专利名称：电热塞控制部件和电热塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及电热控制部件以及用于对柴油机等预加热的电热塞。
背景技术：
用来预加热柴油机等的电热塞通常带有电阻加热器(以下偶尔只称为“加热器”)。电热塞是这样装配的把电阻加热器固定到金属壳上，并且以该电阻加热器的前加热端部分位于发动机燃烧室内的方式，通过该金属壳外圆柱表面上的螺纹部分把加热器安装到柴油机的机体上。
该电阻加热器包括具有正电阻温度系数的电阻加热元件(用电阻加热导线或导电陶瓷材料做成)，从而一旦对该加热器通电该加热元件的电阻随温度加大。例如当通过施加恒定的电源电压启动对该电阻加热器的供电时，在加电的初始阶段该加热元件的温度和电阻都是低的，从而使相对大的电流流过该加热器。当加热元件的电阻随温度一起增加时，逐渐限制对该加热器的供电。当该加热元件的温度分布变成均衡时，加热器电阻变成大致固定。接着加热器温度达到饱和。
但是在电热塞的实际使用条件下，当启动发动机后，由于诸如燃料喷射和涡流的各种外部因素，燃烧室中的该加热器的加热端部冷却。当加热器的加热端部冷却时，加热器电阻减小造成电流波动。使这种加热器电阻改变为最小对于保持加热器的稳定加热状态是重要的，因为该加热器产生的热量和施加的电流的平方成比例。为了把加热器电阻限制在预定范围内，想到采用根据当前加热器电阻值和目标加热器电阻值之间的差来调整加热器供电功率的控制过程。(以下该控制过程称为“电阻控制过程”。)通过把加热器电阻保持在预定范围内来稳定加热器的加热状态在有效改进发动机稳定性和减小辐射方面意义重大。
在该电阻控制过程中，测量加热器电阻的准确性是一个重要的改进控制稳定性的参数。由于包括上述燃料喷射和涡流的各种外部因素，该电阻加热器在发动机燃烧室中的前端部的温度容易改变。尽管响应这种温度改变加热器电阻改变，但必须准确测量加热器电阻。在加热器表面的冷却变成通过该加热器内的加热元件的温度分布来反映之前，存在一定时滞。若该时滞大，即使加热器电阻保持固定，仍可能出现诸如加热器电阻过调、欠调或振荡的不稳定现象。
还想到按照使电阻加热器的电阻加热元件的后端部隐藏到发动机机体的安装孔中的方式来安装电热塞的安装方法。在这种情况下，电阻加热元件隐藏在该安装孔内的部分和该电阻加热元件未隐藏在该安装孔内的位于燃烧室的部分之间的冷却延迟的影响大不相同。这会造成在该电阻控制过程中出现上面的不稳定现象。
为了改进发动机稳定性，近来期望电热塞具有在最小时间内达到饱和温度的能力，其称为快速加热性能。例如，日本专利申请公开59-60125公开了一种具有加热线圈和控制线圈的电热塞，其中控制线圈由与加热线圈相比具有较大正电阻温度系数的材料做成并且在鞘管内二个线圈串联连接，从而提高快速加热性能而且防止线圈温度的过度提高。这种公开类型的电热塞通常安装成前端侧的加热线圈突出到燃烧室中而后端侧的控制线圈位于塞孔中。在供电的初始阶段，该控制线圈的温度和电阻都是低的，从而加热线圈接收相对大的电流以造成温度的快速上升。随着加热线圈温度的上升，控制线圈通过这种温升被加热成加大电阻并且从而限制电流流过加热线圈。因此，该加热器得到在供电初期加热线圈温度快速上升并且接着在控制线圈的供电电流限制作用下达到饱和的温升特征。在对上述类型的电热塞应用电阻控制过程的情况下，该具有大的电阻温度系数的控制线圈响应于加热器的冷却显示出大的电阻改变。但是，塞孔内的控制线圈的电阻控制跟随燃烧室里的加热线圈的温度改变。由于控制线圈的冷却延迟，这会产生特别可能出现故障状态的问题。
发明内容
从而本发明的一个目的是提供一种电热塞供电控制部件，用于通过电阻控制过程控制电热塞的电阻加热器的供电、在因燃料喷射和燃气冷却加热器的情况下达到良好的电阻控制响应并且稳定地控制加热器产生的热量。本发明的另一个目的是提供一种和这样的供电控制部件一起使用的电热塞。
为了达到上面的目的，依据本发明的第一方面，提供一种用于电热塞的控制部件，该电热塞包括一个沿其轴向延伸的电阻加热器，并且该电阻加热器包括一个具有1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20之间的比值R1000/R20为6或更大的电阻加热元件，该电阻加热器安装在发动机机体中，且该电阻加热器的前端部分和该电阻加热元件的至少一部分突出地位于发动机燃烧室中，该控制部件配置成以稳定控制方式控制对该电阻加热器的供电，以按把该电阻加热器的电阻保持在预定范围内的方式调节对该电阻加热器提供的电功率。
由于该电阻加热元件具有大到比率R1000/R20为6或更高的正电阻温度系数并且由于它至少部分地突出到发动机的燃烧室中，在上述结构中，该电阻加热元件直接而且快速地受到由燃料喷射和燃气造成的加热器冷却的影响。响应加热器冷却，电阻加热元件的电阻快而大地改变。于是能快速地和正确地把提供给该加热器的电功率调整到目标值，因此能稳定地保持该加热器产生的热量。此外，不太可能出现诸如加热器中的温度根据与加热器表面相撞的燃气的速度改变的故障状态。
下面解释本发明的该第一方面的其它要求。
通过使用一个和该电阻加热元件串联连接的半导体开关，该电热塞控制部件可以稳定控制方式控制该电阻加热器的供电。尽管可以采用诸如继电器开关的机械开关来控制对该加热器的供电，但半导体开关与机械开关相比能以更近的间隔实现开关控制。这使得能响应加热器电阻的快速改变以高准确度对加热器供电进行控制，并且能有效地把电热塞的加热器电阻保持在预定范围内。半导体开关的例子包括FET、闸流管、GTO和IGBT等等。
可以通过其中根据加热器电阻测量值和加热器电阻目标值之间的差确定占空比的PWM(脉宽调制)控制方法以稳定控制方式执行加热器供电控制。这使得能根据电阻测量值和电阻目标值之间的比率较稳定地控制加热器电阻。
此外，该电阻加热器最好包括一个圆柱形鞘管，后者具有一个和该电阻加热元件相连接的封闭前端。当该电阻加热元件安装在该鞘管中并且和该鞘管的前端连接时，在把该电热塞按使该电阻加热器突出到燃烧室内的方式安装到发动机机体上的情况下，能方便地把该电阻加热元件安放到燃烧室中。
当带有上述电阻加热元件的电阻加热器接收电源电压时，在供电的初始阶段该电阻加热元件的温度和电阻都是低的，从而相对大的起动电流流过该电阻加热元件并且接着流过和该电阻加热元件串联连接的机械开关或半导体开关。这可能造成机械开关的粘住或者半导体开关的击穿。
从而，该电阻加热器最好包括一个串联连接到该电阻加热元件的后端的起动电流限制电阻器，从而减小通过该电阻加热元件的起动电流。由于该起动电流限制电阻器和该电阻加热元件的后端串联连接，该电阻加热元件和该起动电流限制电阻器的组合电阻变大，从而在供电的初始阶段限制大的电流流过该电阻加热元件。这能防止机械开关的粘住或者半导体开关的击穿。根据该电阻加热元件的电阻特性，可适当地选择该起动电流限制电阻器的电阻，以便防止机械开关的粘住或者半导体开关的击穿。但是，由于电源电压通常为12伏，希望按电阻加热元件和起动电流限制电阻器的组合电阻R20在20℃时为100毫欧或更高的方式选择起动电流限制电阻器的电阻。
该起动电流限制电阻器的例子包括由1000℃的电阻R1000和20℃的电阻R20的比值R1000/R20要比电阻加热元件的该比值小的材料做成的电阻器。这能增加该电阻加热元件在该电阻加热器的前端侧产生的热量，并且从而能有效地预加热发动机燃烧室的内部。
