(57)【要約】【課題】インジェクタの診断機能を有し、インジェクタの開弁状態を保持させるため、診断結果に基づいて保持電流による開弁保持中に再び突入電流を供給可能な燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】インジェクタの電磁コイルに突入電流を供給してインジェクタの弁体を開弁させる（Ｔ０）と共に、保持電流を供給して弁体の開弁状態を保持させる（Ｔ１）通電制御手段と、予め設定された通電パターンでインジェクタを制御し、インジェクタ上流側と下流側の圧力差と、予め設定されたインジェクタの通電パターンと、に基づいて、インジェクタの作動状態を少なくとも車両の始動時に診断する診断手段と、を備え、通電制御手段は、診断手段の情報に基づいて、インジェクタの開弁状態を保持させる保持電流だけでなく、開弁保持中に再び突入電流（Ｔ４）を供給する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め加圧された燃料ガスをインジェクタによって燃料電池スタックに供給し、当該インジェクタを制御する燃料噴射制御装置において、
インジェクタの電磁コイルに突入電流を供給してインジェクタの弁体を開弁させると共に、保持電流を供給して弁体の開弁状態を保持させる通電制御手段と、
予め設定された通電パターンでインジェクタを制御し、インジェクタ上流側の圧力センサとインジェクタ下流側の圧力センサとにより求めた圧力差と、予め設定されたインジェクタの通電パターンと、に基づいて、インジェクタの作動状態を少なくとも車両の始動時に診断する診断手段と、
を備え、
通電制御手段は、診断手段の情報に基づいて、インジェクタの開弁状態を保持させる保持電流だけでなく、開弁保持中に再び突入電流を供給することを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
診断手段は、インジェクタの通電パターンに対応する圧力差を取得し、その圧力差と、予め記憶しておいた初期段階の圧力差と、に基づいて突入電流を再び供給する再供給時間を求め、通電制御手段へ通知することを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料噴射制御装置において、
通電制御手段は、診断手段にて求められた再供給時間毎に突入電流をインジェクタに供給することを特徴とする燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックへの燃料ガス供給をインジェクタの制御によって行う燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池スタックへ供給して発電を行う燃料電池システムが提案され、低公害車の動力源として燃料電池スタックを搭載した燃料電池車両が知られている。車両用の燃料電池システムには、燃料ガス供給源として高圧水素タンクを備え、高圧水素タンクの水素ガスを一定の供給圧力まで低減させるレギュレータと、燃料電池システムの運転状態に応じて水素ガスのガス流量及びガス圧を制御するインジェクタと、を備えるものがある。
【０００３】
インジェクタは、所定の駆動周期で電磁コイルを駆動して弁座から弁体を離隔させることにより噴射量を調整する電磁駆動式開閉弁であり、内燃機関用の燃料噴射用電磁弁として広く用いられている。また、インジェクタの制御方法としては、特許文献１に開示されているように、スイッチング素子を用いて電磁コイルに突入電流を流してインジェクタの弁体を速やかに開弁させ、その後、突入電流より小さい保持電流で弁体の開弁状態を保持する保持手段を備えた燃料噴射制御装置が開示されている。
【０００４】
一般に、このような燃料噴射制御装置は自己診断機能を持たないオープン制御となっているため、正常に燃料噴射制御装置が動作しているか否か診断することが難しいという問題があった。そこで、特許文献２には、燃料噴射制御装置を診断する診断装置が開示されている。特許文献２の診断装置は、インジェクタの電流波形をモニターしてインジェクタ噴射時間波形に設定した開弁電流診断ウィンドと保持電流診断ウィンド毎に予め設定した複数の判定値との比較により燃料噴射制御装置を診断する。
【０００５】
また、特許文献３には自己診断機能だけでなく、インジェクタの閉弁及び固着故障を検出すると突入電流の通電に加えて、さらに、保持電流の通電期間の全部又は一部の間継続してインジェクタに突入電流を通電することによりインジェクタの開弁を試行するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２９５２９４号公報
【特許文献２】特開平１１−１３５１９号公報
【特許文献３】特開２００８−１４０６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、インジェクタの電磁コイルの経年劣化等により開弁保持に必要な電流が一時的に低下する場合には、インジェクタの開弁が保持できずに閉弁してしまい、再び開弁に必要な突入電流を供給するまでインジェクタを開弁することができない。インジェクタの開弁保持の時間が短い場合には、再度の突入電流にて開弁することになるが、開弁保持の時間が長い場合には、駆動側の信号は正常でもインジェクタの電磁コイルが保持電流だけで開弁を保持できず、途中で閉弁することにより燃料電池の出力低下による車両の動力低下となる。
