(57)【要約】【課題】  弁体の動作タイミングすなわち開弁タイミングを確実に且つ高精度に検知できる燃料噴射装置を提供することを目的とする。【解決手段】  時刻t3に電磁弁電流がI2に到達すると、FET201とFET221がオン状態となり、時刻t5に至るまで電磁弁にはVBの電圧が印加される。時刻t3と時刻t5の間にある時刻t4に弁体の変位量は目標リフトに到達、即ち固定コア301と可動子304は接触する。時刻t3と時刻t5の期間に、開弁タイミングの検知を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスイッチ素子をオンすることで電磁弁の両端間へ第１の電圧を印加し、第２のスイッチ素子をオンすることで前記電磁弁の両端間へ前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加して前記電磁弁を開閉駆動する電磁弁駆動装置において、
前記第１のスイッチ素子をオンして前記電磁弁の通電電流が第１の電流値に増加した後、前記第１のスイッチ素子をオフかつ前記第２のスイッチ素子をオンして前記第１の電流値よりも小さい電流を所定期間通電し、前記所定期間中かつ前記第２のスイッチ素子がオフしていないときに、前記電磁弁の通電電流に基づいて前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知する燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記電磁弁が制御目標リフト量に達するタイミングが前記所定期間中となるように制御することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記所定期間経過後に、前記所定期間中の前記電磁弁の通電電流よりも低い電流を前記電磁弁に通電し、前記電磁弁の開弁を保持する開弁保持期間を有することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記第２の電圧を昇圧して前記第１の電圧を生成する昇圧回路を備え、
前記所定期間中は前記昇圧回路の動作を停止することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項５】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記電磁弁の両端間に前記第２のスイッチ素子をオンするパルスを２回以上出力し、前記パルスのうち少なくとも１つのパルスは他のパルスより長いパルス幅の検知パルスであり、前記検知パルスの出力中に、前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知する燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記検知パルスは前記電磁弁通電期間中の最初のパルスであることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項７】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記第１のスイッチ素子をオンして前記電磁弁の通電電流が第１の電流値に増加した後、前記所定期間の前に前記電磁弁の両端間に負の電圧を印加することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項８】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記電磁弁の通電電流に基づいて前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知するタイミングは、前記第２のスイッチ素子がデューティ１００％でONしているときであることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項９】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記所定期間は、前記燃料噴射装置上流の燃料圧力が所定の範囲内であり、前記電磁弁の個体差により生ずる前記電磁弁の動作時間の遅れよりも長い期間であることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１０】
請求項２記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記所定の期間に前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知できないときに、前記第１の電流値を低減して前記所定期間の開始タイミングを早期化することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１１】
