CN102171441B - 车辆燃烧发动机的电热塞的控制方法及其控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法，电热塞通过第一预定有效电压驱动，当燃烧发动机运行时，第一预定有效电压比车辆的电池的电压低。

Description

车辆燃烧发动机的电热塞的控制方法及其控制器

技术领域

本发明涉及一种用于控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法及用于车辆的燃烧发动机的电热赛的控制器。

背景技术

WO2007/033825示出了柴油发动机的一组电热塞的控制。电热塞根据脉宽调制信号周期性地与供电线连接。为了给电热塞提供所需能量，供电线上的电压降在测量的电热塞电流的帮助下被计算。该计算针对每个电热塞单独进行以控制它的温度。该方法更适合于陶瓷电热塞，该电热塞的电阻在温度下会剧烈变化。另一方面，该方法使用基于多个测量和估算的计算，其包括温度控制发生错误的风险。

发明内容

本发明的目的因此是提供可选择的电热塞控制器单元，其提供更精确的电热塞的温度控制。本发明的另一目的是提供用于更精确地控制电热塞的方法。

本发明提供一种用于控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法，电热塞被第一预定有效电压驱动，当燃烧发动机运转时，第一预定有效电压比车辆的电池的电压低，该方法在车辆启动以后且燃烧发动机启动之前包括下列步骤：

a)估算电热塞的初始温度和/或初始热能；

b）如果温度和/或热能比预定值低，通过比第一预定有效电压高的有效电压加热电热塞，由此，步骤a）中，电热塞的初始温度和/或初始热能通过在车辆启动前的步骤z）中存储的温度和/或热能值被估算，其中，电热塞的温度和/或热能通过电热塞中的电功率（electric power）和电热塞的功率消耗（power dissipation）被计算。步骤z）在车辆的特定启动之前可在任意时间点被执行，例如车辆的前一次停止期间或燃烧发动机的前一次运行期间。

该方法总允许得到期望的电热塞温度且允许保持发热系统的快速性（且由此发动机甚至在冷条件那样的临界状态下快速启动）而不牺牲电热塞温度。

在一实施例中，步骤c）被提供，其中，电热塞的温度和/或热能通过电热塞中的电功率和电热塞的功率消耗和电热塞的温度和/或热能被计算，步骤c）与步骤b）同时应用和/或在步骤b）之后被应用。

本发明也涉及用于车辆的燃烧发动机的电热塞的的控制器，电热塞由第一预定有效电压驱动，当燃烧发动机运行时，第一预定有效电压比车辆的电池的电压低，控制器包括用于在车辆启动后和燃烧发动机启动前控制电热塞的启动控制设备，该启动控制设备包括：

-用于估算电热塞的初始温度和/或初始热能的第一估算装置；

-加热器，如果温度和/或热能比预定值低，该加热器通过比第一预定有效电压高的有效电压以加热模式加热电热塞，

由此，电热塞的初始温度和/或初始热能在第一估算装置中通过被存储于存储器中的温度和/或热能值而被估算，该存储器在车辆启动前通过第二估算装置而被写入，第二估算装置用于通过电热塞中的电功率和电热塞的功率消耗计算电热塞的温度和/或热能。

附图说明

本发明还将基于示出本发明的实施例的附图进行描述。

图1示出了发热系统电路的简图；

图2示出了典型的快速加热电压曲线；

图3示出了电热塞的典型特性；

图4示出了用于在车辆启动以后及发动机启动之前控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法；

图5示出了用于在发动机停止后控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法；

图6示出了电热塞的典型特性；

图7是图6中所示的电热塞的温度和热能对时间的放大图。

具体实施方式

图1示出了发热系统电路1的简图。发热系统电路1的关键部件是电热塞2。电热塞2的端部3，伸出到被设置在发动机机体5内的燃烧腔室4中，其借助于电能至热能的转换可上升至较高温度(900℃以上)。

