CN103502613A - 用于加热构件的加热装置的控制方法、控制设备以及具有控制设备的汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制用于加热构件(24)尤其是λ-传感器的加热装置(26)的方法以及控制设备。所述方法包括周期性重复的步骤：用加热电压运行加热装置(26)，确定加热装置(26)的当前加热电压(U_H_a)，确定在一段刚刚过去的预设时长内的平均加热电压(U_H_m)，根据所述平均加热电压(U_H_m)确定允许用当前加热电压(U_H_a)或者平均加热电压(U_H_m)最长地加热构件(24)的允许极限加热时间(T_max)，将当前加热电压(U_H_a)以及平均加热电压(U_H_m)与预设的最低极限加热电压(U_H_min)进行比较，并且在当前加热电压(U_H_a)和/或平均加热电压(U_H_m)在允许的极限加热时间(T_max)的时长内超过所述预设的最低极限加热电压(U_H_min)时，减小所述加热装置(26)的加热电压。

Description

用于加热构件的加热装置的控制方法、控制设备以及具有控制设备的汽车
本发明涉及一种控制用于加热构件尤其是废气传感器的加热装置的方法。本发明还涉及一种相应设计的控制设备以及一种汽车，其具有这种控制用于加热构件尤其是废气传感器的加热装置的控制设备。
已知根据内燃机废气的组成控制或者调节内燃机，其中，借助适当的废气传感器测量相应的废气组成。尤其通过借助λ-传感器在排气管内测量废气的含氧量来调节运行发动机的空气燃料比。在此，λ-传感器提供与废气含氧量相关的传感器信号，其通常是指传感器电压。然而，废气传感器要求在一定的最低温度(例如300至400℃)下才可使用。
当今的λ-传感器具有高效的加热元件，以便在其激活时提供传感器的快速可使用性并且由此确保排放优化的发动机控制。这具有的副作用是，必须准确地控制加热电压和加热时长。否则可能导致传感器由于高温或者热应力而受损。因此，通常定义出最大允许加热电压，在加热方案中不允许超过该电压。此外已知，预设允许用最大加热电压加热传感器的最大允许时长。此外，可以使用最大电压加热的允许时长与附加的标准有关，例如外界温度或者已经过的传感器未加热时间，由此时间允许推算出加热开始时的传感器温度。因此这是必须的，因为低于允许最大电压的加热电压在接通较长时间时也可能造成损坏。
当今的λ-传感器例如允许用14V的最大电压在同样预设的极限时长内加热。然而，即使这种传感器用13V持续加热，也需要遵循极限时长，超过该极限时长也可能损坏传感器。尽管该时长比用于14V加热电压的极限时长更长，但是也必须加以考虑。
由DE102005006760A1已知，在不同阶段中加热λ-传感器，其中，在开始阶段迅速地将加热电压置于较高的电压，优选是满运行电压，接着阶梯式地或者斜坡式地减小。以此方式应该能够尽可能快速地加热传感器，而不会使其损坏。附加地可以在发动机启动之前，例如在打开驾驶员车门时，以非常小的加热电压(例如2V)进行预加热。
DE102005020363A1也建议在发动机启动前(例如在激活钥匙触头时)预加热λ-传感器。在此，首先用较高的初始电压以较高的温度梯度将传感器加热到高于露点温度但低于热冲击温度的温度，从而使存在的冷凝水蒸发。如果达到第一温度，则后续的加热以减小的加热电压进行，以便以更平缓的温度梯度将传感器置于目标温度，而防止过热。此外为了防止过度加热，限定加热时长。
DE10229026A1描述了一种用于借助形式为场效应晶体管(FET)的功率输出端加热λ-传感器的电路装置。在此，在加热电阻和FET上截取电压。根据由此形成的反馈信号这样控制功率输出端(即FET的门电极)，从而在很大程度上补偿在加热负载上降低的电压。由此实现可变的限流并且避免不受控的可能损坏传感器加热装置的高温加热。
当今的传感器加热方案面临的问题是，与不同参数有关的允许加热参数(最大电压和最大加热的极限时间，尤其是极限时间)预设只能不准确地进行。由此要么使传感器过度加热，要么预设允许参数的安全距离导致传感器晚于所需时间才能使用。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种控制用于λ-传感器和其它有源加热构件的加热装置的克服了现有技术的前述缺点的方法以及设备。待加热的构件应该能够尽可能快地并且尽可能安全地加热到其运行温度。
该技术问题按本发明通过一种具有独立权利要求特征的控制用于加热构件的加热装置的方法、一种相应设计的控制装置以及一种具有这种控制装置的汽车解决。
按照本发明的方法包括周期性重复的步骤：
