CN110439713B - 用于充注将水喷射到内燃机中的喷射装置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于充注用于将水喷射到内燃机中的喷射系统的方法和对应的设备，其中，所述喷射系统具有泵(3)、水轨(1)和喷射阀(4)。通过所述泵(3)将水从水箱(5)泵送到所述水轨(1)中并且从所述水轨(1)通过所述喷射阀(4)喷射到所述内燃机中。本发明设置，为了充注所述喷射系统，在第一步骤中，在至少一个喷射阀(4)打开的情况下操纵所述泵(3)，直至在所述水轨(1)中能够证明有水压。

Description

用于充注将水喷射到内燃机中的喷射装置的方法和设备

技术领域

本发明从一种用于充注喷射装置的方法和设备出发。

背景技术

已知用于将水喷射到内燃机中的装置，在所述装置中设置有泵、水轨和喷射阀。如果内燃机不运行，则必须排空喷射装置，因为在内燃机停止期间也可能出现低于零摄氏度的温度并且水可能在喷射装置中冻结。在水在喷射装置中冻结时，由于可能残留在喷射装置中的水的与此相关的体积增大可能导致喷射装置的损坏。因此，为了开始运行必须给所述喷射装置充注水。

发明内容

根据本发明，提出一种用于充注用于将水喷射到内燃机中的喷射系统的方法，其中，所述喷射系统具有泵、水轨和喷射阀，其中，通过所述泵将水从水箱泵送到所述水轨中并且从所述水轨通过所述喷射阀喷射到内燃机中，其中，为了充注所述喷射系统，在第一步骤中，在至少一个喷射阀打开的情况下操纵所述泵，直至在所述水轨中能够证明有水压。

根据本发明，还提出一种用于充注用于将水喷射到内燃机中的喷射系统的设备，其中，所述喷射系统具有泵、水轨和喷射阀，其中，通过所述泵将水从水箱泵送到所述水轨中并且从所述水轨通过所述喷射阀喷射到所述内燃机中，其中，设置有用于充注所述喷射系统的器具，所述器具在第一步骤中在至少一个喷射阀打开的情况下操纵所述泵，直至在所述水轨中能够证明有水压。

与现有技术相比，根据本发明的方法和根据本发明的设备具有以下优点：实现有针对性地充注被排空的喷射装置。为了在此可靠地除去在喷射装置中的残留空气，在喷射阀打开的情况下操纵泵。该过程一直被维持，直至能够证明在水轨中有水，这能够通过相应的压力升高来证明。通过该方法实现可靠地充注喷射装置，而在此不将过量的水引入到内燃机中。此外，这样可以保持水消耗少。

下面给出根据本发明的其它优点和改进。

在所述第一步骤之后，在第二步骤中确定所述喷射系统中的剩余空气量。通过确定在喷射系统中的剩余空气量可以确定：是实现了足够充注还是需要继续充注。

在所述第二步骤中首先关掉泵，然后，以高的泵功率梯度又将所述泵投入运行，并且将所述喷射系统中的压力走势作为对泵功率梯度的反应进行分析评估。通过首先关掉泵并且然后以高的泵功率梯度又运行泵的方式，剩余空气量的确定是特别简单的。通过分析评估在喷射装置中的压力走势能够确定剩余空气量。该压力走势表明喷射系统中的剩余空气量的清楚和明确的相关性。

所述压力走势通过低通滤波或者求滑动平均值而被平整。为了改进在喷射系统中的剩余空气量的识别，通过低通滤波或求平滑平均值进行预处理。这样可以将泵因为水对压力走势的直接影响过滤掉。

在泵开始运转之后直至达到预给定压力值的持续时间被分析评估，用于确定剩余空气量。通过确定用于分析评估在泵运行之后达到压力值的持续时间而特别简单地实现剩余空气量的确定。

对所述压力走势求导，对在泵开始运转之后直至导数达到局部最小值的持续时间进行分析评估，用于确定剩余空气量。剩余空气量的更好识别能够通过对压力走势在时间上求导并且确定直至导数达到局部最小值的持续时间的方式实现。该值也取决于喷射系统中的剩余空气量。

