JP2003148221A - ピエゾインジェクタの充放電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バッテリ電圧で充電専用フライバックトラン
スを通電していたため、充電時間がかかる。また、１サ
イクル内で複数回噴射を行う場合、充電完了時期をずら
した複数のフライバックトランスが必要になる。放電は
放電コイルを用いた自然放電であったため、エネルギー
損失が大きく、発熱も大きかった。 【解決手段】 昇圧した高電圧で第１、第２フライバッ
クトランス４４、４５を駆動するため、充電時間が短
い。また、第１、第２フライバックトランス４４、４５
の一方の放電中に、第１、第２フライバックトランス４
４、４５の他方が充電作動を開始するめ、放電開始から
充電終了までのインターバルを短くできる。この短期充
電と短インターバル充電によって１サイクル内において
複数回噴射が可能になる。また、電気エネルギーは、第
１、第２フライバックトランス４４、４５によって効率
よく直流電源４０に回収され、発熱も抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピエゾインジェク
タの充放電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、特開平６−２６４８
１０号公報、特開平８−１７７６７８号公報に開示され
た技術が知られている。これらの技術は、バッテリ電圧
によってピエゾ素子の充電を行うために複数の充電専用
フライバックトランスを用いたものであり、充電時には
充電専用フライバックトランスを用いてピエゾ素子の充
電を行い、放電時には放電コイルを用いてピエゾ素子の
放電を行う。そして、特開平６−２６４８１０号公報に
は、１つのピエゾインジェクタが１サイクル内において
複数回噴射を行う場合に、複数の充電専用フライバック
トランスが順に充電作動を行って、ピエゾ素子を連続し
て充電させる例が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記に開示された技術
では、バッテリ電圧によって充電専用フライバックトラ
ンスを駆動しているため、充電開始から充電完了までに
時間がかかり、連続噴射するまでのインターバルが長く
なってしまう。特に、従来の技術では、ピエゾ素子に蓄
えられた電気エネルギーが充電側の電源に回収されない
ため、充電開始から充電完了までの時間が長くなってし
まう。このため、１サイクル内において複数回噴射を行
う場合は、充電完了時期をずらした多数（少なくとも２
つ以上）の充電専用フライバックトランスが必要にな
り、重量増加、コストアップとなってしまう。

【０００４】また、従来の技術の放電作動は、放電コイ
ルによる自然放電であったため、ピエゾ素子に蓄えられ
ていた電気エネルギーが消費されてしまい、エネルギー
損失が大きかった。さらに、従来の放電コイルに蓄えら
れた電気エネルギーは電源に回収されずに自然放電され
るものであったため電気エネルギーの放出効率が悪く、
発熱してしまう。このため、放電コイルの周辺部品（例
えば、スイッチング素子に用いられるパワーＭＯＳ・Ｆ
ＥＴ等の半導体素子）を熱で劣化させてしまったり、放
熱対策を行う必要があった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、充電に用いるフライバックト
ランスと放電に用いるフライバックトランスの２つだけ
を使用して、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを
効率良く電源側に回収するとともに、放電作動中に充電
作動を行って１サイクル内において複数回噴射を可能に
したピエゾインジェクタの充放電装置の提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕充電
作動時は、バッテリ電圧よりも高い電圧が直流電源から
第１フライバックトランスの１次コイルに印加される。
このため、充電開始から充電終了までの時間を短くでき
る。放電作動時は、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネル
ギーは、第２フライバックトランスから直流電源に回収
される。この第２フライバックトランスの放電中に、第
１フライバックトランスにより充電作動を開始すること
により、次回の充電完了時間を短くできる。つまり、放
電開始から充電終了までの時間を短くできる。上記のよ
うに、請求項１の手段を採用することにより、充電開始
から充電終了までの時間を短くできるとともに、放電開
始から充電終了までの時間を短くでき、１サイクル内に
おいて複数回噴射が可能になる。つまり、第１、第２フ
ライバックトランスの２つだけを使用して、１サイクル
内での複数回噴射が可能になる。

【０００７】一方、放電作動時において、ピエゾ素子に
蓄えられた電気エネルギーは、第２フライバックトラン
スによって効率よく直流電源に回収される。このため、
ピエゾインジェクタの充放電装置で消費される電気エネ
ルギーを少なくできる。また、ピエゾ素子から直流電源
に効率よく回収された電気エネルギーによって、直流電
源の電圧を高く維持でき、これによっても充電開始から
充電終了までの時間を短くできる。さらに、ピエゾ素子
に蓄えられた電気エネルギーを第２フライバックトラン
スで効率よく直流電源に回収するため、放電を行う第２
フライバックトランスの発熱が抑えられる。