-用加热电压运行加热装置，
-确定加热装置的当前加热电压，
-确定在一段刚刚过去的预设时长内的平均加热电压，
-根据所述平均加热电压确定允许用当前加热电压或者平均加热电压最长地加热构件的允许极限加热时间，
-将当前加热电压以及平均加热电压与预设的最低极限加热电压进行比较，并且
-在所述当前加热电压和/或平均加热电压在所述允许极限加热时间的时长内超过所述预设的最低极限加热电压时，减小所述加热装置的加热电压。
通过这种方法克服了现有技术的前述缺点。尤其是能够以简单的方式这样限制运行加热装置的加热电压，使得一方面可靠避免了构件过热，另一方面可以充分利用加热器的潜力。通过确定加热电压在刚过去的时间内的平均值，检测被加热构件实际的热负荷。通过持续地根据所确定的平均加热电压更新允许用当前接通的加热电压最长地加热构件的允许极限加热时间，按照本发明的加热方案以较高的准确度与构件的实际热加载适配。如果当前加热电压或者所确定的平均加热电压高于预设的最低极限加热电压，则时间计数器开始运行。如果达到允许的极限加热时间，而当前加热电压或者平均加热电压没有低于最低极限加热电压，则将加热装置的加热电压降低至最低极限加热电压。
在此不言而喻的是，术语“加热电压”也包括由加热电压推导出的或者与其相关的参数，尽管这一点由于直观性和篇幅的原因不会每次都具体说明。例如，本发明也包括将加热功率用作与加热电压相关或者可由其推导出的参数。不言而喻，这相应地也适用于特征“当前加热电压”、“平均加热电压”、“最低极限加热电压”等。
按照本发明的一种有利的设计方案，从加热开始时起，用针对构件特定的允许最大加热电压运行所述加热装置。允许最大加热电压通常由被加热构件(尤其是λ-传感器)的制造商预设。用于借助电阻加热方式加热的λ-传感器的典型允许最大加热电压通常为14V，极少为13V。通过开始用所述允许最大加热电压加热，以尽可能大的温度梯度加热构件。这确保了尽可能快地加热并且在使用λ-传感器的情况下确保其快速达到运行温度。
在一种优选实施形式中，确定平均加热电压的“刚刚过去的时长”相应于具有针对构件特定的允许最大加热电压的用于加热的允许极限加热时间预设。在使用λ-传感器的情况下，具有允许最大加热电压的用于加热的允许极限加热时间通常在几秒的范围内，例如6至10秒，尤其是约8秒，从而也能相应地选择平均时间。
在本发明的另一种有利的设计方案中，这样预设所述最低极限加热电压，使得当在更长时间(例如至少30秒，尤其是至少1分钟)内接入或接通该电压时不会对被加热的构件产生热损害。优选这样设置最低极限加热电压，使得其持续接通不会使构件受到热损害。这种实施形式的有利效果是，当由于达到允许极限加热时间而使加热装置的加热电压转换为最低极限加热电压时，确保了构件无损地继续加热。在这种关联中特别优选地规定，将所述最低极限加热电压预设得尽可能高，使得在持续接通所述最低极限加热电压时刚好不会对构件产生热损害。此外，在本发明的优选实施形式中，当所述当前加热电压和/或平均加热电压在所述允许极限加热时间的时长内超过所述预设的最低极限加热电压时，将所述加热装置的加热电压减小为最低极限加热电压或者更低的加热电压作为最低极限加热电压。由于将所述最低极限加热电压预设得尽可能高，使得不必担忧构件受到热损害，即使在加热装置转换为最低极限加热电压时还能确保加热速度，它尽可能高，同时也能被承受。
在所述方法的优选实施形式中，作为所述加热装置的当前加热电压，使用运行加热装置的电源(尤其是电池，例如车载电池)的当前输出电压(电源电压)。所述参数在多数系统中，例如在机动车中是原本已知的。此外，实际接在加热装置上的电压在实际中与电源电压没有偏差。原则上也可以使用所测量的实际接在加热装置上的电压作为加热装置的当前加热电压。然而其检测耗费较高，这面对使用电源电压时的良好准确度而显得不太合理。
此外优选规定，在经过减小加热电压后的一段预设的重置时间之后，再用所述允许最大加热电压运行所述加热装置。以此方式在经过构件的一定“冷却时间”之后再用较高的加热电压加热该构件。这种实施形式也确保了尽可能快地达到构件的运行温度。优选这样预设所述重置时间，使得当在所述重置时间的时长内用最低极限加热电压或者更低的加热电压运行加热装置之后，所述构件预期冷却到非临界温度。以此方式确保了快速而又无损的构件加热。
尽管按照本发明的方法能够有利地用于每个有源加热的构件，本发明的一种优选实施形式规定，所述构件是传感器，尤其是用于内燃机的废气传感器。优选是λ-传感器。
本发明的另一方面涉及一种控制用于加热构件的加热装置的控制设备，所述控制设备设计用于执行按照本发明的方法。所述控制设备尤其包括存储的计算机可读形式的用于执行所述方法的算法。此外，所述控制设备可以包括对于执行所述方法所必需或者有利的特征曲线和特征场。
