CN103380293B - 用于调节预热塞温度的方法和控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节预热塞温度、尤其是用于点燃在内燃机中的燃料-空气混合物的方法，其中根据所述预热塞（2）的电阻（R_m）借助于调节装置对所述预热塞（2）的温度（T_m）进行调节。为了避免在所述预热塞的预加热阶段出现温度过度波动，借助于预测模块（8）对预加热阶段中的温度（T_m）进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到所述预热塞（2）上。

Description

用于调节预热塞温度的方法和控制设备

技术领域

本发明涉及一种用于调节预热塞温度、尤其是用于点燃在内燃机中的燃料-空气混合物的温度的方法，其中根据预热塞的电阻借助于调节装置对预热塞的温度进行调节，本发明还涉及一种用于实施所述方法的控制设备。

背景技术

预热塞应用在内燃机中，所述预热塞用于点燃燃料-空气混合物，所述预热塞在其温度高到足以点燃燃料-空气混合物之前要在冷却状态下被预热。对此，所述预热塞具有加热器，所述加热器以1至2秒的短时间间隔对冷却的预热塞加载过高的热应力，从而使得所述预热塞在该时刻过载。在所提到的推进阶段（Push-Phase）结束之后，预热塞的尖端达到了超过1000℃的温度，而预热塞的其余部分则还处于远低于1000℃的温度。

通过对带有过高热应力的预热塞的触发形成了在预热塞上的温度过度波动。所述预热塞在预加热阶段所获得的温度成为用于调节装置的输入参量，当预热塞达到稳态的温度曲线后，利用所述输入参量对预热塞的温度进行调节。然而由于是在波动过程中求得用于调节的输入参量，所以这导致了后续调节的误差。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供了一种用于调节预热塞温度的方法，其中即使预热塞被加载了过高的热应力，也可靠地避免了在预加热阶段中所出现的温度过度波动。

根据本发明该任务通过以下方式来解决，即在预热塞的预加热阶段中对所述温度进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到预热塞上。本发明的优势在于，预热温度在预热塞的整个预热过程中以较高品质进行调整，并且对所述预热温度的调节在预热阶段的每个每刻、也有利地在预加热阶段（推进阶段）中进行，其中预热塞的加热器以1至2秒的时间间隔向冷却的预热塞施加过高的热应力。这不仅在关键启动阶段（Schlüsselstart）而且在长的启动阶段都能够实现对预加热阶段的更好的掌控。

有利地，为了在预加热阶段中调节所述预热塞的温度，借助于物理模块在预加热阶段的过程中预见性地确定电阻差，在预加热阶段结束时相对于测得的电阻形成所述电阻差。由此借助于预测模块对预加热阶段中的温度进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到预热塞上。由此，所述预热塞的预加热阶段是更具鲁棒性的，因为没有出现或仅极少地出现温度过度波动，并且还在预热塞的进一步预热流程中提供了用于调节装置的精确输入值。因此，所述调节装置在预加热阶段就已经严格地校准了期望的温度额定值。通过确定所述电阻差，初始化用于调节装置的电阻的输入参量，并且考虑在预热塞首次通电时的时刻。此外还降低了研发费用，因为不需要应用受控的预热装置，并且输入参数仅一次性地确定并且对于预热塞的使用寿命来说保持不变。

在一种设计方案中，将所述预热塞的测得的电阻与所述电阻差相加，并且将由所述测得的电阻与所述电阻差形成的总和输送给所述调节装置。由此，将所测得的电阻提高预先确定的数值，所述数值实际上相当于在预加热阶段的过程中在预热塞中出现的温度。

在一种变型方案中，所述电阻差由多个、尤其是相加的部分电阻差形成，其中每个部分电阻差根据所述预热塞的至少一个运行参数来确定。由此，在所述预热塞首次通电时，在预热过程开始时表示预热塞的状态，并且在必要时对相应的特性曲线进行优化。