各种技术可被用于电热塞：

-高/低电压电热塞：涉及该部件的额定电源电压，例如11V用于高电压；额定电压被需要匹配静止空气条件下的额定温度；

-金属/陶瓷电热塞：涉及用于电热塞及加热元件的技术。

高电压电热塞通常直接由车辆电池，直流电源供电。

低电压电热塞，由于他们具有比电池电压低的额定电压（比如用于陶瓷电热塞的7V）,通常需要PWM（脉宽调制）电源以得到适合的电压（有效或RMS电压）。

图1中示出的发热系统电路1包括低电压电热塞2和连接至电池6的PWM电源7。

当发动机控制单元（ECU）被激活，例如通过驾驶员通电命令，控制单元评估可能的需要以接通电热塞2。如果电热塞2被接通，那么ECU（即通过特殊的仪表灯）通知驾驶员，以在命令发动机启动之前等待一定的时间；这是为了使发热系统准备好且电热塞发热以在行进前支持发动机点火。

通常，为了减少等待的时间和改进发热系统速度，低压电热塞2被供给比额定电压高的电压：这可在短时间内被完成，仅仅为尽可能快地达到电热塞额定温度；然后电热塞2的电压电源典型地被逐步降低至电热塞的额定电压以保持达到的温度。这种供电规则可通过PWM电源7实现，其具有不同目标的有效电压。上述方法也可被称为“快速加热”程序。

图2示出了典型的快速加热电压曲线，其被用于陶瓷电热塞的快速加热程序。时间在横坐标上示出，跨电热塞的有效电压在纵坐标上示出。

图3示出了电热塞的典型特性，即它的温度和它的电阻对时间的关系，和跨电热塞的有效电压，电热塞内的有效电流和电热塞的热能对时间的关系。

图4示出了一种用于在车辆启动后和发动机启动前控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法。

几个物理关系将在下面使用，即：

1a）电热塞电功耗：

p(t)=v(t)*i(t)

1b）电热塞电功耗：

$p\left(t\right)=\frac{v{\left(t\right)}^2}{R\left(t\right)}$

其中，v（t）表示跨电热塞的有效电压，i（t）表示电热塞内的有效电流，和R(t)表示电热塞的电阻。

2）电热塞能含量（energy content）：

$E\left(t\right)={\∫}_0^{t}p\left(t\right)$

3a）时间T后的电热塞能含量：

$E\left(t\right)={\∫}_0^{T}p\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{T}v\left(t\right)*i\left(t\right)\mathrm{dt}$

3b）时间T后的电热塞能含量近似值：

$E\left(T\right)={\∫}_0^T\frac{{v\left(t\right)}^2}{R\left(t\right)}\mathrm{dt}\≅\frac{1}{R_m}{\∫}_0^{T}v{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}$

其中，R_m表示通过试验测试确定的电热塞的电阻的平均值。

在快速加热程序过程中，温度升高被关联至电热塞因电源引起的能含量。

能量增加对时间的关系能使用电测量而被计算。两个电参数中的至少一个可用于ECU计算：

-应用于电热塞的有效电压V（t）；

-流经电热塞的有效电流i（t）。

用于能量上升计算的第一方法基于一假定，即有效电压和电流测量二者都是可以得到的。然后参考关系1a）和3a）被使用。

用于能量上升计算的第二方法基于一假定，即仅有效电压测量是可以得到的。然后参考关系1b）和3b)被使用。在关系3b）中出现的Rm的值被存储在控制单元中。

两种方法均包括下列处理步骤：

能量的初始值被在步骤10开始时被赋值为，下列任何一个：

-前一计算值，如果可以获得；

-空值，如果电热塞被识别为处于参考状态；

-最大值，如果前述情况没有一个可适用。

参考状态可以是车辆被生产时的状态。这时，温度被估算为10摄氏度。环境温度的差别可被忽略，因为发热温度在800至1000摄氏度。

如果全部下列状态被碰到，然后能量在步骤20中通过功率积分被计算：

-发动机停止；且

-跨电热塞施加的电压比额定电压高。

一旦计算开始，只要上述状态之一不再碰到，能量计算就被冻结且能量的实际值在步骤30中被存储。

图5示出了用于在发动机停止后控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法。在电热塞冷却过程中（既既没有电力供应也没有燃烧热），温度降低被关联到由于与环境热交换引起的能含量的降低。

