JP2015206371A

JP2015206371A - 電磁弁装置の駆動装置

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Publication number: JP2015206371A
Application number: JP2015161530A
Authority: JP
Inventors: 亮草壁; Akira Kusakabe; 安部　元幸; Motoyuki Abe; 元幸安部; 秀治江原; Hideji Ebara; 石川　亨; Toru Ishikawa; 石川　　亨; 拓也黛; Takuya Mayuzumi; 黛　　拓也; 平工　賢二; Kenji Hiraku; 賢二平工
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: JP6186402B2

Abstract

【課題】弁体の不安定な挙動を抑制して燃料噴射特性の線形領域を低噴射量側に拡大することにより、最小噴射量を低減した燃料噴射装置の駆動装置を提供する。【解決手段】燃料噴射装置の開弁時にバッテリ電圧より高い電圧に昇圧された高電圧源から電圧４１０を印加して電流を燃料噴射装置に供給後、高電圧源からの電圧４１０の印加を停止して、燃料噴射装置に供給する電流を弁体の開弁を保持できない電流値４０５まで低下させ、その後、保持電流４０８へ切替える段階で高電圧源から電圧４１１を印加する。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば内燃機関に使用される燃料噴射装置に関するものである。

近年、炭酸ガスの排出規制の強化や、化石燃料枯渇の懸念から、内燃機関における燃費（燃料消費率）の向上が求められている。このため、内燃機関の各種の損失を低減することで、燃費の向上を図る努力が行われている。一般に、損失を低減すると、機関の運転に必要な出力を小さくすることができるため、内燃機関の最低出力を小さくすることができる。このような内燃機関においては、最低出力に対応した少ない燃料量まで制御して供給する必要が生じる。

また、近年では、排気量を減らして小型化するとともに、過給器によって出力を得るようにしたダウンサイジングエンジンが注目されている。ダウンサイジングエンジンでは、排気量を減らすことで、ポンピングロスやフリクションを低減することができるため、燃費を向上することができる。一方で、過給器を用いることで十分な出力を得ると共に、筒内直接噴射を行うことによる吸気冷却効果により、過給に伴う圧縮比の低下を抑制して、燃費を向上することができる。特に、このダウンサイジングエンジンに用いる燃料噴射装置では、低排気量化によって得る最低出力に対応した最小噴射量から、過給によって得る最高出力に対応した最大噴射量までの広範囲に亘って燃料を噴射できる必要がある。

一般に、燃料噴射装置の噴射量は、ＥＣＵより出力される駆動パルスのパルス幅によって制御する。パルスを長くすると噴射量が大きく、パルスを短くすると噴射量が小さくなり、その関係は略線形的である。しかしながら、駆動パルスが短い領域では、可動子がストッパーなどに衝突した際に生じる跳ね返り現象（可動子のバウンド挙動）により、噴射パルス幅に対して噴射量が直線的に変化せず、このために燃料噴射装置の制御可能な最小噴射量が増加してしまうという問題があった。また、前述の可動子の跳ね返り現象のために噴射量が安定しない場合があり、これも最小噴射量を増大させたり、燃料噴射装置の個体ばらつきを増大させる原因となることがあった。

上述したように、燃費を向上するためには、燃料噴射装置が制御可能な最小噴射量を低減する必要がある。

最小噴射量を低減するためには、可動子のバウンド挙動を抑制する必要があり、このための技術として、特開昭５８−２１４０８１号公報には、開弁動作が完了する直前（目標リフト到達直前）に電流を急速に遮断することによって、プランジャの速度を減速させ、プランジャの跳ね返り現象を抑制することで、流量特性の非直線性を改善し、最小噴射量を低減する電磁弁駆動装置が開示されている。

また、最小噴射量を低減するための別の手段として、特開２００９−１６２１１５号公報に開示された燃料噴射制御装置が知られている。この燃料噴射制御装置では、高電圧源から電流を供給後、急速に電流を放電させ、弁体の開弁を保持できない第１の電流値以下まで低下させた後、開弁を保持できる第２の電流値を供給することで、小パルス領域での燃料噴射弁の閉弁遅れを小さくし、最小噴射量を低減可能にしている。

