JP2006316688A - インジェクタ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電圧充電回路を有しない低コストな構成で、しかも高速応答が可能なインジェクタ駆動装置を実現する。
【解決手段】 インジェクタ駆動装置は、１つの定電圧源５１と、この１つの定電圧源５１から電荷供給を受けてインジェクタＩの噴射切換え弁４の駆動力を発生する複数のソレノイドコイル１、２とを接続する回路接続・スイッチング部６を有している。回路接続・スイッチング部６により、噴射切換え弁４の１ストローク行程における定電圧源５１とソレノイドコイル１、２との接続形態を、並列、単独、直列等に切換えることで吸引力制御や消費電荷抑制が容易になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両内燃機関の燃料噴射装置に用いられるインジェクタの駆動装置に関する。

例えばディーゼルエンジンの蓄圧式電子制御燃料噴射装置では、コモンレールに蓄圧した高圧燃料をインジェクタに供給し、噴射指令に応じてインジェクタを駆動することによって燃料噴射を制御している。このような燃料噴射装置において、エンジン制御性、排出ガス浄化性、その他の観点から、噴射開始信号に対する燃料噴射の高速応答性が極めて重要となっている。インジェクタの駆動には、例えばソレノイド弁が用いられ、ソレノイドコイルへの通電によって駆動力を発生させて噴射切換え弁を開閉している。

ソレノイド弁を用いたインジェクタの高速応答化には、磁性材そのものの改良などのほか、ソレノイドコイルへの電流供給方法の改良が課題となっている。その中でも、とりわけ通電開始時における電流の立ちあがり方が、高速開弁させるために重要である。一方で、定常時には開弁時ほどの駆動力は要求されず、供給エネルギーを抑制しながら、効率よくインジェクタを駆動することが望ましい。

そこで、従来より種々の技術が提案されている。例えば、駆動回路内に、高電圧充電回路とスイッチング回路を設けて、ソレノイドコイルへ大電流を供給するものがあり、これは特許文献１等により広く知られている。この方法では、バッテリ電圧を昇圧させて高電圧をコンデンサに蓄えるようになっており、図３（Ｂ）に示すように、通電開始時には、蓄えたエネルギーを一気に放電し（突入電流）、電流の立ちあがりを急峻にして開弁応答性を向上することができる。次いで、例えばバウンスを防止するために所定期間やや高い定電流１を供給し、開弁が安定した後は、開弁維持するに必要なだけの定電流２を供給すれば、エネルギー効率が向上する。さらに、ソレノイドコイルへの通電停止時に消磁回路を作動させて残留する磁束を消去すれば、高速閉弁が可能である。
特開平６−２９９８９０号公報

しかしながら、従来のインジェクタ駆動装置は、開弁応答性を向上するために高電圧充電回路を必要とすることから、一般に広く使われる汎用電子部品が使用できない。このため、駆動回路の高コスト化の要因となっていた。

本発明は、駆動電圧が高電圧であるほど、汎用の部品が使いにくく、高コストになるという点に着目し、充電電圧がより低電圧、もしくは充電回路を必要としない構成で、高速応答が可能なインジェクタ駆動装置を実現することを目的とするものである。

請求項１記載の発明において、インジェクタ駆動装置は、１つの定電圧源と、この１つの定電圧源から電荷供給を受けてインジェクタの噴射切換え弁の駆動力を発生する複数の駆動力発生部と、前記１つの定電圧源と前記複数の駆動力発生部とを接続する複数の接続形態を有する給電経路切換え部とを備えており、これら複数の接続形態を前記噴射切換え弁の１ストローク行程において任意に切換え可能としている。

本発明によれば、複数の接続形態を任意に切換えることで、複数の駆動力発生部による噴射切換え弁への駆動力と、供給エネルギーの制御が容易になる。すなわち、開弁時には駆動力が増大するように複数の駆動力発生部を接続し、開弁後は電流消費が抑制されるように複数の駆動力発生部を接続すれば、噴射切換え弁の高速駆動と電荷消費効率の向上を両立可能となる。よって、従来のように高価な駆動回路を必要とせず、また、駆動力発生部の一つに故障が発生しても他の駆動力発生部にて噴射切換え弁の駆動が可能であるので、低コストで高機能な実用性の高いインジェクタ駆動装置を実現できる。

