CN101586518A - 控制迪塞尔发动机电热塞的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种控制与迪塞尔发动机缸室关联的电热塞的方法和设备，所述方法包括步骤：在时间周期内以开关方式驱动电子开关，所述开关与所述电热塞串联连接在直流电压供应件(B)的端子之间；感知所述电热塞上的电压(V)以及流过所述电热塞的电流(I)；和实施电压闭环控制，以控制所述电热塞的温度。所述方法的特征在于步骤：根据所述感知到的电流(I)计算归一化电流误差(ε_I)；根据所述感知到的电压(V)计算归一化电压误差(ε_V)；根据预定参数(α、β、n)计算权重函数(K)；根据所述归一化电流误差(ε_I)、所述归一化电压误差(ε_V)和所述权重函数(K)，计算全局误差(ε)；根据所述全局误差(ε)结合所述电压闭环控制和所述电流闭环控制。

Description

控制迪塞尔发动机电热塞的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种控制与迪塞尔发动机缸室关联的电热塞的方法，该方法包括步骤：

-在时间周期内以开关方式驱动电子开关，所述开关与所述电热塞串联连接在直流电压供应件的端子之间；

-感知所述电热塞上的电压以及流过所述电热塞的电流；和

-实施电压闭环控制，以控制所述电热塞的温度。

本发明还涉及一种控制与迪塞尔发动机缸室关联的电热塞的设备，该设备包括：

基本上与电热塞串联在直流电压供应件端子之间的电子开关；

感知装置，用于提供分别表示流过所述电热塞的电流和所述所述电热塞上的电压的信号；和

电子控制装置，耦接到所述电子开关的控制输入和所述感知装置，所述控制装置布置成：

-以开关方式驱动所述电子开关；

-实施电压闭环控制，以控制所述电热塞的温度。

背景技术

电热塞通常与迪塞尔发动机的缸室关联，并由关联的电子控制模块控制，所述电子控制模块布置成实时控制传输到每个电热塞的能量，从而达到和保持预定工作温度。电热(glow)控制设备还包括车辆电压供应件诸如车辆电池与电热塞以及电子模块之间的电气连接件。电子控制模块借助脉宽调制(PWM)控制信号驱动电子开关，一般为MOSFET晶体管。

图1是用于控制迪塞尔发动机电热塞的电路图。

在图1中，附图标记1一般指代驱动电热塞GP1、GP2、GP3和GP4的电子控制系统，所述电热塞各自与四缸迪塞尔内燃机的缸室关联。

电热塞GP1-GP4各自连接在电子控制系统10各输出端子1-4与接地端子EGND(“发动机地线”)之间。

在图1中，直流电压供应件B，诸如机动车电池，使其正极端子连接到电子控制系统10的供应输入5，而负极端子连接到接地端子BGND(“电池地线”)。

接地端子BGND借助导体6连接到接地端子EGND，并通过导体8进一步连接到电子控制系统10的端子7。电子控制系统的端子7通过导体9连接到电子控制系统10的“内部地线”端子IGND。

电子控制系统10包括4个电子开关M1-M4，所述开关各自的漏极-源极路径基本上与各电热塞串联连接在电压供应件B的端子之间。

电子开关M1-M4例如是MOSFET晶体管，并且其门极连接到控制单元20的各输出。控制单元20驱动所述开关M1-M4，以实现PWM控制。

控制系统10的节点A用于通过已知方式测量电热塞GP1-GP4上的电压。

以上公开的电热控制系统10具有许多缺陷：

-每个电热塞GP1-GP4的电阻较低，所以节点A和端子1-4之间的任何电阻性路径变化导致电热塞上的电压降变化，因此导致温度控制不精确；

-电热塞GP1-GP4与发动机组机械接地，实际上，仅PWM控制信号供应给电热塞GP1-GP4，而通过“发动机地线”端子EGND和“电池”端子BGND之间的连接件提供电气回路，该连接件也为需要高电流的系统诸如发动机起动器、发电机等提供接地回路。这种高电流可能导致导体6上出现显著的电压降，由导体6的电阻R1上的电压降V_d1表示。此外，表示导体8阻抗的电阻R2上的另一电压降V_d2也会影响“电池”端子BGND和“内部地线”端子IGND之间的连接件。这意味着用来激励电热塞GP1-GP4的电压受到“发动机地线”端子EGND和电子控制系统10的“内部地线”端子IGND之间的地线漂移导致的误差的影响，所以使得温度控制不精确。这中串联电压降取决于发动机电气结构，并且取值随着发动机条件发生变化。

传输给电热塞GP1-GP4的能量是需要控制的关键变量，传统电热塞控制系统一般监控每个电热塞上的电压和流过每个电热塞的电流两者。

控制传输给电热塞GP1-GP4的能量意味着在施加给相应电子开关M1-M4的每个PWM驱动信号周期内控制传输功率。PWM驱动信号的工作循环受到闭环控制，从而向每个电热塞GP1-GP4提供希望的能量。