本发明的另一方面涉及一种汽车，其具有内燃机和与所述内燃机相连的废气设备，所述废气设备具有废气传感器，所述废气传感器具有用于加热废气传感器的加热装置。所述汽车还包括控制用于加热废气传感器的加热装置并且执行所述方法的控制设备。
本发明其它有利的设计方案是其余从属权利要求的主题。
以下根据附图在实施例中进一步阐述本发明。在附图中：
图1示出汽车的内燃机，其具有连接的废气设备和λ-传感器和按照本发明的用于加热λ-传感器的控制装置；
图2示出按照本发明的用于控制λ-传感器的加热的逻辑框图并且
图3示出在通过按照本发明的方法加热λ-传感器时当前和平均加热电压随时间的变化。
图1示出汽车10，在此只示出了汽车的内燃机12以及连接在其上的废气设备18。
内燃机12通过燃料输入管14例如以气缸直接喷射或者进气管喷射的形式供应燃料。此外，燃烧空气的输入通过尤其具有进气管的进气设备16进行。必要时，所输入的空气量可以通过布置在进气管内的可控的调节元件(例如节流阀)进行调节。
由内燃机12产生的废气通过废气设备18的废气通道20排放到环境中，其中，有关环境的废气组成部分通过一个或多个催化器22和/或废气再处理装置去除。
在废气通道20内部，在靠近发动机的位置布置有废气传感器24，其在此是指λ-传感器，例如阶跃响应λ-传感器或者宽带式λ-传感器。必要时可以设置一个或多个其它废气传感器，尤其是也在催化器22下游设置废气传感器。λ-传感器24需要至少一个确定的运行温度，以便其(可靠地)提供传感器信号，通常以传感器电压Uλ的形式。所述传感器电压Uλ是废气含氧量的量度，因此能够借助传感器的特征曲线确定并且调节发动机12当前的空气燃料比λ。为了在发动机冷启动之后尽可能快地达到λ-传感器24的运行温度，所述传感器配有加热装置26，所述加热装置能够以可变的加热电压运行。所述加热装置26通常是指电阻加热装置。
废气传感器24(和必要时其它传感器以及发动机12的其它运行参数)的信号传输给发动机控制仪28。所述发动机控制仪28根据所述信号按照已知方式控制内燃机12的不同部件。尤其根据靠近发动机的λ-传感器24的(传感器电压的)传感器信号调节输入内燃机的空气燃料混合物，为此，发动机控制仪28调节有待通过燃料输入管14输入的燃料量和/或有待通过进气设备16输入的空气量。发动机控制仪28包括控制设备30，其设计用于执行按照本发明的控制用于加热λ-传感器24的加热装置26的方法。为此目的，所述控制设备30包括计算机可读形式的相应算法以及必要时包括适当的特征曲线和特征场。
以下根据图2的逻辑框图以λ-传感器24的加热为例阐述本方法。
在输入框100中，首先读入加载λ-传感器24的加热装置26的当前加热电压U_H_a。作为当前加热电压U_H_a尤其读入车载电池的当前电池电压，除非是用较小的电压加载加热装置26。此外，根据当前加热电压U_H_a确定对于刚刚过去的时长的平均加热电压U_H_m。在本例子中，所述平均时长为8秒。在此，通过对在每次周期性循环中确定的加热装置26的当前加热电压U_H_a在8秒规定时长内取数学平均数来确定所述平均加热电压U_H_m。
由框100输出的值作为输入值进入比较框106或者108。在框106中问询当前加热电压U_H_a是否大于在框102内预设的最低极限加热电压U_H_min。在框108中问询过去8秒内的平均加热电压U_H_m是否大于最低极限加热电压U_H_min。在此，所述最低极限加热电压U_H_min优选相当于这样的电压，其尽可能大，而不会在持续接通该电压时引起λ-传感器24的损坏。问询框106和108的输出值进入问询框110，其检验是否问询106或者108的至少一个答案为是，也就是是否当前加热电压U_H_a和/或平均加热电压U_H_m大于最低极限加热电压U_H_min。因此框110是非排除性的“或”问询。如果该问询答案为是，则框110产生输出信号“true”。而如果该问询答案为否，也就是两个参数U_H_a和U_H_m均小于或等于U_H_min，则框110的输出信号为“false”。
此外，根据平均加热电压U_H_m确定每个周期循环中的允许极限加热时间T_max，在该时间内在考虑过去8秒时长期间的加热的情况下允许以当前加热电压U_H_a加热λ-传感器24。为此，框112借助保存在控制装置30内的特征曲线根据确定的平均加热电压U_H_m读出允许极限加热时间T_max。在此，平均加热电压U_H_m越大，也就是λ-传感器24过去的热负荷越大，允许极限加热时间T_max就越小。
