用于过滤电压信号的系统的制作方法

文档序号:13985233
用于过滤电压信号的系统的制作方法

本说明书中所公开主题的实施例涉及一种电流驱动系统。



背景技术:

电流驱动系统可以包括经由电缆连接到负载装置(load device)的电源(power supply)。例如,燃料喷射器螺线管(fuel injector solenoid)可以通过由电池提供的电压信号来获得能量供应。当电压源产生的电流沿电缆传送时,将产生电磁场,所述电磁场可以沿电缆传导和/或辐射到周围环境中,称为电磁干扰(electromagnetic interference;EMI)。如果电流驱动系统是开关系统,其中开关以高频断开和闭合以产生例如脉宽调制电压信号,则所述电流驱动系统产生的EMI可能增大。所述EMI可导致干扰附近电子装置和/或可缩短负载装置的寿命。



技术实现要素:

在一个实施例中,系统包括连接到负载装置的多模态滤波器(poly-modal filter)以及设置在所述负载装置与所述多模态滤波器之间的屏蔽件(shield)。所述多模态滤波器包括EMI滤波器和差分共模滤波器(differential-common mode filter)。

在此配置中,根据本发明的多个方面,所述多模态滤波器减少了传导和辐射的电磁辐射。在一个示例中,所述多模态滤波器可以设置在燃料喷射器驱动电路中,其中所述负载装置是断开和闭合燃料喷射器的螺线管。所述多模态滤波器可以滤除由将所述螺线管连接到电源的开关产生的高频高能信号,从而延长所述燃料喷射器的寿命。此外,所述多模态滤波器可以同时抑制(simultaneously reject)差分噪声和共模噪声(differential noise and common mode noise)。通过这种方式,可以避免在所述燃料喷射器驱动电路附近环境中工作的电子装置遭受干扰,同时使所述燃料喷射器驱动电路可操作以便在噪声环境中更强健地运作。

附图说明

图1示出了具有发动机的车辆的一个实施例的示意图。

图2示出了具有多种燃料发动机的气缸的一个示例的示意图。

图3示出了多种燃料发动机的一个示例的示意图。

图4示出了包括多模态滤波器的喷射器驱动系统的一个实施例的示意图。

图5是示出燃料喷射器的诊断方法的一个实施例的流程图。

图6和图7是示出喷射器事件期间的参数的图。

具体实施方式

本说明书中所公开主题的实施例涉及用于减少电子电路中的电磁干扰(EMI)的系统。所述系统可以包括连接到负载装置的多模态滤波器。所述多模态滤波器包括EMI滤波器和差分共模滤波器。所述系统可以进一步包括设置在所述负载装置与所述多模态滤波器之间的屏蔽件。在一个示例中,所述电子电路可以是向发动机的一个或多个燃料喷射器提供脉宽调制(Pulse Width Modulated;PWM)电压信号的燃料喷射器驱动电路(fuel injector drive circuit)。本说明书中所用术语“燃料喷射器”可以指液体燃料喷射器例如柴油燃料喷射器,以及气体燃料进入阀(gaseous fuel admission valves)。图1中示出了包括发动机的示例性车辆。所述发动机可以由一个或多个气缸构成,每个气缸具有设置在其上的一个或多个燃料喷射器,如图2所示。在一些示例中,所述发动机可以是配置成与另外两种燃料一起操作的多种燃料发动机,如图3所示。所述燃料喷射器可以由具有上述多模态滤波器的燃料喷射器驱动电路来控制,如图4所示。所述多模态滤波器可以用于过滤在燃料喷射器处的PWM电压信号并因此而使所述信号平滑。通过所述过滤可以更强健地检测燃料喷射器劣化。图5中所示的流程图示出了用于检测燃料喷射器劣化的示例性方法。图6到图7示出了在燃料喷射器事件期间的示例性过滤和未过滤(filtered and unfiltered)PWM电压信号。

本说明书中所描述的方法可用于各种发动机类型和各种发动机驱动的系统。这些系统中的一些可以是固定的,而其他系统可以是在半移动式平台或移动式平台上的。可在工作周期之间对半移动式平台进行重新定位,如安装在平板拖车上。移动式平台包括自行推进的车辆。此类车辆可包括道路运输车辆以及采矿设备、船舶、轨道车辆和其他非公路车辆(OHV)。为清楚起见,将以机车作为自推进式轨道车辆的示例,并且更广泛地,作为支持包括本发明实施例的系统的移动式平台的示例。

进一步讨论用于减少EMI的方法之前,公开了一个平台的示例,其中发动机可以配置用于诸如轨道车辆等车辆。例如,图1示出了车辆系统100的实施例的框图,其中将所述车辆系统图示成轨道车辆或其他车辆106(例如,机车),配置成经由多个车轮112在轨道102上运行。如图所示,所述轨道车辆包括发动机104。在其他非限制性实施例中,所述发动机可以是诸如发电厂应用等中的固定发动机,或者上述船舶或其他非公路车辆推进系统中的发动机。

所述发动机从进气通道114接收用于燃烧的进气(intake air)。所述进气通道从空气滤波器160接收环境空气,所述空气滤波器将对来自车辆外部的空气进行过滤。由发动机中的燃烧产生的排气将供应到排气通道116。所述排气流动通过所述排气通道,并且流出车辆的排气管。在一个实例中,发动机是通过压缩点火来使空气和柴油燃料燃烧的柴油机。在其他非限制性实施例中,所述发动机可以通过压缩点火(和/或火花点火)替代或附加地燃烧燃料,燃料包括汽油、煤油、天然气、生物柴油或其他类似密度的石油馏出物。

