專利名稱:預定溫度系數(shù)加熱器的電子控制器的制作方法
本發(fā)明一般地涉及預定溫度系數(shù)加熱器的控制器，且更具體地涉及柴油發(fā)動機的無金屬線電熱塞用的固態(tài)無觸點控制器。
壓縮點火發(fā)動機或柴油發(fā)動機依賴于汽缸內(nèi)燃料的壓力及總的溫度以便產(chǎn)生點火來驅(qū)動發(fā)動機。眾所周知，當燃料及環(huán)境溫度很低時在冷啟動及其他情況期間，在每個汽缸內(nèi)有必要提供電熱塞來提高燃料的溫度。電熱塞典型地為具有很小電阻的繞線器件，這些器件在電氣上經(jīng)控制器連接在承受大電流負載的車輛蓄電池兩端。電阻小的原因在于能在很短的響應時間內(nèi)產(chǎn)生很高的溫度。
繞線電熱塞的控制器的電路中包括一個或多個繼電器及一個或多個繼電器觸點，以便斷開及接通到電熱塞的電源通路。此種斷開及接通的工作是調(diào)節(jié)流入到電熱塞的電流量，以及當發(fā)動機的溫度足以進行壓縮點火時將電熱塞斷掉。
繞線電熱塞現(xiàn)由固態(tài)電熱塞所代替，其中在陶瓷基片上淀積一預定溫度系數(shù)的加熱材料如正溫度系數(shù)材料。然后將該電熱塞放在汽缸內(nèi)，其放置方式與其繞線的原電熱塞相似。電熱塞上的加熱材料的電阻值一般高于在電熱塞上所繞的金屬線的電阻值，然而正溫度系數(shù)材料的加熱時間則比繞線更快。為了精確地控制固態(tài)電熱塞的加熱，需用動作比較快速的固態(tài)元件來代替繼電器及幾個觸點。
為了解決上述問題，在此揭示有一種使其陶瓷基片上淀積一預定溫度系數(shù)加熱材料的使器件加熱的電子控制器。具體地說，這一器件可以是用于柴油發(fā)動機用的電熱塞或是一般地可以是任何一種電加熱器件。在該控制器中有對流經(jīng)加熱材料的電流作出響應以產(chǎn)生與該材料的電阻成正比的電信號的裝置。此外，有產(chǎn)生代表該材料的預定電阻值的信號的裝置。當與該材料的電阻成正比的信號的電信號指示其電阻小于預定電阻時將以上兩種信號合到一起以便產(chǎn)生一種電平的信號。此外，當預定電阻小于該材料的電阻時產(chǎn)生另一種電平的另一種信號。
上述控制器可以用在控制正溫度系數(shù)電熱塞的總系統(tǒng)中。其中在柴油發(fā)動機的每個汽缸內(nèi)至少放一個電熱塞以便啟動柴油機。一電源用來對在控制器的控制下的每個電熱塞供電。檢測一個電熱塞以便產(chǎn)生與電熱塞的溫度成正比的第一電信號。提供有另一種裝置用以確定發(fā)動機的工作溫度并產(chǎn)生與實際工作溫度成正比的第二電信號。產(chǎn)生代表發(fā)動機的預定工作溫度的第四電信號。然后將電子控制器的輸出加到一種裝置，該裝置響應兩溫度信號以便當實際溫度低于預定工作溫度時控制向電熱塞供電。
因而本發(fā)明的主要優(yōu)點在于提供無觸點的控制器以便控制預定溫度系數(shù)的電熱塞。
本系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于提供一種控制器，該控制器可檢測多個電熱塞中的一個電熱塞，并對其作出響應來控制所有電熱塞的工作。
從以下的附圖及詳細說明中可看出這些優(yōu)點及其他優(yōu)點都是很明顯的。
在附圖中圖1為電熱塞電子控制器的一實施例的方塊圖。
圖2為圖1的實施例的原理線路圖。
圖3A、3B及3C為圖2中不同點處的電壓及電流曲線。