一旦框110输出信号“true”，也就是当前加热电压U_H_a和/或平均加热电压U_H_m大于最低极限加热电压U_H_min，时间计数器开始运行。值为“true”的时长在框114中叠加并且与在框112中确定的允许极限加热时间T_max进行比较。一旦框114内的积分器确定达到所述允许极限加热时间T_max，也就是两个参数U_H_a和/或U_H_m中的一个在允许极限加热时间T_max内超过了最低极限加热电压U_H_min，框114的输出信号取值“true”。
所述值进入双稳态多谐振荡器框118。所述双稳态多谐振荡器元件是指存储型元件，其在满足输入端S(Setup)的条件时取值“true”，并且在满足输入端R(Reset)的条件“true”时取值“false”。所述双稳态多谐振荡器元件118操作相连的开关120。所述开关120将λ-传感器24的加热装置26与允许最大加热电压U_H_max(其在框104中作为针对构件特定的参数预设)或者与来自框102的较低的最低极限加热电压U_H_min相连接。在开关120在图2所示的开关位置中，在加热装置26上接通的是所述允许最大加热电压U_H_max。一旦所述双稳态多谐振荡器元件118由于满足输入端S的条件而被使用，也就是达到了允许极限加热时间T_max，则操作所述开关120并且将其置于图2下部所示的位置中。从该时间点起，用最低极限加热电压U_H_min加载加热装置26。
一旦用最低极限加热电压U_H_min运行加热装置26，当前加热电压U_H_a取相应的值并且框106中的问询答案为否。所述平均加热电压U_H_m在一定延迟后也降低为最低极限加热电压U_H_min，因此框108内的问询答案也为否。一旦框106和框108内的输出信号均取值“false”，则框110的输出信号也取值“false”。因此不再激活框114中的时间计数器，而是在通过反相器反转(参见框“!”)之后激活框116内的时间计数器。所述时间计数器确定最低极限加热电压U_H_min在加热装置26上接通的时长是否超过在框内预设的重置时间T_reset。
一旦达到重置时间T_reset，也就是用最低极限加热电压U_H_min运行加热装置26的时间超过了T_reset的时长，则满足双稳态多谐振荡器元件118的输入端R的条件并且开关120被重新切换到图2所示的位置中，从而又在加热装置26上接通允许最大加热电压U_H_max。
图3示出在按照图2的按本发明控制方法的进程中，当前在加热装置26上接通的加热电压U_H_a以及平均加热电压U_H_m的时间变化曲线。所示的是冷启动之后的加热过程。在此，允许最大加热电压U_H_max为14伏特并且最低极限加热电压U_H_min为11.5伏特。对于14伏特的允许最大加热电压U_H_max，预设8秒的允许加热时长。平均加热电压U_H_m也分别针对同样为8秒的刚刚过去的时长进行计算。
在加热开始时，用14伏特的允许最大加热电压运行加热装置26，车载电池当前提供的实际电压也为14伏特(参见曲线U_H_a)。平均加热电压U_H_m在7秒之后才超过11.5伏特的最低极限加热电压U_H_min。所述平均加热电压U_H_m在8秒之后才达到14伏特的允许最大加热电压U_H_max，尽管所述允许最大加热电压持续接通。因此，尽管所述允许极限加热时间T_max只根据平均加热电压U_H_m确定(参见图2中的框112)，以确定加热电压是否超过最低极限加热电压U_H_min，但不只是平均加热电压U_H_m，而是还有各个当前接通的加热电压U_H_a也一同被问询。一旦当前加热电压U_H_a大于最低极限加热电压U_H_min，时间计数器(图2中的框114)已从该时间点起运行。由此在8秒之后达到8秒的允许极限加热时间T_max，因此加热电压在该时间点限制为11.5伏特的最低极限加热电压。
在将加热装置26转换为11.5伏特的最低极限加热电压之后的8秒过后，平均加热电压U_H_m才降低为该值。从该时间点起，激活用于重置时间T_reset的时间计数器(图2中的框116)，因此在该时间当前加热电压U_H_a和平均加热电压U_H_m均保持在最低极限加热电压U_H_min(图3未示出)。在经过重置时间之后才切换开关120并且用最大加热电压U_H_max加载加热装置26。
因此，在加热装置26上接通的加热电压在最大加热电压U_H_max和最低极限加热电压U_H_min之间来回转换。一旦λ-传感器24达到其运行温度，所述方法结束。该时间点可以通过传感器24的内阻确定。必要时可以继续加热传感器24以维持运行温度，但为此通常较小的加热电压就够了。