电阻加热元件和起动电流限制电阻器可以采取线圈部件的形式，其中起动电流限制电阻器的导线直径比电阻加热元件的导线直径大。这也能增加电阻加热元件在电阻加热器的前端侧产生的热量并且从而能有效地预加热发动机燃烧室的内部。
该电阻加热器最好包括一个前端封闭的圆柱形鞘管，上述电阻加热元件以及另一个加热元件，该加热元件的前端和后端分别与该鞘管的前端以及该电阻加热元件连接，并且该加热元件具有正电阻温度系数，而且它的1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20的比值R1000/R20要比该电阻加热元件的比值小。
当如上面说明那样，该电阻加热器包括电阻加热元件，以及安放在该电阻加热元件前端侧的、其1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20的比值R1000/R20要比该电阻加热元件的该比值小的加热元件，并且该电阻加热元件突出到燃烧室内时，响应加热器的冷却该电阻加热元件的电阻快而大地改变。因此能快速地和正确地把对该电热器施加的电功率调节到目标值，并且从而稳定地保持该加热器产生的热量。而且由于增加该电阻加热元件在该电阻加热器的前端产生的热量，故能有效地预加热发动机燃烧室的内部。
最好使整个电阻加热元件突出到发动机燃烧室中，从而使该电阻加热元件有效和快速地受到该加热器因燃料喷射及燃气而冷却的影响。该电阻加热元件的电阻响应加热器的冷却更快地变化。这样能更迅速和更正确地把提供给加热器的电能调节到目标值，并且从而能稳定地保持该加热器产生的热量。
在加热器温度饱和的状态下，该电阻控制过程在对扰动的稳定性上总是出色的。但是，在加热器温度未饱和的状态下，即加热器处于供电启动后的温升过渡阶段时，在该电阻控制过程中可能出现以下问题。在温升过渡阶段期间，加热器的温度和电阻都是低的。在施加电阻控制过程的条件下，较低的加热器电阻意味着对目标电阻值的偏离较大，在该目标电阻值下应把加热器电阻保持在饱和温度上。为了快速地把加热器电阻调节到目标值，要对加热器施加较大量的电能以便加速加热器的温升。但在这种加热器温度尚未足够升高的低电阻状态下，加热器原本允许大的电流通过。在该电阻控制过程下加热器温度过快上升，并且接着对目标饱和温度产生很大的过调。因此可能出现故障状态，例如加热器寿命缩短、加热器导线断裂以及鞘管粘住损伤。尤其，当如本发明中那样电阻加热元件具有大的正电阻温度系数从而使比值R1000/R20达到6或更高(最好为7.5或更高)，并且其至少部分突出到燃烧室中时，一旦在温升过渡阶段启动发动机，会更加速因燃料喷射和燃气引起的电阻加热元件的冷却从而造成电阻的进一步减小。也就是说，当在温升过渡阶段中进行电阻控制，加热器对过度的温升更加敏感。
为了避免上面的问题，在启动稳定控制方式下的供电控制之前，最好按以下方式设置过渡控制方式下的供电控制阶段，即该过渡控制方式下供电控制阶段消耗的功率的积分小于用稳定控制方式下的供电控制阶段代替该过渡控制方式下供电控制阶段时所消耗的功率的积分。
稳定控制方式是把加热器电阻控制在预定范围之内的控制方式，即适应于该电阻控制过程的供电控制方式。过渡控制方式是在转换到该电阻控制过程中的稳定控制方式之前建立的，即在加热器温度(或电阻)尚未饱和之前的温升过渡阶段期间建立的。在该过渡控制方式下，把温升过渡阶段期间提供到该加热器的功率的积分设置成小于用稳定控制方式替代过渡控制方式的供电控制对该加热器提供的功率的积分。从而能有效地防止加热器温度的过调。
借助于按照根据电阻加热器的输入电压而和加热器电阻无关地确定过渡控制方式下供电允许时间段与供电控制持续时间的比率的方式，使其中能对电阻加热器供电的加电允许时间段和其中对电阻加热器的供电比在供电允许时间段进行更多限制的供电限制时间段相结合，也能有效地设定过渡控制方式下的供电控制的持续时间。
当电阻加热器处于温度饱和状态时，加热元件的电阻波动小。但是，在温升过渡阶段期间由于加热元件和包围该加热元件的隔离介质之间的温度差异，该加热元件表面部分的温度趋于低。该加热元件的电阻分布不是均匀的。这造成加热器电阻测量精度的下降，而该精度是电阻控制过程的前提。由于供电控制不稳定，很有可能出现加热电阻的过调等等。从而把过渡控制方式定义为供电控制方式，该供电控制方式是通过组合其中允许对电阻加热器供电的供电允许时间段和其中对电阻加热器的供电限制比供电允许时间段中多的供电限制时间段来建立的(该供电允许时间段可能为零)，并且其中，和加热器电阻无关地根据该电阻加热器的输入电压确定过渡控制方式下供电允许时间段与供电控制持续时间的比率。不把温升过渡阶段中以低精度测量的电阻值用作为加热器供电功率控制的参数。通过根据电阻加热器的输入电压适当地(例如唯一地)确定过渡控制方式下供电允许时间段与供电控制持续时间的比率，可以有效地防止温升过渡阶段期间加热器温度的过调。从而，即使过渡控制方式持续期间输入电压波动，仍能和该电压波动无关地提供适量的电能给电阻加热器并使加热器在期望状态下产生热。
在利用诸如FET的开关元件控制加热器供电的情况下，可以把供电允许时间段和供电限制时间段分别设定成其中该开关元件处于接通状态从而允许向加热器施加输入电压的时间阶段，以及其中开关元件处于断开状态从而中断输入电压的施加的时间阶段。
为了防止电阻加热器中过度的温度增加，可以按把δR/R0限制在±30％的范围内的方式，在启动稳定控制方式下的供电控制之前交替地设置过渡控制方式下的供电控制阶段，其中δR＝R0-R1，R0是稳定控制方式供电控制下的加热器目标电阻值，而R1是过渡控制方式供电控制结束时加热器的电阻值。
在这种情况下还可以在转换到稳定控制方式之前对温升过渡阶段应用过渡控制方式，以及设置该过渡控制方式，以便在和对温升过渡阶段应用稳定控制方式的情况相比把提供给加热器的电能限制在较低程度的前提下，防止该电阻加热器的过度温升。当以δR/R0在±30％(最好±10％)的范围内的方式加热器电阻值R1接近加热器稳定控制方式下的目标电阻值R0时，结束过渡控制方式。这能有效地防止在温升过渡阶段加热器温度的过调。在δR/R0偏离±30％的范围的情况下当结束过渡控制方式时加热器温度过高或者过低。在前一种情况下，存在着转移到稳定控制方式后加热器温度下降为使得加热器温度要稳定到饱和温度时间会过长的问题。在后一种情况下，存在转换到稳定控制方式后可能出现加热器温度过调的问题。
在过渡控制方式下，可以通过PWM控制方法控制对电阻加热器的供电，在PWM控制方法，根据电阻加热器的输入电压唯一地确定占空比。PWM控制方法具有能方便地根据占空比调节向电阻加热器提供的电能的优点。通过对输入电压把占空比唯一地设定到一适当的限定值，可以通过一种简单的控制过程有效地防止温升过渡阶段加热器温度的过调。
在过渡控制方式下，期望电阻加热器的供电控制按过渡控制方式下的供电控制持续时间内消耗的功率的积分落入预定范围内的方式进行。当固定过渡控制方式下供电控制持续时间内的功率积分消耗时，能防止温升过渡阶段由于电能的过度提供而造成的加热器温度的过度过调，并且能有效地防止转移到稳定控制方式后由于提供电能不足造成的加热器温度的过调。如果过渡控制方式下电阻加热器的输入电压波动，这有效地调节向电阻加热器提供的电压的平均电平，从而过渡控制方式下供电控制持续时间内消耗的功率的积分落在预定范围内。在应用PWM控制方法的情况下，可以通过设定占空比方便地调节平均施加电压电平。即，当在过渡控制方式下电阻加热器的输入电压波动时，期望通过PWM控制方法控制对电阻加热器的供电，在该PWM控制方法中，响应输入电压的波动校正占空比。
