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CN109695510A - 具有简化燃料喷射器增压的轻混合动力系 - Google Patents

具有简化燃料喷射器增压的轻混合动力系 Download PDF

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Abstract

一种燃料喷射控制系统可与发动机，例如轻混合电动车辆的柴油发动机一起使用。所述控制系统包括辅助电池、高电压(HV)电池(例如，48VDC)、具有第一开关对和第二开关对的开关电路、控制器以及燃料喷射器系统。所述控制器开启和关闭所述开关以根据预定喷射器电流曲线控制来自所述辅助电池或所述HV电池的电流。所述燃料喷射器系统具有一个或多个控制螺线管。所述螺线管的绕组在所述曲线的增压阶段期间通过所述第一开关对的开启和所述第二开关对的关闭而可电连接到所述HV电池，且在所述曲线的峰值、旁路、保持和喷射结束阶段期间通过所述第一开关对的关闭和所述第二开关对的开启而可电连接到所述辅助电池。

Description

具有简化燃料喷射器增压的轻混合动力系
背景技术
传统的车辆动力系或动力设备使用内燃发动机来产生转矩，其中发动机经由动力传输结构耦合到从动负载。替代发动机，电动动力系依赖于由多电池电池组、燃料电池堆叠或另一直流(DC)电源供给的电能。混合动力系使用发动机和电机中的任一个或两个作为原动机来产生转矩，其中原动机的操作由混合控制器确定并紧密调节以获得最佳驱动性能或燃料经济性。
关于上述动力系，混合动力系尤其可配置为全/强型或轻混合型动力系。在强混合动力系中，来自一个或多个高压电机的马达输出转矩用作转矩的主要来源以推动车辆。相反，轻混合动力系例如在空转节约燃料发动机自动停止事件之后使用电机来提供用于转动并起动发动机的增大转矩。另外，瞬时转矩脉冲可在发动机自动起动/自动停止事件期间由电机递送到发动机，以及从而降低如最佳驱动性能所需的发动机负载。由轻混合动力系中的电机提供的瞬时转矩增压旨在改善相对于辅助起动器马达的发动机加速性能和起动时间。
发明内容
本文所公开的是一种与内燃发动机一起使用，例如与轻混合动力系内的柴油发动机一起使用的燃料喷射控制系统。在一个实例实施例中，控制系统包括提供辅助输出电压的辅助电池、提供大于辅助输出电压的高电压(HV)输出电压的HV电池、开关电路、控制器和燃料喷射系统。开关电路包括第一和第二开关对。控制器命令开关对的个别开关的开启和关闭以根据预定喷射器电流曲线注入来自所选的辅助电池或HV电池中的一个的电流。燃料喷射器系统包括配置成控制燃料到发动机的汽缸中的喷射的一个或多个控制螺线管。
控制螺线管包括线圈或绕组，所述线圈或绕组在喷射器电流曲线的瞬时增压阶段期间可电连接到HV电池，其中到HV电池的连接通过第一开关对的开关的开启和第二开关对的开关的关闭而发生。电磁绕组在燃料喷射曲线的分离峰值、旁通、保持和喷射结束阶段期间可电连接到辅助电池，这通过关闭第一开关对和开启第二开关对来实现。
HV输出电压在一些实施例中，比如在发动机用作轻混合电动动力系的部分时，可以是至少48VDC。
开关对可包括将一个或多个控制螺线管选择性地连接到HV或辅助电池的对应高端开关，和将所述一个或多个控制螺线管选择性地连接到电接地的低端开关，其中特定电池基于喷射器电流曲线。开关对可任选地实施为固态半导体开关。
开关电路可包括具有正极端和负极端的第一二极管。正极端连接到电接地。负极端连接到高端开关。第二二极管具有连接到低端开关的正极端和连接到HV电池的负极端。
多个控制螺线管可关于彼此电并联地布置。
本文还公开一种包括内燃发动机和上述燃料喷射控制系统的车辆。车辆可包括电连接到HV电池且由HV输出电压供电的电机。车辆可任选地实施为轻混合电动车辆，在此情况下来自电机的马达输出转矩可用于转动并起动发动机。
