УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ВСАСЫВАЕМОГО ВОЗДУХА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
MANAGEMENT OF ELECTRICAL AIR INTAKE HEATER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к управлению электрического подогревателя всасываемого воздуха согласно родовому понятию п. 1 формулы изобретения.
Для того чтобы при холодном двигателе внутреннего сгорания, особенно при дизельном двигателе внутреннего сгорания, обеспечить запуск и/или улучшить режим запуска, общеизвестным является «предварительный нагрев двигателя», причем, в частности, всасываемый воздух предварительно нагревается. Для этого является общеизвестной установка управляемого управляющим устройством электрического подогревателя всасываемого воздуха с нагревательными ламелями в канале всасывания двигателя внутреннего сгорания. При этом управляющее устройство активируется водителем путем поворота ключа зажигания в положение «1» в замке зажигания, из-за чего в течение определенного времени нагрева - в зависимости от температуры, измеряемой, например, в охлаждающей воде, - запускается процесс нагрева и к тому же включается сигнальная лампа в качестве «лампы предпускового разогрева». После заданного времени нагрева и гашения «лампы предпускового разогрева» двигатель внутреннего сгорания самостоятельно запускается стартовой автоматикой или водителем путем поворота ключа зажигания в положение «2».
При вышеописанном управлении электрическим подогревателем всасываемого воздуха существует опасность, что за счет непосредственно следующих друг за другом процессов нагрева, например, посредством выполняемого бездумно или связанного со злоупотреблением последовательного приведения в действие ключа зажигания в положения «0» и «1», тепловая энергия, накапливаемая в электрическом подогревателе всасываемого воздуха или находящихся там нагревательных ламелях, соответственно, суммируется и нарастает до недопустимо высокой тепловой энергии, соответствующей недопустимо высокой температуре. Такой перегрев может привести к термическим повреждениями вплоть до оплавления и удаления частей нагревательных ламелей, которые тогда с всасываемым воздухом попадают в двигатель внутреннего сгорания и там могут привести к серьезным повреждениям.
Такой перегрев в электрическом подогревателе всасываемого воздуха не может однозначно распознаваться температурными датчиками, размещенными на двигательном блоке, так как недопустимо высокие температуры на нагревательных ламелях подогревателя всасываемого воздуха из-за удаленности температурных датчиков и большой массы двигательного блока могут определяться слишком поздно, если такое определение в принципе возможно. Тем самым до сих пор существующая опасность из-за злоупотреблений с перегревом подогревателя всасываемого воздуха считалась приемлемой или нейтрализовалась за счет сравнительного затратной надежной конструкции двигателя внутреннего сгорания и/или нагревательных элементов.
Задачей изобретения является дополнительно усовершенствовать управление электрического подогревателя всасываемого воздуха в двигателе внутреннего сгорания таким образом, что опасность перегрева за счет повторного запуска процесса нагрева исключается.
Эта задача решается признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предусмотрено, что тепловая энергия в подогревателе всасываемого воздуха уравновешивается для принятия мер против перегрева таким образом, что энергия нагрева определяется косвенным образом путем измерения времени нагрева, причем измеренное время нагрева соответствует температуре нагрева, и осуществляется ассоциирование измеренного времени нагрева с энергией нагрева и температурой нагрева соответственно определенной характеристике нагрева или параметрической поверхности нагрева. В простейшем случае для грубой оценки здесь может предусматриваться линейное соответствие. При экспериментально определенной характеристике нагрева или параметрической поверхности нагрева возможно относительно точное ассоциирование измеренного времени нагрева с температурой нагрева на критических нагревательных элементах подогревателя всасываемого воздуха.