在一个实施例中,所述车辆是柴油电动车辆。如图1所示,所述发动机连接到发电系统(electric power generation system),所述发电系统包括交流发电机/发电机122和电力牵引电动机124。例如,所述发动机是柴油和/或天然气发动机,所述柴油和/或天然气所产生的转矩输出传送到机械连接到所述发动机的发电机。在本说明书中的一个实施例中,所述发动机是用柴油燃料和天然气操作的多种燃料发动机(multi-fuel engine),但在其他示例中,所述发动机可以使用除柴油和天然气之外的多种燃料组合。

所述发电机产生电力,所述电力可以储存并且用于后续传送到多种下游电气部件。作为示例,所述发电机可以电连接到多个牵引电动机,并且所述发电机可以向多个牵引电动机提供电力。如图所示,所述多个牵引电动机各自连接到多个车轮中的一个车轮,以提供牵引力来推进车辆。一个示例性配置包括每个轮组对应一个牵引电动机。如本说明书中所示,六对牵引电动机对应于轨道车辆的六对运动车轮中的每一对车轮。在另一示例中,所述交流发电机/发电机可以连接到一个或多个电阻栅格(resistive grids)126。所述电阻栅格可以配置成通过由所述电阻栅格将交流发电机/发电机产生的电力转化成热量来消耗过量的发动机扭矩。

在一些实施例中,所述车辆系统可以包括布置在进气通道与排气通道之间的涡轮增压器120。所述涡轮增压器增加吸入进气通道的环境空气的充气量,以便在燃烧期间提供更大的充气密度,从而增加功率输出和/或提高发动机运行效率。涡轮增压器可包括至少部分地由涡轮机(未示出)驱动的压缩机(未示出)。虽然在本案中包括单个涡轮增压器,但系统可包括多个涡轮机和/或压缩机级。此外,在一些示例中,所述车辆系统可以附加地或替代地包括增压器,其中压缩机由例如电动机驱动。

在一些实施例中,所述车辆系统可以进一步包括连接在涡轮增压器上游和/或下游排气通道中的后处理系统。在一个实施例,所述后处理系统可以包括柴油机氧化催化剂(DOC)和柴油机微粒过滤器(DPF)。在其他实施例中,所述后处理系统可以附加地或替代地包括一个或多个排放控制装置。所述排放控制装置可以包括选择性催化还原(SCR)催化剂、三元催化剂、NOx捕集器或各种其他装置或系统。在一些示例中,所述后处理系统可以不包括在车辆系统中,并且可以以替代方式来控制发动机排放,例如通过下述排气再循环来控制发动机排放。

所述车辆系统还可以包括连接到发动机的排气再循环(EGR)系统130,所述排气再循环系统将来自发动机排气通道的排气引向涡轮增压器下游的进气通道。在一些实施例中,所述排气再循环系统可以排他地连接到发动机中由一个或多个供体气缸构成的群组(也称为供体气缸系统)。如图1所示,EGR系统包括EGR通道132和EGR冷却器134,用于在排气进入进气通道之前降低排气温度。通过将排气引向发动机,可用于燃烧的氧气量减少,从而降低燃烧火焰温度并减少氮氧化物(例如,NOx)的形成。

在一些实施例中,所述EGR系统可以进一步包括EGR阀,用于控制从发动机排气通道再循环到发动机进气通道的排气量。所述EGR阀可以是由控制器控制的开/关阀,或者例如它可以控制可变量的EGR。如图1的非限制性示例性实施例所示,所述EGR系统是高压EGR系统。在其他实施例中,所述车辆系统可以附加地或替代地包括低压EGR系统,从而将EGR从涡轮机的下游排布到压缩机上游。

如图1所示,所述车辆系统进一步包括冷却系统150。所述冷却系统使冷却剂循环通过发动机以吸收发动机废热并将受热冷却剂分配到热交换器,例如散热器152。风扇154可以连接到散热器,以便在发动机运行的同时车辆缓慢移动或停止的情况下保持气流通过散热器。在一些示例中,风扇速度可以由控制器控制。由散热器冷却的冷却剂进入罐156。然后可以通过水泵或冷却剂泵(未示出)将冷却剂泵送回发动机或车辆系统的另一部件,例如EGR冷却器。

所述车辆进一步包括发动机控制器110(以下称为控制器),用于控制与车辆相关的各种部件。作为示例,所述车辆系统的各种部件可以经由通信通道或数据总线连接到控制器。在一个示例中,所述控制器包括计算机控制系统。所述控制器可以附加地或替代地包括存储器,所述存储器用于存储非暂态计算机可读存储介质(未示出),包括用于实现对轨道车辆操作进行车载监测和控制的代码。