以上概述不代表本公开的每一实施例或每一方面。而是，前述概述仅提供本文所阐述的新颖概念和特征的例证。本公开的以上特征和优点以及其它特征和优点将在结合附图和所附权利要求书时，通过用于执行本公开的说明性实施例和代表性模式的以下详细描述而显而易见。而且，本公开明确包括以上及以下所呈现的元件和特征的任何以及所有组合和亚组合。
附图说明
图1是具有配有本文所公开类型的喷射控制系统的轻混合电动动力系的实例车辆的示意图。
图2是可与图1的车辆一起使用的示意性喷射器电流曲线，其中时间绘示在横轴上且以安培为单位的电流绘示在纵轴上。
图3是根据示例性实施例的喷射控制系统的示意图。
本公开易受到各种修改和替代形式的影响，且一些代表性实施例已经在图式中通过举例来示出并将在本文中详细描述。然而，应理解，本公开的新颖方面不限于图式中所示的特定形式。而是，本公开旨在覆盖属于如由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的所有修改、等同物、组合和替代物。
具体实施方式
参考图式，其中在几个视图中类似参考编号是指类似组件，图1绘示具有内燃发动机(E)20的示意性实例车辆10，所述内燃发动机由来自燃料喷射器系统(FIS)22的燃料(箭头F)供应。车辆10可配置为如所示出的机动车辆，且因此可配备有与路面14滚动接触的各自的前轮12F和后轮12R。出于说明一致性，下面将描述具有用作轻混合系统的部分的柴油燃料动力发动机20的机动车辆10的实例实施例。然而，虽然此车辆10是可能受益于本发明FIS 22的一种类型的系统的实例，但是比如汽油或生物柴油、乙醇或其它替代燃料的其它燃料类型可容易地预期在本公开的范围内，包括但不限于固定电站、移动平台以及各种陆地、空中或海上车辆。
发动机20可包括飞轮21和曲轴24。曲轴24经由输入离合器CI选择性地连接到变速器(T)26的输入构件25。当发动机20由来自FIS 22的燃料(箭头F)供应时，发动机转矩经由耦合的曲轴24和输入构件25递送到变速器26。作为响应，变速器26分别经由对应驱动轴线28F或28R将输出转矩递送到轮12F和/或12R。
车辆10可包括电机(ME)30，比如具有可转动输出轴的多相电机(未示出)。当电机30通过将多相电压(VAC)施加到电机30的个别相绕组35而供能时，马达输出转矩(箭头TM)最终产生且递送到耦合负载。飞轮21可作为轻混合动力系结构中的耦合负载，其中发动机20使用马达输出转矩(箭头TM)来转动并起动。电机30可经由传送带驱动连接(未示出)耦合到发动机20。其它可能的实施方案包括将电机30连接到曲轴24，连接到变速器26的输入构件25，连接到位于变速器26内的齿轮构件或驱动元件，或连接在驱动轴线28F和/或28R中的一个或两个上。因此，图1的指定配置旨在作为非限制性实例实施例。
电机30可任选地实施为三相/多相牵引马达或马达/产生器单元，其中在电机30实施为马达/发电机单元时，张紧器(未示出)在两个旋转方向上调节转矩。所述相绕组35在所绘示的多相配置中携带对应相电流。在各种实例实施例中，电机30可不受限制地构造为感应式电机或构造为其转子内具有或不具有永久磁铁的同步机。
图1的车辆10还可包括功率逆变器模块(PIM)32、高电压电池(BHV)34和辅助电压电池(BAUX)38。如本文所使用，术语“辅助电压”是指通常用于为车辆10内或外部的照明装置、仪表板和其它辅助系统供电的12-15VDC电压电平。术语“高电压”是指超过这些辅助电平的电压电平，其中48VDC适用于为轻混合动力系供电。可在如所示出的分离电压网络上保持辅助和高电压电平。图1和3的高电压和辅助电池34和38可包括多个电池单元(未示出)，比如用于高电压电池34的堆叠地布置的可充电锂离子或镍镉电池以及用于辅助电池38的铅酸电池单元。这些电池单元的数目、化学成分、配置和结构可随预期应用而改变。