在一种变型方案中，第一部分电阻差根据所述预热塞的能量含量来确定，所述预热塞在预热过程的开始时刻具有所述能量含量。因此，在确定电阻差时要考虑在预热过程开始的时刻所述预热塞的初始特征。

所述预热塞的能量含量尤其通过所述预热塞的初始电阻、初始热量或初始功率来表示。所述冷却的预热塞的热量平衡（Wärmehaushalt）由此在首次通电之前被考虑。因为例如冷却的预热塞是非常小的初始电阻，相对而言，已经被加热一次的预热塞是更大的初始电阻，所以这确保了在确定电阻差时一直采用正确的输入参量。

在另一种实施方式中，第二部分电阻差根据所述预热塞的温度额定值来确定，所述预热塞在预热过程结束时具有所述温度额定值。在建模过程中，通过考虑所述温度额定值确保了对形式为温度额定值的、预热塞的有待满足的最终状态也进行考虑，所述温度额定值相当于在预热过程结束时所伴随的预热塞的加热过程所应该被调节到的温度。

此外，第三部分电阻差根据所述预热塞的输出温度来确定，所述预热塞在预热过程的开始时刻具有所述输出温度。因为所述预热塞在不同的温度下在初次启动时具有不同的特性，同样考虑预热塞的输出温度，以便能够正确得对预热塞的特性进行建模。

所述输出温度尤其相当于所述预热塞在预热过程的开始时刻的环境温度。所述预热塞的环境温度易于被求得，因为在其内燃机中安装有预热塞的机动车具有外界温度显示装置。因此，可以省去用于确定环境温度的其他硬件。

有利地，第四部分电阻差根据所述预热塞的、直接在预热过程开始之前预先发生的预热过程来确定。由此，尤其要考虑预热塞的这种状态，当内燃机的点燃在加热预热塞之后进行，然而所述内燃机的点燃在短时后又被切断，并且在瞬时内又被重新激活时，预热塞具有这种状态。

在一种设计方案中，所述直接预先发生的预热过程通过其预热持续时间或预热能量来表示，其中尤其根据所述预热塞的初始电阻来确定因子，所述因子与第四部分电阻差相乘，并且与所述电阻差相加。所述预热持续时间相当于预热塞的接通持续时间，其得出了以下结论，即在预热塞中还储存有多少能量。根据预热塞的、在之前预先发生的预热持续时间过程中所调节的输出电阻的大小，将所述第四部分电阻差与所述电阻差相加，根据在预热过程开始之前预先发生的预热持续时间求得所述第四部分电阻差。

在另一种变型方案中，由特性曲线借助由所述测得的电阻与所述电阻差的总和求得温度实际值，所述特性曲线对于每个预热塞来说单独地在所述预热塞的加热的稳定运行状态下确定，从所述温度额定值中减去所述温度实际值，其中将如此求得的温度差输送给所述调节装置，从所述调节装置中求得用于所述预热塞的触发电压，以便调节所期望的温度额定值。电阻差的结合确定了温度实际值导致了，即使在快速预加热阶段也能够确保对所述预热塞的温度进行调节。

本发明的改进方案涉及一种用于调节预热塞的温度的控制设备、尤其是用于点燃在内燃机中的燃料-空气混合物的控制设备，所述控制设备根据所述预热塞的电阻借助于调节装置对所述预热塞的温度进行调节，设置器件，所述器件在预加热阶段中对温度进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到所述预热塞上。

附图说明

本发明允许大量的实施方式。结合在附图中示出的图形对其中之一进行详细阐述。附图示出：

图1为在内燃机中的预热塞的布置方式的原理图；

图2为在快速预加热阶段中对预热塞的温度建模的示意图；

图3为不具有和具有预测温度模块的温度-时间曲线图。

具体实施方式

冷却的内燃机、尤其是柴油机在环境温度小于40℃时需要起动辅助装置，以便点燃被导入柴油机中的燃料-空气混合物。于是预热系统则作为起动辅助装置使用，所述预热系统由预热塞、预热时间控制设备和预热软件组成，所述预热软件被存储在发动机控制设备或预热时间控制设备中。此外，所述预热系统还被用于改进车辆的排放。所述预热系统的其他应用领域在于燃烧废气系统中、在停车加热中、在对于燃料（混合燃料（flex fuel））的预热中或对冷却水的预热中。