請求項２記載の発明では、前記給電経路切換え部の前記複数の接続形態は、前記１つの定電圧源に対する各駆動力発生部の断続を選択する接続、前記複数の駆動力発生部を並列接続、前記複数の駆動力発生部を直列接続、あるいはこれら接続形態の組み合わせ、を含む。

例えば、単独で接続した場合に対し複数の駆動力発生部を並列接続することで２倍の駆動力が得られるので、開弁時の高速応答が可能となる。また、開弁安定後には複数の駆動力発生部を直列接続することで開弁維持に必要な駆動力が確保しながら電流消費を抑制することができる。さらに複数の駆動力発生部による起磁力を打ち消す方向に接続すれば、閉弁応答性の向上が可能となる。このように、要求に応じて接続形態を変更することにより、噴射切替弁の高速応答と電流消費効率をバランスよく組み合わせることができる。

請求項３記載の発明では、前記定電圧源は、バッテリ電源と、該バッテリ電源と前記給電経路切換え部の間に配設されて電圧変更および電圧安定化のうち少なくとも１つの機能を有する電荷供給中継部とを備える。

前記定電圧源はバッテリ電源としてもよいが、バッテリ電源と給電経路切換え部の間に電荷供給中継部を設けると、必要に応じて電圧値を変更したり、安定した出力電圧を得ることができる。

請求項４記載の発明では、前記給電経路切換え部は、前記１つの定電圧源と前記複数の駆動力発生部とを接続する複数の電力供給経路と、これら複数の電力供給経路の接続・遮断を切換えるスイッチング手段を有する。

具体的には、定電圧源と複数の駆動力発生部を接続する複数の電力供給経路を設けて、スイッチング手段によりこれら電力供給経路の接続・遮断を切換えることにより、上述した複数の接続形態を容易に実現できる。

請求項５記載の発明では、前記駆動力発生部は、ソレノイドコイルである。

インジェクタの駆動力発生部として、例えばソレノイドコイルを用いることができる。この構成では、ソレノイドコイルへの駆動力を大きくして高速応答させる要求があり、本発明を適用することで、コスト増を抑えながら応答性を高める効果が得られる。

以下、本発明の第１実施形態を図１ないし図３に基づいて説明する。本実施形態は、例えば、多気筒ディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射システムに適用されるインジェクタ駆動装置として具体化した例とする。図１（Ａ）は、インジェクタ駆動装置の全体構成を示す概略図であり、エンジンの各気筒に対して燃料噴射を行うインジェクタＩと、インジェクタＩを駆動する駆動回路５とを備えている。ここでは簡略化のため、ディーゼルエンジンの各気筒に対して設けられるインジェクタＩのうち１つのみを示しているが、他のインジェクタＩ構成も同様であり、それぞれ図示しないコモンレールと高圧燃料通路により接続されている。

インジェクタＩは、駆動回路５に接続される電磁駆動部３と、電磁駆動部３によって開閉駆動される噴射切換え弁４からなる。電磁駆動部３は、固定子３１および固定子３１内に収容される複数のソレノイドコイル１、２と、これらに対向して配設される電機子３２とを有している。複数のソレノイドコイル１、２は駆動力発生部となるもので、固定子３１に設けた筒状穴に、軸方向に積層して配設されている。円板状の電機子３２の下面には、噴射噴射切換え弁４の弁体４１が一体ないしは当接して設けられる。弁体４１はニードル状の先端部が、ボディ先端壁を貫通して気筒燃焼室に開口する噴孔４２を開閉する。

