JP2011185365A - 電磁弁駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧回路の負荷を低減できる電磁弁駆動回路を提供する。
【解決手段】昇圧側駆動ＦＥＴ２０２は昇圧回路１００とインジェクタ３の一方の端子の間の経路に接続される。バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２とバッテリ側保護ダイオードＤｂは、電源の正極とインジェクタ３の一方の端子の間の経路に接続される。還流ダイオードＤｆはインジェクタ３の一方の端子とバッテリ側保護ダイオードＤｂの間に一方の端子が接続され、かつ他方の端子が電源グランドに接続される。インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０はインジェクタ３の他方の端子と電源グランドの間の経路に接続される。制御回路２４０は、インジェクタ３に流れる電流値に応じてＦＥＴ２０２，２１２，２２０を動作させるとともに、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２が複数回オン／オフする期間にバッテリ側駆動ＦＥＴ２１２をオンさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源電圧を昇圧した高電圧を用いて電磁弁を駆動する電磁弁駆動回路に係り、特に、気筒内直接噴射型インジェクタを駆動するのに好適な電磁弁駆動回路に関する。

従来、ガソリンや軽油等を燃料とする自動車，オートバイ，農耕機，工作機械，船舶機等の内燃機関制御装置において、燃費や出力向上の目的により、気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えたものが用いられている。このようなインジェクタは、「気筒内直接噴射型インジェクタ」、「直噴インジェクタ」、または、「ＤＩ」と呼ばれている。

現在、ガソリンエンジンで、吸気管に燃料を噴射する方式が主流であるが、高圧に加圧された燃料を用いる気筒内直接噴射型インジェクタを備えたエンジンは、インジェクタの開弁動作時に、前記の方式より高いエネルギーを必要とする。また、制御性を向上させて高速回転に対応するためには、高いエネルギーを短時間にインジェクタに供給することが必要になる。さらに、気筒内直噴型インジェクタを備えたエンジンでは、低燃費化や排気ガスの放出低減のための多段噴射という技術が注目されているが、この技術では従来ピストンの１動作に対して１度に噴射していた燃料を数回に分けて噴射するため、高いエネルギーを一層短時間にインジェクタに供給することが必要になる。

一般的に、気筒内直接噴射型インジェクタを制御するインジェクタ駆動回路は、バッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧する昇圧回路を設け、この昇圧回路により発生させた昇圧電圧を印加することで、インジェクタの動作応答時間の短縮を狙ったものが多い。その為、インジェクタの動作回数が増加する多段噴射技術では、昇圧回路の負担が増加するので、昇圧回路の負荷低減が重要な課題となっている。

以下、代表的な直噴インジェクタの電流波形について説明する。まず、通電初期のピーク電流通電期間には、昇圧電圧を用いてインジェクタ電流を予め定められたピーク電流まで短時間に上昇させ、インジェクタを開弁する。このピーク電流は、吸気管に燃料を噴射する方式のインジェクタ電流と比較して、５〜２０倍程度大きい。ピーク電流の通電期間が終了した後は、インジェクタへのエネルギー供給源は、昇圧回路からバッテリ電源へ移行し、前記ピーク電流値よりも低い開弁保持電流を通電させ、インジェクタの開弁状態を保持する。このピーク電流と開弁保持電流を通電させることで、開弁したインジェクタが、燃料を気筒内に噴射する。

噴射終了時は、インジェクタの閉弁を速やかに行うため、インジェクタ通電電流の電流降下を短時間に行い、インジェクタ電流を遮断する必要がある。しかし、インジェクタには、インジェクタ電流が流れていることで高いエネルギーが蓄積されており、このエネルギーをインジェクタから消滅させることが必要である。これを短時間に実現させるため、インジェクタ電流を駆動する駆動回路の駆動素子でツェナーダイオード効果を使用してエネルギーを熱エネルギーに変換する方式や、電流回生ダイオードを介して、インジェクタ電流を昇圧回路の昇圧電圧を蓄積している昇圧コンデンサに回生させる方式等、種々の方式が採用されている。

インジェクタ単体特性の向上やエンジンでの燃焼特性の向上の観点から、インジェクタによっては、前記ピーク電流を一定期間保持することが好ましい場合がある。このピーク電流保持期間は、インジェクタと昇圧回路の間に接続されたスイッチング素子を短時間にオン／オフして、インジェクタに断続的に昇圧電圧を印加し、僅かな電流の増減を繰り返すことで実現できる。この時、インジェクタ電流を減少させる方法としては、インジェクタ電流を還流ダイオードを通る経路に還流させて電流を降下させる方式（フライホイール方式）や、前記閉弁動作時と同様にインジェクタ電流を昇圧回路の昇圧電圧を蓄積している昇圧コンデンサに回生させる方式（回生方式）が考えられる。例えば、特許文献１には、フライホイール方式によってインジェクタのピーク電流を保持する駆動方法が開示されている。

特開２００８−１６９７６２号公報

しかしながら、インジェクタに昇圧電圧を断続的に印加して一定期間ピーク電流を保持する場合、この保持期間の電流降下が速いほど、昇圧電圧を印加して電流を増加させる頻度が増え、従って昇圧回路の負荷が大きくなる。特に、昇圧回路の負担が増加する多段噴射技術においては、この昇圧回路の負荷を低減することが一層重要な課題となる。

本発明の目的は、昇圧回路の負荷を低減できる電磁弁駆動回路を提供することにある。

上記課題を達成するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。
当該電磁弁駆動回路は、電源から高電圧を生成する昇圧回路と、前記昇圧回路と電磁弁の一方の端子の間の経路に接続された第１のスイッチング素子と、前記電源の正極に接続された第２のスイッチング素子と、該第２のスイッチング素子の負極側と前記電磁弁の一方の端子の間の経路に接続された第１のダイオードと、前記電磁弁の一方の端子と前記第１のダイオードの間に一方の端子が接続され、かつ他方の端子が電源グランドに接続された第２のダイオードと、前記電磁弁の他方の端子と電源グランドの間の経路に接続された第３のスイッチング素子と、前記電磁弁に流れる電流値に応じて前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子を動作させる制御手段を有する電磁弁駆動回路であって、前記制御手段は、前記第１のスイッチング素子が複数回オン／オフする期間に前記第２のスイッチング素子をオンさせるピークホールドアシスト手段を備えるようにしたものである。

本発明によれば、昇圧回路の負荷を低減できるものとなる。

本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの構成を示すブロック回路図である。 本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路の効果の説明図である。 本発明の第２の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。

以下、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの構成を示すブロック回路図である。

ここでは、電磁弁の一例として、気筒内直接噴射型インジェクタの場合について説明するが、昇圧回路を使用する他の電磁弁にも、本発明は適用できるものである。また、ここでは、１つのインジェクタを駆動する駆動回路を示しているが、複数のインジェクタを駆動することも可能である。

本実施形態の電磁弁駆動回路は、昇圧回路１００と、駆動回路２００とを備えている。駆動回路２００は、制御回路３００からの制御指令に基づいて、インジェクタ３への通電を制御する。制御回路３００は、エンジンコントロールユニットなどからなり、車両の状態や運転者の意図に応じて、インジェクタ３への通電を制御する。インジェクタ３は、直噴インジェクタである。インジェクタ３には、昇圧回路１００により昇圧された電圧Ｖｈ若しくはバッテリーからの電圧Ｖｂが印加される。

インジェクタ３は、直列接続された内部コイル３Ｌと内部寄生抵抗３Ｒの等価回路として表すことができる。一般に、気筒内直接噴射型インジェクタの寄生抵抗値は、数Ω程度である。

昇圧回路１００は、複数の駆動回路２００により共有される。通常は、一つのエンジンに対して、１〜４個の昇圧回路１００が搭載される。昇圧回路１００が駆動回路２００を共有する数は、後述するインジェクタ電流Ｉinjのピーク電流通電期間（図２にて後述する期間Ｐ１）およびピーク電流保持期間（図２にて後述する期間Ｐ２）にインジェクタを駆動するために必要なエネルギー、エンジンの最高回転数、同一気筒での１回の燃焼に対する燃料の多段噴射回数等で決定される昇圧復帰期間や、昇圧回路１００の自己発熱等により決まる。

昇圧回路１００は、バッテリ電源の電圧Ｖｂを昇圧電圧Ｖh まで昇圧する。バッテリ電圧Ｖｂを例えば１２Ｖとすると、昇圧電圧Ｖｈは例えば６５Ｖ程度である。

昇圧回路１００で昇圧された昇圧電圧Ｖｈは、昇圧側電流検出抵抗Ｒｈと、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２と、昇圧側保護ダイオードＤｈとを介して、インジェクタ３の上流側に供給される。昇圧側電流検出抵抗Ｒｈは、昇圧回路１００からの流出電流の過電流又はインジェクタ３側のハーネス断線等を検出するための昇圧側駆動電流Ｒｈaを、電圧に変換する。昇圧側駆動ＦＥＴ２０２は、後述するインジェクタ電流Ｉinj のピーク電流通電期間Ｐ１およびピーク電流保持期間Ｐ２に駆動するためのものである。昇圧側保護ダイオードＤｈは、昇圧回路１００が故障した場合の逆電流を防止するためのものである。

また、インジェクタ３の上流側には、バッテリ側電流検出抵抗Ｒｂ、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２、及び、バッテリ側保護ダイオードＤｂを介して、バッテリ電源の電圧Ｖｂが供給される。バッテリ側電流検出抵抗Ｒｂは、バッテリ電源からの過電流又はインジェクタ３側のハーネス断線等を検出するために、バッテリ側駆動電流Ｒｂaを電圧に変換する。また、バッテリ側保護ダイオードＤｂは、昇圧電圧Ｖｈからの電流がバッテリ電源へ逆流するのを防止するために設けられている。また、抵抗ＲｓとコンデンサＣｓの直列回路からなるスナバ回路が、バッテリ側保護ダイオードＤｂと並列に接続されている。スナバ回路の作用については後述する。

バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２は、開弁保持電流通電期間（図２にて後述する期間Ｐ４）に、インジェクタの開弁保持電流を流すために駆動することが一般的であるが、後述のように、本実施形態ではピーク電流保持期間Ｐ１の電流降下を緩和する目的でも使用する。

インジェクタ３の下流側には、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０が接続される。インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０のオン／オフにより、インジェクタ３の通電／非通電が決まる。本例では、インジェクタ３に流れるインジェクタ電流Ｉinj は、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０のソース電極に接続された下流側電流検出抵抗Ｒｉを介して電源グランドＧＮＤに流れる。

また、還流ダイオードＤｆが、電源グランドＧＮＤとインジェクタ３の上流側との間に接続されている。還流ダイオードＤｆは、インジェクタ電流Ｉinj を通電する間、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２とバッテリ側駆動ＦＥＴ２１２を同時に遮断し、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０を通電させることで生じるインジェクタの回生電流をフライホイールさせるためである。このため、還流ダイオードＤｆのアノードが電源グランドＧＮＤ側に、また、カソードがインジェクタ３の上流側に接続される。

また、電流回生ダイオードＤｒが、インジェクタ３の下流と昇圧電圧側の経路との間に設けられる。本例では、電流回生ダイオードＤｒのアノードが、インジェクタ３と下流側駆動ＦＥＴ２２０との間の経路に接続され、また、カソードが、昇圧側電流検出抵抗Ｒｈと昇圧側駆動ＦＥＴ２０２との間の経路に接続される。電流回生ダイオードＤｒは、インジェクタ電流Ｉinjを通電する間に、上流側の昇圧側駆動ＦＥＴ２０２とバッテリ側駆動ＦＥＴ２１２、およびインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の全て遮断させることにより、インジェクタ３の電気エネルギーを昇圧回路１００に回生させるために用いられる。インジェクタ電流の回生は、主にインジェクタの閉弁動作時など、インジェクタ通電電流を素早く下降させたい場合に行われる。

昇圧側駆動ＦＥＴ２０２、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の各駆動素子は、エンジン回転数や各種センサからの入力条件に基づき、制御回路３００が発生するインジェクタ開弁信号３００b 、インジェクタ駆動信号３００c により制御される。インジェクタ開弁信号３００b 、インジェクタ駆動信号３００cは、駆動回路２００のインジェクタ制御回路２４０のゲート駆動ロジック回路２４５に入力する。また、制御回路３００とゲート駆動ロジック回路２４５との間は、通信信号３００ａにより必要な情報を更新する。なお、必要な情報の具体例については、後述する。

インジェクタ制御回路２４０は、昇圧側電流検出回路２４１と、バッテリ側電流検出回路２４２と、下流側電流検出回路２４３と、電流選択回路２４４と、ゲート駆動ロジック回路２４５とを備えている。昇圧側電流検出回路２４１は、昇圧側電流検出抵抗Ｒｈに流れる昇圧側駆動電流Ｉｈを検出する。バッテリ側電流検出回路２４２は、バッテリ側電流検出抵抗Ｒｂに流れるバッテリ側駆動電流Ｉｂを検出する。下流側電流検出回路２４３は、下流側電流検出抵抗Ｒｉに流れる下流側駆動電流Ｉｉを検出する。電流選択回路２４４は、電流検出回路２４１と電流検出回路２４３により検出れた電流のいずれかを選択する。電流選択回路２４４は、ゲート駆動ロジック回路２４５から昇圧側電流選択信号２４５ｈが出力されると電流検出回路２４１により検出された電流を選択し、ゲート駆動ロジック回路２４５からインジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉが出力されると電流検出回路２４３により検出された電流を選択し、選択信号Ｉｈ／ｉとして出力する。

ゲート駆動ロジック回路２４５は、昇圧側電流検出回路２４１、バッテリ側電流検出回路２４２、及び、インジェクタ下流側電流検出回路２４３により検出された検出値（昇圧側電流検出信号ＳＩｈ、バッテリ側電流検出信号ＳＩｂ、インジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉ）に基づき、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈ、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂ、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉを生成する。また、制御回路３００とインジェクタ制御回路２４０は、駆動回路２００と制御回路３００との間の通信信号３００a により、インジェクタ駆動波形を決めるピーク保持上限電流（図２にて後述する電流Ｉｐ２）、ピーク保持下限電流（図２にて後述する電流Ｉｐ１）、開弁保持上限電流（図２にて後述する電流Ｉｆ２）、開弁保持下限電流（図２にて後述する電流Ｉｆ１）、ピーク電流保持期間Ｐ２、開弁保持電流通電期間Ｐ４、ピーク電流の有無、ピーク電流保持の実施有無、ピーク電流降下の急峻／緩行の切り替え、ピーク電流立下りの急峻／緩行の切り替え、通電電流降下の急峻／緩行の切り替え、開弁電流保持の実施有無、過電流検出、断線検出、過熱保護、昇圧回路故障等の診断結果、インジェクタ制御回路２４０自体の制御信号の中から必要な情報を交信し、インジェクタの良好な駆動を実現する。また、ゲート駆動ロジック回路２４５は、ピークホールドアシスト（ＰＨＡ）回路２４５Ａを備えているが，この点は後述する。

なお、ここで、特許文献１に開示されているように、各電流検出抵抗の接続位置は様々な形態が可能であり、それに応じて電流検出回路や電流選択回路の形態も異なるが、本実施形態はそれらの異なる形態に対しても適用できる。

次に、図２を用いて、本実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。

図２において、横軸は時間を示している。図２（Ａ）の縦軸は、インジェクタ駆動信号３００ｃを示し、図２（Ｂ）の縦軸は、インジェクタ開弁信号３００ｂを示し、図２（Ｃ）の縦軸は、インジェクタ電流Ｉｉｎｊを示している。また、図２（Ｄ）の縦軸は、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈを示し、図２（Ｅ）の縦軸は、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂを示し、図２（Ｆ）の縦軸は、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御電流ＳＤｉを示し、図２（Ｇ）の縦軸は、インジェクタ印加電圧Ｖｉｎｊを示している。

ここで、図２（Ｃ）に示すインジェクタ電流Ｉinj の波形は、ピーク電流通電期間Ｐ１、ピーク電流保持期間Ｐ２、開弁保持電流移行期間Ｐ３、開弁保持電流通電期間Ｐ４、通電電流下降期間Ｐ５の５つの期間に分けることができる。

まず、図２（Ａ）に示すように、インジェクタ駆動信号３００c がオンになり、かつ、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ開弁信号３００b がオンになると、ピーク電流通電期間Ｐ１が開始する。この期間Ｐ１では、昇圧回路１００により昇圧された昇圧電圧Ｖｈにより、インジェクタ電流Ｉinj を予め定められたピーク保持上限電流Ｉｐ２に至るまで短時間に上昇させる。このとき、ゲート駆動ロジック回路２４５は、図２（Ｄ），（Ｆ）に示すように、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈ及びインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉを出力し、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２とインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の両方をオンさせる。この結果、図２（Ｃ）に示すように、インジェクタ印加電圧Ｖinj は昇圧電圧Ｖhとなり、インジェクタ電流Ｉinj はゼロからピーク保持上限電流Ｉｐ２に急峻に変化する。なお、実際の昇圧電圧Ｖhは、ダイオードＤｈでの電圧降下により、１[Ｖ]程度低下する。また、ピーク電流通電期間Ｐ１においては、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂはオン／オフどちらでも影響はないが、図２（Ｅ）では例としてオンされた場合を示している。

この期間Ｐ１では、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉはオンに制御され、昇圧側電流選択信号２４５ｈはオフに制御される。このため、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４３から出力されるインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉを選択する。したがって、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉに流れる下流側駆動電流Ｉｉに基づいたインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉが選択後電流検出信号Ｉｈ／ｉとなる。

インジェクタ電流Ｉinj が、予め定められたピーク保持上限電流Ｉｐ２に到達すると、次に、ピーク電流保持期間Ｐ２となる。このとき、インジェクタ電流がピーク保持下限電流Ｉｐ１とピーク保持上限電流Ｉｐ２の間に保持されるように、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈはオン／オフを繰り返すように制御される。この時、インジェクタ印加電圧Ｖinj は断続的に昇圧電圧Ｖhとなる。

このピーク電流保持期間Ｐ２にピーク保持上限電流Ｉｐ２からピーク保持下限電流Ｉｐ１へ下降させる方法としては、図２（Ｅ），（Ｆ）に示すように、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂおよびインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉの両方をオンにする。これにより、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２とインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の両方をオンする。また、図２（Ｄ）に示すように、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈをオフとして、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２はオフとする。これにより、インジェクタ印加電圧Ｖinj をバッテリ電圧Ｖb (実際はダイオードＤｂでの電圧降下により、１[Ｖ]程度低下する)にすることで、電流降下を緩和する（以下、この方式を「ピークホールドアシスト方式」と称する）。ピークホールドアシスト（ＰＨＡ）回路２４５Ａは、ピークホールドアシスト方式を実行する。

インジェクタ電流Ｉｉｎｊがピーク保持下限電流Ｉｐ１に達すると、図２（Ｄ）に示すように、再び、ゲートロジック回路２４５は、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈをオンとして、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２はオンとする。これにより、図２（Ｃ）に示すように、インジェクタ電流Ｉｉｎｊは増加する。昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈのオン／オフを繰り返すことで、インジェクタ電流がピーク保持下限電流Ｉｐ１とピーク保持上限電流Ｉｐ２の間に保持されるように、制御される。

ピーク保持上限電流Ｉｐ２とピーク保持下限電流Ｉｐ１の平均電流をピーク保持電流Ｉｈ０とすると、ピーク電流保持期間Ｐ２では、インジェクタ電流Ｉｉｎｊは平均的にピーク保持電流Ｉｈに保持される。

以上のピークホールドアシスト方式により、定められたピーク電流保持期間Ｐ２に昇圧回路を使ってインジェクタ電流をピーク保持下限電流Ｉｐ１からピーク保持上限電流Ｉｐ２へ移行させる頻度が減少し、従って昇圧回路の負荷を低減することができる。

ここで、図３を用いて、本実施形態による電磁弁駆動回路により、ピーク電流保持期間Ｐ２に昇圧回路を使ってインジェクタ電流をピーク保持下限電流Ｉｐ１からピーク保持上限電流Ｉｐ２へ移行させる頻度が減少する理由について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による電磁弁駆動回路の効果の説明図である。

図３（Ａ）は、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２とインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の両方をオンとし、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２をオフとした場合の等価回路を示している。なお、説明の簡単のため、図３（Ａ）では、図１に示した抵抗Ｒｈ，Ｒｉは省略している。図３（Ａ）は、図１のピーク電流通電期間Ｐ１の等価回路に相当する。

この場合、インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、（Ｖｈ−Ｖｄ−ＶＲ）である。ここで、Ｖｈは昇圧回路１００から印加される昇圧電圧であり、ＶｄはダイオードＤｈの電圧降下であり、ＶＲはインジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧である。また、インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）と表せる。なお、Ｌは、内部コイル３Ｌのインダクタンスである。従って、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（ＶＬ／Ｌ）＝（（Ｖｈ−Ｖｄ−ＶＲ）／Ｌ）となる。

ここで、例えば、昇圧電圧Ｖｈを６５Ｖとする。インジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒを、例えば、５Ωとし、ピーク保持上限電流Ｉｐ２を６Ａとすると、インジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧ＶＲは３０Ｖとなる。また、ダイオードＤｈの降下電圧Ｖｄを１Ｖとする。この場合、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（３４／Ｌ）となる。

図３（Ｂ）は、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２とインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０の両方をオンとし、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２をオフとした場合の等価回路を示している。なお、説明の簡単のため、図３（Ｂ）では、図１に示した抵抗Ｒｂ，Ｒｉは省略している。図３（Ｂ）は、図１のピーク電流保持期間Ｐ２のインジェクタ電流減少時の等価回路に相当する。

この場合、インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、（Ｖｂ−Ｖｄ−ＶＲ）である。ここで、Ｖｂはバッテリ電源から印加される昇圧電圧であり、ＶｄはダイオードＤｂの電圧降下であり、ＶＲはインジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧である。インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）と表せる。従って、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（ＶＬ／Ｌ）＝（（Ｖｂ−Ｖｄ−ＶＲ）／Ｌ）となる。

ここで、例えば、バッテリ電圧Ｖｂを１２Ｖとする。インジェクタ電流の上昇が終了した時点（図３（Ａ）の時点）では、インジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧ＶＲは前述のように３０Ｖとなる。また、ダイオードＤｈの降下電圧Ｖｄを１Ｖとする。この場合、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（−１９／Ｌ）となる。

図３（Ｃ）は、比較の意味で、従来、フライホール方式により、インジェクタ電流を減少させるときの等価回路を示している。この場合、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０をオンとし、バッテリ側駆動ＦＥＴ２１２と昇圧側駆動ＦＥＴ２０２をオフとすることで、ダイオードＤｆを介してフライホイール電流を流すようにしていた。なお、説明の簡単のため、図３（Ｃ）では、図１に示した抵抗Ｒｉは省略している。

この場合、インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、（（−Ｖｄ）−ＶＲ）である。ここで、ＶｄはダイオードＤｆの電圧降下であり、ＶＲはインジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧である。インジェクタ３の内部コイル３Ｌの両端電圧ＶＬは、Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）と表せる。従って、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（ＶＬ／Ｌ）＝（（−Ｖｄ−ＶＲ）／Ｌ）となる。

ここで、例えば、インジェクタ電流の上昇が終了した時点（図３（Ａ）の時点）では、インジェクタ３の内部寄生抵抗３Ｒの両端電圧ＶＲは前述のように３０Ｖとなる。また、ダイオードＤｈの降下電圧Ｖｄを１Ｖとする。この場合、内部コイル３Ｌを流れる電流の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）は、（−３１／Ｌ）となる。

すなわち、従来の方式では、インジェクタ電流上昇時の電流変化分ｄｉ／ｄｔは（３４／Ｌ）であり、下降時の電流変化分ｄｉ／ｄｔは（−３１／Ｌ）であり、両者の傾きの大きさはほぼ同じである。

それに対して、本実施形態の方式では、インジェクタ電流上昇時の電流変化分ｄｉ／ｄｔは（３４／Ｌ）であり、下降時の電流変化分ｄｉ／ｄｔは（−１９／Ｌ）であり、下降時の傾きを緩やかにできる。

その結果、本実施形態では、インジェクタ電流の上昇・減少に要する時間が、従来よりも、３０％以上長くすることができる。図２に示した例では、ピーク電流保持期間Ｐ２におけるインジェクタ電流の上昇・減少は３回として図示している。しかしながら、実際には、ピーク電流保持期間Ｐ２は、例えば、０．８ｍｓ程度であり、この間に従来は、インジェクタ電流の上昇・減少が数十回行われている。このように、数十回のインジェクタ電流の上昇・減少行われている場合に、その上昇・減少回数を３０％以上少なくできるため、ピーク電流保持期間Ｐ２での昇圧回路の負荷を３０％以上低減することができる。

なお、ピーク電流保持期間Ｐ２において、駆動するインジェクタの寄生抵抗値によっては、ピークホールドアシスト方式を用いると、インジェクタ電流がピーク保持下限電流Ｉｐ１へと下降せず、増加する場合がある。即ち、上記のピーク電流通電による寄生抵抗３Ｒにおける電圧降下ＶＲとインジェクタ印加電圧Ｖinj の関係が、ＶＲ＞Ｖinj 場合はインジェクタ電流が減少するが、ＶＲ＜Ｖinj の場合はインジェクタ電流が増加する。このような場合、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉに流れる下流側駆動電流Ｉｉによる下流側電流検出信号ＳＩｉ に基づいて、ゲート駆動ロジック回路２４５がバッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂをオフにする。すなわち、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉ はオンに、昇圧側電流選択信号２４５ｈ はオフに制御し、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４３から出力されるインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉ を選択する。これにより、従来のフライホイール方式によってピーク保持上限電流Ｉｐ２からピーク保持下限電流Ｉｐ１へ下降させることができる。このような機能を設けることで、本実施形態のインジェクタ駆動回路は、多様な気筒内直接噴射型インジェクタを良好に駆動することができる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、インジェクタ開弁信号３００b がオンからオフへ変化すると、開弁保持電流移行期間Ｐ３が開始する。この時、図２（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）に示すように、昇圧側駆動ＥＦＴ制御信号ＳＤｈ、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂ及びインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉは全てオフに制御される。これにより、インジェクタ通電電流は回生ダイオードＤｒを通って昇圧回路１００に回生される。この時、インジェクタ印加電圧Ｖinj は−Ｖh 以下になるので、インジェクタに流れる電流は急峻に下降することになる。これは、インジェクタの単体特性の向上、燃料燃焼特性の改善等の目的で行われるものである。

開弁保持電流移行期間Ｐ３には、昇圧側駆動ＦＥＴ２０２及びインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ２２０は両方オフされている。このため、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉには電流が流れず、この抵抗を用いてインジェクタ電流Ｉinjを検出することができない。このような場合は、電流検出回路２４１により、電流回生ダイオードＤｒを通って昇圧側電流検出抵抗Ｒｈに流れる電流Ｉｈを検出することができる。つまり、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉをオフに、また、昇圧側電流選択信号２４５ｈ をオンに制御することで、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４１から出力される昇圧側電流検出信号ＳＩｈを選択する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、インジェクタ電流Ｉinj が、開弁保持下限電流Ｉｆ１に到達すると、開弁保持電流通電期間Ｐ４が開始する。この期間では、図２（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）に示すように、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈがオフに、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉがオンに制御され、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂは、オン／オフのスイッチング制御がなされる。すなわち、インジェクタ電流Ｉinj が、開弁保持上限電流Ｉｆ２に至った場合には、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂがオフに制御され、インジェクタ通電電流は還流ダイオードＤｆを通る経路をフライホイールしながら降下する。一方で、インジェクタ電流Ｉinj が開弁保持下限電流Ｉｆ１に至った場合には、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂはオンに制御され、インジェクタ電流は開弁保持上限電流Ｉｆ２まで上昇する。このように、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂがオン／オフのスイッチング制御を繰り返すことで、この期間のインジェクタ電流は、開弁保持上限電流Ｉｆ２と開弁保持下限電流Ｉｆ１の間に保持される。このとき、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉ はオンに、昇圧側電流選択信号２４５ｈ はオフに制御され、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４３から出力されるインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉ を選択する。

以上のようにして、開弁保持上限電流Ｉｌ２と開弁保持下限電流Ｉｌ１の平均電流を開弁保持電流Ｉｌ０すると、開弁保持電流通電期間Ｐ４では、インジェクタ電流Ｉｉｎｊは平均的に開弁保持電流Ｉｌに保持される。開弁保持電流では、大きな電流を流さなくても、インジェクタ３の開弁状態が保持される。

図２（Ａ）に示すように、インジェクタ駆動信号３００c がオンからオフに変化すると、通電電流下降期間Ｐ５が開始する。この期間、図２（Ｄ），（Ｅ），（Ｆ）に示すように、昇圧側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｈ、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂ及びインジェクタ下流側ＦＥＴ制御信号ＳＤｉは全てオフに制御される。これにより、インジェクタ通電電流は回生ダイオードＤｒを通って昇圧回路に回生されることで、インジェクタ電流は急峻に下降する。この時、インジェクタ下流側選択信号２４５ｉはオフに、昇圧側電流選択信号２４５ｈはオンに制御されることで、電流選択回路２４４は電流検出回路２４１から出力される昇圧側電流検出信号ＳＩｈを選択する。

次に、バッテリ側保護ダイオードＤｂと並列に接続されているスナバ回路について説明する。スナバ回路は、抵抗ＲｓとコンデンサＣｓの直列回路からなる。ここで、ピーク電流保持期間Ｐ２にバッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂをオンに制御すると、同期間にバッテリ側保護ダイオードＤｂを断続的に電流が流れる為、ダイオードのリカバリ電流に起因するノイズが発生することが懸念される。これに対しては、直列に接続された抵抗とコンデンサを、バッテリ側保護ダイオードＤｂに並列に接続したスナバ回路を設けることで、このノイズを抑制することができる。

なお、以上の説明では、ピーク電流保持期間Ｐ２において、インジェクタ電流がピーク保持上限電流Ｉｐ２になると電流降下を開始し、ピーク保持下限電流Ｉｐ１まで下降すると上昇を開始しているが、インジェクタ電流がピーク保持上限電流Ｉｐ２となり電流降下を開始した後、所定時間後に、インジェクタ電流を上昇するようにしてもよいものである。

また、以上の説明では、ピーク電流保持期間Ｐ２において保持される、ピーク保持電流Ｉｈ０は一定値としているが、ピーク保持上限電流Ｉｐ２とピーク保持下限電流Ｉｐ１とを徐々に増加させるように設定することで、ピーク保持電流Ｉｈ０が徐々に増加させるようにしてもよいものである。

また、ピーク保持上限電流Ｉｐ２とピーク保持下限電流Ｉｐ１とを徐々に減少させるように設定することで、ピーク保持電流Ｉｈ０が徐々に減少させるようにしてもよいものである。