Спустя время нагрева, по окончании процесса нагрева, определяется время охлаждения, причем со временем охлаждения также ассоциируется энергия охлаждения и тем самым температура охлаждения соответственно характеристике нагрева или параметрической поверхности нагрева. Эта энергия охлаждения или температура охлаждения затем вычитается из энергии нагрева или температуры нагрева, причем в качестве результата этого уравновешивания остающаяся разность, соответствующая остаточной энергии нагрева или текущей температуре, применяется в качестве критерия того, допустим ли после времени охлаждения сразу же повторный процесс нагрева без перегрева, то есть, не возникает ли еще за счет возобновленного немедленного процесса нагрева перегрев. В случае если сбалансированная остаточная энергия нагрева или текущая температура, напротив, слишком высока, то определяется дополнительное время охлаждения в качестве добавочного времени для дальнейшего охлаждения до некритического значения для запуска нагрева. Только после ожидания в течение этого добавочного времени активируется новый старт периода нагрева. Выравнивание, определение добавочного времени, а также активирование может выполняться управляющим устройством.
Вышеописанные меры надежно предотвращают перегрев электрического предварительного нагрева двигателя при (случайном или непродуманном) повторении повторного включения-выключения зажигания, если каждый раз управляющее устройство возвращается назад, и затем запускается новый цикл нагрева, так как при опасности перегрева должно выдерживаться определенное добавочное время в качестве дополнительного времени охлаждения. Требуемые для этого измерения времени и выравнивания являются, например, простыми электрическими/электронными операциями для «аппаратных средств», обычно имеющихся в транспортном средстве, так что в этом случае, помимо соответствующего выбора параметров и программирования управления, не возникают практически никакие дополнительные затраты.
При дополнительно конкретизированном управлении посредством включаемого вручную переключателя зажигания (положение «1») активируется режим включения управляющего устройства, посредством чего функция нагрева подогревателя всасываемого воздуха (и при необходимости других устройств предварительного нагрева) включается для по меньшей мере одного цикла нагрева с определенным временем нагрева. По окончании времени нагрева или выключении переключателя зажигания (положение «0») функция нагрева для подогревателя всасываемого воздуха отключается управляющим устройством. Спустя время хода по инерции (выбега) управляющего устройства режим включения переводится назад и деактивируется, причем в нормальном режиме работы после времени нагрева в пределах времени выбега осуществляется запуск двигателя внутреннего сгорания.
Время нагрева задается и определяется счетчиком времени в управляющем устройстве, который запускается с активированием режима включения. С временем нагрева ассоциируется электрическая энергия нагрева, отдаваемая на нагревательные элементы подогревателя всасываемого воздуха, а с этой соответственно просуммированной энергией нагрева в свою очередь соответственно ассоциируется температура нагрева. За счет такого ассоциирования получается действительная температура нагрева по истечении времени нагрева на нагревательных элементах, которое хотя и не измеряется непосредственно с помощью температурных датчиков, однако достаточно точно может быть определено посредством измерения времени для оценки критических перегревов.
Счетчик времени определяет затем, вслед за временем нагрева, время охлаждения после отключения переключателя зажигания, с учетом времени выбега управляющего устройства. С этим временем охлаждения ассоциируется отдаваемая нагревательными элементами энергия охлаждения, и последняя вычитается из ранее определенной энергии нагрева в управляющем устройстве, за счет чего косвенным образом определяется остаточная энергия нагрева, соответствующая действительной температуре охлаждения по истечении времени охлаждения.
Значение охлаждения, соответствующее этой температуре охлаждения, затем, по истечении времени выбега, сохраняется в энергонезависимом запоминающем устройстве (если уже в течение времени выбега не произошел запуск двигателя внутреннего сгорания), и счетчик времени устанавливается в исходное состояние для нового запуска.
При повторном включении переключателя зажигания и тем самым активировании управляющего устройства последнее «не знает», прошел ли длинный промежуток времени или, возможно, только критичный короткий промежуток времени, в пределах которого не осуществлялось практически никакого или только недостаточное охлаждение для беспроблемного горячего запуска. Поэтому перед повторным активированием управляющего устройства значение охлаждения, сохраненное по прошествии предыдущего времени выбега, считывается и применяется как старт для задаваемого счетчиком времени добавочного времени в качестве фиктивного времени охлаждения, которое получается из сохраненного значения охлаждения до достижения температуры запуска, не критичной для подогревателя всасываемого воздуха. Иными словами, тем самым в каждом случае управление выполняется таким образом, как если бы по окончании предыдущего процесса нагрева по истечении времени выбега не было бы никакого времени охлаждения и не проходил бы никакой (неизвестный) промежуток времени. По истечении этого добавочного времени, затем управляющим устройством вновь активируется режим запуска для процесса нагрева на подогревателе всасываемого воздуха. С помощью этой меры в любом случае гарантируется, что перегрев не происходит, независимо от того, насколько длительным был (для управляющего устройства неизвестный) промежуток времени между следующими друг за другом включениями и выключениями зажигания.