【０００８】
そこで、本発明では、インジェクタの上流側と下流側の圧力差に基づく診断機能を有し、インジェクタの開弁状態を保持させるため、診断結果に基づいて保持電流による開弁保持中に再び突入電流を供給可能な燃料噴射制御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】
【０００９】
以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射制御装置は、予め加圧された燃料ガスをインジェクタによって燃料電池スタックに供給し、当該インジェクタを制御する燃料噴射制御装置において、インジェクタの電磁コイルに突入電流を供給してインジェクタの弁体を開弁させると共に、保持電流を供給して弁体の開弁状態を保持させる通電制御手段と、予め設定された通電パターンでインジェクタを制御し、インジェクタ上流側の圧力センサとインジェクタ下流側の圧力センサとにより求めた圧力差と、予め設定されたインジェクタの通電パターンと、に基づいて、インジェクタの作動状態を少なくとも車両の始動時に診断する診断手段と、を備え、通電制御手段は、診断手段の情報に基づいて、インジェクタの開弁状態を保持させる保持電流だけでなく、開弁保持中に再び突入電流を供給することを特徴とする。
【００１０】
なお、突入電流は、デューティ比１００％の駆動電圧をインジェクタの電磁コイルに通電する時に流れる電流であり、保持電流はＰＷＭ制御された駆動電圧を電磁コイルに通電する時に流れる電流である。さらに、インジェクタの開弁時間は開弁に必要なパワー分の突入電流を所定時間流した後、開弁保持に必要なパワー分の保持電流をさらに所定時間流した合計時間となる。
【００１１】
ここで、重要となるのが保持電流の通電中に突入電流を挿入するタイミングであり、適切なタイミングを求めることが必要となる。そこで、診断手段は、診断時において、インジェクタの通電パターンに対応する圧力差を取得し、その圧力差と、予め記憶しておいた初期段階の圧力差と、に基づいて突入電流を再び供給する再供給時間を求め、通電制御手段へ通知することを特徴とする。さらに好適には、通電制御手段は、診断手段にて求められた再供給時間毎に突入電流をインジェクタに供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料噴射制御装置を用いることにより、インジェクタの上流側と下流側の圧力差に基づく診断処理を実行し、インジェクタの開弁状態を保持させるため、診断結果に基づいて保持電流による開弁保持中に再び突入電流を供給することで必要な燃料噴射量を確保することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料噴射制御装置を有する燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１の燃料噴射制御装置によるインジェクタの開保持期間中に、インジェクタの弁体が閉じてしまう状態におけるＩＮＪ（インジェクタ）制御信号と駆動信号と弁体開度と圧力との時間波形図である。
【図３】図１の燃料噴射制御装置によるインジェクタの診断処理の流れを示すフローチャート図である。
【図４】図３のインジェクタ診断中における、ＩＮＪ制御信号と駆動信号と弁体開度と圧力との時間波形図である。
【図５】図３の診断処理において選択した予防対策の効果チェックにおける、駆動信号と弁体開度と圧力との時間波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１５】
図１は、燃料噴射制御装置３１を有する燃料電池システム１０を示している。本実施形態における燃料噴射制御装置３１は、燃料電池システム１０の制御を司る制御装置に負荷をかけることなく、インジェクタ１６の作動状況を後述する診断処理にて確認し、インジェクタ１６の開弁保持中に不用意に閉弁してしまう不具合を解消するものである。
【００１６】
燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素ガスと酸化ガスである酸素を有する空気とを取り入れて燃料電池スタック２１に供給するガス供給系統と、燃料電池スタック２１で発電した電力をモータ３３又はバッテリ３５に供給する電力供給系統と、を有している。次に、電力供給系統、ガス供給系統について示す。
【００１７】
電力供給系統は、燃料電池スタック２１により発生した電力をインバータ３２によりＰＷＭ制御してモータ３３を駆動する。また、一部の電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を介してバッテリ３５で充電され、必要がある場合には、バッテリ３５の電力でモータ３３を駆動する。
