JP2011099443A - グロープラグの温度を調整または制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】グロープラグの加熱期間中に該グロープラグの温度を調整または制御するための方法であって、グロープラグにおける温度分布が非定常である間であっても該グロープラグの温度を調整ないしは制御することができる方法を提供すること。
【解決手段】グロープラグにおける温度プロフィールが非定常状態である間に温度値を求めるための抵抗を、物理モデルによって計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、グロープラグの加熱期間中に該グロープラグの温度を調整または制御する方法であって、該グロープラグの温度値は該グロープラグの抵抗に依存して決定される方法に関する。

内燃機関において燃料空気混合気を点火するために使用されるグロープラグは、低温状態で予熱され、その後に、該グロープラグの温度が燃料空気混合気の点火に十分な温度になるようにされる。こうするためにグロープラグはヒータを有し、このヒータは低温のグロープラグに１〜２秒の短時間で、過上昇した加熱電圧を印加し、該グロープラグにはこの時点で過剰に負荷がかけられる。このようないわゆるプッシュ期間の終了後、グロープラグの先端の温度は１０００℃を上回る温度に達するのに対し、該グロープラグの残りの部分の温度は未だ、この１０００℃の温度を大幅に下回る温度のままである。

グロープラグの通常の調整または制御は、グロープラグに設けられたグローワイヤの抵抗を測定することによって行われる。プッシュ期間の終了後、グロープラグの残りの部分ひいてはグローワイヤの残りの部分はグロープラグの先端の温度に未だ達していないので、該グローワイヤの抵抗を測定することによって通常の温度調整ないしは制御を行うことはできない。グロープラグにおけるプッシュ期間後に生じるこの非定常の温度プロフィールは、約３０秒続く。その後にグロープラグの温度が均衡化し、測定された抵抗によって通常の温度調整または温度制御を行うことができるようになる。

したがって本発明の課題は、グロープラグの加熱期間中に該グロープラグの温度を調整または制御するための方法であって、グロープラグにおける温度分布が非定常である間であっても該グロープラグの温度を調整ないしは制御することができる方法を提供することである。

本発明では上記課題は、グロープラグにおける温度プロフィールが非定常状態である間に温度値を求めるための抵抗を、物理モデルによって計算することによって解決される。本発明の利点は、グロー温度を高い品質でモデリングでき、それゆえ、グロー期間のどの時点でもグロー温度の調整または制御を、とりわけ内燃機関の始動時に直ちに行うことができることである。

内燃機関におけるグロープラグの構成の基本図である。 温度分布が非定常状態である間の温度の計算を概略的に示すフローチャートである。

有利には前記温度値は、測定された抵抗と計算された抵抗値とに依存して求められる。その際には、測定された抵抗は、加熱期間の時間中に計算される温度値を計算する際の高い信頼性の開始値となる。このことにより、加熱期間中に計算された抵抗値によって求められた温度値は、グロープラグのグロー温度を調整ないしは制御する際の高い信頼性のベースとなることが保証される。

１つの実施形態では、温度値は複数の時間インターバルで求められ、抵抗計算値は先行の時間インターバルに依存して変化する。このことは、所定の時間区分が経過した後にそのつど、調整または制御の基礎となる新たな温度値が計算されることを意味する。その際には、計算される抵抗値は有利には先行の時間インターバルにのみ依存し、先行して求められた温度には依存しない。このことは、加熱期間中にグロープラグに存在する温度プロフィールが非定常である場合に特に有利である。このような方法により、熱電対を測定プラグとして使用するアプリケーションを無くすことができ、材料コストを低減することができる。

１つの実施形態では、抵抗計算値は減少指数関数に依存して求められる。ここでは指数を、熱緩和時間と時定数とから形成する。熱緩和時間とは、グロープラグの温度がプッシュ期間後に安定化（einschwingen）するまでの時間を指す。すなわち、グロープラグの温度分布が定常状態になるまでの時間を指す。加熱期間中のグロープラグの温度のこのような非定常モデリングにより、たとえば内燃機関の負荷を異なって調整して、エンジンの作動点に依存したグロー温度の制御および調整を行うことができる。