特開昭５８−２１４０８１号公報特開２００９−１６２１１５号公報

上記従来技術では、駆動電流を遮断するタイミングについての配慮が必ずしも十分ではなかった。開弁途中においては、駆動電流を遮断してから磁気吸引力が低下するまでには遅れ時間が存在するため、駆動電流は開弁完了より以前であることに加えて、所望の減速タイミングより更に以前に遮断されている必要がある。

特に、高い応答性が要求されている筒内噴射用の燃料噴射装置においては、弁体の運動が高速であるため、弁体の開弁動作の完了直前で電流を遮断しても、磁気吸引力が減少して減速力を得るまでの遅れ時間の間に開弁が完了してしまい、十分な効果が得られない。

また、特開２００９−１６２１１５号公報に開示されている装置では、高電圧源からの電流を遮断してから開弁を保持できる保持電流値に復帰させる際に生じる問題点についての配慮が十分ではない。

高電圧源から電流を供給後、電流を遮断し、開弁を保持できない電流値にまで電流を低下させる場合、そのままでは、開弁状態を維持できずに閉弁してしまう。このため、開弁状態を維持できる電流値、すなわち電流の遮断後に保持電流を供給する必要がある。しかしながら、遮断期間中の電流値から保持電流への移行をバッテリ電圧で行うと、電流値が所定の保持電流に達するまでの時間が長くなり、開弁状態を安定して維持することができないという問題があった。

本発明の目的は、弁体の不安定な挙動を抑制して最小噴射量を低減した燃料噴射装置の駆動装置を提供することにある。

本発明では、燃料噴射装置の開弁時にバッテリ電圧より高い電圧に昇圧された高電圧源から電圧を印加して電流を燃料噴射装置に供給後、高電圧源からの電圧の印加を停止して、燃料噴射装置に供給する電流を弁体の開弁を保持できない電流値以下まで低下させた後、保持電流へ切替える段階で高電圧源から電圧を印加する。

具体的には、以下のように構成すると良い。

弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置に弁体の駆動電流を供給する駆動装置であって、燃料噴射装置に対する第１の電圧源と第１の電圧源よりも高い電圧を生じる第２の電圧源との電気的な接続をオンオフする手段を備え、閉弁状態から開弁状態に弁体を動作させる開弁時に第２の電圧源の電圧を燃料噴射装置に印加して弁体の駆動電流を第２の電圧源から供給し、その後、第２の電圧源の電圧の印加を停止して第１の電圧源の電圧を燃料噴射装置に印加することにより弁体を開弁状態に保持する保持電流を第１の電圧源から供給する燃料噴射装置の駆動装置において、第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくし、その後、第２の電圧源の電圧の印加を再開して弁体を開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくし、その後、前記保持電流を第１の電圧源から供給する。

このとき、前記第１の電圧源の電圧を昇圧する昇圧回路で前記第２の電圧源を構成するとよい。

また、前記第２の電圧源を駆動装置上に備えるとよい。

また、第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくする際に、弁体が最大リフト位置に到達する前に弁体の移動速度が減速するタイミングで、前記第２の電圧源の電圧の印加を停止するとよい。

また、第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくした後に、第１の電圧源の電圧を印加して弁体を開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくする制御を実行可能に構成し、弁体を開弁状態に保持できない電流値から開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくする際に用いる電圧源として前記第１の電圧源又は前記第２の電圧源のいずれかを選択可能にするとよい。

本発明によれば、素早く保持電流値に切替えることができ、弁体の不安定な挙動を抑制することができるので、最小噴射量を低減した燃料噴射装置の駆動装置を提供することができる。