例如可以在固定时限期满时结束过渡控制方式下对电阻加热器的供电控制阶段。在对功率调节采用过渡控制方式下供电允许时间段与供电控制持续时间的比率变化的方法的情况下，即使如上面所述固定过渡控制方式的持续时间，过渡控制方式下对加热器提供的功率的积分也可得到适当调节。由于根据固定时限是否期满来简单地结束供电控制阶段，这能减少控制步骤。
替代地，可以在电阻加热器的测量电阻达到预定值时结束过渡控制方式下对电阻加热器的供电控制。由于在使加热器电阻接近期望值的条件下完成过渡控制方式，可在转移到稳定控制方式后平滑地把加热器温度引导到饱和温度。在这种情况下，检查加热器电阻是否达到预定的目标电阻值，或者检查按给定采样时间测量的多个电阻值(例如二个电阻值)之间的变化是否在预定范围内(过渡控制方式结束时加热器电阻是否饱和)是恰当的。
在过渡控制方式阶段之前，可以在其中加热器的平均供电功率设置为比过渡控制方式下平均供电功率大的预加热方式下控制电阻加热器的供电。通过按这种方式设定预加热方式下的供电持续时间，能在较短的时间内把加热器引导到饱和温度。在预加热方式下也存在电阻加热器的输入电压波动的可能性。在这种情况下，当预加热方式下对电阻加热器提供的功率的积分达到给定值时结束预加热方式下电阻加热器的供电，并且随即在过渡控制方式下对该加热器供电时，可以有效地防止由短时供电造成的快速加热能性的劣化以及由过度预加热造成的加热器温度的过调。
根据本发明的第二方面，提供一种用于电热塞的控制构件，该电热塞包括一个沿其轴向延伸的电阻加热器，该电阻加热器包括第一电阻加热元件和第二电阻加热元件，该第二电阻加热元件和该第一电阻加热元件串联连接并且具有比该第一电阻加热元件大的正电阻温度系数，该电阻加热器安装在发动机机体中，而且该电阻加热器的前端部分和第二电阻加热元件的至少一部分突出地位于发动机的燃烧室内，该控制部件被配置成在稳定控制方式下控制对该电阻加热器的供电，以便按把该电阻加热器的电阻保持在预定范围内的方式来调节对该电阻加热器提供的电能。
当如上面说明那样，该电阻加热器包括第一电阻加热元件以及其正电阻温度系数要比该第一电阻加热元件的系数大的第二电阻加热元件，并且至少一部分第二电阻加热元件突出到发动机的燃烧室中时，该第二电阻加热元件直接地并且快速地受到因燃料喷射和燃气造成的该加热器的冷却所带来的影响。由于具有大的正电阻温度系数，响应于加热器的冷却，该第二电阻加热元件的电阻快而大地变化。从而能实现该稳定控制方式的有效工作以把加热器电阻保持在预定范围内。该稳定控制方式的有效工作还允许有效地防止如下故障状态，例如加热器温度根据冲撞加热器表面的燃气速度改变。
依据本发明的再一个方面，还提供一种与上面的控制部件一起使用的电热塞，其包括一个前端封闭的圆柱形鞘管，一个安放在该鞘管内与该鞘管的前端连接的、并且其1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20的比值R1000/R20大于6或更大(最好大于7.5或更大)的电阻加热元件，以及一个和该电阻加热元件的后端串连、具有正电阻温度系数、并且其1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20的比值R1000/R20小于该电阻加热元件的该比值的起动电流限制电阻器。
当电热塞的电阻加热元件的比值R1000/R20为6或者更大并且至少部分地突出到发动机燃烧室中时，该电阻加热元件直接地和快速地受由于燃料喷射和燃气造成的该加热器的冷却所带来的影响。该电阻加热元件的电阻响应于加热器的冷却快而大地改变。从而能快且正确地把提供到该加热器的电能调节到其目标值，并且由此能稳定地保持该加热器产生的热量。
由于该电阻加热元件在与该鞘管的前端连接的情况下安装在鞘管中，所以当把该电热塞安装在发动机机体上且该电阻加热器突出地位于燃烧室内时，可以方便地安放该电阻加热元件以便突出到燃烧室中。
当该起动电流限制电阻器和该电阻加热元件的后端串联连接时，该电阻加热元件和该起动电流限制电阻器的组合电阻变大，从而在供电的初始阶段限制大的电流流过该电阻加热元件。这能防止机械开关的粘住或者半导体开关的击穿。可根据该电阻加热元件的电阻特性适当选择该起动电流限制电阻器的电阻，以便防止机械开关的粘住或者半导体开关的击穿。但是，由于电源电压通常为12伏，所以希望按20℃时电阻加热元件和起动电流限制电阻器的组合电阻R20为100毫欧或更高的方式来选择起动电流限制电阻器的电阻。
该起动电流限制电阻器1000℃时的电阻R1000和20℃时的电阻R20的比值R1000/R20最好要比该电阻加热元件小的该比值小。这能增加该电阻加热元件在该电阻加热器的前端侧产生的热量并且从而能有效地预加热发动机燃烧室的内部。
图1是示出依据本发明第一实施例的电热塞控制部件的电配置的方块图。
图2是依据本发明第一实施例的电热塞的部分剖面图。
图3A是图2的电热塞的鞘加热器(sheath heater)的剖面图。
图3B是图2的鞘加热器的内部结构的部分放大图。
图4示意示出依据本发明第一实施例的电热塞供电模式。
图5是依据本发明第二实施例的控制预加热方式下的供电持续时间的流程图。
图6是依据本发明第一实施例的控制过渡控制方式下的供电持续时间的流程图。
图7是依据本发明第二实施例的控制过渡控制方式下的供电持续时间的流程图。
图8是依据本发明第一实施例的控制稳定控制方式下的供电持续时间的流程图。
图9是示意示出依据先有技术的电热塞供电模式以及由此产生的问题。
图10是示出稳定控制方式下ΔR和占空比之间的关系的表。
图11是示出稳定控制方式下输入电流波动时ΔR和占空比之间的关系的表。
图12是示出稳定控制方式下ΔR和占空比校正因子之间的关系的表。
图13是示出过渡控制方式下输入电压和占空比之间的关系的表。
图14是示出预加热方式下输入电压和预加热时间之间的关系的表。
图15是示出检验本发明的效果的示例的试验结果图。
图16是示出对比例的试验结果图。
图17是依据本发明第二实施例的电热塞的示意图。
图18是依据本发明第三实施例的电热塞的示意图。
图19是示出依据本发明第二实施例的电热塞控制部件的电配置的方块图。
图20是依据本发明第二实施例的控制稳定控制方式下供电持续时间的流程图。
具体实施例方式
以下参照各附图详细说明本发明的示范实施例。
现描述本发明的第一实施例。
图2是依据本发明的第一实施例的电热塞的示意图。图3A是图2的电热塞的鞘加热器的剖面图，而图3B是图3A的鞘加热器的内部结构的部分放大图。电热塞1包括作为电阻加热器的鞘加热器2以及围绕鞘加热器2设置的金属套3。鞘加热器2如图3A中所示包括前端封闭的鞘管11，多个电阻线线圈，例如该第一实施例中二个电阻线线圈包括位于前端侧的加热线圈21(充当第一电阻加热元件加热元件)和位于后端侧的与加热线圈21串联连接的控制热圈23(充当第二电阻加热元件电阻加热元件)，以及把这些线圈21和23密封在鞘管11中的由镁氧粉27构成的电绝缘材料。如图2中所示，鞘管11的其中安装着这些线圈元件(加热线圈21和控制线圈23)的管体11a具有从金属套3伸出的前端部分以便形成突出部分。
