CN101069010A - 进气口加热器的控制器 - Google Patents
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Abstract
一种包括空气加热器和控制器的进气口加热器系统，所述空气加热器适于定位为与发动机的进气通道连通。所述控制器适于反复提供电流和断开电流供应，以提供空气加热器的所需能量输出。
Description
相关申请交互引用
本申请要求2003年7月28日提交的、美国临时申请第60/490,456号的权益，并通过引用的方式将其全部内容纳入本申请。
发明背景及内容
本发明总体涉及机动车进气口加热器系统。更具体而言，本发明涉及独立的加热器控制系统，其使用脉冲宽度调制产生所需的进气加热循环。
电力驱动的进气口加热器用于当空气进入内燃机的进气口时对其加热。根据发动机和环境空气的热状态，可能需要在尝试起动发动机之前加热进入的空气。通常，根据环境空气温度，对空气加热一段预定的时间。
许多进气口加热器连接至电路上，该电路包括电池、电池线缆、公用连接器、另一根导线、保险丝、还一根导线、继电器和连接到空气加热器的最后的导线。该继电器一般由发动机电子控制模块控制。继电器根据从电子控制模块接收的信号向加热器提供或不提供电流。除了以上电路中谈到的多根导线之外，也需要金属支柱和硬件以将部件连接到车辆上。
另外，一般来说，加热器的大小适于根据发动机大小和占空比来提供所需功率。通常，空气加热器的大小适于可以向加热器提供一段限定时间的全部电池电压和电流。当环境温度低，例如负二十华氏度时，此控制方案通常需要向加热器赋能约三十秒。虽然以这种方式控制并调整大小的加热器是有效的，但仍可能存在改进方案。
本发明的进气口加热器系统包括连接到空气加热器的控制器。该控制器和空气加热器被设计为使其优选地能够使用单根导线连接到电池上。该控制器可作为独立单元，或者可以接受来自车辆电子控制模块的数据。本发明的控制器采用脉冲宽度调制控制方案，该方案中每单位时间从空气加热器输出的总能量被控制。因此，可采用比以前使用的更大的空气加热器。通过采用更大的空气加热器，需要预加热空气的时间显著减少。另外，由于相同的加热器构形可用于不同发动机，所以可获得生产效率。
优选地，本发明的空气加热器系统在发动机已经起动后采集发动机转速(rpm)数据。该系统利用该数据在发动机开始保证正常怠速(smooth idle)后，确定从加热器输出的能量的时间和数量。以这种方式，最小化了空气加热器的总输出能量。另外，初始起动过程中的排放和运转性能也得到了改善。
从下文提供的详细描述中，本发明的另一些应用领域会变得明显。应该理解的是，详细的描述和具体的实施例虽然表示本发明的优选实施方案，但仅为示例目的，而非为了限制本发明的范围。
附图简述
由详细的说明和附图可以更完整地理解本发明，其中：
图1是表示配备有根据本发明的教导构形的进气口加热器系统的示范车辆的示意图；
图1(a)是优选的空气加热器的视图；
图2是另一进气口加热器系统，其中具有至车辆电子控制模块的连接；
图3是根据温度用来确定预加热时间的图表；
图4是根据温度利于确定进气加热器的工作时间百分比的图表；
图5表示的是描绘脉冲百分比、时间和发动机转速(rpm)的第一控制情况的图表；
图6是描绘第二控制情况的图表；
图7是描绘第三控制情况的图表；
图8到10表示根据本发明的教导概括示范的加热器控制方法的流程图；
图11是描绘进气口加热控制系统的另一个实施方案的示意图；并且
图12是描绘进气口加热控制系统的又一个可选实施方案的示意图。
具体实施方式
优选实施方案的下列说明实际上仅仅是示例性的，并且不以任何方式限制本发明、其应用或用途。
参考图1，显示了与根据本发明的教导构形的进气口加热器系统22连通的一台示范发动机20。系统22包括空气加热器24、控制器26、转速传感器28以及温度传感器30。电池31向控制器26和空气加热器24提供电能。图1表示位于发动机20和入口管32之间的空气加热器24。或者，空气加热器24为如图1(a)所示的“嵌入(drop in)”类型。
