射器设计、操作燃料管路压力、供应电压、喷射持续时间和连续喷射之间的间隔的变化而变化。利用如此选择的预定反向电流，阀的关闭瞬间与线圈电流在反向方向上达到预定电平的瞬间直接相关。在示例性实施例中，阀的打开瞬间可以与阀电流在第一方向上达到其峰值的瞬间相关。因此，实际喷射持续时间可以与喷射器线圈电流在第一方向上达到其峰值的瞬间与在第二反向方向上达到预定峰值电流的瞬间之间的时间差直接相关。
图4涉及对应于使用燃料喷射驱动的燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图400，其中燃料喷射阀关闭时间与线圈电流关闭并且下降到零后的喷射器螺线管线圈电压中的拐点相关。这里，燃料喷射器驱动使用可识别的剩余电压拐点来确定发动机循环之间的燃料喷射事件中的稳定性以及燃料喷射事件的EOI时间。图400的水平x轴402是以时间进行测量的。垂直y轴404是基于被监测的参数以不同的单位进行测量的。示出了驱动器命令406在停用状态432与启用状态430之间进行切换。当驱动器命令406切换到启用状态430时，线圈电压416和探测线圈电压418被示出为增大。线圈电压416和探测线圈电压418相对于时间402沿着y轴404以伏特为单位进行测量。在驱动器命令406切换到启用状态430之后，线圈电流（安培）408相应地增大。燃料喷射器对驱动器命令406作出反应并且开始如用燃料速率410描述般喷射燃料。燃料管线压力420随着时间402而另外示出。当驱动器命令406切换到停用状态432时，线圈电流关闭并且下降到零。当燃料阀在瞬间412关闭时，实现电压拐点414。燃料喷射器阀关闭时间412与线圈电流关闭并下降到零后的喷射器螺线管线圈电压中的拐点414相关。
如果剩余电压拐点414在每个发动机循环中的同一时间点或大约同一时间点重复发生，那么燃料喷射事件可以指示稳定。然而，如果剩余电压拐点414在每个发动机循环之间的不重复或另外不一致的时间点上发生，那么燃料喷射事件可以指示不稳定。换句话说，指示剩余电压拐点从发动机循环到发动机循环变化的可变剩余电压拐点414可以指示对应的燃料喷射事件不稳定。不稳定的燃料喷射事件不期望地导致在发动机循环期间在燃料喷射事件中要输送的所需喷射燃料质量的偏差。通常，当在多个发动机循环中的每一个期间的多个燃料喷射事件指示为紧密间隔时，在第一燃料喷射事件之后的一个或多个燃料喷射事件可导致与所需喷射燃料质量的偏差。此外，可以利用从剩余电压拐点确定的EOI时间和从燃料压力的可识别变化确定的所获得的SOI时间或其它方法来计算实际喷射器持续时间，使得可以估计实际输送的喷射燃料质量。
图5涉及对应于使用非最佳反向电流燃料喷射驱动的燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图500，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的剩余磁通量引起的阀关闭延迟。然而，该方法未被优化，导致阀关闭时刻512与峰值反向电流点522或线圈电压拐点的相关性差。这里，在线圈电流关闭并且下降到零之后，燃料喷射器关闭时间可能不容易与喷射器螺线管线圈电压中的拐点相关。图500的水平x轴502描绘了发生燃料喷射事件的时间。垂直y轴504是基于被监测的参数以不同的单位进行测量的。示出了驱动器命令506在停用状态532与启用状态530之间进行切换。当驱动器命令506切换到启用状态530时，线圈电压516和探测线圈电压518被示出为增大。线圈电压516和探测线圈电压518相对于时间502沿着y轴504以伏特为单位进行测量。在驱动器命令506切换到启用状态530之后，线圈电流（安培）508相应地增大。燃料喷射器对驱动器命令506作出反应并且开始如用燃料速率510描述般喷射燃料。燃料管线压力520随着时间502而另外示出。当驱动器命令506切换到停用状态532时，线圈电流508关闭并且下降到零。然后线圈电流508在反向方向上被驱动。线圈电流508达到峰值反向电流点522，但燃料阀在瞬间512关闭。在反向电流通过线圈然后下降到零之后，燃料喷射器关闭时间512与峰值反向电流点522相关。使用该燃料喷射器驱动减少了由燃料喷射器内的残余磁通量引起的任何阀关闭延迟，然而这导致阀关闭瞬间512与峰值反向电流点522或线圈电压拐点之间的相关性差。
