JP2011064196A - 自動車における加熱要素のパルス幅変調による作動方法とそれを実行するグロープラグ制御器 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの点火状況を最善にし、グロープラグの寿命を最大限にするるべく、グロープラグの制御方法を提供することである。
【解決手段】自動車における加熱要素のパルス幅変調による作動方法であり、供給電圧の変動は、所望の加熱出力を達成するようにデューティサイクルを適用することで補償される。電圧パルス中に、加熱要素に生じる電圧及び／又は加熱要素を流れる電流が特定間隔で計測され、その計測値、或いはそれから決定された値が加算されて合計値を計算する。この値は、電圧パルスによって加熱要素に供給されるエネルギーと共に大きくなり、電圧パルスは、遅くともこの合計値が目標値に達すると終わる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車における加熱要素のパルス幅変調による作動方法とそれを実行するグロープラグ制御器とに関し、この方法では、所望の加熱出力を達成するようにデューティサイクルを適用することによって供給電圧の変動が補償される。

そのような方法は、ドイツ公報DE 10 2006 010 081 A1に記載されている。この既知の方法では、電圧パルスに関する期間中にグロープラグに供給されるエネルギーが、グロープラグの所望目標温度の関数としてもたらされ、そして、電流期間に対する電流供給電圧を考慮しつつ対応するパルス継続期間が特定される。それから、電流と電圧を計測することで、電圧パルス中に導入される実際の加熱エネルギーが決定され、エネルギー不足やエネルギー余りがこれに引き続く期間の一つの期間中に対して補償される。既知の方法が、グロープラグの温度を、最善の点火状況にさせる作動温度に規制するために使用され得る。所望の作動温度を維持するのに要求されるエネルギーを、時間平均におけるパルス幅変調を使ってグロープラグに供給することによって、悪い点火状況に陥る温度低下と、グロープラグの時期尚早の故障に陥る過熱にも対抗できる。

本発明の目的は、ディーゼルエンジンの点火状況を最善にすることと、グロープラグの寿命を最大限にすることとを組み合わせるべく、如何にしてグロープラグの制御がより改善されるかに関する方法を提供することである。

この目的は請求項１の特徴部を有する方法によって達成される。本発明の有利な工夫は従属請求項の主題である。
本発明に係る方法では、加熱要素が過熱状態になる電圧パルス中の供給電圧の上昇を防止する。本発明によれば、電圧パルス中に供給されるエネルギーは概ね決定されて監視される。その結果、もし供給電圧の上昇が生じるならば、電圧パルスが短くなり得る。自動車電気システム電圧の変動の加熱要素温度への影響は、有利なことに、こうして低減できる。有利なことに、こうして本発明による方法は、ディーゼルエンジンの点火状況を損なうことなくグロープラグの寿命を増大させることができる。

本発明に係る方法において、電圧パルスによって加熱要素に供給されるエネルギーの結果として上昇する合計値が、電圧パルスの間に決定される。合計値は、電圧パルスによって加熱要素に供給されるエネルギーの大凡の結果を与える。合計値を決定するために、加熱要素に生じる電圧及び／又は該加熱要素を流れる電流が連続して計測され、この測定値又はこれらから決定される値が加算される。電圧パルスは、遅くとも、合計値が、所望の加熱出力の量の関数として制御器によって特定され得る目標値に到達した時に終わる。

電圧パルス中に供給されるエネルギーは、加熱要素に生じる電圧と該加熱要素を流れる電流との積の、パルス継続期間に亘る積分によって規定される。それ故に、パルス中に導入されるエネルギーＥに対してはＥ＝∫Ｕ・Ｉｄｔが適用され、ここで、Ｕは加熱要素に生じる電圧であり、Ｉは該加熱要素を流れる電流である。電圧パルスの始まりと電圧パルスの終わりとが、この積分の積分範囲端として選択される。

