电热塞温度控制方法和用于减少从柴油发动机排放的装置的制作方法

专利名称：电热塞温度控制方法和用于减少从柴油发动机排放的装置的制作方法
电热塞温度控制方法和用于减少从柴油发动机排放的装置
背景技术：
柴油发动机典型地装备有电热塞(glowplug)系统。该电热塞系统在发动机点火 期间以及运行发动机的预热(warm up)阶段期间提供常规的燃烧帮助。该系统的关键部件 是电热塞，该电热塞的尖端能够通过电到热的能量变换而升温至大约900°C的高温。每个汽缸都装备有一个电热塞，当基于发动机和环境条件而需要时开启该电热 塞，特别地在寒冷的条件下。电热塞起电阻器的作用。它们的电阻值随着温度而改变。当 温度增加时，内部电阻也增加。对于电热塞，不同的技术在使用中。电热塞可以是高压或低压，并且他们可以是不 同的材料，例如金属的或陶瓷的电热塞。高压电热塞典型地直接由车辆电池提供。相对照 地，由于低压电热塞具有比电池电压低的额定电压，因此低压电热塞典型地需要脉冲宽度 调制(PWM)供应以获得正确的电压。特别是通过将PWM的MOSFET的栅极连接到电子控制 单元，并且控制PWM的占空因数，可以容易地控制低压电热塞。

发明内容
根据本申请，一种改善的电热塞控制方法被公开，该方法用于减小从柴油发动机 排放废气。优选地，结合用于柴油发动机的催化转换器实现排放的减少。对于压缩点火发动机，最常用的催化转换器是柴油氧化催化剂。这在废气流中使 用过多的02 (氧气)，以将CO ( —氧化碳)氧化成C02 ( 二氧化碳)，并且将HC (碳化氢)氧 化成H20(水)和C02。这些转换器通常达到90%的效率，并且帮助减小可见颗粒(烟炱)， 然而由于化学反应总是以最简单的可能方式发生，因而它们不能够减少NOx，并且废气流中 存在的02将首先反应。为了减少压缩点火发动机中的NOx，必须首先改变废气的化学成分。 可以使用两类主要的技术选择性催化还原(SCR)和NOx捕获或NOx吸收。增加催化转换器的性能的重要发展是通过降低催化剂的起燃(light off)温度， 而最小化冷启动期间的排放。在冷启动期间，催化转换器的温度较低，并且转换器还没有被激活。因此，还没有 达到催化剂的起燃温度，在该温度下废气成分的转换达不到50%，碳氢化合物和CO因此不 能转换到较小程度，这是在发动机启动之后的第一数分钟期间，它们对法定的驾驶周期中 的总排放产生显著贡献的原因。专门的技术已经被开发，以最小化冷启动期间的排放。这 些快速的起燃技术要么是采用排气系统设计的改变的被动系统，要么是依赖于附加能量的 受控供应的主动系统，以在冷启动期间增加废气温度。根据本申请，一种用于控制电热塞的电源的方法被公开，以减小催化转换器后面 的发动机的废气流中的排放。如果至少两个输入值的组保持在输入参数空间的特征区域中 至少预定激活时间，那么电热塞被激活，或换句话说被供电。如果至少两个输入值的组保持在输入参数空间的第二特征区域之外至少预定去 激活时间，那么电热塞被再次去激活，或换句话说切断对电热塞的供电。该去激活时间也可 以设置为零。
该第一和第二特征区域包括输入参数空间内的一个或多个邻近区域。该输入参数 空间由输入参数界定，并且具有与输入参数一样多的维度。该输入值是输入参数采取的值， 以及由传感器给出的输出值，或借助于计算从传感器输出值中获得的值。该第一和第二特 征区域可以通过为每个输入值指定范围而界定，该范围由最小和最大阈值界定。在此情况 下，特征区域由采取η维度立方体(n-dimensional cube)形式的单个邻近的区域给定。
