CN102348921B

CN102348921B - 液体-管路系统的电加热系统

Info

Publication number: CN102348921B
Application number: CN2010800120319A
Authority: CN
Inventors: 奥拉夫·博格迈尔; 托比亚斯·艾特莎德; 赖纳·米特雷尔; 托马斯·许勒尔
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: US10123378B2; US20120008927A1; ES2584110T3; DE202009003807U1; DE202010018402U1; US20150069044A1; EP2379931A1; CN102348921A; US8965187B2; EP2611260A2; WO2010105918A1; EP2611260B1; EP2611260A3

Abstract

本发明涉一种液体管路系统(1)的加热系统，其中，给至少一条液体管路(2)配置至少一个电加热元件(R_L)，并且为给液体管路(2)加载一个预先确定的加热功率要向该加热元件提供一个比电源电压(U)小的工作电压(U_B)。

Description

液体-管路系统的电加热系统

技术领域

本发明涉及一种尤其是机动车内的液体管路系统的加热系统，其中，给至少一个液体管路配置至少一个电加热元件，为了给液体管路加载一定的加热功率需向该加热元件提供工作电压。

背景技术

对于背景技术，请参考DE41 35 082 C1、WO 2007/073286 A1和EP1985 908 A1等文献。

可加热的液体-管路系统尤其常用在机动车上，确切地说，其常用于那些由于其冰点的缘故而在相对较高的环境温度下就容易结冰的介质。有些功能可能会由于介质结冰而受到损坏。比如，车床洗刷装置的水管就属于这种情况，当然，含水尿素溶液的管路尤其属于这种情况，含水尿素溶液与所谓的SCR催化剂(SCR：选择性催化还原)一起被用作柴油发动机的NOX还原剂(NOX：氮氧化物)。因此，为了避免结冰或者为了使已经结冰的介质融化，可在低温时启动电加热元件。

这种液体-管路系统通常包括——请比较，尤其是与EP1985 908 A1(图13，14)以及WO 2007/073286 A1比较——至少一条其两个端部带有管路连接器(插塞连接器)的液体管路(管道和软管)。液体管路具有一电加热元件，该元件可以是例如螺旋线状地缠绕在整个管路长度上的加热丝线圈，并且，至少有一个管路连接器(WO 2007/073286 A1)或者两个连接器中的每一个连接器(EP1985 908 A1)需配备一个尤其是加热丝线圈状的电加热元件。所有电加热元件在电学上通常是串联连接并且可以与一个共同的电流源或电压源连接(对此请比较EP1985 908 A1，图14a、14b)。

这些加热系统的问题是，管路系统内部的液体管路在长度上的差异通常都极大，从而导致加热元件的有效加热电阻以及与此相应的加热功率也各不相同。特别是假如液体管路很短，例如其长度小于500毫米，那么例如呈螺旋状缠绕在管路上的加热元件同样也可能很短，从而导致加热电阻过小。虽然可以通过使用一个横截面积减缩的加热元件来实现增大电阻的目的，但是这样可能会带来机械方面的问题。例如，加热元件的插塞连接器(尤其是波纹—连接器)可能会由于横截面小，并由于因此导致的机械强度降低的原因而不能被可靠地制造出来。

发明内容

本发明的基本目的在于，对上述类型的加热系统采取措施，以便能够简单、经济地优化电加热功率或者说使电加热功率适应给定的条件。

根据本发明，上述目的是通过各独立权利要求的特征来实现的。各从属权利要求及随后的说明包含了其他的有利设计特征。

因此，上述目的的第一种解决方案是降低加热元件的工作电压，使加热元件的工作电压小于电源电压，尤其是汽车电路的直流电压(通常的电池电压为例如，9-16V或20-32V)。这原则上可以通过任意方法实现。

因此可以在加热元件的前面串联连接一个串联电阻。该串联电阻可以同样构造成热导体。它也可以是例如所谓的水泥电阻。该串联电阻可以被安置在单独的壳体内或者安置在管路连接壳体的区域内。此外，还可以把该串联电阻安置在一个管路连接器区域，尤其是在包囊的内部。

在另一个可选方案中，可以使用加热螺旋灯丝材料作为热导体。这种加热螺旋灯丝材料为至少一根螺旋状缠绕在一纤细铁芯上的加热丝，这一绕以加热丝的铁芯又作为加热元件而呈螺旋形地缠绕在液体管路上。通过这种方式差不多可以将加热元件的长度任意增大或者预定为一固定值，并且因此也可以将其电阻任意增大或者预定为一固定值。

