(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁駆動式燃料噴射弁の駆動回路であって、
高電圧電源および低電圧電源と、
前記燃料噴射弁の開弁指令時に、一端が電流検出用抵抗を介して基準電位点に接続された前記燃料噴射弁の駆動用ソレノイドの他端と前記高電圧電源とを接続して、該ソレノイドに前記燃料噴射弁の開弁力が作用する方向の高電圧を印加する開弁スイッチング手段と、
前記開弁指令時から所定時間経過後に、前記低電圧電源と前記ソレノイドとを遮断したままの状態で、前記高電圧電源と前記ソレノイドとの接続を遮断して高電圧の印加を停止すると共に、前記ソレノイドに流れる電流を前記燃料噴射弁の開弁状態を保持しうる所定の電流値に低下するまで急速に放電させる急速放電手段と、
該急速放電手段による急速放電後、前記電流検出用抵抗に流れる電流値に基づいて、前記低電圧電源と前記ソレノイドの他端との接続による低電圧の印加と、遮断による放電とを制御して、前記ソレノイドを流れる電流を前記所定の値に保持する電流保持手段と、
前記ソレノイドの他端に一端が接続されたコンデンサと、該コンデンサの他端と基準電位点との間に介装されたダイオードと、を含んで構成され、前記急速放電手段による前記高電圧電源と前記ソレノイドとの遮断時、および前記電流保持手段による前記低電圧電源と前記ソレノイドとの遮断時に前記ソレノイドに残留する磁気エネルギーを電流として蓄電する蓄電手段と、
前記燃料噴射弁の閉弁指令に同期して、前記ソレノイドに前記燃料噴射弁の閉弁力が作用する方向に電流が流れるように、前記蓄電手段と前記ソレノイドとを所定期間接続する閉弁スイッチング手段と、
を含んで構成されることを特徴とする燃料噴射弁駆動回路。
【請求項２】
前記蓄電手段は、前記コンデンサに並列接続された定電圧ダイオードを含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁駆動回路。
【請求項３】
前記閉弁スイッチング手段は、前記コンデンサの他端と基準電位点との間に介装された前記ダイオードに並列に設けられたスイッチング素子を含んで構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料噴射弁駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンに燃料を供給する燃料噴射弁の駆動回路に関し、特に応答性の優れた高速開閉制御のための燃料噴射弁駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用エンジンの燃料供給系においては、燃費および運転性の向上のため、噴射する燃料の量およびタイミングを極めて高い精度で制御することが求められている。特に筒内直噴式エンジンでは、燃料噴射弁の噴射口が直接筒内に臨んでおり、基本的に吸気行程中の短い時間内に燃料を噴射しなければならず、とりわけ正確な開閉制御が要求されている。
【０００３】
自動車用エンジンに一般に用いられているソレノイドによる電磁駆動式燃料噴射弁においては、開弁および閉弁に要するソレノイドの応答時間を極力短縮して、噴射パルス信号に対する開弁時間および燃料噴射量を比例関係として捉えられるようにすることで、燃料噴射のタイミングおよび量を正確に制御することが容易になる。
【０００４】
従来、このような応答性の改善を目的とした燃料噴射弁駆動回路としては、例えば図９(a) に示すようなものがある（特開昭５７−４９０５９号公報参照）。この回路では、図９(b) に示すように、噴射パルス信号ＩＮが高レベルになるとトランジスタ11と、信号Ｑに制御されるトランジスタ12および13がオンし、予め充電されたコンデンサ14からソレノイド15に、充分に高い電圧（例えば数１００Ｖ）を印加して、ソレノイド15を流れる電流ｉｃを急速に立ち上げるものである。そして、電流ｉｃが所定の値にまで達すると、信号Ｑが低レベルに転じてトランジスタ12および13をオフしてソレノイド15に電圧ＶＢ（１０数Ｖ）を印加し、ソレノイドを保持状態とする。さらに、噴射パルス信号が立ち下がると、トランジスタ11がオフし、ソレノイド15に流れ続けようとする電流がコンデンサ14に流れ込む。