当构形为“嵌入”加热器时，加热器24包括连接到检查板36的加热元件34。加热元件34位于入口管32的孔38内。以这种方式，加热元件34置于与通过入口管32朝发动机20的燃烧室移动的空气相接触。检查板36与入口管32密封接合以限制不期望的污染物进入。空气加热器的进一步细节可见于美国专利第6,073,615号，其内容在此通过引用的方式纳入本申请。
图2表示另一空气加热器系统40。加热器系统40利用由电子控制模块42提供的输入。电子控制模块42从传感器组44和诊断组46采集数据。传感器组44包括油温传感器、冷却液温度传感器、环境温度传感器以及单个发动机气缸温度传感器。诊断组46包括反应电池电压、电池强度以及其它车辆系统数值的数据。
加热器系统22和40都包括能量场效应晶体管(MOSFETS)的脉冲宽度调制，以控制加热器功率。具体来说，集成电路或控制芯片48根据系统输入来控制MOSFET类晶体管50的脉冲宽度。要求电压调节器和其它管理设备可在设备运行期间保持控制芯片和MOSFETS稳定。这些组件会保持向系统提供的电压，并进行集成电路板的综合管理以运行系统。
芯片的输入数据包括转速传感器28和传感器组44中的环境温度传感器。环境温度传感器会确定加热器用于预加热的工作时间，以加温加热元件34至在起动期间向发动机传输热量的温度。这可以是根据起动所需焦耳值的线性或非线性函数。示意图见于图3。
在本具体的实施方案中，预加热时间的公式可由以下可为线性或非线性函数的任一公式计算。当期望简单的模式时，例如必须使计算时间最短时，通常优选线性函数。当可以更清楚地理解系统特性或期望比线性模式输入更多或更少能量时，优选非线性函数。例如，预加热时间通过选取温度x，比如-10，并将其代入下列方程式之一来确定，以得到下表所示的预加热时间。
| 线性函数 | 非线性函数 | |
| Y＝-0.125x+5Y＝(-0.125*-10)+5Y＝1.25+5＝6.25秒 | Y＝-0.0013x2-0.125x+7Y＝[-0.0013*(-10)2]-(0.125*-10)+7Y＝-0.13+1.25+7＝8.12秒 | Y＝0.0013x2-0.125x+3Y＝[0.0013*(-10)2]-(0.125*-10)+7Y＝0.13+1.25+3＝4.38秒 |
如果选用线性函数，则控制器会先向空气加热器提供功率6.25秒，如图3中点A所示。如果选定上部非线性函数，则空气加热器会接收功率8.12秒(点B)。如果用下部非线性函数在控制器26内编程，则空气加热器24会以全功率供能4.38秒，如点C所示。
预加热阶段完成后，会给操作者产生一个信号以表示发动机可以起动。一旦发动机起动，转速传感器就会读出转速值，用信号通知控制器后加热(post heat)程序可以开始。后加热指在起动发动机后发生的加热。加热器系统以由环境温度确定的脉冲宽度工作时间百分比起动。图4表示工作时间百分比和温度的图表。工作时间百分比通过线性和非线性函数计算得出，以确定脉冲宽度百分比的起点。用于确定工作时间百分比的函数包括：
| 线性函数 | 非线性函数 | |
| Y＝-0.0125x+.5 | Y＝-0.00013x2-0.0125x+0.7 | Y＝0.00013x2-0.0125x+0.3 |
假定环境温度为-10，选定线性模式用于预加热(如上所述)，并选定非线性模式用于后加热脉冲宽度计算。预加热和后加热计算的实例如下：
| 预加热计算 | 后加热计算 |
| Y＝-0.125x+5Y＝(-0.125*-10)+5Y＝1.25+5＝6.25秒 | Y＝-0.00013x2-0.0125x+0.7Y＝[-0.00013*(-10)2]-(0.0125*-10)+0.7Y＝-0.013+0.125+0.7＝.812或81.2％ |