在第一种控制方法中(电压控制)，控制单元20限定必须施加给每个电热塞GP1-GP4的电压效用因子(duty factor)。控制单元20通过在节点A监控供应电压B来实施电压闭环控制。

由控制单元20产生的PWM信号取决于节点A的电压与“内部地线”端子IGND的电势之间的差异，而每个电热塞GP1-GP4产生的加热功率是节点A处的电压以及电热塞GP1-GP4的“发动机地线”端子EGND处的电势的函数。

在第二种控制方法中(电流控制)，控制单元20为每个电热塞GP1-GP4限定电流效用因子。控制单元20通过监控流过电热塞GP1-GP4的电流来实施电流闭环控制。电流效用因子是所述被监控电流的函数。

发明内容

本发明的主要构思是确定不受电阻性路径和控制单元20与电热塞GP1-GP4之间地线漂移影响的状态变量。虽然电流控制方法为特定加热点已经产生了良好的效果，但是其也显示出了受控温度精度较低的缺陷，主要是因为部件的热电特性原因。

此外，上述控制系统总存在的另一种副作用是，由于电热塞的容差，所以电热塞阻抗可能会不可忽略地扩展，这会影响温度。

已知电压控制方案使得电阻扩展对于温度调节的影响最小，但是性能结果受到这串联电压降的严重影响。

已知电流控制方案消除了该串联电压降，但是温度调节结果受到电阻扩展效应的严重影响。

本发明的目标是提供一种控制迪塞尔发动机电热塞的改进方法和改进设备，它们具有电压环控制和电流环控制的优势，能克服以上现有技术中的问题。

本发明的该目标和其他目标借助本发明的方法和设备来实现。

附图说明

参照附图，本发明进一步的特征和优势将会从详细说明中体现出来，所述说明单纯作为非限制性示例，在图中：

图1已经描述过，是现有技术中控制迪塞尔发动机电热塞的设备的电路图；

图2是根据本发明控制迪塞尔发动机电热塞的设备的电路图；

图3示出了用于本发明实施方式的函数的一般形式；和

图4是参数(DPU)针对电热塞电压降的曲线。

具体实施方式

图2是根据本发明用于控制迪塞尔发动机电热塞(glow plug)的设备的电路图。与图1所述类似的元件具有类似的附图标记。

单元20具有第一系列4个输入，各自连接到各一个端子1-4，为所述单元提供表示相应电热塞GP1-GP4上的电压的模拟信号。可以选择的是，可以使用节点A处测量的电压。

单元20具有第二系列4个输入，各自连接到各电流感知装置S1-S4，诸如分流电阻，为所述单元20提供表示操作过程中流过每个电热塞GP1-GP4的电流的信号。

在图2所示布置中，电流感知装置S1-S4布置在电子开关M1-M4和电热塞GP1-GP4之间。在基本上等同的布置中，所述传感器可以布置在电子开关M1-M4和电压供应件B的正极端子之间。

由于电热塞GP1-GP4是具有标称电阻的纯电阻性负载，所以串联电压降将导致流过电热塞GP1-GP4的电流变化。因此，可以通过监控电热塞电流，利用如下定义的归一化电流误差ε_I来确定电压降：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{I^{*}-\tilde{I}}{I^{*}}---\left(1\right)$

其中I^*是根据电压设定点V^*诸如电池电压除以电热塞标称电阻而计算的电流设定点，而

是由电流感知装置S1-S4测量的电流。

电流设定点I^*和测量电流

之间的差异，即电流偏差，用于以下方程：

$K=\frac{1}{\mathrm{\β}+{\left(\mathrm{\α}{\mathrm{\ϵ}}_1\right)}^n}n=\mathrm{2,4,6}......---\left(2\right)$

其中α、β和n是变量值。

K函数提供的值落入[0，β^-1]内，估算电热塞GP1-GP4上的电压降。具体来说，如果电压降增大，则K将趋于0，否则，当该副作用可以忽略时，K将趋于β^-1.

