专利名称：估计电热塞温度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种估计电热塞温度的方法和装置。
背景技术：
压燃式发动机通常装配有电热塞系统。该电热塞系统在发动机点火时以及在工作 的发动机预热阶段提供普通的助燃。这一系统的核心零件是电热塞，该电热塞的端部可以 通过电能向热能的转化达到超过900°C的高温。每个汽缸都配有电热塞，根据发动机和环境情况的需要，通常是冷的情况下，该电 热塞会被打开。电热塞的作用相当于电阻。它们的电阻值随温度变化。在温度升高时，内 阻值也增加。各种不同的电热塞技术都在应用。电热塞可以是高压或者低压，它们也可以由不 同的材料制成，例如金属电热塞和陶瓷电热塞。高压电热塞通常直接由汽车电池供电。相 反，由于低压电热塞具有低于电池电压的额定电压，它们通常需要脉宽调制(PWM)电源来 获得正确的电压。特别是低压电热塞可以很容易地通过将PWM的MOSFETs的门极连接到电 子控制单元并控制PWM的工作循环而得以控制。
发明内容
本发明提供了一种用于在计算机、微控制器及类似装置中执行的、用于控制压燃 式发动机的一个或者多个电热塞的方法。电热塞的控制包括预测电热塞的温度以控制电热 塞的功率供给。特别的，可以通过控制脉宽调制的脉冲宽度来控制。按照本发明，确定电热塞的供给功率以及燃烧室温度。供给功率的确定包括读入 供给功率的输入值或者读入派生出供给功率的若干输入值，例如脉宽调制的脉冲宽度或者 供给电压。确定燃烧室温度包括读入燃烧室温度的输入值或者读入派生出燃烧室温度的若 干输入值。这些输入值可以包括但不限于，发动机负载，发动机转速，冷却水温度和进气温 度。预测电热塞的温度并且所预测的电热塞的温度被用来控制电热塞的功率供给。例 如可以通过开关MOSFETs或者其他类型的晶体管或者开关电热塞继电器控制功率供给。预测的电热塞温度是从电热塞温度的一个微分方程的一个数值解推导出来的。该 微分方程关于电热塞温度是非线性的，因为该微分方程包括电热塞温度的大于一次的幂。 特别是提供了这样一个微分方程，该微分方程包括用于对辐射热传递建模的电热塞温度的 四次幂以。推导电热塞温度包括将输入值或者计算值插入到一个或者一组代表所述微分方 程数值解的方程中。在另一种可选的实施形式中，如果第二次估计和通过微分方程数值解推导出的第 一次估计的差超过了一个预先设定的值，电热塞温度的预测包括将预测的电热塞温度重置 成第二估计。按照本发明，从一个功率守恒方程或者一个等价的能量守恒方程推导出电热塞温度的微分方程。功率守恒方程包括至少四项，即，Pg，Pi，Pe，Pc，其中Pg表示电热塞的供给 功率，Pi表示单位时间内存储在电热塞中的能量，Pe单位时间内的辐射的能量，Pc表示单 位时间内通过对流或者传导传递的的热能。在此，“推导”意味着存在一个和具有项Pg，Pi， Pe, Pc的微分方程等价的方程。按照本发明，用于电热塞温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是提供给电热塞的能量，Tg是电热塞的温度，A， B，C是从预先标定的值推导出来的，D (t)是燃烧室温度的函数。A，B，C是从预先标定的值 推导出来的，因为它们是由输入值和预先标定的特性曲线所确定或者它们是预先标定的常数。按照本发明，电热塞的功率供给可以用各种方法加以控制。例如，可以通过控制电 热塞继电器的开启时间或者控制晶体管的开启时间来加以控制。晶体管的开启时间可以用 脉宽调制(PWM)加以控制。尤其在晶体管通过PWM控制时，电热器可以很容易地由数字控 制器加以控制。此外，本发明公开了一种根据前述方法控制电热塞温度的装置，该装置包括根据 至少电热塞的供给功率和燃烧室的温度预测电热塞温度的器件。在本发明的一种实施形式 中，该器件由一个模式编程单元，一个逻辑单元和一个门极驱动单元来提供。该装置还包括 得出燃烧室温度的器件，该器件要么通过读入输入值，要么根据输入值计算燃烧室温度。在 本发明的一种实施形式中，该器件由连接在发动机控制单元的输入26提供。该装置包括用于得出通过电热塞和燃烧室之间辐射传热所传递的热能的量的器 件。在按照本发明的一种实施形式中，该器件由所述装置的逻辑单元内编写的指令来提供。 该装置还包括从预测的电热塞温度推导出用于电热塞温度的温度控制值的器件。在按照本 发明的一种实施形式中，该器件由所述装置的逻辑单元内的控制器来提供。该控制器使用 预测的电热塞温度和希望的电热塞温度作为输入值。该装置还包括从温度控制值计算脉宽 调制的脉冲宽度的器件，该器件由门极驱动单元提供。
图1示出了 一个电热塞控制装置和所控制的电热塞，图2示出了燃烧室内能量流的示意图，图3示出了电热塞的计算算法的输入和输出值，图4示出了与图3所示的计算算法等效的电路图，图5示出了电热塞控制方法的流程图。
具体实施例方式在以下描述中，提供了本申请(发明)的实施形式的细节。然而，显然对于本领域 技术人员，不需要这些细节也可以完成所述实施形式。图1示出了用于以加热线圈表示的电热塞12的电热塞控制装置11。该电热塞12 通过场效应管(M0SFETS) 14连接到电源13上。每个M0SFETS14的一个门极连接到电热塞 控制装置11内的一个门极驱动单元16的一个相应输出上。在每个M0SFET14的漏极和相 应的电热塞12之间设置敏感电阻器17。每个敏感电阻器17的输入和输出连接到所述电热塞控制装置11内的诊断单元19的相应输出和相应输入上。所述电热塞控制装置11还包括一个逻辑单元20，该逻辑单元又包括一个诊断逻 辑和一个控制逻辑。所述逻辑单元20的诊断输出22连接到一个没有示出的发动机控制单 元(E⑶)上。所述逻辑单元20的控制输入23连接到该E⑶上。此外，所述电热塞控制装 置11包括一个模式编程单元25。该模式编程单元25通过一输入26连接到传感器输出。 所述电热塞控制装置11的一个电压传感输入28连接到电源13上，并且所述电热塞控制装 置11的功率输入29连接在电源电压上。在运行过程中，逻辑单元20通过控制输入23接收来自E⑶的控制输入，并且模式 编程单元25通过输入26接收传感值。模式编程单元25基于该传感值确定运行模式，并向 逻辑单元20发出输出值。传感值可以包括尤其是发动机冷却液或者冷却水的温度，发动机 转速，喷射的燃油，发动机的输出扭矩。ECU利用一个适当的模型从传感值得出燃烧室温度， 并把得出的燃烧室温度提供到输入26。ECU也可以向电热塞控制装置11提供进一步的信 息，例如发动机马达前一次空转阶段的长度。逻辑单元20的控制逻辑基于所述电热塞控制装置11的输入值计算每一个电热塞 12的希望的有效电压。门极驱动单元16利用该希望的有效电压为每一个电热塞12计算脉 宽调制的工作周期(duty cycle)的长度，并根据该工作周期控制M0SFETS14的门极。通过对敏感电阻器17的输入和输出，诊断单元19推断出每一个敏感电阻器17的 电压降。根据该电压降，诊断单元推断出每一个电热塞12的供电电流。诊断单元19将得 出的供电电流值提供给模式编程单元25。此外，如果得出的供电电流高于或者低于指定的 边界值，诊断单元25就产生了一个错误条件。图2示出了 一个这里没有示出的内燃机的燃烧室内的能量转化过程。一电热塞12 的一端部32伸入燃烧室34。没有示出的一加热线圈和一调制线圈设置在电热塞12的端部 32内。在电热塞12的上端设置有一个用于供电电流的端子33。燃烧室34包含通过一没 有示出的喷射阀输送到燃烧室34内的油气混合物35。可运动的活塞37位于燃烧室34内 和电热塞12相对的一侧。在电热塞12工作时，电能通过端子33将存储功率Pg提供给电热塞12。存储功 率Pg转化成电热塞12的存储功率Pi，转化成考虑了对流和传导的热传递的加热功率Pc， 并转化成考虑了辐射热传递的加热功率Pe。这导致如下功率守恒方程Pg = Pi+Pc+Pe (1)在建模的这一层次，向外界的热量损失及活塞37运动造成的能量损失/增加不予 考虑。图2的箭头表示所述功率平衡方程的四项Pg，Pi, Pc, Pe。图3在框39的左侧示出了输入值38，在框39的右侧示出了预测值40。框39示 意表示数据转化。输入值38包括供给的电功率Pg，通常由ECU计算的燃烧室温度Tcc，以 及冷却剂的温度T&_。预测的输出值40包括电热塞温度Tg，传递的辐射功率Pe，由传导 和对流传递的加热功率Pc，内部存储的功率Pi。图4示出了一个等效电路图42，该电路图提供了用于所述电热塞12之一的上述 功率守恒方程(1)的四项Pg，Pi, Pc, Pe的一个类似模型。模型参数Rth，Cth和F在框内 示出。在该模型的范围内，功率项建模成电流，温度建模成相对接地水平47的电压。特别 的，电热塞的功率供给建模成一电流源43。电热塞的内部热存储用一个电容为Cth的电容器建模。从电热塞通过传导和对流的热传递用一个阻值为Rth的电阻45来建模。从电热 塞向燃烧室的辐射传递建模成和电流源43相同地驱动的受控电流源46。该受控电流源46 的输出取决于模型参数F。燃烧室温度建模成一个受控的电压源48。