图1示出了这种预热系统1。在此，预热塞2伸入到柴油机4的燃烧室3中。所述预热塞2一方面与所述预热时间控制设备5相连接，并且另一方面被引导到电池6，所述电池以例如11伏特的额定电压对预热塞进行触发。所述预热时间控制设备5与发动机控制设备7相连接，所述发动机控制设备还被引导到柴油机4。

为了点燃燃料-空气混合物，所述预热塞2在也被称为推进阶段的、持续1至2秒的预加热阶段中通过施加过压而被预加热。因此，供给所述预热塞2中的电能在未进一步示出的加热螺旋丝中被转化为热量，因此在预热塞2的尖端上的温度急剧升高。所述加热螺旋丝的加热功率通过电预热时间控制设备5与相应的柴油机4的布置方式相匹配。引导所述燃料-空气混合物在预热塞2的炽热尖端上经过，并且在该处被加热。在所述柴油机4的压缩冲程中与吸入空气预热器相关地达到了所述燃料-空气混合物的点火温度。

所述预热塞2具有不同的预热阶段。如已经示出的，在要求进行1至2秒的预加热阶段中，供给所述冷却的预热塞2过压，所述过压在预热丝2的额定电压以上。在该短暂的时间间隔中，所述预热塞的尖端被加热到接近1000℃，而预热塞2的其余部分则尚在这一温度以下，从而在预热塞2内部形成了不稳定的温度曲线。预加热阶段之后紧接着是所述预热塞2的加热阶段，在所述加热阶段中，在整个预热塞2上相对于稳态的温度分布补偿不稳定的温度分布。这种加热阶段通常持续大约30秒。在所述预热塞的预加热阶段（Vorheizphase）后，在加热阶段（Aufheizphase）中动态地匹配电阻差。在其之后紧接着是预热阶段（Glühphase），其中在整个预热塞上确保了稳态的温度分布。

在图2中示出了在快速预加热阶段中所述预热塞2的温度建模示意图，所述温度建模作为软件被集成在发动机控制设备7或预热时间控制设备5中，并且在该处在预热塞的温度调节中进行考虑。由发动机控制设备7提供温度额定值T_DES在整个预热过程中作为用于预热塞2总体的温度调节的调节输入参量。与此同时，测量预热塞2的电阻R_m，所述电阻表示在预热塞2上的实时温度的值。该所测得的电阻R_m在每个以均匀的时间间隔进行的通电过程中被确定。在模块17中所述测得的电阻R_m被加到电阻差ΔR上，所述电阻差借助于预测模块8被确定。该预测模块8对在快速预加热阶段中的预热塞2的温度进行建模。在所述预测模块8内部首先求得预热塞2的初始电阻R₀₁。供给所述初始电阻R₀₁特性曲线9，所述特性曲线是在预热塞的稳态运行中求得的。由所述特性曲线9根据所测得的初始电阻R₀₁求得第一部分电阻差ΔR1。

温度额定值T_DES被设为所述预测模块8的其他输入参量，所述温度额定值的特征在于所述预热塞2的有待达到的最终温度。所述温度额定值T_DES还在另一特性曲线10中作为输入参量给出，通过所述输入参量确定了第二部分电阻差ΔR2。如此求得的部分电阻差ΔR1和ΔR2在模块14中相加。

除了已经提到的形式为初始电阻R₀₁和温度额定值T_DES的输入参量之外，还确定了所述预热塞2在预热过程的起始时刻、也即在t=0的时刻的运行温度T_C。借助于第三特性曲线11由该温度T_C确定了第三部分电阻差ΔR3。在模块15中，所述第三部分电阻差ΔR3与第一电阻差和第二电阻差ΔR1和ΔR2相加。形式为初始电阻R₀₁和温度额定值T_DES和环境温度T_C的输入参量在时刻t=0时、在激活预热塞2时一次性地确定，并且能够储存在发动机控制设备7或预热时间控制设备5中。