有利には、前記減少指数関数の時定数を、実際に使用されるグロープラグに対応して１回求める。この時定数は製造ばらつきに起因してグロープラグに固有となるため、グロープラグを内燃機関に取り付けた後にすでに時定数を求め、後で使用するために制御装置に記憶する。

１つの実施形態では、最初に計算される抵抗値を開始値によって初期設定する。この開始値は前記指数関数と乗算される。

１つの実施形態では前記開始値は、グロープラグの均質な温度分布から１回求められる抵抗と、予熱期間の終了後に検出される抵抗との差から求められる。ここでは、プッシュ期間とも称される予熱期間が終了する時点が、加熱期間と称される温度均衡化期間の開始時点と等しいことを前提とする。したがって、加熱期間の終了後に期待される抵抗と、予熱期間の終了後に加熱期間の開始時点で発生する抵抗との差が計算される。ここでは加熱期間の終了後の抵抗の計算は、予熱期間後のグロープラグの温度に依存して行われる。この予熱期間後のグロープラグの温度は、該グロープラグに印加される車両電圧を考慮して、該グロープラグによって得られるエネルギーから計算される。

１つの実施形態では、この短時間の予熱期間中に低温のグロープラグに、該グロープラグに対して設定された動作電圧より高い加熱電圧を印加することにより、該グロープラグにおいて非定常の温度プロフィールを形成する。このようなプロセスにより、グロープラグの温度が、該グロープラグの非定常の温度プロフィールを形成する温度になり、このような温度で前記物理モデルは、該グロープラグにわたる温度分布が非定常から定常に変化する該グロープラグの加熱期間中の温度状態を求めるのを開始する。

有利には、先行の時間区分で計算された抵抗値が、次の時間区分における次の抵抗値を計算する開始点となる。このように連続的に、先行の抵抗計算値が後続の抵抗計算値の基礎となることにより、物理モデルはグロープラグの非定常温度プロフィールを、静止状態の空気でも、内燃機関の始動時やアイドリング時にも、また、車両が始動直後に加速するダイナミックなエンジン作動でも、非常に良好にシミュレートすることができる。このようにして、物理モデルによって計算された温度値をグロープラグ温度の調整ないしは制御に使用することができる。

１つの実施形態では、予熱期間の終了後の温度値を形成するためにグロープラグの抵抗を測定する。

１つの実施形態では、グロープラグに印加された電圧と該グロープラグを流れる電流とを測定し、この電圧および電流から、測定される抵抗を求める。これらのパラメータは制御装置によって測定することができるので、抵抗をグロープラグの実際の状態から簡単に計算することができる。しかし、温度分布が非定常であることにより、この測定抵抗は、加熱期間の終了後に期待すべき抵抗より小さくなってしまう。

有利には、グロープラグの温度分布が定常状態になる該グロープラグの加熱期間の終了後に、該グロープラグの温度に対応する抵抗測定値に依存して温度調整を行う。このことにより、内燃機関の始動後にはグロープラグの温度の制御調整をいつでも行うことができる。というのも、温度プロフィールが非定常状態である間は温度瞬時値を物理モデルによって求め、温度プロフィールが定常状態になった後はグロープラグの抵抗を測定し、この抵抗から温度瞬時値を求めて調整および／または制御に使用するからである。

本発明では、数多くの実施形態が可能である。これらの実施形態のうち１つを、図面に基づいて詳細に説明する。

周辺温度が４０℃未満である場合、低温の内燃機関、とりわけディーゼルエンジンでは、ディーゼルエンジンに導入された燃料空気混合気を点火するために始動補助が必要とされる。このような始動補助として、グロープラグとグロー時間制御装置とグローソフトウェアとから構成されるグローシステムが使用される。このグローソフトウェアはエンジン制御装置に格納されている。また、車両のエミッションを改善するためにもグローシステムを使用する。グローシステムの他の使用領域には、燃焼器排ガスシステム、ブロックヒータ、燃料（Flex Fuel）の予熱や冷水の予熱も含まれる。

