JP2013108476A - 燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置 - Google Patents

燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】定電流制御時に制御されるスイッチ手段の発熱を抑制し得る燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置を提供する。
【解決手段】制御回路21は、電磁弁11,12に対する定電流制御時において、スイッチング稼働率Daでスイッチ23をスイッチング制御するとともにスイッチ22aまたはスイッチ22bをオン制御し、スイッチング稼働率Dbでスイッチ22aまたはスイッチ22bをスイッチング制御するとともにスイッチ23をオン制御する。
【選択図】図3

Description

本発明は、電磁弁を駆動する燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置に関するものである。
従来、電磁弁(インジェクタ)を駆動する燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置は、電磁弁を速やかに開弁させるため、当該電磁弁に対して、直流電源の電源電圧よりも高い高電圧を生成して印加し、その後定電流制御を実施するように構成されている。この電磁弁駆動装置は、電磁弁の低電位側に接続されて当該電磁弁に対して上記定電流制御時に制御される第1スイッチ手段と、電磁弁の高電位側に接続されて当該電磁弁に対して上記定電流制御時に制御される第2スイッチ手段と、を備えている。
このように接続される各スイッチ手段を制御することにより、電磁弁を速やかに開弁状態へと移行させるために電磁弁に高電圧を印加して大電流(以下、ピーク電流という)を供給する。そして、定電流制御として、電磁弁に上記高電圧または電源電圧を所定の期間(以下、ピックアップ期間という)印加して弁体を開弁位置まで移動させるための電流(以下、ピックアップ電流という)を供給し、その後、さらに電磁弁に上記高電圧または電源電圧を所定の期間(以下、ホールド期間という)印加して上記弁体を開弁位置に保持するための電流(以下、ホールド電流という)を供給することで、電磁弁が開弁状態に保持されることとなる。
このような上記高電圧または電源電圧を電磁弁に供給する電磁弁駆動装置として、下記特許文献1に開示される電磁弁駆動装置が知られている。この電磁弁駆動装置は、設定された駆動期間の間、インジェクタ(電磁弁)のコイルの下流側に設けられた電磁弁駆動用のスイッチング素子(第1スイッチ手段)をオンすると共に、上記駆動期間の開始時には、ピーク電流供給用のスイッチング素子(第2スイッチ手段)もオンして、コンデンサに充電された高電圧をインジェクタのコイルに印加することでピーク電流を供給し、その後は上記駆動期間の終了時まで、ホールド電流供給用のスイッチング素子(第2スイッチ手段)をスイッチング制御(オン/オフ制御)して直流電源の電源電圧をインジェクタのコイルに印加することでホールド電流を供給するように構成されている。
また、下記特許文献2に開示される電磁負荷の駆動装置でも同様に、インジェクタ駆動時に、上記第1スイッチ手段をオンした状態で、ピーク電流供給用のトランジスタ(第2スイッチ手段)をオンすることで、コンデンサに充電された高電圧がインジェクタのコイルに印加されてピーク電流が供給される。このトランジスタのオン以後、上記第1スイッチ手段をオンした状態で、ホールド電流供給用のトランジスタ(第2スイッチ手段)を周期的にスイッチング制御することで、電源電圧による定電流(ホールド電流)がインジェクタのソレノイドに供給される。
特開2008−063993号公報 特開2002−180878号公報
ところで、上記特許文献1や上記特許文献2のような構成の電磁弁駆動装置では、高精度の定電流制御等を実施する際には、駆動対象の電磁弁に対して電源電圧や上記高電圧を印加する際に制御される第2スイッチ手段におけるスイッチング回数が増加する場合がある。このようにスイッチング回数が増加すると、第2スイッチ手段におけるスイッチング損失が増大し、当該第2スイッチ手段の発熱が大きくなるといった問題が生じる。また、第2スイッチ手段に代えて電磁弁の低電位側に接続される第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第2スイッチ手段をオン制御しても定電流制御が可能であるが、この場合でも、第1スイッチ手段のスイッチング回数が増加すると、第1スイッチ手段におけるスイッチング損失が増大し、当該第1スイッチ手段の発熱が大きくなるといった問題が生じる。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、定電流制御時に制御されるスイッチ手段の発熱を抑制し得る燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項1に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置は、電磁弁(11,12)に対して、直流電源(B)の電源電圧(VB)よりも高い高電圧を生成して印加し、その後定電流制御を実施することで当該電磁弁を駆動する燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置(20,20a)であって、前記高電圧を前記電磁弁に印加可能なコンデンサ(C)と、前記直流電源から前記高電圧を生成して前記コンデンサを充電する充電手段(25)と、前記電磁弁の低電位側に接続されて当該電磁弁に対して前記定電流制御時に制御される第1スイッチ手段(22a,22b)と、前記電磁弁の高電位側に接続されて当該電磁弁に対して前記定電流制御時に制御される第2スイッチ手段(23,24)と、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御可能な制御手段(21)と、を備え、前記制御手段は、前記定電流制御時において、第1の稼働率(Da)で前記第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率(Db)で前記第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第2スイッチ手段をオン制御することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記制御手段は、前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との両スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記制御手段は、前記第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失(LON−L)および1回のオン/オフでのスイッチング損失(LSW−L)と前記第2の稼働率とに応じて変化する前記第1スイッチ手段の発熱と、前記第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失(LON−C)および1回のオン/オフでのスイッチング損失(LSW−C)と前記第1の稼働率とに応じて変化する前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率および前記第2の稼働率を設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記定常損失を、前記電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と前記電源電圧とに応じて補正する補正手段(21)を備えることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記第1スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第1スイッチ手段の発熱状態と、前記第2スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第2スイッチ手段の発熱状態とが、第1発熱状態および第2発熱状態として、予め測定されて記憶され、前記制御手段は、前記第1発熱状態および前記第2発熱状態に基づいて、前記第1スイッチ手段に生じる発熱と前記第2スイッチ手段に生じる発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記第1スイッチ手段の温度を検出する第1温度検出手段(22a,22b)と、前記第2スイッチ手段の温度を検出する第2温度検出手段(23)と、を備え、前記制御手段は、前記第1温度検出手段により検出される温度から求められる前記第1スイッチ手段の発熱と、前記第2温度検出手段により検出される温度から求められる前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項1に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、複数の電磁弁が駆動対象であって、前記第1スイッチ手段は、前記複数の電磁弁に対して低電位側にそれぞれ接続されるとともに、前記第2スイッチ手段は、前記複数の電磁弁に対して高電位側に共用して接続され、前記制御手段は、前記複数の電磁弁のうち駆動する電磁弁に対する前記定電流制御時において、第1の