电连接到电机30的相绕组35的PIM 32包括上部/高端和下部/低端开关的开关对，其中术语“上部”和“高端”是指到电压源(即辅助电池38或HV电池34)的连接，且“下部”或“低端”是指低电位/电接地(GND)处的连接。如本领域中所理解，PIM 32的半导体开关(未示出)，可实施为电压控制双极固态开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、宽频带GaN装置(WBG)或具有对应栅极的其它合适开关，栅极信号施加到所述开关以更改给定开关的开启/关闭状态。
经由控制器区域网络或其它通信总线与PIM 32和FIS 22通信的控制器(C)50可以各种方式配置为单一装置或配置为分布式控制装置。尽管从图1省略，控制器50到PIM 32的连接性可包括适用于响应于一组输入信号(箭头CCI)而发射和接收控制信号(箭头CCo)的传输导体和/或无线控制链路或路径。在控制如本文所阐述的FIS 22时，控制器50还可接收或编程有限定用于调节到FIS 22的控制螺线管中的电流注入过程的所需电压曲线的预定喷射器电流曲线(箭头ICP)，在图3中示为关于彼此电并联地布置的控制螺线管22A和22B。以下分别参考图2和3来更详细地描述喷射器电流曲线(箭头ICP)以及控制螺线管22A和22B。
图1和3中示出的控制器50可包括处理器(P)和有形非易失性存储器(M)，包括光、磁或闪速存储器形式的只读存储器。控制器50还可包括足够数量的随机存取存储器和电可擦除可编程只读存储器，以及高速时钟、模数和数模电路，及输入/输出电路和装置，以及适当信号调节和缓冲电路。计算机可读指令100可记录在存储器(M)中，其中此类指令100的执行使得控制器50根据喷射器电流曲线(箭头ICP)调节FIS 22的操作以确保燃料(箭头F)递送到发动机20。
简要地参考图3，如本领域的一般技术人员将了解的螺线管控制燃料喷射器可将高压燃料(箭头F)递送到图1的实例发动机20的个别汽缸。图3中所示出的各自的控制螺线管22A和22B的场绕组122A和122B因此可由来自高电压电池34和辅助电池38的电流供能以产生电磁场。场产生过程使得设置在控制螺线管22A和22B的螺线管主体内的活塞(未示出)平移。较小校准量的燃料(箭头F)由于这种基于场的活塞运动从螺线管主体逸出，此又在螺线管主体内产生压差。由于压差，针或栓移动离开喷嘴座且使得柴油燃料以高压喷射到发动机20的汽缸中。
参考图2，电流注入到图3的场绕组122A和122B根据对应于图1中的箭头ICP的预定喷射器电流曲线57发生。喷射器电流曲线57的完整周期包括增压阶段(BST)，在所述阶段中电流经由高电压电池34递送到场绕组122，此依赖于分离高电压DC-DC转换器或ASIC控制输出电压发生。换言之，图3的实例燃料喷射器控制系统60的特征在于不存在DC-DC转换器。在增压阶段(BST)完成之后，电流在渐进喷射控制阶段，即如本领域理解的那些术语的峰值阶段(PK)、旁路阶段(BP)、保持阶段(HLD)和喷射结束(EOI)阶段中完全由辅助电池38供电。完成增压阶段(BST)所需的实际电压电平可随图2的控制螺线管22A和22B的构造而变化。然而，增压电压范围可以是约48-52VDC，且因此协同效应可当在轻混合动力系配置中使用图1的FIS 22时存在，其中图1和3的高电压电池34用作用于转动并起动发动机20的架构的部分。
