JP2011106454A - 内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための方法および装置であって、ヒータの外側の位置におけるグロープラグの温度と、グロープラグのヒータにおける温度と間の温度差の算定を可能にする方法および装置を提供することである。
【解決手段】この課題は本発明によれば、温度差を時間関数に依存して算定し、該時間関数によって影響を及ぼされた温度差と、測定値を表す温度値とからグロープラグの温度を算出することによって解決される。本発明の利点は、温度差を内燃機関の動的動作中に算定すること、すなわち内燃機関の動作様態が変動する状況下で算定することにある。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための方法であって、内燃機関の少なくとも１つの動作パラメータおよび／またはグロープラグの少なくとも１つの動作パラメータに依存して、グロープラグ内部にあるグロープラグヒータの温度と、グロープラグの任意の位置における温度との間の温度差を算出する形式の方法、ならびに、この方法を実施するための装置に関する。

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、冷温のグロープラグを、燃料空気混合気の点火のために充分高い温度まで予熱するヒータを有する。しかしながら、ヒータからグロープラグ全体に亘る温度の分布は非常に不均一であり、グロープラグ内部に位置するヒータの温度と、グロープラグの表面における温度との間には温度差が生じる。

グロープラグは内燃機関の燃焼室に突入しているので、グロープラグの表面は、内燃機関の動的動作の際に燃料空気混合気としてグロープラグの傍らを通流する空気流によって常に冷却され、グロープラグの表面がグロープラグ内部のヒータの温度と同じになることは決してない。

ＥＰ１７１９９０９Ｂ１からは、内燃機関の燃焼室に配置されたグロープラグを動作するための方法が公知である。グロープラグの冷却特性は、内燃機関の温度とグロープラグの温度に依存して計算される。グロープラグの温度はグロープラグによって消費される電力から計算され、その一方、燃焼室における内燃機関の温度は、空気温度、冷却水温度、内燃機関の回転数および負荷に依存して算定される。

グロープラグの温度を制御すべき場合には、この温度制御は、グロープラグ内部にある導電ワイヤの抵抗に依存して実施され、この抵抗から温度の制御実際値が算出される。この際抵抗は、導電ワイヤの温度が高くなればなるほど大きい。グロープラグ温度の制御の性能は、温度差が生じるせいで充分ではなくなる。なぜならこのグロープラグの温度の制御は、グロープラグの表面に実際に生じる温度には基づいていないからである。

ＥＰ１７１９９０９Ｂ１

本発明の課題は、内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための方法および装置であって、ヒータの外側の位置におけるグロープラグの温度と、グロープラグのヒータにおける温度と間の温度差の算定を可能にする方法および装置を提供することである。

この課題は本発明によれば、温度差を時間関数に依存して算定し、該時間関数によって影響を及ぼされた温度差と、測定値を表す温度値とからグロープラグの温度を算出することによって解決される。本発明の利点は、温度差を内燃機関の動的動作中に算定すること、すなわち内燃機関の動作様態が変動する状況下で算定することにある。

この際、内燃機関の動作状態に応じて異なる速度および量でグロープラグの傍らを通流する燃料空気混合気が、グロープラグの表面における温度に影響を与えるということが考慮される。

したがって非定常的な状態におけるグロープラグの温度を精確に算定することが可能となる。グロープラグの任意の位置における温度を測定するための付加的な熱電素子を使用することなく適用することが可能である。

有利には、時間関数は、グロープラグに対して一回だけ算出されかつ保存されている時定数によって決定される。したがって、温度差を算定するためにわずかな値しか必要ない。時定数は、内燃機関のシリンダにおけるグロープラグの耐熱性を示しており、全ての計算ステップにおいて同じである。

別の１つの実施形態においては、時定数は、動的な走行様態における内燃機関の回転数または負荷に基づいて、または、グロープラグに印加される電圧ないしグロープラグの出力に依存して補正される。

さらに時間関数は、現時点で算出される温度差が先行する温度差によってどのくらい強く影響されるかを示す尺度である。

１つの実施形態においては、先行する温度差による現時点で算出される温度差への影響は、指数関数または冪級数によって記述される。指数関数は、現時点で算出される温度差が先行する温度差によってどのくらい強く影響されるかを、特に精確に示している。

１つの発展形態においては、定常的な機関動作における定常的な温度差を算出するために、内燃機関の動作パラメータおよび／またはグロープラグの特性が測定され、そしてこれらの値から定常的な温度差が計算される。内燃機関の動作パラメータないしグロープラグの特性を考慮することによって、温度差を非常に精確に算定することが可能となる。なぜなら内燃機関の動作パラメータないしグロープラグの特性は、内燃機関およびグロープラグの実際の状態を表しているからであり、したがってグロープラグの温度差の計算に使用される。