Также при конкретизированном выше управлении процессы управления, по существу, являются операциями, которые могут просто проводиться с помощью и без того уже имеющихся «аппаратных средств».
Очевидно, при оценке возможности перегрева не происходит прецизионного измерения действительной температуры на подогревателе всасываемого воздуха. Однако для того, чтобы добиться более точных результатов, можно при ассоциировании времени нагрева - энергии нагрева - температуры нагрева и/или при ассоциировании времени охлаждения - энергии охлаждения - температуры охлаждения осуществлять согласование и учет системных параметров. В частности, при этих определениях могут совместно использоваться измеренная температура окружающей среды и/или расход всасываемого воздуха.
В другом выполнении для нового цикла нагрева время нагрева может соответственно уменьшаться с учетом определенной энергии нагрева.
В зависимости от конкретных условий можно также с помощью температурного датчика, в частности датчика температуры двигателя, задавать пороговое значение температуры, выше которого «теплый запуск» двигателя внутреннего сгорания может выполняться без нагрева подогревателя всасываемого воздуха и без активирования лампы предпускового разогрева. Напротив, ниже этого порогового значения температуры при включении зажигания должен запускаться цикл нагрева для нагрева подогревателя всасываемого воздуха вместе с активированием лампы предпускового разогрева. Запуск двигателя может затем самостоятельно осуществляться после гашения лампы предпускового разогрева.
Предпочтительным является, если лампа предпускового разогрева активируется уже в добавочном времени перед циклом нагрева, причем, как описано выше, это добавочное время соответствует, при обстоятельствах, фиктивному времени охлаждения. Для того чтобы не запутывать водителя, тогда лампа предпускового разогрева включается и в течение этого добавочного времени, так что водитель во всяком случае воспринимает удлинение времени предпускового разогрева.
В более затратном, резервированном устройстве можно, дополнительно к контролю перегрева посредством выравнивания, также выполнять дополнительный температурный контроль перегрева подогревателя всасываемого воздуха непосредственно с помощью соответственно позиционированных датчиков температуры.
В другом выполнении также определяются значения датчиков, которые обычно изменяются сравнительно медленно, в частности, значение датчика температуры охлаждающей воды, и сохраняются в энергонезависимом запоминающем устройстве по истечении времени выбега.
При изменении одного или нескольких из этих значений датчиков на значительный порядок величины, например, при падении температуры охлаждающего воздуха на более чем 30 К, с помощью алгоритма принимается решение о достаточно длинном времени охлаждения (обычно больше чем один час). Сохраненное значение тепла сбрасывается, и процесс нагрева немедленно активируется. Таким способом устраняется ненужное удлинение времени запуска.
Основная идея изобретения вышеописанного управления электрическим подогревателем всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания состоит, таким образом, в том, что по меньшей мере один нагревательный элемент активируется на определенное время - в зависимости от типа конструкции, питающего напряжения и температуры, - чтобы воздух, находящийся в камере сгорания, и/или конструктивные элементы системы подачи воздуха при необходимости нагреть до температуры, требуемой для работы двигателя, в частности, для запуска двигателя, причем эти конструктивные элементы отдают тепло в воздух, втекающий в двигатель. Типовые электрические нагревательные элементы имеют свойство преобразовывать электрическую энергию для повышения температуры вплоть до собственного разрушения. Отсюда возникает опасность преждевременного старения или в особенно критическом случае возможность неожиданного разрушения, в частности, оплавления частей нагревательных элементов, которые после разрушения и после повторного отвердевания как капли металла с всасываемым воздухом могут попасть в двигатель внутреннего сгорания и там вызвать серьезные повреждения. Такая ситуация может типичным образом возникнуть тогда, когда элементы предварительного нагрева за счет нескольких следующих друг за другом, прерванных процедур запуска часто активируются в последовательности. При этом за полное время в соответствующие конструктивные детали вводится более высокий поток тепла, чем за тот же промежуток времени за счет эффектов охлаждения.