如果在所述第二步骤中已经求出剩余空气量超过阀值，则在第三步骤中减少剩余空气量。如果已经识别出在喷射系统中的超过阀值的过大剩余空气量，则以有意义的方式减少在喷射系统中的剩余空气量。由此可以构成水喷射的运行准备状态。这是特别重要的，以便一旦在内燃机中可能发生热负荷或者出现炽热点火或爆震，就有针对性地介入。通过有针对性地喷射水能够在内燃机中可靠地抑制不希望的燃烧过程。然而，对于这种运行需要水喷射的高可靠性。

为了减少剩余空气量，在内燃机的在正常运行时不喷射水到内燃机中的运行状态中，将水喷射到该内燃机中。第三方法步骤可以简单地在于，在内燃机的通常不需要喷射水的正常运行状态中进行水喷射。

减少剩余空气量之后重新确定剩余空气量，并且，只要这样重新确定的剩余空气量超过阀值，则重复所述第三步骤。在减少剩余空气量的第三方法步骤之后可以重新复查，在水喷射系统中的剩余空气量是否被充分地除去。如果总是还有太多空气被证明在喷射系统中，则必要时可以重复减少剩余空气量的第二方法步骤。

附图说明

在附图中示出并且在下面的说明中详细地阐述本发明的实施例。

附图示出了：

图1水喷射系统，

图2喷射系统在没有剩余空气情况下的压力走势的原始信号，

图3根据图2的过滤后的压力走势，

图4在喷射系统中的不同剩余空气量的情况下的经过滤的压力走势，和

图5根据本发明的方法的方法步骤。

具体实施方式

图1中示出示意的水喷射系统。图1的水喷射系统具有压力室或者水轨1，所述压力室或者水轨的压力被(安装在水轨上或在水轨附近的)压力传感器2测量。水轨1与多个喷射阀4连接，通过所述喷射阀能够将水喷射到内燃机中，例如喷射到内燃机的进气管中或直接喷射到内燃机的燃烧室中。此外，水轨1与泵3连接。泵3经由第一管路11与水箱5连接并且此外，泵3经由第二管路12与水轨1连接。当泵3被操纵时，该泵将水从水箱5泵送到水轨1中并且给这样泵送到水轨1中的水加载运行压力。该运行压力被压力传感器2测量并且(通过未示出的电线路)被传递给控制装置6。可选地，所述泵可以经由(在图中未示出的)回流管路与箱连接，该回流管路对于泵的功能(尤其量控制)而言是重要的。在回流管路中可以布置有节流阀或者止回阀。因为该回流管路或者泵3的详细构型对于本发明而言不重要，所以在图1中也未示出这些细节。控制装置6分析评估压力室1中的压力并且相应地(通过未示出的电线路)操控泵3，用于维持在水轨1中的所希望的额定压力。此外，在第一管路11中还示出截止阀7以及在第二管路12中还示出截止阀8，通过所述截止阀能够可靠地关闭第一管路11或者第二管路12。

在图1中所示的水喷射系统设置为用于将水喷射到内燃机中。为此，喷射阀4分别布置在内燃机的进气管或缸盖中并且因此能够将水喷射到进气管中或者直接喷射到内燃机的燃烧室中。通常，为此相应于内燃机的汽缸数为内燃机的每个汽缸或者每个燃烧室设置一个单独的喷射阀4。替代地，也可以为每个汽缸设置有多于一个的阀，例如用于将水直接喷射到燃烧室中的阀和用于将水喷射到进气管中的阀。在图1中示意性地示出相应于四缸内燃机的四个喷射阀。水喷射并不是在内燃机的每个运行状态中都发生。此外，根据内燃机的运行点而定可以有意义的是，将运行压力、即储存在压力室1中的水的压力改变。通过例如通过控制装置6操控泵来操控压力室1中的压力。因此，控制装置6通过未示出的电操控线路与泵3连接。此外，控制器6获得压力传感器2的压力信号并且分析评估该压力信号，尤其用于操控泵3。

在图1中示出两个截止阀，其中，在第一管路11中设置有截止阀7，并且在第二管路12中设置有截止阀8。在本发明的优选构型中，这些截止阀也被控制器6操控，使得不但能够限定地截止和打开第一管路11而且能够限定地截止和打开第二管路12。根据泵3的构造而定，仅在第一管路11中或者仅在第二管路12中设置一个单独的截止阀也可以是足够的。这基本上取决于泵3在关闭状态中是密封的还是不密封。此外，也存在具有纯机械式止回阀的泵类型，使得纯粹通过机械手段，在泵关闭时已经存在泵3相对于水轨1中压力的密封性。替代地也可能的是，泵3还运行而简单地通过操控信号关闭截止阀8。这尤其在希望泵3的非常受限定的停机时间点、但该时间点不能够通过简单地关掉泵3而如此精确地实现时，是可能的。然后，泵3在减速停止时还短时间地输送一些水，但这由于关闭的截止阀8而不再对水轨1中的压力产生影响。因此，根据泵3的构造而定，也可以代替所示的两个截止阀7、8，仅在第一管路中或者仅在第二管路中设置一个单独的截止阀。

