JP2013130155A - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁の通電制御を行うに当たって、従来よりも燃料噴射弁の消費電力を削減することが可能な燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンに燃料を噴射する燃料噴射弁の通電制御を行う燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射弁の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段にて推定された前記燃料噴射弁の温度に基づいて、前記燃料噴射弁の通電開始から最大の駆動電流が流れるデューティ比で通電すべき初期通電時間を設定する設定手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射制御装置に関する。

下記特許文献１には、電磁式の燃料噴射弁の開弁開始時（通電開始時）に電磁コイルの電流を大きくして可動鉄心に作用する吸引力を高める一方、開弁完了（可動鉄心のリフト完了）を検出した後には電磁コイルの電流を小さくして開弁状態を保持することにより、燃料噴射弁の応答性向上及び消費電力削減を両立する技術が開示されている。

また、下記特許文献２には、オープンループの電流制御により燃料噴射弁を開閉動作させて燃料を噴射させエンジンに供給するにあたり、燃料噴射弁を開閉動作させるパルス信号のオフ時間が変化したとき、電磁コイルを流れる電流の電流値が常に一定となるように、変化したオフ時間に応じてオン時間における可動鉄心の吸引時間と保持時間とを変更する技術が開示されている。

特開平１０−２２７２５０号公報 特開２００５−２３８１１号公報

ところで、燃料噴射弁の温度が低下すると電磁コイルのインピーダンスも低下するため、電磁コイルに流れる電流が大きくなり可動鉄心に作用する吸引力も増すが、その反面、燃料に含まれる不純物の影響で可動鉄心の摺動抵抗も増大するので、結果的に電磁コイルの通電開始から開弁完了までの時間（可動鉄心のリフト完了までの時間）が長くなる。

上記特許文献１の技術は、燃料噴射弁の開弁完了を正確に検出することを目的としたものであって、電磁コイルの通電開始から開弁完了までの時間に大きな電流を流すことに変わりはないので、燃料噴射弁の温度低下によって電磁コイルの通電開始から開弁完了までの時間が長くなると、その長くなった時間分、大きな電流を電磁コイルに流し続けることになり、消費電力が増えてしまう。

また、上記特許文献２の技術では、燃料噴射弁の電磁コイルに流れる電流をオープンループ制御するので、燃料噴射弁の温度低下によって可動鉄心の摺動抵抗が増した分、可動鉄心に作用する吸引力が大きくなるように目標電流値を高めに設定する必要があるが、高温時にも同じように目標電流値を高めに設定するので、消費電力が増えてしまう。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁の通電制御を行うに当たって、従来よりも燃料噴射弁の消費電力を削減することが可能な燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第１の解決手段として、エンジンに燃料を噴射する燃料噴射弁の通電制御を行う燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射弁の温度を推定する温度推定手段と、前記温度推定手段にて推定された前記燃料噴射弁の温度に基づいて、前記燃料噴射弁の通電開始から最大の駆動電流が流れるデューティ比で通電すべき初期通電時間を設定する設定手段とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記温度推定手段は、前記燃料噴射弁の通電時間の積算値、前記燃料の温度、雰囲気温度、前記エンジンの回転数及び前記燃料の流量に基づいて前記燃料噴射弁の温度を推定する、という手段を採用する。

また、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記温度推定手段は、前記燃料噴射弁の通電時間と前記エンジンの回転数に基づいて前記燃料の流量を算出する、という手段を採用する。

また、本発明では、燃料噴射制御装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記設定手段は、前記温度推定手段にて推定された前記燃料噴射弁の温度に加えて、前記燃料噴射弁の通電に用いられる電源電圧及び前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に基づいて前記初期通電時間を設定する、という手段を採用する。

本発明によれば、燃料噴射弁の通電開始から最大の駆動電流が流れるデューティ比で通電すべき初期通電時間を燃料噴射弁の温度に応じて適切な値に設定するので、燃料噴射弁の通電制御、特に燃料噴射弁の応答性向上及び消費電力削減を両立する制御を行うに当たって、従来よりも燃料噴射弁の消費電力を削減することが可能となる。

