专利名称：控制高压共轨管腔轨压的设备及观测燃油压力的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型的实施方式总体上涉及发动机领域，更具体地，涉及一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法。
背景技术：
现有发动机高压共轨燃油系统中的燃油压力控制采用PID (比例-积分-微分) 类型的控制策略，这需要进行大量的标定工作。此外，采用这种现有的发动机高压共轨燃油系统控制策略，在发动机工作的某些工况条件下，高压共轨管腔中燃油压力的实际测量值同燃油压力的目标值之间有较大的偏差，这就导致了发动机高压共轨燃油系统中的燃油实际喷射量与燃油目标喷射量之间出现较大误差，直接影响了发动机的功率和各缸喷油的一致性。因此，开发先进的发动机高压共轨燃油系统的燃油压力控制策略对提高发动机性能和减少电子控制单元标定工作至关重要。
实用新型内容鉴于本领域中不存在这样的精确控制策略，本实用新型提供了用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法，以至少部分解决上述问题。根据本实用新型的一个方面，本实用新型的实施方式提供了一种控制高压共轨管腔轨压的设备，其用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备，该设备可以包括工况获取装置，配置用于获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况；油量计量阀等效横截面积确定装置，其耦合至工况获取装置，配置用于根据获取的工况，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积；信号生成装置，其耦合至油量计量阀等效横截面积确定装置，配置用于基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。根据本实用新型的一些实施方式，所述工况获取装置可以配置用于获取高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。根据本实用新型的另外一些实施方式，所述工况获取装置可以配置用于获取高压共轨管腔的实际轨压测量值。根据本实用新型的一些实施方式，所述油量计量阀等效横截面积确定装置配置用于使用与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关的线性物理模型来确定所述油量计量阀的等效横截面积柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共
3轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。根据本实用新型的又一些实施方式，所述油量计量阀等效横截面积确定装置配置用于使用与所述发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关的线性物理模型来确定所述油量计量阀的等效横截面积柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、 柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。根据本实用新型的一些实施方式，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。根据本实用新型的另一方面，本实用新型的实施方式提供了一种用于观测燃油压力的设备，该设备包括参数获取装置，配置用于获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值；燃油压力观测值确定装置，其与参数获取装置耦合，配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及通信装置，其与燃油压力观测值确定装置耦合，配置用于提供观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。根据本实用新型的实施方式，燃油压力观测值确定装置进一步配置用于基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值。根据本实用新型的又一方面，本实用新型的实施方式提供了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法，该方法可以包括获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况；根据获取的工况，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积；基于确定的油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。根据本实用新型的一些实施方式，工况可以包括高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值。根据本实用新型的一些实施方式，工况可以包括高压共轨管腔的实际轨压测量值。根据本实用新型的一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。
4[0017]根据本实用新型的又一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、 高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。根据本实用新型的一些实施方式，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。根据本实用新型的另一方面，本实用新型的实施方式提供了一种用于观测燃油压力的方法，该方法包括获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值；基于获取的测量值，使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及提供观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。根据本实用新型的一些实施方式，获取测量值的步骤进一步包括使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定高压共轨管腔轨压的观测值。利用本实用新型实施方式提供的诸多线性物理模型，可以更好地控制高压共轨管腔的轨压，以使其在任何工况条件下都接近其目标值。此外，由于提供了发动机高压共轨燃油系统中各设备之间关系的物理模型，能够减少电子控制单元的标定工作。
