CN86100327A - 适用的电热塞控制器 - Google Patents

Abstract

一种适用的电热塞控制器提供一跟踪模型温度装置以便响应电热塞上出现的温度对将电功率加到一个或多个电热塞上进行控制。几种控制电路控制将电功率加到电热塞上的最大时间并控制在环境及/或发动机的不同温度等级上对电热塞的使用。

Description

本发明一般涉及电热塞控制器，更具体地涉及一种固态电热塞控制器，该控制器适用于控制有表面薄膜加热元件涂在陶瓷基底上的电热塞（glow    plug）。

压缩点火发动机或柴油发动机依赖于汽缸中的燃料的压力和总的温度以便产生点火来驱动发动机。众所周知，在冷启动及当燃料温度及环境温度很低时必须在每个汽缸内装上电热塞。典型的电热塞为绕有金属线的器件，其电阻很小。这些器件在电气上经控制器连到能带动大电流负载的车辆蓄电池两端。所以采用低电阻的原因是为了在很短的响应时间内产生很高的温度。

绕有金属线的电热塞的控制器包括一个或多个继电器及在电路中的一个或多个继电器触点以便断开和接通电热塞的电源通路。此种开及关操作可调节流到电热塞的电流量并当发动机的温度足以压缩点火时关掉电热塞。

绕有金属线的电热塞现在已由表面薄膜电热塞代替，其中预定温度系数的加热元件涂在陶瓷基底上。然后将该电热塞装在汽缸内，其方式与其线绕电热塞相似。在电热塞上的加热材料的电阻值一般高于绕在电热塞上的金属线的电阻值，然而加热材料的加热时间比绕的金属线的加热时间更快。为了准确控制表面薄膜电热塞的加热，必须将继电器及几个接点换成动作较为快速动的固态元件。

为了解决上述问题，发明了下列适用的固态电热塞控制器。其所以是适用的是因为控制器能响应电热塞的实际特性，以便控制电热塞的工作。电热塞控制器和至少一个电热塞一起工作，该电热塞具有一电启动的预定温度系数的加热元件。特别是，这类加热元件可有正温度系数。一检测装置在工作时与加热器相耦合以便检测其上的温度。一响应检测装置的装置，其工作是产生第一电信号，该信号与加热元件的实际温度成正比。另一个装置的工作是产生第二电信号，该信号与加热元件的所要的或预定的工作温度成正比。响应第一电信号的跟踪模型可产生代表加热元件的热上升特性的模型温度电信号。

将模型温度电信号与第二电信号相比较，以便当比较指出实际温度小于所要的温度时产生第一电平信号，当模型温度电信号小于第二电信号的值时产生第二电平信号。第一电平信号使电源装置工作向电热塞元件供电，第二电平信号工作时去掉电源并检测加热元件的温度。

在附图中：

图1为适用的控制器的基本方块图。

图2为本发明的电热塞的最佳实施例的方块图。

图3为图示电热塞温度对时间所画出的电热塞的曲线，并进一步图示在跟踪模型元件中的电压相关情况。

图4及图5为根据本发明的电子控制器的最佳实施例的原理图。

图6及图7为根据本发明的电子控制器的另一实施例的原理图。

控制一个或多个电热塞R12的适用的控制器，以方块图的形式如图1所示，表示该控制器的几个部分之间的关系。此处可能用到的关于这类电热塞的一个例子有在1982年9月30日所申请的美国申请号为430，909的专利申请，其发明名称为“具有导电薄膜加热器的电热塞”，其发明人为马克·埃·布鲁克斯等。关于以上所发现的电热塞的改进的型式有在1983年6月23日申请的，美国专利申请号为507，254的专利申请，其发明名称为“具有电阻性表面薄膜加热器的改进的电热塞”，其发明人为马克·埃·布鲁克斯等。上述两专利申请都已转让给和本发明相同的受让人并在此列为参考。