【０００８】〔請求項２の手段〕第１フライバックトラ
ンスを用いた充電作動時は、バッテリ電圧よりも高い電
圧が直流電源から、第１フライバックトランスの１次コ
イルに印加される。このため、第１フライバックトラン
スによる充電開始から充電終了までの時間を短くでき
る。また、第２フライバックトランスを用いた充電作動
時は、バッテリ電圧よりも高い電圧が直流電源から、第
２フライバックトランスの１次コイルに印加される。こ
のため、第２フライバックトランスによる充電開始から
充電終了までの時間を短くできる。

【０００９】第１フライバックトランスを用いた放電作
動時は、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーが第１
フライバックトランスから直流電源に回収される。この
第１フライバックトランスの放電中に、第２フライバッ
クトランスにより充電作動を開始することにより、第１
フライバックトランスの放電開始から、第２フライバッ
クトランスの充電終了までの時間を短くできる。また、
第２フライバックトランスを用いた放電作動時は、ピエ
ゾ素子に蓄えられた電気エネルギーが第２フライバック
トランスから直流電源に回収される。この第２フライバ
ックトランスの放電中に、第１フライバックトランスに
より充電作動を開始することにより、第２フライバック
トランスの放電開始から、第１フライバックトランスの
充電終了までの時間を短くできる。

【００１０】上記のように、請求項２の手段を採用する
ことにより、充電開始から充電終了までの時間を短くで
きるとともに、放電開始から充電終了までの時間を短く
でき、１サイクル内において複数回噴射が可能になる。
つまり、第１、第２フライバックトランスの２つだけを
使用して、１サイクル内での複数回噴射が可能になる。

【００１１】一方、放電作動時において、ピエゾ素子に
蓄えられた電気エネルギーは、第１、第２フライバック
トランスによって効率よく直流電源に回収される。この
ため、ピエゾインジェクタの充放電装置で消費される電
気エネルギーを少なくできる。また、ピエゾ素子から直
流電源に効率良く回収された電気エネルギーによって、
直流電源の電圧を高く維持でき、これによっても充電開
始から充電終了までの時間を短くできる。さらに、ピエ
ゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを第１、第２フライ
バックトランスで効率よく直流電源に回収するため、放
電を行う第１、第２フライバックトランスの発熱が抑え
られる。

【００１２】〔請求項３の手段〕請求項３の手段を採用
することにより、第１フライバックトランスを用いた充
放電回路、または第２フライバックトランスを用いた充
放電回路の一方に、万が一断線等の不具合が発生したと
しても、第１グループまたは第２グループのピエゾ素子
の充放電が可能になる。このため、充放電が可能な第１
グループまたは第２グループのピエゾ素子の充放電の作
動によって緊急非難走行が可能になる。

【００１３】〔請求項４の手段〕請求項４の手段を採用
し、所定の１次コイル通電時間を、充電スイッチがONし
てから１次コイルを流れる電流が、開弁電流（ピエゾ素
子の充電に適した電流値）に達するまでの時間としても
良い。

【００１４】〔請求項５の手段〕請求項５の手段を採用
し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチがONし
てからピエゾ素子の負荷電圧が、零に近い所定の閉弁電
圧に低下するまでの時間としても良い。

【００１５】〔請求項６の手段〕請求項６の手段を採用
し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチがONし
てから２次コイルを流れる放電電流が所定の閉弁電流に
達するまでの時間としても良い。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、３つの実
施例を用いて説明する。 〔第１実施例〕図１〜図１０を参照して第１実施例（ピ
エゾインジェクタに搭載されたピエゾ素子の充放電装
置）を説明する。

【００１７】ピエゾ素子１は、図９、図１０に示すよう
に、各気筒に取り付けられるピエゾインジェクタ２に取
り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエ
ータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電
極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素
子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮す
るものである。

【００１８】ピエゾ素子１が搭載されるピエゾインジェ
クタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射シ
ステムに適用される。この燃料噴射システムの一例を図
９を参照して説明する。ピエゾインジェクタ２は、エン
ジンの各気筒に対応して取り付けられている（図９では
ピエゾインジェクタ２を１つのみ図示）。各ピエゾイン
ジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回
路３は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニットの略）
４から与えられる噴射信号によってピエゾ素子１の充放
電を行うように設けられている。

【００１９】つまり、ＥＣＵ４から与えられる噴射開始
信号（噴射信号のON）によって充放電回路３がピエゾイ
ンジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を充電する
と、ピエゾ素子１が伸長してピエゾインジェクタ２が開
いてコモンレール５に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃
焼室内に噴射する。噴射後、ＥＣＵ４から与えられる噴
射停止信号（噴射信号のOFF ）によって充放電回路３が
ピエゾインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を放
電すると、ピエゾ素子１が収縮してピエゾインジェクタ
２が閉じて燃料噴射が停止する。