图6涉及对应于使用最佳反向电流燃料喷射驱动的燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图600，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的剩余磁通量引起的阀关闭延迟。通过将燃料喷射阀闭合时间612与峰值反向电流达到预定值的时间624直接相关来实现最佳反向电流驱动。图600的水平x轴602描绘了发生燃料喷射事件的时间。垂直y轴604是取决于被监测的参数以不同的单位进行测量的。示出了驱动器命令606在停用状态632与启用状态630之间进行切换。当驱动器命令606切换到启用状态630时，线圈电压616和探测线圈电压618被示出为增大。线圈电压616和探测线圈电压618相对于时间602沿着y轴604以伏特为单位进行测量。在驱动器命令606切换到启用状态630之后，线圈电流（安培）608相应地增大。燃料喷射器对驱动器命令606作出反应并且开始如用燃料速率610描述般喷射燃料。燃料管线压力620随着时间602而另外示出。当驱动器命令606切换到停用状态632时，线圈电流608关闭并且下降到零。然后线圈电流608在反向方向上被驱动。当线圈电流608达到对应于预定峰值反向电流值的峰值反向电流点624时，燃料阀在瞬间612关闭。燃料喷射器关闭时间612与峰值反向电流点624直接相关。使用该燃料喷射器驱动减少了由燃料喷射器内的残余磁通量引起的任何阀关闭延迟，同时还使阀关闭瞬间612与峰值反向电流点624相关。
图7涉及对应于使用燃料喷射驱动的多个小燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图700，其中燃料喷射器阀关闭时间与线圈电流关闭并且下降到零后的喷射器螺线管线圈电压中的拐点相关。这里，燃料喷射器驱动使用可识别的残余电压拐点来确定发动机循环之间的燃料喷射事件中的稳定性以及燃料喷射事件的EOI时间。图700的水平x轴702是以时间进行测量的。垂直y轴704是基于被监测的参数以不同的单位进行测量的。示出了驱动器命令706针对多个燃料喷射事件在停用状态730与启用状态732之间进行切换。当驱动器命令706切换到启用状态732时，线圈电压716和探测线圈电压718被示出为增大。线圈电压716和探测线圈电压718相对于时间702沿着y轴704以伏特为单位进行测量。在驱动器命令706切换到启用状态732之后，线圈电流（安培）708相应地增大。燃料喷射器对驱动器命令706作出反应并且开始如用燃料速率710描述般喷射燃料。燃料管线压力720随着时间702而另外示出。当驱动器命令706切换到停用状态730时，线圈电流708关闭并且下降到零。当燃料阀在第一燃料喷射事件之后关闭时，在对应于燃料阀关闭的瞬间实现第一电压拐点714。当燃料阀在第二燃料喷射事件之后关闭时，在对应于燃料阀关闭的瞬间实现第二电压拐点722。由于难以确定拐点，所以燃料喷射阀关闭时间不能容易地与多个喷射条件下的喷射器螺线管线圈电压中的拐点714、722相关。
图8涉及对应于使用最佳燃料喷射驱动的多个小燃料喷射事件的燃料喷射器参数的图800，其中燃料喷射器驱动在燃料喷射器关闭之后施加反向电流以减少由燃料喷射器中的磁通量引起的阀关闭延迟。通过将燃料喷射阀关闭时间812、822与其中峰值反向电流达到预定值的时间814、824直接相关来实现最佳反向电流驱动。图800的水平x轴802描绘了发生燃料喷射事件的时间。垂直y轴804是取决于被监测的参数以单位进行测量的。示出了驱动器命令806在停用状态830与启用状态832之间进行切换。当驱动器命令806切换到启用状态832时，线圈电压816和探测线圈电压818被示出为增大。线圈电压816和探测线圈电压818相对于时间802沿着y轴804以伏特为单位进行测量。