有利には、内燃機関における機関動作が定常的である場合に内燃機関の回転数と噴射量とが測定され、この回転数と噴射量から第１の定常的な温度差が計算される。これらの動作パラメータは内燃機関の他の状況を評価するためにも検出されるものなので、測定データを得るために付加的なハードウェアコストは必要ない。

択一的に、内燃機関における空気が静止している場合には、グロープラグによって消費される、所定の予め決められた温度に達するために必要な電力が測定され、ここから第２の定常的な温度差が算出される。この手法の利点は、グロープラグのグロー温度の監視を行う制御装置が、他の補助手段なしに自力でこの第２の温度差を算出できることにある。この場合、グロープラグのこの特別なグローパラメータは常に維持される。

別の１つの実施形態においては、内燃機関において、空気質量および／または空気質量の充填圧力および空気質量の温度が測定され、ここから第３の温度差が計算される。この場合においても、第３の温度差を計算するために必要な動作パラメータは、内燃機関における他の用途のために既に求められているので、付加的なセンサないし測定技術の用意を回避することができる。

１つの発展形態においては、時間関数に依存した温度差がグロープラグの温度の制御部に供給される。この制御部において、グロープラグの導電ワイヤの抵抗に依存している測定値を表すグロープラグの温度値が算定され、この測定値を表すグロープラグの温度値に、前記時間関数に依存した温度差が加算されて、ここから制御実際値が形成される。温度差を算定するために時間関数を使用することによって、制御時に熱がグロープラグ内部のフィラメントからグロープラグの外側まで流れるのにある程度の時間を要することが考慮される。この時間ズレは閉ループ制御時に考慮され、これにより制御性能が向上する。

別の１つの発展形態は、内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための装置であって、内燃機関の少なくとも１つの動作パラメータに依存して、グロープラグ内部のグロープラグヒータの温度と、グロープラグの任意の位置における温度との間の温度差を算出する形式の装置に関する。ヒータの外側の任意の位置におけるグロープラグの温度と、グロープラグのヒータにおける温度との間の温度差を算定できるようにするために、温度差を時間関数に依存して算定する手段、および、該温度差と測定値を表す温度値とからグロープラグの温度を算出する手段が設けられている。このことによる利点は、温度差が内燃機関の動的動作において算定されること、すなわち内燃機関の動作様態の変動する状況下において、ならびにグロープラグの変動する特性下において算定されることにある。この際とりわけ、燃焼室においてグロープラグの傍らを通流する燃料空気混合気がグロープラグの表面を常に冷却するということが考慮される。

１つの実施形態においては、内燃機関の燃焼室に突入するグロープラグが制御装置に接続されており、該制御装置は、内燃機関の動作パラメータに依存して、時間関数に依存した温度差を算定する。この際種々異なる制御装置を使用することができる。グロープラグの温度を制御するためにグロー時間制御装置が設けられている。グロー時間制御装置は内燃機関の機関制御装置と協働し、機関制御装置は温度差を算定するために、測定された動作パラメータをグロー時間制御装置に供給する。グロー時間制御装置において、グロープラグ温度の閉ループ制御において前記算定された温度差が考慮され、ここでこの算定された温度差は、グロープラグの導電ワイヤの温度依存性抵抗に依存して算定された温度に加算される。このようにして算出された、ヒータとグロープラグの表面における一点との温度差は、グロープラグの温度を閉ループ制御ないし開ループ制御するために評価することができる。

本発明によれば、種々多数の実施形態が可能である。そのうちの１つを、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、内燃機関におけるグロープラグの配置を示す概略原理図である。 図２は、ヒータの温度とグロープラグの任意の点における温度との間の温度差を計算するための概略的なフローチャートである。

冷温の内燃機関、とりわけディーゼル機関は、周囲温度が４０℃よりも低い場合には、ディーゼル機関に導入される燃料空気混合気を点火するために始動補助を必要とする。始動補助としてグローシステムが使用される。グローシステムは、グロープラグ、グロー時間制御装置、および、機関制御装置に格納されたグローソフトウェアからなる。

図１は、このようなグローシステム１を図示している。グロープラグ２は、ディーゼル機関４の燃焼室３の中に突入している。グロープラグ２は一方ではグロー時間制御装置５に接続されており、他方では車載電源網電圧６に接続されている。車載電源網電圧６はグロープラグ２を例えば１１Ｖの定格電圧で駆動制御する。グロー時間制御装置５は機関制御装置７に接続されており、機関制御装置７はディーゼル機関４に接続されている。