如图3A中所示，加热线圈21的前端和鞘管11电气连接，而加热线圈21以及控制线圈23的外表面通过镁氧粉27与鞘管11的内表面电隔离。加热线圈21例如可以由20℃时比电阻R20为80到200微欧厘米(μΩ·cm)并且R1000/R20比值为0.8到3的材料做成，其中R1000是1000℃时的比电阻，更具体地可由铁铬(Fe-Cr)合金或镍铬(Ni-Cr)合金做成。控制线圈23例如可以由20℃时比电阻R20为5到20微欧厘米并且R1000/R20比值为6或更大的材料做成，其中R1000是1000℃时的比电阻，更具体地可由镍合金、钴铁合金或钴铁镍合金做成。可以把Co-25Fe-4Ni合金作为比值R1000/R20为7.5或更大的材料。调整加热线圈21和控制线圈23，以达到室温时电阻比(RH/RC)为1或更大，并且达到1000℃时电阻比(RH/RC)1000为0.1至0.4，其中RH是加热线圈21的电阻而RC是控制线圈23的电阻。
电热塞1还包括一个从后端侧插入到鞘管11中的、并且其前端和控制线圈23的后端连接(例如通过焊接)以及如图2中所示具有形成为阳螺纹部分13a的后端的杆状供电端子轴13。金属套3为圆柱状并具有轴向延伸的透孔4，鞘加热器2插入并固定在透孔4中并且鞘管11的前端按预定长度从金属套3的一个开口端突出。在金属套3的外表面上形成六角剖面的工具啮合部分9以在其上与工具，例如力扭扳手相啮合，从而把电热塞1安装到柴油机的发动机体EB上。在工具啮合部分9的附近形成螺纹部分7。
金属套3的透孔4包括一个位于开口端侧处的、并且鞘管11从中突出的大直径部分4b，以及和该大直径部分4b相邻的小直径部分4a。鞘管11的大直径后端部分11b压配并且固定到小直径部分4a中。在透孔4的相对另一开口端侧处形成锪孔(spot-facing)部分3a，从而O型橡胶环15以及绝缘套筒(例如用尼龙做成)16配合在供电端子轴13周围并且啮合到锪孔部分3a中。为了防止绝缘套筒16脱开，在绝缘套筒16的后端侧围绕供电端子轴13装配保持环17。通过在该保持环17的外表面上形成的填塞部分17a，保持环17固定到供电端子轴13上。在和该填塞部分17a相对应的位置处供电端子轴13具有在其上形成的压花部分13b以便增加填塞连接强度。图中参考数字19代表一个把电源电缆固定到供电端子轴13上的螺帽。
通过金属套3的螺纹部分7，按鞘加热器2的前端部分以预定长度突出到发动机燃烧室CR中的方式把电热塞1安装到发动机机体EB的塞孔PH中。如图3中所示，作为第二电阻加热元件的控制线圈23部分地突出到发动机燃烧室CR中。由于作为第一电阻加热元件的加热线圈21与控制线圈23的前端串联连接，所以整个加热线圈21位于发动机燃烧室CR内。
把控制线圈23突出到发动机燃烧室CR中的长度h调整到3毫米或更长。另外，通常把突出长度h调整到10毫米或更短。在本说明书中，突出长度h是按线圈中心轴的长度定义的，其从燃烧室CR的塞孔开口部分的三维几何重心起算。如果该塞孔开口部分通过锪孔成锥形或径向扩张，则把塞孔开口部分的底缘定义为塞孔开口缘。在整个控制线圈23位于该塞孔之外的情况下，把控制线圈23的整个长度设成是突出长度h。
下面解释确定上述把控制线圈23突出到发动机燃烧室内的电热塞安装方法的效果的试验结果。各个线圈21和23的试验样本的技术条件如下。
(加热线圈21)材料铁铬合金(组成铝＝7.5重量百分比；铬＝26重量百分比；以及铁＝剩余部分)尺寸线圈导线厚度k＝0.3毫米，线圈轴向长度CL1＝2毫米，线圈外径d1＝2毫米，节距P＝0.8毫米，R20＝0.25欧，以及R1000/R20＝1(参见图3B)(控制线圈23)材料钴镍铁合成(组成镍＝25重量百分比；铁＝4重量百分比；以及钴＝剩余部分)尺寸线圈导线厚度k＝0.22毫米，线圈轴向长度CL2＝3毫米，线圈外径d1＝2毫米，节距P＝0.8毫米，R20＝0.1欧，以及R1000/R20＝9(参见图3B)
(RH/RC)RT2.5(RH/RC)10000.28(线圈到线圈间隙25)JL＝2毫米(鞘管11)材料SUS310S尺寸本体外径D1＝3.5毫米，壁厚t＝0.5毫米，t/D1＝0.14毫米，以及，本体到线圈距离CG＝0.25毫米(参见图3B)把加热线圈21和控制线圈23的试验样品安放到用碳钢块做成的试验塞孔中。控制线圈23从块的表面(对应于燃烧室表面)突出的长度(对应于图3A中的“h”)调整为在该例中为3毫米而在对比例中为0毫米。鞘加热器从该块表面突出的部分在无气流情况下设置，并由吹风机提供4米/秒(低气流)和6米/秒(高气流)的气流。接着在后面将提及的稳定控制方式下通过改变目标电阻值的PWM控制方法对鞘加热器供电。利用向鞘加热器提供的电流和电压测量鞘加热器的电阻。通过和鞘管的表面接触的热电偶测量加热器饱和温度。
图15是该例的试验结果曲线，而图16是对比例的试验结果曲线。在图15的例子，把无气流、低气流和高气流情况下的电阻与饱和温度之间的关系的记录点拟合成一条曲线，从而加热器的饱和温度是相对于电阻唯一定义的。这意味着对于稳定电阻控制，在因燃气等造成的冷却的影响下，控制线圈23的电阻值快而响应性地变化。另一方面，在图16的对比例中，无气流、低气流和高气流下电阻与饱和温度之间的关系显示不同的趋势，从而即使在相同的电阻情况下，加热器的饱和温度不总是一致的。这被认为是，由于整个控制线圈23嵌入到发动机体中并且因此对冷却不那么灵敏，所以控制线圈23的电阻值不响应性地发生变化。
接着，图1是示出依据该第一实施例的电热塞控制部件100的电配置的方块图。控制部件100具有一个主控制单元110。在图1中，以硬件逻辑电路的形式示出主控制单元110的各个功能件。从而下面根据本实施例中的硬件逻辑电路解释主控制单元110的操作，但也可以利用微计算机通过软件达到等同的功能。
如图1中所示，主控制单元110从稳压电源108(稳压器)接收用于信号处理的工作电压。稳压电源通过按键开关104从电池102接收电能。当按键开关104断开时，切断对稳压电源108的供电从而停止主控制单元110的操作。电池102的电压VB(通常为12伏，以下称为“电池电压”)从电池端子101F馈送到多个充当控制部件100的半导体开关的FET 106的源极。每个FET 106的漏极通过电热塞端子101G与电热塞1的供电端子轴连接，用于对电热塞1的鞘加热器2供电。来自主控制单元110的开关信号输入到每个FET 106的栅极，从而接通或断开对电热塞1的鞘加热器2的供电。在本实施例中，把带有电流检测功能的FET(可从Infineon技术公司按商标“PROFET”买到)用作FET 106。
主控制单元110具有一个接收以下输入信号的模/数转换器114。
(1)电池电压VB在本实施例中，从至FET 106的电源路径的上游侧输入电池电压VB。尽管未在图中示出，但可以适当地对电池电压VB分压/稳压然后再输入到模/数转换器114中。
(2)对每个鞘加热器2施加的电压Vx(以下称为“塞施加电压”)塞施加电压Vx为FET 106开关的电压波形并且从FET 106的漏极侧(或源极侧)输入。
(3)施加到每个鞘加热器2的电流Ix(以下称为“塞施加电流”)在本实施例中，如前面提到那样，从FET 106输出电流检测信号。替代地，可以通过在至电热塞1的电源路径上设置一个电流检测电阻器得到电流检测信号，并且利用一个差动放大电路转换成该电流检测电阻器两端的电压。
输入到主控制单元110中的塞施加电压Vx和电流Ix由模/数转换器114数字化然后输出到电阻计算部分122。电阻计算部分122从Vx/Ix计算鞘加热器2的电阻Ri(以下称为“加热器电阻”)。把PWM波形的峰值(在正常供电下它等于电池电压VB)用作为塞施加电压Vx。
