专利名称:预定温度系数加热器的电子控制器的制作方法
本发明一般地涉及预定温度系数加热器的控制器，且更具体地涉及柴油发动机的无金属线电热塞用的固态无触点控制器。
压缩点火发动机或柴油发动机依赖于汽缸内燃料的压力及总的温度以便产生点火来驱动发动机。众所周知，当燃料及环境温度很低时在冷启动及其他情况期间，在每个汽缸内有必要提供电热塞来提高燃料的温度。电热塞典型地为具有很小电阻的绕线器件，这些器件在电气上经控制器连接在承受大电流负载的车辆蓄电池两端。电阻小的原因在于能在很短的响应时间内产生很高的温度。
绕线电热塞的控制器的电路中包括一个或多个继电器及一个或多个继电器触点，以便断开及接通到电热塞的电源通路。此种断开及接通的工作是调节流入到电热塞的电流量，以及当发动机的温度足以进行压缩点火时将电热塞断掉。
绕线电热塞现由固态电热塞所代替，其中在陶瓷基片上淀积一预定温度系数的加热材料如正温度系数材料。然后将该电热塞放在汽缸内，其放置方式与其绕线的原电热塞相似。电热塞上的加热材料的电阻值一般高于在电热塞上所绕的金属线的电阻值，然而正温度系数材料的加热时间则比绕线更快。为了精确地控制固态电热塞的加热，需用动作比较快速的固态元件来代替继电器及几个触点。
为了解决上述问题，在此揭示有一种使其陶瓷基片上淀积一预定温度系数加热材料的使器件加热的电子控制器。具体地说，这一器件可以是用于柴油发动机用的电热塞或是一般地可以是任何一种电加热器件。在该控制器中有对流经加热材料的电流作出响应以产生与该材料的电阻成正比的电信号的装置。此外，有产生代表该材料的预定电阻值的信号的装置。当与该材料的电阻成正比的信号的电信号指示其电阻小于预定电阻时将以上两种信号合到一起以便产生一种电平的信号。此外，当预定电阻小于该材料的电阻时产生另一种电平的另一种信号。
上述控制器可以用在控制正温度系数电热塞的总系统中。其中在柴油发动机的每个汽缸内至少放一个电热塞以便启动柴油机。一电源用来对在控制器的控制下的每个电热塞供电。检测一个电热塞以便产生与电热塞的温度成正比的第一电信号。提供有另一种装置用以确定发动机的工作温度并产生与实际工作温度成正比的第二电信号。产生代表发动机的预定工作温度的第四电信号。然后将电子控制器的输出加到一种装置，该装置响应两温度信号以便当实际温度低于预定工作温度时控制向电热塞供电。
因而本发明的主要优点在于提供无触点的控制器以便控制预定温度系数的电热塞。
本系统的另一优点在于提供一种控制器，该控制器可检测多个电热塞中的一个电热塞，并对其作出响应来控制所有电热塞的工作。
从以下的附图及详细说明中可看出这些优点及其他优点都是很明显的。
在附图中图1为电热塞电子控制器的一实施例的方块图。
图2为图1的实施例的原理线路图。
图3A、3B及3C为图2中不同点处的电压及电流曲线。
图4为使用电热塞控制器的系统的方块图。
在1982年9月30日申请的美国申请号为430.909、发明名称为“具有导电膜加热器的电热塞”、发明人为马克·埃·布鲁克斯等的专利申请中可发现一种动作快速的电热塞，提供了一种动作快速的温度器件在诸如冷启动的时间期间在柴油发动机中产生点火。上述电热塞的改进型则可在1983年6月23日申请的、美国申请号507，254的专利申请中看到，该申请的题目为“一种具有电阻性表面膜加热器”，发明人为马克·埃·布鲁克斯等。上述两件专利申请都转让给和本发明一样的同一受让人，并在此列作参考。