因此，一旦完成6.25秒的预加热且发动机已经起动，则控制器会计算出如D点所示的81.2％的脉冲宽度。功率被施加到加热器用于81.2％的正常脉冲占空比。然后，控制器降低脉冲宽度并检查发动机转速的变化。如果脉冲宽度降低(或小于某一百分比的变化，即，2％)后，发动机转速没有变化，则可接受新的脉冲宽度并可再次将其降低。如果降低的脉冲宽度引起发动机转速变化，则控制器会恢复到原始的脉冲宽度并重新开始上述过程。最终，随着发动机升温，脉冲宽度的降低不会影响转速，且控制器会迁移到0％的脉冲宽度，自行关闭。
理想的情况下，发动机的起动会沿着图5中的轨迹。进行预加热，起动发动机。当脉冲宽度降低后，发动机转速没有变化。控制器达到0％的脉冲宽度，起动完成。
图6显示第二种情况。进行预加热，发动机起动。第一次控制器减小脉冲宽度，发动机转速下降，导致控制器回复到以前的脉冲宽度。这个过程一直发生，直至转速不再变化(大约在11秒的刻度处)，即控制器经历多次降低而发动机转速没有变化。大约在12秒的刻度处，发动机转速又一次改变，所以这个过程在大约14秒前一直重复。一旦转速不再变化，则控制器可以再次持续减少加热器的工作时间。
参考图7，介绍了第三种情况。在这种情况下，最初的后加热脉冲宽度百分比不足以保持发动机运行。如果脉冲宽度不足以保持发动机在起动必须的转速之上，则控制器会提高必须的工作百分比以保持发动机运行。随着发动机升温，上述情况会改善，且控制器会再次迁移至0％的脉冲宽度。
系统的控制需要考虑之处包括转速传感器的反应性、采样的频率、保持系统得以控制所需的控制器变化的频率、以及系统对加热器的热量改变的延迟时间。
也可以使用另一温度传感器(未示出)来感应加热器下游某一距离处的空气温度。加热器下游的空气温度更能代表实际进入气缸的空气温度。如果空气被控制在与加热器起动发动机的能力有关的指定温度时，将得到改善的起动控制。如果发动机将在40时自主起动，且如果距离加热器某一距离处，比如2英寸处，的空气为100且会被带到气缸中的空气中，该气缸中的空气通过发动机的检测为50，则发动机就会处于将发生可接受的起动的状态。接着，后加热可不根据工作时间而根据离开加热器的空气温度进行。该空气温度与该空气温度对车辆转速的影响的比较可用于控制。随着下游空气温度改变，测量对发动机转速的影响。可如前所述建立闭环控制算法。
图8-10表示操作本发明的加热器系统的方法。当打开点火开关52时，功率就被传送到控制器26和发动机ECM42。ECM42将来自传感器和诊断组的数据传送给控制器，该控制器随后确定起动发动机的正确预加热算法。通常，以100％的功率向加热器提供功率以达到必要的预加热，然而，也可能低于该功率。一旦预加热完成，就会有信号通知驾驶者发动机已做好起动准备。控制器将继续从ECM采集数据并通过监测温度和发动机转速来确定调制占空比的所需脉冲宽度以保持车辆运行。
起始调制会根据起动初期的发动机参数而确定。较冷的温度会需要较高的工作时间百分比。较暖的温度等于较低的百分比。而且，如果发动机未达到足够的转速，则工作时间百分比会增加。一旦达到可接受的转速，则控制器会减小工作时间百分比并检查发动机转速。如果转速保持恒定，则可减小工作时间百分比。如果转速轻微下降，则会提高工作时间百分比。由于发动机变暖，随着控制器降低工作时间百分比，转速会趋于保持恒定，直至控制器最终自行关闭。
图11表示用于加热进入内燃机102的进气口的空气的空气加热器系统100的简化且优选的实施方案。图11表示位于内燃机102和入口管106之间的空气加热器104。然而，这种排布方式只是示例性的，空气加热器104优选地连接到入口管106并构形为图1A所示的“嵌入”型。
系统100包括相互连通的发动机控制器108和加热器控制器110。电池112向加热器控制器110和发动机控制器108提供电能。点火开关114可用于选择性地提供动力给发动机控制器108。
加热器控制器110包括MOSFET类型的晶体管116和控制芯片118。参照加热器系统22和40，使用如前所述的脉冲宽度调制来控制MOSFET116。这样，就可调节空气加热器104的能量输出。