また、ピーク電流保持期間Ｐ２の一部において、インジェクタ電流下降時にインジェクタにバッテリ電圧を供給するようにしてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、ピーク電流保持期間Ｐ２にピーク保持上限電流Ｉｐ２からピーク保持下限電流Ｉｐ１へ下降させる際に、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂとインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉを両方オンにするピークホールドアシスト方式にすることで、従来のフライホイール方式よりも電流の降下を緩やかにできる。これにより、定められたピーク電流保持期間Ｐ２に昇圧回路を使ってインジェクタ電流をピーク保持下限電流Ｉｐ１からピーク保持上限電流Ｉｐ２へ移行させる頻度が減少する。すなわち、ピーク電流保持期間Ｐ２に昇圧電圧を保持する昇圧コンデンサから引き抜かれる電荷を低減でき、従って昇圧復帰時間を短縮することができ、昇圧回路の負荷を低減できる。

次に、図１及び図４を用いて、本発明の第２の実施形態による電磁弁駆動回路の構成及び動作について説明する。

本実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態では、開弁保持電流移行期間Ｐ３における制御内容が異なるため、この点は、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。

図４において、横軸は時間を示している。図４（Ａ）〜（Ｇ）の縦軸は、図２（Ａ）〜（Ｇ）と同様である。

図４（Ｂ）に示すように、インジェクタ開弁信号３００b がオンからオフに変化すると、開弁保持電流移行期間Ｐ３が開始する。この時、図４（Ｄ），（Ｅ）に示すように、昇圧側駆動ＥＦＴ制御信号ＳＤｈ、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂはオフに制御される。一方で、図２（Ｆ）に示すように、インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉがオンに制御されることが第１の実施形態と異なる点である。これにより、インジェクタ通電電流は還流ダイオードＤｆを通ってフライホイールし、この期間のインジェクタ電流の降下は、図２（Ｃ）に示すように、第１の実施形態よりも緩和される。この変更は、インジェクタの単体特性の向上、燃料燃焼特性の改善のため等を目的として行われる。

この開弁保持電流移行期間Ｐ３には、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉはオンに制御され、昇圧側電流選択信号２４５ｈはオフに制御される。このため、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４３から出力されるインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉを選択する。したがって、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉに流れる下流側駆動電流Ｉｉに基づいたインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉが選択後電流検出信号Ｉｈ／ｉとなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、インジェクタ電流をピーク保持下限電流Ｉｐ１からピーク保持上限電流Ｉｐ２へ移行させる頻度が減少し、昇圧回路の負荷を低減できる。

また、インジェクタの単体特性が向上し、燃料燃焼特性を改善できる。

次に、図１及び図５を用いて、本発明の第３の実施形態による電磁弁駆動回路の構成及び動作について説明する。

本実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの構成は、図１に示したものと同様である。本実施形態では、開弁保持電流移行期間Ｐ３における制御内容が異なるため、この点は、図５を用いて説明する。

図５は、本発明の第３の実施形態による電磁弁駆動回路を用いた電磁弁制御システムの動作を説明するタイミングチャートである。

図５において、横軸は時間を示している。図５（Ａ）〜（Ｇ）の縦軸は、図２（Ａ）〜（Ｇ）と同様である。

図５（Ｂ）に示すように、インジェクタ開弁信号３００b がオンからオフに変化すると、開弁保持電流移行期間Ｐ３が開始する。この時、図５（Ｄ）に示すように、昇圧側駆動ＥＦＴ制御信号ＳＤｈがオフに制御され、一方で、図５（Ｅ），（Ｆ）に示すように、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂ及びインジェクタ下流側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｉがオンに制御されることが、第１の実施形態と異なる点である。これにより、インジェクタ印加電圧Ｖinj はバッテリ電圧Ｖbとなり、インジェクタ通電電流は、第１や第２の実施形態よりも緩やかに降下する。

しかし、上記の制御ではインジェクタにバッテリ電圧が印加されているため、開弁保持下限電流Ｉｆ１まで電流を降下させることはできない。その為、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉにより検出されたインジェクタ電流が、開弁保持上限電流Ｉｆ２よりも大きなＶb アシスト停止電流５２２にまで降下した時点で、フリーホイル方式に移行する。すなわち、バッテリ側駆動ＦＥＴ制御信号ＳＤｂをオフに変化させることで、インジェクタ通電電流を還流ダイオードＤｆを通る経路にフライホイールさせることで、開弁保持下限電流Ｉｆ１まで電流を降下させる。

以上により、本例では、開弁保持電流移行期間Ｐ３は、第１や第２の実施形態よりも長くすることができる。この変更は、インジェクタの単体特性の向上、燃料燃焼特性の改善等を目的として行われる。

この開弁保持電流移行期間Ｐ３には、インジェクタ下流側電流選択信号２４５ｉはオンに制御され、昇圧側電流選択信号２４５ｈはオフに制御される。このため、電流選択回路２４４は、電流検出回路２４３から出力されるインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉを選択する。したがって、インジェクタ下流側電流検出抵抗Ｒｉに流れる下流側駆動電流Ｉｉに基づいたインジェクタ下流側電流検出信号ＳＩｉが選択後電流検出信号Ｉｈ／ｉとなる。

以上説明したように、本実施形態によれば、インジェクタ電流をピーク保持下限電流Ｉｐ１からピーク保持上限電流Ｉｐ２へ移行させる頻度が減少し、昇圧回路の負荷を低減できる。

