CN105143621B - 智能加热系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种智能加热系统，其总体上包括：至少一个加热器元件；可选地，至少一个温度传感器；一组预定的或可预测的性能信息，用于控制加热系统；以及可选地，电子调节模块(ECU)，其能够存储和处理性能信息。性能信息可以被存储为写入文本、条形码、数据矩阵或射频识别(RFID)标签。该智能加热系统还可以包括能够提供至少两个系统部件之间的通信路径的LIN总线或CAN总线。

Description

智能加热系统
本公开内容总体上涉及温度管理。更具体地，本公开内容涉及用于对热力系统的热传递差异和其它的环境热传递相关方面进行测量和补偿的系统和方法。
本部分的说明仅提供了与本公开内容有关的背景信息，并且可以不构成现有技术。热通量是用于预测相关的加热器元件性能的有效量度，相关的加热器元件性能包括温度、传递效率以及寿命。加热器元件呈现出的通量密度被定义为功率密度(瓦特/mm2)，其表示每平方毫米的元件表面面积可以集中的电力的量级的量度。由于需要的表面面积量的减少，呈现出高功率密度的加热器元件将通常提供快速的温升和较低的整体制造成本。然而，这些优点经常被以下风险所抵消：由于遇到的较高表面温度而导致的寿命减小，以及较低可靠性(例如超过期望的温度条件等)的潜在可能性。
在制造期间，工艺条件和加热器构造中遇到的偏差可以导致所生产的单个加热器元件的不同部分内或者所生产的不同加热器元件之间呈现出的热通量的差异。为了补偿这种制造变化性，并且以使性能(例如加热速率)最大化和使成本最小化(例如减少元件的表面面积)为代价来确保可靠性，本行业内通常应用安全系数，这导致了加热器元件所呈现出的功率密度减小。
发明内容
在克服相关技术的所列举缺点和其它限制时，本发明提供了一种智能加热系统。该智能加热系统总体上包括：至少一个加热器元件；一组预定的或可预测的性能信息，其用于控制加热系统；以及可选地，电子调节模块(ECU)，其能够存储和处理性能信息。替选地，智能加热系统还可以包括至少一个温度传感器。性能信息可以被存储为写入文本、条形码、数据矩阵或射频识别(RFID)标签。智能加热系统还可以包括能够提供至少两个系统部件之间的通信路径的LIN总线或CAN总线。
根据本公开内容的一个方面，智能加热系统还可以包括至少一个支承支架，其与至少一个加热器元件接触并且可选地与至少一个温度传感器接触。性能信息可以仅包括加热器信息或者包括加热器信息与传感器信息两者的组合。加热器性能信息可以包括在期望电压处或在指定流条件下发生的加热速率。
根据本公开内容的另一方面，加热系统还可以包括电力开关，其接收来自ECU的信号。在这种情况下，性能信息还可以包括开关信息。电力开关可以由开关控制单元来控制，其中，开关控制单元与ECU进行通信并且使用开关信息。开关信息可以包括：电流和/或电压的测量结果；以及作为正在被切换的电流量的函数的、与开关的固态部件相关联的加热速率。
根据本公开内容的又一方面，智能加热系统包括多个加热器元件和温度传感器，温度传感器为单独传感器的组合或者是能够提供多于一个温度测量结果的结型传感器。温度传感器可以被选定为热电偶、热敏电阻或电阻温度装置。加热器元件可以被选定为电缆加热器、管状加热器、筒形加热器、柔性加热器、分层加热器、金属箔或金属加热器。
智能加热系统可以用于对在柴油氧化催化剂(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、选择性催化还原剂(SCR)、稀燃NOX捕集器或者包括后处理催化剂的其它排气部件中存在的热梯度进行补偿。因此，柴油机排气系统可以被构建成包括如上文和下文所描述的智能加热系统。
本文中提供了一种用于通过对热梯度进行补偿而在预定应用中提供热控制的方法。该方法包括：提供智能加热系统，以及通过创建期望的温度曲线来建立热控制。可以通过同时或交替地向智能加热系统中的加热器元件中的所有或一些加热器元件提供电力来创建期望的温度曲线。替选地，可以以相同水平或者以不同水平向智能加热系统中的加热器元件施加电力。可以通过使用闭环控制机制或开环控制机制来建立热控制。