能量减少对时间的关系可从一组数值开始计算，该组数值通过试验测试被认知且可设定在控制器中，表示基于能含量的能量梯度。

用于能量降低计算的第一方法基于一假定，即，当主要但不仅仅依据电热塞能含量时，与外界环境热交换引起的p（t）通过试验测试被认知。然后，参考关系3a）被使用。

该方法包括下列处理步骤：

能量初始值在步骤110开始时被赋值为下列任何一个：

-在上升结束时被计算的值，如果快速加热被执行且在后来没有发动机运转发生；或

-设置在控制单元内的值，其通过试验测试认知，且与因电力供应和/或燃烧热引起的电热塞的热状态相关。

如果全部下列状态被碰到，然后能量在步骤120中通过功率积分被计算：

-发动机被停止；和

-跨电热塞施加的电压为零。

一旦计算开始，只要上述状态之一不再碰到，则能量计算被冻结且能量的实际值在步骤130中被存储。

能量上升和能量降低计算根据电热塞电源电压及发动机状态（运行或停止）而被执行，如前面关于图4和5中所述。快速加热电压曲线，通常指示为有效电压对时间的曲线，被应用于电热塞直到能含量升高至控制器内设置的最大临界值：该临界值通过试验测试被认知且与电热塞额定温度相符合，且可依赖于一些发动机参数（例如发动机冷却剂温度）。

如在图6和7中所示，这种管理允许总是得到期望的发热温度，且保持发热系统快速性而不牺牲电热塞温度（因此发动机快速启动，甚至在很冷的状态那样的临界状态）。作为这种管理的结果，应用于电热塞的快速加热程序根据电热塞的热状态变化（代表性地通过能含量）。这种管理的特殊好处能被不能预知的驾驶员操作注意到，例如连续的通电/关闭/通电。

图6示出了电热塞的典型特性，即它的温度对时间的关系，和跨电热塞的有效电压，电热塞内的有效电流，耗散功率和电热塞的热能对时间的关系。而且，“通电”期间，即车辆启动阶段，在最下面的图中通过值“1”示出。电热塞根据关于图4和5中描述的本发明的方法而被控制。

图7是图6中示出的电热塞的温度和热能对时间的关系的放大图。另外，“通电”期间，即车辆启动阶段，在最下面的图中通过值“1”示出。

Claims (3)

1.一种用于控制车辆的燃烧发动机的电热塞的方法，该电热塞通过第一预定有效电压驱动，当燃烧发动机运行时，该第一预定有效电压比车辆的电池的电压低，该方法在车辆启动后和燃烧发动机启动前包括下列步骤：

a）估算该电热塞的初始温度和/或初始热能，

b）如果该温度和/或热能比预定值低，通过比第一预定有效电压高的有效电压加热电热塞，

由此，在步骤a）中，电热塞的初始温度和/或初始热能值通过在车辆启动前的步骤z）中存储的温度和/或热能值被估算，其中，电热塞的温度和/或热能通过电热塞中的电功率和电热塞的功率消耗被计算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于

步骤c），其中，电热塞的温度和/或热能通过电热塞中的电功率和电热塞的功率消耗及电热塞的温度和/或热能被计算，步骤c）被与步骤b）同时应用和/或在步骤b）之后应用。

3.一种用于车辆的燃烧发动机的电热塞的控制器，电热塞被第一预定有效电压驱动，当燃烧发动机运行时，第一预定有效电压比车辆的电池的电压低，该控制器包括用于在车辆启动后和燃烧发动机启动前控制电热塞的启动控制设备，该启动控制设备包括：

用于估算电热塞的初始温度和/或初始热能的第一估算装置；

加热器，如果温度和/或热能比预定值低，该加热器通过比第一预定有效电压高的有效电压以加热模式加热电热塞，

由此，电热塞的初始温度和/或初始热能在第一估算装置中通过被存储于存储器中的温度和/或热能值而被估算，该存储器在车辆启动前通过第二估算装置而被写入，第二估算装置用于通过电热塞中的电功率和电热塞的功率消耗计算电热塞的温度和/或热能。