在图2中所示出的增压阶段(BST)期间，喷射器电流以0安培开始且以线性方式快速斜升到预定峰值电流(IPK)大小。在达到峰值电流(IPK)大小时，控制器50中止输送来自HV电池34的电流且开始输送来自辅助电池38的电流。即，HV电池34用于在增压阶段(BP)期间提供图2中的喷射器电流，因为在增压阶段(BP)期间需要相对高的能级以便使图3中所示出的控制螺线管22A和22B内的控制室均衡力失衡。进而，不平衡力使得控制螺线管22A和22B内的针(未示出)在控制螺线管22A和22B以及释放加压燃料(箭头F)内平移，如上所述。峰值电流(IPK)在来自辅助电池38的电流断开之前在校准持续时间到峰值阶段(PK)保持稳定。电流随后以线性方式斜降到预定旁路电流(IBP)大小，且此后在校准持续时间到旁路阶段(BP)接通并保持。
在旁路阶段(BP)结束时，来自图1和2的辅助电池38的电流再次断开。作为响应，喷射器电流以线性方式斜降到预定保持电流(HC)大小，且此后在校准持续时间到保持阶段(HC)接通并保持稳定。保持阶段(HC)的结束导致喷射器电流中断，使得喷射器电流曲线57在喷射结束(EOI)阶段中以线性方式斜降到0安培。喷射器电流曲线57随后重复，其中可能多个相同喷射器电流曲线55连续地执行以在图1的发动机20内完成一个完整喷射周期。
图3绘示喷射控制系统60的实例实施例。如所示出，喷射控制系统60包括辅助电池38和HV电池34，以及控制螺线管22A和22B，以上所有示意性地且不按比例示出。控制器50与开关电路56例如无线地或通过传输半导体通信，使得控制信号(箭头CCo)用来在预定时间开启或关闭上部/高端开关SW1H和SW2H以及下部/低端开关SW1L和SW2L，根据图2的喷射器电流曲线57这样做。
另外关于开关电路56，控制螺线管22A和22B经由高端开关SW1H和SW2H连接到提供高电压电平(VHV)的HV电池34和提供辅助电压电平(VAUX)的辅助电池38。第一二极管D1和第二二极管D2可用于保护开关电路56免受反向电流影响，其中控制螺线管22A和22B的内阻由各自的串联电阻R3和R4表示。第一二极管D1可具有连接到电接地(GND)的正极端43和连接到高端开关SW1H和SW2H的负极端41。第二二极管D2具有连接到低端开关SW1L和SW2L的正极端43以及连接到NV电池34的负极端41。电流限流电阻R1和R2可与如所示出的各自的控制螺线管22A和22B串联连接。
开关电路56的控制由控制器50调节。在图2的增压阶段(BST)期间，例如，HV电池34经由所命令关闭的开关SW2H和SW2L连接到控制螺线管22A和22B。同时，辅助电池34通过开启开关SW1H和SW1L而与控制螺线管22A和22B断开电连接。在增压阶段(BST)结束时，即，当达到峰值电流(IPK)时，控制器50经由所命令关闭的开关SW1H和SW1L将辅助电池38连接到控制螺线管22A和22B。同时，控制器50通过开启开关SW2H和SW2L而将HV电池34与控制螺线管22A和22B断开连接。辅助电池38之后在图2中所示意性地绘示的峰值(PK)、旁路(BP)、保持(HLD)和喷射结束(EOI)中的其余部分中为开关电路56供电。
以上所描述的FIS 22和车辆10实现例如48VDC轻混合动力系内的螺线管控制高压燃料喷射过程的相对低成本实施方案。所公开的增压架构的附带好处包括改善散热、控制复杂性和架构简化。由于图3的喷射控制系统60的特征在于不存在专用于提供必需增压能量的DC-DC增压转换器电路或相关ASIC结构，因此所得配置通过减少的封装要求而简化。
尽管已参考所示实施例详细地描述本公开的诸方法，但本领域的技术人员将认识到可在不背离本公开的范围的情况下对其进行许多修改。本公开并不限于本文所公开的精密结构和组成；从前述描述显而易见的修改、更改和/或变化在本公开所随附权利要求书中所限定的范围内。而且，本发明概念可明确包括前述元件和特征的组合和亚组合。

Claims (10)

1.一种与内燃发动机一起使用的燃料喷射控制系统，所示燃料喷射控制系统包含：
辅助电池，其提供辅助输出电压；