本実施形態に係る燃料噴射制御装置１の概略構成図である。 マイコン１４が有する初期通電時間を設定するための機能ブロック図である。 マイコン１４が出力する第１コントロール信号ＡＩＮＪＨ及び第２コントロール信号ＡＩＮＪＬと、インジェクタ２の電磁コイル２ａに流れる駆動電流Ｉｄと、インジェクタ２の可動鉄心のリフト状態との対応関係を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料噴射制御装置１の概略構成図である。この図１に示すように、燃料噴射制御装置１は、不図示のエンジンに燃料（液体燃料或いは気体燃料）を噴射するインジェクタ２の通電制御を行うＥＣＵ(Electric Control Unit)であり、電源回路１１、インジェクタ駆動回路１２、抵抗分圧回路１３及びマイコン１４を備えている。

電源回路１１は、入力端子がイグニションスイッチ３を介してバッテリ４の正極端子に接続されていると共に、出力端子がマイコン１４や他の低圧回路（図示省略）に接続されており、イグニションスイッチ３のオン時にバッテリ４から供給される電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ（例えば１２Ｖ）を降圧して、マイコン１４や他の低圧回路に供給すべき低圧回路用電源電圧Ｖｃｃ（例えば５Ｖ）を生成する。

インジェクタ駆動回路１２は、マイコン１４による制御に応じてインジェクタ２（詳細にはインジェクタ２の電磁コイル２ａ）に駆動電流Ｉｄを供給するものであり、第１ダイオード１２ａ、第２ダイオード１２ｂ、ツェナーダイオード１２ｃ、第１トランジスタ１２ｄ、第２トランジスタ１２ｅ、第３トランジスタ１２ｆ、第１抵抗１２ｇ、第２抵抗１２ｈ、第３抵抗１２ｉ、第４抵抗１２ｊ及び第５抵抗１２ｋから構成されている。

第１ダイオード１２ａは、カソード端子がイグニションスイッチ３を介してバッテリ４の正極端子に接続されていると共にインジェクタ２の電磁コイル２ａの一端に接続されており、アノード端子が第１トランジスタ１２ｄのコレクタ端子に接続されている。

第２ダイオード１２ｂは、カソード端子が第３トランジスタ１２ｆのゲート端子に接続されていると共に第４抵抗１２ｊの一端に接続されており、アノード端子がツェナーダイオード１２ｃのアノード端子に接続されている。

ツェナーダイオード１２ｃは、カソード端子がインジェクタ２の電磁コイル２ａの他端、第１トランジスタ１２ｄのエミッタ端子及び第３トランジスタ１２ｆのドレイン端子に接続されており、アノード端子が第２ダイオード１２ｂのアノード端子に接続されている。

第１トランジスタ１２ｄは、例えばＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであり、コレクタ端子が第１ダイオード１２ａのアノード端子に接続され、エミッタ端子がインジェクタ２の電磁コイル２ａの他端、ツェナーダイオード１２ｃのカソード端子及び第３トランジスタ１２ｆのドレイン端子に接続され、ベース端子が第１抵抗１２ｇの一端に接続されている。

第２トランジスタ１２ｅは、例えばＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであり、コレクタ端子が第１抵抗１２ｇの他端に接続され、エミッタ端子が第２抵抗１２ｈの一端及びグラウンドに接続され、ベース端子が第２抵抗１２ｈの他端及び第３抵抗１２ｉの一端に接続されている。

第３トランジスタ１２ｆは、例えばＮチャネル型のＭＯＳ−ＦＥＴであり、ドレイン端子がインジェクタ２の電磁コイル２ａの他端、ツェナーダイオード１２ｃのカソード端子及び第１トランジスタ１２ｄのエミッタ端子に接続され、ソース端子がグラウンドに接続され、ゲート端子が第２ダイオード１２ｂのカソード端子及び第４抵抗１２ｊの一端に接続されている。

第１抵抗１２ｇは、一端が第１トランジスタ１２ｄのベース端子に接続され、他端が第２トランジスタ１２ｅのコレクタ端子に接続されている。第２抵抗１２ｈは、一端が第２トランジスタ１２ｅのエミッタ端子及びグラウンドに接続され、他端が第２トランジスタ１２ｅのベース端子及び第３抵抗１２ｉの一端に接続されている。第３抵抗１２ｉは、一端が第２トランジスタ１２ｅのベース端子及び第２抵抗１２ｈの他端に接続され、他端がマイコン１４の第１出力ポートＰ１に接続されている。

