燃料喷射器和控制燃料喷射器的方法 【技术领域】
本发明涉及内燃机的燃料喷射器，和控制燃料喷射器所输送的燃料量的方法。具体地，本发明涉及确定或预测在燃料喷射事件期间燃料喷射器中的燃料压力。
背景技术
燃料喷射系统允许控制和优化喷入发动机燃烧室中的燃料量、相对于曲轴和活塞位置的燃料输送正时以及存在于燃烧室中的燃料，例如通过以预定模式(pattern)雾化和分散燃料。现代燃料喷射系统使用电子控制装置来获得对燃料输送的量和正时的高精确度。需要该高精确度来满足市场的排放和性能预期。
共轨燃料喷射系统为大家所熟知，尤其是在压燃式发动机例如柴油机领域。汽车的一种典型共轨燃料喷射系统在附图1中示意性地示出。燃料储存在燃料箱20中，并且通过提升泵22和过滤器24抽吸到发动机驱动的高压泵26。高压泵26向蓄压器或轨道28供应高压燃料。燃料喷射器30通过相应的跨接管32连到轨道。每个燃料喷射器30布置成通过在电子控制单元(ECU)34的控制下把燃料喷入气缸燃烧室中来向发动机的一个相应气缸供应燃料。
大家知道很多种燃料喷射器。在一种典型布置中，燃料喷射器包括控制阀，该控制阀包含可在第一位置与第二位置之间在致动器的致动下移动的阀针，该致动器例如为螺线管或压电致动器。该阀针装在燃料喷射器主体内。该主体形成有喷嘴，该喷嘴设有至少一个孔口，位于阀针的支持面的下游。该支持面又位于高压燃料储存器的下游。在第一位置时，该阀针相对该支持面密封，以便阻止燃料流过该支持面。在第二位置时，该阀针保持脱离该支持面，从而使得燃料能从该储存器流出，通过所述或每个孔口并且流入燃烧室，因此实现燃料喷射。
输送给燃烧室的燃料量影响发动机的转矩输出。因此，必须谨慎控制燃料输送，从而在任意指定时间在随后主导的状况下提供期望转矩输出。
每个喷射事件期间输送的燃料量是喷嘴孔口流通面积、燃料压力和喷射持续时间的函数。该喷射持续时间是阀针从支持面提起，从而使高压燃料能够经由孔口流入燃烧室的时间段。
在指定燃料喷射器中，喷嘴孔口流通面积是固定的。因此使用所谓的″压力‑时间″原理控制燃料输送。为了获得期望燃料量的输送，用电子方式把该喷射持续时间设成预先计算好的值，从而在某一燃料压力下，所需量的燃料会进入燃烧室，在这段时间内，燃料会流过喷嘴，也就是喷射持续时间。因此，燃料压力的任何非故意的变化会导致不正确的燃料量输送给燃烧室，带来的结果是发动机产生的输出转矩多于或少于所需的。在这些情况下，会损害车辆的驾驶性能、性能和排放。
再次参照图1，由ECU 34实现对喷射正时和持续时间的控制。ECU 34接受来自各种传感器的输入信号，这些传感器可以包括曲轴转速传感器36a、曲轴相位传感器36b、加速踏板需求量传感器36c、进气温度传感器36d、冷却剂温度传感器36e、进气质量流量传感器36f，以及在涡轮增压发动机，包括进气增压压力传感器36g。此外，共轨燃料喷射系统包括燃料轨道压力传感器38，其可与燃料温度传感器相结合。ECU 34通过输出信号控制各种致动器，这些致动器致动高压泵26的入口处的计量流量阀40、轨道压力控制阀42以及各个喷射器30的控制阀。
轨道压力传感器38通常是带有集成电子元件的压阻装置。它侵入式地安装在轨道28中，从而使传感器主体的一部分(通常是膜片)直接暴露于轨道28中的高压燃料。通常，轨道压力传感器38旋入轨道28的螺纹端口44中，可用软铁垫圈来实现传感器38与轨道28之间的密封。因为轨道压力传感器38必须可靠地操作并且在高压环境中不会有渗漏，这些传感器38就比较昂贵和精密。
轨道28中的标称燃料压力并由此每个燃料喷射器30中的标称燃料压力，是通过ECU 34使用来自这些传感器36a‑36g、38的输入信号确定发动机工作条件和转矩需求来确定的。例如，在发动机低转速和低负荷下，该标称轨道压力可以是300巴；而在发动机高转速和高负荷下，该标称轨道压力可以是2000巴。通常，在发动机装配和测试期间的标定过程中针对相应的工况范围记录最优标称轨道压力的范围。确定这些最优值从而最小化排放、优化性能或最小化所需燃料消耗量。这些最优标称压力存储在ECU 34的存储器的图谱中，从而可以针对指定发动机工况得到最优值。
因此，在指定的一组发动机工况下，标称平均轨道燃料压力具有固定值。ECU 34从轨道压力传感器38确定实际的、瞬时轨道燃料压力，并且适当地操作高压燃料泵26的入口计量流量阀40或轨道压力控制阀42以实现并保持该期望平均轨道燃料压力。通过这种方式，提供一种反馈控制系统。提供复杂的控制算法从而优化该反馈控制系统。轨道压力传感器尽可能地精确是很重要的，因为轨道燃料压力的意外变化会引起转矩输出的意外变化。
反馈控制系统的响应时间受到轨道压力传感器38、ECU 34、高压泵26和入口计量流量阀40或轨道压力控制阀42的性能的限制。例如，如果轨道压力下降，轨道压力传感器38必须通过发送适当信号给ECU 34的方式响应这个压降，然后ECU 34必须评估该信号并且通过致动入口计量流量阀40的方式且在其流量限制之内进行响应，高压泵26必须增大轨道压力到所需值。
喷射事件对轨道28中所储存的燃料量给出瞬时流量需求。瞬时流量需求使得控制系统不能足够快速地响应，并且因此使得轨道28中的燃料压力下降。因此扰乱了轨道28中的燃料压力，在压力恢复到期望水平之前会经历短时间，尽管这个恢复有希望在下一个喷射事件之前完成。压降意味着在正常喷射事件的持续时间内轨道28中的平均压力可稍低于目标压力，但这个可在标定期间考虑到，因此仍然获得预期转矩。
燃料喷射技术并且尤其是共轨系统的近期发展已经提出在每个燃烧循环的多次喷射事件中的燃料输送能力。换句话说，气缸的每个循环期间不是出现单次喷射事件，而是以连续或一系列的两次或更多次的精密定时的喷射事件输送燃料，每次都喷射谨慎控制的燃料量。例如，喷射顺序可包括先于主喷射的先导喷射或预喷射，该先导喷射或预喷射对燃烧室中的气体进行预热，在主喷射中喷射大多数燃料。还可提供主喷射之后的后喷射来促进未燃燃料的完全燃烧，由此降低有害废气排放并改善燃料效率。
