CN107366585A - 用于控制适于直接喷射系统的燃料泵的方法 - Google Patents

用于控制适于直接喷射系统的燃料泵的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制燃料泵(4)的方法，该燃料泵(4)是设有共轨(3)的直接喷射系统的燃料泵，该方法包括以下步骤：计算为了使得在共轨(3)内具有期望压力值而由高压泵(4)逐个时刻地供给到共轨(3)的目标燃料流量(Mref)；将目标燃料流量(Mref)与能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)进行比较；以及基于目标燃料流量(Mref)与能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)之间的比较，控制高压泵(4)，以便交替地执行以能够输送的最大流量(Mmax)进行的高压泵(4)操作循环和高压泵(4)的空转操作循环。

Description

用于控制适于直接喷射系统的燃料泵的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制适于直接喷射系统的燃料泵的方法。优选地(但不是必须的)，该控制方法用于火花点火式内燃发动机中的直接喷射系统，因此其与汽油或类似燃料一起工作。
背景技术
如已知的那样，适于内燃式热力发动机的共轨式的燃料直接喷射系统(燃料在这种具体情况下是汽油)包括：多个喷射器；将加压燃料供给到喷射器的共轨；高压泵，其将燃料供给到共轨并且设有流量调节装置；控制单元，其使得共轨内部的燃料压力等于期望值，该期望值通常根据发动机操作条件而随时间变化；以及低压泵，其通过供给管将燃料从燃料箱供给到高压泵。
控制单元联接到流量调节装置，以便控制高压泵的流量，使得共轨被逐个时刻地(instant by instant)供应使得在共轨中具有期望压力值所需的燃料量；具体地，控制单元通过反馈控制来调节高压泵的流量，该反馈控制使用共轨内的燃料压力值作为反馈变量。
高压泵的操作循环基本上包括三个阶段：吸入阶段，在该吸入阶段期间，允许燃料通过以流入高压泵的泵室；回流阶段，在该回流阶段期间，燃料从泵室流出朝向低压回路流动；以及泵送阶段，在该泵送阶段期间，泵室内的燃料压力达到使得燃料从泵室流出朝向共轨流动的值。
实验已经表明，在泵送阶段期间，高压泵4的温度显著升高。具体地，当压力从200巴增加至600巴时，在高压泵的不同点处的温度变化范围为30℃至50℃，而在压力从600巴增加至800巴的情况下，温度变化采取在不超过80℃的范围内更显著的值。虽然30℃至50℃的温度变化可能导致高压泵的气蚀问题，但是温度在不超过80℃范围内变化的情况下，高压泵变得明显不稳定并且极不可靠。
为了在泵送阶段尝试并限制高压泵的温度升高，提出了不同的解决方案。
例如，一种建议的解决方案包括在燃料流入高压泵时升高燃料压力。换言之，低压泵应该以更高的压力值(与目前的5.5巴相比)将燃料从燃料箱供给到高压泵，但是这种解决方案的特征在于对低压在能量效率方面的负面影响。
备选地，文献EP2039920描述了一种用于控制燃料泵的方法，该燃料泵是设有共轨的直接喷射系统的燃料泵，该方法包括以下步骤：计算为了使得在共轨内具有期望压力值而由高压泵逐个时刻地供给到共轨的目标燃料流量；以及控制截流阀的打开和关闭以阻止由燃料泵吸入的燃料流量，并且通过改变所述截流阀的打开时间的持续时间以及关闭时间的持续时间来调节燃料泵吸入的燃料流量。
备选地，另一种建议的解决方案涉及向高压泵提供已经在柴油喷射系统中使用的燃料再循环回路，该燃料再循环回路设有将燃料部分从泵室输送到燃料箱的排气管。通过这样做，在泵送阶段产生的热量通过从高压泵流出的燃料流量而排出：然而，该技术解决方案在喷射系统的整体尺寸方面存在显著缺陷，并且还成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于控制适于直接喷射系统的燃料泵的方法，所述方法克服现有技术的缺陷，并且同时可容易且低成本地实施。
根据本发明，提供一种控制燃料泵的方法，该燃料泵是设有共轨的直接喷射系统的燃料泵，该方法包括以下步骤：
计算为了使得在共轨内具有期望压力值而由高压泵逐个时刻地供给到共轨的目标燃料流量；
将目标燃料流量与能够由高压泵输送的最大流量进行比较；以及
基于目标燃料流量与能够由高压泵输送的最大流量之间的比较，控制高压泵，以便专门地交替执行以能够输送的最大流量进行的高压泵操作循环和高压泵的空转操作循环。
附图说明
现在将参考附图描述本发明，附图示出其非限制性实施例，其中：
-图1是共轨式燃料直接喷射系统的示意图，其中一些细节被移除以便更清楚；