把电池电压VB以及由电阻计算部分122计算的加热器电阻Ri发送到信号管理部分132。信号管理部分132和由微计算机构成的发动机控制单元150(以下把“发动机控制单元”称为“ECU”)通信并且具有下面二个功能。
(1)信号传输当从ECU 150请求时，向ECU 150输出加热器供电控制必需的参数，例如塞施加电压Vx或电池电压Vb和加热器电阻Ri。
(2)故障评估例如当加热器电阻Ri超过最大电阻限制Rmax(由于加热器导线损坏或FET输出不稳定)时、当加热器电阻Ri小于最小电阻限制Rmin(由于加热器短路或FET输出端短路)时、以及当电池电压VB超过最大电压限制VBmax时，通过接口112向ECU150输出指示故障评估结果的故障状态信号(故障通知信号)。
故障评估结果(即来自信号管理部分132的故障状态信号MS)还用来停止或者忽略至FET 106的切换信号SW的输出。在本实施例中，通过诊断NAND门电路134确定来自切换信号生成部分111的切换信号SW′与该故障状态信号的逻辑和。当切换信号SW′以及故障状态信号都是有效的时，不向FET 106输出切换信号SW(即使切换信号SW′无效)。
接着，ECU 150向切换信号生成部分111输出控制命令信号以指令控制电热塞1的供电的方式。
图4示出一个根据来自ECU 150的控制命令信号，由主控制单元110的FET 106执行的对电热塞1的供电顺序的例子，并且示出鞘加热器2的电阻(本实施例中即加热线圈21和控制线圈23的串联组合电阻)以及鞘加热器2的温度如何随时间改变。在图4中，使用电热塞1保持在静室温大气环境中并且未安装到发动机体EB的条件下测得的温度和电阻。在本实施例中，在预加热方式P0下启动供电并转移到过渡控制方式P1并且再转移到稳定控制方式P2。在过渡控制方式P1以及稳定控制方式P2下，通过FET 106，按PWM模式控制电热塞1。
在稳定控制方式P2下，通过电阻控制过程控制供电。即，在稳定控制方式P2下，按把加热器电阻Ri保持在预定范围内的方式调节提供到鞘加热器2的电功率。更具体地，通过相对于加热器电阻Ri设定目标值RT并根据测得的加热器电阻Ri与目标值RT之间的差ΔR(ΔR＝Ri-RT)来确定占空比η，从而按占空比η对鞘加热器2的供电进行PWM式控制。
当把塞施加电压Vx(输入电压若未进行故障评估电池电压VB可以替代)保持在给定标准值时，可以按如下方式设定最优占空比η相对于不同的ΔR值实验地确定把加热器电阻Ri调节到它的目标值RT所需的占空比η，准备如图10中示出的表示ΔR和占空比η之间的关系的表或函数，并且根据实际值ΔR参照该准备好的表或函数。但是，塞施加电压Vx存在波动。在这种情况下，可以通过准备并且参照示出占空比η和Vx以及ΔR的关系的二维表(或双变量函数)来确定占空比η。现在假定把ΔR＝0时取的占空比作为ηs。当ΔR为正时，把占空比设置成小于ηs，从而减少功率输入并且由此减小电阻。当ΔR为负时，把占空比设置成大于ηs。
实际上，还可以根据塞施加电压Vx，按即使塞电压Vx波动仍使输入功率W为恒定的方式给出一个基准占空比η0。一旦根据电阻差ΔR校正该基准占空比η0，可以利用基准占空比η0更方便地确定最终占空比η。即，考虑到当塞施加电压为Vx并具有在PWM控制下的方波切换电压波形时，可把时间平均电压Vm表达为η0·VB并把时间平均电流Im表达为Vm/Ri，则加热器输入功率W表达为W＝Vm·Im＝(η0·Vx)2/Ri (1)其中占空比为η0而加热器电阻为Ri。如果塞施加电压Vx为一给定标准值Vxa(例如11伏的电池电压)并且占空比为一给定值ηa，则输入功率W等于W＝(ηa·Vxa)2/Ri (2)通过比较式(1)和(2)，基准占空比η0确定为η0＝ηa·Vxa/Vx (3)
最终占空比η则确定为η＝k·η0(4)其中，k是事先根据ΔR的值按实施方式确定的校正因子当ΔR＝0时，k＝1，当ΔR＞0时k＜1以及当ΔR＜0时k＞1。
回到图4，过渡控制方式P1是转移到电阻控制过程中的稳定控制方式P2之前进行的供电控制方式，以便防止到达加热器电阻饱和之前的温升过渡阶段期间出现加热器温度的过度过调。如果如图9中所示在电阻控制过程中用稳定控制方式P2的持续时间代替过渡控制方式P1的持续时间，则会用过度功率对加热器供电，从而强制把专用于温升过渡阶段的低电阻值Ri调整到参照稳定控制方式下的饱和电阻确定的目标电阻值RT。这造成加热器温度的相当大的过调。此外，存在要用长的时间稳定加热器电阻Ri和加热器温度的问题。从而在图4的过渡控制方式P1下，按过渡控制方式P1持续时间内消耗的功率的积分要小于用图9中所示的稳定控制方式P2的持续时间来代替(用P1表示)而预期消耗的功率的积分的方式来控制对鞘加热器2的供电。
在本实施例中，参照图13中示出的表(或函数)，与鞘加热器2(电阻加热器)的电阻无关地、根据塞施加电压Vx(输入电压)唯一地给出过渡控制方式P1下用于PWM控制的占空比η。此外，按使限制δR＝R0-R1位于±30％(最好±10％)的方式确定过渡控制方式P1下用于PWM控制的占空比以及过渡控制方式P1的持续时间，其中把稳定控制方式P2供电控制下的鞘加热器2的目标电阻值作为R0并把过渡控制方式P1供电控制结束时电阻加热器的电阻取作为R1。
在本实施例中如图4中所示，在转移到过渡控制方式P1之前，在其中平均电功率要比过渡控制方式P1的平均电功率大的预加热方式P0下对电阻加热器供电，以便提高鞘加热器2的快速加热性能。在预加热方式P1下通过塞施加电压Vx对加热器连续供电，但是也可以替代地在预加热方式P0下用比过渡控制方式P1下大的占空比通过PWM控制进行供电。当塞施加电压Vx(输入电压)波动时，根据需要增加或者减小预加热方式P0下的供电持续时间(以下称为“预加热时间”)Tp，以使预加热方式P0下消耗的功率的积分落在预定范围之内。
如图1中所示，一旦接收来自ECU 150的充当控制命令信号的方式选择信号SP、ST或SS，主控制单元110的开关信号生成部分111产生用于预加热方式、过渡控制方式或稳定控制方式的切换信号。一旦切换来自ECU 150的方式选择信号SP、ST或SS的输出，进行控制方式的选择。(从ECU 150选择性地输出三个方式选择信号SP、ST和SS中的任一个，并且不同时输出二个或更多的选择信号。)可以按如下方式产生切换信号从微计算机构成包含着切换信号生成部分110的整个主控制单元110，在其中准备用于对应方式的分立的信号生成程序，以及接着和方式选择信号SP、ST或SS相一致地选择启动其中的一个信号生成程序。但是在本实施例中，根据下述硬件逻辑电路产生切换信号。
在稳定控制方式下，把塞施加电压Vx输入到基准占空比计算部分124。基准占空比计算部分124根据塞施加电压Vx，通过上面的式(3)计算基准占空比η0。把算出的基准占空比η0发送到第一PWM信号生成部分126。还把加热器电阻Ri输入到第一PWM信号生成部分126。该第一PWM信号生成部分126计算加热器电阻Ri和目标电阻值RT之间的差。接着，第一PWM信号生成部分126参照例如图12中示出的表确定与该差ΔR对应的校正因子k，通过根据上面的式(4)校正基准占空比η0给出最终占空比η，并且输出和占空比η对应的PWM信号。把该PWM信号输入到“与”门电路130。仅在接收稳定控制方式选择信号SS时，该“与”门电路130才通过“或”门电路132和诊断门电路134向FET 106发送PWM信号。以这种方式，在稳定控制方式下根据该占空比η对电热塞1的鞘加热器2的供电进行PWM式控制。