可以理解的是，简化系统100不包括另外的传感器来向控制芯片118提供信号。相反，简化系统100将控制芯片118放置为与发动机控制器108连通。最近制造的机动车通常包括发动机控制系统，其带有作为原始装备部件的控制器，例如发动机控制器108。因此，可以利用已经存在的发动机控制器108来提供较简单且低成本的空气加热器系统100。
操作中，用户闭合点火开关114以将电池功率提供给发动机控制器108。发动机控制器108根据与发动机控制器108连通的车辆制造厂商的传感器提供的数据，来确定起动发动机102的合适的预加热算法。发动机控制器108向加热器控制器110的控制芯片118提供信号。通常，在发动机控制器108向加热器控制器110提供信号之前，加热器104都以100％功率运行。一旦预加热完成，发动机控制器108就以信号通知车辆操作员发动机做好起动准备。此时操作员开启点火开关以使起动器和发动机接合。随着发动机起动，空气会流经入口管106，通过加热器104并进入发动机102。发动机控制器108会根据发动机制造商的规格来输出信号以持续预加热或停止预加热。
由于发动机转动，热空气进入燃烧室并与注入的燃料混合以帮助发动机起动。一旦发动机起动，发动机控制器108就采集来自车辆制造商的传感器的数据，并确定后加热程序是否应该开始。后加热算法程序编入发动机控制器108，可使用数据，例如由车辆制造商的传感器提供的冷却液温度、发动机转速、车辆排气温度数据等。
加热器控制器110可编程为通过脉冲宽度调制改变加热器功率，来改变加热器104的预加热和/或后加热能量输出。根据发动机控制器108接收的信号类型，控制芯片118可编程为包括控制算法以保证空气加热器104的正确运行。
优选地，MOSFET 116包括诊断能力。这种场效应晶体管通常称为“智能化场效应管(SmartFET)”。西门子和/或英飞凌科技公司(Infineon Technologies)提供可用于简化系统100中的PROFETBTS555 TO-218AB/5的强电流功率开关智能化场效应管。在此通过引用将PROFET Data Sheet BTS555纳入本文件。智能化场效应管提供过载保护、电流限制、短路保护、过温保护、过压保护和反极性电池保护。因为进气口加热器易受过压、过流和过温的影响，所以这种控制技术允许将简单系统保护与加热器控制器整合。电流控制技术需要独立的电路提供这种好处。例如，会需要像保险、断路开关和继电器这样的电子元件。此外，应该理解的是，如有必要，可并联连接多个MOSFET以满足加热器104的功率要求。
图12示出加热器控制系统200的又一实施方案。除系统200不利用来自发动机控制器的通讯而是采集来自两个温度传感器的数据以限定加热器运行之外，系统200基本与系统100相似。由于系统200和系统100的组件具有相似性，所以相同的组件将保留其之前采用的参考标号。
系统200包括上游温度传感器202以测量加热器104上游的空气温度。上游温度传感器202将指示入口管106内的空气温度的信号提供给控制芯片118。下游温度传感器204位于进气流内、空气经过空气加热器104后的位置处。图示下游温度传感器204被安装在发动机102中。然而，应该理解的是，加热器104和下游温度传感器204的其它安装位置也可采用。例如，每个上游温度传感器202、空气加热器104和下游温度传感器204可全部被安装在入口管106内，而不脱离本发明的范围。
为运行系统200，闭合点火开关114以将电池功率提供给加热器控制器110。加热器控制器110根据上游温度传感器202提供的数据确定起动发动机的正确预加热算法。如果需要预加热，则加热器控制器110给“等待起动”的灯206赋能，该灯安装在操作者可见的位置。加热器104一直运行，直至加热器控制器110确定预加热循环完成。空气加热器104基本上可以随期望以最高至100％的任意功率百分比运行。一旦预加热循环完成，加热器控制器110就通过断电等待起动灯206发出发动机已做好起动准备的信号。