特别地，输入值的范围可以由两个输入参数界定。在此情况下，特征区域采取方形 的形式。在具体的例子中，输入参数由曲轴旋转速度和燃烧摄入量(combustion intake) 给定。该燃烧摄入量例如可以从燃料摄入量、空气摄入量或空气-燃料混合物的摄入量中 获取。在其它实施例中，对于输入参数可以指定多于一个的范围。其它形状的邻近区域， 例如三角形、圆形、球形和椭圆形是可能的，并且不同形状的邻近区域可以结合，以形成输 入参数空间中的特征区域。可以存在不同的特征区域，用于电热塞的接通和切断。激活时间和去激活时间以及特征区域存储在电热塞控制装置的存储器内。它们还 可以由激活和去激活电热塞的电热塞控制装置计算。电热塞的激活和去激活的精确控制使 得能够有效地减少排放，其中该控制使用根据应用的激活时间、去激活时间以及特征区域。经由电热塞的激活和去激活，燃烧条件的控制呈现出滞后效应，其中电热塞激活 的效应可在电热塞激活之后出现，并且在电热塞去激活之后该效应还可持续。根据应用，通 过合适地选择时间间隔，以及通过为电热塞的激活和去激活提供不同的阈值，该滞后被考
^^ ο除了曲轴旋转速度和燃料摄入量之外，诸如空气摄入量、空气-燃料混合物摄入 量、马达扭矩、车辆速度、冷却剂温度、环境空气温度和发动机进气温度的另外输入值可以 用于界定输入参数空间中的特征区域。当输入值保持在特征区域中持续预定激活时间时激 活电热塞。当输入值保持在特征区域之外持续预定去激活时间时，电热塞被再次切断。电 热塞可以一起地或继续地被接通和切断。可以提供最大去激活时期，在该时期之后电热塞被再次去激活。诸如激活时间、激 活时期和去激活时间的时间间隔，可以取决于燃烧室温度或依赖于燃烧室温度的任何值。 电热塞的激活和去激活可以基于时间平均输入值，例如时间平均的传感器信号，以进一步 减少接通信号/切断信号中不期望的振荡。本申请还公开了用于控制给至少一个电热塞供电的方法，其中在激活至少一个电 热塞之后，该至少一个电热塞保持激活，至少持续保持时间。该保持时间可取决于燃烧室温度。对于每个电热塞，可以单独地确定在电热塞的激活时期期间提供的平均电压。另 外，对于每个电热塞，可以单独地确定类似于电热塞的激活时期的正时参数。电热塞可以一 起地或继续地被激活和去激活。尽管将经由M0SFETS关于电热塞的脉冲宽度调制控制解释控制方法，但是还可以 使用不同的技术，例如其它类型的晶体管或电热塞继电器。可以采用根据本申请的该方法，而不使用电热塞中集成的传感器或燃烧室中的传 感器，尽管可以使用其它传感器。根据本发明的电热塞控制方法能够识别电机的加速阶段，并且当燃烧不是有效时，例如在加速阶段期间，能够支持燃烧。燃烧效率得以改善，并且在一些情况下，甚至发动 机的整体效率得以改善。这导致排放的减小。另外，电热塞的激活预热废气，使得提前设置 催化起燃效应。因此，能够有效地减小排放。当燃烧效率低时，例如在加速阶段期间，特别地可断言废气排放的减少。根据应 用，通过测量简单的一组参数可以确定允许通过电热塞激活而有效减小排放的条件。与测量用于触发电热塞激活的废气温度相比，根据本申请的发动机参数测量能够 直接检测燃烧室中条件的改变。因此可以更快地反应，并更加有效地减少排放。然而，废气 温度可以用作另外的输入值。根据本发明的至少两个输入参数的使用，例如曲轴旋转速度和燃料摄入量，使得 能够有效地区分不同的条件，例如在负载下的加速和换挡期间的加速。当电热塞已经达到其稳定状态温度时，当用于、温暖条件、时，根据本发明的方法 甚至可以有效地减小排放.