請求項２記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記所定の期間に前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知できないときに、前記所定期間を延長することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１２】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記電磁弁に通電される電流は、前記所定期間の少なくとも一部の期間において前記第２の電圧を前記電磁弁の電気抵抗で除した値に略近接することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１３】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記所定期間を設ける検知駆動モードと前記所定期間を設けずに前記電磁弁を通電する駆動モードとを有し、前記検知駆動モードと前記駆動モードを切替える機能と前記検知駆動モードで検知した情報に基づき前記駆動モードの通電波形を補正する機能とを有することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料噴射装置において、
内燃機関のアイドル時の少なくとも一部の期間を前記検知駆動モードとすることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１５】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
燃料圧力をモニタする機能を備え、前記燃料圧力が所定の圧力範囲にあるときの少なくとも一部の期間に検知駆動モードとすることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１６】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記第２の電圧は車載バッテリから供給される電圧であり、前記車載バッテリの電圧が所定の変動幅にあるときの少なくとも一部の期間に前記検知駆動モードとすることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１７】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記検知駆動モードの期間には、前記車載バッテリの電圧変動を引き起こす負荷を停止することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【請求項１８】
請求項２から４いずれか一項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記燃料噴射装置の電磁弁に通電した電流の情報を含む信号を微分する回路を少なくとも１つ備えることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば内燃機関に使用される燃料噴射装置の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭酸ガスの排出規制の強化や、化石燃料枯渇の懸念から、内燃機関における燃費（燃料消費率）の向上が求められている。これに対する有効な方法として、排気量を減らして小型化するとともに、過給器によって出力を得るようにしたダウンサイジングエンジンが注目されている。ダウンサイジングエンジンでは、排気量を減らすことで、ポンピングロスやフリクションを低減することができるため、燃費を向上することができる。一方で、過給器を用いることで十分な出力を得ると共に、筒内直接噴射による吸気冷却効果により、過給に伴う圧縮比の低下を抑制して、燃費を向上することができる。特に、このダウンサイジングエンジンに用いる燃料噴射装置では、低排気量化によって得る最低出力に対応した最小噴射量から、過給によって得る最高出力に対応した最大噴射量までの広範囲に亘って燃料を噴射できる必要があり、噴射量の制御範囲の拡大が求められる。
【０００３】
一般に、燃料噴射装置の噴射量は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）より出力される噴射パルスのパルス幅によって制御する。噴射パルス幅を長くすると噴射量が大きく、噴射パルス幅を短くすると噴射量が小さくなり、その関係は略線形的である。しかしながら、噴射パルスの幅が短い領域では、可動子が固定コアなどに衝突した際に生じる跳ね返り現象（可動子のバウンド挙動）により、噴射パルスを停止してから可動子が閉弁位置に到達するまでに時間が変動してしまい、噴射パルス幅に対して噴射量が直線的に変化せず、このために燃料噴射装置の制御可能な最小噴射量が増加してしまうという問題があった。また、前述の可動子の跳ね返り現象のために噴射量が燃料噴射装置の個体ごとに安定しない場合があり、噴射量が最も大きくなる個体を制御可能な最小噴射量として設定せざるを得ないため、制御可能な最小噴射量を増大させる要因となることがあった。また、噴射パルスと噴射量の関係が直線とならない非線形領域での噴射パルスからさらに噴射パルス幅を短くすると、可動子と固定コアが衝突しない、すなわち弁体がフルリフトしない中間リフトの領域となる。この中間リフトの領域では、各気筒の燃料噴射装置に同じ噴射パルスを供給しても、燃料噴射装置の寸法公差の影響によって生じる個体差によって、燃料噴射装置のリフト量が異なるため、噴射量の個体ばらつきが大きくなり、燃焼の安定性の観点からこの中間リフト領域を使用することは困難であった。
【０００４】
上述したように、燃費を向上するためには、燃料噴射装置の噴射量ばらつき低減と制御可能な最小噴射量を低減する必要があり、最小噴射量の大幅な低減のためには、噴射パルス幅と噴射量の関係が直線とならない短い噴射パルス領域や噴射パルスが小さく、弁体が目標リフトに到達しない中間リフトの領域での噴射量を制御することが求められている。
【０００５】