この積分、従って供給されるエネルギーは、合計値によって概算でき、ここで電流と電圧の積が一連の時間点に対して計算され、そして加算される。電圧パルス中において加熱要素の電気抵抗が概ね一定であると仮定することによって、加熱要素に生じている電圧の一連の計測値か、或いは該加熱要素を流れる電流の一連の計測値に基づいて、そのような一連の計測値の２乗が加算されて、電圧パルス中に加熱要素に供給されるエネルギーも大凡決定できる。幾分精度が低いが、それでも実用目的では、電圧パルス中に加熱要素に供給されるエネルギーに対して未だ十分な近似であり、これが加熱要素に生じている電圧の一連の計測値を決定して個々の電圧値を加算するか、或いは加熱要素を流れる一連の電流を決定して個々の電流値を加算することになっている。

本発明に係る方法において、好ましくは、電圧パルスは、合計値が目標値に達するまで終わらない。こうして、加熱要素に供給されるエネルギーが概ね目標値に対応した時に、電圧パルスを精度良く終了させることができる。

一般に、作動温度が幾分低過ぎるよりもグロープラグの過熱の方が相当害になるので、本発明に係る方法は、次の場合に有利にも使用され得る。即ち、制御器は、合計値に対する目標値と、個々のパルスに対する最大パルス継続期間との両方を特定し、そして、合計値が目標値に達するか、或いは、最大パルス継続期間が終わるかの何れかで直ぐにパルスが終了になる。この方法において、加熱要素への所望のエネルギー量よりも少なく電圧パルスが与えられてもよいことが受け入れられる。如何なる可能な欠損も引き続く電圧パルスによって補償され得て、その結果、加熱要素の起こり得る冷却は一般に短命である。

本発明に係る方法において、好ましくは計測が実行され、これは、加熱要素に生じる電圧及び／又は加熱要素に流れる電流が、パルス中、１ミリ秒当たり少なくとも２回、好ましくは１ミリ秒当たり少なくとも４回計測されることを意味する。電圧パルス中、好ましくは少なくとも１０回の計測が実行され、少なくとも２０回が特に好ましく、少なくとも５０回が最も好ましい。これは、合計値が、好ましくは、少なくとも１０回加算されて得られ、特に好ましくは、少なくとも２０回の加数（summand）であり、そして最も好ましいのは少なくとも５０回の加数であることを意味する。

加熱要素に生じている電圧を連続して計測することによって一連の電圧値が発生し得る。加熱要素に流れている電流を連続して計測することによって一連の電流値が発生し得る。電圧値は電流値と同じ時刻点で発生し得る。然しながら、これは必ずしも必要ではない。合計値を計算するために、計測時刻の最も近い電圧値と電流値の積が形成され得る。
本発明は更にグロープラグ制御器に関し、これは本発明に係る方法を実行するよう設けられている。
本発明の更なる詳細と利点は添付図面を参照した実施形態例に基づいて説明する。

制御器と、スイッチを介して自動車の自動車電気システムに接続されたグロープラグとの概略図である。 自動車電気システム電圧の曲線の例示グラフである。 図２に図示された電圧曲線に対する電流強さを計測した値の例示グラフである。 図３に図示された電流値から計算される合計値の変化のグラフ図である。

図１はグロープラグの加熱抵抗Ｒの概略図であり、これはスイッチ５を介して自動車の自動車電気システムに接続されている。このスイッチ５はグロープラグ制御器１によって駆動され、この制御器１は、例えば、マイクロコントローラやマイクロプロセッサとして構成できる。スイッチ５は半導体パワースイッチであり、好ましくはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体の電界効果形トランジスタ）のような電界効果トランジスタである。スイッチ５は制御線２を介してグロープラグ制御器１に接続されている。グロープラグ制御器１は加熱要素Ｒを流れる電流を計測する。対応する電流信号は信号線３を介してグロープラグ制御器１に利用される。グロープラグ制御器１は加熱要素Ｒに発生する電圧も計測する。対応する電圧信号は信号線４を介してグロープラグ制御器１に利用される。グロープラグの加熱要素Ｒとグロープラグ制御器１との両方は適当な線によって接地されている。

