用于向内燃机供应燃料的泵单元中的计量电磁阀的控制的制作方法

1.本发明涉及一种用于控制用于向内燃机供应燃料的泵单元中的计量电磁阀的系统和方法。


背景技术：

2.特别地，本解决方案涉及一种类型的泵单元，所述泵单元包括适用于向内燃机供应燃料、例如柴油的高压泵、例如活塞泵；适用于从容纳罐向高压泵供应燃料的低压预供泵、例如齿轮泵；以及用于将容纳罐、预供泵、高压泵和内燃机互连的液压回路。
3.液压回路包括计量电磁阀(通常称为fmu，来自英文“fuel metering unit”，或zme，来自德文“zumesseinheit”)，适用于根据内燃机的多个操作参数的值控制供应到高压泵的燃料的瞬时流率。
4.计量电磁阀包括安装在液压回路中的阀体和可滑动地接合在阀主体中以便可在打开与关闭位置之间移动的塞。
5.上述类型的已知的泵单元具有许多缺点，主要是由于燃料从高压泵的缸流出而产生的压力波可能会干扰对上述计量电磁阀的塞的控制，从而影响向所述高压泵并因此向内燃机供应正确的燃料流量。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种用于控制泵单元的计量电磁阀的改进方案，所述方案能够克服上述缺点并且能够以简单且经济的方式实现。
7.根据本发明，提供了一种如本技术的方面的控制系统和方法。
附图说明
8.现在将参考附图来描述本发明，附图示出了本发明的实施例的非限制性示例，其中：
9.图1是用于向内燃机供应燃料的泵单元的液压图；
10.图2是图1的泵单元的包括相应的计量电磁阀的一部分的示意性剖视图，为了清楚起见而去除了一部分；
11.图3示出了泵单元的计量电磁阀的电磁致动器的激励信号；
12.图4示出了上述激励信号的平均值和振荡振幅的可能趋势；
13.图5示出了图4的激励信号的平均值和泵单元中燃料流量的相关联的趋势；
14.图6示出了所供应的燃料的压力峰值随上述激励信号的平均值变化的可能趋势；
15.图7示出了根据根据本解决方案的一个方面的控制方案生成的激励信号的趋势；
16.图8示出了图7的激励信号的振荡振幅和平均值的趋势；
17.图9是根据本解决方案的一个方面的计量电磁阀的电子控制单元的概要框图；
18.图10示出了图9的电子控制单元的驱动模块的第一实施例；
19.图11示出了图9的电子控制单元的驱动模块的第二实施例；以及
20.图12是根据本解决方案的另一方面的计量电磁阀的电子控制单元的变体的概要框图。
具体实施方式
21.图1示出了整体用1表示的泵单元，用于从罐2向内燃机3、例如柴油发动机供应燃料、例如柴油。
22.发动机3包括通常称为“共轨”的燃料分配歧管4，以及连接到歧管4并适用于将燃料喷射到相应的燃烧室(在这里未示出)中的多个喷射器5。
23.泵单元1包括用于向发动机3供应燃料的高压泵6、特别是活塞泵，以及用于从罐2向高压泵6供应燃料的例如电动类型的低压或预供泵7、特别是齿轮泵。
24.高压泵6包括泵主体8和在所示的示例中形成在泵主体8中并且具有基本上彼此平行的相应纵向轴线10的两个缸9。
25.缸9由相应的活塞11滑动地接合，相应的活塞11在致动装置12的力的作用下在包括用于将燃料吸入相应室9中的冲程和用于将燃料输送到发动机3的冲程的往复直线运动中可移动。
26.致动装置12包括传动凸轮轴13，所述传动凸轮轴13被容纳在形成在泵主体8中的第一容纳室14中，并且能够在活塞11的输送冲程中移动活塞11。
27.对于每个活塞11，致动装置12还包括相应的弹簧(未示出)，所述弹簧容纳在形成在泵主体8中的第二容纳室(未示出)中，并且能够在其吸入冲程中移动活塞11。特别地，轴13被配置成同时使一个活塞11在其吸入冲程中移动并且使另一个活塞11在其输送冲程中移动。