【００１８】
ガス供給系統は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路とを有している。燃料ガス供給流路には、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク１１から下流側に向かって、水素ガスの遮断弁１２と、高圧水素ガスを減圧するレギュレータ１３と、減圧された水素ガスの温度を測定する温度センサ１４と、インジェクタ１６上流側であり、減圧された水素ガスの圧力を測定する上流側圧力センサ１５と、インジェクタ１６と、インジェクタ下流側であり、インジェクタ１６にて圧力調整された圧力を測定する下流側圧力センサ１７と、により水素ガスを燃料電池スタック２１に供給する。
【００１９】
さらに、燃料ガス供給流路は、燃料電池スタック２１で消費されずに排出された水素ガスを供給側に循環させる循環ポンプ１８と、残りの水素ガスを排出するパージ弁１９と、排出された水素ガスを希釈する希釈器２６と、希釈された水素ガスを大気へ排出するためのマフラー２７と、を有している。
【００２０】
酸化ガス供給流路は、大気から空気を吸入する際、異物を除去するフィルタ２５と、空気を圧縮して吐出するエアーコンプレッサ２４と、吸入した空気に適切な湿度を加える加湿器２３と、により酸化ガスを燃料電池スタック２１に供給する。燃料電池スタック２１から排出された湿潤な残りの酸化ガスは、レギュレータ２２を通り、加湿器２３に供給され、排出された酸化ガスは、希釈器２６を通り、マフラー２７を介して大気に放出される。
【００２１】
次に、保持時間に弁体が閉弁する状況について概説する。ここで、保持時間中に一瞬保持電流が低下する状況を保持電流割れと呼ぶ。保持電流割れは、スイッチング素子等によりインジェクタの電磁コイルに供給される駆動信号には変化は見られないが、電磁コイルの劣化により弱まった駆動力と、インジェクタ本体に加わる振動等の影響により、インジェクタの弁体が開状態を保持できずに閉弁するものである。
【００２２】
図２には、図１の燃料噴射制御装置３１によるインジェクタの開保持時間中に、インジェクタの弁体が閉じてしまう状態における、ＩＮＪ（インジェクタ）制御信号と駆動信号と弁体開度と圧力との時間波形図が（１）〜（３）の３サイクルに渡って示されている。なお、図２の駆動信号はインジェクタの電磁コイルに供給される電流波形を示し、実線は正常状態、破線は異常状態である保持電流割れを示している。圧力は下流側圧力センサ１７の測定波形であり、同様に実線は正常状態、破線は異常状態を示している。
【００２３】
最初に正常状態について説明する。図２のＩＮＪ制御信号はインジェクタの開弁時間（Ｔ）を示し、駆動信号は、デューティ比１００％の駆動電圧を開弁に必要なパワー分の突入電流として突入時間（Ｔ０）流した後、ＰＷＭ制御された駆動電圧を電磁コイルに通電する時に流れる電流を開弁保持に必要なパワー分の保持電流として保持時間（Ｔ１）流している。ＩＮＪ制御信号が「開」となると、弁体を開状態とするために、突入電流がＴ０時間供給され、弁体が開状態となる。次に、保持電流がＴ１時間供給されることで弁体は開状態を少ない電流値で開保持状態となり、水素ガスの圧力が上昇することになる。
【００２４】
ＩＮＪ制御信号が「閉」となると保持電流が停止し、弁体の開度は「閉」となるため、燃料電池スタック２１に連続して流出する水素ガスにより圧力が減少する。以下、図２の実線に示すような圧力変動を示すことになる。
【００２５】
次に、異常状態について説明する。図２において、１サイクルにおいて保持電流割れが発生すると、ＩＮＪ制御信号より少ない開弁状態となるため、通常の圧力より低下した状態で２サイクルに移る。さらに、３サイクルにおいて再び保持電流割れが発生し、正常状態であればＰ１の圧力に達するものが、Ｐ１より低い圧力であるＰ２の圧力までの上昇となることから、燃料電池スタックの出力低下を引き起こすことになる。
【００２６】
しかしながら、電磁コイルの劣化や振動等による保持電流割れは、頻繁に発生するものではなく、保持電流割れの期間も短い（パルス状）ことから、駆動信号のモニターによる検出は困難となる。そこで、本実施形態では、インジェクタの診断処理を数多く実施して保持電流割れの頻度増加を確認した後、保持電流割れに対する予防対策を取ることにした。
【００２７】
図３は、図１の燃料噴射制御装置３１によるインジェクタ１６の診断処理の流れを示し、図４は、図３のインジェクタ診断中における、ＩＮＪ駆動信号と駆動信号と弁体開度と圧力（下流側）との時間変化を示している。
【００２８】
インジェクタ診断の実施タイミングは、車両の始動時、インジェクタ関連の警告検知時又はディーラでのチェック時などである。このような実施タイミングで図３のインジェクタ診断が開始し、ステップＳ１０にて上記いずれかの実施タイミングであるかを判定する。もし、上述したインジェクタ診断の実施タイミングであれば、ステップＳ１２においてチェックを実施する。なお、インジェクタ診断を説明する都合上、インジェクタに異常がある場合について述べる。