稼働率で前記第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記駆動する電磁弁の低電位側の前記第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率で当該第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第2スイッチ手段をオン制御することを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項7に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記制御手段は、複数の前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記制御手段は、前記第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失(LON−L)および1回のオン/オフでのスイッチング損失(LSW−L)と前記第2の稼働率とに応じて変化する前記各第1スイッチ手段のそれぞれの発熱と、前記第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失(LON−C)および1回のオン/オフでのスイッチング損失(LSW−C)と前記第1の稼働率とに応じて変化する前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率および前記第2の稼働率を設定して、前記各第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項9に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記定常損失を、前記電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と前記電源電圧とに応じて補正する補正手段(21)を備えることを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記第1スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第1スイッチ手段の発熱状態と、前記第2スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第2スイッチ手段の発熱状態とが、第1発熱状態および第2発熱状態として、予め測定されて記憶され、前記制御手段は、前記第1発熱状態および前記第2発熱状態に基づいて、複数の前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項12の発明は、請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、複数の前記第1スイッチ手段の温度をそれぞれ検出する複数の第1温度検出手段(22a,22b)と、前記第2スイッチ手段の温度を検出する第2温度検出手段(23)と、を備え、前記制御手段は、前記複数の第1温度検出手段によりそれぞれ検出される温度から求められる前記各第1スイッチ手段の発熱と、前記第2温度検出手段により検出される温度から求められる前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする。
請求項13の発明は、請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置において、前記第2スイッチ手段は、前記定電流制御時において、前記高電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段(24)と、前記電源電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段(23)とにより構成されることを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する各実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
請求項1の発明では、制御手段は、電磁弁に対する定電流制御時において、第1の稼働率で第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率で第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第2スイッチ手段をオン制御する。
これにより、電磁弁に対する定電流制御時での全て期間において第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第1スイッチ手段をオン制御する場合や第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第2スイッチ手段をオン制御する場合と比較して、第1スイッチ手段または第2スイッチ手段の最大スイッチング回数を減らすことができる。具体的には、例えば、従来では、第1スイッチ手段がオン状態である場合に第2スイッチ手段を9回スイッチング(オン/オフ)していた場合でも、本発明により、上記第2の稼働率で第1スイッチ手段を5回スイッチングし、上記第1の稼働率で第2スイッチ手段を5回スイッチングすることで、最大スイッチング回数を9回から5回に減らすことができる。
したがって、最大スイッチング回数が減ることでスイッチング損失の増大が抑制されて、定電流制御時に制御される第1スイッチ手段および第2スイッチ手段の発熱を抑制することができる。
請求項2の発明では、制御手段は、第1スイッチ手段と第2スイッチ手段との両スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。このように第1の稼働率および第2の稼働率が設定されて第1スイッチ手段および第2スイッチ手段が制御されることで、上記両スイッチ手段にて生じる発熱の差が小さくなり、一方のスイッチ手段が他方のスイッチ手段よりも高発熱する場合と比較して、当該両スイッチ手段の発熱を効果的に抑制することができる。
請求項3の発明では、制御手段は、第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と上記第2の稼働率とに応じて変化する第1スイッチ手段の発熱と、第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と上記第1の稼働率とに応じて変化する第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、第1の稼働率および第2の稼働率を設定して、第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
1回のオン/オフでのスイッチング損失と第1の稼働率および第2の稼働率からスイッチング期間を通しての全スイッチング損失が求められることから、第1スイッチ手段の定常損失および全スイッチング損失から当該第1スイッチ手段の発熱を求める数式が成立し、第2スイッチ手段の定常損失および全スイッチング損失から当該第2スイッチ手段の発熱を求める数式が成立する。このように成立する両数式の差が小さくなるように、すなわち、両スイッチ手段の発熱の差が小さくなるように第1の稼働率および第2の稼働率を設定することで、両スイッチ手段の発熱状態が各損失を考慮するように高精度に推測されて上記両期間がそれぞれ設定されるので、当該両スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項4の発明では、補正手段により、上記数式に用いられる定常損失が、電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と電源電圧とに応じて補正される。定常損失は、電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性(以下、インジェクタ特性という)と電源電圧とに応じて変動するため、これらインジェクタ特性および電源電圧に応じて定常損失を補正することで、両スイッチ手段の発熱状態が高精度に推測されて上記両期間がそれぞれ設定されるので、当該両スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項5の発明では、制御手段は、予め測定されて記憶される上記第1発熱状態および上記第2発熱状態に基づいて、第1スイッチ手段に生じる発熱と第2スイッチ手段に生じる発熱との差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
このように、所定期間スイッチング制御したときの第1スイッチ手段の第1発熱状態と第2スイッチ手段の第2発熱状態とが予め測定されているため、これら第1発熱状態および第2発熱状態から両スイッチ手段の発熱の差を小さくするスイッチング期間の比率、すなわち、第1の稼働率および第2の稼働率を求めることができる。このように、実測された第1発熱状態および第2発熱状態に基づいて第1の稼働率および第2の稼働率がそれぞれ設定されるので、両スイッチ手段の発熱の差がより小さくなり、当該両スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項6の発明では、制御手段は、第1温度検出手段により検出される温度から求められる第1スイッチ手段の発熱と、第2温度検出手段により検出される温度から求められる第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
これにより、例えば、電磁弁の開弁ごとに測定した温度から求めた両スイッチ手段の発熱に基づいて第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して当該両スイッチ手段を制御することで、事前の試験等を必要とすることなく、両スイッチ手段の発熱状態に応じた第1の稼働率および第2の稼働率がそれぞれリアルタイムに設定されるので、両スイッチ手段の発熱の差がより小さくなり、当該両スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項7の発明では、制御手段は、複数の電磁弁のうち駆動する電磁弁に対する定電流制御時において、第1の稼働率で第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに駆動する電磁弁の低電位側の第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率で当該第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第2スイッチ手段をオン制御する。
これにより、駆動する電磁弁に対する定電流制御時での全て期間において第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに上記第1スイッチ手段をオン制御する場合や上記第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに第2スイッチ手段をオン制御する場合と比較して、上記第1スイッチ手段または第2スイッチ手段の最大スイッチング回数を減らすことができる。
したがって、複数の電磁弁が駆動対象であっても、最大スイッチング回数が減ることでスイッチング損失の増大が抑制されて、定電流制御時に制御される各第1スイッチ手段および第2スイッチ手段の発熱を抑制することができる。
請求項8の発明では、制御手段は、複数の第1スイッチ手段と第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、複数の第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。このように第1の稼働率および第2の稼働率が設定されて各第1スイッチ手段および第2スイッチ手段が制御されることで、各スイッチ手段にて生じる発熱の差が小さくなり、1のスイッチ手段が他のスイッチ手段よりも高発熱する場合と比較して、当該各スイッチ手段の発熱を効果的に抑制することができる。
請求項9の発明では、制御手段は、第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と上記第2の稼働率とに応じて変化する各第1スイッチ手段のそれぞれの発熱と、第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と上記第1の稼働率とに応じて変化する第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、第1の稼働率および第2の稼働率を設定して、各第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
上記請求項3の発明と同様に、1回のオン/オフでのスイッチング損失と第1の稼働率および第2の稼働率からスイッチング期間を通しての全スイッチング損失が求められることから、各第1スイッチ手段の定常損失および全スイッチング損失から当該各第1スイッチ手段の発熱の平均値を求める数式が成立し、第2スイッチ手段の定常損失および全スイッチング損失から当該第2スイッチ手段の発熱を求める数式が成立する。このように成立する両数式の差が小さくなるように、すなわち、各スイッチ手段の発熱の差が小さくなるように第1の稼働率および第2の稼働率を設定することで、各スイッチ手段の発熱状態が各損失を考慮するように高精度に推測されて上記両期間がそれぞれ設定されるので、当該各スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項10の発明では、補正手段により、上記数式に用いられる定常損失が、各電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と電源電圧とに応じて補正される。定常損失は、電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因するインジェクタ特性と電源電圧とに応じて変動するため、これらインジェクタ特性および電源電圧に応じて定常損失を補正することで、各スイッチ手段の発熱状態が高精度に推測されて上記両期間がそれぞれ設定されるので、当該各スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項11の発明では、制御手段は、予め測定されて記憶される上記第1発熱状態および上記第2発熱状態に基づいて、複数の第1スイッチ手段と第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、複数の第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
このように、所定期間スイッチング制御したときの第1スイッチ手段の第1発熱状態と第2スイッチ手段の第2発熱状態とが予め測定されているため、これら第1発熱状態および第2発熱状態から各スイッチ手段の発熱の差を小さくするスイッチング期間の比率、すなわち、第1の稼働率および第2の稼働率を求めることができる。このように、実測された第1発熱状態および第2発熱状態に基づいて第1の稼働率および第2の稼働率がそれぞれ設定されるので、各スイッチ手段の発熱の差がより小さくなり、当該各スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項12の発明では、制御手段は、複数の第1温度検出手段によりそれぞれ検出される温度から求められる各第1スイッチ手段の発熱と、第2温度検出手段により検出される温度から求められる第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して、複数の第1スイッチ手段および第2スイッチ手段を制御する。
これにより、例えば、各電磁弁の開弁ごとに測定した温度から求めた各スイッチ手段の発熱に基づいて第1の稼働率と第2の稼働率とを設定して当該各スイッチ手段を制御することで、事前の試験等を必要とすることなく、各スイッチ手段の発熱状態に応じた第1の稼働率および第2の稼働率がそれぞれリアルタイムに設定されるので、各スイッチ手段の発熱の差がより小さくなり、当該各スイッチ手段の発熱を確実に抑制することができる。
請求項13の発明では、第2スイッチ手段は、定電流制御時において、上記高電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段と、電源電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段とにより構成される。これにより、第2スイッチ手段を構成する両スイッチ手段のいずれかを第1の稼働率でスイッチング制御することで定電流制御を実施する場合でも、最大スイッチング回数が減りスイッチング損失の増大を抑制することができる。また、定電流制御時に第2スイッチ手段を構成する両スイッチ手段の一方をスイッチング制御するとともに他方をオフ制御し、その後他方をスイッチング制御するとともに一方をオフ制御する場合に、両スイッチ手段を上記第1の稼働率に応じてスイッチング制御する場合でも、最大スイッチング回数が減りスイッチング損失の増大を抑制することができる。このようにしても、定電流制御時に制御される第1スイッチ手段および第2スイッチ手段の発熱を抑制することができる。
第1実施形態に係る電磁弁駆動装置を採用した燃料噴射制御装置の概略構成を示すブロック図である。 制御回路により実施される電磁弁駆動制御処理の流れを例示するフローチャートである。 第1実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図である。 スイッチング損失を説明するための説明図である。 定常損失と環流中の損失との関係を示す説明図である。 ピックアップ期間およびホールド期間における各スイッチの制御状態を示すタイミングチャートである。 第4実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図である。 第5実施形態に係る電磁弁駆動装置を採用した燃料噴射制御装置の概略構成を示すブロック図である。 第5実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態に係る燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置について、図面を参照して説明する。図1は、第1実施形態に係る電磁弁駆動装置20を採用した燃料噴射制御装置10の概略構成を示すブロック図である。
図1に示す燃料噴射制御装置10は、例えば車両に搭載された2気筒エンジンの各気筒に燃料を噴射供給する電磁ソレノイド式ユニットインジェクタ(以下単に、電磁弁11,12という)と、これら両電磁弁11,12に対して、直流電源(バッテリ)Bの電源電圧VBよりも高い高電圧を生成して印加し、その後、直流電源Bの電源電圧VBを印加することで当該両電磁弁11,12を駆動する電磁弁駆動装置20とを備えている。
電磁弁11,12は、それぞれコイル11a,12aを有した常閉式(ノーマルクローズタイプ)の電磁弁であり、そのコイル11a,12aに通電されると、図示しない弁体がリターンスプリングの付勢力に抗して開弁位置に移動してその開弁状態が維持されることで、燃料噴射が行われる。また、コイル11a,12aの通電が遮断されると、弁体が元の閉弁位置に戻り、燃料噴射が停止される。これら両電磁弁11,12は、電磁弁駆動装置20により、同時に開弁状態にならないように駆動制御される。
電磁弁駆動装置20は、出力端子として、電磁弁11のコイル11aの高電位側(ハイサイド)が接続される出力端子P1と、コイル11aの低電位側(ローサイド)が接続される出力端子P2と、電磁弁12のコイル12aの高電位側が接続される出力端子P3と、コイル12aの低電位側が接続される出力端子P4と、を備えている。また、電磁弁駆動装置20は、一端がグランドライン(GND=0V)に接続された電流検出用抵抗R1の他端と出力端子P2との間に直列に設けられた電磁弁11の駆動用のスイッチ22aと、電流検出用抵抗R1の他端と出力端子P4との間に直列に設けられた電磁弁12の駆動用のスイッチ22bと、直流電源Bの電源電圧VBが供給される電源ラインに一方の出力端子が接続されたスイッチ23と、このスイッチ23の他方の出力端子にアノードが接続されカソードが出力端子P1,P3に接続された逆流防止用のダイオードD1と、両電磁弁11,12のいずれかを速やかに開弁状態へ移行させるために充電された高電圧をコイル11a,12aに印加することでピーク電流を流すコンデンサCと、コンデンサCの正極側(グランドライン側とは反対側)を出力端子P1,P3に接続させるスイッチ24と、直流電源Bの電源電圧VBを昇圧してその電源電圧VBよりも高い高電圧を生成し、その高電圧をダイオードD2を介してコンデンサCに供給することによりコンデンサCを充電するDCDCコンバータ25と、アノードがグランドラインに接続されカソードが出力端子P1,P3に接続されたダイオードD3と、スイッチ22a,22b,23,24及びDCDCコンバータ25を制御するマイコン等からなる制御回路21とを備えている。
なお、スイッチ22a,22bは、同じ構成のスイッチであり、特許請求の範囲に記載の「第1スイッチ手段」の一例に相当する。また、スイッチ23,24は、特許請求の範囲に記載の「第2スイッチ手段」の一例に相当し得る。また、制御回路21は、特許請求の範囲に記載の「制御手段」の一例に相当し、DCDCコンバータ25は、特許請求の範囲に記載の「充電手段」の一例に相当し得る。
コンデンサCは、図1に示すように、直流電源Bからコイル11a,12aへの給電経路に対して並列に接続されている。また、出力端子P2とコンデンサCの正極側との間には、コイル11aからコンデンサCへフライバックエネルギーを回収するためのエネルギー回収用経路が設けられており、このエネルギー回収用経路上には、カソードをコンデンサC側にして電流方向制御用のダイオードD4aが設けられている。また、出力端子P4とコンデンサCの正極側との間にも同様に、コイル12aからコンデンサCへフライバックエネルギーを回収するためのエネルギー回収用経路が設けられており、このエネルギー回収用経路上には、カソードをコンデンサC側にして電流方向制御用のダイオードD4bが設けられている。
一方、DCDCコンバータ25は、直流電源Bとグランドラインとの間に直列に設けられたインダクタ25a及びスイッチ25bを備えており、そのスイッチ25bがオン/オフされることでインダクタ25aに蓄積したエネルギーがダイオードD2を通じてコンデンサCを充電する周知のものである。なお、スイッチ25bおよび上述した各スイッチ22a,22b,23,24は、例えば、MOSFET等のスイッチング素子である。
次に、上記のように構成された電磁弁駆動装置20の制御回路21により実施される電磁弁駆動制御処理について、以下に説明する。
本実施形態に係る電磁弁駆動制御処理では、ピックアップ期間Tpおよびホールド期間Thにおいてスイッチ22a,22bとスイッチ23とが所定の稼働率でそれぞれスイッチング制御される。このように各スイッチがスイッチング制御される電磁弁駆動制御処理について、図2および図3を用いて詳細に説明する。図2は、制御回路21により実施される電磁弁駆動制御処理の流れを例示するフローチャートである。図3は、第1実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図であり、図3(A)は、電磁弁11に流れるインジェクタ電流値Iaを示し、図3(B)は、スイッチ23のスイッチング制御状態を示し、図3(C)は、スイッチ22aのスイッチング制御状態を示し、図3(D)は、スイッチ24の制御状態を示す。
制御回路21により電磁弁駆動制御処理が開始されると、まず、エンジン回転数やアクセル開度などのエンジン運転情報に基づいて、電磁弁11のコイル11aや電磁弁12のコイル12aに通電すべき駆動期間がそれぞれ設定される。また、制御回路21は、上記駆動期間が始まる前に、DCDCコンバータ25を作動させて、コンデンサCを、そのコンデンサの充電電圧(正極側の電圧)が目標電圧になるまで充電させる。
そして、図2のステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理がなされる。この処理では、電磁弁11,12を駆動制御する際のピックアップ期間Tpおよびホールド期間Thにおけるスイッチ23のスイッチング稼働率Daとスイッチ22a,22bのスイッチング稼働率Db(=1−Da)とが、スイッチ22a,22b,23の各スイッチにて生じる発熱の差を小さくするように設定される。なお、スイッチング稼働率Daは、特許請求の範囲に記載の「第1の稼働率」の一例に相当し、スイッチング稼働率Dbは、特許請求の範囲に記載の「第2の稼働率」の一例に相当し得る。
具体的な設定方法としては、電磁弁11,12の高電位側(ハイサイド)に接続されるスイッチ23の発熱を下記式(1)の左辺にて示す数式と、電磁弁11,12の低電位側(ローサイド)に接続されるスイッチ22a,22bの発熱を下記式(1)の右辺にて示す数式とが等しくなるように、すなわち、両数式からそれぞれ求められる両発熱が等しくなるようにスイッチング稼働率Da,Dbを設定する。なお、両数式からそれぞれ求められる両発熱が等しくなるようにスイッチング稼働率Da,Dbを設定することに限らず、両数式からそれぞれ求められる両発熱の差が小さくなるようにスイッチング稼働率Da,Dbを設定してもよい。
Figure 2013108476
ここで、nは、高電位側(ハイサイド)に接続されるスイッチの個数であり、本実施形態では、スイッチ23が採用されていることから、1に設定される。また、LON−Cは、スイッチ23のオン時の定常損失であり、LSW−Cは、スイッチ23の1回のオン/オフでのスイッチング損失である。また、Rth−Cは、スイッチ23の熱抵抗である。
また、nは、低電位側(ローサイド)に接続されるスイッチの個数であり、本実施形態では、スイッチ22a,22bが採用されていることから、2に設定される。また、LON−Lは、スイッチ22a,22bのオン時の定常損失であり、LSW−Lは、スイッチ22a,22bの1回のオン/オフでのスイッチング損失である。また、LR−Lは、スイッチ22a,22bにおける1回のオン/オフでの環流中の損失である。また、Rth−Lは、スイッチ22a,22bの熱抵抗である。
ここで、スイッチ23の1回のオン/オフでのスイッチング損失LSW−Cを、図4を用いて説明する。図4は、スイッチング損失を説明するための説明図である。
スイッチ23のドレイン−ソース間電圧をV2、ドレイン電流をI2とすると、スイッチ23がオフからオンになると、図4に示すように、ドレイン−ソース間電圧V2が0Vになる前にドレイン電流I2が増加するため、この電流と電圧の積に応じた損失が発生する。また、スイッチ23がオンからオフになると、図4に示すように、ドレイン電流I2が0Aになる前にドレイン−ソース間電圧V2が増加するため、この電流と電圧の積に応じた損失が発生する。すなわち、図4に示すハッチング領域が、上記両損失を含めたスイッチング損失LSW−Cに相当する。
次に、電磁弁11が駆動対象である場合を例に、スイッチ23のオン時の定常損失LON−Cと、スイッチ22aのオン時の定常損失LON−Lと、スイッチ22aにおける1回のオン/オフでの環流中の損失LR−Lとの関係について、図5を用いて説明する。図5は、定常損失LON−C,LON−Lと環流中の損失LR−Lとの関係を示す説明図であり、図5(A)は、インジェクタ電流Iaを示し、図5(B)は、スイッチ23のスイッチング制御状態を示し、図5(C)は、スイッチ22aのスイッチング制御状態を示す。
図5に示すように、スイッチ22aがオンされている状態でスイッチ23がオフからオンになると、コイル11aを流れるインジェクタ電流Iaが増加する。このように両スイッチ22a,23がオンであると、スイッチ23に定常損失LON−Cが生じ、スイッチ22aに定常損失LON−Lが生じる。この状態からスイッチ23がオンからオフになると、インジェクタ電流Iaが減少する。このようにスイッチ23がオフでありスイッチ22aがオンであると、スイッチ22aに環流中の損失LR−Lが生じる。この状態からスイッチ23が再びオフからオンになると、インジェクタ電流Iaが増加し、スイッチ23に定常損失LON−Cが生じ、スイッチ22aに定常損失LON−Lが生じる。この状態からスイッチ22aがオフからオンになると、インジェクタ電流Iaが減少する。この場合には、定常損失は生じない。
このように、1回のオン/オフでのスイッチング損失LSW−C,LSW−Lとそのスイッチング稼働率Da,Dbからスイッチング期間を通しての全スイッチング損失が求められることから、スイッチ23の定常損失LON−Cおよび全スイッチング損失LSW−C・Daと熱抵抗Rth−Cと個数nとから当該スイッチ23の発熱を求める上記式(1)の左辺が成立し、スイッチ22a,22bの定常損失LON−L、環流中の損失LR−L・Daおよび全スイッチング損失LSW−L・Dbと熱抵抗Rth−Lと個数nとから当該スイッチ22a,22bの発熱を求める上記式(1)の右辺が成立する。そして、このように成立する両辺が等しくなるように、すなわち、各スイッチ22a,22b,23の発熱が等しくなるようにスイッチング稼働率Da,Dbを設定する。
このようにスイッチング稼働率Da,Dbが設定されると、ステップS103に示す判定処理にて、電磁弁11の開弁時期か否かについて判定され、電磁弁11の開弁時期になると(S103でYes)、ステップS105に示す処理にて、スイッチ22aおよびスイッチ24がオン状態に制御される。これにより、コンデンサCの正極側がスイッチ24を介して出力端子P1に接続されると、コンデンサCに充電されていたエネルギーがコイル11aに放出されて、コンデンサCの高電圧がコイル11aに印加される。そして、このとき、図3(A)に示すように、コイル11aには、コンデンサCの放電により、インジェクタ電流Iaとして、電磁弁11を速やかに開弁状態へと移行させるための大電流、すなわち、ピーク電流が流れ、電磁弁11の開弁応答が早まることとなる。なお、インジェクタ電流Iaは、スイッチ22a,22bがオン時には、電流検出用抵抗R1に生じる電圧により検出され、スイッチ22a,22bがオフ時には、電流検出用抵抗R2に生じる電圧により検出される。
このようなコンデンサCの放電に際し、高電位となる出力端子P1側から電源ライン側への回り込みは、ダイオードD1によって防止される。また更に、スイッチ22aがオンされても、コンデンサCの正極側からエネルギー回収用経路を介してスイッチ22aへ直接電流が流れてしまうことは、ダイオードD4aにより防止される。
そして、ステップS107に示す判定処理にて、インジェクタ電流Iaがピーク電流の目標電流値Ia1以上であるか否かについて判定され、インジェクタ電流Iaがピーク電流の目標電流値Ia1以上になると(S107でYes)、ステップS109に示す処理にて、スイッチ24がオフ状態に制御される。
続いて、ステップS111において、定電流制御処理がなされる。この処理では、上述のように設定されたスイッチング稼働率Da,Dbに基づいて、インジェクタ電流Iaが、ピックアップ期間Tpにてピックアップ電流として所定の電流値範囲内に維持され、その後、ホールド期間Thにてホールド電流としてピックアップ電流よりも低い電流値範囲内に維持されるように(図3(A)参照)、スイッチ22aおよびスイッチ23が、スイッチング制御される(図3(B),(C)参照)。なお、ピックアップ電流は、インジェクタ電流Iaが第1の上限値IU1に達するとスイッチ22aおよびスイッチ23のいずれかがオンからオフになり、インジェクタ電流Iaが第1の下限値IL1に達するとスイッチ22aおよびスイッチ23のいずれかがオフからオンになるように制御されることで、上記電流値範囲内に維持される。また、ホールド電流は、インジェクタ電流Iaが第2の上限値IU2に達するとスイッチ22aおよびスイッチ23のいずれかがオンからオフになり、インジェクタ電流Iaが第2の下限値IL2に達するとスイッチ22aおよびスイッチ23のいずれかがオフからオンになるように制御されることで、上記電流値範囲内に維持される。このようなスイッチング制御に応じて、ピックアップ電流により上記弁体が開弁位置まで引き上げられ、ホールド電流により電磁弁11が開弁状態に保持される。
上述のように電磁弁11のコイル11aに流れるインジェクタ電流Iaがホールド電流に維持された状態で設定された駆動期間が終了すると(S113でYes)、ステップS115に示す処理にて、スイッチ22aおよびスイッチ23の双方がオフ状態に制御される。これにより、コイル11aへの通電が停止して電磁弁11が閉弁し、その電磁弁11による燃料噴射が終了される。
なお、スイッチ22aおよびスイッチ23がオフされると、コイル11aにフライバックエネルギーが発生するが、そのフライバックエネルギーは、コイル11aの出力端子P2からエネルギー回収用のダイオードD4aを通じてコンデンサCへ回収される。
また、制御回路21は、スイッチ24がオフ制御されてスイッチ22aおよびスイッチ23がスイッチング制御されている間に、DCDCコンバータ25によりコンデンサCの充電を再開するために、スイッチ25bをスイッチング制御する。これは、次回の電磁弁駆動に備えるためである。なお、制御回路21は、スイッチ24をオンしている間は、DCDCコンバータ25によるコンデンサCの充電動作を禁止している。
そして、電磁弁11が閉弁した後に電磁弁12の開弁時期になると(S117でYes)、ステップS119に示す処理にて、スイッチ22bおよびスイッチ24がオン状態に制御される。これにより、コンデンサCの正極側がスイッチ24を介して出力端子P3に接続されると、コンデンサCに充電されていたエネルギーがコイル12aに放出されて、コンデンサCの高電圧がコイル12aに印加される。そして、このとき、コイル12aには、コンデンサCの放電により、コイル12aに流れるインジェクタ電流Ibとして、電磁弁11を速やかに開弁状態へと移行させるピーク電流が流れ、電磁弁12の開弁応答が早まることとなる。
このようなコンデンサCの放電に際し、高電位となる出力端子P3側から電源ライン側への回り込みは、ダイオードD1によって防止される。また更に、スイッチ22bがオンされても、コンデンサCの正極側からエネルギー回収用経路を介してスイッチ22bへ直接電流が流れてしまうことは、ダイオードD4bにより防止される。
そして、ステップS121に示す判定処理にて、インジェクタ電流Ibがピーク電流の目標電流値Ib1以上であるか否かについて判定され、インジェクタ電流Ibがピーク電流の目標電流値Ib1以上になると(S121でYes)、ステップS123に示す処理にて、スイッチ24がオフ状態に制御される。
続いて、ステップS125において、定電流制御処理がなされる。この処理では、上述のように設定されたスイッチング稼働率Da,Dbに基づいて、インジェクタ電流Ibが、ピックアップ期間Tpにてピックアップ電流として所定の電流値範囲内に維持され、その後、ホールド期間Thにてホールド電流としてピックアップ電流よりも低い電流値範囲内に維持されるように、スイッチ22bおよびスイッチ23が、スイッチング制御される。このようなスイッチング制御に応じて、ピックアップ電流により上記弁体が開弁位置まで引き上げられ、ホールド電流により電磁弁12が開弁状態に保持される。
上述のように電磁弁12のコイル12aに流れるインジェクタ電流Ibがホールド電流に維持された状態で設定された駆動期間が終了すると(S127でYes)、ステップS129に示す処理にて、スイッチ22bおよびスイッチ23の双方がオフ状態に制御される。これにより、コイル12aへの通電が停止して電磁弁12が閉弁し、その電磁弁12による燃料噴射が終了される。
なお、スイッチ22bおよびスイッチ23がオフされると、コイル12aにフライバックエネルギーが発生するが、そのフライバックエネルギーは、コイル12aの出力端子P4からエネルギー回収用のダイオードD4bを通じてコンデンサCへ回収される。
以上説明したように、本実施形態に係る電磁弁駆動装置20では、制御回路21は、電磁弁11,12に対する定電流制御時において、スイッチング稼働率Daでスイッチ23をスイッチング制御するとともにスイッチ22aまたはスイッチ22bをオン制御し、スイッチング稼働率Dbでスイッチ22aまたはスイッチ22bをスイッチング制御するとともにスイッチ23をオン制御する。
これにより、電磁弁11,12に対する定電流制御時での全て期間においてスイッチ23をスイッチング制御するとともにスイッチ22aまたはスイッチ22bをオン制御する場合やスイッチ22aまたはスイッチ22bをスイッチング制御するとともにスイッチ23をオン制御する場合と比較して、スイッチ22a,22b,23の最大スイッチング回数を減らすことができる。
図6は、ピックアップ期間Tpおよびホールド期間Thにおける各スイッチ22a,22b,23の制御状態を示すタイミングチャートであり、図6(A)〜(C)は、本発明に係るスイッチ23,22a,22bの制御状態を示し、図6(D)〜(F)は、従来技術に係るスイッチ23,22a,22bの制御状態を示す。
具体的には、図6(A)〜(C)に例示するように、本発明に係る制御状態では、上述のようにスイッチング稼働率Da,Dbが設定されて制御されることで、電磁弁11,12を駆動する際に、例えば、各スイッチ23が10回スイッチング(オン/オフ)され、スイッチ22aが5回スイッチングされ、スイッチ22bが5回スイッチングされる。一方、図6(D)〜(F)に例示するように、従来技術に係る制御状態では、電磁弁11,12を駆動する際に、例えば、各スイッチ23が18回スイッチングされ、スイッチ22aが1回スイッチングされ、スイッチ22bが1回スイッチングされる。
このように、従来では、スイッチ22a,22bがオン状態である場合にスイッチ23を18回スイッチングしていた場合でも、本発明により、スイッチング稼働率Dbでスイッチ22a,22bを5回スイッチングし、スイッチング稼働率Daでスイッチ23を10回スイッチングすることで、最大スイッチング回数を18回から10回に減らすことができる。
したがって、最大スイッチング回数が減ることでスイッチング損失の増大が抑制されて、定電流制御時に制御されるスイッチ22a,22b,23の発熱を抑制することができる。
このように、スイッチ22a,22b,23の発熱が分散されるので、いずれかのスイッチのみ発熱が高い場合と比較して、各スイッチ22a,22b,23の冷却が容易となるだけでなく、耐熱性が高いスイッチを採用する必要もないので、電磁弁駆動装置20の低コスト化を図ることができる。
また、制御回路21は、スイッチ22a,22b,23にて生じる発熱の差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbを設定して、スイッチ22a,22b,23を制御する。このようにスイッチング稼働率Da,Dbが設定されてスイッチ22a,22b,23が制御されることで、各スイッチ22a,22b,23にて生じる発熱の差が小さくなり、1のスイッチが他のスイッチよりも高発熱する場合と比較して、当該各スイッチ22a,22b,23の発熱を効果的に抑制することができる。
特に、制御回路21は、スイッチ22a,22bにおけるオン制御時の定常損失LON−Lおよび1回のオン/オフでのスイッチング損失LSW−Lとスイッチング稼働率Db等とに応じて変化する各スイッチ22a,22bのそれぞれの発熱と、スイッチ23におけるオン制御時の定常損失LON−Cおよび1回のオン/オフでのスイッチング損失LSW−Cとスイッチング稼働率Da等とに応じて変化するスイッチ23の発熱との差を小さくするように、上記式(1)に基づいてスイッチング稼働率Da,Dbを設定して、各スイッチ22a,22b,23を制御する。これにより、各スイッチ22a,22b,23の発熱状態が各損失を考慮するように高精度に推測されてスイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されるので、当該各スイッチ22a,22b,23の発熱を確実に抑制することができる。
なお、上述した電磁弁駆動制御処理では、電磁弁11,12の駆動直前にスイッチング稼働率Da,Dbを設定しているが、これに限らず、電磁弁11,12の駆動中にスイッチング稼働率Da,Dbを設定し、このように設定されたスイッチング稼働率Da,Dbを次回以降の電磁弁11,12の駆動時に適用してもよい。また、電磁弁11,12の駆動ごとにスイッチング稼働率Da,Dbを設定することに限らず、処理負荷を減らすために、電磁弁11,12を複数回駆動するごとに1度、スイッチング稼働率Da,Dbを設定してもよい。
上記第1実施形態の変形例として、上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理では、定常損失LON−Cおよび定常損失LON−Lを、電源電圧VBと電磁弁11,12のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性(以下、インジェクタ特性Lという)に応じて補正し、環流中の損失LR−Lを、電磁弁11,12のインダクタンス成分および抵抗成分に起因するインジェクタ特性Lに応じて補正した状態で、スイッチング稼働率Da,Dbを設定してもよい。
具体的には、定常損失LON−C,LON−Lは、電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因するインジェクタ特性Lと電源電圧VBとに応じて変動し、環流中の損失LR−Lは、インジェクタ特性Lに応じて変動する。このため、インジェクタ特性Lおよび電源電圧VBに応じて定常損失LON−C,LON−Lを補正するとともにインジェクタ特性Lに応じて環流中の損失LR−Lを補正することで、各スイッチ22a,22b,23の発熱状態が高精度に推測されてスイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されるので、当該各スイッチ22a,22b,23の発熱を確実に抑制することができる。なお、定常損失LON−C,LON−Lをインジェクタ特性Lおよび電源電圧VBに応じて補正等する制御回路21は、特許請求の範囲に記載の「補正手段」の一例に相当し得る。
ここで、インジェクタ特性Lは、インダクタンス成分と抵抗成分との直列回路に対応することから、インジェクタ特性Lと電源電圧Vおよびインジェクタ電流iとには、以下の式(2)の関係が成立する。
V=L・di/dt ・・・(2)
このため、インジェクタ電流iの傾きdi/dtと電源電圧Vとから、インジェクタ特性Lを算出することができる。そして、上記式(2)に応じて、インジェクタ特性Lおよび電源電圧Vと定電流のリップル電流diとに基づいて、定常損失する時間dtが分かるので、di/dtとスイッチのオン抵抗Rから、以下の式(3)により、定常損失LONを求めることができる。
ON=R・i ・・・(3)
また、スイッチ23の熱抵抗Rth−Cやスイッチ22a,22bの熱抵抗Rth−Lは、電磁弁駆動装置の機種毎に変動する場合があるので、例えば、周囲の温度条件を変化させる等、熱的に問題となる動作条件でスイッチ22a,22b、23をそれぞれ所定期間スイッチング制御する動作試験事前に行い、それにより得られて予め記憶された各動作条件での熱抵抗Rth−C,Rth−Lのマップを用いて、スイッチング稼働率Da,Dbを設定してもよい。これにより、熱抵抗Rth−C,Rth−Lの精度が向上した状態でスイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されるので、当該各スイッチ22a,22b,23の発熱を確実に抑制することができる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る電磁弁駆動装置について説明する。
本第2実施形態に係る電磁弁駆動装置20では、上記第1実施形態に対して、上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理において、予め測定されて記憶される第1発熱状態および第2発熱状態に基づいて、スイッチ22a,22bに生じる発熱とスイッチ23に生じる発熱との差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定される。
具体的には、例えば、周囲の温度条件を変化させる等、熱的に問題となる動作条件でスイッチ22a,22b、23をそれぞれ所定期間スイッチング制御する動作試験を行い、そのときに測定されたスイッチ22a,22bの温度状態とスイッチ23の温度状態とが、上記第1発熱状態および第2発熱状態を示す動作条件ごとのマップとして、制御回路21のメモリ等に予め記憶されている。そして、上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理において、上述のように予め記憶された第1発熱状態および第2発熱状態に基づいて、スイッチ22a,22bに生じる発熱とスイッチ23に生じる発熱との差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定され、上記定電流制御処理により各スイッチ22a,22b,23がスイッチング制御される。
このように、所定期間スイッチング制御したときのスイッチ22a,22bの第1発熱状態とスイッチ23の第2発熱状態とが予め測定されているため、これら第1発熱状態および第2発熱状態から各スイッチ22a,22b、23の発熱の差を小さくするスイッチング期間の比率、すなわち、スイッチング稼働率Da,Dbを求めることができる。このように、実測された第1発熱状態および第2発熱状態に基づいてスイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されるので、各スイッチ22a,22b、23の発熱の差がより小さくなり、当該各スイッチ22a,22b、23の発熱を確実に抑制することができる。
[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る電磁弁駆動装置について説明する。
本第3実施形態に係る電磁弁駆動装置20では、上記第1実施形態に対して、上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理において、スイッチ22a,22bの実測温度から求められる当該スイッチ22a,22bの発熱と、スイッチ23の実測温度から求められる当該スイッチ23の発熱との差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定される。
本実施形態では、スイッチ22a,22b,23として、感温ダイオード(温度センサ)内蔵のMOSFETが採用されており、温度が変化することで発生する感温ダイオードのVFに変化に応じた温度信号が、制御回路21に入力されるように構成されている。これにより、制御回路21にて、スイッチ22a,22b,23の温度がリアルタイムに検出される。そして、上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理において、各スイッチ22a,22b,23の温度の差が小さくなるように、すなわち、スイッチ22a,22bの発熱とスイッチ23の発熱との差が小さくなるように、スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定され、上記定電流制御処理により各スイッチ22a,22b,23がスイッチング制御される。
これにより、各電磁弁11,12の開弁ごとに測定した温度から求めた各スイッチ22a,22b,23の発熱に基づいてスイッチング稼働率Da,Dbを設定して当該各スイッチ22a,22b,23を制御することで、事前の試験等を必要とすることなく、各スイッチ22a,22b,23の発熱状態に応じたスイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれリアルタイムに設定されるので、各スイッチ22a,22b,23の発熱の差がより小さくなり、当該各スイッチ22a,22b,23の発熱を確実に抑制することができる。
なお、本実施形態では、各スイッチ22a,22bは、特許請求の範囲に記載の「第1スイッチ手段」および「第1温度検出手段」を兼用した一例に相当し、スイッチ23は、特許請求の範囲に記載の「第2スイッチ手段」および「第2温度検出手段」を兼用した一例に相当し得る。また、各スイッチ22a,22b,23の温度は、感温ダイオード内蔵のスイッチを採用することで検出されることに限らず、例えば、外付けの温度センサ等、他の温度検出手段を用いて検出されてもよい。
[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係る電磁弁駆動装置について、図7を用いて説明する。図7は、第4実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図であり、図7(A)は、電磁弁11に流れるインジェクタ電流値Iaを示し、図7(B)は、スイッチ23のスイッチング制御状態を示し、図7(C)は、スイッチ22aのスイッチング制御状態を示し、図7(D)は、スイッチ24の制御状態を示す。
本第4実施形態に係る電磁弁駆動装置20は、スイッチ24のスイッチング制御を利用して定電流制御を実施する。すなわち、本実施形態に係る電磁弁駆動装置20では、上記第1実施形態のようにスイッチ24がオン制御後にオフ制御されてスイッチ23がスイッチング制御された後に、図7に示すように、スイッチ23をオフ制御にした状態でスイッチ24をスイッチング制御する。このようにしても、各スイッチ22a,22b,23,24の最大スイッチング回数が減ることでスイッチング損失の増大が抑制されて、定電流制御時に制御されるスイッチ22a,22b,23,24の発熱を抑制することができる。
特に、上記スイッチング稼働率設定処理にて、各スイッチ22a,22b,23,24のスイッチング稼働率を、上述のように各スイッチ22a,22b,23,24にて生じる発熱の差を小さくするように設定することで、各スイッチ22a,22b,23,24にて生じる発熱の差が小さくなり、1のスイッチが他のスイッチよりも高発熱する場合と比較して、当該各スイッチ22a,22b,23,24の発熱を効果的に抑制することができる。なお、スイッチ23とスイッチ24とに同じスイッチング素子を採用することで、上記式(1)を用いて両スイッチ23,24のスイッチング稼働率Daを設定することができる。
なお、本第4実施形態では、上記第2実施形態のように、予め測定されて記憶される各発熱状態に基づいて、各スイッチ22a,22b,23,24に生じる発熱の差を小さくするように、各スイッチング稼働率がそれぞれ設定されてもよい。また、本第4実施形態では、上記第3実施形態のように、各スイッチ22a,22b,23,24の実測温度から求められる当該各スイッチ22a,22b,23,24の発熱の差を小さくするように、各スイッチング稼働率がそれぞれ設定されてもよい。
[第5実施形態]
次に、本発明の第5実施形態に係る電磁弁駆動装置について、図8および図9を用いて説明する。図8は、第5実施形態に係る電磁弁駆動装置20aを採用した燃料噴射制御装置10の概略構成を示すブロック図である。図9は、第5実施形態の電磁弁駆動制御処理における開弁時の制御状態を説明する説明図であり、図9(A)は、電磁弁11に流れるインジェクタ電流値Iaを示し、図9(B)は、スイッチ22aのスイッチング制御状態を示し、図9(C)は、スイッチ24の制御状態を示す。
図8に示すように、本第5実施形態に係る電磁弁駆動装置20aは、上述した電磁弁駆動装置20に対して、スイッチ23およびダイオードD1を廃止するように構成されており、電磁弁駆動装置20aは、直流電源Bの電源電圧VBを直接利用した定電流制御と異なり、DCDCコンバータ25にて昇圧された高電圧を利用した定電流制御により、電磁弁11,12を駆動する。このため、電磁弁駆動装置20aでは、上記第1実施形態におけるスイッチ23のスイッチング制御による定電流制御と異なり、図9に示すように、スイッチ24のスイッチング制御による定電流制御が実施される。
すなわち、電磁弁駆動装置20aは、以下のように構成することができる。
電磁弁(11,12)のコイル(11a,12a)に対して、設定された駆動期間の開始時に前記電磁弁を速やかに開弁させるためのピーク電流と、前記駆動期間が終了するまで前記電磁弁の開弁状態を保持するための電流であって前記ピーク電流よりも小さいホールド電流とを供給する電磁弁駆動装置(20a)であって、この電磁弁駆動装置は、前記ピーク電流を前記コイルに供給可能なコンデンサ(C)と、直流電源(B)から電源電圧(VB)よりも高い高電圧を生成して前記コンデンサを充電する充電手段(25)と、を備えている。そして、前記コンデンサは、前記直流電源から前記コイルへの給電経路に対して並列に接続されて、前記コイルの高電位側および低電位側のいずれかに配置されて、前記駆動期間の開始時にオン状態になることで、前記コンデンサの高電圧を印加して前記ピーク電流を前記コイルに供給し、当該電磁弁駆動装置は、前記ピーク電流の供給後にスイッチングを開始することで前記直流電源の電源電圧を印加して前記ホールド電流を前記コイルに供給するスイッチング素子(22a,22b,24)を備えることを特徴とする。
このように、スイッチ22a,22b,24の動作に応じて、コンデンサCの高電圧が印加されることでピーク電流が供給された後に、直流電源Bの電源電圧VBが印加されることでホールド電流が供給されるので、上記第1実施形態のようにピーク電流供給用およびホールド電流供給用の2つの電流供給回路(23,24)の双方を設けることなく、1つの電流供給回路(24)のみで、異なる大きさの電流をコイル11a,12aに供給することができる。したがって、電磁弁11,12に対してピーク電流およびホールド電流を供給する構成を簡素化することができる。
そして、このように構成しても、定電流制御時における各スイッチ22a,22bのスイッチング稼働率Dbおよびスイッチ24のスイッチング稼働率Daを制御することで、各スイッチ22a,22b,24の最大スイッチング回数が減りスイッチング損失の増大が抑制されて、定電流制御時に制御されるスイッチ22a,22b,24の発熱を抑制することができる。
特に、上記スイッチング稼働率設定処理にて、各スイッチ22a,22b,24のスイッチング稼働率Da,Dbを、上述のように各スイッチ22a,22b,24にて生じる発熱の差を小さくするように設定することで、各スイッチ22a,22b,24にて生じる発熱の差が小さくなり、1のスイッチが他のスイッチよりも高発熱する場合と比較して、当該各スイッチ22a,22b,24の発熱を効果的に抑制することができる。
なお、本第5実施形態では、上記第2実施形態のように、予め測定されて記憶される各発熱状態に基づいて、各スイッチ22a,22b,24に生じる発熱の差を小さくするように、各スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されてもよい。また、本第5実施形態では、上記第3実施形態のように、各スイッチ22a,22b,24の実測温度から求められる当該各スイッチ22a,22b,24の発熱の差を小さくするように、各スイッチング稼働率Da,Dbがそれぞれ設定されてもよい。
なお、本発明は上記各実施形態および変形例に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
(1)本発明に係る燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置は、2気筒エンジンの各気筒に燃料を噴射供給する電磁弁11,12を制御対象とすることに限らず、単気筒エンジンまたは3気筒以上の多気筒エンジン用の電磁弁を制御対象としてもよい。
単気筒エンジン用の電磁弁が制御対象である場合には、電磁弁の低電位側に接続されて当該電磁弁に対して定電流制御時に制御される第1スイッチ手段と、この電磁弁の高電位側に接続されて当該電磁弁に対して定電流制御時に制御される第2スイッチ手段とについて、両スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbが設定されることとなる。また、多気筒エンジン用の電磁弁が制御対象である場合には、各電磁弁の低電位側にそれぞれ接続されて当該電磁弁に対して定電流制御時に制御される複数の第1スイッチ手段と、各電磁弁の高電位側に共用して接続されて当該電磁弁に対して定電流制御時に制御される第2スイッチ手段とについて、各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、スイッチング稼働率Da,Dbが設定されることとなる。