噴射量ばらつきの低減と最小噴射量を低減するためには、開弁時に可動子が固定コアなどに衝突した際に生ずる可動子のバウンド現象によって発生する噴射パルスを停止してから可動子が閉弁位置に到達するまでの時間の変動など、弁動作のばらつきや噴射量のばらつきを、各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知できる必要がある。
【０００６】
これに対し、特許文献１に開示された燃料噴射制御装置では、可動子と固定コアの間のエアギャップが急速に縮小することで可動子と固定コアで構成される磁気回路の磁気抵抗が減少し、可動子と固定コアを貫く磁束密度が増加することにより磁性材が磁気飽和して磁気回路のインダクタンスが変化する現象に着目して、電流の２階微分値が負から正に切り替わるタイミングを検出することにより、可動子が固定コアに衝突するタイミングを検知している。
【０００７】
また、特許文献２には、電磁弁の駆動電流のオンオフの周期が開弁動作が進んで駆動コイルのインダクタンスが増加していくにつれて長くなっていくことに着目し、オンオフ周期が設定値より長くなった場合に開弁と判定する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−２２１１２１号
【特許文献２】特開平４−２８７８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
電磁弁の動作に伴うインダクタンスの変化を、電流の時間変化あるいは、駆動電流のオンオフ制御の際の周期の変化により検出する方法は前述のように既に提案されている。
【００１０】
しかしながら、特許文献１に開示されている検知方法では、エアギャップの縮小の前に磁気飽和するような電磁弁あるいは通電電流の場合には、既に磁気飽和しているがためにエアギャップの縮小に伴うインダクタンスの変化が小さいため、検知は困難になると考えられる。
【００１１】
さらに、燃料圧力の高い燃料を噴射する燃料噴射装置においては、電磁弁を開弁させるために短時間の間に大電流を通電する必要があるため、バッテリ電圧を昇圧した高電圧を印加して、短時間の間に電磁弁の通電電流を増加させる。このような用途においては、高電圧の印加に伴う電流変化が急峻であるため、開弁によるインダクタンスの変化を電流変化として捉える事が困難である。
【００１２】
また、特許文献２に開示されている装置においては、検知の時間分解能は前出のオンオフ周期の設定値に固定される。ここでオンオフ周期の設定値は、開弁時以外のオンオフ周期より長く設定されるはずであり、検知の時間分解能を向上させるためには、自然、開弁時以外のオンオフ周期を短くする必要がある。しかし、オンオフ周期を短くすることは、電磁ノイズの増加、スイッチ素子の損失増加などから困難である。
【００１３】
本発明では、複数の電磁弁の個体ばらつきおよび劣化による特性変化による燃料噴射量のばらつきを補正するために必要となる、弁体の動作タイミングすなわち開弁タイミングを確実に且つ高精度に検知できる燃料噴射の駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本願発明の駆動装置は、第１のスイッチ素子をオンすることで電磁弁の両端間へ第１の電圧を印加し、第２のスイッチ素子をオンすることで前記電磁弁の両端間へ前記第１の電圧よりも低い第２の電圧を印加して前記電磁弁を開閉駆動する電磁弁駆動装置において、前記第１のスイッチ素子をオンして前記電磁弁の通電電流が第１の電流値に増加した後、前記第１のスイッチ素子をオフかつ前記第２のスイッチ素子をオンして前記第１の電流値よりも小さい電流を所定期間通電し、前記所定期間中かつ前記第２のスイッチ素子がオフしていないときに、前記電磁弁の通電電流に基づいて前記電磁弁が制御目標リフト量に達したことを検知する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電磁弁の開弁完了タイミングを確実に且つ高精度に検知できる。たま、本発明の一態様によれば、さらに検知した情報をフィードバックできる駆動モードに切り替えることが可能なため、高精度に燃料噴射が可能な燃料噴射装置および内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第一の実施形態の燃料噴射装置の電磁弁駆動回路の構成図
【図２】第一の実施形態の電磁弁の断面概略図
【図３】第一の実施形態の電磁弁の等価回路
【図４】第一の実施形態の電磁弁の動作波形
【図５】第二の実施形態の燃料噴射装置の電磁弁駆動回路の構成図
【図６】第二の実施形態の電磁弁の動作波形
【図７】第三の実施形態の電磁弁の動作波形
【図８】第四の実施形態の電磁弁の動作波形
【図９】第五の実施形態の電磁弁の動作波形
【図１０】第六の実施形態の電磁弁の動作波形
【図１１】第七の実施形態の電磁弁の動作波形（通常駆動モード）
【図１２】第七の実施形態のモード切替えの図
【図１３】第八の実施形態の電磁弁の動作波形
