CN101994631B

CN101994631B - 估计电热塞温度的方法和装置

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Publication number: CN101994631B
Application number: CN201010260724.1A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂法诺·卡萨尼
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: GB2472811B; RU2539216C2; RU2010134533A; US20110041785A1; GB2472811A; GB0914478D0; US8701614B2; CN101994631A

Abstract

本发明提供了一种用于控制压燃式发动机内一个或者多个电热塞的方法。电热塞的控制包括预测电热塞的温度以控制电热塞的电源。确定电热塞的电源和燃烧室温度。预测电热塞的温度，且该预测的电热塞温度值用于控制电热塞的电源。预测的电热塞温度从一关于电热塞温度的微分方程的数值解推导出来。该微分方程关于电热塞温度是非线性的。

Description

估计电热塞温度的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种估计电热塞温度的方法和装置。

背景技术

压燃式发动机通常装配有电热塞系统。该电热塞系统在发动机点火时以及在工作的发动机预热阶段提供普通的助燃。这一系统的核心零件是电热塞，该电热塞的端部可以通过电能向热能的转化达到超过900℃的高温。

每个汽缸都配有电热塞，根据发动机和环境情况的需要，通常是冷的情况下，该电热塞会被打开。电热塞的作用相当于电阻。它们的电阻值随温度变化。在温度升高时，内阻值也增加。

各种不同的电热塞技术都在应用。电热塞可以是高压或者低压，它们也可以由不同的材料制成，例如金属电热塞和陶瓷电热塞。高压电热塞通常直接由汽车电池供电。相反，由于低压电热塞具有低于电池电压的额定电压，它们通常需要脉宽调制(PWM)电源来获得正确的电压。特别是低压电热塞可以很容易地通过将PWM的MOSFETs的门极连接到电子控制单元并控制PWM的工作循环而得以控制。

发明内容

本发明提供了一种用于在计算机、微控制器及类似装置中执行的、用于控制压燃式发动机的一个或者多个电热塞的方法。电热塞的控制包括预测电热塞的温度以控制电热塞的功率供给。特别的，可以通过控制脉宽调制的脉冲宽度来控制。

按照本发明，确定电热塞的供给功率以及燃烧室温度。供给功率的确定包括读入供给功率的输入值或者读入派生出供给功率的若干输入值，例如脉宽调制的脉冲宽度或者供给电压。确定燃烧室温度包括读入燃烧室温度的输入值或者读入派生出燃烧室温度的若干输入值。这些输入值可以包括但不限于，发动机负载，发动机转速，冷却水温度和进气温度。

预测电热塞的温度并且所预测的电热塞的温度被用来控制电热塞的功率供给。例如可以通过开关MOSFETs或者其他类型的晶体管或者开关电热塞继电器控制功率供给。

预测的电热塞温度是从电热塞温度的一个微分方程的一个数值解推导出来的。该微分方程关于电热塞温度是非线性的，因为该微分方程包括电热塞温度的大于一次的幂。特别是提供了这样一个微分方程，该微分方程包括用于对辐射热传递建模的电热塞温度的四次幂以。推导电热塞温度包括将输入值或者计算值插入到一个或者一组代表所述微分方程数值解的方程中。

在另一种可选的实施形式中，如果第二次估计和通过微分方程数值解推导出的第一次估计的差超过了一个预先设定的值，电热塞温度的预测包括将预测的电热塞温度重置成第二估计。

按照本发明，从一个功率守恒方程或者一个等价的能量守恒方程推导出电热塞温度的微分方程。功率守恒方程包括至少四项，即，Pg，Pi，Pe，Pc，其中Pg表示电热塞的供给功率，Pi表示单位时间内存储在电热塞中的能量，Pe单位时间内的辐射的能量，Pc表示单位时间内通过对流或者传导传递的的热能。在此，“推导”意味着存在一个和具有项Pg，Pi，Pe，Pc的微分方程等价的方程。

按照本发明，用于电热塞温度的微分方程具有如下形式：Pg(t)＝A*d/dtTg(t)+B*Tg(t)+C*Tg(t)⁴+D(t)，其中，Pg是提供给电热塞的能量，Tg是电热塞的温度，A，B，C是从预先标定的值推导出来的，D(t)是燃烧室温度的函数。A，B，C是从预先标定的值推导出来的，因为它们是由输入值和预先标定的特性曲线所确定或者它们是预先标定的常数。

