被加热的汽车部件的温度控制的灵敏度增大的电阻确定的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于被加热的汽车部件的温度控制的灵敏度增大的电阻确定。确定被加热的部件的电阻用于温度控制和监控。接收电压表示信号，所述电压表示信号与跨越加热器部件的电压成比例。通过确定在电压基线偏移和电压表示信号之间的差值而生成增强的电压表示信号，所述电压基线偏移表示加热器部件的最小操作电压。接收电流表示信号，所述电流表示信号与通过加热器部件的电流成比例。通过确定在电流基线偏移和电流表示信号之间的差值而生成增强的电流表示信号，所述电流基线偏移表示加热器部件的最小操作电流。所述增强的电流表示信号被调制以生成与调制量成比例的电阻表示信号，所述调制量使得增强的电流表示信号近似等于所述增强的电压表示信号。
【专利说明】被加热的汽车部件的温度控制的灵敏度增大的电阻确定
[0001]对相关申请的交叉引用
本申请与以下5个美国临时专利申请相关:
在与本临时专利申请同日提交的并且由代理人案号2012P01913US所识别的、由Perry Czimmek、Mike Hornby 和 Doug Cosby 所发明的 Using Resistance Equivalent toEstimate Temperature of a Fuel-1njector Heater (使用电阻等效以估计燃料喷射器加热器的温度)。
[0002]在与本临时专利申请同日提交的并且由代理人案号2012P01914US所识别的、由Perry Czimmek 所发明的 Tuned Power Amplifier With Loaded Choke For InductivelyHeated Fuel Injector (用于电感加热的燃料喷射器的具有加载扼流圈的调谐功率放大器)。
[0003]在与本临时专利申请同日提交的并且由代理人案号2012P01915US所识别的、由Perry Czimmek 所发明的 Tuned Power Amplifier with Multiple Loaded Chokes forInductively Heated Fuel Injectors (用于电感加热的燃料喷射器的具有多重加载扼流圈的调谐功率放大器)。
[0004]在与本临时专利申请同日提交的并且由代理人案号2012P02060US所识别的、由Perry Czimmek、Mike Hornby 和 Doug Cosby 所发明的 Using Resistance Equivalent toEstimate Heater Temperature of an Exhaust Gas After-Treatment Component (使用电阻等效以估计废气后处理部件的加热器温度)。
[0005]在与本临时专利申请同日提交的并且由代理人案号2012P02175US所识别的、由 Perry Czimmek 所发明的 Resistance Determination For Temperature Control OfHeated Automotive Components (用于被加热的汽车部件的温度控制的电阻确定)。
【技术领域】
[0006]本发明的实施例通常涉及用于汽车加热器并且更具体地用于为可变喷雾燃料喷射器或电子催化剂而控制加热器的功率电子设备。
【背景技术】
[0007]有用于改进内燃机排放质量的持续需要。同时，有最小化发动机曲柄发动次数(engine crank times)和从接通到开走的时间同时维持最大燃料经济性的压力。这些压力适用于用可替代燃料被供给燃料的发动机以及那些用汽油被供给燃料的发动机，所述可替代燃料诸如乙醇。
[0008]在冷温度发动机起动期间，常规的火花点火内燃机由高碳氢化合物排放和不佳的燃料点火和可燃性所表征。除非在停止和热浸(hot-soak)之后发动机已经处于高温，否则曲柄发动时间可能是过度的，或者发动机可能根本不起动。在较高速度和负载下，操作温度升高并且燃料雾化和混合改进。
[0009]在实际发动机冷起动期间,完成起动所必需的浓集(enrichment)许可(leave)具体化为高尾管碳氢化合物排放的非化学计量(off-stoichiometric)燃料供给。最差的排放在发动机操作的最初几分钟期间，在此之后催化剂和发动机接近操作温度。关于乙醇供给燃料的车辆，由于燃料的乙醇百分比部分增大到100%，冷起动的能力变得越来越变小，导致一些制造者包括双燃料系统，其中用常规汽油为发动机起动供给燃料，并且用乙醇级(ethanol grade)为发动机运行供给燃料。这种系统是昂贵并且冗余的。