あるいは弁体４１にて、ここに図示しない油圧制御室を開閉し、油圧バランスを利用して気筒燃焼室に開口する噴孔を間接的に開閉するインジェクタ構造とすることもできる。

インジェクタＩは、ノーマリクローズ型の噴射制御弁として構成される。すなわち、電磁駆動部３に非通電の状態では、弁体４１の先端部がボディ内壁に設けた弁座４３に当接して噴孔４２を閉鎖しており、燃料は噴射されない。電磁駆動部３に通電すると、電磁力により電機子３２が上方に吸引され、電機子３２と一体の弁体４１が弁座４３から離座して噴孔４２を開放する。これに伴い、図示しないコモンレール内に蓄圧された高圧燃料が、噴孔４２から気筒内に噴射供給される。

電磁駆動部３の複数のソレノイドコイル１、２は、それらのうちの一方または両方が、駆動回路５より電荷供給を受けて、電機子３２に対する吸引駆動力を発生する。図の上方のソレノイドコイル１は、給電経路１１、１２にて駆動回路５と接続され、下方のソレノイドコイル２は、給電経路２１、２２にて駆動回路５と接続されている。本実施形態では、このときの複数のソレノイドコイル１、２と駆動回路５との接続形態を複数有し、その切換えによって発生する吸引駆動力を変化させる。これについて、次に説明する。

駆動回路５は、定電圧源５１と、回路接続・スイッチング部６からなる。定電圧源５１は、バッテリ電源５２（以下、電源という）と、充電・電圧安定化部５３とを備えている。充電・電圧安定化部（以下、安定化部という）５３は、電荷供給中継部として機能するもので、例えば公知の充電回路と安定化回路を有しており、例えば電源電圧の低下時に充電された電荷を放電することにより所定の定電圧を安定的に出力可能としている。出力される定電圧値は、電源電圧値と同等としても、あるいは必要な駆動力等に応じて電源電圧より高いまたは低い値に変更してもよい。充電回路を設けない簡易な構成とすることもできる。いずれの場合も従来のような高電圧充電回路は不要となる。

回路接続・スイッチング部６は、給電経路切換え部となるもので、定電圧源５１と、ソレノイドコイル１の給電経路１１、１２およびソレノイドコイル２の給電経路２１、２２との接続の有無、または接続方法を切換える。

図１（Ｂ）は、回路接続・スイッチング部６の構成例を示すもので、定電圧源５１の安定化部５３に接続される電源端子５ａ、５ｂを有している。ソレノイドコイル１の給電経路１１、１２は出力端子１ａ、１ｂに、ソレノイドコイル２の給電経路２１、２２は出力端子２ａ、２ｂにそれぞれ接続されている。電源端子５ａ、５ｂと、ソレノイドコイル１側の出力端子１ａ、１ｂとは、電力供給経路６１、６２でそれぞれ接続されており、この電力供給経路６１、６２に設けた接続点６ａ、６ｂとソレノイドコイル２側の出力端子２ａ、２ｂとが電力供給経路６３、６４でそれぞれ接続される。さらに、電力供給経路６２に設けた接続点６ｃと、電力供給経路６３に設けた接続点６ｄとの間が、電力供給経路６５で接続される。

電力供給経路６１には、電源端子５ａと接続点６ａの間、接続点６ａと出力端子１ａの間に、それぞれスイッチング素子７１、７２が設けられる。同様に、電力供給経路６２には、電源端子５ｂと接続点６ｂの間、接続点６ｂと出力端子１ｂの間に、それぞれスイッチング素子７３、７４が設けられ、電力供給経路６３には、接続点６ａ、６ｄの間に、スイッチング素子７５が設けられる。また、電力供給経路６５には、スイッチング素子７６が設けられる。

したがって、スイッチング手段となるこれらスイッチング素子７１〜７６のオンオフを切換えることにより、電力供給経路６１〜６５を介して、定電圧源５１とソレノイドコイル１、２との結線方法を種々に変更することができる。この構成により、インジェクタＩの２つのソレノイドコイル１、２を定電圧源５１に対して直列、並列、あるいはその他の結線方法で接続し、電磁駆動部３に発生する吸引力を制御することが可能となる。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、結線方法の具体例を示すもので、同一特性の２つのソレノイドコイル１、２を設けた場合についてそれぞれ回路図で示している。

