估計電熱塞溫度的方法和裝置的製作方法

2023-05-03 19:26:56

專利名稱：估計電熱塞溫度的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種估計電熱塞溫度的方法和裝置。
背景技術：
壓燃式發動機通常裝配有電熱塞系統。該電熱塞系統在發動機點火時以及在工作 的發動機預熱階段提供普通的助燃。這一系統的核心零件是電熱塞，該電熱塞的端部可以 通過電能向熱能的轉化達到超過900°C的高溫。每個汽缸都配有電熱塞，根據發動機和環境情況的需要，通常是冷的情況下，該電 熱塞會被打開。電熱塞的作用相當於電阻。它們的電阻值隨溫度變化。在溫度升高時，內 阻值也增加。各種不同的電熱塞技術都在應用。電熱塞可以是高壓或者低壓，它們也可以由不 同的材料製成，例如金屬電熱塞和陶瓷電熱塞。高壓電熱塞通常直接由汽車電池供電。相 反，由於低壓電熱塞具有低於電池電壓的額定電壓，它們通常需要脈寬調製(PWM)電源來 獲得正確的電壓。特別是低壓電熱塞可以很容易地通過將PWM的MOSFETs的門極連接到電 子控制單元並控制PWM的工作循環而得以控制。

發明內容
本發明提供了一種用於在計算機、微控制器及類似裝置中執行的、用於控制壓燃 式發動機的一個或者多個電熱塞的方法。電熱塞的控制包括預測電熱塞的溫度以控制電熱 塞的功率供給。特別的，可以通過控制脈寬調製的脈衝寬度來控制。按照本發明，確定電熱塞的供給功率以及燃燒室溫度。供給功率的確定包括讀入 供給功率的輸入值或者讀入派生出供給功率的若干輸入值，例如脈寬調製的脈衝寬度或者 供給電壓。確定燃燒室溫度包括讀入燃燒室溫度的輸入值或者讀入派生出燃燒室溫度的若 幹輸入值。這些輸入值可以包括但不限於，發動機負載，發動機轉速，冷卻水溫度和進氣溫 度。預測電熱塞的溫度並且所預測的電熱塞的溫度被用來控制電熱塞的功率供給。例 如可以通過開關MOSFETs或者其他類型的電晶體或者開關電熱塞繼電器控制功率供給。預測的電熱塞溫度是從電熱塞溫度的一個微分方程的一個數值解推導出來的。該 微分方程關於電熱塞溫度是非線性的，因為該微分方程包括電熱塞溫度的大於一次的冪。 特別是提供了這樣一個微分方程，該微分方程包括用於對輻射熱傳遞建模的電熱塞溫度的 四次冪以。推導電熱塞溫度包括將輸入值或者計算值插入到一個或者一組代表所述微分方 程數值解的方程中。在另一種可選的實施形式中，如果第二次估計和通過微分方程數值解推導出的第 一次估計的差超過了一個預先設定的值，電熱塞溫度的預測包括將預測的電熱塞溫度重置 成第二估計。按照本發明，從一個功率守恆方程或者一個等價的能量守恆方程推導出電熱塞溫度的微分方程。功率守恆方程包括至少四項，即，Pg，Pi，Pe，Pc，其中Pg表示電熱塞的供給 功率，Pi表示單位時間內存儲在電熱塞中的能量，Pe單位時間內的輻射的能量，Pc表示單 位時間內通過對流或者傳導傳遞的的熱能。在此，「推導」意味著存在一個和具有項Pg，Pi， Pe, Pc的微分方程等價的方程。按照本發明，用於電熱塞溫度的微分方程具有如下形式Pg(t) =A*d/ dtTg(t) +B*Tg (t) +C*Tg (t) 4+D (t)，其中，Pg是提供給電熱塞的能量，Tg是電熱塞的溫度，A， B，C是從預先標定的值推導出來的，D (t)是燃燒室溫度的函數。A，B，C是從預先標定的值 推導出來的，因為它們是由輸入值和預先標定的特性曲線所確定或者它們是預先標定的常數。