JP5291007B2 - グロープラグの通電制御方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、いわゆる急速加熱またはいわゆるキー始動を用いた、グロープラグの通電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自己制御型加熱特性を持つグロープラグが知られている。これらは、その自己制御的な挙動のため、電源電圧に対して時間制御スイッチングされ、所定の動作温度にまで加熱される。
【０００３】
特許文献１において公知のグロープラグ加熱方法においては、グロープラグを燃焼機関のコールド状態から着火温度にまで加熱し、その後、フィラメント電流を、様々な運転機械パラメータ、特に燃料供給に応じて、通常のようにはスイッチオフにしないでおき、すなわち、エンジンによっては、このいわゆるポストヒーティング段階において、グロープラグの温度をある特定値または少なくともある特定の温度範囲に維持するために、フィラメント電流を制御し続ける。
【０００４】
特許文献２において公知のプレヒーティング段階の間グロープラグの加熱を制御するための方法を用いた場合、必要なプレヒーティング時間はエンジンの水温に応じて決定され、プレヒーティングは１つの継電器を介してスイッチングされ、低い冷却液温度を用いた場合でさえ超過しない最大プレヒーティング時間が定められている。これは、グロープラグが電源回路に対して時間制御スイッチングされる方法の一例である。
【０００５】
ディーゼルエンジン用の電子制御式グローシステムが知られている。このようなグローシステムは、電子グロープラグ制御装置および性能が最適化されたグロープラグを備える。これらのプラグの加熱時間は、自己制御型の加熱特性を有するグロープラグを用いた場合の５秒と比較して、僅か２秒である。
【０００６】
この制御装置では、以前用いられていた電気機械式継電器に取って代わる電力半導体が、グロープラグを制御するためのスイッチとして用いられる。各グロープラグは、個別に制御される。電子制御式グロープラグにおける温度挙動および消費電力は、自己制御型ＳＲＳを用いた場合のようにグロープラグの内部構造によって決定されるのではなく、むしろ、広い範囲で、グロープラグに供給する加熱エネルギー量に合うように制御装置によって調整される。
【０００７】
消費電力は、電力半導体を用いて、グロープラグ電力をクロック（パルス幅変調）することによって調整される。このシステムの効率は非常に高く、グロープラグが必要とするより多くの電力は、ほとんど電源から引き出されない。
【０００８】
ＩＳＳにおいては、各グロープラグは別個の電力半導体によって制御されるので、各グロープラグ回路において電流を別々に監視することができる。これによって、各プラグにおいて個々の診断が可能となる。診断の深さと範囲は、エンジンメーカーの要件に応じて設計される。
【０００９】
グローシステムに対する要求と、その結果生じる機能とにより、以前のグロープラグのスイッチオン／オフをはるかに超える、グローシステムとエンジン制御装置との通信が必要となる。
【００１０】
診断およびステータス情報に加えて、別のグロープラグデマンドが送信される。幾つかの用途においては、グローシステムが消費した電力は、電力管理システムに報告される。いわゆるＩＳＳグロープラグは、約２秒で摂氏１０００度を超える温度に達し、そのため、必要とされる消費電力はより少ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】米国特許第４，６５８，７７２号公報
【特許文献２】米国特許第５，４６９，８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような方法および装置は、例えば、エンジン制御装置内においてロジックが集積され、グローデマンドがエンジン制御装置からＰＷＭデマンド信号の形態でグローシステムに送られ、グロープラグの制御がそこで行われるグローシステムにおいて公知である。
【００１２】
この場合好ましくないのは、グロープラグ制御装置からグロープラグへのリード線における電圧降下、および、当てはまる場合にはグロープラグ制御装置における電圧降下が、エンジン制御において考慮されていないことである。その場合には、プレヒーティングのためにグロープラグへの低すぎるエネルギー入力が行われ、特に電源電圧が低すぎるので、低すぎるグロープラグ最終温度に起因する始動の悪化が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、特にプレヒーティング過程中の上記の欠点を防止することであり、グロープラグに対する場合によっては低すぎる電圧を適切な手段によって補償する装置または方法を作ることである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のこの目的は、特に、請求項１に記載の方法を用いて達成される。