机动车辆和用于机动车辆的燃料泵以及操作燃料泵的方法与流程

机动车辆和用于机动车辆的燃料泵以及操作燃料泵的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年5月25日提交的德国专利申请第102020206494.6号的优先权，其全部内容通过引证结合于此以用于所有目的。
技术领域
3.本公开涉及一种用于机动车辆的液体燃料水喷射系统的燃料泵，并且更具体地，涉及一种用于机动车辆的汽油水直接喷射系统的燃料泵。


背景技术：

4.为了满足客户对载客车辆的需求并且满足未来的co2排放以及废气排放法规目标，现代高效汽油燃烧发动机通常依赖于汽油直接喷射(gdi)。这项技术能够带来巨大的好处，尤其是对于具有高比功率输出和符合更新的废气法规的发动机。gdi一般可以减少组装部件的数量以及总重量。
5.现代gdi发动机的燃料供应架构通常由连续驱动的供应泵以约3巴至6巴的低压输送来自燃料箱的汽油。然后将汽油传递至高压泵，该高压泵被配置为将汽油加压到约50巴至500巴的压力，并且将汽油泵送到喷射轨道中并且从喷射轨道进一步泵送至燃料喷射器。车辆的发动机控制单元(ecu)经由泵来调节汽油压力。
6.高压泵典型地被安装并且固定到相应的内燃发动机的组件上(由于约3500n或以上的高的力，需要非常刚性的连接)，并且由发动机的凸轮轴机械地驱动。因此，高压泵的泵频率和/或泵速率耦接至内燃发动机的发动机速度。而且，典型的泵系统具有高能量需求并且需要与相应的发动机的燃料需求相匹配。由于高压泵的固定连接，泵的排出量需要与发动机的每冲程的最高喷射量相匹配。因此，典型的系统可能不会达到最高可能的效率，并且不同类型的车辆可能需要不同的泵配置，这意味着可能需要各种不同的泵来满足消费者需要。
7.为了稳定沿着喷射轨道的压力并且避免高的能量消耗，现代高压泵通常采用数字入口阀(div)，在给定时间间隔中，该数字入口阀调节从低压传输至高压的所加压的燃料的量。div主要利用电磁致动的阀，并且以约5khz至10khz的高频率发出声音。这生成被称为“滴答”的机械噪声，对于更喜欢平稳的驾驶体验的最终用户，这可能会让他们感到不舒适(例如，具体地，由于在发动机组件的顶部上的系统的安装位置)。为了减少这些声音排放，目前的解决方案通常依赖于高压泵周围的显著隔音，这可能由于燃料加热而导致额外的成本、重量和降低的性能。此外，由于泵系统通常与发动机燃料需求相匹配，因此可能的系统组合的高多样性可能增加制造商的成本。
8.将水喷射到内燃发动机中已知是一种用于提高最大功率和/或减少排放物的有力工具。通过喷射水，可以冷却燃烧温度，以在发动机需求高的情况下保护如涡轮增压器的车辆部件和后处理系统。所谓的汽油水直接喷射(gwdi)经常通过使用具有可变的水-燃料比率的乳化液来实现将水直接喷射到燃烧室中。由于水和燃料需要以高精度混合，具体地，在
高动态发动机条件下，并且即使在最高的功率和速度范围下确保充足的供应，常规喷射系统的尺寸和复杂性可能显著增加。此外，具体地，在发动机运的非活动周期期间，燃料水乳化液可以分解成其原始组分。这种效应可能损害乳化液的稳定性，然后，这可能不利地影响稍后时间点的发动机性能。此外，这两种分离的流体可以驻留在诸如轨道和管道的发动机零件内，这可能影响整个系统的耐久性。


技术实现要素：

9.因此，需要找到一种用于降低成本、提高效率和耐久性以及减少噪声排放的液体燃料水喷射系统的解决方案。因此，本公开提供了一种用于机动车辆的液体燃料水喷射系统的燃料泵。
10.根据本公开的一方面，用于机动车辆的液体燃料水喷射系统(具体地，汽油水直接喷射系统)的燃料泵可以包括：低压泵，被配置为将来自机动车辆的水箱的水与来自机动车辆的燃料箱的液体燃料混合成液体燃料水乳化液，并且在低压下提供液体燃料水乳化液；高压泵，与低压泵流体连通并且被配置为将液体燃料水乳化液从低压压缩至高压，以用于将液体燃料水乳化液经由机动车辆的喷射轨道喷射到机动车辆的内燃发动机中；以及泵驱动器，被配置为以独立于机动车辆的内燃发动机的发动机速度的泵频率来同步地驱动低压泵和高压泵。
11.根据本公开的另一方面，机动车辆具有内燃发动机和被配置为经由喷射轨道将液体燃料喷射到内燃发动机中的液体燃料水喷射系统。根据本公开，液体燃料水喷射系统具有燃料泵。
12.根据本发明的又一方面，用于操作根据本公开的燃料泵的方法可以包括：将来自机动车辆的水箱的水与来自机动车辆的燃料箱的液体燃料混合成液体燃料水乳化液；在低压下用低压泵泵送液体燃料水乳化液；并且用高压泵将液体燃料水乳化液从低压压缩至高压，以用于经由机动车辆的喷射轨道将液体燃料水乳化液喷射到机动车辆的内燃发动机中。低压泵和高压泵可以由泵驱动器以独立于机动车辆的内燃发动机的发动机速度的泵频率来同步地驱动。
13.本公开将泵与内燃发动机解耦，并且替代地与专用泵驱动器一起驱动低压泵和高压泵，例如，电动机。因此，相同的泵配置可以用于各种不同的发动机和车辆类型，导致总成本的降低和车辆供应基础设施的简化。此外，泵系统不再需要安装在内燃发动机的顶部上，并且因此，可以减少或完全避免声音排放，具体地，div的声音排放。实际上，泵系统可以安装在车辆中的任何地方，例如，在与实际发动机隔开的发动机机柜内的底板下或隔离箱中。此外，可以完全消除泵系统的div。通过利用用于两个泵系统的一个共用驱动器，可以通过优化的运行状态来显著地降低功率消耗。
