JP2012127194A - 内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁負荷を駆動する内燃機関制御装置において、電磁負荷の駆動周期が短い場合でも、該電磁負荷の故障診断精度を向上させ、ノイズに影響されない高速制御を安定して行う。
【解決手段】電磁負荷制御装置において、前記電圧異常を検出する手段をマスクするためのマスク手段を備え、前記マスク手段は、前記電圧異常の検出タイミングを、電磁負荷遮断と電磁負荷の通電とが繰り返される電磁負荷の通電開始タイミングに合わせて設定してあり、電磁負荷の通電遮断時より一定時間を内部タイマによってカウントすることにより、前記一定時間内に検出された電圧異常の誤検出をマスクするように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガソリンや軽油等を燃料とする、自動車，オートバイ，農耕機，工機，船舶機等の内燃機関制御装置に関し、特に、バッテリ電圧あるいは昇圧したバッテリ電圧により駆動される、燃料噴射装置等の電磁負荷制御装置と、その駆動及び故障診断に関する。

ガソリンや軽油等を燃料とする、自動車，オートバイ，農耕機，工機，船舶機等の内燃機関制御装置には、燃費や出力向上の目的で、気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）が備えられている。このような気筒内直接噴射型インジェクタは、高圧燃料を使用するため、開弁動作に多くのエネルギーを必要とする。また、制御性能（応答性）向上や高速回転（高速度制御）に対応するために、インジェクタに対する上記エネルギーの供給時間や遮断時間を短くする必要がある。さらに、燃料噴射のための燃料噴射システムでは、内燃機関のシリンダ動作サイクルにおいて、電磁駆動される燃料噴射弁を有する燃料噴射装置から燃焼室に対し複数回の燃料噴射（多段噴射）による燃料供給が行われている。

例えば特許文献１では、主トルク発生のための主噴射，トルク増強のための予噴射，排ガス処理の後噴射を有する多段噴射制御が開示されている。これらに対応するためには、電磁負荷に流れる電磁負荷電流を短時間で遮断する必要がある。燃料噴射を短時間で制御する内燃機関制御装置の従来技術の例として、特許文献２に示されているものがある。

特開２００３−２０１９００号公報 特開２００９−１７７３１９号公報

電磁負荷の駆動中または停止途中に、電磁負荷に何らかの故障（天絡，地絡，短絡，開放）が生じた場合、即座にその故障内容を検出し、診断する必要が生じる。

上述した特許文献に記載された内燃機関制御装置では、駆動周期が短くなった場合（つまり、内燃機関の回転数が増加した場合等）には、診断用電圧を下げるのに十分な時間を確保できず、異常電圧閾値よりも電圧が下がりきらない場合があり、診断回路は、例えば、駆動回路及び電磁負荷は正常であるにもかかわらず、天絡が生じたという誤診断をすることがある。また、前記のような誤診断を行った場合は、回路は正常な状態であるにも係わらず、マイクロコンピュータは誤診断と識別してしまい、処理負荷を著しく増大させてしまう。

そこで、本発明は、インジェクタ（燃料噴射装置）などの電磁負荷を駆動する内燃機関制御装置において、内燃機関の回転数が高くなった場合、すなわち、電磁負荷の駆動周期が短くなった場合でも、該電磁負荷の故障診断精度を向上させ高速制御を安定して行わせることを目的とする。

上記課題を達成するために、例えば、内燃機関における燃料噴射装置などの電磁負荷の駆動周期が短くなった場合でも誤診断を防止するため、電磁負荷の駆動周期が時間的に短い場合は電圧異常の検出をマスクする手段を設ける。前記マスクする手段は、前記電圧の異常の検出タイミングを、電磁負荷の遮断と電磁負荷の通電とが繰り返される電磁負荷の通電開始タイミングに合わせて設定し、電磁負荷の通電が遮断された時より所定時間をカウントすることにより、前記一定時間内に検出された電圧異常の誤検出をマスクするように構成する。

本発明によれば、電磁負荷を駆動する内燃機関制御装置において、内燃機関の駆動周期が短くなった場合でも、該電磁負荷の故障診断の信頼性，精度を保証することができる。

本発明による実施例１の内燃機関制御装置の回路構成図である。 本発明による実施例２の内燃機関制御装置の回路構成図である。 実施例１の内燃機関制御装置における回路の動作波形の一例を示す図である。 実施例１の内燃機関制御装置における回路の動作波形の一例を示す図である。 実施例１の内燃機関制御装置における回路の動作波形の一例を示す図である。 本発明による実施例３の内燃機関制御装置の回路構成図である。

