JP2014506656A - グロープラグにおける温度を設定調整するための方法及び制御機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、グロープラグ（２）、とりわけ内燃機関の燃料空気混合気の着火のためのグロープラグ（２）の温度を設定調整するための方法であって、前記グロープラグ（２）の温度（Ｔｍ）が閉ループ制御部を用いてグロープラグ（２）の抵抗値（Ｒｍ）に依存して設定調整される方法に関している。ここでは、グロープラグの予熱フェーズ中の温度オーバーシュートの出現を阻止するために、過電圧がグロープラグ（２）に印加される予熱フェーズにおいて、前記温度（Ｔｍ）が予測モデル（８）を用いて閉ループ制御される。

Description

本発明は、グロープラグ、とりわけ内燃機関における燃料空気混合気の点火のためのグロープラグにおける温度を設定調整するための方法であって、前記グロープラグの温度が閉ループ制御部を用いて当該グロープラグの抵抗値に依存して設定調整される方法、並びに該方法を実施するための制御機器に関している。

内燃機関において、燃料空気混合気の点火のために用いられるグロープラグは、その温度が燃料空気混合気の点火に十分な位に高まる前の冷間時状態において予熱される。そのためグロープラグは加熱素子を有している。この加熱素子は冷えた状態のグロープラグに１乃至２秒の短期間だけ、過度に高い加熱電圧を印加する。そのためこの時点においてはグロープラグに過負荷がかかってしまう。このようないわゆるプッシュフェーズの終了後では、グロープラグの先端部は１０００℃を越える温度に達してしまうが、グロープラグの残りの部位は、１０００℃を大幅に下回る温度しか有していない。

このような過度に高い加熱電圧を用いたグロープラグの駆動により、グロープラグには温度行き過ぎ量が生じてしまう。予熱フェーズ中に達するグロープラグ温度は、定常的な温度経過が達成された場合には、グロープラグ温度を設定調整する閉ループ制御のための初期量となるが、但しこの閉ループ制御のための初期量は、立ち上がり過程の間に求められるので、後続の閉ループ制御においてエラーを誘起しかねない。

発明の開示
そのため本発明の課題は、グロープラグの温度を閉ループ制御するための方法において、グロープラグに過度に高い加熱電圧を印加するにもかかわらず、予熱フェーズ中に出現する温度行き過ぎ量を確実に防止することができるように改善を行うことである。

本発明によれば、前記課題は、グロープラグに過電圧が印加されるグロープラグ予熱フェーズ中の温度を閉ループ制御することによって解決される。この本発明の利点は、グロープラグのグロー過程全体に亘るグロー温度が高い品質で変調され、グローフェーズ中のあらゆる時点でグロー温度の閉ループ制御が行われる点にある。特に有利なのは、グロープラグの加熱素子が冷間状態のグロープラグに対して１乃至２秒の短時間だけ過度に高い加熱電圧を印加する、予熱フェーズ（プッシュフェーズ）中においてもそれが行われることである。このことは、短いキー始動のときも、長い始動フェーズのときも予熱フェーズの良好なコントロールを可能にする。

本発明によれば有利には、予熱フェーズ中のグロープラグの温度の閉ループ制御に対して、予熱フェーズ終了時に生じた測定抵抗値との抵抗値差分が、予熱フェーズ中の物理的モデルを用いて先見的に求められ、それによって（過電圧がグロープラグに印加される）予熱フェーズ中の温度が予測的モデルを用いて閉ループ制御される。これにより、グロープラグの予熱フェーズは堅固なものとなる。なぜなら温度行き過ぎ量が全く生じないか、極僅かしか生じないからであり、グロープラグの後続のグロー経過においても閉ループ制御に対して正確な初期値が提供されるからである。従ってこの閉ループ制御では既に予熱フェーズにおいて所望の温度目標値に対して的を絞られる。抵抗値差分の算出により、閉ループ制御に対する抵抗値の初期値が初期化され、グロープラグの最初の通電時点の考慮がなされる。さらに開発コストも低減される。なぜなら制御された予熱に対するアプリケーションが不要となり、入力パラメータは一度だけ確定され、グロープラグの寿命も維持できるからである。