根据本文中提供的描述，其它应用领域将变得明显。应当理解，该描述和具体示例意在仅出于说明的目的，而不意在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中所描述的附图仅是出于说明的目的，而不意在以任何方式限制本公开内容的范围。
图1A为根据本公开内容的教示而构建的智能加热系统的图形表示；
图1B为根据本公开内容的教示而构建的另一智能加热系统的图形表示；
图2为构建有多个传感器的另一智能加热系统的图形表示；以及
图3(A至C)为构建有安装支架的智能加热系统的图形表示；
图4(A至C)为在柴油机排气应用的智能加热系统中使用的多个加热器元件的图形表示和横截面图；
图5为智能加热系统设计的示意图；
图6(A至B)为被设计成使用加热器信息的其它智能加热系统的示意图；
图7(A至B)为被设计成使用加热器信息与传感器信息的其它智能加热系统的示意图；以及
图8(A至B)为设计有电力开关控制的其它智能加热系统的示意图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，而不意在限制本公开内容或者本公开内容的应用或用途。应当理解，贯穿本说明书，对应的附图标记指示相同或对应的部分及特征。
本公开内容总体上涉及智能加热系统以及与该智能加热系统相关联的使用方法。贯穿本公开内容，结合柴油机排气应用描述了根据本文中所包含的教示而制造和使用的智能加热系统，从而更加充分地说明构思。智能加热系统与其它类型的热管理应用的结合和使用被认为是在本公开内容的范围内。
给出以下具体实施方式，以说明根据本公开内容的教示的智能加热系统的设计和用途，并且不应被解释为限制本公开内容的范围。本领域技术人员根据本公开内容将意识到，可以在本文中所公开的具体实施方式中作出许多改变，并且在不偏离或超出本公开内容的精神或范围的情况下仍可以获得相同或类似的结果。本领域技术人员将进一步理解到，本文中所报告的任何属性表示常规测量的并且可以通过多种不同的方法获得的属性。本文中所描述的方法表示一种这样的方法，并且在不超出本公开内容的范围的情况下可以利用其它方法。
智能加热系统总体上包括具有预定(例如测量的)或可预测的性能特性的至少一个加热器元件。这样的性能特性的一个示例包括：当加热器元件暴露于预选的电压或者处于指定的工艺流程条件下时，加热器元件的加热速率。虽然，在类似的工艺条件下通过相同工艺来制造的相同或基本上类似的设计的多个加热器元件的平均性能表示以下：系统中的每个单独加热器元件如何执行以允许一个单独加热器元件控制系统的关于快速加热的整体性能而不牺牲整体可靠性的有用信息、量度或知识。加热器元件的可以用于控制系统的整体性能的性能特性的一个具体示例非限制性地包括：如在已知或预定的流程/工艺条件下加热元件所呈现的温度曲线所示，与护套温度中的任何非均匀性相关联的位置。
智能加热系统除了使热通量最大化并降低制造成本之外，还提供了增强的诊断能力的益处。稳健的诊断能力通常取决于不同的加热器元件之间所呈现出的变化。能够使用针对具体加热器元件的性能特性或信息的系统通过允许对由制造偏差引起的随机变化的至少一部分进行校正或补偿来提供增强的诊断能力。
具体特性或信息可以以期望的任何已知格式被存储，并且也可以在数字总线上传输或者以本领域技术人员已知的任何其它信息或传输方法传输，其中，已知格式包括但不限于：写入文本、条形码、数据矩阵以及射频识别(RFID)。
根据本公开内容的一个方面，智能加热系统可以包括至少一个加热器元件，或者替选地可以包括至少一个加热器元件和至少一个温度传感器的组合。传感器可以与加热器元件的护套接触(参见图1A)，所述传感器位于与加热器元件相邻的支架上，或者位于加热器元件的上游或下游处(参见图1B)。传感器能够测量加热器元件的特定位置或期望位置的温度。当加热器元件接近或超过根据正在执行的应用确立的预定温度极限时，通过传感器对温度的测量允许系统减少电力。
