KR20110015400A - 글로 플러그의 통전 제어장치 및 발열 시스템 - Google Patents

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KR20110015400A
KR20110015400A KR1020100075942A KR20100075942A KR20110015400A KR 20110015400 A KR20110015400 A KR 20110015400A KR 1020100075942 A KR1020100075942 A KR 1020100075942A KR 20100075942 A KR20100075942 A KR 20100075942A KR 20110015400 A KR20110015400 A KR 20110015400A
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다카유키 사쿠라이
히로키 츠치야
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 와류 등에 의한 온도 저하를 억제하고, 목표 온도를 안정적으로 유지한다.
(해결수단) GCU(21)는, 글로 플러그(1)의 보정 전 저항값을 취득하고, 보정 전 저항값으로부터 목표 저항값 중간값(R4)을 설정한다. 또, 전압 온도 관계식을 이용해서 기준 실효 전압(V0)을 설정하고, 저항 온도 관계식을 이용해서 기준 저항값(R0)을 설정한다. 내연기관의 구동시에 있어서의, 글로 플러그에 대한 인가 전압과 그 저항값의 관계에 의거해서 얻어진, 글로 플러그에 대한 인가 전압에 대응하는, 글로 플러그(1)의 저항값과 기준 저항값(R0)의 차이값에 의거한 저항 보정값의 관계를 나타내는 보정식을 이용해서, 상기 저항 보정값으로부터 와류 보정값(R5)을 설정한다. 엔진의 구동 후, 목표 저항값 중간값(R4) 및 와류 보정값(R5)으로부터 목표 저항값(RTAR)을 설정하고, 기준 실효 전압(V0) 및 목표 저항값(RTAR)에 의거해서 글로 플러그(1)에 인가해야 할 제어 실효 전압(V1)을 결정한다.

Description

글로 플러그의 통전 제어장치 및 발열 시스템{Energization Control Apparatus for Glow Plug and Heat Generation System}
본 발명은, 디젤 엔진의 예열 등에 사용하는 글로 플러그의 통전 제어장치, 및 통전 제어장치를 구비해서 이루어지는 발열 시스템에 관한 것이다.
종래, 자동차 등의 엔진의 시동을 보조하거나 안정적인 구동을 위해, 통전에 의해 발열하는 글로 플러그가 사용되고 있다. 글로 플러그는, 예를 들면, 발열 저항체(발열 코일이나 세라믹 히터 등)와 발열 저항체에 공급되는 전력의 경로가 되는 제어 코일, 리드부(중축(中軸)) 및 금속쉘(metallic shell) 등을 구비해서 구성된다. 이러한 글로 플러그에 대한 통전의 제어방식으로서는, 정전력(定電力) 제어방식이나 저항값 제어방식이 알려져 있다.
정전력 제어방식은, 글로 플러그에 인가한 전압 및 전류로부터 투입한 전력을 구하고, 거듭 이것을 적분해서 구한 적산(積算) 전력량이 소정의 전력량이 되도록, 글로 플러그에 대한 통전을 행하는 제어방식이다. 이 제어방식에 의하면, 투입된 전력량에 따라 글로 플러그가 발열하기 때문에, 소정의 전력량을 투입하면, 글로 플러그를 소정의 온도로 할 수 있다.
그러나, 엔진의 회전수나 부하(스로틀 개방도), 수온의 변화 등에 의한 외란(外亂)에 수반해서 글로 플러그의 발열 저항체가 냉각된 경우 등, 글로 플러그가 외부로부터의 온도 영향을 받았을 경우에는, 온도를 일정하게 유지하는 것이 어렵다. 따라서, 온도를 일정하게 유지하기 위해서는, 예를 들면 ECU로부터 엔진 회전수나 부하 등의 정보를 얻음과 아울러, 해당 정보에 의거해서 인가하는 실효(實效) 전압을 제어할 필요가 있다(예를 들면, 특허문헌 1 등 참조).
그러나, 통전을 제어함에 있어서, 엔진의 회전수나 부하, 수온 등의 각종 파라미터의 변화에 대응해서 인가해야 할 실효 전압을 산출하는 것은 작업량의 증대를 야기할 우려가 있다. 이러한 것들을 실제로 구현하기 위해서는, 단위시간당 처리량이 높은 마이크로컴퓨터를 사용한 통전 제어장치를 제작하는 것 등에 따른 제조원가 상승이 불가피하다. 이것에 대해서, 작업량의 경감을 도모할 수 있도록, 상기 각종 파라미터 및 목표 온도로부터 인가해야 할 실효 전압을 일의적(一義的)으로 결정 가능한 맵을 작성하고, 이 맵에 의거해서 통전을 제어하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 맵을 작성할 때, 상기한 각종 파라미터를 감안해서 복잡한 처리를 할 필요가 있으므로, 결국, 작업량의 증대를 피할 수 없다. 혹은, 상기 맵을 작성하는데 필요한 공정이 길어지는 등, 제품 제작에 있어서의 공정수의 증대를 피할 수 없다.
한편, 저항값 제어방식은, 글로 플러그의 저항값이, 목표 온도에 대응한 목표 저항값에 가까워지도록, 글로 플러그에 대한 통전을 제어하는 방식이다. 이 제어방식에 의하면, 글로 플러그에 외란에 의한 온도변화의 영향이 있어도, 그 외란에 수반한 글로 플러그의 저항값 변동에 대응해서, 인가하는 실효 전압을 변동시키면 된다. 따라서, 상기한 방식에 비해 작업량의 증대를 야기하지 않고, 글로 플러그를 비교적 용이하게 일정 온도로 유지할 수 있게 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개공보 제2004-278513호
그러나, 세계적으로 환경 의식이 높아지는 현재, 종래의 저항값 제어방식에서는 상기 외란에 대한 글로 플러그의 온도제어가 불충분한 것이 우려된다. 즉, 종래의 저항값 제어방식에서는, 글로 플러그의 저항값의 변동이, 글로 플러그 중 주로 발열하는 부분인 발열 저항체에서만 모두 발생하는 것이라는 전제 하에서, 상기 발열 저항체의 저항값의 변동에 대응한 만큼 통전량을 변화시키기 위한 목표 저항값을 설정하고, 글로 플러그가 그 목표 저항값을 가지도록 통전을 행하는 방식이었다. 그러나, 글로 플러그의 저항값으로서 계측되는 값(이하, 「글로 플러그 전체의 저항값」이라고도 한다)은, 발열 저항체의 저항값뿐만 아니라, 발열 저항체의 저항값에, 제어 코일 및 리드부나, 글로 플러그에 접속되는 전력 공급용 하니스(harness)의 저항값, 또, 금속쉘의 저항값도 더한 값이 된다. 따라서, 예를 들면, 엔진의 구동(크랭킹(cranking)의 개시) 후에, 연소실 내에서 발생하는 와류 등의 외란에 의해, 글로 플러그의 발열 저항체가 부분적으로 냉각된 경우 등에는, 발열 저항체의 온도 저하에 수반해서, 발열 저항체의 저항값이 감소하게 되지만, 글로 플러그 전체의 저항값은 그만큼 감소하지 않는다. 따라서, 저항값의 감소에 대응한 만큼 투입 전력(실효 전압)을 증가시켰다고 해도, 증가해서 투입된 전력이 제어 코일 등의 발열 등에 사용되어, 발열 저항체의 온도를 와류 등의 영향에 의해 저하된 만큼 상승시키지 못하고, 나아가서는, 글로 플러그의 온도를 목표 온도로 유지하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 종래에는 이와 같이 연소실 내에서 발생한 외란이 글로 플러그에 미치는 영향에 대한 검토가 충분히 이루어지지 않았고, 보다 높은 정도(精度)의 온도제어가 이루어지지 않았던 것이다.
이 현상의 이해를 돕기 위해, 수치를 예시해서 설명한다. 우선, 글로 플러그 전체의 저항값이 1.2Ω으로 유지되고, 일정한 발열이 이루어지고 있는 상황을 상정한다. 글로 플러그 전체의 저항값이 1.2Ω으로 유지되어 있는 것은, 통전 제어장치에 의해 산출·계측함으로써 확인할 수 있다. 이때, 글로 플러그 전체의 저항값 중, 저항 발열체가 가지는 저항값이 1.0Ω이라고 하면, 제어 코일이나 리드부 등의 잔여 부분이 가지는 저항값은 0.2Ω이다. 이 상황에 대해서, 외란에 의해 발열 저항체가 국소적으로 냉각되는 사태가 발생한 것을 상정한다. 그러면, 발열 저항체가 가지는 저항값이 예를 들어, 0.9Ω으로 저하한다. 따라서, 글로 플러그 전체의 저항값은 1.1Ω이 된다. 발열 저항체만이 국소적으로 냉각된 것이므로, 잔여 부분이 가지는 저항값이 0.2Ω에서 변동하지 않았기 때문이다.
이때 종래의 저항값 제어방식에서는, 글로 플러그의 발열 온도를 유지할 수 있도록, 글로 플러그 전체의 저항값을 목표 저항값으로서 규정되어 있는 1.2Ω으로 되돌리기 위해, 글로 플러그에 투입하는 전력을 증가시킨다. 이와 같이 해서, 계측되는 글로 플러그 전체의 저항값이 1.2Ω이 되는 것이 실현되는 것이다. 그러나, 투입 전력의 증가분 전체가, 발열 저항체에서 사용될 보증은 없고, 발열 저항체와 잔여 부분의 각각에서 투입 전력의 증가분이 사용되는 것을 생각할 수 있다. 즉, 주로 발열 저항체에서 발열이 이루어지는 한편, 잔여 부분에서도 미약한 발열이 이루어지는 사태이다. 그 결과, 발열 저항체가 가지는 저항값이 예를 들어, 0.9Ω ~ 0.95Ω이 되고, 잔여 부분이 가지는 저항값은 0.25Ω이 된다.
이와 같이 글로 플러그 전체의 저항값이 1.2Ω이 됨으로써, 마치 외란이 발생하기 전과 같은 발열이 이루어지고 있는 것처럼 보여도, 실제로는, 외란이 발생한 후에는 외란이 발생하기 전에 비해 발열 저항체가 발하는 온도가 저하된 것이다. 또한, 여기에서 사용한 수치는 편의적으로 예시한 것이며, 실제의 수치와 다른 것에 문제는 없다.
본 발명은, 상기 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 글로 플러그의 저항값이 목표 저항값에 일치하도록 통전을 제어하는 저항값 제어방식에 의해, 글로 플러그에 대한 통전을 제어하는 글로 플러그의 통전 제어장치에 있어서, 와류 등의 외란에 의한 온도 저하를 억제할 수 있고, 목표 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 글로 플러그의 통전 제어장치 및 발열 시스템을 제공하는 것에 있다.
이하, 상기한 목적을 해결하는데 적합한 각 구성에 대해, 항목을 나눠서 설명한다. 또한 필요에 따라 대응하는 구성에 특유의 작용 효과를 부기한다.
구성 1. 본 구성의 글로 플러그의 통전 제어장치는,
통전에 의해 발열함과 아울러, 자신의 온도변화에 따라 자신의 저항값이 변화하는 글로 플러그에 대해서, 상기 글로 플러그의 저항값이 소정의 목표 저항값과 일치하도록 통전을 제어하는 저항값 제어방식에 의해, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압을 제어하는 글로 플러그의 통전 제어장치에 있어서,
상기 글로 플러그의 저항값이, 상기 글로 플러그의 발열 저항체의 저항값과, 이 발열 저항체 이외의 저항 부위의 저항값의 합계에 의거해서 얻어지는 것이며,
상기 글로 플러그에 전력을 투입했을 때에 있어서의, 상기 저항 부위가 미치는 영향을 고려해서, 상기 목표 저항값을 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 「저항 부위」로서는, 예를 들면, 발열 저항체에 대한 통전 경로가 되는 제어 코일 및 리드부나, 글로 플러그에 접속되는 전력 공급용 하니스 등을 들 수 있다. 즉, 「저항 부위」란, 글로 플러그의 저항값을 측정하기 위해 사용되는 전류 등의 계측 수단(예를 들면, 전력 검지 기능을 구비한 FET나 션트(shunt) 저항 등)에서 발열 저항체에 이르는 통전 경로 등을 구성하는 것을 말하며, 상기한 종래 방식의 설명에 있어서의 잔여 부분에 상당한다.
