JP2009191642A - グロープラグ保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】設置空間を増大させることなく簡易な構成によって、バッテリの逆接に対するグロープラグを好適に保護する構成を提供する。
【解決手段】グロープラグ保護回路は、バッテリ３の正常接続時にはグロープラグ３１〜３４への通電／非通電を切り替えるとともに、バッテリ逆接時には逆方向に通電されるスイッチ手段２１〜２４と、グロープラグを急速昇温するための昇温開始電流を流すようにスイッチ手段を所定時間τオンし、グロープラグを所定温度に維持するための維持電流を流すようにスイッチ手段をオン・オフ制御する制御手段１０と、少なくとも所定時間τにおいて、グロープラグの抵抗変化率よりも小さい抵抗変化率を有するＰＴＣサーミスタ５１〜５４とを備える。バッテリ正常接続時には通常動作が行われ、バッテリ逆接時には、逆電流Ｉｒによる温度上昇に伴って各ＰＴＣサーミスタの抵抗が増加するため、各グロープラグが保護される。
【選択図】図１

Description

本発明は、グロープラグ保護回路に関し、詳しくは、ディーゼルエンジンの予熱に用いられる急速昇温タイプのグロープラグのバッテリ逆接時の保護回路に関する。

従来、急速昇温タイプのグロープラグの通電制御においては、昇温開始時には定格を超える、例えばＤＣ１２Ｖ（車載バッテリ電圧）を印加して大電流を流すことによって急速にグロープラグを昇温させる。そして、その急速昇温後は、印加電圧をグロープラグによって規定される定格電圧（通常ＤＣ４Ｖ〜７Ｖ程度）に維持して過昇温を防止する構成となっている。

その際、急速昇温後のグロープラグ温度を所定温度に維持するためにＰＷＭ通電制御が行われ、その制御ために半導体スイッチであるＦＥＴが用いられる。そのため、バッテリが逆接されるとＦＥＴのボディダイオード（寄生ダイオード）を介して逆電流が流れ続ける。その逆電流によってグロープラグが過昇温するのを防止するために、例えば特許文献１に示されるようなメカニカルリレーをバッテリとＦＥＴとの間に設ける方法が知られている。その際、メカニカルリレーは、その接点寿命などを考慮して、車載部品としては従来と同様のメンテナンス性が必要とされるため、ＦＥＴ等のグローシステムとは別途のリレーボックス等に配置する方法が考えられる。
特開２００７−１４１６５公報

しかしながら、グロープラグはその通電容量が大きいため、複数の気筒を有するエンジンの場合、全ての気筒を一括して遮断・投入するメカニカルリレーでは、その接点開閉容量が、例えば１００Ａ以上となり、リレーが大型化するという不都合が生じる。また、各グロープラグ毎にリレーを分割して配置する場合には、リレー数が増加するため、その搭載スペースが増大するという不都合が生じる。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、設置空間を増大させることがなく簡易な構成によって、バッテリの逆接に対するグロープラグを好適に保護できる構成を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、第１の発明は、グロープラグに電力を供給するバッテリが逆接された場合に前記グロープラグを保護するグロープラグの保護回路において、前記バッテリと前記グロープラグとの間に設けられたスイッチ手段であって、前記バッテリが正常に接続されている場合には前記グロープラグへの通電及び非通電を切り替えるとともに、前記バッテリが逆接された場合には前記バッテリの正常接続時とは逆方向に通電されるスイッチ手段と、前記グロープラグを急速昇温するための昇温開始電流を所定時間流すように前記スイッチ手段をオンし、前記昇温開始電流に続いて、前記グロープラグを所定温度に維持するための維持電流を流すように前記スイッチ手段をオン・オフ制御する制御手段と、前記バッテリと前記スイッチ手段との間に設けられ、前記所定時間において、前記グロープラグの抵抗変化率よりも小さい抵抗変化率を有するＰＴＣサーミスタとを備える。

この構成によれば、正常のバッテリ接続状態では、グロープラグの急速昇温させる所定時間、例えば数秒間においてはＰＴＣサーミスタの抵抗変化率がグロープラグの抵抗変化率より小さいため、グロープラグが昇温する数秒間はＰＴＣサーミスタの抵抗がそれほど増加しない。そのため、スイッチ手段としての例えばＦＥＴおよびグロープラグに通電される電流が制限される影響は少ない。そのため、グロープラグの性能であるエンジン始動性への影響を及ぼすことなく通電が可能である。