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の第１の実施形態について、図１、図２、図３、図５により燃料噴射装置およびその駆動装置の構成を、図４により動作を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、第一の実施形態の燃料噴射弁駆動装置の電磁弁駆動回路の構成図であり、一つの電磁弁300に対する駆動回路を示している。燃料噴射装置は、車載電源であるバッテリ100と、電磁弁駆動回路200と、に接続され、電磁弁300を備える。電磁弁300は例えばソレノイドコイルで構成される。電磁弁駆動回路は、昇圧回路250と、FET(Hi)211と逆流防止用ダイオード(Hi)212と電流測定用のシャント抵抗(Hi)213を備え、FET(Hi)211を制御することにより昇圧回路250の出力電圧VHを電磁弁300に印加する。  また、FET(Mid)201と、逆流防止用ダイオード(Mid)202と電流測定用のシャント抵抗(Mid)203を備え、FET(Mid)201を制御することによりバッテリ電圧VBを電磁弁300に印加する。
【００１９】
電磁弁300の下流側には、FET(Lo)221と電磁弁300に通電する電流測定用のシャント抵抗(Lo)224を備え、電磁弁300への通電の際にリレーとし動作する。また、フリーホイールダイオード223を備え、FET(Lo)221がオン状態でFET(Hi)211、FET(Mid)201がオフ状態のときに、電磁弁300に流れている電流をフリーホイールダイオード223と電磁弁300とFET(Lo)221とを含む閉回路でフリーホイールする。また、電流回生用ダイオード222を備え、FET(Lo)221、FET(Hi)211、FET(Mid)201がオフ状態のときに電磁弁300に流れている電流を昇圧回路250の出力コンデンサ255に回生する。また、昇圧回路250は入力側コンデンサ251、昇圧コイル252、昇圧FET253、昇圧チョッパ254、出力コンデンサ255から構成され、昇圧FET253を制御することによりバッテリ電圧VBから、昇圧電圧VHに昇圧する。
【００２０】
また、IC230はシャント抵抗203、213、224に流れる電流をモニタし、FET201、211、221、253にゲート信号を印加して、駆動する。ここで、FET201、211、221はIC内部に内蔵されていても問題ない。マイコン240は、IC230がモニタした電流・電圧情報および、図面では省略するがセンサ類からの情報等を取得し、適切な噴射量となるように電磁弁の噴射時間を決める噴射パルスや噴射モードの情報をIC230に印加する。これを受け、IC230はゲート信号を生成する。なお、マイコン240とIC230等を含む駆動回路とは一体の電子制御装置として構成されても良いし、別体の電子制御装置として構成されてもよい。
【００２１】
図２は、電磁弁300の断面概略図であり、比較のため、閉弁状態と開弁状態を示している。電磁弁300は固定コア301と、スプリング302と、コイル303と、可動子304と、弁体305とノズルホルダ306から構成される。スプリング302は，固定コア301に固定されたばね押さえ308で圧縮方向に押されている。また、スプリング302は弁体305および可動子304を図中の下方向に付勢する。このため、コイル303に通電されていない時には、弁体305の先端はノズルホルダ306に押しつけられ、閉弁状態となる。この時、固定コア301と可動子304の間にはエアギャップ310が存在する。また，図２では，弁体305と可動子304とは相対変位可能に構成されているが，弁体305と可動子304は，同一の部品で構成されていても良い。
【００２２】
コイル303に通電すると、固定コア301と可動子304には磁気吸引力が発生し、磁気吸引力が閉弁方向の力であるスプリング力と弁体に作用する燃料圧力による力の和を上回ったときに可動子304は図中の上方向に付勢され、弁体305を押し上げるため弁体305はノズルホルダ306から離間し、開弁状態となり燃料噴射孔307から燃料を噴射する。開弁状態においては、エアギャップ310は、閉弁状態に比べ非常に小さい状態となる。閉弁状態から開弁状態に移行する際に、固定コア301と可動子304間のエアギャップの減少に伴い両コアを貫く磁束は増加するため、インダクタンスが増加する。なお、弁体がノズルホルダから離間する前に磁気吸引力により可動子が開弁方向へ予備動作を行い、可動子と弁体とが衝突して弁体がノズルホルダから離間するように構成されていても良い。
【００２３】
図３に電磁弁300の簡易的な等価回路を示す。電磁弁のコイルは簡易的に、インダクタンス成分320と巻き線抵抗成分321の直列接続で表現できる。コイルのインダクタンス成分にかかる電圧VLは式(1)で示され、式(2)により式(3)と表すことができる。式(3)右辺2項から、前述のようにエアギャップの減少によりインダクタンスが増加する時、電磁弁300に流れる電流を妨げる向きに誘導起電力が発生することがわかる。これが可動子304の開弁動作中の電流変化の要因となる。開弁動作が完了した後は、固定コア301と可動子304の位置関係は固定されるため、インダクタンスの式(3)の第二項目は小さくなるため、開弁動作中と開弁動作完了後では誘導起電力に差が生じ、電流の傾きが変化することとなる。また、電磁弁の巻き線抵抗Rinjに発生する電圧降下VRinjは式(4)で表され、電磁弁両端間の電圧はVinj ＝ VL + VRinj で示される。なお、一般的に誘導起電力の符号は負で示されるが、電圧と電流の向きを図３のように定義すると式(3)のように表される。また、一般的にコイルの誘導起電力を表す際、式(1)(2)(3)の右辺にはコイルの巻き数Nを乗じられるが、ここでは簡単のためコイルの巻き数Nは省略している。
【００２４】