[0010]对在低温下冷起动排放和起动困难的另一个解决方案是将燃料预热到以下温度:其中燃料当被释放到歧管或大气压力时快速汽化或立即汽化(“闪速沸腾”(flash boil))。只要考虑燃料状态，预热燃料重现热发动机。
[0011]已经提议了许多预热方法，大多数预热方法涉及在燃料喷射器中预热。燃料喷射器被广泛用于将燃料计量供给到汽车发动机的进气歧管或汽缸中。燃料喷射器通常包括包含大量加压燃料的外壳、燃料进口部分、包含针阀的喷嘴部分和机电致动器，所述机电致动器诸如电磁螺线管、压电致动器或用于致动针阀的另外的机械装置。当针阀被致动时，加压燃料通过阀座中的喷口喷出并且进入到发动机中。
[0012]已经被用于预热燃料的一种技术是包括具有时变或稳态电流的燃料喷射器的电阻性加热金属元件。电能在几何上和材料上适合于由焦耳或欧姆损耗加热的部件内部被转换成热，所述焦耳或欧姆损耗由通过该部件的电流流动所引起。
[0013]被加热的燃料喷射器不仅在解决与汽油系统相关联的上述问题中是有用的，而且在预热乙醇级燃料以在没有冗余汽油燃料系统的情况下成功完成起动中也是有用的。
[0014]因为加热技术使用电流，所述系统包括电子设备，所述电子设备用于向燃料喷射器中的部件提供适当激励。该激励可以包括控制电能并且确定何时施加电能。
[0015]常规电阻性加热是开环或在没有基于温度的电能控制情况下被完成的。远程恒温器或计算模型可以被合并以提供某种控制用以防止失控温度事件和对燃料喷射器的损害。更复杂的方法可以监控通过加热器的电流以估计温度或指引热电耦、正/负温度系数传感器或用于确定温度的其它装置用于更精确地调节喷射器加热器温度。
[0016]被加热的金属部件将具有对电流的电阻正温度系数(即当其温度升高时其电阻将增大)。理想地，知道初始电阻和最终电阻将允许以某一精确度知道部件温度。用于电阻性加热器的最佳金属通常具有非常小的正温度系数并且因此只通过监控电流来测量电阻改变将由许多互相连接部件的老化和线束电阻而降低灵敏度。因此，从其它串联部件的电阻改变来辨别加热器部件的电阻改变变得困难。
[0017]更精确地知道加热器部件的电阻改变以便可以完成温度控制将会是有利的。
【发明内容】
[0018]根据本发明的实施例，被加热的部件的电阻被确定用于温度控制和监控。与跨越(across)加热器部件的电压成比例的电压表示信号被接收。通过确定在电压基线偏移和所述电压表不信号之间的差值来生成增强的电压表不信号，所述电压基线偏移表不加热器部件的最小操作电压。与通过加热器部件的电流成比例的电流表示信号被接收。通过确定在电流基线偏移和所述电流表示信号之间的差来生成增强的电流表示信号，所述电流基线偏移表示加热器部件的最小操作电流。所述增强的电流表示信号被调制以生成与调制量成比例的电阻表示信号，所述调制量使得所述增强的电流表示信号近似地等于所述增强的电压表不信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是用于本发明实施例的操作环境的图示。
[0020]图2是根据本发明的实施例的信号流图。
[0021]图3类似于图2并且描绘根据本发明实施例的用于增大电阻测量灵敏度的附加部件。
[0022]图4是根据本发明的实施例的简化示意图。
[0023]图5类似于图4并且描绘根据本发明实施例的用于增大电阻测量灵敏度的附加部件。
[0024]图6是描绘根据本发明实施例的功能性的示波器数据的图表。
【具体实施方式】
[0025]本发明的实施例目的在于确定在最小操作点以上的加热器部件电阻并且提供信号，所述信号在感兴趣范围内将该电阻表示为等效于信号表示电压与信号表示电流的除法的输出解。可以通过精确测量跨越在电子组件内部的小值精确电阻器或“电流感测电阻器”的电压降来测量电流。该电压降与流经电阻器的电流直接成比例。然后可以通过精确测量跨越加热器部件的电压来详细叙述对该电流的了解。诸如汽车电子系统的许多系统具有最小操作电压，在所述最小操作电压以下，所述系统通常被锁定功能或去活。该系统不充分利用资源和测量范围以包括该最小操作点，因为在该值以下没有什么将被测量。可以从跨越加热器部件的电压的测量值减去操作电压的最小值，并且余数在可用信号范围上被放大，从而增大在感兴趣范围上的改变的测量的灵敏度。