【００２０】コモンレール５には、燃料タンク６の燃料
が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモン
レール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモン
レール５からピエゾインジェクタ２に供給される燃料
は、燃焼室への噴射の他に、ピエゾインジェクタ２の制
御油圧としても用いられるものであり、ピエゾインジェ
クタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６
に還流するようになっている。コモンレール５には、燃
料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられて
いる。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整
弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送
量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っ
ている。

【００２１】ピエゾインジェクタ２の構造を図１０を参
照して説明する。ピエゾインジェクタ２は、棒状体を呈
するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、
先端部が燃焼室内に突出するものである。ピエゾインジ
ェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１
１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。

【００２２】ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１
５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるもの
であり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダ
ー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座また
は離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９に
は、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して
高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１
から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空
間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１
５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）に
リフトするように作用している。

【００２３】大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧
通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給さ
れており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１
５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニ
ードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作
用している。背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切
り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ
駆動部１３によって駆動される。

【００２４】背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介
して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。この
弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成さ
れており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつなが
っている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上
述したドレーンライン８に通じている。

【００２５】また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通
路２０より分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボ
ール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上
下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６
の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の
連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２
６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。

【００２６】このように、ボール弁３０が下降して弁室
２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室
２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してド
レーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が
下がり、ニードル１４が離座する。逆に、ボール弁３０
が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられる
と、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧
室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背
圧が高まり、ニードル１４が着座する。

【００２７】ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長
によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室
２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピ
ストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３
を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエ
ゾ素子１が配置されている。大径ピストン３２は、その
下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に
押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量
と同じだけ上下方向に変位する。

【００２８】変位拡大室３１には、燃料が充填されてお
り、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３
２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、そ
の加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し
下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン
３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長
量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。

【００２９】噴射開始時は、先ず、ピエゾ素子１が充電
されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン
３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が
押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これによ
り、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ
素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小
径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解
除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧
燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁
室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室
２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴
射が停止する。

【００３０】各気筒毎のピエゾ素子１を充電および放電
させるための充放電回路３を図１を参照して説明する。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電
させるための第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ
と、ピエゾ素子１を放電させるための第１、第２放電ス
イッチ４２ａ、４２ｂと、充放電されるピエゾ素子１を
選択するための選択スイッチ４３と、第１、第２フライ
バックトランス４４、４５と、複数のダイオード４６と
から構成されている。なお、この実施例の第１、第２フ
ライバックトランス４４、４５は、同一のものが用いら
れている。

【００３１】直流電源４０は、車載バッテリ４７の電圧
（例えば１２Ｖ、２４Ｖ）を数十〜数百Ｖの直流電圧に
昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータ４８、このＤＣ／ＤＣ
コンバータ４８に並列接続されたバッファコンデンサ４
９を備える。このバッファコンデンサ４９は、比較的静
電容量の大きなもので、ピエゾ素子１の充電作動時にも
一定の電圧を保つようになっている。

【００３２】第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、
第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイ
ッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制
御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ
ング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであって
も良い。

【００３３】第１フライバックトランス４４は、１次コ
イル４４ａおよび２次コイル４４ｂを備えるものであ
り、１次コイル４４ａは第１、第２充電スイッチ４１
ａ、４１ｂのONによって直流電源４０と電気的に接続さ
れ、２次コイル４４ｂは第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂのONによってピエゾ素子１と電気的に接続さ
れる。

【００３４】第２フライバックトランス４５は、上述し
た第１フライバックトランス４４と同様、１次コイル４
５ａおよび２次コイル４５ｂを備えるものであり、１次
コイル４５ａは第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ
のONによって直流電源４０と電気的に接続され、２次コ
イル４５ｂは第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂの
ONによってピエゾ素子１と電気的に接続される。

【００３５】第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、
第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイ
ッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制
御されるものであり、充放電コントローラ５０にはＥＣ
Ｕ４から「噴射信号」、「切替信号」、「気筒信号」が
入力される。噴射信号は、ピエゾインジェクタ２の噴射
開始と噴射終了とを切り替える信号（噴射開始信号およ
び充電終了信号に相当する）であり、噴射開始のHi信号
が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コン
トローラ５０によってピエゾ素子１の充電が開始される
とともに、噴射信号のLo信号が充放電コントローラ５０
に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエ
ゾ素子１の放電が開始される。