본 구성 1에 의하면, 제어 코일 등의 저항 부위에서 일어나는 발열 등의 영향을 고려해서 목표 저항값이 설정된다. 따라서, 와류 등의 영향에 의해 발열 저항체가 부분적으로 냉각된 경우이더라도, 예를 들면, 저항 부위에서 소비되는 전력만큼 투입 전력을 증가시키는 것 등에 의해, 발열 저항체를 목표 온도로 유지하기 위해 투입해야 할 전력을, 발열 저항체에 보다 확실하게 투입할 수 있다. 이것에 의해, 글로 플러그(발열 저항체)에 대해서, 와류 등에 의한 온도 저하를 억제할 수 있고, 목표 온도를 안정적으로 유지할 수 있다.
앞서와 같이 수치를 이용해서 본 구성을 설명하면, 목표 저항값을 외란이 발생하기 전인 1.2Ω으로 설정하는(되돌리는) 것이 아니고, 예를 들면, 1.3Ω으로 설정하는 것이다. 이것에 의해, 발열 저항체가 가지는 저항값이 1.0Ω이 되고, 잔여 부분이 가지는 저항값은 0.3Ω이 된다. 글로 플러그 전체의 저항값은 외란이 생기는 전후에서 0.1Ω 다르지만, 주로 연소실의 가열에 기여하는 발열 저항체가 가지는 저항값은, 외란이 생기기 전후에서 변화가 없으므로, 온도를 유지하는 것이 가능하게 되는 것이다.
구성 2. 본 구성의 글로 플러그의 통전 제어장치는,
상기 구성 1에 있어서,
상기 발열 저항체에 온도변화를 가져오는 외란의 변화량의 정보에 의거해서 상기 저항 부위가 미치는 영향을 고려함으로써, 상기 목표 저항값을 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 「온도변화를 가져오는 외란의 변화량의 정보」란, 상기한 와류의 강도가 변화하는 요인이 되는, 흡/배기 밸브를 개방하는 시점을 제어하는 정보나, 에어 플로 센서 등의 유속, 연료 분사량의 변화 등, 글로 플러그가 배치된 연소실에 변화를 주는 모든 외란을 의미하는 것이다.
상기 구성 2에 의하면, 상기 구성 1과 같이 글로 플러그의 온도를 보다 높은 정도로 제어할 수 있게 된다. 따라서, 예를 들어 와류의 변화, 즉 발열 저항체의 온도가 변화하는 속도의 차이에 대응해서, 적절한 목표 저항값을 설정할 수 있게 되는 것이다.
구성 3. 본 구성의 글로 플러그의 통전 제어장치는,
통전에 의해 발열함과 아울러, 자신의 온도변화에 따라 자신의 저항값이 변화하는 글로 플러그에 대해서, 상기 글로 플러그의 저항값이 소정의 목표 저항값과 일치하도록 통전을 제어하는 저항값 제어방식에 의해, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압을 제어하는 글로 플러그의 통전 제어장치에 있어서,
상기 글로 플러그가 부착되는 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에, 상기 글로 플러그에 통전을 행함으로써, 상기 글로 플러그의 제 1 저항값을 취득하는 제 1 취득수단과,
적어도 상기 제 1 저항값에 의거해서 상기 목표 저항값의 중간값을 설정하는 중간값 설정수단과,
상기 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압과 상기 글로 플러그의 온도의 관계를 나타내는 제 1 관계식을 이용해서, 상기 글로 플러그를 목표 온도로 하기 위해 인가해야 할 전압인 기준 실효 전압을 설정하는 기준 실효 전압 설정수단과,
상기 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그의 저항값과 상기 글로 플러그의 온도의 관계를 나타내는 제 2 관계식을 이용해서, 상기 글로 플러그의 목표 온도에 대응하는 상기 글로 플러그의 저항값인 기준 저항값을 설정하는 기준 저항값 설정수단과,
상기 내연기관이 구동되고 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압과 상기 글로 플러그의 저항값의 관계에 의거해서 얻어진, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압에 대응하는, 상기 글로 플러그의 저항값과 상기 기준 저항값의 차이값에 의거한 저항 보정값의 관계를 나타내는 제 3 관계식을 이용해서, 상기 저항 보정값으로부터 외란 보정값을 설정하는 보정값 설정수단과,
상기 내연기관의 구동 개시 후에 있어서, 상기 목표 저항값의 중간값 및 상기 외란 보정값을 이용해서, 상기 목표 저항값을 설정하는 목표 저항값 설정수단과,
상기 기준 실효 전압 및 목표 저항값에 의거해서, 글로 플러그에 인가해야 할 실효 전압을 결정하는 실효 전압 결정 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 관계식은, 내연기관의 구동을 정지시킨 상태(외란이 없는 상태)에 있어서의, 글로 플러그에 인가하는 실효 전압과, 이 실효 전압이 인가되었을 때의 글로 플러그의 온도의 관계에 의거해서 도출할 수 있고, 예를 들면, 도 9에 나타낸, 소정의 1차의 상관관계를 가지는 식으로서 나타낼 수 있다.
또한, 제 2 관계식은, 내연기관의 구동을 정지시킨 상태(외란이 없는 상태)에서, 글로 플러그를 소정의 온도로 하기 위해 필요한 전력량을 투입하고, 그때의 글로 플러그의 저항값을 계측함으로써 도출할 수 있고, 예를 들면, 도 10에 나타낸 소정의 1차식으로서 나타낼 수 있다.
또한, 제 3 관계식은, 내연기관을 구동시킨 상태(외란이 있는 상태)에서, 예를 들면, 수온을 일정하게 해서 실효 전압과 엔진 회전수나 부하(스로틀 개방도)를 여러 가지로 변경함으로써 얻어진 글로 플러그의 저항값과 실효 전압의 관계식, 및 내연기관의 구동을 정지시킨 상태에 있어서의, 글로 플러그의 저항값과 실효 전압의 관계식을 이용해서 얻을 수 있다. 예를 들면, 제 3 관계식은, 도 12에 나타낸, 구동시의 실효 전압과 비 구동시의 실효 전압(기준 실효 전압 등 )의 차이값(실효 전압 차이값)과, 구동시의 저항값과 비 구동시의 저항값의 차이값에 의거한 저항 보정값이 소정의 상관관계를 가지는 것으로서 나타낼 수 있다.
덧붙여서, 「내연기관의 구동이 정지되어 있을 때」라는 것은, 내연기관의 동작이 정지해 있을 때에 부가해서, 예를 들면, 내연기관이 아이들링(IDLING)상태에 있을 때 등, 외란이 안정되어 있을 때도 포함한다.
상기 구성 3에 의하면, 상기 구성 1과 같이, 글로 플러그의 저항값에 의거해서 온도제어를 행할 수 있다. 이것에 부가해서, 정전력 제어방식을 이용할 때에 필요하게 되는 고도한 통신수단을 설치할 필요가 없으므로, 제조원가의 상승을 억제할 수 있다.
또한 상기 구성 3에 의하면, 내연기관의 구동이 개시된 후에는, 제 3 관계식을 이용해서 얻어진 외란 보정값을 이용해서 목표 저항값이 설정된다. 이때, 제 3 관계식은, 상기한 바와 같이, 내연기관이 구동되고 있을 때(즉, 와류 등이 발생하고 있을 때)를 감안한 것이며, 글로 플러그에 대한 인가 전압에 대응한, 글로 플러그의 저항값과 기준 저항값(외란이 발생하고 있지 않을 때의 저항값)의 차이값에 의거한 저항 보정값을 나타낸다. 따라서, 이 저항 보정값으로부터 얻어진 외란 보정값을 이용해서, 내연기관이 구동되고 있지 않은(즉, 와류 등이 발생하고 있지 않은) 상태에서 얻어진 기준 저항값에 의거한 목표 저항값의 중간값을 보정함으로써, 와류 등의 영향을 고려한 적절한 목표 저항값을 설정할 수 있다. 그 결과, 와류 등에 의한 온도 저하를 보다 확실하게 방지할 수 있고, 글로 플러그의 온도를 안정적으로 목표 온도로 유지할 수 있다.
또한, 각 글로 플러그의 기준 실효 전압에는 편차가 있다. 따라서, 어느 1개의 글로 플러그의 기준 실효 전압에 의거해서 얻어진 제 3 관계식을 공통으로 이용해서 복수의 글로 플러그를 제어하면, 각 글로 플러그마다 저항 보정값(외란 보정값)의 편차가 커져서, 목표 저항값을 적절하게 설정하지 못하게 될 우려가 있다. 따라서, 각 글로 플러그마다 각각 다른 제 3 관계식을 이용해서, 각 글로 플러그를 제어하는 것으로 해도 좋다. 또, 제 3 관계식의 실효 전압 차이값으로서, 글로 플러그에 대한 인가 전압과, 글로 플러그의 제품번호마다 설정된 표준적인 기준 실효 전압인 표준 실효 전압의 차이값을 이용해도 좋다. 표준 실효 전압은, 각 글로 플러그의 기준 실효 전압에 가까운 값이 되기 때문에, 공통의 제 3 관계식을 이용한 경우이어도, 각 글로 플러그마다 적절한 목표 저항값을 설정할 수 있다.
구성 4. 본 구성의 글로 플러그의 통전 제어장치는, 상기 구성 3에 있어서,
상기 보정값 설정수단은, 내연기관의 구동 후로부터 글로 플러그의 온도가 포화될 때까지, 승온(昇溫)에 수반한 글로 플러그의 저항값의 증대에 대응해서 상기 외란 보정값을 변동시키는 것을 특징으로 한다.
내연기관의 구동(크랭킹) 개시로부터 소정 시간이 경과하기 전에는, 글로 플러그 중 발열 저항체 이외의 부분은 온도가 충분히 상승되어 있지 않을 우려가 있다. 따라서, 글로 플러그 전체의 저항값은 충분히 포화되어 있지 않을 가능성이 있으므로, 상기 제 3 관계식으로부터 얻어진 저항 보정값을 그대로 외란 보정값으로서 사용하면, 글로 플러그의 온도가 지나치게 상승하는 것을 초래할 우려가 있다.
이 점에서, 상기 구성 4에 의하면, 내연기관의 구동 후로부터 글로 플러그의 온도가 포화될 때까지, 글로 플러그의 저항값이 승온에 수반해서 증대할 수 있기 때문에, 그 증대에 맞추어 외란 보정값을 변동시킨다(예를 들면, 최초의 외란 보정값을 낮게 설정하고, 글로 플러그에 대한 통전에 수반해서 글로 플러그의 저항값이 증대해 나가는 것에 대응해서, 서서히 외란 보정값을 상승시키는 등). 따라서, 와류 등의 영향에 의한 온도 저하를 효과적으로 억제하면서, 아울러서 글로 플러그의 온도가 상승하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 글로 플러그의 온도가 포화될 때(거의 일정이 될 때)까지 필요로 하는 시간을 미리 정해 두고, 내연기관의 구동이 개시되고 나서 그 시간이 경과할 때까지, 저항 보정값을 변동시키는 것으로 해도 좋다.
구성 5. 본 구성의 글로 플러그의 통전 제어장치는,
상기 구성 3 또는 구성 4에 있어서,
상기 글로 플러그가 사용되는 환경에 대응한 환경 온도의 정보를 취득함과 아울러,
상기 중간값 설정수단은, 상기 환경 온도의 정보에 의거해서, 상기 목표 저항값의 중간값을 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 「환경 온도」라는 것은, 내연기관의 수온이나 외기(外氣) 온도 등을 말한다.
상기 구성 5에 의하면, 목표 저항값의 중간값을 설정할 때에, 기준 저항값에 부가해서, 수온의 변화 등을 나타내는 환경정보가 참작된다. 따라서, 제어목표가 되는 목표 저항값을 보다 적절하게 설정할 수 있으므로, 글로 플러그의 온도를 보다 안정적으로 목표 온도로 유지할 수 있다.