在软件控制情况下，通过根据塞施加电压Vx参照图13中示出的表在过渡控制方式下确定用于过渡控制方式的占空比η′并且接着产生指示该占空比η′的PWM信号是可行的。但是在本实施例中进行下面的硬件处理。首先把塞施加电压Vx输入到基准占空比计算部分124。基准占空比计算部分124根据该塞施加电压Vx通过上面的式(3)计算基准占空比η0并且输出和基准占空比η0对应的PWM信号。把该PWM信号输入到“与”门电路128。仅当接收过渡控制方式选择信号ST时，该“与”门电路128才通过“或”门电路132和诊断门电路134把PWM信号发送到FET 106。以这种方式，在过渡控制方式下根据占空比η′对电热塞1的鞘加热器2的供电进行PWM控制。
在预加热方式下，向二个“与”门电路118和125分配加热方式选择信号SP。第一“与”门电路118从预加热时间设定部分116接收预加热允许信号PY以及方式选择信号SP。预加热时间设定部分116接收塞施加电压Vx，根据该塞施加电压Vx例如从图14中示出的表检索预加热时间Tp，并输出预加热允许信号PY，直到该预加热时间Tp期满。这样，在该预加热时间TP期满之前，经“或”门电路132从第一“与”门电路118向FET 106发送FET 106的供电信号。
第二“与”门电路125接收预加热方式选择信号SP。此外，来自预加热时间设定部分116的预加热允许信号PY输入到“非”门电路127。当接收预加热允许信号PY时，“非”门电路127不对第二“与”门电路125发送输出信号NP，且当不接收预加热允许信号PY时向第二“与”门电路125发送输出信号NP。一旦接收预加热方式选择信号SP以及来自“非”门电路127的输出信号NP，第二“与”门电路125产生对第三“与”门电路120的输出。还对第三“与”门电路120分配用于过渡控制方式的PWM控制信号。由此把来自ECU 150的预加热方式选择信号SP的输出时间调整到由预加热时间预定部分116设定的预加热允许信号PY的最大允许时间。当在结束预加热允许信号PY的持续时间的时候仍存在预加热方式选择信号SP的剩余输出时间的情况下，第三“与”门电路120响应第二“与”门125的输出发出用于过渡控制方式的PWM控制信号，直到用于过渡控制方式的“与”门电路128变成有效。如果通过一条线“或”连接把四个“与”门电路118、120、128和130的输出连接起来，则可以省略“或”门电路132。
图6示出管理过渡控制方式的持续时间的处理例子(由ECU 150进行，但为了便于理解图6中也示出主控制单元110的处理步骤)。该管理过程的目的是在根据塞施加电压Vx的基准占空比η0的控制下调节过渡控制方式下的电功率，从而固定地设定控制持续时间。首先在步骤S21初始化经过时间计数器TS2以启动过渡控制方式选择信号ST的输出。随后的步骤S22和S23由主控制单元110完成。在步骤S22，检索塞施加电压Vx。在步骤S23，根据该塞施加电压Vx确定用于过渡控制方式的基准占空比η0。在步骤S24，按Vx采样周期时间递增经过时间计数器TS2。在步骤S25，检查经过时间计数器TS2是否达到预置时间。如果计数器TS2尚未达到该预置时间，在步骤S26利用占空比η0进行供电。在步骤S27，等待下一个采样周期时间的结束。接着，控制回到步骤S22以便重复上面的处理步骤。如果在步骤S25计数器TS2达到预置时间，在步骤S28停止过渡控制方式选择信号ST的输出，以便结束过渡控制方式下的供电控制。然后控制转移到用于稳定控制方式的控制持续时间管理例程。
图8示出管理稳定控制方式的持续时间的处理例子。在步骤S31，初始化经过时间计数器TS3以启动稳定控制方式选择信号SS的输出。随后的步骤S32至S36由主控制单元110完成。在步骤S32，检索塞施加电压Vx和电流Ix。在步骤S33，计算加热器电阻Ri。在步骤S34，计算加热器电阻Ri和目标电阻值RT之间的差ΔR。在步骤S35，按前面解释的方式确定基准占空比η0。在步骤S36，按前面解释的方式根据该差ΔR校正基准占空比η0，从而给出最终占空比η。在步骤S37，按Vx采样周期递增经过时间计数器TS3。在步骤S38，检查经过时间计数器TS3是否达到用于发动机启动后辅助加热器预加热(所谓的“后电热(after-glow)”)的设定时间A/Gmax。若计数器TS3未达到该设定时间A/Gmax，在步骤S39利用该占空比η进行供电。在步骤S40，等待下个采样周期的结束。接着，控制转回到步骤S32以便重复上面的处理步骤。如果在步骤S38计数器TS3达到该预置时间A/Gmax，在步骤S41停止稳定控制方式选择信号ST的输出，从而完成稳定控制方式下的供电控制。
接着解释本发明的第二实施例。图19是示出依据本发明第二实施例的电热塞控制部件400的电配置的方块图。图17示意示出在把电热塞200安装在发动机机体中的状态下与控制部件400一起使用的电热塞200的主要部分。
和第一实施例相比，第二实施例的电热塞200具有不同的加热线圈和控制线圈。进一步和第一实施例相比，第二实施例的控制部件400的不同之处在于，把第二实施例的控制部件400的不同之处在于，不把主控制单元410配置成接收来自ECU 150的用于每个方式(预加热方式，过渡控制方式，稳定控制方式)的选择信号SP、ST、SS，而是把它配置成通过它自己的软件处理相继地进行这些方式下的供电控制。因此，只对不同部件和的部分予以解释，从而省略或简化相同部件和部分的解释。
如图17中所示，作为电热塞200的电阻加热器的鞘加热器210包括前端封闭的鞘管211，安放在鞘管211的前端侧的控制线圈223(作为电阻加热元件)，安放在鞘管211的后端侧的与控制线圈223串联连接的起动电流限制线圈221(作为起动电流限制电阻器)，以及把控制线圈223和起动电流限制线圈221密封在该鞘管210中的绝缘材料镁氧粉227。控制线圈223例如可以由20℃下比电阻R20为5到20微欧·厘米的并且1000℃下的比电阻R1000与20℃下的比电阻R20的比值R1000/R20为6或更大的材料做成，更具体地，可以是镍金属、钴铁合金或钴铁镍合金。启动电流限制线圈221例如可以由20℃下的比电阻R20为80到200微欧·厘米的并且1000℃下的比电阻R1000与20℃下的比电阻R20的比值R1000/R20为0.8到3的材料做成，更具体地可以由铁铬合金或镍铬合金做成。
电热塞200安装在发动机体EB的塞孔PH中并且鞘加热器2的前端部分按预定长度突出到发动机燃烧室CR中。这样，如图17中所示，控制线圈223突出到发动机燃烧室CR中。由于比值R1000/R20为6或更大(更好为7.5或更大)的控制线圈223按这种方式至少部分地突出到发动机燃烧室CR中，控制线圈223变成直接地和快速地受到由于燃料喷射和燃气造成的加热器的冷却所带来的影响。从而，响应于加热器冷却，控制线圈223的电阻快速改变。由此能稳定地保持加热器电阻。
由于控制线圈223位于鞘管211的前端，能在把电热塞200安装到发动机体上并使鞘管211突出到发动机燃烧室CR中的情况下方便地使控制线圈223突出到发动机燃烧室CR中。
当如上面说明那样起动电流限制线圈221在鞘管211内与控制线圈223的后端串联连接时，控制线圈223和启动电流限制线圈221的组合电阻变大，从而防止大的电流流过控制线圈223。这能避免FET106的击穿。