なお、ここでの説明ではコアの磁性材自体の磁気飽和は考慮していない。磁気飽和を考慮した場合には、磁気飽和によるインダクタンス低減が重畳するものの、弁動作に起因する誘導起電力の変化は同様に発生する。電流増加に伴う磁性材の磁気飽和によるインダクタンスの低減と弁動作によるインダクタンス増加が同時に発生する場合にはインダクタンス変化がキャンセルされるため、望ましいものではない。これを抑制する方法は、後述の動作説明の中で述べる。（なお、開弁動作によるインダクタンス増加に伴う、開弁動作直後に磁気飽和が発生する場合は、開弁完了前後の電流変化が大きくなるため、望ましい）
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【００２５】
以下、第１の実施形態における動作を、図４に示すマイコン240からIC230に印加される噴射パルスと、FET(Mid)201とFET(Hi)211とFET(Lo)221のゲート信号と、電磁弁の端子間電圧と、駆動電流および、弁体305の変位量と、図示は省略するが電磁弁300に取り付けた加速度計の出力を示す。
【００２６】
時刻t1で噴射パルスが印加されると、まずFET(Hi)211およびFET(Lo)221がオン状態となり、電磁弁にはVHの電圧が印加され、電磁弁には電流が通電される。
【００２７】
時刻t2に電磁弁電流がI1に到達すると、FET(Hi)211、FET(Lo)221ともにオフ状態となり、電流回生用ダイオード222を介して電流が回生されるため、電磁弁には−VHの電圧が印加され、電磁弁電流は減少する。なお、FET(Hi)211、FET(Lo)221をオフする条件として、電磁弁電流とI1の比較ではなく、印加時間が所定時間に達したかどうかを判定して時間制御してもよい。
【００２８】
時刻t3に電磁弁電流がI2に到達すると、FET(Mid)201とFET(Lo)221がオン状態となり、時刻t5に至るまで電磁弁にはVBの電圧が印加される。FET(Mid)201とFET(Lo)221をオンする条件も、同様に時間制御であってもよい。
【００２９】
時刻t3と時刻t5の間にある時刻t4に弁体の変位量は目標リフトに到達、即ち固定コア301と可動子304が接触する。この時、前述のように電流の向きを妨げる方向に誘導起電力が発生するため、電磁弁電流は減少する。開弁完了した時刻t4以降はインダクタンスの変化が小さくなるため、VB / Rinjで表わされる電流値I3に漸近することとなる。（∴I3 ＝ VB / Rinj）これは、開弁完了のタイミングに電磁弁電流の傾きが変化することを示しており、電流波形のパターン認識あるいは１階微分、あるいは２階微分により判定が可能となる。即ち、時刻t3と時刻t5の間の電流波形をモニタすることにより、開弁完了のタイミングを判定することが可能となる。なおIC230の内部には電流情報に含まれるノイズを除去するフィルタや波形の特徴を抽出する微分回路、A/D変換器が含まれてもよい。また、このフィルタや微分回路はデジタル回路で構成されていても問題はない。更に、開弁タイミングが重複しない複数の電磁弁の情報をIC230に入力する場合、各電磁弁の波形情報をマルチプレクサなどにより時間で分割して入力してもよい。ここで、I2をI3に近い値に設定することにより、Rinj ×I = VB = Vinj となることからインダクタンス成分に印加される電圧が小さくなる。自然、dI/dtが抑制されることとなり安定した電流を通電することができる。電流が安定していると、磁性材自身の磁気飽和によるインダクタンス変化を抑制することができる。つまり、開弁動作に伴うインダクタンス変化および、開弁動作に伴う磁性材の磁気飽和によるインダクタンス変化を明確に捉える事ができる。
【００３０】
また、時刻t3からt5の期間中は、FET(Mid)201のオンオフ制御を行わずに、100％デデューティのPWM制御を行っている。これは、FET(Mid)201のオンオフ制御によりスイッチノイズが発生して、電磁弁300開弁完了のタイミングを判定する妨げになるからである。このように構成することで、開弁検知を行うためにFET(Hi)211のオフ後もFET(Mid)201のオンオフ制御を行わない期間を設け、この期間中に電磁弁電流をモニタすることにより、FET(Mid)201がスイッチングしていないときのみに開弁完了を判定できる。これにより、スイッチングノイズの影響を排除して開弁完了タイミングを判定することができる。なお、時刻t3からt5の期間中必ずしもFET(Mid)201に100％デューティーのオン制御を行う必要はなく、電磁弁の動作上必要な電流値に通電制御するために必要なディーティー比でオンオフ制御してもよい。この際、FET(Mid)201をスイッチングするタイミングはマイコン240またはIC230で認識できるため、さらにFET(Mid)201をスイッチングするタイミングではマスク処理して開弁完了を判定しないようにしてもよい。これにより、時刻t3からt5の期間中で、100％デューティーの制御を行わないときでも、FET(Mid)201がオフしていないときのみに開弁完了を判定できるので、スイッチノイズによる誤判定を防止できる。
【００３１】
時刻t5で噴射パルスが印加終了し、FET(Hi)211、FET(Mid)201、FET(Lo)221はオフ状態になると、電磁弁電流が回生用ダイオードを介して回生されるため、電磁弁は−VHの電圧にクランプされる。
時刻t6に電磁弁電流が0[A]に減少すると、回生電流も0[A]となることから−VHのクランプ状態も終了し電磁弁の両端はオープン状態となる。時刻t6以降では、電磁弁の固定コアに流れる渦電流による誘導起電力が電磁弁の両端に発生するが、0[V]に向かって徐々に減少する。電磁弁電流が打ち切られたことにより磁気吸引力が減少し、スプリングにより付勢され、時刻t7に電磁弁が閉弁する。