参照图1A和图1B，示出的智能加热系统100的一个特定组合包括管状加热器105和热电偶110。热电偶110可以与加热器元件105的护套接触或者附接至护套(图1A)，或者可以位于加热器元件105的附近(图1B)。本领域技术人员应理解，可以在不超出本公开内容的范围的情况下使用其它类型的加热器和传感器。可选地，热电偶110可以与信号调节模块115进行通信，或者可以附接至信号调节模块115，该信号调节模块115能够存储和/或处理信息，该信息非限制性地例如：传感器时间响应或稳定性、至加热器的护套的传感器接触电阻、加热器的最大温度极限、加热器的最大斜坡率、加热器电阻或稳定性、加热器的温度曲线或分布图以及加热器和与加热器相邻的区域之间的温差。可以使用常规测试和检验的组合来确定特定加热器105和传感器110的组合的最大温度极限和最大斜坡率。
因为信号调节模块115可以包括输入/输出(I/O)、模拟数字转换器(ADC)以及微处理器，所以可以使用所述模块来做出或传输其它测量结果，其它测量结果包括但不限于：对地电流泄漏的量级以及施加至加热器的电压和/或电流。电流泄漏的测量结果有助于确定加热器绝缘电阻(IR)是否较小，并且该测量结果可以用于调整向加热器施加电压的速率，以便去除湿气以及/或者延长加热器的寿命。所施加的电压和/或电流的测量结果可以用于确定与智能加热系统100相关联的电力和热通量，并且可以用于检测任何缺陷或故障的发生。
仍参照图1，替选地，可以使用具有数字通信能力的信号调节模块115。这样的数字通信能力可以包括对局域互联网络(LIN)总线或控制器局域网络(CAN)总线的使用，以及本领域技术人员已知的任何其它数字总线的使用。数字总线从通过使用一体式连接器120与该总线进行通信的另一装置来接收测量结果例如温度、电流泄漏、电压、电流等，这转而允许信号调节单元115变得意识到并使用该信息，而不使用信号调节单元115自身测量到的信息。
根据本公开内容的另一方面，所收集和/或传输的类型的信息可以用于增强对加热器系统的关于性能的控制。例如，所述信息可以用于计算：(a)控制参数，以避免与加热器相关联的过温条件；(b)在低电流(I)-电阻(R)条件下的电压的缓慢斜坡，以允许湿气被蒸发；或者(c)被设计成延长加热器系统的寿命的诊断极限。这样的诊断极限(DL)的示例可以包括如公式1中所示的对每预定变量(x)每单位时间(△t)的温度变化(△T)的计算。该预定变量(x)基于智能加热系统正用于其中的特定应用而被选定。在某些应用中，该变量(x)可以为所施加的电压、所使用的燃料量或者排气的质量流以及其它。
DL＝[(△T/△t)/x] 公式1
根据本公开内容的另一方面，智能加热系统可以包括多于一个温度传感器。现在参照图2，示出了具有与多于一个温度传感器210接触(替选地与多个传感器210接触、替选地与至少三个传感器210接触)的加热器205的智能加热系统200。使用多个传感器210允许智能加热系统200测量在加热器元件205的若干位置处的温度，从而允许计算所测量的位置的差值。对这些温差的计算提供了对加热器元件205更精确的控制，从而增加寿命，并且避免局部过热造成的任何损害。
在许多应用中，在智能加热系统暴露于其中的环境下将存在热梯度。例如，热梯度可以存在于可以作为时间和/或引擎条件的函数而变化的柴油氧化催化剂(DOC)内。热梯度还可以存在于在包括后处理催化剂的排气流中存在的其它部件中的其它后处理部件(例如柴油颗粒过滤器(DPF)、选择性催化还原剂(SCR)或稀燃NOX捕集器)中。后处理催化剂的功能中的至少部分功能为促进与废气的化学反应，以便减少污染物以符合排放法规。因为这样的化学反应依赖于温度，所以温度的变化或梯度将影响这些反应进行的速率。使用智能加热系统200可以通过将温度有效地控制在促进发生化学反应的水平处来改善后处理部件的性能。