根据本发明的另一个解决方案是为液体管路配备多个(至少两个)热导体，并尤其是将这些热导体串联起来。

根据另一可选方案，可以设计进行电流调节。为此可以采用电子触发器，或者也可以采用与例如热敏电阻(NTC：负温度系数热敏电阻，PTC：正温度系数热敏电阻)或双金属元件结合在一起的继电器电路。

最后，可以为加热元件提供这样一个工作电压，该工作电压是通过一个用于设置或者调节热功率的，具有一定占空比的周期性PWM(脉冲宽度调制)控制而生成。在这种情况下，相应的工作电流取决于周期性脉动工作电压的有效值和加热元件的实时电阻值(该电阻值随时间而变)。对于加热元件的实际加热功率，优选能够利用功率调节装置通过改变脉冲宽度调制占空比的方法将其调整成一预定的理想加热功率。

在上述PWM控制措施的一个优选的设计方案中是这样设计的，即，在具有多个(至少两个，优选3个)串联连接且优选被分配给液体管路及其两个管路连接器的加热元件的情况下，可以通过PWM控制来对各个加热元件的加热功率单独实施控制和/或调节。为此，可以为全部现有加热元件中的每个加热元件或者至少其中的几个加热元件分别并联一电子开关，以便通过对这些开关进行PWM控制而使各加热元件能够周期性地短接。此外，对于整个加热元件串联电路同样可以串联连接一个开关，从而以PWM频率对其进行控制。

这种有利的设计方案可以被称作“智能管路”，因为为了优化加热功率，可以对加热系统内部的加热元件进行控制，而且这种控制很大程度上并不受管路长度和电加热元件数量的影响。

在这种情况下需要注意的是，上文描述的全部特征不仅可应用于“短的管路”，其应用也与每个管路加热元件各自的管路长度无关，而且还可以应用在管路连接器的其它加热元件的每一加热元件上。

附图说明

下面，通过在附图中示出的实施例对本发明作进一步的解释。在附图中：

图1为一可电加热的液体管路系统的典型实施方式的透视图，该系统具有的加热系统带有三个加热元件(在图中以电路符号标识)；

图2为图1所示加热系统的等效电路示意图；

图3为一截带有呈螺旋形加热丝状的加热元件的液体管路的简化原理图；

图4为图3的等效电路图；

图5为图3的另一个等效电路图，图中包含一个附加的串联电阻；

图6为用比图3更大的形式示出了具有一个特殊加热元件的液体管路的简化原理图；

图7a至7c为图6所示的特殊加热元件的不同实施例；

图8为根据本发明的加热系统的特殊设计方案的等效电路图；

图9为用于调节加热元件电流的电子触发器的电路图；

图10为图9所示触发器的备选方案的电路图；

图11为图10所示触发器的实施变例；

图12为根据本发明的加热系统的另一设计方案的等效电路图；

图13为优选调节器单元的框图；

图14为简化的调节器单元基本原理框图；

图15为驱动级的示意图；

图16为用以说明如何对电源电压进行脉宽调制以便产生适用于加热元件的调制工作电压的说明图；

图17为采用特殊设计方案的带有加热丝的液体管路的截面图，其中分图a)和b)显示了加工过程中的不同状态，以及

图18为加热元件采用一个可选设计方案时，液体管路的末端部分的放大的部分剖面图。

在不同的附图中，相同的零件始终配以同一个附图标记。

具体实施方式

图1示出了一个液体-管路系统1作为例子，该系统包括带有液体管路2和两个端部与管路2相连接的管路连接器4、6的管线束以及一个电加热部件。采用电阻-加热元件R作为加热部件，也就是说，液体管路2具有电加热元件R_L，并优选使每个管路连接器4，6具有一个加热元件R_v1或R_v2作为加热部件。全部的加热元件(电加热电阻)都可以优选包括至少一个用至少一条加热丝8绕制的线圈(见图3以及图13和14)。有利的是，管路连接器4，6的加热元件R_v1或R_v2各用一个外壳10包覆，并且液体管路2具有一个包围加热元件R_L的例如呈波纹管状的外部护套12。

在机动车内部和在优选应用于SCR尾气处理系统时，通常由多个独立的管路系统1形成一个总管路系统，用于在水箱与输送模块之间此时带有进给管和回流管以及输送模块与配量单元之间(此时既可作为单条管路，也可以带有进给管和回流管)进行必需的流体连接，其中，配量单元把SCR还原剂按配量地注入排气管路中。由于每种机动车内需要连接的设备的布置情况可能不同，因此各管路的长度可能会有极大差异，而这将会影响到相应加热元件的电阻，因此，在电源电压U预先确定时，这还将影响到其加热功率。

