CN1079493C - 准确地控制燃油喷射流量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在内燃机中控制燃油流量的系统接收来自电子控制模块的规定要求的燃油流量的命今。该系统产生一个产生要求流量所要求的执行机构电流前馈估计值。该估计值与用比例积分控制器产生的加油量电流偏移量值结合。根据一个查阅表，用面积内插法将燃油导管与气缸气体之间的差压转换成实际燃油流量的估计值。将这个实际燃油流量和要求流量之间的差值提供给反馈控制器作为误差信号。反馈控制器最好根据发动机的运行方式采用不同的增益值。

Description

准确地控制燃油喷射流量的装置和方法
本发明涉及内燃机内燃油流量控制的装置和方法。更具体地说，本发明涉及适应现有发动机控制体系结构并利用增益切换提供稳定但仍敏感的燃油流量控制的控制燃油喷射量的燃油流量控制系统。
一般说来，具有燃油喷射装置的内燃机已广为人知。对于这样的内燃机，喷射准确的燃油量和相对于发动机活塞位置的燃油喷射正时，是燃油喷射系统控制的关键性确定。因此，控制燃油喷射的正时是重要的。精确地控制喷射的燃油量同样重要。本发明提供一种新的控制喷射入每个气缸的燃油量的方法和装置。
许多传统的电子燃油喷射器控制系统通过给它加上具有规定脉冲宽度的电子脉冲来开关燃油喷射器。在这样的系统中，脉冲宽度是根据发动机的旋转速度、进气歧管的压力、燃油温度和发动机运行的其他参数确定的。确定的脉冲宽度对应于在测定的条件下发动机运行所需的准确的燃油量。这样的系统可以使用公式或在查阅表中的保存目标值，其将发动机信号翻译成设计的燃油喷射驱动数据。然后通过将设计的燃油喷射数据与实际的燃油喷射数据的比较提供反馈，以助于调整燃油供应，以满足发动机的燃油需求。过时、变质和磨损可改变发动机的燃油需求特性。因而，在一组给定的运行条件下，发动机要求的燃油量可能会比以前发动机是新的时候在同样的条件下要求的燃油量多一点或少一点。另外，对于特定的燃油喷射器设置，燃油系统的磨损和恶化的部件也会改变燃油的供给量。所以，反馈控制使燃油喷射器控制系统能够在实时运行中补偿这些变化。
Betki等人在美国专利No.5,237,975中公开了这样一种利用反馈控制的燃油供给系统。这种类型的系统主要通过改变喷射器致动正时来控制供给气缸的燃油量。Betki还公开了用来使通往喷射器的燃油管线中的目标压力保持恒定的反馈控制方法。这个控制方法有效地使进气歧管和燃油导管之间的实际的压力差与要求的压力差相匹配，以此使燃油导管的压力保持恒定。
本专利的受让人Commins发动机公司(Cummins Engine Company)研制了一种压力-时间(PT)燃油喷射系统，它可改变燃油导管的压力，以控制进入喷射器的计量腔的被计量的燃油量。喷射器计量腔入口打开正时是由喷射器柱塞的运动控制的。这个打开正时影响计量的燃油量，但只是次要的。燃油导管中的压力才是决定燃油喷射量的首要因素。
在这种类型的系统中，本发明者发现，利用要求的燃油导管压力作为目标值对流向燃油喷射器的燃油流量进行反馈控制有许多缺点。首先，流向燃油导管的燃油流量是由送往执行机构的信号控制的。每个执行机构当安装在发动机上时，其功能特性由于执行机构线圈产生的场的变化，以及其他制造允许误差的变化而略有不同。于是，一般说来，给两个不同执行机构送相同的电流量，结果喷射的燃油量却不一样。这样，由反馈回路通过比较实际的和要求的差压确定的偏移量就可能随着执行机构的不同而变化。
本发明者还发现，因为压力与送往执行机构的电子燃油控制信号的关系是非线性的，所以以压力为基础的控制对执行机构的变化极其敏感。这个非线性的关系造成的结果是，燃油控制器的闭环运行取决于变化的压力测量值，由于压力变化而使燃油控制不稳定。采用压力控制还要求用两种转换表。预测的燃油流量必须转换成压力值，来完成控制用的压力比较，然后压力值又要转换成电流信号，以驱动燃油控制器。因为要达到稳定的增益测定，这些影射的组合必须是线性的，所以这些转换必须一起细心地校准，以获得线性关系。如果这个校准不能恰当地协调这两个影射，就会造成不规则的性能，并可能对速度的稳定性产生不良影响。因此，本发明者确定，在这样的系统中，需要有一种以与诸如喷射的燃油量的控制变量更为线性关系的燃油控制信号为基础的新的燃油控制方法。
在先有的燃油控制系统中，一般不是用发动机速度，就是用加速器踏板位置(转矩)来确定要求的燃油喷射量。用发动机速度控制喷油量时，压力反馈控制器必须有低的增益，否则反馈回路将变得不稳定，从而可能给速度的稳定性造成不良影响。但是，如果增益太低，则燃油控制系统就不会对过渡过程作出准确的响应。因此，本发明者确定，需要有一种控制器，它不论对速度控制方式还是对转矩控制方式都能提供适当的增益水平。
一般说来，显然需要一种燃油控制系统，它提供稳定、有效的燃油导管压力的反馈控制，以便控制燃油的喷射量。另外，需要一种燃油控制系统，它在几种增益确定方式之间进行切换，以提供比较稳定和强有力的燃油控制。
因此，本发明的一个目的是提供一种经过改进的内燃机用的向分配给多个燃油喷射器用的燃油导管供应燃油用的燃油控制系统。该燃油控制系统对喷入气缸的燃油量提供反馈控制，使之与目标量一致。
本发明的另一个目的是提供一种控制每一个喷射冲程过程中向内燃机气缸喷射的燃油量的方法。
本发明的又另一个目的是提供一种在每一个喷射冲程过程中用于控制从燃油导管向内燃机喷射的燃油量的系统。
