CN103502630A - 用于确定在内燃机中运行时预热塞的温度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定在内燃机中的运行时预热塞的温度的方法，其中，确定温度/电阻参考关系（B、F）。为了减小预热塞的公差范围，在预热塞（21、22、23、24）安装到内燃机中之后实施校准步骤，在所述校准步骤中借助预热塞（21、22、23、24）安装到内燃机中之前确定的温度/电阻参考关系（B、F）求得预热塞特定的温度/电阻关系（II、III），由所述预热塞特定的温度/电阻关系确定在预热塞（21、22、23、24）在内燃机中运行期间预热塞（21、22、23、24）的温度。

Description

用于确定在内燃机中运行时预热塞的温度的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于确定在内燃机中运行时预热塞的温度的方法，其中确定温度/电阻参考关系，以及本发明涉及一种用于实施所述方法的装置。
背景技术
在内燃机中使用的预热塞在生产技术上对于额定电压具有在预热塞上出现的预给定的公差。因此，例如对于陶瓷预热塞在用于控制预热塞的7V额定电压下1200℃的温度作为预热温度，其允许±50K的公差。这意味着，预热塞的最大温度不允许超过1250℃。如果使用控制内燃机中的预热塞的控制设备，则在此必须注意：可能存在与例如1200℃的所期望的温度的偏差。因为控制设备在预热塞在内燃机中运行期间可能不对变化的公差做出反应，所以必须在控制设备中固定地预给定1200℃的最大预热塞温度。
由DE 10 2008 040 971 A1已知用于调节内燃机中的预热塞的温度的方法和装置，其中在内燃机的参考运行中在至少一个预热塞的所测量的温度与所测量的电阻之间形成一种数学关系，其中电阻由所述预热塞上的实际施加的电压和实际电流得出，并且在预热塞的整个使用寿命上动态地匹配所述数学关系并且在内燃机的整个运行中考虑所述数学关系。在所述方法中，为了更好的应用品质，必须考虑内燃机的变化的运行条件。这对于已安装的预热塞增加了使用控制设备的困难，因为在预热塞使用在内燃机中时必须考虑大的公差。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是，给出一种用于确定在内燃机中运行时预热塞的温度的方法，在所述方法中在使用控制设备的情况下考虑预热塞的实际公差，所述控制设备在内燃机运行期间控制预热塞。
根据本发明，通过以下方式解决所述任务：在预热塞安装到内燃机中之后实施校准步骤，在所述校准步骤中借助在预热塞安装到内燃机中之前确定的温度/电阻参考关系求得预热塞特定的温度/电阻关系，由所述预热塞特定的温度/电阻关系确定预热塞在内燃机中运行期间的预热塞温度。这具有以下优点：在控制设备中可以使用更高的预热塞最大温度。通过在控制设备中使用的更高的预热塞温度实现更好的启动特性和/或更安静的内燃机空转。此外能够实现内燃机排放的减少。
在一种特别简单且成本较低的实施方式中，在校准步骤期间在预热塞上施加第一电压时求得预热塞的第一电阻，所述第一电阻由温度/电阻参考关系分配第一温度，其中由所述第一温度/电阻值对形成预热塞特定的温度/电阻关系。由此，在不直接测量温度的情况下求得预热塞的实际温度，这减少了预热塞处的测量结构。
有利地，在相同的预热塞上施加第二电压时测量第二电阻，所述第二电阻由第二温度/电阻参考关系分配第二温度，其中由所测量的第一电阻和所分配的第一温度的如此确定的第一值对以及所测量的第二电阻和所分配的第二温度的第二值对形成预热塞特定的温度/电阻关系。由于存在两个温度/电阻值对，可以简单地以直线形式求得预热塞特定的温度/电阻关系，其允许预热塞的实际运行温度的可靠确定，由此在控制设备内的进一步处理时得到预热塞的可靠控制或者调节。
