CN108691660B - 修正柴油发动机的喷油量偏差的方法以及柴油发动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法，包括：根据所述柴油发动机的工况确定待喷油的喷油器的设定喷油量；探测所述喷油器的起喷相角；基于探测到的起喷相角，根据在确定工况下的起喷相角与喷油量偏差的预定关系确定所述喷油器的喷油量偏差；基于确定的喷油量偏差修正所述喷油器的设定喷油量，以获得修正后的喷油量；以及使所述喷油器以修正后的喷油量喷油。还公开了一种相应的机器可读存储介质、一种相应的控制器以及一种相应的柴油发动机系统。本发明引入了起喷相角，从而使系统具有更好的灵活性，而且能够使喷油器实际上以设定喷油量喷油，这大大改善了发动机的性能。

Description

修正柴油发动机的喷油量偏差的方法以及柴油发动机系统

技术领域

本发明涉及一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法以及一种柴油发动机系统。

背景技术

在柴油发动机、尤其是柴油汽车使用的柴油发动机中，通常采用高压共轨技术供油。高压共轨技术将燃油压力产生和燃油喷射基本分离开，因此，可以大幅度减小柴油发动机的供油压力随发动机工作变化的程度。

然而，高压油泵向共轨中输送加压燃油时，不可避免地会使得轨压变化。特别是，高压油泵通常采用凸轮驱动机构，凸轮处于不同的位置，向共轨中输送的高压燃油的速率不同，因此，轨压会跟随凸轮的旋转而发生一定的波动。同时，发动机的喷油器的喷油时刻是根据发动机的位置和时序决定的，因此，同一喷油器在不同时刻喷油时可能面临不同的轨压，在相同的喷油时长下，喷油量就会不同。在同一发动机工作循环中，各缸之间的喷油量也可能会产生差异。所有这些差异不仅会影响发动机的工作性能和工作效率，而且还会对发动机的噪音和振动带来消极影响。

对于凸轮驱动式高压共轨泵，通过凸轮的旋转运动驱动挺柱体直线往复运动，进而压缩挺柱体上方的燃油，并使其蓄存在共轨内。挺柱体的行程随着凸轮的转角变化，行程为零时，称为泵的下止点，行程最大时，称为泵的上止点。当某一缸的喷油器发生喷油时，此时高压油泵的凸轮所处的泵油角度相对于下止点的角度差称为起喷相角。根据以上描述，起喷相角的不同，对应的轨压也可能不同，从而会影响实际喷油量，进而导致与理论喷油量的不同。

发动机与高压油泵之间的传动比不同，各个缸的起喷相角重复出现的周期也不同。此外，随着用户的需求不同，传动比也不同，这将限制系统的灵活性。

因此，迫切需要针对这种问题进行分析研究，以提供相应的解决方案来改善柴油发动机的工作特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法以及一种相应的柴油发动机系统。

根据本发明的第一个方面，提供了一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法，包括：根据所述柴油发动机的工况确定待喷油的喷油器的设定喷油量；探测所述喷油器的起喷相角；基于探测到的起喷相角，根据在确定工况下的起喷相角与喷油量偏差的预定关系确定所述喷油器的喷油量偏差；基于确定的喷油量偏差修正所述喷油器的设定喷油量，以获得修正后的喷油量；以及使所述喷油器以修正后的喷油量喷油。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有执行所述方法的程序序列。

根据本发明的第三个方面，提供了一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的控制器，所述控制器被构造成用于执行所述方法。

根据本发明的第四个方面，提供了一种柴油发动机系统，所述柴油发动机系统包括柴油发动机和高压油泵，所述柴油发动机系统包括所述机器可读存储介质或所述控制器。

本发明引入了起喷相角，从而使系统具有更好的灵活性，而且能够使喷油器实际上以设定喷油量喷油，这大大改善了发动机的性能。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法的流程图。