如图3所示，在连接某些设备时，相应液体管路2的长度L可以很小，以至于在长度为L的这一截管路2上只缠绕有或者说只能缠绕很少的加热丝8，从而使热元件R_L的电阻过小。因此，如图4所示，液体管路2的加热元件R_L是利用一个相较电源电压U(在机动车内，相应的汽车电路的直流电压通常是大小例如为9-16V或20-32V的电池电压)缩小大约50％的工作电压U_B来驱动的。例如，可以把14V的电源电压降低到5-8V。

如图5所示，这一点可以简单地利用一个与加热元件R_L串联的串联电阻R来实现，设置该串联电阻R的目的是在加热元件R_L上施加期望的工作电压U_B。因此，在串联电阻R上下降的电压差是U_R＝U-U_B。

在如图6所示的可选实施方式中，使用加热螺旋灯丝材料14作为加热元件R_L。该加热元件是一根螺旋状地缠绕在一纤细铁芯14a上的加热丝8，并且这一用加热丝8缠绕的铁芯14a又作为加热元件R_L呈螺旋形地缠绕在液体管路2上。图7直观地描述出了加热螺旋灯丝材料14的不同实施方式。图7a中示出的是单个线圈，而图7b中示出的则是由2-10条(例如在图中是3个)平行缠绕的加热丝形成的多个线圈。在图7c示出的实施方式中，不同的部分A1至A4设置有不同的匝距。

在图8中直观地描述出了另一可选方案，在该方案中，液体管路2的加热元件R_L包括多个(至少两个，但图中示出的是4个)串联连接在一起的加热元件R_L1至R_L4。利用这种方法同样可以实现增加总电阻的目的。如图8中进一步示出的那样，管路连接器4、6的加热元件R_v1和R_v2各自与液体管路2的多个加热元件中的其中一个并联连接；如图地所示，例如R_v1与R_L1并联，R_v2与R_L4并联。此时，根据期望的总功率调节电阻R_v1和R_v2，使其与电阻R_L1、R_L4相匹配。

图9、10和11分别示出了电子触发器16的一个电路图以作例子。触发器16用电子控制的方式调节(两点调节，即接通或切断)加热元件R_Heiz的电流。有利的是，触发器16能够以自给自足的方式工作而不需要利用恒定时钟频率进行额外控制或调节。在如图9-11所示的的实施例中，各加热元件R_Heiz是分别通过一个电子开关17进行通断操作的。开关17通过由热敏电阻R_NTC或R_PTC(NTC：负温度系数热敏电阻，PTC：正温度系数热敏电阻)和串联电阻R组成的分压器来控制，其中，热敏电阻在空间上布置在加热元件R_Heiz附近，以便探测加热元件R_Heiz的热量。由此，在运行过程中分压比会发生变化，从而通过开关17周期性或者循环地接通或切断加热元件R_Heiz的电源。

在图9所示的实施例中，开关17被构造成pnp型晶体管，并且热敏电阻R_NTC具有负温度系数(NTC)。此时，通过把pnp型晶体管换成npn型晶体管，并把热敏电阻R_NTC换成正温度系数热敏电阻R_PTC就可以获得一个等效的电路设计方案。在图10中，示出的同样是pnp型晶体管，但是热敏电阻却是正温度系数热敏电阻R_PTC。如图11所示，触发器16作为开关17可以具有与负温度系数热敏电阻R_NTC结合使用的npn型晶体管。

作为图9-11所示实施方式的可选方案，还可以设计这样一种利用例如与双金属材料元件组合使用的继电器电路(未示出)形式的触发器进行两点调节的相应电路，从而执行相应的接通或切断操作。

如图12所示，至少对于管路加热元件R_L而言，也是可以用电子控制元件18通过下述方式来控制，即，利用一定占空比的脉冲宽度调制(PWM)使加热元件周期性地工作，以便调整或调节其热功率。为此，如图12所示，可将一电子开关20与加热元件并联连接，从而通过用脉冲宽度调制控制器(PWM 1)控制开关20的方式使得各加热元件可以周期性地短接。作为可选或补充方案，还可以在控制元件18内部设置一个相应的、与加热元件串联连接的电子开关20，从而能够通过脉冲宽度调制同步器(PWM-Taktung)(PWM 2)周期性地接通和断开加热元件的电源。在这种情况下，用于调整或调节加热功率的脉冲宽度调制控制的占空比是可变的。

如图2和图12所示，管路系统1所有的串联连接的加热元件R_v1、R_L和或R_v2都可以共同通过控制元件18利用脉冲宽度调制(PWM)的方法进行控制。在图2用括号“(PWM)”标示出了这种选项。

