JP6737207B2 - グロープラグの通電制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、グロープラグの通電制御装置に関し、特に、リレーを備えたグロープラグの通電制御装置に関する。
ディーゼルエンジンなどの圧縮着火の方式の内燃機関においては、燃焼室内に吸入された空気を圧縮することで加熱し、その高温となった空気に燃料を噴射することで燃料を自己着火させて燃焼させている。このような圧縮着火の方式の内燃機関では、エンジン始動時における燃焼室の温度が低いと燃料の着火性が悪くなり、エンジンが始動しにくくなる。そこで、エンジンの始動性を向上させるために、グロープラグを用いて燃焼室等を予め加熱し、燃料の着火性を改善した状態でエンジンを始動することが行なわれている。従来、このグロープラグに流す電流の制御として、グロープラグと電源との間に設けたリレーによるオンオフ制御が行なわれていた(たとえば、特許文献1参照)。
特開2014−196853号公報
リレーによるグロープラグのオンオフ制御は、一般的に、リレーをオン状態とする時間をエンジンの温度(たとえば水温)から決定するタイマー制御として行なわれていた。このタイマー制御の上限時間は、グロープラグおよびリレーの耐故障限界時間によって定められる。近年はグロープラグの耐久性が向上しているため、この上限時間に影響しているのは、リレーの側の耐故障限界時間となっている。
耐故障限界時間の長い(耐久性の高い)リレーは、大電流に、長時間、耐えることができるが、そのサイズ(体格)が大きくなるので搭載性が悪化してしまう。一方で、車両におけるリレーの搭載スペースは限られており、体格の大きなリレーを使用することはできない。このため、タイマー制御の上限時間は、車両のリレー搭載スペースに応じて選択されたリレーのサイズにより決められることになる。従って、エンジン始動時だけでなく、エンジン始動後の通常運転中においてもグロープラグをオン状態として燃料の着火を補助したいという場合に、リレーの耐故障限界時間によってグロープラグを使用できる上限時間が決まってしまうことになるため、グロープラグを十分に活用しきれないという問題があった。
この発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、グロープラグを適切に動作させつつリレーの寿命を延ばすことが可能なグロープラグの通電制御装置を提供することである。
この発明によるグロープラグの通電制御装置は、圧縮着火方式の内燃機関の各気筒に設けられ、通電により発熱するグロープラグと、グロープラグに電力を供給するための電源と、電源からグロープラグへの通電電流を目標デューティ比に従って制御する駆動回路と、電源と駆動回路との間を、電気的に接続した接続状態と、電気的に遮断した遮断状態とを切り替えるリレーと、リレーおよび駆動回路を制御する制御部と、グロープラグへの通電に応じてリレーに流れる電流を目標デューティ比から取得する取得部とを備える。制御部は、リレーが接続状態となりグロープラグへの通電制御が開始されてから所定時間が経過するまでの、取得部で取得したリレーに流れる電流の時間積分値が、予め設定された上限値を超えた場合に、グロープラグに電流が流れないように制御する。上限値は、リレーが接続状態となりグロープラグへの通電制御が開始されてからの経過時間に対応して変化するように設定されたリレーの許容電流値の時間積分値である。
好ましくは、制御部は、リレーが接続状態となりグロープラグへの通電制御が開始されてから所定の時点における取得部で取得したリレーを流れる電流が、所定の時点におけるリレーの許容電流値を超えていた場合に、グロープラグに電流が流れないように制御する。
好ましくは、許容電流値は、リレーが接続状態となってからの経過時間に応じて段階的に小さくなるように設定される。
好ましくは、制御部は、リレーが接続状態となりグロープラグへの通電制御を開始してから所定時間が経過するまでのリレーを流れる電流の時間積分値が所定基準を満たす場合に、リレーを流れる電流の時間積分値が上限値に近付いていると判断し、所定基準を満たす前と比較して、グロープラグへの通電電流を減少させるように目標デューティ比を制御する。
この発明に従えば、グロープラグを適切に動作させつつリレーの寿命を延ばすことが可能なグロープラグの通電制御装置を提供することができる。
本実施の形態におけるグロープラグの通電制御装置の構成の一例の概略を示す図である。 本実施の形態におけるグロー制御処理の流れを示すフローチャートである。 二次電池の電圧ごとのグロープラグの目標温度と目標デューティ比との関係を示す図である。 二次電池の電圧ごとのグロープラグの目標電流と目標デューティ比との関係を示す図である。 リレーの電流値および許容電流値ならびにそれらの時間積分値の関係を示す図である。 リレーを流れる推定電流の電流値が許容電流値を超えた場合を示す図である。 リレーを流れる推定電流の電流値の時間積分値が許容電流値の時間積分値を超えた場合を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
車両などに搭載されるディーゼルエンジンなどの圧縮着火の方式のエンジンにおいては、燃焼室内の空気を圧縮することで加熱し、その空気に燃料を噴射することで着火させる。グロープラグ30は、このような圧縮着火の方式のエンジンの始動性および始動後の燃焼の安定性を向上させるために設けられる。グロープラグ30は、電気ヒータを含み、エンジンの始動前および始動後に、この電気ヒータに通電されることで、燃焼室を加熱する。
図1は、本実施の形態におけるグロープラグ30の通電制御装置の構成の一例の概略を示す図である。図1を参照して、グロープラグ30の通電制御装置は、ECU(Electronic Control Unit)10と、GCU20と、リレー40と、ヒューズ60と、二次電池50とを含む。
二次電池50は、グロープラグ30を含む車両の各装置に電力を供給する電源であり、たとえば、鉛蓄電池である。
ヒューズ60は、ヒューズ60が設けられている電気回路に所定電流以上の電流が流れると、回路を遮断することで、過大電流から回路を保護する。
ECU10は、リレー40およびGCU20を含む車両の各装置を制御する制御装置であり、各センサからの信号に応じて各装置に制御信号を出力する。
リレー40は、ECU10からの制御信号に応じて、二次電池50からグロープラグ30への回路を、電気的に接続された接続状態と、電気的に遮断された遮断状態とのいずれかに切り替える。
ECU10は、吸気温、冷却水の水温および大気圧などに応じて決定される目標発熱量からグロープラグ30への通電電流を制御するための目標デューティ比を決定し、その目標デューティ比を示す制御信号をGCU20に出力する。GCU20は、ECU10からの制御信号で示される目標デューティ比に従って、二次電池50からグロープラグ30への通電電流を制御する。
グロープラグ30には、二次電池50から、ヒューズ60、リレー40、および、GCU20を経由して、電力が供給される。
なお、リレー40を流れる電流を検出し、電流値を示す信号をECU10に出力する電流センサを、リレー40とGCU20との間に設けてもよく、二次電池50とリレー40との間に設けてもよい。そして、後述するリレーを流れる推定電流に変えて、電流センサによって検出される電流を用いてもよい。
以上のような構成においては、リレー40によるグロープラグ30のオンオフ制御は、一般的に、リレー40をオン状態とする時間をエンジンの温度(たとえば水温)から決定するタイマー制御として行なわれていた。このタイマー制御の上限時間は、グロープラグ30およびリレー40の耐故障限界時間によって定められる。近年はグロープラグ30の耐久性が向上しているため、この上限時間に影響しているのは、リレー40の側の耐故障限界時間となっている。
耐故障限界時間が長い(耐久性の高い)リレー40は、大電流を、長時間、流すことができるリレー40である。リレー40は、耐久電流が大きくなるほど、サイズが大きくなるという傾向がある。このため、耐久性の高いリレー40を選択すると、よりサイズの大きいリレー40を選択することとなる。しかし、車両においてはリレー40を搭載するスペースに制限を受けることが多いので、そのような場合、許容されたスペースに応じて限定されたサイズのリレー40を選択することになる。リレー40に関しては、サイズが小さい程、通常、耐久性が低い。このようなリレー40を経由してグロープラグ30に、長時間、電流を流し続けると、リレー40の寿命を短くしてしまう。
そこで、本実施の形態では、ECU10が、グロープラグ30に流れる電流を制御する際に、グロープラグ30への通電制御に伴ないリレー40に流れる電流を時間積分した値が、予め設定された上限値に達した場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御するものとしている。上限値は、リレー40が接続状態になってからの経過時間に応じて変化するように設定された許容電流値の時間積分値である。また、リレー40が接続状態になってから所定時間が経過した時点のリレー40を流れる電流が、リレー40の許容電流値を超えた場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御する。これにより、タイマー制御を行なうことなく、グロープラグ30を適切に動作させつつリレー40の寿命を延ばすことができる。
図2は、本実施の形態におけるグロー制御処理の流れを示すフローチャートである。グロー制御処理は、ECU10が、リレー40を流れる電流を時間積分した値が、リレー40が接続状態になる経過時間に応じて変化するように設定された上限値に達した場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御するとともに、リレー40を流れる電流が、リレー40が接続状態になる経過時間に応じて変化するように設定された上限値に達した場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御する処理である。図2を参照して、このグロー制御処理は、ECU10によってリレー40が接続状態とされた後、たとえば、ECU10によって所定周期で繰返し実行されるメイン処理から読出されてサブルーチンとして実行される。
まず、ECU10は、燃焼室への吸気経路に設けられる吸気温センサからの信号に応じた吸気温、エンジンを冷却する冷却水の循環経路に設けられる水温センサからの信号に応じた水温、および、大気圧を測定する大気圧センサからの信号に応じた大気圧から、グロープラグ30の目標温度を決定する(ステップ(以下、ステップをSと記載する)101)。燃焼室の壁面の温度は、これらの吸気温、水温および大気圧から推定できる。これにより、燃焼室の壁面の温度に応じたグロープラグの目標温度を決定することができる。
次に、ECU10は、S101で決定されたグロープラグ30の目標温度、および、二次電池50の電圧を測定する電圧センサからの信号に応じた二次電池50の電圧から、グロープラグ30の目標デューティ比を決定する(S102)。
図3は、二次電池50の電圧ごとのグロープラグ30の目標温度と目標デューティ比との関係を示す図である。図3を参照して、ECU10のROM(Read Only Memory)には、図3で示す関係をマップ化した二次電池50の電圧ごとのテーブルが記憶されている。図3の「7」から「15」の数字は二次電池50の電圧を示す。ECU10は、ROMに記憶された二次電池50の電圧に近い電圧に対応する、目標温度と目標デューティ比とのテーブルにおいて、グロープラグ30の目標温度に対応する目標デューティ比を読み出すことで決定する。
図2に戻って、ECU10は、S102で決定された目標デューティ比に従ってグロープラグ30の通電制御を行なうよう、リレー40およびGCU20を制御する(S110)。具体的には、ECU10は、リレー40を遮断状態から接続状態に切り替えるとともに、決定された目標デューティ比でグロープラグ30への通電制御を実行する信号を、GCU20に出力する。これに応じて、GCU20は、目標デューティ比に応じてグロープラグ30への通電制御を実行する。
これにより、グロープラグ30による燃焼室の予熱が開始され、予熱が終了すると、エンジンが始動される。エンジンの始動後も、失火が起こらないようにして燃焼の安定性を向上させるために、始動前と同様、グロープラグ30の加熱が継続される。
図2に戻って、ECU10は、S102で決定された目標デューティ比、および、S102で用いた二次電池50の電圧から、グロープラグ30の通電制御時におけるリレー40に流れる推定電流を取得する(S111)。
図4は、グロープラグ30への通電制御時における二次電池50の電圧ごとのリレー40に流れる推定電流と目標デューティ比との関係を示す図である。図4を参照して、ECU10のROMには、図4で示す関係をマップ化した二次電池50の電圧ごとのテーブルが記憶されている。図4において、実線は二次電池50の電圧が7Vの場合を示し、破線は二次電池50の電圧が11Vの場合を示す。ECU10は、ROMに記憶された7Vと11Vとの電圧に対応する、リレー40に流れる推定電流と目標デューティ比とのテーブルにおいて、グロープラグ30の目標デューティ比に対応する推定電流を読み出し、二次電池50の電圧に対応するように補間することで、二次電池50の電圧に対応するリレー40に流れる推定電流を取得する。
そして、ECU10は、水温センサからの信号で示される冷却水の水温が、失火が起こり難い燃焼室の壁面の温度に対応する水温である所定温度に達したか否かを判断する(S112)。水温が所定温度に達した(S112でYES)と判断した場合、ECU10は、グロープラグ30への通電制御を終了する(S113)。具体的には、GCU20によるグロープラグ30への通電制御を停止させる信号(目標デューディ比を0とする信号)をGCU20に送信する。これに応じて、GCU20は、目標デューティ比を0とすることによって、グロープラグ30への通電制御を停止する。なお、エンジンが始動されている状態の場合は、S113において、リレー40を接続状態から遮断状態に切り替えるようにしてもよい。
一方、水温が所定温度に達していない(S112でNO)と判断した場合、ECU10は、リレー40に流れる推定電流の電流値を時間積分する(S114)。具体的には、ECU10は、リレー40が接続状態にされてからの制御周期ごとの推定電流の電流値に制御周期の時間を掛けたものを積算していくことで、リレー40に流れる推定電流の電流値を時間積分した時間積分値(以下、実積分値という)を算出する。
図5は、リレー40の推定電流の電流値および許容電流値ならびにそれらの時間積分値の関係を示す図である。図5を参照して、リレー40に流れる推定電流の電流値は、目標デューティ比が変更されない限り、図5(B)で示されるように、一定の推定電流となる。
リレー40の寿命を延ばすためには、このリレー40を流れる推定電流の電流値が、接続状態とされてからの経過時間に応じた上限値である許容電流値を超えないようにするとともに、この電流値の時間積分値が、許容電流値の時間積分値を超えないようにする。
図5(A)は、リレー40が接続状態とされ、グロープラグ30への通電制御を開始してからの経過時間に応じた許容電流値の変化を示す。この許容電流値は、実験などにより予め設定される。図5(A)で示されるように、接続状態とされた直後の非常に短い期間は、比較的、大きな第1の許容電流以下の電流が許容されるが、その後の短い期間は、その第1の許容電流よりは小さく、定格電流よりは大きい第2の許容電流以下の電流が許容され、その後の期間は、定格電流以下の電流が許容される。このようにリレー40の許容電流値は、リレー40が接続状態となってからの経過時間に応じて段階的に小さくなるように設定されている。
図5(C)は、リレー40が接続状態とされてからの経過時間に応じた許容電流値の時間積分値(以下、許容積分値という)の変化を示す。図5(D)は、リレー40が接続状態とされてからの経過時間に応じたリレー40を流れる推定電流の積分値(以下「実積分値」という)を示す。
グロープラグ30の通電制御装置の設計段階においては、通常の制御において、接続状態とされてからの経過時間に応じた電流値および実積分値が、それぞれ、許容電流値および許容積分値を超えないように、リレー40、GCU20およびグロープラグ30が選定される。しかし、通電制御装置の使用状況に応じて、接続状態とされてからの経過時間に応じたリレー40を流れる電流値および実積分値が、それぞれ、許容電流値および許容積分値を超える状況が生じ得る。
図2に戻って、ECU10は、実積分値が許容積分値を超えたか否かを判断する(S115)。実積分値が許容積分値を超えていない(S115でNO)と判断した場合、ECU10は、実積分値が、許容積分値を所定倍(本実施の形態では0.8倍とする。)した値を超えたか否かを判断する(S116)。実積分値が許容積分値を所定倍した値を超えていない(S116でNO)と判断した場合、ECU10は、リレー40を流れる推定電流の電流値が、リレー40が接続状態とされてからの経過時間に対応する許容電流値を超えたか否かを判断する(S117)。
実積分値が許容積分値を超えた(S115でYES)と判断した場合、ECU10は、前述のS113の処理を実行する。リレー40を流れる推定電流の電流値が許容電流値を超えた(S117でYES)と判断した場合、ECU10は、S113と同様、グロープラグ30への通電制御を終了する(S118)。これにより、リレー40の寿命が短くなるなどの影響を回避することができる。
図6は、リレー40を流れる推定電流の電流値が許容電流値を超えた場合を示す図である。図6を参照して、リレー40を流れる推定電流の電流値が、接続状態とされてからの経過時間に対応する許容電流値を超えたことによって、GCU20によって制御されている目標デューティ比が0にされ、グロープラグ30への電流が遮断される。
図7は、リレー40を流れる推定電流の電流値の時間積分値が許容電流値の時間積分値を超えた場合を示す図である。図7を参照して、実積分値が許容積分値を超えたことによって、GCU20によって制御されている目標デューティ比が0にされ、グロープラグ30への電流が遮断される。
図2に戻って、実積分値が許容積分値を所定倍した値を超えた(S116でYES)と判断した場合、ECU10は、グロープラグ30の目標温度を所定温度(本実施の形態では一例として100Kとする。)下げる(S119)。その後、ECU10は、実行する処理をS102に戻す。これにより、グロープラグ30の目標温度が下げられた状態でグロープラグ30による燃焼室の加熱が継続される。
[変形例]
(1) 前述した実施の形態においては、図2で示したグロー制御処理において、実積分値が許容積分値を超える場合に、グロープラグ30への通電制御を終了する処理(S115でYESの場合にS113を実行する処理)、実積分値が許容積分値を所定倍した値を超える場合に、グロープラグ30の目標温度を所定温度下げる処理(S116でYESの場合にS119を実行する処理)、および、リレー40を流れる推定電流の電流値が許容電流値を超える場合に、グロープラグ30への通電制御を終了する処理(S117でYESの場合にS118を実行する処理)のすべてを含むようにした。しかし、これに限定されず、グロー制御処理が、これらの3つの処理のうちの少なくともいずれか1つを含むようにしてもよい。
(2) 前述した実施の形態においては、グロープラグ30の通電制御装置は、GCU20を備えることとした。しかし、これに限定されず、GCU20を備えないものであってもよい。この場合は、図2で示したグロー制御処理において、S101、S102、S111、S116、および、S119は含めないようにして、S110において、グロープラグ30に電流を流すようにリレー40を接続状態に制御するようにするとともに、リレー40には、ほぼ一定電流が流れるので、S114において、その一定電流を時間積分して、S113およびS118において、グロープラグ30に電流を流さないようにするためにリレー40を接続状態から遮断状態に切り替える。
[まとめ]
以上で説明した実施の形態を以下にまとめる。図1で示したように、グロープラグ30の通電制御装置は、圧縮着火方式の内燃機関の各気筒に設けられ、通電により発熱するグロープラグ30と、グロープラグ30に電力を供給するための二次電池50と、二次電池50からグロープラグ30への通電電流を目標デューティ比に従って制御するGCU20と、二次電池50とGCU20との間を、電気的に接続した接続状態と、電気的に遮断した遮断状態とを切り替えるリレー40と、リレー40およびGCU20を制御するECU10とを備え、図2のS111で示したように、グロープラグ30への通電に応じてリレー40に流れる推定電流を目標デューティ比から取得する。
図2のS115およびS113で示したように、ECU10は、リレー40が接続状態となりグロープラグ30への通電制御が開始されてから所定時間が経過するまでの、取得した推定電流の時間積分値が予め設定された上限値を超えた場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御する。上限値は、リレー40が接続状態となりグロープラグ30への通電制御が開始されてからの経過時間に対応して変化するように設定されたリレー40の許容電流値の時間積分値である。
これにより、グロープラグ30を適切に動作させつつ、リレー40の寿命を延ばすことができる。
また、図2のS117およびS118で示したように、ECU10は、リレー40が接続状態となりグロープラグ30への通電制御が開始されてから所定の時点における取得した推定電流が、所定の時点におけるリレー40の許容電流値を超えていた場合に、グロープラグ30に電流が流れないように制御する。
また、図5(A)で示したように、許容電流値は、リレー40が接続状態となってからの経過時間に応じて段階的に小さくなるように設定される。
さらに、図2のS116およびS119で示したように、ECU10は、リレー40が接続状態となりグロープラグ30への通電制御を開始してから所定時間が経過するまでのリレー40を流れる推定電流の時間積分値が所定基準である、リレー40に流れる推定電流を時間積分した時間積分値が許容電流値の時間積分値を所定倍(前述の実施の形態では0.8倍)した値を超えるとの条件を満たす場合に、リレー40を流れる電流の時間積分値が上限値に近付いていると判断し、所定基準を満たす前と比較して、グロープラグ30への通電電流を減少させるように目標デューティ比を制御する。
これにより、リレー40の寿命を延ばすように制御しつつ、できるだけ長くグロープラグ30により燃焼室を加熱することができる。
前述した実施の形態においては、グロープラグ30の通電制御装置として発明を説明した。しかし、これに限定されず、このようなグロープラグ30の通電制御装置を備える内燃機関および車両として発明を捉えることができる。また、グロープラグ30の通電制御装置の制御方法として発明を捉えることができる。
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10 ECU、20 GCU、30 グロープラグ、40 リレー、50 二次電池、60 ヒューズ。

Claims (4)

  1. 圧縮着火方式の内燃機関の各気筒に設けられ、通電により発熱するグロープラグと、
    前記グロープラグに電力を供給するための電源と、
    前記電源から前記グロープラグへの通電電流を目標デューティ比に従って制御する駆動回路と、
    前記電源と前記駆動回路との間を、電気的に接続した接続状態と、電気的に遮断した遮断状態とを切り替えるリレーと、
    前記リレーおよび前記駆動回路を制御する制御部と、
    前記グロープラグへの通電に応じて前記リレーに流れる電流を前記目標デューティ比から取得する取得部とを備え、
    前記制御部は、前記リレーが接続状態となり前記グロープラグへの通電制御が開始されてから所定時間が経過するまでの、前記取得部で取得した前記リレーに流れる電流の時間積分値が、予め設定された上限値を超えた場合に、前記グロープラグに電流が流れないように制御し、
    前記上限値は、前記リレーが接続状態となり前記グロープラグへの通電制御が開始されてからの経過時間に対応して変化するように設定された前記リレーの許容電流値の時間積分値である、グロープラグの通電制御装置。
  2. 前記制御部は、前記リレーが接続状態となり前記グロープラグへの通電制御が開始されてから所定の時点における前記取得部で取得した前記リレーを流れる電流が、前記所定の時点における前記リレーの許容電流値を超えていた場合に、前記グロープラグに電流が流れないように制御する、請求項1に記載のグロープラグの通電制御装置。
  3. 前記許容電流値は、前記リレーが接続状態となってからの経過時間に応じて段階的に小さくなるように設定される、請求項1または請求項2に記載のグロープラグの通電制御装置。
  4. 前記制御部は、前記リレーが接続状態となり前記グロープラグへの通電制御を開始してから所定時間が経過するまでの前記リレーを流れる電流の時間積分値が所定基準を満たす場合に、前記リレーを流れる電流の時間積分値が前記上限値に近付いていると判断し、前記所定基準を満たす前と比較して、前記グロープラグへの通電電流を減少させるように前記目標デューティ比を制御する、請求項1から請求項3のいずれかに記載のグロープラグの通電制御装置。
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