在超速自致动状况下限制泵流量的制作方法

专利名称：在超速自致动状况下限制泵流量的制作方法
技术领域：
本发明 一般地涉及电子控制的但具有超速自致动模式的液体泵，更特 别地涉及在超速自致动状况下限制泵流量。
背景技术：
很多内燃机都配备有共轨燃料喷射系统。在这些系统中，高压液体泵 代表性地从输送泵接收加压的燃料，该输送泵从低压蓄液器抽取燃料。高 压泵将燃料加压到喷射水平并供给到共轨中。多个单独的燃料喷射器流体 连接到共轨，并提供将燃料喷射到发动机的各个气缸中的装置。这些泵代 表性地被电子控制以便独立于发动机速度控制泵的输出，从而通过由常规 电子控制器产生的合适的电子信号控制轨压。这些泵代表性地经由连接到 发动机曲轴的齿轮系而被直接驱动。然而，泵的输出通常经由电子控制阀 来控制，该阀确定各个泵送冲程向共轨产生多少输出。某些这种泵还包括 当压力升高到某一确定的阈值时打开以防止过压对泵或共轨燃料喷射系统 中的其它部件造成损坏的被动减压阀。尽管某些这种泵配设有减压阀，减 压阀却具有固有的流量容量。因此，很重要的是在所有可预期的泵工作状
况下都以防止减压阀由于超过其流量容量而被淹没(overwhelmed)的方 式操作泵。
在某些少有的情况下，发动机可能经历所谓的"超速"状况。超速状 况的一个示例可以是大型货车在下坡时利用发动机向货车施加减速力的情 况。在这种条件下，发动机速度可能上升到高于与超速状况相应的RPM 水平，如3000-4000RPM的范围。在该范围内，工程师们观察到某些共轨 高压泵会经历自致动模式，在该自致动模式中泵本身内的液体流和/或其它
4力使输出控制阀自致动，导致即使在没有控制信号指令输出的情况下泵也 产生实际的输出。例如，共轨燃料系统的某些液体泵利用了锁闭式
(latching)溢出阀，该锁闭式溢出阀利用液力锁闭以在通常的泵工作中在 泵送冲程中保持溢出阀关闭。这代表性地通过包括如下的溢出阀来实现， 该溢出阀在背离泵送腔的方向上朝向关闭位置移动并且包括暴露于泵的泵 送腔中的流体压力下的关闭液压表面。在自致动模式中，当不存在经由常 规的电致动器^f吏溢出阀关闭的控制信号时，可通过在溢出阀附近的流体流 动使该溢出阀关闭。因此，在这些超速状况下，共轨可能不需要流体，但 是泵在产生实际的输出量的高速下工作。在某些情况下，如果超出减压阀 的容量则可能存在出现过压状况的危险。
授予Osuka等人的美国专利5 277 156公开了一种高压泵，该高压泵 不包括减压阀，但是具有用于处理潜在的自致动超速状况的策略。与上述 泵相似，Osuka等人的泵包括锁闭式溢出/填充阀，允许溢出阀被短时电流 致动而不是在整个泵送沖程期间向该溢出阀供给电流。在Osuka等人的系 统检测到自致动超速状况的少有情况下，起动电子控制器中的专用逻辑， 连续地供给电流以在整个回位和泵送冲程期间使溢出/填充阀保持关闭直 到超速状况减退。因此，在正常工作状况下，为了由泵提供正常输出控制， 仅需为Osuka等人的泵提供短时电流脉冲。然而，在超速自致动状况下， Osuka等人的系统必须在整个回位和泵送冲程期间同时向用于多个电控溢 出/填充阀中的每一个的电致动器提供连续电流。因此Osuka等人的系统由 于要求同时向与高压泵相关的多个电致动器提供大量的电力而具有潜在的 缺点。
本发明针对上述问题中的一个或多个。

发明内容
一方面， 一种操作液体泵的方法包括在超过溢出阀自致动速度的状况 下旋转泵驱动轴的步骤。在泵柱塞的回位行程期间，通过使联接到溢出阀 的电致动器通电以使溢出阀向关闭位置移动，来限制经过溢出阀进入泵的
5泵送腔内的液体供给。该电致动器在泵柱塞的泵送行程期间被断电，以允 许溢出阀向打开位置移动。在泵送行程期间，经过溢出阀从泵送腔排出液 体。
另 一方面， 一种共轨燃料喷射系统包括流体连接到共轨的多个燃料喷 射器。高压泵流体地位于低压蓄液器与高压共轨之间。电子控制器构造成
向柱塞腔的流入和流出。