燃料空気混合気の点火のために、グロープラグ２は、１〜２秒間継続するプッシュフェーズにおいて過電圧を印加することによって予熱される。このようにしてグロープラグ２に供給される電気エネルギは、詳細に図示しない加熱コイルにおいて熱に変換され、これによってグロープラグ２の尖端の温度は急峻に上昇する。加熱コイルの加熱出力は、電子的なグロー時間制御装置５によってそれぞれのディーゼル機関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の高温の尖端部の傍らを通過し、その際に加熱される。ディーゼル機関４の圧縮行程中における吸入空気の加熱と連携して、燃料空気混合気の着火温度が達成される。

ヒータ温度とグロープラグ２の表面における任意の位置における温度との差から形成される、グロープラグ２の温度差ΔＴの算定を、図２を用いて詳細に説明する。図２のブロック１０１において、ディーゼル機関４の動作パラメータが測定される。動作パラメータには、ディーゼル機関４の回転数ｎ、噴射量ｑ、燃焼室３に流入する空気流の空気質量ｍ_Ａｉｒ、流入空気の充填圧力ｐ、ならびに流入空気の温度Ｔ_Ａｉｒが含まれる。

続いてブロック１０２において、温度差ΔＴをシミュレーションするための静的モデルが作成される。
この場合における静的とは、ディーゼル機関４が定常的に動作している場合にはこの温度差が生じるだろうということを意味している。

この際、３つのモデルが区別される。

第１の静的モデルにおいては、温度差ΔＴが、燃料の噴射量ｑとディーゼル機関４の回転数ｎの関数として算定される。このために、燃料量ｑ、回転数ｎ、および変動する温度差ΔＴに関する特性マップが、測定プラグによって一回だけ測定される。機関制御装置７に保存されたこの特性マップから、ブロック１０１において測定されたパラメータである回転数ｎおよび噴射量ｑに基づいて、温度差ΔＴが算出される。

温度差ΔＴを算出するための第２の静的モデルは、所期の温度Ｔ_Ｄｅｓに達するためにグロープラグ２によって消費される出力Ｐに依存して算定される：
ΔＴ＝ａ（Ｔ_Ｄｅｓ）＊ｅｘｐ（−ｂ（Ｔ_Ｄｅｓ）＊（Ｔ_Ｄｅｓ／Ｐ）） （式１）

温度対出力の比の値ＴＰ
ＴＰ＝Ｔ_Ｄｅｓ／Ｐ （式２）
は、グロープラグ２の効率に対する尺度、ないし、グロープラグ２の冷却に対する尺度である。所期の温度Ｔ_Ｄｅｓに達するためにグロープラグ２に供給される出力Ｐが大きければ大きいほど、グロープラグ２はより強力に冷却される。

温度差ΔＴを算定するための第３のモデルは、空気質量ｍ_Ａｉｒおよび空気温度Ｔ_Ａｉｒに対する温度差の依存性、ないしは、空気の充填圧力ｐおよび空気温度Ｔ_Ａｉｒに対する温度差の依存性に基づく。燃焼室に供給される空気が多くなるほど充填圧力ｐが上昇するということを前提としている。温度差ΔＴは次のように計算される：
ΔＴ＝ａ＊ｍ_Ａｉｒ＋ｂ＋（ｃ＊Ｔ_Ａｉｒ＋ｄ） （式３）
ないし
ΔＴ＝ａ＊ｐ＋ｂ＋（ｃ＊Ｔ_Ａｉｒ＋ｄ） （式４）

ここでの係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは測定に基づくものであり、一回だけ決定される。

静的モデルの算定が終了した後で、ブロック１０３において、温度差ΔＴのための非定常モデルが以下のように作成される：
ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}＝ΔＴ_ｏｌｄ＊ｅｘｐ（−ｄｔ／τ）＋ΔＴ（１−ｅｘｐ（−ｄｔ／τ）） （式５）
なお、
ΔＴ ブロック１０２で算定された静的モデルの温度差
ΔＴ_ｏｌｄ 先行する測定サイクルにおいて算定された非定常的な温度差
ｄｔ 測定サイクルの時間間隔
τ グロープラグ２が配置されているディーゼル機関４のシリンダにおける該グロープラグ２の耐熱性が定める時定数。

方程式（５）の指数関数によって、現時点で算定すべき温度差ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}の値が、先行する測定サイクルで算定された非定常的な温度差ΔＴ_ｏｌｄの値によってどのくらい強く影響を受けるかが示される。

続いてブロック１０４において、非定常的な温度差ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}が、グロー時間制御装置３によって実行されるグロープラグ２の温度制御に使用される。この際にグロープラグの実際の温度Ｔが算定される。この実際の温度Ｔの算定は、まずグロープラグ２のフィラメントにおける電流および電圧を測定することにより該フィラメントの抵抗Ｒを算出し、算出した抵抗Ｒから温度Ｔ（Ｒ）を推測することによって行われる。択一的に、電力または出力および抵抗を測定することによって温度を算定することができる。この温度Ｔ（Ｒ）にブロック１０３で算定された温度差Δ_{ｉｎｓｔａｔ}が加算され、ここから実際の温度Ｔが形成される。

Ｔ＝Ｔ（Ｒ）＋ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ} （式６）
方程式（６）では、グロープラグ内部のフィラメントからグロープラグの表面まで熱が流れるためにある程度の時間が必要であるということが考慮される。このことは、閉ループ制御の際には時間ズレとして考慮しなければならない。このようにして算出された温度Ｔは、温度の目標値と比較される。この比較から生じた差に依存して、グロープラグを所期の温度に閉ループ制御するためにグロープラグへの電流供給が調整される。

Claims (11)

1. 内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための方法であって、
   内燃機関（４）の少なくとも１つの動作パラメータ（ｑ，ｎ，ｍ_Ａｉｒ，ｐ，Ｔ_Ａｉｒ）および／またはグロープラグ（２）の動作パラメータに依存して、グロープラグ（２）内部のグロープラグヒータの温度と、グロープラグ（２）の任意の位置における温度との温度差（ΔＴ）を算出する、
   形式の方法において、
   前記温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）を、時間関数に依存して算定し、
   該時間関数に依存した前記温度差（Δ_{ｉｎｓｔａｔ}）と、測定値を表す温度値（Ｔ（Ｒ））から、前記グロープラグ（２）の温度（Ｔ）を算出する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記時間関数を時定数（τ）によって決定し、
   該時定数（τ）を、グロープラグ（２）に対して一回だけ算出して保存する、
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記時間関数は、現時点で算出される温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）が、先行する温度差（Ｔ_ｏｌｄ）によってどのくらい強く影響を受けるかを示す尺度である、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記先行する温度差（Ｔ_ｏｌｄ）による、前記現時点で算出される温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）への影響は、指数関数または冪級数によって記述される、
   ことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記内燃機関（４）の前記動作パラメータ（ｑ，ｎ，ｍ_Ａｉｒ，ｐ，Ｔ_Ａｉｒ）および／または前記グロープラグ（２）の特性（ＴＰ）を、定常的な温度差（ΔＴ）を算出するために内燃機関（４）が定常状態にある場合に測定し、ここから定常的な温度差（ΔＴ）を計算し、
   該定常的な温度差（ΔＴ）を、前記時間関数に依存した温度差（ΔＴｉｎｓｔａｔ）を計算するために使用する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記内燃機関（４）の回転数（ｎ）および噴射量（ｑ）を測定し、ここから第１の定常的な温度差（ΔＴ）を計算する、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記グロープラグ（２）によって消費される、所定の温度（Ｔ_Ｄｅｓ）に到達するために必要な出力（Ｐ）を測定し、ここから第２の定常的な温度差（ΔＴ）を算出する、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 空気質量（ｍ_Ａｉｒ）および／または空気質量（ｍ_Ａｉｒ）の充填圧力（ｐ）および空気質量（ｍ_Ａｉｒ）の温度（Ｔ_Ａｉｒ）を測定し、ここから第３の定常的な温度（ΔＴ）を算出する、
   ことを特徴とする請求項５記載の方法。
9. 前記時間関数に依存した温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）をグロープラグ（２）の温度の制御部に供給し、
   該制御部において、グロープラグ（２）の導電ワイヤの抵抗（Ｒ）に依存して、測定値を表すグロープラグの温度値（Ｔ（Ｒ））を算定し、この測定値を表すグロープラグ（２）の温度値（Ｔ（Ｒ））に、前記時間関数に依存している温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）が加算して、ここから制御実際値を形成する、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の方法。
10. 内燃機関におけるグロープラグの温度を算定するための装置であって、
    内燃機関（４）の少なくとも１つの動作パラメータ（ｑ，ｎ，ｍ_Ａｉｒ，ｐ，Ｔ_Ａｉｒ）に依存して、グロープラグ（２）内部のグロープラグヒータの温度と、グロープラグ（２）の任意の位置における温度との温度差（ΔＴ）を算出する、
    形式の装置において、
    前記温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）を時間関数に依存して算定する手段（５，７）と、
    該時間関数に依存した前記温度差と、前記測定値を表す温度値（Ｔ（Ｒ））から、前記グロープラグ（２）の温度（Ｔ）を算出する手段（５，７）が設けられている、
    ことを特徴とする装置。
11. 前記内燃機関（４）の燃焼室に突出するグロープラグ（２）は制御装置（５，７）に接続されており、該制御装置は、前記内燃機関（４）の動作パラメータ（ｑ，ｎ，ｍ_Ａｉｒ，ｐ，Ｔ_Ａｉｒ）に依存して、前記時間関数に依存した温度差（ΔＴ_{ｉｎｓｔａｔ}）を算定する、
    ことを特徴とする請求項１０記載の装置。

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