本発明による内燃機関制御装置の実施例を以下に説明する。

図１と図３と図４と図５を使用して、本発明による内燃機関制御装置の第１の実施例を説明する。図１は、内燃機関制御装置２の回路構成であり、バッテリ電圧１，バッテリ電圧１を昇圧する昇圧回路３，昇圧回路３と電源グランド３７との間に設置された電磁負荷５を有する。

また、内燃機関制御装置２には、電磁負荷５から見てバッテリ電圧側と電源グランド３７側とに、それぞれ電磁負荷用のドライバを構成するスイッチ素子（例えばＦＥＴ）、すなわちハイサイドドライバ４とロウサイドドライバ１０が設置されている。ここでは、電磁負荷５から見てバッテリ電圧側をハイサイド（上流）、電源グランド３７側をロウサイド（下流）と称する。

更に、内燃機関制御装置２は、マイクロプロセッサ３０，ロジック回路３１，ハイサイドドライバ用の駆動信号生成回路２８、及びロウサイドドライバ用の駆動信号生成回路１２を有する。また、電磁負荷５の故障診断のために、電圧検出回路１５と診断回路２５を有する。

昇圧回路３は、バッテリ電圧１を昇圧し、この昇圧電圧が電磁負荷５に、ハイサイドドライバ４及びロウサイドドライバ１０を介して印加される。この昇圧電圧により、インジェクタ等の電磁負荷５に流れる電流５Ａを短時間に上昇させる。すなわち、内燃機関制御装置２は、ハイサイドドライバ４とロウサイドドライバ１０を駆動させて電磁負荷５を駆動する。この過程を、以下に説明する。マイクロプロセッサ３０から出力されたコントロール信号２９は、ロジック回路３１に入力される。このコントロール信号に基づいて、ロジック回路３１は、ロジックのハイサイドドライバ駆動信号２６とロウサイドドライバ駆動信号１３をそれぞれの駆動信号生成回路１２及び２８に出力する。駆動信号生成回路１２及び２８は、入力されたロジック信号１３及び２６に基づきアナログのハイサイドドライバ駆動信号２７及びロウサイドドライバ駆動信号１１を生成する。このアナログ駆動信号１１及び２７によって、ハイサイドドライバ４とロウサイドドライバ１０が通電（オン）して、電磁負荷５に電磁負荷電流５Ａが流れ、電磁負荷５が駆動する。

この電磁負荷電流５Ａは、例えばインジェクタのような電磁負荷５の弁体を応答良く駆動（例えば開弁）するのに必要な程度の比較的大きな電流である。電磁負荷５の駆動後は、引き続き駆動後の弁体の状態を維持する程度の電流が、次のようにして所定時間、電磁負荷５に供給される。この場合には、ロウサイドドライバ駆動信号がオン状態を維持し（すなわち、ロウサイドドライバ１０がオン状態）、一方、ハイサイドドライバ駆動信号がオフ（ハイサイドドライバ４がオフ）し、更に、チョッピング駆動信号生成回路１０８を介して電磁負荷５がチョッピングされて、電磁負荷５の駆動後の状態が維持される。チョッピング駆動信号１０９は、マイクロプロセッサ３０からのコントロール信号２９に基づき、ロジック回路３１から出力される。この詳細は、図３を用いて後述する。

電磁負荷５の故障診断は、診断回路２５が行う。電圧検出回路１５は、ロウサイドドライバ１０のドレイン電圧４６を検出し、診断フラグ信号１４を診断回路２５に出力する。

例えば、ロウサイドドライバ１０のドレイン電圧４６が上昇してバッテリ電圧１に近い電圧まで達した場合、すなわちロウサイドドライバドレイン電圧４６が天絡検出の閾値を超えていれば、診断回路２５は、電磁負荷５が天絡したという天絡診断をする。

一方、ロウサイドドライバ１０のドレイン電圧４６が下降してグランドレベルの電圧まで達した場合、すなわち、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が地絡検出の閾値を下回っていれば、診断回路２５は、電磁負荷５が地絡したという地絡診断をする。

更に、内燃機関制御装置２は、第１電流量調整回路１８，第２電流量調整回路２０及び電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１を有する。第１電流量調整回路１８は、第１電流源１７からなる。第２電流量調整回路２０は、第２電流源１９及び第３電流源２１からなる。切り替えスイッチ１１１は、電圧検出回路１５の出力信号に応じて第１，第２の電流量調整回路（１８，２０）の電流源１７，１９，２１を選択的に切り替え制御するためのものである。

このうち第２電流量調整回路２０は、電磁負荷のスイッチング素子（ロウサイドドライバ１０）側のドレイン電圧を検出して、電磁負荷駆動時のドレイン電圧を所定の電圧レベルに保つためのものである。例えば、ドレイン電圧が低い場合には、電圧検出回路１５，電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１を介して第３電流源（電源側電流源）２１をオンしてドレイン電圧を上昇させ、逆にドレイン電圧が高い場合には、第２電流源（グラウンド側電流源）１９をオンしてドレイン電圧を減少させ、最終的にドレイン電圧を一定レベルに保つ。この場合、第２電流源１９は、グランド側に接続されているが、ドレイン電圧を所定レベルに収束させるために、緩やかにドレイン電圧を下降させる仕様になっている。

一方、第１電流量調整回路１８に用いられる第１電流源１７は、電磁負荷５の通電を遮断した時（非駆動にした時：ハイサイド及びロウサイドドライバ４，１０をオフした時）に電磁負荷によりロウサイドドライバ１０のドレイン側に生じる逆起エネルギーによる跳ね上がり電圧を急速に減衰させる役割をなす。ひいては、この逆起エネルギーの急速減衰により、電圧検出回路１５による天絡，地絡の検出動作を行うタイミングでの天絡の誤診断を防止するようにしてある。

また、内燃機関制御装置２には、電磁負荷５の入力信号及び出力信号を、外部からのサージやノイズのような外乱から保護するために、ノイズ・サージ保護用コンデンサ（上流）７とノイズ・サージ保護用コンデンサ（下流）９が設けられている。

更に内燃機関制御装置２は、逆流防止ダイオード６、及び電流回生ダイオード８を有する。逆流防止ダイオード６は、電磁負荷５のチョッピング制御時の電流の逆流を防止する。また、電流回生ダイオード８は、コントロール信号２９の立ち下がりでロウサイドドライバ駆動信号（アナログ）１１がオフになったとき、ロウサイドドライバ１０の逆起エネルギーによる回生電流を、昇圧回路３に回生させる。

次に、第１の実施例の動作を、図３のタイミングチャートを用いて説明する。

マイクロプロセッサ３０から出力されたコントロール信号２９がオンになると、ロウサイドドライバ１０及びハイサイドドライバ４の駆動信号、すなわちロウサイドドライバ駆動信号（アナログ）１１及びハイサイドドライバ駆動信号（アナログ）２７がオンになり、電磁負荷５に電磁負荷電流５Ａが流れる。

電磁負荷電流５Ａは、昇圧回路３で昇圧されたバッテリ電圧１により、通電初期のピーク電流通電期間に、ピーク電流閾値１００まで短時間で上昇する。ピーク電流閾値１００は、電流を停止する値であり、予め定めてある。ピーク電流閾値１００に達した電磁負荷電流５Ａは、保持区間に遷移し、ハイサイドドライバ４がオフ（ハイサイド電流８１Ａがオフ）になった後、チョッピング駆動信号生成回路１０８によってチョッピングされる。このときの電磁負荷上流電圧１０３の波形は、図３に示したようになる。電磁負荷の動作が終了すると、電磁負荷を初期状態に速やかに戻すために、電磁負荷電流５Ａを短い通電電流下降期間で急速に遮断する。

コントロール信号２９がオフになると、コントロール信号２９の立ち下がりでロウサイドドライバ駆動信号（アナログ）１１がオフになる。このロウサイドドライバ駆動信号１１の立ち下がりタイミング３９で、ロウサイドドライバ１０のドレイン側に、電磁負荷５による逆起エネルギーが発生する。ロウサイドドライバドレイン電圧４６は、この逆起エネルギーにより、ある特定の電圧（跳ね上がり電圧３００）まで跳ね上がる。跳ね上がり電圧３００は、ノイズ・サージ保護用コンデンサ（下流）９に蓄積される。同時に、跳ね上がり電圧３００は、ロウサイドドライバドレイン電圧４６として電圧検出回路１５に入力される。そして、電圧検出回路１５の検出結果に従い、電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１によって、第１電流量調整回路１８及び第２電流量調整回路２０が制御される。

このとき、図３に示すように、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が天絡閾値１０４よりも高い場合、電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１から第１電流源制御信号１６がハイ出力され、第１電流源１７がオンとなる。これにより、ロウサイドドライバドレイン電圧４６は、ノイズ・サージ保護用コンデンサ（下流）９に蓄積された電荷をディスチャージし、跳ね上がり電圧３００を急激に減衰することができる。そして、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が天絡閾値１０４以下になると、電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１により第１電流源制御信号１６がロウ出力となり、第１電流源１７はオフになる。この第１電流源制御信号立ち下がりタイミング３３で、電流調整用駆動信号切り替えスイッチ１１１から第２電流源制御信号２４がハイ出力され、第２電流源１９がオンになる。これにより、ロウサイドドライバドレイン電圧４６は、急速に減衰するが下がり過ぎることなく一定値１０５に収束し、定常状態に達する。

天絡状態であるかどうかを診断するタイミングは、コントロール信号２９の立ち上がりに合わせる。コントロール信号２９の立ち上がり以外は、電磁負荷５を急速に立ち上げたり逆起エネルギーが発生したりする状態であるので、天絡の判断が困難である。この天絡検出タイミング１１６で、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が天絡閾値１０４を超えていた場合、天絡状態であると判断する。

本実施例によれば、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が逆起エネルギーによりある特定の電圧まで跳ね上がり、ノイズ・サージ保護用コンデンサ９にチャージされても、天絡検出タイミング１１６までに、チャージされた電圧を急激に減衰することができる。

しかし、内燃機関の回転数が増加してコントロール信号２９の駆動周期が短くなり、つまり、天絡検出タイミング１１６までの間隔が時間的に短くなった場合、図４のタイミングチャートに示したように、ノイズ・サージ保護用コンデンサ９にチャージされた逆起エネルギーによる電圧を十分に減衰させる時間が無く、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が天絡閾値１０４を越えた状態でコントロール信号２９が立ち上がってしまい、この結果診断フラグが立ち、駆動回路及び電磁負荷は正常であるにもかかわらず天絡を検出するといった誤診断をしてしまう。

この誤診断を回避するために、ノイズ・サージ保護用コンデンサ９にチャージされた逆起エネルギーによる電圧が十分に減衰されるまでの一定期間、図５のタイミングチャートに示したような、天絡の誤診断（誤検出）をマスクする期間１１７を内部タイマ２５Ａによって設ける。この誤診断マスク期間１１７を設けることにより、コントロール信号２９の立ち下がりから立ち上がりの間隔が狭まった場合でも、駆動回路及び電磁負荷は正常であるにもかかわらず天絡が生じるという誤診断を無くすことができ、電磁負荷５を高精度に診断し、高速度で制御することができる。

また、以上の方法により、第１電流源１７による電流は、ロウサイドドライバドレイン電圧４６が逆起エネルギーによりある特定の電圧まで跳ね上がった場合にのみ流れるようにすることができるので、発熱を低減することができるというメリットもある。

図２に、本発明による内燃機関制御装置の第２の実施例を説明する。

本実施例の構成は、図１に示す誤診断マスク用タイマ２５Ａを、誤診断マスク回路２５Ｂに変更したものである。誤診断マスク回路２５Ｂは、実施例１と同様に誤診断マスク期間１１７を生成する役割を果たす。従って、このような構成によっても、図５に示したように実施例１と同様な効果を得ることが可能である。

図６に、本発明による内燃機関装置の第３の実施例を説明する。

本実施例の構成は、図１に示す電圧検出回路１５の入力経路を、ロウサイドドライバドレイン電圧４６からハイサイドドライバソース電圧４７に変更したものである。ハイサイドドライバソース電圧４７は、実施例１と同様に電圧検出回路１５へ接続することによって診断可能であるため、本構成によっても図５に示したように実施例１と同様の効果を得ることが可能である。

本発明は、ガソリンや軽油等を燃料とする、自動車，オートバイ，農耕機，工機，船舶機等において、バッテリ電圧あるいは昇圧したバッテリ電圧により、燃料噴射装置等の電磁負荷を駆動する内燃機関制御装置に関する。加えて、内燃機関のような駆動周期が変化する制御装置に関して、高い診断性能が必要な装置に適用される。

１ バッテリ電圧
２ 内燃機関制御装置
３ 昇圧回路
４ ハイサイドドライバ
５ 電磁負荷
５Ａ 電磁負荷電流
６ 逆流防止ダイオード
７ ノイズ・サージ保護用コンデンサ（上流）
８ 電流回生ダイオード
９ ノイズ・サージ保護用コンデンサ（下流）
１０ ロウサイドドライバ
１１ ロウサイドドライバ駆動信号（アナログ）
１２ ロウサイドドライバ用の駆動信号生成回路
１３ ロウサイドドライバ駆動信号（ロジック）
１３ａ 遅延ロウサイドドライバ駆動信号（ロジック）
１４ 診断フラグ信号
１５ 電圧検出回路
１６ 第１電流源制御信号
１７ 第１電流源
１８ 第１電流量調整回路
１９ 第２電流源
２０ 第２電流量調整回路
２１ 第３電流源
２４ 第２電流源制御信号
２５ 診断回路
２５Ａ 誤診断マスク用タイマ
２５Ｂ 誤診断マスク回路
２６ ハイサイドドライバ駆動信号（ロジック）
２７ ハイサイドドライバ駆動信号（アナログ）
２８ ハイサイドドライバ用の駆動信号生成回路
２９ コントロール信号
３０ マイクロプロセッサ
３１ ロジック回路
３３ 第１電流源制御信号立ち下がりタイミング
３７ 電源グランド
３９ ロウサイドドライバゲート信号立ち下がりタイミング
４６ ロウサイドドライバドレイン電圧
４７ ハイサイドドライバソース電圧
８１Ａ ハイサイド電流
１００ ピーク電流閾値
１０３ 電磁負荷上流電圧
１０４ 天絡閾値
１０５ ロウサイドドライバドレイン電圧の一定値
１０８ チョッピング駆動信号生成回路
１０９ チョッピング駆動信号
１１１ 電流調整用駆動信号切り替えスイッチ
１１６ 天絡検出タイミング
１１７ 誤診断マスク期間
３００ 跳ね上がり電圧

Claims (6)

1. 電磁負荷と、前記電磁負荷の電源と、前記電磁負荷を駆動するために少なくとも前記電源と前記電磁負荷との間及び前記電磁負荷と電源グラウンドとの間のいずれか一方に配置されたドライバ用のスイッチ素子と、前記電磁負荷と前記スイッチ素子との間の電圧異常を検出することにより回路構成の故障を診断する診断手段と、を備えた電磁負荷制御装置において、
   前記電圧異常を検出する手段をマスクするためのマスク手段を備え、
   前記マスク手段は、前記電圧異常の検出タイミングを、電磁負荷遮断と電磁負荷の通電とが繰り返される電磁負荷の通電開始タイミングに合わせて設定してあり、電磁負荷の通電遮断時より一定時間を内部タイマによってカウントすることにより、前記一定時間内に検出された電圧異常の誤検出をマスクすることを特徴とする電磁負荷制御装置。
2. 請求項１に記載の電磁負荷制御装置において、
   前記マスク手段は、前記電圧異常の検出タイミングを、電磁負荷遮断と電磁負荷の通電とが繰り返される電磁負荷の通電開始タイミングに合わせて設定してあり、かつ電磁負荷の通電遮断時よりチャージされたコンデンサから時定数を持った放電により、決められた一定時間内に検出された電圧異常の誤検出をマスクすることを特徴とする電磁負荷制御装置。
3. 請求項１また２に記載の電磁負荷制御装置において、
   前記電圧異常を検出する手段は、電磁負荷回路の天絡及び地絡のうち少なくとも一つに基づく電圧異常を検出することを特徴とする電磁負荷制御装置。
4. 電磁負荷と、
   前記電磁負荷の電源と、
   前記電源と前記電磁負荷との間及び前記電磁負荷と電源グラウンドとの間のいずれか一方に配置されたドライバ用のスイッチ素子と、
   前記電磁負荷と前記スイッチ素子との間の異常を検出することにより回路の故障を診断する診断手段と、
   前記異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段をマスクするためのマスク手段を備え、
   前記マスク手段は、前記異常の検出タイミングを、電磁負荷の通電開始タイミングに合致するように設定し、電磁負荷の通電が遮断された時より所定時間経過した場合に、前記所定時間内に検出された異常の誤検出をマスクすることを特徴とする電磁負荷制御装置。
5. 請求項４に記載の電磁負荷制御装置において、
   前記マスク手段は、前記異常の検出タイミングを、電磁負荷遮断と電磁負荷の通電とが繰り返される電磁負荷の通電開始タイミングに合わせて設定してあり、かつ電磁負荷の通電遮断時よりチャージされたコンデンサから時定数を持った放電により、決められた一定時間内に検出された異常の誤検出をマスクすることを特徴とする電磁負荷制御装置。
6. 請求項４また５に記載の電磁負荷制御装置において、
   前記異常検出手段は、電磁負荷回路の天絡及び地絡のうち少なくとも一つに基づく電圧異常を検出することを特徴とする電磁負荷制御装置。

Images