JP5393341B2 - グロープラグ劣化判定装置 - Google Patents
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Description
そこで、セラミックグロープラグの使用に際してはセラミックグロープラグの劣化を監視する必要がある。
このため、セラミックグロープラグの劣化状態を正確に検出するためには、各グロープラグに印加されるプラグ電圧VGLとグロープラグに流れるプラグ電流IGLとをエンジンの運転を制御する電子制御装置(ECU)に送信し、グロープラグのプラグ抵抗RGLを算出し、さらにエンジンの運転状況を考慮して劣化判定しなければならなかった。
正確にプラグ抵抗RGLを算出するためには、各データ量として10ビット程度の精度が必要となる。一般にデータは8ビット単位で送信されるため、10ビットのデータを送信するためには6ビット分の無駄なダミーデータを含む16ビットのデータとして送信されることになる。例えば4気筒エンジンの場合、グロープラグの抵抗値変化を精度良く検出するために送信される総データ量は、8ビット×2×2種類×4気筒分の128ビット分となる。
したがって、全てのデータの送信完了までに時間が掛かり、その間にエンジンの運転条件が変化してしまい、グロープラグの劣化判定が間に合わなくなる虞がある。さらに、多くのデータを処理するため、ECUに処理能力の高い高価なMPUを使用しなければならない虞もある。
該電流検出手段によって検出されたプラグ電流と複数の閾値との比較によってグロープラグの劣化状態を判定する劣化レベル判定手段と、を具備し、上記劣化レベル判定手段が、4ランク以上に分類した劣化レベルに基づき、上記ディーゼル燃焼機関の燃焼特性に応じて正常領域か劣化領域かを判定する(請求項1)。
また、実際のディーゼル燃焼機関の燃焼特性によって、許容できるグロープラグの劣化レベルの範囲が異なるため、上記電子制御装置では、送信された各劣化レベルを示すデータと上記電子制御装置に入力される運転状況を示すエンジン回転数、エンジン水温等のデータとから、マップ処理等により、適用されるディーゼル燃焼機関に応じて、上記劣化判定回路から入力された劣化レベルが正常領域か劣化領域かを判断することもできる。
グロープラグの劣化が進むにつれ、プラグ抵抗が大きくなり、グロープラグに流れるプラグ電流が低下するので、プラグ電流の低下に伴い、プラグ電流変換電圧も徐々に低下し、各比較器の電圧閾値よりも低くなると、各比較器が順次作動し、2進数化された自己診断信号によって各比較器のどの比較器までが差動しているかを劣化レベルとして表すことができる。
尚、劣化レベル判定手段は、各グロープラグのそれぞれに独立して設ける構成としても良いし、一つの劣化レベル判定手段を共用して各グロープラグからプラグ電流変換電圧の入力を順次切り替える構成としても良い。
本発明のように、電流検出手段によって検出したプラグ電流を電圧変換手段によって電圧に変換したプラグ電流変換電圧と複数の電圧閾値とを比較することにより、瞬時にグロープラグの劣化状態を判定し、その結果を劣化レベル信号として上記電子制御装置に送信できる。
さらに、プラグ電流変換電圧と比較する電圧閾値として電源の電圧を案分して入力しているので電源電圧の変動が相殺され、電源電圧の変動の影響を受けることなく、グロープラグの劣化の進行に伴うプラグ抵抗の変化によって劣化レベルを判定できる。
尚、本実施形態においては、グロープラグ40が4本設けられたディーゼル燃焼機関50として4気筒エンジンを例に説明するが、本発明は本実施形態に限定するものではない。
グロープラグ40は、発熱体として通電により発熱する導電性セラミック(例えば、炭化タングステンを主成分として窒化ケイ素等を含むセラミック抵抗体)からなる発熱体を絶縁性セラミック(例えば、窒化ケイ素を主成分として硅化モリブデン等を含むセラミック絶縁体)からなる支持体に埋設したセラミックグロープラグが用いられている。
GCU30は、開閉により、電源10からのグロープラグ40への電力の供給と遮断とを制御するMOSFET、IGBT等のパワー半導体素子を含むスイッチ手段T1、T2、T3、T4と、ECU20から発信された駆動信号SIにしたがって駆動信号G1、G2、G3、G4を所定の間隔をずらしながら発信してスイッチ手段T1、T2、T3、T4を開閉駆動する駆動制御ユニット(DCU)31と、電流検出用抵抗(シャント抵抗)Rs等の電流検出手段S1、S2、S3、S4と、電流検出手段S1、S2、S3、S4によって検出された各グロープラグ40(GL1〜GL4)に流れるプラグ電流IGLから、グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化状態を判定する劣化レベル判定手段として劣化レベル判定回路330とを含む自己診断ユニット(DIU)32とによって構成されている。