【００３２】
なお、開弁完了、閉弁完了のタイミングは、加速度計によっても検出可能であり、図４の加速度計の出力のような波形を示すことから、確認が可能である。加速度計の出力は，開弁完了タイミングでは，固定コア301と可動子304が衝突する際の振動を検出しており，閉弁完了タイミングでは，弁体305とノズルホルダ306が衝突する際の振動を検出している。
【００３３】
なお、本実施例では図２に示す簡略化した電磁弁を例にして説明したが、コイルと磁性材から構成される電磁弁においては原理的に同様の現象が発生するため、例えば上述のように弁体がノズルホルダから離間する前に磁気吸引力により可動子が開弁方向へ予備動作を行うような、更に複雑な構成の電磁弁を使用してもよい。
【００３４】
また、昇圧回路により昇圧した電圧VHを印加することで電流を増加させていることから、燃料圧力の高い内燃機関における高速開弁に対応した検知が可能である。
【００３５】
また、時刻t2から時刻t3の間に−VHの電圧を印加して電流を低減しているが、電流を低減させる方法はこの限りではない。例えばフリーホイールダイオード223を用いたフリーホイール状態で電流を低減しても開弁完了タイミングの検知は可能である。
【００３６】
また、時刻t3においてFET(Mid)201をオンさせた直後、電磁弁電流はI3に向かって急激に増加するが、これは電磁弁コイル電流の変化に伴う磁束変化を打ち消すように固定コア301に発生した渦電流の影響を受けたものと考えられる。開弁動作に伴うものではなく、誤検知要因となるため、開弁完了タイミングの検知はt3より少し遅れたタイミングから開始するのがよい。
【００３７】
また、本実施例では一つの電磁弁について説明したが、複数の電磁弁であっても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、時刻t3〜時刻t5の期間にVB変動があった場合には電磁弁電流が変動するため、開弁検知の際にはVB電圧が安定している必要がある。このため、マイコンを使用して、VBをモニタしてVBが安定している時の検知データを選別して有効判定するなどの方法を取ると良い。
【００３９】
また、本実施例の燃料噴射装置は、燃料噴射装置として単独の使用に限るものではなく、エンジンコントロールユニット(ECU)や、筒内噴射ガソリンエンジン等の内燃機関に搭載されてもよいものとする。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の燃料噴射装置によれば、次のような効果を得ることができる。時刻t3（または時刻t3より遅れた時刻）〜時刻t5の期間に検知期間を設けることで、開弁動作に伴うインダクタンス変化によるインダクタンス変化を明確に捉える事ができ、電流により開弁タイミングを検知可能である。昇圧回路により昇圧した電圧VHを印加することで電流を増加させていることから、燃料圧力の高い内燃機関における高速開弁に対応した検知が可能である。
【実施例２】
【００４１】
以下に、図面により本発明の第２の実施形態について図５、図６を用いて詳細に説明する。図５は実施例１における図１相当図であり、また、図６は実施例１における図３相当図であり、第一の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００４２】
図５に示す電磁弁駆動回路200はフィルタ回路2510、微分器2520が付与されている点が異なっている。実施例１ではIC230でシャント抵抗(Lo)224で検出した電磁弁の電流をIC230内で処理し開弁の判定を行っていたが、IC230とは別にフィルタ回路2510と微分器2520を設けることにより、IC230に特別な機能が不要となり、ICの開発期間および開発コストを低減できる。
【００４３】
図６に示す電磁弁端子間電圧と電磁弁駆動電流と電流１階微分値と変位量は、開弁完了タイミングの波形を拡大したものであり、スプリング強度と寸法の個体ばらつきを有する電磁弁個体A、個体B、個体Cの波形を示している点が異なっている。
電流１階微分値は微分器2520の出力であり、個体A 、個体B、個体C各々の開弁完了時刻t4A、t4B、t4Cと、電磁弁電流が下に凸になり電流１階微分値が負から正に変化する際のゼロクロス時刻と一致する。即ち電流の一階微分値を以って開弁完了を判定することができる。
【００４４】
なお、微分器を更に追加して２階微分してもよく、この場合にはt4A、t4B、t4Cでピークを持つこととなり、同様に開弁完了タイミングを判定することができる。
【実施例３】
【００４５】
以下に、図面により本発明の第３の実施形態について図１、図７を用いて詳細に説明する。図１は実施例１で説明済みであり、また、図７は実施例１における図４相当図であり、第一の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００４６】
図７に示す動作波形は、時刻t5以降における、FET201,211,221の制御が異なっている。時刻t6からFET(Mid)201をオンオフして電磁弁にパルス状の電圧を複数回印加することにより、I3より低いI4の電流を保持しているところが異なっている。I4の電流は、例えば電磁弁300の開弁を維持するのに最低限必要な電流値に設定される。I3より低いI4の電流を通電することにより、I3で通電し続けた場合に比べ電磁弁の発熱を抑制しながら噴射パルスに相当する期間電磁弁300の開弁を維持し、燃料噴射時間（噴射量）を制御することが可能となる。また、I3より低いI4の電流を通電することにより、時刻t8で噴射パルスを終了した後、より早期に電流を遮断でき、電流遮断後に固定コアに流れる渦電流も低減できることから、より高速に閉弁可能となり噴射量の制御精度を向上できる。一方で、時刻t3〜t5の期間においては、時刻t5から時刻t8の期間に比べてFET(Mid)201をオンオフしない（またはオンオフ制御する回数が少ない）ため、開弁検知を行う期間のスイッチノイズを低減することができる。