Чтобы воспрепятствовать этому, в соответствии с изобретением в электронном управляющем устройстве введенное в нагретые конструктивные элементы количество энергии уравновешивается при активировании в математическом сумматоре с накоплением (интеграторе) в соответствии с тепловой моделью в зависимости от преобразованной электрической мощности. Если распознается наличие критического количества тепла и тем самым критическая температура конструктивных элементов, управляющее устройство препятствует дальнейшему активированию нагревательных элементов, чтобы предотвратить повреждение. При последующей попытке запуска, таким образом, либо длительность активирования нагревательных элементов в соответствии с введенным количеством тепла сокращается, либо перед активированием выдерживается достаточное время охлаждения. В этом случае приходится мириться с задержкой запуска двигателя внутреннего сгорания. Простые меры с учетом времен включения во избежание перегрева конструктивных элементов в случае свечей зажигания уже известны из US 6164258 и US 2006/0207541 А1.
Для уравновешивания количества тепла в упомянутой тепловой модели также требуется отображать охлаждение конструктивных деталей. Так как физический процесс охлаждения происходит непрерывно без внешнего привода, он должен, для корректного вычисления тепловой модели, соответствующим образом непрерывно вычисляться и при стоящем транспортном средстве или при остановке работы двигателя внутреннего сгорания. Проблема здесь может возникнуть из-за того, что управление системой предварительного нагрева выполняется в управляющем устройстве; однако вне режима работы двигателя внутреннего сгорания по причинам экономии энергии управляющее устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания является обычно неактивным. При таком зачастую встречающемся в уровне техники устройстве и схеме, таким образом, вычисления для процесса охлаждения после отключения двигателя внутреннего сгорания также прерываются. Далее приводятся существенные свойства, особенно тепловой модели, и решения вышеописанной проблемы:
mot
В тепловой модели предпочтительно учитывается охлаждение посредством расхода всасываемого воздуха, причем интегратор декрементируется согласно характеристике dQ/dt=F(N). Отсюда получается ощутимо укороченная задержка запуска или заметно более точная, согласованная с термическим состоянием адаптация процесса предварительного нагрева.
С другой стороны, скорость инкрементирования интегратора должна быть согласована с физической мощностью нагревательных элементов, которая в рамках переменного по мощности управления может изменяться в зависимости от управления и/или от имеющегося в распоряжении напряжения аккумулятора.
Для того чтобы учитывать состояние отключенного управляющего устройства, численное состояние применяемого в тепловой модели интегратора при отключении управляющего устройства должно сохраняться в энергонезависимом запоминающем устройстве как текущее количество энергии в счете тепла. При повторном активировании управляющего устройства интегратор затем инициализируется с сохраненным значением, так что в тепловой модели учитывается количество тепла, введенное перед отключением управляющего устройства.
Кроме того, также текущее время t (независимо от его формата и привязки) при остановке вычисления тепловой модели должно сохраняться в энергонезависимом запоминающем устройстве и тем самым предоставляться в распоряжение при повторном активировании. Тем самым время, прошедшее при неактивном управляющем устройстве, может учитываться в тепловой модели как время охлаждения при остановленном двигателе внутреннего сгорания, в соответствии с вычислением времени охлаждения при выключенном управляющем устройстве.
По причинам экономии энергии является целесообразным, чтобы функция тепловой модели разделяется по меньшей мере на два взаимодействующих управляющих устройства, из которых одно работает при остановленном двигателе внутреннего сгорания и которое при необходимости другому управляющему устройству выдает текущий сигнал времени. Текущий сигнал времени может, например, выводиться с электронного тахографа.