出于对所述预热塞2已经在有待实施的预热过程之前已经经历了一次预热过程考虑，在所述预热过程中预热塞2尚未被充分冷却，考虑预热塞2的、直接在当前预热过程之前预先发生的预热过程的预热时间/预热能量E（E=U*I*t）。由所述预热时间/预热能量借助于第四特性曲线12确定了第四部分电阻差ΔR4。因为所述预热塞2的电阻基于直接在之前预先发生的预热过程的预热时间/预热能量E发生改变，当在之前预先发生的预热过程中在预热塞2内部产生的热量尚未冷却，那么就将电阻R₀₁输送给另一特性曲线13，所述电阻作为结果被传递给因子F，在模块22中所述因子与第四部分电阻ΔR4相乘。如此选择所述因子F，从而使得当已经测得的初始电阻R₀₁大于预先给定的电阻R₀₁的阈值时，所述因子为1。当所述初始电阻R₀₁小于预先给定的电阻R₀₁的阈值时，所述因子F趋近于数值零。这限定了，当所述预热塞2基于之前的预热过程尚具有相当大的电阻，所述电阻与预热塞2变化的温度相适应时，预热时间/预热能量E的输入参量与在此相关联的初始电阻R₀₁的变化则仅被考虑用于确定电阻差ΔR。所述第四部分电阻差ΔR4在模块16中与在之前所述的部分电阻差ΔR1、ΔR2和ΔR3相加，由此得出电阻差ΔR，所述电阻差相当于之前确定的温度，所述温度出现在预热塞2上的预加热过程结束时。

所述在预测模块8中确定的电阻ΔR在模块17中与所测得的电阻R_m相加。由电阻差ΔR与所测得的电阻R_m构成的总和输送给特性曲线18，在所述特性曲线中，电阻通过温度进行加载。所述特性曲线18是单独地用于每个预热塞2的在稳态温度分布中所求得的特性曲线，因为预热塞基于制造公差具有独立的传递方程。由电阻特性曲线/温度特性曲线18中求得了预热塞2的基准温度T_BAS。所述基准温度T_BAS在模块19中与导热模块相比较，其中考虑，在预热塞2的加热器与预热塞2的表面温度之间的温度差处于怎样的程度。在此，在模块19中将温度差输送给所述基准温度T_BAS，由它们的总和得出预热塞2的实际温度T_ACT。所述实际温度T_ACT在目前应用在调节循环中，在该处其在模块20中从温度额定值T_DES中被减去。将在所述温度额定值T_DES与实际值T_ACT之间的差值输送给调节装置21中，所述调节装置确定了电压U_GOV，将所述电压输送给预热塞2、尤其是预热塞2的加热器，以便快速调节温度额定值T_DES。

图3示出了两个温度-时间曲线图，其中所测得的温度T_m在一张图中没有进行预测建模（图3a），并且在另一张图中进行了预测建模（图3b）。从图3a中看出，应当与温度额定值T_DES相匹配的、所测得的温度T_m在预热过程开始后不久即具有温度过度波动，所述预热过程在大约30秒的时间之后才接近温度额定值T_DES。为了与之进行比较，示出了数学上根据图2的不用模块8进行建模的温度T_mo，该温度在预加热阶段之后、大约在5秒之后达到了温度额定值T_DES的水平，并且围绕其进行调节。

与此相反地，图3b示出了在考虑借助于预测模块8预见性地确定的电阻差ΔR的情况下所测得的温度T_m的曲线。所述测得的温度T_m未显示出温度过度波动，而是在预加热阶段之后立即接近了建模的温度。在大约4秒之后已经借助于所述调节装置达到了温度额定值T_DES，并且围绕其进行调节。