按照本发明的方法的特殊优点在于，通过根据在刚刚过去的时间内的平均加热电压U_H_m确定允许加热时长，考虑到了实际的加热历史情况。如果实际接通的加热电压U_H_a低于期望的最大加热电压U_H_max，则其延时地影响允许极限加热时间T_max。由此，能够比硬性预设极限加热时间T_max更长时间地用可供使用的加热电压进行加热。另一方面可靠地避免了超过λ-传感器24的允许热负荷。
附图标记清单
10  汽车
12  内燃机
14  燃料喷射设备
16  进气设备
18  废气设备
20  废气通道
22  废气催化器
24  构件/λ-传感器
26  加热装置
28  发动机控制仪
30  控制设备
U_H_a当前加热电压
U_H_m  平均加热电压
U_H_max  允许的最大加热电压
U_H_min  最低极限加热电压
T_max  允许的极限加热时间
T_reset  重置时间

Claims (12)

1.一种控制用于加热构件(24)的加热装置(26)的方法，包括周期性重复的步骤：
-用加热电压运行加热装置(26)，
-确定加热装置(26)的当前加热电压(U_H_a)，
-确定在一段刚刚过去的预设时长内的平均加热电压(U_H_m)，
-根据所述平均加热电压(U_H_m)确定允许用当前加热电压(U_H_a)或者平均加热电压(U_H_m)最长地加热构件(24)的允许极限加热时间(T_max)，
-将当前加热电压(U_H_a)以及平均加热电压(U_H_m)与预设的最低极限加热电压(U_H_min)进行比较，并且
-在所述当前加热电压(U_H_a)和/或平均加热电压(U_H_m)在所述允许极限加热时间(T_max)的时长内超过所述预设的最低极限加热电压(U_H_min)时，减小所述加热装置(26)的加热电压。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述方法开始时用针对构件特定的允许最大加热电压(U_H_max)运行所述加热装置(26)。
3.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，这样预设所述最低极限加热电压(U_H_min)，使得在持续接通所述最低极限加热电压时不会对被加热的构件(24)产生热损害。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述最低极限加热电压(U_H_min)预设得尽可能高，使得在持续接通该最低极限加热电压时恰好不会对被加热的构件(24)产生热损害。
5.按权利要求3或4所述的方法，其特征在于，当所述当前加热电压(U_H_a)和/或平均加热电压(U_H_m)在所述允许极限加热时间(T_max)的时长内超过所述预设的最低极限加热电压(U_H_min)时，将所述加热装置(26)的加热电压减小为最低极限加热电压(U_H_min)或者更低的加热电压。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为所述加热装置(26)的当前加热电压(U_H_a)，使用运行加热装置(26)的电源尤其是电池的当前输出电压。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在经过减小加热装置(26)的加热电压后的一段预设的重置时间(T_reset)之后，再用所述允许最大加热电压(U_H_max)运行所述加热装置(26)。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，这样预设所述重置时间(T_reset)，使得当在所述重置时间(T_reset)的时长内用减小的加热电压运行加热装置(26)之后，所述构件(24)预期冷却到非临界温度。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述构件(24)是传感器，尤其是用于内燃机的废气传感器，优选是λ-传感器。
10.一种控制用于加热构件(24)的加热装置(26)的控制设备(30)，所述控制设备设计用于执行按权利要求1至8之一所述的方法。
11.按权利要求10所述的控制设备(30)，包括存储的计算机可读形式的用于执行按权利要求1至9之一所述方法的算法。
12.一种汽车(10)，具有内燃机(12)和与所述内燃机相连的废气设备(18)，所述废气设备具有废气传感器(24)，所述废气传感器具有用于其加热的加热装置(26)，以及所述汽车具有按权利要求10或11所述的控制设备(30)。
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