参见图1，其中以方块图形式图示可用于上述电热塞的本发明的电子控制器。图1既未表示、图示也不需要如继电器或触点之类的器件来控制控制器内的电功率。众所周知，如将其用于汽车或其他机动车中则在点火开关或相似器件的控制下来开关蓄电池电源，但在图1的系统中由控制器所控制的电源的开关不经过触点。就其控制一个电热塞而言可将控制器描述为单通道控制器。因为大多数柴油发动机有二个以上的汽缸，图1的电路可复制多套，其数目与发动机中的电热塞数相等。然而，如此后所示那样，采用上述电路的分时或多工形式的先进技术可用来控制二个以上的电热塞。此外，另外的电热塞可以在电气上并连连接。
参见图1，其中图示有时钟脉冲装置[10]，包括恒电压源装置[14]及检测电阻R1的检测装置[12]，比较装置[16]，闩锁装置[18]，功率开关装置[20]，电热塞[22]及温度参考装置[24]。此特别电路用的逻辑规侧需要正电压电平作为接通信号或启动条件且使用正向信号启动。
时钟脉冲装置当用于图1中的时产生具有取样周期及启动周期的脉冲序列。在最佳实施例中，取样周期为200微秒，总的时钟脉冲周期为7毫秒。尽管取样周期应越短越好，但这种定时是设计方面的事。在本检测方法中，可发现在加检测电流之后检测电阻或R1传感器在200微秒之内是稳定的。因而这就确定了取样周期。再者，在最佳实施例中时钟脉冲信号的脉冲序列包括200微秒的负向取样周期，在该周期后有一正向脉冲保持在7毫秒的其余时间上。
图1所示的检测装置[12]响应从时钟脉冲装置[10]来的取样周期信号，该信号为一经倒相器[26]来的正向信号以便使恒电压装置[14]接通。恒电压装置所供给的电流等于恒电压装置[14]的电压输出除以电热塞[22]及检测电阻R1的电阻之和。通过测量电热塞[22]两端的电压降，可确定其电阻。电热塞[22]的温度与其电阻成正比，因而检测装置[12]实际上测量电热塞[22]的温度并产生代表该温度的信号。
比较装置[16]接收来自电热塞[22]的温度信号及从温度参考装置[24]来的预定温度参考信号并产生比较信号来指示预定温度与电热塞[22]的温度之间的关系。预定温度参考装置[24]产生具有一种特性的电信号，该特性当电热塞获得其工作温度时与电热塞的特性一致。在图1所示的最佳实施例中由检测装置[12]所产生的温度信号及从温度参考装置[24]来的预定温度参考信号都是电压信号，且比较器[16]的输出当电热塞[22]不在其工作温度时是一种极性的信号而当电热塞[22]在其工作温度时则为另一种极性的信号。
闩锁电路装置[18]在从时钟脉冲装置[10]产生的启动周期期间被启动，并贮存比较信号以便产生加电控制信号。闩锁电路装置[18]的输出加到逻辑装置或逻辑门[28]，其功能为保证在取样周期期间关掉功率开关装置[20]。当加到逻辑门[28]的两个信号都是正的信号或在一电压电平上时，门[28]的输出足以使功率开关装置[20]启动。当电热塞[22]的温度已达到，则比较器装置[16]的输出使闩锁电路装置[18]复位，因而闩锁信号与时钟脉冲信号的电压平相反，导致逻辑门[28]的输出关掉功率开关装置[20]。
参见图2，检测装置[12]包括具有晶体管Q1及Q2的电路，两晶体管在一起组成向检测电阻R1供给恒定电压的恒电压源装置[12]。如图所示，晶体管Q1的集电极引线经电阻R6连到从稳压电源[30]来的稳定电压，而其发射极引线则接地。基极引线则经适当的电阻R5连到时钟脉冲装置[10]。晶体管Q1的集电极也直接连到晶体管Q2的基极，Q2是以发射极/跟随器接法连接的达林顿(Darlington)放大器。检测电阻R1连接在达林顿放大器Q2的发射极及电热塞[22]之间。当电路在时钟脉冲装置[10]的控制下工作时，检测电阻R1响应流经电热塞[22]的电流。因为达林顿放大器Q2为恒电压源，在检测电阻R1及电热塞[22]的连接处的电压是电热塞[22]的电阻的函数;因而亦为电热塞[22]的温度的函数。
