CN111868371B - 具有可变输出燃料泵的燃料系统 - Google Patents

Abstract

在至少一些实施方式中，一种系统包括泵、控制器、压力调节器和流量传感器，泵具有电动马达和泵出口，控制器联接到泵以改变提供给马达的功率从而改变从泵出口排出的液体的流速，压力调节器具有与泵出口连通的入口、从调节器由其排出液体的调节器出口、从调节器通过其排出液体的旁通出口以及压力响应阀，压力响应阀打开以允许液体流过旁通出口。流量传感器与旁通出口连通，以感测或确定旁通出口处或其下游的液体流速，流量传感器还与控制器通信，以向控制器提供旁通液体流速的指示。

Description

具有可变输出燃料泵的燃料系统

相关申请的引用

本申请要求2018年3月19日提交的美国临时申请序列号 62/644,656的权益，其全部内容以其全文引用的方式并入到本文中。

技术领域

本公开总体上涉及一种包括燃料泵的燃料系统，该燃料泵的输出可以例如通过改变供应给燃料泵的功率进行改变。

背景技术

用于燃烧发动机的燃料系统有时可以包括将燃料从燃料箱泵送到发动机的燃料泵组件。该组件可包括具有电动马达的燃料泵，该电动马达驱动泵送元件通过入口将燃料吸入燃料泵中，增加燃料的压力，并从燃料泵排出燃料以递送到发动机。发动机的燃料需求根据发动机的速度和发动机上的负荷而变化，并且因此燃料系统需要调整以适应一定燃料流量范围。

发明内容

在至少一些实施方式中，液体泵送系统包括泵，其包括电动马达和泵出口，液体在压力下通过泵出口排出；控制器，其联接到泵以改变提供给马达的功率，从而改变从泵出口排出的液体的流速；压力调节器，其具有与泵出口连通的入口、调节器出口、旁通出口以及压力响应阀，液体通过调节器出口从调节器排出，液体通过旁通出口从调节器排出，当液体作用在阀上的压力大于阈值压力时压力响应阀打开以允许液体流过旁通出口；和流量传感器。流量传感器与旁通出口连通，以感测或确定旁通出口处或其下游的液体流速，流量传感器还与控制器通信，以向控制器提供旁通液体流速的指示。

在至少一些实施方式中，第二控制器与联接到泵的控制器通信，所述第二控制器向联接到泵的控制器提供系统中液体需求的指示。电动马达可以包括电刷，并且具有最小电流水平，低于该最小电流水平，将发生增加的电刷磨损，并且控制器可以根据旁通液体流速以及根据最小电流水平来改变给泵的功率。在至少一些实施方式中，控制器根据旁通液体流速改变给泵的功率。

在至少一些实施方式中，流量传感器是开关，当在开关处没有流量时开关具有一种状态，而当在开关处有流量时开关具有另一种状态。开关的一种状态可以是打开，而开关的另一种状态可以是闭合。在至少一些实施方式中，流量传感器是压力开关，其检测开关处液体压力的存在或不存在，或者与开关连通的液体流中的压力变化。

在至少一些实施方式中，一种操作电动马达液体泵的方法，该电动马达液体泵向压力调节器提供液体输出流，压力调节器具有旁通出口，在至少一些操作条件下，液体通过该旁通出口被分流，该方法包括确定通过旁通出口的流速或流量是否高于或低于阈值流量，以及响应于通过旁通出口的流量来改变提供给泵的马达的电功率。在至少一些实施方式中，至少一个阈值流速为零。

在至少一些实施方式中，该方法还包括以下步骤：在存储器中存储提供给泵的功率变化的量，以及使用存储的量作为校准或校正值来改变泵功率占空比以用于泵的未来操作。

在至少一些实施方式中，该方法包括以下步骤：确定所需的液体流速，以及在使泵以超过所需的液体流速的流速供应液体的水平向泵提供功率，并因此使液体流过旁通出口。在至少一些实施方式中，所需的液体流速由至少一个传感器确定，至少一个传感器响应于节流阀位置、发动机速度、发动机负荷和/或从发动机排放的废气的一个或多个性质中的一者或多者。