差動増幅器321、322、323、324から出力されたプラグ電流変換電圧Vi(1〜4)は、劣化レベル判定回路330に入力され、グロープラグ40の劣化状態が判定される。
劣化レベル判定回路330で判定された判定結果は、自己診断信号DIの一部としてECU20に送信される。
ECU20からGVU30への駆動信号SIの送信とCGU30からECU20への自己診断信号DIの送信とは、シリアルインターフェースを介して行われる。
制御電圧+Bは、ヒューズ121と主リレー(MRY)120とを介して、ECU20とGCU30とに供給され、駆動電圧BATTは、ヒューズ131とグローリレー(GRY)130とを介してGCU30に供給されている。
同時に、グローリレーGRY131が閉じられ、駆動電圧BATTがGCU30に供給される。
ECU20には、図略の水温センサ、クランク角センサ、回転速度センサ、スロットルセンサ、グロープラグ温度センサ等の運転状況検出手段によって検出されたエンジン水温Tw、クランク角CA、回転数Ne、スロットル開度SL、グロープラグ温度Tg等の機関の運転状況を示す情報が入力され、グロープラグ40の発熱量を所望の値に調整すべくデューティ比を算出した駆動信号SIが発信される。
劣化判定回路330は、電源10と接地との間に直列に配設されバッテリ電圧VBATTを所定の電圧に案分する劣化レベル上限決定用抵抗R1と劣化レベル下限決定用抵抗R2と(n―1)個の劣化レベル案分用抵抗Rと、差動増幅器321(322、323、324)によって差動増幅されたプラグ電流変換電圧Viと電圧閾値Vref1〜Vrefnとを比較するn個のコンパレータ(比較器)CMP1〜CMPnとコンパレータCMP〜CMPnの出力を2進数のダイアグコードに変換するエンコーダ331と、エンコーダ331によって変換されたダイアグコードを自己診断信号DIの一部としてECU20に出力するダイアグコード出力インターフェース332とによって構成されている。
そこで、コンパレータCMP1〜CMPnの反転入力端子−には、電流検出手段S1によって検出されたプラグ電流IGLに比例する差動増幅電圧Viが入力され、コンパレータCMP1〜CMPnの非反転入力端子+には劣化レベルL 1 〜L n に応じた電圧閾値Vref1〜Vrefnが入力される。
電圧閾値Vref1〜Vrefnは、劣化レベル上限決定用抵抗R1と劣化レベル下限決定用抵抗R2と(n−1)個の劣化レベル案分用抵抗Rとを直列に接続してバッテリ電圧VBATTを劣化レベルに応じた閾値に案分されている。
る。
尚、劣化レベル判定回路32は、各グロープラグ40(GL1〜GL4)のそれぞれに独立して設ける構成としても良いし、一つの劣化レベル判定回路32を共用して各グロープラグGL1〜GL4からプラグ電流変換電圧Vi(1〜4)の入力を順次切り替える構成としても良い。
また、差動増幅電圧Viと比較する電圧閾値Vref1〜Vrefnとしてバッテリ電圧VBATTを案分して入力しているのでバッテリ電圧VBATTの変動が相殺され、バッテリ電圧VBATTの変動の影響を受けることなくグロープラグ50の劣化の進行に伴うプラグ抵抗RGLの変化によって劣化レベルを判定できる。
図3(a)は、グロープラグ40が新品の状態でのアイドリング時における温度特性と劣化が進んだ状態でのアイドリング時における温度特性を示す。図3(a)に示すように、新品の状態では、数秒で所望の温度に到達するが、劣化が進んだ状態では、発熱温度が十分に上昇せず、このような状態で使用を続けるとディーゼル燃焼機関50で失火を招く虞がある。
図3(b)は、グロープラグ40が新品の状態でのアイドリング時における抵抗特性と劣化が進んだ状態でのアイドリング時における抵抗特性を示す。図3(b)に示すように、セラミックグロープラグでは、通電により抵抗値が上昇する(例えば、1Ωから2Ω)のに加え、劣化によってさらに抵抗値が上昇する(例えば、2Ωから6Ω)。このため、プラグ抵抗RGLの上昇が通電によるものなのか、劣化によるものなのかを判別する必要がある。また、プラグ抵抗RGLは、新品の場合も劣化が進んだ場合も、通電開始から10〜20秒程度で安定化し、一定の値となる。
図3(c)は、グロープラグ40が新品の状態でのアイドリング時における電流特性と劣化が進んだ状態でのアイドリング時における電流特性を示す。図3(c)に示すように、セラミックグロープラグは、突入電流が数十Aと大きく、通電によって徐々にグロープラグに流れるプラグ電流IGLが低下する(例えば、6A以下)が、劣化が進むとさらにプラグ電流IGLは低くなる(例えば、2A以下)。