言い換えれば、ソレノイド15に残留する磁気エネルギーが電流として前記コンデンサ14に流れ込んで、コンデンサ14を高電圧に充電すると同時にソレノイド15の電流ｉｃを立ち下げる構成となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の駆動回路では、高電圧が印加された立上り時の状態から電圧ＶＢが印加された保持状態に移行する際、ソレノイドを流れる電流は、電圧ＶＢとソレノイドコイルの抵抗とから決まる定常値まで直ちに低下するのではなく、ソレノイドコイルのインダクタンス成分により次第に低下することになる。即ち、印加される電圧がコンデンサの放電電圧からＶＢに切り替わった後もしばらくの間（例えば数１００μｓ）は電流が前記の定常値にならず、必要以上の電流が無駄に流れていることになり、燃料噴射弁の発熱を増大させるという問題点があった。
【０００６】
また、保持状態に切り換えられてから定常値になるまでの間ソレノイドを流れる電流は変化し続けるため、この期間内に噴射パルス入力がオフに転じた場合には、電流の消滅に要する時間も一定ではなくなり、ソレノイドの立下りに要する時間が変化することになる。この結果、噴射パルスの長さと燃料噴射弁の噴射量との比例関係が保たれず、正確な制御が困難になるといった問題点もあった。
【０００７】
さらに、噴射パルス信号の立下り時には、ソレノイドに残留する磁気エネルギーを電流として前記高電圧印加用コンデンサに吸収して、ソレノイドの電流を急速に消滅させる構成としているが、磁束の変化には電流の変化に対する遅れが存在するために電流が消滅してもソレノイドの吸引力は直ちに零にはならず、立下りの遅れを完全に除去することはできないといった問題点もあった。
【０００８】
この点、ソレノイドに対してスイッチング素子をＨブリッジ構造に配し、立ち下げ時にはコイルに逆方向の電流を流すことで急速に消磁して、針弁の応答性を改善することも可能である。しかし、開弁用コンデンサおよび閉弁用コンデンサの各々に充電部が必要で、かつ１気筒当たり５個以上のスイッチング素子が必要であり、回路の規模が大きく制御が煩雑であるため、より簡便な構成の駆動回路が望まれていた。
【０００９】
本発明はこのような従来の問題点に鑑み、ソレノイドの応答性とエネルギー効率とに優れた燃料噴射弁駆動回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、電磁駆動式燃料噴射弁の駆動回路であって、高電圧電源および低電圧電源と、前記燃料噴射弁の開弁指令時に、一端が電流検出用抵抗を介して基準電位点に接続された前記燃料噴射弁の駆動用ソレノイドの他端と前記高電圧電源とを接続して、該ソレノイドに前記燃料噴射弁の開弁力が作用する方向の高電圧を印加する開弁スイッチング手段を有する構成として、ソレノイドに流れる電流を急速に立ち上げる。
【００１１】
また、前記開弁指令時から所定時間経過後に、前記低電圧電源と前記ソレノイドとを遮断したままの状態で、前記高電圧電源と前記ソレノイドとの接続を遮断して高電圧の印加を停止すると共に、前記ソレノイドに流れる電流を前記燃料噴射弁の開弁状態を保持しうる所定の電流値に低下するまで急速に放電させる急速放電手段を設け、高電圧印加状態から保持状態へ迅速に移行させる。
【００１２】
そして、前記急速放電手段による急速放電後、前記電流検出用抵抗に流れる電流値に基づいて、前記低電圧電源と前記ソレノイドの他端との接続による低電圧の印加と、遮断による放電とを制御して、前記ソレノイドを流れる電流を前記所定の値に保持する電流保持手段を設けて、保持状態においてソレノイドを流れる電流を所定値に安定するように制御し、閉弁時にソレノイド電流をオフにするときにソレノイドを流れている電流が常に一定になるようにする。
【００１３】
さらに、前記急速放電手段による前記高電圧電源と前記ソレノイドとの遮断時、および前記電流保持手段による前記低電圧電源と前記ソレノイドとの遮断時に前記ソレノイドに残留する磁気エネルギーを電流として蓄電する蓄電手段と、前記燃料噴射弁の閉弁指令に同期して、前記ソレノイドに前記燃料噴射弁の閉弁力が作用する方向に電流が流れるように、前記蓄電手段と前記ソレノイドとを所定期間接続する閉弁スイッチング手段とを設けて、前記蓄電手段に蓄積された電荷を利用し、閉弁時に、開弁時および保持状態とは逆向きの電流をソレノイドに流す。