구성 6. 상기 구성 1 내지 구성 5 중 어느 하나에 기재된 글로 플러그의 통전 제어장치, 및 글로 플러그를 구비한 발열 시스템.
상기 구성 6과 같이, 상기 기술 사상을 글로 플러그를 구비한 발열 시스템에 구현하는 것으로 해도 좋다. 이 경우에는, 기본적으로 상기 구성 1 등과 같은 작용 효과가 얻어지게 된다.
도 1은 GCU에 의해 글로 플러그에 대한 통전을 제어하는 시스템의 구성을 나타내는 블록 다이어그램(block diagram)
도 2는 GCU에 있어서 행해지는 통전 제어프로그램의 메인 루틴의 플로차트
도 3은 통전 제어프로그램의 메인 루틴으로부터 호출되는 통전 처리의 플로차트
도 4는 교환 체크 인터럽트(Interrupt)가 이루어질 때의 처리를 나타내는 플로차트
도 5는 보온 통전을 행할 때의 처리를 나타내는 플로차트
도 6은 조정 보정값 설정 처리를 행할 때의 처리를 나타내는 플로차트
도 7은 와류 보정 처리를 행할 때의 처리를 나타내는 플로차트
도 8은 글로 플러그의 온도, 및 목표 저항값의 추이를 나타내는 그래프
도 9는 전압 온도관계식의 예를 나타내는 그래프
도 10은 저항 온도관계식의 예를 나타내는 그래프
도 11은 수온 보정식의 예를 나타내는 그래프
도 12는 보정식의 예를 나타내는 그래프
도 13은 통전 시간에 대한 목표 저항값 보정계수의 변동을 나타내는 그래프
도 14(a)는 본 실시형태의 글로 플러그의 일부 파단 정면도, 도 14(b)는 글로 플러그 선단부의 부분 확대단면도
도 15는 엔진 동작 상태를 여러 가지로 변경했을 때의, 본 발명에 관한 GCU를 이용한 경우의 글로 플러그의 온도와, 종래예에 관한 GCU를 이용한 경우의 글로 플러그의 온도를 나타내는 그래프
이하에, 일 실시형태에 대해 도면을 참조해서 설명한다. 통전 제어장치로서의 글로 제어장치(GCU, 21)는, 자동차의 디젤 엔진(EN, 이하, 「엔진」이라고 함)의 시동 보조 및 구동 안정성의 향상을 위해 사용되는 글로 플러그(1)의 통전을 제어하는 것이다.
우선, GCU(21)의 설명에 앞서, GCU(21)에 의해 제어되는 글로 플러그(1)의 개략적인 구성을 설명한다.
도 14(a), 도 14(b)에 나타낸 바와 같이, 글로 플러그(1)는, 통형상의 금속쉘(metallic shell,2)과, 금속쉘(2)에 장착된 시스 히터(sheath heater, 3)를 구비하고 있다.
금속쉘(2)은, 축선(CL1) 방향으로 관통하는 축 구멍(4)을 가짐과 아울러, 그 외주면에는, 엔진(EN)에 설치하기 위한 나사부(5)와, 토크 렌치 등의 공구를 끼워맞추기 위한 육각형의 단면을 가지는 공구 걸어맞춤부(6)가 형성되어 있다.
시스 히터(3)는 튜브(7)와 중축(中軸, 8)이 축선(CL1) 방향으로 일체화되어 구성되어 있다.
튜브(7)는, 철(Fe) 또는 니켈(Ni)을 주성분으로 하며 선단부가 폐색된 통형상의 튜브이고, 이 튜브(7)의 후단은, 중축(8)과의 사이에서 환형상 고무 부재(16)에 의해 밀봉되어 있다. 또한, 상기 튜브(7)의 내측에는, 튜브(7)의 선단에 접합되는 발열 코일(9)(본 발명에 있어서의 「발열 저항체」에 상당함)과, 이 발열 코일(9)의 후단에 직렬 접속된 제어 코일(10)이 산화마그네슘(MgO) 분말 등의 절연 분말(11)과 함께 봉입(封入)되어 있다.
발열 코일(9)은, 예를 들면, Fe-크롬(Cr)-알루미늄(Al)계 합금으로 이루어지는 저항 발열선에 의해 구성되어 있다. 한편, 제어 코일(10)은, 예를 들면 Ni을 주성분으로 하는 저항 발열선에 의해 구성되어 있다.
또한, 튜브(7)에는, 스웨이징(swaging) 가공 등에 의해서, 그 선단부에 발열 코일(9) 등을 수용하는 소경부(小徑部, 7a)가 형성됨과 아울러, 그 후단측에 있어서 소경부(7a)보다 지름이 큰 대경부(大徑部, 7b)가 형성되어 있다. 그리고, 이 대경부(7b)가, 금속쉘(2)의 축 구멍(4)에 형성된 소경부(4a)에 대해 압입 접합됨으로써, 튜브(7)가 금속쉘(2)의 선단에서 돌출된 상태로 지지되어 있다.
중축(8)은, 자신의 선단이 튜브(7) 내에 삽입되어, 제어 코일(10)의 후단과 전기적으로 접속됨과 아울러, 금속쉘(2)의 축 구멍(4)에 삽입되어 있다. 중축(8)의 후단은 금속쉘(2)의 후단에서 돌출되어 있고, 이 금속쉘(2)의 후단부에 있어서는, 고무제 등의 O링(12), 수지제 등의 절연 부시(13), 절연 부시(13)의 탈락을 방지하기 위한 압압링(14) 및 통전을 하기 위한 케이블 접속용 너트(15)가 선단측에서부터 상기한 순서로 중축(8)에 끼워진 구조로 되어 있다.
이어서, 본 발명의 특징인 글로 제어장치(GCU, 21)에 대해 설명한다.
도 1은, GCU(21)에 의해 글로 플러그(1)에 대한 통전을 제어하는 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 블록 다이어그램(block diagram)이다. 또한, 도 1에서는, 글로 플러그(1)를 1개만 나타내고 있지만, 실제의 엔진(EN)에는 복수의 실린더가 형성되어 있고, 각 실린더에 대응해서 글로 플러그(1) 및 후술하는 스위치(37)가 형성된다. 또한, GCU(21)에 의한 통전 제어는 각 글로 플러그(1)에 대해서 독립으로 이루어지지만 제어방법은 동일하다. 따라서, 이하에서는, 임의의 하나의 글로 플러그(1)에 대해서 GCU(21)가 행하는 통전 제어에 대해 설명한다.
GCU(21)는, 배터리(VA)에서 공급되는 전력에 의해 동작하는 것이며, CPU(32)나 ROM(33), RAM(34) 등을 가지는 마이크로컴퓨터(31)를 구비하고 있다.
마이크로컴퓨터(31)는, 발진(發振) 주파수가 높은 동작 클록(operation clock)으로 동작하는 통상 모드와, 통상 모드보다 낮은 발진 주파수의 동작 클록으로 동작하는 절전 모드를 가지고 있으며, 엔진(EN)의 구동이 정지한 상태(엔진 키(EK)가 오프(off)인 상태)에서 절전 모드로 이행된다. 절전 모드에서 마이크로컴퓨터(31)는 각종 프로그램의 실행을 정지하고, 인터럽트(Interrupt) 신호가 입력되는 것을 대기한다. 그리고, 인터럽트 신호가 입력되면 마이크로컴퓨터(31)가 통상 모드로 복귀되어 각종 프로그램을 실행한다. 일반적으로, CPU(32)의 기동시에는 이니셜라이즈(initialize, 예를 들면, 내부 레지스터나 RAM(34)의 클리어, 각종 플래그(flag)나 카운터(counter)에 대한 초기값의 설정 등, 이른바 초기화 처리)가 이루어진다. 본 실시형태에서의 마이크로컴퓨터(31)는 이러한 절전 모드를 탑재함으로써, 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때 등, 대기중의 전력소비를 저감(低減)할 수 있다.
또, 마이크로컴퓨터(31)는, 인터럽트 타이머(35)를 내장하고 있으며, 인터럽트 타이머(35)로부터 정기적(예를 들면, 60초 마다)으로 보내지는 신호가 인터럽트 신호로서 CPU(32)에 입력된다. 또한 마이크로컴퓨터(31)는, 엔진 키(EK)가 온(on) 또는 오프(off)의 상태인 것을 알리는 신호가 입력되도록 구성되어 있으며, 이 신호도 절전 모드에서는 인터럽트 신호로서 기능한다.
또한, GCU(21)에는 스위치(37)가 형성되어 있다. 이때, GCU(21)에 의한 글로 플러그(1)에 대한 통전 제어는 PWM 제어에 의해 이루어지며, 스위치(37)는, 마이크로컴퓨터(31)로부터의 지시에 따라, 글로 플러그(1)에 대한 통전의 온(on)·오프(off)를 전환하게 되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, 글로 플러그(1)의 저항값을 측정하기 위해, 스위치(37)가, 전류 검지 기능을 가지는 FET(전계(電界)효과 트랜지스터)를 NPN형 트랜지스터 등을 통해서 동작시키도록 구성되어 있다.
또한, 스위치(37)로서 전류 검지 기능을 구비하지 않은 비교적 저렴한 FET를 사용하는 것으로 해도 좋다. 이 경우에는, 예를 들면, 스위치(37) 및 글로 플러그(1)의 사이에 션트(shunt) 저항을 설치하고, 이 션트 저항을 흐르는 전류를 측정함으로써, 글로 플러그(1)의 저항값을 측정하는 것으로 해도 좋다. 또, 스위치(37)에 대해서 전류 검지용 저항을 병렬로 설치하고, 글로 플러그(1)에 대한 통전이 오프(off)인 상태에서 소정의 전류를 흘리는 것에 의해 얻어진 분압에 의거해서, 글로 플러그(1)의 저항값을 산출하는 것으로 해도 좋다.
또, GCU(21)는, 자동차의 전자 제어 장치(ECU, 41)와, 소정의 통신수단(예를 들면, CAN 등)을 통해서 접속되어 있다. ECU(41)에는 엔진(EN)의 냉각수의 수온을 측정하는 수온 센서(SE)의 측정값이 입력되어 있고, GCU(21)는 환경 온도의 정보로서 ECU(41)로부터 냉각수의 수온(수온 정보)을 취득한다. 또한, GCU(21)는, ECU(41)로부터 수온 정보를 취득하는 것이 아니고, 수온 센서(SE)로부터 수온 정보를 직접 취득하는 것으로 해도 좋다.
또한 글로 플러그(1)의 전력 공급용 단자에 대해서, 분압(分壓) 저항(38, 39)을 개재해서 마이크로컴퓨터(31)가 접속되어 있어서, 글로 플러그(1)에 인가되는 전압(GCU(21)로부터 출력되는 전압)을 분압한 전압이 마이크로컴퓨터(31)에 입력된다. 마이크로컴퓨터(31)는, 입력된 전압에 의거해서 글로 플러그(1)에 대한 인가 전압을 산출할 수 있음과 아울러, 상기 스위치(37)의 FET에 의해 측정되는 글로 플러그(1)에서 흐르는 전류와 상기 인가 전압으로부터 글로 플러그(1)의 저항값을 얻을 수 있다.
또한, 「글로 플러그(1)의 저항값」으로서 측정되는 값은, 엄밀하게 글로 플러그(1)가 가지는 저항값(즉, 직렬로 접속된 발열 코일(9), 제어 코일(10), 및 중축(8) 등의 저항값)뿐만이 아니라, 스위치(37)와 글로 플러그(1)를 접속하는 하니스(harness) 등의 저항값을 포함한 것이다. 즉, 본 실시형태에서의 「글로 플러그(1)의 저항값」은, 발열 코일(9)의 저항값과 제어 코일(10), 중축(8), 및 상기 하니스 등으로 이루어지는 발열 코일(9)에 대한 전력 공급 경로(본 발명에 있어서의 「저항 부위」에 상당한다)의 저항값과, 상기 금속쉘(2) 등의 저항값의 합계에 의한 것이다. 따라서, 본 실시형태에서는 「글로 플러그(1)의 저항값」을 「글로 플러그 전체의 저항값」이라고도 한다.