-图2是图1所示的直接喷射系统的高压燃料泵的纵剖面图，即示意图，其中一些细节被移除以便更清楚；
-图3和图4示出图2所示的高压燃料泵内部温度随时间的变化。
具体实施方式
在图1中，附图标记1总体上表示适于内燃发动机ICE的共轨燃料直接喷射系统，具体使用汽油作为燃料。
直接喷射系统1包括：多个喷射器2；将加压燃料供给到喷射器2的共轨3；高压泵4，其通过供给管5将燃料供给到共轨3并且设有流量调节装置6；控制单元7，其使得共轨3内部的燃料压力等于期望值，该期望值通常根据发动机操作条件而随时间变化；以及低压泵8，其通过供给管10将燃料从燃料箱9供给到高压泵4。
控制单元7联接到流量调节装置6，以便控制高压泵4的流量，使得共轨3被逐个时刻地供应使得在共轨3中具有期望压力值所需的燃料量；具体地，控制单元7通过反馈控制来调节高压泵4的流量，该反馈控制使用共轨3内的燃料压力值作为反馈变量，而压力值由压力传感器11实时检测。
如图2中示意性地示出，高压泵4包括主体12，该主体12具有纵向轴线13并且在内部限定圆柱形泵室14。活塞15安装在泵室14内并在泵室14内滑动，且当活塞15由于凸轮轴16*的凸角16的作用而沿着纵向轴线13来回滑动时，活塞15决定泵室14体积的循环变化。活塞15的下部联接到弹簧(未示出)，该弹簧在一侧将活塞15推向产生泵室14的最大体积的位置，而在另一侧联接到凸轮轴16*，该凸轮轴16*通过发动机的驱动轴(未示出)而旋转，以循环地使活塞15向上压缩弹簧16。
吸入通道17源自泵室14的侧壁，所述吸入通道17通过供给管10连接到低压泵8，并由吸入阀18调节，该吸入阀18布置在泵室14的区域内。吸入阀18通常受压力控制，并且在没有外部干预的情况下，当泵室14中的燃料压力高于吸入通道17中的燃料压力时，吸入阀18关闭，而当泵室14中的燃料压力低于吸入通道17中的燃料压力时，吸入阀18打开。
输送通道19相对于吸入通道17在相反侧源自泵室14的侧壁，所述输送通道19通过供给管5连接到共轨3并由单向输送阀20调节，该单向输送阀20布置在泵室14的区域内，并且仅允许燃料从泵室14流出。输送阀20通常受压力控制，当泵室14中的燃料压力高于输送通道19中的燃料压力时，输送阀20打开，而当泵室14中的燃料压力低于输送通道19中的燃料压力时，输送阀20关闭。
流量调节装置6机械地联接到吸入阀18，以便在必要时允许控制单元7在活塞15的回流阶段RP期间保持吸入阀18打开，从而允许燃料流动通过吸入通道17从泵室14流出(如我们将在下面更好地解释的那样)。
流量调节装置6包括控制杆21，该控制杆联接到吸入阀18并且可在被动位置和主动位置之间移动，其中在该被动位置，允许吸入阀18关闭，并且泵室14和吸入通道17之间的液压连通被切断，而其中在该主动位置，不允许吸入阀关闭，并且使得泵室14和吸入通道17之间液压连通。此外，流量调节装置6还包括电磁致动器22，该电磁致动器22联接到控制杆21，以便使其在主动位置和被动位置之间移动。
电磁致动器22包括弹簧23和电磁体24，该弹簧23将控制杆21保持在主动位置，而电磁体24由控制单元7控制并设计成通过用磁力吸引与控制杆21成一体的铁磁锚固件25而将控制杆21移动到被动位置。当电磁体24通电时，控制杆21移回到被动位置，并且通过关闭吸入阀18而切断吸入通道17和泵室14之间的连通。电磁铁24包括由线圈包围的固定磁性衔铁26(或磁性底部)；当电流流动通过线圈时，线圈产生朝向磁性衔铁26用磁力吸引锚固件25的磁场。控制杆21和锚固件25一起形成流量调节装置6的可移动部件，该可移动部件在主动位置和被动位置之间轴向移动，总是受到电磁致动器22的控制。磁性衔铁26优选具有带有中心孔的环形形状，以便具有可容纳弹簧23的中空空间。
根据优选实施例，电磁致动器22包括单向液压制动器，该单向液压制动器与控制杆21成一体，并设计成只有当可移动部件朝向主动位置移动时才减慢可移动部件的移动(即减慢控制杆21和锚固件25的移动)(即，当可移动部件朝向被动位置移动时，液压制动器不会减慢可移动部件的移动)。
电磁致动器22由控制单元7控制，并且以与高压泵4的上止点基本上同步的电流曲线供电。具体地，控制单元7传输电流脉冲，该电流脉冲的持续时间可根据内燃发动机的操作点(即其速度)而变化，而所述电流脉冲的正时可根据从泵室14流出的燃料流量而变化。
高压泵4的操作循环基本上包括三个阶段。高压泵4的操作循环由凸轮轴16*的凸角16中的每一个确定，其决定泵室14体积的循环变化。
吸入阶段(如图2a中所示)，在高压泵4的上止点PTDC的区域中开始。在吸入阶段期间，活塞15沿着纵向轴线13向下移动，吸入阀18打开并且控制杆21处于主动位置，以便允许燃料通过吸入通道17流入到泵室14内。
回流阶段(图2b中所示)在高压泵4的吸入阶段SP之后，并在高压泵4的下止点PTDC的区域中开始。在回流阶段期间，活塞15沿着纵向轴线13向上移动，吸入阀18保持打开，并且控制杆21处于主动位置。以这种方式，从泵室14流出的燃料流动通过吸入通道17并朝向低压回路流动。
最后，泵送阶段(图2c中所示)在高压泵4的回流阶段之后。高压泵4的泵送阶段在控制单元7发出命令以电流脉冲为电磁致动器22供电时开始。由于通过吸入通道17流出泵室14并朝向低压回路的燃料回流，吸入阀18关闭。在吸入阀18已经关闭之后，泵室14内的燃料压力达到使得单向输送阀20打开的值，该单向输送阀20布置在泵室14的区域中并允许燃料流出泵室14。换言之，当泵室14内的燃料压力高于输送通道19中的燃料压力时，发生单向输送阀20的打开。
当在使用中流量调节装置6的可移动部件(即，控制杆21和锚固件25)朝向被动位置移动从而远离主动位置移动并允许吸入阀18关闭以便开始将加压燃料供给到共轨3时，朝向被动位置的移动对高压泵4的操作具有显著影响，因此必须尽可能地快，以便于控制和改进控制。由于可移动部件在撞击磁性衔铁26时的动能是速度平方的函数，因此该动能显著很大。
实验表明，在泵送阶段期间，高压泵4的温度显著升高。
具体地，图3中所示的图表示出在高压泵4的四个点的区域中所检测到的温度随时间的变化。更详细地，入口(INLET)指示在吸入通道10的区域中测得的温度随时间的变化，出口(OUTLET)指示在输送通道19的区域中测得的温度随时间的变化，阻尼部(DAMPER)指示在通道17的区域中测得的温度随时间的变化，而固定部(FIXTURE)指示在高压泵4的支撑部27的区域中测得的温度随时间的变化。
在高压泵4的不同点处的区域中检测到的温度的四个变化进程基本相似，并且在从200巴至600巴的压力增加Δp的区域和在从600巴至800巴的压力增加Δp的区域中具有两个明显的变化。
具体地，根据图3，在吸入阀18关闭之后存在从200巴至600巴的压力增加Δp的情况下，在高压泵4的不同点处的区域中的温度变化ΔT的范围为从30℃至50℃。另一方面，在吸入阀18关闭之后存在从600巴至800巴的压力增加Δp的情况下，温度变化ΔT采取不超过80℃范围内的较高值。虽然在从30℃至50℃范围的温度变化ΔT可导致高压泵4的气蚀问题，但是在不超过80℃范围内的温度变化ΔT的情况下，高压泵变得明显不稳定并且极不可靠。
已经证明，在高压泵不以满负荷状态工作的情况下，即在共轨3内具有期望压力值所需的并由高压泵4供给的燃料量低于能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的情况下，这种现象会恶化。
在高压泵4以满负荷操作的情况下(即，在共轨3内具有期望压力值所需的并由高压泵4供给的燃料量等于能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的情况下)，在泵送阶段期间产生的热量通过从高压泵4流出的燃料流量排出。
因此，控制单元7设计成控制高压泵4，以便抑制在高压泵4的泵送阶段期间产生的温度变化ΔT。
在下文中提供对相关策略的描述，该策略由控制单元7实施以便控制高压泵4从而抑制在高压泵4的泵送阶段期间产生的温度变化ΔT。
首先，该策略涉及计算为了使得在共轨3内具有期望压力值而由高压泵4逐个时刻地供给到共轨3的目标燃料流量Mref。
然后，控制单元7设计成将目标燃料流量Mref与能够由高压泵4输送的最大流量Mmax进行比较。在目标燃料流量Mref与能够由高压泵输送的最大流量Mmax之间的差异无关紧要(或者无论如何，低于在控制单元7的设定阶段期间可以调节的阈值TV)的情况下，不实施策略来控制高压泵以便抑制在高压泵4的泵送阶段期间产生的温度变化ΔT。
在目标燃料流量Mref与能够由高压泵输送的最大流量Mmax之间的差异并非无关紧要的情况下，特别是超过可调节的阈值TV的情况下，实施策略以便抑制在高压泵4的泵送阶段期间产生的温度变化ΔT。
控制单元7设计成调节高压泵4的流量，以便处理能够由高压泵4输送的最大流量Mmax。换言之，控制单元7被设计成控制在高压泵4处理能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的操作循环和空转操作循环之间的交替。
具体地，控制单元7被设计成专门控制两个操作循环的交替：即高压泵4处理能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的操作循环和空转操作循环。