【００４７】
なお、第３の実施例によれば時刻t5から時刻t6の期間にはFET(Lo)221をオン状態、FET(Mid)201をオフ状態として、フリーホイールダイオード223にフリーホイール電流を通電しながら電流を減衰させているが、FET(Lo)221をオフ状態、FET(Mid)201をオフ状態として、電流回生用ダイオード222に通電して電磁弁に−VHを印加することで電流を減衰させてもよい。
【実施例４】
【００４８】
以下に、図面により本発明の第４の実施形態について図８を用いて詳細に説明する。図８は実施例３における図７相当図であり、第４の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００４９】
図８に示す動作波形は、対応が必要な最も高燃料圧力且つ高スプリング力の条件におけるリフト量および電流波形、加速度計の出力を追加した点が異なっている。一般的に、燃料圧力が高くなるほど、またスプリング力が大きくなるほど、開弁完了のタイミングは遅くなる。このため高圧燃料且つ高スプリング力の条件では時刻t4より遅い時刻t4’に開弁完了する。ここで、時刻t4’は時刻t3から時刻t5の間存在しているため、時刻t4’において電磁弁電流には下に凸の電流が発生し、開弁を検知することが可能である。
【００５０】
本実施例では時刻t5の設定方法として、電磁弁の特性劣化による起こり得る開弁の遅延を考慮しながら、対応が必要な燃料圧力の範囲、及びスプリング力のばらつき範囲の中で最も開弁完了タイミングが遅くなる条件、即ち高燃料圧力・高スプリング力の条件における開弁完了タイミングt4’が、VB電圧を直流的に印加（スイッチノイズを低減）している開弁検知期間t3からt5の範囲に入るよう、t5を設定している。これにより、開弁が遅い条件における、開弁完了の不検出を避けることができ、より確実な開弁完了検知が可能となる。
【００５１】
なお、高燃料圧力、高スプリング力の条件では、閉弁する方向に力が働くため、閉弁するタイミング時刻t7’は時刻t7より早いタイミングとなる。
【実施例５】
【００５２】
以下に、図面により本発明の第５の実施形態について図９を用いて詳細に説明する。図９は実施例３における図７相当図であり、第３の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００５３】
第５の実施形態は、電磁弁の特性が劣化等により変化して、開弁完了タイミングがt3からt5の期間に検知されなくなった場合の動作について説明する。
【００５４】
図９に示す開弁完了タイミングが時刻t4”となり、時刻t3より早期である点が異なっている。また、図７と同様の電圧印加条件でFET211、201、221を駆動した場合の電磁弁電流を灰色の実線で示す。図７の電圧印加条件においては開弁完了タイミングt4”が時刻t3より早いタイミングであるので、t3からt5のスイッチノイズを低減している期間において開弁を検知することができない。そして、昇圧電圧印加による通電電流増大または通電電流の減少をしているt3以前のタイミングでは、電流変化が大きいため、誘電起電力による電流変化を捉えられず開弁完了を検知することが困難となる。
【００５５】
このような場合には、第5の実施形態のように、電磁弁電流のピーク電流I1をI1’に低減し、I2に到達する時刻t2をt2’に早期化させる。これにより、VBを印加する時刻t3を、時刻t4”より早いタイミングである時刻t3’に早期化できる。この動作により、電磁弁の特性が劣化等により変化して開弁完了タイミングが早期化した場合でも、確実に開弁完了を検知することができる。
【００５６】
なお、I1をI1’に低減する方法としては、電流設定値をI1からI1’に変化させてもよいし、FET(Hi)211のパルス印加時間を低減してもよい。（電流値で制御してもよいし時間で制御してもよい）
実施例４および実施例５の制御方法によれば、開弁検知期間t3〜t5の期間に開弁完了するように制御できるので、エンジンの運転状態の変化や経年劣化などで開弁完了タイミングが変わっても、確実に開弁完了タイミングを検知できる。
【実施例６】
【００５７】
以下に、図面により本発明の第６の実施形態について図１０を用いて詳細に説明する。図１０は実施例３における図７相当図であり、第３の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００５８】
図１０には昇圧コイルに流れる電流波形を追加している点が異なる。この昇圧コイル電流は、t3〜t5の期間は電流を流さず、昇圧動作を停止している。
昇圧回路250は10[A]程度の大電流を高周波で昇圧FET253をスイッチングするため、VB電圧の変動やスイッチノイズの要因となる。t3〜t5の期間中のVB電圧の変動により、電磁弁電流が変動するためこれを抑制する必要がある。また、スイッチング時のリンギングのような高周波成分を含むノイズは、回路素子の寄生容量を介して伝搬しうるため、誤検知の要因になる。