按照本發明，電熱塞的功率供給可以用各種方法加以控制。例如，可以通過控制電 熱塞繼電器的開啟時間或者控制電晶體的開啟時間來加以控制。電晶體的開啟時間可以用 脈寬調製(PWM)加以控制。尤其在電晶體通過PWM控制時，電熱器可以很容易地由數字控 制器加以控制。此外，本發明公開了一種根據前述方法控制電熱塞溫度的裝置，該裝置包括根據 至少電熱塞的供給功率和燃燒室的溫度預測電熱塞溫度的器件。在本發明的一種實施形式 中，該器件由一個模式編程單元，一個邏輯單元和一個門極驅動單元來提供。該裝置還包括 得出燃燒室溫度的器件，該器件要麼通過讀入輸入值，要麼根據輸入值計算燃燒室溫度。在 本發明的一種實施形式中，該器件由連接在發動機控制單元的輸入26提供。該裝置包括用於得出通過電熱塞和燃燒室之間輻射傳熱所傳遞的熱能的量的器 件。在按照本發明的一種實施形式中，該器件由所述裝置的邏輯單元內編寫的指令來提供。 該裝置還包括從預測的電熱塞溫度推導出用於電熱塞溫度的溫度控制值的器件。在按照本 發明的一種實施形式中，該器件由所述裝置的邏輯單元內的控制器來提供。該控制器使用 預測的電熱塞溫度和希望的電熱塞溫度作為輸入值。該裝置還包括從溫度控制值計算脈寬 調製的脈衝寬度的器件，該器件由門極驅動單元提供。


圖1示出了 一個電熱塞控制裝置和所控制的電熱塞，圖2示出了燃燒室內能量流的示意圖，圖3示出了電熱塞的計算算法的輸入和輸出值，圖4示出了與圖3所示的計算算法等效的電路圖，圖5示出了電熱塞控制方法的流程圖。
具體實施例方式在以下描述中，提供了本申請(發明)的實施形式的細節。然而，顯然對於本領域 技術人員，不需要這些細節也可以完成所述實施形式。圖1示出了用於以加熱線圈表示的電熱塞12的電熱塞控制裝置11。該電熱塞12 通過場效應管(M0SFETS) 14連接到電源13上。每個M0SFETS14的一個門極連接到電熱塞 控制裝置11內的一個門極驅動單元16的一個相應輸出上。在每個M0SFET14的漏極和相 應的電熱塞12之間設置敏感電阻器17。每個敏感電阻器17的輸入和輸出連接到所述電熱塞控制裝置11內的診斷單元19的相應輸出和相應輸入上。所述電熱塞控制裝置11還包括一個邏輯單元20，該邏輯單元又包括一個診斷邏 輯和一個控制邏輯。所述邏輯單元20的診斷輸出22連接到一個沒有示出的發動機控制單 元(E⑶)上。所述邏輯單元20的控制輸入23連接到該E⑶上。此外，所述電熱塞控制裝 置11包括一個模式編程單元25。該模式編程單元25通過一輸入26連接到傳感器輸出。 所述電熱塞控制裝置11的一個電壓傳感輸入28連接到電源13上，並且所述電熱塞控制裝 置11的功率輸入29連接在電源電壓上。在運行過程中，邏輯單元20通過控制輸入23接收來自E⑶的控制輸入，並且模式 編程單元25通過輸入26接收傳感值。模式編程單元25基於該傳感值確定運行模式，並向 邏輯單元20發出輸出值。傳感值可以包括尤其是發動機冷卻液或者冷卻水的溫度，發動機 轉速，噴射的燃油，發動機的輸出扭矩。ECU利用一個適當的模型從傳感值得出燃燒室溫度， 並把得出的燃燒室溫度提供到輸入26。ECU也可以向電熱塞控制裝置11提供進一步的信 息，例如發動機馬達前一次空轉階段的長度。邏輯單元20的控制邏輯基於所述電熱塞控制裝置11的輸入值計算每一個電熱塞 12的希望的有效電壓。