所述控制器可以从多个传感器接收信息,并且可以向多个执行器(actuators)发送控制信号。控制器在监视车辆控制和管理的同时可以配置成接收来自各种发动机传感器的信号,如下文详述,以便确定操作参数和操作条件,并且相应地调节各种发动机执行器来控制车辆的操作。例如,所述发动机控制器可以接收来自各种发动机传感器的信号,包括但不限于发动机速度、发动机负载、进气歧管空气压力、增压压力、排气压力、环境压力、环境温度、排气温度、发动机冷却剂压力、EGR冷却器中的气体温度等。相应地,所述控制器可以通过向诸如牵引电动机、交流发电机/发电机、气缸阀、燃料喷射器、槽口节流阀等多种部件发送命令来控制车辆。其他执行器可以连接到轨道车辆中的各个位置。

所述发动机的每个气缸可以配置成具有用于向其供应燃料的一个或多个燃料喷射器。作为非限制性示例,燃料喷射器可以直接连接到气缸,用于直接向气缸中喷射燃料。以这种方式,所述燃料喷射器将燃料提供到燃料气缸中,这称为直接喷射。所述燃料可以从包括燃料箱、燃料泵和燃料轨的高压燃料系统输送到燃料喷射器。在一个实例中,所述燃料是在发动机中通过压缩点火燃烧的柴油燃料。在其他非限制性实施例中,所述燃料可以是通过压缩点火(和/或火花点火)的汽油、煤油、生物柴油或其他类似密度的石油馏出物。此外,如下文更详细所述,所述发动机的每个气缸可以配置成接收作为对柴油燃料的替代或者附加的气体燃料(例如,天然气)。所述气体燃料可以经由进气歧管提供到气缸,如下所述。

图2示出了多气缸内燃机例如上文参照图1所述的发动机的燃烧室或气缸(cylinder)200的实施例。所述气缸可以由容纳下述进气阀和排气阀以及液体燃料喷射器的气缸盖201,以及气缸体203限定。

所述发动机可以至少部分地由包括控制器110的控制系统控制,所述控制器可以进一步与车辆系统例如上文参照图1所述的机车进行通信。如上所述,所述控制器可以进一步接收来自多种发动机传感器的信号,包括但不限于发动机速度、发动机载荷、增压压力、排气压力、环境压力、CO2浓度、排气温度、NOx排放,来自连接到冷却套管228的温度传感器230的发动机冷却剂温度(ECT)等。相应地,所述控制器可以通过向诸如交流发电机、气缸阀、节流阀、燃料喷射器等多种部件发送命令来控制车辆系统。

所述气缸(即,燃烧室)可以包括气缸衬里(cylinder liner)204,所述活塞衬里具有位于其中的活塞206。所述活塞可以连接到曲轴208,以使活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。在一些实施例中,所述发动机可以是四冲程发动机(four-stroke engine),其中每个气缸在曲轴的两转(two revolutions of the crankshaft)期间内按点火顺序点火。在其他实施例中,所述发动机可以是二冲程发动机,其中每个气缸在曲轴的一转期间内按点火顺序点火。

所述气缸从包括进气通道210的进气口接收用于燃烧的进气。所述进气通道经由进气歧管接收进气。例如,所述进气通道除可以与气缸200连通外,还可以与发动机中的其他气缸连通,或者所述进气通道可以仅与气缸200连通。

由发动机中的燃烧产生的排气将供应到包括排气通道212的排气口。在一些实施例(图2中未示出)中,排气经由所述排气通道流动到涡轮增压器,并且经由排气歧管流动到大气中。例如,所述排气通道除可以从气缸200接收排气之外,可以进一步从发动机中的其他气缸接收排气。

所述发动机的每个气缸可以包括一个或多个进气阀和一个或多个排气阀。例如,所述气缸图示成包括位于气缸上部区域中的至少一个进气提升阀(intake poppet valve)214以及至少一个排气提升阀216。在一些实施例中,发动机的每个气缸,包括所述气缸,可以包括位于气缸盖处的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。

所述进气阀可以由控制器经由执行器218控制。同样,所述排气阀可以由控制器经由执行器220控制。在一些条件下,所述控制器可以改变提供给执行器的信号,以控制相应进气阀和排气阀的打开和关闭。所述进气阀和排气阀的位置可以分别由相应的阀位传感器(valve position sensors)222和224以及/或由凸轮位置传感器确定。阀致动器可为例如电子阀致动类型或凸轮致动类型或其组合。

可同时控制进气阀和排气阀正时或可使用可变进气凸轮正时、可变排气凸轮正时、双独立性可变凸轮正时或固定式凸轮正时中的任何可能的一个。在其他实施例中,所述进气阀和排气阀可由公共阀致动器或致动系统,或可变阀正时致动器或致动系统来控制。另外,进气阀和排气阀可由控制器基于操作条件进行控制以具有可变升程。

在更进一步的实施例中,可以使用机械凸轮凸角(mechanical cam lobe)来打开和关闭进气阀和排气阀。此外,尽管上文描述了四冲程发动机,但是一些实施例中可以使用二冲程发动机,其中可以省去进气阀并且气缸壁中设有端口以在活塞移动打开端口时允许进气进入气缸中。这种方法也可以用于排气,尽管在一些示例中可以使用排气阀。

在一些实施例中,发动机的每个气缸可配置成具有用于向所述气缸提供燃料的一个或多个燃料喷射器。作为非限制性示例,图2示出了包括燃料喷射器226的气缸。所述燃料喷射器图示成直接连接到气缸,以直接向其中喷射燃料。以这种方式,所述燃料喷射器向燃料气缸中提供燃料的直接喷射。所述燃料可以从第一液体燃料系统232输送到燃料喷射器,其中所述第一液体燃料系统包括燃料箱、燃料泵和燃料轨(如上文相对于图3更详细地描述)。在一个实例中,所述燃料是在发动机中通过压缩点火燃烧的柴油燃料。在其他非限制性实施例中,所述燃料可以是通过压缩点火(和/或火花点火)的汽油、煤油、生物柴油或其他类似密度的石油馏出物。