在图1的喷射系统中，要求在水喷射系统的停止阶段中，即在不使用内燃机期间，排空水喷射系统。内燃机或者在机动车中的内燃机可以在相应的低环境温度下冷却到明显低于零摄氏度的温度。如果在水喷射系统中还含有水，则这些水被冻结并且能够在各个部位处由于通过冻结的水引起的体积膨胀而发生水喷射系统的损坏。因此要求，在停机时将水喷射系统排水。为此，泵3也设计为在反方向上运行，即通过泵3的这种反方向运行，水能够从压力室1或者水轨1、管路11和12并且从喷射阀4又被输送回到水箱5中。因此，水喷射系统在内燃机停止时相应地被完全排空。

因此，在内燃机开始运行时相应地需要又用水充注水喷射系统。为此，在水应被喷射到其中的水喷射系统或者内燃机开始运行时设置充注喷射系统的第一方法步骤。为此，喷射阀被打开，其中，或者所有喷射阀或者仅一个单独的喷射阀被打开或与在对应汽缸中的燃烧过程成比例地被打开，并且然后，在打开至少一个喷射阀4的情况下操纵泵3。然后，通过泵3将水从水箱5通过管路11和12泵送到水轨1中。通过分析评估压力传感器2中的压力能够简单地识别，什么时候已经有足够的水被泵送到水喷射系统中，以便识别至少部分地充注压力室或者水轨1。

为此，在至少一个喷射阀4打开并且泵运转的情况下简单地分析评估借助压力传感器2测量的压力室1或者水轨1中的压力。一旦该压力超过阀值，水在这里就处于水轨中并且所述至少一个打开的喷射阀4又被关闭。通过证明在压力传感器2上的足够高的压力可以充分可靠地确定，至少管路11和12实现充满并且水轨1基本上完成充注。但也不能够排除，部分地在喷射系统中并且尤其在水轨1中还含有个别气泡。水系统1中的这种剩余空气量降低水喷射的可靠性，因为在操纵水喷射时不是可靠地将水喷射到内燃机中，而是还将残留在水喷射系统中的剩余空气量喷射到内燃机中。因此，由于在水系统1中的这种剩余空气量，可能发生内燃机的个别燃烧过程不是通过喷射为此所设置的水量而冷却，由此可能发生个别燃烧过程的过热。由于个别燃烧过程的这种过热可以形成炽热点火、提前引燃或者爆震，由此可能损坏内燃机。

在将喷射装置充注水的第一步骤之后，然后接着是确定在喷射系统中可能残留的剩余空气量的第二步骤。对于该第二步骤而言首先将泵关掉，使得在泵3、管路12和水轨1中的压力回到0。此外，将所有喷射阀4关闭。又将泵3以高的泵功率梯度投入运行并且通过读取压力传感器2的值分析评估喷射系统中的压力走势。替代地，对于不具有压力传感器2的系统，可以分析评估泵在升压运转期间的电流消耗。因此，泵3的电流消耗是用于测量在升压运转期间喷射系统中的压力走势的一种替代方法。

在图2中示出从0bar的压力起直至大约10bar的压力走势，这相应于水喷射系统的常见的运行压力。绘制出关于时间t的压力p。如可看到的那样，在泵3接通之后的压力如PT元件那样、即具有一定延迟地与时间成正比地升高。在大约一秒之后，运行压力达到10bar。此外，还可看到压力信号p的高频的波动性，该波动性由泵3的个别泵过程导致。

对于压力走势的分析评估而言有利的是，过滤掉叠加的高频振动。图3示出如在图2中那样的压力走势，但以过滤后的形式，所述过滤将泵3的所述个别泵过程从压力走势中过滤掉。这可以或者通过相应的低通滤波或者通过求滑动平均值实现，其中，这样地设计低通滤波或者求滑动平均值，使得相应地仅对所述个别泵行程求平均。