在至少一些实施方式中，一种操作电动液体泵的方法，包括确定或从存储器中访问用于泵的电动马达的最小电流水平，确定所需的液体流速，确定所需的液体流速是否对应于小于最小电流水平的电流水平，以及如果所需的液体流速对应于小于最小电流水平的电流水平，则以大于使泵满足所需的液体流速所必需的水平向泵的电动马达提供电流。在至少一些实施方式中，选择最小电流水平以减少泵中的电刷的磨损。在至少一些实施方式中，当泵的电动马达被提供大于使泵满足所需的液体流速所必需的电流时，该方法还包括旁通从泵排出的液体的一部分。

附图说明

将参照附图阐述某些实施例和最佳方式的以下详细描述，其中：

图1是包括燃料泵的燃料系统的框图；

图2是操作燃料泵的方法的流程图；

图3是操作燃料泵的方法的流程图；和

图4是电压与时间关系的曲线图，示出了燃料泵的代表性占空比。

具体实施方式

更详细地参考附图，图1示出了包括燃料泵12的燃料系统10，燃料泵12向内燃发动机14提供加压燃料。燃料泵12可被接纳在燃料箱15内，可具有入口，来自燃料箱15的燃料通过泵送元件16(如叶轮或齿轮)吸入该入口内，该泵送元件16由电动马达18驱动。吸入泵送元件16中的燃料然后被加压并从燃料泵12的出口19排出，以递送到发动机14。在至少一些实施方式中，来自电池、交流发电机或两者的电功率被供应给马达18。燃料泵12可以为其中使用燃料泵的燃料系统10提供期望压力的燃料，并且能够提供适于满足发动机14的最大燃料需求的最大输出燃料流速。

来自燃料泵12的输出燃料流速可以通过控制供应给燃料泵马达18的功率来改变。在一种形式中，控制器20向燃料泵12提供脉宽调制(PWM)电源。PWM电源改变功率信号的占空比，以改变泵马达18的速度，并因此改变泵12的输出。占空比可以由在高与低之间变化的方波信号来表示。在图4中，代表性信号以y轴上的电压和x轴上的时间示出。当信号为高或“开（on）”时，向燃料泵供应功率，而当信号为低或“关（off）”时，不向燃料泵供应功率。因此，50%时间开的信号对应于50%的占空比，以及100%时间开的信号对应于100%的占空比和最大燃料泵速度和输出(例如体积流速)。在图4中，前两个波形(标记为22)示出约50%的占空比，和接下来的两个波形(标记为24)示出约90%的占空比，以及最后三个波形(标记为26)示出约25%的占空比。当然，可以使用其他占空比，这些波形仅仅是代表性的。

通过改变提供给燃料泵马达18的功率信号的占空比，可以改变燃料泵12的输出。因此，当燃料需求已知时，燃料泵输出可以改变为对应于发动机燃料需求的期望输出。燃料泵12可被控制以消除泵送多于发动机需要的燃料，或者减少泵送超过发动机需求的燃料量。

在有刷马达燃料泵中，其中马达18包括与换向器接合的导电电刷，当提供给电刷的电流低于优化电流时，电刷可能会更快地磨损。因此，优化通过电刷供应的电流可以减少电刷上的磨损并延长马达18的寿命。在发动机燃料需求低的情况下，例如在发动机怠速或其他低速和低负荷发动机操作的情况下，燃料泵12可以以相对低的占空比操作，并且仍然可以供应发动机14所需的所有燃料。然而，低占空比可能导致到马达电刷的电流低于最佳电流，与马达18以较高电流操作时相比，这可能导致电刷上的非最佳磨损。当在与脉宽调制控制系统相关联的较低电流下连续或间歇操作时，至少一些燃料泵12具有不是最佳的电刷磨损，其中当期望较低的燃料泵输出时，较低的电流被供应给燃料泵马达18。

因此，为了提高电刷的服务寿命或使用寿命，或者出于其他原因，在至少一些实施方式中，燃料泵马达18可以被供应超过使燃料泵12满足发动机燃料需求所需的功率。例如图2所示的控制计划或策略30可以作为电刷的阈值电流的函数来实施，其中阈值电流可以是泵12应该被操作以提供期望的电刷使用寿命的最小电流。燃料泵12应该被操作的阈值电流在步骤32中被确定(并且在图2中被记为最小电流，尽管可以使用任何阈值)。然后，当在步骤34中确定的发动机燃料需求对应于将导致到电刷的电流低于阈值电流的占空比时，如在步骤36中所确定的，在步骤38中实际提供给马达的占空比大于对应于发动机燃料需求的占空比，并且足以提供通过电刷的至少阈值电流。这避免了向泵马达18提供不期望的低(例如低于阈值)电流的情况。当发动机燃料需求对应于将导致到电刷的电流处于或高于阈值电流的占空比时，在步骤40中实际提供给燃料泵的占空比可以处于或大于满足发动机燃料需求所需的占空比。