启动电流限制线圈221具有正电阻温度系数并且它的1000℃下的电阻R1000和20℃下的电阻R20的比值R1000/R20要比控制线圈223的该比值小。这能使位于鞘管221前端的控制线圈223产生能有效预加热发动机燃烧室内部的足够大的热量。
如图19中所示，控制部件400的主控制单元410通过稳态电源108接收用于信号处理的稳定工作电压。稳态电压108通过按键开关104和端子101B从电池接收电能。当按键开关104接通并且设置在启动位置时，向稳态电源108提供电能，然后主控制单元204开始工作。当断开按键开关104时，稳压电源108切断以停止主控制单元204的工作。
电池102的电压通过端子106F施加到每个FET 106的漏极上。FET 106的源极通过端子101G分别和多个电热塞200连接。来自主控制单元410的切换信号输入到FET 106的栅极以便接通或者断开每个电热塞200的供电。
主控制单元410接收来自电池102的施加到每个电热塞200的电压以及施加到每个电热塞200的电流。施加到电热塞200的电压和电流输入到主控制单元410，并且接着由一个模/数转换器(未示出)数字化。
主控制单元410还通过接口与包括微计算机的ECU 150通信，从而例如发送指示电热塞200中的加热器导线损坏等的故障通知信号。
下面参照图5说明由电热塞控制单元400进行的电热塞200的供电控制。首先，在步骤S1初始化功率消耗积分Gw。在步骤S2，从主控制单元410检索塞施加电压Vx和Ix。把采样周期时间定为τ，在步骤S3按Vx·Ix·τ计算时间τ内的功率增量Gw1。在步骤S4，用确定出的功率增量Gw1递增功率消耗积分Gw。在步骤S5，判定功率消耗积分Gw是否达到设定的功率量。如果功率消耗积分量尚未达到该设定的功率量，在步骤S6对电热塞200供电。其中把占空比定为100％。接着控制转到步骤S7。在步骤S7，等待下个采样周期时间的结束。然后，控制返回到步骤S2以重复上面的处理步骤。如果在步骤S5功率消耗积分Gw达到该设定的功率量，在步骤S8结束预加热方式下的供电控制。接着控制转移到用于过渡控制方式的控制持续时间管理例程。
图7示出第二实施例中管理过渡控制方式的处理例子。该管理处理的目的是在不固定地设定过渡控制方式的持续时间的情况下，根据加热器电阻Ri是否达到饱和值来确定完成过渡控制方式的定时。对过渡控制方式的持续时间设定最大限制。在步骤S121，首先初始化经过时间计数器TS2。在步骤S122，检索塞施加电压Vx。在步骤S123，根据该塞施加电压Vx确定用于过渡控制式的基准占空比η0。在步骤S122中还检索塞施加电流Ix。在步骤S124，按Vx采样周期时间递增经过时间计数器TS2。在步骤S125，从检索的电压Vx和电流Ix计算加热器电阻值Ri。在步骤S126，检查是否i＝0(即算出的加热器电阻Ri是否是初始加热器电阻值R1)。若i＝1，控制转到步骤S130。若i≠1，控制转到步骤S127。在步骤S127，确定加热器电阻Ri和它的前一次加热器电阻值Ri-1之间的差ΔR。在步骤128，检查经过时间计数器TS2到达该最大限制以及ΔR等于零(电阻饱和)这二个条件(以下称为“终止条件”)中的任一个是否满足，如果不满足任何终止条件，根据步骤S129中的基准占空比η0进行供电。在步骤130，用当前得到的加热器电阻值Ri替代前一次加热器电阻值Ri-1。在步骤S131，等待下一个采样周期时间的结束。接着，控制回到步骤S122以重复上面的处理步骤。若在步骤S128满足这二个终止条件中之一，则在步骤S132完成过渡控制方式下的供电。然后控制转移到用于稳定控制方式的控制持续时间管理例程。
图20示出第二实施例中管理稳定控制方式的持续时间的处理例子。在步骤S231，初始化经过时间计数器TS3。在步骤S232，检索塞施加电压Vx和Ix。在步骤S233，确定加热器电阻Ri。在步骤S234，计算加热器电阻Ri和目标值RT之间的差ΔR。在步骤S235，通过前面解释的方法确定基准占空比η0。在步骤S236，通过前面解释的方法根据值ΔR校正该基准占空比η0，从而给出最终占空比η。在步骤S237，按Vx采样周期时间递增经过时间计数器TS3。在步骤S238，检查经过时间计数器TS3是否达到用于发动机启动后的辅助加热器预加热的设定时间A/Gmax(所谓的“后电热”)。如果计数器TS3尚未达到该设定时间A/Gmax，利用步骤S239中的占空比η进行供电。在步骤S240，等待下一个采样时间周期的结束。接着，控制转到步骤S232以重复上面的处理步骤。如果在步骤S238计数器TS3达到预置时间A/Gmax，则在步骤S241完成稳定控制方式下的供电。
最后解释本发明第三实施例。图18示意示出把电热塞300安装在发动机体中的状态下的电热塞300的主要部分。和第一实施例相比，第三实施例的具有不同的充当加热线圈和控制线圈的线圈元件。第三实施例的其它部件和部分结构上和第二实施例相类似。从而，只对不同部分作出解释以便省略或简化对这些部件和部分的解释。
如图18中所示，作为电热塞300的电阻加热器的鞘加热器310包括前端封闭的圆柱形鞘管310，安放在鞘管310的前端侧的第一控制线圈(电阻加热元件)323，安放在鞘管310的后端侧的并和第一控制线圈323串联连接的第二控制线圈(起动电流限制电阻器)321，以及如第一实施例中那样密封在鞘管310内的绝缘材料镁氧粉237。第一控制线圈323和第二控制线圈321用相同的材料做成，例如其20℃下的比电阻R20为5到20微欧·厘米并且比值R1000/R20为6或更大，其中R1000为1000℃下的比电阻，更具体地可以是镍金属、钴铁合金或钴铁镍合金。另外，该第一控制线圈323突出到发动机燃烧室CR中。由于其R1000/R20比值为6或更大的第一控制线圈323至少部分地突出到发动机燃烧室CR中，第一控制线圈323直接且快速地受因燃料喷射和燃烧室造成的加热器冷却所带来的影响。由此，该线圈元件的电阻响应于加热器冷却而迅速地变化。从而能稳定地保持加热器电阻。
由于控制线圈323位于鞘管311的前端侧，还能在把电热塞300安放到发动机体上并使鞘管311突出到发动机燃烧室CR中的情况下方便地使第一控制线圈323突出到发动机燃烧室CR中。
当如上面说明那样，第二控制线圈321与第一控制线圈323的后端串联连接时，第一控制线圈323和第二控制线圈321的组合电阻变大，从而防止大的电流流过第一控制线圈323。这能避免FET 106的击穿。
第一控制线圈323的导线直径为0.2毫米，而第二控制线圈的导线直径为0.275毫米。即，第二控制线圈321的导线直径要比第一控制线圈323的导线直径大。在以这种方式把第二控制线圈321的导线直径置成比第一控制线圈323的导线直径大的情况下，第一控制线圈323变成能比第二控制线圈321产生更大的热量。这允许有效地预加热发动机燃烧室CR的内部。
尽管在上面说明的各实施例中在过渡控制方式下利用PWM控制方法控制供电，但可以替代地采用PAM(脉幅调制)控制方法或者其中不固定切换周期的开关切换控制方法。另外，可以把过渡控制方式的整个持续时间定义为固定的不供电时间段。在上面的实施例中，在主控制单元110和ECU 150之间共享图6和8的管理处理，但本发明不受这种配置的限制。例如，主控制单元110可配置成一旦接收来自ECU 150的驱动信号(例如接通信号)，则由它自己进行图5到8的管理处理。尽管上面的实施例中电热塞1和200分别与控制部件100和400连接从而通过控制部件100和400控制电热塞1和200的供电，但本发明不受这些配置的限制。电热塞200和300可与控制部件100连接。电热塞1和300可与控制部件400连接。