또, 상기와 같이 구성되는 GCU(21)에서는, 글로 플러그(1)에 대한 통전을 제어하는데 있어서, 글로 플러그(1)의 온도와 저항값의 상관관계에 대해, 캘리브레이션(calibration, 보정/조정)을 행해서, 글로 플러그(1)에 대한 보정 전 저항값(「 제 1 저항값」에 상당한다)을 얻고 있다.
이때, 캘리브레이션은 다음과 같이 이루어진다. 즉, 개개의 글로 플러그의 저항값에는 여러 요인에 의한 편차가 있어서, 온도와 저항값의 관계는 동일 품번의 것이어도 상기 편차의 영향을 받지만, 투입 전력의 적산량과 발열량의 관계는 글로 플러그의 발열 저항체(발열 코일(9))의 재질에 의한 것이므로 비교적 편차가 적다. 따라서, 기준이 되는 발열 저항체에 통전을 행하고, 그 온도상승을, 제어목표로 하는 온도(목표 온도)에서 포화하도록 통전을 행해서, 그때의 투입 전력의 적산량(積算量, 적산 전력량)을 구한다. 그리고, 이 적산 전력량을 캘리브레이션의 대상으로 하는 글로 플러그에 투입하면, 이 글로 플러그의 온도가 목표 온도가 된다. 환언하면, 이때(상기 적산 전력량을 투입했을 때)의 발열 저항체의 저항값을 각 글로 플러그(1)의 보정 전 저항값으로서 구하고, 각 글로 플러그(1)를 각각의 보정 전 저항값에 의거해서 저항값을 제어하면, 복수의 글로 플러그(1)들의 개체 사이의 편차가 없어지도록 보정, 즉 캘리브레이션이 실현된다. 또한, 본 실시형태에서는, 상기와 같이 해서 구해진 저항값을 보정 전 저항값으로서 이용하고 있지만, 본 발명에서의 캘리브레이션 방법이 상기한 방법으로만 한정되는 것은 아니다.
GCU(21)에서는, 상기와 같은 글로 플러그(1)에 대한 캘리브레이션을, 글로 플러그(1)가 교환된 것을 검지했을 때에, 새롭게 부착된 글로 플러그(1)에 대해 실시하고 있다. 그리고, 캘리브레이션에 의해 얻어진 보정 전 저항값을, 그 이후, 엔진(EN)이 구동될 때마다(글로 플러그(1)가 사용될 때마다), 그 글로 플러그(1)에 대해서 적용하고 있다. 환언하면, 엔진(EN)을 구동할 때마다, 글로 플러그(1)에 대한 캘리브레이션을 행하는 것은 아니다. 또한, 글로 플러그(1)의 교환을 검지하기 위해, 본 실시형태에서의 GCU(21)는, 글로 플러그(1)에 대한 통전을 제어할 뿐만 아니라, 후술하는 글로 플러그(1)의 교환 확인도 아울러 행하게 되어 있다.
이어서, GCU(21)가 글로 플러그(1)에 대해서 행하는 통전 제어의 구체적인 예에 대해서, 도 2 ~ 도 7의 플로차트를 따라 설명한다. 도 2는 GCU(21)에서 행해지는 통전 제어프로그램의 메인 루틴의 플로차트이다. 도 3은 통전 제어프로그램의 메인 루틴에서 호출되는 통전 처리의 플로차트이다. 도 4는 교환 체크 인터럽트를 할 때의 처리를 나타내는 플로차트이다. 또, 도 5는 보온 통전을 행할 때의 처리를 나타내는 플로차트이다. 도 6은 보온 통전을 행할 때에 호출되는 조정 보정값 설정 처리를 나타내는 플로차트이며, 도 7은 보온 통전을 행할 때에 호출되는 와류(swirl) 보정 처리를 나타내는 플로차트이다.
우선, 통전 제어에 대해서 설명하기 전에, 통전 제어프로그램에서 사용되는 각종 변수나 플래그에 대해 설명한다(단, 보온 통전 처리시에 사용되는 각종 변수나 플래그에 대해서는 후술한다). 또한, 각 플래그나 변수는, RAM(34)에 기억되지만, 마이크로컴퓨터(31)의 구동 모드의 여하에 관련없이, CPU(32)의 이니셜라이즈가 이루어지지 않는 한, 그 값이 유지되게 되어 있다.
「체크 플래그」는 글로 플러그(1)의 교환 확인(교환 체크)을 실시할 때에 성립되는 플래그이다. 구체적으로, 체크 플래그는 인터럽트 타이머(35)로부터 인터럽트 신호가 보내졌을 때에 성립된다. 통전 제어프로그램에서는, 체크 플래그의 성립이 확인되면, 글로 플러그(1)의 교환 확인을 행하는 일련의 처리가 실시된다.
「최초 플래그」는, 통전 제어프로그램에 있어서, 엔진 키(EK)가 온(on)인 경우에 반복해서 실행되는 일련의 처리 중에서, 특정한 처리 부분(후술하는 S23 ~ S28)의 실행을, 엔진 키(EK)가 최초로 온(on)으로 조작되었을 때에만 실행시키기 위한 판정 조건에 이용되는 플래그이다. 최초 플래그는, 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되어 특정한 처리 부분이 실행되었을 때에 성립되고, 엔진 키(EK)가 오프(off)로 조작되면 성립되지 않는다.
「교환 플래그」는, 글로 플러그(1)의 교환 확인을 행하는 일련의 처리에 있어서, 글로 플러그(1)가 교환된 것을 검지한 경우에 성립되는 플래그이다. 통전 제어프로그램에서는, 교환 플래그가 성립된 경우에 글로 플러그(1)에 대한 캘리브레이션이 실시되게 되어 있다.
「보정 플래그」는 캘리브레이션을 실시하는 경우의 판단에 이용되는 플래그이다. 상기한 바와 같이, 캘리브레이션은 글로 플러그(1)의 교환을 확인한 경우에 실시되지만, 캘리브레이션에 의해 구해진 보정 전 저항값이 클리어인 상태(즉, 0)인 경우에도 행해진다. 보정 전 저항값은 RAM(34)에 기억되지만, 예를 들면 배터리(VA)의 교환시나 최초 출하시 등, RAM(34)이 클리어되는 상황이 발생한 경우에도, 캘리브레이션의 실시에 의해 새로운 보정 전 저항값이 구해지도록 보정 플래그가 성립된다.
「보정 전 저항값」은 캘리브레이션에 의해 취득되는 저항값이며, 글로 플러그(1)의 유지(보온) 목표로 하는 온도(목표 온도)에 대응하는 글로 플러그(1)의 저항값(목표 저항값)을 산출하는데 있어서, 그 밑바탕이 되는 글로 플러그(1)의 저항값을 말한다. 초기 상태(최초 출하시나 배터리(VA)의 교환시 등, RAM(34)이 클리어되어 값이 0으로 되어 있는 경우)에는 미리 정해진 초기값이 설정된다.
〔통상동작시의 동작〕
이어서, 글로 플러그(1)에 대한 통전 제어의 상세에 대해서 설명한다. 우선, 통상동작시(글로 플러그(1)의 교환 등을 하지 않은 상태)에 있어서, 글로 플러그(1)에 대해 행해지는 통전 제어에 대해 설명한다. 또한, 이 상태에서는, 체크 플래그, 최초 플래그, 교환 플래그, 보정 플래그의 값이 모두 0으로 되어 있다.
우선, 엔진(EN)의 구동이 정지한 상태(엔진 키(EK)가 오프(off)인 상태)에 있어서, 마이크로컴퓨터(31)는 절전 모드로 이행되어 있고, 인터럽트 타이머(35)에 의한 인터럽트 신호의 입력을 대기하고 있다.
이 상태에서 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되면, 마이크로컴퓨터(31)에 온(on)의 상태를 알리는 인터럽트 신호가 입력된다. 그러면 마이크로컴퓨터(31)의 동작 클록이 높은 발진 주파수의 것으로 전환되고, 절전 모드에서 통상 모드로 이행된다. 통상 모드로의 이행에 수반해서, 도 2에 나타낸 통전 제어프로그램의 실행이 개시되고, 통상 모드에서 글로 플러그(1)의 통전을 제어하는데 필요한 각종 설정을 한다(S11). 또한 인터럽트 금지 처리가 이루어지고(S12), 이후, 인터럽트 금지 처리가 해제(S19)될 때까지, 마이크로컴퓨터(31)에 입력되는 인터럽트 신호가 무시된다.
이어서, 체크 플래그가 참조된다(S13). 또한, 통상동작시에는 글로 플러그(1)의 교환 확인을 행하지 않으므로 체크 플래그는 성립되어 있지 않다. 따라서, S18로 진행되고, 도 3에 나타낸 통전 처리의 서브루틴이 호출된다. 도 3에 나타낸 바와 같이 통전 처리에 있어서는, 우선, 엔진 키(EK)에 접속된 마이크로컴퓨터(31)의 단자 전압으로부터, 엔진 키(EK)가 온(on)의 상태인지 아닌지가 확인된다(S21). 이때, 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되어 있을 때에는 S22로 진행된다. 그리고, 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되어 있는 동안에는, 후술하는 급속 승온(昇溫) 통전이나 보온 통전을 행할 수 있도록, 글로 플러그(1)에 대한 통전이 제어되게 된다.
통상 모드로 복귀된 후에 있어서 최초로 통전 처리를 실행할 때에는, 상기 체크 플래그와 같이 최초 플래그도 초기 상태에서는 0으로 되어 있다. 최초 플래그는 상기한 바와 같이, S22 ~ S28를, 통상 모드로 복귀된 후에 한 번만 실시하기 위한 플래그이다. 따라서, 다음번 이후의 S22에서는 스킵(skip)해서 S29로 진행될 수 있도록, S23에서 최초 플래그가 1로 설정된다.
이어서, 보정 전 저항값의 판독(값의 참조)이 이루어진다(S24). 이때, 보정 전 저항값이 0이 아니면, 이미 캘리브레이션이 실시된 것을 의미한다. 그 후, 교환 플래그가 참조된다(S27). 교환 플래그는 상기한 바와 같이, 글로 플러그(1)가 교환된 것을 검지한 경우(글로 플러그(1)가 교환된 경우의 처리는 후술함)에 설정되는 것이지만, 통상동작시에는 교환 플래그가 0이다. 따라서, S29로 진행되게 된다.
S29 ~ S36에서는 글로 플러그(1)에 대해서 실제로 전력이 인가된다. 즉, 글로 플러그(1)에 대한 통전이 개시된 후, 글로 플러그(1)의 온도가 소정의 승온 목표 온도가 될 때까지는(S29；No), 도 8에 나타낸 바와 같이, 글로 플러그(1)의 온도를 신속하게 상승시키기 위한 통전(급속 승온 통전)이 이루어진다(S30).
이 급속 승온 통전에서는, 글로 플러그(1)에 투입되는 전력과 경과시간의 관계를 나타내는 곡선을, 미리 작성한 기준 곡선에 일치시킴으로써, 글로 플러그(1)의 특성에 관계없이 글로 플러그(1)를 급속(예를 들면, 약 2초)으로 승온 목표 온도까지 상승시킨다. 구체적으로는, 미리 정한 상기 기준 곡선을 나타내는 관계식 또는 테이블(table)을 이용해서, 통전 개시로부터 경과된 시간에 대응하는 각 시점에서 투입해야 할 전력을 구한다. 글로 플러그(1)에 흐르는 전류와, 그 시점에서 투입해야 할 전력의 값의 관계로부터, 글로 플러그(1)에 인가해야 할 전압을 구하고, PWM 제어에 의해 글로 플러그(1)에 인가하는 전압을 제어한다. 이것에 의해, 기준 곡선과 같은 곡선을 그리도록 해서 전력의 투입이 이루어지고, 승온 과정의 각 시점까지 투입된 전력의 적산량에 대응해서 글로 플러그(1)가 발열한다. 따라서, 상기 기준 곡선을 따르는 전력의 투입이 완료되면, 글로 플러그(1)는 기준 곡선과 같은 시간에 승온 목표 온도에 도달한다.
그 후 S21로 복귀되고, 급속 승온 통전이 종료될 때까지 S30의 처리를 반복해서, 글로 플러그(1)의 급속 승온 통전을 계속한다. 또한, S23에서 최초 플래그가 성립되어 있으므로, 그 후 S22에서는 S23 ~ S28의 처리를 행하지 않고 S29로 진행되게 된다.
또한, 본 실시형태에서는, S29에서의 급속 승온 통전 종료 시기를, 이하의 3가지 조건 중 어느 하나가 성립되는 경우로 하고 있다. 첫째는, 급속 승온 통전의 개시로부터 경과된 시간이 소정 시간(예를 들면, 3.3초)에 도달한 경우이다. 둘째는, 글로 플러그(1)에 투입된 적산 전력량이 소정 전력량(예를 들면, 약 214J)이 된 경우이다. 이러한 경우에는, 글로 플러그(1)의 온도가 승온 목표 온도에 도달해 있다고 할 수 있으므로 급속 승온 통전을 종료한다. 셋째는, 마이크로컴퓨터(31)에 의해 측정되는 글로 플러그(1)의 저항값(R)이, 소정의 저항값(예를 들면, 780mΩ)이 된 경우이다. 즉, 글로 플러그(1)에 대한 전력의 투입이 개시된 시점에서 글로 플러그(1)의 온도가 이미 어느 정도 높은 경우(예를 들면, 전회(前回)의 통전 정지 후, 충분히 냉각되지 않고 다시 통전이 이루어진 경우 등)에는, 글로 플러그의 저항값(R)이 소정의 저항값에 도달했을 때에 전력의 투입이 정지된다. 이것에 의해, 글로 플러그(1)가 지나치게 승온되는 것을 방지할 수 있다.
S29 ~ S30가 반복되어 급속 승온 통전이 계속되는 동안, 상기한 종료 조건 중 어느 하나가 만족되어 급속 승온 통전이 종료되었다고 판단된 경우(S29；Yes), 글로 플러그(1)에 대한 급속 승온 통전이 정지된다(S31). 이때, 본 실시형태에서는, 급속 승온 통전 후에 보온 통전(소위 애프터 글로 통전)을 행해서, 글로 플러그(1)의 온도를 목표 온도로 유지함으로써, 엔진(EN)의 시동 후의 구동 안정성을 높이고 있다. 또한, 보온 통전시의 동작에 대해서는 하기에 상세히 설명한다.
S32 ~ S35가 반복되어 보온 통전이 계속된 후, 보온 통전이 종료되었다고 판단된 경우(S32；Yes), 글로 플러그(1)에 대한 전력의 투입이 정지된다(S36). 이후, 엔진 키(EK)가 온(on)의 상태인 동안에는, 글로 플러그(1)에 대한 통전이 이루어지지 않게 된다. 또한, 보온 통전 처리의 종료 조건으로서는, 예를 들면, 보온 통전의 개시로부터 소정 시간(예를 들면, 180s)이 경과한 때로 할 수 있다.
엔진 키(EK)가 오프(off)로 조작되고, 엔진(EN)의 구동이 정지되면(S21；No), 다음번의 엔진(EN) 구동시에 S23 등의 처리가 이루어지도록, 최초 플래그가 리셋된다(S41). 이때, 엔진 키(EK)가 오프(off)로 조작되었을 때에, 글로 플러그(1)에 대한 급속 승온 통전이나 보온 통전이 이루어지고 있는 중인 경우에는(S42；Yes) 통전을 정지하고(S43), 그렇지 않으면 그대로 S44로 진행된다. S44에서는 보정 플래그가 참조되고, 캘리브레이션이 이루어지고 있는 경우에는, 보정 플래그가 성립되어 있지 않기 때문에, 그대로 메인 루틴으로 복귀한다. 한편, 보정 플래그가 성립되어 있는 경우에는 캘리브레이션이 이루어진다(캘리브레이션시의 동작에 대해서는 후술한다).
도 2로 돌아와서, 보정 플래그가 성립되지 않았을 때(S44；No)에는 S18의 통전 처리가 종료되고, 인터럽트가 허가된다(S19). 이것에 의해, 다시 마이크로컴퓨터(31)에 입력되는 인터럽트 신호가 허가되게 된다. 그리고 절전 모드로 이행되는데 필요한 각종 설정이 이루어진 후(S20), 마이크로컴퓨터(31)의 동작 클록이 낮은 발진 주파수의 것으로 전환된다. 이것에 의해, 통상 모드에서 절전 모드로 이행되고, 통전 제어프로그램이 정지한다.
〔교환 확인시의 동작〕
이어서, 글로 플러그(1)의 교환 확인이 이루어질 때의 일련의 처리에 대해서 설명한다. 글로 플러그(1)의 교환 확인은, 엔진(EN)이 구동되고 있지 않을 때, 즉, 마이크로컴퓨터(31)가 절전 모드에 있을 때에 정기적으로 이루어진다. 본 실시형태에서는, 글로 플러그(1)의 교환 확인을 60초 마다 행하고 있으며, 이 시간간격은, 엔진(EN)에 대한 글로 플러그(1)의 분리에서부터 부착까지 필요로 하는 시간보다 짧도록 설정되어 있다. 즉, 글로 플러그(1)가 엔진(EN)에서 분리되어 있는 동안에, 글로 플러그(1)의 교환 확인이 이루어지도록 상기 시간간격이 설정되어 있다.
마이크로컴퓨터(31)가 절전 모드에 있을 때, 인터럽트 타이머(35)로부터 상기한 시간간격마다 보내지는 인터럽트 신호가 CPU(32)에 입력되면, 인터럽트 신호가 접수되고, 마이크로컴퓨터(31)가 통상 모드로 이행한다. 인터럽트 타이머(35)로부터 인터럽트 신호가 입력된 경우에는, 도 4에 나타낸 교환 체크 인터럽트 처리의 프로그램이 실행되고, 체크 플래그가 성립된다(S51). 이것에 의해, 도 2에 나타낸 통전 제어프로그램이 실행되면, S13에서 체크 플래그의 성립이 확인되어(S13；Yes), 글로 플러그(1)의 교환 확인을 행하는 일련의 처리(S14 ~ S17)가 실시된다.
우선, 글로 플러그(1)측으로 단시간(예를 들면, 25ms)의 통전이 이루어지고, 그때에 인가된 전압과 전류에 의해, 글로 플러그(1)측의 저항값(통전 저항값)이 취득된다(S14). 그리고, 체크 플래그를 리셋한 후(S15), 상기 통전 저항값이 소정의 임계(臨界)값(교환 판정값)보다 큰지 아닌지가 비교된다. 글로 플러그(1)가 엔진(EN)으로부터 분리되어 있는 경우에는, 글로 플러그(1)가 존재하지 않으므로 전류가 흐르지 않고, 그 결과, 통전 저항값이 매우 큰 것이 된다. 따라서, 통전 저항값이 교환 판정값보다 크면, 글로 플러그(1)가 분리된, 즉 글로 플러그(1)가 교환된 것으로 판정되어(S16；Yes) 교환 플래그가 성립된다(S17). 한편, 통전 저항값이 교환 판정값 이하인 경우에는(S16；No) 글로 플러그(1)가 교환되어 있지 않은 것으로 판정된다. 이후에는 상기한 S19 이후의 처리를 행해서 절전 모드로 이행된다.
〔캘리브레이션시의 동작〕
이어서, 글로 플러그(1)에 대한 캘리브레이션을 실시할 때의 동작에 대해서 설명한다. 상기한 바와 같이, 글로 플러그(1)의 캘리브레이션은, 글로 플러그(1)의 교환이 검지된 경우(즉, 교환 플래그가 성립된 경우)나, 보정 전 저항값이 클리어된 경우에 이루어진다. 그리고, 예를 들면 와류나 연료에 의한 냉각 등의 외란(外亂, disturbance)의 영향을 피하기 위해, 엔진(EN)이 구동되고 있지 않을 때에 이루어진다. 또, 캘리브레이션에서는 글로 플러그(1)를 엔진(EN)의 시동시의 온도와 동일한 정도로 가열하기 때문에 전력의 소비량이 크다. 따라서, 엔진(EN)이 구동된 후 정지되었을 때, 즉, 배터리(VA)가 충전되었다고 예측될 때, 캘리브레이션이 이루어지게 되어 있다.
엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되어 엔진(EN)이 구동된 경우에는, 통상 모드로 복귀된 후, 도 3에 나타낸 바와 같이, 통상시와 같이 글로 플러그(1)의 통전을 제어한다(S21 ~ S36). 상기와 같이, 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작된 후, 최초로 S21 ~ S36의 처리가 이루어질 때에는, 최초 플래그가 0이므로(S22；No), S23 ~ S28가 실행된다. 이때, 교환 플래그가 성립되어 있거나(S27；Yes), 혹은 보정 전 저항값이 클리어된 상태이면(S25；Yes), 보정 플래그의 성립이 이루어짐과 아울러, 교환 플래그가 리셋된다(S26). 또, 이 시점에서 RAM(34)에 저장되어 있는 보정 전 저항값은, 교환 전의 글로 플러그(1)의 저항값일 수 있으므로 초기값으로 설정되고(S28), 그 후, 상기한 글로 플러그(1)에 대한 통전 처리가 이루어진다(S29 ~ S36).
또한, 보정 전 저항값의 초기값은 다음과 같이 설정되어 있다. 즉, 해당 초기값으로부터 산출한 목표 저항값을 이용해서, 특성이 다른, 다른 글로 플러그의 저항값을 제어하는 경우이더라도, 글로 플러그가 과열되지 않는 것이다.
이와 같이, 글로 플러그(1)의 교환 후나, 보정 전 저항값의 클리어 후(자동차의 최초 출하시나 배터리(VA)의 교환시 등)에, 처음으로 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작되어 엔진(EN)이 구동된 경우에는, 통상시와 같이 글로 플러그(1)의 통전을 제어한다. 그리고, 엔진 키(EK)가 오프(off)로 조작되면(S21；No), 이번에는 보정 플래그가 성립되어 있기 때문에, S44에서 S45로 진행되어 캘리브레이션을 행한다(S44；Yes).
상기한 바와 같이, 캘리브레이션에서는, 글로 플러그(1)를 목표 온도로 하는데에 필요한 적산 전력량을 글로 플러그(1)에 투입하고, 글로 플러그(1)의 온도상승이 포화되어, 그 온도가 목표 온도로 안정되었을 때의 저항값을, 보정 전 저항값으로서 취득하고 있다. 본 실시형태에서는, 캘리브레이션이 개시된 후 소정 시간(예를 들면, 60초)이 경과했을 때에, 글로 플러그(1)의 온도상승이 포화된 것으로 간주하고 있다. 따라서, 캘리브레이션의 개시와 함께 도시하지 않은 타이머를 스타트시켜서, 포화에 소요되는 시간이 경과할 때까지는(S45；No), 글로 플러그(1)에 대한 최종적인 투입 전력량이 소정의 적산 전력량이 되도록, 시간당 일정한 전력을 투입하는 보정 통전을 행한다(S46). 그 후, S21로 복귀되어 보정 통전을 계속한다.
보정 통전의 개시로부터 소정 시간이 경과한 경우에는, S47로 진행된다. 이때 글로 플러그(1)의 온도는 목표 온도에 도달해 있으므로, 이때의 글로 플러그(1)의 저항값을 구하고, 이것을 보정 전 저항값으로서 RAM(34)에 저장한다(S47). 또한 ECU(41)로부터 수온 센서(SE)의 수온 정보를 취득하고, 해당 수온 정보를 보정 전 저항값과 함께 RAM(34)에 저장한다(S48). 그리고, 캘리브레이션이 종료된 것으로 해서 보정 플래그를 리셋함과 아울러(S49), 글로 플러그(1)에 대한 통전을 정지해서 보정 통전을 종료하고(S50), 도 2의 메인 루틴으로 복귀한다. 또한, 보정 전 저항값(제 1 저항값)을 취득하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「제 1 취득수단」에 상당한다.
메인 루틴으로 복귀하면, 인터럽트가 허가됨 것과 아울러(S19), 각종 설정이 이루어진다(S20). 그리고, 절전 모드로 이행되어 통전 제어프로그램이 정지된다. 또한, 캘리브레이션이 이루어지고 있는 동안에 엔진 키(EK)가 온(on)으로 조작된 경우에는, 급속 승온 통전 및 보온 통전이 이루어지게 된다. 그러나, 캘리브레이션이 완료되어 있지 않으므로, 보정 전 저항값이 취득되지 않고, 보정 전 저항값으로는 초기값이 설정되어, 글로 플러그(1)의 통전 제어가 이루어진다. 따라서, 엔진 키(EK)가 오프(off)로 조작되었을 때에 다시 캘리브레이션이 이루어지게 된다.
〔보온 통전시의 동작〕
이어서, 본 발명의 특징인 보온 통전시에 있어서의 통전 제어에 대해서 설명한다. 우선, 보온 통전 프로그램에서 사용하는 각종 변수나 플래그에 대해 설명한다.
「최초 계산 종료 플래그」는, 보온 통전을 할 때에 이용되는 각종 값을 초기값으로 설정할 때에 사용되는 것이다. 최초 계산 종료 플래그는, 상기 각종 값이 초기값으로 설정되었을 때에 성립되며, 초기값이 설정되기 전에는 성립되어 있지 않다.
「초기 목표 온도」는 보온 통전시에 있어서의 글로 플러그(1)의 목표 온도로서 처음 설정되는 온도이다.
「기준 실효 전압(V0)」은, 외란이 없는 상태에 있어서의 글로 플러그(1)의 온도와 해당 온도에 도달시키기 위해 글로 플러그(1)에 인가해야 할 실효 전압의 관계식(전압 온도 관계식)으로부터 설정된 목표 온도에 의거해서 취득되는 것이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 전압 온도 관계식은 미리 준비되어 있고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 글로 플러그의 온도와 기준 실효 전압(V0)이 거의 1차의 상관관계를 가지는 것으로 되어 있다. 또한, 전압 온도 관계식이 본 발명에 있어서의 「 제 1 관계식」에 상당한다.
「제어 실효 전압(V1)」은 글로 플러그(1)에 대해 실제로 인가되는 실효 전압이다.
「평균 실효 전압(V2)」은 소정 시간 내에 있어서의 상기 제어 실효 전압(V1)의 평균값이다.
「표준 실효 전압(V3)」은 글로 플러그를 목표 온도로 함에 있어서, 인가해야 할 실효 전압으로서 글로 플러그의 종류(품번)마다 설정된 값이다. 본 실시형태에서는, 표준 실효 전압(V3)으로서 글로 플러그(1)의 종류에 대응한 값이 미리 설정되어 있다.
「기준 저항값(R0)」은, 외란이 없는 상태에 있어서의 글로 플러그(1)의 온도와 해당 온도일 때의 글로 플러그(1)의 저항값의 관계를 나타내는 관계식(저항 온도 관계식)으로부터 설정된 목표 온도에 의거해서 취득되는 것이다. 본 실시형태에 있어서, 저항 온도 관계식은 미리 준비되어 있으며, 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 글로 플러그의 온도와 저항값이 소정의 1차의 상관관계를 가지는 것이다. 또한, 저항값과 온도의 관계는, 상기한 바와 같이 플러그마다 크게 편차가 있지만, 온도에 대한 저항값의 증가 비율(기울기)에 대해서는 플러그마다의 편차가 비교적 작다. 따라서, 플러그마다 저항값과 온도의 관계를 산출해서, 저항 온도 관계식을 도출할 필요가 없으며, 저항 온도 관계식으로서는, 예를 들면, 상기한 캘리브레이션을 행했을 때의 목표 온도, 및 캘리브레이션으로 얻어진 보정 전 저항값의 좌표대로, 미리 설정한 소정의 기울기를 가지는 식을 이용할 수 있다. 또한, 저항 온도 관계식이 본 발명에 있어서의 「제 2 관계식」에 상당한다.
「조정 보정값(R1)」은, 후술하는 목표 저항값(RTAR)(목표 저항값 중간값(R4))을 산출할 때에, 기준 저항값(R0)을 보정하기 위해 기준 저항값(R0)에 가산되는 수치이며, 후술하는 조정값 설정 처리에 의해 순차적으로 갱신된다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 조정 보정값(R1)의 초기값은 소정의 수치(예를 들면 0mΩ)로 미리 설정되어 있다.
「목표 온도 변화분 보정값(R2)」은, 상기한 온도와 저항값의 관계식(저항 온도 관계식)에 의거해서, 현시점에서 설정된 목표 온도에 따라 산출되는 값이다. 보다 자세하게는, 상기 저항 온도 관계식으로부터 도출되는 초기 목표 온도에 있어서의 저항값과, 저항 온도 관계식으로부터 도출되는 현재 설정된 목표 온도에 있어서의 저항값의 차이값이며, 목표 온도가 변경되었을 때에 목표 저항값(RTAR)(목표 저항값 중간값(R4))의 보정에 이용된다.
「수온 변화분 보정값(R3)」은 수온과 보정값의 관계를 나타내며, 미리 설정된 보정식(수온 보정식)에 의거해서, 수온 센서(SE)에 의해 계측된 수온과 캘리브레이션시에 저장된 수온의 차이값으로부터 도출되는 것이다. 또한, 수온 보정식은 각 엔진 형식마다 특정 가능하며(환언하면, 플러그의 종류에 따라서는 변화하지 않는 것이다), 예를 들면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 수온과 보정값이 소정의 1차의 상관관계를 가지는 것으로서 도출할 수 있다.
「목표 저항값 중간값(R4)」은, 상기 기준 저항값(R0)을, 조정 보정값(R1)이나 목표 온도 변화분 보정값(R2), 수온 변화분 보정값(R3)만큼 보정한 결과 산출되는 것이다.
「와류 보정값(R5)」은 본 발명에 있어서의 「외란 보정값」에 상당하는 것이며, 엔진 시동 후에 있어서의 와류 등의 영향을 고려해서, 엔진 시동 후에 목표 저항값 중간값(R4)에 가산되는 것이다.
「목표 저항값 보정계수(α)」는 상기 와류 보정값(R5)을 도출할 때에 이용되는 수치이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 상기 와류 보정값(R5)은 「(V2-V3)/α」의 식으로 나타내어진다.
「목표 저항값(RTAR)」은 목표 저항값 중간값(R4)이나 와류 보정값(R5)에 의거해서 산출되며, 글로 플러그(1)를 목표 온도로 함에 있어서, 저항값 제어의 목표가 되는 저항값이다. 또한, 목표 저항값(RTAR)은 후술하는 처리를 거침으로써 수시로 갱신되게 되어 있다.
이어서, 보온 통전시에 있어서의 통전 제어의 상세에 대해 설명한다. 우선, 도 5에 나타낸 바와 같이, 최초 계산 종료 플래그가 체크되어(S61), 저항값 제어(즉, 보온 통전)가 이루어졌는지 아닌지가 확인된다. 이것이 이루어진 적이 없을 때에는 초기 설정 처리(S62 ~ S65)가 이루어진다. 한편, 보온 통전이 이루어진 적이 있는 경우에는 후술하는 조정 보정값 설정 처리(S66)로 이행한다.
초기 설정 처리에 있어서는, 우선, 초기 목표 온도와 보정 전 저항값에 의거해서 기준 저항값(R0)이 설정된다(S62). 구체적으로는, 상기한 저항 온도 관계식을 참조해서 얻어진 초기 목표 온도에 있어서의 저항값에서 소정의 저항값(예를 들면, 180mΩ)만큼 감소한 값이 기준 저항값(R0)으로서 설정된다. 또한, 기준 저항값(R0)을 설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「기준 저항값 설정수단」에 상당한다.
또한, 전압 온도 관계식을 참조해서, 초기 목표 온도에 있어서의 실효 전압이 기준 실효 전압(V0)으로서 설정된다(S63). 부가해서, 목표 저항값 보정계수(α)는 소정의 초기값으로 설정됨과 아울러(S64), 이후의 보온 통전 처리를 할 때에, S61에서 초기 설정 처리(S62 ~ S65)측으로 분기하지 않도록 최초 계산 종료 플래그가 성립된다(S65).
한편, 최초 계산 종료 플래그가 성립되어 있는 경우(S61；No)에는, 조정 보정값 설정 처리(S66)에서 조정 보정값(R1)이 결정된다.
상세히 설명하면, 도 6 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 보온 통전의 개시로부터 미리 설정된 제 1 기준시(T1)(예를 들면, 2.5s)가 경과할 때까지(S661；No), 소정의 제 1 시간 간격(예를 들면, 50ms)마다, 조정 보정값(R1)의 초기값에 소정의 조정값(Rn)(예를 들면, 1mΩ)이 가산된다(S663). 또한, 제 1 기준시(T1)로부터 미리 설정된 제 2 기준시(T2)(예를 들면, 6.4s)가 경과할 때까지(S662；No), 소정의 제 2 시간 간격(예를 들면, 80ms)마다 상기 조정값(Rn)이 조정 보정값(R1)에 가산된다(S665). 또한 제 2 기준시(T2)로부터 미리 설정된 제 3 기준 시(T3)(예를 들면, 6.4s)가 경과할 때까지는(S664；No), 미리 설정된 제 3 시간 간격(예를 들면, 500ms)마다 상기 조정값이 조정 보정값(R1)에 가산된다(S666).
이어서, 도 5로 복귀해서, 기준 저항값(R0) 등에 의거해서 목표 저항값 중간값(R4)이 설정된다(S67). 구체적으로는, 기준 저항값(R0)과, 조정 보정값(R1)과, 수온 변화분 보정값(R3)을 가산한 값이 목표 저항값 중간값(R4)으로서 설정된다. 단, 초기 목표 온도와 다른 목표 온도가 설정되어 있는 경우에는, 목표 저항값 중간값(R4)에 목표 온도 변화분 보정값(R2)이 더 가산된다. 즉, 목표 저항값 중간값(R4)은, 「R4 = R0(기준 저항값) + R1(조정 보정값) + R2(목표 온도 변화분 보정값) + R3(수온 변화분 보정값)」의 식에 의거해서 결정된다. 따라서, 상기한 바와 같이 조정 보정값(R1)의 단위 시간당 증가량이 3 단계로 변화해 나가기 때문에, 목표 온도 변화분 보정값(R2)이나 수온 변화분 보정값(R3)을 고려하지 않는 경우에는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 목표 저항값 중간값(R4)이 서서히 기울기를 저감시키면서 증가해 나가게 된다. 또한, 목표 저항값 중간값(R4)을 산출·설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「중간값 설정수단」에 상당한다.
또한, 기준 저항값(R0)에 조정 보정값(R1)을 가산해 나감으로써, 최종적으로는, S62에서 설정된 기준 저항값(R0)의 감소분이 보완된다. 환언하면, 조정 보정값(R1)은, 기준 저항값(R0)의 감소분을 최종적으로 보완할 수 있도록, 그 증가 비율 등이 설정되어 있다.
그런데, 이와 같이 서서히 증대하는 조정 보정값(R1)을 이용해서 기준 저항값(R0)을 보정하는 이유는 다음과 같다. 즉, 글로 플러그(1)의 저항값으로서 계측되는 것은, 상기한 바와 같이, 발열 부분(발열 코일(9))의 저항값뿐만이 아니고, GCU(21)와 발열 부분(발열 코일(9))을 전기적으로 접속하는 하니스나 제어 코일(10) 등의 저항값을 포함한 글로 플러그 전체의 저항값이다. 그러나, 보온 통전의 개시 직후에는, 글로 플러그(1) 중 발열 부분(발열 코일(9))의 온도가 비교적 높고, 저항값이 비교적 큰 반면, 그 외의 부위(제어 코일(10) 등)에 대해서는 발열 부분에서의 온도가 충분히 전달되지 않으므로 저항값이 비교적 낮다(즉, 글로 플러그(1)의 저항값이 포화되어 있지 않다).
따라서, 본 실시형태에서는, 보온 통전이 개시된 직후로부터 얼마 동안은, 제어 코일(10) 등의 저항값이 비교적 낮은 것을 고려해서, 기준 저항값(R0)이 낮은 값으로 설정되고, 나아가서는, 목표 저항값(RTAR)을 도출하는 기초되는 목표 저항값 중간값(R4)이 비교적 낮은 값으로 설정되게 되어 있다. 한편, 가열이 진행되고, 제어 코일(10) 등의 저항값이 커졌을 때에는, 기준 저항값(R0)에 조정 보정값(R1)이 가산되어 감에 따라, 목표 저항값 중간값(R4)(나아가서는 목표 저항값(RTAR))이 글로 플러그(1)의 저항값의 변동에 대응해서 증대하게 되어 있다.
보온 통전 제어의 설명으로 돌아와서, 목표 저항값 중간값(R4)의 설정(S67) 후, 전압 온도 관계식에 의거해서, 현시점에서 설정된 목표 온도로부터 기준 실효 전압(V0)이 설정된다(S68). 또한, 기준 실효 전압(V0)을 설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「기준 실효 전압 설정수단」에 상당한다.
이어서, 크랭킹(cranking) 전(엔진 시동 전)인지 아닌지가 확인되고(S69), 크랭킹의 전후로, 후술하는 PI 제어(S74)에 있어서, 제어 실효 전압(V1)을 산출할 때에 이용되는 제어식[V1 = V0 + K × {(RTAR - R) + (TS/TI) × ∑(RTAR - R)}] 중의 비례항 계수(K), 적분항 계수(TI)가 변경된다{또한, TS는 샘플링 시간이며, 본 실시형태에서는 TS로서 소정 시간(예를 들면, 25ms)이 미리 설정되어 있다.}.
크랭킹 전(S69；Yes)에 있어서는, 엔진 상태의 변동이 적다. 따라서, 급속 승온 직후에 있어서의 오버슈트(과열)를 방지하기 위해, 글로 플러그(1)의 저항값이 목표 저항값에 가까워지는 속도가 비교적 내려갈 수 있도록, 상기 계수(K, TI)가 소정 수치(예, K = 20V/Ω, TI = 5s)로 설정된다(S70). 한편, 크랭킹 후에 있어서는, 엔진 회전수의 변동 등에 대응해서, 글로 플러그(1)의 온도를 목표 온도에 보다 쉽게 추종시키기 위해, 글로 플러그(1)의 저항값이 목표 저항값에 가까워지는 속도를 비교적 올릴 수 있도록, 상기 계수(K, TI)가 소정 수치(예를 들면, K = 80V/Ω, TI = 1.25s)로 설정된다(S71).
크랭킹 전이라고 판정된 경우(S69；Yes)에는, 계수(K, TI)의 설정(S70)에 이어서, 목표 저항값(RTAR)으로서 목표 저항값 중간값(R4)이 그대로 설정된다(S72). 목표 저항값(RTAR)을 설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「목표 저항값 설정수단」에 상당한다.
한편, 크랭킹 후라고 판정된 경우(S69；No)에는, 계수(K, TI)의 설정(S71)에 이어서, 와류 보정 처리(S73)가 이루어진다. 또한, 와류 보정 처리에 대해서는 후에 상세히 설명한다.
S72에서 목표 저항값(RTAR)이 설정된 후, 해당 목표 저항값(RTAR)과 계측된 글로 플러그(1)의 저항값(R)을 이용해서, 글로 플러그(1)에 인가해야 할 제어 실효 전압(V1)이 산출된다(S74). 즉, 「V1 = V0 + K × {RTAR - R) + (TS/TI)×∑(RTAR - R)｝」의 식에 의거해서 제어 실효 전압(V1)이 설정된다. 제어 실효 전압(V1)을 설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「실효 전압 결정 수단」에 상당한다.
또, 지금까지 설정된 제어 실효 전압(V1)에 의거해서 평균 실효 전압(V2)이 산출된다(S75). 본 실시형태에서는, CPU(32)의 동작 클록에 대응해서, 제어 실효 전압(V1)이 소정 시간(예를 들면, 25ms)마다 1회 계산되게 되어 있기 때문에, 평균 실효 전압(V2)으로서는, 상기 소정 시간보다도 충분히 긴 시간(예 250 ms) 내에 있어서의 제어 실효 전압(V1)의 평균값이 산출된다.
그 후, 제어 실효 전압(V1)과 GCU(21)로부터의 글로 플러그(1)에 대한 출력전압(콘트롤러 출력전압)에 의거해서 듀티비(duty ratio)가 계산되고(S76), 이 듀티비에 의거해서 글로 플러그(1)에 대한 통전이 제어된다. 이후, 보온 통전 처리의 종료 조건이 만족될 때(즉, S32가 「Yes」가 될 때)까지, S61 ~ S76까지의 처리가 반복해서 이루어진다. 또한, GCU(21)로부터의 출력전압을 대신해서, 배터리(VA)의 공급전압을 이용해서 듀티비를 계산하는 것으로 해도 좋다.
이어서, 와류 보정 처리(S73)에 대해 설명함에 있어서, 우선, 와류 보정 처리에서 이용되는 제 3 관계식으로서의 보정식에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 벤치마크 시험에 있어서, 엔진 회전수나 부하, 수온 등을 여러 가지로 변경해서 엔진 단체(單體)를 구동시킴으로써 얻어진 제어 실효 전압(V1)의 평균값인 평균 실효 전압(V2)에서 표준 실효 전압(V3)을 감산해서 얻은 차이값(실효 전압 차이값), 및 이 차이값에 대응하는 저항 보정값(엔진 구동시의 글로 플러그의 저항값(R)과 엔진 비 구동시의 기준 저항값(R0)의 차이값에 상당함)의 관계식(도 12 참조)이 상기 보정식으로서 미리 설정되어 있다. 특히 본 실시형태에서는, 실효 전압 차이값과 저항 보정값이 거의 1차의 상관관계를 가지는 것이 경험적으로 입증된 사실임을 감안해서, 평균 실효 전압(V2)이 표준 실효 전압(V3)과 동일할 때에 저항 보정값이 0이 되는 점을 기준점으로 한 다음, 엔진 회전수나 부하 등을 변경해서 얻어진 실효 전압 차이값과 저항 보정값의 관계를 나타내는 각각의 점의 좌표를 이용해서 1차식을 도출하고, 이 1차식을 보정식으로서 이용하고 있다. 또한, 이 보정식은, 제어 코일(10) 등의 저항 부위에서의 발열 등의 영향을 고려해서 투입해야 할 전력량을 증대시킬 수 있도록, 목표 저항값(R)에 대해서 부가되어야 할 저항값을 나타내고 있다. 또한, 상기 보정식은, 각 글로 플러그(1)의 통전을 제어함에 있어서 공통으로 이용된다.
와류 보정 처리의 설명으로 돌아와서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 크랭킹 개시로부터 소정 시간(예를 들면 20s)이 경과했는지 아닌지의 경우로 나눠서(S731), 상기한 저항 보정값에 의해 와류 보정값(R5)이 설정된다.
즉, 크랭킹 개시로부터 소정 시간이 경과하기 전(S731；No)에는, 글로 플러그(1) 중 발열 부분 이외의 부위가 충분히 승온되어 있지 않은 등의 이유에 의해, 글로 플러그(1)의 저항값이 충분히 포화되어 있지 않을 우려가 있다. 따라서, 상기 보정식으로부터 얻어진 저항 보정값을 그대로 사용하면 과열을 야기할 우려가 있다. 따라서, 과열을 방지하는 관점에서 본 실시형태에서는, 상기한 크랭킹 개시로부터 소정 시간이 경과할 때까지는 와류 보정값(R5)이 낮게 설정되어 있고, 시간경과에 수반해서 서서히 증가하게 되어 있다. 구체적으로 와류 보정값(R5)은, 상기 보정식을 참작해서 「(V2 - V3)/α」로 나타낸 바와 같이, 목표 저항값 보정계수(α)를 소정 시간(예를 들면 1초간)마다 소정량(예를 들면, 1)만큼 감소시키는 것에 의해(S732), 최종적으로(즉, 크랭킹 개시로부터 소정 시간경과 후에), 상기 보정식으로부터 도출되는 저항 보정값과 와류 보정값(R5)이 동일해지도록, 목표 저항값 보정계수(α)의 초기값이나 목표 저항값 보정계수(α)의 단위 시간당 감소 비율이 설정되어 있다.
한편, 크랭킹 개시로부터 소정 시간이 경과되어 있는 경우(S731；Yes)에는, 글로 플러그(1)의 저항값이 포화상태에 있다고 할 수 있다. 따라서, 와류 보정값(R5)으로서, 상기 보정식으로부터 도출되는 저항 보정값에 대응하는 비교적 큰 값이 설정된다. 또한, 와류 보정값(R5)을 설정하는 CPU(32)가 본 발명에 있어서의 「보정값 설정수단」에 상당한다.
또한, 본 실시형태에서는, 소정의 목표 온도(예를 들면, 1200℃)에 있어서, 도 13에 나타낸 바와 같이, 목표 저항값 보정계수(α)의 역수(1/α)가, 소정 시간(예를 들면, 20s)의 사이에, 소정의 제 1 설정값(예를 들면, 8.8mΩ/V)에서 소정의 제 2 설정값(예를 들면, 13.5mΩ/V)으로 증대하도록, 목표 저항값 보정계수(α)의 초기값이나 변화 비율이 설정되어 있다.
와류 보정값의 설정에 이어서, 평균 실효 전압(V2)이 표준 실효 전압(V3) 이상인지 아닌지가 판정된다(S733). 이때, 평균 실효 전압(V2)이 표준 실효 전압(V3) 이상인 경우(S733；Yes)에는 엔진이 시동된 후의 상태라고 할 수 있으므로, 와류에 대한 보정을 행할 필요가 있다. 따라서, 목표 저항값 중간값(R4)에 와류 보정값(R5)을 가산한 값이 목표 저항값(RTAR)으로서 설정된다(S734).
한편, 평균 실효 전압(V2)이 표준 실효 전압(V3) 미만인 경우(S733；No)에는 엔진 시동 전이라고 할 수 있으므로, 와류에 대한 보정을 행할 필요는 없다. 따라서, 목표 저항값 중간값(R4)의 값이 그대로 목표 저항값(RTAR)으로서 설정된다(S735).
이후에는, 보온 통전의 종료 조건이 만족될 때까지, 수시 설정(갱신)되는 목표 저항값(RTAR)에 의거해서 S61 ~ S76의 보온 통전 제어가 이루어진다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 크랭킹 후에 있어서는, 제어 코일(10) 등의 저항 부위에서의 발열 등의 영향을 고려해서, 상기 보정식을 이용해서 얻어진 와류 보정값(R5)을 목표 저항값 중간값(R4)에 더한 값이, 목표 저항값(RTAR)으로 설정된다. 이때, 상기 보정식은 엔진이 구동되고 있을 때(즉, 와류가 발생하고 있을 때)를 감안한 것이며, 글로 플러그(1)에 대한 인가 전압에 대응한, 글로 플러그의 저항값과 기준 저항값(R0)(외란이 발생하고 있지 않을 때의 저항값)의 차이값에 의거한 저항 보정값을 나타낸다. 따라서, 이 저항 보정값으로부터 얻어진 와류 보정값(R5)을 이용해서, 엔진(EN)이 구동되고 있지 않은(즉, 와류가 발생하고 있지 않은) 상태에서 얻어진 기준 저항값(R0)(목표 저항값 중간값(R4))을 보정함으로써, 와류의 영향을 고려한 적절한 목표 저항값(RTAR)을 설정할 수 있다. 그 결과, 와류에 의한 온도 저하를 보다 확실하게 방지할 수 있고, 글로 플러그(1)의 온도를 목표 온도로 안정적으로 유지할 수 있다.
또, 엔진(EN)의 구동 후로부터 글로 플러그(1)의 온도가 포화될 때까지, 글로 플러그(1)의 저항값이 승온에 수반해서 증대하기 때문에, 그 증대에 맞춰서 와류 보정값(R5)이 변동된다. 즉, 본 실시형태에서는, 최초의 와류 보정값(R5)을 낮게 설정하고, 글로 플러그(1)에 대한 통전 시간에 대응해서 서서히 와류 보정값(R5)을 상승시키게 되어 있다. 따라서, 와류에 의한 온도 저하를 충분히 억제함과 아울러, 글로 플러그(1)의 과열을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
아울러서, 목표 저항값 중간값(R4)을 설정할 때에, 기준 저항값(R0)에 부가해서, 수온의 변화 등을 나타내는 환경정보(수온 변화분 보정값(R3))가 참작된다. 따라서, 제어목표가 되는 목표 저항값(RTAR)을 보다 적절히 설정할 수 있고, 글로 플러그(1)의 온도를 보다 안정적으로 목표 온도로 유지할 수 있다.
또, 와류 보정값(R5)은 표준 실효 전압(V3)을 이용해서 도출된다. 이때, 예를 들면, 표준 실효 전압(V3)을 대신해서 어느 하나의 글로 플러그의 기준 실효 전압(V0)을 이용하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우에는, 상기 어느 하나의 글로 플러그의 기준 실효 전압(V0)과 그 외의 글로 플러그의 기준 실효 전압(V0)이 각각 다르기 때문에, 각 글로 플러그에 대해서 적절한 와류 보정값(R5)을 설정할 수 없을 우려가 있다. 이 점에서 본 실시형태에서는, 각 글로 플러그의 기준 실효 전압(V0)의 각각에 대해 비교적 가까운 값인 표준 실효 전압(V3)을 이용하고 있기 때문에, 각 글로 플러그의 통전 제어에 공통의 보정식을 이용했다고 해도, 높은 정도(精度)로 각 글로 플러그의 통전을 제어할 수 있다.
또한 제어 실효 전압(V1)의 평균값인 평균 실효 전압(V2)의 차이값에 의거해서 저항 보정값을 설정함으로써, 저항 보정값의 변동이 극단적으로 커지는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 글로 플러그(1)의 온도 변동이 극단적으로 커지는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
이어서, 본 발명에 의해 얻어지는 작용 효과를 확인하기 위해, 실시예에 관한 GCU(와류 보정 처리를 실시하는 것), 및 비교예(종래예)에 관한 GCU(와류 보정 처리를 실시하지 않는 것)를 각각 이용해서, 엔진의 상태를 여러 가지로 변경함으로써, 각 GCU에 의해 제어되는 각각의 글로 플러그의 온도(플러그 온도)를 측정하였다. 엔진의 상태는, 무(無)부하를 포함한 저(低)부하의 예로서, 엔진 시동 전 상태(정지상태), 아이들링 상태, 회전수 2000rpm 상태, 3000rpm 상태, 4000rpm 상태의 5가지 상태, 및 고(高)부하의 예로서, 회전수 4000rpm 상태의 합계 6개의 상태로 비교를 행하고 있다. 도 15에 이 시험의 결과를 나타낸다. 또한, 글로 플러그의 목표 온도는 1250℃로 하였다. 또, 도 15에서는, 실시예에 관한 GCU를 이용해서 제어한 글로 플러그의 온도를 검은 사각형(■)으로 플로트(plot)하고, 비교예에 관한 GCU를 이용해서 제어한 글로 플러그의 온도를 엑스표(×)로 플로트하였다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 엔진의 회전수가 커짐에 따라(환언하면, 와류 등의 외란의 영향이 강해짐에 따라), 비교예에 관한 GCU에 의해 제어되는 글로 플러그는 그 온도가 크게 감소해서(본 시험에서는, 시동 전의 상태에서 최대 84℃나 저하됨) 목표 온도의 유지가 어려운 것이 확인되었다.
이에 비해, 실시예에 관한 GCU에 의해 글로 플러그를 제어한 경우에는, 엔진의 회전수가 커지거나 혹은 부하의 정도가 변화해도, 최고 온도와 최저온도의 차이가 매우 작은(본 시험에서는, 12℃) 상태이므로(즉 안정적으로), 글로 플러그의 온도를 목표 온도로 유지할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이것은, 엔진 시동 후에 와류 등의 영향에 의해 발열 저항체가 부분적으로 냉각된 경우 등에도, 와류 보정 처리를 행함으로써, 발열 저항체의 온도를 목표 온도로 유지하기 위해 투입해야 할 전력을 발열 저항체에 보다 확실하게 투입할 수 있었기 때문이라고 할 수 있다.
이상, 상기 시험의 결과를 감안해서, 글로 플러그의 온도를 안정적으로 목표 온도로 유지하기 위해서는, 예를 들면, 보정식에 의거한 와류 보정값을 목표 저항값에 가산하는 등, 글로 플러그에 전력을 투입했을 때에 제어 코일 등의 저항 부위가 미치는 영향을 고려해서 목표 저항값을 설정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 상기 실시형태의 기재 내용에 한정되지 않고, 예를 들면 다음과 같이 실시해도 좋다. 물론, 이하에서 예시하지 않는 다른 응용예, 변경예도 가능하다.
(a) 상기 실시형태에서는, GCU(21)가, 환경 온도의 정보로서 ECU(41)로부터 냉각수의 수온(수온 정보)를 취득하고, 이 환경 온도의 정보를 이용해서, 목표 저항값 중간값(R4)(목표 저항값(RTAR))을 산출하고 있다. 이것에 대해서, 환경 온도의 정보를 이용하지 않고, 목표 저항값 중간값(R4)(목표 저항값(RTAR))을 산출하는 것으로 해도 좋다. 이 경우에는, GCU(21)와 ECU(41)나 수온 센서(SE)의 사이에 통신수단을 설치할 필요가 없고, 제조원가의 억제를 도모할 수 있다.
(b) 상기 실시형태에서는, GCU(21)가, 발열 코일(9)을 가지는 글로 플러그(1)(메탈 글로 플러그)의 통전을 제어하도록 구성되어 있지만, GCU(21)에 의한 제어의 대상은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 각 부재의 치수나 코일의 조성 등은 GCU(21)로 제어하기 쉬운 것으로 적절히 변경 가능하다. 또, 글로 플러그도 메탈 글로 플러그로 한정되는 것은 아니다. 따라서, GCU(21)가, 세라믹 히터를 가지는 세라믹 글로 플러그의 통전을 제어하도록 구성하는 것으로 해도 좋다.
(c) 상기 실시형태에서는, 제어 코일(10) 등이 충분히 승온될 때까지, 조정 보정값(R1)을 가산함으로써 목표 저항값 중간값(R4)(목표 저항값(RTAR))을 조정하고 있지만(S66, S67), 조정 보정값(R1)을 가산하지 않고, 상기한 저항 온도관계식으로부터 얻어진 목표 온도에 있어서의 저항값을 그대로 기준 저항값(R0)으로 설정하고, 해당 기준 저항값(R0)으로부터 목표 저항값 중간값(R4)을 산출하는 것으로 해도 좋다. 즉, 크랭킹 개시 직후에 있어서 글로 플러그(1)의 저항값이 이미 포화상태에 있는 것으로 해서 통전을 제어하는 것으로 해도 좋다.
(d) 상기 실시형태에서는, 목표 저항값 보정계수(α)를 감소시킴으로써, 와류 보정값(R5)이 통전 시간의 경과에 수반해서 서서히 증대하게 하고 있지만, 와류 보정값(R5)이 통전 시간의 경과에 수반해서 변동하지 않도록 구성되는 것으로 해도 좋다{단, 와류 보정값(R5)이 변동하지 않는다는 것은 아니고, 실효 전압의 차이값(평균 실효 전압(V2)과 표준 실효 전압(V3)의 차이값)에 따라 와류 보정값(R5)이 변동한다}.
(e) 상기 실시형태에는 특별히 기재되어 있지 않지만, 흡/배기 밸브를 개방하는 시점을 제어하는 정보나, 에어 플로 센서 등의 유속, 연료 분사량의 변화 등, 글로 플러그(1)가 배치된 연소실의 온도에 변화를 주는 외란이, 발열 코일(9) 이외의 저항 부위에 미치는 영향을 고려해서, 목표 저항값을 설정하는 것으로 해도 좋다. 이 경우에는 발열 온도를 한층 안정된 상태로 유지할 수 있다.
1 - 글로 플러그
9 - 발열 코일(발열 저항체)
21 - 통전 제어 장치로서의 글로 제어장치(GCU)
EN - 엔진(내연기관)

Claims (6)

  1. 통전에 의해 발열함과 아울러, 자신의 온도변화에 따라 자신의 저항값이 변화하는 글로 플러그에 대해서, 상기 글로 플러그의 저항값이 소정의 목표 저항값과 일치하도록 통전을 제어하는 저항값 제어방식에 의해, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압을 제어하는 글로 플러그의 통전 제어장치에 있어서,
    상기 글로 플러그의 저항값이, 상기 글로 플러그의 발열 저항체의 저항값과, 이 발열 저항체 이외의 저항 부위의 저항값의 합계에 의거해서 얻어지는 것이며,
    상기 글로 플러그에 전력을 투입했을 때에 있어서의, 상기 저항 부위가 미치는 영향을 고려해서, 상기 목표 저항값을 설정하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 통전 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 저항체에 온도변화를 가져오는 외란(外亂)의 변화량의 정보에 의거해서 상기 저항 부위가 미치는 영향을 고려함으로써, 상기 목표 저항값을 설정하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 통전 제어장치.
  3. 통전에 의해 발열함과 아울러, 자신의 온도변화에 따라 자신의 저항값이 변화하는 글로 플러그에 대해서, 상기 글로 플러그의 저항값이 소정의 목표 저항값과 일치하도록 통전을 제어하는 저항값 제어방식에 의해, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압을 제어하는 글로 플러그의 통전 제어장치에 있어서,
    상기 글로 플러그가 부착되는 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에, 상기 글로 플러그에 통전을 행함으로써, 상기 글로 플러그의 제 1 저항값을 취득하는 제 1 취득수단과,
    적어도 상기 제 1 저항값에 의거해서 상기 목표 저항값의 중간값을 설정하는 중간값 설정수단과,
    상기 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압과 상기 글로 플러그의 온도의 관계를 나타내는 제 1 관계식을 이용해서, 상기 글로 플러그를 목표 온도로 하기 위해 인가해야 할 전압인 기준 실효 전압을 설정하는 기준 실효 전압 설정수단과,
    상기 내연기관의 구동이 정지되어 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그의 저항값과 상기 글로 플러그의 온도의 관계를 나타내는 제 2 관계식을 이용해서, 상기 글로 플러그의 목표 온도에 대응하는 상기 글로 플러그의 저항값인 기준 저항값을 설정하는 기준 저항값 설정수단과,
    상기 내연기관이 구동되고 있을 때에 있어서의, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압과 상기 글로 플러그의 저항값의 관계에 의거해서 얻어진, 상기 글로 플러그에 대한 인가 전압에 대응하는, 상기 글로 플러그의 저항값과 상기 기준 저항값의 차이값에 의거한 저항 보정값의 관계를 나타내는 제 3 관계식을 이용해서, 상기 저항 보정값으로부터 외란 보정값을 설정하는 보정값 설정수단과,
    상기 내연기관의 구동 개시 후에 있어서, 상기 목표 저항값의 중간값 및 상기 외란 보정값을 이용해서, 상기 목표 저항값을 설정하는 목표 저항값 설정수단과,
    상기 기준 실효 전압 및 목표 저항값에 의거해서, 글로 플러그에 인가해야 할 실효 전압을 결정하는 실효 전압 결정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 통전 제어장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보정값 설정수단은, 내연기관의 구동 후로부터 글로 플러그의 온도가 포화할 때까지, 승온(昇溫)에 수반한 글로 플러그의 저항값의 증대에 대응해서 상기 외란 보정값을 변동시키는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 통전 제어장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 글로 플러그가 사용되는 환경에 따른 환경 온도의 정보를 취득함과 아울러,
    상기 중간값 설정수단은, 상기 환경 온도의 정보에 의거해서, 상기 목표 저항값의 중간값을 설정하는 것을 특징으로 하는 글로 플러그의 통전 제어장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 글로 플러그의 통전 제어장치 및 글로 플러그를 구비하는 발열 시스템.
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