14.根据本公开，泵驱动器可以配置为以独立于机动车辆的内燃发动机的发动机速度的泵频率来驱动泵。由于存在专用泵驱动器，这些泵不再需要由发动机的凸轮轴机械地驱动。因此，泵频率不再需要耦接至发动机速度。因此，泵配置和性能可以针对每种车辆类型、发动机类型和具有单一类型的泵的驾驶情况以优化的方式进行调谐。因此，可以优化所产生的系统以提供最高可能的效率或其他特征，诸如，用于每种情况的启动能力和独立轨道压力，而不必由于与发动机的互连而损害。
15.另外，本公开可以通过引入单个低压泵来简化水和液体燃料的混合过程，该单个低压泵直接从相应的供应箱接收水和燃料两者，混合它们，并且将它们加压至低压，例如，3巴至6巴。因此，低压泵能够用作浸泡(例如，吸入)泵，该浸泡泵接收水和燃料而无需针对这些物质中的每一种的任何专用供应泵。例如，在低于1巴的压力下，可以在它们各自的箱内提供两种混合组分。因此，可以进一步降低泵系统的成本和功率消耗。可以在低压泵内直接混合乳化液组分。由于独立于发动机速度来驱动泵系统，所以根据驱动情况的当前需要，可以以最佳方式来调整混合流体的总体积流动。甚至可以提供运动发动机所需的高体积流动，例如，130l/h以上。例如，能够浸泡气体介质的侧通道泵可以采用低压泵，这将允许经由介质的内部涡旋运动直接混合。
16.应当理解，本公开的燃料泵也可以在仅将液体燃料从燃料箱泵送到内燃发动机中而没有任何水的混合物的模式下操作。实际上，在正常发动机运行期间，经常不需要水喷射。在动态驾驶情况下以及对于高发动机负载，水喷射是特别相关的。因此，在某些驾驶情况下，可以将液体燃料水乳化液中的水的量由燃料泵设定为最小值或甚至为零，例如，通过由阀关闭与水箱的连接。因此，本系统能够基于驾驶状况和/或发动机状况选择性地将水混合至液体燃料流。因此，在下文中应当理解，该系统还可以输送液体燃料而不是液体燃料水乳化液，并且将其喷射到发动机中。
17.具体地，本公开的解决方案可以用于gdi系统。然而，本公开还应用于基于液体和/或液化燃料的其他燃料喷射系统，包括但不限于液化天然气(lng)、压缩天然气(cng)、液化石油气(lpg)、氢气等。
18.根据本公开的示例性实施方式，燃料泵还可以包括节流阀，该节流阀被配置为调整有待在低压泵内与液体燃料混合成液体燃料水乳化液的从水箱提供的水的量。另外或可选地，也可以经由节流阀来调整来自燃料箱的液体燃料量。因此，在预混合期间，可以通过经由节流阀调整入口流动速率以简化且又精确的方式来控制混合水平。这也意味着乳化液混合物可以在任何时间点动态地调整。
19.根据本公开的示例性实施方式，泵驱动器可以被配置为电动机。然而，应当理解，泵驱动器可以是独立于内燃发动机的发动机速度来驱动的另一功率来源。例如，泵驱动器可以是气动马达、液压马达等。
20.根据本公开的示例性实施方式，泵驱动器可以包括在低压泵与高压泵之间轴向地彼此耦接的至少两个电动子机(electric submachine)。例如，两个无刷直流(dc)马达可以用于生成足够的功率输出(例如，500w或以上)和附加的提升功能(例如，在非常短的时间尺度上将功率输出从500w升高至1000w)以管理高的发动机梯度。因此，可以实现高压和/或流动梯度的灵活性。此外，可以在发动机/车辆的全动态范围上确保稳定的喷射轨道压力。在其他示例性实施方式中，甚至三个、四个或多个电动子机可以彼此耦接以进一步增加系统的灵活性。
21.根据本公开的示例性实施方式，每个电动子机可以包括螺旋冷却通道，该螺旋冷却通道被配置为沿着围绕相应的电动子机的轴线方向的螺旋路径将燃料水乳化液从低压侧冲至高压侧。因此，液体燃料水乳化液(或者，可选地，仅燃料)可以用于冷却泵驱动器，这不可避免地生成一定量的热。随着电动子机安装在低压泵和高压泵之间，液体可以用于在低压侧和高压侧之间流动的目的。例如，可以引导液体穿过电动子机的外壳。
22.作为附加的好处，在液体燃料水乳化液沿着螺旋冷却通道翻滚时，它可以维持恒定的运动。这意味着混合物的均匀性可以仅通过冲液体燃料水乳化液穿过冷却通道来稳定。本领域普通技术人员将清楚，在泵驱动器未被分成两个或多个子机的情况下，也可以采用相似的冷却机构。具体地，泵驱动器仍可以安装在低压泵与高压泵之间，并且可以承载一个或若干螺旋冷却通道，例如，沿着外侧或壳体，从低压侧到高压侧。
23.另外，根据本公开的示例性实施方式，每个螺旋冷却通道可以集成到相应的电动子机的外壳中。因此，可以沿着电动子机的整个外侧或表面完成冷却流动来优化泵驱动器的冷却。液压调节器还可以包括被配置为提供电动子机之间的压力调节连接，以用于在电动子机之间传导液体燃料水乳化液。
24.液压调节器可以被配置为调整液体的内部流动并且维持液体流动的内部压力。内部压力调节系统可以帮助用液体适当地填充燃料泵并且冷却泵驱动器。液压调节器可以包括用于压力调节从高压侧到低压侧的液体回流的溢流返回阀。