此外,所述发动机的每个气缸可以配置成接收作为对柴油燃料的替代或者附加的气体燃料(例如,天然气)。所述气体燃料可以经由进气歧管提供到气缸,如下所述。如图2所示,进气通道可以经由位于气缸上游的一个或多个气体燃料管线、泵、压力调节器等从第二气体燃料系统234接收气体燃料供应。在一些实施例中,所述气体燃料系统可以位于远离发动机的位置,例如位于另一车辆上(例如,位于燃料输送车)上,并且所述气体燃料可以经由横跨独立车辆的一个或多个燃料管线供应到发动机。但在其他实施例中,所述气体燃料系统可以与发动机位于同一车辆上。

多个进气阀,如进气阀236可以配置成经由相应的进气通道将气体燃料从气体燃料系统供应到每个相应的气缸。例如,可以调节所述进气阀的开度和/或打开持续时间以调节提供给气缸的气体燃料量。因此,可以向每个相应气缸提供来自单个进气阀的气体燃料,从而能够对提供到气缸的气体燃料量进行逐缸控制。但在一些实施例中,可以使用单点熏蒸系统(single-point fumigation system),其中气体燃料在气缸上游的单个点处与进气混合。在所述构造中,可以为每个气缸提供大体相似量的气体燃料。为调节由单点熏蒸系统提供的气体燃料量,在一些示例中,可以将气体燃料控制阀设置在气体燃料供应管线与发动机进气供应管线或进气歧管之间的接头处。可以调节气体燃料控制阀的开度和/或打开持续时间以调节进入气缸的气体燃料量。在其他示例中,单点熏蒸系统中进入气缸中的气体燃料量可以通过另一种机制来调节,例如通过控制气体燃料泵等来控制气体燃料调节器。

图3示出了发动机104的多个气缸,包括气缸200、气缸302、气缸304和气缸306。尽管图3中示出了四个排成一列的气缸,但是这种布置是非限制性的,并且可以采用其他发动机配置。例如,所述发动机可以是V-6、V-8、V-12、V-16、I-6、I-8或其他发动机类型。可以向所述发动机供应以下项中的一项或多项:来自液体燃料系统的液体燃料以及来自气体燃料系统的气体燃料。因此,所述发动机的每个气缸均包括液体燃料喷射器,包括喷射器226以及喷射器308、310和312。每个液体燃料喷射器从公共燃料轨314获得液体燃料供应。所述公共燃料轨可以从液体燃料箱316(例如柴油燃料储存箱)获得燃料供应。所述燃料可以经由燃料供应管线320和一个或多个燃料泵例如泵318,以高压提供到燃料轨。液体燃料系统中的液体燃料可以是柴油燃料或另一种液体燃料,例如汽油、酒精等。此外,尽管图3中示出了公共燃料轨系统,但是可以使用非共轨单元泵喷射系统。

发动机的每个气缸可以类似地包括供应气体燃料的进气阀,包括进气阀236以及进气阀322、324和326。每个进气阀可以设置在相应气缸的进气通道中或其他合适位置。所述进气阀可以从气体燃料通道328获得气体燃料供应,例如天然气。所述气体燃料通道可以经由气体燃料供应管线332接收来自气体燃料箱(例如LNG储存箱330)的气体燃料。在一些示例中,LNG储存箱可以位于远离发动机的位置,例如位于燃料输送车(fuel tender)上,并且可以经由流体联轴器向气体燃料供应管线供应燃料。在其他示例中,所述气体燃料储存箱可以与发动机位于同一车辆上。此外,在一些实施例中,可以省去(dispensed with)各个进气阀,并且可以从上游单点熏蒸系统向所有气缸供应相同的气体燃料/进气混合物。

每个气缸的每个液体燃料喷射器以及每个气缸的每个进气阀可以由控制器(例如控制器110)单独控制,以实现对燃料供应的逐缸控制。因此,每个气缸可以用不同含量的液体燃料和/或气体燃料来操作。在一些实施例中,液体燃料喷射器可以由与控制进气阀的控制器不同的控制器来控制。此外,在气体熏蒸系统中并非对各个进气阀进行控制,而是单个气体燃料控制阀或其他气体燃料控制元件可以由控制器控制,以调节进入气缸中的气体燃料量。

在一个示例中,气体燃料和空气的混合物可以经由进气通道并且在一些实施例中经由进气阀提供给气缸200。之后在压缩期间,柴油燃料可以经由燃料喷射器226喷射到气缸200中。可以通过压缩点火点燃柴油,然后点燃气体燃料。每个发动机气缸都可能发生类似的燃烧事件。