图2示出了发动机的某一气缸在设定喷油量为63.1mg的情况下实际喷油量与起喷相角之间的关系。

图3示出了通过启动阶段的轨压变化特征确定起喷相角的示意图。

图4示出了通过倒拖阶段的轨压变化特征确定起喷相角的示意图。

图5示出了通过熄火阶段的轨压变化特征确定起喷相角的示意图。

图6示出了通过启动阶段的启动马达的电流确定起喷相角的示意图。

图7示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为1:1时实际采集的一段轨压信号。

图8示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为1:1的情况下基本供油频率和2倍基本供油频率下的相位角与起喷相角之间的关系。

图9示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为3:2的情况下供油频率、喷油频率下的相位角与起喷相角之间的关系。

图10示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为3:2的情况下2倍供油频率、2倍喷油频率下的相位角与起喷相角之间的关系。

图11示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况下供油频率、喷油频率下的相位角与起喷相角之间的关系。

图12示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况下2倍供油频率、2倍喷油频率下的相位角与起喷相角之间的关系。

图13示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况下各缸的实际喷油量随发动机工作循环的变化。

图14示出了经过本发明的喷油量预补偿之后各缸修正后的喷油量随发动机工作循环的变化。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的方法的流程图。如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1：根据柴油发动机的工况确定待喷油的喷油器的设定喷油量q；

S2：探测所述喷油器的起喷相角a；

S3：基于探测到的起喷相角a，根据在确定工况下的起喷相角a与喷油量偏差的预定关系确定所述喷油器的喷油量偏差△q；

S4：基于确定的喷油量偏差△q修正所述喷油器的设定喷油量q，以获得修正后的喷油量q1；以及

S5：使所述喷油器以修正后的喷油量q1喷油。

首先，为了更好地理解本发明，图2示出了发动机的某一气缸的喷油器在设定喷油量q为63.1mg的情况下实际喷油量q2与起喷相角a之间的关系。如图2所示，实际喷油量q2与设定喷油量q之间存在随起喷相角a变化而变化的偏差△q，喷油量偏差△q最高可到2.52mg。这严重影响了发动机的工作性能和工作效率，而且还会对发动机的噪音和振动带来消极影响。

对于本领域的技术人员来说，某个喷油器的设定喷油量q通常由柴油发动机的工况确定。

在采用凸轮驱动机构的高压油泵中，所述凸轮驱动机构可以包括多个凸轮，即，多个凸轮可以共同地设置在一个驱动轴上。每个凸轮也可以具有不同的桃头数，在凸轮旋转一周的过程中，每个桃头均可以使挺柱体往复运动一次。

发动机与高压油泵传动连接，驱动高压油泵向共轨中供油。对于某辆汽车来说，发动机与高压油泵之间具有确定的传动比。然而，不同的汽车可能具有不同的传动比。

不同的发动机可能具有不同数目的气缸，例如目前使用的有双缸发动机、四缸发动机等。

因此，不同的高压油泵设计、不同的发动机缸数以及不同的发动机与高压油泵的传动比会导致同一个发动机工作循环，各气缸之间的起喷相角可能不一样，同一气缸的不同的工作循环之间的起喷相角也可能不一样。

如上所述，为了确定气缸的喷油量偏差，必须预先确定不同工况下起喷相角与喷油量偏差之间的关系。这可以通过实验测试、仿真等方法预先确定。该预定关系可以以不同的形式表示，例如，拟合函数关系式组、曲线组、图表等等。本发明并不对确定不同工况下起喷相角与喷油量偏差之间的关系的方式进行限制，任何合适的方式都是可以的，只要能够在确定的工况下根据该预定关系由起喷相角确定喷油量偏差△q即可。

下面，将结合多个示例性实施方式重点描述如何探测起喷相角a。

根据本发明的第一个示例性实施方式，通过在高压油泵中设置相位传感器来直接确定起喷相角。例如，可以设置通过检测凸轮轴位置转角来确定起喷相角的相位传感器。对于本领域的技术人员来说，也可以采用其他探测装置直接或间接地探测起喷相角。这样的探测方式主要基于硬件。