圖4為使用電熱塞控制器的系統(tǒng)的方塊圖。
在1982年9月30日申請的美國申請?zhí)枮?30.909、發(fā)明名稱為“具有導電膜加熱器的電熱塞”、發(fā)明人為馬克·?！げ剪斂怂沟鹊膶＠暾堉锌砂l(fā)現(xiàn)一種動作快速的電熱塞，提供了一種動作快速的溫度器件在諸如冷啟動的時間期間在柴油發(fā)動機中產(chǎn)生點火。上述電熱塞的改進型則可在1983年6月23日申請的、美國申請?zhí)?07，254的專利申請中看到，該申請的題目為“一種具有電阻性表面膜加熱器”，發(fā)明人為馬克·埃·布魯克斯等。上述兩件專利申請都轉(zhuǎn)讓給和本發(fā)明一樣的同一受讓人，并在此列作參考。
參見圖1，其中以方塊圖形式圖示可用于上述電熱塞的本發(fā)明的電子控制器。圖1既未表示、圖示也不需要如繼電器或觸點之類的器件來控制控制器內(nèi)的電功率。眾所周知，如將其用于汽車或其他機動車中則在點火開關或相似器件的控制下來開關蓄電池電源，但在圖1的系統(tǒng)中由控制器所控制的電源的開關不經(jīng)過觸點。就其控制一個電熱塞而言可將控制器描述為單通道控制器。因為大多數(shù)柴油發(fā)動機有二個以上的汽缸，圖1的電路可復制多套，其數(shù)目與發(fā)動機中的電熱塞數(shù)相等。然而，如此后所示那樣，采用上述電路的分時或多工形式的先進技術可用來控制二個以上的電熱塞。此外，另外的電熱塞可以在電氣上并連連接。
參見圖1，其中圖示有時鐘脈沖裝置[10]，包括恒電壓源裝置[14]及檢測電阻R1的檢測裝置[12]，比較裝置[16]，閂鎖裝置[18]，功率開關裝置[20]，電熱塞[22]及溫度參考裝置[24]。此特別電路用的邏輯規(guī)側(cè)需要正電壓電平作為接通信號或啟動條件且使用正向信號啟動。
時鐘脈沖裝置當用于圖1中的時產(chǎn)生具有取樣周期及啟動周期的脈沖序列。在最佳實施例中，取樣周期為200微秒，總的時鐘脈沖周期為7毫秒。盡管取樣周期應越短越好，但這種定時是設計方面的事。在本檢測方法中，可發(fā)現(xiàn)在加檢測電流之后檢測電阻或R1傳感器在200微秒之內(nèi)是穩(wěn)定的。因而這就確定了取樣周期。再者，在最佳實施例中時鐘脈沖信號的脈沖序列包括200微秒的負向取樣周期，在該周期后有一正向脈沖保持在7毫秒的其余時間上。
圖1所示的檢測裝置[12]響應從時鐘脈沖裝置[10]來的取樣周期信號，該信號為一經(jīng)倒相器[26]來的正向信號以便使恒電壓裝置[14]接通。恒電壓裝置所供給的電流等于恒電壓裝置[14]的電壓輸出除以電熱塞[22]及檢測電阻R1的電阻之和。通過測量電熱塞[22]兩端的電壓降，可確定其電阻。電熱塞[22]的溫度與其電阻成正比，因而檢測裝置[12]實際上測量電熱塞[22]的溫度并產(chǎn)生代表該溫度的信號。
比較裝置[16]接收來自電熱塞[22]的溫度信號及從溫度參考裝置[24]來的預定溫度參考信號并產(chǎn)生比較信號來指示預定溫度與電熱塞[22]的溫度之間的關系。預定溫度參考裝置[24]產(chǎn)生具有一種特性的電信號，該特性當電熱塞獲得其工作溫度時與電熱塞的特性一致。在圖1所示的最佳實施例中由檢測裝置[12]所產(chǎn)生的溫度信號及從溫度參考裝置[24]來的預定溫度參考信號都是電壓信號，且比較器[16]的輸出當電熱塞[22]不在其工作溫度時是一種極性的信號而當電熱塞[22]在其工作溫度時則為另一種極性的信號。