通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型实施方式的上述以及其他目的、 特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，其中图1示出了流量计量单元位于低压油路的发动机高压共轨燃油系统的示意图。图2示出了根据本实用新型实施方式的、用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备的示意框图。图3示出了根据本实用新型实施方式的、用于观测燃油压力的设备的示意框图。图4示出了根据本实用新型实施方式的、用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的方法的示意流程图。图5示出了根据本实用新型实施方式的、用于观测燃油压力的方法的示意流程图。图6示出了根据本实用新型实施方式的、油量计量阀等效横截面积的线性物理模型的图示。在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本实用新型的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本实用新型，而并非以任何方式限制本实用新型的范围。根据本实用新型的实施方式，提出了一种用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备和方法。此外，还提供了一种用于观测燃油压力的设备和方法，以与控制轨压的设备和方法协同工作。另外，在本文中，所使用的术语“参数”表示任何能够指示发动机的(目标或实际) 物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示凸轮轴转速的参数”与“凸轮轴转速”在本文中具有等同的含义。而且， 在本文中，假设P表示某个特定的物理量，则户表示P对时间的导数，即P随时间的变化率；
表示该物理量P的观测值，即，经过滤波的测量值(测量值包含噪音)。此外，在本文中，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如测量、读取、估计、估算，等等；所使用的术语“测量”包括目前已知或将来开发的各种手段， 例如直接测量、读取、计算、估算，等等。下面参考本实用新型的若干代表性实施方式，详细阐释本实用新型的原理和精神。首先参考图1，如上文所述，其示出了流量计量单元位于低压油路的发动机高压共轨燃油系统100的示意图。应当理解，图1中仅仅示出了发动机高压共轨燃油系统100中与本实用新型的实施方式有关的部分，发动机高压共轨燃油系统100还可以包括任意数目的其他部件。如图1所示，发动机高压共轨燃油系统100包括燃油箱101、燃油滤清器102、燃油低压油泵103、燃油流量计量单元116，其包括油量计量阀(例如电磁阀)，配置用于通过改变其等效横截面积来控制经由其流入高压共轨管腔117的燃油量；单向阀105，配置用于作为从燃油流量计量单元到柱塞泵腔106的单向燃油通路；高压喷油泵113，其包括高压喷油泵柱塞115和柱塞泵腔106，在凸轮轴的带动下，高压喷油泵柱塞115在柱塞泵腔106 内做往复运动，当高压喷油泵柱塞115向下运动时，柱塞泵腔106内形成真空，由此通过单向阀105将燃油吸入，而当高压喷油泵柱塞115向上运动时，柱塞泵腔106内的燃油受压形成高压燃油，并在燃油压力大于高压共轨管腔117内的燃油压力时将其压入高压共轨管腔 117 ；单向阀107，配置用于作为高压燃油从柱塞泵腔106到高压共轨管腔117的单向通路； 高压共轨管腔117，配置用于储存高压燃油；喷油器111，其在喷油器驱动电磁阀110的驱动下将高压共轨管腔117中储存的高压燃油喷入各气缸；和电子控制单元(ECU) 118，配置用于基于工况(例如，高压共轨管腔的轨压测量值109)来提供控制燃油流量计量单元的油量计量阀的开度(即，等效横截面积)、喷油器驱动电磁阀110(即，开闭)等的驱动信号(例如，油量计量阀的驱动信号114和喷油器电磁阀驱动信号108)。从图1中可见，由于发动机高压共轨燃油系统100包括众多部件，工况复杂，想要通过控制油量计量阀的等效横截面积来精确地控制高压共轨管腔117中轨压是非常困难的。因此，为了解决这一技术问题，本实用新型关注于对油量计量阀、高压喷油泵、高压共轨管腔、喷油器的燃油流量和/或压力进行表征和建模，由此便能实现现有技术中无法实现的有效控制。为此，如下文详述的，本实用新型的实施方式建立了上述物理量的线性模型， 并使用它们来控制高压共轨管腔117中的轨压。下面参考图2来描述用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压的设备200。本领域技术人员能够理解，图2所示的控制设备200可以作为图1中示出的电子控制单元118或其部分而付诸实践。备选地，控制设备200也可以实现为单独的控制设备。如图2所示，控制设备200包括工况获取装置202，配置用于获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况。根据本实用新型的一些实施方式，工况可以包括高压喷油泵柱塞的升程及其线速度的测量值(分别用h和《9表示)。根据本实用新型的另一些实施方式，工况可以包括高压共轨管腔的实际轨压测量值(用Pr表示)。应当理解，上述工况仅是示例，这些工况可以结合起来使用(例如，包括h、《9和已三者)，也可以包括未提及的任何其他工况，本实用新型在这些方面不受限制。应当理解，工况获取装置202可以通过实际测量来获取与发动机高压共轨燃油系统相关的工况(例如，直接测量P》。备选地或者附加地，工况获取装置202可以根据其他部件的工况，通过估计、估算或计算来获取指示与发动机高压共轨燃油系统相关的工况(例如，h为凸轮轴转角θ的函数，可以通过凸轮轴转角θ来计算h)。本实用新型的范围在此方面不受限制。