根据本发明的一个目的提供的一种内燃机用的向分配给多个燃油喷射器用的燃油导管供应燃油用的燃油控制系统，其包括：计算装置，用来接收指示内燃机运行状态的多个运行状态信号，并根据该运行状态信号用于产生代表供应给其中一个燃油喷射器的要求燃油量的要求燃油量信号；第一转换装置，与该计算装置连接用来将该要求燃油量信号转换成估计的执行机构电流信号；调整装置，与该第一转换装置和比例积分控制器装置的输出连接，用来将从该比例积分控制器装置接收的偏移量电流信号与该估计的执行机构电流信号结合，来产生执行机构电流控制信号；执行机构装置，与该调整装置连接，用来接收该执行机构电流控制信号，并根据该执行机构电流控制信号来控制供给燃油导管的燃油量；压力传感装置，与燃油导管连接，用来检测燃油导管中的燃油压力，并产生与该燃油压力对应的燃油导管压力信号；第二转换装置，与该压力传感装置连接，用来接收该燃油导管压力信号并用来将该燃油导管压力信号转换成代表提供给一个喷射器的估计的实际燃油输送量的估计燃油量信号；以及比较装置，与该第二转换装置、该计算装置和该比例积分控制器装置连接，用来产生一个与该估计燃油量信号和该要求燃油量信号之间的差值对应的燃油量误差信号，并用于将该燃油量误差信号提供给该比例积分控制器装置；其中该比例积分控制器装置根据该燃油量误差信号产生偏移量电流信号。
根据本发明的另一个目的所提供的一种控制每一个喷射冲程过程中向内燃机气缸喷射的燃油量的方法，其包括下列步骤：产生一个表示准备向内燃机气缸输送的要求燃油量的要求燃油量信号；从该要求燃油量信号产生一个执行机构电流估计值信号，该执行机构电流估计值信号表示向内燃机气缸输送要求的燃油量所需的执行机构电流估计值；产生一个表示实测燃油导管压力的燃油导管压力信号；从该燃油导管压力信号产生实际燃油量信号，该实际燃油量信号表示向内燃机气缸输送的实际燃油量；产生一个代表该要求燃油量信号与该实际燃油量信号之间差值的燃油量差值信号；从该燃油量差值信号产生执行机构电流差值信号，该执行机构电流差值信号表示该执行机构电流估计值与实现将该要求的燃油量送往内燃机气缸所必需的实际执行机构电流之间的差值；将该执行机构电流估计值信号与该执行机构电流差值信号结合，来产生一个表示该实际执行机构电流的实际执行机构电流信号；以及按照该实际执行机构信号控制执行机构。
根据本发明的又另一个目的所提供的一种在每一个喷射冲程过程中用于控制从燃油导管向内燃机喷射的燃油量的系统中燃油导管中的燃油压力是利用执行机构控制向内燃机气缸喷射的要求燃油量而改变的，该系统包括：处理装置，用来产生一个表示送入内燃内气缸的要求燃油量的要求燃油量信号；燃油量-电流转换装置，它与该处理装置连接，用来接收该要求燃油量信号，并从该要求燃油量信号产生执行机构电流估计值信号，该执行机构电流估计值信号表示在喷射冲程中将该要求燃油量输送到内燃机气缸所需的执行机构电流估计值；燃油导管压力测量装置，它与内燃机的燃油导管连接，用来测量检测的燃油导管压力，并用来根据其产生燃油导管压力信号；压力-燃油量转换装置，它与该燃油导管压力测量装置连接，用来接收该燃油导管压力信号，并用来从该燃油导管压力信号产生实际燃油量信号，该实际燃油量信号表示输送给内燃机气缸的实际燃油量；第一比较装置，它与该处理装置及该压力-燃油量转换装置连接，用来接收该要求燃油量信号和该实际燃油量信号，用来计算该要求燃油量信号和该实际燃油量信号之间的差值，并用来产生代表该差值的燃油量差值信号；控制装置，与该第一比较装置连接，用来接收燃油量差值信号，并用来从该燃油量差值信号产生执行机构电流差值信号，该执行机构电流差值信号表示该执行机构电流估计值与实现将该要求燃油量输送给内燃机气缸所需的实际执行机构电流之间的差值；第二比较装置，它与该控制装置及该燃油量-电流转换装置连接，用来接收该执行机构电流估计值信号和该执行机构电流差值信号，并用来将该执行机构电流估计值信号和该执行机构电流差值信号结合起来，产生表示该实际执行机构电流的实际执行机构电流信号；以及电流控制装置，与该第二比较装置连接，用来按照该实际执行机构电流信号控制至执行机构的电流供给。
本发明的燃油控制系统能克服先有技术的上述缺点。
本发明提供的燃油控制系统是一种稳定的，但仍敏感的燃油流量控制系统。
且本发明的燃油控制系统可与各种各样的内燃机用的标准化控制体系结构相兼容。
本发明提供的一种燃油流量控制系统允许执行机构和发动机从原来的运转特性开始的漂移。
本发明提供的一种燃油流量控制系统能为不同发动机运转方式提供不同的增益，包括速度控制方式中的比较低的增益和转矩控制方式中的比较高的增益。
在本发明提供的一种内燃机用的燃油流量控制系统中燃油控制的电信号与流入燃油喷射器的燃油量呈线性关系。
在本发明提供的一种燃油供给控制系统中燃油流量是利用反馈控制回路使检测的燃油喷射量符合要求的燃油量来调整的。
在本发明提供的一种燃油流量控制系统中燃油控制器的增益是通过用来确定流入发动机的燃油流量的控制方式之间的切换来确定的。
本发明的这些目的和其它的目的和优点是通过提供一种用于控制内燃机中的燃油喷射量的经过改进的控制系统和方法而达到的。发动机的电子控制模块(ECM)检测诸如发动机速度、加速器踏板位置、温度等发动机的运行参数，以确定目前运转状态下要求的燃油流量。然后，利用在前馈装置中的燃油-电流查阅表，将这个要求的燃油流量命令转换成要求的执行机构电流的估计值。
执行机构的电流控制执行机构的控制阀，以便将要求的燃油量喷入燃油导管。所加的执行机构电流还用燃油比例-积分反馈控制器加以调整，该控制器的输出与前馈估计值结合，求出要求的燃油流量目标值。检测燃油导管和进气歧管之间的差压，并利用储存在电子控制模块(ECM)中的压力-燃油流量查阅表，将其转换成对应的检测燃油流量值。比较器确定检测的燃油流量值与要求燃油流量值之间的差，这个差值作为误差信号提供给比例-积分控制器。比例-积分控制器产生一个矫正的电流信号，后者与估计的电流信号(来自前馈控制电路)结合，控制执行机构。反馈控制器最好在至少两个单独的确定增益方式之间切换，一个方式具有一组较高的增益，而另一个方式具有一组较低的增益。较高的增益最好在燃油流量控制系统利用转矩来控制发动机运行时使用，较低的增益方式在用发动机速度作为基础来控制发动机时使用。
图1是一个表示本发明中发动机速度控制和转矩控制方式之间切换的状态图；
图2是一个本发明的控制电路的较佳实施例的示意方框图；
图3是用图2电路控制的发动机、燃油供给执行机构和传感器的示意方框图；
图4是图2电路中使用的超前补偿器的示意方框图；