門極驅動單元16利用該希望的有效電壓為每一個電熱塞12計算脈 寬調製的工作周期(duty cycle)的長度，並根據該工作周期控制M0SFETS14的門極。通過對敏感電阻器17的輸入和輸出，診斷單元19推斷出每一個敏感電阻器17的 電壓降。根據該電壓降，診斷單元推斷出每一個電熱塞12的供電電流。診斷單元19將得 出的供電電流值提供給模式編程單元25。此外，如果得出的供電電流高於或者低於指定的 邊界值，診斷單元25就產生了一個錯誤條件。圖2示出了 一個這裡沒有示出的內燃機的燃燒室內的能量轉化過程。一電熱塞12 的一端部32伸入燃燒室34。沒有示出的一加熱線圈和一調製線圈設置在電熱塞12的端部 32內。在電熱塞12的上端設置有一個用於供電電流的端子33。燃燒室34包含通過一沒 有示出的噴射閥輸送到燃燒室34內的油氣混合物35。可運動的活塞37位於燃燒室34內 和電熱塞12相對的一側。在電熱塞12工作時，電能通過端子33將存儲功率Pg提供給電熱塞12。存儲功 率Pg轉化成電熱塞12的存儲功率Pi，轉化成考慮了對流和傳導的熱傳遞的加熱功率Pc， 並轉化成考慮了輻射熱傳遞的加熱功率Pe。這導致如下功率守恆方程Pg = Pi+Pc+Pe (1)在建模的這一層次，向外界的熱量損失及活塞37運動造成的能量損失/增加不予 考慮。圖2的箭頭表示所述功率平衡方程的四項Pg，Pi, Pc, Pe。圖3在框39的左側示出了輸入值38，在框39的右側示出了預測值40。框39示 意表示數據轉化。輸入值38包括供給的電功率Pg，通常由ECU計算的燃燒室溫度Tcc，以 及冷卻劑的溫度T&_。預測的輸出值40包括電熱塞溫度Tg，傳遞的輻射功率Pe，由傳導 和對流傳遞的加熱功率Pc，內部存儲的功率Pi。圖4示出了一個等效電路圖42，該電路圖提供了用於所述電熱塞12之一的上述 功率守恆方程(1)的四項Pg，Pi, Pc, Pe的一個類似模型。模型參數Rth，Cth和F在框內 示出。在該模型的範圍內，功率項建模成電流，溫度建模成相對接地水平47的電壓。特別 的，電熱塞的功率供給建模成一電流源43。電熱塞的內部熱存儲用一個電容為Cth的電容器建模。從電熱塞通過傳導和對流的熱傳遞用一個阻值為Rth的電阻45來建模。從電熱 塞向燃燒室的輻射傳遞建模成和電流源43相同地驅動的受控電流源46。該受控電流源46 的輸出取決於模型參數F。燃燒室溫度建模成一個受控的電壓源48。電熱塞溫度Tg建模成在電壓源43與電容44和電阻45的輸入之間的一個參考點 相對於接地水平47測得的電壓。電阻45和受控的電流源46並聯連接在電流源43和受控 的電壓源48之間。電容44連接在電流源43和地47之間。這一模擬模型可以由這裡沒有示出的一個電路圖實現。電流源46，48可以由定製 的元件提供。按照等效電路圖42，計算數字模型由方程(1)和如下方程所確定。Pg = Vpeak 氺 Ipeak 氺 D (2)Pi = Cth*d/dt Tg(3)Pc = (Tg-Tcc) /Rth (4)Pe = k_b*F* (Tg4_Tcc4) (5)按照方程(2)，輸送給電熱塞12的功率Pg等於電壓Vpeak乘以電流Ipeak乘以工 作周期的長度。在此，Vpeak和Ipeak是脈寬調製的工作周期的矩形脈衝時電熱塞上的電壓 和電流。D是工作周期長度除以脈寬調製周期長度。電熱塞上的電壓Vpeak和電流Ipeak 分別由傳感電阻17處測得的電流和M0SFET14的電源電壓所估計。對於變化的周期長度，平均功率由如下公式給出
權利要求
一種用於控制壓燃式發動機的一個或多個電熱塞的方法，該方法包括 確定電熱塞的供給功率和燃燒室溫度； 預測所述電熱塞的溫度； 用所預測的電熱塞溫度控制所述電熱塞的功率供給，其中，從一關於所述電熱塞溫度的微分方程的數值解推導出所述預測的電熱塞溫度，並且其中，該關於所述電熱塞溫度的微分方程對於所述電熱塞溫度是非線性的。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵為，所述關於電熱塞溫度的微分方程源自包括 至少4項，S卩，Pg, Pi, Pe, Pc的功率守恆方程，其中，Pg表示所述電熱塞的供給功率，Pi表 示單位時間內存儲在所述電熱塞中的能量，Pe表示單位時間輻射的能量，Pc表示單位時間 通過傳導或對流傳遞的熱能。
3.按照前列權利要求之一所述的方法，其特徵為，所述微分方程形式為Pg (t) = A*d/dt Tg(t)+B*Tg(t)+C*Tg(t)4+D(t)其中，Pg是所述電熱塞的供給能量，Tg是電熱塞溫度，A，B，C源自預先標定的值，並且 D(t)是一關於燃燒室溫度的函數。
4.按照前列權利要求之一所述的方法，其特徵為，通過控制一電熱塞繼電器的開啟時 間控制所述電熱塞的功率供給。
5.按照前列權利要求之一所述的方法，其特徵為，通過控制一電晶體的開啟時間來控 制所述電熱塞的功率供給。
6.按照前列權利要求之一所述的方法，其特徵為，從發動機冷卻液的溫度推導出所述 燃燒室的溫度。
7.按照權利要求6所述的方法，其特徵為，進一步由發動機負載推導出所述燃燒室的溫度。
8.一種用於按照前列權利要求所述的方法控制電熱塞溫度的裝置，其特徵為，所述裝 置包括用於從電熱塞的至少一個供給功率和燃燒室溫度預測電熱塞溫度的器件，並且所述 裝置包括推導出所述燃燒室溫度的器件。
9.按照權利要求8所述的裝置，其特徵為，所述裝置還包括用於得出通過所述電熱塞 和所述燃燒室之間的輻射傳熱所傳遞的熱量的器件。
10.按照權利要求8或9所述的裝置，其特徵為，所述裝置包括用於從預測的電熱塞溫 度推導出用於電熱塞溫度的溫度控制值的器件。
11.按照權利要求8至10之一所述的裝置，其特徵為，所述裝置包括用於從所述溫度控 制值計算出脈寬調製的脈衝寬度的器件。
12.—種具有電熱塞的壓燃式發動機，其特徵為，一個或多個所述電熱塞由按照權利要 求8至11之一所述的裝置控制。
13.一種具有按照權利要求12所述的壓燃式發動機的車輛。
14.一種用於執行按照權利要求1至7之一所述方法的、計算機可用的程序代碼。
15.一種電腦程式產品，包括一計算機可用的介質，該計算機可用的介質具有用於執 行按照權利要求1至7之一所述方法的、計算機可用的程序代碼。
全文摘要
本發明提供了一種用於控制壓燃式發動機內一個或者多個電熱塞的方法。電熱塞的控制包括預測電熱塞的溫度以控制電熱塞的電源。確定電熱塞的電源和燃燒室溫度。預測電熱塞的溫度，且該預測的電熱塞溫度值用於控制電熱塞的電源。預測的電熱塞溫度從一關於電熱塞溫度的微分方程的數值解推導出來。該微分方程關於電熱塞溫度是非線性的。
文檔編號F02P19/02GK101994631SQ20101026072
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月19日 優先權日2009年8月19日
發明者斯蒂法諾·卡薩尼 申請人:通用汽車環球科技運作公司