閂鎖電路裝置[18]在從時鐘脈沖裝置[10]產(chǎn)生的啟動周期期間被啟動，并貯存比較信號以便產(chǎn)生加電控制信號。閂鎖電路裝置[18]的輸出加到邏輯裝置或邏輯門[28]，其功能為保證在取樣周期期間關掉功率開關裝置[20]。當加到邏輯門[28]的兩個信號都是正的信號或在一電壓電平上時，門[28]的輸出足以使功率開關裝置[20]啟動。當電熱塞[22]的溫度已達到，則比較器裝置[16]的輸出使閂鎖電路裝置[18]復位，因而閂鎖信號與時鐘脈沖信號的電壓平相反，導致邏輯門[28]的輸出關掉功率開關裝置[20]。
參見圖2，檢測裝置[12]包括具有晶體管Q1及Q2的電路，兩晶體管在一起組成向檢測電阻R1供給恒定電壓的恒電壓源裝置[12]。如圖所示，晶體管Q1的集電極引線經(jīng)電阻R6連到從穩(wěn)壓電源[30]來的穩(wěn)定電壓，而其發(fā)射極引線則接地。基極引線則經(jīng)適當?shù)碾娮鑂5連到時鐘脈沖裝置[10]。晶體管Q1的集電極也直接連到晶體管Q2的基極，Q2是以發(fā)射極/跟隨器接法連接的達林頓(Darlington)放大器。檢測電阻R1連接在達林頓放大器Q2的發(fā)射極及電熱塞[22]之間。當電路在時鐘脈沖裝置[10]的控制下工作時，檢測電阻R1響應流經(jīng)電熱塞[22]的電流。因為達林頓放大器Q2為恒電壓源，在檢測電阻R1及電熱塞[22]的連接處的電壓是電熱塞[22]的電阻的函數(shù);因而亦為電熱塞[22]的溫度的函數(shù)。
圖2所示的溫度參考裝置[24]為電壓分壓器裝置，其在電氣上與電熱塞[22]及檢測電阻R1一起連接在橋式電路中。如圖所示，電壓分壓器是一對電阻R12，R13，其中當電熱塞在其工作溫度時以地為參考點的在電阻R12，R13的連接點處的電壓信號與電熱塞[22]兩端的電壓成正比。該信號連接到比較裝置[16]中的運算放大器IC2的倒相輸入[32]。在電氣上經(jīng)電阻R3連接到運算放大器IC2的不倒相輸入[34]的是來自檢測電阻R1及電熱塞[22]的連接點的信號。比較裝置[16]的輸出連接到常規(guī)的閂鎖裝置IC3，閂鎖裝置的另一輸入則來自時鐘脈沖裝置[10]。閂鎖裝置的輸出連接到邏輯裝置[28]。
邏輯裝置[28]包括一對并聯(lián)的晶體管Q3及Q4，其連接方式為或門式連接。晶體管Q3響應時鐘脈沖信號而晶體管Q4則響應來自閂鎖裝置[18]的信號。邏輯裝置[28]的輸出取自Q3及Q4的集電極并直接連到功率開關裝置[20]中的第二達林頓放大器Q5的基極。如果在任一晶體管的集電極上的電壓為低電壓，則第二達林頓放大器Q5的基極電壓為低電壓且達林頓放大器Q5不導通。然后如果在兩集電極上的電壓為高電壓，則晶體管Q3及Q4不導通，第二達林頓放大器Q5的基極電壓為高電壓且Q5導通。第二達林頓放大器Q5的導通使功率晶體管Q6導通，因而允許大電流加到電熱塞[22]。
圖3A表示當電熱塞[22]通電時在連續(xù)時鐘周期期間流經(jīng)電熱塞[22]的電流。圖3B為當經(jīng)功率晶體管Q6供電時電熱塞[22]兩端的電壓。圖3C圖示電熱塞[22]的電阻特性曲線。如指出的那樣，電熱塞[22]有正溫度系數(shù)，按此當電熱塞的溫度上升時，其電阻也上升。