【００１４】
前記蓄電手段は、前記ソレノイドの他端に一端が接続されたコンデンサと、該コンデンサの他端と基準電位点との間に介装されたダイオードとを含んで、簡便に構成される。
また、請求項２に係る発明では、前記コンデンサに並列接続された定電圧ダイオードを含んで構成し、前記コンデンサへの蓄電量を一定値に制限する。
【００１５】
また、前記閉弁スイッチング手段は、請求項３に係る発明のように、前記コンデンサの他端と基準電位点との間に介装された前記ダイオードに並列に設けられたスイッチング素子を含んで構成することで、前記コンデンサに蓄積された電荷を、開弁時および保持状態とは逆向きの電流としてソレノイドに流すことができる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、開弁指令時にソレノイドのコイルに流れる電流を急速に立ち上げる一方、高電圧印加状態から保持状態へ迅速に移行させて、余分な電流を削減し、燃料噴射弁の発熱を抑制するとができるという効果がある。
また、保持状態では、実際にソレノイドを流れている電流値に基づいて低電圧の印加を制御するので、変化に対応した正確な制御ができ、ソレノイドの電流を所定の値に保つことができるという効果がある。
また、閉弁時にソレノイドを流れている電流を常に一定にすると共に、開弁時および保持状態とは逆向きの電流をソレノイドに流して消磁することで閉弁動作を円滑・迅速に行なうことができ、噴射パルス信号のタイミングおよび長さに対応した正確な開閉弁制御が可能になるという効果もある。
【００１８】
また、閉弁時にソレノイドを消磁する電流は、開弁時の高電圧印加状態から保持状態に移行する際や一定の保持状態に制御する際にソレノイドから放出される電流を蓄積したものを利用するので、エネルギーを有効に利用することができ、不要な発熱を抑制できるという効果もある。
また、従来の駆動回路に較べ構造が簡単であるため、部品点数、製造工程およびコストを削減でき、容易に実施できるという効果がある。
【００１９】
また、請求項２に係る発明によれば、噴射パルス信号の長さにかかわらず、ソレノイドからの放電によりコンデンサに蓄積される蓄電量を所定の値に制限することにより、閉弁時にソレノイドに流れる消磁用の電流を一定にし、安定した閉弁動作を得られるという効果がある。
また、請求項３に係る発明によれば、１つのスイッチング素子を追加するだけでソレノイドを消磁する電流の供給を制御することができるので、製造工程やコストを削減できる。また、スイッチング素子の数が少ないため制御が単純になるという効果もある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施例である燃料噴射弁駆動回路の回路図である。燃料噴射弁のソレノイド１は、電気的にはインダクタンス成分Ｌ１と抵抗成分Ｒ１とで構成される。ソレノイド１の一端は電流検出抵抗Ｒ２を介して基準電位点に接続（接地）されている。
【００２２】
ソレノイド１の他端にはスイッチング素子Ｑ１（図１ではトランジスタ）を介して高電圧充電部２が接続されている。また、このスイッチング素子Ｑ１と高電圧充電部２との接続点には、一端を基準電位点に接続されたコンデンサＣ１の他端が接続されており、スイッチング素子Ｑ１をオンすることにより、高電圧充電部２により所定電圧（例えば２００Ｖ）に充電されたコンデンサＣ１からソレノイド１へ高電圧が印加される。この高電圧充電部２とコンデンサ１とが高電圧電源に相当し、スイッチング素子Ｑ１が開弁スイッチング手段に相当する。
【００２３】
また、スイッチング素子Ｑ１とソレノイド１との接続点には、電流の方向を規制するダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ２とを介して低電圧電源としてのバッテリー３（例えば１２Ｖ）が接続されており、スイッチング素子Ｑ２をオン／オフ制御することによりソレノイド１への低電圧ＶＢの印加が制御される。