25.由于低压泵通常需要比高压泵高约10％至20％的排量，因此任何过剩的液体可以被冲回到低压侧。因此，液压调节器可以提供除主供应管线之外的调节管线。出于三个原因，在某些应用中这可以变得必要。首先，燃料泵可以需要保持一定的相对压力。第二，第一次浸泡可以需要再循环以排空系统。第三，在发动机关闭之后剩余的任何液体都可以加热，这可以增加内部压力以及蒸汽含量。增加的压力可以穿过该阀释放。
26.调节可以提供优于常规系统的附加优点。不再需要通常使用的压力膜。并且此外，这种压力稳定可以允许使用如lng、lpg、cng等的各种液化燃料。例如，溢流返回阀可以被配置为自然闭合的提升阀等，其在预定压力水平(例如，5巴)下打开。然而，可选地，例如，也可以电致动溢流返回阀。
27.根据本公开的示例性实施方式，溢流返回阀可以被配置为将液体的回流传送至用于混合液体燃料水乳化液的低压燃料泵。例如，液体燃料可以被冲回到低压泵的入口。类似性地，过剩的液体燃料水乳化液可以被冲回到低压泵的入口。
28.根据本公开的示例性实施方式，燃料泵还可以包括被配置为从液体燃料水乳化液中分离水和液体燃料的乳化液分离装置。溢流返回阀可以被配置为将液体回流传送至乳化液分离装置。例如，可以将过剩的液体燃料水乳化液传导至分离装置，然后，在此其被分离返回到液体燃料组分和水组分中。然后，可以将乳化液的两种组分分别输送返回到它们相应的供应箱中或直接输送至低压泵的入口来立即使用。
29.另外，根据本公开的示例性实施方式，液压调节器可以包括被配置为将液体从喷射轨道接收返回到液压调节器中的喷射轨道释放部。相应地，喷射轨道可以包括被配置为将液体从喷射轨道清除至燃料泵的压力释放阀。因此，具体地，该方法可以包括由压力释放阀从喷射轨道清除液体燃料水乳化液。此外，该方法可以包括由乳化液分离装置将所清除的液体燃料水乳化液分离成水和液体燃料。
30.因此，本发明的泵系统还用作用于清洗乳化液或特定组分的清洗系统，例如，燃料。这在本系统中是可以的，主要是因为低压泵和高压泵的整个供应系统能够独立于发动机运行。因此，在喷射系统中任何液体的再循环都是可以的，具体地，在喷射轨道和连接管道中过剩的流体。因此，可以再使用喷射系统中剩余的任何流体，即，在运行期间，并且具体地，在发动机启动期间(例如，启动/停止)再混合流体。此外，在发动机关闭之后，在喷射系
统内液体的排出是可以的，以避免燃料老化，这进一步增加了系统的耐久性。
31.因此，液体可以在运行期间连续地混合和排出，这意味着可以维持乳化液的稳定性。例如，乳化液的较低密度介质相可以从注射系统中排出，例如，汽油在汽油-水混合物的情况下(在乳化液分离/溶解成单独物质的情况下，这将根据相应的物质的密度发生)。
32.喷射轨道释放部可以设置为自然闭合的提升阀等。然而，可选地，也可以使用电致动机构。例如，只要喷射轨道中的压力大于预定压力阈值(例如，约2巴)，压力释放阀可以由发动机控制单元(ecu)操作和致动以永久地(部分地)打开。可选地，压力释放阀可以完全打开以在某个压力阈值以上将液体突然释放。
33.根据本公开的示例性实施方式，高压泵可以包括吸入活塞和曲柄驱动器，该吸入活塞被配置为将从低压泵传导的液体燃料水乳化液压缩至高压泵，该曲柄驱动器由泵驱动器驱动并且被配置为驱动吸入活塞。在当前情况下，由泵驱动器致动的曲柄驱动器可以替代典型地采用由内燃发动机驱动的凸轮轴。可以以优化的方式配置吸入活塞(或柱塞)以提供方便的提升范围(例如，用于每次提升低质量的提升范围，然而高度足以压缩和传送足够的液体)。该解决方案可以采用用于经由低压泵到高压泵的同步液体流动的一个共用轴。
34.根据本公开的示例性实施方式，燃料泵可以被配置为以0kg/h与约100kg/h之间的流动速率在0rpm与约16.000rpm之间的泵频率范围内操作。如果将液体在如此大频率范围内而如此小轮毂中传送，则可以稳定并且精确地调整喷射轨道处的压力。另外，低压可以在1巴与约10巴之间的范围内和/或高压可以在约50巴与500巴之间的范围内。例如，低压可以在约3巴与6巴之间。另一方面，例如，高压可以在约250巴与350巴之间。
35.根据本公开的示例性实施方式，泵驱动器可以被配置为无刷dc马达。电动机可以提供本解决方案所要求的足够的动力和转矩。在48v的工作电压下电动机可以具有至少500w的最大功率输出。燃料泵还可以包括被配置为根据基于车载诊断can信号的压力控制指令来操作燃料泵的泵控制器。
36.例如，基于实际轨道压力和轨道压力设定点，泵控制器可以包括轨道压力控制逻辑。通过使用车载诊断can信号(obd-can)，系统可以进一步被简化，因为obd消息可以用于简单的控制特征，例如，轨道压力控制。由于这些类型的消息遵循国际标准，因此可以独立于制造商而在任何车辆中提供燃料泵。
37.根据本公开的示例性实施方式，燃料泵可以与机动车辆的内燃发动机机械地分离。然而，燃料泵可以经由液体供应管线来与内燃发动机的喷射轨道流体连通。例如，燃料泵可以安装在车辆的底板内并且因此与内燃发动机间隔开。软管、管或管道可以提供与发动机的喷射轨道的必要流体连接。液体供应管线的供应管线长度应尽可能短以防止乳化液沿着管线的长度分离。
