JP2004278513A - ディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグ加熱制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ディーゼルエンジンのグロー・プラグ加熱制御方法及び装置において、ディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグ(3)の電流供給を制御しながらグロー・プラグ(3)の熱的挙動を考慮できるようにする。
【解決手段】
グロー・プラグ(3)の熱的挙動を物理的モデル(4)によってエミュレートする。グロー・プラグの温度に比例する上記モデル(4)の出力信号を生起させて参照信号として用い、該参照信号を上記グロー・プラグ(3)の熱流を制御する電子制御部(12)の制御値として用い、これによりエミュレートされたグロー・プラグの実際の温度を用いて上記グロー・プラグ(3)の加熱を制御する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、ディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグ加熱制御方法及び装置に関する。
この種の制御方法及び装置は、上記エンジンを始動し得る所定の設定温度までグロー・プラグの温度を高めるのに使用される。

定期刊行物「ＭＴＺ」2000年10月号「ディーゼルエンジン用電子制御式ＩＳＳグローシステム」（”Das elektronisch gesteuerte Gluehsystem ISS fuer Dieselmotoren”）は、ディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグの加熱制御方法を開示している。この方法では、エンジン制御の初期化が完了した後、及びエンジン部材の温度が、エンジン制御システムによって判定され、それに続き、エンジン制御システムとグロー制御装置との間の通信の確立が成功した後に、グローコマンド又はグロー要求が発せられる。

「ディーゼルエンジン用電子制御式ＩＳＳグローシステム」（原語表記"Das elektronisch gesteuerte Gluehsystem ISS fuer Dieselmotoren"）、ＭＴＺ、ドイツ国、2000年10月号

ディーゼルエンジンのグロー・プラグの加熱制御のためには、このグロー・プラグ、すなわち迅速始動グロー・プラグの熱的状態、特に繰り返し始動において直前の加熱後におけるグロー・プラグの残存温度を知ること、及び後続の制御にそれを含めることが重要である。しかしながら、今日までこのグロー・プラグの熱的状態は、経験値のみによってグロー・プラグ制御システムに組み込むことができたに過ぎない。このグロー・プラグの残存温度を考慮するためには、初期状態に戻す前のデータを含める必要がある場合、不揮発メモリー及び時間軸を必要とし、完全な履歴を知ることが必要である。

グロー・プラグの抵抗を介してグロープラグの温度を測定する方法は、グロープラグの抵抗変化に関する許容差を前提とした上でグロー・プラグの温度を測定する可能性がある点で欠陥があり、そのような許容差は現実に存在するし、動力学的な挙動の変動も存在する。また、グロー・プラグを較正することは、そこには大量生産されたコンポーネントが含まれているため現実的でない。

本発明の目的は、グロー・プラグの温度をフィードバックするために測定用信号を用いることなく、ディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグの加熱をグロー・プラグの熱的挙動をも含めて制御することができる、冒頭に述べたタイプの方法及び装置を提供することにある。

上記課題は、本発明によれば、請求項１及び６にそれぞれ示された実施形態によって解決される。
本発明に基づく方法及び本発明に基づく装置の特に好ましい構成及び更にそれを展開した構成は、それぞれ請求項２〜５或いは請求項７〜１１の発明の主題とされている。

本発明に基づく方法や本発明に基づく装置については、上記グロー・プラグの物理的モデルが制御装置に組み込まれるため、このグロー・プラグの熱的な状態を考慮に入れることが可能となる。このモデルは、例えば、グロー・プラグと並行して低電圧、最小限の電流にて加熱される正又は負の抵抗温度係数を有する温度抵抗エレメントの形態で設計することができ、このモデルの抵抗値によって現在の温度をフィードバックすることができる。グロー・プラグの温度加熱及び定常状態における挙動は、更に電子スイッチングエレメントを用いることにより動力学的に完全にエミュレートすることができる。

グロー・プラグ制御システムに組み込まれた物理的モデルにより、自動車における一時的な電圧低下からの独立が達成され、これにより、グロー・プラグの電子制御を完全に初期状態に戻した後でも、グロー・プラグの制御により簡単且つ正確に上記グロー・プラグの熱的状態を判定することができる。好ましくは、このグロー・プラグの温度範囲（スチール製グロー・プラグの場合、１１００℃まで、セラミック製グロー・プラグの場合、１５００℃まで）は、電子部品の温度範囲（１２５℃まで）に対応させる。

