JP5396144B2 - グロープラグの通電制御装置およびグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに取り付けられるグロープラグの有する発熱抵抗体への通電を制御するグロープラグの通電制御装置およびグロープラグに関する。

従来、自動車のエンジンから排出された排気ガスの一部を吸気側へ戻し、再度吸気させる排気再循環（以下、「ＥＧＲ」ともいう）と呼ばれる技術が知られている。ＥＧＲを行うと、エンジンに吸入される空気中の酸素濃度が低下することから燃料の燃焼が緩やかとなり、また、吸入空気中では酸素よりも熱容量の大きな二酸化炭素の濃度が高まることから燃焼温度の上昇が抑制される。その結果、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が抑えられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を低減することができる。

一方で、ＥＧＲ量（排気ガスの再循環量をいう。このＥＧＲ量は、還流通路からの還流量が割合として表記されることもあるが、以下、本発明においてＥＧＲ量を割合（％）で表記する際は、エンジンの気筒へ導入される大気とＥＧＲとが混合されたものにおける、ＥＧＲが占める割合を示すものとする。なお、厳密には、｛（吸気ガス中のＥＧＲのＣＯ_２）−（大気中のＣＯ_２）｝／｛（排気ガス中のＣＯ_２）−（大気中のＣＯ_２）｝という計算にてＣＯ_２濃度から求めることができる。）を増やせば吸入空気の温度が下がり、酸素濃度も低下し、燃料の燃焼状態が不安定となって、エンジンの出力低下や失火を招いたりする虞がある。その具体例を、図６に示す。ここでは試験用のエンジンを用い、アイドリング状態（約７００ｒｐｍ）からアクセルペダル全開でエンジン回転数を急上昇させた。このとき、ＥＧＲを行わなかった場合（ＥＧＲ量０％）のエンジン回転数の増加状況を実線で示す。また、同一の条件にて、ＥＧＲ量を１０％とした場合のエンジン回転数の増加状況を１点鎖線で示し、ＥＧＲ量を１４．９％とした場合のエンジン回転数の増加状況を２点鎖線で示す。さらに、ＥＧＲ量を１８．８％とした場合のエンジン回転数の増加状況を点線Ａで示し、ＥＧＲ量を２３％とした場合のエンジン回転数の増加状況を点線Ｂで示す。この試験によれば、ＥＧＲ量がどの条件でもエンジン回転数が約３０００ｒｐｍで飽和状態となり、エンジンの最大回転数に差異は生じない。しかし、ＥＧＲ量を増加させるほど、エンジン回転数が約７００ｒｐｍから約３０００ｒｐｍに増加するまでにかかる時間が増えるのがわかる。すなわち、ＥＧＲ量を増加させるほど、トルクが低下するのがわかる。

ところで、エンジンの冷間始動時や始動直後など、エンジンが十分に暖まっていないときには、始動補助や安定駆動のためグロープラグが使用される。そして、このような場合には、吸入空気の温度が低いがゆえに、ＮＯｘの低減を期待できる。着火性を確保しつつ、ＮＯｘを低減するには、グロープラグの温度を１１００℃以上とするとよいことが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、さらなるＮＯｘの低減を図るにはＥＧＲ量を増加させるとよいが、燃焼の不安定化を招く。そこで、グロープラグへの通電がなされるエンジンの冷間始動時に、ＥＧＲ量を増加させ、ＮＯｘの発生を、より確実に抑制できるようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

発明者等によれば、冷間始動時だけでなく、加速時などのエンジンにかかる負荷が増加する際においても、グロープラグの通電を行えばエンジンの安定駆動が見込めることがわかった。具体的に、試験の結果を図７に示す。ここでは上記と同一の試験用のエンジンを用い、アイドリング状態（約７００ｒｐｍ）からアクセルペダル全開で加速を行った。このとき、ＥＧＲを行わなかった場合（ＥＧＲ量０％）のエンジン回転数の増加状況を実線で示し、これを基準のエンジン回転数の増加状況とする。そして、グロープラグを１１００℃に加熱し、ＥＧＲ量を適宜変更しつつ、基準とほぼ同一のエンジン回転数の増加状況（エンジン回転数が約７００ｒｐｍから約３０００ｒｐｍに増加するまでにかかる時間や、最大回転数が、過渡期において基準とほぼ同一となる状況）が得られたとき（１点鎖線で示す）のＥＧＲ量を求めたところ、７．２％であった。同様に、グロープラグを１２００℃、１３００℃に加熱したときに、基準とほぼ同一のエンジン回転数の増加状況が得られたとき（それぞれ、２点鎖線、点線で示す）のＥＧＲ量を求めたところ、それぞれ、８．９％、１０．９％であった。この試験によれば、加速時などエンジンにかかる負荷が増加する状況にあっても、グロープラグを加熱してその温度を高めれば、燃焼をより安定させることができ、これにより、エンジンの出力を低下させずに、ＥＧＲ量を増加させられることがわかった。