仍参照图2，在柴油机排气系统中，具有多个传感器210的智能加热系统200暴露于废气。在该应用中，智能加热系统200可以检测由废气的热流分布引起的温度变化，并且可以相应地进行补偿或调整，以使加热器元件205的性能和/或寿命最大化。因此，传感器信息包括与加热器元件205相邻的位置中的温度条件的测量结果。在图1B中还示出了具有单个传感器的类似的布置。使用多个传感器205还可以用于当在不同应用中使用时对附加诊断条件进行测量或预测。测量或预测的几个示例包括对下述的温度梯度的测量：(i)柴油颗粒过滤器(DPF)的下游，以确定DPF中的不均匀的烟尘积聚；(ii)柴油氧化催化剂(DOC)的下游，以识别出DOC的不均匀氧化或表面堵塞的发生；以及(iii)DOC的上游，以识别出不均匀温度，使得可以获得更准确的能量平衡计算。
根据本公开内容的另一方面，智能加热系统还可以包括支承支架。在一些应用中，例如在柴油机排气系统等中，由应用引起的振动可以达到需要至少一个支承支架来安装智能加热系统的程度。现在参照图3(A)，每个安装支架330可以用于支承智能加热系统300的加热元件305。当需要时，温度传感器310还可以由支架330中的一个来支承。当利用多个传感器310时，每个传感器330可以与支架330接触。
替选地，可以利用多结型传感器311(图3B和图3C)，其中，这样的传感器311在多个位置与支架305接触。多结型传感器311提供多个温度测量结果。如图3B所示，所示出的特定多结型传感器311提供在加热器容器的中心(结J1)处和四个其它位置(结J2至J5)处的温度测量结果。在图3C中，智能加热系统300被示出为具有支架330和多结型传感器311，其中，支架330为加热器元件305提供支承，多结型传感器311提供三个位置(结J1至J3)处的温度测量结果。本领域技术人员将理解，在不超出本公开内容的范围的情况下，可以使用许多其它不同的传感器310、311和支架305的组合。
总之，与包括单个传感器310的类似传感器相比，具有测量温度的多个传感器310和311的智能加热系统300要求更佳的性能、更低的加热器成本、更高的可靠性以及增强的诊断能力。与使用多个单独传感器310相比，使用多结型传感器311可以成为更低成本的替选。
现在参照图4(A至C)，智能加热系统400可以包括多个加热器元件405。在图4A中，在排气部件411中示出了具有U形弯管的多个循环式加热器元件405。在图4B和图4C中，示出了具有环形形状的多个循环式加热器元件405。多个加热器元件405可以用于创建期望的温度曲线。例如，可以同时或交替地对所有加热器元件405供电，使得在排气/后处理系统411中建立均匀的温度，以促进化学反应。替选地，可以以不同水平来对加热器元件405中的一些进行装配和供电，以便创建不同的热量并且修改排气或后处理部件411内存在的热梯度。加热器元件创建不同热量的若干具体示例包括：(a)与位于排气部件411内部的加热器元件相比，对位于外围的加热器元件405提供不同电力量；以及(b)提供位于排气部件411内的不同象限中的加热器元件405，以便由象限基准来控制象限上的热梯度。替选地，加热器元件405可以仅被布置在排气部件411的外围周围，以便建立可以用于减小或改善径向温度梯度的单个加热区域。
类似于使用多个加热器，基于传感器的在测量热梯度时所添加的值的能力来使用位于预定位置的多个传感器。温度传感器可以是热电偶、热敏电阻、电阻温度装置以及用于测量或检测温度的任何其它已知器件。电阻随温度而变化的加热器元件可以用作2线加热器/传感器组合。加热器元件可以非限制性地包括：电缆加热器、管状加热器、筒形加热器、柔性加热器、分层加热器、金属箔、金属加热器或者本领域技术人员已知的任何其它类型的加热器。
现在参照图5，示出了被设计用于控制温度的智能加热系统500的一个具体示例。在该系统500的设计中，加热器元件505从开关550接收电力，开关550可以使用来自加热器控制单元560的(一个或更多个)信号来驱动。加热器控制单元560从一个或更多个传感器510和/或电子控制单元540接收信息。基于该信息，加热器控制单元560与电力开关550进行通信，并且将电力中继至加热器元件505。电力开关550的继电器在需要时可以被集成到加热器控制单元540中。加热器元件505被分布成使得加热器元件505能够在后处理排气系统中提供优选或期望的温度曲线，以便增强后处理系统的性能。关于柴油机排气系统的增强的性能非限制性地包括：由柴油氧化催化剂(DOC)或在催化的柴油颗粒过滤器(DPF)中改进的NO2生产；改进氨存储或NOX转化SCR，或者改进其它化学反应。