每个燃料喷射器和进气阀可以由燃料喷射器驱动电路控制(例如,打开和关闭)。在一些示例中,每个燃料喷射器和进气阀可以由单独的驱动电路控制。在图3所示的示例中,两个液体燃料喷射器和两个进气阀由同一驱动电路例如第一驱动电路336控制。因此,可以存在多个驱动电路(例如,第N个驱动电路338),用于驱动所有燃料喷射器和进气阀。每个驱动电路可以至少部分地容纳在控制单元334中。所述控制单元可以与控制器110分离但与其通信,或者所述控制单元可以是所述控制器的一部分。如图所示,所述第一驱动电路连接到并且可操作以控制气缸200的燃料喷射器226和进气阀236以及气缸302的燃料喷射器308和进气阀322。通过在一个电路上包括多个注射器,可以减少一些部件的使用。此外,通过在同一电路上包括一些液体燃料喷射器和一些进气阀,使得用来驱动每个喷射器/进气阀的时间交错(staggered),从而允许在一个回路上设有更多喷射器/阀。

在一些车辆中,所述控制单元可以位于相对远离发动机、燃料喷射器和进气阀的位置。在图3所示的示例中,所述控制单元可以位于独立于发动机的单独车厢(cab)中,例如位于辅助车厢中。此外,所述发动机本身可能相对较大,特别是当发动机包括12或16个气缸时。因此,将控制单元连接到燃料喷射器和进气阀的导线(wires)(也称为线束(harnesses))可以相对较长,例如高达50英尺(例如,15米)。随着指定线束的长度增大,所述驱动电路中的阻抗(impedance)也增大,进而导致产生的电磁场增大,从而导致电磁辐射增大。此外,每个驱动电路可以包括用于产生脉宽调制电压信号的开关。一些驱动电路可以配置成以相对较高的频率例如100kHz驱动它们各自的开关,并且一些燃料喷射器可能利用高峰值电流,例如26安培,从而使高压电源(例如110V)成为必要。所述高开关频率和高电压信号与长线束一起可能引起显著的EMI。所述EMI可能与其他电子装置例如存在于发动机上的传感器(例如,NOx传感器)相互作用并干扰所述电子装置。

为防止对附近部件的EMI辐射,本说明书中所述的驱动电路可以包括一个或多个EMI滤波器。在一个示例中,包括在所述驱动电路中的EMI滤波器可以是多模态的,其中对多种类型的EMI进行滤波和/或抑制。EMI滤波器可以去除高频谱能(例如,100kHz及其谐波),从而防止高频谱能到达线束处,否则它将行进到燃料喷射器并消散在其中。所述EMI滤波器可以进一步抑制差分噪声和共模噪声。

图4中示出了示例性电路图400,其中示出了驱动回路,如第一驱动电路336电路。如上所述,所述第一驱动电路控制一组的两个气缸的液体燃料喷射器和进气阀。每个燃料喷射器和进气阀包括螺线管,其中当所述螺线管通电时,将打开燃料喷射器或进气阀。所述第一驱动电路将电源连接到一个或多个选定燃料喷射器和进气阀,以向相应螺线管提供脉宽调制电压信号。一旦指定螺线管中的电流达到打开阈值,则所述螺线管发生作用,使相应燃料喷射器或进气阀打开,从而允许燃料流动通过其中。随后,一旦电流下降到关闭阈值以下,则所述螺线管将关闭所述燃料喷射器或进气阀。为将指定螺线管保持在指定电流范围内,可以基于来自设在驱动电路中的电压和/或电流传感器的反馈来调节所述PWM电压信号。

所述驱动电路包括电源402。所述电源可以包括电池、电容器、交流发电机或其他适当电源中的一者或多者。来自电源的电压提供给多个螺线管,这些螺线管图示成第一螺线管404、第二螺线管406、第三螺线管408和第四螺线管410。所述多个螺线管中的每个螺线管连接到相应的燃料喷射器或进气阀。在一个非限制性示例中,所述第一螺线管可以连接到图3的燃料喷射器226,所述第二螺线管可以连接到图3的进气阀236,所述第三螺线管可以连接到图3的燃料喷射器308,并且所述第四螺线管可以连接到图3的进气阀322。每个螺线管连接到相应的低侧(例如,电流返回)线路,以对每个螺线管形成完整的电路。所述驱动电路还可以包括环流二极管(catch diode)432,所述环流二极管图示成连接到低侧线路。

所述螺线管的电压供应可由开关412控制。在图示的示例中,开关412位于高侧(high-side)(例如,电流供应)线路中,因此可以称为高侧开关。所述高侧开关可以是场效应晶体管(FET)或其他适当开关。所述高侧开关可以接通和关断(例如,断开和闭合)以产生脉宽调制(PWM)电压信号。所述高侧开关及因此PWM电压信号的控制可以由控制单元如图3所示控制单元334执行,以便使目标电流流动通过指定螺线管。可以基于来自一个或多个电压传感器和一个或多个电流传感器,例如电压传感器452和电流传感器454的反馈来调节PWM电压信号,以达到和/或维持指定电流。每个螺线管可以根据单个电压和电流传感器的输出进行控制,或者电压传感器和电流传感器可以定位成使一个电压和电流传感器能够测量所有螺线管的电压和电流。此外,每个低侧线路包括接地的相应低侧开关(包括用于第一螺线管的低侧开关430、用于第二螺线管的低侧开关438、用于第三螺线管的低侧开关444以及用于第四螺线管的低侧开关450),所述低侧开关可以用作喷射器选择器,因为如果其低侧开关闭合,则电流将仅提供给指定螺线管。