自動車の自動車電気システム電圧、だから、加熱要素の供給電圧は、例によって相当な変動にさらされる。図２は、時間ｔに対する、自動車電気システム電圧Ｕの曲線例の略示図である。もし、時刻ｔ１点においてスイッチ５が閉じられれば、加熱要素Ｒを通って電流が流れ始める。グロープラグ制御器１は加熱要素Ｒを通って流れる電流Ｉの強さを連続して計測し、これによって電流Ｉの一連の計測値Ｉ（ｔ_１），Ｉ（ｔ_２）からＩ（ｔ_ｎ）を発生させる。

図３は、図２に図示されている自動車電気システム電圧曲線に対するそのような一連の電流値Ｉ（ｔ_１），Ｉ（ｔ_２）からＩ（ｔ_ｎ）の例の略示図である。図３に図示されるように、電流値は、好ましくは等間隔、即ち、一定時間間隔Δｔで計測される。この測定値は、更なる評価の前に、フィルターにかけられるか静的に処理され得る。

電圧パルスの間に、グロープラグ制御器１は加熱要素に発生する電圧も計測し、こうして一連の電圧値Ｕ（ｔ_１），Ｕ（ｔ_２）からＵ（ｔ_ｎ）を発生させる。この計測された電圧値の曲線は、電流と電圧はオームの法則によって関係付けられているので、原理的には図３に図示する電流値の曲線と一致する。

連続的に計測された電圧値と電流値からグロープラグ制御器１は合計値を決定し、この値は、電圧パルスによって加熱要素Ｒに供給されたエネルギーを概ね示す。時間ｔ_１からｔ_ｎまでにおける各点において計測された一連の電流値Ｉ（ｔ_１），Ｉ（ｔ_２）からＩ（ｔ_ｎ）と、対応する一連の電圧値Ｕ（ｔ_１），Ｕ（ｔ_２）からＵ（ｔ_ｎ）とから、例えば、合計値Ｓは次のように計算され得る。

ここで、ｎは整数であり、計測される一連の電流値と電圧値の数を示し、Δｔは連続して繋がった時間点間の時間間隔である。何故ならば、Δｔは制御器にとって既知の一定値であるため、合計値の計算においては無視され得て、その代わりに目標値を設ける際に考慮される。

代わりとして、時間ｔ_ｎ点まで供給されるエネルギーを概ね示す合計値は、例えば、次式に比例して計算され得る。

図４は、図２と図３の電流値と電圧値の積Ｕ（ｔ_ｉ）・Ｉ（ｔ_ｉ）の足し算によって得られる合計値Ｓの曲線を示す。この合計値Ｓが目標値Ｓ_Ｓｏｌｌに到達するや否や電流パルスが終わる。この目標値Ｓ_Ｓｏｌｌは、所望の加熱出力の変数の関数としてグロープラグ制御器１によって特定される。グロープラグ制御器１はメモリを具備しており、この中に、説明した方法を作動中実行するプログラムが記憶されている。

図１に図示された実施形態例において、電圧パルス中の時間平均における加熱要素Ｒに現れている供給電圧は、電圧パルス開始前の時刻ｔ_０における供給電圧よりも高い。それ故に、もし時刻ｔ_０の時点で利用可能な自動車電気システム電圧を基に、目標値に対応するエネルギー量が加熱要素へ供給されるパルス継続期間が計算され得るとしたら、得られるパルス継続期間は長過ぎるであろう。図２から図３において、時刻ｔ_０の時点で利用可能な自動車電気システム電圧を基に計算されたパルス継続期間は時刻ｔ_ｅの時点によって示されている。時刻ｔ_ｅの時点は、合計値が特定した目標値に既に到達して電圧パルスが終了している時刻ｔ_ｎの時点よりも相当に遅れている。それ故に電圧パルス期間は、電圧パルスが始まる前の時刻ｔ_０の時点で利用可能な自動車電気システム電圧を基に予測したよりも時間間隔ｔ_ｄだけ短い。