在智能加热系统的构造期间，加热器可以安装有与经由条形码、数据矩阵、RFID标签或任何其它已知方法附接到加热器组件的加热器有关的信息。这样的加热器信息另外可以包括：加热速率、电阻、作为时间的函数的最大电压等。现在参照图6A，可以经由开环控制机制601来利用智能加热系统600。在该机制601中，包括加热器605连同其相关的信息607的智能加热系统600与电子控制单元(ECU)640进行通信。加热器信息607可以被手动地或自动地传输至ECU 640或者传输至开关装置650，以使得能够更好地使用加热器605。与使用加热器信息607相关联的类似益处同样适于如图6B所描述的包含外部温度传感器611的闭环控制机制602。
替选地，可以利用包括关于加热器和(一个或更多个)温度传感器两者的信息的智能加热系统。现在参照图7A和图7B，智能加热系统700包括加热器705与传感器710两者的组合，其被标有如先前以上针对仅包括加热器信息607的智能加热系统600(参见图6)所描述的加热器和传感器信息707两者，或者在传感器为具有信号调节模块(未示出)的主动型传感器时，信息707可以被存储在调节模块的存储器中。加热器-传感器信息707被传输至ECU740(图7A)或者被传输至电力开关750(图7B)，以便增强对智能加热系统700的利用。虽然在图7A和图7B中智能加热系统700被示出为在闭环控制机制701中使用，但是本领域技术人员将理解的是，作为另一选择，也可以利用开环控制机制(未示出)。
现在参照图8A，使用加热器-传感器信息807的第三选择为将该信息807传输至控制电力开关850的功能的另一控制单元860。可选地，开关控制器860还可以与ECU 840进行通信。替选地，如图8B所示，与开关850有关的信息808可以连同加热器-传感器信息一起结合开关控制器860来使用。
仍参照图8(B)，开关信息808可以非限制性地包括：电流和/或电压的测量结果；以及作为正在被切换的电流量的函数的、与开关850的固态部件相关联的加热速率。可以基于电流(I)和开关850对结进行散热的能力来确定与传感器810的与开关850接触的结相关联的加热速率。本领域技术人员将理解，该电流(I)和与加热器元件805相关联的电阻(R)的关系的结果被称为I2R加热。因此，加热器元件805的电流与温度的关系可以被测量，并被存储为加热器信息807。在可以传输至ECU 840的预定流体流条件下，可以使用包括加热器805、传感器810以及开关850的智能加热系统800来将流体温度的变化速率与开关850温度的变化速率进行比较，以便诊断系统600是否正在高效地运行。
出于说明和描述的目的已经给出了本发明的各种形式的前述描述。前述描述不意在穷举或将本发明限制为所公开的确切形式。可以根据以上教示进行许多修改或变化。选择和描述所论述的形式以提供对本发明的原理及其实际应用的最佳说明，由此使本领域普通技术人员能够以各种形式以及适用于预期特定用途的各种修改来利用本发明。所有这样的修改和变化在根据被公平、合法以及合理地赋予的广度来解释时，均在由所附权利要求确定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种智能加热系统，包括：
被布置在部件处的多个加热器元件，其中，所述多个加热器元件中的每一个存储专用于加热器元件的加热器信息，以补偿随机制造偏差中的至少一部分，其中，所述加热器信息是预定信息并且包括当所述加热器元件暴露于预选的电压时所述加热器元件的加热速率；以及
电子调节模块ECU，其接收来自所述多个加热器元件中的每一个的加热器信息，并且基于专用于所述多个加热器元件中的每一个的加热器信息对所述多个加热器元件进行不同的控制，其中，所述ECU被配置成向所述加热器元件施加不同量的电力。
2.根据权利要求1所述的智能加热系统，进一步包括电力开关，其接收来自所述ECU或开关控制单元的信号，其中，所述ECU存储所述电力开关的开关信息。