如圖3A、3B及3C所示，當電熱塞[22]的電阻是其溫度上升到預定工作條件的電阻時有一段時間周期[36]。在本實施例中此條件為1000℃。溫度參考裝置[24]輸出表示在1000℃時電熱塞[22]兩端預期電壓的電壓信號。當然此溫度是設計上的事。如圖3A及3B所示，當比較裝置[16]的輸出指示電熱塞[22]的電阻為一指示高溫度的阻值則功率晶體管Q6不導通，電熱塞[22]兩端的電壓在時鐘脈沖的啟動周期期間為零。圖3A及3B的時間周期[36]說明在時鐘脈沖的取樣周期期間只有小電流流經(jīng)電熱塞及小電壓跨接在電熱塞[22]的兩端。
當對作為最佳實施例的用于正溫度系數(shù)電熱塞[22]的電子控制器的應用進行討論的同時，在此可設想該電子控制器可用于任何預定溫度系數(shù)的加熱器件，該器件能將電功率轉(zhuǎn)換為熱。在這一器件中需要一檢測加熱器的溫度的檢測裝置[12]，并作為檢測溫度的結果，產(chǎn)生代表該溫度的溫度信號。此信號可代表100℃以下的溫度及大大超過100℃的溫度，視加熱裝置的電阻值及所要的產(chǎn)生出的熱的大小而定。然后將此溫度信號與預定的溫度信號相比較，以便產(chǎn)生比較信號，其輸出信號可指示加熱器是否高于、低于或等于預定的溫度信號。然后將此比較裝置的輸出加到功率驅(qū)動器電路，該電路控制加電即控制將電流加到加熱器。
在上述控制器中的一切元件都是電子元件其中不需要有觸點或繼電器。在加熱元件中使用正溫度系數(shù)電阻材料的優(yōu)點在于當器件到達其工作溫度時，將器件維持在工作溫度上所需要的峰值功率減小。使器件工作所需的電功率為器件及其工作環(huán)境的熱物質(zhì)的函數(shù)。如使用負溫度系數(shù)加熱器則當加溫器的溫度增加時電阻將減小而加到器件上的電流量將增加。
因而，控制預定溫度系數(shù)加熱器加熱的方法包括的步驟為檢測加熱器上的電流量，或者檢測加熱器兩端的電壓。然后將該電壓或電流與預定值的電壓或電流相比較，該預定值代表所要的加熱溫度。然后作為對兩數(shù)值進行比較的結果，改變加到加熱器上的電功率量以便使加熱器的工作溫度值達到所要的溫度。
參見圖4，上述控制器可用在控制正或負溫度系數(shù)電熱塞[22]的總系統(tǒng)中，在發(fā)動機的每一汽缸內(nèi)至少裝一個電熱塞來啟動柴油發(fā)動機。電源[20]用來在控制器的控制下向每個電熱塞[22]供電，其由檢測裝置[12]及功率開關[20]來代表。檢測一個電熱塞[22]以便產(chǎn)生與電熱塞[22]的溫度成正比的第一電信號V1。發(fā)動機溫度傳感器[38]用來確定發(fā)動機的工作溫度并產(chǎn)生與實際工作溫度成正比的第二電信號V2。從代表電熱塞[22]的預定工作溫度的電熱塞溫度參考裝置[24]產(chǎn)生第三電信號V3。從代表發(fā)動機的預定工作溫度的發(fā)動機溫度參考裝置[40]中產(chǎn)生第四電信號V4。
然后將第一及第三電信號V1及V3相比較[48]所得到信號為代表電熱塞[22]及電熱塞溫度參考裝置[24]的相對溫度。如果所得到信號指示電熱塞[22]的實際溫度低于參考溫度則此信號將是啟動(actuating)信號，同樣將實際發(fā)動機溫度信號V2及發(fā)動機溫度參考信號V4相比較[50]，所得到的信號當發(fā)動機低于參考溫度時將為啟動信號。啟動信號是一種信號，其本身將使控制器能向電熱塞供電。然后將從比較器[48]及[50]來的輸出信號經(jīng)邏輯裝置[52]與電子控制器相耦合以便控制向電熱塞供電。