图2所示的温度参考装置[24]为电压分压器装置，其在电气上与电热塞[22]及检测电阻R1一起连接在桥式电路中。如图所示，电压分压器是一对电阻R12，R13，其中当电热塞在其工作温度时以地为参考点的在电阻R12，R13的连接点处的电压信号与电热塞[22]两端的电压成正比。该信号连接到比较装置[16]中的运算放大器IC2的倒相输入[32]。在电气上经电阻R3连接到运算放大器IC2的不倒相输入[34]的是来自检测电阻R1及电热塞[22]的连接点的信号。比较装置[16]的输出连接到常规的闩锁装置IC3，闩锁装置的另一输入则来自时钟脉冲装置[10]。闩锁装置的输出连接到逻辑装置[28]。
逻辑装置[28]包括一对并联的晶体管Q3及Q4，其连接方式为或门式连接。晶体管Q3响应时钟脉冲信号而晶体管Q4则响应来自闩锁装置[18]的信号。逻辑装置[28]的输出取自Q3及Q4的集电极并直接连到功率开关装置[20]中的第二达林顿放大器Q5的基极。如果在任一晶体管的集电极上的电压为低电压，则第二达林顿放大器Q5的基极电压为低电压且达林顿放大器Q5不导通。然后如果在两集电极上的电压为高电压，则晶体管Q3及Q4不导通，第二达林顿放大器Q5的基极电压为高电压且Q5导通。第二达林顿放大器Q5的导通使功率晶体管Q6导通，因而允许大电流加到电热塞[22]。
图3A表示当电热塞[22]通电时在连续时钟周期期间流经电热塞[22]的电流。图3B为当经功率晶体管Q6供电时电热塞[22]两端的电压。图3C图示电热塞[22]的电阻特性曲线。如指出的那样，电热塞[22]有正温度系数，按此当电热塞的温度上升时，其电阻也上升。
如图3A、3B及3C所示，当电热塞[22]的电阻是其温度上升到预定工作条件的电阻时有一段时间周期[36]。在本实施例中此条件为1000℃。温度参考装置[24]输出表示在1000℃时电热塞[22]两端预期电压的电压信号。当然此温度是设计上的事。如图3A及3B所示，当比较装置[16]的输出指示电热塞[22]的电阻为一指示高温度的阻值则功率晶体管Q6不导通，电热塞[22]两端的电压在时钟脉冲的启动周期期间为零。图3A及3B的时间周期[36]说明在时钟脉冲的取样周期期间只有小电流流经电热塞及小电压跨接在电热塞[22]的两端。
当对作为最佳实施例的用于正温度系数电热塞[22]的电子控制器的应用进行讨论的同时，在此可设想该电子控制器可用于任何预定温度系数的加热器件，该器件能将电功率转换为热。在这一器件中需要一检测加热器的温度的检测装置[12]，并作为检测温度的结果，产生代表该温度的温度信号。此信号可代表100℃以下的温度及大大超过100℃的温度，视加热装置的电阻值及所要的产生出的热的大小而定。然后将此温度信号与预定的温度信号相比较，以便产生比较信号，其输出信号可指示加热器是否高于、低于或等于预定的温度信号。然后将此比较装置的输出加到功率驱动器电路，该电路控制加电即控制将电流加到加热器。
在上述控制器中的一切元件都是电子元件其中不需要有触点或继电器。在加热元件中使用正温度系数电阻材料的优点在于当器件到达其工作温度时，将器件维持在工作温度上所需要的峰值功率减小。使器件工作所需的电功率为器件及其工作环境的热物质的函数。如使用负温度系数加热器则当加温器的温度增加时电阻将减小而加到器件上的电流量将增加。
因而，控制预定温度系数加热器加热的方法包括的步骤为检测加热器上的电流量，或者检测加热器两端的电压。然后将该电压或电流与预定值的电压或电流相比较，该预定值代表所要的加热温度。然后作为对两数值进行比较的结果，改变加到加热器上的电功率量以便使加热器的工作温度值达到所要的温度。