此外，从图12中还可以看出，在所有加热元件串联连接在一起时，还可以有利地对每个加热元件进行单独控制。为此，可以为每个加热元件并联连接一电子开关20，此时，控制元件18可以对每个开关20单独利用脉冲宽度调制(PWM)的方法进行控制。此外，还可以通过一共同的控制总线22单独对开关20进行控制，方式如下，可以利用集成的智能模块借助寻址方式激活开关20。这种系统可被称作“智能管线束”。

如图12所示，可以舍去其中一个开关20，尤其是与管路加热元件R_L并联的那一开关20(因此用虚线框起来表示可选)，这样就只有管路连接器4、6的加热元件R_v1或R_v2各具有一个并联的智能开关20，并且这些开关20可以由脉冲宽度调制控制器(PWM1)通过控制总线22单独进行控制。这样，加热元件串联电路的总功率可以通过额外串联到电路中的开关20a通过脉冲宽度调制-控制器(PWM2)进行控制。

借助图13-16应解释用来调节加热元件R的加热功率的优选措施，其中图12中示出的开关20，20a被称作晶体管T(T₁，T₂)。通过配属的晶体管T₁、T₂可控制加热元件R，以便调整其加热功率。由此可以使加热功率保持恒定或者与某些条件，尤其是与例如外部温度或环境温度相适应。而且由此还可以对加热功率进行调整，而不用顾及当时的工作条件。用于调节加热元件R的加热功率的开关或晶体管T优选可以由调节器单元30(该调节器单元的调节量是加热功率)按以下方式进行控制，即，将当时的实际加热功率确定为实际值，然后调节到额定加热功率(额定值)上。因此，可以把在考虑某些参数(例如管路长度、环境温度和/或类似因素)的情况下事先计算出的一个特定加热功率(P＝U·I)明确预先确定为额定值。但是，也可以把其它物理量(例如像加热元件的材料、数量、直径和长度等几何参数，SCR系统的外部或者说环境温度、工作温度和/或预定的融化时间等)预定为额定值，在这种情况下，该额定值将由系统自动转化成一额定加热功率或一有效电压。

按照本发明的调节方法主要是基于对各开关或晶体管T实施脉冲宽度调制控制，就是说基于以时宽可变的开关脉冲实施脉冲宽度调制。为此，电源电压U(在机动车内就是例如9-16V或20-32V的电池电压)通过开关T而被周期性地施加到加热元件R。在这种情况下，调节是通过改变所谓的占空比或调制度m来实现的。

对此请参见图16，如该图所示，在一个总开关周期T之内生成一个具有可变接通时间t_an的脉冲。而剩余的时间则作为切断时间t_aus。因此，占空比的定义是：

m = \frac{t_{an}}{T}

因此可假设m的取值范围是0-1。这样，形成的电压脉冲获得的有效值U_eff＝m·U，该有效值的范围因此可以在电源电压的0％-100％的范围内。

此时，如果提供给加热元件R相应的周期性工作电压U₁，U₂，U₃，则根据欧姆定律可得有效电流I_eff：

I_{eff} = \frac{U_{eff}}{R}

即，该有效电流是用相应的工作电压有效值除以相应的加热元件R的瞬时热敏电阻R(T)得出的。对于各加热元件R的加热功率而言，这意味着：

P = m \cdot U \cdot I = m \cdot \frac{U^{2}}{R (T)} = m \cdot I^{2} \cdot R (T)

对于电压和电流，由此近似地得到只有两种状态的矩形脉冲，即，有时是满额的电源电压/电流，而有时电压/电流全无(休止)。

图14简单地示出了按照本发明的调节原理。在调节回路中集成有微控制器32，该微控制器包含一个用于调节PWM调制器36的占空比m的调节器34，所述PWM调制器为串联于其后的调节对象38确定一控制量u(t)。调节对象38末端的实际值被传感器40取作调节量y(t)，并且优选将此调节量作为合适的反馈量y′(t)而通过模拟/数字转换器42传递给调节器34或加法器44，所述调节器或加法器根据该反馈量以及额定值(基准输入参量)w(t)计算出调节器34的控制偏差e(t)＝w(t)-y(t)。还有一干扰量用z(t)标识，该干扰量是(至少)一个从外界影响着系统的量，例如外部温度(外部的环境温度)。比如(车辆行驶时产生的)迎面风会产生更多的热耗损。还有可能在有些区域会出现局部过热的情况。此外，加热元件的电阻还可能会随温度而波动(R_min/R_max)。