これにより、電源電圧が低すぎる場合にグロープラグに存在し得る不足電圧は、プレヒーティング時間を延長することによって補償され、従って、エンジン始動の向上が達成される。エンジン制御装置、グローシステムおよびグロープラグ間のシステム固有の電圧降下は、代わりに十分な電源電圧を用いて、その電圧降下分だけ補正される。さらに、グロープラグ制御システム内の電圧降下は、経験的または数学的に決定され、例えば１１Ｖが常にグロープラグに印加されるようにグロープラグを制御する動作中に考慮される。本発明において有利なのは、極低温時における１２Ｖ未満の電源電圧の場合、弱いバッテリーの場合、または過剰な電源負荷の場合でさえ、プレヒーティングを用いた正常な始動およびキー始動が可能となる事である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、リード線の抵抗および電圧降下を示したグロープラグ制御装置の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すエンジン制御装置１は、グローシステム、より厳密に言えばグロープラグ制御装置２と双方向接続によって通信する。グローシステム、より厳密に言えばグロープラグ制御装置２は、全ての機能を制御するマイクロプロセッサと、各グロープラグをスイッチオンおよびスイッチオフするＭＯＳＦＥＴ電力半導体と、エンジン制御装置と通信する電気インターフェースと、マイクロプロセッサおよびインターフェース用の内部電源とを備える。
【００１７】
マイクロプロセッサは、電力半導体を制御し、電力半導体のステータス情報を読み出し、電気インターフェースを介してエンジン制御装置と通信する。電力半導体は、チャージポンプ、電流制限、および温度過昇スイッチオフ等の総合的制御および保護機能を有する、いわゆるハイサイドスイッチである。
【００１８】
実際のスイッチングトランジスタの制御を行うために必要なゲート電圧は、チャージポンプを用いて生成される。開または閉負荷回路、および温度過昇スイッチオフ作動等のステータス情報は、出力信号として得られる。
【００１９】
高いグロープラグ電流を３０から１００Ｈｚの周波数でクロックすることによってＥＭＣを阻害しないために、電力半導体は、エッジコントロールを内蔵している。これにより、急速過ぎて負荷回路においてＥＭＣの障害となり得る電圧または電力の変化が防止される。
【００２０】
インターフェースは、エンジン制御装置とマイクロプロセッサとの通信に必要な信号を調整する。この信号供給は、マイクロプロセッサおよびインターフェースに安定した電圧を送る。グロープラグ制御装置２は、好ましくは、直接エンジンに取り付けられる。これにより、グロープラグおよび電源への接続のための高電流ワイヤ接続が短いことが好ましい。
【００２１】
その結果、制御装置の機械的安定性と、電気アセンブリおよび接合技術とに対する要求が高くなる。制御装置２を接続するためには、電源接続（端子）および他の接続のための２部のプラグイン方式がある。プレヒーティング段階におけるグロープラグの急速加熱は、エネルギー制御された状態で行われる。
【００２２】
これにより、グロープラグが、過熱することなくできるだけ早く目標温度に達することが確実となる。後続の制御期間においては、グロープラグの電圧は段階的に減少される、すなわち、グロープラグの温度−時間グラフは、エンジンの要件に合うように具体的に設定される。ＩＳＳグロープラグの通常の加熱曲線により、プレヒーティング温度に達した後のグロープラグ３の電圧要求は、約５ボルトであり、これは利用可能な電源電圧より明らかに下である事がわかる。
【００２３】
始動過程中の電源電圧の急激な減少は、グロープラグ温度に対してほとんど影響を与えない。パルス幅変調によるグロープラグの電圧減少により、電源電圧がグロープラグに恒久的に印加されるのではなく、代わりに特定のスイッチオン時間の間、間欠的に印加されることとなる。
【００２４】
個々の制御期間の間グロープラグの実効電圧を維持するために、電源電圧の変動は、スイッチオン時間を変更することによって補償される。全てのグロープラグを同時に間欠的にスイッチオンおよびスイッチオフすることにより、エンジンのシリンダの数によって、概ね高くて、間欠的で、不規則な電源の電力負荷が生じ得る。
【００２５】
これは、グロープラグを順次スイッチオンすることによる電力最適化によって防止され、それによって電力サージの発生が最小限に抑えられる。電力最適化のアルゴリズムは、可能であればグロープラグを連続的にスイッチオンしようとする。
【００２６】