(2)上記ステップS101に示すスイッチング稼働率設定処理では、上記式(1)等を用いてスイッチング稼働率Da,Dbを設定することに限らず、Da+Db=1かつ0<Da<1,0<Db<1を満たすように、例えば、単にDa,Db=0.5となるようにスイッチング稼働率Da,Dbを設定してもよい。このようにしても、電磁弁11,12に対して電源電圧VBを印加する全て期間においてスイッチ23(24)をスイッチング制御するとともにスイッチ22aまたはスイッチ22bをオン制御する場合やスイッチ22aまたはスイッチ22bをスイッチング制御するとともにスイッチ23(24)をオン制御する場合と比較して、各スイッチ22a,22b,23(24)の最大スイッチング回数を減らすことができる。
(3)上述した各スイッチのうちスイッチング制御されないスイッチには、MOSFET等のスイッチング素子が採用されることに限らず、オン/オフ制御可能なスイッチ手段等が採用されてもよい。
10…燃料噴射制御装置
11…電磁弁
20,20a…電磁弁駆動装置(燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置)
21…制御回路(制御手段,補正手段)
22a,22b…スイッチ(第1スイッチ手段)
23…スイッチ(第2スイッチ手段)
24…スイッチ(第2スイッチ手段)
25…DCDCコンバータ(充電手段)
B…直流電源
C…コンデンサ
Da…スイッチング稼働率(第1の稼働率)
Db…スイッチング稼働率(第2の稼働率)
Th…ホールド期間
Tp…ピックアップ期間
VB…電源電圧

Claims (13)

  1. 電磁弁に対して、直流電源の電源電圧よりも高い高電圧を生成して印加し、その後定電流制御を実施することで当該電磁弁を駆動する燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置であって、
    前記高電圧を前記電磁弁に印加可能なコンデンサと、
    前記直流電源から前記高電圧を生成して前記コンデンサを充電する充電手段と、
    前記電磁弁の低電位側に接続されて当該電磁弁に対して前記定電流制御時に制御される第1スイッチ手段と、
    前記電磁弁の高電位側に接続されて当該電磁弁に対して前記定電流制御時に制御される第2スイッチ手段と、
    前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御可能な制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記定電流制御時において、第1の稼働率で前記第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率で前記第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第2スイッチ手段をオン制御することを特徴とする燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  2. 前記制御手段は、前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との両スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  3. 前記制御手段は、前記第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と前記第2の稼働率とに応じて変化する前記第1スイッチ手段の発熱と、前記第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と前記第1の稼働率とに応じて変化する前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率および前記第2の稼働率を設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  4. 前記定常損失を、前記電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と前記電源電圧とに応じて補正する補正手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  5. 前記第1スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第1スイッチ手段の発熱状態と、前記第2スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第2スイッチ手段の発熱状態とが、第1発熱状態および第2発熱状態として、予め測定されて記憶され、
    前記制御手段は、前記第1発熱状態および前記第2発熱状態に基づいて、前記第1スイッチ手段に生じる発熱と前記第2スイッチ手段に生じる発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  6. 前記第1スイッチ手段の温度を検出する第1温度検出手段と、
    前記第2スイッチ手段の温度を検出する第2温度検出手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記第1温度検出手段により検出される温度から求められる前記第1スイッチ手段の発熱と、前記第2温度検出手段により検出される温度から求められる前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  7. 複数の電磁弁が駆動対象であって、
    前記第1スイッチ手段は、前記複数の電磁弁に対して低電位側にそれぞれ接続されるとともに、前記第2スイッチ手段は、前記複数の電磁弁に対して高電位側に共用して接続され、
    前記制御手段は、前記複数の電磁弁のうち駆動する電磁弁に対する前記定電流制御時において、第1の稼働率で前記第2スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記駆動する電磁弁の低電位側の前記第1スイッチ手段をオン制御し、第2の稼働率で当該第1スイッチ手段をスイッチング制御するとともに前記第2スイッチ手段をオン制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  8. 前記制御手段は、複数の前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項7に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  9. 前記制御手段は、前記第1スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と前記第2の稼働率とに応じて変化する前記各第1スイッチ手段のそれぞれの発熱と、前記第2スイッチ手段におけるオン制御時の定常損失および1回のオン/オフでのスイッチング損失と前記第1の稼働率とに応じて変化する前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率および前記第2の稼働率を設定して、前記各第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  10. 前記定常損失を、前記電磁弁のインダクタンス成分および抵抗成分に起因する特性と前記電源電圧とに応じて補正する補正手段を備えることを特徴とする請求項9に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  11. 前記第1スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第1スイッチ手段の発熱状態と、前記第2スイッチ手段を所定期間スイッチング制御したときの当該第2スイッチ手段の発熱状態とが、第1発熱状態および第2発熱状態として、予め測定されて記憶され、
    前記制御手段は、前記第1発熱状態および前記第2発熱状態に基づいて、複数の前記第1スイッチ手段と前記第2スイッチ手段との各スイッチ手段にて生じる発熱の差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  12. 複数の前記第1スイッチ手段の温度をそれぞれ検出する複数の第1温度検出手段と、
    前記第2スイッチ手段の温度を検出する第2温度検出手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記複数の第1温度検出手段によりそれぞれ検出される温度から求められる前記各第1スイッチ手段の発熱と、前記第2温度検出手段により検出される温度から求められる前記第2スイッチ手段の発熱との差を小さくするように、前記第1の稼働率と前記第2の稼働率とを設定して、複数の前記第1スイッチ手段および前記第2スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項8に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
  13. 前記第2スイッチ手段は、前記定電流制御時において、前記高電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段と、前記電源電圧を印加する際に制御されるスイッチ手段とにより構成されることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置用電磁弁駆動装置。
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