下面的附图示出了根据本申请的电热塞控制方法的实施例。在下面的描述中，细 节被提供以描述本发明的实施例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以不用这些 细节来实施这些实施例。图1示出了电热塞控制装置和受控的电热塞，图2示出了在发动机预热阶段期间施加到电热塞的电压，图3示出了测量数据和第一电热塞激活样式，图4示出了测量数据和第二电热塞激活样式，图5示出了对于图3和图4中的电热塞激活样式的发动机CO排放的比较，图6示出了对于图3和图4中的电热塞激活样式的废气CO排放的比较，图7示出了用于电热塞激活的方法，图8示出了用于电热塞去激活的方法，图9示出了第一特征区域，和图10示出了第二特征区域。
具体实施例方式图1示出了用加热线圈表示的电热塞12的电热塞控制装置11。电热塞12经由场 效应晶体管(M0SFETS) 14连接到电源13。每个MOSFET 14的栅极连接到电热塞控制装置 11内的栅极驱动单元16的相应输出端。检测电阻17设置在每个MOSFET的漏极和相应的 电热塞12之间。每个检测电阻17的输入端和输出端连接到电热塞控制装置11内诊断单 元19的相应输出端和相应输入端。电热塞控制装置11还包括逻辑单元20，该逻辑单元20反过来包括诊断逻辑和控 制逻辑。逻辑单元20的诊断输出端12连接到没有示出的发动机控制单元(ECU)。逻辑单 元20的控制输入端23连接到E⑶。另外，电热塞控制装置11包括模式编程单元15。该模 式编程单元15经由输入端26连接到传感器输出端。电热塞控制装置11的电压传感输入 端28连接到电源13，并且电热塞控制装置11的功率输入端29连接到电源电压。
操作期间，逻辑单元20接收来自E⑶的控制输入，并且模式编程单元15经由输入 端26接收传感器值。基于传感器值，模式编程单元15确定操作模式，并将相应的输出值发 送给逻辑单元20。除了别的之外，传感器值可包括发动机冷却剂的温度，例如冷却水的温 度，发动机速度，喷射的燃料和发动机的输出扭矩。ECU使用适合的模式以从传感器值中得 到燃烧室温度，并在输入端26处提供得到的燃烧室温度。ECU也可进一步给电热塞控制装 置11提供信息，例如发动机电机之前空转阶段的长度。逻辑单元20的控制逻辑计算关于每个电热塞12的期望的有效电压，其基于到电 热塞控制装置11的输入值。该栅极驱动单元6使用期望的有效电压，以计算关于每个电热 塞12的脉冲宽度调制的占空比的长度，并且根据该占空比控制M0SFETS 14的栅极。经由到检测电阻17的输入端和输出端，诊断单元19得到关于每个检测电阻17的 压降。根据该压降，诊断单元得到关于每个电热塞2的供应电流。诊断单元19将得到的供 应电流的值提供给模式编程单元25。另外，如果得到的供应电流高于或低于特定的边界值， 那么诊断单元19生成错误状态。图2示出了在电热塞的预热阶段期间电热塞电源的平均电源电压。在从时间t0 至时间t2的快速升温阶段30期间，电热塞以升高的电压被加热。该快速升温阶段被再划 分成从时间t0至时间tl的第一快速升温阶段31，其中提供IlV的平均电压，以及第二快速 升温阶段，其中提供9V的平均电压。在加热阶段33期间，电热塞被提供其额定电压。加热 阶段的长度被不成比例地绘制出，并由间隔表示。在加热阶段之后，后热阶段34开始，其中 电热塞仅仅有时被激活。图3的示意图示出了电热塞激活样式，根据本申请，当电热塞12根据控制算法被 激活，并且马达根据新的欧洲驾驶周期(New European Drive Cycle简称NEDC)的城市驾 驶周期(Urban Drive Cycles简称UDC)而被驱动时，该电热塞激活样式升高。下文中关于 图7和8解释该控制算法。图3的示意图示出了电热塞12的方波接通/切断信号36、曲轴旋转速度信号37、 燃料摄入信号38和冷却水温度信号39。这些信号分别以伏特、每分钟转速、每冲程立方毫 米、摄氏度而被测量。时间标度以秒给出。该示意图示出了从柴油发动机的冷启动之后大 约69秒到柴油发动机的冷启动之后大约690秒的时间窗口。根据温度信号39，冷却水温度以类似对数模式不断地升高，直到几乎达到大约 60°C的最终温度。电热塞12的连续激活终止于大约120秒。在连续激活之后，电热塞12 由根据应用的控制算法控制，并且仅保持接通持续激活时期41。在UDC的情况下，激活时 期40的激活样式导致具有UDC阶段的周期。与曲轴旋转信号37相比，这可被特别清楚地 看到。在图3的例子中，导致电热塞的总共90秒的激活持续时间。曲轴旋转信号39的最大值反映出UDC的三个速度阶段。在示意图中，三个最大值 的样式自身重复差不多四次，这意味着示意图几乎覆盖四个UD周期。电热塞激活大概用 UDC阶段开始。另外，电机在阶段之间的空转速度稍微减小。曲轴旋转信号37的周期也在燃料摄入信号38的样式中被反映。然而，燃料摄入 信号38通过改变燃烧室内的条件而被修改。燃料消耗减小，并且在第一和第三UDC阶段之 前的峰值几乎消失。在第二 UDC阶段之前的峰值减小。另外，当由于换挡期间负载减小而 使得燃料消耗下降至非常低的值时，燃料摄入信号的数个负峰值停顿不前。
图4示出了具有由于简化的算法导致的第二电热塞激活样式的示意图。根据该简 化的算法，当曲轴旋转速度高于阈值持续确定的最小时间时，电热塞被激活。当曲轴旋转速 度低于该阈值时，电热塞被去激活。根据该算法，电热塞仅在UDC的第二阶段期间被激活。 在第一 UDC阶段，电热塞由于低速而没有被激活，而在第三UDC阶段，电热塞由于换挡而没 有被激活。结果是电热塞被激活持续3X20 = 60秒。图5和6示出了对于根据本申请的电热塞控制方法和对于第二控制方法的CO排 放的比较。在图5中，示出了来自发动机的CO的原始排放，而在图6中示出了经过催化转 换器之后的CO的清洁排放。在图5的示意图中，示出了速度曲线50、第一原始排放曲线51和第二原始排放曲 线52。标尺是km/h和CO的克数/秒。速度曲线包括四个UD周期，每个UD周期分别具有 第一阶段53、第二阶段54和第三阶段55。第一原始排放曲线51与第二原始排放曲线52 的不同之处主要在于排放峰值，其中来自第一原始排放曲线的排放较低。这些差别由间距 56表示。在图6的示意图中，示出了速度曲线5(Τ、第一排放曲线5Γ和第二排放曲线52、。 标尺以km/h和CO的克数/秒示出。如图5中一样，第一原始排放曲线5厂与第二原始排 放曲线52、的不同之处在于排放峰值，其中来自第一原始排放曲线的排放较低。另外，在第 二 UD周期期间，第一排放曲线5厂的排放也显著地较低。总而言之，与第二控制方法相比 较，当电热塞通过根据本申请的方法而被加热时，这导致CO排放的显著减少。该结果认为， 尽管也根据第二控制方法，在UD周期的第二阶段期间电热塞被激活。图5、6示出了一般地随着冷却水以及由此燃烧室达到其最终温度，原始排放减 少。图6还示出了随着燃烧室升温，催化转换器的效率显著改善。对于NOx排放，至于图5、6的相似结果也是有效的。图7和8示出了根据本申请的电热塞控制算法。图7示出了电热塞的激活。这也涉及数个电热塞的激活，这些电热塞可以同时地 或相继地被激活。在决定步骤60中，检测曲轴旋转速度是否在下阈值vl_on和上阈值ν2_οη之间。 如果是这种情况，那么在另一决定步骤61中，检测燃烧摄入量是否在下阈值ql_on和上阈 值q2_on之间。如果曲轴旋转速度和燃料摄入量在各自的范围内，那么在步骤62中启动计 时器，否则重复决定步骤60、61。在计时器启动之后，在决定步骤63和64中再次检测曲轴旋转速度和燃料摄入量 是否位于它们各自的范围内。如果是这种情况，那么在决定步骤65中检测是否已经达到激 活时间[activate。否则，在步骤67中重设定时器，并且算法循环回到决定步骤60。在决 定步骤65中，如果确定已经达到激活时间，那么在步骤65中激活电热塞。否则，算法循环 回到决定步骤63。图8示出了电热塞的去激活。这也涉及数个电热塞的去激活，这些电热塞可以同 时地或相继地被去激活。在决定步骤68中，检测是否已经达到保持时间t_hold。如果是这样的情况，那么 在决定步骤69中，检测曲轴旋转速度是否位于下阈值vl_off和上阈值v2_off之间。在决 定步骤70中，检测燃料摄入量是否位于下阈值ql_off和上阈值q2_off之间。如果曲轴旋转速度和燃料摄入量位于它们各自的范围内，那么算法循环回到决定步骤69。否则在步骤 71中启动计时器。 在决定步骤72中，再次检测曲轴旋转速度是否位于下阈值vl_off和上阈值v2_ off之间。在决定步骤73中，再次检测燃料摄入量是否位于下阈值ql_off和上阈值q2_ofT 之间。如果曲轴旋转速度和燃料摄入量位于它们各自的范围内，那么在步骤74中重设计时 器，并且算法循环回到决定步骤69。否则在决定步骤75中，检测是否已经达到去激活时间 ^deactivate。如果是这样的情况，那么在步骤76中去激活电热塞。否则，算法循环回到 决定步骤72。 基于诸如冷却水温度的数据，发动机控制单元可决定延缓电热塞激活。否则，在电 热塞12的去激活之后，执行图8的决定步骤60。根据本申请，关于燃料摄入量和曲轴速度的范围可由可校准的上阈值和下阈值界 定，这些阈值在生产设施或车间可被校准。在去激活步骤76之后，电热塞或多个电热塞可 保持去激活，并持续预定去激活时期，直到再次重复步骤60。图9示出了输入参数空间79内的特征区域78的界定。该特征区域78由范围[ql_ on, q2_on]和[ν1_οη，ν2_οη]界定。该范围的界定导致盒形状的特征区域，或在多于三个 输入参数的情况下，导致多维立方体。图10示出了输入参数空间内的另一特征区域78、的界定，该特征区域是椭圆形 状。在图10的更加普通的形状的情况下，对于输入参数q和ν的范围[ql_on，q2_on]和 [vl_on, v2_on]的测试必须替换为测试(q，ν)值是否位于特征区域78—内。因此，对于特 征区域78、的一般形状，必须相应地修改之前解释的决定步骤，例如步骤60。类似于区域 78，区域78、形成与数个间断的区域相对的邻近区域。
权利要求
一种用于控制给压缩点火发动机的至少一个电热塞的供电的方法，用于减小所述发动机的废气流中经催化转换器之后的排放，其特征在于，如果至少两个输入值的集合保持在输入参数空间的第一特征区域内，并至少持续预定激活时间，那么所述至少一个电热塞被激活，其中所述第一特征区域包括所述输入参数空间的一个或更多个邻近区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果至少两个输入值的所述集合保持在所述输入参数空间的第二特征区域外，并至少 持续预定去激活时间，那么所述至少一个电热塞被去激活，其中所述第二特征区域包括所 述输入参数空间的一个或更多个邻近区域。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一特征区域和所述第二特征区域相一致。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一特征区域和所述第二特征区域是所述参数空间中的多维立方体。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少两个输入值的所述集合包括曲轴旋转速度和所述发动机的燃烧摄入量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果至少第一输入值超过第一激活阈值并且第二输入值超过第二激活阈值至少持续 激活时间，那么所述至少一个电热塞被激活。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果至少第一输入值低于第一去激活阈值并且第二输入值低于第二去激活阈值至少 持续去激活时间，那么所述至少一个电热塞被去激活。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在激活所述至少一个电热塞之后，所述至少一个电热塞保持激活至少持续保持时间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在去激活所述至少一个电热塞之后，所述至少一个电热塞保持去激活至少持续预定的 去激活时期。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在燃烧室已经达到稳定状态值之后，所述至少一个电热塞继续将被激活和被去激活。
11.一种电热塞控制器，用于通过根据前述权利要求中任一项所述方法激活和去激活 压缩点火发动机的至少一个电热塞。
12.—种具有至少一个电热塞和具有根据权利要求11所述的用于控制至少一个电热 塞的电热塞控制器的压缩点火发动机。
13.一种具有根据权利要求12所述的压缩点火发动机的车辆。
14.一种用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的计算机可执行程序。
15.一种包括计算机可用介质的计算机程序产品，所述计算机可用介质具有计算机可 用程序代码，所述计算机可用程序代码用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方
全文摘要
本发明公开了一种用于减小发动机的废气流中经催化转换器之后的排放的方法。该方法包括控制提供给压缩点火发动机的电热塞的功率。如果至少两个输入值的集合保持在输入参数空间的第一特征区域内，并至少持续预定激活时间，那么激活电热塞。该第一特征区域包括输入参数空间的一个或更多个邻近区域。
文档编号F02P19/02GK101994632SQ201010260768
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
发明者安德雷·卡内夫, 斯蒂法诺·卡萨尼, 蒂莫·芬克, 西莫内·巴贝罗 申请人:通用汽车环球科技运作公司