プラグ抵抗RGL測定時におけるディーゼル燃焼機関50の運転状況によってプラグ抵抗RGLが変化するので、プラグ抵抗RGLの変化が、グロープラグ40の劣化によるものなのか、ディーゼル燃焼機関50の運転状況の変化によるものなのかを判別しなければならない。
したがって、グロープラグ40が正常な状態であると判定される正常領域と劣化が進んだ状態であると判定される劣化領域とは、図4(b)に示すように、ディーゼル燃焼機関50の回転数NEによって右肩下がりに変化する。
また、本発明において、グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化判定をすべく、電流検出手段S1〜S4を用いて行うプラグ電流(IGL1〜IGL4)の検出、又は、検出結果の読み込みを行うのは、エンジン始動後又はグロープラグ40への通電開始後、10秒〜20秒経過してプラグ電流IGLの安定した時期に行うのが望ましい。
図6(c)に本発明の劣化判定装置1の実施例1として、R1=4・R、R2=4・R、n=7に設定し、劣化レベルを8ランクに分類した具体例を示す。
上述のごとく、従来のように、プラグ電圧VGLとプラグ電流IGLとからプラグ抵抗RGLを算出しようとすると、必要な総データ量は128ビットとなり、1秒間に8ビットずつ送信した場合、図7(a)に示すように、全てのデータを送信するのに、16秒かかることになり、その間、ディーゼル燃焼機関50の運転条件を変更することができなくなるか、全てのグロープラグ40の劣化判定が完了しないうちに、運転状況が変化し、判定の基準となるプラグ抵抗RGLが安定せず、劣化判定できなくなる虞がある。
一方、本発明によれば、グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化判定を行うために、GCU30からECU20へ送信されるのは、GCU30に設けた劣化判定回路330のアナログロジックにより瞬時に判定された各グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化レベル信号LV1〜LV4の判定結果のみを送信するだけなので、総データ量は16ビット以下であるため、1秒間に8ビットずつデータを送信したとしても、図7(b)に示すように、2秒で全てのグロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化レベル判定結果の送信が完了することができる。
なお、本実施例においては、劣化レベルを000〜111の8ランクに分類した場合を例として説明する。
ECU20では、GCU30から送信された劣化レベル信号LV1、LV2、LV3、LV4に基づいて、図8に示すような制御フローにしたがって、劣化判定がなされる。
ステップS100のグロープラグ劣化判定開始可否判定処理では、エンジン回転数の変化が200rpm以内に収まっている状態が5秒以上継続しているか否かによってエンジン回転数が安定状態であるか否が判定され、安定状態の場合に実質的なグロープラグの劣化判定が開始される。
加速時や減速時等エンジン回転数NEの変化が200rpmより大きい場合には、エンジン回転数が不安定であり、正確にグロープラグの劣化判定を行うことが困難であるので、Noに進み、エンジン回転数NEが安定するまでS100を繰り返す。
ステップS110のグロープラグ通電状態判定処理ではグロープラグに通電される実効電圧VGLEが10秒以上変化していないか否かが判定され、実効電圧VGLEが10秒以上変化していない場合には、グロープラグの劣化判定が可能であると判定されYesに進む。
グロープラグに通電される実効電圧VGLEが10秒以内に変化する場合には、バッテリの容量変化やオルタネータからの充電量の変化等によって電源電圧VBATTが不安定となっている虞があり、正確にグロープラグ40の劣化判定を行うことが困難であるので、Noに進み、実効電圧VGLEが安定するまでステップS100〜ステップS110を繰り返す。
ステップS120の劣化レベル閾値算出処理では、図9に示すような予め用意されたマップにしたがって、エンジン回転数NEとグロープラグ通電実効電圧VGLEとから劣化レベル信号LV1〜LV4からグロープラグの劣化状態を判定するための閾値LVREFが算出される。
ステップS130の劣化レベル判定処理では、GCU30から送信された劣化レベル信号LV1〜LV4によって表される各グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化レベル(L0、000〜L7、111)とステップS130で算出された閾値LVREFとの比較によって、各グロープラグ40(GL1〜GL4)の劣化判定が実施される。
劣化レベル(L0、000〜L7、111)が劣化レベル閾値よりも大きい場合には、グロープラグが劣化状態であると判定されYesに進む。
劣化レベルが劣化レベル閾値LVREFよりも小さい場合には正常領域であると判定され、Noに進み、劣化判定されるまでステップS100〜ステップS130が繰り返される。
劣化レベルが劣化レベル閾値を超え、ステップS140の劣化判定がされた場合には、グロープラグが劣化状態であることを知らせるべく警報を発信したり、ダイアグ情報を記録したりする等の処理を適宜行い、劣化判定を終了する。
GCU30からECU20へ発信された劣化レベル信号LV1〜LV4が、(000010110001)であるとすると、グロープラグ40(GL1、GL2、GL3、GL4)の劣化レベル信号LV1、LV2、LV3、LV4は、それぞれ、劣化レベル0、2、6、1であるので、劣化レベル閾値LVREFの5より大きいグロープラグ40(GL3)のみが劣化領域であると判定され、他のグロープラグ40(GL1、GL2、GL4)は正常領域であると判定される。
10 電源(バッテリ)
11 主スイッチ
120 主リレー
130 グローリレー
121、131 ヒューズ
20 電子制御装置(ECU)
30 グロープラグ制御装置(GCU)
31 駆動制御ユニット(DCU)
32 自己診断ユニット(DIU)
321〜324 電圧変換手段(差動増幅器)
330 劣化レベル判定回路
331 エンコーダ
332 ダイアグコード出力インターフェース
40 グロープラグ(GL1〜GL4)
50 ディーゼルエンジン
T1〜T4 スイッチ手段(MOS)
SI、G1〜G4 駆動信号
DI 自己診断信号
VBATT バッテリ電圧
V1a、V2a、V3a、V4a シャント抵抗上流電圧
V1b、V2b、V3b、V4b シャント抵抗下流電圧
VGL プラグ電圧
IGL プラグ電流
Vi プラグ電流変換電圧(差動増幅電圧)
Vref1〜Vrefn 劣化レベル判定用閾値
R1 劣化レベル上限決定用抵抗
R2 劣化レベル下限決定用抵抗
R 劣化レベル案分用抵抗
Rs シャント抵抗
RGL プラグ抵抗
S1〜S4 電流検出手段(シャント抵抗)
L 1 〜L n 劣化レベル
LV1〜LVn 劣化レベル信号
Claims (5)
- ディーゼル燃焼機関の気筒毎に装着され、通電により発熱するグロープラグと、
上記ディーゼル燃焼機関の運転を制御する電子制御装置と、
上記ディーゼル燃焼機関の運転状況に応じて上記電子制御装置から発信される駆動信号にしたがって、スイッチ手段を開閉駆動して、電源から上記グロープラグへの通電を制御するグロープラグ通電制御ユニットと、
上記グロープラグと上記グロープラグ通電制御ユニットとの異常を検出して自己診断信号を上記電子制御装置に発信する自己診断ユニットとを具備し、
上記自己診断ユニットによって上記グロープラグの劣化状態を判定するグロープラグ劣化判定装置において、
グロープラグに流れるプラグ電流を検出する電流検出手段と、
該電流検出手段によって検出されたプラグ電流と複数の閾値との比較によってグロープラグの劣化状態を判定する劣化レベル判定手段と、を具備し、
上記劣化レベル判定手段が、4ランク以上に分類した劣化レベルに基づき、上記ディーゼル燃焼機関の燃焼特性に応じて正常領域か劣化領域かを判定することを特徴とするグロープラグ劣化判定装置。 - 上記劣化判定手段が、エンジン回転数とグロープラグ通電実効電圧とに基づいて、劣化レベル閾値を算出し、当該劣化レベル閾値と上記劣化レベルとの比較によって劣化判定を行う請求項1に記載のグロープラグ劣化判定装置
- 上記劣化レベル判定手段は、判定結果を2進数で表した劣化レベルとして上記電子制御装置に送信する請求項1又は2に記載のグロープラグ劣化判定装置。
- 上記電流検出手段は、グロープラグに流れるプラグ電流を電圧に変換する電圧変換手段によって出力されたプラグ電流変換電圧に基づき電流検出を行う請求項1ないし3のいずれかに記載のグロープラグ劣化判定装置。
- 上記電圧変換手段は、上記電源と上記グロープラグとの間に介装した電流検出用抵抗の上流側の電圧と下流側の電圧とを差動増幅器に入力し、プラグ電流に比例するプラグ電流変換電圧として出力する請求項4に記載のグロープラグ劣化判定装置。
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