第４抵抗１２ｊは、一端が第２ダイオード１２ｂのカソード端子及び第３トランジスタ１２ｆのゲート端子に接続され、他端が第５抵抗１２ｋの一端及びマイコン１４の第２出力ポートＰ２に接続されている。第５抵抗１２ｋは、一端が第４抵抗１２ｊの他端及びマイコン１４の第２出力ポートＰ２に接続され、他端がグラウンドに接続されている。

このような構成のインジェクタ駆動回路１２によると、第１トランジスタ１２ｄ、第２トランジスタ１２ｅ及び第３トランジスタ１２ｆのオン／オフ状態を制御することで、インジェクタ２（電磁コイル２ａ）の通電デューティ比を任意に設定できるので、電磁コイル２ａに流れる駆動電流Ｉｄを任意に制御できる。

抵抗分圧回路１３は、電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴをマイコン１４が処理可能な電圧値である５Ｖ以下に分圧してマイコン１４に出力する回路であり、イグニションスイッチ３に接続された配線とグラウンドとの間に直列接続された２つの抵抗素子１３ａ、１３ｂから構成されている。これら２つの抵抗素子１３ａ、１３ｂの接続箇所がマイコン１４の電圧監視ポートＰｍに接続されている。

マイコン１４は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)やメモリ、入出力インターフェイス等が一体的に組み込まれたマイクロコンピュータであり、エンジン状態を検出する各種センサ（図示省略）から入力される各種センサ信号と、抵抗分圧回路１３の出力電圧（電圧監視ポートＰｍへの入力電圧）とに基づいて、インジェクタ２の通電制御を行う。具体的には、マイコン１４は、第１出力ポートＰ１から第１コントロール信号ＡＩＮＪＨを出力すると共に、第２出力ポートＰ２から第２コントロール信号ＡＩＮＪＬを出力することにより、第１トランジスタ１２ｄ、第２トランジスタ１２ｅ及び第３トランジスタ１２ｆのオン／オフ状態を制御し、インジェクタ２（電磁コイル２ａ）の通電デューティ比、ひいては駆動電流Ｉｄを制御する。

なお、マイコン１４に入力される各種センサ信号には、少なくとも、クランク軸が一定角度回転する時間を１周期とするクランクパルス信号、吸気温度（インジェクタ２の雰囲気温度）を示す吸気温度信号、インジェクタ２の直近の燃料温度を示す燃料温度信号、燃料圧力を示す燃料圧力信号などが含まれている。マイコン１４は、吸気温度信号、燃料温度信号、燃料圧力信号及び抵抗分圧回路１３の出力電圧をＡ／Ｄ変換することにより、吸気温度、燃料温度、燃料圧力及び電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ（バッテリ４の出力電圧）のそれぞれの値を認識する。

このマイコン１４は、以下で説明する手順に従ってインジェクタ２の通電制御（燃料噴射制御）を行う。まず、マイコン１４は、外部入力される各種センサ信号と、抵抗分圧回路１３の出力電圧（電圧監視ポートＰｍへの入力電圧）とに基づいて、今回の燃料噴射タイミングでエンジンに噴射すべき燃料噴射量（インジェクタ２の通電時間）を算出する。

ここで本実施形態では、インジェクタ２の開弁開始時（通電開始時）には電磁コイル２ａに流れる駆動電流Ｉｄを大きくして可動鉄心に作用する吸引力を高める一方、開弁完了（可動鉄心のリフト完了）後には駆動電流Ｉｄを小さくして開弁状態を保持することにより、インジェクタ２の応答性向上及び消費電力削減を両立することを制御目標としている。

従って、インジェクタ２の通電時間（以下、インジェクタ通電時間と称す）には、通電開始から最大の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比（例えば１００％のデューティ比）で通電すべき初期通電時間（実際には燃料は噴射されないが開弁させるために必要な時間）と、開弁完了後に開弁状態を保持できる程度の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比で通電すべき保持通電時間（実際に要求される量の燃料を噴射するのに必要な時間）とが含まれている。