38.根据本公开的示例性实施方式，燃料泵可以由机动车辆的车辆电池供电。例如，可以采用标准的12v电池。当使用48v电动机时，dc/dc转换器可以耦接在电池与电动机之间。根据本公开的示例性实施方式，燃料泵的泵控制器可以通信地耦接至机动车辆的发动机控制器。因此，可以提供专用泵控制器，例如，可以从车辆的电池来接收电力并且可以向燃料泵的泵驱动器供电。然而，在其他示例性实施方式中，泵控制器可以被集成到发动机控制器中。
39.将参考在附图中示出的示例性实施方式来更详细地说明本公开。
附图说明
40.包括附图以提供对本公开的进一步理解，附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出本公开的示例性实施方式，并且与描述一起用于解释本公开的原理。本公开的其他示例性实施方式和本公开的许多预期优点将容易理解，因为它们通过参考以下详细描述而变得更好理解。附图的元件不必相对于彼此按比例绘制。在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示相同或功能上相同的部件。
41.图1示意性地示出根据现有技术的包括高压泵的燃料喷射系统的各方面的实例；
42.图2示意性地示出包括根据现有技术的图1的燃料喷射系统的机动车辆；
43.图3示意性示出根据本公开的示例性实施方式的液体燃料水喷射系统的燃料泵的部件；
44.图4示意性示出根据本公开的示例性实施方式的包括具有图3的燃料泵的液体燃料水喷射系统的机动车辆；
45.图5示出根据本公开的示例性实施方式的来自图3的燃料泵的燃料泵组件的侧视图；
46.图6示出根据本公开的示例性实施方式的图5中的燃料泵的液压调节器的截面图；
47.图7示出根据本公开的示例性实施方式的用于操作图3的燃料泵的方法的流程图；以及
48.图8示出根据本公开的示例性实施方式的图4的液体燃料水喷射系统的示意图。
49.尽管在本文中示出和描述了具体示例性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，各种替代和/或等效实现方式可以代替示出和描述的特定的示例性实施方式。一般地，本技术旨在覆盖在此讨论的具体示例性实施方式的任何适配或变化。
具体实施方式
50.应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车辆(诸如，包括运动型多用途车辆(suv)、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种小船和船舶的船只、飞机等)，并且包括混合动力车辆、电动车辆、燃烧机、插电式混合动力车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，除石油以外的其他资源衍生的燃料)。
51.虽然示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解，示例性过程也可以由一个或多个模块来执行。另外，应当理解，术语“控制器/控制单元”指的是包括存储器和处理器的硬件设备，并且被专门编程为执行本文所描述的过程。存储器被配置为存储模块，并且处理器具体被配置为执行所述模块以执行下文进一步描述的一个或多个过程。
52.而且，本公开的控制逻辑可以实施为在计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的实例包括但不限于rom、ram、光盘(cd)-rom、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在网络耦接的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如，通过远程信息处理服务器或控制器局域网(can)。
53.本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或者添加。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。
54.除非特别说明或从上下文显而易见，否则如本文所用，术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“约”可以理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
55.图1示意性地示出燃料水喷射系统10’的各方面的实例，具体地，该燃料水注射系统10’可以是包括数字入口阀(div)32的汽油直接水喷射(gwdi)系统10’。图2示意性地示出包括图1的燃料喷射系统10’的机动车辆100。
56.由于现代车辆需要满足关于消耗、排放和性能标准的最高要求，因此汽油车辆大多配备有直接燃料喷射系统。汽油直接喷射(gdi)表示燃料由喷射器直接喷射到发动机101的燃烧室(未示出)中，然后实现内部气体混合物。这种gdi系统导致有效且清洁的燃烧。然而，由于高功率的发动机所需的高燃烧温度和高发动机速度范围，温度水平可以超过诸如涡轮增压器或后处理系统的车辆部件的可接受的限制。
57.为了防止这些部件的故障或甚至损坏，已经越来越多地建议在某些驱动条件下利用水-燃料乳化液的直接喷射来冷却燃烧温度。图1和图2示出这种gwdi系统10’的实例，其中水可以选择性地与液体燃料混合以形成燃料和水的乳化液，然后，在特定驾驶状况/条件下，该乳化液可以被喷射到燃烧室中以将温度维持在可接受的阈值之下。