为尝试起动发动机，车辆操作者打开点火开关以进一步用起动机马达带动发动机。当起动机起动发动机时，加热器控制器110可持续预加热或停止预加热，直到发动机起动。运行的任一种模式都可以被设计进加热器控制器110内的算法中。随着发动机转动，空气将流过入口管106、加热器104并进入发动机102。一旦发动机起动，加热器控制器110就使用后加热算法分析来自上游温度传感器202和/或下游温度传感器204的数据以确定后加热的时间。
后加热算法可以开发为多种不同构形。在一个实例中，加热器104以不同功率级别运行不同的时间，直至上游温度传感器202感应出的空气温度等于某一值。这个控制方案使得在加热器104下游流动的空气的温度在发动机运行的整个过程中基本保持恒定。系统200在加热器控制器110的程序中采用这个主要控制算法。此外，加热器控制器110可被编程为通过使用MOSFET116的脉冲宽度调制来改变加热器功率。
在另一个优选实施例中，系统200内使用的后加热算法在发动机起动之后立即评估上游温度传感器202和下游温度传感器204输出的信号。下游温度传感器204测定的温度与目标进入空气温度比较。标进入空气温度已在先限定，并被编程为后加热算法的一部分。所需的加热器输出功率根据位于下游温度传感器204处的空气的温度与目标温度之差确定。将适合的脉冲宽度调制循环输出到加热器104以产生所需功率。
随着通过上游温度传感器202的空气的温度朝着相对下游温度传感器204在先限定的目标温度升高，调整加热器104的输出。具体来说，调节向加热器104提供的脉冲宽度调制循环，以减小加热器的功率输出。当位于上游温度传感器202处的空气达到目标温度时，则断开给加热器104的功率。或者，可将系统200内的算法构形为：一旦上游温度传感器202处的温度等于目标温度，则以所需的、减小的水平持续后加热一段限定的时间。
在还一个可选的实施方案中，与系统200相似的系统可包括预加热和后加热算法以计算由采集例如冷却液温度、发动机速度、环境空气温度和发动机排气数据的信息的传感器提供的数据。
前述讨论仅仅公开并描述了本发明的示例实施方案。本领域的普通技术人员可容易地从上述讨论、以及附图和权利要求书中认识到，在不脱离以下权利要求书所限定的本发明主旨和范围的前提下，可对其进行多种改变、调整和变形。
Claims (27)
1.一种用于具有发动机的车辆的进气口加热器系统，该加热器系统包括：
适于定位为与发动机的进气通道连通的空气加热器；
用于提供指示发动机转速的信号的速度传感器；和
用于调制作为速度传感器输出信号函数的、提供给空气加热器的功率的控制器。
2.权利要求1的进气口加热器系统，其特征在于所述控制器包括用于向所述空气加热器快速供应和断开功率供应的MOSFET晶体管。
3.权利要求2的进气口加热器系统，其特征在于所述控制器用于改变向所述空气加热器交替供应和断开功率供应的频率，以控制加热器的能量输出。
4.权利要求1的进气口加热器系统，其特征在于还包括用于提供指示环境温度的信号的温度传感器。
5.权利要求4的进气口加热器系统，其特征在于所述温度传感器与所述控制器连通，所述控制器用于确定在起动发动机之前向所述空气加热器提供功率的时间。
6.权利要求5的进气口加热器系统，其特征在于向所述空气加热器提供功率的时间由具有线性函数和非线性函数中的一种的算法限定。
7.权利要求1的进气口加热器系统，其特征在于还包括灯，该灯用于以信号通知车辆操作者等待，直至进入空气预加热循环完成。
8.权利要求1的进气口加热器系统，其特征在于还包括与所述控制器连通的发动机控制模块，所述发动机控制模块用于接收来自车辆传感器的信号并将所述车辆传感器信号传送到所述控制器，以限定向所述加热器功率供应的大小和时间。
9.权利要求8的进气口加热器系统，其特征在于所述车辆传感器选自油温传感器、冷却液传感器、发动机气缸温度传感器和环境空气温度传感器。
10.权利要求9的进气口加热器系统，其特征在于所述发动机控制模块用于接收与电池电压相关的诊断信息，并将该诊断信息转送给控制器。