图5是图2所示比例-积分控制器的较佳实施例的示意方框图。
一般说来，本发明涉及利用前馈/反馈控制器直接控制计量燃油量来控制内燃机燃油供给的燃油供给控制装置和方法。计量油量控制是用来改变燃油导管的压力，来获得发动机上燃油喷射器的计量腔每个循环的要求的燃油量。燃油导管的压力是喷射的燃油量的首要决定性因素，但是反馈控制器将喷射的容积量控制到要求值上，而不是在燃油导管上建立要求的压力。
发动机最好用电子控制模块(ECM)控制，后者除了其他因素外，还根据加速器踏板的位置、发动机的速度、调速器怠速的设置，以及调速器最高转速(RPM-转/分)设置来确定要求的燃油供给量。由于下面将要更详细地解释的原因，本发明者发现，最好定义多个发动机燃油控制的运行方式。正如将要看到的，燃油控制系统的编程操作随着发动机主导运行方式而改变。
图1是一个表示本发明中电子控制模块运转方式的状态转换图。正如下面将要更加详细地解释的，电子控制模块的运行状态用来确定燃油控制器中的增益设定。
如图1所示，本发明用的发动机控制系统最好有六个状态：启动诊断状态100、启动状态102、停止状态104(stop state)、速度控制状态106、转矩控制状态108和停机状态110(shutdown state)。确定燃油控制系统的运转状态用的控制算法储存在ECM的存储器中，并由ECM中的微处理器或类似的微控制器执行。
控制算法有多个确定燃油控制系统的运行状态用的输入变量：最后燃油加入量值、发动机平均速度、燃油供给控制状态、最小燃油加入量和发动机诊断。启动诊断状态100是在电子控制模块(ECM)上供电时执行的。启动状态102是在燃油供给控制状态处于起动(crank)状态时执行。停机状态110在发动机被关闭，但尚未停止时被激活，而停止状态104在发动机已经停止时被激活。速度控制状态106是在燃油供给由诸如怠速控制或最高转速(RPM-转/分)控制器等发动机调速器控制时由燃油控制系统执行的。转矩控制状态108是在燃油供给由诸如加速器踏板、AFC或转矩曲线等调速器以外的其他东西控制时执行的。因此，除了发动机正在停止或启动时以外，确定燃油控制器增益调度的燃油控制系统的两个主要的运转状态，就是速度控制状态106和转矩控制状态108。
燃油控制系统包括一个正时器，用来确定何时执行向启动诊断状态100的过渡(在图1中用过渡过程G标示)。正时器在供电时启动，它连续地增加，直至达到它的标定时间上限为止，在这一时刻它的输出被冻结。若诊断尚未进行，则激活启动诊断状态。启动诊断完成之后，正如发动机诊断输入变量给出可以启动读数所指示的，燃油控制系统通过过渡过程H切换到停止状态104。
在发动机处于起动(crank)状态和启动诊断完成之后，或者若发动机已经在运转，则在燃油控制系统中启动状态102将通过过渡过程F变为激活状态。当发动机调速器正在控制燃油供给而且最终燃油加入量大于预定的最小燃油加入量时，燃油控制系统将通过过渡过程A切换到速度控制状态106。
若燃油供给控制状态不是处于起动(crank)状态，而且发动机调速器不是正在控制发动机的运转，则燃油控制系统将通过过渡过程B切换到转矩控制状态108。当最终燃油输入等于最小燃油输入时，燃油控制系统也将通过过渡过程B切换到转矩控制状态108。无论何时，只要燃油控制状态等于燃油供给起动(crank)状态，燃油控制系统都将通过过渡过程C切换回启动状态102。当发动机停机已经开始时，燃油控制系统将通过过渡过程D切换到停机状态110。一旦发动机完全停止，燃油控制系统将通过过渡过程E切换到停止状态104。
现参照图2，新的燃油控制系统200是提供来控制内燃机燃油喷射量的。燃油控制系统200的组件包括燃油-电流表202、超前补偿器204、加法器206、比例-积分控制器208、加法器210、电流控制212、故障补偿开关214、压力-燃油表216，加法器218和压力调整220。燃油控制系统200连接得能够接受来自电子控制模块(ECM)222的燃油命令信号。燃油控制系统200连接得可提供发动机224的反馈控制。
电子控制模块222完成传统的用传感器监测发动机和控制操作、调速、加速器踏板输入、利用编程的控制算法计算适当的运行参数，以及产生控制输出，以便在整个工况范围内产生要求的发动机运行等功能。对于按照本发明的燃油控制来说，电子控制模块222的重要输出是燃油命令226；图中省略了电子控制模块222的其他的传统的控制输出和输入。
电子控制模块222在一个喷射冲程中按照要求的燃油量(以准备喷入每个气缸的燃油立方毫米为单位)提供燃油命令226。燃油控制系统200不同于传统的燃油控制系统之处在于，它不是将这个要求的燃油量转换成压力并进行控制以获得这个压力，而是燃油控制系统200直接利用要求的燃油量作为控制目标。然后，燃油控制系统200对喷射入发动机224的燃油进行准确的控制，使之与规定的燃油命令目标一致。
为了解释方便，燃油控制系统200的组件用分立的形式表示。但是，正如后面描述的，在该较佳实施例中，燃油控制系统200的功能是作为电子控制模块222的一部分用固件来实现的。
图3表示与燃油控制系统200相接的发动机224的特点。如图3所示，发动机224包括多个燃烧室302、其中每一个都有进气阀304和燃油喷射器306。进气阀304与发动机进气歧管324相连，进气歧管上设有进气歧管压力传感器326。燃油喷射器306可以是，例如，高压敞口式喷嘴喷射器。多个燃油喷射器306的每一个都连接到公共的燃油导管308上。下柱塞310和上柱塞312受控制，以打开喷射腔314，使之在每一个喷射循环中与燃油导管308连通一段特定的正时所规定的时间。每一个喷射循环进入喷射腔314的燃油量取决于燃油导管308的压力与燃烧室302中气体的压力之间的差值，而后一个压力又决定于进气歧管的压力。于是，喷射的燃油量可以通过控制燃油导管308的控制压力来控制。