58.因此，系统10’包括两个低压(供应)泵(在此未示出)。在低压下(例如，约3巴至6巴)，第一个泵将水从水箱108经由水管线109泵送至水混合器/喷射器38(参考图2)。第二低压泵穿过燃料管线106(例如，也在低压下，约3巴)从车辆100的燃料箱104泵送汽油。然后，在水混合器/喷射器38处，水可以基于驾驶状况和/或发动机状况选择性地混合和/或喷射到液体燃料流中。
59.例如，水混合器/喷射器38可以包括混合室(未示出)，其中在水管线109和燃料管线106之间的压力差可以促进两种组分的混合。因此，在水管线109中的压力可以由相应的低压泵调节。在另一实例中，水混合器/喷射器38可以包括喷射嘴，经由该喷射嘴水在燃料管线106中从水管线109喷射到燃料流中。在后一种情况下，在恒定压力下可以将水在水管线109内传送，该恒定压力可以大于燃料管线106中的压力。后一种方法可以提供相比于第一种方法增加的精确度和动态范围，其具有相对慢的反应时间和对供应管线体积的强依赖性。然而，这两种方法都需要两个专用的低压泵，即，乳化液的每种组分各一个，并且因此，它们相对复杂、昂贵且无效。
60.然后，经由液体供应管线110输送所产生的液体燃料水乳化液，并且经由低压燃料入口18泵送到gdi系统10’的低压燃料室15中。图1所示的数字入口阀32调节液体从低压燃料室15到高压燃料泵3’的高压燃料室16的输送，液体从该高压燃料室16经由高压燃料出口19喷射到喷射轨道102中并且喷射到发动机101的燃烧室中。
61.高压泵3’被配置为将喷射所需的液体量压缩至所需的压力水平，例如，50巴到约500巴。因此，高压泵3’由柱塞和/或吸入活塞11驱动，该柱塞和/或吸入活塞11经由复位弹簧20弹性地连接至挺杆34，挺杆34进而连接至发动机101的凸轮轴27。因此，高压泵3’的泵频率由内燃发动机101的速度驱动(参考图1中吸入活塞11处的箭头指示吸入活塞11的振荡运动)。因此，必须在特定时间致动div 32以在给定时间窗口内传送足够量的液体(即，液体燃料或燃料-水乳化液)。基于各种传感器数据由发动机101的发动机控制单元(ecu)103来操作div 32。进而，由车辆100的车辆电池105来驱动ecu 103。
62.div 32被容纳在div壳体33内，并且包括三个分离的功能部件：阀座28、阀活塞29和阀致动器30(参考图1中的左侧)。在div 32的闭合配置中，阀座28被配置为抵靠gdi系统10’的低压燃料室15来密封gdi系统10’的高压燃料室16。阀活塞29被配置为使阀座28在div 32的闭合配置和打开配置之间移动，其中，高压燃料室16与低压燃料室15流体连接。阀致动器30被配置为电磁线性致动器，以沿着致动方向a致动阀活塞29的运动。
63.这三个功能部件(即，阀座28、阀活塞29和阀致动器30)在单一的集成部件(例如，由钢等类似材料制成)中结合在一起。例如，功能部件可以被焊接在一起。div 32被设置为一个完全集成的单个结构元件以降低制造成本并且简化供应链。gdi系统10’(即，具体地，div 32和高压泵3’)以刚性连接的方式安装到发动机101上，例如，经由托架或类似部件。由于在操作期间作用在部件上的数千牛顿的高的作用力，因此需要这种刚性连接。
64.一般来说，所有振动表面将它们的运动输送到空气中，这进而产生球形展开波。这些波具有与振动体几乎相同的频率。所产生的声音或声学噪声也被称为固体传播的声音。在简化的条件下，固体传播的声音对应于整个主体的共振频率，包括其质量、刚度和阻尼的物理边界。
65.车辆的噪声发射仍然是满足最终用户满意度的关键挑战之一。动力系统声学在“运动性”声音的情况下通过正向关联影响，并且对于刺耳的声音通过负面感知影响。研究表明，普通的gdi系统是机械噪声发出的一个主要来源。具体地，在怠速状况下，这种情况可能会使驾驶员和行人感到厌烦。现代汽油直接喷射发动机中的高压泵可能由于“滴答”噪声而被感知为是声学上令人讨厌的，该“滴答”噪声是在这些发动机非常平稳的运行时发出的。这种滴答声音主要源于数字入口阀32调节燃料进入到高压泵3’中的快速闭合和打开运动。由于gdi系统10’安装在发动机101的顶部上，所以该噪声增强。因此，固体传播的声音经由发动机101穿过整个车辆100而被传送。
66.研究揭示gdi系统噪声覆盖1.6khz至16khz之间的范围。在简化的术语中，这个范围可以被分成用于泵功能的两个主要区域。压力生成影响从约1.6khz至5khz的区域，而数字入口阀影响从5khz至10khz的区域。最后提到的范围代表上述“滴答”噪声。
67.此外，高压泵3’由发动机101的凸轮轴27驱动，并且因此，泵频率(例如，泵速度)遵循发动机101的发动机速度。这种布置在泵和喷射效率方面可能不是最优的，因为泵3’排量必须与发动机101的每冲程的最高喷射量相匹配。由于高压泵3’的布局必须解决整个发动机工作状态下的最大燃料传送速率，因此在部分负载区域中通常将运行泵3’。然而，正如本领域普通技术人员所意识到的，在部分负载操作中正在运行或操作的部分不满足最大能力的效率水平。另外，由于每个部分具有特定的效率映射，固定的操作条件不会导致最高的操作效率。因此，部件的功率消耗增加。
