JP5276082B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来から、内燃機関の気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置では、その駆動電圧が比較的高いので、バッテリ電圧を昇圧してその駆動電圧を得ることが行われている。その場合、燃料噴射装置の駆動電圧を制御する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）において、その起動後の初期化に時間がかかると、駆動電圧を得るまでの時間が長くなり、結果として燃料噴射装置の駆動が遅れてしまうという問題がある。この問題は、現在および将来に渡ってＥＣＵが高性能化し多機能化するほどその初期化が遅れて顕著になっていく傾向がある。

特許文献１は、自動車エンジン制御用ＬＳＩを開示する。このＬＳＩは、エンジンの始動時にはバッテリ電圧よりも低い動作電圧の回路を動作させ、通常運転時にはバッテリ電圧以上の動作電圧の回路を動作させる。

特開昭５８−１５７３７号公報

しかし、特許文献１に記載の制御用ＬＳＩでは、ＬＳＩの起動後の初期化時間については何ら考慮されておらず、燃料噴射装置の制御に適用した場合、ＬＳＩの初期化遅れに起因する上述した燃料噴射装置の駆動遅れという問題を解決することはできない。

そこで、本発明は、ＥＣＵの初期化遅れに起因する燃料噴射装置の駆動遅れを回避して、内燃機関の始動性能を向上させることを目的とする。

本発明は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置と、バッテリとを備える内燃機関の制御装置を提供する。その制御装置は、第１の制御手段と、第１の制御装置よりも起動後の初期化時間が長い第２の制御手段と、バッテリの出力電圧を燃料噴射装置の駆動電圧まで昇圧させるための昇圧手段とを備え、内燃機関の始動時に第１の制御手段により昇圧手段を制御して駆動電圧まで昇圧させ、内燃機関の始動完了後は第２の制御手段により昇圧手段を制御して駆動電圧まで昇圧させる。

本発明によれば、燃料噴射装置の駆動電圧の制御を初期化時間の短い第１の制御手段で始動時に開始し、始動完了後は高性能な第２の制御装置に切り替えることで、燃料噴射装置の駆動遅れを回避して、内燃機関の始動時間の短縮化と高精度および高効率な制御との両立を図ることができる。

本発明の一形態によると、制御装置は、内燃機関の回転数が所定値以上になった場合に内燃機関の始動が完了したと判定する。

本発明の一形態によれば、第２の制御手段の初期化が終了しても、低温時やバッテリ劣化があると始動中はバッテリ電圧が安定せず、第２の制御手段がリセットする場合がある。内燃機関の回転数を監視することで、バッテリ電圧が安定した状態で第１の制御手段から第２の制御手段への切換を行うことができる。

本発明の一形態によると、所定値はアイドル運転時の目標回転数よりも大きく、内燃機関の始動信号が出てから停止信号が出るまでの間に、当該停止信号に基づかない内燃機関の停止が検出され、かつ内燃機関の回転数が所定値未満である場合、第１の制御手段により昇圧手段を制御して駆動電圧まで昇圧させる。

本発明の一形態によれば、運転者や制御装置が意図しない内燃機関の停止（エンスト）が起きた場合、その後の再始動中はバッテリ電圧が安定せず、第２の制御手段がリセットしてしまうような場合においても、確実に内燃機関の始動時間の短縮化を図ることができる。

本発明の一形態によると、昇圧手段は、ダイオード整流回路と同期整流回路とを含み、第１の制御手段は当該ダイオード整流回路を制御し、第２の制御手段は当該同期整流回路を制御する。

本発明の一形態によると、第１の制御手段により速やかに始動を完了させ、その後の通常運転時には第２の制御手段により昇圧時の発熱損失を小さく抑えることができる。

本発明の実施形態に従う内燃機関の制御装置の全体的な構成図である。 本発明の実施形態に従うＣＰＵ１、２による昇圧手段における昇圧動作の制御の様子を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態に従う制御装置の昇圧手段の構成例を示す図である。 本発明の実施形態に従う制御回路による昇圧制御フローを示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンという）の制御装置の全体的な構成図である。

エンジン１は、たとえば４気筒４サイクルのエンジンであり、図にはそのうちの１つの気筒のみが示されている。エンジン１には、吸気管２および排気管３が連結されている。燃焼室５が、ピストン６とシリンダヘッド７の間に形成され、燃料噴射弁８が、燃焼室５に臨むように取り付けられている。

燃料噴射弁８は、高圧ポンプ９および燃料タンク（図示せず）に接続されている。高圧ポンプ９は、燃料タンク内の燃料を昇圧した後、燃料噴射弁８に送り、燃料噴射弁８は受取った燃料を燃焼室５内に噴射する。燃料噴射弁８と高圧ポンプ９は、後述するＣＰＵ１、２により制御される。

エンジン１には、クランク角センサ１０が設けられている。クランク角センサ１０は、クランクシャフト１１の回転に伴い、ＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号を後述するＣＰＵ２（符号１６）に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角毎に出力されるパルス信号である。ＣＰＵ２は、ＣＲＫ信号に応じてエンジン１の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、吸気行程開始時のピストン６の上死点（ＴＤＣ）位置に関連したクランク角度で出力されるパルス信号である。４気筒ある場合には、ＴＤＣ信号はクランク角度１８０度ごとに出力される。

本実施形態においては、ＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号を受信するＣＰＵ２により各気筒の行程（換言すればクランクシャフトの位相）を判定する。エンジン停止時にクランクシャフトの位相を記憶しておくことで、ＣＰＵ２による気筒判別前であっても、適切な気筒に燃料噴射を実行することができる。なおＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＣＰＵ１に入力して、ＣＰＵ１により各気筒の行程を判定するようにしても良い。

昇圧手段１４は、バッテリ１３の出力電圧を所定電圧まで昇圧して、燃料噴射弁８の駆動電圧として燃料噴射弁８の駆動機構（図示なし）に供給する。

符号１７で示されるＥＣＵは、電子制御ユニットであり、入出力インターフェース、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、各種制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータを格納することができる。本発明に従う様々な制御のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびマップは、メモリに格納されている。ＥＣＵは、各制御対象から送られてくるデータを受け取って演算を行い、制御信号を生成して、各対象を制御するために送る。

ＣＰＵ２（１６）は、ＣＰＵ１（１５）に比べて、起動後の初期化時間が長く、一般的に高性能で高機能なコンピュータである。ここで、初期化時間とはコンピュータが起動して初期化プログラムの実行が完了して、各種制御のためのプログラムの実行に伴う処理が可能な状態になるまでの時間を意味する。

ＣＰＵ２は、燃料噴射弁８の噴射時間および噴射時期、高圧ポンプ９の圧力の制御をおこなう。ＣＰＵ１およびＣＰＵ２は、昇圧手段１４による昇圧動作を制御する。具体的には、エンジン１の始動時にはＣＰＵ１により昇圧手段１４を制御して駆動電圧まで昇圧させ、エンジン１の始動完了後はＣＰＵ２により昇圧手段１４を制御して駆動電圧まで昇圧させる。

図２は、本発明の実施形態に従うＣＰＵ１、２による昇圧手段１４における昇圧動作の制御の様子を示すタイミングチャートである。なお、図２では比較のために従来の昇圧制御のチャート２４も示してある。図２において、時間Ｔ１でイグニッションキーがオン（ＩＧ ＯＮ）になり、エンジン１が始動を開始したとする。その直後の時間Ｔ２で、ＣＰＵ１、２（符号２２、２３）がほぼ同時にスリープ状態から起動して初期化処理を開始する。初期化時間の短いＣＰＵ１（２３）は、時間Ｔ３で初期化処理を終了して通常の動作状態、すなわち各種制御が可能な状態になる。この通常の動作状態になったＣＰＵ１は、符号２５のチャートで示される昇圧手段１４による昇圧動作を開始させる。この時、初期化時間の長いＣＰＵ２（２２）は未だ初期化処理中である。したがって、ＣＰＵ２のような１つのＣＰＵによって昇圧手段１４による昇圧制御をおこなう、従来の昇圧制御においては、符号２４のチャートで示されるようにその制御を直ぐには開始することはできない。

時間Ｔ４で、ＣＰＵ２の初期化処理が終了して通常の動作状態になったとする。これを受けて、ようやく従来の昇圧制御における昇圧動作が開始される（２４）。チャート２４と２５の比較から明らかなように、本発明の一実施形態の昇圧制御（２５）では、従来の昇圧制御（２４）よりも符号２６で指示される時間分だけ早く昇圧手段１４における昇圧動作を開始させることができる。

時間Ｔ５でクランキングが開始され、ＣＲＫパルス信号が検出され始めたとする。この時、すでにＣＰＵ１の制御下での昇圧手段１４による昇圧動作は完了しており、直ちに燃料噴射弁８による燃料噴射が可能になる。一方、従来の昇圧制御（２４）では、未だ昇圧動作が完了していないので、燃料噴射弁８による燃料噴射をおこなうことはできない。このように、本発明の一実施形態の昇圧制御（２５）によれば、ＥＣＵの初期化遅れに起因する燃料噴射遅れを回避して速やかに燃料噴射可能な状態にすることができる。

その後の時間Ｔ６において、ＣＰＵ１による昇圧制御からＣＰＵ２による昇圧制御に切り替えられる。この時間Ｔ６は、例えばＣＲＫ信号から算出されるエンジン１の回転数ＮＥが所定値以上になったタイミングとして定めることができる。

次に、図３を参照しながら本発明の実施形態に従う制御装置の昇圧手段１４について説明する。昇圧手段１４は、図１に示されるようにＥＣＵ１７の一部として、あるいは独立した１つの手段として設けてもよい。図３は、本発明の実施形態に従う制御装置の昇圧手段１４の構成例を示す図である。図３の昇圧手段１４は、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータに該当し、バッテリ１３の電圧等の入力電圧Ｖ１を昇圧して出力電圧Ｖ２として燃料噴射弁の駆動機構に出力する。図３の実施形態では、ダイオード整流型の昇圧機能と、同期整流型の昇圧機能との２つの機能を併せ持ち、これらの機能を切り替えて使用するころに１つの特徴がある。すなわち、ダイオード整流型の昇圧機能は上述したＣＰＵ１による昇圧制御において利用され、同期整流型の昇圧機能は上述したＣＰＵ２による昇圧制御において利用される。このように、両者を切り替えて使用するのは、ダイオード整流型のみを用いた場合、ダイオードによる発熱損失が大きくなってしまうので、これを発熱損失の小さい同期整流型を用いることで低減するためである。なお、この２つの昇圧機能を図３に例示されるような１つの回路構成ではなく、それぞれ対応するＣＰＵによって制御される２つの回路構成によって実現してもよいことは言うまでもない。

ダイオード整流型の昇圧回路は、コイルＬ１と、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ１と、ＦＥＴ２とからなる基本構成を有し、ＦＥＴ２のゲートに入力される制御信号に応じて駆動する。同期整流型の昇圧機能は、コイルＬ１と、ＦＥＴ１と、コンデンサＣ１と、ＦＥＴ２とからなる基本構成を有し、ＦＥＴ１およびＦＥＴ２のゲートに入力される制御信号に応じて駆動する。なお、これらの基本構成（素子構成）は、あくまで例示であって同様な機能を持つ素子を用いることにより同様な機能を達成できる場合も本発明の実施形態に含まれることは言うまでもない。

ＣＰＵ１による昇圧制御の場合、ＣＰＵ２はＦＥＴ１のゲートおよびゲートＧ１へオフ信号を出力し、同時にＦＥＴ３のゲートにオン信号を出力する。ＣＰＵ１は、オンしたＦＥＴ３およびゲートＧ１を介してＦＥＴ２に制御信号を送り、ＦＥＴ２を所定周期でオン・オフ制御する。ＦＥＴ２のオン・オフにより、コイルＬ１と、ダイオードＤ１と、コンデンサＣ１と、ＦＥＴ２とからなるダイオード整流型の昇圧回路が動作して電圧Ｖ１を昇圧する。

ＣＰＵ２による昇圧制御の場合、ＣＰＵ２はＦＥＴ３のゲートにオフ信号を出力してＣＰＵ１からの制御信号を遮断する。ＣＰＵ２は、ＦＥＴ１のゲートおよびゲートＧ１を介してＦＥＴ２へ制御信号（オン・オフ信号）を出力し、ＦＥＴ１およびＦＥＴ２を所定周期でオン・オフ制御する。この２つのＦＥＴのオン・オフにより、コイルＬ１と、ＦＥＴ１と、コンデンサＣ１と、ＦＥＴ２とからなる同期整流型の昇圧回路が動作して電圧Ｖ１を昇圧する。なお、ＣＰＵ１とＣＰＵ２は信号線で結ばれて相互に制御信号をやりとりすることができるようになっている。

次に、図４を参照しながら、本発明の実施形態に従う制御フローについて説明する。図４は、本発明の実施形態に従う制御回路による昇圧制御フローを示す図である。この処理フローは、ＣＰＵ１、２によって所定の周期で実行される。

ステップＳ１において、イグニッションキーがオン（ＩＧ ＯＮ）になり、エンジン１が始動を開始する。これを受けて、既に図２を参照しながら説明したように、ＣＰＵ１、２がスリープ状態から起動して初期化処理を開始する。ステップＳ２において、初期化時間の短いＣＰＵ１が初期化処理を終了して、昇圧手段１４による昇圧動作の制御をおこなう。この制御の内容は、既に図３を用いて説明した通りである。

ステップＳ３において、エンジン１の回転数ＮＥが所定値よりも大きいか否かを判定する。この判定に用いる所定値は、バッテリ１３の出力電圧が安定したとみなすことができる、例えばアイドル回転数以上の所定値として予め設定される。なお、エンジン１の回転数ＮＥの代わりに、他のパラメータを用いて、例えばバッテリ１３の出力電圧を検出してその検出値を所定電圧値と比較する等してもよい。

ステップＳ３の判定がＹｅｓの場合、ステップＳ４において、昇圧手段１４による昇圧動作の制御をＣＰＵ１からＣＰＵ２に切り替え、ＣＰＵ２によって昇圧制御をおこなう。この切り替えにより、より高性能なＣＰＵ２による高精度な制御が可能となる。同時に、例えば図３に例示される昇圧回路を用いた場合においては、発熱損失の小さい同期整流型の昇圧により、発熱量を低減することができる。

ステップＳ３の判定がＮｏの場合、ステップＳ５において、エンジン１が停止しているか否かを判定する。この判定をおこなうのは、イグニッションキーのオフ（ＩＧ ＯＦＦ）以外の予想外のエンジン停止（エンスト）が起こった場合、ＣＰＵ２がリセットしたり、その後のエンジン再始動においてバッテリ１３の出力電圧が不安定になったりしてしまうので、そうした状況下でもその後の昇圧制御が適切におこなわれるようにするためである。すなわち、ステップＳ５の判定がＹｅｓの場合、次のステップＳ６において、ステップＳ２と同様にＣＰＵ１によって昇圧制御をおこなう。この判定時に既にＣＰＵ２によって昇圧制御がおこなわれている場合は、ＣＰＵ２からＣＰＵ１に切り替えて昇圧制御をおこなう。これにより、急なエンジン停止等が起こった場合でも速やかに昇圧制御を再開し継続することができる。

ステップＳ７において、イグニッションキーのオフ（ＩＧ ＯＦＦ）か否かを判定する。この判定がＮｏの場合は、ステップＳ３に戻りそれ以降のステップを繰り返す。判定がＹｅｓの場合は、次のステップＳ８において、ＣＰＵ１、２による昇圧制御を停止する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

１ エンジン
８ 燃料噴射弁
１３ バッテリ
１４ 昇圧手段
１５ ＣＰＵ１
１６ ＣＰＵ２
１７ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置と、バッテリとを備える内燃機関の制御装置であって、
   第１の制御手段と、
   前記第１の制御手段よりも起動後の初期化時間が長い第２の制御手段と、
   前記バッテリの出力電圧を前記燃料噴射装置の駆動電圧まで昇圧させるための昇圧手段と、
   を備え、
   前記内燃機関の始動時のクランキング開始前において、
   前記第１の制御手段と第２の制御手段とを起動して初期化処理を開始すると共に、
   前記第２の制御手段の前記初期化処理中であって前記第１の制御手段の初期化終了後に、前記第１の制御手段により前記昇圧手段を制御して前記駆動電圧まで昇圧させ、
   クランキングを含む前記内燃機関の始動完了後は、
   前記第２の制御手段により前記昇圧手段を制御して前記駆動電圧まで昇圧させる、
   制御装置。
2. 前記昇圧手段は、ダイオード整流回路と同期整流回路とを含み、
   前記第１の制御手段は当該ダイオード整流回路を制御し、前記第２の制御手段は当該同期整流回路を制御する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記内燃機関の回転数が所定値以上になった場合に前記内燃機関の始動が完了したと判定する、請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記内燃機関の始動完了後は前記昇圧手段の制御を、第一の制御手段から第二の制御手段に切り替える、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御装置。

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