【００５９】
このため、これまでの実施例に加え、開弁検知を行うt3〜t5の期間においては昇圧回路の動作を停止することにより、より正確に開弁完了タイミングを検知することが可能となる。
【実施例７】
【００６０】
以下に、図面により本発明の第７の実施形態について図１１と図１２を用いて詳細に説明する。
【００６１】
図１１は、実施例３における図７相当図であり第３の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。
【００６２】
図７におけるt3~t5の期間のVB印加および、その期間の開弁完了検知を行わない点で異なっている。これを通常駆動モードとする。なお、第１〜第６の実施形態のように、t3~t5の期間にVBを印加して開弁完了を検知するモードを、検知駆動モードとする。通常駆動モードでは、t3~t5の期間を設定する必要が無く噴射パルス幅を自由に設定可能であるため、検知駆動モードに比べ噴射パルスを短くでき最小噴射量をより低減可能である。
【００６３】
図１２に自動車の運転状態と、燃料噴射装置の噴射駆動モードの切替えテーブルを示す。自動車のアイドル期間の一部の期間に検知駆動モードとし、走行時には通常駆動モードとすることで、燃費改善や排気ガスをクリーンにすることができる。
【００６４】
また、VB電圧が所定の電圧範囲内にあるときに、検知駆動モードを実行することが望ましく、検知駆動モードにおいて開弁完了をより正確に検知できる。
【００６５】
また、燃料圧力が所定の圧力範囲にあるときに、検知駆動モードを実行することが望ましく、検知駆動モードにおいて開弁完了をより正確に検知できる。例えば、燃料噴射装置上流の燃料圧力の変動周期よりも開弁完了を検知する期間が短いように設定すればよい。さらに、電磁弁の個体差により生ずる電磁弁の可動子の動作時間の遅れよりも長い期間に開弁完了を検知する期間を設定することが望ましい。
【００６６】
また、検知動作モードを実行する際には、エアコンなどの車載機器の負荷を停止することが望ましく、これによりVB変動を抑制でき、検知駆動モードにおいて開弁完了をより正確に検知できる。
【００６７】
また、通常駆動モードに検知駆動モードの検知情報を反映して、開弁電流のIpeakの値を変化させてもよい。即ち、開弁完了タイミングが早い電磁弁のIpeakを低減し、開弁完了タイミングの遅い電磁弁のIpeakを増加させることで、噴射パルスの印加開始から開弁タイミングが等しくなるようにしてもよい。これにより電磁弁ごとの噴射量ばらつきが低減するため、燃費改善や排気ガスをクリーンにすることができる。
【実施例８】
【００６８】
以下に、図面により本発明の第７の実施形態について図１３を用いて詳細に説明する。
【００６９】
図１３は、通常駆動モードにおける個体A、B、C、の電磁弁電流波形と弁体の変位量を示している。個体Aはスプリング力が弱く開弁し易い個体、個体Bはスプリング力が中程度で平均的な開弁し易さの個体、個体Cはスプリング力が強く開弁しにくい個体である。検知駆動モードにより各個体の開弁タイミングが既にわかっているため、全個体の開弁タイミングが同じ時刻topenとなるよう、それぞれの個体のピーク電流を増減する、噴射パルス幅を補正するといったフィードバックが可能である。具体的には、噴射パルス開始を個体Aには時刻tPAにIpeakAのピーク電流を印加し、個体Bには時刻tPBにIpeakAより大きいIpeakBのピーク電流を印加し、個体Cには時刻tPCにIpeakBより大きいIpeakCのピーク電流を印加する。これにより個体A、B、Cの開弁完了するタイミングを時刻topenに揃えることができ、個体ごとのばらつきを低減できることから燃料噴射量の高精度化が可能である。
【００７０】
なお、検知駆動モードにより得た噴射装置各個体の開弁タイミング情報は、可動子が個体コアに衝突するように燃料噴射装置をフルリフト制御する場合だけでなく、可動子が個体コアに衝突しないリフト量に目標リフトを設定するいわゆる中間リフト制御にも適用可能である。特に中間リフトの領域では、各気筒の燃料噴射装置に同じ噴射パルスを供給しても、燃料噴射装置の寸法公差の影響によって生じる個体差によって、燃料噴射装置のリフト量が異なるため、噴射量の個体ばらつきが大きくなるため、検知駆動モードにより得た情報に基づき補正を行なうことが望ましい。
【符号の説明】
【００７１】
100・・・バッテリ
200・・・電磁弁駆動回路
300・・・電磁弁
250・・・昇圧回路
211・・・FET(Hi)
212・・・逆流防止用ダイオード(Hi)
213・・・電流測定用のシャント抵抗(Hi)
201・・・FET(Mid)
202・・・逆流防止用ダイオード(Mid)
203・・・電流測定用のシャント抵抗(Mid)
221・・・FET(Lo)
224・・・シャント抵抗(Lo)
223・・・フリーホイールダイオード
222・・・電流回生用ダイオード
251・・・入力側コンデンサ
252・・・昇圧コイル
253・・・昇圧FET
254・・・昇圧チョッパ
255・・・出力コンデンサ
230・・・IC
240・・・マイコン
301・・・固定コア
302・・・スプリング
303・・・コイル
304・・・可動子
305・・・弁体
306・・・ノズルホルダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2014152697.tif 000015
【図１３】
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