【００２９】
ステップＳ１２におけるインジェクタ診断は、図１の燃料噴射制御装置３１に予め記憶された診断パターン用のＩＮＪ制御信号にて実施し、この診断の際に供給された水素ガス及び酸化ガスにより燃料電池スタックが発生した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４を介してバッテリ３５に充電する。
【００３０】
ステップＳ１２において、燃料噴射制御装置３１は、最初に水素ガスの温度を温度センサ１４にて測定し、インジェクタ１６上流及び下流の水素ガスの圧力を上流側圧力センサ１５及び下流側圧力センサ１７にて測定する。水素ガスの密度は、温度と圧力に影響を受けることから、測定条件の違いによる補正を行うためである。インジェクタを作動する前は、上流側圧力センサ１５の圧力値はＰＡ１であり、下流側圧力センサ１７の圧力はＰＡ２である。
【００３１】
次に、通常の開弁時間より長めに設定された通電パターンにより、図４のＩＮＪ制御信号をＴＣ時間「開」状態とし、突入電流をＴ０時間供給した後に、保持電流をＴ１時間供給する。この時、下流側圧力センサ１７の圧力はＰＡ２からＰＡ１に徐々に上昇し、途中で保持電流割れが発生するため、加圧が停止して減圧状態となり、ＴＣ時間終了後「閉」状態となった時に、ＰＡ１からの圧力差がαとなる。
【００３２】
燃料噴射制御装置３１は、ＴＣ時間と、圧力値予め記憶してあるインジェクタ下流側の容積と、圧力差αと、に基づいて水素ガスの流量を求め、弁体の開弁から閉弁までの時間である割れ発生時間Ｔ２を算出して内部メモリに記憶する。次に、ステップＳ１４にて予防対策が必要な所定回数に達しているかどうかを判定し、予防対策が必要で有る場合には、記憶された複数の割れ発生時間Ｔ２に基づいた予防対策の選択（ステップＳ１６）に移る。
【００３３】
本実施形態では、予防対策として、以下に示す２種類の予防対策を設定した。第１の予防対策は、割れ発生時間Ｔ２を数多く測定した後、ＩＮＪ制御信号において保持電流時間が割れ時間Ｔ２を超える保持時間中、保持電流を出力する場合には、保持時間に突入電流を１回だけ供給する方法である。また、第２の予防対策は平均値の割れ発生時間Ｔ２と等しい、又は、より短い周期で繰り返し突入電流を保持時間中に供給する方法である。経験的には、短い保持時間で保持電流割れが発生する確率よりも長い保持時間で電流割れが発生する確率が高いことが分かっているため、上記予防対策が有効である。
【００３４】
図５は、図３の診断処理において選択した予防対策の効果チェック（ステップＳ１８）における、駆動信号と弁体開度及び圧力の時間変化を示している。図５に示したように、保持電流割れが発生しても保持中の閉弁は発生していないことが分かる。
【００３５】
図３のステップＳ１６において、燃料噴射制御装置３１は、最初に第１の予防対策を選択し、図５の割れ発生時間Ｔ２にかぶるＴ３時間を設定してＴ４時間だけ突入電流を供給する新たな通電パターンを作成する。次に、ステップＳ１２のチェック実施と同様にしてステップＳ１８の効果チェックを実施する。ステップＳ１２の効果チェックによりＩＮＪ制御信号に応じた所望する圧力Ｐ１を得ることが確認できれば、診断処理を終了する。その後、実際のインジェクタの制御に上記予防対策を含めて実行することになる。
【００３６】
なお、第１の予防策で改善しない場合には、第２の予防策を実施することになるが、保持時間中に突入電流が増加することにより、インジェクタの電磁コイルに悪影響が出る場合があるため、突入電流の保持時間Ｔ４を突入電流の保持時間Ｔ０の半分以下に抑えることも好適である。
【００３７】
以上、上述したように、本実施形態に係る燃料噴射制御装置は、インジェクタの上流側と下流側の圧力差に基づく診断機能を有し、インジェクタの開弁状態を保持させるため、診断結果に基づいて保持電流による開弁保持中に再び突入電流を供給することにより燃料電池スタックの出力低下を防止することが可能となる。
【００３８】
なお、本実施形態では燃料電池システムにおけるインジェクタの燃料噴射制御装置について実施したが、これに限定するものではなく、内燃機関用の燃料噴射制御装置としても好適に使用することが可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１０  燃料電池システム、１１  水素タンク、１２  遮断弁、１３，２２  レギュレータ、１４  温度センサ、１５  上流側圧力センサ、１６  インジェクタ、１７  下流側圧力センサ、１８  循環ポンプ、１９  パージ弁、２１  燃料電池スタック、２３  加湿器、２４  エアーコンプレッサ、２５  フィルタ、２６  希釈器、２７  マフラー、３１  燃料噴射制御装置、３２  インバータ、３３  モータ、３４  ＤＣ／ＤＣコンバータ、３５  バッテリ。
【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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