又一方面， 一种发动机包括带有经齿轮传动而随发动机曲轴旋转的驱 动轴的高压泵。该高压泵还包括减压阀并流体连接到高压共轨。多个燃料 喷射器也连接到高压共轨。发动机还包括低压蓄液器。最后，还包括用于 在发动机处于超速状况下时将经过减压阀的流量限制成低于减压阀容量的 限制装置。该限制装置包括联接到电控阀的电子控制器，该电控阀与减压 阀不同，并且流体地位于低压蓄液器与高压泵的柱塞腔之间。


图1 M动机的示意图，其中包括高压共轨泵的局部剖开的透视图； 图2是根据本发明的一方面的泵输出限制超速算法的流程图； 图3是对用于图l所示的泵的一个泵送腔的电控阀的控制信号的图； 图4是用于图1的泵的一个泵送腔的泵柱塞位置随时间变化的图； 图5是对配属于图1的泵的第二泵送腔的第二电控阀的控制信号随时 间变化的图6是用于图1的泵的第二泵柱塞位置随时间变化的图。
具体实施例方式
参照图1,发动机IO包括共轨燃料喷射系统12,该共轨燃料喷射系统 包括高压液体泵14和多个燃料喷射器17。泵14由发动机10经由在曲轴 11和泵驱动轴40之间的齿轮系连接结构13直接驱动。泵14经由输送管 路21泵送来自输送泵28的低压燃料。输送泵28经由低压供给管路27从低压蓄液器15抽取燃料。高压泵14经由高压输出通道22向共轨16供给 高压燃料。燃料喷射器17以常规方式流体连接到高压共轨16，各燃料喷 射器经由低压回流管路26流体连接到低压蓄液器15。
在所示实施例中，泵14包括以常规方式响应于凸轮41的旋转而相互 异相地往复运动的一对泵送柱塞31和32。高压泵14的输出由电子控制器 19进行控制，该电子控制器19分别经由通信线路24和25与第一和第二 电控阀34和35通信。为了防止系统12过压，共轨16包括减压阀38,该 减压阀在高于某一预定压力如最大希望轨压的情况下打开。因此，当共轨
16中的压力高于所述预定压力时，减压阀38将会打开并允许过多的流体 以常规方式经由低压管路29朝向低压蓄液器15回流。
由于第一和第二泵送柱塞31和32的控制和泵送特征是相同的，所以 仅说明其中一个的具体特征。特别地，泵送柱塞31在套筒30内往复运动 以将流体移入和移出柱塞腔33。电控溢出阀34包括锁闭式溢出阀体36, 该溢出阀体通常被弹簧43偏压成不与座37接触，但在泵送冲程期间可通 过使电致动器42 (例如螺线管)短时通电而被关闭。在所示的实施例中， 柱塞腔33被电控阀34填充和溢出。特别地，在回位沖程中，低压燃料经 由连接到输送管路21的内部通道路径经过溢出阀体36进入柱塞腔33。在 泵送冲程期间，当溢出阀体36被偏压向其通常的打开位置时，流体经过溢 出阀体36和座37被回移向输送管路21。经由回位弹簧39使柱塞31回位， 该弹簧确保柱塞以常规方式跟随凸轮41的表面移动。尽管所示的实施例示 出向柱塞腔31中的填充和溢出通过相同的电控阀进行，本领域的技术人员 可意识到，本发明还适用于具有单独的填充用流体通道路径和单独的电控 溢出阀的泵，如共同所有的美国专利申请/>净艮20040109768 。
工业实用性
本发明涉及任何电控式液体泵，所述泵可具有发生泵的自致动的高速 模式。尽管本发明示出了经由锁闭式溢出阀控制输出的液体泵，其它泵送 和输出控制机理也在本发明的范围内，只要它们具有自致动模式一一在该 模式中流体流动力或其它现象(例如向心力)导致了在不存在控制信号的情况下自致动的输出控制机理。
在发动机10正常工作期间，曲轴11旋转并经由泵驱动轴40和凸轮 41引起泵柱塞31和32的往复运动。燃料喷射系统12代表性地包括多个 传感器，包括可能的轨压传感器、发动机速度传感器和本领域中已知的其 它传感器，用于以常规方式确定多个燃料喷射器17中的每一个的燃料喷射 正时和燃料喷射量。另外，电子控制器利用已知的电子控制策略来确定所 希望的喷射压力，以该喷射压力控制共轨16中的压力。尽管泵送柱塞31 和32随着凸轮41的凸部的每次旋转而在固定的距离上往复运动，可能仅 需要这种流体运动中的一部分来将轨压维持在所希望的水平上。因此，电 子控制器19还确定在泵送冲程期间应当致动电控溢出阀34和35以关闭各 溢出阀的正时，使得在柱塞腔33内建立压力并使得流体经过位于柱塞腔 33与共轨16之间的出口止回阀(未示出)移动到高压输出通道22中。当 在泵送冲程期间电致动器42被通电时，溢出阀36被向上拉动从而与座37 接触而关闭。然后，在柱塞腔33内迅速建立压力，且流体压力本身使溢出 阀体36保持关闭从而允许流体被移向共轨16。因此，在泵送冲程期间仅 需要对电致动器42进行短时通电，在经由电致动器42将阀关闭之后可使 电致动器断电来保持泵送冲程持续进行。在柱塞31达到上止点并开始其回 位冲程之后，柱塞腔33中的压力降低，经由偏压弹簧43的作用允许溢出 阀体36朝向打开位置移动。在回位冲程期间，经过溢出阀体36将新鲜流 体抽入柱塞腔33中。当泵送柱塞31达到其下止点并为进行另 一泵送冲程 而反向时，流体首先经过溢出阀体36朝向输送管路21回流。当电子控制 器19在泵送冲程期间的某一位置处确定需要将由柱塞31移动的流体供给 到高压共轨16中以保持其压力时，电致动器42被通电且溢出阀体被拉动 从而与座37接触而关闭。因此，本领域的技术人员会意识到，在发动机 IO通常工作期间，来自高压共轨16的燃料被燃料喷射器17消耗，并通过 高压泵14补充以将轨压控制在某个希望的水平上，该水平可能M动机工 作范围而变化。
在发动机10工作期间的某些情况下，共轨16中的压力可能会上升到
833中任何高于该压力的其它流体都会^皮移动 到共轨16中并被移出减压阀38以防止系统12过压。然而，根据减压阀 38的流通面积和其它因素，能够通过减压阀的流体量可能存在限制。换言 之，如果在这种高压水平下要从柱塞腔移出的流体过多，则可以想到，即 使在减压阀38打开时压力也会继续升高到不希望的过压水平。例如，当发 动机10经历超速状况时便可能出现这种情况。在这种情况下，电子控制器 可能指令燃料喷射器17停止喷射燃料，共轨16中的压力处于较高且稳定 的水平，因此泵14需要很少或不需要液体燃料来保持共轨中的压力。然而， 因为泵14和发动机10处于超速状况下，可能由于溢出阀体36周围经过座 37的流动力而发生电控溢出阀34和35的自致动。当发生这种情况时，紧 接在柱塞开始其泵送冲程之后，大量液体流过溢出阀体36使该溢出阀体向 上移动并关闭座37,导致柱塞腔33内的压力迅速升高。然而，减压阀38 可能不具有足够的容量以在超速状况下处理来自柱塞腔的大流量的高压流 体。即使在超速状况下，本发明通过选择性地使用电子控制器19致动电控 溢出阀34和35从而将经过减压阀38的潜在流量减小到其容量内可管理的 水平，解决了潜在问题。
下面再参照图2-6，图1的电子控制器19可包括构造成以常规方式执 行存储在存储器中的程序代码的常规处理器，或者也可以是构造成以相似 的方式工作的专用电路。在图2所示的实施例中，电子控制器将被构造成 包括泵输出限制超速算法50，该算法控制泵14使得当发动机10处于超速 状况下时将经过减压阀38的流量限制在其容量以下。本领域的技术人员可 意识到，每个单独的泵的应用可具有独特的自致动现象开始发生时的速度， 在更高的速度下其减压阀可能被淹没。该超速算法在开始步骤51处起始并 进行到速度条件询问步骤52。在此步骤52中，电子控制器19判定与发动 机速度相关但可以不相同的泵速度是否高于能发生泵自致动的某一水平。 如果为否，则算法进行到结束步骤60。因此，在发动机10正常工作期间， 通过对速度条件询问步骤52的否定回答，会绕开超速算法。然而，如果发 动机恰恰在反映出泵14的可能自致动速度的超速状况下工作，则算法将进
9行到步骤53以设定标记。特别地，算法将希望的轨压设定为0,并将泵输 出持续时间设定为0。这样，步骤53的结果是使电控溢出阀34和35被断 电，使得泵被控制成不产生输出。当在适当的速度下保持溢出阀不通电时， 由于燃料在柱塞腔33与低压供给管路21之间前后移动而不产生输出。算 法然后进行到速度和压力询问步骤54，在该步骤中判定泵是否在不仅高于 自致动水平而且高于超出减压阀38容量的水平的速度下工作。另夕卜，询问 步骤54判定轨压是否高于某一预定高压水平。如果为否，则可能表示处于 自致动模式——其中在该超速状况下共轨和减压阀都具有处理从柱塞腔移 出的流体的容量，并且算法进行到标记检查询问步骤55。在询问步骤55 处，算法检查泵超速标记是否已被转换(toggle)为真。如果为否，算法再 次进行到结束步骤60。
如果判定泵超速标记为真，则算法进行到步骤57以设定或重置参数。 在步骤57,泵,皮再激活，尽管泵输出被设定为O。在步骤58,泵超速标记 被设定为假，并且算法进行到结束步骤60。回到询问步骤54，如果控制器 判定泵在这样高的速度下工作以至于处于会淹没减压阀38的自致动模式， 并且轨压处于或高于某一升高的水平，则算法进行到步骤56,在该步骤中 将泵超速标记设定为真。这时，算法然后进行到步骤59，在该步骤中以由 图3-6的曲线图所反映的方式设定对电控溢出阀的控制信号。特别地，当 处于高的超速状况中时，电子控制器被设定成指令电控溢出阀在回位冲程 的一部分而非全程中关闭，以防止流体经过溢出阀体36进入柱塞腔。尽管 这种作用允许部分地经过溢出阀体36将流体移入和移出柱塞腔，但由于在 回位冲程中柱塞腔33因溢出阀体36关闭而缺乏液体，所以避免了过压。 在这种压力超速自致动状况下所述作用会导致泵中出现气穴现象。
图3-6示出在图2所示的超速算法50的控制下的控制信号(图3和图 5)以及配属于图1的泵14的泵送柱塞31和32的柱塞运动(图4和图6)。 特别地，控制信号80使电致动器42在回位冲程70的主要的但小于全部的 部分中被通电。例如，电子控制器可指令电控阀在上止点前约150度处关 闭然后在约60度或回位冲程的约2/3中使阀34保持关闭。另外，也可根据发动机速度确定阀关闭起始正时和/或阀关闭持续时间。例如，在较高的 速度下，在回位冲程期间的阀关闭持续时间可增加。在超速自致动状况下，
这防止了过多的液体进入柱塞腔33,从而避免了减压阀38被淹没。因此， 当泵送柱塞31进行其泵送冲程71时，该冲程的主要部分仅反映为在回位 冲程中产生的气穴气泡被压扁，极少的液体经过溢出阀体36移入和移出柱 塞腔33，并且流经减压阀38的任何液体都在其容量之内。代表性地，电 致动器在回位冲程70结束之前被断电。这时，液体可流入柱塞腔33,但 当柱塞开始其泵送冲程71时流动迅速反转到相反的方向上，形成自致动状 况。图5和图6中示出另一泵送柱塞32的动作及其相应的电控溢出阀35, 它们除相位外与第一泵送柱塞相同。换言之，配属于电控溢出阀35的电致 动器接收阶跃控制信号81，该信号包括一吸引电流和保持电流以在回位冲 程73的主要部分中将其溢出阀保持在关闭状态。然后，在泵送冲程74的 持续时间内电致动器被断电。
本发明中所反映出的防止过压的策略包括一些细微但重要的优点。首 先，允许将减压阀38的尺寸设计成影响几乎所有的正常工作条件，而不是 使其设计和容量完全受其中在高轨压下可能发生超速自致动状况这样的少 有的情况驱使。因此，本发明可采用较便宜的软件来解决在其它情况下需 要以较昂贵的高容量减压阀解决的问题，用较昂贵的高容量减压阀可能致 4吏对否则可用的泵的完全地再设计。另外，本发明的策略避免了任何加大 向配属于泵14的电致动器供给电流的驱动器的电容量的需要。这在图3 和图5中最佳地示出，其中以在通常的发动机工作模式中各电致动器被通 常地电致动的方式，各个电致动器被分别独立地通电并且从不在相同时间 进行，仅是相位不同。因此，本发明的策略不会使负担过重或要求重新设 计向控制电控溢出阀34和35的电致动器供给电能的电子系统的尺寸。
应当理解，上述说明仅用于示例性目的，而不以任何方式限制本发明 的范围。因此，本领域的技术人员会意识到，通过研究附图、说明书及所 附的权利要求可得到本发明的其它方面、目标和优点。
权利要求
1.一种操作液体泵(14)的方法，该方法包括以下步骤在超过溢出阀自致动速度的状态下旋转泵驱动轴(40)；在泵柱塞(31)的回位行程期间，通过使联接到溢出阀(34)的电致动器通电以使该溢出阀向关闭位置移动，来限制经过溢出阀(34)进入泵(14)的泵送腔(33)内的液体供给；在泵柱塞(31)的泵送行程期间使电致动器断电，以允许溢出阀(34)向打开位置移动；和在泵送行程期间，经过溢出阀(34)从泵送腔(33)排出液体。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述排出步骤包括经 过减压阀(38)从泵送腔(33)排出液体的步骤。
3. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述限制步骤包括在 回位行程(73)的主要但小于全部的部分中保持溢出阀(34)关闭的步骤。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括在回位行程(73 ) 结束之前使电致动器断电的步骤。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括在泵(14)下游的 输出压力小于预定阈值的情况下抑制所述限制步骤的执行的步骤。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括在紧邻在自致动速 度之前的自致动前速度范围内，在泵柱塞(31)的整个回位和泵送行程期 间使电致动器断电的步骤。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括使配属于泵的不同 泵送腔(33)的多个电致动器彼此相位不同地通电，从而使得没有两个电 致动器被同时通电的步骤。
8. —种共轨燃料喷射系统(12 )，该系统包括 高压共轨(16);流体连接到所述共轨(16)的多个燃料喷射器(17); 低压蓄液器(15);流体地位于低压蓄液器(15 )与高压共轨(16)之间的高压泵(14 );和电子控制器(19)，该电子控制器构造成当泵(14)的驱动轴速度超 过溢出阀自致动速度时限制但不消除经过泵(14)的溢出阀(34)向柱塞 腔(33)的流入和流出。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电子控制器(19 ) 构造成将经过减压阀(38)从柱塞腔(33)的流出限制成低于减压阀(38) 的流动容量；以及所述电子控制器(19)构造成致动溢出阀(34)以使之在泵(14)的 柱塞(31)的回位行程的主要但小于全部的部分中关闭。
10. —种发动机(IO)，该发动机包括 发动机曲轴(11);高压泵(14)，该高压泵带有由发动机曲轴(11)经齿轮传动而旋转 的驱动轴(40)，并包括减压阀(38);流体连接到高压泵(14)的输出端的高压共轨(16); 流体连接到高压共轨(16)的多个燃料喷射器(17); 低压蓄液器(15);以及用于在发动机(10)处于超速状况下时将经过减压阀(38)的流量限 制成低于减压阀(38)的容量的限制装置，该限制装置包括联接到电控阀 (34)的电子控制器(19)，该电控阀与减压阀(38)不同，流体地位于 低压蓄液器(15)与高压泵(14)的柱塞腔(33)之间。
全文摘要
在配备有共轨燃料喷射系统(12)的发动机(10)中，发动机(10)有时会经历超速状况，泵(14)可能响应于该超速状况即使在无控制信号的情况下也自致动。为了防止过压状况，在泵柱塞(31，32)的回位行程期间，通过使联接到溢出阀(34，35)的电致动器(42)通电以使溢出阀(34，35)朝向关闭位置移动，来限制向泵(14)的泵送腔中的液体供给。在泵柱塞(31，32)的泵送行程期间使电致动器(42)断电，以允许溢出阀(34，35)朝向打开位置移动。在泵送行程期间，经过溢出阀(34，35)从泵送腔排出液体，但通过限制在回位行程期间能进入泵送腔的液体的量而避免了过压。
文档编号F02M59/00GK101517216SQ200780035301
公开日2009年8月26日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月31日
发明者D·R·帕克特, F·隆巴尔德, S·F·谢弗 申请人:卡特彼勒公司