当提供给马达的占空比大于满足发动机燃料需求所需的占空比时，来自燃料泵的输出可能大于将由发动机消耗的燃料。为了调整以适应从燃料泵排出的过量燃料，燃料系统的至少一些实施方式包括燃料流量控制器42，该燃料流量控制器42允许燃料以满足发动机燃料需求的速率和压力流向发动机14，但是在超过发动机燃料需求的情况下使燃料旁通或不递送到发动机14。在至少一些实施方式中，燃料流量控制器是旁通燃料压力调节器42，其具有与燃料泵输出端19连通的入口、主输出端44和旁通出口46，燃料通过主输出端44被导向发动机14(例如，通过燃料管线至燃料轨或进气歧管)，燃料通过旁通出口46被排出并返回到燃料箱，在所谓的无回流燃料系统中直接返回(当燃料泵12和/或旁通调节器42被接纳在燃料箱中时)，或者通过回流式燃料系统中的燃料管线返回(例如，当燃料泵和/或旁通调节器在燃料箱外部时，例如在燃料轨处，并且燃料被旁通并经由导管返回到燃料箱)。

当流量控制器42两端的燃料压力大于阈值压力时，燃料通过旁通出口46被旁通，并且不被递送到发动机。除了别的之外，这可有助于维持期望的系统压力并满足发动机燃料需求。在至少一些实施方式中，为了确保总是满足发动机燃料需求，燃料泵12可以总是操作以提供至少一些旁通燃料流。也就是说，燃料泵12提供超过瞬时发动机燃料需求的一些燃料，以确保发动机14不缺乏燃料，并有助于支持发动机加速(即增加发动机燃料需求)，除了这样做的其他可能原因。

在至少一个实施方式中，为了检测来自压力调节器42的旁通燃料流的存在和/或大小，提供了传感器48，其响应于由调节器42旁通的燃料的流量或流速。流量传感器48可以与一个或多个控制器联接，包括管理对燃料泵12的功率供应的燃料泵控制器20(如图1中由线49示意性所示的)，以及管理发动机操作的至少一些方面(例如，喷射和/或点火正时等，经由图1中的52所示的有线或无线通信)的发动机控制器50(如由线51示意性所示的)。控制器50可以确定或参与确定发动机燃料需求以及燃料需求是否被满足，并且可以根据响应于例如节流阀位置、发动机速度和/或负荷的一个或多个传感器和/或废气传感器(其可以例如指示提供给发动机的燃料和空气混合物是太稀还是太浓)来这样做。控制器50可以与控制器20通信，例如经由一根或多根线或以无线方式，如图1中的由线54大体上示出的。

在图3的方法60中，可以在62确定发动机需求，并且可以在64以占空比或其他方式驱动泵以超过发动机燃料需求。由流量传感器48确定的旁通流率可以在66确定，并且然后在68，可以将旁通流率与基于提供给燃料泵12的功率水平（例如占空比）下的预期燃料泵性能的预期输出或阈值流率进行比较，该预期燃料泵性能对应于预期或阈值旁通燃料流率。如果旁通流速等于阈值，其中阈值可以包括可接受的流速范围，则泵如预期那样操作，并且过程可以在70处结束。如果来自流量传感器48的输出指示燃料泵12实际上以比预期更高的流速提供燃料，如在72确定的，这将由对于给定的发动机操作条件和给定的燃料泵功率占空比而言比预期更高的旁通燃料流速来指示，则在74可以降低提供给燃料泵12的功率(例如降低的功率占空比)，以避免浪费能量和泵送比需要更多的燃料。该方法然后可以返回到开始(例如步骤62)，以在较低的功率占空比下检查旁通流率。如果来自流量传感器48的输出指示燃料泵12实际上以比预期更低的流速提供燃料，这将由对于给定发动机操作条件和给定燃料泵功率占空比而言比预期更低的旁通燃料流速来指示，这可以指示电刷正在变得被磨损或者燃料泵12由于其他原因(例如，过滤器堵塞等)没有如预期那样操作。作为响应，可以在76处增加燃料泵功率占空比，以将燃料泵输出(以及因此旁通燃料流速)增加到预期水平。燃料泵功率占空比增加的量可以被存储，并且实际上变成用于改变燃料泵功率占空比的校准或校正值以用于未来操作，至少直到燃料泵输出高于预期速率的那个时刻，于是占空比可以降低期望的量。并且该方法然后可以返回到开始(例如步骤62)，以在较高的功率占空比下检查旁通流速。

因此，劣化的泵性能可以通过燃料泵12的操作参数例如功率占空比的反馈控制来克服。此外，系统10可以避免向燃料泵提供低于期望的工作，以首先避免非最佳的电刷磨损，从而降低泵性能降低的可能性和/或延长燃料泵的寿命。虽然显示为与来自压力调节器42的旁通燃料流相关联，但是燃料传感器48可以位于燃料泵出口与发动机14之间的流动路径内。也就是说，在实际递送到发动机14的燃料路径中。此外，通过向发动机14提供更一致的燃料供应(例如，更一致的燃料压力)，可以减少碳氢化合物排放。使用调节器42可以实现更一致的燃料供应，并且因此，不需要更准确的功率控制方案来精确控制燃料泵输出以精密匹配发动机燃料需求。基于旁通流速的控制至少在某种程度上独立于给发动机14的燃料供应，旁通调节器42位于发动机14与旁通流量传感器48之间。

此外，流量传感器48可以比燃料压力传感器更便宜，以提供进一步的经济性，而不牺牲控制燃料泵的能力，如本文所提到的。此外，燃料压力传感器可能有故障或以其他方式脱离校准，并且不能如期望的那样工作，这可能干扰燃料系统10适当地满足燃料需求。此外，在没有任何压力调节器的情况下，快速降低的燃料需求(例如，从节流阀全开到怠速的快速变化)会由于提供满足不再存在的更高需求的燃料而导致系统中的过压状况。因此，系统通常需要压力释放阀，以及因此造成的燃料系统的额外成本和复杂性。在至少一种实施方式中，流量传感器48是开关，其在没有旁通流的状况下具有一种状态(例如打开)和在有旁通流的状况下具有另一种状态(例如关闭)。以这样的方式，系统10可以确定是否存在旁通流，但不必确定旁通燃料流的大小或流速。根据特定应用的需要，不同的流量传感器可用于提供旁通燃料流速的相对的、一般的或精确的指示。因此，该系统可以灵活实施，并以不同的成本水平提供。当然，根据需要，燃料系统10可以包括压力传感器以确定发动机燃料需求或用于其他原因。流量传感器和旁通调节器不一定排除所有系统中的压力传感器。在至少一些实施方式中，流量传感器可以是压力开关，其检测开关处液体压力的存在或不存在，或者与开关连通的液体流中的压力变化。这种压力开关可以测量或检测阀或孔口的上游的压力，例如调节器的上游或调节器的旁通出口上游的压力。

在至少一些实施方式中，燃料泵输出压力可以在200 kPa与500 kPa之间，燃料泵输出流速可以高达每小时300升，燃料压力调节器设定点可以在200-500千帕之间，泵供应电压可以在6-15伏之间，到燃料泵的最小期望电流可以是泵的标称电流值的50%，递送到泵的优选最小电压高于标称电压的60%，并且可以是标称电压的大约75%(加上或减去10%)，燃料压力调节器可以旁通高达每小时300升，并且燃料泵可以在50%与100%之间的占空比下操作。

此外，本文所提到的操作方法和方式也可应用于无刷泵，例如，响应于本文所提到的来自旁通调节器的旁通流，允许控制供应给这种泵的无刷电动马达的功率。也就是说，该系统和方法不限于具有包括有刷换向器的电动马达的泵，也不限于被布置成抑制或防止非最佳电刷磨损的系统和方法。相反，该系统和方法可用于控制供应给带有或不带有电刷的电动马达泵的功率和来自这种电动马达泵的输出流速。