68.上述系统10’的另一缺点是一旦流体在高压泵3’和/或喷射轨道102内，就不能从那里冲回和/或排出。因此，不能移除没有喷射到燃烧室中并且保留在高压系统内的任何液体。然而，如果水和燃料的乳化液不连续地来回移动并且由此稳定(例如，乳化液的分离大致发生在几分钟的量级)，则它将分离回到原始组分。因此，在随后的喷射冲程期间，可以将新鲜传送的乳化液与分离的燃料和水的混合物喷射到燃烧室中，然后，这可能损害合适的发动机功能。
69.在仅水到达喷射器的极端情况下，将根本不存在燃烧，这可能因此使布置在发动机下游的催化转化器冷却，这进而可以导致更高的排放水平。此外，如果乳化液在该体系内保持较长的时间周期，例如，几天或甚至几周，由于燃料的老化趋势，在系统内可能形成内部沉积物，这可能损坏整个系统并且缩短发动机的寿命。
70.根据本发明的示例性实施方式，上述缺点由参考图3至图8所讨论的液体燃料喷射系统10来克服。
71.图3和图5示意性地示出根据本公开的示例性实施方式的燃料喷射系统10的燃料泵1。具体地，图5示出了燃料泵1的组件的侧视图，其中，燃料泵1被示出为没有外壳或壳体。图4示出包括具有图3和图5的燃料泵1的燃料水喷射系统10的机动车辆100。图7示出用于操作图3和图5的燃料泵1的方法m的流程图，而图8是相应的喷射系统10的示意图。
72.该系统10还可以被配置为gdi系统，该gdi系统用于从车辆100的燃料箱104泵送汽油并且经由喷射轨道102将汽油喷射到发动机101中。然而，在其他示例性实施方式中，系统10可以喷射其他形式的液体燃料，例如，如lng、lpg、cng等的液化燃料。水可以选择性地与来自燃料箱104的燃料混合，以在某些驾驶状况和/或发动机条件下提供燃料水乳化液，然后，该燃料水乳化液可以被喷射到发动机101中，如下面将说明的。
73.具体地，系统10可以包括低压泵2，该低压泵2被配置为将来自机动车辆100的水箱108(在小于1巴的压力下设置)的水与来自机动车辆100的燃料箱104(也在小于1巴的压力下设置)的液体燃料混合成液体燃料水乳化液，并且在低压下提供液体燃料水乳化液，例如，在约3巴至6巴。低压泵2可以以各种形式实现，例如，作为侧通道泵，其能够基于内部漩涡运动来混合部件。然而，其他可应用的泵和操作方法是可行的。
74.传送至低压泵2的水的量以及因此乳化液内的水含量可以在水管线109内由节流阀35进行调节(参考图5)。因此，图3至图8的系统10利用被配置为在浸泡模式下操作的单个泵，以在低压下提供液体燃料水混合物，其中，可以经由节流阀35调整混合比率。
75.应当理解，燃料和水的这种混合可以基于发动机的当前要求来选择性地完成。应当理解，在某些驾驶条件下，水的含量可以设定为零，使得仅将燃料喷射到燃烧室中。例如，与高负载或动态模式相比，仅可以在“正常”操作模式下传送燃料。
76.系统10还可以包括高压泵3，该高压泵3与低压泵2流体连通并且被配置为将所传送的液体从低压压缩至高压(例如，约250巴至350巴)，以用于经由喷射轨道102将液体喷射到机动车辆100的内燃发动机101中。高压泵3可以被提供为简单的2-提升阀解决方案，包括在低压侧l上的提升阀17和在高压侧h上的提升阀17。
77.与图1和图2的系统10’相比，图3至图8的系统10还可以包括被配置为同步地驱动低压泵2和高压泵3的泵驱动器4。泵驱动器4可以被配置为驱动高压泵3的曲柄驱动器12，该曲柄驱动器连接至挺杆34，该挺杆34进而驱动被配置为压缩液体的高压泵3的吸入活塞11。
在图5中曲柄驱动器12示出为具有复位弹簧20。
78.应当理解，曲柄驱动器可以被配置为在活塞11与挺杆34之间的刚性组件中没有这种弹簧20。在一些应用中，弹簧可以有助于稳定系统。根据具体用途，吸入活塞11可以被配置为有合适的提升范围，例如，约2mm至5mm。提升范围应该适于每提升的低质量，但高度足以压缩和传送足够的燃料。
79.因此，在图3至图8的示例性实施方式中，高压泵3未耦接至发动机101的凸轮轴。相反，高压泵3与发动机101解耦并且由为此特定目的提供的泵驱动器4来单独地驱动。实际上，整个燃料泵1可以机械地从内燃发动机101解耦并且间隔开(参考图4)。例如，泵1可以安装在车辆100的底板内或者发动机机柜中的分离的隔室内。
80.因此，泵驱动器4可以配置为以独立于机动车辆100的内燃发动机101的发动机速度的泵频率来驱动泵2、3。因此，本示例性实施方式的解决方案偏离了将gdi系统固定地连接至发动机机构通常遵循的方法。这克服了图1和图2的系统10’的缺点，如下面将进一步解释。
81.因此，用于操作燃料泵1的方法m可以包括在m1中(参考图7)将来自机动车辆100的水箱108的水与来自机动车辆100的燃料箱104的液体燃料混合成液体燃料水乳化液，并且在m2中用低压泵2在低压下泵送液体燃料水乳化液。方法m还可以包括在m3下用高压泵3将液体燃料水乳化液从低压压缩至高压，以用于经由机动车辆100的喷射轨道102将液体燃料水乳化液喷射至机动车辆100的内燃发动机102中；具体地，低压泵2和高压泵3可以由泵驱动器4以独立于机动车辆100的内燃发动机101的发动机速度的泵频率来同步地驱动。