尽管参照本发明的特定实施例说明了本发明，本发明不受上面说明的实施例的限制。根据上面的教导，本领域技术人员会想到对上面说明的实施例的各种修改和变型。
权利要求
1.一种用于电热塞的控制部件，该电热塞包括沿该电热塞的轴向延伸的电阻加热器，其包括1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20之间的比值R1000/R20为6或更大的电阻加热元件，该电阻加热器被安装在发动机机体中，其中该电阻加热器的前端部分以及该电阻加热元件的至少一部分突出地位于发动机燃烧室中，该控制部件被配置成在稳定控制方式下控制对该电阻加热器的供电，以按把该电阻加热器的电阻保持在预定范围内的方式来调节施加到该电阻加热器的电功率。
2.根据权利要求1的电热塞的控制部件，包括一个和该电阻加热元件串联连接的半导体开关，从而在稳定控制方式下利用该半导体开关控制对该电阻加热器的供电。
3.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，借助于根据电阻加热器的测量电阻和电阻目标值之间的差确定占空比的PWM控制方法来控制对该电阻加热器的供电。
4.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，该电阻加热器包括具有和该电阻加热元件相连接的封闭前端的圆柱形鞘管。
5.根据权利要求4的电热塞的控制部件，其中，该电阻加热器包括一个与该电阻加热元件串联连接的起动电流限制电阻器，从而减小通过该电阻加热元件的起动电流。
6.根据权利要求5的电热塞的控制部件，其中，该起动电流限制电阻器1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值R1000/R20比该电阻加热元件的该比值小。
7.根据权利要求5的电热塞的控制部件，其中，该电阻加热元件和该起动电流限制电阻器各为一个线圈元件，并且该起动电流限制电阻器具有比电阻加热元件大的导线直径。
8.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，该电阻加热器包括前端封闭的圆柱形鞘管、所述电阻加热元件、以及一个其前端和后端分别与该鞘管的前端以及该电阻加热元件连接的加热元件，并且该加热元件1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值R1000/R20比该电阻加热元件的该比值小。
9.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，该电热塞被安装成使得整个电阻加热元件突出地位于发动机燃烧室中。
10.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中该控制部件被配置成在启动稳定控制方式下供电控制之前，按下列方式设定过渡控制方式下供电控制的持续时间，即，过渡控制方式下供电控制持续时间内对电阻加热器提供的功率的积分小于用稳定控制方式下供电持续时间替代过渡控制方式下供电控制持续时间时所提供的功率的积分。
11.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，该控制部件被配置成在启动稳定控制方式下供电控制之前，通过组合供电允许时间段和供电限制时间段来设定过渡控制方式下供电控制的持续时间，其中，在该供电允许时间段中允许对电阻加热器供电，而在供电限制时间段中按如下方式使对电阻加热器的供电要比在供电允许时间段受到更多的限制，即，根据对该电阻加热器的输入电压、与该加热器电阻无关地唯一确定过渡控制方式下供电允许时间段与供电控制持续时间的比率。
12.根据权利要求1的电热塞的控制部件，其中，该控制部件被配置成在启动稳定控制方式下供电控制之前设定过渡控制方式下的供电控制的持续时间，从而按把δR/R0限制在±30％的范围内的方式防止该电阻加热器中出现过度温升，其中δR＝R0-R1，R0是稳定控制方式供电控制下该加热器的目标电阻值，R1是过渡控制方式供电控制结束时该加热器的电阻值。
13.一种电热塞的控制部件，该电热塞包括沿该电热塞的轴向延伸的电阻加热器，该电阻加热器包括第一电阻加热元件和第二电阻加热元件，该第二电阻加热元件与该第一电阻加热元件串联连接并且具有比该第一电阻加热元件大的正电阻温度系数，并且该电阻加热器安装在发动机机体中，其中，该电阻加热器的前端部分和第二电阻加热元件的至少一部分突出地位于发动机燃烧室内，该控制部件被配置成在稳定控制方式下控制对该电阻加热器的供电，以便按把该电阻加热器的电阻保持在预定范围内的方式调节对该电阻加热器提供的电功率。
14.一种电热塞，包括具有封闭的前端的圆柱形鞘管；与该鞘管的前端连接的、并且1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值R1000/R20为6或更大的电阻加热元件；以及和该电阻加热元件的后端串联连接的、并且其1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值R1000/R20比该电阻加热元件的该比值小的起动电流限制电阻器。
15.根据权利要求14的电热塞，其中，该电阻加热元件20℃下的比电阻R20为5到20微欧·厘米。
16.根据权利要求14的电热塞，其中，该电阻加热元件由钴铁镍合金做成。
17.根据权利要求14的电热塞，其中，该电阻加热元件的比值R1000/R20为7.5或更大。
18.一种电热塞，包括具有封闭的前端的圆柱形加热器管；插入到该加热器管的后端的电极轴；一端与该加热器管的前端连接、并且1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值R1000/R20为6或更大的第一线圈；以及与该第一线圈的后端连接的、并且具有正电阻温度系数的第二线圈。
19.根据权利要求18的电热塞，其中，该第一线圈20℃下的比电阻R20为5到20微欧·厘米。
20.根据权利要求18的电热塞，其中，该第一线圈由钴铁镍合金做成。
21.根据权利要求18的电热塞，其中该第一线圈的R1000/R20比值为7.5或更大。
22.根据权利要求18的电热塞，其中该第一线圈20℃下的电阻大于或者等于该第二线圈20℃下的电阻。
全文摘要
提供一种用于电热塞的控制部件，其通过能在因燃料喷射和燃气而冷却加热器时保持良好的电阻控制响应的电阻控制过程来控制对该电热塞的电阻加热器的供电，从而稳定地控制该加热器产生的热量。该电阻加热器包括1000℃下的电阻R1000与20℃下的电阻R20的比值为6或更大的电阻加热元件，并且该电热塞安装成使至少一部分的电阻加热元件突出地位于发动机燃烧室中。在这种条件下，该控制部件以稳定控制方式控制电阻加热器供电，以按把该加热器的电阻保持在预定范围内的方式调节对该电阻加热器提供的电功率。
文档编号F23Q7/00GK1653264SQ0381075
公开日2005年8月10日 申请日期2003年5月13日 优先权日2002年5月14日
发明者后藤俊辅, 熊田智哲, 木全裕是, 村松诚五, 樱井隆行 申请人:日本特殊陶业株式会社