大多數(shù)系統(tǒng)可以附加包括一環(huán)境溫度傳感器[44]以確定該系統(tǒng)的環(huán)境溫度。該傳感器[44]產(chǎn)生電信號V5，其與來自環(huán)境溫度參考裝置[46]的另一個電信號V6一起加到比較器[54]。比較的輸出是一信號，加到邏輯裝置[52]，指示當環(huán)境溫度很高時要阻斷控制器的工作。
還可以確定要將電加到電熱塞上的時間。這一時間一般地是在發(fā)動機啟動時或當冷啟動情況的期間。加到汽缸的燃料溫度低于燃料在汽缸中點火所必需的溫度。
與接法有關，每個電熱塞[22]可以有一個控制器，或者幾個電熱塞與一個控制器一起工作如圖4所示。測量被選為測量電熱塞的一個電熱塞上的電流。作為此測量的結果是產(chǎn)生時基信號來控制將電加到其他的電熱塞。如前所示，此時基信號可具有的特性為在一個單元時間內(nèi)或者接通或者斷開，或這類信號可用于維持電熱塞的電流直到如電熱塞達到工作溫度時為止。
系統(tǒng)可以響應其他情況，以控制電熱塞的工作。一種這類情況可以是對電熱塞可以通電的最大時間進行限制。因而控制器可以用于其中幾種情況都檢測的總系統(tǒng)之中。這些情況將在電氣上耦合到控制器以便作為最終結果來控制向電熱塞加電。如前所述，可以使用分時、多工及大容量電子元件以便允許用一個控制器來控制發(fā)動機中所有的電熱塞。
權利要求
1.一種使陶瓷基底上淀積一預定溫度系數(shù)的加熱材料的電熱塞[22]加熱的電子控制器，該控制器包括響應經(jīng)過加熱材料的電流并產(chǎn)生與該材料的電阻成正比的電信號的裝置R1；產(chǎn)生代表該材料的預定電阻值的信號的裝置[24]；響應與該材料的電阻成正比的上述電信號及代表預定電阻值的上述信號因而當與該材料的電阻成正比的上述信號指示電阻小于上述預定電阻時產(chǎn)生一種極性的信號而當上述預定電阻小于該材料的電阻時產(chǎn)生另一種信號的裝置[16]。
2.一種控制預定溫度系數(shù)電熱塞以便啟動具有一個或多個汽缸的柴油發(fā)動機用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在柴油發(fā)動機的每個汽缸中的至少一個電熱塞[22]，上述電熱塞可使在其各自汽缸內(nèi)的燃料混合物點火;向每個上述電熱塞供給電流以提高上述電熱塞的溫度的裝置[20];檢測一個上述電熱塞的電流量并產(chǎn)生與上述電熱塞的實際溫度成正比的第一電信號V1的裝置[16];確定發(fā)動機的工作溫度并產(chǎn)生與實際工作溫度成正比的第二電信號V2的裝置[38];產(chǎn)生代表發(fā)動機的預定工作溫度的第三電信號V的裝置[24];響應上述第一及第三電信號以便當上述實際溫度低于上述預定溫度時使向每個上述電熱塞[22]供給電流的上述裝置[20，52]啟動的裝置[48];及響應上述第二及第四電信號以便控制向每個上述電熱塞加電流的上述裝置[20，52]的裝置[50]。
3.一種正溫度系數(shù)加熱器用的電子控制器包括產(chǎn)生具有取樣周期及啟動周期的時鐘脈沖信號的時鐘脈沖裝置[10];響應用以測量加熱器的溫度的取樣周期并產(chǎn)生代表該溫度的溫度信號的檢測裝置[12];響應預定溫度值信號[24]及上述溫度信號以便當加熱器的溫度小于上述預定溫度值時產(chǎn)生一比較信號的比較裝置[16];響應上述啟動周期及上述比較信號以便產(chǎn)生加電控制信號的閂鎖電路裝置[16];及響應上述加電信號以便向加熱器供電的功率開關裝置[20]。