燃油导管308的压力是由带有相关的调压器(未示出)的泵316建立的。泵316用电流控制的线性执行机构阀门318与燃油导管308分开，按照向端子322提供的电流，阀门选择性地给燃油导管308加压。连接一个压力传感器320来检测燃油导管308的压力。连接端子322以便接收电流控制212(示于图2)的输出。燃油导管压力传感器320检测到的压力输出连接到加法器218(示于图2)的正输入端，而进气传感器326检测的进气压力输出连接到压力调整器220(示于图2)，从而连接到加法器218的负输入端。发动机224有许多其他组件和传感器，诸如发动机速度传感器和连接到电子控制模块222上的其他传感器。这些其他的组件都是传统的，为清楚起见一概从略。
现将再次参照图2，详细地解释实现燃油喷射控制，以便在每一个喷射冲程中向喷射器306提供规定的燃油量用的装置。如图2所示，燃油命令226发送给燃油-电流表202，故障补偿开关214和加法器206。
燃油-电流表202与超前补偿器204一起产生适当的执行机构电流的开环前馈估计值，来使控制燃油导管压力的线性执行机构产生要求的运动。这个估计值提供快速的响应，但是，由于发动机和液压组件的漂移，无法精确地确定要求的电流量。这样燃油-电流表202将命令的燃油加入量影射到命令的电流，这是要求电流的一个近似值。具体地说，燃油-电流表202根据(1)每一个喷射冲程要求的燃油立方毫米数(燃油命令226)和(2)从电子控制模块222得到的发动机的平均速度的输入，产生一个以电流为单位的输出。采用面积内插算法来根据两个输入值从表值确定输出值。适用于CumminsQSK-19型发电发动机的燃油-电流表的样值示于表A。
燃油-电流表202的输出提供给超前补偿器204。超前补偿器204是一个数字滤波器，它补偿在过渡状态中导管压力对执行机构电流改变的一般比较缓慢的响应。超前补偿器204通过提供1.0的稳态增益和大约2.0的较高频增益有效地增大燃油-电流表输出的高频响应。当燃油供给命令的改变速率大时，使计算电流估计值得出的变化比较大。结果，当要求高的发动机转矩时，电流值使执行机构开得比稳态条件下会产生要求的燃油压力的点还要过一点。随着燃油导管压力趋向要求的水平，而发动机向它的新的命令的运转状态调整，稳态增益将在超前补偿器204中占主导地位，而执行机构将减小它的开度到在稳态下将要产生要求的燃油压力的一点。
图4是超前补偿器204一个推荐的实施例的简图。如图4所示，燃油-电流表202的输出提供给超前补偿器204，而尤其是提供给积分器402和加法器404。积分器404的输出连接到加法器406，而后者的输出连接到乘法器408。乘法器408最好提供1.7的高频增益。乘法器408的输出连接到加法器410的减法输入端。
加法器410的输出是超前补偿器204的输出，并连接到加法器210(示于图2)上。加法器410的输出还连接到积分器412上。积分器412的输出连接到加法器406的减法输入端、加法器410的加法输入端和加法器404的减法输入端。
加法器404的输出连接到乘法器414上。乘法器414的增益为2.1，这是乘法器408的高频增益与滤波器常数0.4之和。乘法器414的输出连接到加法器410的加法输入端。
再参照图2，超前补偿器204的输出，连同比例-积分控制器208的输出一起提供给加法器210作为输入。比例-积分控制器208提供一个反馈控制输入，后者调整由燃油-电流表202和超前补偿器204前馈计算提供的要求的执行机构电流的“估计值”。比例-积分控制器208及其反馈回路对打开不同的执行机构阀门至同一位置所需电流的变化起补偿作用。
电流控制212的输出是一个脉宽调制信号，其占空比(占空因数)产生一个将产生命令的燃油加入量的要求的总的有效电流。除提供PWM(脉冲宽度调制)驱动器电路来完成这个功能之外，电流控制212最好可补偿电池电压和环境温度的变化。否则，电池电压的变化可能改变加给执行机构的要求的电流占空比。具体地说，当电池电压下降时，假定执行机构的电阻恒定不变，则占空比必须增大，才能向执行机构提供同样的有效电流。环境温度变化往往会以非线性的方式改变执行机构的有效电阻，结果使输出要求的占空比改变。电流控制212的设置基本上消除了这些非线性的因素，使得燃油控制系统200的反馈控制回路不必补偿这些因素。已知从要求的电流到要求占空比的关系是线性的。将这条线性函数的斜率与电池电压相乘，即可算出执行机构电阻的近似值，以产生一个归一化的斜率(电阻)值。在低的电流水平下，禁止用这样的方法计算电阻，而采用标准值，因为在低电流水平下计算变得不准确。另外，电阻计算要经过高度滤波，以减小噪声。另外，当加上电流时，算出的电阻值瞬间变成错误的，因为在占空比阶跃时有电流滞后电压。正因为如此，计算电阻还要作为滤波过程的一部分进行速率限幅。用这样的方法，将要求的PWM电流输出提供给发动机224。
现将详细地描述比例-积分控制器208(包括进气传感器326、压力传感器320、压力调整220、加法器218、压力-燃油表216和开关214反馈回路推荐的结构。用传感器326(示于图3)检测的进气压力在传送给加法器218之前用压力调整220进行调整，在这里从压力传感器320(示于图3)检测的导管压力值上减去该值，以提供差压值，作为压力-燃油表216的输入。
这个差压的使用在本发明中提供了一个明显的好处。本发明者已经确定，喷射的燃油量取决于燃油导管压力和进气歧管压力之差，而不仅仅是燃油导管的压力。由于敞开式喷嘴喷射器的特性，计量时燃油计量压力是对抗气缸的压力的。气缸压力则在喷射器发生燃油计量时的该冲程的一部分的过程中，与进气歧管的压力密切相关。这个依赖关系在发动机状态转换和在环境压力低(高空运转)的过程中也有效。就是说，获得要求的燃油加入量所要求的燃油压力是随着海拔高度而改变的。反馈控制利用差压测量值，本发明补偿了特定导管压力下瞬态升压变化和海拔高度对喷射燃油量的影响。
压力调整220按照所用传感器的类型，将表压读数或绝对压力读数来的传感器326的输出转换成以磅/英寸2为单位的绝对进气歧管压力的估计值。若压力传感器326工作不正常，则压力调整220还利用升压估计值补偿压力传感器326的失效。在这种情况下，查阅压力调整220内部的表，来提供估计值。该表的输入是发动机速度和当前燃油加入量，利用该表确定稳态升压的估计值。
压力-燃油表216将测出的燃油导管差压影射到燃油加入量上。压力-燃油表216根据(1)燃油导管和发动机进气歧管之间的差压和(2)从电子控制模块222获得的发动机的平均速度的输入产生以每次喷射冲程的燃油立方毫米为单位的输出。采用面积内插算法根据这两个输入值来确定输出值，适用于Cummins SQK-19型发电用发动机的压力-燃油表216的样值示于表B。
表A和表B中的值都是通过按经验方法影射特定发动机运转所要求的导管压力和占空比而确定的。这些数据最好与发动机速度和喷射正时的常数设置一起收集，以便将数据中变量的个数减到最少。用这样的方法，就可以为任何一台要求的发动机产生适当的转换表。
压力-燃油表216的输出通过开关214送到加法器206。开关214一般设置得将表216的输出传送给加法器206。最好对燃油导管压力传感器和进气歧管压力传感器的运行和输出进行监测，以确定是否其中有一个传感器出了故障。万一其中一个压力传感器失效，则开关214将压力-燃油表216的输出与加法器206切断，而代之以将燃油命令连接到加法器206的减法输入端。在这种情况下，加法器206产生一个零的输出，而且这个至比例-积分控制器208的误差信号被设置为0。然后，比例-积分控制器208将其输出从当前值转换到内定值(缺席值)，而这个值将由于开关214操作提供的零误差信号而不加改变地被使用。
比例-积分控制器208推荐的实施例的设计和运作示于图5的方框图。输入510接收加法器206(示于图2)的输出，并连接到误差限幅器512。误差限幅器512的输出连接到积分增益乘法器514和比例增益乘法器516。比例增益乘法器516的输出连接到加法器518。加法器518的输出通过开关520连接到加油电流偏移量输出522。加法器518的输出还连接到速率限幅器(rate limiter)524，后者的输出连接到开关520。开关520选择性地将加油电流偏移量输出522连接到加法器518的输出端或由速率限幅器524提供的速率限幅后的加法器518的输出端上。加油电流偏移量输出522提供比例-积分控制器208的输出，并连接到加法器210(示于图2)上。
若加法器518输出的变化速率超过预定的速率，则开关520被激活而将速率限幅器524接入电路。这个功能改善了运转的稳定性。
积分增益乘法器514的输出连接到加法器526的输入端。加法器526的输出连接到限幅器528。限幅器528的输出连接到加法器518，还通过积分器530连接到加法器526。
比例-积分控制器208是一个反馈控制器，它产生代表获得要求的燃油加入量所需的估计电流(如图2所示，取自超前补偿器204的输出)与实际要求电流之间的差值的电流偏移量。加油命令226用作控制器208的基准输入，而压力-燃油表216提供的估计的燃油加入量值是对控制器208的反馈输入。
很明显，比例增益乘法器516和积分增益乘法器514都有控制输入，以便选择性地根据发动机的运行状态改变他们的增益。这提供了增益调度的特点，它使发动机不论是在调速限速(速度控制)方式下，还是在加速器踏板控制(转矩控制)方式下都能最优运行。乘法器514和516所用的增益由发动机的控制状态确定。
若发动机不是在调速器控制下运行，亦即是在转矩控制方式下运行，则最好用一组比较高的增益来实现。若发动机是在调速器控制(速度控制方式)下运行，则应该用一组比较低的增益来实现。
在启动、停机、停止和诊断状态中采用“启动状态”增益，诸如0.0010安培/毫米3/冲程的比例增益和0.00001安培/毫米3/冲程的积分增益。在转矩(燃油)控制方式下，例如可以采用0.0005安培/毫米3/冲程的比例增益和0.00005安培/毫米3/冲程的积分增益。在速度控制方式下的示例增益值是0.0005安培/毫米3/冲程的比例增益和0.00001安培/毫米3/冲程的积分增益。正如可以看到的，转矩控制方式的积分增益值大约是速度控制方式所用的数值的5倍。
当发动机在各方式之间切换时，为了避免燃油加入量突然变化，增益变化用斜坡法实现。建立渐增的增益值，并且在每个发动机冲程期间增益值由渐增的增益量来改变，直至建立新的增益值为止。例如，比例增益可以按0.00010安培/毫米3/冲程的增量按斜坡方式增大到要求数值，而积分增益可以按0.00001安培/毫米3/冲程的增量按斜坡方式增大。
这个增益调度特点提供了一个明显的优点。通过相关系统的研究，本发明者发现，对于要求的运作目的来说，闭环回路导管压力达到要求的稳态值太慢。因此，在发动机的运行过程中，需要一个高得合理的增益，以便准确地跟踪过渡过程。但是，当发动机运行在速度控制方式时，高增益有使控制回路不稳定的倾向。在这种方式下，发动机的控制运作是以检测的发动机速度为依据进行的，而这个发动机速度除了用于对电子控制模块的一次控制反馈(环绕系统200)以外，还用于燃油控制系统200。本发明者确定，对速度控制方式而言是适当的有限的增益，低于转矩控制方式所需要的增益。通过给这两个不同的方式提供两个不同的增益，就可能在速度控制方式下维持稳定，又可在转矩控制方式下产生对过渡过程迅速响应的发动机运行。
若检测出执行机构被卡住或传感器出故障，诸如传感器320或326出故障，则积分器值X1(这是限幅器528的输出)立即被复位至一个内定值(缺席值)。输出522亦被复位至一个内定值，例如，0，但是输出522最好由流量限幅器524按斜坡方式逐渐变化到内定值。
本发明通过把燃油流量作为目标值直接进行控制，而不是控制要求的燃油压力，带来了几个明显的优点。首先，本方法提供一个大体上与负载无关的闭环响应时间，这提高了准确性。其次，像在使用压力作为目标的反馈控制系统的情况一样，该系统的标定对查阅表组成的线性不特别敏感。这样，便公开了一个经过改进的在内燃机中控制燃料流量的系统和方法。
              表A流量-电流表：表值以安培为单位
Figure C9711404000251