一方、バッテリの逆接続によってＰＴＣサーミスタに逆電圧が印加される場合には、グロープラグおよび例えばＦＥＴの寄生ダイオードを介してＰＴＣサーミスタに逆方向の電流が流れる。その逆方向の電流が、例えば数１０秒間流れると、ＰＴＣサーミスタの特性によってその抵抗が大きく増大するため、グロープラグおよびＦＥＴに流れる電流は制限される。そのため、グロープラグに定格電圧を超えた電圧が印加されることはなく、グロープラグの過昇温が防止される。すなわち、本構成によれば、単に、バッテリとスイッチ手段との間にＰＴＣサーミスタを設けるという簡易な構成によって、設置空間を増大させることなく、バッテリの逆接に対するグロープラグを好適に保護できる。

第２の発明は、第１の発明のグロープラグ保護回路において、前記スイッチ手段はＦＥＴであり、該ＦＥＴは、前記バッテリが逆接された場合には、その寄生ダイオ−ドを介して前記バッテリの正常接続時とは逆方向に通電される。
この構成によれば、スイッチ手段を好適に構成することができる。

第３の発明は、第１または２の発明のグロープラグ保護回路において、前記グロープラグおよびスイッチ手段はそれぞれ複数設けられ、前記ＰＴＣサーミスタは、各グロープラグに対して設けられる。
この構成によれば、複数気筒を有し各気筒に対してグロープラグを有するエンジンにおいて、好適に各グロープラグをバッテリの逆接から保護するこができる。

第４の発明は、第１または２の発明のグロープラグ保護回路において、前記グロープラグおよびスイッチ手段はそれぞれ複数設けられ、前記ＰＴＣサーミスタは、前記複数のグロープラグのうちの２つ以上のグロープラグに対して共通に設けられる。

この構成によれば、複数気筒を有し各気筒に対してグロープラグを有するエンジンにおいて、使用するＰＴＣサーミスタの特性に適応させて、１つのＰＴＣサーミスタによって複数のグロープラグを保護することができる。そのため、使用するＰＴＣサーミスタの数を低減して、保護回路のコストを低減することができる。

第５の発明は、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のグロープラグ保護回路において、前記制御手段は前記スイッチ手段をＰＭＷ信号によって制御する。

この構成によれば、バッテリの正常接続時に、ＰＴＣサーミスタが挿入された状態においても、ＰＭＷ信号のデューティ比を適宜変更することによって、グロープラグの温度を所望温度に好適に維持することができる。

本発明のグロープラグ保護回路によれば、設置空間を増大させることなく簡易な構成によって、バッテリの逆接に対するグロープラグを好適に保護できる。

＜実施形態＞
本発明の一実施形態について図１〜図４を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るグロープラグ保護回路１を概念的に例示するブロック図である。

グロープラグ保護回路１は、直流電源として構成されるバッテリ３から複数（本実施形態では４個）のグロープラグ３１，３２，３３，３４に電力を供給する複数の電力供給ライン４１，４２，４３，４４にそれぞれ設けられ、これらグロープラグ３１〜３４の通電及び非通電を切り替える複数のＮチャネルＦＥＴ２１，２２，２３，２４（本発明のスイッチ手段の一例）と、各ＦＥＴ２１〜２４の通電タイミングを制御する制御回路（本発明の制御手段の一例）１０とを備えている。すなわち、本実施形態では、４気筒のディーゼルエンジンに本発明によるグロープラグ保護回路１が適用された例が示される。

本実施形態では、各ＦＥＴ２１〜２４は、直流電源であるバッテリ３と各グロープラグ３１〜３４との間に介在する。そして、各ＦＥＴ２１〜２４は、イグニッションスイッチＩＧがオンされると、バッテリ３が正常に接続されている場合には、ＦＥＴ２１〜２４をそれぞれ開閉することにより、バッテリ３からヒューズ５を介してグロープラグ３１〜３４へ流れる電流を通電・遮断することができる。具体的には、ＦＥＴ２１〜２４の制御信号入力端子である各ゲート端子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、それぞれ制御回路１０の出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に接続されており、制御回路１０からの各ゲート端子Ｇ１〜Ｇ４へのオン信号（本実施形態ではハイレベルの信号）に応じて各ＦＥＴ２１〜２４がオン状態となるように構成されている。

一方、ＦＥＴ２１〜２４は、イグニッションスイッチＩＧがオンされると、バッテリ３が逆接されている場合には、その寄生ダイードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を介して、それぞれ、バッテリ３の正常接続時とは逆方向に通電（逆電流Ｉｒ）される。

制御回路１０は、ＣＰＵ（本発明の制御手段の一例）１１、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３等を含む。ＣＰＵ１１は、例えばＲＯＭ１２に格納されたプログラムに従ってＦＥＴ２１〜２４の開閉制御を行う。