在驱动器命令806切换到启用状态832之后，线圈电流（安培）808相应地增大。燃料喷射器对驱动器命令806作出反应并且开始如用燃料速率810描述般喷射燃料。燃料管线压力820随着时间802而另外示出。当驱动器命令806切换到停用状态830时，线圈电流808关闭并且下降到零。然后线圈电流808在反向方向上被驱动。当线圈电流808达到对应于预定峰值反向电流值的峰值反向电流点824时，燃料阀在相应瞬间812、822关闭。燃料喷射器关闭时间812、822与峰值反向电流点814、824直接相关。使用该燃料喷射器驱动减少了由燃料喷射器内的剩余磁通量引起的任何阀关闭延迟，同时还在多次小量喷射期间使阀关闭瞬间812、822与峰值反向电流点814、824相关。这使得能够进行连续的多次小量喷射，因为燃料喷射阀关闭时间与峰值反向电流达到预定值的时间直接相关。
在喷射器已经被命令关闭之后的反向电压的持续时间是基于线圈电流在反向方向上达到预定值的时间来确定的。可以使用各种方法来确定预定反向电流。在一个实施例中，预定反向电流经过选择使得当反向电压在反向电流在反向方向上达到所述预定值的瞬间被切断时，线圈电压在最短时间内返回到零，而在正向方向上钳位在电源电压之后不会有任何进一步的下冲，直到电流减小到零为止。在另一个实施例中，预定反向电流经过选择使得当反向电压在反向电流在反向方向上达到预定值的瞬间被切断时，链接线圈的通量在预定时间内在第二方向上达到预定值。
图9描绘了示例性实施例的流程图900，其中预定反向电流经过选择使得当反向电压在反向电流达到预定电平的瞬间被切断，并且在相等命令持续时间下开始下一个紧密间隔的喷射时，在第一方向上的下一个峰值电流在同一方向上达到先前峰值电流的预定频带内。可以参考图1A的燃料喷射器10和启动控制器80来描述示例性流程图900。示例性流程图使用具有对多个紧密间隔的喷射事件中连续峰值电流电平的误差进行比例积分控制的闭环控制来实现预定反向电流的选择。示例性流程图可以在图1A的控制模块50和外部ECM的任何组合内实现并由其执行。表1被提供成与图9一致，其中数字标记的方框和相应的功能如下所述。
Figure 135159DEST_PATH_IMAGE001
流程图900从方框902处的汽缸事件开始，并且初始峰值电流ΔIp(0)被设置为0，并且反向电流Irev被设置为Irev_min。在方框904处，监测时间t，并且确定时间是否等于在多次喷射事件的第一喷射事件中达到峰值电流的时间Tp1。如果t=Tp1，那么流程图进行到方框906，其中第一喷射事件处的峰值电流Ip1被读取，然后在方框908处被存储。如果在方框904处的时间t不等于Tp1，那么时间继续被监测直到t=Tp1为止。一旦已经读取并存储了第一喷射事件中的峰值电流，则流程进行到方框910，其中监测时间t，并且确定时间是否等于第一喷射事件中实现峰值电流的时间Tp1加上喷射事件的时间Tevent，其是第一喷射事件中的峰值电流的时间与第二喷射事件中的峰值电流的时间Tp2之间的时间量。因此，当t=Tp1+Tevent时，实现第二喷射事件中的峰值电流Tp2。如果t=Tp1+Tevent，那么流程图进行到方框912，其中第二喷射事件中的峰值电流Ip2被读取，然后在方框914处被存储。如果在方框910处时间t不等于Tp1+Tevent，则继续监测时间直到t=Tp1+Tevent。一旦读取第二喷射事件中的峰值电流Ip2，然后在方框914处被存储，则流程进行到方框916，其中喷射事件之间的峰值电流的变化ΔIp(n)被设置为第一喷射事件中的峰值电流Ip1与第二喷射事件中的峰值电流Ip2之间的差值。在方框918处，利用数字比例积分控制使正峰值电流的误差为零。这可以通过以下关系来表示。
Figure 255561DEST_PATH_IMAGE002
　　[1]。
在每次迭代n中，基于该比例积分控制关系确定反向电流，其中kp和ki分别表示比例和积分项的系数。这将使连续正峰值电流电平的误差为零。因此，基于该预定反向电流的所得驱动信号将使得能够在多个紧密间隔的喷射事件上进行精确的燃料计量和喷射控制。
在方框920处，将电流喷射事件的峰值电流的变化ΔIp(n)设置为等于先前迭代的峰值电流的变化ΔIp(n-1)。在方框922处，该过程返回并且可以再次执行以用于后续喷射事件。
本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。阅读和理解本说明书后，其他人可能会进行进一步修改和更改。因此，本发明旨在不限于作为实施本发明的预期的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于控制电磁启动致动器的致动器事件的方法，所述电磁启动致动器包括电线圈，可在静止位置和致动位置之间移动的电枢，以及双向驱动器，所述方法包括：
在第一持续时间内在所述线圈上施加第一极性的电源电压以驱动正向电流通过线圈，从而有效地将所述电枢从所述静止位置移开，所述正向电流在所述第一持续时间结束时具有第一正向电流峰值；以及
在所述第一持续时间之后，在第二持续时间内在所述线圈上施加第二极性的所述电源电压以驱动反向电流通过所述线圈，当所述反向电流达到预定反向电流峰值时，所述第二持续时间终止，其中所述预定反向电流峰值与所述电枢返回到所述静止位置的时间一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定反向电流峰值对应于在最小时间内返回到零的所述线圈上的自感应电压，而在钳位在所述电源电压之后不会有任何进一步的下冲，直到通过所述线圈的所述反向电流减小到零为止。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定反向电流峰值对应于在等于所述第一持续时间的第三持续时间内在所述线圈上的所述第一极性的所述电源电压的后续施加，其导致在所述第一正向电流峰值的预定频带内的第二正向电流峰值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定反向电流峰值是在闭环控制中确定的，其中对于多个紧密间隔的致动器事件中连续正向电流峰值的误差进行比例积分控制。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述预定反向电流峰值，使得在所述第二持续时间之后，连接所述线圈的通量在预定时间内达到预定值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一正向电流峰值与所述电枢移动远离所述静止位置的时间一致。
7.一种用于控制电磁启动燃料喷射器的喷射事件的方法，所述电磁启动燃料喷射器包括电线圈，可在关闭位置和打开位置之间移动的阀，以及双向驱动器，所述方法包括：
在第一持续时间内在所述线圈上施加第一极性的电源电压以驱动正向电流通过线圈，从而有效地将所述阀从所述关闭位置移开，所述正向电流在所述第一持续时间结束时具有第一正向电流峰值；以及
在所述第一持续时间之后，在第二持续时间内在所述线圈上施加第二极性的所述电源电压以驱动反向电流通过所述线圈，当所述反向电流达到预定反向电流峰值时，所述第二持续时间终止，其中所述预定反向电流峰值与所述阀返回到所述关闭位置的时间一致。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定反向电流峰值对应于在最小时间内返回到零的所述线圈上的自感应电压，而在钳位在所述电源电压之后不会有任何进一步的下冲，直到通过所述线圈的所述反向电流减小到零为止。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述预定反向电流峰值对应于在等于所述第一持续时间的第三持续时间内在所述线圈上的所述第一极性的所述电源电压的后续施加，其导致在所述第一正向电流峰值的预定频带内的第二正向电流峰值。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一正向电流峰值与所述阀移动远离所述关闭位置的时间一致。
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