【００３６】切替信号は、低エネルギー充放電時（以
下、短インターバル充放電時）と、高エネルギー充放電
時とを切り替える信号であり、切替信号のLo信号が充放
電コントローラ５０に与えられると、充放電コントロー
ラ５０によってピエゾ素子１の短インターバル充放電が
行われ、切替信号のHi信号が充放電コントローラ５０に
与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ
素子１の高エネルギー充放電が行われる。

【００３７】（短インターバル充放電の説明）短インタ
ーバル充放電とは、エンジンの中低負荷時に実行される
ものであり、コモンレール５の燃料圧力を下げて１サイ
クル中に複数回（例えば４、５回）の燃料を噴射し、複
数の噴射で運転状態に適した所定量の燃料をピエゾイン
ジェクタ２から噴射させるものである。

【００３８】この短インターバル充放電は、一方の２次
コイル（２次コイル４４ｂ、４５ｂの一方）で放電作動
を行っている間に、他方の１次コイル（１次コイル４４
ａ、４５ａの他方）で充電作動を行う技術であり、放電
中に充電を開始することで放電開始から充電完了までの
噴射インターバルを短くするものである。

【００３９】次に、短インターバル充放電における第１
噴射から第２噴射に至る具体的な噴射作動を、図２、図
３を参照して説明する。ＥＣＵ４から充放電コントロー
ラ５０へ与えられる噴射信号がHiに反転すると、充放電
コントローラ５０は、第１充電スイッチ４１ａを「所定
の１次コイル通電時間」だけONする。なお、この実施例
の「所定の１次コイル通電時間」は、噴射信号がHiに反
転してから、１次コイル４４ａ（あるいは１次コイル４
５ａ）の電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達するまでの時
間である。この第１充電スイッチ４１ａのON中に、図２
に示すように１次コイル４４ａに電流が流れて第１フ
ライバックトランス４４に電気エネルギーが蓄えられ、
第１充電スイッチ４１ａがOFF した際に、蓄えられた電
気エネルギーは図２に示すように２次コイル４４ｂか
らピエゾ素子１に与えられる。この作動によってピエゾ
素子１の充電が完了し、ピエゾインジェクタ２から噴射
が開始される。

【００４０】続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反
転すると、充放電コントローラ５０は、第１放電スイッ
チ４２ａを「所定の２次コイル通電時間」だけONする。
なお、この実施例の「所定の２次コイル通電時間」は、
噴射信号がLoに反転してから、ピエゾ素子１の充電電圧
が閉弁電圧ＶＣに達するまでの時間である。この第１放
電スイッチ４２ａのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられて
いた電気エネルギーが、図３に示すように低下すると
同時に、図２、図３に示すように２次コイル４４ｂに
電流が流れ、第１フライバックトランス４４に電気エネ
ルギーが蓄えられる。そして、第１放電スイッチ４２ａ
がOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図
３に示すように１次コイル４４ａから直流電源４０の
バッファコンデンサ４９に回生される。

【００４１】上記の第１放電スイッチ４２ａのON中、連
続噴射のため噴射信号がHiに反転すると、充放電コント
ローラ５０は、第２充電スイッチ４１ｂを「所定の１次
コイル通電時間」だけONする。この第２充電スイッチ４
１ｂのON中に、図２、図３’に示すように１次コイル
４５ａに電流が流れて第２フライバックトランス４５に
電気エネルギーが蓄えられ、第２充電スイッチ４１ｂが
OFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図３
’に示すように２次コイル４５ｂからピエゾ素子１に
与えられる。この作動によってピエゾ素子１が充電さ
れ、ピエゾインジェクタ２から噴射が開始される。

【００４２】このような作動によって、噴射終了から噴
射開始までの噴射インターバルを短縮できる。その
後、第２放電スイッチ４２ｂのON中に、第１充電スイッ
チ４１ａのONが行われ、上記を繰り返すことによって、
短いインターバルで燃料の噴射が繰り返される。

【００４３】次に、短インターバル充放電を実行するロ
ジック回路を、図４、図５を参照して説明する。なお、
以下では、第１充電スイッチ４１ａと第１放電スイッチ
４２ａのON-OFFを行うロジック回路を説明するが、第２
充電スイッチ４１ｂと第２放電スイッチ４２ｂのロジッ
ク回路も同様のものである。