さらに、スイッチング素子Ｑ１とソレノイド１との接続点には、一端をダイオードＤ２を介して基準電位点に接続されたコンデンサＣ２の他端が接続されている。このダイオードＤ２は、スイッチング素子Ｑ１（またはＱ２）がオフされてソレノイドへの電圧印加が停止されたときに、当該ソレノイドに残留する磁気エネルギーが電流としてコンデンサＣ２に回生する方向にのみ通電を許容して、ソレノイドの急速放電を可能にする。また、定電圧ダイオードＺＤ１がコンデンサＣ２に並列接続されており、コンデンサＣ２に所定値以上蓄電されないように制限している。このダイオードＤ２、定電圧ダイオードＺＤ１およびコンデンサＣ２が蓄電手段に相当する。また、スイッチング素子Ｑ１は、前述した開弁スイッチング手段の他、急速放電手段としての役割も担う。
【００２４】
また、コンデンサＣ２の他端と基準電位点との間にはダイオードＤ２と並列に、閉弁スイッチング手段としてのスイッチング素子Ｑ３が接続されている。閉弁指令時には、このスイッチング素子Ｑ３をオンすることにより、コンデンサＣ２からソレノイド１に開弁時および保持状態とは逆向きの消磁用電流が供給される。
【００２５】
スイッチング素子Ｑ１およびＱ３は、図示しない論理回路から発生される噴射パルス信号ＩＮに同期した信号Ｐ１、Ｐ３のそれぞれに基づいてオン／オフ制御される。
一方、スイッチング素子Ｑ２は、保持状態においてソレノイド１を流れる電流を所定値にするためにＰＷＭ（Pulse Width Modulation: パルス幅変調) 制御が加えられる。これは、ＡＮＤ素子４の出力信号によってオン／オフ制御されるものであり、ＡＮＤ素子４の入力側には、電流制御部５が電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧Ｖ１と所定の基準電圧との比較に基づいて送出する電流制御信号Ｐm と、噴射パルス信号ＩＮに同期した信号Ｐ２とが入力されている。このスイッチング素子Ｑ２、電流制御部５およびＡＮＤ素子４が電流保持手段に相当する。
【００２６】
図２は、噴射パルス信号ＩＮおよび各スイッチング素子を制御する信号Ｐ１〜Ｐ３の変化に対応したソレノイドを流れる電流の推移を示すタイミングチャートである。また、図３〜図７には、本発明駆動回路の電流の流れを示す。
次に、図２および図３〜図７を同時に参照して、動作を説明する。
噴射パルス信号ＩＮは、図示しない論理回路によって生成されるパルス幅ｔｉの信号である。信号Ｐ１は噴射パルス信号ＩＮの立上りから所定のパルス幅ｔ１（例えば数１００μｓ）だけ高レベルになる信号であり、信号Ｐ２は噴射パルス信号ＩＮと同じパルス幅ｔｉの期間高レベルになる信号である。また、信号Ｐ３は噴射パルス信号ＩＮの立下りから所定のパルス幅ｔ２（例えば数１００μｓ）の間高レベルになる信号である。
【００２７】
先ず、噴射パルス信号ＩＮが低レベルから高レベルに転じると、信号Ｐ１も高レベルとなり、スイッチング素子Ｑ１がオンされて、コンデンサＣ１に予め充電されていた高電圧が直ちにソレノイド１に印加される。このときの電流の流れる経路を図３に示す。
次に、時間ｔ１が経過すると、信号Ｐ１が低レベルになり、スイッチング素子Ｑ１はオフになり、ソレノイド１への高電圧の印加が遮断される。このとき、スイッチング素子Ｑ２はオフのままであり、ソレノイド１へはバッテリー３からの電圧ＶＢも印加されない。そして、図４に示すように、ソレノイド１に流れ続けようとする電流がコンデンサＣ２に流れ込む。すなわち、ソレノイド１に残留する磁気エネルギーが電流として電流検出抵抗Ｒ２およびダイオードＤ２を介してコンデンサＣ２に吸収・蓄電される。このようにして、ソレノイド１を流れる電流は、従来の駆動回路に較べ急速に減少する。
【００２８】
そして、電流制御部５が、電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧Ｖ１と所定の基準電圧との比較に基づいて、開弁状態を保持する所定値まで電流が低下したと判断すると、電流制御信号Ｐm が高レベルになる。このとき、信号Ｐ２は噴射パルス信号ＩＮと共に高レベルになっているので、ＡＮＤ素子４の出力信号も高レベルとなり、スイッチング素子Ｑ２がオンになる。こうして、図５に示すように、ソレノイド１に電圧ＶＢがダイオードＤ１を介して印加され、ソレノイド１を流れる電流が増大し始める。
【００２９】
その後、ソレノイド１を流れる電流値が所定値を上回ると、電流制御部５の検出する端子電圧Ｖ１が所定の基準電圧を上回り、電流制御部５から出力される電流制御信号Ｐm が低レベルになる。これにより、ＡＮＤ素子４の出力も低レベルに転じ、スイッチング素子Ｑ２がオフになることで、ソレノイド１への電圧ＶＢの印加が遮断される。
【００３０】
このように、電流制御部５の検出する電流検出抵抗Ｒ２の端子電圧Ｖ１に基づいて、スイッチング素子Ｑ２のオン／オフが繰り返されるＰＷＭ制御により、ソレノイド１に流れる電流は、燃料噴射弁を開弁状態に保持しておくのに充分な電流値にほぼ一定に保たれる。
また、このＰＷＭ制御においてスイッチング素子Ｑ２がオフに転じた瞬間には、図６に示すように、コンデンサＣ２への蓄電作用が上述と同様の経路で発生する。このコンデンサＣ２への蓄電は、スイッチング素子Ｑ２がオフに転じるたびに繰り返されるが、コンデンサＣ２に並列接続された定電圧ダイオードＺＤ１により蓄電量が制限される。このため、最終的にコンデンサＣ２に充電される電圧は、噴射パルス幅ｔｉの長さによって変化せず、常に一定になる。
【００３１】
時間ｔｉが経過し、噴射パルス信号ＩＮが低レベルに転じると、信号Ｐ２も低レベルとなり、ＡＮＤ素子４の出力信号も低レベルとなるため、スイッチング素子Ｑ２がオフになる。これに同期して、信号Ｐ３が高レベルとなり、スイッチング素子Ｑ３が所定時間ｔ２の間だけオンになる。すると、蓄電されたコンデンサＣ２からソレノイド１に対し、図７に示す経路で電流が流れる向きに電圧が印加される。これは、ソレノイド１が保持状態であったときの電流の向きとは反対の向きであり、この逆電流により、ソレノイド１に残留する磁束を極めて急峻に消滅させることができる。前述したように、コンデンサＣ２の蓄電量は定電圧ダイオードＺＤ１により一定量に制限されているため、過剰な電圧が印加されることはなく、安定した消磁作用が得られる。
【００３２】
上述したソレノイド１を流れる電流の変化とソレノイドの動作、即ち燃料噴射弁の針弁変位を図８に示す。従来の駆動回路に比べて、立上り動作から保持状態に移行するときの電流の下がり方が急峻であり、余分な電流が少ないため、燃料噴射弁の発熱を抑制することができる。また、噴射期間の終了時には逆電流によりソレノイド１の消磁が促進されるため、針弁の戻り方が速くなっている。
【００３３】
以上説明した本発明の燃料噴射弁駆動回路によれば、３つのスイッチング素子のオン／オフにより、噴射パルス信号ＩＮに対し応答性の良い燃料噴射弁の制御ができる。また、余分な電流を削減できるため、エネルギー効率の良い燃料噴射弁の駆動が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料噴射弁駆動回路の回路図
【図２】  各制御信号とソレノイドを流れる電流の推移を示すタイミングチャート
【図３】  本発明駆動回路の電流の流れを示す図
【図４】  本発明駆動回路の電流の流れを示す図
【図５】  本発明駆動回路の電流の流れを示す図
【図６】  本発明駆動回路の電流の流れを示す図
【図７】  本発明駆動回路の電流の流れを示す図
【図８】  ソレノイド電流と燃料噴射弁の針弁変位を示す図
【図９】  従来の燃料噴射弁駆動回路を示す図
【符号の説明】
１  ソレノイド
２  高電圧充電部
３  バッテリー
４  ＡＮＤ素子
５  電流制御部
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
Ｌ１  ソレノイドのインダクタンス成分
Ｑ１〜Ｑ３  スイッチング素子
Ｒ１  ソレノイドの抵抗成分
Ｒ２  電流検出用抵抗
ＺＤ１  定電圧ダイオード
【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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