Проблемой может быть ошибочное и продолжительное активирование системы предварительного нагрева, например, из-за приваренного механического релейного контакта управляющего реле, причем из-за ошибочного активирования элементы предварительного нагрева приводятся в действие при вышеупомянутой опасности повреждения двигателя внутреннего сгорания и могут оплавляться. Для такого случая может использоваться предложенная тепловая модель, чтобы путем вычисления энергии нагрева установить, оплавились ли уже элементы предварительного нагрева, и тогда запуск двигателя внутреннего сгорания, в качестве защиты двигателя, запрещается или затрудняется.
К тому же после активирования управляющего устройства должно выдерживаться достаточное время задержки, чтобы иметь возможность получить временную информацию из системы передачи данных с ограниченной емкостью.
Случай неисправности с неисполнимой длительностью нагрева может, например, произойти из-за отсутствия временного сигнала при возникновении и/или устранении ошибки или из-за неактивного к этому моменту времени управляющего устройства или вызванного ошибкой отсутствия сигнала. В таком или подобном случае неисправности при неисполнимой длительности нагрева делается допущение о времени нагрева согласно заводским данным, которое приводит к соответствующей реакции на неисправность.
На основе чертежей пример выполнения изобретения описывается дополнительно. На чертежах показано следующее:
фиг.1 - схематичный вид в плане электрического подогревателя всасываемого воздуха и соответствующее схемное устройство,
фиг.2 - диаграмма процесса при «теплом запуске»,
фиг.3 - диаграмма процесса при «холодном запуске»,
фиг.4 - схематичное представление продолжающегося повышения тепловой энергии при повторном включении-выключении зажигания без предусмотренных в изобретении мер,
фиг.5 - диаграмма процесса согласно изобретению для предотвращения перегрева,
фиг.6 - представление тепловых потоков,
фиг.7 - тепловая модель,
фиг.8 - дерево решений для работы со сбоями.
На фиг.1 схематично представлены электрический подогреватель 1 (Н) всасываемого воздуха и соответствующее схемное устройство 2.
Подогреватель 1 всасываемого воздуха расположен в (не показанном) канале всасывания двигателя внутреннего сгорания автомобиля промышленного назначения и состоит по существу из кольцеобразной корпусной части 3, которая лежит поперечно в канале всасывания, и резистивного элемента в качестве нагревательного элемента 4.
Нагревательный элемент 4 состоит из меандровых нагревательных ламелей 5, которые расположены слоями друг над другом с промежутками, соответственно сбоку электрически изолированным образом размещены в корпусной части 3 и своими концами 6 и 7 ламелей подключены соответственно к соответствующим электрическим выводам 8, 9 изолированно на корпусной части 3.
Подогреватель 1 всасываемого воздуха или нагревательный элемент 4 лежит в нагрузочной цепи (отрицательный провод 10 и положительный провод 11) аккумулятора 12 в бортовой сети транспортного средства промышленного назначения.
После аккумулятора 12 в положительном проводе 11 включен плавкий предохранитель 13 и затем (схематично показанное) реле 14.
Замок 15 (Z) зажигания, приводимый в действие ключом зажигания, имеет положения «0», «1» и «2». Положение «1» замка 15 зажигания соединено проводом 16 с управляющим устройством 17 (ECU). Управляющее устройство 17 подключено также к управляющей цепи (отрицательный провод 18 и положительный провод 19), в которой расположено реле с соответствующими управляющими контактами 20, 21.
Далее к управляющему устройству 17 подключена лампа 22 (L) в качестве лампы предпускового разогрева. Управляющее устройство 17 получает к тому же по проводу 23 (от не показанного температурного датчика) информацию, требуется ли «теплый запуск» или «холодный запуск» с активированием подогревателя 1 всасываемого воздуха.
На фиг.2 показана диаграмма процесса для нормального «теплого запуска» двигателя внутреннего сгорания: после включения зажигания (Z «1») не активируется ни подогреватель 1 (Н) всасываемого воздуха, ни лампа 22 (L), и вскоре после этого осуществляется запуск (Z «2»).