【００４４】まず、第１充電スイッチ４１ａをON-OFFさ
せるロジック回路を図４を参照して説明する。充放電コ
ントローラ５０は、噴射信号の信号を反転させるノット
回路５１と、噴射信号がLo信号に反転した時にノット回
路５１によってセットされてHi信号を発生する第１フィ
リップフロップ５２と、噴射信号のHi信号によって所定
の時間に亘ってHi信号を発生する時間リミット５３と、
第１フィリップフロップ５２と時間リミット５３が共に
Hiの時のみ第１充電スイッチ４１ａをONさせるアンド回
路５４とを備える。また、充放電コントローラ５０は、
１次コイル４４ａの電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達し
たらHi信号を発生する充電電流検出手段（図示しない）
の出力によって第１フィリップフロップ５２をリセット
するように設けられ、１次コイル４４ａの電流値が開弁
電流Ｉ1 に達したら第１充電スイッチ４１ａがOFF する
ように設けられている。

【００４５】上記回路による第１充電スイッチ４１ａの
ON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明す
る。この作動はピエゾ素子１の放電開始時から始まる。
実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号が
時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実
線Ｂに示すようにノット回路５１で反転される。このノ
ット回路５１で反転されたHi信号によって実線Ｃに示す
ように第１フィリップフロップ５２がHi信号を出力す
る。燃料噴射のために、ＥＣＵ４から与えられる噴射信
号が実線Ａに示すように時間ｔ2 においてLoからHiに反
転すると、第１フィリップフロップ５２とともに時間リ
ミット５３もHi信号を出力するため、アンド回路５４が
Hi信号を出力し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ
４１ａをONさせる。実線Ｅに示すように１次コイル４４
ａの電流値が時間ｔ3 において開弁電流Ｉ1 に達する
と、実線Ｃに示すように第１フィリップフロップ５２が
リセットする。この結果、アンド回路５４がLoに反転
し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ４１ａがOFF
する。

【００４６】続いて、第１放電スイッチ４２ａをON-OFF
させるロジック回路を図４を参照して説明する。充放電
コントローラ５０は、上述したノット回路５１によって
セットされる第２フィリップフロップ５５と、この第２
フィリップフロップ５５あるいは上述したノット回路５
１の少なくとも一方がHiの時のみにHi信号を出力するオ
ア回路５６とを備えるとともに、ピエゾ素子１の負荷電
圧が所定の閉弁電圧ＶＣより高い場合にのみHi信号を発
生する放電電圧ＶＣの検出回路（図示しない）の出力と
上記オア回路５６が共にHiの時のみ第１放電スイッチ４
２ａをONさせるアンド回路５７を備える。

【００４７】また、充放電コントローラ５０は、ピエゾ
素子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣより低下した時に、上
述した検出回路（図示しない）の出力を反転させるノッ
ト回路５８と、このノット回路５８がHi信号を発生した
時、あるいは上述した充電電流検出手段（図示しない）
がHi信号を発生した時に、Hi信号を発生するオア回路５
９とを備える。このように設けることにより、ピエゾ素
子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣに低下した時に、オア回
路５９がHi信号を発生して第２フィリップフロップ５５
をリセットするとともに、上述したアンド回路５７がOF
F して第１放電スイッチ４２ａをOFF するように設けら
れている。

【００４８】上記回路による第１放電スイッチ４２ａの
ON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明す
る。実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信
号が時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力
が実線Ｂに示すようにノット回路５１で反転されてHiの
信号を出力する。これによって、実線Ｆに示すように第
２フィリップフロップ５５がHi信号を出力してオア回路
５６がHi信号を出力する。この時、実線Ｇに示すように
ピエゾ素子１の負荷電圧は閉弁電圧ＶＣより高い状態で
あるため、アンド回路５７がHiの信号を出力して実線Ｈ
に示すように第１放電スイッチ４２ａをONさせる。する
と、実線Ｉに示すように２次コイル４４ｂに放電電流が
流れて、ピエゾ素子１の負荷電圧が実線Ｇに示すように
低下する。ピエゾ素子１の負荷電圧が時間ｔ4 において
閉弁電圧ＶＣ（≒０Ｖ）に低下すると、実線Ｆに示すよ
うに第２フィリップフロップ５５がリセットされるとと
もに、アンド回路５７がLoに反転し、実線Ｈに示すよう
に第１放電スイッチ４２ａがOFF する。

【００４９】（高エネルギー充放電の説明）高エネルギ
ー充放電とは、エンジンの高負荷時に実行されるもので
あり、コモンレール５の燃料圧力を高めて１行程中の噴
射回数を１回にし、１度の噴射で運転状態に適した所定
量の燃料をピエゾインジェクタ２から噴射させるもので
ある。