按照本发明，电热塞的功率供给可以用各种方法加以控制。例如，可以通过控制电热塞继电器的开启时间或者控制晶体管的开启时间来加以控制。晶体管的开启时间可以用脉宽调制(PWM)加以控制。尤其在晶体管通过PWM控制时，电热器可以很容易地由数字控制器加以控制。

此外，本发明公开了一种根据前述方法控制电热塞温度的装置，该装置包括根据至少电热塞的供给功率和燃烧室的温度预测电热塞温度的器件。在本发明的一种实施形式中，该器件由一个模式编程单元，一个逻辑单元和一个门极驱动单元来提供。该装置还包括得出燃烧室温度的器件，该器件要么通过读入输入值，要么根据输入值计算燃烧室温度。在本发明的一种实施形式中，该器件由连接在发动机控制单元的输入26提供。

该装置包括用于得出通过电热塞和燃烧室之间辐射传热所传递的热能的量的器件。在按照本发明的一种实施形式中，该器件由所述装置的逻辑单元内编写的指令来提供。该装置还包括从预测的电热塞温度推导出用于电热塞温度的温度控制值的器件。在按照本发明的一种实施形式中，该器件由所述装置的逻辑单元内的控制器来提供。该控制器使用预测的电热塞温度和希望的电热塞温度作为输入值。该装置还包括从温度控制值计算脉宽调制的脉冲宽度的器件，该器件由门极驱动单元提供。

附图说明

图1示出了一个电热塞控制装置和所控制的电热塞，

图2示出了燃烧室内能量流的示意图，

图3示出了电热塞的计算算法的输入和输出值，

图4示出了与图3所示的计算算法等效的电路图，

图5示出了电热塞控制方法的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，提供了本申请(发明)的实施形式的细节。然而，显然对于本领域技术人员，不需要这些细节也可以完成所述实施形式。

图1示出了用于以加热线圈表示的电热塞12的电热塞控制装置11。该电热塞12通过场效应管(MOSFETS)14连接到电源13上。每个MOSFETS14的一个门极连接到电热塞控制装置11内的一个门极驱动单元16的一个相应输出上。在每个MOSFET14的漏极和相应的电热塞12之间设置敏感电阻器17。每个敏感电阻器17的输入和输出连接到所述电热塞控制装置11内的诊断单元19的相应输出和相应输入上。

所述电热塞控制装置11还包括一个逻辑单元20，该逻辑单元又包括一个诊断逻辑和一个控制逻辑。所述逻辑单元20的诊断输出22连接到一个没有示出的发动机控制单元(ECU)上。所述逻辑单元20的控制输入23连接到该ECU上。此外，所述电热塞控制装置11包括一个模式编程单元25。该模式编程单元25通过一输入26连接到传感器输出。所述电热塞控制装置11的一个电压传感输入28连接到电源13上，并且所述电热塞控制装置11的功率输入29连接在电源电压上。

在运行过程中，逻辑单元20通过控制输入23接收来自ECU的控制输入，并且模式编程单元25通过输入26接收传感值。模式编程单元25基于该传感值确定运行模式，并向逻辑单元20发出输出值。传感值可以包括尤其是发动机冷却液或者冷却水的温度，发动机转速，喷射的燃油，发动机的输出扭矩。ECU利用一个适当的模型从传感值得出燃烧室温度，并把得出的燃烧室温度提供到输入26。ECU也可以向电热塞控制装置11提供进一步的信息，例如发动机马达前一次空转阶段的长度。

逻辑单元20的控制逻辑基于所述电热塞控制装置11的输入值计算每一个电热塞12的希望的有效电压。门极驱动单元16利用该希望的有效电压为每一个电热塞12计算脉宽调制的工作周期(duty cycle)的长度，并根据该工作周期控制MOSFETS14的门极。

通过对敏感电阻器17的输入和输出，诊断单元19推断出每一个敏感电阻器17的电压降。根据该电压降，诊断单元推断出每一个电热塞12的供电电流。诊断单元19将得出的供电电流值提供给模式编程单元25。此外，如果得出的供电电流高于或者低于指定的边界值，诊断单元25就产生了一个错误条件。

图2示出了一个这里没有示出的内燃机的燃烧室内的能量转化过程。一电热塞12的一端部32伸入燃烧室34。没有示出的一加热线圈和一调制线圈设置在电热塞12的端部32内。在电热塞12的上端设置有一个用于供电电流的端子33。燃烧室34包含通过一没有示出的喷射阀输送到燃烧室34内的油气混合物35。可运动的活塞37位于燃烧室34内和电热塞12相对的一侧。