功率调节器的调节量(调节器单元30)是加热功率。作为或者说为了确定基准输入参量/额定值(特征曲线族)w(t)，可以选用下述参数作为基准输入参量(必要时可以将部分参量组合起来用)：

—有效电压

—加热元件、液体、液体管路和/或管路连接器的温度

—预先确定的融化时间(该量尤其可与有效电压组合起来使用)

—加热功率

—加热元件的电阻(R_min/R_max)

—几何参数(加热元件：类型、材料、数量，热导体的直径和长度)

—环境温度

—液体系统的工作温度

调节对象38的输出要保持恒定。因此这里涉及的是定值调整原理，其中基准输入参量w(t)是预先给定的量。通过使用定值调节器，就可以在液体管路系统1区域有变化时或者加热元件与管路系统之间的热传递区域发生变化时，只需改动一个参数，即基准输入参量w(t)就可以使调节器相匹配。

图13直观地示出了一种通过配属的开关T₁、T₂调节两个可独立控制的加热元件或加热元件组的调节器单元的框图作为例子，加热元件本身未在图中画出，但是可以通过插塞连接器46连接起来。对于每个加热元件均设置有带有相应开关T₁、T₂的驱动电路48(48.1，48.2)。每一驱动电路48与各自的开关T₁或T₂可被制成所谓的“高侧驱动器”(比较图15)。微控制器32中，每个驱动电路48拥有自己脉冲宽度调制调制器36.1，36.2。在上述示例中，每一驱动电路48分别通过一传感器40.1、40.2与其自身的微控制器32的数字模拟转换器的输入口连接在一起。但是也可以选择通过一共用数字模拟转换器的输入口连接一多路复用器的方式来运行。电源电压U通过电压调节器50被变换成一个尤其是5V的馈电电压输送给微控制器32。此外，电源电压U也被输送给所有驱动电路48。此外，还设置有一个用于监控电源电压U和检测输入电压值的分压器，这是因为在不同的机动车中输入电压的大小可能不同。加热元件的加热功率系由驱动电路48控制的。

在图13中还可进一步看出，微控制器32额外地与一恒流电源54相连，该电源的输出可以通过一个开关装置56有选择地被连接到各单个加热元件上或者各加热元件组上。

图15示出了其中一个驱动电路48的简图。在此需要注意的是，驱动电路具有一专门的输出端58，用于输出与加热元件的相应工作电流成比例的传感信号，该传感信号将被输入到传感器。

下面详细解释调节器的功能。

为了确定每一必需的占空比m，一方面需要在运行开始时对加热元件R的瞬时电阻R(T)确定一次以便初始化，另一方面，在运行过程中还要周期性地在加热元件R的每个测量周期内确定加热元件R的瞬时电阻R(T)，根据测得的结果并结合当时加载的电源电压U计算出当时给定的额定加热功率P_soll必需的PWM占空比m。为此，在每个测量周期内，在临时切断工作电流I时，使一恒定的测量电流I_m从恒流电源54通过开关装置56流经各加热元件。由此产生的电压U_M通过一个运算放大器60而被引导至微控制器32的数字/模拟转换器的输入端，以用于求得当前的功率数据。根据欧姆定律

R (T) = \frac{U_{M}}{I_{M}}

可以从恒定测量电流和由此产生的电压降确定出当前的电阻。然后，用额定加热功率与当前电阻的乘积除以电源电压的平方就可以确定出相应的期望额定加热功率P_soll所必需的脉冲宽度调制占空比m；公式如下

m = P_{Soll} \cdot \frac{R (T)}{U^{2}}

每次测量循环之后，通过算得的占空比m_n计算出各受控加热元件R的工作电压：Un＝m_n·U。

上述各驱动电路48的输出端58在运行过程中会释出一电流信号，该信号是与相应的工作电流(实际值)成比例的参考电流。串联在后面的传感器40集中该参考电流以生成一个电压均值。不过，该电压均值也可以选择用计算的方式得到。此时，从这些数值中可以通过公式P_ist＝m_n·I²n·R(T)确定出实际值。调节器通过改变占空比m_n的方式把实际值调整到预定的额定加热功率上。

图16纯粹作为示例，直观地示出了为带有三个加热元件的电路提供三个电压的实施方式，如该图所示，对于PWM控制器上的开关可优选采取时间延迟的方式来控制，从而使得PWM信号(在图16比较电压脉冲U₁、U₂、U₃)不发生重叠或者只是局部重叠。例如可以这样设计：在对加热元件R₂或该元件的工作电压U₂进行控制的间歇时间内将工作电压U₁和U₃施加在加热元件R₁和R₃上，在这里，还可以与图16所示的情况不同，即，分图b)和c)的电压脉冲U₁、U₃在如分图a)所示的U₂间歇时间内也可以在时间上彼此错开(参见分图b中示例性地以虚线和阴影线部分表示的电压脉冲U₁)。利用该措施可以有利地将加热系统的最大总电流保持微较小的值。