同样地，在系统的最小电压下将有通过加热器设备的最小电流，可以从测量电流减去所述最小电流，余数被放大并且再次增大在感兴趣范围上的改变的测量的灵敏度。跨越加热器部件的该增强的电压除以与在感兴趣范围上的电流成比例的所述增强的电压，以满足来自欧姆定律的关系，以便根据公式R=V/I，在感兴趣范围上的电阻现在可以是已知的，其中R是电阻，V是电压并且I是电流。所述电阻可以被提供，作为与脉宽调制(PWM)信号的占空比成比例的电压。所述PWM信号具有占空比，所述占空比使得与通过加热器部件的电流成比例的电压等效于与跨越加热器部件的电压成比例的电压。本发明的实施例产生该电阻了解，并且从该了解中，被加热的部件的温度可以被估计并且然后基于所估计的温度被调节。
[0026]图1是用于本发明实施例的操作环境的图示。在图1中，本发明的实施例的功能位置被描绘为除法等效模块113。用于包括但不限于电感加热的燃料喷射器或用于废气后处理的被加热的部件的汽车部件的加热器110参考以下加热器部件，所述加热器部件的电阻将根据温度被确定。也被称为加热器电流信号120的I感测电阻器差动电压表示通过I感测电阻器122并且因此通过加热器110的电流。电流测量电路127包括I感测电阻器122和差动电压运算放大器126。可以在功率开关或负载的高压侧或低压侧使用电流感测电阻器。可以利用霍尔传感器或利用诸如感测线圈的其它类型磁传感器完成电流测量。
[0027]也被称为加热器电压信号108的跨越加热器的差动电压表示与流经加热器的电流直接有关的激励电压。两个差动电压针对欧姆定律关系R=V/I使用模拟或数字除法等效(division equivalent)113而被求解，以作为电压等效加热器电阻信号112提供结果。可以根据本领域中已知的常规技术、通过组合包括但不限于以下内容的操作和部件来实施模拟或数字除法等效113:以数字解的求和和移位寄存器；以及以模拟解的对数、总和或差值和逆对数放大。电阻差动放大器中的改变118于是求得在电压等效加热器电阻信号112和电阻参考值R-ref 124之间的差值。这生成德耳塔或电阻改变或误差信号，其可以作为等效温度上升信号123被引入到温度控制模块130。该等效温度上升信号123可以随时间被积分并且可以与温度参考T-ref 128比较，其中所述随时间积分可以在计算上或通过模拟转换被执行以执行积分功能。温度控制模块130可以使用该比较以确定是否应当通过关断功率开关116而从加热器移除功率,对于该示例,所述功率开关116在图1中由MOSFET表示。温度控制模块130可以是:微控制器、数字“恒温器”、PID (比例积分微分)控制器或使用被积分的并且与目标温度改变、绝对温度或某一其它温度参考比较的温度改变(所述温度改变由等效温度上升信号表示)的任何接口。如果等效温度上升信号123太高，温度改变太大，那么功率开关116可以被去能，从而关断加热器110。于是冷却模型可以被使用以确定何时再次开启加热器。或者如果使用连续设定点控制策略，那么功率开关可以被迅速开启和关断(或如同模拟音频放大器一样在线性区域中被操作)以通过重复调整加热器功率而将温度调节到目标温度。
[0028]跨越加热器110的差动电压可以通过差动电压测量电路109而被获得，所述差动电压测量电路109可以包括差动电压运算放大器114和尽可能接近于实际加热器电连接的一对到加热器的开尔文连接104-1和104-2。该对开尔文连接指的是进行力和感测连接的接头。力部件是高载流导体并且感测部件是用于获得该连接处的电压电势的并联导线。有两个开尔文连接，以便一个导体对承载加热器的电流并且另一个导体对用于获得电压电势。在适当尺寸的载流对用以最小化损耗和任何合理小尺寸的电压电势对用于测量的情况下，两对导线可以是不同尺寸的。这样，这两对导线可以根据本发明的实施例而被用于执行四导线测量。
[0029]为了测量差动电压，负载或加热器可以是被平衡的惠斯通电桥的一个支路。并且于是负载的任何改变将会导致惠斯通电桥的不平衡和因此跨越负载的不同电压。或电阻分压器(resistance divider)可以局部地位于加热器或负载处。并且于是来自电阻分压器的电压可以被带回到电子设备用于解释。