図１にこのようなグローシステム１を示す。グロープラグ２はディーゼルエンジン４の燃焼室３内に突出している。グロープラグ２はグロー時間制御装置５に接続されており、かつ、車載電源電圧６に接続されている。この車載電源電圧６は、たとえば１１Ｖの公称電圧でグロープラグ２を駆動制御する。グロー時間制御装置５はエンジン制御装置７に接続されており、該エンジン制御装置７はディーゼルエンジン４にも接続されている。

燃料空気混合気を点火するためには、１〜２秒に及ぶプッシュ期間中にグロープラグ２を過電圧の印加によって予熱する。このことによってグロープラグ２に供給された電気エネルギーは、詳細に示していない加熱フィラメントにおいて熱に変換され、グロープラグの先端の温度が急峻に上昇する。加熱フィラメントの加熱電力はグロー時間電子制御装置５によって、実際のディーゼルエンジン４の要求に適合される。燃料空気混合気はグロープラグ２のこの高温の先端の近傍を通りすぎて加熱される。ディーゼルエンジン４の圧縮工程中の吸気加熱とも関連して、燃料空気混合気の温度は引火温度に達する。

グロープラグ２は種々のグロー期間を有する。すでに示したように、１〜２秒を要する予熱期間であるプッシュ期間では低温のグロープラグ２に、該グロープラグ２の公称電圧を上回るプッシュ電圧を供給する。この短い時間の間にグロープラグの先端はほぼ１０００℃まで加熱されるのに対し、該グロープラグ２の残りの部分は未だこの温度を下回っている。それゆえ、グロープラグ２における温度プロフィールは非定常状態になる。この予熱期間の次に、グロープラグ２を加熱する加熱期間が続く。この加熱期間では、グロープラグ２全体の温度分布が非定常状態から定常状態になるように均衡化する。このような加熱期間は、通常は約３０秒である。この時間中は、グロー機能のためのソフトウェアを含むエンジン制御装置７による制御および／または調整にグロープラグ２の温度を使用することができない。従来技術では、グロープラグ２の温度分布が定常状態になるまではグロー機能の制御を行うことができなかった。

図２は、加熱期間中の温度の計算を概略的に示すフローチャートである。この温度計算はソフトウェアとしてエンジン制御装置７に組み込まれており、グロープラグのグロー機能の温度調整で考慮される。

ブロック１００においてグロープラグ２のエネルギーを求める。このエネルギーを求めるためには、ディーゼルエンジン４を駆動する車両の車載電源電圧と電流とを測定する。この車載電源電圧に依存してプッシュ期間の時間を決定する。次にブロック１０１において、プッシュ期間中にグロープラグ２に供給されたプッシュ電圧の形態のエネルギーによってグロープラグ２の先端が達した温度Ｔ_Ｐｕｓｈを求める。

これらの前提条件から、ブロック１０２において抵抗差ΔＲ_{（ｔ＝０）}を計算する。

ΔＲ_{（ｔ＝０）}＝Ｒ_{（ｔ＝３０）}−Ｒ_{Ｐｕｓｈ（ｔ＝０）} （１）
択一的に、抵抗値を温度に直接換算することもできる。その際には、
ΔＴ_{（ｔ＝０）}＝Ｔ_{（ｔ＝３０）}−Ｔ_{Ｐｕｓｈ（ｔ＝０）}
が適用される。ただし、Ｔ_{（ｔ＝３０）}＝ｆ（Ｒ_{（ｔ＝３０）}）およびＴ_{Ｐｕｓｈ（ｔ＝０）}＝ｆ（Ｒ_{Ｐｕｓｈ（ｔ＝０）}）である。