特開２００８−８９２３３号公報 特開２００８−１９６３１１号公報

しかしながら、自動車のアクセルペダルを踏み込んだとき、燃料噴射量が増加されるためリッチ雰囲気となりやすく、ＮＯｘ発生量の増減（変化）が大きくなる虞がある。ＮＯｘ低減を図るには、できる限りＥＧＲ量を増加させることが好ましいが、エンジン回転数が増加するときはエンジン内で生ずるスワール等の影響をグロープラグが受けやすくなるため、発熱温度が変化しやすく、安定しづらい状況にある。具体的に、図８に示すように、エンジンにかかる負荷が急激に増加するとき（エンジン回転数が短時間のうちに上昇するとき）には、グロープラグの温度も大きく変化し、本例では約２２０℃の温度のぶれ幅が生じている。スワール等の影響でグロープラグの温度がぶれて一時的な温度低下を招いたとき、ＥＧＲ量が適切でなければ、トルクの低下が生じ、ドライバビリティを損なってしまう虞がある。ＥＧＲ量の適切化を図るには、加速時におけるグロープラグの温度の安定化を図るとよいが、グロープラグの発熱状況や、エンジン内でのスワールの発生状況が、自動車によって個体差を生じ得る。したがって、エンジンごとに、グロープラグの温度とエンジン回転数の増加状況とのマッピングを行わなければグロープラグの温度の安定化が難しく、また、マッピングを行えばコストもかかってしまう。ゆえに従来は、ドライバビリティの確保を優先し、トルク低下を招く虞のあるＥＧＲを、加速時に行わないとする運用がなされていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、エンジンにかかる負荷の状態が過渡状態にあるときにグロープラグへの通電を行って、排気ガスの還流量を増加させることができるグロープラグの通電制御装置およびグロープラグを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、エンジンの吸気通路と排気通路との間を接続する還流通路に設けられた還流弁の開閉を制御して、前記エンジンから排出される排気ガスの一部を吸気側へ還流する還流量を調整する外部装置に接続されるとともに、前記エンジンに取り付けられるグロープラグの有する発熱抵抗体への通電を制御するグロープラグの通電制御装置であって、前記エンジンの始動後において、前記外部装置から得られる前記エンジンの駆動状態に関する情報に基づいて、前記エンジンにかかる負荷の状態が、低負荷側から高負荷側へ移行する過渡状態にあるか否かを判断する過渡判断手段と、前記エンジンにかかる負荷の状態が前記過渡状態にあると判断された場合に、前記発熱抵抗体に通電を行う通電手段と、前記発熱抵抗体への通電にあわせ、前記排気ガスの前記還流量を増加させることを報せる報知信号を、前記外部装置に対して出力する出力手段と、を備えたグロープラグの通電制御装置が提供される。

第１態様では、加速時などエンジンにかかる負荷の状態が低負荷側から高負荷側に移行する過渡状態において発熱抵抗体への通電を行い、燃焼の安定性を高めるとともに、外部装置に対し、排気ガスの還流量を増加させるように報知信号を出力することができる。つまり、排気ガスの還流量の増加に伴い生じ得る燃焼安定性の低下を、発熱抵抗体への通電によって抑制することで、エンジン出力の維持と、排気ガスの浄化とを両立させることができるのである。これにより、過渡状態においてドライバビリティを損なうことなく排気ガスの還流量を増加させることができるので、従来よりも確実に、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

また、第１態様は、前記通電手段による前記発熱抵抗体への通電の際に、前記発熱抵抗体の抵抗値を取得する取得手段を備えるとよい。そして、前記通電手段は、取得された前記発熱抵抗体の抵抗値が、前記発熱抵抗体の昇温目標とする温度に応じた前記発熱抵抗体の目標抵抗値に一致するように、前記発熱抵抗体への通電量を制御してもよい。過渡状態では、エンジンの燃焼室内への吸気量や排気量の変化が大きくなるため、スワール等により、発熱抵抗体の温度変化が激しくなりやすい。また、エンジン出力を低下させずに還流させられる排気ガスの還流量の上限は、発熱抵抗体の温度に応じて変化する。第１態様では、発熱抵抗体への通電量を、発熱抵抗体の抵抗値が目標抵抗値に一致するように制御することができるので、過渡状態におけるエンジン回転数などのパラメータと発熱抵抗体の温度とのマッピングを行わずとも、容易に、発熱抵抗体の温度の安定化を図ることができる。これにより、過渡状態において排気ガスの還流量を細かく調整せずとも十分かつ確実に、ＮＯｘの発生を抑制することができる。

また、第１態様において、前記報知信号には、前記発熱抵抗体の昇温目標とする温度に対応させた前記還流量の増加分に関する情報が含まれてもよい。第１態様では、外部装置に対して出力する報知信号に還流量の増加分に関する情報を含ませることで、単に還流量を増加可能な状態にあることを報せるだけでなく、具体的に増加可能な還流量を報せることができる。よって外部装置では、通電制御装置から報知された報知信号に含まれる還流量の増加分に関する情報にしたがって排気ガスの還流量を増加させる処理を行えば足り、還流量の増加分を算出するための複雑な演算回路を組み込まずとも容易に、加速時にも排気ガスの浄化を行うことのできるシステムを構築することができる。

また、第１態様は、前記エンジンにかかる負荷の状態が前記過渡状態にあると判断された場合に、さらに、前記エンジンにかかる負荷の状態が、所定の移行状態よりも急激に低負荷側から高負荷側へ移行する急変状態にあるか否かを判断する急変判断手段を備えてもよい。そして、前記通電手段による前記発熱抵抗体への通電と、前記出力手段による前記報知信号の出力とが、前記エンジンにかかる負荷の状態が前記急変状態にあると判断された場合に行われてもよい。過渡状態にあっても、エンジンにかかる負荷の増加の度合いが比較的小さい場合、非加速時と同等の排気ガスの還流を行えば十分にＮＯｘの発生を抑制できる場合もある。したがって、排気ガスの還流量の増加は、過渡状態のなかでも急変状態と判断された場合にのみ行うだけでも十分に、エンジン出力の維持と、排気ガスの浄化とを両立させることができる。

また、第１態様において、前記通電手段が、前記発熱抵抗体の温度が１２００度以上になるように、前記発熱抵抗体への通電を行ってもよい。発熱抵抗体の温度を高めれば、ＮＯｘの発生を抑制する上で、より多くの排気ガスの還流を行っても十分にエンジンの出力を維持することができる。そして、発熱抵抗体の温度を１２００度以上とすれば、より効果的に、エンジンの出力を維持したまま排気ガスの還流量を増加させることができる。