此外，可优选设计用来监控电源电压U大小以及用来使调节器自动适配相应电源电压U的措施。

下面将对优选调节器的其它有利设计方案进行解释。

在调节器单元30中可存储，尤其是以存储表的形式存储用于确定额定值的特征曲线族。该特征曲线族可包括液体系统的加热功率、环境温度、工作温度等参数和一定的几何参数以及预定融化时间和/或类似参数。此外，在特性曲线族还可以存储温度变化速度(dT/dt)、电阻变化速度(dR/dt)和/或几何结构变化速度(例如ds/dt)。后者尤其考虑流体在结冰或融化时的体积变化，这是通过合适的传感器探测轴向和/或径向位移来实现的。

下面将举例说明用于确定液体管路中的介质的聚合物态的传感技术的优选方案。

专利申请文件WO 2009/040223 A2描述了一种连接装置，该装置呈管路插塞连接器状，并带有构造成如下方式的止动件，即，为扩大连接件内部用来加载介质的内部容积，一个插入并且被锁止的插塞部分能够从一标准工位出发，克服复位力朝着连接件运动一定的行程。这样，结冰的介质(例如尿素溶液)便能够膨胀。在此种情况下，为能够识别介质是否结冰或者介质管路是否可用，可以集成一电测量工具，这样就能够分析流通的介质的聚合物态。

因为结冰的介质会膨胀，可以集成一位移测量器。此种位移测量器可以例如通过所谓的韦根—效应、通过压电元件(电容式传感器)、利用霍尔传感器(感应式传感器)或者通过有源振荡回路(有源传感器)来实现。此外，还可以借助光纤电缆把光信号(激光信号)输入到连接设备，以便测量反射变化。此外，还可以考虑用应变测量条来测量位移。

1 压电元件

安装压电元件，该压电元件应这样安置，即使其在由于冷冻的介质体积膨胀而导致轴向位移化时会发生弹性变形。

2.霍尔传感器

位移测量是通过至少一个霍尔传感器实现的。所述轴向位移是通过介质体积变化来测量的。

3.应变测量条(DMS)

应变测量条应被安装成能够测量轴向/径向的体积膨胀(位移)。

4.韦根传感器

将韦根钢丝制作成弹簧件，由此产生韦根效应。弹簧件克服液体介质的工作压力将活塞保持在稳定的状态；还可以选择安置辅助弹簧。

韦根钢丝由一特殊合金构成：

-外罩层：硬磁金属

-芯：软磁金属

芯会产生阶跃式交变磁化。交变磁化电压脉冲可以通过一围绕韦根钢丝的线圈测得，利用它可得出液体的聚合物态。

5.光信号/激光脉冲的导入；光-弥散传感装置

连接器在其与液体管路相连接的颈部区域能够透过激光，因而激光可以脉冲序列的方式直接穿过连接器的颈部射入介质中，由此可以测量出介质的反射情况、光的折射情况或者光是否穿透连接器的另一边而抵达径向安装在连接器上的接收器(光传感器)，这样就可以确定介质的聚合物态(已结冰抑或可流动)或者确定介质不存在。

6.有源振荡回路，利用频率变化的传感装置

布置一线圈作为发射器，并布置第二个线圈作为接收器，并使介质处在两线圈之间。给发射机线圈一个频率，由此会生成一个电磁场。产生的磁场(场强)由接收机接收。通过测量和分析场强变化可确定出不同的聚合物态。

此外，可以通过作为温度(在加热元件内)和时间或加热元件电阻值(dR/dt≠0)的函数的经验公式，或者通过相应的特征曲线族可以确定，结冰的介质是否已经融化或者是否确实有介质以及液体管路是否可用。

这可以在一段时间内对PWM占空比m实施监测而实现。如果PWM占空比m在一定的时间内稳定在某一范围，就是说，加热功率保持恒定并且最终加热元件内的温度保持恒定(因为加热元件的电阻或电阻值的变化速度保持恒定)，则可以通过特征曲线族确定，结冰的介质是否已经融化或者是否确实有介质且该介质已融化，以及该液体管路是否可用。

此外还可以选择集成一用于感应外部/环境温度和/或液体内部温度的温度传感器和/或集成一用于检查介质体积变化(通过位移测量)的合适传感器，以便据此预先确定调节器的不同参数，并例如使加热温度保持恒定。