図２（Ａ）は、２つのソレノイドコイル１、２を並列接続した場合（接続形態Ａ）で、吸引力を増大させて応答性向上を実現する。図１（Ｂ）の回路接続・スイッチング部６において、スイッチング素子７１〜７５をオンし、スイッチング素子７６をオフしている。このとき、図２（Ａ）のように、電源端子５ａ、５ｂとソレノイドコイル１への出力端子１ａ、１ｂを接続する電力供給経路６１、６２に、電力供給経路６３、６４によりソレノイドコイル２への出力端子２ａ、２ｂが並列に接続され、２つのソレノイドコイル１、２のそれぞれに電流ｉが流れる。

図２（Ｂ）は、２つのソレノイドコイル１、２の一方のみを単独で接続した場合（接続形態Ｂ）で、相対的に中央の電流特性を保持する。ここでは図１（Ｂ）の回路接続・スイッチング部６において、スイッチング素子７１、７３、７５をオンし、スイッチング素子７２、７４、７６をオフしている。このとき、図２（Ｂ）のように、電源端子５ａ、５ｂとソレノイドコイル２への出力端子２ａ、２ｂが電力供給経路６３、６４により接続され、ソレノイドコイル２にのみ電流ｉが流れる。これは、電源端子５ａ、５ｂにソレノイドコイル１のみを接続した場合も同様である。

図２（Ｃ）は、２つのソレノイドコイル１、２を直列接続した場合（接続形態Ｃ）で、電流消費を抑制できる。図１（Ｂ）の回路接続・スイッチング部６において、スイッチング素子７１〜７３、７６をオンし、スイッチング素子７４、７５をオフしている。このとき、図２（Ｃ）のように、電源端子５ａとソレノイドコイル１の端子１ａ、ソレノイドコイル１側の出力端子１ｂとソレノイドコイル２側の出力端子２ａ、ソレノイドコイル２の出力端子２ｂと電源端子５ｂが、電力供給経路６１、６５、６２により直列に接続され、２つのソレノイドコイル１、２にはそれぞれ電流ｉ／２が流れる。

図２（Ｄ）は、２つのソレノイドコイル１、２を打ち消し方向に接続した場合（接続形態Ｄ）で、ソレノイド電流カットを促進する。図１（Ｂ）の回路接続・スイッチング部６において、スイッチング素子７２、７４、７５をオンし、スイッチング素子７１、７３、７６をオフしている。このとき、図２（Ｄ）のように、電源端子５ａ、５ｂへの接続が遮断され、ソレノイドコイル１側の出力端子１ａ、１ｂとソレノイドコイル２側の出力端子２ａ、２ｂとが、電力供給経路６１〜６４によりそれぞれ接続されて、互いの起磁力を瞬間的に打ち消す（消磁）。

電磁駆動部３の吸引力は、一般に、磁性体への定常的な電流巻き数積（ＮＩ積）で表されるので、図２の接続形態Ａ〜Ｃにおける電磁駆動部３の吸引力は、相対的に２：１：１〔Ａ：Ｂ：Ｃ〕となる。したがって、これらを組み合わせることで電磁弁の吸引力の制御が容易にできるとともに、電荷消費効率を向上できる。図３（Ａ）は、噴射切換え弁４の１ストローク中における、これら接続形態Ａ〜Ｄの組み合わせ例と供給エネルギーを示すものである。この例では、噴射開始時の接続形態Ａから時間経過ととも接続形態Ｂ、Ｃ、Ｄへ順に切換えている。すなわち、通電開始時にはソレノイドコイル１、２を並列接続して吸引力を増大し、高速開弁させた後、単独接続に切換えて供給エネルギーを抑制する。開弁安定後は、吸引力はさほど必要とされないので、より供給エネルギーの少ない直列接続にて電流消費を抑制する。さらに、通電停止時には打ち消し方向に接続することにより、ソレノイドコイル１、２の起磁力を瞬間的に打ち消すことができ、閉弁応答性が向上する。