根据本发明的第二个示例性实施方式，通过在相应运行状态下检测轨压p的时域变化特征推算出起喷相角。

例如，在启动阶段，高压油泵周期性地向失压的共轨供油，初始阶段由于可能先是填满共轨的内腔，因此轨压通常不会立即上升。随后，轨压才会由于每次供油阶梯式地上升。高压油泵在接近上止点时才会向共轨供油，因此，轨压的第一次阶梯式上升对应于上止点。因此，通过探测该轨压变化特征，可以确定上止点，进而可以以此为起点根据过去的时间和凸轮的转速等推算出各缸的起喷相角。图3示出了在启动阶段的轨压p随时间t变化的曲线图，图3中的圆圈1所标记的部分即为轨压的第一次阶梯式上升。对于本领域的技术人员来说，通过之后的轨压的阶段式上升也可推算出起喷相角。

根据本发明的另一个可选实施例，通过在倒拖阶段使高压油泵的油量计量单元主动开启引起的轨压变化来检测上止点，进而可以推算出起喷相角。具体地讲，如图4所示，在倒拖阶段，轨压通常会逐渐降低，此时如果高压油泵在接近上止点时通过油量计量单元向共轨内供油，会使轨压发生短暂的抬升，该短暂的抬升对应于上止点。图4中的圆圈2所标记的部分即为压力抬升，对应于上止点。通过探测该轨压变化特征，可以确定上止点，进而可以以此为起点根据过去的时间和凸轮的转速等推算出起喷相角。

根据本发明的又一个可选实施例，通过在熄火阶段使高压油泵的油量计量单元主动开启引起的轨压变化来检测上止点，进而可以推算出起喷相角。具体地讲，如5所示，在熄火阶段，轨压通常会缓慢下降到某一值并大致稳定地保持在该值下，此时如果高压油泵在接近上止点时通过油量计量单元向共轨内供油，会使轨压发生短暂的增大。该短暂的增大对应于上止点。图5中的圆圈3所标记的部分即为压力增大，对应于上止点。通过探测该轨压变化特征，可以确定上止点，发动机随后的熄火会使高压油泵保持在该上止点位置，在随后的启动阶段，可以根据过去的时间和凸轮的转速等推算出起喷相角。

以上虽然详细地描述了通过在启动、倒拖或熄火状态下检测轨压变化特征推算出起喷相角，但对于本领域的技术人员来说，在这一思想下也可以构思出其他确定上止点、进而推算出起喷相角的方法，这是因为高压油泵是在接近上止点时才会向共轨内供油，而供油必然会引起轨压的相应变化。

根据本发明的第三示例性实施方式，通过在启动阶段检测启动马达的电流变化特性来检测上止点，进而可以推算出起喷相角。在启动阶段，启动马达驱动高压油泵向共轨内供油。在高压油泵接近上止点时，由于需要挤压燃油而使得启动马达承受较大的负载，从而，启动马达需要更大的电流。因此，启动马达的电流的峰值对应于上止点。如图6所示，圆圈4所标记的部分对应于上止点，进而可以以此为起点根据过去的时间和凸轮的转速等推算出起喷相角。

下面，将详细描述根据本发明的另一个示例性实施方式的基于轨压的频域分析确定起喷相角的方法。

如上所述，轨压会随着喷油器的喷油、高压油泵向共轨内的供油等因素而变化，根据发动机与高压油泵之间的传动比、高压油泵的具体设计以及发动机气缸的数目和具体设计等，高压油泵向共轨内的供油时刻、各缸的喷油时刻会按一定规律反映为轨压变化，与喷油时刻对应的起喷相角也会蕴含在轨压变化的信息之中。

根据本发明的一个优选实施例，在发动机点火至低怠速时短时地探测轨压进行分析。

根据本发明的一个优选实施例，通过对轨压进行傅里叶变换、特别是快速傅里叶变换(FFT)而对轨压进行频域分析。

实际中，可以以发动机的第一个缸的上止点触发数据流，即采集上止点之后的一段轨压信号进行分析，优选采集一个发动机工作循环时长的轨压信号进行分析。例如，对于四缸发动机，每一个发动机工作循环，发动机转动两圈，各缸喷油一次。实际中发现，适当短于一个发动机工作循环时长的轨压信号，例如长于半个发动机工作循环时长的的轨压信号就可以满足分析要求。为了减少计算量，优选采集2s以下的轨压信号进行频域分析。