ここでは抵抗値Ｒ_{（ｔ＝３０）}の測定は、グロープラグ２がディーゼルエンジン４に取り付けられた後に１回、温度分布が定常状態であることを前提にして行われ、さらに行われる計算のために記憶される。択一的に、プッシュ期間にグロープラグ２が達した温度Ｔ_Ｐｕｓｈの関数として抵抗値Ｒ_{（ｔ＝３０）}を扱う抵抗モデルから、該抵抗値Ｒ_{（ｔ＝３０）}を計算することもできる。ここではすでに説明したように、温度Ｔ_Ｐｕｓｈは、プッシュ期間中にグロープラグ２に供給されたエネルギーの関数である。

ブロック１０３において、熱緩和時間ｔを考慮して指数関数のアプローチにより、プッシュ期間の次に加熱期間中に進行する温度均衡化プロセスをモデリングする：
Ｔ_ｍｏｄ＝ｆ（Ｒ_ｍｅｓｓ）＋ΔＲ（ｔ_Ｋ） （２）
温度に換算する場合には、
Ｔ_ｍｏｄ＝Ｔ_ａｃｔ＋ΔＴ（ｔ_Ｋ） ただしＴ_ａｃｔ＝ｆ（Ｒ_ｍｅｓｓ）
ただし、ΔＲ（ｔ_Ｋ）＝ｆ（ｅｘｐ（−ｄｔ_Ｋ／τ）
ないしは ΔＴ（ｔ_Ｋ）＝ｆ（ｅｘｐ（−ｄｔ_Ｋ／τ）
ここでは、時点ｔ_０でグロープラグのグローワイヤに生じる抵抗Ｒ_ｍｅｓｓを求める。こうするためには、グロープラグ２のグローワイヤに印加された電圧と、該グロープラグを流れる電流とを測定し、これらから抵抗Ｒ_ｍｅｓｓを計算する。時点ｔ_０はプッシュ期間の終了時点であると同時に、温度均衡化プロセスすなわち加熱期間の開始時点でもある。

数式（１）から求められた抵抗差値ΔＲ_{（ｔ＝０）}ないしは温度差値ΔＴ_{（ｔ＝０）}と指数関数とを乗算することにより、初期設定を行う。

ΔＲ（ｔ_０＋１）＝ｅｘｐ（−ｄｔ／τ）・ΔＲ_{（ｔ＝０）} （３）
または ΔＴ（ｔ_０＋１）＝ｅｘｐ（−ｄｔ／τ）・ΔＴ_{（ｔ＝０）}
同式において時定数τは、各グロープラグ２ごとに使用前に１回求められる量であり、これはエンジン制御装置７に記憶される。パラメータ−ｄｔは、（抵抗値ΔＲ_{（ｔ０＋１）}が求められた時点であるｔ_（０）から開始する）熱緩和の時間区分を示す。これにより、関数（２）で使用される開始値ΔＲ（ｔ_０＋１）が得られ、第１のモデリング温度値Ｔ_ｍｏｄが求められる。このようにして求められたモデリング温度値は、グロープラグのグロー挙動を調整する際に温度瞬時値として処理される（ブロック１０４）。

加熱期間中に前記抵抗値ΔＲ（ｔ_ｋ）をｋ回計算する。このｋ回の計算は、全加熱期間にわたって分布するように行われ、たとえば１００ｍｓの間隔で行われ、この抵抗値ΔＲ（ｔ_ｋ）を行うためには常に、ブロック１０３において、最後に計算された抵抗値と前記指数関数とを乗算する。このことから、
ΔＲ（ｔ_Ｋ）＝ｅｘｐ（−ｄｔ_Ｋ／τ）＊ΔＲ（ｔ_Ｋ−１） （４）
となるか、または抵抗値を温度に換算する場合には、
ΔＴ（ｔ_Ｋ）＝ｅｘｐ（−ｄｔ_Ｋ／τ）＊ΔＴ（ｔ_Ｋ−１）
となる。