应当理解，前面的描述不是本发明的定义，而是本发明的一个或多个优选实施例的描述。本发明不限于本文公开的（一个或多个）特定实施例，而是仅由下面的权利要求限定。此外，包含在前述描述中的陈述涉及特定的实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或权利要求中使用的术语的定义的限制，除非上面明确定义了术语或短语。对于本领域技术人员来说，各种其他实施例以及对所公开的（一个或多个）实施例的各种改变和修改将变得显而易见。例如，可以替代地使用具有比所示步骤更多、更少或不同的步骤的方法。所有这些实施例、改变和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。

如在本说明书和权利要求中所使用的，术语“例如”、“比如”、“如”、“诸如”和“像”以及动词“包括”、“具有”、“包含”和它们的其他动词形式，当与一个或多个部件或其他项目的列表结合使用时，每个都被解释为开放式的，意味着该列表不被认为排除了其他、附加的部件或项目。除非在需要不同解释的上下文中使用，否则其他术语应使用其最广泛的合理含义进行解释。

Claims (14)

1.一种液体泵送系统，包括：

泵，其包括电动马达和泵出口，液体在压力下通过所述泵出口排出；

控制器，其联接到泵，以改变提供给马达的功率，从而改变从泵出口排出的液体的流速；

压力调节器，其具有与泵出口连通的入口、调节器出口、旁通出口以及压力响应阀，液体由调节器出口从调节器排出，液体通过旁通出口从调节器排出，当液体作用在阀上的压力大于阈值压力时压力响应阀打开以允许液体流过旁通出口；和

流量传感器，其与旁通出口连通，以感测旁通出口处或其下游的液体流速，流量传感器还与控制器通信，以向控制器提供旁通液体流速的指示，其中，所述电动马达包括电刷并且具有最小电流水平，低于最小电流水平，将发生增加的电刷磨损，并且其中，所述控制器根据旁通液体流速以及根据最小电流水平来改变给泵的功率，

其中，当旁通液体流速对于给定发动机操作条件和给定燃料泵功率占空比而言比预期低时，所述控制器增加给所述泵的功率。

2.根据权利要求1所述的系统，其还包括第二控制器，所述第二控制器与联接到泵的控制器通信，所述第二控制器向联接到泵的控制器提供系统中液体需求的指示。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器根据旁通液体流速改变给泵的功率。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量传感器是开关，当在所述开关处没有流量时所述开关具有一种状态，而当在所述开关处有流量时所述开关具有另一种状态。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述开关的一种状态是打开，而所述开关的另一种状态是闭合。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量传感器是压力开关，其检测所述开关处液体压力的存在或不存在，或者与所述开关连通的液体流中的压力变化。

7.一种操作电动马达液体泵的方法，所述电动马达液体泵向具有旁通出口的压力调节器提供液体输出流，在至少一些操作条件下，液体通过所述旁通出口被分流，所述方法包括：

确定通过所述旁通出口的流速或流量是高于还是低于阈值流量；和

响应于通过所述旁通出口的流量，改变提供给泵的马达的电功率，包括当通过所述旁通出口的流量低于所述阈值流量时，增加提供给泵的马达的电功率，

其中，当旁通液体流速对于给定发动机操作条件和给定燃料泵功率占空比而言比预期低时，增加给所述泵的功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个阈值流速为零。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：在存储器中存储提供给泵的功率变化量，以及使用所存储的量作为校准或校正值来改变泵功率占空比以用于泵的未来操作。

10.根据权利要求7所述的方法，其还包括以下步骤：

确定所需的液体流速；

向泵提供一定水平的功率，以使泵以超过所需的液体流速的流速供应液体，并因此使液体流过旁通出口。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所需的液体流速由至少一个传感器确定，至少一个传感器响应于节流阀位置、发动机速度、发动机负荷和/或从发动机排放的废气的一个或多个性质中的一者或多者。

12.一种操作电动液体泵的方法，包括：

确定用于泵的电动马达的最小电流水平；

确定所需的液体流速；

确定所需的液体流速是否对应于小于最小电流水平的电流水平；

如果所需的液体流速对应于小于最小电流水平的电流水平，则以大于使泵满足所需的液体流速所必需的水平向泵的电动马达提供电流；和

旁通以大于所需的液体流速的流速从泵递送的液体，并且其中响应于旁通的液体，向所述电动马达提供电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，选择最小电流水平以减少泵中的电刷的磨损。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，当泵的电动马达被提供大于使泵满足所需的液体流速所必需的电流时，所述方法还包括旁通从泵排出的液体的一部分。

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