在电热塞12工作时，电能通过端子33将存储功率Pg提供给电热塞12。存储功率Pg转化成电热塞12的存储功率Pi，转化成考虑了对流和传导的热传递的加热功率Pc，并转化成考虑了辐射热传递的加热功率Pe。这导致如下功率守恒方程：

Pg＝Pi+Pc+Pe (1)

在建模的这一层次，向外界的热量损失及活塞37运动造成的能量损失/增加不予考虑。图2的箭头表示所述功率平衡方程的四项Pg，Pi，Pc，Pe。

图3在框39的左侧示出了输入值38，在框39的右侧示出了预测值40。框39示意表示数据转化。输入值38包括供给的电功率Pg，通常由ECU计算的燃烧室温度Tcc，以及冷却剂的温度T_冷却液。预测的输出值40包括电热塞温度Tg，传递的辐射功率Pe，由传导和对流传递的加热功率Pc，内部存储的功率Pi。

图4示出了一个等效电路图42，该电路图提供了用于所述电热塞12之一的上述功率守恒方程(1)的四项Pg，Pi，Pc，Pe的一个类似模型。模型参数Rth，Cth和F在框内示出。在该模型的范围内，功率项建模成电流，温度建模成相对接地水平47的电压。特别的，电热塞的功率供给建模成一电流源43。电热塞的内部热存储用一个电容为Cth的电容器建模。从电热塞通过传导和对流的热传递用一个阻值为Rth的电阻45来建模。从电热塞向燃烧室的辐射传递建模成和电流源43相同地驱动的受控电流源46。该受控电流源46的输出取决于模型参数F。燃烧室温度建模成一个受控的电压源48。

电热塞温度Tg建模成在电压源43与电容44和电阻45的输入之间的一个参考点相对于接地水平47测得的电压。电阻45和受控的电流源46并联连接在电流源43和受控的电压源48之间。电容44连接在电流源43和地47之间。

这一模拟模型可以由这里没有示出的一个电路图实现。电流源46，48可以由定制的元件提供。

按照等效电路图42，计算数字模型由方程(1)和如下方程所确定。

Pg＝Vpeak*Ipeak*D (2)

Pi＝Cth*d/dt Tg (3)

Pc＝(Tg-Tcc)/Rth (4)

Pe＝k_b*F*(Tg4-Tcc4) (5)

按照方程(2)，输送给电热塞12的功率Pg等于电压Vpeak乘以电流Ipeak乘以工作周期的长度。在此，Vpeak和Ipeak是脉宽调制的工作周期的矩形脉冲时电热塞上的电压和电流。D是工作周期长度除以脉宽调制周期长度。电热塞上的电压Vpeak和电流Ipeak分别由传感电阻17处测得的电流和MOSFET14的电源电压所估计。

对于变化的周期长度，平均功率由如下公式给出：

Pg = \frac{1}{T} {&Integral;}_{0}^{T} V (t) * I (t) dt - - - (2 a)

其中T是一个适当挑选的平均时间。

按照方程(3)，没有直接转化成热功率的内部存储功率Pi等于比热Cth乘以电热塞温度Tg的时间导数。

按照方程(4)，通过传导和对流传递到燃烧室内的燃油混合物的加热功率Pc等于电热塞温度Tg和燃烧室温度Tcc的差除以传导和对流热传递的热阻Rth。

按照方程(5)，通过辐射传递到燃烧室内的燃油混合物的加热功率Pe等于波尔兹曼常数k_b乘以一形状参数F再乘以电热塞温度Tg的四次方和燃烧室温度的四次方之差。方程(5)给出了按照Stefan-Boltzmann方程计算的电热塞和燃烧室辐射能量之差。

参数Cth，Rth，F可以在生产商或者维修店通过标定方法用装有仪表的电热塞来获得。按照本发明，电热塞分别单独建模，并且每个电热塞都有独立的参数Cth，Rth，F。在另一种实施形式中，只有部分电热塞单独建模，而另一部分的电热塞就采用平均值建模。

可以通过如下方法求解方程组(1)-(5)，例如，将(3)，(4)，(5)的右边插入到守恒方程(1)。就得到一个关于电热塞温度Tg的如下形式的微分方程：

Pg(t)＝A*d/dt Tg(t)+B*Tg(t)+C*Tg(t)⁴+D(t)(6)

参数A，B，C，D是关于参数Rth，Cth和F及与时间有关的燃烧室温度Tcc的已知量。Pg可以分别从方程(2)或者(2a)得知。因此，方程(6)可以被数值求解。通过计算的电热塞温度Tg，就可以推导出项Pi，Pe，Pc。

例如，时刻t2的温度T(t2)可以通过欧拉法求解方程(6)从前一时刻t1的值计算出。也可以采用其他方法，例如Runge-Kutta法或者线性多步法。特别是，采用欧拉法导致如下预测的电热塞温度：

Tg (t_{2}) = Tg (t_{1}) + \frac{Δt}{A} * (Pg (t_{1}) - B * Tg (t_{1}) - C * Tg {(t_{1})}^{4} + D (T_{1}))

或者

Tg (t_{2}) = Tg (t_{1}) + \frac{Δt}{C_{th}} * (I * V * D_{PWM} (t_{1}) - \frac{1}{R_{th}} * Tg (t_{1}) - k_{B} F * Tg {(t_{1})}^{4})

+ \frac{Δt}{C_{th}} (\frac{1}{R_{th}} T_{cc} (t_{1}) + k_{B} F * T_{cc} {(t_{1})}^{4})

在此，I是在工作周期中通过电热塞的电流，V是工作周期中电热塞两端估计的电压降，D_PWM(t)是在经由其向电热塞供电的晶体管的工作周期在时刻t的工作周期长度。T_cc(t)是通过利用发动机冷却剂温度和/或发动机负载由ECU或者电热塞控制装置11推导出来的估计的燃烧室温度。发动机负载例如可以由燃油输入，发动机转速和输出扭矩得出。

比热C_th和热阻Rth因此及参数A和B可与时间有关。特别是，热阻Rth与燃烧情况有关。因此关于热阻Rth的更准确的模型应该将热阻Rth作为发动机转速和发动机负载的函数。

电热塞与温度有关的电阻值提供了电热塞温度的第二估计，该估计可用作电热塞温度的初始估计。该第二估计也可以在方程(6)的解远离电热塞真实温度时修正计算的电热塞温度。这可以用如下方式实现，即当估计的电热塞温度和该第二估计之间的差超过预先设定的极限时，将估计的电热塞温度重置为该第二估计的值。

如果已经有一个电热塞电阻的估计可用，那么就可以用它来消去方程(2)中的电流或者电压。

方程(6)也可以用来预测为了在时间t2-t1内达到需要的温度差T(t2)-T(t1)所需要的输入能量。

一种将按照上述模型的温度估计付诸实践的方法是为了计算目的采用逻辑单元20。那么，电热塞温度可以用如下方法控制。首先，逻辑单元20通过从由发动机控制单元在输入23处提供的希望的电热塞温度减去估计的电热塞温度Tg生成一个误差信号。其次，该误差信号用作一控制器的输入信号，例如该控制器可以是用于产生控制信号的PD，PID控制器或者类似装置。门极驱动单元16利用该控制信号生成具有相应的工作周期的、用于MOSFET14的输入信号。

另一种利用上述方程(1)-(5)的方法是通过存储的温度和查询表，其允许读出作为前一次温度值和输入参数的值的函数的预测温度，所述输入参数例如是燃烧室温度。这一查询表可以实现为列出与所有可能的输入参数和前一次温度值的组合对应的预测温度。

图5示例示出了一种电热塞控制方法的流程图，在该控制方法中使用了按照本发明的电热塞温度估计方法。按照图5的电热塞控制方法可以用计算机程序或者也可以用硬件接线的电路来实现。此外，按照本发明的温度估计方法也可以用于除了图5示出的电热塞控制方法之外的其它电热塞控制方法。

在步骤50中，电热塞加热例如可以由转动车钥匙激活。在步骤51中，温度估计算法的输入值由传感器输出值或者计算得出。输入值的推导包括确定向电热塞提供的功率和燃烧室温度。在进一步的步骤52中，通过按照上述的温度估计算法计算电热塞温度估计值Tg来预测电热塞温度。在步骤53中，计算出希望的电热塞温度T_ref。在步骤54中，基于电热塞电阻值得出电热塞温度的第二估计值Tg2。如果，在判断步骤55中发现电热塞温度的估计值Tg和第二估计值Tg2之间的差超过了一预先设定的极限，在步骤56中将估计值Tg重置成第二估计值Tg2。否则，将估计值Tg用作电热塞温度的估计。在判断步骤57中检查希望的电热塞温度T_ref是否高于估计的电热塞温度Tg。如果是这样，在步骤58中激活电热塞，否则在步骤59中去激活电热塞。然后，图5所示的电热塞控制方法循环回到步骤51，以得出下一次的输入值。

按照步骤58，59的、控制向电热塞功率供给的方法可以进一步细化。例如，所述温度差可以作为PD控制器的输入来确定脉宽调制的工作周期。在一种可选的、只向前反馈的电热塞控制方法中去掉步骤55，56。

按照本发明的温度估计方法具有多种优点。按照本发明计算电热塞温度避免了对每一个电热塞使用一个单独的温度传感器。由此降低了电热塞的成本和复杂性。

所述算法只需要少量可适应的参数和输入量。但是却能提供比只基于电热塞功率消耗的估计更准确的估计。

按照本发明，可以通过提供每个电热塞的独特参数Cth，Rth，F来对每个电热塞单独建模。例如也可以根据活塞的各个位置，利用对燃烧室温度Tcc的单独估计。由此，可以补偿由于电热塞生产的分布及不同气缸流体动力学的不同造成的温度差距。

改进的温度估计提供了一些便利。例如，可以更快地达到电热塞温度而避免过热，于是延长了电热塞寿命。此外，电热塞温度更准确的估计使得可以更有效地利用输入能量以及更准确控制燃烧过程，从而减少燃料消耗和排放。

改进的电热塞温度估计也可以用于诊断目的。通过比较预测的电热塞温度和独立估计的电热塞温度可以及时检测到电热塞失效。

所述实施形式示出了用PWM方法供电的低压电热塞。在这里没有示出的另一种实施形式中采用高压电热塞，其功率供给Pg用与之前所示类似的方法控制，例如控制电热塞继电器开启时间。此外，也可通过调整电热塞的供给电流来控制功率供给，例如用一个可变电阻器。在后一种情况下，电热塞的功率供给可以由测量电流和/或电压来估计，而不是用晶体管或者开关的通断时间。

特别有利的是在具有电子燃油喷射的压燃式发动机上使用按照本发明的方法，以提供对燃烧过程的准确控制。但是，本方法也可以用于机械式的燃油喷射或者完全没有燃油喷射的压燃式发动机上。

Claims

1.一种用于控制压燃式发动机的一个或多个电热塞的方法，该方法包括：

-确定电热塞的供给功率和燃烧室温度；

-预测所述电热塞的温度；

-用所预测的电热塞温度控制所述电热塞的功率供给，

其中，从一关于所述电热塞温度的微分方程的数值解推导出所述预测的电热塞温度，并且其中，该关于所述电热塞温度的微分方程对于所述电热塞温度是非线性的，

其中，所述关于电热塞温度的微分方程源自包括至少4项，即，Pg，Pi，Pe，Pc的功率守恒方程，其中，Pg表示所述电热塞的供给功率，Pi表示单位时间内存储在所述电热塞中的能量，Pe表示单位时间辐射的能量，Pc表示单位时间通过传导或对流传递的热能。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述微分方程形式为：

Pg(t)＝A*d/dt Tg(t)+B*Tg(t)+C*Tg(t)⁴+D(t)

其中，Pg是所述电热塞的供给能量，Tg是电热塞温度，A，B，C源自预先标定的值，并且D(t)是一关于燃烧室温度的函数。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征为，通过控制一电热塞继电器的开启时间控制所述电热塞的功率供给。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征为，通过控制一晶体管的开启时间来控制所述电热塞的功率供给。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征为，从发动机冷却液的温度推导出所述燃烧室的温度。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征为，进一步由发动机负载推导出所述燃烧室的温度。

7.一种用于按照权利要求1-6中任一项所述的方法控制电热塞温度的装置，其特征为，所述装置包括用于从电热塞的至少一个供给功率和燃烧室温度预测电热塞温度的器件，并且所述装置包括推导出所述燃烧室温度的器件。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征为，所述装置还包括用于得出通过所述电热塞和所述燃烧室之间的辐射传热所传递的热量的器件。

9.按照权利要求7或8所述的装置，其特征为，所述装置包括用于从预测的电热塞温度推导出用于电热塞温度的温度控制值的器件。

10.按照权利要求7所述的装置，其特征为，所述装置包括用于从所述温度控制值计算出脉宽调制的脉冲宽度的器件。

11.一种具有电热塞的压燃式发动机，其特征为，一个或多个所述电热塞由按照权利要求7至10之一所述的装置控制。

12.一种具有按照权利要求11所述的压燃式发动机的车辆。