例如，在为了使得在共轨3内具有期望压力值而由高压泵4逐个时刻地供给到共轨3的目标燃料流量Mref等于能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的一半的情况下，控制单元7被设计成执行以高压泵4能够输送的最大流量Mmax进行的高压泵4的操作循环和高压泵4的空转操作循环。通过这样做，高压泵4可在两个操作循环中处理相同的燃料流量(等于能够由高压泵4输送的最大流量Mmax)，但在高压泵4的空转操作循环期间产生的热量通过在高压泵4以能够输送的最大流量Mmax进行的操作循环中流出高压泵4的燃料流量排出。
总体上而言，在为了使得在共轨3内具有期望压力值而由高压泵4逐个时刻地供给到共轨3的目标燃料流量Mref等于能够由高压泵4输送的最大流量Mmax的1/n份的情况下，控制单元7被设计成在每n个高压泵4的操作循环中执行一个以高压泵4能够输送的最大流量Mmax进行的高压泵4的操作循环，而剩余的操作循环(n-1个操作循环)将是高压泵4的空转操作循环。
因此，控制单元7被设计成通过反馈控制来控制高压泵4，该反馈控制使用共轨3内的燃料压力的值(优选地由压力传感器11实时检测)以及在能够由高压泵4输送的最大流量Mmax与为了使得在共轨3内具有期望压力值而由高压泵4逐个时刻地供给到共轨3的目标燃料流量Mref之间的比较作为反馈变量。
图4中所示的图表示出在实施上述高压泵4控制策略的高压泵4的四个点处的区域中所检测到的温度随时间的变化。更详细地，入口(INLET)指示在吸入通道10的区域中测得的温度随时间的变化，出口(OUTLET)指示在输送通道19的区域中测得的温度随时间的变化，阻尼部(DAMPER)指示在通道17的区域中测得的温度随时间的变化，而固定部(FIXTURE)指示在高压泵4的支撑部27的区域中测得的温度随时间的变化。
在高压泵4的不同点处的区域中检测到的温度的四个变化进程基本相似，并且在从200巴至600巴的压力增加Δp的区域和在从600巴至800巴的压力增加Δp的区域中具有两个明显的变化。具体地，根据图4，在吸入阀18关闭之后存在从200巴至600巴的压力增加Δp的情况下，在高压泵4的不同点处的区域中的温度变化ΔT的范围为从30℃至40℃。另一方面，在吸入阀18关闭之后存在从600巴至800巴的压力增加Δp的情况下，温度变化ΔT无论如何都采取低于50℃的较高值。
由控制单元7实施的控制高压泵4并且在上文中描述的策略具有多种优点。具体地，不仅在成本方面是有利的，而且能够容易且低成本地实施。具体地，上述方法不涉及控制单元7的过度计算负担，同时允许对在高压泵4的泵送阶段期间产生的温度变化ΔT进行限制并且维持共轨3内的燃料压力目标值。

Claims (4)

1.一种控制燃料泵(4)的方法，该燃料泵(4)是设有共轨(3)的直接喷射系统的燃料泵，该方法包括以下步骤：
计算为了使得在共轨(3)内具有期望压力值而由高压泵(4)逐个时刻地供给到共轨(3)的目标燃料流量(Mref)；
将目标燃料流量(Mref)与能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)进行比较；以及
基于目标燃料流量(Mref)与能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)之间的比较，控制高压泵(4)，以便专门地交替执行以能够输送的最大流量(Mmax)进行的高压泵(4)操作循环和高压泵(4)的空转操作循环。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括进一步的步骤：实时地检测所述共轨(3)内的期望压力值；以及基于在共轨(3)内检测到的压力值来控制高压泵(4)。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括进一步的步骤：控制所述高压泵(4)以便只有在能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)与目标燃料流量(Mref)之间的差异超过阈值(TV)的情况下才交替地执行以能够输送的最大流量(Mmax)进行的高压泵(4)操作循环和高压泵(4)的空转操作循环。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在目标燃料流量(Mref)等于能够由高压泵(4)输送的最大流量(Mmax)的1/n的情况下，该方法还包括进一步的步骤：交替地执行一个以能够输送的最大流量(Mmax)进行的高压泵(4)操作循环和高压泵(4)的n-1个空转操作循环。
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