こうして、以上述べた方法は、パルスが始まる前でも、電圧パルスの予測パルス継続期間を計算するのに使用され得る。電圧と電流の各計測過程後に、合計値が新しく更新される。この合計値に基づいて、目標値に対する残差が決定され、これにより予測パルス継続期間が訂正され得る。

図示の実施形態例において、電流値と電圧値とは１２５マイクロ秒間隔で計測されている。パルス幅変調の期間は、これはスイッチＳが２度駆動される時間間隔の継続期間であり、例えば、１５ミリ秒から３０ミリ秒である。

１ グロープラグ制御器
２ 制御線
３ 信号線
４ 信号線
５ スイッチ
Ｉ 電流
Ｕ 電圧
Ｓ 合計値
Ｒ 加熱要素
ｔ 時間

Claims (13)

1. 所望の加熱出力を得るようにデューティサイクルを適用することで供給電圧の変動が補償されるパルス幅変調によって自動車における加熱要素を作動させる方法であって、
   電圧パルスの間、加熱要素に生じる電圧と該加熱要素を流れる電流とが特定の間隔で計測され、計測された値又は計測された値から決定された値が加算されて合計値を算定し、この合計値は前記電圧パルスによって加熱要素に供給されるエネルギーと共に上昇するものであり、前記電圧パルスは最も遅くても前記合計値が目標値に到達した時に終わる
   ことを特徴とする方法。
2. 前記加熱要素に生じる電圧を計測して該計測電圧値を加算することで前記合計値が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記加熱要素に生じる電圧を計測して該計測電圧値の２乗を加算することで前記合計値が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記加熱要素に流れる電流を計測して該計測電流値を加算することで前記合計値が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記加熱要素に流れる電流を計測して該計測電流値の２乗を加算することで前記合計値が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記加熱要素に生じる電圧と該加熱要素を流れる電流との両方が特定の間隔で計測され、前記合計値は、各計測された電圧値に計測された電流値を掛け合わせ、これらの掛け算によって得られた積を加算することによる電流と電圧の積の時間積分として計算されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記加熱要素がグロープラグであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１記載の方法。
8. 前記加熱要素に生じる電圧及び／又は該加熱要素に流れる電流が、パルス中に少なくとも１０回、好ましくは少なくとも２０回、特に好ましくは少なくとも５０回計測されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１記載の方法。
9. 前記加熱要素に生じる電圧及び／又は該加熱要素に流れる電流が、１ミリ秒当たり少なくとも２回、好ましくは少なくとも４回計測されることを特徴とする請求項１〜８の何れか１記載の方法。
10. 各パルスに対して最大パルス継続期間が特定されており、前記合計値が前記目標値に到達するか、或いは前記最大パルス継続期間に達するかの何れか一方でパルスが終わることを特徴とする請求項１〜９の何れか１記載の方法。
11. 前記合計値が前記目標値に到達した時にだけ電圧パルスが終わることを特徴とする請求項１〜９の何れか１記載の方法。
12. 前記目標値が、所望の加熱出力の変数の関数として制御器によって決定されることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１記載の方法。
13. スイッチを駆動するための制御出力部と、
    グロープラグ（Ｒ）に生じている電圧（Ｕ）か、又はグロープラグ（Ｒ）を流れる電流（Ｉ）の計測用の少なくとも一つの信号入力部と
    を具備するグロープラグ制御器であって、
    作動中に、グロープラグ制御器（１）は請求項１〜１２の何れか１記載の方法を実行することを特徴とするグロープラグ制御器。

Images