有利には、グロープラグの測定抵抗値に抵抗値差分が加算され、測定された抵抗値と抵抗値差分とから形成された和が閉ループ制御部に供給される。それにより、測定された抵抗値が予測的に算出された値分だけ高められる。これは予熱フェーズ中に実際に生じるグロープラグ温度に相応するものである。

別の有利な実施形態によれば、前記抵抗値差分が、複数の特に加算された部分抵抗値差分からなり、ここでの各部分抵抗値差分は、グロープラグの少なくとも１つの作動パラメータに依存して算出される。それにより、グロープラグの状態が、グロープラグの最初の通電時のグロー過程開始時点で特徴付けられ、相応の特性マップの利用に基づいて最適化される。

別の変化例によれば、第１の部分抵抗値差分がグロープラグのグロー過程開始時点で有しているエネルギー成分に依存して算出される。それにより、グロー過程開始時点のグロープラグの初期特性が抵抗値差分の算出の際に考慮される。

とりわけグロープラグのエネルギー成分は、初期抵抗値、初期熱量、又は初期電力によって特徴付けられる。それにより冷間時のグロープラグの熱コストが最初の通電前に考慮され得る。例えば冷間時のグロープラグの場合の初期抵抗値は非常に小さいのに対して、既に一度加熱されたグロープラグの場合の初期抵抗値は比較的大きいので、抵抗値差分の算出の際には常に適正な初期量が用いられることが保証される。

他の実施形態によれば、第２の部分抵抗値差分がグロープラグ過程終了時に有すべきグロープラグの温度目標値に依存して算出される。温度目標値を含ませることによって、モデル化の際に、グロープラグの達成すべき最終状態が、予熱フェーズに続くグロープラグの加熱過程の終了時点で設定調整されるべき温度に相当する温度目標値の形態で考慮されることが保証される。

さらに、第３の部分抵抗値差分が、グロー過程開始時点にグロープラグが有しているグロープラグの初期温度に依存して算出される。グロープラグは、最初のスタート時には様々な温度のもとで異なる特性を有するものなので、前記のグロープラグの初期温度は、当該グロープラグの適正な特性をモデル化し得るために考慮される。

とりわけ前記初期温度は、グロー過程開始時点のグロープラグ周辺温度に相応している。ただしこのグロープラグの周辺温度は、簡単に求めることができる。なぜなら、グロープラグがその内燃機関に組み込まれている自動車が外気温表示部を有しているからである。そのためここでは周辺温度を検出するためのさらなるハードウエアを省くことができる。

有利には第４の部分抵抗値差分が、グロープラグのグロー過程開始直前のグロー過程に依存して算出される。それにより、とりわけグロープラグの加熱に続く内燃機関の点火（この点火は短時間の後再び遮断され、一瞬のうちに再び活性化され得る）が行われた場合にグロープラグが有する状態グロープラグの状態が考慮される。

別の有利な実施形態によれば、直前のグロー過程が、そのグロー持続時間若しくはグローエネルギーによって特徴付けられる。この場合グロープラグの初期抵抗値に依存して、第４の部分抵抗値差分と乗算する係数が求められ、抵抗値差分に加算される。グロープラグのスイッチオン持続時間に相当するグロー持続時間は、グロープラグ内にどの位のエネルギーがまだ蓄えられているかについての推論を可能にする。グロープラグの先行するグロー持続時間中に設定された初期抵抗値がどの位の大きさであるかに応じて、グロー過程の開始に先行するグロー持続時間に依存して求められた第４の部分抵抗値差分が、抵抗値差分に加算される。

さらに別の変化実施例では、グロープラグの定常的加熱モードにおいて各グロープラグ毎に個別に定められた特性マップから、測定された抵抗値と抵抗値差分との和に基づいて、温度目標値から減算される温度実際値が求められる。この場合そのように求められた温度差分が閉ループ制御部に供給され、そこから所望の温度目標値を設定調整するためのグロープラグ駆動制御電圧が求められる。抵抗値差分を、温度実際値の算出に結びつけることによって、急速な予熱フェーズに対してもグロープラグの温度の閉ループ制御が保証できることにつながる。

本発明のさらなる構成は、グロープラグ、とりわけ内燃機関における燃料空気混合気の点火のためのグロープラグの温度を設定調整する制御機器に関しており、ここでは閉ループ制御部によって温度がグロープラグの抵抗値に依存して設定される。予熱フェーズ中に出現する温度行き過ぎ量を防止するために、過電圧がグロープラグに印加される予熱フェーズ中の温度を閉ループ制御する手段が設けられる。

本発明では多くの実施形態が可能である。以下の明細書ではそれらの一部を詳細に説明する。

内燃機関におけるグロープラグの配置構成の基本原理図 急速な予熱フェーズにおけるグロープラグ温度のモデル化のための概略図 予測的温度モデル化あり/なしでの温度−時間ダイヤグラム

実施例
冷間時の内燃機関、とりわけディーゼル機関では、４０℃を下回る周辺温度のもとでは、当該ディーゼル機関内部に噴射された燃料空気混合気を着火するための始動支援が必要である。そのための始動支援としてグローシステムが用いられており、このシステムは、グロープラグ、グロー時間制御機器、及びグローソフトウエアからなっている。グローソフトウエアは、エンジン制御機器若しくはグロー時間制御機器にファイルされている。その他にもこのグローシステムは車両の排ガスの改善に用いることも可能である。またグローシステムのさらなる適用領域として、バーナー排気ガスシステム、補助ヒーター装置、フレックス燃料の予熱装置若しくは冷却水の予熱装置などが挙げられる。

図１には、そのようなグローシステム１が示されている。ここではグロープラグ２がディーゼル機関４の燃焼室３内へ突出している。このグロープラグ２の一方はグロー時間制御機器５と接続され、もう一方はバッテリー６と接続されている。このバッテリー６によりグロープラグ２は例えば１１ボルトの定格電圧で駆動制御される。グロー時間制御機器５は、エンジン制御機器７と接続されており、このエンジン制御機器７はディーゼル機関４に接続している。

燃料空気混合気の着火のために、グロープラグ２は、１乃至２秒間ほど継続されるプッシュフェーズとも称する予熱フェーズにおいて、過電圧の印加によって予熱される。このグロープラグ２に供給された電気エネルギーは、図中詳細には示されていない加熱コイルにおいて熱エネルギーに変換される。それにより、当該グロープラグ２の先端部における温度が急峻に上昇する。前記加熱コイルの加熱電力は、電子制御式グロー時間制御機器５を介してそのつどのディーゼル機関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の加熱された先端部付近を通過し、その際に加熱する。ディーゼル機関４の圧縮行程中の吸入空気の加熱に結び付いて、燃料空気混合気の着火温度が達成される。

グロープラグ２は、様々なグローフェーズを有している。既に前述したように１乃至２秒を要する予熱フェーズにおいて、冷間状態のグロープラグ２には、グロープラグ２の定格電圧を上回る過電圧が供給される。この短い期間の間に、グロープラグの先端部は約１０００℃まで加熱される。それに対してグロープラグ２の残りの部分は、まだこの温度を下回っており、それによって、グロープラグ２の内部では、非定常的な温度経過が形成される。この予熱フェーズには、グロープラグ２の加熱フェーズが続き、該加熱フェーズにおいては、非定常的な温度分布が、グロープラグ２の全体に亘って定常的な温度分布によって補われる。そのような加熱フェーズは、通常はほぼ３０秒間持続する。グロープラグ２の予熱フェーズの後の加熱フェーズにおいては抵抗値差分が動的に適合化される。その後グローフェーズが続き、このグローフェーズのもとではグロープラグ２の全体に亘って定常的な温度分布が保証される。

図２には、急速な予熱フェーズ期間中のグロープラグ２の温度モデル化のための概略的なダイヤグラムが示されている。このダイヤグラムはソフトウエアとして、エンジン制御機器７若しくはグロー時間制御機器５内に統合され、そこでは、グロープラグの温度閉ループ制御のもとで考慮される。グロー過程全体に亘るグロープラグ２の基本的な温度閉ループ制御のための制御入力量として、エンジン制御機器７から温度目標値Ｔ_DESが提供される。同時にグロープラグの抵抗値Ｒ_mが測定され、この抵抗値はグロープラグ２の現下の温度に対する値を表す。この測定された抵抗値Ｒ_mは、規則的な時間間隔で行われる各通電過程のもとで求められる。ブロック１７では、この測定された抵抗値Ｒ_mに抵抗値差分ΔＲが加算される。この抵抗値差分ΔＲは、予測モデル８を用いて算出される。この予測モデル８は、急速な予熱フェーズにおいてグロープラグ２の温度をモデル化している。予測モデル８の内部においてはまずグロープラグ２の初期抵抗値Ｒ₀₁が求められる。この初期抵抗値Ｒ₀₁は、グロープラグの定常的作動モード中に求められた特性マップ９に供給される。この特性マップ９からは、測定された初期抵抗値Ｒ₀₁に基づいて、第１の部分抵抗値差分ΔＲ１が求められる。

予測モデル８のさらなる入力量として、グロープラグ２の達成すべき最終温度を表す温度目標値Ｔ_DESが供給される。この温度目標値Ｔ_DESも入力量としてさらに別のさらなる特性マップ１０に供給される。このさらなる特性マップ１０からは第２の部分抵抗値差分ΔＲ２が求められる。そのように求められた部分抵抗値差分ΔＲ１とΔＲ２はブロック１４において加算される。

既に前述した初期抵抗値Ｒ₀₁と温度目標値Ｔ_DESの形態の入力量の他に、グロー過程の開始時点、すなわち時点ｔ＝０におけるグロープラグ２の作動温度Ｔ_cが求められる。この温度Ｔ_cからは第３の特性マップ１１を用いて第３の部分抵抗値差分ΔＲ３が求められる。ブロック１５では、第３の部分抵抗値差分ΔＲ３が第１及び第２の部分差分抵抗値ΔＲ１及びΔＲ２に加算される。これらの、初期抵抗値Ｒ₀₁、温度目標値Ｔ_DES、及び周辺温度Ｔ_cの形態の入力量は、時点ｔ＝０（グロープラグ２の作動時）にて算出され、エンジン制御機器７若しくはグロー時間制御機器５に記憶可能である。

グロープラグ２が、実施すべきグロー過程の直前で、既に一度グロー過程が実施されておりそこからグロープラグ２がまだ十分に冷却されていないようなことを考慮するために、現下のグロー過程の直前のグロープラグ２のグロー過程のグロー時間／グローエネルギーＥ（Ｅ＝Ｕ×Ｉ×ｔ）が考慮される。このグロー時間／グローエネルギーＥ（Ｅ＝Ｕ×Ｉ×ｔ）からは第４の特性マップ１２を用いて第４の部分抵抗値差分ΔＲ４が算出される。先行するグロー過程中にグロープラグ２内で形成された熱がまだ冷却されていない場合には、グロープラグ２の抵抗値は直前のグロー過程のグロー時間／グローエネルギーＥに基づいて変化するので、抵抗値Ｒ₀₁がさらなる特性マップ１３に供給され、この特性マップ１３は、結果として１つの係数Ｆを供給する。この係数Ｆは、ブロック２２において第４の部分抵抗値差分ΔＲ４と乗算される。ここでの係数Ｆは、一度測定された初期抵抗値Ｒ₀₁が、先行する抵抗値Ｒ₀₁の閾値（これは値１である）よりも大きくなるように選定される。前記初期抵抗値Ｒ₀₁が、抵抗値Ｒ₀₁の所定の閾値よりも小さいならば、係数Ｆは値０に近づく。このことは、グロープラグ２が先行のグロー過程に基づいてまだ相応に大きな抵抗値（これはグロープラグ２の温度の変化に付随して現れる）を有している場合に、グロー時間／グローエネルギーＥの入力量がそれに伴う初期抵抗値Ｒ₀₁の変化と共に、抵抗値差分ΔＲの算出のためにだけ用いられることに起因している。第４の部分抵抗値差分ΔＲ４は、ブロック１６において、前述した部分抵抗値差分ΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３に加算され、それによって抵抗値差分ΔＲが得られる。この抵抗値差分ΔＲは、グロープラグ２の予熱過程終了時に出現する所定の温度に相当する。

予測モデル８内で算出された抵抗値差分ΔＲは、ブロック１７において、測定された抵抗値Ｒ_mに加算される。この抵抗値差分ΔＲと測定された抵抗値Ｒ_mとの和は特性マップ１８に供給される。この特性マップ１８では抵抗が温度軸に亘ってプロットされている。この特性マップ１８は、定常的な温度分布のもとで各グロープラグ２毎に個別に求められた特性マップである。なぜならグロープラグは製造許容誤差に基づいて、独立した伝達関数を有するからである。この抵抗／温度特性マップ１８からはグロープラグ２の基準温度Ｔ_BASが求められる。この基準温度Ｔ_BASはブロック１９において熱伝達モデルを用いて補償される。この熱伝達モデルのもとでは、グロープラグ２の加熱素子内部とグロープラグ２の表面との間でどの程度の温度差が生じているかが考慮される。その際ブロック１９では基準温度Ｔ_BASに温度差分が供給され、それらの和からグロープラグ２の温度実際値Ｔ_ACTが得られる。この温度実際値Ｔ_ACTは、規則的な周期において用いられ、ブロック２０において、温度目標値Ｔ_DESから減算される。この温度目標値Ｔ_DESと温度実際値Ｔ_ACTとの間の差分が閉ループ制御器２１に供給され、該閉ループ制御器２１は、温度目標値Ｔ_DESの迅速な設定調整のためにグロープラグ２、特にグロープラグ２の加熱素子に供給される電圧Ｕ_GOVを算出する。

図３には２つの温度−時間ダイヤグラムが示されている。ここでは一度も予測モデル８を用いない場合の測定された温度Ｔｍ（図３ａ）と、一度は予測モデル８を用いた場合の測定された温度Ｔｍ（図３ｂ）とが示されている。図３ａからは、温度目標値Ｔ_DESに適合化させるべき測定された温度Ｔｍが、グロー過程の開始直後に、温度オーバーシュートを有している様子が見て取れる。この温度オーバーシュートは、約３０秒の時間の経過後にようやく温度目標値Ｔ_DESに近似している。それに対する比較のためにここでは、予測モデル８を用いずに図２に従って数学的にモデル化された温度Ｔｍｏも示されている。この温度Ｔｍｏでは、予熱フェーズの後、約５秒の経過後に、温度目標値Ｔ_DESのレベルに達し、その後はこの値に閉ループ制御されている。

それに対して、図３ｂでは、予測モデル８を用いて先見的に算出された抵抗値差分ΔＲを考慮した、測定された温度Ｔｍの経過が示されている。ここでの測定された温度Ｔｍは、何ら温度オーバーシュートの兆候は示さず、予熱フェーズ直後に、モデル化された温度Ｔｍに近似している。既に約４秒後には、当該の閉ループ制御を介して温度目標値Ｔ_DESに到達し、この値に閉ループ制御されている。

本発明の予測モデル８に基づけば、グロープラグ２の温度閉ループ制御が、抵抗値と温度との間で何も変動が生じない定常的な作動モード中のみならず、非定常的な作動モード、有利にはグロー過程開始のための急速な予熱フェーズにおいても、加熱フェーズにおいても実施可能になる。急速な予熱フェーズにおけるグロープラグ２の温度モデル化の際には、予熱過程終了時の抵抗値差分ΔＲがどの位の大きさであり得るかがモデル化され、その場合には当該抵抗値差分ΔＲが入力量として閉ループ制御過程に導入される。

Claims (13)

1. グロープラグ、とりわけ内燃機関の燃料空気混合気の着火のためのグロープラグの温度を設定調整するための方法であって、
   前記グロープラグ（２）の温度（Ｔｍ）を、閉ループ制御部を用いてグロープラグ（２）の抵抗値（Ｒｍ）に依存して設定調整する方法において、
   前記温度（Ｔｍ）を、グロープラグ（２）に過電圧が印加される予熱フェーズにおいて閉ループ制御するようにしたことを特徴とする方法。
2. 前記予熱フェーズにおけるグロープラグ（２）の温度（Ｔｍ）の閉ループ制御のために、予熱フェーズ終了時に、測定された抵抗値（Ｒｍ）に対して生じる、抵抗値差分（ΔＲ）が、物理的モデル（８）を用いて予熱フェーズ中に先見的に算出される、請求項１記載の方法。
3. 前記グロープラグ（２）の測定された抵抗値（Ｒｍ）に抵抗値差分（ΔＲ）を加算し、測定された抵抗値（Ｒｍ）と抵抗値差分（ΔＲ）とから形成された和を、閉ループ制御部に供給するようにした、請求項２記載の方法。
4. 前記抵抗値差分（ΔＲ）は、複数のとりわけ加算された部分抵抗値差分（ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３，ΔＲ４）からなり、各部分抵抗値差分（ΔＲ１，ΔＲ２，ΔＲ３，ΔＲ４）は、グロープラグ（２）の少なくとも１つの作動パラメータ（Ｒ₀₁，Ｔ_DES，Ｔ_c，Ｅ，Ｒ₀₂）に依存して算出される、請求項２または３記載の方法。
5. 前記グロープラグ（２）がグロー過程開始時点で有しているグロープラグ（２）のエネルギー成分に依存して、第１の部分抵抗値差分（ΔＲ１）が算出される、請求項４記載の方法。
6. 前記グロープラグ（２）のエネルギー成分は、前記グロープラグ（２）の初期抵抗値（Ｒ₀₁）、初期熱量、又は初期電力によって特徴付けられる、請求項５記載の方法。
7. 前記グロープラグ（２）がグロー過程終了時点で有している前記グロープラグ（２）の温度目標値（Ｔ_DES）に依存して、第２の部分抵抗値差分（ΔＲ２）が算出される、請求項４から６いずれか１項記載の方法。
8. 前記グロープラグ（２）がグロー過程の開始時点で有している前記グロープラグ（２）の初期温度（Ｔ_c）に依存して、第３の部分抵抗値差分（ΔＲ３）が算出される、請求項４から７いずれか１項記載の方法。
9. 前記初期温度（Ｔ_c）は、グロー過程開始時点の前記グロープラグ（２）の周辺温度に相応する、請求項７記載の方法。
10. 前記グロープラグ（２）のグロー過程開始直前に先行するグロー過程に依存して、第４の部分抵抗値差分（ΔＲ４）が算出される、請求項３から９いずれか１項記載の方法。
11. 前記グロー過程開始直前に先行するグロー過程は、前記グロー過程のグロー持続時間又はグローエネルギー（Ｅ）によって特徴付けられ、とりわけ、前記グロープラグ（２）の初期抵抗値（Ｒ₀₁）に依存して係数（Ｆ）が算出され、該係数（Ｆ）は、前記第４の部分抵抗値差分（ΔＲ４）と乗算されて、前記抵抗値差分（ΔＲ）に加算される、請求項１０記載の方法。
12. 測定された抵抗値（Ｒｍ）と抵抗値差分（ΔＲ）との和に基づいて、前記グロープラグ（２）の定常的加熱作動モードにおいて各グロープラグ（２）毎に個別に算出された特性マップ（１８）から、所定の温度実際値（Ｔ_ACT）が求められ、該温度実際値（Ｔ_ACT）は前記温度目標値（Ｔ_DES）から減算され、そのように求められた温度差分が閉ループ制御器に供給され、該閉ループ制御器から前記グロープラグ（２）の駆動制御電圧（Ｕ_GOV）が求められる、請求項２から１１いずれか１項記載の方法。
13. グロープラグ、とりわけ内燃機関の燃料空気混合気の着火のためのグロープラグの温度を設定調整するための制御機器であって、
    前記グロープラグ（２）の温度（Ｔｍ）を、閉ループ制御部を用いてグロープラグ（２）の抵抗値（Ｒｍ）に依存して設定調整する制御機器において、
    前記温度（Ｔｍ）を、グロープラグ（２）に過電圧が印加される予熱フェーズにおいて閉ループ制御する、手段（８、２１）が設けられていることを特徴とする制御機器。

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