当控制器[10]收到“启动”或“点火”信号以指示电热塞[12]将要启动或通电时，使定时器[14]复位及探测装置[16]动作。定时器[14]的功能为允许控制器[10]的工作时间不大于最大时间。如果发动机中的电热塞[12]没有启动及/或发动机在时间信号结束时没有正常工作，则控制器[10]将去掉电热塞[12]的电源。当点火开并接通时探测装置[16]由于启动而动作，此时“启动”或“点火”信号将检测电热塞[12]的温度并使用起始温度作为在控制器中的跟踪模型[18]的开始温度。

检测装置[16]的输出及功率驱动器装置或固态功率开关装置[20]的输出及对功率驱动器[20]的控制信号都加到逻辑电路[22]上，该电路图示为一门电路，其中如果功率驱动器接通则门输出关断。如此后所示，当电功率被加到电热塞以提高其温度时，这将阻止探测电热塞的温度。

门[22]的输出加到电热塞热跟踪模型[18]上。模型[18]的功能为产生倾斜波电压，其特性至少与电热塞[20]的热上升特性近似，但最好比其稍微快些。正是由于门[22]及跟踪模型[18]的工作，控制器[10]工作使电热塞[12]温度上升。将代表电热塞的热上升特性的跟踪模型[18]的电压输出与代表电热塞[12]的所要的工作温度的预定电压电平[26]相比较[24]，如跟踪电压较低则功率驱动器装置[20]动作向电热塞[12]供给电源。

如跟踪电压较高，则关掉功率驱动器装置[20]，将检测电流加到电热塞[12]并产生代表电热塞[12]的实际温度的电压。此信号加到逻辑电路[22]上并受比较器[24]输出的控制，使跟踪模型电压更新为代表电热塞的实际温度的探测电压。跟踪模型[18]的电压再次开始直线上升且其电压电平不断地与预定电压进行比较，功率开关装置[20]则对其作出响应或被启动或保持断开。

图2代表更详细的方块图，其中将图1中的几个方块加以扩展。特别是，将探测装置图示为代表将蓄电池电压连接到探测电阻[30]所用的开关[28]。探测电阻[30]连到至少一个电热塞[12]，将电阻与电热塞之间的连接点连接到放大器[32]，该放大器由代表电热塞的冷温度电压的补偿（offset）电压装置[34]进行偏置。

还将定时器[14]扩展图示以说明“启动”信号不仅使定时器[14]复位[36]而且产生使电热塞的起始温度检验起始的起始化[38]信号。第二信号称为“点火”信号或“1G    N”其工作为使定时器[14]起始。环境温度电路[40]连接到定时器[14]以便将其关断并且当控制器[10]环境的环境温度超过预定值时不允许其接通。

将比较器[24]图示为运算放大器，该比较器并具有与其相连的滞后反馈回路。

图3为跟踪模型[18]工作的曲线图。跟踪模型电压为由虚线曲线表示的倾斜波电压。如以后所示，跟踪模型[18]在电容器的充电及放电上运行。图示的曲线是在电容器充电循环的第一时间常数之内，因而主要是一直线。在曲线的右横座标上为电压刻度，左横座标上则为温度刻度。顶部纵座标为电热塞的预定工作温度而底部纵座标则为以秒来测量的时间刻度。本曲线显示在根据本发明的控制器[10]上所做的试验情况。图3图示当跟踪模型[18]被充电到温度参考值时加到电热塞[12]上的蓄电池电压被断开，并且电容器放电到以实线表示的电热塞温度曲线上。

对曲线进行分析后可明显看出包括比较器[24]的跟踪模型[18]不仅通过对实际电热塞及模型的电压表示值进行比较来控制电热塞的温度，并产生控制信号，而且其功能如同一脉冲宽度产生器，可连续地向电热塞循环加电。每次当跟踪模型电压超过预定的参考值时，脉冲宽度产生器就转换状态。这使电容器放电到等于电热塞的瞬时温度的电压电平。脉冲宽度产生器的周期由滞后回路及电热塞温度降低的速度控制。

图4及图5在一起形成适用的固态控制器的最佳实施例的原理图。图1及图2的不同部分用虚线隔开。不同的元件以参考字母及数码作标记，其中参考字母一般为该元件名称的第一字母。在本说明书中的控制器的实施例用于如可在载重车辆中使用的柴油机。这一发动机一般通过驾驶员转动在点火开点内的点火钥匙来启动。

“启动”信号一般由点火钥匙将点火开关从断开位置转到启动位置所产生的，并加到在晶体管开关Q2的基极上的基极电阻R24。Q2的集电极经过包括串联电阻R21及热敏电阻R22的并联通路连接到电压源。如图所示电压源为由稳压电路所产生的稳定电压，该电路包括串联电阻R30，与接地电容器C1及用以在电阻R30、电容器C1及齐纳二极管的阴极的连接点上产生电压的齐纳二极管D6。此电压为11.2伏。

晶体管开关Q2的集电极还连到运算放大器U2-C的倒相输入，分流二极管D4及隔离二极管D12。分流二极管与热敏电阻R22并联工作，当系统断电时可使定时容器C5易于快速放电。定时电容器C5跨接在开关晶体管Q2的发射极及集电极两端。开关晶体管Q2的基极经偏置电阻R25与地相连。

当“启动”信号加到开关晶体管Q2时，定时电容器C5放电且经晶体管Q2的集电极-发射极电路钳在地电位直到“启动”信号从基极电阻R24上去掉为止。在开关晶体管Q2关断时，定时电容器C5开始经R21及R22充电。充电速率确定定时器的正常时间周期。

运算放大器U2-C的不倒相输入连到由电阻分压网络R19及R20所产生的电压电平。当C5放电到超过不倒相输入的电压电平的电压电平时，运算放大器U2-C的输出转换为较低的电平，在本实施例中形成一负向信号。此信号经隔离二极管D3加到功率开关晶体管Q5的基极使该晶体管关断并将开关晶体管Q12接通到功率驱动器。

从运算放大器U2-C来的输出信号还加到电阻网路R26，R27并送到开关晶体管Q3的基极。开关晶体管Q3及二极管D5的功能是控制检测控制晶体管Q4向被检测的电热塞供给检测电流。当开关晶体管Q3导通且二极管D5也正向偏置时检测控制晶体管Q4接通并且经探测电阻R38向电热塞供给电流。当开关晶体管Q3关断时其集电极电路中没有电流流经电阻器R28，R29，该集电极电路形成检测控制晶体管Q4的基极驱动电路。将检测控制晶体管Q4关断去掉流到电热塞的检测电流。

开关晶体管Q3由定时器的输出及门控制功率晶体管Q12的输出两者控制。当门控制功率晶体管Q12饱和时，开关晶体管Q3经隔离二极管D5接地。因而有检测电流加到检测电阻R38上的唯一时间是当定时器[14]接通且输出驱动器Q6断开之时。

在起始点火开关接通时，定时器[14]将基极电流供给开关晶体管Q3。正向信号经C4及C8将比较器的输出驱动为高电平，该输出使功率开关晶体管Q5关断并使门控制晶体管Q12接通或饱和。其结果是检测控制晶体管Q4接通并向电热塞供给检测电流。

在检测电阻R38及电热塞的连接点上所产生的电压信号加到检测放大器U2-A，并经电阻R1加到检测放大器的不倒相输入。补偿电路R2及R3建立代表在冷温度下的电热塞的电压电平的校正电压电平，并连接到放大器U2-A的倒相输入。此电压电平由点火信号及电阻R2、R3所形成的分压器产生。放大器U2-A的增益由电阻R4及R5所决定。运算放大器的补偿电路及增益电路两者的功能是模仿电热塞增益特性。因而当检测电热塞时放大器产生与电热塞的温度成正比的信号。

钳压二极管D1的工作是当功率开关晶体管Q5饱和时将放大器U2-A的倒相输入钳到功率开关晶体管Q5。当功率开关晶体管Q5截止时钳压二极管D1反馈偏置。钳压二极管D1的功能是防止放大器U2-A饱和并防止在系统中引入不必要的延时。

电气上连接在检测放大器U2-A的输出及比较器U2-B的倒相输入之间的是取样门晶体管Q1及热跟踪模型[18]。

如前所述，热跟踪模型[18]的功能是产生代表电热塞的热上升特性的倾斜波电压。当电热塞被检测时取样门晶体管Q1的功能是使跟踪模型[18]复位到代表电热塞的实际温度的电压上。为了实现此点，对取样门晶体管Q1的基极驱动经基极电阻R6连到功率开关晶体管Q5。因而，当受控制的功率开关晶体管Q12的门电压由于功率开关晶体管Q5断开而是高电平时取样门晶体管Q1的基极导通，集电极一发射极电路工作将跟踪模型[18]的电压钳到检测放大器U2-A的输出电压电平上。

跟踪模型[18]是电阻电容串联电路R7，C2，其中电阻R7及电容器C2的连接处连接到取样门晶体管Q1并经串联电阻R8连到比较器运算放大器U2-B的倒相输入。电容器C2经电阻R7充电以便产生代表电热塞的热上升特性的倾斜波电信号。

比较器[24]的工作是将跟踪模型[18]中的电容器C2上的倾斜波电压与由包括电阻R10及R11的温度参考电压分压电路所产生的电压进行比较。电阻R10根据电热塞的工作特性进行调整。温度参考的功能是提供与电热塞的所要工作温度成正比的电压信号。在图3中此温度为1750°F（954℃），其电压约为5.5伏。

包括有电阻R13及电容C3的并联电路的滞后电路连接在比较器放大器U2-B输出与其不倒相输入之间。滞后电路的目的在于当跟踪模型[18]的电压超过预定的温度等级电压时在开关期间使比较器U2-B工作稳定。

功率开关晶体管Q5的工作是向门控制晶体管Q12供给门电压。功率输出晶体管Q6由门控制晶体管Q12控制，该门控制晶体管由于在其门上加有高信号而饱和时使加到功率输出晶体管Q6的偏压接地。这就保证了当“关”点火开关时功率输出晶体管Q6保持关断。电阻R7直接连接到蓄电池使门控制晶体管Q12接通以防止功率输出晶体管接通。

为了保证功率输出晶体管Q6饱和，应用倍压电路C6将较高的电压信号加在门上。

参见图6及图7，其中以原理图形式图示固态电热塞控制器的另一实施例。图4及图5所示的实施例与图6及图7所示的实施例之间的差别在于使用霍尔效应器件作为检测电热塞加热器的温度的装置。如前所述，电热塞加热器的温度与供给加热器的电流量成正比。在正温度系数加热器中当温度上升时，加热器的电阻增加，而如果电压恒定则电流减小。当然在负系数电阻加热器中情况正好相反，在该场合下，当温度上升时电阻下降而电流增加。

对于其电热塞加热器为正温度系数电阻加热器的那些系统可应用图6及图7的原理图。如在图7中所示，将到电热塞的引线中一根引线选为检测引线并将霍尔效应器件[44]耦合到该引线上。霍尔效应器件[44]的输出在电气上连接到运算放大器U2-A的不倒相输入的输入电阻R1上。如前所讨论的那样，放大器U2-A的倒相输入包括等于电热塞加热器的冷温度电阻的电压或电流参考。放大器的输出为代表加热器温度的电信号，并经输入电阻R8加到比较器U2-B的倒相输入。预定温度参考电压在电气上连接倒相输入，该预定温度为电热塞加热器所要的工作温度。当电热塞的温度上升时，供给电热塞的电流量减少。电路的其余部分的功能和图4及图5所述的相同。

如图7所示的检测电路的另一中实施例可放一电流变压器（图中未画出）与电热塞串联。变压器的输出为一与流经变压器的一个绕组的电流成正比的电流信号。

如使用负温度系数加热器，此处所描述的电热塞的原理和概念都可应用，并应改变各种极性。总之，正电压应为负电压，倒相输入应为不倒相输入。

因而已显示并说明了如在柴油机中出现的一个或多个电热塞用的固态、无触点适用控制器。控制器的适用性方面来自以下事实即所使用的供给电热塞加热器的实际取样功率通常是以反馈方式来控制加全功率。

Claims (10)

1、一种适用的电热塞控制器[10]，适用于至少一个带有一预定温度系数元件的电启动加热器的电热塞，该控制器包括：

其工作时与电热塞加热器[12]中的一个相耦合并对供给上述一个电热塞加热器的电功率量进行响应的检测装置[16]；

对上述检测装置[16]作出响应产生与上述一个电热塞加热器的温度成正比的第一电信号的装置[32]；

产生代表上述电热塞加热器所要的工作温度的第二电信号的装置[18]；

响应上述第一及第二电信号且其工作为当上述第一及第二电信号中的一个电信号小于上述第一及第二电信号中的另一个电信号时产生第一电平信号，而当上述第一及第二电信号中的上述一个信号大于上述第一及第二电信号的另一电信号时产生第二电平信号的比较装置[24]；及

包括一响应上述第一电平信号以便向至少一个电热塞加热器供电的功率驱动器装置的功率供给装置[20]。

2、如权利要求1所述的电热塞控制器，其中上述检测装置[16]为适用于测量加到至少一个电热塞加热器[12]的电流量并响应加到该处的电流量以便生产与至少一个电热塞加热器的温度成正比的电信号的霍尔效应器件[44]。

3、一种适用的电热塞控制器[10]，适用于至少一个其上具有带预定温度系数的元件的加热器的电热塞，该控制器包括：

其工作为与电热塞相耦合对电热塞加热器的温度进行检测的检测装置[16];

响应上述检测装置产生与电热塞加热器的实际温度成正比的第一电信号的装置[32];

产生代表电热塞加热器所要的工作温度的第二电信号的装置[26];

包括产生代表电热塞加热器的热上升特性的模型温度电信号的一跟踪模型[18]及响应上述第二电信号和上述模型温度电信号的一比较装置的装置，该比较装置当上述第二电信号小于上述模型温度信号时产生第一电平信号而当上述第二电信号大于上述模型温度信号时产生第二电平信号，上述第二电平信号的工作为使上述跟踪模型复位到上述第一电信号;及

包括功率驱动器装置的功率供给装置[20]，该功率驱动器装置响应上述第一电平信号将电加给上述电热塞加热器并响应上述第二电平信号使上述检测装置工作。

4、如权利要求3所述的电热塞控制器还包括：

当电热塞控制器工作时产生指示用的点火信号的装置;及

响应上述点火信号产生具有代表电热塞的工作时间的预定时间长度的时间电信号的定时装置[14]。

5、如权利要求4所述的电热塞控制器还包括：响应一启动信号产生具有预定时间长度的第二时间电信号以便使上述检测装置工作并使上述功率供给装置在上述启动信号起始后立即不工作以确定电热塞加热器的起始温度的复位装置[36]。

6、如权利要求3所述的电热塞控制器还包括响应环境温度使上述功率供给装置当环境温度超过预定值时不对电热塞加热器供电的装置[26]。

7、如权利要求3所述的电热塞控制器其中上述跟踪模型[18]包括其时间常数不超过电热塞加热器的热时间常数的电阻电容电路。

8、如权利要求7所述的电热塞控制器还包括响应上述功率启动信号电平使上述电容器充电并响应上述检测信号电平使上述电容器放电到上述第一电信号的门装置。

9、如权利要求3所述的电热塞控制器其中上述功率供给装置包括至少一个功率晶体管，该晶体管在电气上串联连接在电源及上述一个或多个电热塞加热器之间且响应上述第一电平信号进行工作。

10、如权利要求9所述的电热塞控制器其中上述功率晶体管为一场效应晶体管。

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