82.现在参考图5和图6，泵驱动器4被配置为电动机，并且可以包括经由低压泵2与高压泵3之间的电连接和机械连接22彼此轴向地耦接的两个电动子机5。每个电动子机5可以包括集成到其相应的外壳7中的螺旋冷却通道6，该螺旋冷却通道6被配置为沿着绕相应的电动子机5的轴向方向d的螺旋路径将液体从低压侧l(即，从低压泵2)冲至高压侧h(即，至高压泵3)。由于穿过螺旋通道6的翻滚运动，乳化液可以连续地混合并且由此稳定，即，防止乳化液分离。
83.两个电动子机5可以经由液压调节器8彼此流体连接，该液压调节器提供电动子机5之间的压力调节连接，以用于在电动子机5之间(即，两个子机5的螺旋冷却通道6之间)传导液体。在图6中更详细地示出了液压调节器8。如图所示，液压调节器8可以包括主调节器供应管线23，以用于将液体从低压侧l上的电动子机5的螺旋冷却通道6输送至高压侧h上的电动子机5，即，图5中从左至右。因此，液压调节器8可以包括调节器入口24和调节器出口25，该调节器入口24和调节器出口25与一侧的主调节器供应管线23和另一侧的相应的冷却通道6流体连接。例如，调节器入口24和调节器出口25可以被配置为简单的球阀等。
84.而且，液压调节器8可以包括用于压力调节从高压侧h到低压侧l液体回流的溢流返回阀9(图6中的左侧)以及用于将液体从喷射轨道102接收回到液压调节器8中的喷射轨道释放部26(图6中的右侧)，如下面将参见图8进一步解释。
85.燃料泵1可以被配置为以0kg/h至100kg/h之间的流速在0rpm至16.000rpm之间的泵频率范围内操作，以能够将液体(燃料或乳化液)少量但以高的泵速度传送至喷射轨道102。这提供了更精确地控制喷射过程的可能性。由于这一点，可以以高度有效的方式处理在不同驾驶情况之间的快速转换。
86.泵驱动器4可以被配置为无刷dc马达或类似物，例如，每个电动子机5能够在48v的工作电压下传送高达约500w(48v可能比12v更合适，因为后者可能遇到高的电流)。车辆电池105可以经由专用电线107向泵驱动器4传送必要的电能。dc-dc转换器(未示出)可以被配置为将车辆电池105的12v转换为泵驱动器4所需的48v。
87.燃料泵1可以包括泵控制单元14或泵控制器，为了清楚起见，泵控制单元14或泵控制器在图4中示出为与燃料泵1间隔开。然而，应当理解，泵控制器14可以被集成到燃料泵1中。在这个具体的示例性实施方式中，除了ecu 103之外还提供了泵控制器14。然而，在其他示例性实施方式中，泵控制器14的控制功能可以由ecu 103实现。分离的泵控制器14可使得能够在配备有常规系统的车辆中改进本系统10。
88.燃料泵1可以被配置为从泵控制器14接收电力，该泵控制器进而由车辆电池105供电。泵控制器14可以包括轨道压力控制逻辑，例如，基于实际值和预定义的设定点。为了进一步简化，具体地，泵控制器14可以被配置为根据基于车载诊断控制器局域网(can)信号的压力控制指令来操作燃料泵1。这些指令遵循国际标准，并且因此，系统10可以跨不同制造商使用，而无需修改。
89.因此，本公开能够通过使燃料喷射系统10(并且，具体地，燃油泵1)与发动机100解耦来显著降低普通数字进气阀的滴答噪声。可以完全省略数字入口阀。由于燃料泵1可以由专用泵驱动器4来驱动，因此泵1可以相对自由地被配置(相比于常规系统)，并且因此，单一泵类型可以满足各种不同类型的车辆对于各种驱动情况和发动机条件的要求。这也意味着可以降低燃料系统的功率消耗。
90.因此，可以减少部件的数量和降低总成本，并且可以简化整个供应基础设施。为了实现这一点，本公开遵循基于同步地驱动的低压泵和高压泵以及泵2、3和电动机器5的“单轴”布置的全新的泵方法(参考图5，示出了这些部件沿着这一个共用轴线的布置)。本系统可以被提供作为改型和备份解决方案，而不必在开发者水平上访问ecu。
91.现在参考图8，解释了本系统10的另外的方面，这些方面允许从喷射系统10中清除任何不想要的流体。图8示出来自图6的液压调节器8以及喷射系统10的其余部分，其包括低压泵2、高压泵3、两个箱104、108以及喷射轨道102。如上所述，低压泵2可以被配置为接收来自燃料箱104的燃料，并且将燃料选择性地与来自水箱108的水混合。实际的水的量可以经由节流阀35进行调整。然后，可以将所产生的乳化液(或者，在当前驱动/发动机条件下无需水冷却的情况下，只需燃料)从调节器入口24处的低压泵2冲到液压调节器8中，并且从那里经由调节器出口25冲至高压泵3，高压泵3将其传送至喷射轨道102。
92.如上所述，液压调节器8可以包括用于压力调节的溢流返回阀9。更具体地，溢流返回阀9可以被配置为将液体的回流传送至用于混合液体燃料水乳化液的低压燃料泵2。可选地，溢流返回阀9能够经由提升阀17将液体引导至乳化液分离装置36。乳化液分离装置36可以被配置为将水和液体燃料与液体燃料水乳化液分离，并将分离的组分引导至它们各自的箱104、108。