本発明の第２態様によれば、第１態様に係るグロープラグの通電制御装置に接続されて通電状態を制御されるグロープラグであって、前記エンジンの回転数が、アイドリング時の第１回転数から、前記第１回転数より大きい第２回転数に達するまでにかかる時間をＸとし、前記発熱抵抗体の温度が、非通電、且つ、アイドリング時に、前記エンジンからの受熱によって熱せられる第１温度から、前記第１温度より高く、前記発熱抵抗体の昇温目標とする第２温度に昇温するまでにかかる時間をＹとしたときに、Ｙ／Ｘ≦０．６を満たすことを特徴とするグロープラグが提供される。Ｙ／Ｘが大きくなるほど、エンジン出力を維持したままで排気ガスの還流量を増加させられる限度が低くなり、ＮＯｘの発生を効果的に抑制しづらくなる。Ｙ／Ｘが０．６以下の場合、０．６より大きい場合と比べると、発熱抵抗体の昇温速度とエンジン回転数の上昇速度との良好なバランスが得られるので、ＮＯｘの発生を十分に抑制できる。

また、第２態様において、前記発熱抵抗体の前記第２温度を１２００度としたときに、０．５≦Ｙ≦３．０［ｓｅｃ．］を満たしてもよい。発熱抵抗体を早くに昇温できれば、排気ガスの還流量（ＥＧＲ量）を増加させてもエンジンへの負荷を抑えられ、昇温時間が３．０秒以内であれば、効果的に、ＮＯｘの発生を抑制できる。また、Ｙは小さいほど望ましいが、Ｙが０．５秒未満では、発熱抵抗体に供給する単位時間辺りの電力を大きくしたり、より高価な材料を用いて急速に昇温することのできる発熱抵抗体を開発する必要があり、製造コストの高騰を招く虞がある。

エンジン１０の吸排気系の概略的な構成を示す図である。 ＧＣＵ３０において実行される通電制御プログラムのメインルーチンのフローチャートである。 エンジンにかかる負荷が増加する際のＮＯｘの発生量を、エンジンにかかる負荷の状態は変えずに発熱抵抗体の目標温度を異ならせて比較したグラフである。 Ｙ／ＸとＮＯｘの発生量との関係を示すグラフである。 グロープラグの発熱抵抗体の昇温時間とＮＯｘの発生量との関係を示すグラフである。 ＥＧＲ量の違いによってエンジン回転数の増加状況が異なる様子を示すグラフである。 エンジン回転数の増加状況が一定となるように、発熱抵抗体の目標温度とＥＧＲ量とを調整して比較したグラフである。 発熱抵抗体への通電時にスワール等の影響を受け、エンジン回転数の変化に応じて発熱抵抗体の温度が変化する様子を示すグラフである。

以下、本発明を具体化したグロープラグの通電制御装置およびグロープラグの一実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、グロープラグの一例として、自動車のディーゼルエンジン（以下では単に「エンジン」ともいう）１０の始動補助および駆動安定性の向上のために用いられるグロープラグ２０を挙げ、そのグロープラグへの通電を制御するグロー制御装置（ＧＣＵ）３０を、通電制御装置の一例として説明する。

図１に示す、ＧＣＵ３０は、グロープラグ２０に対する通電を制御する装置であり、図示しないバッテリから電力の供給を受けて駆動する。ＧＣＵ３０は、公知のＣＰＵ、ＥＥＰＲＯＭ、およびＲＡＭ（図示外）を搭載し、ＣＰＵの実行する各種プログラムにしたがってグロープラグ２０への通電を制御する。ＧＣＵ３０は、公知の自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）４０と、ＣＡＮを用いた通信によって接続されている。なお、ＥＣＵ４０が、本発明における「外部装置」に相当する。

なお、図１では、ＧＣＵ３０に通電制御されるグロープラグ２０や、グロープラグ２０が取り付けられるエンジン１０の気筒１１を一つのみ示すが、実際のエンジンには複数の気筒が設けられており、グロープラグや、それに対応するＧＣＵ３０内の通電回路は、気筒の数だけ設けられている。ＧＣＵ３０による通電制御は、各グロープラグに対してそれぞれ独立に行われるが、制御方法は同一である。したがって本実施の形態の説明では、任意の一のグロープラグ２０に対してＧＣＵ３０が行う通電制御について、以下の説明を行うものとする。

次に、エンジン１０の気筒１１には、吸気通路５０と排気通路６０が接続されており、それぞれ、吸気弁５１と排気弁６１の開閉によって気筒１１内と連通される。また、気筒１１には、上記のグロープラグ２０とインジェクタ１２が取り付けられている。インジェクタ１２は、図示しない燃料パイプを介して供給される高圧処理された燃料を、電磁弁の開閉によって気筒１１内に噴射する。インジェクタ１２はＥＣＵ４０に接続され、ＥＣＵ４０によって噴射タイミングを制御される。

また、グロープラグ２０は、例えば、絶縁セラミックからなる基体にタングステンやモリブデン等の高融点材料を用いた発熱パターンを形成し、焼成することで発熱抵抗体２１となる、所謂セラミックグロープラグを用いている。発熱温度を１２００℃以上とするような高温域での使用の面からはセラミックグロープラグが好ましいが、耐熱性を含む耐久性が確保できるのであれば、Ｆｅ−Ｃｒ合金やＮｉ−Ｃｒ合金などが発熱抵抗体としてシース内部に配置されてなる、所謂メタルグロープラグを用いてもよい。発熱抵抗体２１は、本実施の形態では、自身の温度の上昇にともない抵抗値が増加する正の相関関係を有する（換言すると、抵抗温度係数が正の値を有する）ものを用いている。メタルグロープラグを用いる場合でも、上記同様、発熱抵抗体の温度と抵抗値との関係が正の相関関係を有すればよい。なお、グロープラグについては公知であるため、詳細についての説明は省略する。

次に、吸気通路５０には吸気スロットル５２が設けられており、吸気スロットル５２の上流側にはインタークーラ５３が設けられている。さらにインタークーラ５３の上流側には、コンプレッサ５４が設けられている。コンプレッサ５４は吸気される空気を圧縮し、インタークーラ５３は圧縮熱により膨張した空気を冷却して圧縮密度を高める。

また、排気通路６０にはタービン６２が設けられており、タービン６２は、シャフト６５を介して吸気側のコンプレッサ５４に連結されている。排気通路６０を流通する排気ガスによってタービン６２が駆動されるとコンプレッサ５４が連動され、吸気通路５０を流通する空気が圧縮される。

そして吸気通路５０と排気通路６０との間には、還流通路７０が設けられている。還流通路７０は、排気通路６０を流通する排気ガスの一部が吸気通路５０側へ再循環するための流路を形成する。還流通路７０の上流側（排気通路６０側）にはＥＧＲクーラ７１が設けられ、排気通路６０から還流通路７０内へ導入される排気ガスが冷却される。また、還流通路７０の下流側にはＥＧＲスロットル７２が設けられており、ＥＣＵ４０によって開度（％）が制御されて、ＥＧＲ量が調整される。なお、ＥＧＲ量が調整される際は、吸気スロットル５２の開度も併せて変更され、気筒１１へ導入される空気中の外気とＥＧＲ量との割合が調整される。また、ＥＧＲスロットル７２が、本発明における「還流弁」に相当する。

このように構成されたエンジン１０では、吸気通路５０を流通し吸気弁５１から気筒１１内に導入される空気がピストン１３によって圧縮され、圧縮熱で高温になったところでアクセルペダル（図示外）の踏み込み量に応じてインジェクタ１２から噴射される燃料と混合・着火し、爆発により生じる燃焼圧によってピストン１３を駆動させて、動力を発生させる。冷間始動時にはエンジン１０がまだ十分に暖まっていないことから着火が不安定となるが、グロープラグ２０への通電によって発熱抵抗体２１が加熱し、着火の安定性が図られる。燃焼後の排気ガスは排気弁６１より排気通路６０に排出され、排気通路６０を流通してタービン６２を駆動させつつ、図示外の浄化装置を介して車外に排出される。一方、タービン６２はシャフト６５を介してコンプレッサ５４を駆動させ、吸気通路５０に導入される新たな空気を圧縮する。圧縮された空気は高温となり、膨張によって密度が低下するが、インタークーラ５３を通過する際に冷却されて、高密度化される。そして吸気スロットル５２の開放によって吸気弁５１を介して気筒１１内に導入されるが、その際に、還流通路７０を介して排気ガスの一部が混合される。そして排気ガスが混合された空気が気筒１１内に導入され、燃焼が生じたとき、酸素濃度の低下に伴う燃焼の緩慢化と、二酸化炭素濃度の増加に伴う燃焼温度上昇の抑制とによって、ＮＯｘの生成が抑制されるのである。

本実施の形態では、このようなＥＧＲによるＮＯｘ生成の抑制を、エンジン１０にかかる負荷の増加時にも行っている。そして、負荷増加時にＥＧＲ量を増加させるには、ＥＧＲに伴う温度低下で燃焼が不安定とならないよう、グロープラグ２０の発熱抵抗体２１への通電を行う必要がある。さらに、グロープラグ２０への通電を、ただ行うだけでなく、発熱抵抗体２１の温度を確実に目標とする温度に維持する必要もある。このため、本実施の形態では、グロープラグ２０への通電を、ＰＩ制御方式によって行っている。

そして、ＰＩ制御方式によるグロープラグ２０に対する通電制御を行う上で、発熱抵抗体２１の温度と抵抗値との相関関係に対し、キャリブレーション（補正）を行っている。ここで、キャリブレーションの原理について簡単に説明する。

個々のグロープラグ、特に発熱抵抗体の抵抗値には諸要因によるばらつきがあり、同一品番のものであっても、温度と抵抗値との関係が同一品番内で一致するとは限らず、そのばらつきの影響を受ける。しかし、投入電力の積算量と発熱量との関係は抵抗値には依存しないため比較的ばらつきが小さい。したがって、基準とする発熱抵抗体に通電し、その温度上昇を、制御目標とする温度（目標温度）で飽和させ、そのときまでの投入電力の積算量（積算電力量）を求める。この積算電力量を、キャリブレーションの対象とする（別個体の）発熱抵抗体に投入すれば、対象の発熱抵抗体の温度を目標温度とすることができる。ゆえに、このときのキャリブレーション対象の発熱抵抗体の抵抗値を、目標抵抗値に対応した補正前抵抗値として求める。そして、キャリブレーション対象の発熱抵抗体の抵抗値が目標抵抗値となるようにＰＩ制御を行えば、発熱抵抗体の温度を目標温度に維持することができることになる。

本実施の形態のＧＣＵ３０では、グロープラグ２０の初回通電時（出荷時や交換時など）に発熱抵抗体２１のキャリブレーションを行い、発熱抵抗体の個体差を考慮した目標抵抗値を取得し、図示外のＥＥＰＲＯＭに記憶させている。そして、後述する通電制御プログラムにおいて読み出して、発熱抵抗体２１の抵抗値が目標抵抗値となるようにＰＩ制御を行うのである。

なお、目標抵抗値を取得するにあたって、本実施の形態では、発熱抵抗体２１の目標温度を１２００度以上（例えば１３００度）に設定している。前述したように、ＮＯｘ低減効果は発熱抵抗体２１の温度を１１００度以上とした場合に認められるが、後述する実施例１によれば、１２００度以上とすると、より顕著なＮＯｘ低減効果を得られる。

次に、ＧＣＵ３０がグロープラグ２０に対して行う通電制御の具体例について、図１を参照しつつ、図２に示す通電制御プログラムのフローチャートにしたがって説明する。なお、フローチャートの各ステップについては「Ｓ」と略記する。また、エンジン１０の冷間始動時や始動直後には、始動補助や安定駆動のためグロープラグ２０への通電が行われるが、通電制御プログラムは、それらの通電が終了してから実行されるものとする。

図２に示すように、通電制御プログラムが実行されると、まず初期設定が行われる（Ｓ１０）。ここでは、ＥＥＰＲＯＭ（図示外）に記憶されている発熱抵抗体２１の目標抵抗値がＲＡＭに読み込まれ、後述する負荷時通電（抵抗値ＰＩ制御）の際に使用される。目標抵抗値は、負荷時通電の際に発熱抵抗体２１の維持目標とする目標温度（例えば１３００度）に対応させて、上記したキャリブレーションによって予め設定された抵抗値である。また、後述する、目標温度に応じたＥＧＲスロットル７２の開度の増分（％）（即ちＥＧＲ量の増分）も予めＥＥＰＲＯＭに記憶されており、ＲＡＭに読み込まれる。

次に、エンジンの駆動状態に関する情報が取得される（Ｓ１２）。この処理では、ＣＡＮによって接続されたＥＣＵ４０から、エンジン１０の駆動状態が過渡状態にあるか否かを判断するために必要な情報が取得される。具体的には、アクセルペダルの踏み込み量、エンジン回転数、燃料噴射量、燃料噴射回数など、エンジン１０の駆動状態に関する情報を得る。なお、過渡状態とは、エンジン１０にかかる負荷の状態が低負荷側から高負荷側に移行する状態にあることをいう。換言すると、エンジン１０にかかる負荷の状態が増加中である場合をいい、無負荷から低負荷へ移行したり、中負荷から高負荷へ移行したりする場合など、負荷が増加側へ変動する過渡期にある状態を指す。

そして、得られた情報をもとに、エンジン１０が過渡状態にあるか否かの判断を行う（Ｓ１４）。詳細については公知であるため省略するが、例えばアクセルペダルの踏み込み量やエンジン回転数が短時間のうちに大きく増加した場合など、エンジン１０の駆動状態に関する情報を過去数回分記憶し、時間あたりの変化を解析することで、エンジン１０が過渡状態にあるか否かについて判断することができる。

エンジン１０が過渡状態になければ（Ｓ１４：ＮＯ）、Ｓ１２に戻り、エンジンの駆動状態に関する新たな情報の取得が行われる。エンジン１０が過渡状態にある場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、さらにその過渡状態が急変状態であるか否かについて、判定が行われる（Ｓ１６）。急変状態とは、エンジン１０にかかる負荷の状態が上記の過渡状態にあって、そのなかでも、所定の移行状態よりも急激に、低負荷側から高負荷側へ移行する状態にあることをいう。換言すると、エンジン１０にかかる負荷の状態が、単に増加中であるだけでなく、所定の増分よりもさらに大きく増加中である場合をいう。例えば、時間あたりのアクセルペダルの踏み込み量が、所定の大きさ（％）よりも大きい場合や、エンジン回転数の変化（差分）が所定の回転数よりも大きい場合などを、急変状態として判定することができる。基準となる所定値は、エンジンの駆動状態に関する情報の種類によって異なるが、扱う情報に応じて予め設定し、ＥＥＰＲＯＭに記憶させておけばよい。

エンジン１０が急変状態になければ（Ｓ１６：ＮＯ）、上記同様、Ｓ１２に戻り、エンジンの駆動状態に関する新たな情報の取得が行われる。エンジン１０が急変状態にある場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ＣＡＮを介してＥＣＵ４０に指示信号が送出される（Ｓ１８）。この指示信号は、ＥＣＵ４０に、ＥＧＲスロットル７２の開度の増分（％）を指示するものであって、気筒へ導入されるガス中のＥＧＲ割合を増加させるものである。上記したように、グロープラグ２０への通電を行い、発熱抵抗体２１の温度を目標温度（例えば１３００度）に維持することで、負荷増加時にエンジン１０の出力を低下させることなく、ＥＧＲ量を増加させることができる。目標温度と増加可能なＥＧＲ量との関係は予め実験等により求められており、目標温度に応じたＥＧＲスロットル７２の開度の増分（％）が、ＥＥＰＲＯＭに記憶されている。指示信号には、Ｓ１０でＲＡＭに読み込まれたＥＧＲスロットル７２の開度の増分（％）が組み込まれる。なお、指示信号が、本発明における「報知信号」に相当する。

ＥＣＵ４０では、受信した指示信号にしたがって、ＥＧＲスロットル７２の開度を、増分（％）に応じて増加させる（もともと負荷増加時にＥＧＲを行わない設定である場合は、ＥＧＲスロットル７２を開放し、その開度は増分（％）に応じて開くものとする）。これにより、排気通路６０側から還流通路７０を介し、吸気通路５０側に、より多くの排気ガスが導入され、気筒１１内に導入されるようになる。気筒１１内での燃料の燃焼は、より緩慢化され、また、燃焼温度の上昇も抑制されて、ＮＯｘの発生がさらに抑制されるようになる。

通電制御プログラムでは、ＥＧＲ量の増加にあわせて、グロープラグ２０への通電が行われる。ここでは、発熱抵抗体２１の抵抗値が目標抵抗値に近づくように、抵抗値と目標抵抗値との差分に応じてデューティ比を変化させるＰＩ制御によって、発熱抵抗体２１への通電が行われる（Ｓ２０）。さらに、エンジンの駆動状態に関する情報の取得が再度行われ（Ｓ２２）、上記同様、エンジン１０が過渡状態（ここでは急変状態）にあるか否かの判断が行われる（Ｓ２４）。急変状態が継続していれば（Ｓ２４：ＮＯ）、Ｓ２０に戻って発熱抵抗体２１の抵抗値ＰＩ制御が継続される。

エンジン１０の過渡状態（急変状態）が継続されるうちは、グロープラグ２０への通電と、ＥＧＲ量の増加も継続される。そして、エンジン１０が急変状態にないと判断されて急変状態が終了すると（Ｓ２４：ＹＥＳ）、負荷時通電を終了させるため、発熱抵抗体２１への電力の投入が停止される（Ｓ２６）。さらに、負荷増加時におけるＥＧＲ量の増加を停止するため、ＥＣＵ４０に対して終了信号が出力される（Ｓ２８）。ＥＣＵ４０では、受信した終了信号にしたがって、ＥＧＲスロットル７２の開度をもとの状態に戻す（もともと負荷増加時にＥＧＲを行わない設定である場合は、ＥＧＲスロットル７２の開度を通常時の開度にする）。そしてＳ１２に戻り、次回の過渡状態への移行に備えて待機する。

このように、通電制御プログラムでは、エンジン１０が過渡状態にあると判断すると、ＥＣＵ４０に対し、ＥＧＲ量を増加させるように指示する指示信号を出力するとともに、グロープラグ２０に通電し、発熱抵抗体２１の温度が目標温度となるように維持する。ここで、ＥＣＵ４０が指示信号を受け、ＥＧＲスロットル７２の開度を指示された増分に合わせて大きくしたとしても、実際に、排気ガスの混入量が増加された空気が気筒１１内に導入され、ＮＯｘ低減に効果を発揮し始めるまでにはタイムラグが生ずる。また、グロープラグ２０への通電を開始してから、発熱抵抗体２１の温度が目標温度に達するまでも同様に、タイムラグが生ずる。一方、過渡状態に移行してから（負荷が増加し始めてから）エンジン回転数が上昇し、ＮＯｘの発生が増大するまでにもタイムラグがある。本実施例では、図１に示すように、還流通路７０を気筒１１の吸気弁５１および排気弁６１の近くに設けることで、エンジン回転数の上昇とＮＯｘ低減効果の発揮までのタイムラグが本発明の効果を得る上で問題とならないようにしている。グロープラグ２０への通電によって、トルク低下を避けつつＮＯｘ低減効果を発揮させるには、発熱抵抗体２１の昇温速度との関係が重要と言えるのであるが、上記タイムラグを吸収するための手段は、エンジン自体、ＥＧＲスロットルの制御方式、その他補器類等を含めたエンジン構成・制御により左右される。したがって、上記タイムラグが、理想的にはゼロ、もしくは実質的に問題とならないようエンジンを構成したり、制御を行えばよく、その具体的手段は限定されない。

ここで、エンジン１０がアイドリング状態にある場合に、グロープラグ２０への通電を開始してから、発熱抵抗体２１の温度が目標温度に達するまでにかかる時間をＹ［ｓｅｃ．］とする。ただし、アイドリング状態において、グロープラグ２０が非通電の状態であっても発熱抵抗体２１が気筒１１内の熱を受けるため、発熱抵抗体２１の昇温時間Ｙは、エンジン１０の冷間始動時よりも短い。また、アイドリング状態からアクセルペダルを踏み込んでエンジン１０の回転数が全開運転時の回転数（本実施の形態では約３０００ｒｐｍ）に達するまでにかかる時間をＸ［ｓｅｃ．］とする。このとき、後述する実施例２によると、ＮＯｘの発生を効果的に抑制するには、Ｙ／Ｘを０．６以下とすると望ましいことがわかった。さらに、発熱抵抗体２１の目標温度を１２００度に設定した場合、後述する実施例３によると、０．５≦Ｙ≦３．０［ｓｅｃ．］であれば、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できることがわかった。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。本実施の形態では、エンジン１０の冷間始動時の始動補助のためや、始動直後の安定駆動のためのグロープラグ２０への通電が終了してから、通電制御プログラムを実行したが、始動直後の安定駆動のための通電が行われる際に、並行して、通電制御プログラムを実行してもよい。また、本通電制御プログラムを、始動補助や安定駆動のための通電プログラムと統合してもよい。

また、エンジン１０が過渡状態にあるか否かの判断について、本実施の形態では、ＥＣＵ４０から取得するエンジン１０の駆動状態に関する情報を基に、ＧＣＵ３０側で、過渡状態の有無についての解析を行った。このときの判断結果を数回分記憶して、エンジン１０の過渡状態が連続して継続した場合に初めて、エンジン１０が過渡状態にあると判定してもよい。または、過渡状態の有無についての解析をＥＣＵ４０側で行い、ＧＣＵ３０側では、その解析結果を取得するようにしてもよい。

さらに、ＥＣＵ４０から取得するエンジン１０の駆動状態に関する情報に基づいて、運転者の運転傾向を解析し、過渡状態や急変状態への移行を予測できるようにしてもよい。例えば、アクセルペダルの踏み込み量の変化と、エンジン回転数の変化との関係等を記録して公知の手法により解析を行えば、運転者ごとの運転傾向を知ることができる。すると、解析後は、アクセルペダルの踏み込み量の変化をモニタすることで、エンジン１０の駆動状態が過渡状態あるいは急変状態に移行しそうなタイミングを推測することも可能となる。そこで、過渡状態や急変状態に移行しそうな状態を検知したら、先読みでグロープラグ２０への通電を開始するようにすれば、ＥＧＲ量の増加に伴うＮＯｘ発生の低減を、より効果的に行うことができる。また、昇温速度の比較的遅い発熱抵抗体を用いたグロープラグであっても、十分に、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、エンジン１０が急変状態にある場合に、グロープラグ２０への通電とＥＧＲ量の増加の指示を行ったが、過渡状態にある場合でも、グロープラグ２０への通電とＥＧＲ量の増加の指示を行ってもよい。この場合、過渡状態と急変状態とで、発熱抵抗体２１の目標温度とＥＧＲ量の増加量を異ならせるようにしてもよい。

また、エンジン１０の吸排気系は、図１に示したように、還流通路７０を１つ有するタイプのものを例に挙げたが、過給機（タービン６２およびコンプレッサ５４）よりも排気通路６０の下流側の位置と、過給機よりも吸気通路５０の上流側の位置とで接続する第２の還流通路を有するタイプのものであってもよい。

また、発熱抵抗体２１の目標温度を任意に設定できるようにしてもよい。発熱抵抗体２１の目標温度と、エンジン出力を落とさずに増加可能なＥＧＲ量（ＥＧＲスロットル７２の開度の増分（％））とを予め求めておき、テーブル化してＧＣＵ３０のＥＥＰＲＯＭ（図示外）に記憶させておく。通電制御プログラムでは、設定された目標温度に応じたＥＧＲ量をテーブルから読み込んで、指示信号に組み込めばよい。もちろん、負荷増加時に増加させるＥＧＲ量を、任意に設定できるようにしてもよく、この場合は上記のテーブルから、発熱抵抗体２１の目標温度を設定すればよい。

また、本実施の形態では、通電制御装置の一例としてＧＣＵ３０を挙げたが、通電制御装置は、例えばＡＳＩＣ等のチップを用いた電子回路として提供され、ＥＣＵに一体に組み込まれてもよい。その場合には、ＥＣＵを通電制御装置の一例とみなし、ＥＣＵの内部回路でＥＧＲの制御を行う回路を、外部装置とみなせばよく、グロープラグへの通電・非通電を切り替えるＦＥＴ等のスイッチ素子は別途設ければよい。

次に、発熱抵抗体の目標温度の設定と、ＮＯｘ低減効果との関係について、評価を行った。この評価試験では、試験用エンジン（コモンレール式直噴型３Ｌエンジン、ターボチャージャー搭載）をアイドリング状態（約７００ｒｐｍ）で駆動し、その後、アクセルペダルを全開にした。本試験用エンジンのアクセルペダル全開時のエンジン回転数は、約３０００ｒｐｍである。そして、以下の５種類の条件を設定し、それぞれの条件下で排出された排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。
条件１： グロープラグへの通電を行わず、また、ＥＧＲも行わない。
条件２： グロープラグへの通電は行わないが、ＥＧＲスロットルを４．７％開放した状態でＥＧＲを行った。
条件３： 発熱抵抗体の目標温度を１１００度に設定し、グロープラグへの通電を行った。また、エンジンにかかる負荷の状態が条件２の場合と同じ状態となるように、ＥＧＲスロットルの開度を調整した。
条件４： 発熱抵抗体の目標温度を１２００度に設定し、グロープラグへの通電を行った。また、エンジンにかかる負荷の状態が条件２の場合と同じ状態となるように、ＥＧＲスロットルの開度を調整した。
条件５： 発熱抵抗体の目標温度を１３００度に設定し、グロープラグへの通電を行った。また、エンジンにかかる負荷の状態が条件２の場合と同じ状態となるように、ＥＧＲスロットルの開度を調整した。
この試験の結果を図３に示す。

図３に示すように、グロープラグへの通電を行わず、ＥＧＲも行わなかった場合（条件１）と比べ、ＥＧＲ（４．７％）を行った場合（条件２）、ＮＯｘの発生量が大幅に低下した。次に、グロープラグへの通電を行いつつエンジンにかかる負荷の状態が条件２と同様となるようにＥＧＲ量を調整した場合（条件３〜５）、ＥＧＲ量を増加させることができ、ＮＯｘ発生量をさらに低下させることができた。このとき、発熱抵抗体の目標温度が高いほど、ＮＯｘ発生量の低下の度合いが大きかった。ここで、グロープラグへの通電を行わなかった条件２の場合を基準に各条件３〜５の場合のＮＯｘ発生量を比較した。すると、目標温度を１１００度とした条件３の場合のＮＯｘ発生量の低下の度合いと比べ、目標温度を１２００度，１３００度とした条件４，５の場合のＮＯｘ発生量の低下の度合いが、さらに大きいことが確認された。よって、発熱抵抗体の目標温度を１２００度以上に設定すると、より顕著なＮＯｘ低減効果を得られることがわかった。

次に、グロープラグの発熱抵抗体の昇温時間（アイドリング状態におけるエンジンからの受熱による温度から、目標温度に達するまでの時間）と、エンジン回転数の上昇時間（アイドリング状態におけるエンジン回転数から、アクセルペダルを全開に踏み込んで到達する最大回転数に達するまでの時間）との関係について、評価を行った。この評価試験では、まず、実施例１と同様の試験用エンジンをアイドリング状態（本実施例では約７００ｒｐｍ）で駆動させた。次に、アクセルペダルを全開状態に踏み込んで、踏み込み開始からエンジン回転数が最大回転数（全開のときの回転数で、本実施例では約３０００ｒｐｍ）に到達するまでにかかる時間をＸと定義した。この、時間Ｘは、エンジンにかかる負荷（例えば坂道走行、車両重量などの外的負荷や、アクセルペダルの開度、ＥＧＲ量などの内的負荷など）によって変化する。そこで、エンジンにかかる負荷のうち、変動させるものをＥＧＲ量に限定し（他の条件は一定として）、時間Ｘを５秒に設定した。

そして、アクセルペダルとの踏み込みと同時に発熱抵抗体への通電を開始し、発熱抵抗体の温度が、現在の温度（アイドリング状態における燃焼によって熱せられた温度であり、本発明においては「第１温度」に相当する）から目標温度（本発明における「第２温度」に相当するものであり、本試験においては１３００度）に達するまでの時間Ｙが、０．５秒となるようにＰＷＭ制御による調整を行い、目標温度到達後は目標温度で維持した。このときのＹ／Ｘは０．１となる。また、通電と同時に、ＥＧＲ量の増加を行い、時間Ｘが５秒となるように、ＥＧＲスロットルの開度を調整した。その上で、アクセルペダルの踏み込みを開始したときからエンジン回転数が最大回転数に到達するまでの間に排出された排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。同様に、時間Ｙを０．５秒ごと１．０〜４．０秒の範囲で変更し、時間Ｘが５秒となるようにＥＧＲ量の増加量を調整しつつ、各条件のもとで排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。この試験により、Ｙ／Ｘを０．１〜０．８の範囲で０．１ずつ異ならせた８種類の条件下で、それぞれのＮＯｘ濃度を得た。そしてＹ／Ｘが０．１のときのＮＯｘ濃度を１００％とし、Ｙ／Ｘが０．２〜０．８のときの相対的なＮＯｘ濃度の増加量（％）をそれぞれ求めた。この試験の結果を図４に示す。

図４に示すように、Ｙ／Ｘが大きくなるほど、ＮＯｘ濃度の増加量が増えていく傾向がみられ、Ｙ／Ｘが０．６以下の場合はＮＯｘ濃度の増加量を１６０％以下に抑制することができた。しかし、Ｙ／Ｘが０．７では２５０％、０．８では３５０％となって、増加の度合いが、０．１〜０．６までの増加の度合いと比べて大きくなった。Ｙ／Ｘが小さいほどグロープラグを早くに１３００度に昇温でき、その結果、エンジンへの負荷を増やすことなくＥＧＲ量を増加することができ、図４によれば、Ｙ／Ｘが０．６以下であれば、効果的に、ＮＯｘの発生を抑制できることがわかった。つまり、Ｙ／Ｘを０．６以下とすれば、発熱抵抗体の昇温速度とエンジン回転数の上昇速度との良好なバランスが得られ、ＮＯｘの発生を十分に抑制できることがわかった。

さらに、グロープラグの発熱抵抗体の望ましい昇温時間について確認するため、評価を行った。この評価試験では、実施例２と同様の試験を、グロープラグの昇温目標とする温度を１２００度にして行った。具体的に、実施例１と同様の試験用エンジンをアイドリング状態（本実施例では約７００ｒｐｍ）で駆動させ、アクセルペダルを全開に踏み込んで、エンジン回転数が最大回転数（本実施例では約３０００ｒｐｍ）に到達するまでの間に排出された排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を測定した。この濃度測定は、発熱抵抗体の１２００度への昇温時間を０．５秒〜４．０秒の範囲で０．５秒ずつ異ならせた８種類の条件を設定して行った。ＥＧＲ量については実施例２と同様であり、エンジン回転数の上昇時間が各条件間で一定となるように、ＥＧＲスロットルの開度を調整した。そして、発熱抵抗体の１２００度への昇温時間が０．５秒のときのＮＯｘ濃度を１００％とし、昇温時間が１．０〜４．０秒のときの相対的なＮＯｘ濃度の増加量（％）をそれぞれ求めた。この試験の結果を図５に示す。

図５に示すように、発熱抵抗体の昇温に時間がかかるほど、ＮＯｘ濃度の増加量が増えていく傾向がみられ、昇温時間が３．０秒以下ではＮＯｘ濃度の増加量を１７０％以下に抑制することができた。しかし、昇温時間が３．５秒ではＮＯｘ濃度の増加量が２８０％となり、４．０秒では３３３％となって、増加の度合いが、０．５〜３．０秒までの間の増加の度合いと比べて大きくなった。グロープラグを早くに１２００度に昇温できれば、ＥＧＲ量を増加させてもエンジンへの負荷を抑えられ、図５によれば、昇温時間が３．０秒以内であれば、効果的に、ＮＯｘの発生を抑制できることがわかった。また、昇温時間は短いほど好ましいが、昇温時間を０．５秒未満とするには、発熱抵抗体に供給する単位時間辺りの電力を大きくしたり、より高価な材料を用いて急速に昇温することのできる発熱抵抗体を開発する必要があり、製造コストの高騰を招く虞がある。

１０ エンジン
２０ グロープラグ
２１ 発熱抵抗体
３０ ＧＣＵ
４０ ＥＣＵ
５０ 吸気通路
６０ 排気通路
７０ 還流通路
７２ ＥＧＲスロットル

Claims (7)

1. エンジンの吸気通路と排気通路との間を接続する還流通路に設けられた還流弁の開閉を制御して、前記エンジンから排出される排気ガスの一部を吸気側へ還流する還流量を調整する外部装置に接続されるとともに、前記エンジンに取り付けられるグロープラグの有する発熱抵抗体への通電を制御するグロープラグの通電制御装置であって、
   前記エンジンの始動後において、
   前記外部装置から得られる前記エンジンの駆動状態に関する情報に基づいて、前記エンジンにかかる負荷の状態が、低負荷側から高負荷側へ移行する過渡状態にあるか否かを判断する過渡判断手段と、
   前記エンジンにかかる負荷の状態が前記過渡状態にあると判断された場合に、前記発熱抵抗体に通電を行う通電手段と、
   前記発熱抵抗体への通電にあわせ、前記排気ガスの前記還流量を増加させることを報せる報知信号を、前記外部装置に対して出力する出力手段と
   を備えたことを特徴とするグロープラグの通電制御装置。
2. 前記通電手段による前記発熱抵抗体への通電の際に、前記発熱抵抗体の抵抗値を取得する取得手段を備え、
   前記通電手段は、取得された前記発熱抵抗体の抵抗値が、前記発熱抵抗体の昇温目標とする温度に応じた前記発熱抵抗体の目標抵抗値に一致するように、前記発熱抵抗体への通電量を制御することを特徴とする請求項１に記載のグロープラグの通電制御装置。
3. 前記報知信号には、前記発熱抵抗体の昇温目標とする温度に対応させた前記還流量の増加分に関する情報が含まれることを特徴とする請求項２に記載のグロープラグの通電制御装置。
4. 前記エンジンにかかる負荷の状態が前記過渡状態にあると判断された場合に、さらに、前記エンジンにかかる負荷の状態が、所定の移行状態よりも急激に低負荷側から高負荷側へ移行する急変状態にあるか否かを判断する急変判断手段を備え、
   前記通電手段による前記発熱抵抗体への通電と、前記出力手段による前記報知信号の出力とは、前記エンジンにかかる負荷の状態が前記急変状態にあると判断された場合に行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のグロープラグの通電制御装置。
5. 前記通電手段は、前記発熱抵抗体の温度が１２００度以上になるように、前記発熱抵抗体への通電を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のグロープラグの通電制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のグロープラグの通電制御装置に接続されて通電状態を制御されるグロープラグであって、
   前記エンジンの回転数が、アイドリング時の第１回転数から、前記第１回転数より大きい第２回転数に達するまでにかかる時間をＸとし、
   前記発熱抵抗体の温度が、非通電、且つ、アイドリング時に、前記エンジンからの受熱によって熱せられる第１温度から、前記第１温度より高く、前記発熱抵抗体の昇温目標とする第２温度に昇温するまでにかかる時間をＹとしたときに、
   Ｙ／Ｘ≦０．６を満たすことを特徴とするグロープラグ。
7. 前記発熱抵抗体の前記第２温度を１２００度としたときに、
   ０．５≦Ｙ≦３．０［ｓｅｃ．］を満たすことを特徴とする請求項６に記載のグロープラグ。

Images