このことは、詳細には抵抗温度エレメント若しくは発熱エレメント又は両エレメントの組み合わせに関する電子制御と評価が含まれるという点において、グロー制御システムに上記グロー・プラグの熱的モデルが組み込まれることを意味する。そのため、上記物理的モデルからグロー・プラグ温度をフィードバックすることにより、これに基づく制御或いは上記グロー・プラグの調整が可能となる。同時に、この物理的モデルの中核として、物理的エネルギー貯蔵部が含まれ、そこでのエネルギー貯蔵量は、上記グロー・プラグ温度と比例するか、又は反比例する。この物理的エネルギー貯蔵部は、例えば相応する熱容量を有する発熱エレメント又は電気エネルギーを蓄えるコンデンサーとすることができる。

本発明によれば、グロー・プラグの熱的挙動の物理的モデリングが作成され、それに対応する物理的モデルが、グロー制御システムに組み入れられる。このことは、また、エンジンの動作状態をこの物理的モデルに反映できることを含んでいる。

それにより、想定し得るあらゆる動作状態からの上記グロー・プラグの動作が最適化され、設定温度に到達する応答時間を可能な限り最短とすることができる。

修正モジュールを用いることにより、このグロー・プラグの温度は、上記グロー・プラグの制御を行う電子制御部から上記修正モジュール及び物理的モデルを経て上記電子制御部に戻る閉じた制御回路により間接的に調整される。

また、上記物理的モデルは、例えば周囲温度又は少なくとも上記グロー・プラグの定常モードを反映する測定用信号と接続することができる。この目的のため、温度センサーを上記グロー制御装置内に設けるか、或いはエンジン内の温度センサーの信号をインターフェースを介して判定することができる。グロー・プラグの定常モードにおける温度を判定するために、抵抗測定を行い、また、所望により、内蔵のグロー・プラグの幾つか又はすべての抵抗値を適宜平均化してもよい。

本発明における上記装置や本発明における上記方法は、迅速始動型及び低電圧型のグロー・プラグの繰り返し始動に対し優れた保護を与え、プリエンプティブなレギュレーターとして使用できる可能性を提供する。このことは、詳細には、上記物理的モデルの温度をより正確にまたより簡単に検出することによって、グロー・プラグの実際の温度をより正確に検出すること及びグロー・プラグの温度を制御することが可能となることを示している。電子機器の電圧供給とは別に、グロー・プラグの温度状態のイメージング及び記憶が可能となることにより、完全に初期状態に戻した後でも、上記グロー・プラグの現在の状態を簡単且つ正確に検出し、最適な制御を選択することができる。更にまた、電子制御部に組み入れられる上記物理的モデルは、電子機器製造の過程でバランス良く設置できる。本発明によれば、設けられる記憶装置は静的なものではなく、動的なものである。このように、電圧を印加することなく、冷却時の挙動をシミュレートすることが可能となり、その結果エンジンの可能な限り最短の敏速性、即ち始動性を得るためのグロー・プラグの加熱の最適な制御を達成することができる。

本発明の特に好ましい実施形態を、添付した図面に基づいて以下に詳細に説明する。

図１及び図２は、一般的に温度上昇に伴い大きくなる可変的な抵抗を備えた金属製の標準的なグロー・プラグを示している。例えば、図２に示した金属製のグロー・プラグ6のように、有意な温度係数を有しない発熱エレメント、いわゆるらせん状発熱部8と正の温度係数を有する発熱エレメント、いわゆるらせん状制御部又は測定部9とを組み合わせたらせん状部７を内蔵するものでは、十分に迅速な熱カップリングが得られず、その結果、燃焼室側のコア先端の熱的挙動は上記抵抗変化から判定され、上記挙動は単に比較的受動的に追随することになる。更に、すべてのグロー・プラグの抵抗は、それらが大量生産されることから著しくばらついており、その抵抗値の推移は、温度の推移と相互に十分には相関しない。すべてのグロー・プラグを比較し、又は選別することは、更にコストがかかるため、現実的でない。確かに、追加の温度センサー10を設けることはできるが、高いコストにつながり、またこのセンサー寿命は限られている。このように、グロー・プラグの加熱時の状態を認識することは、実際のグロー・プラグの許容差に関して部分的に既述したとおりの厳しい制限が課される。そのため、グロー・プラグの現在の温度について、抵抗が統計的に分布している状態では、更に論じることはできない。

そのため、上記グロー・プラグの加熱ロッド先端における現在の温度を直接フィードバックすることは、連続的な使用下では不可能である。

図３に示すように、グロー要求がオーバーライディング制御器、例えばエンジン14のエンジン制御器1の所定のインターフェースを介して上記グロー制御システム２に送られ、そこで翻訳された結果、グロー・プラグ制御システムにおける要求に従い、グロー・プラグ3に通電される。