在一种构型中，由其制造之后一种预热塞类型的多个具有不同制造公差的预热塞作为关于电阻的平均值确定温度/电阻参考关系。基于一个生产批次的一种预热塞类型的多个预热塞的温度/电阻值的分析处理，由已知的平均值确保在确定预热塞特有的温度/电阻关系的公差带时的特别高的可靠性。可以舍弃预热塞在内燃机中运行期间的参考测量，由此阻止温度/电阻参考关系受内燃机的当前运行状态的不利影响。
在一种变型方案中，温度/电阻参考关系构造为参考特征曲线、优选参考直线，其设有公差带，所述公差带具有与参考特征曲线相同的斜率。预热塞温度围绕构造为平均值曲线的参考特征曲线根据预热塞电阻的离散比在使用在客户技术文档中说明的值±50K时更小。由此，每个预热塞的公差减小。如果在预热塞上施加额定电压并且测量其电阻，则可以借助参考特征曲线确定具有更小公差的温度。
在一种扩展方案中，一次性地对于每种预热塞类型求得以及存储参考特征曲线。在此，参考特征曲线的公差仅仅取决于预热塞类型。因此，可以不考虑在每个单个预热塞的公差确定时内燃机的运行过程，其可以仅仅在预热塞使用在内燃机中时确定。由此不仅简化了校准预热塞的方法，而且也改善了确定预热塞的实际运行温度时的精确度。因此，限制预热塞允许具有的最大温度时的公差宽度，并且在控制设备中能够使用更高的预热塞最大温度。此外，对于相同生产批次的所有预热塞，仅仅使用一次性所求得的温度/电阻参考关系。不用求得每个预热塞的单独参考。
有利地，在机动车的组装线末端制造中执行预热塞的第一校准步骤。由此确保，在内燃机中安装的预热塞在车辆起动时已经校准。
在另一实施方式中，在控制和/或调节内燃机的控制设备的空载阶段中执行用于确定预热塞特定的温度/电阻关系的校准步骤。因为在控制设备的空载阶段中仍存在定义的且可复现的发动机运转状态，所以可以实施高度精确的校准，因为可以追溯内燃机的给定运行状态。
有利地，多次重复用于确定预热塞特定的温度/电阻关系的校准步骤。通过在内燃机中的预热塞的使用寿命期间的重复校准测量，在预热塞特定的温度/电阻关系中考虑预热塞处的老化现象并且因此提高确定预热塞的实际预热温度时的精确度。
为了考虑预热塞在使用寿命上的老化过程，根据预热塞的发生预热的次数和/或预热强度和/或预热持续时间一定频度地重复用于确定预热塞特定的温度/电阻关系的校准步骤。由此通过预热塞的多次校正改善在内燃机中使用期间的校准精确度。
替代地，在更换预热塞之后进行预热塞特有的温度/电阻关系的确定。在此确保预热塞的后续的控制和/或调节过程始终以预热塞的实际温度为基础。
为了获得预热塞的可靠的且典型的电阻值，在施加第一个电压或者第二个电压之后在预热塞内的稳定温度分布形成之后进行第一电阻或者第二电阻的测量。因此保证在测量之前预热塞均匀炽红并且没有不稳定的温度分布影响测量过程。
本发明的一种扩展方案涉及一种用于确定在内燃机中的运行时预热塞的温度的装置，所述装置包括处理单元，所述处理单元与存储单元连接，其中在所述存储单元中存储了温度/电阻参考关系。为了降低在控制设备中使用时预热塞的最大允许温度的公差宽度，所述处理单元在预热塞安装到内燃机中之后执行校准步骤，在所述校准步骤中借助在预热塞安装到内燃机中之前确定的温度/电阻参考关系求得预热塞特定的温度/电阻关系并且处理单元在预热塞在内燃机中运行期间由存储在存储单元中的预热塞特定的温度/电阻关系确定预热塞的温度。这具有以下优点：在控制设备中可以使用更高的预热塞最大温度。通过在控制设备中使用的更高的预热塞温度实现更好的启动特性和/或内燃机的更安静的空转。此外，这能够实现内燃机排放的减少。
有利地，在预热塞上施加第一电压的处理单元与电流传感器连接，所述电流传感器将第一电流信号传送给处理单元，所述处理单元由所述第一电流信号确定第一电阻值并且由所存储的温度/电阻参考关系给所述第一电阻值分配第一温度值并且随后在预热塞上施加第二电压，其中电流传感器向处理单元提供第二电流信号，所述处理单元由所述第二电流信号求得第二电阻值，所述第二电阻值由温度/电阻参考关系被分配第二温度值，其中处理单元由第一温度/电阻值对和第二温度/电阻值对确定预热塞特定的温度/电阻关系。因此，借助本身存在的硬件执行预热塞特定的温度/电阻关系的确定，由此能够实现低成本的方法。由于存在两个温度/电阻值对，可以简单地以直线形式求得预热塞特定的温度/电阻关系，所述直线在控制设备内的进一步处理中保证预热塞的可靠的控制或者调节。因此实现预热塞的实际运行温度的可靠确定。