根据本发明的一个示例性实施例，以5kHz的采样频率对轨压进行采样。优选地，对采集到的轨压信号先进行低通滤波处理，例如使轨压信号经过1kHz的低通滤波处理，以去除一些高频干扰信息。

根据本发明的一个示例性实施例，在进行频域分析之前，先去除轨压信号的直流分量，以便为后续的傅里叶变换做好准备。

图7示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为1:1时实际采集的一段轨压信号，双向箭头5之间所标示的为一个发动机工作循环时长的轨压信号。下面，将以一个发动机工作循环时长的轨压信号为例进行描述和说明。

在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为1:1的情况下，每一个发动机工作循环，发动机转动两圈，各缸喷油一次，总共喷油四次，高压油泵也转动两圈，由于凸轮驱动机构具有两个桃头，因此供油四次，此时为同步供油和喷油，即供油频率与喷油频率一致。下面，均以具有两个桃头的高压油泵为例进行描述。

通过对一个发动机工作循环时长的轨压信号进行频域分析，获取基本供油频率(也即基本喷油频率)和2倍基本供油频率下的相位角phin，基本供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系如图8中的实线所示，2倍基本供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系如图8中的虚线所示。

从图8可以看出，基本供油频率和2倍基本供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间成某种确定的关系。具体地讲，对于基本供油频率下的相位角phin，如果选取0度起喷相角对应的相位角b至360+b的区间表征相位角phin，则相位角phin与起喷相角a之间在0-180度的起喷相角的区间上成大致线性关系。对于2倍基本供油频率下的相位角phin，其与起喷相角a之间在某一起喷相角的区间上成大致线性关系，如果对起喷相角进行180度周期性续展，可以发现2倍基本供油频率下的相位角phin在某个360度长的起喷相角区间上周期性重复两次。

相位角phin与起喷相角a之间的如上所述的确定关系可以通过实验和/或仿真预先确定，因此可以基于该确定关系由频域分析获得的相位角推算出起喷相角。显然，选择基本供油频率下的相位角phin计算起喷相角a相对较为直接和容易。

图9示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为3:2的情况下供油频率、喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，其中，实线表示的是喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，虚线表示的是供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系。

图10示出了2倍供油频率、2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，其中，实线表示的是2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，虚线表示的是2倍供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系。

对于四缸发动机与高压油泵之间的传动比为3:2的情况，供油频率与喷油频率此时不一致，因此，为异步供油和喷油。从图9-10可以看出，喷油频率和2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间不存在明确的关系，而供油频率和2倍供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间存在与传动比为1:1时类似的关系。

因此，也可以基于该确定关系由频域分析获得的相位角推算出起喷相角。

图11示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况下供油频率、喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，其中，实线表示的是喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，虚线表示的是供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系。

图12示出了2倍供油频率、2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，其中，实线表示的是2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系，虚线表示的是2倍供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间的关系。

对于四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况，供油频率与喷油频率此时也不一致，因此，也为异步供油和喷油。从图11-12可以看出，喷油频率和2倍喷油频率下的相位角phin与起喷相角a之间也不存在明确的关系，而供油频率和2倍供油频率下的相位角phin与起喷相角a之间也存在与传动比为1:1时类似的关系。

因此，也可以基于该确定关系由频域分析获得的相位角推算出起喷相角。

对于本领域的技术人员来说，上述这些探测起喷相角的方法可以单独使用，但也可以彼此任意组合使用。

一旦在某一时刻确定了起喷相角a，就可以根据过去的时间和高压油泵的转速推算出随后各缸的喷油时刻对应的起喷相角a。当发动机运行到任意工况时，根据预定关系由推算出的起喷相角a确定正要喷射的气缸的喷油量偏差△q。然后基于喷油量偏差△q对设定喷油量q进行修正，以获得修正后的喷油量q1并使喷油器以修正后的喷油量q1进行喷油。

喷油量偏差除了与起喷相角有关，还与轨压设定值有关，在不同的轨压设定值下，相同的起喷相角对应不同的喷油量偏差。因此，在由起喷相角确定喷油量偏差时，优选还考虑当前工况的轨压设定值。