最も好ましいケースでは、電源は、次にグロープラグの電力で均一に充電される。標準的なケースでは、電源の電力負荷は、１つのグロープラグの電力によって変動する。
【００２７】
幾つかのプレヒーティング動作が立て続けに引き起こされる場合には、反復始動検知によって、グロープラグの過熱が防止される。エンジン速度およびエンジン負荷に応じて、グロープラグは、異なる温度に冷却される。それにもかかわらずグロープラグの温度を維持するためには、グロープラグに供給される電力を、変化する条件に合わせて調整する。
【００２８】
これは、エンジン制御装置の仕様に従って、グロープラグ電圧を上げるまたは下げることによって行われる。電力半導体を用いたグロープラグの個々の制御により、包括的、選択的な診断および保護機能が可能となる。例えば短絡回路が原因で負荷電流が高すぎる場合には、過電流検知が、影響を受けたグロープラグ回路を遮断する。
【００２９】
半導体温度が、自己発熱または高すぎる周囲温度によって許容範囲を超える高い値に達する場合には、電力半導体に組み込まれた温度過昇スイッチオフにより、半導体スイッチの破壊が防止される。開負荷回路も検知される。このステータス情報は、グローシステムが受け取るエンジン制御装置の電気的負荷と同様に通信され得る。
【００３０】
エンジン制御装置は、例えば冷却液温度、周囲温度、エンジンステータス、または電源電圧等の与えられたパラメータに基づいて、ＰＷＭ要件の形式でグロープラグに入力されるエネルギー量の値を決定する。グロープラグ制御装置は、このグローデマンドをＰＷＭ制御信号に変換し、それに応じて、個々のグロープラグを時間をおいて制御する。
【００３１】
グロープラグは、通常、特定の電源電圧、例えば１２Ｖでの加熱動作用に設計されているので、パルス幅は、グロープラグ制御装置の端子における実際の電圧に従って、より高い電源電圧に関連する要件で変換され、対応するパルス幅に従ってグロープラグ３が選択される。電源電圧が低すぎて、補正される電圧降下Ｕ４および電圧降下Ｕ２を含む急速加熱に必要な電圧が利用できない場合には、必要なエネルギー量が、グロープラグに入力されない可能性がある。
【００３２】
グロープラグの加熱は、エネルギー制御された状態で行われ、所定の温度への加熱に必要な加熱エネルギーは、所与の構成における各グロープラグタイプのパラメータおよびグロープラグの開始温度から決定され、選択された加熱期間の間にグロープラグに供給される。これによって、所望の最終温度、すなわち指定の温度に同じグロープラグタイプのグロープラグを加熱するための初期条件が似通っている場合には、同じ加熱エネルギーが常に必要であることが仮定される。
【００３３】
これらの初期条件は、グロープラグの加熱される領域（グロープラグの範囲を定められた領域、すなわちグロー管および中でもグロープラグの先端）の開始温度、冷却条件、及び熱容量、およびエンジン制御装置、グローシステムおよびグロープラグ間のシステム関連の電圧降下である。冷却条件は、エンジン内のグロープラグの構成または設置によって規定され、計算または測定によって決定され得る。
【００３４】
グロープラグの熱容量、特に、グロープラグの先端において加熱される領域の熱容量は、その形状および材料特性によって決定され、同様に、計算または測定によって決定され得る。
【００３５】
これによって、グロープラグを量産する場合に、同じタイプの車両において、冷却条件、同じグロープラグタイプのグロープラグの熱容量、およびエンジン制御装置、グローシステムおよびグロープラグ間のシステム関連の電圧降下が、あまりばらつかないと仮定できる。
【００３６】
この事は、グロープラグを開始温度から所望または所定の最終温度にまで加熱するために必要なエネルギーを、上記のシステムパラメータに応じて測定および／または計算によって決定することができることを意味し、また、同じ車両タイプの構成における同じグロープラグタイプのグロープラグにおいて、常に同じ所定の加熱エネルギー（これは、グロープラグを所定の温度に加熱するために必要であり、測定または計算、または測定および計算の組み合わせによって決定される）が加熱段階の間に供給されるように、加熱が制御され得ることを意味する。他の必要な加熱には、他の開始または最終温度を割り当ててもよい。
【００３７】
加熱エネルギー供給が電子的に制御される場合には、加熱エネルギーの供給を、単位時間あたりの電気エネルギー消費量として任意に制御できる。例えば、消費電力を一定のレベルに維持できる、またはより多くの電力を最初に供給した後、より少ない電力を供給できる、またはその逆で、最初により少なく、その後より多くの電力を供給できる。
【００３８】