参见图4，上述控制器可用在控制正或负温度系数电热塞[22]的总系统中，在发动机的每一汽缸内至少装一个电热塞来启动柴油发动机。电源[20]用来在控制器的控制下向每个电热塞[22]供电，其由检测装置[12]及功率开关[20]来代表。检测一个电热塞[22]以便产生与电热塞[22]的温度成正比的第一电信号V1。发动机温度传感器[38]用来确定发动机的工作温度并产生与实际工作温度成正比的第二电信号V2。从代表电热塞[22]的预定工作温度的电热塞温度参考装置[24]产生第三电信号V3。从代表发动机的预定工作温度的发动机温度参考装置[40]中产生第四电信号V4。
然后将第一及第三电信号V1及V3相比较[48]所得到信号为代表电热塞[22]及电热塞温度参考装置[24]的相对温度。如果所得到信号指示电热塞[22]的实际温度低于参考温度则此信号将是启动(actuating)信号，同样将实际发动机温度信号V2及发动机温度参考信号V4相比较[50]，所得到的信号当发动机低于参考温度时将为启动信号。启动信号是一种信号，其本身将使控制器能向电热塞供电。然后将从比较器[48]及[50]来的输出信号经逻辑装置[52]与电子控制器相耦合以便控制向电热塞供电。
大多数系统可以附加包括一环境温度传感器[44]以确定该系统的环境温度。该传感器[44]产生电信号V5，其与来自环境温度参考装置[46]的另一个电信号V6一起加到比较器[54]。比较的输出是一信号，加到逻辑装置[52]，指示当环境温度很高时要阻断控制器的工作。
还可以确定要将电加到电热塞上的时间。这一时间一般地是在发动机启动时或当冷启动情况的期间。加到汽缸的燃料温度低于燃料在汽缸中点火所必需的温度。
与接法有关，每个电热塞[22]可以有一个控制器，或者几个电热塞与一个控制器一起工作如图4所示。测量被选为测量电热塞的一个电热塞上的电流。作为此测量的结果是产生时基信号来控制将电加到其他的电热塞。如前所示，此时基信号可具有的特性为在一个单元时间内或者接通或者断开，或这类信号可用于维持电热塞的电流直到如电热塞达到工作温度时为止。
系统可以响应其他情况，以控制电热塞的工作。一种这类情况可以是对电热塞可以通电的最大时间进行限制。因而控制器可以用于其中几种情况都检测的总系统之中。这些情况将在电气上耦合到控制器以便作为最终结果来控制向电热塞加电。如前所述，可以使用分时、多工及大容量电子元件以便允许用一个控制器来控制发动机中所有的电热塞。
权利要求
1.一种使陶瓷基底上淀积一预定温度系数的加热材料的电热塞[22]加热的电子控制器，该控制器包括响应经过加热材料的电流并产生与该材料的电阻成正比的电信号的装置R1；产生代表该材料的预定电阻值的信号的装置[24]；响应与该材料的电阻成正比的上述电信号及代表预定电阻值的上述信号因而当与该材料的电阻成正比的上述信号指示电阻小于上述预定电阻时产生一种极性的信号而当上述预定电阻小于该材料的电阻时产生另一种信号的装置[16]。
2.一种控制预定温度系数电热塞以便启动具有一个或多个汽缸的柴油发动机用的系统，该系统包括在柴油发动机的每个汽缸中的至少一个电热塞[22]，上述电热塞可使在其各自汽缸内的燃料混合物点火;向每个上述电热塞供给电流以提高上述电热塞的温度的装置[20];检测一个上述电热塞的电流量并产生与上述电热塞的实际温度成正比的第一电信号V1的装置[16];确定发动机的工作温度并产生与实际工作温度成正比的第二电信号V2的装置[38];产生代表发动机的预定工作温度的第三电信号V的装置[24];响应上述第一及第三电信号以便当上述实际温度低于上述预定温度时使向每个上述电热塞[22]供给电流的上述装置[20，52]启动的装置[48];及响应上述第二及第四电信号以便控制向每个上述电热塞加电流的上述装置[20，52]的装置[50]。