また、図３に示すように、図示された本発明の実施形態では、上記グロー・プラグの物理的モデル4は、グロー・プラグと並列にグロー制御システム内に取り付けられる。この目的は、グロー・プラグ3の熱的状態のイメージをとるためである。上記物理的モデル４は、少なくともエンジンがアイドリング状態にあるときに標準的なグロー・プラグの加熱ロッド先端の温度のイメージをとることができるように設計されている。このモデルは、上記グロー・プラグを加熱、冷却する場合のいずれにも使用できる。

上記物理的モデル４は、原則として物理的エネルギー貯蔵部を有しており、ここでのエネルギー量は、グロー・プラグの温度に比例するか、又は反比例するものである。この物理的エネルギー貯蔵部は、例えば蓄えられる電荷量が温度に比例するコンデンサーとすることができる。また、上記物理的モデル内の正又は負の抵抗温度係数をもつ相応する大きさの抵抗温度素子の抵抗も、上記グロー・プラグの熱的状態を測定するのに使用できる。

上記物理的モデル４は、また完全にコンピューターに記憶されたソフトウェアの形態で、例えば記憶装置に記憶された判定フィールドとして設計することもできる。

更に、図３に示すように、物理的モデル４の状態が判定され、グロー・プラグ制御部12に印加される入力値５がこのモデルから生成される。上記制御部は、例えばパワースイッチといったドライバー15を介してグロー・プラグ３を制御する。

上記の装置は、以下のように動作する。
グロー要求が、オーバーライディング制御装置、例えばエンジン制御装置１のインターフェースを介してグロー制御システム２に送られると、すぐにグロー・プラグ3及びこれと同時にグロー制御システム中の物理的モデルが始動する。このモデル４の状態は判定、解析され、グロー・プラグ制御部12においてグロー・プラグ温度のフィードバック用の入力値5として用いられる。これにより、このグロー・プラグ制御システム2は、グロー・プラグ動作時のグロー・プラグの熱的状態を考慮できる。

このグロー制御システム２内に組み込まれた物理的モデル４は、熱的挙動を非常に正確に検出することができ、その結果グロー・プラグ３における実際の温度についての正確な情報が得られ、この情報により上記グロー・プラグ３の温度を検出し、制御するという広範にわたる可能性を開いている。

更に精度を高めるために、上記物理的モデル４の温度は、周囲温度を十分に反映する位置において記録される他の温度と比較できる。これは、例えば通信インターフェースのような大量の電流を受けることがない打ち抜き金網に接した測定点11とすることができる。

その上、上記物理的モデル４は、グロー制御システム２中に組み込まれていることから、上記グロー制御システム2製造中に上記モデル又は組み込まれた電子部品を対比することができ、これによって更に精度が向上するという利点がある。十分に定常状態にあるときには、グロー・プラグの抵抗を物理的モデル4の値と比較することができ、更に精度を向上させ、妥当性をチェックするのに役立つが、電流を測定することによってグロー・プラグ3の抵抗を評価することは、温度、特に動力学的な状態における温度を測定するには十分でない。上記グロー・プラグの抵抗と上記物理的モデル4の出力信号とを対比するグロー制御システム２の機能は、この機能に対応する電子ドライブ12内のソフトウェア及びメモリーによって達成できる。

このように、この物理的モデル４の状態は、所定の電子制御によって判定され、電子制御部12の処理用信号として利用できる。

上述したように、この物理的モデル4は、上記グロー・プラグ3と並行して動作し、即ち等価な、または比例したエネルギー入力を受けるので、グロー・プラグの熱的挙動をシミュレートする。このシミュレーションは、少なくともエンジンがアイドル状態にある場合に、上記加熱時又は冷却時の挙動がシミュレートされるように設計される。しかしながら、グロー制御システム2内の上記物理的モデル4は、燃焼室内のグロー・プラグとは異なり、スラストモードなどにおける燃焼エネルギーや付加的な冷却によるエネルギーの供給や排出の影響を受けない。そのため、上記物理的モデル4がその目的を充実し、グロー・プラグ３の温度を可能な限り正確にシミュレートするように、上記物理的モデル4の並列始動と同時に、標準的な状況から外れる外的な影響に応じて、正又は負の付加的なエネルギー入力を数学的に加えてもよい。このために、修正モジュール13を、上記物理的モデル4と電子制御部12との間に配置して設け、現在のエンジンの状態、例えば速度、トルク、燃料噴射量、温度等を考慮するようにして、上記モデルによる参照グロー・プラグ温度出力が、実際のグロー・プラグ温度と合致するように上記物理的モデル4の制御を変更することが好ましい。