此外，还有识别和确定相应液体的有利方法。为此，相应液体的融化特性可以通过存储在调节器单元的特征曲线族来描述，例如通过温度变化和时间差。通过与存储的特征曲线族进行对比可以识别出涉及的是哪种介质，例如是否确实是SCR介质(含水尿素溶液)。通过这些有利的措施可以识别机动车是否加错了液体。

此外还可以间接测量温度。借助加热元件的数据(电阻和诸如热导体的直径或截面和长度等几何数据)和在加热元件电阻上的电压(通过恒流电源获得)可以计算加热元件内实时温度或温度范围(通过热敏电阻)。

按照本发明的加热元件可以有利地包含入“车载自动诊断系统”(OBD)中。为此，按照本发明的系统，尤其是调节器单元30可以连接在一所谓的控制器局域网络总线(CAN-BUS，连接OBD的接口)上。有了这种连接就可以通过一个身份标识(ID)读入温度，以便据此预先确定调节器的不同参数或者在此基础上查询特征曲线族预先确定调节器的功率输入，以及例如使加热温度保持恒定或为了节省能源在某些运行状态下切断加热。在这种情况下，按照本发明的调节器优选自动对导管执行功能测试和故障诊断，并将管路是否可用这一信息通过控制器局域网络总线传递给“车载自动诊断系统-单元”。这意味着，车载自动诊断系统不向调节器发送“启动对管路执行功能检测”的信号，相反，根据本发明的加热系统或调节器单元会自动执行上述工作。

关于上述PWM控制器，需要补充说明的是，由于系统的热情性，优选的PWM频带范围是0.1Hz-1kHz。在这里，周期持续时间优选预设为50毫秒，也就是说预设频率为20Hz。

由于按照本发明的调节器，(在液体管路系统1的所有元件上的，尤其是在管路连接器4、6上的)全部加热元件都可以同样地构造，也就是说可构造成具有相同的特性/数值，这是因为加热功率可以通过调节器单独调整。因此，加热元件，尤其是管路连接器上的加热元件可以常常由例如相同的热导体材料制成，并因此可以独立地制造。

在按照本发明的系统的范围内可以使用额外的传感器：

—内部/外部环境温度传感器

—内部/外部压力传感器(尤其是当液体结冰或者融化时用于检测体积变化或压力变化的应变测量条)

—用于识别融化/结冰的温度开关，其中，在液体管路外部的一个密封容器中有任意一种的参考介质(酵素溶液或其它)，并且该容器与一压力计相连。而该压力计控制一个开关触点。

—热敏电阻测量器

—电阻值变化速度dR/dt

按照本发明的系统工作时的损耗功率被降低到了最小水平，调节器不需要冷却器。

通过调节器能够对管路系统的故障进行识别并分析，尤其是能够向车载自动诊断系统单元提供反馈，通过调节器尤其是能够识别出系统功能是否有效。在这里需要采用例如下列标准：

—管路损坏(短路，驱动器内温度过高)

—管路过热

—管路不热

—管路内没有液体

—电池电压超出确定的工作范围

—传感器信号在工作范围之外

—电阻值超出工作范围

由于是用脉冲宽度调制脉冲控制加热元件，所以应设计电磁兼容性(EMV)方面的措施：

—使用屏蔽的导线/电缆

—调节器的外壳要屏蔽

●外壳的材料本身能导电

●把金属薄膜(例如铝膜)装入外壳(内部糊裱，内部加衬)

—所有的加热元件周围都要屏蔽，也就是说在管路外罩12的区域内和管路连接器的壳体10的区域内都要屏蔽，这些屏蔽可以是粘贴或非粘贴的，并且可以由下列材料构造而成：

●金属丝网

●金属薄膜编织层

●(绕制的，必要时具有自粘性的)金属薄膜，该薄膜也可以根据目的用作热保护层。

-屏蔽物可以用来固定加热元件，尤其是液体管路区域内的加热元件。

最后还要对几个有利的设计特征进行解释。

如图1所示，控制元件18被安装在一个位于管路区域内的连接器外壳23的内部，并且它可以通过优选延伸在一护套25内(例如波纹管)的电连接导线，并通过插塞连接器27与电源电压U相连。相应的措施也适用于调节器30。

在如图2或图12所示的管路系统1的加热元件R_L、R_v1和R_v2的串联电路中，优选使液体管路2的加热元件R_L在每1米的管路长度均具有一个与每个连接器加热元件的电阻呈恒定比例关系V电阻值。优选该比例关系V＝10∶1。例如，如果每个连接器-加热元件的加热功率R_v1或R_v2是1.5W，则管路2的加热元件R_L的加热功率为15W/米。由于这一恒定的比例关系，对于整个的多件式管路系统1只需要一种加热元件材料。