【００５０】次に、高インターバル充放電における具体
的な噴射作動を、図６、図７を参照して説明する。ＥＣ
Ｕ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号
がHiに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１、
第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂを上述した「所定の１
次コイル通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号が
Hiに反転してから、１次コイル４４ａ、４５ａの電流値
が開弁電流Ｉ1 に達するまでの時間に亘って、第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂをONする。この第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂのON中に、図６、図７
、’に示すように１次コイル４４ａ、４５ａに電流
が流れて第１、第２フライバックトランス４４、４５の
両方に電気エネルギーが蓄えられる。そして、第１、第
２充電スイッチ４１ａ、４１ｂがOFF した際に、蓄えら
れた電気エネルギーは図６、図７、’に示すように
２次コイル４４ｂ、４５ｂの両方からピエゾ素子１に与
えられる。この作動によって実線Ａに示すようにピエゾ
素子１を高電圧充電（短インターバル充放電の破線Ｂよ
り高電圧充電）でき、ピエゾインジェクタ２から噴射が
開始される。

【００５１】続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反
転すると、充放電コントローラ５０は、第１、第２放電
スイッチ４２ａ、４２ｂを上述した「所定の２次コイル
通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号がLoに反転
してから、ピエゾ素子１の充電電圧が閉弁電圧ＶＣに達
するまでの時間に亘って第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂをONする。この第１、第２放電スイッチ４２
ａ、４２ｂのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられていた電
気エネルギーが、図７に示すように低下すると同時
に、図６、図７、’に示すように２次コイル４４
ｂ、４５ｂに電流が流れ、第１、第２フライバックトラ
ンス４４、４５に電気エネルギーが蓄えられる。そし
て、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂがOFF した
際に、蓄えられた電気エネルギーは図６、図７、’
に示すように１次コイル４４ａ、４５ａから直流電源４
０のバッファコンデンサ４９に回生される。

【００５２】高エネルギー充放電を実行するロジック回
路を図８に示す。図８の基本演算回路６０は、図４で示
した短インターバル充放電のロジック回路であり、基本
演算回路６０から出力される「充電ＳＷ１」の出力は図
４のアンド回路５４の出力であり、「放電ＳＷ１」の出
力は図４のアンド回路５７の出力である。また、基本演
算回路６０から出力される「充電ＳＷ２」および「放電
ＳＷ２」の出力は、第２充電スイッチ４１ｂおよび第２
放電スイッチ４２ｂのロジック回路（図示しない）から
の出力信号である。

【００５３】この図８のロジック回路は、「短インター
バル充放電」と「高エネルギー充放電」のモードの切替
手段であり、複数のオア回路６１とアンド回路６２によ
って、ＥＣＵ４から与えられる「切替信号」がHiの時に
高エネルギー充放電を行い、「切替信号」がLoの時に短
インターバル充放電が行われるように設けられている。

【００５４】〔実施例の効果〕短インターバル充放電に
おける本発明の特徴を説明する。上述したように、バッ
テリ電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって高く昇圧
された電圧が、直流電源４０のバッファコンデンサ４９
から第１フライバックトランス４４の１次コイル４４ａ
に印加される。このため、１次コイル４４ａの通電時間
を短くでき、第１フライバックトランス４４による充電
開始から充電終了までの時間を短くできる。同様に、第
２フライバックトランス４５を用いた充電作動時は、バ
ッテリ電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって高く昇
圧された電圧が、直流電源４０のバッファコンデンサ４
９から第２フライバックトランス４５の１次コイル４５
ａに印加される。このため、１次コイル４５ａの通電時
間を短くでき、第２フライバックトランス４５による充
電開始から充電終了までの時間を短くできる。

【００５５】一方、第１フライバックトランス４４を用
いた放電作動時は、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エネ
ルギーが第１フライバックトランス４４から直流電源４
０に回収される。この第１フライバックトランス４４の
放電中に、第２フライバックトランス４５により充電作
動を開始することにより、第１フライバックトランス４
４の放電開始から、第２フライバックトランス４５の充
電終了までの時間を短くできる。同様に、第２フライバ
ックトランス４５を用いた放電作動時は、ピエゾ素子１
に蓄えられた電気エネルギーが第２フライバックトラン
ス４５から直流電源４０に回収される。この第２フライ
バックトランス４５の放電中に、第１フライバックトラ
ンス４４により充電作動を開始することにより、第２フ
ライバックトランス４５の放電開始から、第１フライバ
ックトランス４４の充電終了までの時間を短くできる。

【００５６】請求項２の発明にかかるこの第１実施例を
採用することにより、充電開始から充電終了までの時間
を短くできるとともに、放電開始から充電終了までの時
間を短くでき、１サイクル内において複数回噴射が可能
になる。つまり、第１、第２フライバックトランス４
４、４５の２つだけを使用して、１サイクル内での複数
回噴射が可能になる。

【００５７】放電作動時においてピエゾ素子１に蓄えら
れた電気エネルギーは、第１、第２フライバックトラン
ス４４、４５によって効率よく直流電源４０に回収され
る。このため、ピエゾインジェクタ２の充放電装置で消
費される電気エネルギーを少なくできる。また、ピエゾ
素子１から直流電源４０に効率良く回収された電気エネ
ルギーによって、直流電源４０の電圧を高く維持でき
る。これによっても充電開始から充電終了までの時間を
短くできる。さらに、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エ
ネルギーを第１、第２フライバックトランス４４、４５
で効率よく直流電源４０に回収するため、放電を行う第
１、第２フライバックトランス４４、４５の発熱が抑え
られる。

【００５８】フライバックトランスは、第１、第２フラ
イバックトランス４４、４５の２つに分割して設けられ
ているため、それぞれ半分の容量で充放電に必要な電気
エネルギーの蓄積を賄うことができる。このため、第
１、第２フライバックトランス４４、４５を小型化で
き、車両搭載性が向上する。

【００５９】〔第２実施例〕上記の第１実施例では、短
インターバル充放電と高エネルギー充放電とを切り替え
る例を示した。しかし、以下の実施例では、高エネルギ
ー充電は実施しないピエゾインジェクタ２の充放電装置
を示す。

【００６０】上記の第１実施例では、短インターバル充
放電時に、第１、第２フライバックトランス４４、４５
のそれぞれで交互に充放電を行う例を示した。しかし、
この第２実施例の第１フライバックトランス４４は充電
作動専用であり、第２フライバックトランス４５は放電
作動専用である。このため、図１１に示されるように、
第１実施例で示した第２充電スイッチ４１ｂと第１放電
スイッチ４２ａが廃止されている。つまり、第２フライ
バックトランス４５の放電作動中に、第１フライバック
トランス４４で充電を開始するように設けられている。
請求項１の発明にかかるこの第２実施例を採用すること
により、第１実施例と同等の効果を得ることができる。

【００６１】〔第３実施例〕この第３実施例は、図１２
に示すように、各気筒毎のピエゾ素子１を第１グループ
αと第２グループβに分けた。また、第１フライバック
トランス４４のそれぞれの２次コイルを、充電専用２次
コイル４４ｃと放電専用２次コイル４４ｄに分けて設け
るとともに、第２フライバックトランス４５のそれぞれ
の２次コイルを、充電専用２次コイル４５ｃと放電専用
２次コイル４５ｄに分けて設けた。

【００６２】そして、第１グループαのピエゾ素子１
は、第１フライバックトランス４４の充電専用２次コイ
ル４４ｃによって充電されるとともに、第２フライバッ
クトランス４５の放電専用２次コイル４５ｄによって放
電されるように設けた。また、第２グループβのピエゾ
素子１は、第２フライバックトランス４５の充電専用２
次コイル４５ｃによって充電されるとともに、第１フラ
イバックトランス４４の放電専用２次コイル４４ｄによ
って放電されるように設けた。

【００６３】この第３実施例のように設けることによ
り、第１フライバックトランス４４の充放電回路、また
は第２フライバックトランス４５の充放電回路の一方
に、万が一断線等の不具合が発生した場合であっても、
第１グループαまたは第２グループβのピエゾ素子１の
充放電が可能になる。このため、充放電が可能な第１グ
ループαまたは第２グループβのピエゾ素子１の充放電
の作動によって緊急非難走行が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】充放電装置の電気回路図である（第１実施
例）。

【図２】短インターバル充放電説明用の概略回路図であ
る（第１実施例）。

【図３】短インターバル充放電説明用のタイムチャート
である（第１実施例）。

【図４】短インターバル充放電のロジック回路図である
（第１実施例）。

【図５】短インターバル充放電のロジック回路の作動説
明のためのタイムチャートである（第１実施例）。

【図６】高エネルギ−充放電説明用の概略回路図である
（第１実施例）。

【図７】高エネルギ−充放電説明用のタイムチャートで
ある（第１実施例）。

【図８】モード切替用のロジック回路図である（第１実
施例）。

【図９】燃料噴射システムの概略図である（第１実施
例）。

【図１０】ピエゾインジェクタの断面図である（第１実
施例）。

【図１１】充放電装置の概略回路図である（第２実施
例）。

【図１２】充放電装置の概略回路図である（第３実施
例）。

【符号の説明】

１ ピエゾ素子 ２ ピエゾインジェクタ ４０ 直流電源 ４１ａ 第１充電スイッチ ４１ｂ 第２充電スイッチ ４２ａ 第１放電スイッチ ４２ｂ 第２放電スイッチ ４４ 第１フライバックトランス ４４ａ １次コイル ４４ｂ ２次コイル ４４ｃ 充電専用２次コイル ４４ｄ 放電専用２次コイル ４５ 第２フライバックトランス ４５ａ １次コイル ４５ｂ ２次コイル ４５ｃ 充電専用２次コイル ４５ｄ 放電専用２次コイル ４７ バッテリ ４８ ＤＣ／ＤＣコンバータ ４９ バッファコンデンサ α 第１グループ β 第２グループ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 51/06 Ｆ０２Ｍ 51/06 Ｎ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）直流電源の電流をフライバックトラ
   ンスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備
   し、 噴射開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定
   の１次コイル通電時間だけオンさせ、 前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
   に蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトラ
   ンスの２次コイルからピエゾインジェクタのピエゾ素子
   に与えられて、このピエゾ素子の充電作動が１回の１次
   コイル通電作動で完了する充電作動を行うとともに、 （ｂ）前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前
   記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放
   電スイッチを具備し、 噴射停止信号が与えられてから前記放電スイッチを所定
   の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記ピエゾ素子
   に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて
   前記ピエゾ素子の放電作動を１回の２次コイル通電作動
   で完了し、 前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
   に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトラン
   スの１次コイルから直流電源に回生するピエゾインジェ
   クタの充放電装置であって、 （ｃ）前記直流電源は、車両に搭載されるバッテリの電
   圧をバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧する直流の高圧
   電源であり、 前記フライバックトランスは、充電作動を行う第１フラ
   イバックトランスと、放電作動を行う第２フライバック
   トランスとに独立して設けられ、 前記第２フライバックトランスの放電作動中に、前記第
   １フライバックトランスによって充電作動を開始するこ
   とを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
2. 【請求項２】（ｄ）直流電源の電流をフライバックトラ
   ンスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備
   し、 噴射開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定
   の１次コイル通電時間だけオンさせ、 前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
   に蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトラ
   ンスの２次コイルからピエゾインジェクタのピエゾ素子
   に与えられて、このピエゾ素子の充電作動が１回の１次
   コイル通電作動で完了する充電作動を行うとともに、 （ｅ）前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前
   記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放
   電スイッチを具備し、 噴射停止信号が与えられてから前記放電スイッチを所定
   の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記ピエゾ素子
   に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて
   前記ピエゾ素子の放電作動を１回の２次コイル通電作動
   で完了し、 前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランス
   に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトラン
   スの１次コイルから直流電源に回生するピエゾインジェ
   クタの充放電装置であって、 （ｆ）前記直流電源は、車両に搭載されるバッテリの電
   圧をバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧する直流の高圧
   電源であり、 前記フライバックトランスは、第１フライバックトラン
   スと第２フライバックトランスとに独立して設けられ、 前記第２フライバックトランスの放電作動中に、前記第
   １フライバックトランスが充電作動を開始し、 前記第１フライバックトランスの放電作動中に、前記第
   ２フライバックトランスが充電作動を開始することを特
   徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
3. 【請求項３】請求項２のピエゾインジェクタの充放電装
   置において、 前記ピエゾインジェクタは複数用いられ、各ピエゾイン
   ジェクタに搭載されるそれぞれのピエゾ素子は、第１グ
   ループと第２グループに分けて設けられ、 前記第１、第２フライバックトランスのそれぞれの２次
   コイルは、充電専用２次コイルと放電専用２次コイルを
   備え、 前記第１グループのピエゾ素子は、前記第１フライバッ
   クトランスの充電専用２次コイルによって充電されると
   ともに、前記第２フライバックトランスの放電専用２次
   コイルによって放電され、 前記第２グループのピエゾ素子は、前記第２フライバッ
   クトランスの充電専用２次コイルによって充電されると
   ともに、前記第１フライバックトランスの放電専用２次
   コイルによって放電されることを特徴とするピエゾイン
   ジェクタの充放電装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかのピエ
   ゾインジェクタの充放電装置において、 前記所定の１次コイル通電時間は、前記充電スイッチが
   オンしてから、前記１次コイルの通電電流が所定の開弁
   電流に達するまでの時間であることを特徴とすることを
   特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかのピエ
   ゾインジェクタの充放電装置において、 前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチが
   オンしてから、前記ピエゾ素子の負荷電圧が、零に近い
   所定の閉弁電圧に低下するまでの時間であることを特徴
   とするピエゾインジェクタの充放電装置。
6. 【請求項６】請求項１ないし請求項４のいずれかのピエ
   ゾインジェクタの充放電装置において、 前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチが
   オンしてから、前記２次コイルを流れる放電電流が所定
   の閉弁電流に達するまでの時間であることを特徴とする
   ピエゾインジェクタの充放電装置。