ところが、前述のように、インジェクタ２の温度が低下すると、燃料に含まれる不純物の影響で可動鉄心の摺動抵抗が増大するので、結果的に電磁コイル２ａの通電開始から開弁完了までの時間（可動鉄心のリフト完了までの時間）が長くなる。つまり、通電開始から開弁完了までの時間には温度依存性があり、上記の初期通電時間をインジェクタ２の温度に関係なく設定すると、低温では駆動電流Ｉｄを十分な時間流すことができずに応答性が低下し、逆に高温では駆動電流Ｉｄを流す時間が延びて消費電力が増してしまう。

そこで、本実施形態において、マイコン１４は、上記の初期通電時間をインジェクタ２の温度（以下、インジェクタ温度と称す）に応じて適切な値となるように設定する。図２は、マイコン１４が有する初期通電時間を設定するための機能ブロック図である。この図２に示すように、マイコン１４は、プログラムの実行により実現されるソフトウェア的な機能として、インジェクタ温度を推定するインジェクタ温度推定部１４ａ（温度推定手段）と、推定されたインジェクタ温度に基づいて、インジェクタ２の通電開始から１００％のデューティ比で通電すべき初期通電時間を設定する初期通電時間設定部１４ｂ（設定手段）とを有している。

インジェクタ温度推定部１４ａは、インジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量に基づいてインジェクタ温度を推定する。具体的には、インジェクタ温度推定部１４ａは、予め実験的に求められた、インジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量とインジェクタ温度との対応関係を示すテーブルデータを参照してインジェクタ温度を推定する。なお、インジェクタ温度推定部１４ａは、インジェクタ通電時間とエンジンの回転数に基づいて燃料流量を算出する。

これらインジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量は、それぞれインジェクタ温度の変化要因となるものである。すなわち、インジェクタ通電時間の積算値が増加すると、インジェクタ２の電磁コイル２ａの発熱量が増加してインジェクタ温度が上昇する。また、燃料温度が上昇すると、インジェクタ２を通過する燃料の温度が高いのでインジェクタ温度が上昇する。また、吸気温度が上昇すると、インジェクタ２の雰囲気温度が上昇するのでインジェクタ温度が上昇する。また、エンジンの回転数が高くなると、単位時間当たりのピーク電流が増加（電磁コイル２ａの発熱量が増加）してインジェクタ温度が上昇する。また、燃料流量が増加すると、燃料によるインジェクタ２の冷却効果が増大する。

従って、これらインジェクタ温度の変化要因となるインジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量とインジェクタ温度との対応関係を示すテーブルデータを予め実験的に求めておくことにより、インジェクタ温度を正確に推定することができる。

初期通電時間設定部１４ｂは、インジェクタ温度推定部１４ａにて推定されたインジェクタ温度に加えて、インジェクタ２の通電に用いられる電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ（バッテリ４の出力電圧）及びインジェクタ２に供給される燃料の圧力（燃料圧力）に基づいて、インジェクタ２の通電開始から１００％のデューティ比で通電すべき初期通電時間を設定する。具体的には、初期通電時間設定部１４ｂは、予め実験的に求められた、インジェクタ温度、電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ及び燃料圧力と初期通電時間との対応関係を示すテーブルデータを参照して初期通電時間を設定する。

マイコン１４は、上記のように初期通電時間を設定した後、エンジンの環境条件（例えばエンジン回転数及び吸気温度等）に基づいて、初期通電時間の終了時から開弁状態を保持できる程度の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比で通電すべき保持通電時間を設定する。具体的には、マイコン１４は、予め実験的に求められた、エンジン回転数及び吸気温度と保持通電時間との対応関係を示すテーブルデータを参照して保持通電時間を設定する。

マイコン１４は、上記のように算出された初期通電時間と保持通電時間との加算値をインジェクタ通電時間（＝初期通電時間＋保持通電時間）として算出し、今回の燃料噴射タイミングが到来した時に、そのインジェクタ通電時間の内、初期通電時間では１００％のデューティ比でインジェクタ２の通電を行い、残りの保持通電時間では開弁状態を保持できる程度の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比でインジェクタ２の通電を行う。

図３は、マイコン１４が出力する第１コントロール信号ＡＩＮＪＨ及び第２コントロール信号ＡＩＮＪＬと、インジェクタ２の電磁コイル２ａに流れる駆動電流Ｉｄと、インジェクタ２の可動鉄心のリフト状態との対応関係を示すタイミングチャートである。この図３において、時刻ｔ１が燃料噴射タイミングであり、時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間がインジェクタ通電時間であると想定する。