11.一种车辆进气口加热器系统，该加热器系统包括：
适于定位为与发动机的进气通道连通的空气加热器；和
用于调制向空气加热器提供的功率的控制器，所述控制器包括用于反复向空气加热器提供和断开功率供应以改变所述加热器的能量输出的场效应晶体管，所述场效应晶体管用于感应温度并当超过预定温度时断开向所述空气加热器提供的功率。
12.权利要求11的进气口加热器系统，其特征在于所述场效应晶体管用于感应提供给所述空气加热器的电流并且如果所述电流超过预定值时断开电流供应。
13.权利要求12的进气口加热器系统，其特征在于所述场效应晶体管用于探测反极性功率供应。
14.权利要求11的进气口加热器系统，其特征在于所述控制器包括与所述场效应晶体管并联连接的第二场效应晶体管。
15.权利要求11的进气口加热器系统，其特征在于还包括与所述控制器连通的发动机控制模块，其特征在于所述发动机控制模块用于接收来自车辆传感器的信号并将所述车辆传感器信号传送给所述控制器，以限定向所述加热器供应的功率的大小和时间。
16.权利要求15的进气口加热器系统，其特征在于所述车辆传感器选自油温传感器、冷却液传感器、发动机气缸温度传感器和环境空气温度传感器。
17.一种车辆进气口加热器系统，该加热器系统包括：
适于定位为与发动机的进气通道连通的空气加热器；
第一温度传感器，用于提供指示位于所述空气加热器上游的空气温度的信号；
第二温度传感器。用于提供指示位于所述空气加热器下游的空气温度的信号；和
控制器，用于调制作为第一和第二温度传感器输出的函数的、向空气加热器的提供的功率。
18.权利要求17的进气口加热器系统，其特征在于所述控制器包括用于反复向空气加热器提供和断开功率供应以改变所述加热器的能量输出的场效应晶体管。
19.权利要求18的进气口加热器系统，其特征在于所述场效应晶体管用于感应温度并当超过预定温度时断开提供给所述空气加热器的功率。
20.权利要求18的进气口加热器系统，其特征在于所述场效应晶体管用于感应提供给所述空气加热器的电流并且如果所述电流超过预定值时断开电流供应。
21.权利要求18的进气口加热器系统，其特征在于所述控制器包括与所述场效应晶体管并联连接的第二场效应晶体管。
22.一种用于控制具有发动机的车辆的进气口加热器的方法，该方法包括以下步骤：
测量进气加热器上游位置处的初始温度；
根据所述初始温度限定加热器预加热时间；
以所述预加热时间向所述加热器提供电流；
起动发动机；
测量空气加热器上游的所述位置处和加热器下游的一个位置处的温度；
计算在所述下游位置处的所述温度和目标值之差；
根据已计算的温差确定加热脉冲宽度百分比；
以所述脉冲宽度百分比来调制提供给所述加热器的电流；并且
当所述上游位置处的温度基本等于所述目标值时，断开向加热器的电流供应。
23.权利要求22的方法，其特征在于还包括当所述上游位置处的所述温度增加时，降低脉冲宽度百分比。
24.一种用于控制具有发动机的车辆的进气口加热器的方法，该方法包括以下步骤：
测量初始温度；
根据所述初始温度限定加热器预加热时间；
以所述预加热时间向所述加热器提供电流；
起动发动机；
测量发动机转速；
根据已测定的温度确定初始加热脉冲宽度百分比；
以所述脉冲宽度百分比调制供应给所述加热器的电流；
降低施予所述加热器的脉冲宽度百分比；
检查发动机速度的降低量；并且
持续控制作为被监测的发动机速度的函数的、施予加热器的脉冲宽度百分比。
25.权利要求24的方法，其特征在于限定加热器预加热时间的步骤包括根据所述初始温度对线性和非线性函数中的一个进行求解。
26.权利要求24的方法，其特征在于测量所述初始温度的步骤包括测量环境空气的温度。
27.权利要求24的方法，其特征在于持续控制脉冲宽度百分比包括当所述发动机转速降低一个预定量时，提高施予加热器的脉冲宽度百分比。
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