本発明の一実施例における燃料噴射装置の縦断面図と、この燃料噴射装置に接続される駆動回路及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成を示す図である。燃料噴射装置を駆動する一般的な噴射パルス，燃料噴射装置に供給する電圧と励磁電流のタイミング，弁体挙動の関係を示した図である。図２における噴射パルスのパルス幅Ｔｉと燃料噴射量との関係を示す図である。本発明の第一実施例における噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示す図である。第一実施例における噴射パルスのパルス幅Ｔｉと燃料噴射量の関係を示す図である。本発明の第二実施例における噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示す図である。本発明の第三実施例における噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示す図である。燃料噴射装置を駆動するための駆動回路について、本発明の一実施例を示す構成図である。図８の駆動回路について、噴射パルスと駆動電流（励磁電流）とスイッチング素子の切替えタイミングとを示した図である。

以下、図１〜図７を用いて、本発明に係る燃料噴射装置及びその駆動装置の構成と動作について説明する。

最初に、図１を用いて、燃料噴射装置及びその駆動装置の構成と基本的な動作を説明する。図１は、燃料噴射装置の縦断面図とその燃料噴射装置を駆動するためのＥＤＵ（駆動回路：エンジンドライブユニット）１２１，ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１２０の構成の一例を示す図である。本実施例ではＥＣＵ１２０とＥＤＵ１２１とは別体の部品として構成されているが、ＥＣＵ１２０とＥＤＵ１２１は一体の部品として構成されてもよい。

ＥＣＵ１２０では、エンジンの状態を示す信号を各種センサーから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて適切な噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１２０より出力された噴射パルスは、信号線１２３を通して燃料噴射装置の駆動回路１２１に入力される。駆動回路１２１は、ソレノイド１０５に印加する電圧を制御し、電流を供給する。ＥＣＵ１２０は、通信ライン１２２を通して、駆動回路１２１と通信を行っており、燃料噴射装置に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動回路１２１によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。駆動回路１２１は、ＥＣＵ１２０との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて電流波形が変化する。

燃料噴射装置の縦断面を用いて構成と動作について説明する。

図１に示した燃料噴射装置は通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射弁）であり、ソレノイド（コイル）１０５に通電されていない状態では、可動子である弁体１１４は第１のばねであるスプリング１１０によって弁座１１８に向けて付勢され、弁座１１８に密着して閉状態となっている。この閉状態においては、アンカー１０２は第２のばねであるゼロ位置ばね１１２によって固定コア１０７側（開弁方向）に付勢されており、弁体１１４の固定コア側の端部に設けられた規制部１１４ａに密着している。この状態では、アンカー１０２と固定コア１０７との間には隙間がある状態となっている。弁体１１４のロッド部１１４ｂをガイドするロッドガイド１１３がハウジングを成すノズルホルダ１０１に固定されている。弁体１１４とアンカー１０２とは相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ１０１に内包されている。また、ロッドガイド１１３はゼロ位置ばね１１２のばね座を構成している。スプリング１１０による力は、固定コア１０７の内径に固定されるバネ押さえ１２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。なお、ゼロ位置ばね１１２の付勢力はスプリング１１０の付勢力よりも小さく設定されている。

燃料噴射装置は、固定コア１０７，アンカー１０２，ヨーク１０３とで磁気回路を構成しており、アンカー１０２と固定コア１０７との間に空隙を有している。ノズルホルダ１０１のアンカー１０２と固定コア１０６との間の空隙に対応する部分には磁気絞り１１１が形成されている。ソレノイド１０５はボビン１０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ１０１の外周側に取り付けられている。

弁体１１４の規制部１１４ａとは反対側の端部の近傍にはロッドガイド１１５がノズルホルダ１０１に固定されるようにして設けられている。弁体１１４は第１のロッドガイド１１３と第２のロッドガイド１１５との２つのロッドガイドにより、弁軸方向の動きをガイドされている。

ノズルホルダ１０１の先端部には、弁座１１８と燃料噴射孔１１９とが形成されたオリフィスプレート１１６が固定され、アンカー１０２と弁体１１４とが設けられた内部空間（燃料通路）を外部から封止している。

燃料は燃料噴射装置の上部より供給され、弁体１１４の規制部１１４ａとは反対側の端部に形成されたシール部と弁座１１８とで燃料をシールしている。閉弁時には、燃料圧力によって弁座位置におけるシート内径に応じた力で弁体が閉方向に押されている。

ソレノイド１０５に電流が通電されると、アンカー１０２と固定コア１０７との間に磁束が発生し、磁気吸引力が発生する。アンカー１０２に作用する磁気吸引力がスプリング１１０による荷重と、燃料圧力による力の和を超えると、アンカー１０２が上方へ動く。このときアンカー１０２は弁体１１４の規制部１１４ａと係合した状態で弁体１１４と一緒に上方へ移動し、アンカー１０２の上端面が固定コア１０７の下面に衝突するまで移動する。

その結果、弁体１１４が弁座より離間し、供給された燃料が、複数の燃料噴射孔１１９から噴射される。

ソレノイド１０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。アンカー１０２に作用する磁気吸引力が消滅することによって、弁体１１４はスプリング１１０の荷重と、燃料圧力による力によって、弁座１１８に接触する閉位置に押し戻される。弁体１１４が閉位置に押し戻される動作では、アンカー１０２は弁体１１４の規制部１１４ａと係合した状態で一緒に移動する。

本実施例の燃料噴射装置では、弁体１１４とアンカー１０２とは、開弁時にアンカー１０２が固定コア１０７と衝突した瞬間と、閉弁時に弁体１１４が弁座１１８と衝突した瞬間の非常に短い時間、相対的な変位を生じることにより、アンカー１０２の固定コア１０７に対するバウンドや弁体１１４の弁座１１８に対するバウンドを抑制する効果を奏する。

なお、上記のように構成されることにより、スプリング１１０は磁気吸引力による駆動力の向きとは逆向きに弁体１１４を付勢しており、ゼロ位置ばね１１２はスプリング１１０の付勢力とは逆向きにアンカー１０２を付勢している。

次に、燃料噴射装置を駆動する一般的な噴射パルスと駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係（図２）、及び噴射パルスと燃料噴射量との関係（図３）について説明する。

駆動回路１２１に噴射パルスが入力されると、駆動回路１２１はバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源からソレノイド１０５に高電圧２０１を印加し、ソレノイド１０５に電流の供給が開始される。電流値が、予め定められたピーク電流値Ｉpeakに到達すると、高電圧２０１の印加を停止する。その後、印加する電圧を０Ｖ以下にし、電流２０２のように電流値を低下させる。電流値が所定の電流値２０４より小さくなると、駆動回路１２１はバッテリ電圧の印加をスイッチングによって行い、所定の電流２０３になるように制御する。

このような供給電流のプロファイルにより、燃料噴射装置は駆動される。高電圧２０１の印加からピーク電流に到達するまでの間に弁体のリフトは開始され、弁体はやがて目標リフト位置に到達する。目標リフト位置到達後は、アンカー１０２と固定コア１０７との衝突により、弁体１１４がバウンド動作を行い、やがて保持電流が生成する磁気吸引力によって、弁体１１４は所定の目標リフト位置に静止し、安定した開弁状態となる。なお、弁体１１４はアンカー１０２に対して相対変位可能に構成されているため、目標リフト位置を越えて変位している。

次に、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量との関係について説明する。噴射パルス幅が一定の時間に達しない時には、弁体は開弁しないため、燃料は噴射されない。噴射パルス幅が短い、例えば３０１のような条件では、弁体はリフトを開始するが、弁体が目標リフト位置に達する前に閉弁を開始するため、直線領域３２０から外挿される破線３３０に対して噴射量は少なくなる。点３０２のパルス幅では、目標リフト位置に達した直後に閉弁を開始し、閉弁に要する時間の割合が大きくなるため、破線３３０に対して噴射量が多くなる。点３０３の噴射パルス幅では、弁体のバウンド量が最大となるタイミングｔ₂₃において閉弁を開始するため、噴射パルスＯＦＦから閉弁するまでの閉じ遅れ時間が小さくなり、その結果噴射量は破線３３０に対して少なくなっている。点３０４は、弁体のバウンドが収束した直後のタイミングｔ₂₄に閉弁を開始するような状態であり、点３０４より大きい噴射パルス幅では、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する。燃料の噴射が開始されてから、点３０４で示すパルス幅までの領域では、弁体のバウンドが安定しないため、噴射量が変動する。噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する領域を増やすことが、最小噴射量を低減する上で重要である。図２で説明したような一般的な駆電流波形では、アンカー１０２と固定コア１０７の衝突によって発生する弁体１１４のバウンドが大きく、弁体１１４のバウンド途中で閉弁を開始することにより、点３０４までの短い噴射パルス幅の領域に非線形性が発生し、この非線形性が最小噴射量悪化の原因となっている。従って、噴射量特性の非線形性を改善するためには、目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンドを低減する必要がある。

図４，図５を用いて本発明における第一実施例を説明する。図４はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示した図である。また、図５は、ＥＣＵより出力される噴射パルスのパルス幅Ｔｉと燃料噴射量との関係を示した図である。

ＥＣＵ１２０から駆動回路１２１に噴射パルスが入力されると、バッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源から高電圧４１０を印加し、ソレノイド１０５に電流の供給が開始される。電流値が予め定められたピーク電流値Ｉpeakに達すると、高電圧の印加を停止して、印加する電圧を０Ｖ以下にし、電流４０３のように電流値を低下させる。その後電流値を遮断もしくは抑制し、電流４０５のように開弁状態を保持できない電流値にまで低下させる。この電流の遮断から所定の時間、保持電流値４０９より小さい電流にする。その後、再びバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源から高電圧４１１を印加し、ソレノイド１０５に電流を供給する。この高電圧４１１の印加によって、保持電流４０８へ移行させる。このように電流を遮断して、開弁を保持できる電流値以下にまで下げた後に、昇圧された高電圧を印加することによって、開弁状態を安定して維持できる電流値に素早く移行することが可能である。

続いて電流が開弁を保持できる第１の電流値４０６に到達すると、駆動回路はバッテリ電圧の印加をスイッチングにて行い、第１の電流値４０６を維持するように制御を行い、駆動電流４０８を流す。駆動電流４０８の保持を所定の時間行った後、電流値を低下させ、開弁を保持できる第２の電流値４０７に到達すると、駆動回路はバッテリ電圧の印加をスイッチングにて行い、第２の電流値４０７を維持するように制御を行い、駆動電流４０９を流す。このように、第２の電流値４０７は第１の電流値４０６よりも小さい値に設定されており、駆動電流４０９は駆動電流４０８よりも小さくなる。なお、駆動電流４０８から駆動電流４０９への切替えは、０Ｖ以下の電圧を与えて電流値を素早く低下させる場合と、０Ｖあるいは正の電圧印加によって緩やかに変化させる場合がある。噴射パルスＯＦＦから弁体が閉弁するまでの閉弁遅れ時間は、噴射パルスがＯＦＦになる際の電流値の大小の影響を受ける。この電流値が小さいと、閉弁遅れ時間が小さくなる。よって、０Ｖ以下の電圧によって駆動電流４０８から駆動電流４０９への切替えを素早く行った場合には、閉弁遅れ時間が一定となる領域、すなわち噴射量が線形となる領域に素早く移行できるという効果がある。駆動電流４０８から駆動電流４０９への切替えを緩やかに行った場合には、切替え期間の噴射量が緩やかに線形領域に移行するという効果がある。これらは、駆動対象の燃料噴射装置の特性によって選択すると良い。

このような電流のプロファイルにより弁体１１４を駆動することによって得られる効果を以下に説明する。ここで、高電圧４１０の印加開始からピーク電流値Ｉpeakに達するまでの間に弁体１１４のリフトは開始される。リフト開始の後、電流４０３のように電流値を遮断もしくは抑制し、電流４０５のように駆動電流４０９より小さい電流値にまで低下させる。このピーク電流値Ｉpeak到達から開弁を保持できない電流値にまで低下させる期間を電流低下期間と称する。この電流低下期間を設けることで、アンカー１０２が固定コア１０７に衝突する直前のタイミングｔ₄₃に弁体１１４を減速させ、衝突する際の速度を低減することで開弁後の弁体バウンドを抑制することができる。

なお、この電流低下期間において駆動電流を遮断してから磁束が消滅し、磁気吸引力が低下するまでには、遅れが生じる。このため、電流を遮断してから弁体１１４が減速するまでに遅れ時間４０４が生じる。したがって、弁体１１４が目標リフト位置に到達する直前のｔ₄₃のタイミングで弁体を減速させるためには、ｔ₄₃よりも早い例えばｔ₃₂のタイミングで電流の遮断を開始する必要がある。このとき電流の遮断を開始するタイミングは、弁体１１４がリフトを開始するｔ₄₁のタイミングと弁体１１４が減速するｔ₄₃のタイミングの間であるとよい。このようなタイミングで電流の遮断を行うと、弁体１１４が目標リフト位置に到達する前に弁体１１４を減速することができ、この減速効果によって、目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンド動作を抑制できる。その結果、噴射パルス幅が短い領域での噴射量特性を直線に近づけ、最小噴射量を低減できる。

さらに電流の遮断タイミングは、高電圧４１０を印加している段階で、電流が開弁状態を維持できる電流値４０７以上に到達するタイミングより後に電流の遮断を行い、かつその遮断タイミングは弁体の減速よりも早いタイミングで行うとよい。このようなタイミングで電流の遮断を行うことで、弁体１１４は確実に開弁を開始して必要な速度を得るとともに、目標リフト位置に到達する前に減速することができる。この減速効果によって、開弁時の目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンド動作を抑制することができ、噴射パルス幅が短い場合での噴射量特性を直線に近づけ、最小噴射量を低減できる。

ここで、本発明に拠らず、電流４０５から電流４０８への切替えに高電圧４１１を用いない場合には、ピーク電流値Ｉpeak到達後に電流低下期間を設けて、開弁を保持できない電流４０５としたときに、ピーク電流，保持電流，電流低下期間，電流４０５から電流４０８までの移行タイミングや燃料圧力，燃料噴射装置の個体ばらつきなどによって駆動電流と弁体１１４の挙動が所定の値とずれて、弁体１１４の挙動が不安定になる可能性がある。例えば、目標リフト位置到達までの弁体１１４の過渡的な挙動が所定の動作に対して変化して、目標リフト位置到達までの時間が所定の弁体１１４の挙動と比べて早くなった場合、弁体１１４を減速させるための電流４０５によって磁気吸引力が低下している期間中に弁体１１４が目標リフト位置に到達してしまう可能性がある。この場合、目標リフト位置到達後に、開弁状態を維持するための十分な磁気吸引力を確保できず、弁体１１４の挙動が不安定になってしまうことがある。

以上の理由により、弁体１１４の挙動の安定性の観点から目標リフト位置到達後は速やかに電流４０８へ切替わる必要がある。そこで本実施例では、電流４０８への切替え期間４１２に高電圧源から電圧４１１を印加することで、再び急速に磁気吸引力を発生させ、電流値を素早く電流４０８へ切替える。このようにすることで、開弁状態を維持できる磁気吸引力を確保できないために生じる弁体の不安定な挙動を抑制することが可能となる。なお、電流４０８を一定時間保持した後、弁体１１４のバウンドが安定した後に電流４０９への切替えを行うように電流４０８の保持時間を設定するとよい。開弁を保持できる電流値は、燃料噴射装置に供給される燃料圧力や燃料噴射装置のスプリング１１０やゼロ位置ばね１１２の設定荷重、あるいは発生する磁気吸引力などの力のプロファイルによって変わる。例えば、エンジンの回転数・負荷により、燃料圧力が変わり、保持電流４０９の電流値であっても弁体１１４の挙動が安定させられるような場合、保持電流４０９以下の電流値４０５から直接、保持電流４０９へ切替わる電流制御を行っても良い。このようにできると、電流４０８の期間における閉弁遅れ時間を低減でき、弁体１１４が閉弁を開始する状態での最小噴射量をより低減させることが可能となる。また、燃料圧力によって、開弁を保持できる電流値は変わるため、保持電流４０８，４０９に関しては、燃料圧力が低い場合には電流を小さくし、燃料圧力が高い場合には、電流を大きくするようにＥＣＵ１２０から駆動回路１２１の制御パラメータの書き換えを行う電流制御を行っても良い。このようにできると特に低い燃料圧力時に保持電流を小さくできるため、閉弁遅れ時間が小さくなり、バウンド抑制効果と合わせて最小噴射量を低減することが可能となる。

以上の方法により、開弁時の目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンドを抑制することによって、図５に示す噴射量特性の直線性を噴射量特性５２０のように向上させることができる。よって、従来の駆動波形での噴射量特性３２０では、弁体１１４のバウンドが要因となり噴射量を点３０４以下にはできない問題があったが、本実施例によって弁体１１４のバウンドを抑制することにより、噴射量を点５０１まで低減することができる。これにより、噴射量特性の線形領域を低流量側に拡大することができ、制御可能な最小噴射量を低減することが可能になる。

なお、本発明による駆動方法を用いる場合、図２で説明した駆動波形に比べ、燃料噴射装置が正常に作動する燃料圧力の限界が低下する場合がある。このため、最小噴射量が必要な条件では本実施例による駆動電流波形を使用し、高い燃料圧力での動作が必要な場合には、図２で説明した駆動電流を用いるように駆動電流の切替えを行うと効果的である。

図８を用いて第一実施例における燃料噴射装置の駆動回路の構成について説明する。図８は燃燃料噴射装置を駆動する回路構成を示した図である。ＣＰＵ８０１は例えばＥＣＵに内蔵され、内燃機関の運転条件に応じて適切な噴射パルスＴｉのパルス幅（すなわち噴射量）や噴射タイミングの演算を行い、通信ライン８０４を通して燃料噴射装置の駆動ＩＣ８０２に噴射パルスＴｉを出力する。その後駆動ＩＣ８０２によって、スイッチング素子８０５，８０６，８０７のＯＮ，ＯＦＦを切替えて、燃料噴射装置８１５へ駆動電流を供給する。

スイッチング素子８０５は駆動回路に入力された電圧源ＶＢよりも高い高電圧源ＶＨと燃料噴射装置８０７の高電圧側の端子間に接続されている。スイッチング素子８０５，８０６，８０７は、例えばＦＥＴやトランジスタ等によって構成される。高電圧源ＶＨの電圧値は例えば６０Ｖであり、バッテリ電圧を昇圧回路８１４によって昇圧することで生成される。昇圧回路８１４は例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等により構成される。スイッチング素子８０７は、低電圧源ＶＢと燃料噴射装置の高圧端子間に接続されている。低電圧源ＶＢは例えばバッテリ電圧であり、その電圧値は１２Ｖである。スイッチング素子８０６は、燃料噴射装置８１５の低電圧側の端子と接地電位の間に接続されている。駆動ＩＣ８０２は、電流検出用の抵抗８０８，８１２，８１３により、燃料噴射装置８１５に流れている電流値を検出し、検出した電流値によって、スイッチング素子８０５，８０６，８０７のＯＮ，ＯＦＦを切替え、所望の駆動電流を生成している。ダイオード８０９と８１０は電流を遮断するために備え付けられている。ＣＰＵ８０１は駆動ＩＣ８０２と通信ライン８０３を通して、通信を行っており、燃料噴射装置８１５に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動ＩＣ８０２によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。