マイコン１４は、時刻ｔ１、つまり燃料噴射タイミングが到来すると、初期通電時間に相当する時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間に、ローレベルの第１コントロール信号ＡＩＮＪＨを出力すると共に、ハイレベルの第２コントロール信号ＡＩＮＪＬを出力する。これにより、初期通電時間中では、インジェクタ２が１００％のデューティ比で通電され、時刻ｔ１から駆動電流Ｉｄが最大値に向かって上昇していくことになる。そして、電磁コイル２ａに流れる駆動電流Ｉｄがある値まで上昇すると、インジェクタ２の可動鉄心がリフトを開始し始め、一定時間後にリフト完了状態（開弁完了状態）となり、燃料噴射が開始される。

マイコン１４は、初期通電時間が終了する、つまり時刻ｔ２が到来すると、保持通電時間に相当する時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間に、第１コントロール信号ＡＩＮＪＨ及び第２コントロール信号ＡＩＮＪＬを変化させて、開弁状態を保持できる程度の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比でインジェクタ２の通電を行う。これにより、保持通電時間中では、インジェクタ２の開弁状態が保持されて要求量の燃料が噴射される。

以上のように、本実施形態によれば、インジェクタ２の通電開始から最大の駆動電流Ｉｄが流れるデューティ比（例えば１００％のデューティ比）で通電すべき初期通電時間をインジェクタ温度に応じて適切な値に設定するので、インジェクタ２の通電制御、特にインジェクタ２の応答性向上及び消費電力削減を両立する制御を行うに当たって、従来よりもインジェクタ２の消費電力を削減することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、予め実験的に求められた、インジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量とインジェクタ温度との対応関係を示すテーブルデータを参照してインジェクタ温度を推定する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、インジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量を変数とした演算式によってインジェクタ温度を推定（算出）するようにしても良い。また、インジェクタ温度を推定するために使用するパラメータは、これらインジェクタ通電時間の積算値、燃料温度、吸気温度、エンジンの回転数及び燃料流量に限定されない。

（２）上記実施形態では、予め実験的に求められた、インジェクタ温度、電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ及び燃料圧力と初期通電時間との対応関係を示すテーブルデータを参照して初期通電時間を設定する場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、インジェクタ温度、電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ及び燃料圧力を変数とした演算式によって初期通電時間を設定（算出）するようにしても良い。また、初期通電時間の設定に電源電圧Ｖ_ＢＡＴＴ及び燃料圧力が不要であれば、インジェクタ温度のみで初期通電時間を設定しても良い。

（３）上記実施形態では、液体燃料或いは気体燃料を単一エンジンに供給するモノフューエルシステムに使用される燃料噴射制御装置１を例示したが、本発明はこれに限定されず、液体燃料と気体燃料とを選択的に単一エンジンに供給するバイフューエルシステムに使用される燃料噴射制御装置にも本発明を適用することができる。

１…燃料噴射制御装置、１１…電源回路、１２…インジェクタ駆動回路、１３…抵抗分圧回路、１４…マイコン、１４ａ…インジェクタ温度推定部（温度推定手段）、１４ｂ…初期通電時間設定部（設定手段）

Claims (4)

1. エンジンに燃料を噴射する燃料噴射弁の通電制御を行う燃料噴射制御装置であって、
   前記燃料噴射弁の温度を推定する温度推定手段と、
   前記温度推定手段にて推定された前記燃料噴射弁の温度に基づいて、前記燃料噴射弁の通電開始から最大の駆動電流が流れるデューティ比で通電すべき初期通電時間を設定する設定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 前記温度推定手段は、前記燃料噴射弁の通電時間の積算値、前記燃料の温度、雰囲気温度、前記エンジンの回転数及び前記燃料の流量に基づいて前記燃料噴射弁の温度を推定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。
3. 前記温度推定手段は、前記燃料噴射弁の通電時間と前記エンジンの回転数に基づいて前記燃料の流量を算出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。
4. 前記設定手段は、前記温度推定手段にて推定された前記燃料噴射弁の温度に加えて、前記燃料噴射弁の通電に用いられる電源電圧及び前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に基づいて前記初期通電時間を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。

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