高电压(HV)电池，其提供大于所述辅助输出电压的HV输出电压；
开关电路，其具有布置在第一开关对和第二开关对中的开关；
控制器，其配置成开启和关闭所述第一开关对和所述第二开关对的所述开关以因此根据预订喷射器电流曲线命令来自所述辅助电池和所述HV电池中的一个的电流的输入；和
燃料喷射系统，其具有配置成控制燃料到所述发动机的喷射的控制螺线管，所述控制螺线管包括场绕组，
在所述喷射器电流曲线的增压阶段期间通过所述第一开关对的所述开关的开启和所述第二开关对的所述开关的关闭，所述场绕组可电连接到所述HV电池；和
在所述预定喷射器电流曲线的峰值、旁路、保持和喷射结束阶段中的每一个期间通过所述第一开关对的所述开关的关闭和所述第二开关对的所述开关的开启，所述场绕组可电连接到所述辅助电池。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射控制系统，其中所述HV输出电压是至少48VDC。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射控制系统，其中所述第一开关对和所述第二开关对的所述开关包括将所述控制螺线管选择性地连接到所述HV电池或所述辅助电池的高端开关，和将所述控制螺线管选择性地连接到电接地的低端开关。
4.根据权利要求3所述的燃料喷射控制系统，其中所述第一开关对和所述第二开关对的所述开关是固态开关。
5.根据权利要求3所述的燃料喷射控制系统，其中所述开关电路进一步包括具有连接到电接地的正极端和连接到所述高端开关的负极端的第一二极管，且还包括具有连接到所述低端开关的正极端和连接到所述HV电池的负极端的第二二极管。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射控制系统，其中所述控制螺线管包括关于彼此电并联地布置的多个控制螺线管。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射控制系统，其中所述发动机是柴油发动机且所述燃料是柴油燃料。
8.一种轻混合电动车辆，其包含：
柴油发动机；
电机，其由高电压(HV)输出电压供能，且配置成递送马达转矩以在发动机自动起动事件期间转动并起动所述柴油发动机；
燃料喷射控制系统，其与所述柴油发动机流体连通，且包括：
辅助电池，其提供12-15VDC的辅助输出电压；
高电压(HV)电池，其提供处于至少48VDC的电平的所述HV输出电压；
开关电路，其具有第一开关对和第二开关对；
控制器，其配置成根据预定喷射器电流曲线开启和关闭所述第一开关对和所述第二开关对；和
燃料喷射器系统，其具有关于彼此电并联地布置的第一控制螺线管和第二控制螺线管，每一个控制螺线管配置成控制柴油燃料到所述发动机的喷射，且每一个控制螺线管具有场绕组，所述场绕组在所述喷射器电流曲线的增压阶段期间通过所述第一开关对的开启和所述第二开关对的关闭而可电连接到所述HV电池，且进一步在所述预定喷射器电流曲线的峰值、旁路、保持和喷射结束阶段中的每一个期间通过所述第一开关对的关闭和所述第二开关对的开启而可电连接到所述辅助电池；
其中所述第一开关对和所述第二开关对中的每一个包括将所述第一控制螺线管和所述第二控制螺线管中的对应一个选择性地连接到所述HV电池或所述辅助电池，和将所述控制螺线管中的对应一个选择性地连接到电接地的低端开关。
9.根据权利要求8所述的车辆，其中所述第一开关对和所述第二开关对是固态开关。
10.根据权利要求8所述的车辆，其中所述开关电路进一步包括具有连接到电接地的正极端和连接到所述高端开关的负极端的第一二极管，且还包括具有连接到所述低端开关的正极端和连接到所述HV电池的负极端的第二二极管。
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