             表B压力-流量表：表值以mm3/冲程为单位

Claims (52)

1.一种内燃机用的向分配给多个燃油喷射器用的燃油导管供应燃油用的燃油控制系统，其特征在于，它包括：
计算装置，用来接收指示内燃机运行状态的多个运行状态信号，并根据所述运行状态信号用于产生代表供应给其中一个燃油喷射器的要求燃油量的要求燃油量信号；
第一转换装置，与所述计算装置连接用来将所述要求燃油量信号转换成估计的执行机构电流信号；
调整装置，与所述第一转换装置和比例积分控制器装置的输出连接，用来将从所述比例积分控制器装置接收的偏移量电流信号与所述估计的执行机构电流信号结合，来产生执行机构电流控制信号；
执行机构装置，与所述调整装置连接，用来接收所述执行机构电流控制信号，并根据所述执行机构电流控制信号来控制供给燃油导管的燃油量；
压力传感装置，与燃油导管连接，用来检测燃油导管中的燃油压力，并产生与所述燃油压力对应的燃油导管压力信号；
第二转换装置，与所述压力传感装置连接，用来接收所述燃油导管压力信号并用来将所述燃油导管压力信号转换成代表提供给一个喷射器的估计的实际燃油输送量的估计燃油量信号；以及
比较装置，与所述第二转换装置、所述计算装置和所述比例积分控制器装置连接，用来产生一个与所述估计燃油量信号和所述要求燃油量信号之间的差值对应的燃油量误差信号，并用于将所述燃油量误差信号提供给所述比例积分控制器装置；
其中所述比例积分控制器装置根据所述燃油量误差信号产生偏移量电流信号。
2.一种控制每一个喷射冲程过程中向内燃机气缸喷射的燃油量的方法，其特征在于，它包括下列步骤：
产生一个表示准备向内燃机气缸输送的要求燃油量的要求燃油量信号；
从所述要求燃油量信号产生一个执行机构电流估计值信号，所述执行机构电流估计值信号表示向内燃机气缸输送要求的燃油量所需的执行机构电流估计值；
产生一个表示实油燃油导管压力的燃油导管压力信号；
从所述燃油导管压力信号产生实际燃油量信号，所述实际燃油量信号表示向内燃机气缸输送的实际燃油量；
产生一个代表所述要求燃油量信号与所述实际燃油量信号之间差值的燃油量差值信号；
从所述燃油量差值信号产生执行机构电流差值信号，所述执行机构电流差值信号表示所述执行机构电流估计值与实现将所述要求的燃油量送往内燃机气缸所必需的实际执行机构电流之间的差值；
将所述执行机构电流估计值信号与所述执行机构电流差值信号结合，来产生一个表示所述实际执行机构电流的实际执行机构电流信号；以及
按照所述实际执行机构信号控制执行机构。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中向燃机气缸喷射的燃油量用所述燃油导管压力控制，而所述燃油导管压力是随着要向内燃机气缸输送的所述要求燃油量而变化的。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述实测燃油导管压力是一个差分燃油导管压力，而所述产生一个表示实测燃油导管压力的燃油导管压力信号的步骤包括以下步骤：
测量检测的燃油导管压力；
测量进气岐管压力；
计算等于所述检测的燃油导管压力与所述进气岐管压力之间差值的差分燃油导管压力；以及
产生表示所述差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，其中计算差分燃油导管压力的步骤包括处理所述进气岐管压力，以产生一个进气岐管绝对压力的估计值的步骤，而所述差分燃油导管压力等于所述检测的燃油导管压力与所述进气岐管绝对压力估计值之间的差值。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，其中所述进气岐管压力是表压。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述进气岐管压力是绝对压力。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述实测燃油导管压力是差分燃油导管压力，而所述产生一个表示实测燃油导管压力的燃油导管压力信号的步骤包括以下步骤：
测量检测的燃油导管压力；
产生增压估计值；
计算等于所述检测的燃油导管压力与所述增压估计值之间差值的差分燃油导管压力；以及
产生说明所述差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述产生增压估计值的步骤包括根据实测发动机运行参数查找查阅表的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，其中所述发动机运行参数至少包括发动机转速和当前燃油加入量之中一个。
11.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述实测的燃油导管压力是一个差分燃油导管压力，而所述产生一个表示实测燃油导管压力的燃油导管压力信号的步骤包括以下步骤：
测量检测的燃油导管压力；
确定进气岐管压力传感器的运行状态；
当所述运行状态表明进气岐管压力传感器正常运行时，测量进气岐管的压力，并计算等于所述检测的燃油导管压力与所述进气岐管压力之间差值的差分燃油导管压力；
当所述运行状态表明进气岐管的压力传感器已失效时，产生增压估计值，并计算等于所述检测的燃油导管压力与所述增压估计值之间差值的差分燃油导管压力；以及