图2和3的压力走势相应于没有剩余空气的喷射系统，在该喷射系统上以尽可能大的梯度功率在喷射阀4关闭的情况下进行由关闭泵和又接通泵构成的第二方法步骤。当在喷射系统中不存在剩余气体时，压力走势基本上表现为PT元件。

在图4中示出在喷射系统中的不同剩余空气量情况下的压力走势。压力走势41、42、43和44在喷射系统中的剩余空气量方面有区别。曲线41示出在没有剩余空气量的情况下在喷射系统中的压力走势。曲线42示出具有0.5cm³的剩余空气量的喷射系统的压力走势。曲线43示出具有1cm³的剩余空气量的喷射系统的压力走势。曲线44示出在具有1.5cm³的剩余空气量的喷射系统时的压力走势。在此，剩余空气量的数据分别涉及在运行压力达到约10bar时的剩余空气量的体积。通常，如构成输送管路12和水轨1的管路具有4mm的内径和在1至4m之间的长度，这相应于15至60cm³的容积。与此相应地，在10bar时1.5cm³的剩余空气量则已经在水喷射系统中构成很大的空气量。

如在图4中可看到的那样，压力走势在水喷射系统中的不同剩余空气量情况下有区别，尤其在1至3bar的范围内。在该范围内发生在喷射系统中存在的空气量的压缩并且相应地发生压力升高变得平缓。在此，甚至能够由于在水喷射系统中的剩余空气量的波动而在压力传感器2上短时间地发生压力降。当空气量然后相应地被压缩时，则进一步的压力走势又近似地遵循PT元件，只是具有相应的时间偏移，该时间偏移由水喷射系统中的剩余空气量的压缩引起。现在可以利用该不同的压力走势，用于确定水喷射系统中的剩余空气量。

特别简单地，可以通过以下方式确定剩余空气量：简单地测量在多长时间之后达到确定的压力，例如4bar。如通过观察图4简单地推断出的那样，达到4bar压力的时间不同。因此，可以简单地通过测量直至达到预给定压力值的持续时间来分析评估。该持续时间当然取决于水喷射系统的总容积而不同并且因此必须针对特定的水喷射系统来相应地确定。

根据图4分析评估压力走势的另一方法在于，对相应的压力走势求导并且然后确定导数的零值和导数的局部最小值。导数的该最小值或者零值则相应于根据图4的在压力走势中的一时间点，在该时间点时，压力的进一步升高由于剩余空气量的压缩而特别小。曲线41稳定地升高，即不存在导数的局部最小值，这是对于在水喷射系统中的剩余空气量中的可忽略剩余空气量的清楚证明。曲线42示出导数的局部最小值，该局部最小值在时间上比曲线43或者44的局部最小值更早出现。因此，通过研究曲线41至44的压力走势的导数能够相应地确定喷射系统中的剩余空气量。

在图5中再次示出用于充注喷射系统的各步骤。在方框51中开始所述方法。然后接着是第一步骤52，在该步骤中打开至少一个喷射阀并且操纵泵3，直至在压力传感器2上能够证明压力升高。通过该方式进行水喷射系统的第一次充注，而在此不会有值得注意的水量喷射到内燃机中。在该步骤中也可以打开所有喷射阀4，但然后根据到泵3的距离而定时间错开地关闭这些喷射阀。通过该措施实现，喷射阀4总是恰好在被泵输送的水达到相应的喷射阀4时关闭。通过该措施在第一步骤中就已经能够在喷射系统中实现小的剩余空气量。关闭喷射阀4的相应的时间偏移必须根据经验来确定并且对于特定的喷射系统是独特的。

在所述第一步骤52之后接着是第二步骤53，在该第二步骤中确定剩余空气量。这根据对图2至4已经说明的方法进行。在步骤53中已经确定了水喷射系统中的剩余空气量之后，在步骤53之后接着是第三步骤54，在该第三步骤中减少水喷射系统中的剩余空气量。这通过在内燃机的一种运行状态中运行喷射系统进行，在内燃机的该运行状态中正常情况下不设置水喷射。典型地，在此涉及仅具有小负载和低转速的运行状态，该运行状态因此仅具有小的热负荷并且因此不需要通过水喷射而改善冷却。在该第三步骤中例如喷射阀4在泵3运转时相应地与内燃机中的燃烧过程同步地被操纵，使得喷射的水量在燃烧室中通过燃烧被蒸发。在此，该减少过程的持续时间可以取决于之前确定的剩余空气量，或者替代地可以简单地为该减少过程设置预给定的持续时间。