3.根据权利要求2所述的智能加热系统，其中，所述电力开关由所述开关控制单元来控制；所述开关控制单元使用所述开关信息；并且，所述开关控制单元与所述ECU进行通信。
4.根据权利要求2所述的智能加热系统，其中，所述开关信息包括：电流和/或电压的测量结果；以及作为正在被切换的电流量的函数的、与所述开关的固态部件相关联的加热速率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的智能加热系统，进一步包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器为单独传感器、单独传感器的组合以及为能够提供多于一个温度测量结果的多结型传感器中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的智能加热系统，其中，所述温度传感器被选定为热电偶或电阻温度装置。
7.根据权利要求6所述的智能加热系统，其中，所述电阻温度装置包括热敏电阻。
8.根据权利要求1所述的智能加热系统，其中，所述多个加热器元件被选定为电缆加热器、管状加热器、筒形加热器、柔性加热器、分层加热器或金属加热器。
9.根据权利要求8所述的智能加热系统，其中，所述金属加热器包括金属箔加热器。
10.根据权利要求1所 述的智能加热系统，其中，所述加热器信息被存储为写入文本、条形码、数据矩阵、射频识别RFID标签，或者被存储在调节模块的存储器中。
11.根据权利要求1所述的智能加热系统，其中，所述ECU被配置成控制所述多个加热器元件以进行加热并且对在柴油氧化催化剂DOC、柴油颗粒过滤器DPF、选择性催化还原剂SCR、稀燃NOX捕集器或者包括后处理催化剂的其它排气部件中存在的热梯度进行补偿。
12.一种包括智能加热系统的排气系统，所述智能加热系统包括：
定义废气的路径的排气部件；
被布置在所述排气部件内并且暴露于所述废气的多个加热器元件，其中，所述多个加热器元件中的每一个存储专用于所述加热器元件的加热器信息，其中，所述加热器信息是预定信息并且包括当所述加热器元件暴露于预选的电压时所述加热器元件的加热速率；以及
电子调节模块ECU，其接收来自所述多个加热器元件中的每一个的加热器信息，并且被配置成基于专用于所述多个加热器元件中的每一个的加热器信息对所述多个加热器元件进行不同的控制以进行加热并且提供所述废气的均匀热曲线，其中，所述ECU被配置成向所述加热器元件施加不同量的电力。
13.根据权利要求12所述的包括智能加热系统的排气系统，其中，所述智能加热系统进一步包括电力开关，其接收来自所述ECU或开关控制单元的信号，其中，所述ECU存储所述电力开关的开关信息。
14.一种废气处理系统，包括：
定义废气的路径的排气部件；以及
智能加热系统，包括：
被布置在所述排气部件内的多个加热器元件，其中，所述多个加热器元件中的每一个存储专用于所述加热器元件的加热器信息，所述加热器信息是预定信息并且包括当所述加热器元件暴露于预选的电压时所述加热器元件的加热速率；
温度传感器，其中，所述温度传感器包括存储传感器信息的信号调节模块；
电力开关；
开关控制单元；
一组开关信息；以及
电子调节模块ECU，其接收来自所述多个加热器元件的加热器信息，并且被配置成控制所述多个加热器元件以进行加热，并且基于所述加热器信息、所述传感器信息和护套温度来提供所述废气的均匀热曲线，
其中，所述开关控制单元使用所述开关信息来控制所述电力开关；所述开关控制单元与所述ECU进行通信。
15.根据权利要求14所述的废气处理系统，其中，所述加热器信息被存储为写入文本、条形码、数据矩阵、射频识别RFID标签，或者被存储在调节模块的存储器中。
16.根据权利要求15所述的废气处理系统，其中，所述智能加热系统通过创建期望的温度曲线来建立热控制；通过同时或交替地向所述智能加热系统中的加热器元件中的全部或一些加热器元件提供电力来创建所述温度曲线。
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