附图说明
本发明允许大量的实施方式。借助在附图中示出的示意图进一步阐述这些实施方式中的一种。
附图示出：
图1：机动车中的预热系统的原理图；
图2：在7V的额定电压的情况下一个生产批次的一种预热塞类型的预热塞的温度/电阻特征；
图3：在4V的额定电压的情况下根据图2的一个生产批次的所述预热塞类型的预热塞的温度/电阻特征；
图4：单个预热塞的预热塞特定的温度/电阻关系。
相同的附图标记表示相同的特征。
具体实施方式
冷的内燃机、尤其是柴油发动机当环境温度小于40℃时需要用于点燃导入内燃机的燃料/空气混合物的启动辅助装置。作为启动辅助装置使用预热系统，所述预热系统由预热塞、预热时间控制设备和存放在发动机控制设备或预热时间控制设备中的预热软件组成。此外，预热系统也用于改善车辆排放。预热系统的其他应用领域在燃烧器排气系统中、停车采暖时、燃料预热时或冷却水预热时。
图1示出一种预热系统，在所述预热系统中存在多个预热塞21至24，其中每个预热塞21至24分别插在内燃机的燃烧室的没有进一步示出的气缸中。预热塞21至24具有相同的构造并且通常表示低压预热塞。在图1中预热塞21至24出于简化的目的表示为通到内燃机的地3的等效电阻。
预热塞21至24与预热时间控制设备4连接，所述预热时间控制设备对于每个预热塞21至24具有一个功率半导体51至54。预热时间控制设备4包括用于处理输入信号和输出信号的微控制器4a。此外，车载电网电压6与预热时间控制设备4连接，所述车载电网电压通过功率半导体51至54向预热塞21至24馈给所需的额定电压。预热时间控制设备4通到发动机控制设备7，所述发动机控制设备7又与没有进一步示出的内燃机连接。发动机控制设备7和预热时间控制设备4具有接口。所述接口既可以由单线连接也可以由双线连接10、11组成。在发动机控制设备7与预热时间控制设备4之间，通过所述接口交换数据，其中由此既实现预热时间控制设备4的控制又实现诊断通信。
预热时间控制设备4通过功率半导体51至54向预热塞21至24输出脉宽调制的输出信号（PWM信号），所述输出信号在相应的预热塞21至24处调节所需的预热塞控制电压。通过占空比的选择（即：PWM信号的接通时间与关断时间的比值），在考虑通过PWM信号接通的电压的情况下可以在预热塞上实现所期望的有效电压（预热塞控制电压）。此外，还可以考虑机动车的可供使用的电池电压。预热时间控制设备4在此包括存储单元12。分配给预热塞21至24的功率半导体51至54用于测量流过每个预热塞21至24的、传导至微控制器4a的电流，所述功率半导体有利地构造为产生PWM信号并且同时测量电流的智能场效应晶体管。微控制器4a由此确定预热塞21至24的相应的电阻值。替代地，也可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和分流器来代替智能场效应晶体管。
为了现在对于各个预热塞21、22、23、24确保通过预热时间控制设备4的精确控制，必须求得在内燃机中运行期间在每一个预热塞21至24上施加的最大预热温度。在此，在第一个步骤中，在生产之后分析处理一个预热塞类型的一个生产批次的所有预热塞。对于每个单个预热塞，在预热塞制造组装线末端在每个预热塞上施加一个额定电压。在一定时间之后求得预热塞的电流和温度。由所测量的电流求得电阻。筛选出不位于公差内的预热塞。
图2示出了在生产之后多个陶瓷预热塞的测量值的云图，所述多个陶瓷预热塞施加了7V的额定电压。在此，各个点表征各个预热塞，其中预热塞的所求得的最大预热温度包含1200℃±50K的公差。所述公差带通过包围各个预热塞的测量值的云图的线A1和A2表示。