然后，在步骤54之后是步骤55，在该步骤中重新确定喷射系统中的剩余空气量。如果在步骤55中仍发现剩余空气量超过阀值，则可以在步骤55之后重新进行步骤54。如果在步骤55中仍发现剩余空气量超过阀值并且满足其它标准时，则也可以作为对步骤55的反应进行步骤57，在该步骤57中将水喷射系统确定为有故障。相应的中止条件例如可以包括：作为对步骤55的反应已经多次进行步骤54并且在此或者已经超过重复次数、或者在重复执行步骤54的情况下已经消耗了过大的水量。当在步骤55中确定，剩余空气量已经被足够地减少，则在步骤55之后是步骤56，在该步骤56中水喷射装置被正确地充满并且因此视为做好运行准备。如果已经在步骤53中在第一次确定剩余空气量时就已经确定喷射系统在无剩余空气量的情况下完全充满，当然也可以激活步骤56。

所述方法以步骤56和57结束。当该方法在步骤56中被确定为已充满，则具有水喷射装置的内燃机可以正常运行。在此，水喷射根据运行阶段确定，在该运行阶段中需要通过喷射的水冷却燃烧过程。然而，如果已经确定，水喷射系统未准备好运行(步骤57)，则不能将水喷射到内燃机中。然后，必须采取其它措施，以避免特定的需要水喷射的运行范围。然而，内燃机的这种运行可能导致对运行的限制，例如在内燃机的输出功率方面。

Claims (8)

1.一种用于充注喷射系统的方法，该喷射系统用于将水喷射到内燃机中，其中，所述喷射系统具有泵（3）、水轨（1）和喷射阀（4），其中，通过所述泵（3）将水从水箱（5）泵送到所述水轨（1）中并且从所述水轨（1）通过所述喷射阀（4）喷射到所述内燃机中，其中，为了充注所述喷射系统，在第一步骤中，在至少一个喷射阀（4）打开的情况下操纵所述泵（3），直至在所述水轨（1）中能够证明有水压，一旦该水压超过阀值，至少一个打开的喷射阀（4）又被关闭，并且在所述第一步骤之后，在第二步骤中确定所述喷射系统中的剩余空气量，其特征在于，在所述第二步骤中首先关掉所述泵（3），然后，以高的泵功率梯度又将所述泵（3）投入运行，并且将所述喷射系统中的压力走势作为对所述泵功率梯度的反应进行分析评估。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力走势通过低通滤波或者求滑动平均值而被平整。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述泵（3）开始运转之后直至达到预给定压力值的持续时间被分析评估，用于确定剩余空气量。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述压力走势求导数，对在所述泵（3）开始运转之后直至所述导数达到局部最小值的持续时间进行分析评估，用于确定剩余空气量。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果在所述第二步骤中已经求出剩余空气量超过阀值，则在第三步骤中减少剩余空气量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了减少剩余空气量，在内燃机的在正常运行时不喷射水到内燃机中的运行状态中，将水喷射到该内燃机中。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在减少剩余空气量之后重新确定剩余空气量，并且，只要这样重新确定的剩余空气量超过阀值，则重复所述第三步骤。

8.一种用于充注喷射系统的设备，该喷射系统用于将水喷射到内燃机中，其中，所述喷射系统具有泵（3）、水轨（1）和喷射阀（4），其中，通过所述泵（3）将水从水箱（5）泵送到所述水轨（1）中并且从所述水轨（1）通过所述喷射阀（4）喷射到所述内燃机中，其特征在于，设置有用于充注所述喷射系统的器具，所述器具在第一步骤中在至少一个喷射阀（4）打开的情况下操纵所述泵（3），直至在所述水轨（1）中能够证明有水压，一旦该水压超过阀值，至少一个打开的喷射阀（4）又被关闭，并且其中，设置用于分析评估所述水轨（1）中的压力的控制装置（6），并且在所述第一步骤之后，在第二步骤中确定所述喷射系统中的剩余空气量，其中，在所述第二步骤中首先关掉所述泵（3），然后，以高的泵功率梯度又将所述泵（3）投入运行，并且将所述喷射系统中的压力走势作为对所述泵功率梯度的反应进行分析评估。

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