[0030]参考图2，表示通过加热器部件110的电流的信号214由脉宽调制器212基于在表示跨越加热器部件110的电压的信号202和表示通过加热器部件110的电流的经调制的信号206在其已经由低通滤波器205低通滤波之后的版本之间的误差或差值信号210而被调制。调制的结果是生成表示电流的信号206，所述表示电流的信号206等于表示电压的信号202，并且对应的调制占空比是加热器部件110的等效电阻。通过低通滤波器205处理经调制的信号206，以便由于调制频率的信号变化被移除以呈现调制校正(而不是脉宽上升和下降信号的变化)或换句话说，脉宽调制的高电平和低电平的平均值。在跨越加热器部件的电压和通过加热器部件的经调制的电流之间的差值可以由差值积分放大器208积分以将误差信号210驱动至零。数学上，占空比和通过加热器部件的电流的积等于跨越加热器部件的电压:I (%) =V。为百分比占空比求解产生％=V/I，因此在％等效于R的情况下，R=V/I被满足。于是使得电阻等效信号204作为表示占空比的信号而是可用的，所述表示占空比的信号将在表示跨越加热器部件Iio的电压的信号202和表示通过加热器部件110的电流的经调制的信号206之间的误差210驱动至零。
[0031 ] 参考图3，在右上角，表示最小操作电压值的电压基线偏移和差动放大器块连同表示跨越加热器部件的电压的信号被使用。类似地，在右下角，表示最小操作电流量的电流基线偏移和差动放大器块连同表示通过加热器部件的电流的信号被使用。所述差动放大器块各自从其相应信号减去最小操作点的相应值并且放大相应残差信号以最大化对于那些信号可用的电压的范围。
[0032]参考图4，一种实施例被描述，其中差动放大器A提供表示跨越加热器部件的电压的信号作为差动电压A。差动放大器B提供表示通过加热器部件的电流的信号作为差动电压B，如所期望的，所述差动电压B由R2和R3定标(scale)。PWM (脉宽调制)比较器通过与三角或锯齿波形比较的来自积分放大器的信号调制差动电压B以生成脉宽调制。R4和Cl是低通滤波器，其移除高和低PWM值的变化以产生平均电压，所述平均电压表示经调制的差动电压B。在该经调制的电压和由R5和R6定标的差动电压A之间的差值由C2积分以产生被提供给PWM比较器和输出PWM比较器的误差电压。所述输出PWM比较器由通过R7的R-scale定标并且由包括R8和C3的低通滤波器滤波以产生电压R_out，所述电压R_out表示加热器部件的电阻。
[0033]参考图5，本发明的实施例被描述，其中差动放大器A向差动放大器C提供表示跨越加热器部件的电压的信号，其中差动放大器C从所述信号减去电压基线偏移并且放大残差以提供增强的差动电压A。差动放大器B向差动放大器D提供表示通过加热器部件的电流的信号，其中差动放大器D从所述信号减去电流基线偏移并且放大残差以提供增强的差动电压B，如所期望的，所述增强的差动电压B由R2和R3定标。PWM比较器通过与三角或锯齿波形比较的来自积分放大器的信号调制所述增强的差动电压B以生成脉宽调制。R4和Cl形成低通滤波器，所述低通滤波器移除高和低PWM值的变化以产生平均电压，所述平均电压表示经调制的增强差动电压B。在该经调制的电压和由R5和R6定标的增强的差动电压A之间的差值由C2积分以产生被提供给PWM比较器和输出PWM比较器的误差电压。所述输出PWM比较器由通过R7的R-scale定标，并且通过由R8和C3所形成的低通滤波器而被滤波以产生电压R-out，所述电压R-out表示加热器部件的在最小操作点以上的电阻。
[0034]参考图6，未被示出的5伏特稳态电压作为差动电压A被提供给类似于图4的电路并且I赫兹频率的电压三角波形作为差动电压B被提供。R-out信号等效于Vc并且作为Va/Vb=Vc而被绘图。对Va/Vb的数字解同时被绘图以示出本发明的实施例生成R=V/I的良好近似。
[0035]前面详述的说明书将被理解为在各方面是说明性和示范性的，而不是限制性的，并且如根据由专利法所容许的完整宽度所解释的不应从本发明的说明书而是从权利要求来确定此处公开的本发明的范围。例如，当所述方法参考低压侧半导体开关和低压侧电流感测电阻器时，高压侧半导体开关或高压侧电流感测电阻器或如由本领域技术人员所理解的其任何组合将在本发明的范围内。附加示例是，当差动放大器被用于移除在最小操作点以下的信号时，任何其它方法、诸如微控制器或专用模拟至数字转换器集成电路可以在不偏离本发明范围的情况下被使用。最小操作点从信号的进一步减去或差动可以在不偏离本发明的范围的情况下由数字或其它模拟方法取代。将被理解的是，此处所示出和描述的实施例只是说明本发明的原理并且各种修改可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下由本领域技术人员实施。