产生所示差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述产生实际燃油量信号的步骤包括接收一个表示发动机平均转速的发动机平均转速信号并利用所述发动机平均转速信号和所述燃油导管压力信号查找查阅表，以检索代表所述向内燃机气缸输送的实际燃油量的数据的步骤。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述燃油量信号根据实测发动机运行参数产生。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述实测发动机运行参数至少包括发动机转速、加速器踏板位置、调速器怠速设定、调速器最高转速设定和温度之中的一个。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于，它还包括确定内燃机运行状态的步骤，而其中所述产生执行机构电流差值信号的步骤包括根据所述运行状态选择至少一个增益的步骤，所述增益用在比例-积分控制器中，来产生所述执行机构电流差值信号。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述运行状态是速度控制状态、转矩控制状态和启动状态之中的一个。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个增益是所述比例-积分控制比例增益。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述运行状态是所述速度控制状态，而所述比例增益是0.0005Amp/mm3/冲程即安培/毫米3/冲程。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述运行状态是转矩控制状态，而所述比例增益是0.0005Amp/mm3/冲程。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述运行状态是启动状态，而所述比例增益是0.0010Amp/mm3/冲程。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个增益是比例-积分控制器的积分增益。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述运行状态是所述速度控制状态，而所述积分增益是0.00001Amp/mm3冲程。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述运行状态是所述转矩控制状态，而所述积分增益是0.00005Amp/mm3冲程。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述运行状态是所述启动状态，而所述积分增益是0.00001Amp/mm3冲程。
25.如权利要求15所述的方法，其特征在于，它还包括检测内燃机运行状态从第一运行状态到第二运行状态变化的步骤，而所述根据所述运行状态选择至少一个增益的步骤，包括建立至少一个增量增益值，用来使所述至少一个增益从对应于所述第一运行状态的第一值渐增地改变到对应于所述第二运行状态的第二值的步骤。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一个增益是比例-积分控制器的比例增益，而所述增量增益值是0.00010Amp/mm3冲程
27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一个增益是比例-积分控制器的积分增益，而所述增量增益值是0.00001Amp/mm3冲程。
28.一种在每一个喷射冲程过程中用于控制从燃油导管向内燃机气缸喷射的燃油量的系统，其中燃油导管中的燃油压力是利用执行机构控制向内燃机气缸喷射的要求燃油量而改变的，该系统包括：
处理装置，用来产生一个表示送入内燃内气缸的要求燃油量的求燃油量信号；
燃油量-电流转换装置，它与所述处理装置连接，用来接收所述要求燃油量信号，并从所述要求燃油量信号产生执行机构电流估计值信号，所述执行机构电流估计值信号表示在喷射冲程中将所述要求燃油量输送到内燃机气缸所需的执行机构电流估计值；
燃油导管压力测量装置，它与内燃机的燃油导管连接，用来测量检测的燃油导管压力，并用来根据其产生燃油导管压力信号；
压力-燃油量转换装置，它与所述燃油导管压力测量装置连接，用来接收所述燃油导管压力信号，并用来从所述燃油导管压力信号产生实际燃油量信号，所述实际燃油量信号表示输送给内燃机气缸的实际燃油量；
第一比较装置，它与所述处理装置及所述压力-燃油量转换装置连接，用来接收所述要求燃油量信号和所述实际燃油量信号，用来计算所述要求燃油量信号和所述实际燃油量信号之间的差值，并用来产生代表所述差值的燃油量差值信号；
控制装置，与所述第一比较装置连接，用来接收燃油量差值信号，并用来从所述燃油量差值信号产生执行机构电流差值信号，所述执行机构电流差值信号表示所述执行机构电流估计值与实现将所述要求燃油量输送给内燃机气缸所需的实际执行机构电流之间的差值；
第二比较装置，它与所述控制装置及所述燃油量-电流转换装置连接，用来接收所述执行机构电流估计值信号和所述执行机构电流差值信号，并用来将所述执行机构电流估计值信号和所述执行机构电流差值信号结合起来，产生表示所述实际执行机构电流的实际执行机构电流信号；以及
电流控制装置，与所述第二比较装置连接，用来按照所述实际执行机构电流信号控制至执行机构的电流供给。
29.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述燃油导管压力是差分燃油导管压力，而所述燃油导管压力测量装置还包括：
进气岐管压力测量装置，用来测量进气岐管的压力；
压力处理装置，与所述进气岐管压力测量装置及所述燃油导管压力测量装置连接，用来计算等于所述实测的燃油导管压力和所述进气岐管压力之差的差分燃油导管压力，并用来产生一个表示所示差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
30.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述压力处理装置还操作来处理所述进气岐管压力，以产生进气岐管绝对压力的估计值，而所述差分燃油导管压力等于所述实测燃油导管压力和所述进气岐管绝对压力估计值之间的差值。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，其中所述进气岐管压力是表压。
32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，其中所述进气岐管压力是绝对压力。
33.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述实测的燃油导管压力是差分燃油导管压力，而所述燃油导管压力测量装置还包括：
增压估计装置，用来产生增压估计值；
压力处理装置，用来计算等于实测燃油导管压力与所述增压估计值之间的差值的差分燃油导管压力，并用来产生表示所述差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
34.如权利要求33所述的系统，其特征在于，其中所述增压估计装置还运行来根据实测发动机运行参数查找查阅表。
35.如权利要求34所述的系统，其特征在于，其中所述实测发动机运行参数至少包括发动机转速和当前燃油加入量之中的一个。
36.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述实测燃油导管压力是一种差分燃油导管压力，而所述燃油导管压力测量装置还包括：
传感器误差检测装置，用来确定进气岐管压力传感器的运行状态，并产生表示此运行状态的传感器状态信号；
压力处理装置，与所述传感器误差检测装置连接，用来接收所述传感器状态信号，和当所述传感器状态信号表明进气岐管压力传感器正常运行时，用来测量进气岐管压力并计算等于所述实测燃油导管压力与所述进气岐管压力之间的差值的差分燃油导管压力，而当所述传感器状态信号表明所述进气岐管压力传感器失效时，用来产生增压估计值并计算等于所述实测燃油导管压力与所述增压估计值之间的差值的差分燃油导管压力，和用来产生表示所述差分燃油导管压力的所述燃油导管压力信号。
37.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述压力-燃油量转换装置还运行来接收表示发动机平均转速的发动机平均转速信号，并根据所述发动机平均转速信号和所述燃油导管压力信号来查找查阅表，以检索输送给内燃机气缸的所述实际燃油量。
38.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述处理装置还运行来接收实测的发动机运行参数，而所述要求的燃油量信号是根据所述实测的发动机运行参数产生的。
39.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述实测的发动机运行参数至少包括发动机转速、加速器踏板位置、调速器怠速设置，调速器最大转速设置和温度之中一个。
40.如权利要求28所述的系统，其特征在于，其中所述控制器装置包括一个比例-积分控制器，并还操作来接收代表内燃机运行状态的运行状态数据，并根据所述运行状态数据选择至少一个增益，所述增益用在所述比例-积分控制器中，以产生所述执行机构电流差值信号。
41.如权利要求40所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是速度控制状态、转矩控制状态和启动状态之中一个。
42.如权利要求41所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个增益是所述比例-积分控制器的比例增益。
43.如权利要求42所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述速度控制状态，而所述比例增益是0.0005Amp/mm3/冲程。
44.如权利要求42所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述转矩控制状态，而所述比例增益是0.0005Amp/mm3/冲程。
45.如权利要求42所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述启动控制状态，而所述比例增益是0.0010Amp/mm3/冲程。
46.如权利要求41所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个增益是所述比例-积分控制器的积分增益。
47.如权利要求46所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述速度控制状态，而所述比例增益是0.0001Amp/mm3/冲程。
48.如权利要求46所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述转矩控制状态，而所述比例增益是0.0005Amp/mm3/冲程。
49.如权利要求46所述的系统，其特征在于，其中所述运行状态是所述启动控制状态，而所述比例增益是0.00001Amp/mm3/冲程。
50.如权利要求40所述的系统，其特征在于，其中所述控制器装置还运行来检测内燃机运行状态从第一运行状态到第二运行状态的变化，并运行来通过建立至少一个增量增益值，用来使所述至少一个增益从对应于所述第一运行状态的第一值渐增地改变到对应于所述第二运行状态的第二值，以根据所述运行状态选择所述至少一个增益。
51.如权利要求50所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个增益是所述比例-积分控制器的比例增益，而所述增益值是0.00010Amp/mm3/冲程。
52.如权利要求50所述的系统，其特征在于，其中所述至少一个增益是所述比例-积分控制器的积分增益，而所述增益值是0.00001Amp/mm3/冲程。
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