28.泵单元1还包括液压回路15，所述液压回路15又包括用于互连罐2和低压泵7的第一分支16、用于互连低压泵7和高压泵6的第二分支17以及用于互连高压泵6和歧管4的第三分支18。
29.第二分支17设有用于过滤供应到缸9的燃料的过滤装置19，并且还具有在燃料沿所述第二分支17前进的方向21上安装在过滤装置19的下游的计量电磁阀20(通常称为“fme”或“zme”)。
30.根据发动机3的多个操作参数的值，计量电磁阀20被致动以控制供应到高压泵6的燃料的瞬时流率；在这里将参考的一个可能的实施方式中，计量电磁阀20是常开(“常开”)类型的。
31.电子控制单元100(其设有使用微控制器、微处理器或类似数字处理元件的处理单元，耦合到非易失性存储器，并设有合适的驱动级或“驱动器”)操作性地耦合到计量电磁阀20，以便根据发动机3的上述操作参数来控制阀的致动。
32.应该注意的是，该电子控制单元100可以操作性地耦合到用于管理和监控发动机3的单元(在这里未示出)，或者可以集成到用于管理和监控发动机3的上述单元中。
33.第二分支17和第三分支18分别经由进气阀22和输送阀23连接到每个缸9。
34.上述液压回路15还包括另外的回路分支，其具有与本讨论不直接相关的已知功能，因此在本文中不详细描述。
35.如图2中更详细地示出的，液压回路15的第二分支17包括供应歧管(或通道)29，并且包括针对每个缸9(在这里未示出)的、用于将供应歧管29连接到所述缸9的相应的进气导管30。
36.计量电磁阀20包括大致管状的阀主体31，阀主体31在供应歧管29中安装成与所述供应歧管29的纵向轴线32同轴，并且计量电磁阀20具有环形形状的输入通道33，所述输入通道33围绕纵向轴线32延伸并与第二分支17连通以供应燃料通过阀主体31。
37.阀主体31由杯状塞34滑动接合，杯状塞34由基本上垂直于纵向轴线32的端部壁35轴向限制，并且还由基本上圆柱形的侧向壁36限制，所述侧向壁36设有围绕同一纵向轴线32分布的多个连接孔37。
38.塞34可在打开位置与关闭位置之间移动，在打开位置中连接孔37与输入通道33径向对准，在关闭位置中所述连接孔37相对于输入通道33轴向偏移。
39.塞34通过弹簧38移动到它的打开位置，并且通常保持在那里，弹簧38介入在塞34与固定到阀主体31的自由端部的止动环39之间(因此应该注意，计量电磁阀20是“常开”类型的)。
40.塞34通过电磁致动器40克服弹簧38的作用从其打开位置移动到其关闭位置，所述电磁致动器40包括与纵向轴线32同轴地紧固到阀主体31上的杯状主体41。
41.电磁致动器40还包括由铁磁材料制成并可滑动地安装在杯状主体41中的致动电枢42。致动电枢42具有柱塞43，所述柱塞43可滑动地接合在一对引导件44中并定位成与端部壁35接触。
42.电磁致动器40还包括电路45，所述电路45由围绕致动电枢42并沿着纵向轴线32延伸的线圈组成，并且被供电以抵抗弹簧38的作用而移动致动电枢42。
43.特别地，上述控制单元100被操作性地耦合到电路45并且被配置成能够向所述电路45提供合适的驱动信号sd，以激励线圈并控制致动电枢42，从而控制计量电磁阀20的打开和关闭，以便调节供应到发动机3的燃料量。
44.如上所述，由于燃料从高压泵6的缸9流出而发生的供应歧管29中的压力波动使得向所述高压泵6并因此向发动机3的燃料流的不稳定性。
45.特别地，压力的变化(特别是供应歧管29中的压力峰值)影响电磁致动器40的上述柱塞43的平衡轴向振荡；其结果是低压泵7供应的流率没有被正确调节，并且类似地，高压泵6的流量同样没有调节。
46.除其它因素外，上述压力峰值取决于高压泵6的填充效率和所述高压泵6的速度(或转数)(更高的速度对应于流量输送中更大的不稳定性)。
47.特别地，柱塞43的轴向平衡是由于源自电磁致动器40的致动的磁力(由上述图2中的实线箭头指示)和与供应歧管29中的压力波相关联的液压力(由所述图2中的虚线箭头指示)之间的平衡。
48.如果液压力(例如，由于上述压力峰值)克服了磁力，则柱塞43的轴向平衡不能被正确控制，流率也不能被正确控制，使得高压泵6的流率出现不稳定。
49.本技术人已经发现，现有的控制解决方案在由上述液压振荡产生的干扰方面不够稳健。
50.特别地，现有的控制解决方案通过控制供应到所述电磁致动器40的固定频率pwm
(脉宽调制)驱动电压信号的占空比来提供对电磁致动器40的线圈中的激励电流的平均值的调节。
51.图3示出了在给定的时间间隔内由i
zme
指示的用于电磁致动器40的激励电流信号的一部分。图3示出了激励信号i
zme
的平均值以及围绕该平均值的振荡的峰值到峰值振幅，称为“纹波振幅”。
52.特别地，如上所述，激励电流的平均值确定通过计量电磁阀20的供应流的流率，而纹波振幅确定所述计量电磁阀20的柱塞43的振荡振幅，并且因此确定由激励信号i
zme
产生的磁力抵抗液压干扰力、换句话说是压力的振荡或峰值的能力。
53.采用这种控制技术，纹波振幅会随着激励电流平均值的增加而增加，如图4所示，这说明了激励信号i
zmea
的斜坡状趋势，表明相应的纹波振幅会随着平均值的增加而增加。
54.需要特别说明的是，由于计量电磁阀20是常开类型的，零激励电流对应于最大流量，而最大激励电流(阀关闭)对应于最小流量。因此，在泵的部分负载或减少负载的情况下(也就是说，当供应歧管29中的压力峰值较低时)达到高磁力(高激励电流)。
55.如图5所示，其示出了对于激励信号i
zme
的斜坡状趋势(仅示出了其平均值)，用f表示的泵的供应流量的趋势，高压峰值和减小的电流振幅的组合可能会使得泵流量的不稳定。
56.特别地，上述图5(在图的圈出部分内)展示了计量电磁阀20的控制中的不稳定区域，其中产生的磁力不足以控制压力振荡，使得流率不稳定。
57.因此，鉴于上述发现，本解决方案的一个方面提出，对计量电磁阀20的控制策略进行适当修改，以对纹波振幅的值以及对激励信号i
zme
的平均值施加控制动作，以便在计量电磁阀20的整个期望的操作范围内获得足够的控制能力(对抗于压力峰值)。换句话说，纹波振幅是由电子控制单元100直接控制的，而不是具有由激励信号i
zme
的平均值的控制而产生的值(如在已知解决方案中的情况)。
58.在一个可能的实施例中，用于控制的纹波振幅的参考值(或设定点)可以具有恒定值，适当地选择所述恒定值以获得上述对抗压力峰值的足够的能力。
59.在一个优选的实施例中，纹波振幅的值是可变的并且以期望的方式受控制，特别是根据压力峰值的趋势受控制，以便根据液压干扰力的对应的值来确定纹波振幅的优化值。
60.在该意义上，图6示出了对于高压泵6的给定速度随激励信号i
zme
的平均值而变化的供应歧管29中的压力峰值的可能趋势。特别地，该趋势包括在计量电磁阀20的特定操作范围中的急剧上升和相应的峰，在这种情况下，特定操作范围例如是在整个操作范围(考虑在激励电流的零值与最大值之间)的40％至60％之间。
61.图7示出了根据本控制解决方案的激励信号i
zme
的对应趋势；特别地，图7展示了所述激励信号i
zme
的上包络和下包络连同其平均值的趋势。
62.图8示出了激励信号i
zme
的纹波振幅(被视为上述上包络与下包络之间的差)的趋势。
63.特别地，纹波振幅遵循至少在计量电磁阀20的操作范围的一部分中的压力峰值的相应趋势，并且示出对应的峰值，其在该示例中在整个操作范围的40％至60％之间的部分中。在操作范围的这部分之外(特别是对于激励信号i
zme
的较高平均值)，纹波振幅的趋势随
着平均值线性上升。
64.由于这一趋势，纹波振幅因此足以对抗压力振荡(通过确保磁力等于或大于相应的液压力)。
65.现在将首先参考图9描述由相应的控制单元100实现的计量电磁阀20的控制方案。
66.特别地，上述控制单元100包括第一映射模块101，所述第一映射模块101存储随激励信号i
zme
的平均电流值以及随高压泵6的速度(或转数)而变化的供应歧管29内的压力峰值的位置的映射。该映射可以在发动机3的表征期间在工作台上确定，并且存储在控制单元100的非易失性存储器中，所述控制单元100的非易失性存储器还存储了用于实现上述控制方案的合适的软件程序。
67.控制单元100还包括第二映射模块102，其存储在由第一映射模块101提供的压力峰值的映射上绘制的激励信号i
zme
的纹波振幅的对应的映射。该映射也可以在发动机3的表征期间在工作台上确定，并且存储在控制单元100的非易失性存储器中。
68.如上面参考图6至图8所讨论的，第二映射模块102返回计量电磁阀20的每个操作点的激励信号i
zme
的纹波振幅的值，使得可以以期望的方式平衡由存在于供应歧管29中的压力峰值表示的干扰(具有由第一映射模块101提供的趋势)。例如，第二映射模块102基于上述图8中所示的趋势在其输出处提供纹波振幅。
69.控制单元100还包括耦合到计量电磁阀20的驱动级(驱动器)104，其被配置成能够驱动相应的电路45(和相应的线圈)以生成激励信号i
zme
，在这种情况下，所述激励信号i
zme
具有可变的占空比和可变的频率。
70.在下面更详细描述的第一实施例中，驱动级104包括驱动模块105，其实现对激励信号i
zme
的纹波振幅的控制。
71.在同一图9所示的第二可能的实施例中，所述驱动级104包括第三映射模块106和对应的驱动器模块108，所述驱动器模块108实现对激励信号i
zme
的占空比的控制，在这种情况下，所述激励信号i
zme
具有由上述第三映射模块106确定的频率。
72.该第三映射模块106存储随由第二映射模块102提供的纹波振幅值而变化的激励信号i
zme
的频率的值的映射。该映射可以在发动机3的表征期间在工作台上确定，并且存储在控制单元100的非易失性存储器中。当激励信号i
zme
的平均值已经固定时，激励信号i
zme
的频率确定所述激励信号i
zme
的纹波振幅(其随着频率降低而增加)。
73.更详细地，如图10所示，在第一实施例中，驱动级104的驱动模块105包括具有滞后的比较器单元110，所述比较器单元110在其输入处接收用于激励信号i
zme
的参考平均值(或设定点)(随供应到高压泵6的燃料的流率的期望值而变化)，以及还作为进一步的参考或控制设定点接收由第二映射模块102提供的期望的纹波振幅值。
74.具有滞后的比较器单元110还在其输入处接收作为用于控制动作的反馈的有效激励信号i
zme
，即流经计量电磁阀20的电路45的由耦合到所述计量电磁阀20的适当的传感器测量的电流。
75.具有滞后的比较器单元110在其输出处生成方波脉冲信号s
imp
(开/关类型)，所述方波脉冲信号s
imp
当有效激励信号i
zme
位于由上述参考平均值和参考纹波振幅(特别是，纹波半振幅被添加到平均值中/从平均值中减去)定义的振幅窗口内时具有第一值、例如高值，并且当有效激励信号i
zme
位于所述幅度窗口之外时具有第二值、例如低值。
76.驱动模块105还包括电源单元112，所述电源单元112由例如由机动车辆的电池提供的电源电压v
a1
提供，并且被配置成能够根据由具有滞后的比较器110生成的上述脉冲信号s
imp
来生成驱动信号v
pwm
、特别是脉宽调制电压信号；该电源单元112可以包括例如升压类型的dc/dc电压转换器(其是在这里没有详细描述的已知类型)。
77.然后，驱动信号v
pwm
被提供到计量电磁阀(zme)20的电路45，使得生成激励信号i
zme
和相应的磁力。
78.如图10所示，驱动模块105还可以包括测量单元114，所述测量单元114在其输入处接收上述有效激励信号i
zme
并计算其平均电流值。该平均值作为反馈信号被发送到控制单元100的上述第一映射模块101的输入端和/或用于进一步的控制动作(以在这里未示出的方式)。
79.如图11所示，在第二实施例中，驱动级104的驱动模块108包括例如pi(比例积分)或pid(比例积分微分)类型的控制单元120，所述控制单元120在其输入处接收用于激励信号i
zme
的参考平均值(指示供应到高压泵6的燃料的流率的期望值)，并且还在其输入处接收由测量单元测量的有效激励信号i
zme
的平均电流值作为反馈，所述测量单元同样由114表示，所述测量单元在其输入处接收上述有效激励信号i
zme
并计算其平均电流值。
80.所述控制单元120还在其输入处接收由第三映射模块106提供的激励信号i
zme
的频率的期望值(根据纹波振幅的期望值)，并且在其输出处生成用于电源单元的脉冲信号s
imp
(开/关类型)，电源单元在这里同样用112表示；该电源单元112在这种情况下也由电源电压v
a1
供电，并且还在其输入处接收由第三映射模块106提供的频率值。
81.特别地，脉冲信号s
imp
因此具有等于由第三映射模块106提供的上述频率值的频率以及由控制单元120执行的反馈控制动作确定的占空比。
82.在这种情况下，电源单元112也被配置成能够根据上述脉冲信号s
imp
生成被提供到计量电磁阀20的电路45的驱动信号v
pwm
。
83.本解决方案的优点从前面的描述中是清楚显然的。
84.在任何情况下，应该再次强调的是，所描述的控制策略可以通过计量电磁阀20生成的磁力适当地补偿由于供应歧管29中的压力峰值而引起的液压力，以便减少对高压泵6(和发动机3)的流动干扰。
85.特别地，在满载时，激励信号i
zme
的频率可以有利地较低(意味着电流纹波振幅较高并且磁力峰值较高)，以便减少泵的流率的波动。相反地，在低泵负载的条件下，可以使用比低频更好的所述激励信号i
zme
的高频，因为在这种情况下，液压力较低，因此较低的磁力足以补偿它们。
86.换句话说，与常规的控制解决方案(具有固定频率和可变的占空比)相比，该控制策略可以获得任何操作点的最优控制方案，从而获得更稳定和可控的燃料供应。
87.最后，很明显，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以对所描述和说明的内容进行修改和改变，如所附权利要求书所定义的。
88.特别地，如图12所示，可以提供由控制单元100实现的控制方案的另一变体。
89.在这种情况下，不提供存储供应歧管29内的压力峰值的位置的映射的第一映射模块101。
90.控制单元100包括压力传感器130，压力传感器130被配置成能够检测供应歧管29
内的流体压力并生成压力信号s
p
；以及处理模块131，其耦合到压力传感器130并被配置成能够根据对上述压力信号s
p
的分析来检测压力峰值的位置和趋势(趋势的显示对应的峰值的一个示例在所述图12中示出了)。
91.在这种情况下，处理模块131向第二映射模块102提供关于压力峰值的“映射”(即，时间位置)记录的信息，用于以与上面讨论的完全类似的方式确定激励信号i
zme
的纹波振幅的对应值，使得可以以期望的方式平衡由所述压力峰值表示的干扰。
92.在本实施例中，控制单元100还包括驱动级104(在这里未示出)，其被配置成能够生成驱动信号v
pwm
并将驱动信号v
pwm
提供给计量电磁阀20的电路45(和对应的线圈)，用于生成激励信号i
zme
；特别地，在这种情况下，该驱动级104也可以根据第一或第二实施例(上面分别参照图9和图10进行讨论)制成。
93.还将显而易见的是，上述第一映射模块101在其输入处除了泵速度之外还可以接收指示发动机3的操作点的其它参数(如果存在的话)，包括例如喷射量、公共歧管(“共轨”)中的压力或其它相关量。