【权利要求】
1. 一种方法，包括: 接收电压表示信号，所述电压表示信号与跨越加热器部件的电压成比例； 通过确定在电压基线偏移和所述电压表示信号之间的差值来生成增强的电压表示信号，所述电压基线偏移表示加热器部件的最小操作电压； 接收电流表示信号，所述电流表示信号与通过加热器部件的电流成比例； 通过确定在电流基线偏移和所述电流表示信号之间的差值来生成增强的电流表示信号，所述电流基线偏移表示加热器部件的最小操作电流；和 调制所述增强的电流表示信号以生成电阻表示信号，所述电阻表示信号与调制量成比例，所述调制量使得所述增强的电流表示信号近似等于所述增强的电压表示信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制是脉宽调制。
3.根据权利要求2所述的方法，至少部分基于与脉宽调制的百分比占空比成比例的信号来生成电阻表不信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻表示信号和所述增强的电压表示信号的差值被积分以提供误差信号，所述误差信号被配置以控制所述调制，以便所述调制与加热器部件的电阻成比例。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻表示信号和所述增强的电压表示信号的差值被提供作为误差信号，所述误差信号被配置以控制所述调制，以便所述调制与加热器部件的电阻成比例。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻表示信号被定标以便所述电阻表示信号与加热器部件的电阻成比例。
7.根据权利要求1所述的方法，其中通过跨越电阻器的电压的差动电压测量来生成所述电流表示信号，其中所述电阻器通过成比例地与通过加热器部件的电流量近似相同的电流量。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过加热器部件的差动电压测量来生成所述电压表不信号。
9.一种设备,包括: 低通滤波器，其被配置以接收经调制的增强的电流表示信号，所述经调制的增强的电流表示信号与在电流基线偏移和通过加热器部件的电流之间的差值成比例，并且所述低通滤波器被配置以提供电阻表示信号； 放大器，其被配置以基于在增强的电压表示信号和所述电阻表示信号之间的差值来生成差值误差信号，所述增强的电压表示信号与在电压基线偏移和跨越加热器部件的电压之间的差值成比例；和 调制器，其被配置以响应于所述差值误差信号来调制所述增强的电流表示信号，以便所述电阻表示信号与调制量成比例，所述调制量使得所述增强的电流表示信号近似地等于所述增强的电压表不信号。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述调制器是脉宽调制器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中至少部分基于与所述脉宽调制器的百分比占空比成比例的信号来生成所述增强的电阻表示信号。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述放大器被配置以对所述增强的电阻表示信号和所述增强的电压表示的差值求积分，以便所述调制与加热器部件的电阻成比例。
13.根据权利要求9所述的设备，其中所述放大器被配置以便所述调制与加热器部件的电阻成比例。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述电阻表示信号被定标以便所述电阻表示信号与加热器部件的电阻成比例。
15.根据权利要求9所述的设备，其中通过跨越电阻器的电压的差动电压测量来生成所述电流表示信号，所述电阻器通过成比例地与通过加热器部件的电流量近似相同的电流量。
16.根据权利要 求9所述的设备，其中通过加热器部件的差动电压测量来生成所述电压表不信号。
【文档编号】G01R27/08GK103913638SQ201310747467
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2012年12月31日
【发明者】P.R.齐梅克 申请人:大陆汽车系统公司