图13示出了在四缸发动机与高压油泵之间的传动比为25:19的情况下各缸的实际喷油量q2随发动机工作循环n的变化，各缸的设定喷油量为63.1mg。从图13可看出，各缸的实际喷油量随发动机工作循环变化，同一个发动机工作循环各缸的实际喷油量也不同。图14示出了经过本发明的喷油量预补偿之后各缸修正后的喷油量q1随发动机工作循环n的变化。从图14可以看出，各缸修正后的喷油量在各个发动机工作循环基本保持在设定喷油量下。

本发明的基本思想是，通过基于起喷相角确定喷油量偏差，以修正设定喷油量，进而使喷油器以修正后的喷油量进行喷油。本发明引入了起喷相角，从而使系统具有更好的灵活性，而且能够使喷油器实际上以设定喷油量喷油，这大大改善了发动机的性能。

本发明还涉及执行上述技术思想的一种机器可读程序介质和控制器以及一种包括这种机器可读程序介质或控制器的柴油发动机系统。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (12)

1.一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的方法，包括：

根据所述柴油发动机的工况确定待喷油的喷油器的设定喷油量；

探测所述喷油器的起喷相角，其中，当所述喷油器发生喷油时，用于柴油发动机的高压油泵的凸轮所处的泵油角度相对于下止点的角度差称为起喷相角；

基于探测到的起喷相角，根据在确定工况下的起喷相角与喷油量偏差的预定关系确定所述喷油器的喷油量偏差；

基于确定的喷油量偏差修正所述喷油器的设定喷油量，以获得修正后的喷油量；以及

使所述喷油器以修正后的喷油量喷油。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

通过在用于柴油发动机的高压油泵中设置相位传感器探测起喷相角；和/或

通过在柴油发动机的预定运行状态下检测轨压的时域变化特征推算出起喷相角；和/或

通过在启动阶段检测启动马达的电流变化特性推算出起喷相角；和/或

基于对柴油发动机的预定运行状态下的轨压信号进行频域分析获得的供油频率下的相位角推算出起喷相角；和/或

附加地引入相应的轨压设定值确定喷油量偏差。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

在柴油发动机的启动阶段，通过探测轨压的阶梯式上升的变化特征推算出起喷相角；和/或

在柴油发动机的倒拖阶段，通过主动开启高压油泵向共轨内的供油引起的轨压抬升的变化特征来推算出起喷相角；和/或

在柴油发动机的熄火阶段，通过主动开启高压油泵向共轨内的供油引起的轨压升高的变化特征来确定高压油泵的停止位置，在随后的柴油发动机的启动阶段，再由所述高压油泵的停止位置推算出起喷相角；和/或

基于启动马达的电流的峰值位置推算出起喷相角。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：

通过对柴油发动机的点火至低怠速阶段内的一段轨压信号进行频域分析推算出起喷相角。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述一段轨压信号的时长为一个发动机工作循环时长；或

所述一段轨压信号的时长至少为一个发动机工作循环时长的一半；或

所述一段轨压信号的时长小于2秒。

6.如权利要求2、4和5中任一所述的方法，其特征在于：

所述频域分析为傅里叶变换。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述傅里叶变换为快速傅里叶变换。

8.如权利要求2、4、5中任一所述的方法，其特征在于：

以预定采样频率对轨压信号进行采样；和/或

在对轨压信号进行频域分析之前，对轨压信号进行上限频率低于轨压信号的采样频率的低通滤波处理；和/或

在对轨压信号进行频域分析之前，去除轨压信号的直流分量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

所述预定采样频率至少为5kHz；和/或

低通滤波器的上限频率为1kHz。

10.一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有执行如权利要求1-9中任一所述的方法的程序序列。

11.一种用于修正柴油发动机的喷油量偏差的控制器，所述控制器被构造成用于执行如权利要求1-9中任一所述的方法。

12.一种柴油发动机系统，所述柴油发动机系统包括柴油发动机和高压油泵，所述柴油发动机系统包括如权利要求10所述的机器可读存储介质或如权利要求11所述的控制器。

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