4.如權利要求
3所述的控制器其特征在于上述檢測裝置包括;由上述取樣周期啟動的恒電壓裝置[14];及電氣上連接在上述恒定電壓裝置及加熱器之間的檢測電阻R1，上述電阻響應流經(jīng)加熱器的電流以便產(chǎn)生與其成正比的上述溫度信號。
5.如權利要求
3所述的控制器其特征在于上述比較裝置包括橋電路裝置R1，22，R12，R13，32，R3其中上述裝置的一部分R12，R13產(chǎn)生代表預定溫度值的電信號而另一部分R3則適用于接收來自上述檢測裝置R1的上述溫度信號;及響應上述電信號及上述溫度信號以便當上述溫度信號的值小于上述電信號的值時產(chǎn)生第一輸出信號而當上述溫度信號的值大于上述電信號的值時產(chǎn)生第二輸出信號使上述閂鎖裝置[18]截止的比較器[32]。
6.一種控制具有帶預定溫度系數(shù)材料的加熱元件的加熱器的方法包括步驟檢測流到預定溫度系數(shù)加熱器的電流量;將檢測到的電流值與代表所要的加熱溫度的預定值進行比較;及然后當檢測到的電流值和預定值不相等時向加熱元件供給電流。
7.一種控制柴油發(fā)動機所有的預定溫度系數(shù)電熱塞的加熱的方法包括步驟;產(chǎn)生代表對每個電熱塞加熱定時的信號;測量在其各自的加熱定時期間加到一個電熱塞的電流;將加到上述一電熱塞的電流量與預定的電流量進行比較;產(chǎn)生具有時間長度等于將電流加到上述一個電熱塞直到該電流等于預定電流量為止的時間的定時信號;及然后在本發(fā)動機工作循環(huán)期間向每個電熱塞供給電流其供電時間周期等于所產(chǎn)生的定時信號的時間長度。
8.如權利要求
7所述的方法還包括步驟通過測量加到上述一電熱塞的電流調(diào)整在下一個發(fā)動機工作循環(huán)上的定時信號;及然后在上述下一個發(fā)動機工作循環(huán)期間向每個電熱塞供給電流。
9.一種控制在柴油發(fā)動機中的正溫度系數(shù)電熱塞的方法包括步驟測量一個電熱塞的溫度;將測得的溫度與預定溫度相比較;當一電熱塞的溫度低于預定溫度時向每個電熱塞供電;確定發(fā)動機的實際工作溫度;將發(fā)動機的工作溫度與預定的發(fā)動機工作溫度進行比較;及然后當發(fā)動機的實際溫度高于預定的發(fā)動機工作溫度時去掉加到每個電熱塞上的電功率。
10.如權利要求
9所述的方法又包括的步驟為對每個電熱塞產(chǎn)生定時信號，上述定時信號指出向每個電熱塞加電功率的開始時間。
專利摘要
一種預定溫度系數(shù)加熱器用的電子控制器提供對加熱器加電的固態(tài)控制。特別是，其中加熱器涂在陶瓷基底上的正溫度系數(shù)電熱塞由無觸點固態(tài)控制器控制。電熱塞的溫度由時鐘脈沖信號取樣并與預定溫度值進行比較。供給脈沖功率以便提高及維持加熱器的溫度到預定值。在汽車發(fā)動機中，其中每個汽缸用一個電熱塞，對一電熱塞進行取樣并控制其余的電熱塞。
文檔編號F02P19/02GK86100415SQ86100415
公開日1987年2月25日 申請日期1986年2月14日
發(fā)明者道格拉斯·杰·羅姆斯他特, 威廉·爾·賽茨 申請人:聯(lián)合公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan