JP4944951B2 - ディーゼル機関におけるグロープラグを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関におけるグロープラグの制御方法に関する。

図１において、ＤＥ−Ｚ ＭＴＺエンジン工学雑誌６１（２０００年）、１０ Ｓ、６６８〜６７５ページにおいて公開された「ディーゼル機関のための電気制御グローシステムＩＳＳ」という記事から公知である、本発明を実施するためのグロープラグ制御装置１のブロック図が示されている。この制御装置は、統合デジタル／アナログ変換器を有するマイクロプロセッサ２、同数のグロープラグ４のＯＮ／ＯＦＦ切り替えを実施するための複数のＭＯＳＦＥＴ電力半導体３、機関制御装置６との接続のための電気ポート５、およびマイクロプロセッサ２とポート５のための内部電圧供給源７を有する。内部電圧供給源７は、車両の「クランプ１５」を介して車両のバッテリーに対して接続されている。

マイクロプロセッサ２は、電力半導体３を作動させ、その状況情報を読み取って電気ポート５を介して機関制御装置６と通信する。ポート５は、機関制御装置６とマイクロプロセッサ２とのあいだにおける通信に必要な信号の調整を行う。電圧供給源７は、マイクロプロセッサ２とポート５とに対して安定した電圧を供給する。

ディーゼル機関が低温始動される場合、制御装置１はグロープラグ４に対して時間平均においてたとえば１１ボルトである加熱電圧を供給して約８６０℃である点火温度をできるだけ早く越えるようにし、機関が自身の通常作動温度に到達するまで、グロープラグが機関の点火後に到達して維持すべき定常温度になるようにする。

定常温度にとって約１０００℃が典型的な値である。定常温度を維持するためには、グロープラグを加熱するためよりも低い電圧が必要とされる：典型的なこのような電圧は、最新のグロープラグにおいては時間平均で５ボルトないし６ボルト程度である。

マイクロプロセッサ２は、電力半導体３をパルス幅変調方法によって制御するため、車両の「クランプ３０」を介して電力半導体３に対して供給される電気システムの電圧が変調されてグロープラグにおける所望の電圧が時間平均となるようにする。

点火温度と定常温度には、できるだけ早く到達することがよい。最新のグロープラグにおいては、（たとえば０度などの）冷たい機関から１０００℃の温度をたった約２秒後に得ることができる。このような急激な温度上昇は、突然には終わることができない。したがって超過、すなわち有効電圧をたとえば１１ボルト〜６ボルトに下げた場合であっても温度が定常温度を超え、典型的には目的とされる定常温度よりも数十度ないし約２００℃も上である最大値まで上昇してからその後定常温度まで下がるようなことが生じる。

グロープラグを冷たい始点から定常温度を超過するまで加熱する時間は、予熱時間または予熱段階とも称される。一方ではこの温度を得て、他方ではグローランプが破損されたりその寿命が影響を受けたりするまでは超過されないようにするためには、予熱段階においてグロープラグに対して所定のエネルギーを電気エネルギーの形で供給することが知られている。所定の種類のグロープラグにおいて、エネルギーおよびこのエネルギーを供給するタイムスパンもグロープラグのグローヘッドの温度がどれぐらい迅速に上昇するかということにおいて共に影響をおよぼし、これらはグロープラグの始発温度とともにグロープラグのグローヘッドの温度超過の高さがどれぐらいになるかということにも影響するものである。

ディーゼル機関を可能なかぎりタイムラグがないように始動させるためにはグロープラグ温度の急激な上昇は好ましいものであるが、グロープラグにおいては過負荷によって損傷されたりその寿命が短くなったりする危険性が生じる。一つの危険点としては、特に温度経過における過度な超過の結果として過度に高い温度に到達するということがある。別の危険点は、グロープラグの不可避である熱慣性と、グロープラグが異なる熱慣性、すなわち異なる熱容量および熱伝導性を有する原料から構成されているという事実から生じる。したがって、グロープラグにおいては、特に限界領域において２つの異なる原料間に温度差が生じるため応力が生じ、温度差が大きければ大きいほど応力が大きくなり、また温度変化が早ければ早いほど温度差が大きくなる。全ての予熱段階において生じる応力は、グロープラグを損傷し、さらに／またはその寿命を短くする可能性がある。

したがって、グロープラグの温度を調整したいという要望が生じる。今までこれがせいぜい得られたのは、グロープラグが機関の始動後、自身の定常温度に到達して維持すべきである、いわゆる後熱段階においてである。しかしながら、後熱段階においては予熱段階のようにグロープラグの過負荷の危険性がない。予熱段階におけるグロープラグの温度を調整するためには、最初に温度の計測が必要となる。そのためにはグロープラグの温度によって左右される電気抵抗を計測する、ということだけが実質的に可能である。しかしながら、グロープラグの抵抗には、製造による明確な統計的ばらつきが生じるため、グロープラグ温度の抵抗計測の有効性が制限される。加えて、加熱段階の短さと温度上昇の急激さとによって温度計測とその後に実施される温度の制御がさらに困難となる。抵抗値のばらつきと温度上昇の力学とは、その組み合わせにおいて予熱段階の温度調整を実施するためには悪い条件であることが容易に想像できる。多くの要因によって左右される。

このような困難を鑑みて独国特許第１０２４７０４２号明細書において、加熱時におけるグロープラグの熱特性を物理的モデル、たとえば自身に対して供給された電気エネルギーで、加熱時に供給される電気エネルギーを熱に変換して格納するグロープラグと類似した力学を用いて格納するように構成されたコンデンサを用いて表す方法が提案されている。独国特許第１０２４７０４２号明細書の開示内容によると、グロープラグの物理的モデルは、グローランプのための制御装置内において実現されてグロープラグの加熱と平行して小電流の供給を受ける。これがコンデンサである場合、その荷電状態がグロープラグの温度に対して比例するように構成されている。制御装置においては、グロープラグの温度に代えてコンデンサの荷電状態を観測し、この荷電状態がグロープラグの温度に相当するという前提においてグロープラグを荷電状況に応じて制御する。欠点は、この方法の結果が物理的モデルよりも良好になり得ないという点にある。しかしながら、グロープラグの温度展開は、多くの要因によって左右される：供給電圧における変動、グロープラグ抵抗の統計的変動、機関におけるグロープラグの取り付け条件、機関の温度、特に機関の回転数などの機関の動作状況、注入量、機関負荷そして最終的にはグロープラグの劣化条件などにもよる。

特に機関内における冷却条件は、このような物理的モデルにおいてはまったくまたは少ししか考慮され得ない。したがって、独国特許第１０３４８３９１号明細書において冷却条件を数学的モデルによって表すことが提案されている。これによって、特に機関を切って新たに始動させる場合、グロープラグの温度展開に関する情報を得ることが可能となる。すなわち、このようなケースにおいてグロープラグがまだ温かい場合、グロープラグが過度に熱くなり、損傷を受ける可能性があるため、低温始動のケースと同じエネルギーで供給してはならない。

本発明は、ディーゼル機関におけるグロープラグを迅速に加熱する際に過度に早い速度または過度に高い温度による加熱によってグロープラグが損傷を受ける危険性がないようにする道を示すことにある。この課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法によって解消される。本発明の好ましい展開例は、下位クレームの対象である。

本発明によると、ディーゼル機関におけるグロープラグは、特に予熱段階において、グロープラグにおいて温度の関数として変化する電気変量の時間勾配を計測し、しきい値と比較し、このしきい値を超えた場合にグロープラグの有効電気供給電圧を変更することによって制御される。

このようなアプローチは、著しい利点を奏する：
・本発明は、当業者がグロープラグの温度を直接またはグロープラグの物理的または数学的モデルを用いて調整する場合に生じるような問題を、グロープラグの温度またはグロープラグの温度に合わせて再現された物理的モデルの大きさを決定しないことによって回避している。むしろ、本発明においてはグロープラグにおいて生じた温度によって左右されるものである電気量の時間勾配を決定して１つまたは複数のしきい値と比較する。
・温度によって左右される電気計測量の勾配は、温度の絶対量を検知する必要なくして決定され得る。これによって計測がきわめて簡素化される。
・本発明による方法は、グロープラグの抵抗における製造上のばらつきには概ね左右されない。
・グロープラグのグローヘッドにおける温度上昇の急激さは、大きすぎるとグロープラグにとって危険となり、小さすぎるとディーゼル機関の迅速な始動を妨げるものであるが、この急激さは、グロープラグにおいて計測される、温度によって左右される電気変量の勾配において直接表れる。これを鑑みて、グロープラグがどれぐらいの速さで加熱され、グロープラグが加熱工程によってどの程度負荷を受けるのかを直接勾配から読み取ることが可能である。
・勾配が所定の負荷限界に到達した、またはこれを超過した場合、グロープラグが対して供給される有効電圧を下げることによって負荷を直ちに減少させることが可能である。
・これに対して、自身が反映する温度上昇がグロープラグを損傷することなくより大きいものであり得ることを勾配が示している場合、グロープラグに対して供給される有効電圧を進行中の予熱段階であっても上昇させ、点火温度の到達とさらにグロープラグの定常温度への到達とをグロープラグを損傷することなく早めることが可能であるのは、上限に対して勾配を観測することによってグロープラグの過度な負荷を防止することが可能であるからである。
・本発明の方法は、所定の負荷限界の付近においてグロープラグを作動させるため、グロープラグの加熱工程の最適化に適したものである。
・温度によって左右される電気変量の勾配の経過によって、加熱工程の過程において制御動作を実施しなかった場合どのような最終温度が得られていたかということを推察することが可能である。このような情報は、たとえば勾配の時間展開と、実際に応じた取り付け条件下における同じ種類のグロープラグから得られた勾配の時間展開を示すものである基準特性とを比較することによって得ることが可能である。特に勾配の特性と、理想的な条件下において加熱されたグロープラグの勾配の特性とを比較し、観測された勾配が過度に高い最終温度を予期させるものである場合には有効供給電圧を低減させることも、またはこれに対して計測された勾配が過度に低い最終温度を予期させるものである場合には供給電圧を一時的に上昇させることも可能である。
・極端なケースでは、より大きな損傷を防ぐために勾配決定に基づいてグロープラグの加熱工程を弱めたり遅らせたりするだけではなく、完全に中断させることも可能である。このような場合、ドライバーに対してグロープラグに不具合があることを警告することも可能であり、さらに該当するグロープラグを知らせることも可能である。

本発明では、温度によって左右される電気変量の時間勾配に基づいてグロープラグの加熱工程の経過に関する有益な情報を得る。温度によって左右される電気変量としては、グロープラグの電気抵抗を観測し、その勾配を決定することが可能である。この抵抗は、別個の電流計測との関係において利用可能な電気システム電圧を計測することによって決定され得る。この際に、その計測結果が実質的にはグロープラグに設けられた１つまたは複数のヒータにおける抵抗にのみ左右されて供給抵抗には左右されないようにグロープラグへの供給線において生じる電圧降下を考慮することが好ましい。計測時において供給抵抗を考慮する方法については、独国特許出願公開第１０２００６０１００８２号明細書において開示されており、そのため同文献を本文において明確に参照するものとする。

加熱時間が短い最新の鋼製グロープラグは、グロープラグヘッドに集中した加熱コイルと検出コイルとの組み合わせを有し、この場合加熱コイルの抵抗は、たとえばＰＴＣ特性を有し得る、調整コイルの抵抗よりも小さな温度係数を有する。電気抵抗の勾配は、冷たいグロープラグにおいては最大となる。温度が上昇するにつれて勾配は下降し、グロープラグの温度が最大値を通過した際に値０を通過し、グロープラグの温度が再び降下するとマイナスになってグロープラグの温度が定常温度に近づいた際には値０に接近する。温度上昇の急激さを限定するためには、抵抗の勾配の最大値を限定することが最も簡単な方法である。これは、もっとも簡単な方法では勾配が所定のしきい値を越えた場合に、グロープラグの有効供給電圧を下げることによって得られる。逆に観測された勾配がしきい値を下回る場合には、これに応じてグロープラグの有効供給電圧を上げて加熱を加速させることが可能である。

本発明の方法を実施する別の方法としては、同様にグロープラグの電気抵抗の温度依存性によって温度によって左右されるものであるため、グロープラグの消費電力を観測する方法がある。消費電力は、冷たいグロープラグにおいては最大となり、グロープラグの温度が最大値を通過するまで下降し、グロープラグの温度が定常温度に接近するまでは再び軽く上昇する。その結果、電流の勾配は当初マイナスであり、グロープラグの予熱段階において上昇し、グロープラグの抵抗が最大値を通過した際に値０を通過し、グロープラグの温度が一定に保たれる定常温度に近づいた際にはプラスの値から値０に接近する。勾配の符号に依存しないためには、しきい値との比較のために勾配の絶対値を用いることが可能である。しきい値は、経験値から得ることが可能である。

電気抵抗の勾配の特性は、電流の勾配の特性と同様、基準特性と比較することが可能である。観測された勾配の時間特性が基準特性のものよりも急である場合、グロープラグの有効供給電圧を下げることによって反対に作用することが可能であり、これに対して観測された電流量の勾配の特性が基準特性のものよりも平らである場合、グロープラグの有効供給電圧を一時的に上げることによってグローランプの加熱を加速することが可能である。

温度上昇の上方への急激さを絶対的に限定するために電気抵抗の勾配または充電率の勾配のために唯一のしきい値を定めることによってグロープラグの大まかな保護を図ることが可能である。このような限定は、予備段階の下部温度領域において有効である。

到達可能な温度の高さは、予熱段階においてグロープラグに対して所定のエネルギーを供給することによってしきい値を越えることを防止するために有効供給電圧に対して実施する制御作用とは別に制御され得る。これによって主に到達可能な温度を決定するものであるが、最初に急激過ぎる温度上昇を本発明によって制動させる場合にはエネルギーが供給されるタイムスパンが若干長くなるのに対し、勾配の下限を下回った場合に有効供給電圧を上げる必要がある場合には予熱段階が短くなる。

予熱段階のために唯一のしきい値を導入するのではなく、しきい値を予熱段階の経過中に変えることによって予熱段階の最初だけではなく、全予熱段階のあいだ、温度上昇の急激さを制御することを可能にすることが好ましい。これによって加熱時間を最適に短くし、さらに／またはグロープラグの加熱曲線を適切な勾配のしきい値間に抑えることによって成形して理想的な経過に近づけることにより、グロープラグの温度の超越量を小さくすることが可能となる。

最も簡単な方法では、しきい値を段階的に調整する、すなわち進行する予熱段階を段階的に下げる。予熱段階がより多い工程に分けられれば分けられる程、より正確に温度勾配を制御して理想的な経過に調整することが可能である。実質的にかなり正確な結果を得るためには、予備段階を３ないし６の区間に分割し、これに応じて勾配のために３ないし６の上限しきい値を決定する。これと同様に、勾配のための下限しきい値を決定し、これらを下回った場合に有効供給電圧を上げることによってグロープラグの加熱を加速するようにすればよい。

しきい値が一定に維持される工程の幅を選択するにはいくつかの方法がある。これら工程は、時間ベースで決定することも可能であるが、電気抵抗の変化または消費電力の変化、さらにはエネルギー供給の経過に関連付けることも可能であり、この中でも最後に述べた方法は、予熱段階を同一エネルギーの供給が実施される区間別に分割する場合、自動的に温度上昇が急激であればあるほどしきい値への調整がより短い時間で実施されることにつながるため、特に好ましい。

勾配は、定期的に反復するように計測されることが好ましい。この期間が短ければ短いほど、制御はより完璧になる。勾配は、少なくとも毎秒２０回、好ましくは少なくとも毎秒３０回決定されることが有利である。有効供給電圧が調整されるパルス幅調整の頻度は、勾配の決定がなされる頻度の整数の倍数分であることが好ましい：最も好ましいのは、両方の頻度が一致するような方法である。これによって勾配決定と電圧供給のパルス幅調整における電流供給との時点の同期化を図ることが可能となる。

本発明の利点は、電気抵抗または消費電力の勾配を理想的なグロープラグの理想的な温度経過から導かれ得る目標値に調整することも可能であるというところにある。こうして実際のグロープラグの実際の温度経過を理想に可能な限り近づけることが可能である。理想的なグロープラグの理想的な温度経過は、グロープラグのための制御装置、たとえばマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラのメモリなどにおいて記憶され得、これにおいてグロープラグの電圧供給と勾配決定のための計測値の取得とが制御され、勾配がしきい値と比較され、この比較の結果に応じてグロープラグに供給する有効電圧が調整される。しきい値は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラのメモリにおいて、具体的には予熱段階の経過に応じて分割された一連の個別のしきい値として記憶され得、これらの中からマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラが、それぞれに対して勾配が決定された予熱段階内における時点に応じたものを選択する。

添付された図２において、グロープラグの典型的な温度経過、これに応じたグロープラグ抵抗およびグロープラグを流れる電流の勾配の特性およびしきい値選択の例が例示されている。

本発明のグロープラグ制御装置、機関制御装置およびグロープラグとの関係を示す説明図である。 本発明のディーゼル機関におけるグロープラグを制御する方法による時間の経過にともなうグロープラグの温度特性、ならびにグロープラグを流れる電流および抵抗の勾配の特性を示すグラフである。

Claims (19)

1. グロープラグの温度が始点から定常温度を超過するまでの加熱である予熱段階においてディーゼル機関におけるグロープラグを制御する方法であって、前記グロープラグの温度の関数として変化する電気変量の時間勾配が計測され、該時間勾配の絶対値が、該時間勾配の値として予め設定された上限の値である上限しきい値を超えた場合、前記グロープラグの有効電気供給電圧が下げられ、かつ、前記時間勾配の値が予め設定された下限の値である下限しきい値を下回った場合、前記グロープラグの有効電気供給電圧が上げられるように、前記グロープラグの電気供給電圧を変更することを特徴とする方法。
2. 前記電気変量の時間勾配が、前記グロープラグの電気抵抗の時間勾配であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記電気変量の時間勾配が、前記グロープラグを流れる電流量の時間勾配であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記上限しきい値および下限しきい値のうち少なくとも１つが可変であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記上限しきい値および下限しきい値の少なくとも１つは、前記予熱段階の途中で変更されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記上限しきい値および下限しきい値の少なくとも１つは、計測された電気抵抗に応じてさらに／または計測された電流量に応じて変更されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 前記上限しきい値および下限しきい値の少なくとも１つは、時間に応じて変更されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
8. 前記上限しきい値および下限しきい値の少なくとも１つは、グロープラグに、先に供給された電気エネルギーに応じて変更されることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
9. 前記上限しきい値および下限しきい値の少なくとも１つは、前記予熱段階の途中で段階的に変更されることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記時間勾配は、前記グロープラグの前記電気変量の時間に対する曲線の測定時点において決定されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記時間勾配は、前記予熱段階の途中で繰り返し決定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記時間勾配は、定期的に反復するように決定されることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記時間勾配は、少なくとも毎秒２０回決定されることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記グロープラグへの有効供給電圧は、電気システム電圧のパルス幅変調によって得られ、前記時間勾配を決定するための計測を実施する時点は、供給電圧が前記グロープラグに供給されている時間内であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記時間勾配を決定するための計測を実施する時点は、前記パルス幅変調の期間と同期されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記時間勾配が、所望の値になるように調整されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記所望の値は、勾配の基準の特性曲線から得られることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記基準の特性曲線は、前記グロープラグのための制御装置内において記憶されていることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記予熱段階において前記グロープラグに供給される電気エネルギーは、予め決定されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。

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