この目的ために、最も簡単なケースでは、上記物理的モデル４の制御を、固定値によって制限してもよい。エンジン運転中、少なくとも燃料直噴装置を備えたディーゼルエンジンでは、低速且つ非常に高負荷の限界領域を除き、グロー・プラグは、その設定温度を維持するために、エンジンがアイドル状態の場合と比較して多量のエネルギーを必要とすることが知られている。電子制御部12は、グロー・プラグ温度がエンジンの運転状況と無関係に維持されるように、グロー・プラグへのエネルギー供給量を調整するように設計されるのが通常である。エンジン運転中、従って通例エンジンがアイドル状態にあるときよりもグロー・プラグへのエネルギー量が大きい場合には、グロー・プラグは正確に設定温度を示すと考えられる。これらの簡単に検出される場合には、上記修正モジュール13によって、上記物理的モデル4を強制的に上記設定温度に対応する状態にしてもよい。

更に、上記物理的モデル4によるグロー・プラグの実際の温度のよりいっそう正確なイメージが要求される場合、或いは間接噴射装置を備えたエンジン若しくは他のエンジンにおける場合のように、上述の固定値によるモデルの単純な制限では十分でない場合には、適当な測定技術を用いて、例えば燃料の噴射量、速度、内部トルク、空気量、エンジン、水温又は油温といったエンジン制御器1又はグロー制御システム２に利用可能なパラメーターと相互に関連した正又は負の付加的なエネルギー入力値を先ず検出する。その結果得られたデータに基づいて、アルゴリズム又は数学的モデルを作成し、上記修正モジュール13に組み込む。それにより、上記修正モジュールは、グロー・プラグへの電流供給と並行している制御信号を改変して、上記物理的モデル4がグロー・プラグの実際の温度に追随するようにする。このようにして、物理的モデル4の温度を記録することにより、閉じた制御回路が形成され、グロー・プラグの温度を更に有利に調整できる。これにより、過負荷、エラー制御等を避けることができる。そして、例えば、エンジン制御システム１からグロー制御システム２に送られる設定温度を、比較的簡単に変換でき、監視できる結果、この温度に達したことが、再びエンジン制御システム１にフィードバックできるようになる。このことから、グロー・プラグ3を従来よりもいっそう迅速に設定温度まで加熱する可能性が更に開ける。なぜならば、その場合グロー・プラグ3で結果的に生じる温度のフィードバックが不十分であるため、最低限の加熱速度を維持することができるためである。

図１は、グロー・プラグのグローロッドの断面図である。 図２は、図１に示したグローロッドを備えたグロー・プラグの部分断面図である。 図３は、本発明に基づく装置の実施形態の模式図である。

符号の説明

3 ： グロー・プラグ
4 ： 物理的モデル
12 ： 電子制御部

Claims (11)

1. 加熱中及び冷却中のグロー・プラグの熱的挙動をエミュレートし、このエミュレートした温度フィードバックを上記グロー・プラグの加熱を制御するための制御値として使用することを特徴とするディーゼルエンジンにおけるグロー・プラグ加熱制御方法。
2. 上記エミュレートした温度フィードバックを周囲温度に対応した参照温度と比較することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記エミュレートした温度フィードバックをエンジンの運転状態と独立するように修正することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記エミュレートを固定値で制限することによって修正が行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. エミュレート中に検出されたエネルギー入力を、利用可能なエンジン運転パラメーターと相互に関連付けて、エミュレート中に上記エネルギー入力を考慮することによって修正が行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. グロー・プラグ(3)の熱流を制御する電子制御部(12)を備えたディーゼルエンジンのグロー・プラグ(3)加熱制御装置であって、上記グロー・プラグ(3)の物理的モデル(4)が、物理的エネルギー貯蔵部の形態で設けられており、該貯蔵部のエネルギー状態は、上記グロー・プラグの温度に比例又は反比例するようにされており、該エネルギー状態は上記電子制御部(12)への参照信号として印加されることを特徴とするグロー・プラグ加熱制御装置。
7. 上記物理的エネルギー貯蔵部が、コンデンサーであり、その負荷の状態がグロー・プラグの温度に比例していることを特徴とする請求項6に記載の装置。
8. 上記物理的エネルギー貯蔵部が、正又は負の抵抗温度係数を持つ抵抗温度エレメントであり、その抵抗値が上記グロー・プラグ温度に比例していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 上記物理的モデル(4)の出力信号を記憶するメモリーを備えていることを特徴とする請求項6乃至８のいずれか1項に記載の装置。
10. 電子制御部(12)が行う上記物理的モデル(4)の制御をエンジンの運転状況に応じて変更する修正モジュール(13)を備えていることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載の装置。
11. 上記物理的モデル(4)からの出力信号と周囲温度とを比較する比較モジュールを備えていることを特徴とする請求項6乃至９のいずれか１項に記載の装置。
    

Images