在图3中，示出了K函数的一般形状。

K函数用于根据估算的电压降，将控制从电压控制变为电流控制。这是通过计算电流和电压归一化误差的加权和得到全局误差ε来实现：

ε＝ε₁(1-K)+ε_VK    (3)

其中归一化电压误差ε_V如下定义：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U^{*}-\tilde{U}}{U^{*}}---\left(4\right)$

其中U^*是电压设定点，诸如电池电压，而

是测量电压。

观察全局误差ε的表达式，容易理解，当权重因子K趋于0时，控制趋于电流环控制，而当权重因子K增大时，控制将趋于电压控制环(混合控制)。

进行蒙特卡洛分析，考虑电热塞的机电差异以及不同地线漂移值下的电流和电压归一化误差。针对以下不同控制战略进行该分析：

-电压闭环控制；

-电流闭环控制；

-混合闭环控制。

将产生的稳态电热塞温度分布进行比较，以评估混合控制对于地线漂移的鲁棒性。具体地说，从每单元缺陷(DPU)的角度，参照介于920℃和1080℃之间的温度范围，对结果进行统计学解释。

图4示出了DPU针对电压降的曲线。第一曲线100涉及电压控制，第二曲线102涉及电流控制，而第三曲线104涉及混合控制。

可以发现，对于较低电压降值来说，混合控制非常类似于电压控制，因此保持了其在部件容差方面的鲁棒性优势。还可以看出，对于较低电压降值来说，电流控制鲁棒性较弱，原因在于电流控制依赖于部件的电气阻抗容差。

此外，当电压降增大时，混合控制比电压控制(低DPU值)带来更好的结果，因为电流环的影响增大，因此赋予了控制方案对于电压降更高的鲁棒性。

本发明适用于三缸、四缸、六缸和八缸迪塞尔发动机。

显然，只要保持本发明的原理，实施方式的形式和制造细节可以显著不同于已经说明和图示的单纯作为非限制性示例的上述内容，而不会脱离由附带的权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种控制与迪塞尔发动机缸室关联的电热塞(GP)的方法，包括步骤：

-在时间周期内以开关方式驱动电子开关(M)，所述开关与所述电热塞(GP)串联连接在直流电压供应件(B)的端子之间；

-感知所述电热塞(GP)上的电压(V)以及流过所述电热塞(GP)的电流(I)；和

-实施电压闭环控制，以控制所述电热塞(GP)的温度；

其特征在于，

-根据所述感知到的电流(I)计算归一化电流误差(ε_I)；

-根据所述感知到的电压(V)计算归一化电压误差(ε_V)；

-根据预定参数(α、β、n)计算权重函数(K)；

-根据所述归一化电流误差(ε_I)、所述归一化电压误差(ε_V)和所述权重函数(K)，计算全局误差(ε)；

-根据所述全局误差(ε)结合所述电压闭环控制和所述电流闭环控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述归一化电流误差(ε_I)根据以下方程计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{I^{*}-\tilde{I}}{I^{*}}$

其中I^*是预定电流设定点，而

是所述感知到的电流。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述归一化电压误差(ε_V)根据以下方程计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U^{*}-\tilde{U}}{U^{*}}$

其中U^*是预定电压设定点，而是所述感知到的电压。

4.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述权重函数(K)根据下述方程计算：

$K=\frac{1}{\mathrm{\β}+{\left(\mathrm{\α}{\mathrm{\ϵ}}_I\right)}^n}.$

5.如前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，所述全局误差(ε)根据下述方程计算：

ε＝ε₁(1-K)+ε_VK。

6.一种控制与迪塞尔发动机缸室关联的电热塞(GP)的设备，包括：

基本上与电热塞(GP)串联在直流电压供应件(B)端子之间的电子开关(M)；

感知装置(S)，用于提供分别表示流过所述电热塞(GP)的电流和所述所述电热塞(GP)上的电压的信号；和

电子控制装置(20；30)，耦接到所述电子开关(M)的控制输入和所述感知装置(S)，所述控制装置(20)布置成：

-以开关方式驱动所述电子开关(M)；

-实施电压闭环控制，以控制所述电热塞(GP)的温度，

所述设备(10)的特征在于，所示电子控制装置(20)进一步布置成：

-根据所述感知到的电流(I)计算归一化电流误差(ε_I)；

-根据所述感知到的电压(V)计算归一化电压误差(ε_V)；

-根据预定参数(α、β、n)计算权重函数(K)；

-根据所述归一化电流误差(ε_I)、所述归一化电压误差(ε_V)和所述权重函数(K)，计算全局误差(ε)；

-根据所述全局误差(ε)结合所述电压闭环控制和所述电流闭环控制。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述归一化电流误差(ε_I)根据以下方程计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{I^{*}-\tilde{I}}{I^{*}}$

其中I^*是预定电流设定点，而

是所述感知到的电流。

8.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述归一化电压误差(ε_V)根据以下方程计算：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U^{*}-\tilde{U}}{U^{*}}$

其中U^*是预定电压设定点，而是所述感知到的电压。

9.如前述权利要求任一项所述的设备，其特征在于，所述权重函数(K)根据下述方程计算：

$K=\frac{1}{\mathrm{\β}+{\left({\mathrm{\α\ϵ}}_I\right)}^n}.$

10.如前述权利要求任一项所述的设备，其特征在于，所述全局误差(ε)根据下述方程计算：

ε＝ε₁(1-K)+ε_VK。

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