由预热塞的测量值的所述云图求得关于预热塞电阻R的平均值曲线B，其中对于具有相同电阻的预热塞平均温度。由此，得到直线形式的第一平均值曲线B。在所述平均值曲线B周围存在同样由直线限界的公差带，所述直线具有与作为直线延伸的平均值曲线B相同的斜率。因此，公差带以恒定的宽度与平均值曲线B平行地延伸并且通过虚直线B1和B2标记。所述生产批次的各个预热塞的温度在平均值曲线B周围根据预热塞电阻R的离散在公差带B1和B2的情况下仅仅是±30K。这意味着，在施加7V的额定电压之后测量电阻R，所述电阻借助所述平均值曲线B分配了以±30K的公差反映所使用的、所测量的预热塞的最大温度的温度。平均值曲线B在此形成温度/电阻参考关系。
随后在陶瓷预热塞上施加第二额定电压4V，其中由测量值的云图确定第二平均值曲线F，其同样表示一条直线并且由公差带F1、F2包围。在所述第二平均值曲线F的情况下，预热塞的最大预热温度的公差也是±30K。
在求得两个温度/电阻参考关系B、F之后，在第二个步骤中将所述两个温度/电阻参考关系一次性地、固定地存储在预热时间控制设备4的存储器12中。同时，将预热塞21至24安装到内燃机中，所述预热塞从在制造之后测量的生产批次中取出。
然后进行预热塞21至24的第一校准步骤，所述第一校准步骤在车辆制造组装线末端在预热时间控制设备的空载期间发生。这样的空载总是在内燃机关闭之后进行。在此，预热时间控制设备使用与在激活通过工厂测试员的校准时相同的接口。
所述校准测量在空载期间的定位是重要的，因为在此存在定义的且可复现的发动机运转状态。使用机动车期间校准测量的频度取决于机动车所行驶的公里数、所发生的预热塞预热的频度、预热塞的预热强度以及预热塞的预热持续时间。同样，在更换预热塞时进行所述校准，在此或者通过工厂测试员激活所述校准或者自动地通过探测预热塞更换的预热时间控制设备的功能激活所述校准。
现在进一步以从所述生产批次中选出的两个预热塞21和22为例阐明校准步骤。借助电流测量，预热时间控制设备4求得相应于预热塞21或者22的电阻值。在施加7V的第一额定电压时，对于在图2和图3中通过点21表示的第一预热塞21测量电阻R217。所述电阻R217在图2中延长到平均值曲线B上，并且从电阻值R217与所述平均值曲线B的交点出发求得预热塞21的所属温度T217，这通过图2中的线C表示。所述第一值对R217；T217表示用于建立预热塞21的预热塞特定的温度/电阻关系II的第一出发点。
在图2和图3中，第二预热塞22通过点22表征。对于所述预热塞22，在施加7V的额定电压之后测量电阻R227。所述电阻R227也移动到平均值曲线B上，并且从平均值曲线B与电阻值R227的交点出发求得预热塞22的最大预热塞温度T227，这通过线D表示。所述值对R227、T227作为第二预热塞22的第二预热塞特定的温度/电阻关系III的出发点。
在图3中测量所述生产批次的温度/电阻值，其在安装到内燃机中之前在4V的额定电压下运行。由于较小的4V额定电压，电阻和温度水平比在图2中示出的更低。如果现在又选取通过点21表征的预热塞21，则在以4V的额定电压控制预热塞21之后确定电阻R214。所述电阻R214移动到平均值曲线F上，并且求得属于交点的预热塞21的温度T214，这通过线C表示。由在4V额定电压下确定的值对（R214；T214）和对于7V额定电压求得的值对（R217；T217），针对预热塞21确定直线II形式的第一预热塞特定的温度/电阻关系，如其在图4中示出的那样。
对于在点22中示出的预热塞22，以4V的额定电压控制预热塞22时测量电阻R224。借助第二平均值曲线F，所述电阻R224得出预热塞22的温度T224（线D）。值对（R224；T224）和（R227；T227）能够实现第二预热塞22的第二预热塞特定的温度/电阻关系的构造，如其以图4中的直线III形式示出的那样。
由此得出，当在内燃机中安装的预热塞21、22上施加任意电压时，可以由参考值曲线B、F形式的温度/电阻参考关系确定预热塞21、22的最大预热温度，由此对于每个预热塞21、22求得预热塞特定的温度/电阻关系，如在图4中示出的那样。在图4中示出了所谓的“平均值预热塞”的预热塞特定的温度/电阻关系I，所述“平均值预热塞”相应于其温度/电阻值在7V额定电压时位于平均值曲线B上或者在4V额定电压时位于平均值曲线F的预热塞。在使用所述“平均值预热塞”的预热塞特定的温度/电阻关系I时必须从±50K的最大温度公差出发。