観察期間Ｔ１において、グロープラグ（ＧＰ）が受け取る加熱エネルギーは、部分時間間隔Ｔ１の間に印加されるグロープラグ電力Ｕ（ＧＰ）、印加されたグロープラグ電力Ｉ（ＧＰ）、およびタイムスパンＴ１の積によって決定することができる。
【００３９】
グロープラグに供給される全体的な加熱エネルギーは、各部分時間間隔の間に供給された各加熱エネルギーの加算によって計算される。加熱エネルギー供給は、全体的な加熱時間間隔を個々の部分時間間隔に分割することで制御できる。各部分時間間隔においてグロープラグに実際に供給される部分加熱量は、システムパラメータに応じて必要とされる、グロープラグを所定の温度にまで加熱するために必要な全体的な加熱エネルギーが達成されるまで、決定および加算される。
【００４０】
グロープラグは、特定の電源電圧、例えば１２Ｖでの加熱動作用に設計され、パルス幅は、より高い電源電圧に関連する要件で、グロープラグ制御装置の端子における実際の電圧に従って、１１Ｖでの動作に変換され、グロープラグは、延長したパルス幅に従って選択される。エンジン制御装置の電圧が、電圧降下Ｕ２によってグロープラグ制御装置の電圧と大きく異なり、それによって、１１Ｖがグロープラグ制御装置において達成できない場合には、電圧差をもはや補償する事はできない。
【００４１】
プレヒーティング過程中では、この事は、実際のグロープラグ電圧にとって短すぎるプレヒーティング時間をもたらし、その結果、低すぎる最終温度につながる。
【００４２】
従って、特定の車両タイプ（設置状態、配線長、相互接続されたコンシューマーすなわちプラグの数）に関して、電圧が目標とする動作電圧を下回る場合には、エンジン制御装置において電圧降下を前もって考慮に入れ、それに従って、グロープラグ制御装置に対する補正した加熱エネルギー量をエンジン制御装置に前もって設定する、特性要因図を作成する事が提案される。
【００４３】
ある好ましい実施形態においては、電圧降下ΔＵに関するシステム固有の規定値(車両
タイプ、ケーブルの長さ、断面積に依る)は、測定電圧Ｕ１から差し引かれる。しかしな
がら、より正確な調整のためには、補正電圧は、グロープラグ電力および／またはグロープラグ電圧および／または電源電圧および／または冷却液温度にも従って、異なる値および経験的に決定された値で特性要因図に保存することができる。
【００４４】
必要とされる最終または定常状態温度は、エンジン制御装置において電圧を補正することによって、たとえ好ましくない条件下であっても、グロープラグにおいて達成される。
【００４５】
別の実施形態においては、この特性要因図をグロープラグ制御装置において適切な手段によって考慮することもでき、それによって、制御の調整がなされる。
【００４６】
他の実施形態では、グロープラグ３に実際に印加された電圧が測定され、制御装置１に報告される。エンジン制御装置１において、測定されたグロープラグ３の電圧値が必要とされる１１ボルト未満であるかどうかが、この時点で決定される。測定電圧が１１ボルト未満である場合には、エンジン制御装置１は、現在のバッテリー電圧を決定する。決定されたバッテリー電圧が、例えば、１２．１ボルトを超える場合には、エンジン制御装置１によって、またはグロープラグ制御装置２と連携してグロープラグ３に供給される電圧が、必要とされる１１ボルトがグロープラグ３に印加されるように調整され、その結果、システムに関連する配線損失が補償される。
【００４７】
しかし、存在するバッテリー電圧が１２．１ボルト未満の場合には、エンジン制御装置および／またはグロープラグ制御装置２は、存在する電圧降下に対する考慮と同様に、決められた期間内にグロープラグを摂氏約１１００度に加熱する、ディーゼルエンジンの始動の成功に必要なエネルギー量を提供しなければならず、その結果、定常状態温度に到達するのに時間がかかる。
【００４８】
加熱時間を計算するためには、電圧降下を考慮したグロープラグ制御装置に対する配線損失の補償が有利である。別の利点は、特にシステム固有の電圧降下に応じて、そこで測定される電源電圧の修正のためにエンジン制御装置に特性要因図を保存することであり、これに基づいて、グロープラグの急速加熱のための時間を計算する。別の利点は、上記の特性要因図をグロープラグ制御装置に保存し、グロープラグ制御を修正することである。
【符号の説明】
【００４９】
１…エンジン制御装置
２…グロープラグ制御装置
３…グロープラグ
４…電源抵抗、端子
５…電源抵抗、グロープラグ
６…内部抵抗、グロープラグ制御装置
７…Ｕ１、エンジン制御装置における測定電圧
８…Ｕ２、グロープラグ制御装置へのリード線における電圧降下
９…Ｕ３、グロープラグ制御装置における電圧降下
１０…Ｕ４、グロープラグへのリード線における電圧降下
１１…Ｕ５、グロープラグにおける電圧

Claims (15)