На фиг.3 показана диаграмма процесса для нормального «холодного запуска»: при этом при включенном зажигании (Z «1») посредством управляющего устройства 17 через реле 14 активируется процесс нагрева подогревателя 1 (Н) всасываемого воздуха, и одновременно включается лампа 22 (L) как лампа предпускового разогрева. При этом подаваемая на подогреватель всасываемого воздуха тепловая энергия Q в течение времени нагрева 24 постоянно повышается до тех пор, пока подогреватель 1 (Н) всасываемого воздуха не будет отключен посредством управляющего устройства 17. Двигатель внутреннего сгорания теперь готов для запуска, и подогреватель 1 (Н) всасываемого воздуха охлаждает в последующем коротком времени охлаждения 25, пока в точке 26 не последует запуск (Z «2») двигателя внутреннего сгорания, после чего при работающем двигателе на временном интервале 27 вновь осуществляется быстрое охлаждение.
s
На фиг.4 показано повышение тепловой энергии Q в подогревателе 1(Н) всасываемого воздуха, когда (по недосмотру или несерьезно) зажигание повторно включается-выключается (Z «1»-Z «0»). При этом схематично показано ступенчатое повышение тепловой энергии Q до критической тепловой энергии 28, при которой может произойти термическое повреждение двигателя внутреннего сгорания, причем в особенности при последующем запуске металлические частицы термически разрушенных нагревательных ламелей 5 могут всасываться с последующим возможным полным повреждением двигателя внутреннего сгорания. Чтобы предотвратить это, осуществляется показанное на фиг.5 управление: и здесь осуществляется при включении зажигания (Z «1») нагрев подогревателя 1 (Н) всасываемого воздуха во взаимосвязи с включением лампы 22 (L) до момента 29 времени с соответствующим нарастанием тепловой энергии Q. В момент 30 времен водителем намеренно выключается зажигание без запуска двигателя. После отключения зажигания в момент 30 времени управляющее устройство 17 (ECU) в течение времени выбега до момента 31 времени продолжает быть активным и устанавливается там, в частности, также внутренний счетчик, в исходное состояние для запуска нового периода нагрева. В течение времени от момента 29 до момента 31 охлаждение определяется аналогично проходящему времени охлаждения, и оставшаяся тепловая энергия Q (или соответствующая температура) к моменту времени 31 сохраняется в энергонезависимом запоминающем устройстве.
Затем от момента 31 времени до момента 32 времени следует не определяемый деактивированным управляющим устройством 17 (ECU) промежуток времени, после которого водитель вновь включает зажигание (Z «1»), причем управляющее устройство 17 (ECU) и лампа 22 (L) активируются. При этом управляющее устройство 17 (ECU) ожидает до момента 33 времени в течение добавочного времени, в котором независимо от длины неопределяемого промежутка времени между моментами 31 и 32 времени в любом случае надежно происходит охлаждение до нулевого уровня Q. Только теперь управляющее устройство 17 (ECU) включает в момент 33 времени нагрев подогревателя 1 (Н) всасываемого воздуха, после чего выполняется нормальный «холодный запуск», как он представлен на фиг.3.
На фиг.6 схематично представлена блок-схема протекания тепловых потоков, в частности, также зависимое от числа оборотов охлаждение посредством обмена воздушной массы. На фиг.6 тепловые потоки изображены как стрелки, а накопители энергии - как прямоугольники.
На фиг.7 показано управление для тепловой модели, которая состоит из трех управляющих устройств. В управляющее устройство 1 встроены функции интегратора и памяти. С помощью управляющего устройства 2 выполняется управление/контроль нагревательных элементов. Управляющее устройство 1 и управляющее устройство 2, по причинам экономии энергии, отключаются вместе с двигателем внутреннего сгорания. Напротив, управляющее устройство 3 должно быть постоянно активным как «датчик времени», чтобы иметь возможность учитывать в тепловой модели времена отключения обоих других управляющих устройств 1 и 2 при повторной инициализации. «Часовое время» управляющего устройства 3 может рациональным образом выводиться из часов и так уже имеющихся в транспортном средстве, но может также иметь любую другую привязку, например, как временной интервал.
К тому же на фиг.1 через Q обозначено количество тепла, t - время, ДВС - двигатель внутреннего сгорания и ECU - центральное электронное управляющее устройство.
Далее на фиг.8 показано дерево решений для обхода приложенной/сохраненной функцией ошибок в зависимости от имеющегося временного сигнала при активировании ECU.