如图2所示，根据本实用新型的实施方式，控制设备200还可以包括油量计量阀等效横截面积确定装置204，其耦合至工况获取装置202，配置用于根据获取的工况(h和《9和 /或P》，以及根据高压共轨管腔的轨压目标值(用P^tes表示，其可以根据发动机工况实时设定)，使用油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定油量计量阀的等效横截面积 (用u表示)。可以看到，根据本实用新型的实施方式，油量计量阀等效横截面积确定装置204 使用表征油量计量阀等效横截面积的线性物理模型，以工况获取装置获取的h和《9和/或 Pr为输入，确定为了满足Pr,-所应具有的油量计量阀等效横截面积。实际上，在本领域中， 尚无现有技术尝试通过这种面向控制的线性物理模型来表征和控制油量计量阀等效横截面积。下面将详细介绍根据本实用新型实施方式的油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。根据本实用新型的一些实施方式，该线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关。这里所称的“方面”既包括发动机高压共轨燃油系统的固有属性，也包括运转过程中的实时工况，例如包括但不限于柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、油量计量阀的等效横截面面积、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、柱塞泵腔横截面积、柱塞运动线速度、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积、喷油器流量系数、喷油器等效横截面面积、气缸内压缩空气的压力。
7[0048]根据本实用新型的又一些实施方式，线性物理模型可以与发动机高压共轨燃油系统以下一个或多个方面相关柱塞泵腔的体积、柱塞泵腔燃油弹性模量、在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值、低压油泵供油压力、流量计量单元的流量系数、燃油密度、柱塞泵腔到高压共轨管腔的单向阀流量系数、柱塞泵腔到高压共轨管腔单向阀等效横截面面积、 高压共轨管腔的轨压测量值或在平衡点时的高压共轨管腔的轨压观测值、高压共轨管腔内燃油弹性模量、高压共轨管腔体积。其中，柱塞泵腔的体积可以与柱塞泵腔的最大体积和同凸轮轴转角相关的柱塞升程相关；柱塞运动线速度可以与高压喷油泵柱塞升程、凸轮轴转角和凸轮轴转速相关；在平衡点时的柱塞泵腔燃油压力的观测值可以与在平衡点时的高压共轨管腔内燃油压力的测量值、油量计量阀的等效横截面面积、高压喷油泵柱塞升程和柱塞运动线速度相关。根据本实用新型的实施方式，可以利用各种手段来建立油量计量阀等效横截面积的线性物理模型。下面仅描述其中的一种实施方式。首先，对流量计量单元的流量、柱塞泵腔压力、柱塞泵腔流入高压共轨腔的流量、 高压共轨管腔的轨压和喷油器喷射到气缸的流量进行建模。如本领域技术人员所知，为了考虑高压共轨燃油系统主要的机械、液压和控制部件之间的物理关系，同时又能够利用给出的模型设计来确定油量计量阀的等效横截面积， 本文做如下假设1)忽略高压共轨系统燃油泄漏；2)流量计量单元利用油量计量阀(例如，比例电磁阀)驱动；3)忽略温度和燃油压力变化对燃油密度的影响；4)燃油流量系数不随温度和压力变化而改变；5)燃油的弹性模量不随温度而变化。如本领域技术人员所知，上述假设是建模时忽略次要矛盾、解决主要矛盾的常用方式。1.建模1. 1流量计量单元a=cuuJ2(Pu~Pp)
V P( 1.1)其中Qu 流入柱塞泵腔的燃油流量Cu 流量计量单元流量系数(常量)u 流量计量单元的流量计量阀等效横截面面积，为控制量ρ 燃油密度(常量)Pu 低压油泵供油压力(常量)Pp 柱塞泵腔燃油压力1. 2柱塞泵腔压力(12)其中Qr 柱塞泵腔流入高压共轨腔的流量β p:柱塞泵腔燃油弹性模量，βρ= βρ(Ρρ)，其中βρ(Ρρ)是&的多项式。Vp 柱塞泵腔体积。Vp = Vmax_Aph( θ )，其中Ap为柱塞泵腔横截面积，h( θ )为柱塞
8升程，θ为凸轮轴转角。ρ 燃油密度(常量)Pp 柱塞泵腔燃油压力为柱塞运动线速度，为柴油机转速的函数。
权利要求1.一种控制高压共轨管腔轨压的设备，其用于控制发动机高压共轨燃油系统的高压共轨管腔的轨压，其特征在于，所述设备包括工况获取装置，配置用于获取与所述发动机高压共轨燃油系统相关的工况； 油量计量阀等效横截面积确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据获取的所述工况，以及根据所述高压共轨管腔的轨压目标值，使用所述油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定所述油量计量阀的等效横截面积；信号生成装置，其耦合至所述油量计量阀等效横截面积确定装置，配置用于基于确定的所述油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制所述油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。
2.一种用于观测燃油压力的设备，其特征在于，所述设备包括参数获取装置，配置用于获取柱塞运动线速度、高压喷油泵柱塞的升程、油量计量阀的等效横截面积和高压共轨管腔的轨压的测量值；燃油压力观测值确定装置，其与所述参数获取装置耦合，配置用于基于获取的测量值， 使用柱塞泵腔燃油压力观测值和高压共轨管腔轨压观测值二者的线性模型来确定所述柱塞泵腔燃油压力的观测值；以及通信装置，其与所述燃油压力观测值确定装置耦合，配置用于提供所述观测值，以供油量计量阀等效横截面积的线性物理模型使用。
专利摘要本实用新型提供了一种控制高压共轨管腔轨压的设备及观测燃油压力的设备。该设备可以包括工况获取装置，配置用于获取与所述发动机高压共轨燃油系统相关的工况；油量计量阀等效横截面积确定装置，其耦合至所述工况获取装置，配置用于根据获取的所述工况，以及根据所述高压共轨管腔的轨压目标值，使用所述油量计量阀等效横截面积的线性物理模型来确定所述油量计量阀的等效横截面积；信号生成装置，其耦合至所述油量计量阀等效横截面积确定装置，配置用于基于确定的所述油量计量阀的等效横截面积，生成用于控制所述油量计量阀的等效横截面积的驱动信号。
文档编号F02D41/38GK202250432SQ20112012000
公开日2012年5月30日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者佟德辉, 孙少军, 胡广地 申请人:潍柴动力股份有限公司