1. 燃焼機関において所与のタイプのグロープラグを、スイッチオン時間の間、電源電圧が前記グロープラグに印加されるように前記電源電圧をパルス幅変調することによって、所定の動作温度に加熱するための方法であって、前記グロープラグを前記所定の動作温度に加熱するために必要な加熱エネルギーの量を、グロープラグタイプのパラメータおよび加熱開始温度から決定し、更に、リード線の長さと断面積で決まる電圧降下のシステム固有値を、前記電源電圧の測定値から減算し、その結果を用いて、前記スイッチオン時間の間に前記グロープラグに供給する加熱エネルギー量を計算し、
   選択された加熱期間の間に、前記グロープラグを前記所定の動作温度に加熱するために必要な前記加熱エネルギーを前記グロープラグに供給し、
   前記電圧降下のシステム固有値は、前記電源電圧からの、グロープラグ制御装置へのリード線における電圧降下と前記グロープラグ制御装置から前記グロープラグへのリード線における電圧降下とからなることを特徴とする、グロープラグの通電制御方法。
2. 前記電源電圧を測定し、前記電源電圧の変動を、前記スイッチオン時間を変更することによって補償する、請求項１に記載のグロープラグの通電制御方法。
3. 電圧降下を引き起こす配線損失を、前記スイッチオン時間を変更することによって補償する、請求項１又は２に記載のグロープラグの通電制御方法。
4. エンジン制御装置は、前記グロープラグ制御装置に、前記グロープラグに供給する加熱エネルギー量を設定し、それにより前記グロープラグに供給する加熱エネルギー量は配線損失に対して修正される、請求項１乃至３のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
5. 前記必要とされる加熱エネルギーは、前記グロープラグ制御装置によって決定される、請求項４に記載のグロープラグの通電制御方法。
6. 電源抵抗による配線損失が補償される、請求項４又は５に記載のグロープラグの通電制御方法。
7. グロー制御の内部抵抗による配線損失が補償される、請求項４乃至６のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
8. 前記スイッチオン時間の間、前記グロープラグに供給する加熱エネルギー量を計算する際、保存された特性要因図を使用して、配線損失に対して測定電源電圧を補正する、請求項１乃至７のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
9. エッジコントロールを内蔵した電力半導体を用いて、前記電源電圧をスイッチオンおよびオフする、請求項１乃至８のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
10. エンジンの複数のグロープラグを、順次スイッチオンすることによって前記所定の動作温度に加熱する、請求項１乃至９のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
11. 前記グロープラグタイプの前記パラメータは、前記グロープラグの加熱される領域の熱容量を含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
12. 前記グロープラグタイプの前記パラメータは、冷却条件を含む、請求項１乃至１１のい
    ずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
13. 前記グロープラグを前記所定の動作温度に加熱するために必要な前記加熱エネルギーは、システム関連の電圧降下を考慮することによって決定される、請求項１乃至１２のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
14. 少なくとも特定のグロー段階の間、前記グロープラグを一定の電気エネルギーで駆動し、それによって前記グロープラグを前記動作温度に加熱する方法であって、
    ａ）電源電圧を測定する工程と、
    ｂ）グロープラグ制御装置において電圧降下を決定および補償する工程と、
    ｃ）前記一定の電気エネルギーを用いて、プレヒーティング段階の間に、前記グロープラグを制御する工程と、
    を含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。
15. 前記電源電圧を測定し、その結果、前記グロープラグを前記選択された加熱期間において前記動作温度に加熱するには前記電源電圧が不十分であると判明した場合には、前記必要な加熱エネルギーを前記グロープラグに供給する前記加熱期間を延長する、請求項１乃至１４のいずれかに記載のグロープラグの通電制御方法。

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