次にブロック１０４において、所定の時間区分ｔ_Ｋにわたる温度Ｔ_ｍｏｄを計算し、温度瞬時値として加熱期間中の調整に使用するために、各抵抗値ΔＲ（ｔ_Ｋ）ないしは各温度値ΔＴ（ｔ_Ｋ）を使用する。

このようにして記述されるモデルは、非定常状態の温度分布を、静止状態の空気でも、ディーゼルエンジンの始動時やアイドリング中でも非常に良好にシミュレートするので、加熱期間中にグロープラグ２のグロー温度の調整に有利に使用することができる。

１ グローシステム
２ グロープラグ
３ ディーゼルエンジン４の燃焼室
４ ディーゼルエンジン
５ グロー時間電子制御装置
６ 車載電源電圧

Claims (12)

1. グロープラグ（２）の加熱期間中に該グロープラグの温度を調整または制御する方法であって、
   前記グロープラグの温度値は該グロープラグ（２）の抵抗に依存して決定される方法において、
   前記グロープラグ（２）における温度プロフィールが非定常状態である間に前記温度値（Ｔ_ｍｏｄ）を求めるために、前記抵抗（ΔＲ（ｔ_Ｋ））を物理モデルによって計算することを特徴とする方法。
2. 前記温度値（Ｔ_ｍｏｄ）を、前記グロープラグ（２）の測定抵抗（Ｒ_ｍｅｓｓ）と計算抵抗値（ΔＲ（ｔ_Ｋ））とに依存して求める、請求項１記載の方法。
3. 前記温度値（Ｔ_ｍｏｄ）を複数の時間インターバル（ｋ）で求め、
   前記計算抵抗値（ΔＲ（ｔ_Ｋ））を、先行の時間インターバル（ｋ−１）に依存して変化する、請求項２記載の方法。
4. 前記計算抵抗値（ΔＲ（ｔ_Ｋ））を、指数が熱緩和時間（ｔ_Ｋ）と時定数（τ）とから形成される減少指数関数に依存して求める、請求項３記載の方法。
5. 前記時定数（τ）を、実際に使用される前記グロープラグ（２）ごとに１回求める、請求項４記載の方法。
6. 最初の前記計算抵抗値（ΔＲ（ｔ_０＋１））を開始値（ΔＲ（Ｔ_ｔ＝０））によって初期設定する、請求項３および４記載の方法。
7. 前記グロープラグの均質な温度分布から１回求められた抵抗（Ｒ_ｔ＝３０）と、予熱期間の終了後に検出された抵抗（Ｒ_{Ｐｕｓｈ（ｔ＝０）}）との差から、前記開始値（ΔＲ（ｔ_Ｔ＝０）を求める、請求項６記載の方法。
8. 短時間の前記予熱期間中に低温の前記グロープラグ（２）に、該グロープラグ（２）に対して設定された動作電圧より高い加熱電圧を印加することにより、該グロープラグ（２）において非定常の温度プロフィールを形成する、請求項７記載の方法。
9. 先行の時間区分（ｋ−１）で計算された前記抵抗値（ΔＲ（ｔ_Ｋ−１））が、次の時間区分（ｋ）において次の抵抗値（ΔＲ（ｔ_Ｋ））を計算する際の開始点を成す、請求項６記載の方法。
10. 前記予熱期間の終了後の温度値（Ｔ_ｍｏｄ）を形成するために前記グロープラグ（２）の抵抗（Ｒ_ｍｅｓｓ）を測定する、請求項２記載の方法。
11. 前記グロープラグ（２）に印加された電圧と該グロープラグ（２）を流れる電流とを測定して求められた電圧および電流とから、前記測定抵抗（Ｒ_ｍｅｓｓ）を求める、請求項２または１０記載の方法。
12. 前記グロープラグ（２）の加熱期間が終了した後に該グロープラグ（２）の温度分布が定常状態になると、該グロープラグ（２）の温度に対応する抵抗測定値に依存して温度調整を行う、請求項１記載の方法。

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