基于预测模块8能够实现，不仅在稳态运行的过程中对预热塞2进行温度调节，其中不再出现介于电阻和温度之间的波动，而且还在不稳定运行中、优选在加快速预加热阶段中在预热过程开始时以及在加热阶段的过程中对预热塞2进行温度调节。对于所述预热塞2的温度建模来说，在快速预加热阶段中模拟了在预热过程结束时电阻差ΔR有多大，其中所述电阻差ΔR作为输入参量输送给调节过程。

Claims (11)

1.用于调节预热塞的温度的方法，其中根据所述预热塞（2）的电阻（R_m）借助于调节装置对所述预热塞（2）的温度（T_m）进行调节，其中所述温度（T_m）在预加热阶段进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到所述预热塞（2）上，其特征在于，为了在预加热阶段中调节所述预热塞（2）的温度（T_m），借助于预测模块（8）在预加热阶段的过程中预见性地确定电阻差（△R），在预加热阶段结束时相对于测得的电阻（R_m）形成所述电阻差；将所述预热塞（2）的测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）相加，并且将由所述测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）形成的总和输送给所述调节装置；由特性曲线（18）借助由所述测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）的总和求得温度实际值（T_ACT），所述特性曲线对于每个预热塞（2）来说单独地在所述预热塞（2）的加热的稳定运行状态下确定，从温度额定值（T_Des）中减去所述温度实际值，其中将如此求得的温度差输送给所述调节装置，从所述调节装置中求得用于所述预热塞（2）的触发电压（U_GOV）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电阻差（△R）由多个部分电阻差（△R1、△R2、△R3、△R4）形成，其中每个部分电阻差（△R1、△R2、△R3、△R4）根据所述预热塞（2）的至少一个运行参数（R₀₁、T_Des、T_C、E、R₀₂）来确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第一部分电阻差（△R1）根据所述预热塞（2）的能量含量来确定，所述预热塞在预热过程的开始时刻具有所述能量含量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预热塞（2）的能量含量通过所述预热塞（2）的初始电阻（R₀₁）、初始热量或初始功率来表示。

5.根据权利要求2、3或4所述的方法，其特征在于，第二部分电阻差（△R2）根据所述预热塞（2）的温度额定值（T_Des）来确定，所述预热塞在预热过程结束时具有所述温度额定值。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，第三部分电阻差（△R3）根据所述预热塞（2）的输出温度（T_C）来确定，所述预热塞在预热过程的开始时刻具有所述输出温度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输出温度（T_C）相当于所述预热塞（2）在预热过程的开始时刻的环境温度。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述预热塞用于点燃在内燃机中的燃料-空气混合物。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述部分电阻差（△R1、△R2、△R3、△R4）是相加的。

10.用于调节预热塞的温度的控制设备，所述控制设备根据所述预热塞（2）的电阻（R_m）借助于调节装置对所述预热塞（2）的温度（T_m）进行调节，其中设置器件（8、21），所述器件在预加热阶段中对温度（T_m）进行调节，在所述预加热阶段中将过压施加到所述预热塞（2）上，其特征在于，器件为了在预加热阶段中调节所述预热塞（2）的温度（T_m）借助于预测模块（8）在预加热阶段的过程中预见性地确定电阻差（△R），在预加热阶段结束时相对于测得的电阻（R_m）形成所述电阻差；所述器件将所述预热塞（2）的测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）相加，并且将由所述测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）形成的总和输送给所述调节装置；所述器件由特性曲线（18）借助由所述测得的电阻（R_m）与所述电阻差（△R）的总和求得温度实际值（T_ACT），所述特性曲线对于每个预热塞（2）来说单独地在所述预热塞（2）的加热的稳定运行状态下确定，从所述温度额定值（T_Des）中减去所述温度实际值，其中所述器件将如此求得的温度差输送给所述调节装置，从所述调节装置中求得用于所述预热塞（2）的触发电压（U_GOV）。

11.根据权利要求10所述的控制设备，其特征在于，所述预热塞用于点燃在内燃机中的燃料-空气混合物。