从图17中还可看出，在预加工时可以给液体管路2绕上加热丝8，并且在液体管路2的端部采取更紧密的缠绕方式以便绕上更多的加热丝。此外，优选相应地考虑上述恒定的绕制比例。这样，在把液体管路2连接到管路连接器4、6上之前可以在各端部的“加热丝—储备库”中的管路的绝缘体重拉出一段加热丝8(见图17中的箭头)，并且该段加热丝的长度应能够用于缠绕每一管路连接器4、6。由此，通过例如在管路2与连接器4、6之间进行弯折连接，能够有利地省却了插塞连接。

如图18以示例方式示出的那样，通过将加热丝8在管路2的端部区域沿管路的周向方向呈锯齿形或曲折形缠绕在管路上，可形成一个相应地具有特别长的加热丝8加热丝—储备库。在这里，可以在纵向上先后设置多个曲折区，并且在这些区之间的管路上设置标记24，用以标明预期交叉处。

本发明并不局限于已展示和说明的实施例，其也包括所有在本发明的意义上具有相同效果的实施方案。此外，本发明迄今为止也限制于各独立的权利要求中所限定的特征组合，其也可被定义由已全部公开的单项特征中的一定特征组合而成的任何其他组合。这意味着，原则上并在实践中，每一独立权利要求所述及的每一个单项特征都可被删去，或者说，各独立权利要求中所述及的每一个单个特征都可以被在本申请中的其他地方所公开的单项特征所替代。就此而言，诸权利要求只可被理解为对于一个发明的一种最初表达尝试。

Claims

1.一种液体管路系统（1）的加热系统，其中，给至少一条液体管路（2）配置至少一个电加热元件（R_L），并且为给液体管路（2）加载一个预先确定的加热功率要为该加热元件提供一工作电压（Ｕ_B），其特征在于，所述工作电压（Ｕ_B）小于电源电压（Ｕ），其中为调整或调节所述加热元件（R_L）的加热功率，利用一电子控制元件（18）控制该加热元件，该控制元件以一定的占空比进行脉冲宽度调制从而使该加热元件（R_L）周期性地工作，并且其中隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）与至少一个其它加热元件（R_v1/R_v2）以串联方式相连接，其中，所述控制元件（18）对存在的加热元件（R_L，R_v1，R_v2，）中的至少一部分单独进行控制，以便单独调整或调节所述加热元件的加热功率。

2.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，为各个需单独控制的加热元件（R_L，R_v1，R_v2，）并联连接一电子开关（20），并且所述开关（20）由控制元件（18）通过控制总线（22）单独进行控制。

3.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，利用电子控制元件（18）以可变的占空比控制隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）。

4.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）与两个分别隶属于管路连接器（4，6）的加热元件（R_v1，R_v2）以串联方式相连接。

5.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，在隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）的前面串联连接一串联电阻（R）。

6.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）由呈螺旋形缠绕在所述液体管路（2）上的加热螺旋灯丝材料（14）构成，其中，至少一根加热丝（8）螺旋状地缠绕在加热螺旋灯丝材料（14）的铁芯（14a）上。

7.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）包括至少两个串联的加热导体（R_L1-R_L4）。

8.如权利要求7所述的加热系统，其特征在于，与所述液体管路（2）连接在一起的管路连接器（4，6）的至少一个加热元件（R_v1/R_v2）与所述液体管路（2）的串联加热导体（R_L1/R_L4）之一以并联方式相连接。

9.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所有加热元件（R_L，R_v1，R_v2，）的串联电路的总功率由所述控制元件（18）通过一个同样位于所述串联电路中的电子开关(20a)进行控制或调节。

10.如权利要求4所述的加热系统，其特征在于，在隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）与一个与所述液体管路（2）相连接的管路连接器（4，6）的至少一个加热元件（R_v1，R_v2）串联连接时，隶属于所述液体管路（2）的加热元件（R_L）的每1米的管路长度（L）的加热功率与所述连接器加热元件（R_v1，R_v2，）的加热功率具有一定的比例，该比例为10：1。

11.如权利要求1所述的加热系统，其特征在于，所述液体管路（2）与一加热丝线圈以及一个设置在至少一个管路端部区域上且通过更紧密的缠绕方式构成的加热丝储备库以这样的方式预安装在一起，即，能够从该储备库拉出一定长度的加热丝（8），并且该一定长度的加热丝能够用于卷绕与所述液体管路（2）相连接的管路连接器（4，6）。