因此,可以控制高侧开关以产生未滤波的PWM电压信号,如果一个或多个低侧开关闭合,则所述PWM电压信号将使电流流动到并通过一个或多个螺线管。如果所述未滤波的PWM电压信号到达螺线管,则将螺线管连接到所述开关的线束可能辐射出显著的EMI。此外,高频信号将消散在螺线管中,致使燃料喷射器和进气阀过早劣化(premature degradation)。因此,所述驱动电路包括用于减少传导和辐射EMI的多模态滤波器401,如下所述。所述多模态滤波器可以连接在高侧开关附近。在一些示例中,所述高侧开关和多模态滤波器可以容纳在控制单元中,如图3所示的控制单元334中。

所述多模态滤波器包括EMI滤波器405。所述EMI滤波器用作低通滤波器(low-pass filter),将来自未滤波PWM电压信号的高频信号内容再循环(recirculates)。如图所示,所述EMI滤波器包括滤波电感器414、滤波电容器416以及包括电阻器418和电容器420的阻尼网络。所述滤波电感器具有连接到高侧开关的第一侧以及连接到滤波电容器第一侧和阻尼网络第一侧的第二侧。所述电容器和阻尼网络的第二侧经由整流二极管(commutational diode)422各自接地并返回到滤波电感器的第一侧。

所述EMI滤波器是一种低通模拟电源滤波器,可显著降低与PWM电压信号相关的高频信号内容(content)。PWM信号是占空比与预期输出电压成比例的高频方波。若不使用EMI滤波器,则系统中的线束呈现高频内容高电压PWM驱动信号,并且电流仅通过燃料喷射器阻抗进行低通滤波。所述EMI低通滤波器在控制单元内以小环路(tight loop)循环高频能量。

由于电路中存在EMI滤波器,因此也产生了一个滤波扼流圈(filter choke),它在短路条件下可自然形成摆动受限(slew-limited)的电流轮廓(current profile)。所述滤波扼流圈使电路能够有足够的时间断开高侧开关并防止短路故障。若不采用限流/摆动装置为故障条件提供足够的感测和响应时间,可能难以使用FET开关(例如高侧开关)成功实现短路保护。

所述多模态滤波器进一步包括差分共模滤波器425。所述差分共模滤波器可以同时抑制差分噪声和共模噪声。在图示的示例中,差分滤波可以由位于高侧线路中的电感器423以及位于每个低侧线路中的相应电感器如电感器426、电感器434、电感器440和电感器446来执行。所述共模滤波可以由连接到机壳接地的电容器执行,包括位于高侧线路中的电容器424和位于低侧(low-side)线路中的相应电容器(例如,电容器428、电容器436、电容器442和电容器448)。高侧线路中的电感器423可以与相应低侧线路中的每个电感器产生互感电压,其中相应低侧线路中的每个电感器(例如,电感器426、电感器434、电感器440和电感器446)的极性用点标记。如图4所示,当电流“进入”带点端子电感器423中时,在低侧线路中的相应电感器中所感生的电压的基准极性在其带点端子处为正。当电流“离开”低侧线路中相应电感器的带点端子时,高侧线路中的电感器中所感生的电压的基准极性在其带点端子处为负。

因此,共模滤波器防止高频辐射,并且差分滤波器可提高系统效率。如不采用差分滤波器,共模滤波可能低效,因为PWM开关必须将共模滤波电容器驱动到机壳接地,致使PWM开关中存在高功耗。

在一些示例中,所述线束可以由一个或多个屏蔽件屏蔽,例如屏蔽件460。所述屏蔽件可以包括铜网、铝网或其他金属网,铜带螺旋绕组、导电聚合物层或其他适当组合物。所述屏蔽件用作法拉第笼(Faraday cage),以减少影响信号的电噪声,并减少可能干扰其他装置的电磁辐射。

因此,图4所示的喷射器驱动电路包括多模态滤波器,用于减少传导EMI和辐射EMI,从而防止可能干扰外部电子装置的电磁辐射,并且防止驱动电路周围环境中的EMI干扰驱动电路的部件。尽管图4所示多模态滤波器是相对于用于驱动多个燃料喷射器和进气阀的电路进行描述的,但是应当理解,所述多模态滤波器可用于对其他类型电路中的EMI进行滤波。所述多模态滤波器将过滤高频高能信号内容,从而使负载接收装置(例如燃料喷射器螺线管)处的电压信号平滑。所述平滑电压信号可以实现强健地对燃料喷射器劣化进行检测,如下文参照图5所述。

现在转向图5,其中示出了用于诊断燃料喷射器的方法500。方法500可以根据存储在电子控制器分别如图1和图3所示控制器110和/或控制单元334上的非暂态指令,结合一个或多个传感器和执行器如电压传感器452和电流传感器454执行。

在502中,方法500包括产生用于打开燃料喷射器的PWM电压信号。可以产生PWM电压信号以在打开阈值处使电力流动通过燃料喷射器螺线管,以打开燃料喷射器并将电流维持在基准电流轮廓,从而将喷射器保持在打开位置。可以基于预期发动机输出来选择基准电流轮廓(例如,可将燃料喷射器打开选定的持续时间,以提供实现预期发动机输出所需的必要燃料量)。图6中示出了用于打开燃料喷射器的示例性电流波形,如下文更详细地所述。所述PWM电压信号可以由多模态滤波器进行滤波,如上文参照图4所述。

在504中,使用上述电压和电流传感器测量穿过螺线管的电压和电流。所述电压和电流读数可用作控制PWM电压信号的反馈,并且可以在燃料喷射事件的持续时间内进行采样。在506中,基于电流和电压来确定燃料喷射器的阻抗。

在508中,方法500包括确定阻抗变化在燃料喷射事件的持续时间内是否达到预期量。燃料喷射器的螺线管可以在获得供能时(例如,在打开阈值电流下)移动喷射器针,并且所述运动可导致螺线管的阻抗改变。例如,当所述针移动以打开燃料喷射器时,喷射器的阻抗可能增大。如果阻抗变化量没有达到预期量,则可以指示喷射器卡死在(stuck)打开或关闭位置。

因此,如果在508中确定阻抗改变量确实达到预期量,则方法500行进至510,以指示不存在燃料喷射器劣化并维持当前的操作参数,其中可以包括在之后的燃料喷射器上执行方法500。如果阻抗改变量未达到预期量,则方法500行进至512,以指示燃料喷射器的劣化并采取默认动作。所述默认动作可以包括以下项中的一项或多项:通过故障指示器通知发动机操作者(例如,其中安装有发动机的车辆的操作者)和/或设置诊断代码,如514中所示。此外,在一些示例中,响应于燃料喷射器劣化的指示,可以调节发动机操作参数,其中可以包括关闭发动机,如516中所示。卡死在打开或关闭位置的燃料喷射器可能导致发动机劣化,因此在一些示例中,一旦确定了燃料喷射器劣化,发动机可以自动关闭。但是在其他示例中,特别是如果燃料喷射器被确定为卡死在关闭位置,则发动机仍然能够操作,但是可以调节某些操作参数以补偿劣化的喷射器。例如,发动机可以在发动机输出降低的情况下操作,其中连接到劣化燃料喷射器的气缸停用。在另一个示例中,如果劣化燃料喷射器是气体燃料喷射器(例如进气阀),则气缸可以仅使用液体燃料。方法500随后返回,例如以对之后的燃料喷射器执行所述方法。

图6是示出燃料喷射器事件期间的示例性参数的图600。时间沿垂直轴示出,并且每个相应参数(电流和电压)沿水平轴示出。图6中的第一子图602示出了液体燃料喷射器的典型喷射循环期间喷射器中的受控电流608。第二子图604示出未滤波的PWM电压。参照图4,所述电压是到EMI滤波器的输入。在此示例中,所述PWM信号是占空比控制在反馈环路中的100kHz方波,其中所述反馈环路设计成跟踪喷射器线圈中的预期基准电流轮廓。第三子图606示出经滤波的PWM电压。所述信号是在喷射器线圈处所示的电压,并且比未滤波的PWM电压更平滑。

图7是示出与图6中的未滤波和已滤波PWM电压信号相关联的功率谱的图700。在此图中,预期信号光谱含量(spectral content)低于10kHz。这两条曲线都表示100kHz的高频能量及其全部谐波;但是经滤波的PWM电压(黑线)中的谱能比预期的低频谱能分量低15dB以上。未滤波电压中的谱能高于预期的低频谱能分量。EMI滤波器可涵盖所有高频谱能(100kHz及其谐波)。

提供了用于控制驱动电路中的电磁干扰(EMI)的系统实施例。所述系统包括电源;负载;将电源连接到负载的线束;连接到线束的屏蔽件;以及连接在电源与负载之间的EMI滤波器。所述EMI滤波器包括差分滤波器和差分共模滤波器。在一个示例中,差分滤波器包括电感器、电容器和阻尼网络,其中所述阻尼网络包括电阻器和电容器。在一个示例中,所述差分共模滤波器包括第一电感器和电容器组以及第二电感器和电容器组,其中每个电容器均接地。在一个示例中,所述负载是螺线管。所述螺线管可以打开发动机的液体燃料喷射器和/或气体燃料进入阀。

所述系统进一步包括连接在所述电源与所述负载之间的开关,所述开关配置成由控制单元打开和切断,以从所述电源向所述负载生成脉宽调制信号。所述差分滤波器可以连接在开关与负载之间,并且所述差分共模滤波器可以连接在差分滤波器与负载之间。

用于控制电磁干扰(EMI)的系统的另一实施例可以包括在有轮车辆中,例如机车、汽车、牵引车或其他有轮车辆。所述系统包括用于向有轮车辆的发动机的气缸供应燃料的燃料喷射器;以及驱动燃料喷射器的驱动电路。所述驱动电路包括:电源;将电源连接到燃料喷射器的线束;连接到线束的屏蔽件;以及连接在电源与负载之间的EMI滤波器。所述EMI滤波器包括差分滤波器和共模滤波器。

在一个示例中,所述线束包括高侧线路和低侧线路。所述驱动电路可以进一步包括:位于高侧线路上的电源与燃料喷射器之间的高侧开关,以及用于控制所述高侧开关从电源向燃料喷射器产生脉宽调制信号的控制单元。所述控制单元可以位于独立于发动机的有轮车辆驾驶室中,并且所述线束可以从控制单元延伸到燃料喷射器。

另一个实施例涉及一种用于控制有轮车辆中的电磁干扰(EMI)的系统。所述系统包括:具有至少两个气缸的发动机,每个气缸具有向其供应液体和气体燃料的液体燃料喷射器和气体燃料进入阀;以及驱动电路,用于驱动所述至少两个气缸中的两个气缸的每个液体燃料喷射器和气体燃料进入阀。所述驱动电路包括:电源;从电源到供电节点的第一电缆(例如,高侧线路);第一电缆中的高侧开关;第一电缆中的差分滤波器;以及差分共模滤波器,其中所述差分共模滤波器包括位于所述第一电缆中的第一电容器电感器组以及多个第二电容器电感器组,每个液体燃料喷射器和气体燃料进入阀包括经由相应供应管线连接到供应节点的螺线管,每个螺线管经由相应第二电缆(例如,低侧线路)连接到相应的第二电容器电感器组,每个螺线管经由相应的低侧开关接地。

所述差分滤波器包括电感器、电容器和阻尼网络,其中所述阻尼网络包括电阻器和电容器。每个相应第二电容器电感器组连接在相应螺线管与低侧开关之间。所述电源配置成向第一电缆提供90-120V范围内的电压。在一个示例中,所述电源提供110V的电压。所述系统进一步包括控制单元,用于控制高侧开关和每个相应的低侧开关,所述高侧开关可控制成以在每秒90,000到110,000次范围内的速率切换。

系统的实施例包括连接到负载装置的多模态滤波器;设置在所述负载装置与所述多模态滤波器之间的屏蔽件;并且所述多模态滤波器包括EMI滤波器和差分共模滤波器。所述EMI滤波器可操作以过滤高频谱能,从而使所述高频谱能被控制单元内的EMI滤波器所抑制。所述EMI滤波器产生滤波扼流圈,从而响应于短路形成摆动受限的电流轮廓。所述滤波扼流圈能够提供使控制单元响应于短路而打开高侧开关的阈值时间量。所述差分共模滤波器可以同时抑制差分噪声和共模噪声。在一个示例中,所述负载装置可以是螺线管。所述螺线管可以连接到发动机的液体燃料喷射器或进气阀。所述系统进一步包括可操作以向负载装置产生脉宽调制信号的开关。

系统的另一个实施例包括:可操作以产生脉宽调制电压信号的开关;包括EMI滤波器和差分共模滤波器的多模态滤波器,所述多模态滤波器可操作以产生经滤波的脉宽调制电压信号,以控制发动机的燃料喷射器的螺线管;设置在螺线管与多模态滤波器之间的屏蔽件;以及控制单元。所述控制单元配置成基于螺线管的基准电流轮廓来控制所述开关,并且基于经滤波的脉宽调制电压信号以及螺线管上的感测电流来指示燃料喷射器的劣化。

所述控制单元配置成基于经滤波的脉宽调制电压信号和感测电流来确定螺线管的阻抗,并且如果所述阻抗在指定时间段内的改变小于阈值量,则所述控制单元配置成指示所述燃料喷射器已劣化。所述控制单元配置成响应于所述燃料喷射器的劣化指示而调节一个或多个发动机操作参数。

所述EMI滤波器可操作以可过滤高频谱能,因此使高频谱能被EMI滤波器所抑制,并且其中所述差分共模滤波器同时抑制差分噪声和共模噪声。所述系统进一步包括连接在多模态滤波器与螺线管之间的线束,其中所述屏蔽件连接到所述线束。所述多模态滤波器可以容纳在控制单元中。

系统的另一实施例包括:具有多个气缸的发动机,所述多个气缸布置成一组或多组的两个气缸,每个气缸包括液体燃料喷射器和与其连接的进气阀;以及至少一个驱动电路,每个驱动电路连接到相应一组的两个气缸。每个驱动电路包括:多模态滤波器,所述多模态滤波器连接到相应一组的两个气缸的每个液体燃料喷射器和进气阀的每个螺线管;屏蔽件,所述屏蔽件设置在所述多模态滤波器与相应一组两个气缸的每个液体燃料喷射器和进气阀的每个螺线管之间;并且所述多模态滤波器包括EMI滤波器和差分共模滤波器。

所述EMI滤波器包括电感器、电容器和阻尼网络,所述阻尼网络包括电阻器和电容器,从而过滤高频谱能以免其到达相应的螺线管。所述差分共模滤波器包括高侧电感器和电容器以及多个低侧电感器和电容器组,每个低侧电感器和电容器组连接到相应一组的两个气缸的每个液体燃料喷射器和进气阀的相应螺线管,从而防止差分噪声和共模噪声到达每个相应的螺线管。

所述驱动电路进一步包括可操作以产生脉宽调制电压信号的开关。所述脉宽调制电压信号可以在90-120V的范围内,并在90-110KHz范围内的频率下切换。

如本说明书中所使用,除非明确排除,否则以单数形式表示并前跟字词“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤。此外,对本发明的“一个实施例”的参考并不旨在解释为排除存在同样包含所述特征的额外实施例。此外,除非明确指出相反情况,否则“包含”、“包括”或“拥有”具有特定性质的某个元件或多个元件的实施例可包括不具有所述性质的其他此类元件。术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作对应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明语言等效物。另外,术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签,并且并不旨在对它们的对象强加数字要求或特定位置顺序。

本说明书使用多个实例来公开本发明(包括最佳模式),并且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定,并可包含所属领域的普通技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同,或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别,则此类实例也应在权利要求书的范围内。

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