因此，现代发动机可利用每循环多次喷射事件来优化性能和燃料效率并且降低有害废气排放。在发动机负荷和转速状况范围内，可以改变最优喷射顺序。例如，有些状况可能需要先导喷射之后紧接着主喷射，有些状况可能需要分次主喷射，其它状况可能需要先导、主和后喷射，而还有其他状况可能需要多次先导或多次后喷射。
当需要一系列的多次喷射事件时，就可能出现由先导喷射事件引起的对轨道压力并由此对喷射器30中的燃料压力的干扰仍然会在后续喷射事件开始时存在。换句话说，由在先喷射事件引起的燃料系统内的压力波在后续喷射事件出现时可能不会消失。因此，后续喷射事件时喷射器30中的燃料压力不处于与目标轨道压力对应的期望水平。反而，喷射器30中的压力低于或高于期望压力，这取决于压力波与后续喷射事件的相位关系。在任何一种情况中，所得到的结果是输送了不正确的、不期望的和不可预测的燃料量，且对转矩输出和排放有同样的不可预测的后果。
由于这种现象，可能出现所输送燃料量的显著误差，并且这些误差会引起不能接受的排放、增大的噪音、消弱的驾驶性能、性能差等等。
一种降低或减轻这些残余压力的不希望有的影响的已知方法包括在燃料系统的特定位置设置调整孔口以衰减由喷射事件引起的压力波，由此阻止波的传播。然而，这种方法是不可改变的，因为调整孔口只对比较有限的发动机工况和喷射顺序范围有效。特别是在指定发动机中采用多于一种喷射策略的情况下，这种方法是有限值的。
理论上，可以通过以精细的颗粒度(granularity)绘制发动机的整个转速和负荷状况以及标定多次喷射顺序中的喷射持续时间以抵消残余压力波，来抵消该多次喷射顺序中的压力波的影响。然而，这种方法是不切实际的，因为它会需要一种极端费力的标定过程，以及由ECU对大量数据的存储和快速检索。此外，标定的喷射持续时间很容易受到管道长度和构造公差的微小变化的影响。
这违背了设计本发明的背景技术。
【发明内容】
根据本发明的第一方面，提供一种内燃机的燃料喷射器，该燃料喷射器包含喷射器主体、形成在该喷射器主体中的燃料供给通道和压力传感器，该燃料供给通道容纳着喷射器所使用的高压燃料，该压力传感器用于测量使用时通道中的燃料压力，其中，该压力传感器安置在喷射器主体内并且在使用时与通道中的燃料隔开。例如，供给通道可至少部分地由喷射器主体的壁形成，从而使该压力传感器通过该壁与通道中的燃料隔开。
该压力传感器可测量喷射器主体所经受的应变，在使用喷射器时，该应变来源于通道中的燃料压力并且与其有关。在这方面，该压力传感器可包括应变仪。该压力传感器还可能响应于由燃料供给通道内的压力所引起的并与其对应的喷射器主体整体或局部的位移、偏斜或变形。
不同于传统的“侵入式”压力传感器，比如轨道压力传感器，本发明的燃料喷射器中所设置的压力传感器不侵入通道，并且该压力传感器的任何部分都不会被通道内的燃料弄湿。因此，本发明中所提供的压力传感器可以被看作“非侵入式”或“干式”压力传感器。
与在各个喷射器中设置侵入式压力传感器相比，本发明还提供了优点。根据本发明，该压力传感器与供给通道隔开，因此不需要喷射器内的供给通道中的精加工的孔或缺口。加工这个孔是很费钱的，并且可能成为潜在渗漏或机械故障的部位。此外，该压力传感器不受供给通道的高压环境的影响。这降低了传感器的机械故障的风险，并且因为该传感器不需要制造成抵抗高压，所以最小化了传感器的成本。同样地，因为该传感器不需要是防漏的，所以压力传感器的结构可以相对简单，得到耐用且成本低的装置。例如，不需要高压密封件。
喷射器主体可形成压力传感器腔以容纳该压力传感器，该压力传感器腔与该通道隔开。在一个变形例中，该压力传感器腔容纳着用于喷射器的致动器的电连接。通过这种方式，该压力传感器及其相关电连接或线束可以集成到致动器的接线盒或集管中。喷射器主体还可形成致动器腔，并且该压力传感器腔与该致动器腔可连通。
该压力传感器腔可从喷射器的一侧向内延伸或者从喷射器的一端向内延伸。该压力传感器腔可容纳着与该压力传感器电通信的电子模块。
该压力传感器可以设在喷射器主体内的任何适当位置。在一种布置中，该燃料供给通道和该压力传感器形成基本上相交的各自的中心纵轴线。在另一例子中，该燃料供给通道包括具有扩大横截面积的部分，并且该压力传感器与该燃料供给通道的那部分对齐。
在一个实施例中，该喷射器主体形成外壁和关于燃料供给通道与外壁相对的内壁，在使用时，由该内壁把该压力传感器与通道中的燃料隔开。选择性地，压力传感器的一面平行于该供给通道的壁延伸。
该喷射器可以是细长的以形成纵轴线，该压力传感器可与基本上平行于该喷射器的该纵轴线延伸的供给通道的壁合作。替换性地，该细长喷射器可包括压力传感器，该压力传感器与延伸穿过该喷射器的该纵轴线的供给通道的壁合作。
为了优化压力传感器的响应，该压力传感器的一面邻接形成该供给通道的壁。为此，该喷射器可包括夹紧元件使该面压在该壁上。例如，该喷射器主体可形成有端口，该夹紧元件可以是端口内的与该喷射器主体螺纹啮合的塞子。
当设置夹紧元件时，该压力传感器的电连接可容纳在该夹紧元件内。同样地，与该压力传感器电通信的电子模块容纳在该夹紧元件内。
可以使用任何适当的压力传感器。该压力传感器可以包括例如具有由磁致伸缩材料制成的磁心的磁致伸缩压力传感器。在一个实施例中，该压力传感器包含为有大体I字型断面的旋转体的磁心，并且该磁心可以是磁致伸缩的。该压力传感器可包括与喷射器主体一体的磁心，在这种情况下，该压力传感器可响应于磁心内的应变变化。
在另一方面，本发明提供一种方法，用于标定根据本发明第一方面的且具有压力传感器的燃料喷射器，该方法包括测量压力传感器的输出值并且确定与该输出值相对应的供给通道中的流体压力。可记录下与该输出值相对应的流体压力作为喷射器的传感器特性，可对该传感器特性编码，例如以机器可读数据的格式(如条形码)或者字母数字代码，供操作员读取。
该流体可以是例如气体(如空气)或者是液体(如油或燃料)。该方法可包括测量该压力传感器的多个输出值，并且针对这多个输出值中的每一个确定供给通道中的相应流体压力。通过这种方式，能够获得该压力传感器的标定曲线。
在制造喷射器之后但在装进发动机中之前，对该喷射器进行标定。出于标定目的，以已知压力或一系列已知压力向该供给通道供应流体。可记录下与该输出值相对应的流体压力作为喷射器的传感器特性，可对该传感器特性编码，例如以机器可读数据的格式(如条形码)或者字母数字代码，供操作员读取。
本发明还提供一种方法，用于对包括根据本发明第一方面且具有压力传感器的燃料喷射器的发动机的控制单元进行编程，该方法包括如上所述地标定该燃料喷射器，并且把所记录的传感器特性输入到该控制单元，例如通过读取被编码的传感器特性。
在另一方面，本发明涉及一种内燃机的燃料喷射系统，该系统包含多个燃料喷射器、布置成使用时向燃料喷射器供应燃料的蓄压器、用于测量使用时燃料系统中(例如燃料喷射器/蓄压器内)的燃料压力的至少一个压力传感器，以及控制单元，该控制单元布置成接收来自该至少一个压力传感器的压力信号来构造液压行为分布图(profile)、使用该液压行为分布图来预测喷射事件期间喷射器中的主导燃料压力，并且向燃料喷射器提供控制信号从而按照预测燃料压力在喷射事件期间控制燃料喷射量。
该控制单元包括编程为反复对来自压力传感器的压力信号采样以构造液压行为分布图的处理器。替换性地或附加地，该控制单元包括存储器和处理器，该存储器用于存储液压行为模型，该处理器编程为对所存储的模型应用液压行为分布图从而预测喷射事件期间将在喷射器中占主导的燃料压力。
在另一方面，本发明涉及一种方法，用于预测在喷射事件期间燃料喷射系统的燃料喷射器中的燃料压力特性，该方法包括测量喷射事件之前燃料喷射系统内的燃料压力特性，以及使用测得的燃料压力特性确定喷射事件期间燃料喷射器中的预测燃料压力特性。此外，在喷射事件之前，可通过反复询问压力传感器来测量燃料压力特性，并且测得的燃料压力特性可包括一系列燃料压力值。
可在燃料喷射器内测量该燃料压力特性，例如在该燃料喷射系统的燃料喷射器是按照本发明的第一方面构造的时。替换性地，可在燃料喷射系统中燃料喷射器的上游位置测量燃料压力特性，例如在燃料喷射器上游的蓄压器中。
该至少一个燃料压力传感器可以是位于蓄压器中的用于感测其中燃料压力的压力传感器，或者替换性地，每个喷射器可包括如上所述的燃料压力传感器，从而设置多个传感器。
在该方法的一个变形例中，测得的燃料压力特性被输入到液压行为模型来确定喷射事件期间燃料喷射器中的预测燃料压力特性。该预测燃料压力特性可包括喷射事件期间燃料喷射器中的预测平均燃料压力。
此外，该方法可包括向燃料喷射器提供控制信号来按照该预测燃料压力特性控制喷射事件期间的燃料喷射量。
借助于本发明的这个方面，该预测燃料压力特性可以例如用于″压力‑时间″原理中来确定为了输送希望燃料量所需的喷射事件持续时间的精确值。为此，本发明提供一种方法，用于修正标称燃料喷射需求量，包括如上所述地预测燃料压力特性、在喷射事件期间基于该预测燃料压力特性计算修正系数、以及对标称燃料喷射需求量应用该修正系数来补偿喷射事件期间燃料压力的变化。该标称燃料喷射需求量包括例如燃料喷射事件的持续时间，如果燃料喷射器中的燃料压力特性是等于喷射器上游的蓄压器中的燃料标称压力的恒定压力，该持续时间是输送希望燃料量所需的。
因此，本发明进一步地涉及按照发动机运转参数确定标称燃料喷射需求量，并且按照上述方法修正该标称燃料喷射需求量。
当在燃料喷射器中设置压力传感器时，由压力传感器所测得的局部燃料压力可用于估计蓄压器中的燃料压力，并且由此提供输入给反馈回路来控制蓄压器中的燃料压力。因此，在另一方面，本发明涉及一种方法，用于估计燃料喷射系统的蓄压器中的燃料压力，该方法包括测量与蓄压器相连的多个燃料喷射器中的局部燃料压力，以及计算测得的局部燃料压力的平均值来估计蓄压器中的燃料压力。
可以采用任何适当的策略来计算测得的局部燃料压力的平均值。例如，该方法可包括对测得的局部燃料压力进行加权以考虑燃料喷射系统的液压特性。
借助于本发明的另一方面提供抵抗传感器失效的耐用度，其中，设想一种方法，用于估计燃料喷射系统的蓄压器中的燃料压力，该方法包括测量连接到蓄压器的多个燃料喷射器的局部燃料压力、检测来自这多个喷射器中的一个的错误压力信号，以及把来自这个喷射器的错误压力信号排除在计算蓄压器中的燃料压力之外。因此，如果一个喷射器的压力传感器失效，仍能获得对蓄压器中的燃料压力的估计。
在本发明的另一方面，提供一种方法，用于补偿燃料压力传感器的输出中的误差，该方法包括确定燃料压力传感器的平均输出、把燃料压力传感器的平均输出与参考值作比较，以及，如果燃料压力传感器的平均输出与该参考值之间的差值超过了第一预定阈值，就对燃料压力传感器的输出应用补偿偏差。
通过这种方式，传感器输出中的传感器漂移、偏差错误、标定值误差及其它的这种系统变化能够得到修正或补偿。
该方法可包括获取所存储的补偿偏差，例如燃料传感器输出中的误差增量修正的预定值。在另一变形例中，该方法包括计算燃料压力传感器的平均输出与参考值之间的差值，并且把该差值作为补偿偏差应用到燃料压力传感器的输出。在这种情况下，该方法可进一步地包括存储该补偿偏差。
补偿燃料压力传感器输出中的误差的方法可包括自适应或增量策略用于补偿该误差。在这个例子中，该方法包括在应用了补偿偏差之后确定燃料传感器的平均输出、把燃料压力传感器的平均输出与参考值作比较，以及，如果燃料压力传感器的平均输出与该参考值之间的差值超过了第二预定阈值就对燃料压力传感器的输出应用另一补偿偏差。
该方法包括可获取所存储的参考值。例如，该参考值可以是存储在存储器中的预定值。在该方法的变形例中，使用一个或多个另外燃料压力传感器的平均输出计算该参考值。
同样，按照本发明的另一方面提供抵抗传感器失效的耐用度，本发明涉及一种方法，用于预测喷射事件期间燃料喷射系统的燃料喷射器中的燃料压力特性，该方法包括在喷射事件期间测量多个燃料喷射器内的燃料压力特性、检测来自这多个喷射器中的一个的错误压力信号，以及把该错误压力信号排除在燃料压力特性的预测之外。
因此，能对燃料特性进行合理预测，该方法可包括从这多个喷射器的其它喷射器得到预测燃料压力特性，以及把该特性应用到从其检测到错误压力信号的喷射器。
在另一方面，本发明涉及一种内燃机的燃料喷射系统，该系统包括多个根据本发明第一方面的且具有压力传感器的燃料喷射器、布置成使用时对燃料喷射器供应燃料的蓄压器，以及布置成接收来自燃料喷射器的压力传感器的压力信号且向燃料喷射器提供控制信号以控制燃料喷射的控制单元。
不需要提供轨道燃料压力传感器，因此消除了轨道压力传感器自身以及在燃料轨道中为安装该轨道压力传感器所提供的精加工孔的成本。此外，通过消除燃料轨道中接收该传感器所需的缺口，避免了在这个部位发生燃料泄漏或机械故障的风险。
该燃料喷射系统可包括泵和蓄压器压力控制阀，该泵用于对蓄压器中的燃料增压，该蓄压器压力控制阀用于控制蓄压器中的燃料压力。泵和压力控制阀都受到控制单元的控制。通过这种方式，压力传感器、泵、压力控制阀和控制单元能够组合地控制蓄压器中的燃料压力。
通过在每个喷射器内设置燃料压力传感器，能够获得每个喷射器中的燃料压力的测定值并且将其输入到控制单元或ECU。ECU能够使用这些测得的喷射器燃料压力值来计算每个喷射事件的喷射持续时间，而不是像传统系统中那样，依靠以远离喷射器的轨道燃料压力的测定值为依据的估算喷射器燃料压力。通过这种方式，喷射事件中的燃料输送量能够得到更精确地预测和控制。
因此，该控制单元可布置成接收来自压力传感器的压力信号以构造液压行为分布图，从而使用该液压行为分布图预测喷射事件期间将在喷射器中占主导的燃料压力，以及向燃料喷射器提供控制信号从而按照预测燃料压力在那些喷射事件期间控制燃料喷射量。
为此，该控制单元可包括编程为反复对来自压力传感器的压力信号采样以构造液压行为分布图的处理器。在一个变形例中，该控制单元包括存储器和处理器，该存储器用于存储液压行为模型，该处理器被编程为向所存储的模型应用液压行为分布图从而预测喷射事件期间将在喷射器中占主导的燃料压力。
在另一方面，本发明涉及一种燃料喷射方法，包括由燃料压力测量值构造液压行为分布图、使用该液压性能分布图预测喷射事件期间在喷射器中占主导的燃料压力，以及向燃料喷射器提供控制信号从而按照预测燃料压力在喷射事件期间控制燃料喷射量。
通过按照这种方式预测下次喷射事件期间将在燃料喷射器中占主导的燃料压力，能够比以其他可能方式更精确地控制喷射事件期间的燃料喷射量，并且获得对所有发动机工况和喷射策略的精确控制。
选择性地，通过反复地对燃料压力采样来构造该液压行为分布图。该方法可包括获取所存储的液压行为模型，以及把该液压行为分布图应用到该所存储的模型从而预测喷射事件期间燃料喷射器中将占主导的燃料压力。
本发明的一个变形例包括通过测量布置成使用时向多个燃料喷射器供应燃料的蓄压器中的燃料压力来构造液压行为分布图、使用该液压行为分布图预测喷射事件期间在这多个燃料喷射器中的一些中占主导的燃料压力，以及控制这多个燃料喷射器中的一些从而按照预测燃料压力控制喷射事件期间的燃料喷射量。
在其他方面，本发明涉及一种计算机程序产品，包括至少一个计算机程序软件部和数据存储介质，当该软件部在执行环境中执行时可操作成实施上述本发明方法中的任一个，该数据存储介质具有存储在其上的这个或每个这种计算机程序软件部。
【附图说明】
附图的图1是已知共轨燃料喷射系统的示意图，已经描述过了。仅仅是举例来说，现在参照其余附图描述本发明的优选实施例，其中相同的附图标记用于相同的特征，并且其中：
图2是根据本发明的燃料喷射器的第一实施例的侧视图；
图3是图2的部分燃料喷射器的放大纵剖视图；
图4是根据本发明的燃料喷射器的部分第二实施例的局部纵剖视图；
图5是图4所示燃料喷射器的截面图；
图6是根据本发明的燃料喷射器的部分第三实施例的纵剖视图；
图7是根据本发明的共轨燃料喷射系统的示意图，其可以结合图2至图6所示的任一燃料喷射器；
图8是根据本发明的燃料喷射器的标定方法的流程图；
图9是布置成执行图8所示方法的装置的简化示意图；
图10是用压力传感器标定信息对ECU编程的方法的流程图；
图11是布置成执行图10所示方法的装置的简化示意图；
图12是补偿燃料压力传感器的输出值的误差的方法；
图13是根据本发明的燃料喷射方法的第一表达的流程图；
图14是图7所示燃料喷射系统的布置成执行图13所示方法的元件的简化示意图，特别是ECU和燃料喷射器；
图15是示意图，示出燃料压力随着时间的演变，表示为燃料喷射器内的燃料压力传感器输出值(纵轴)比对时间(横轴)；
图16是预测燃料喷射器中的燃料压力特性的方法的流程图，此时检测到错误信号；
图17是根据本发明的燃料喷射的替代方法的流程图；以及
图18是燃料喷射系统的布置成执行图17所示方法的元件的示意图，还包括装有燃料轨道压力传感器的燃料轨道。
【具体实施方式】
图2和图3示出根据本发明第一实施例的示例性燃料喷射器46。图2是细长喷射器46的侧视图，示出其纵轴48。图3是喷射器46的放大详图，是沿着平行于喷射器46的纵轴48截取的纵剖面。
喷射器46包含大体圆柱形的喷射器主体50，在使用时，该喷射器主体贯穿内燃机的气缸盖。喷射器主体50的上部设有燃料进口52，其接收来自共轨燃料轨道(未示出)的高压燃料。喷射器主体50的下部有喷嘴54，该喷嘴布置成将燃料喷入发动机燃烧室。
如燃料喷射器技术中所公知的，喷嘴54容纳可在两个位置之间移动的阀针。在第一、关闭位置，该阀针密封在喷嘴54的支持面上以阻止燃料流过设在喷嘴54中的一个或多个孔口56。在第二、打开位置，该阀针从支持面缩回从而允许燃料流过这个或每个孔口56。该阀针可以是向内或向外打开型。附图中省略了阀针和支持面，但它们可按照受让人的美国专利No.6,234,404和7,159,799所公开的内容进行布置，这些专利的内容通过引用并入本文。
喷射器主体50的中部容纳用于控制阀针的致动器。该致动器可以是，例如压电致动器或螺线管致动器。当通过向致动器的电极施加电信号而使致动器通电时，致动器的局部或整体经受着纵向应变或者进行纵向位移。此外，这些致动器是本领域公知的，包括受让人的上述美国专利，因此附图中省略了。
在致动器与阀针之间提供联接，因此，由使致动器通电或断电所获得的致动器的应变或位移引起阀针的打开或关闭动作。这个联接可以包括，例如致动器与阀针之间的机械连接。替代性地，这个联接可以是液力联接器，在这种情况下，致动器的操作引起与阀针相关的腔内的压力变化从而提供阀针的打开或关闭力。
致动器容纳在喷射器主体50的腔58内。致动器的电连接(通常是刀形端子的形式)位于另一腔或端子腔60内。端口62从喷射器46的外表面伸入喷射器主体50中以连到端子腔60从而提供至电连接的通道。
在本发明的第一实施例中，喷射器46设有容纳在端子腔60内的压力传感器64。至压力传感器64的电连接利用端口62形成，因此，致动器和压力传感器64的电连接可以设在装在端子腔60中的单个连接器(未示出)中。这些电连接允许传递来自压力传感器64的信号给ECU。压力传感器64可包括用于调节压力传感器64的输出信号的电子电路。
管道或供给通道66设在喷射器主体50中以允许从燃料进口52到喷嘴54的高压燃料通道。供给通道66具有与喷射器主体50一体的壁68，该壁使供给通道66与喷射器主体50内的其它通道和腔(例如端子腔60)隔开。因此，在使用喷射器46时，壁68保持供给通道66内的高压燃料。
回流或回漏通道70也设在喷射器主体50内以使多余的燃料返回燃料箱或其它储存器。回漏或回流孔72设在喷射器主体50的上部中以允许燃料回流管与喷射器46的连接。
在使用时，供给通道66填充有经由燃料进口52来自轨道的高压燃料。供给通道66内的压力引起喷射器主体50内的应变。供给通道66内燃料压力的变化引起喷射器主体50内应变的相应变化。压力传感器64布置成响应喷射器主体50内应变的变化，特别是壁68的使压力传感器64与供给通道66隔开的一部分内的应变的变化。通过这种方式，压力传感器64提供与供给通道66中的燃料压力相对应的输出信号。
因为由壁68使压力传感器64与供给通道66隔开，压力传感器64不会被燃料弄湿。通过这种方式，压力传感器64不直接经受供给通道66内的高压环境，并且不需要是防漏的。此外，供给通道66不被端口或管道打出缺口，如果压力传感器要直接接触供给通道66中的燃料，就需要这个缺口。因此避免了由供给通道66中的这种缺口所带来的渗漏或失效的风险。
图4是根据本发明第二实施例的燃料喷射器74的局部纵剖视图，图5是图4的喷射器74沿着垂直于纵向的方向截取的横截面。第二实施例的燃料喷射器74的结构类似于第一实施例的，将详细描述不同之处。
在这种实施例例中，该压力传感器不位于喷射器主体的端子腔内。替代性地，喷射器主体76设有靠近燃料进口52的传感器腔78和从传感器腔78通向喷射器74的外表面的端口80。磁致伸缩压力传感器82位于传感器腔78内。
如图5最清楚地示出，由喷射器主体76内形成的壁68把压力传感器82与高压燃料供给通道66隔开。通过这种方式，压力传感器82在供给通道66的区域受到喷射器主体76内应变的影响。虽然压力传感器82也位于回漏通道70的附近，但是回漏通道70内的燃料压力低并且不会引起喷射器主体76内的任何显著应变。
传感器82包括磁致伸缩材料制成的铁心或磁心84。磁心84的总体形状是带有I型横截面的旋转圆柱，如图4最清楚地示出。磁心具有最靠近端口80的近端面86和最靠近供给通道66且邻接壁68的远端面88。因此，磁心84的远端面88邻接传感器腔78的最靠近供给通道66的端部。磁心84的圆柱轴线垂直于喷射器74的纵轴线。此外，磁心84的圆柱轴线垂直于供给通道66的纵向，因此磁心84的远端面88平行于供给通道66。
螺旋管(coil)90缠绕着I字形截面磁心84的窄部或颈部。在它的近端，磁心84设有槽92，该槽具有倾斜的第一部94和平行于磁心84的圆柱轴线的第二部96。槽92的倾斜部94的一端与磁心84的窄部相交，槽92延伸到磁心84的近端面86。近端面86设有中心槽脊或凸起98，槽92的第二部96在凸起98内延伸形成U形通道。从螺旋管90出来的线100经由槽92从磁心84通向端口80。
为端子插座102形式的电连接布置在端口80内，使得传感器82能通过适当连接器(未示出)连接到发动机的ECU。端子插座102连接到连接线100并且由绝缘材料106(例如陶瓷材料)支撑在夹紧螺钉104内。夹紧螺钉104包含带有外螺纹的环形塞，与端口80内的内螺纹紧密配合。
夹紧螺钉104对传感器82的磁心84施加轴向力，因此，磁心84的远端面88紧紧地压在传感器腔78的端部上。通过这种方式，由供给通道66中的燃料压力引起且与该燃料压力相对应的传感器82附近的喷射器主体76中的应变，特别是壁68中的应变，引起传感器82的磁心84的变形。
磁心84的磁导率响应于施加的应力而变化。因此，当喷射器主体76中的应变变化时，传感器82的磁心84的相应变形引起其磁导率的变化。通过测量螺旋管90的电感，经由电连接102，能检测由供给通道66中的燃料压力所引起的并与其相关的喷射器主体76中的应变变化，特别是壁68中的应变。
图6示出根据本发明第三实施例的燃料喷射器108的局部纵剖面。本发明的第三实施例类似于第一和第二实施例，除了燃料供给通道、入口和压力传感器的布置。
图6仅仅示出燃料喷射器108的顶部，与喷嘴相对。供给通道110在喷射器主体112内延伸并且包含纵部114和倾斜部116。这两个部114、116在弯部118处会合。供给通道110的纵部114从弯部118伸向喷嘴(未示出)。通道110的倾斜部116从弯部118延伸，穿过喷射器108的宽度，到喷射器108的外侧表面以形成入口120。不同于本发明的第一和第二实施例，在该第三实施例中，入口120设在喷射器108的侧面，而不是在顶部。
传感器腔122设在喷射器主体112内，在供给通道110的倾斜部116的上方。螺纹端口124将传感器腔122连接到喷射器108的最高顶面。如本发明的第二实施例一样，包含磁心84和螺旋管90的磁致伸缩压力传感器82设在传感器腔122中。
磁心84的远端面88位于燃料供给通道110的倾斜部附近，在区域126处，倾斜部116具有扩大直径。该扩大直径区域126可以，例如容纳过滤器或流动调节装置(未示出)。压力传感器82倾斜于喷射器108的纵向，因此，磁心84的远端面88平行于最靠近传感器82的扩大直径区域126的侧壁。
通过位于端口124中的夹紧螺钉128使压力传感器82保持在适当位置。与前面的实施例相似，端子插座102设在夹紧螺钉128的中部，在绝热材料制成的塞子106内。在该实施例中，夹紧螺钉128具有靠在磁心84的近端面86上的管状前伸部，以在磁心84上提供夹紧力。在磁心84的近端面86与绝缘塞子106之间的管状前伸部内设置圆柱形垫圈130，螺旋管90出来的连接线132穿过垫圈130到达端子插座102。垫圈130可装有电子模块，从而为压力传感器82提供信号调节电子元件。
如本发明的第二实施例一样，压力传感器82响应于喷射器108的主体112中的应变变化，特别是供给通道110的壁68中的应变变化，这是由供给通道110中的燃料压力变化引起的。
对于指定燃料压力，供给通道110的扩大直径区域126附近的喷射器108的本体112中的应变大于通道110的直径不扩大的供给通道110的区域附近的。因此，通过把传感器82安置在扩大直径区域126附近，优化压力传感器82的响应。
对发明的燃料喷射器的许多改型和变化都是可能的。仅仅举例来说，现在将描述一些这种改型。
喷射器主体中设置的压力传感器可以是任何适当类型的。例如，可以设置与本申请人的美国专利No.7,234,361和7,146,866或本申请人的美国专利申请公开No.2006/0016277中所记载的任何类型相对应的磁致伸缩传感器。那些文献的内容通过引用并入本文。可以设想传感器的磁心与喷射器主体成一体。
代替上述磁致伸缩传感器，可以使用压电或压阻式压力传感器。压力传感器会产生输出信号，该信号与喷射器主体中的静应变大小有关。这是在压力传感器包含压阻式应变仪时的情况。
替代性地，压力传感器的输出可仅仅与应变的动态变化有关，例如在压力传感器包含压电式应变仪。
压力传感器信号的温度补偿可能是需要的，并且在采用磁致伸缩传感器的情况下，温度补偿可以例如通过本申请人的美国专利申请公开No.2007/0096724所记载的方法获得，其内容通过引用并入本文。
当压力传感器设在喷射器的端子腔内时，至传感器的电连接可与至致动器的电连接分开或成一体。在一个变形例中，压力传感器与致动器接线盒成一体。通过这些方式，至传感器的电连接会特别简单。
喷射器主体可包括若干独立部件。例如，喷射器主体的独立区段可装有阀针、致动器、致动器与阀针之间的联接、电连接等等。这些区段由外护套或壳体夹紧在一起。当喷射器主体包含两个或更多独立部件或区段时，可以设想压力传感器可响应于两个部件的相对位移，其中这个位移是由贯穿这一个或多个部件的供给通道内的燃料压力所引起并与其相关。
应当意识到，喷射器主体内的传感器的位置可以不同于上述位置。实际上，传感器的位置可以是喷射器主体内的任何地方，只要传感器能够感测由供给通道中的燃料压力引起的喷射器主体中的应变、变形或偏斜。通过这种方式，本发明能够用于具有各种部件布置或不同于上述那些操作的燃料喷射器中。
通过在发动机的各个独立的喷射器中设置燃料压力传感器，本发明在喷射器的工作期间允许并提供对存在于燃料喷射器内的燃料压力的连续监控和跟踪。通过这种方式，能够精确地确定喷射事件发生时的燃料压力，因此，相比于现有喷射器控制系统能够改善燃料喷射量的控制。
现在描述在内燃机中根据本发明的操作和控制燃料喷射器的各种方法。
图7示出本发明的燃料喷射系统150。燃料喷射系统150类似于图1所示传统系统，除了每个燃料喷射器152都设有上述一体的燃料压力传感器，并且ECU 154从每个燃料喷射器152中的压力传感器接收信号。
前文参照图1描述的燃料喷射系统150的那些部件在图7中示出，相同的附图标记对应于图1中相似的部件。
为了获得喷射器152的供给通道中的燃料压力值，由ECU 154评估来自喷射器的压力传感器的输出信号。ECU 154包括存储的标定曲线，该曲线使来自压力传感器的信号值与供给通道中的燃料压力的对应值有关。
该标定曲线可以是，例如通过测试装有直接监控燃料供给通道中的压力的侵入式压力传感器的喷射器来获取。
图8示出一种获取标定曲线的替代方法，图9示出适于执行图8所示方法的装置。在这种情况下，传感器特性或标定曲线是替代性地通过在各个喷射器的制造之后测试各个喷射器152来获取，例如，通过由流体供应412向供给通道施加已知流体压力(图8的400)、测量喷射器152的压力传感器158的输出值(图8的402)以及使用数据记录器414记录输出值和流体压力作为传感器特性(图8的404)。然后把供给通道中的流体压力调整成另一已知值(图8的408)用于进行压力传感器158的其他输出值的测量和记录。一旦已经记录了预定数量的标定值(图8的406)，就使用编码器416对这些传感器特性编码(图8的410)。
图10示出用标定信息对燃料喷射系统的ECU编程的方法，图11是适于执行图10所示方法的装置的示意图。如图11所示，可以机器可读的格式选择性地对标定曲线和其它传感器特性进行编码并且提供给燃料喷射器152，例如作为二维条形码418印在喷射器152上或者喷射器的包装上。然后由读取器420读取编码数据418(图10的500)并且在解码器422中解码(图10的502)来确定传感器特性，包括标定曲线。然后在发动机装配期间或在更换喷射器时，向ECU 154输入传感器特性(图10的504)。此外，燃料喷射器的其它特性，例如致动器的性能，也可以编成条形码输入给ECU 154。
再次参照图7，喷射事件期间输送给燃烧室的燃料量与各个喷射器152的喷嘴的尖端、邻近于孔口的燃料压力有关。因此，理论上，压力传感器位于喷嘴尖端的附近。然而，在本发明中，更方便的是把压力传感器位于供给通道的附近，处于远离喷嘴尖端的位置。在那种情况下，ECU154向压力传感器信号应用修正系数来评估供给通道中的燃料压力。该修正系数会，例如考虑压力传感器的附近与喷嘴尖端之间供给通道中的动压损失。
在发动机的正常运转期间，与每个喷射器152有关的压力传感器提供它们各自的信号给ECU 154。每个信号对应于其中一个喷射器152中的瞬时局部压力。当一起考虑这些信号时，这些局部压力的时间平均值相互之间会有些许变化，例如由传感器漂移、标定值误差或偏差不准确所引起的。
ECU 154能够通过自适应学习方法修正这些误差，例如如图12所示。在图12的600处，测量来自传感器的输出值，在602处，把平均传感器输出值确定为平均局部压力。在604处，ECU 154把喷射器152中所记录的平均局部压力与参考值，例如每个其它喷射器152的传感器所记录的平均局部压力作比较。在图12的606处，如果两个局部压力值之间的差值大于预设阈值，就在图12的608处，ECU 154做出响应，对来自产生错误读数的喷射器152的传感器信号应用修正偏差(correction offset)。再次比较这些平均局部压力。如果差值仍大于阈值，就应用其他修正偏差，并且反复地重复这个过程，直到差值低于阈值。在那个阶段，修正偏差存储在ECU 154中，并且此后应用到来自相应喷射器152的信号，供后续计算使用。
作为由于喷射事件所引起的液压干扰的结果，喷射器与喷射器之间的瞬时喷射压力也不同。例如，当第一喷射器执行喷射时，这个喷射器中的局部压力将快速下降。第二喷射器中的压力会以较慢的速度衰减，因为需要一些时间把压力下降从第一喷射器经由燃料轨道传递到第二喷射器。
在图7所示实施例中，系统150的燃料轨道156中没有设置压力传感器。因此，燃料轨道156中不需要为这种传感器设置端口。在ECU 154中通过计算各个喷射器152的局部压力值的适当平均值来估计燃料轨道156中的平均压力。通过这种方式，由ECU 154使用估算的燃料轨道压力来控制高压燃料泵入口计量阀40和燃料轨道压力控制阀42。
如果与喷射器152相关的其中一个压力传感器失效，ECU 154就能够通过检查错误信号检测到这个失效并且能够把这个传感器排除在下一步的计算之外来计算估算的轨道燃料压力。通过这种方式，即使一个或多个压力传感器失效，燃料喷射系统150也能够继续起作用。
当发动机的喷射策略要求每个燃料喷射器152在一次燃烧循环期间进行单次喷射事件时，可以假定由前次喷射事件对这个气缸以及其它任何气缸产生的压力干扰会在下一次喷射事件开始之前已经衰减。通过这种方式，每个喷射器中的局部压力在喷射事件之前都会是稳定的，并且ECU 154能够根据测得的局部压力精确地计算下一次喷射事件的时间。
当发动机的喷射策略要求每个燃料喷射器在每个燃烧循环期间进行一次以上的喷射事件时，来自喷射顺序中的第一次喷射事件的压力干扰会在顺序中的第二次喷射事件发生时仍然存在。本发明提供一种方法用于修正或补偿这些压力干扰，使得每个喷射事件向燃烧室输送正确的燃料量。现在参照图12描述这个方法的第一种表达。适于执行这个方法的装置在图14中示意性地示出。该装置包含ECU 154和每个都有一体式压力传感器158的燃料喷射器152，例如如图7所示。
燃料喷射器152的液压行为‑尤其是压力波趋于在燃料喷射器152中传播的方式‑能够被相对精确地计算或测量。此外，作为喷射事件的结果所引起的压力波的动态在喷射器152的液压特性是已知的时间期间是可预测的。因此，通过预测喷射器152内的局部燃料压力，例如喷射器152内的压力波随着时间的演变，能够从局部压力的预喷射测量确定后续喷射事件时的期望局部压力。
图15示意性示出在喷射事件之后燃料喷射器152内的局部燃料压力160的演变。因此，图15还可以代表集成在燃料喷射器152中的燃料压力传感器158的输出信号。
在图13的200处，在喷射事件之前，以预定或其它已知间隔时间反复地询问相应喷射器152的燃料压力传感器158。询问的优选次数和频率取决于喷射器的液压特性，但是在典型实例中，以50KHz或更大的频率执行至少十次询问。这个询问，如图15的162a、162b和162c处所示，分别产生一系列的局部燃料压力值164a、164b和164c。示出了三次询问162a‑162c，但是可以是任意所需次数的询问。在图13的202处，ECU 154的处理器166比较每次询问162a‑162c的结果164a‑164c来确定压力是否稳定。如果ECU 154检测到询问162a‑162c的结果164a‑164c之间没有显著差异，那就不存在压力波。假定即将发生的喷射事件不受到压力干扰的影响，不向喷射事件应用修正。
然而，如果ECU 154检测到询问162a‑162c的结果164a‑164c之间的差异，如图15所示，那就确定存在压力波。从ECU 154的存储器168的存储中获取喷射器152的液压行为的模型，在图13的204处，询问162a‑162c的结果164a‑164c输入给这个模型来预测压力波在下次喷射事件的持续时间期间将怎么演变。
这个模型可以例如包含许多存储的压力波特性数据组，用作公共的分布图、指印图谱(fingerprint)或标记(signature)表明局部压力在喷射事件之后如何随着时间变化，考虑了其它参数例如燃料压力和喷射时间。这些数据组能够通过计算获得，或者在标定期间使用测试系统获得。操作中，ECU 154使询问162a‑162c的结果164a‑164c与存储的数据相匹配。一旦发现了匹配，就能从存储器168检索到对应于压力波的数据，并且在图13的206处，由处理器166对其进行分析来预测压力波是如何在下次喷射事件期间传播的。
如果必要的话，在图13的208处，ECU 154确定并应用对喷射持续时间的修正，从而确保喷射所需燃料量。例如，液压模型提供下次喷射事件的期望持续时间期间喷射器152中局部压力的预测平均值，作为输出。然后把该预测平均值用于计算喷射所需燃料量所需的喷射持续时间。该喷射持续时间可以大于或小于标称喷射持续时间，该标称喷射持续时间是输送所需燃料所必需的，已经确定局部压力是稳定的。
在图13的210处，所需喷射时间输出到ECU 154的喷射器控制单元170，其产生喷射器控制信号。该喷射器控制信号输出到燃料喷射器152的致动器172来致动阀针的开闭运动。
图16示出用于减轻压力传感器失效影响的方法。在图16的700处，ECU测量来自传感器158的输出，在702处，ECU检查表征传感器158失效的传感器输出的误差或异常，例如零输出。如果确定传感器输出值有错误(在704处)，ECU就排除来自那个压力传感器158的信号进行下一步的计算，并且能够改为使用替代输入用于液压行为模型或其它计算。例如，如果其中一个喷射器152的压力传感器158失效，ECU 154能够把为经历相同或相似喷射顺序的另一个喷射器152计算出的喷射时间应用到有失效传感器的喷射器上。通过这种方式，提供抵抗传感器失效的耐用度。
可想象地，修正或补偿压力干扰的方法可用于燃料喷射系统，该燃料喷射系统代替集成于喷射器中的压力传感器而设有轨道燃料压力传感器或除了集成于喷射器中的压力传感器还设有轨道燃料压力传感器。因此，现在参照图17描述该方法的第二种表达，只使用轨道压力传感器。适于执行图17的方法的系统在图18中示意性地示出，其与图14的装置类似，除了在燃料轨道176中设置压力传感器并且燃料喷射器178没有一体的压力传感器。ECU 180接收来自轨道压力传感器174的输入信号。
在图17的300处，在喷射事件之前，反复地询问轨道压力传感器174来给出一系列的轨道燃料压力值。在图17的302处，ECU 180的处理器182比较每次询问的结果来确定压力是否稳定。如果ECU 180检测到询问的结果之间没有显著差异，那就认定即将发生的喷射事件不会受压力干扰的影响，并且不向喷射时间应用修正。
然而，如果ECU 180检测到询问的结果之间的差异，那就确定燃料轨道176中存在压力波，这会影响喷射器178内的局部燃料压力。
包括燃料喷射器174和燃料轨道176的燃料系统的液压行为的模型存储在ECU 180的存储器184内。在图17的304处，询问的结果输给这个燃料系统液压模型来产生燃料喷射器178内的局部压力的估计值，对应于测得的轨道燃料压力值。
此外，每个喷射器178的液压行为的模型存储在ECU 180的存储器184内。在图17的306处，把在304处由轨道压力测量值算出的燃料喷射器178内的局部压力的估计值输入给喷射器液压模型，从而在图17的308处提供输出，该输出包括压力波会在下次喷射事件的持续时间期间在燃料喷射器中怎么演变的预测。
如果必要的话，在图17的310处，ECU 180对喷射持续时间应用修正，从而确保喷射所需燃料量，像方法的第一实施例一样。在图17的312处，所需喷射时间输出到ECU 180的喷射器控制单元186，其产生喷射器控制信号。该喷射器控制信号输出到燃料喷射器178的致动器188来致动阀针的开闭运动。
在图17的方法的变形例中，燃料系统和燃料喷射器的液压行为结合成一个模型，使得测得的轨道燃料压力值输入给该模型，该模型的输出是预测的燃料喷射器内的压力波演变。
应当意识到，该方法不受到所述压力传感器或多个压力传感器的位置的限制。例如，可以设置一个以上的轨道压力传感器，从而产生对轨道内的燃料压力演变的更准确描述以输入给该模型。替代性地，传感器可连接到跨接管或设在跨接管内，这些跨接管使各个喷射器连到燃料轨道。处于两个或多个不同位置的传感器可以组合地使用来提供信息有助于预测喷射器内的燃料压力演变。
当该方法使用来自远离各个燃料喷射器的一个或多个传感器的测量值，例如在该方法的第二表达中，传感器或多个传感器所记录的燃料压力演变可由燃料喷射器、轨道压力控制阀、高压燃料泵等产生的组合压力波引起。因此，该方法可提供对各个压力波的源的测得的燃料压力演变的影响的识别。例如，可以在不进行燃料喷射的期间例如发动机超限运转期间，记录传感器输出。这些状况下所记录的传感器输出只反映出由除燃料喷射器之外的部件所引起的压力波。然后这个″无喷射″输出作为附加输入提供给液压模型，从而允许对喷射器处的预测局部燃料压力的更精确确定。
在ECU中，该液压模型可实施为算法、查询表或其它适当的形式。可使用在发动机的测试或制造期间获得的标定数据产生这些模型，或者可使用计算流体动力学方法计算这些模型。