93.此外，液压调节器8可以包括与喷射轨道102的压力释放阀37流体连通的喷射轨道释放部26。压力释放阀37可以被配置为经由喷射轨道释放部26将液体从喷射轨道102清除至燃料泵2。然后，从那里，排出的液体可以进一步被引导通过溢流返回阀9。例如，如果不再需要，液体燃料水乳化液可以从喷射轨道102清除，并且然后，通过乳化液分离装置36分离
成原始部件。可选地，然而，排出的液体也可以与从低压泵2新鲜传送的新液体一起经由高压泵3从液压调节器8直接再填充到喷射轨道102中。
94.现在上述设置允许再利用和/或清除剩余在喷射轨道102中的任何流体。这样排出的流体可以直接反馈到喷射轨道102中或用于在低压泵2内再混合。可选地，或者另外，可以将所清除的流体填充回到供应箱104、108中。
95.作为一个特定实例，在正常发动机运行下，即，在低等和中等发动机负载下，喷射轨道释放部26和/或压力释放阀37可以闭合。压力可以经由溢流返回阀9调节回到低压侧l并且回到混合室和/或低压泵2的入口。较低密度组分，例如，在汽油水混合物的情况下，汽油在这种情况下可以是主要的回流介质，并且因此，可以稳定经由低压泵2所泵送的乳化液。
96.在另一实例中，燃料和水的混合物可以在喷射轨道102内重新调节。这可以通过排出部分轨道体积或清洗整个轨道来实现，例如，通过电致动喷射轨道102的压力释放阀37。然后，排出的或所清除的流体可以借助于高压泵3从液压调节器8填充回到喷射轨道102中。这个程序可以针对永久轨道循环连续地完成或不频繁地完成，以在具有高动态的应用中(诸如，摩托车运动)促进完全排出。
97.在另一实例中，在发动机关闭(启动/停止)期间，喷射轨道102可以完全排出。然后，可以将液体填充回到混合室和/或低压泵2的入口。具体地，特别相关的是，本泵解决方案独立于发动机101运行，该发动机101在这里被关闭。可以通过完全打开和闭合压力释放阀37频繁地清洗和再填充喷射轨道102。因此，可以在发动机关闭之后和发动机(重新)启动之前立即将燃料比率增加至最高水平。
98.在又一实例中，发动机101可以完全关闭较长的时间周期。当系统10有效地反向运行时，喷射轨道102可以经由压力释放阀37完全排出，并且流体可以穿过溢流返回阀9从那里排出到乳化液分离装置36中。然后，乳化液分离装置36可以将乳化液分离成其组分，然后可以将其填充返回到供应箱104、108中。因此，整个系统10可以从任何剩余的液体中被清洁掉。同样在这种情况下，本泵解决方案能够独立于发动机101运行是必要的。
99.因此，再次参考图7，方法m还可以包括在m4下由压力释放阀37从喷射轨道清洗液体燃料水乳化液，并且在m5中由乳化液分离装置36将所清洗的液体分离成水和液体燃料。
100.在上述详细描述中，出于简化本公开的目的，将各种特征组合在一个或多个实例中。应当理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。其旨在覆盖不同特征和实施方式的所有替代、修改和等效物。在审阅以上说明书后，许多其他实例对于本领域技术人员将是显而易见的。选择并且描述实施方式，以解释本发明的原理及其实际应用，从而能够允许本领域的技术人员通过适合于预期的特定用途的各种修改来利用本公开和各种实施方式。
101.参考列表
[0102]1ꢀꢀ
燃料泵
[0103]2ꢀꢀ
低压泵
[0104]
3，3
’ꢀꢀ
高压泵
[0105]4ꢀꢀ
泵驱动器
[0106]5ꢀꢀ
电动子机
[0107]6ꢀꢀ
螺旋冷却通道
[0108]7ꢀꢀ
外壳
[0109]8ꢀꢀ
液压调节器
[0110]9ꢀꢀ
溢流返回阀
[0111]
10，10
’ꢀꢀ
液体燃料喷射系统
[0112]
11 吸入活塞
[0113]
12 曲柄驱动器
[0114]
13 曲柄轴
[0115]
14 泵控制单元
[0116]
15 低压燃料室
[0117]
16 高压燃料室
[0118]
17 提升阀
[0119]
18 低压燃料入口
[0120]
19 高压燃料入口
[0121]
20 复位弹簧
[0122]
21 泵壳体
[0123]
22 机电连接器
[0124]
23 主调节器供应管线
[0125]
24 调节器入口
[0126]
25 调节器出口
[0127]
26 喷射轨道释放部
[0128]
27 发动机凸轮轴
[0129]
28 阀座
[0130]
29 阀活塞
[0131]
30 阀致动器
[0132]
31 磁线圈
[0133]
32 数字入口阀(div)
[0134]
33 div壳体
[0135]
34 挺杆
[0136]
35 节流阀
[0137]
36 乳化液分离装置
[0138]
37 压力释放阀
[0139]
38 水混合器/喷射器
[0140]
100 机动车辆
[0141]
101 内燃发动机
[0142]
102 喷射轨道
[0143]
103 发动机控制单元(ecu)
[0144]
104 燃料箱
[0145]
105 车辆电池
[0146]
106 燃料管线
[0147]
107 电线
[0148]
108 水箱
[0149]
109 水管线
[0150]
110 液体供应管线
[0151]
l
ꢀꢀ
低压侧
[0152]
h
ꢀꢀ
高压侧
[0153]
d
ꢀꢀ
轴向
[0154]
a
ꢀꢀ
致动方向
[0155]
m
ꢀꢀ
方法
[0156]
m1-m5 方法步骤。