电热塞温度Tg建模成在电压源43与电容44和电阻45的输入之间的一个参考点 相对于接地水平47测得的电压。电阻45和受控的电流源46并联连接在电流源43和受控 的电压源48之间。电容44连接在电流源43和地47之间。这一模拟模型可以由这里没有示出的一个电路图实现。电流源46，48可以由定制 的元件提供。按照等效电路图42，计算数字模型由方程(1)和如下方程所确定。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)，输送给电热塞12的功率Pg等于电压Vpeak乘以电流Ipeak乘以工 作周期的长度。在此，Vpeak和Ipeak是脉宽调制的工作周期的矩形脉冲时电热塞上的电压 和电流。D是工作周期长度除以脉宽调制周期长度。电热塞上的电压Vpeak和电流Ipeak 分别由传感电阻17处测得的电流和M0SFET14的电源电压所估计。对于变化的周期长度，平均功率由如下公式给出
权利要求
一种用于控制压燃式发动机的一个或多个电热塞的方法，该方法包括 确定电热塞的供给功率和燃烧室温度； 预测所述电热塞的温度； 用所预测的电热塞温度控制所述电热塞的功率供给，其中，从一关于所述电热塞温度的微分方程的数值解推导出所述预测的电热塞温度，并且其中，该关于所述电热塞温度的微分方程对于所述电热塞温度是非线性的。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为，所述关于电热塞温度的微分方程源自包括 至少4项，S卩，Pg, Pi, Pe, Pc的功率守恒方程，其中，Pg表示所述电热塞的供给功率，Pi表 示单位时间内存储在所述电热塞中的能量，Pe表示单位时间辐射的能量，Pc表示单位时间 通过传导或对流传递的热能。
3.按照前列权利要求之一所述的方法，其特征为，所述微分方程形式为Pg (t) = A*d/dt Tg(t)+B*Tg(t)+C*Tg(t)4+D(t)其中，Pg是所述电热塞的供给能量，Tg是电热塞温度，A，B，C源自预先标定的值，并且 D(t)是一关于燃烧室温度的函数。
4.按照前列权利要求之一所述的方法，其特征为，通过控制一电热塞继电器的开启时 间控制所述电热塞的功率供给。
5.按照前列权利要求之一所述的方法，其特征为，通过控制一晶体管的开启时间来控 制所述电热塞的功率供给。
6.按照前列权利要求之一所述的方法，其特征为，从发动机冷却液的温度推导出所述 燃烧室的温度。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征为，进一步由发动机负载推导出所述燃烧室的温度。
8.一种用于按照前列权利要求所述的方法控制电热塞温度的装置，其特征为，所述装 置包括用于从电热塞的至少一个供给功率和燃烧室温度预测电热塞温度的器件，并且所述 装置包括推导出所述燃烧室温度的器件。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征为，所述装置还包括用于得出通过所述电热塞 和所述燃烧室之间的辐射传热所传递的热量的器件。
10.按照权利要求8或9所述的装置，其特征为，所述装置包括用于从预测的电热塞温 度推导出用于电热塞温度的温度控制值的器件。
11.按照权利要求8至10之一所述的装置，其特征为，所述装置包括用于从所述温度控 制值计算出脉宽调制的脉冲宽度的器件。
12.—种具有电热塞的压燃式发动机，其特征为，一个或多个所述电热塞由按照权利要 求8至11之一所述的装置控制。
13.一种具有按照权利要求12所述的压燃式发动机的车辆。
14.一种用于执行按照权利要求1至7之一所述方法的、计算机可用的程序代码。
15.一种计算机程序产品，包括一计算机可用的介质，该计算机可用的介质具有用于执 行按照权利要求1至7之一所述方法的、计算机可用的程序代码。
全文摘要
本发明提供了一种用于控制压燃式发动机内一个或者多个电热塞的方法。电热塞的控制包括预测电热塞的温度以控制电热塞的电源。确定电热塞的电源和燃烧室温度。预测电热塞的温度，且该预测的电热塞温度值用于控制电热塞的电源。预测的电热塞温度从一关于电热塞温度的微分方程的数值解推导出来。该微分方程关于电热塞温度是非线性的。
文档编号F02P19/02GK101994631SQ20101026072
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者斯蒂法诺·卡萨尼 申请人:通用汽车环球科技运作公司