制御回路１０は、グロープラグ３１〜３４を急速昇温するための昇温開始電流を流すようにＦＥＴ２１〜２４を所定時間τの間オンする。また、制御回路１０は、昇温開始電流に続いて、グロープラグ３１〜３４を所定温度に維持するための維持電流を流すようにＦＥＴ２１〜２４をオン・オフ制御する。本実施形態では、制御回路１０は、ＦＥＴ２１〜２４をＰＭＷ信号によって制御する。その際、制御回路１０は、ＰＭＷ信号のデューティ比を適宜変化させて、グロープラグ３１〜３４を所定温度に維持する。

更に実施形態１では、バッテリ３と各ＦＥＴ２１〜２４との間にＰＴＣサーミスタ５１，５２，５３，５４が設けられている。各ＰＴＣサーミスタ５１〜５４は、少なくとも所定時間τにおいて、グロープラグ３１〜３４の抵抗変化率よりも小さい抵抗変化率を有する。これは、グロープラグ３１〜３４およびＰＴＣサーミスタ５１〜５４の、抵抗−温度特性の相違に基づく。

ここで、図２は通常（バッテリ３の正常接続時）のＰＴＣサーミスタ５１〜５４の電流および抵抗特性を例示し、図３は通常のグロープラグ３１〜３４の電流特性を例示する。すなわち、図２および図３に例示されるように、通常（バッテリ３の正常接続時）の通電では、少なくとも所定時間τ（ここでは，例えば、ほぼ５秒）において、グロープラグ電流（昇温開始電流）の立上り、立下り速度（グロープラグの抵抗変化率）よりも、ＰＴＣサーミスタ電流の立下り速度（ＰＴＣサーミスタの抵抗変化率）が遅い（小さい）。

すなわち、図３に示されるように、グロープラグ電流の昇温開始電流は所定時間τにおいて、ＰＴＣサーミスタ電流に比べて、より急激に立上り、より急激に立下がる。すなわち、ＰＴＣサーミスタ５１〜５４の抵抗が増加する前にグロープラグ電流（昇温開始電流）が増加し、ＰＴＣサーミスタ５１〜５４の抵抗増加による電圧降下によってグロープラグ３１〜３４に印加される電圧が制限されることなく、グロープラグ３１〜３４の通電が可能となる。このとき、従来のグロープラグ３１〜３４の性能によって、グロープラグ３１〜３４は数秒の間に所定の高温に達する。

なお、図２には、ＰＴＣ抵抗がほとんどゼロ［Ω］近辺で変化しない例が示されが、通常、使用するＰＴＣサーミスタの特性およびグロープラグ電流の大きさ等によって、ＰＴＣ抵抗の時間変化特性は異なる。そのため、要は、少なくとも所定時間τにおいて、グロープラグ３１〜３４の抵抗変化率よりも小さい抵抗変化率を有するＰＴＣサーミスタ５１〜５４が使用されればよい。

その後、制御回路１０は、グロープラグ３１〜３４にバッテリ電圧（例えば、１２Ｖ）より低い適正な電圧（例えば、４〜７Ｖ程度）を印加するためにバッテリ電圧を制限するＰＭＷ駆動をＦＥＴ２１〜２４に対して行う。したがって、バッテリ３の正常接続時においては、グロープラグ３１〜３４の急速昇温が何ら制限されず、また、エンジン始動性が損なわれることもない。

一方、異常時（バッテリ３の逆接続時）においては、グロープラグ３１〜３４の電圧制御手段であるＦＥＴ２１〜２４が駆動されないため、ＦＥＴ２１〜２４の寄生ダイオード（ボディダイオード）Ｄ１〜Ｄ４を介して図１に示す逆電流Ｉｒが流れることとなる。

ここで、図４は、バッテリ逆接続時のＰＴＣサーミスタ５１〜５４の諸特性の実験による一例を示す。バッテリが逆接続された場合には、図４のＰＴＣ抵抗特性に示されるように、ＰＴＣサーミスタ電流（逆電流Ｉｒ）によるＰＴＣサーミスタ表面温度の増加に伴って、数１０秒後（図４の例では、ほぼ７０秒後）において、ＰＴＣサーミスタ５１〜５４の抵抗がゼロ［Ω］近辺から急激に増加した。それによって、ＰＴＣサーミスタ５１〜５４による電圧降下が大きくなる。その結果、グロープラグ３１〜３４の両端電圧が制限され、グロープラグ３１〜３４には定格電圧以下の電圧が印加されることとなる。さらに、図４のＰＴＣ電流特性に示されるように、ＰＴＣサーミスタ抵抗の増加に伴ってＰＴＣ電流はほとんど流れなくなることが確認された。そのため、バッテリ３の逆接続時において、グロープラグ３１〜３４の過昇温が防止され、溶断に至ることも防止される。