但如果如已经阐述的那样在7V和4V时测量预热塞21、22的电阻R并且给这些电阻值中的每一个分配一个借助平均值曲线B或F确定的温度值，则形成一些值对，由这些值对对于分别相关的预热塞21、22确定预热塞特定的温度/电阻直线。然而，所述直线周围的预期波动仅仅是±30K。预热塞21、22的最大温度能够以1220℃施加在预热时间控制设备4中并且因此高于技术背景，因为以±30K的最大公差没有超过允许的最大温度1250℃。
所述预热塞特定的温度/电阻关系（直线II和直线III）存储在预热时间控制设备4的存储器12中。在预热塞21、22在内燃机中运行期间，为了得到电压期望值在相应的预热塞21、22上必须施加的电压经受控制或调节。为了控制或调节，需要知晓每个预热塞21、22的最大预热温度。在此根据在相应的预热塞上测量的电阻由属于预热塞21、22的已存储的预热塞特定的温度/电阻关系II或III求得所述最大预热温度。
可以周期性地重复校准步骤，以便考虑内燃机中的预热塞21、22的老化。
但替代地也可以由发动机控制设备7实施所述结合预热时间控制设备4描述的过程，其中存储器12设置在发动机控制设备7中。
还应注意，当在所使用的预热塞21、22内出现了稳定的温度分布时，才在施加4V或7V的额定电压之后进行电阻测量。
基于本发明，限制安装在机动车中的预热塞的公差宽度。因此，在预热时间控制设备4或发动机控制设备7中控制或者调节预热塞时，可以使用更高的最大预热塞温度。通过更高的最大预热塞温度可以实现更好的启动特性和更安静的发动机空转，其中确保污染物排放减少。

Claims (14)

1.一种用于确定在内燃机中的运行时预热塞的温度的方法，其特征在于，在所述预热塞（21、22、23、24）安装到所述内燃机中之后实施校准步骤，在所述校准步骤中借助预先确定的温度/电阻参考关系（B、F）求得预热塞特定的温度/电阻关系（II、III），由所述预热塞特定的温度/电阻关系确定在所述预热塞（21、22、23、24）在所述内燃机中运行期间所述预热塞（21、22、23、24）的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述校准步骤期间在所述预热塞（21、22、23、24）上施加第一电压时求得所述预热塞（21、22、23、24）的第一电阻（R217；R227），所述第一电阻由第一温度/电阻参考关系（B）被分配第一温度（T217；T227），其中，由所述第一温度/电阻值对（R217、T217；R227、T227）形成所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在相同的预热塞（21、22、23、24）上施加第二电压时测量第二电阻（R214；R224），所述第二电阻由第二温度/电阻参考关系（F）被分配第二温度（T214；T224），其中，由所测量的第一电阻和所分配的第一温度的如此确定的第一值对（R214；T214）以及所测量的第二电阻和所分配的第二温度的第二个值对（R224；T224）形成所述预热塞特定的温度/电阻参考关系（II、III）。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，由在其制造之后一种预热塞类型的多个具有不同制造公差的预热塞（21、22、23、24）作为关于预热塞电阻的平均值确定所述温度/电阻参考关系（B、F）。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述温度/电阻参考关系构造为设有公差带（B1、B2；F1、F2）的参考特征曲线（B、F）、优选参考直线，所述公差带具有与所述参考特征曲线相同的斜率。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，一次性地对于每个预热塞类型求得以及存储所述温度/电阻参考关系（B、F）。