3.一种正温度系数加热器用的电子控制器包括产生具有取样周期及启动周期的时钟脉冲信号的时钟脉冲装置[10];响应用以测量加热器的温度的取样周期并产生代表该温度的温度信号的检测装置[12];响应预定温度值信号[24]及上述温度信号以便当加热器的温度小于上述预定温度值时产生一比较信号的比较装置[16];响应上述启动周期及上述比较信号以便产生加电控制信号的闩锁电路装置[16];及响应上述加电信号以便向加热器供电的功率开关装置[20]。
4.如权利要求
3所述的控制器其特征在于上述检测装置包括;由上述取样周期启动的恒电压装置[14];及电气上连接在上述恒定电压装置及加热器之间的检测电阻R1，上述电阻响应流经加热器的电流以便产生与其成正比的上述温度信号。
5.如权利要求
3所述的控制器其特征在于上述比较装置包括桥电路装置R1，22，R12，R13，32，R3其中上述装置的一部分R12，R13产生代表预定温度值的电信号而另一部分R3则适用于接收来自上述检测装置R1的上述温度信号;及响应上述电信号及上述温度信号以便当上述温度信号的值小于上述电信号的值时产生第一输出信号而当上述温度信号的值大于上述电信号的值时产生第二输出信号使上述闩锁装置[18]截止的比较器[32]。
6.一种控制具有带预定温度系数材料的加热元件的加热器的方法包括步骤检测流到预定温度系数加热器的电流量;将检测到的电流值与代表所要的加热温度的预定值进行比较;及然后当检测到的电流值和预定值不相等时向加热元件供给电流。
7.一种控制柴油发动机所有的预定温度系数电热塞的加热的方法包括步骤;产生代表对每个电热塞加热定时的信号;测量在其各自的加热定时期间加到一个电热塞的电流;将加到上述一电热塞的电流量与预定的电流量进行比较;产生具有时间长度等于将电流加到上述一个电热塞直到该电流等于预定电流量为止的时间的定时信号;及然后在本发动机工作循环期间向每个电热塞供给电流其供电时间周期等于所产生的定时信号的时间长度。
8.如权利要求
7所述的方法还包括步骤通过测量加到上述一电热塞的电流调整在下一个发动机工作循环上的定时信号;及然后在上述下一个发动机工作循环期间向每个电热塞供给电流。
9.一种控制在柴油发动机中的正温度系数电热塞的方法包括步骤测量一个电热塞的温度;将测得的温度与预定温度相比较;当一电热塞的温度低于预定温度时向每个电热塞供电;确定发动机的实际工作温度;将发动机的工作温度与预定的发动机工作温度进行比较;及然后当发动机的实际温度高于预定的发动机工作温度时去掉加到每个电热塞上的电功率。
10.如权利要求
9所述的方法又包括的步骤为对每个电热塞产生定时信号，上述定时信号指出向每个电热塞加电功率的开始时间。
专利摘要
一种预定温度系数加热器用的电子控制器提供对加热器加电的固态控制。特别是，其中加热器涂在陶瓷基底上的正温度系数电热塞由无触点固态控制器控制。电热塞的温度由时钟脉冲信号取样并与预定温度值进行比较。供给脉冲功率以便提高及维持加热器的温度到预定值。在汽车发动机中，其中每个汽缸用一个电热塞，对一电热塞进行取样并控制其余的电热塞。
文档编号F02P19/02GK86100415SQ86100415
公开日1987年2月25日 申请日期1986年2月14日
发明者道格拉斯·杰·罗姆斯他特, 威廉·尔·赛茨 申请人:联合公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan