WO2015174310A1 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the gate signal Vg of the boost driver 63 is turned off. At that time, Vd reaches the boost voltage, and the current I flows to the boost diode 64 side and is stored in the boost capacitor 65, but the current value itself decreases with time.
  • the operation of FIG. 4 is performed by repeating this operation in order to turn on the booster driver 63 again when the set Min current is reached. This operation is performed until the boosted voltage reaches the set value.
  • the shaded portion in the figure is the current that actually flows through the boost diode 64 and is the current that is used for boosting.
  • the booster circuit has a waveform like the boosted voltage in FIG. When injection into the fuel drive valve begins, the boosted voltage decreases until the peak current is reached.

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Abstract

　内燃機関の燃料噴射装置に搭載している昇圧回路において、昇圧回路の故障や特性変化を検出し、その中で昇圧コンデンサの劣化や断線による容量低下及び電流モニタ回路、コイル、外部接続燃料噴射弁等のフェールを区別して検出する。　燃料噴射弁の開弁時の昇圧電圧低下幅、及び昇圧電圧復帰のために行うスイッチング時の１回あたりの上昇幅をモニタする。　昇圧回路の故障や特性変化を検出することが可能になる。

Description

内燃機関の燃料噴射装置
　本発明は、内燃機関の燃料噴射装置の昇圧回路に関する。
　本分野の背景技術としては、例えば特開2011-247192号公報がある。
本公報では燃料噴射装置の昇圧回路において昇圧コンデンサが放電後、設定電圧に復帰するまでの昇圧スイッチング回数を計測し、設定したスイッチング回数のクライテリアを超えたときに燃料噴射弁駆動が許可される。本公報の目的は劣化判定を行うものではなく、初期使用時に能力が低下しているコンデンサの回復を待って昇圧回路の動作を再開するものである。
　また、本分野の背景技術としては、例えば特開2011-247192号公報もある。
本公報では燃料噴射装置の昇圧回路において昇圧コンデンサへの充電電圧の定常値をモニタし、正常であれば通常の噴射パルス幅及び噴射時期を表す制御信号により燃料噴射弁を駆動し、正常でない場合は噴射パルス幅及び噴射時期を補正する。本公報では昇圧コンデンサへの充電電圧は定常値をモニタしているが、定常値に変化は生じないため、昇圧コンデンサの劣化を検出することが難しい。
特開2011-247192号公報
　本発明の目的は、燃料噴射で用いる昇圧回路において、昇圧回路の故障や特性変化、その中で昇圧コンデンサの劣化や断線による容量低下及び電流モニタ回路、コイル、外部接続燃料噴射弁等のフェールを区別して検出することである。
　本発明の目的は、その一例として昇圧コンデンサの充放電をモニタすることで達成できる。
　本発明によれば、燃料噴射で用いる昇圧回路において、昇圧回路の故障や特性変化、その中で昇圧コンデンサの劣化や断線による容量低下及び電流モニタ回路、コイル、外部接続燃料噴射弁等のフェールを区別して検出することができる。
本発明に関わる燃料噴射装置の概要 本発明を行うためのコントロールユニットブロック図 昇圧電圧生成の回路ブロック図 昇圧電圧生成の電圧、電流波形 本発明における昇圧回路構成 昇圧コンデンサ劣化時の昇圧電圧波形 燃料噴射弁の開弁時の昇圧電圧低下幅モニタ方法フローチャート 昇圧スイッチング１回あたりの昇圧電圧上昇幅モニタ方法フローチャート 昇圧回路故障箇所の区別方法
　以下、本発明にかかる一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
　最初に、図１を用いて、本実施形態による燃料噴射制御装置を搭載する内燃機関システムの構成について説明する。エンジン１には、ピストン２、吸気弁３、排気弁４が備えられる。吸気は、空気流量計（ＡＦＭ）２０を通過してスロットル弁１９に入り、分岐部であるコレクタ１５より吸気管１０、吸気弁３を介してエンジン１の燃焼室２１に供給される。燃料は、燃料タンク２３から低圧燃料ポンプ２４によって内燃機関へと供給され、さらに高圧燃料ポンプ２５によって燃料噴射に必要な圧力に高められる。高圧燃料ポンプ２５によって昇圧された燃料は、燃料噴射弁５から、エンジン１の燃焼室２１に噴射供給され、点火コイル７、点火プラグ６で点火される。燃料の圧力は、燃料圧力センサ２６によって計測される。
　燃焼後の排気ガスは、排気弁４を介して排気管１１に排出される。排気管１１には、排気ガス浄化のための三元触媒１２が備えられている。ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９には、燃料噴射制御装置２７が内蔵され、エンジン１のクランク角度センサ１６の信号、ＡＦＭ２０の空気量信号、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号、アクセル開度センサ２２のアクセル開度、燃料圧力センサ２６等の信号が入力される。ＥＣＵ９は、アクセル開度センサ２２の信号からエンジンへの要求トルクを算出するとともに、アイドル状態の判定等を行う。ＥＣＵ９には、クランク角度センサ１６の信号からエンジン回転数を演算する回転数検出手段が備えられている。
　また、ＥＣＵ９は、エンジン１に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号をスロットル弁１９に出力する。また、ＥＣＵ９の燃料噴射制御装置２７は吸入空気量に応じた燃料量を算出して、燃料噴射弁５が燃料噴射を行う為の電流を出力し、点火プラグ６に点火信号を出力する。
　排気管１１とコレクタ１５との間は、ＥＧＲ通路１８により接続されている。ＥＧＲ通路１８の途中には、ＥＧＲ弁１４が備えられている。ＥＧＲ弁１４の開度は、ＥＣＵ９によって制御され、必要に応じて、排気管１１の中の排気ガスが、吸気管１０に還流される。
　図２は、燃料噴射装置駆動回路の回路ブロック図を示している。燃料噴射装置は、一般に図１に示したＥＣＵ９に内蔵されている。バッテリ４１の電圧はＥＣＵ９に供給され、この電圧は電源ＩＣ４３、ドライバＩＣ４７、燃料噴射装置駆動用昇圧回路５１、ハイサイドドライバ５２等に供給される。また、電源ＩＣ４３により、マイコン４４、ドライバＩＣ４７等に電圧が供給される。ドライバＩＣ４７は、マイコン４４との通信部４９、昇圧回路駆動部５０、ドライバ駆動部４８を有する。昇圧回路駆動部５０から昇圧回路５１にスイッチング信号を送り、昇圧回路により昇圧された電圧をハイサイドドライバ５２に供給する。また、昇圧回路５１で昇圧された電圧は、昇圧回路駆動部５０にフィードバックし、再びスイッチング信号を送るか否かをドライバＩＣ４７が判断する。また、昇圧回路５１で昇圧された電圧は、マイコン４４のＡ／Ｄコンバータ４５にフィードバックすることも可能で、Ａ／Ｄ値を基にして、マイコン４４の中にある通信部４６より、ドライバＩＣ４７に対して信号を送ることができる。また、マイコン４４が有するＡ／Ｄコンバータは、昇圧電圧の他に燃圧センサや温度センサ等からの信号を入力、モニタすることが可能である。マイコン４４は他にも、外部負荷を駆動したり、外部からの信号をモニタしたりする入出力ポート４２を有している。ハイサイドドライバ５２は昇圧回路５１とバッテリ４１系の電源を得ることができ、昇圧電圧により駆動するドライバ５２ａとバッテリ電圧により駆動するドライバ５２ｂを有する。ドライバ駆動部４８の駆動信号（Ａ、Ｂ）により、コイルを有する負荷５４へ電流を流す役割を持っている。ローサイドドライバ５３は、ドライバ駆動部４８からの駆動信号（Ｃ）により、コイルを有する負荷５４からの電流をグランド電位に流す役割を持っている。また、ハイサイドドライバ５２とローサイドドライバ５３のどちらか、もしくは両方にシャント抵抗等を用いた電流検出機能及び端子電圧の検出機能を有しており、ドライバ及び負荷５４に流れる電流値を検出し、その電流値をフィードバックすることにより、ドライバ駆動を行っている。また、これらの機能により、ドライバへの過電流や端子の天絡、地絡の検出も行うことが可能である。ここで、昇圧回路５１、ハイサイドドライバ５２、ローサイドドライバ５３はドライバＩＣ４７の内部、外部どちらに有していてもよく、ドライバＩＣ４７をドライバもしくはプリドライバどちらの役割で使用してもよい。
　図３は昇圧回路５１の詳細を説明した図である。昇圧ドライバ６３のゲート電圧Ｖｇがオンすると、電流Iはバッテリ４１からシャント抵抗６１、昇圧コイル６２、昇圧ドライバ６３を経由してＧＮＤに流れる。このときの電流がシャント抵抗６１の両端電圧として昇圧回路駆動部５０で検出し、設定した最大電流値を検出したところで昇圧ドライバ６３をオフする。そのとき、昇圧コイル６２の逆起電力により、電流Iが昇圧ダイオード６４に流れる。ダイオードに流した電流を一時的に蓄える役割を果たしているのが昇圧コンデンサ６５である。次に、シャント抵抗６１を流れる電流が小さくなったところで再び昇圧ドライバ６３をオンし、電流値が増加する。その繰り返しにより昇圧ダイオード６４に電流を流し続け、その電流を昇圧コンデンサ６５に蓄えることで昇圧電圧を生成している。また、昇圧電圧をモニタする回路６６を昇圧回路に備えておき、電圧が低い場合は昇圧を行い、電圧が所定の値に達したときは昇圧を停止させるために昇圧電圧をモニタしている。昇圧動作の波形を図に表したものが図４である。昇圧ドライバ６３をオンするためのゲート信号がＶｇであり、これがオンになったとき、昇圧ドライバ６３のドレイン電圧Ｖｄが０Ｖ付近に低下し、電流Ｉが増大する。電流Ｉが設定したＭａｘ電流に到達すると、昇圧ドライバ６３のゲート信号Ｖｇをオフにする。そのときＶｄは昇圧電圧相当に達し、電流Ｉが昇圧ダイオード６４側に流れ、昇圧コンデンサ６５に蓄えられるが、電流値自体は時間と共に低下していく。設定したＭｉｎ電流に到達したときに再び昇圧ドライバ６３をオンするため、この動作を繰り返すことで図４の動作が行われる。この動作は昇圧電圧が設定値に達するまで行われる。なお、図の斜線部は実際に昇圧ダイオード６４を流れる電流であり、昇圧に使用される電流である。この動作を行うと、昇圧回路は図４の昇圧電圧のような波形となる。燃料駆動弁への噴射が始まると、ピーク電流に達するまで昇圧電圧が低下する。ピーク電流に到達後、昇圧電圧は使われないため、昇圧回路のスイッチング駆動により昇圧電圧が少しずつ回復していく。Ｖｇがオフのときは昇圧コンデンサに電流が流れるため昇圧電圧が上昇、Ｖｇがオンのときは昇圧コンデンサに電流が入らないため上昇しない(自然放電が行われるため若干低下) 。その繰り返しにより昇圧電圧が所定の値になるまでＶｇスイッチングによる昇圧が行われる。
　本発明は、昇圧電圧の動きをモニタすることで、昇圧回路の劣化状態を確認することを目的とする。
　図５、図６は本発明の請求項１～３の実施例として説明する図である。図５では図３に対し、読み込んだ昇圧信号や昇圧電圧に対する判断部６７を備えた図である。判断部６７はドライバＩＣ４７の内部もしくは外部に備えており、２回の測定点における昇圧電圧の差分や昇圧回路のオン／オフ駆動をモニタし、診断する部分である。図６では図４に対し、昇圧コンデンサ６５の容量が低下した場合の昇圧電圧波形を付け加えている（図中の破線）。昇圧コンデンサ６５の劣化や断線により容量が低下した場合、燃料噴射弁の開弁に昇圧電圧が低下する幅は大きくなる（通常時（１）→容量低下時（１）’)。燃料噴射弁の噴射開始時の電圧Ｖａ及び燃料噴射弁への電流がピークに達した際の昇圧電圧Ｖｂ差を読み取ることによって、通常時から大きく低下している際には診断を行う。
　次に、燃料噴射弁への電流がピークに達した後、昇圧電圧復帰動作に入るが、１回のスイッチングによる上昇電圧値を確認するために昇圧ドライバ６３をオフする直前の電圧Ｖｂとオンする直前の電圧Ｖｃをモニタする。その差は昇圧コンデンサ６５の劣化や断線により容量が低下した場合に大きくなる（通常時（２）→容量低下時（２）’）。この間の昇圧電圧差を読み取ることによって、通常時から大きく上昇している際には診断を行う。
　図７、図８は図６での説明内容をフローチャート化したものである。図７においては、燃料噴射前の昇圧電圧Ｖａをモニタし(１０１)、燃料噴射電流がピークに達した時点の昇圧電圧Ｖｂをモニタする(１０２)。その後、差分（１）を取り（１０３）、その差分が所定の値Ｖ１以下であれば通常駆動(１０４)、Ｖ１以上であれば診断を行う(１０５)。図８においては、昇圧ドライバ６３をオフする直前（Ｍａｘ電流検出時）の電圧Ｖｂをモニタし(２０１)、オンする直前（Ｍｉｎ電流検出時）の電圧Ｖｃもモニタする(２０２)。その後、差分（２）を取り（２０３）、その差分が所定の値Ｖ２以下であれば通常駆動(２０４)、Ｖ２以上であれば診断を行う(２０５)。
　以上のような測定方法を行えば、通常時と異なる場合に診断を行うことが可能であるが、図７、図８どちらかの診断方法の場合、他の要素の劣化や特性変動と区別がつかない場合があるため、図７、図８の両方を使用することで昇圧コンデンサ６５の劣化、断線等の特性変化と特定することができる。その図を図９に示し、これが請求項１、４の実施例として説明する図である。特性の変化は昇圧コンデンサ６５の容量値の他に電流モニタのためのシャント抵抗６１の抵抗値、昇圧コイル６２のインダクタンス、外部に接続されている燃料噴射弁の抵抗値等がある。これらの数値が大きくなったり、小さくなったりした場合の電圧（１）、電圧（２）の変化を図中に示している。例えば、電圧（１）の変化が通常動作時より大きく、しきい値Ｖ１より大きくなり、かつ電圧（２）の変化が通常動作時より大きく、しきい値Ｖ２より大きくなった場合は昇圧コンデンサ６５の異常（劣化、断線等）と区別することができる。また、電圧（１）の変化は通常動作時と変わらないものの、電圧（２）の変化が通常動作時より大きく、しきい値Ｖ２より大きくなった場合はシャント抵抗６１の抵抗値が小さくなったか、昇圧コイル６２のインダクタンスが大きくなったかということになる。このように（１）と（２）どちらか片方しかモニタしていない場合、他の特性変化と区別がつかない部分があるが、（１）と（２）を両方モニタした場合、他の特性変化と区別をつけることが可能である。
（発明の効果）以上のように本発明によれば、燃料噴射弁を開閉駆動するコイルへの通電を制御する駆動回路を有し、バッテリ電圧より高い昇圧電圧と、バッテリ電圧により開閉駆動する内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射弁の開弁時の昇圧電圧低下幅、及び昇圧電圧復帰のために行うスイッチング時の１回あたりの上昇幅をモニタすることにより、昇圧回路の故障、特性変化を検出し、そのうち昇圧コンデンサの劣化や断線による容量低下及び電流モニタ回路、コイル、外部接続燃料噴射弁等の故障や特性変化を区別して検出することが可能になる。
１…エンジン
２…ピストン
３…吸気弁
４…排気弁
５…燃料噴射弁
６…点火プラグ
７…点火コイル
８…水温センサ
９…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０…吸気管
１１…排気管
１２…三元触媒
１３…酸素センサ
１４…ＥＧＲ弁
１５…コレクタ
１６…クランク角センサ
１８…ＥＧＲ通路
１９…スロットル弁
２０…ＡＦＭ
２１…燃焼室
２２…アクセル開度センサ
２３…燃料タンク
２４…低圧燃料ポンプ
２５…高圧燃料ポンプ
２６…燃料圧力センサ
２７…燃料噴射制御装置
４１・・・バッテリ
４２・・・マイコンの入出力ポート
４３・・・電源ＩＣ
４４・・・マイコン
４５・・・Ａ／Ｄコンバータ
４６・・・マイコン内部の通信部
４７・・・ドライバＩＣ（もしくはプリドライバ）
４８・・・ドライバ駆動部
４９・・・ドライバＩＣ内部の通信部
５０・・・昇圧回路駆動部
５１・・・昇圧回路
５２・・・ハイサイドドライバ
５３・・・ローサイドドライバ
５４・・・コイル負荷(燃料噴射装置)
６１・・・シャント抵抗
６２・・・昇圧コイル
６３・・・昇圧ドライバ
６４・・・昇圧ダイオード
６５・・・昇圧コンデンサ
６６・・・昇圧電圧モニタ回路
６７・・・昇圧電圧に対する判断部

Claims (7)

  1. 　燃料噴射弁を開閉駆動するコイルへの通電を制御する駆動回路に用いられる昇圧回路であって、
    　バッテリ電圧より高い昇圧電圧を生成する昇圧用スイッチ素子と、コイルと、電流モニタ回路と、ダイオードと、該昇圧電圧を蓄える昇圧コンデンサと、
    　を有し、
    　該コンデンサの充放電をモニタすることにより、昇圧回路の故障または特性変化を検出する昇圧回路。
  2. 　請求項１に記載した装置において、燃料噴射時に低下する昇圧電圧の低下幅をモニタすることにより、昇圧コンデンサの劣化や断線を検出する昇圧回路。
  3. 　請求項１に記載した装置において、燃料噴射時に低下した昇圧電圧を復帰させるため駆動する昇圧回路の１スイッチングあたりの電圧上昇幅をモニタすることにより、昇圧コンデンサの劣化や断線を検出する昇圧回路。
  4. 　請求項１に記載した装置において、請求項２に記載した昇圧電圧の低下幅、及び請求項３に記載した昇圧回路の１スイッチングあたりの電圧上昇幅を両方モニタすることにより、昇圧コンデンサの劣化や断線及び電流モニタ回路、コイル、外部接続燃料噴射弁の特性変化や故障等、それぞれのフェールを区別する昇圧回路。
  5. 　請求項４に記載したフェールにおいて、請求項２に記載した昇圧電圧の低下幅、及び請求項３に記載した昇圧回路の１スイッチングあたりの電圧上昇幅両方に変化がある場合は、昇圧コンデンサの劣化や断線であると区別する昇圧回路。
  6. 　請求項４に記載したフェールにおいて、請求項２に記載した昇圧電圧の低下幅に変化がなく、請求項３に記載した昇圧回路の１スイッチングあたりの電圧上昇幅に変化がある場合には、昇圧電流モニタ回路の抵抗値もしくは昇圧用コイルのインダクタンスの変化や故障であると区別する昇圧回路。
  7. 　請求項４に記載したフェールにおいて、請求項２に記載した昇圧電圧の低下幅が変化し、請求項３に記載した昇圧回路の１スイッチングあたりの電圧上昇幅に変化がない場合は、外部接続の燃料噴射弁抵抗値の変化や故障であると区別する昇圧回路。
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