＜実施形態の効果＞
上記したように、本実施形態においては、ＦＥＴ２１〜２４の寄生ダイオードＤ１〜Ｄ４と、グロープラグ３１〜３４の電流特性（抵抗変化率）とＰＴＣサーミスタ５１〜５４の電流特性（抵抗変化率）との相違と、が好適に利用されている。それによって、通常時においてはグロープラグ３１〜３４の通常の温度上昇制御が行われるとともに、バッテリ３の逆接続時においてはグロープラグ３１〜３４が保護される。すなわち、本実施形態によれば、単に、ＰＴＣサーミスタ５１〜５４をバッテリ３とＦＥＴ２１〜２４との間に設けるだけで、設置空間を増大させることなく、バッテリ３の逆接続時において、グロープラグ３１〜３４が好適に保護される。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態では、各グロープラグ３１〜３４に対応させて各ＰＴＣサーミスタ５１〜５４をそれぞれ設ける例を示したが、これに限定されない。例えば、図５に示されるように、グロープラグ３１，３２に対応させてＰＴＣサーミスタ５５を設け、グロープラグ３３，３４に対応させてＰＴＣサーミスタ５６を設けるようにしてもよい。なお、一個のＰＴＣサーミスタによって保護するグロープラグの個数は、３個であっても４個であっても良く、２個に限定されない。

この場合、使用するＰＴＣサーミスタの特性に適応させて、１個のＰＴＣサーミスタによって複数のグロープラグを保護することができる。そのため、使用するＰＴＣサーミスタの数を低減して、保護回路のコストを低減することができる。

（２）上記実施形態では、４気筒のディーゼルエンジンに本発明によるグロープラグ保護回路１を適用する例を示したが、これに限定されない。例えば、本発明は、６気筒のディーゼルエンジンあるいは１気筒のディーゼルエンジンにも適用可能である。

（３）上記実施形態では、スイッチ手段としてＦＥＴ（ＮチャネルＦＥＴ）を使用し、バッテリ逆接時にその寄生ダイオードを介して逆方向に通電（Ｉｒ）される例を示したが、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、スイッチ手段としてバイポーラトランジスタを用い、逆方向に通電される手段を、バイポーラトランジスタに並列接続されたダイオードとする構成であってもよい。

本発明の一実施形態に係るグロープラグ保護回路を概念的に例示するブロック図 図１の実施形態におけるバッテリ正常接続時のＰＴＣサーミスタの特性を例示するグラフ 図１の実施形態におけるバッテリ正常接続時のグロープラグの電流特性を例示するグラフ 図１の実施形態におけるバッテリ逆接続時のＰＴＣサーミスタの特性を例示するグラフ 本発明の別の実施形態に係るグロープラグ保護回路を概念的に例示するブロック図

符号の説明

１…グロープラグ保護回路
３…バッテリ
１０…制御回路（制御手段）
１１…ＣＰＵ（制御手段）
２１，２２，２３，２４…ＦＥＴ（スイッチ手段）
３１，３２，３３，３４…グロープラグ
４１，４２，４３，４４…電力供給ライン
５１，５２，５３，５４，５５，５６…ＰＴＣサーミスタ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…寄生ダイオード
τ…所定時間

Claims (5)

1. グロープラグに電力を供給するバッテリが逆接された場合に前記グロープラグを保護する保護回路において、
   前記バッテリと前記グロープラグとの間に設けられたスイッチ手段であって、前記バッテリが正常に接続されている場合には前記グロープラグへの通電及び非通電を切り替えるとともに、前記バッテリが逆接された場合には前記バッテリの正常接続時とは逆方向に通電されるスイッチ手段と、
   前記グロープラグを急速昇温するための昇温開始電流を流すように前記スイッチ手段を所定時間オンし、前記昇温開始電流に続いて、前記グロープラグを所定温度に維持するための維持電流を流すように前記スイッチ手段をオン・オフ制御する制御手段と、
   前記バッテリと前記スイッチ手段との間に設けられ、少なくとも前記所定時間において、前記グロープラグの抵抗変化率よりも小さい抵抗変化率を有するＰＴＣサーミスタと
   を備えた、グロープラグ保護回路。
2. 前記スイッチ手段はＦＥＴであり、該ＦＥＴは、前記バッテリが逆接された場合には、その寄生ダイオ−ドを介して前記バッテリの正常接続時とは逆方向に通電される、請求項１に記載のグロープラグ保護回路。
3. 前記グロープラグおよびスイッチ手段はそれぞれ複数設けられ、
   前記ＰＴＣサーミスタは、各グロープラグに対して設けられる、請求項１または２に記載のグロープラグ保護回路。
4. 前記グロープラグおよびスイッチ手段はそれぞれ複数設けられ、
   前記ＰＴＣサーミスタは、前記複数のグロープラグのうちの２つ以上のグロープラグに対して共通に設けられる、請求項１または２に記載のグロープラグ保護回路。
5. 前記制御手段は前記スイッチ手段をＰＭＷ信号によって制御する、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のグロープラグ保護回路。
   

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