7.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在机动车的组装线末端制造中执行所述预热塞的所述第一校准步骤。
8.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在控制和/或调节所述内燃机的控制设备（4、7）的空载阶段中执行用于确定所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）的校准步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，多次重复用于确定所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）的校准步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，根据所述预热塞（21、22、23、24）的发生预热的次数和/或预热强度和/或预热持续时间一定频度地重复用于确定所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）的校准步骤。
11.根据权利要求8或9所述方法，其特征在于，在更换所述预热塞（21、22、23、24）之后进行用于确定所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）的校准步骤。
12.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，在施加所述第一电压或者所述第二电压之后在形成所述预热塞（21、22、23、24）内的稳定的温度分布之后进行所述第一电阻或者所述第二电阻（R217、R227；R214、R224）的测量。
13.一种用于确定在内燃机中的运行时预热塞的温度的装置，所述装置包括处理单元（4a），所述处理单元与存储单元（12）连接，其中，在所述存储单元（12）中存储有温度/电阻参考关系（B、F），其特征在于，所述处理单元（4a）在所述预热塞（21、22、23、24）安装到所述内燃机中之后执行校准步骤，在所述校准步骤中借助在所述预热塞（21、22、23、24）安装到所述内燃机中之前确定的温度/电阻参考关系（B、F）求得预热塞特定的温度/电阻关系（II、III），并且所述处理单元（4a）在所述预热塞（21、22、23、24）在所述内燃机中运行期间由存储在所述存储单元（12）中的预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）确定所述预热塞（21、22、23、24）的温度。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，在所述预热塞（21、22、23、24）上施加第一电压的处理单元（4a）与电流测量装置（51、52、53、54）连接，所述电流测量装置将第一电流信号传送给处理单元（4a），所述处理单元由所述第一电流信号确定第一电阻值（R217、R227）并且由所存储的第一温度/电阻参考关系（B）给所述第一电阻值（R217、R227）分配第一温度值（T217、T227）并且随后在所述预热塞（21、22、23、24）上施加第二电压，其中，电流测量装置（51、52、53、54）向所述处理单元（4a）提供第二电流信号，所述处理单元（4a）由所述第二电流信号求得第二电阻值（R214、R224），所述第二电阻值由所存储的第二温度/电阻参考关系（F）被分配第二温度值（T214、T224），其中，所述处理单元（4a）由所述第一温度/电阻值对（R217、T217；R227、T227）和所述第二温度/电阻值对（R214、T214；R224、T224）确定所述预热塞特定的温度/电阻关系（II、III）。
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