また、インジェクタの単体特性が向上し、燃料燃焼特性を改善できる。

以上の説明のとおり、本発明は、ガソリンや軽油等を燃料とする自動車、オートバイ、農耕機、工作機械、船舶機等において、バッテリ電圧を昇圧した高電圧を使って負荷を駆動するものであり、特に、気筒内直接噴射型インジェクタを駆動するのに好適なインジェクタ駆動回路に関する。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づく範囲において、様々な変更が可能なものである。

また、本発明は、気筒内直接噴射型インジェクタについて、ソレノイドを動力源としたものだけでなく、ピエゾ素子を動力源としたものにも適用できる。

さらに、電源電圧と昇圧電圧を用いて駆動させる電磁弁駆動回路において、本発明は基本回路構成を変更することなく容易に適用できる。

本発明では、昇圧復帰時間の短縮、昇圧回路素子の発熱量低減、昇圧回路部品の小型化及び低コスト化、昇圧電圧を保持するコンデンサの長寿命化、その他放熱部材のコスト低減等を提供することができる。

３…インジェクタ
１００…昇圧回路
２００…駆動回路
２０２…昇圧側駆動ＦＥＴ
２１２…バッテリ側駆動ＦＥＴ
２２０…インジェクタ下流側駆動ＦＥＴ
２４０…インジェクタ制御回路
２４１…昇圧側電流検出回路
２４２…バッテリ側電流検出回路
２４３…インジェクタ下流側電流検出回路
２４４…検出電流選択回路
２４５…ゲート駆動ロジック回路
２４５A…ピークホールドアシスト(PHA)回路
３００…制御回路
Ｄｂ…バッテリ側保護ダイオード
Ｄｆ…還流ダイオード
Ｄｈ…昇圧側保護ダイオード
Ｄｒ…電流回生ダイオード
Ｒｂ…バッテリ側電流検出抵抗
Ｒｈ…昇圧側電流検出抵抗
Ｒｉ…インジェクタ下流側電流検出抵抗

Claims (8)

1. 電源から高電圧を生成する昇圧回路と、
   前記昇圧回路と電磁弁の一方の端子の間の経路に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記電源の正極に接続された第２のスイッチング素子と、
   該第２のスイッチング素子の負極側と前記電磁弁の一方の端子の間の経路に接続された第１のダイオードと、
   前記電磁弁の一方の端子と前記第１のダイオードの間に一方の端子が接続され、かつ他方の端子が電源グランドに接続された第２のダイオードと、
   前記電磁弁の他方の端子と電源グランドの間の経路に接続された第３のスイッチング素子と、
   前記電磁弁に流れる電流値に応じて前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子及び前記第３のスイッチング素子を動作させる制御手段を有する電磁弁駆動回路であって、
   前記制御手段は、前記第１のスイッチング素子が複数回オン／オフする期間に前記第２のスイッチング素子をオンさせるピークホールドアシスト手段を備えることを特徴とする電磁弁駆動回路。
2. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記制御手段は、前記第１のスイッチング素子をオン／オフすることで、前記電磁弁に流れる電流を第１の電流値に保持することを特徴とする電磁弁駆動回路。
3. 請求項２記載の電磁弁駆動回路において、
   前記制御手段は、前記電磁弁を通電する電流を前記第１の電流値に保持する期間のうち、前記第１のスイッチング素子をオフかつ前記第２のスイッチング素子をオンしている間に、前記電磁弁に流れる電流が増加する場合、前記第２のスイッチング素子をオフすることを特徴とする電磁弁駆動回路。
4. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記制御手段は、前記第１のスイッチング素子をオフし、かつ前記第２のスイッチング素子をオン／オフすることで、前記電磁弁を通電する電流を前記第１の電流値よりも小さな第２の電流値に保持することを特徴とする電磁弁駆動回路。
5. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記制御手段は、前記電磁弁を通電する電流が前記第１の電流値から前記第２の電流値に移行する期間に、前記第１のスイッチング素子をオフし、かつ前記第２及び第３のスイッチング素子をオンすることで、前記電磁弁に前記電源の電圧を印加し、
   かつ、前記電磁弁を通電する電流が前記第１の電流値よりも小さく前記第２の電流値よりも大きな第３の電流値になると、前記第２のスイッチング素子をオフすることを特徴とする電磁弁駆動回路。
6. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記制御手段は、前記電磁弁を通電する電流が前記第１の電流値から前記第２の電流値に移行する期間に、前記第１及び第２のスイッチング素子をオフし、かつ前記第３のスイッチング素子をオンし、前記電磁弁に流れる電流を前記第２のダイオードを介して還流させることを特徴とする電磁弁駆動回路。
7. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記第１のダイオードに並列に接続された抵抗とコンデンサの直列回路を備えることを特徴とする電磁弁駆動回路。
8. 請求項１記載の電磁弁駆動回路において、
   前記昇圧回路と前記第１のスイッチング素子の間の経路に一方の端子が接続され、かつ前記電磁弁の他方の端子と前記第３のスイッチング素子の正極側との間の経路に他方の端子が接続された第３のダイオードを備え、
   前記制御手段は、前記第１の電流値から前記第２の電流値に移行する期間及び前記電磁弁の通電電流を停止する場合に、前記第１、第２及び第３のスイッチング素子を全てオフし、前記電磁弁に流れる電流を前記第３のダイオードを介して前記昇圧回路に回生させることを特徴とする電磁弁駆動回路。

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