このように本発明では、ノーマリクローズ型のソレノイド弁における開閉弁の高速応答性の向上と、供給エネルギーの抑制を、簡易な回路構成で実現できる。これにより、図３（Ｂ）に示した従来のインジェクタ駆動装置のような、突入電流を供給するための高電圧充電回路が不要となり、従来より低い充電電圧ないしは充電部を有しない構成とすることができるので、汎用部品を用いることにより駆動回路の低価格化が可能となる。

また、ソレノイドコイル１、２の一方が断線したような場合でも、残りのソレノイドコイルに通電することで電磁駆動部３による噴射切換え弁４の駆動が可能なので、安定的にインジェクタＩを駆動して燃料噴射を継続させることができ、信頼性を確保することができる。

なお、ソレノイドコイルの数は２つである必要はなく、３つ以上としてもよい。その際、並列接続と直列接続を組み合わせた構成としてもよい。また、各ソレノイドコイルは特性が同一である必要はなく、互いに異なる抵抗値、インダクタンス、巻き数、形状としてもよい。このように、ソレノイドコイルの数や特性、接続形態を任意に組み合わせることにより、所望のインジェクタ駆動特性を実現できる。

さらに、インジェクタＩの駆動部は、複数のソレノイドコイルを有する電磁駆動部に限るものではなく、駆動源としてソレノイドコイルの代わりに、磁歪素子、ピエゾ素子等を用いて駆動部を構成することもできる。

本発明の第１実施形態を示し、（Ａ）はインジェクタ駆動装置の全体構成概略図、（Ｂ）は駆動回路構成を示す図である。 インジェクタ駆動装置の回路接続形態の例を示し、（Ａ）は複数のソレノイドコイルを並列接続した例、（Ｂ）はソレノイドコイルを単独で電源と接続した例、（Ｃ）は複数のソレノイドコイルを直列接続した例、（Ｄ）は複数のソレノイドコイルを打ち消し方向に接続した例を示す図である。 （Ａ）は本発明のインジェクタ駆動装置による接続形態の切換え例を示す図であり、（Ｂ）は従来のインジェクタ駆動装置の電流供給パターン例を示す図である。

符号の説明

Ｉ インジェクタ
１１、１２ 給電経路
２１、２２ 給電経路
１、２ ソレノイドコイル
３ 電磁駆動部
４ 噴射切換え弁
５ 駆動回路
５１ 定電圧源
５２ 電源
５３ 充電・電圧安定化部
６ 定電圧源回路接続・スイッチング部（給電経路切換え部）
６１〜６５ 電力供給経路
７１〜７６ スイッチング素子

Claims (5)

1. １つの定電圧源と、この１つの定電圧源から電荷供給を受けてインジェクタの噴射切換え弁の駆動力を発生する複数の駆動力発生部と、前記１つの定電圧源と前記複数の駆動力発生部とを接続する複数の接続形態を有する給電経路切換え部とを備え、これら複数の接続形態を前記噴射切換え弁の１ストローク行程において任意に切換え可能としたことを特徴とするインジェクタ駆動装置。
2. 前記給電経路切換え部の前記複数の接続形態は、前記１つの定電圧源に対して、各駆動力発生部の断続を選択する接続、前記複数の駆動力発生部を並列接続、前記複数の駆動力発生部を直列接続、あるいはこれら接続形態の組み合わせ、を含む請求項１記載のインジェクタ駆動装置。
3. 前記定電圧源は、バッテリ電源と、該バッテリ電源と前記給電経路切換え部の間に配設されて電圧変更および電圧安定化のうち少なくとも１つの機能を有する電荷供給中継部とを備える請求項１または２記載のインジェクタ駆動装置。
4. 前記給電経路切換え部は、前記１つの定電圧源と前記複数の駆動力発生部とを接続する複数の電力供給経路と、これら複数の電力供給経路の接続・遮断を切換えるスイッチング手段を有する請求項１ないし３のいずれか記載のインジェクタ駆動装置。
5. 前記駆動力発生部は、ソレノイドコイルである請求項１ないし４のいずれか記載のインジェクタ駆動装置。
   

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