図８と図９を用いて、第一実施例における燃料噴射装置に流れる励磁電流を生成するための、スイッチング素子の切替えタイミングについて説明する。

図９は、ＣＰＵ８０１より出力される噴射パルスと駆動電流（励磁電流），スイッチング素子８０５，スイッチング素子８０６，スイッチング素子８０６のＯＮ，ＯＦＦのタイミングを示した図である。

タイミングｔ₉₁において、ＣＰＵ８０１より噴射パルスＴｉが通信ライン８０４を通して駆動ＩＣ８０２に入力されると、スイッチング素子８０５とスイッチング素子８０６がＯＮとなり、バッテリ電圧よりも高い高電圧源ＶＨから電流が燃料噴射装置８１５に供給され、電流が急速に立ち上がる。電流がピーク電流Ｉpeakに達すると、スイッチング素子８０５とスイッチング素子８０６、スイッチング素子が共にＯＦＦになり、燃料噴射装置８１５のインダクタンスによる逆起電力によって、ダイオード８０９とダイオード８１０が通電し、電流が電圧源ＶＨ側へ帰還され、燃料噴射装置８１５に供給されていた電流は、電流９０３のようにピーク電流値Ｉpeakから急速に低下する。なお、ピーク電流値Ｉpeakから電流９０５への移行期間にスイッチング素子８０６をＯＮにすると、逆起電力エネルギーによる電流は接地電位側に流れ、電流は緩やかに低下する。その後タイミングｔ₉₃に到達すると、再びスイッチング素子８０５とスイッチング素子８０６をＯＮにし、高電圧源ＶＨから燃料噴射装置８１５へ電流が供給され、電流は急速に立ち上がる。その後、電流値９０６に電流が達すると、スイッチング素子８０５をＯＦＦにし、スイッチング素子８０７のＯＮ，ＯＦＦの切替えを行い、電流値９０６或いはその近傍で電流値を保持するように電流９０８を制御する。電流９０８を一定時間保持した後、スイッチング素子８０７をＯＦＦにし、電流を低下させる。電流値９０７に達すると、再びスイッチング素子のＯＮ，ＯＦＦの切替えを行い、電流値９０７或いはその近傍で電流値を保持するように電流９０９を制御する。その後、噴射パルスがＯＦＦになるとスイッチング素子８０６とスイッチング素子８０７が共にＯＦＦとなり電流が低下する。

図６を用いて第二実施例について説明する。図６はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示した図である。なお、以下で説明する駆動電圧又は駆動電流の制御は、第１実施例で説明した図８の駆動回路を用い、駆動電圧又は駆動電流の制御方法（切替えタイミング）を変更することにより実施することができる。

噴射パルスが入力されると、バッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源ＶＨから高電圧６１０を印加し、ソレノイド１０５に電流の供給が開始される。電流値が予め定められたピーク電流値Ｉpeakに達すると、高電圧の印加を停止して、印加する電圧を０Ｖ以下にし、電流６０３のように電流値を低下させる。その後電流を遮断し６０５のように開弁状態を保持できない電流値にまで低下させる。この電流の遮断から所定の時間、弁体１１４を保持できる電流値６０７より小さい電流にする。その後、再びバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源ＶＨから高電圧６１１を印加し、ソレノイド１０５に電流を供給する。この電圧６１１の印加によって、保持電流６０８へ移行させる。このように電流を遮断して、開弁を保持できる電流値以下にまで下げた後に、昇圧された高電圧を印加することによって、開弁状態を安定して維持できる状態に素早く移行することが可能である。

続いて電流が開弁を保持できる第１の電流値６０７に到達すると、駆動回路はバッテリ電圧の印加をスイッチングにて行い、電流値６０７或いはその近傍で電流値を保持するように制御を行い、駆動電流６０８を流す。駆動電流６０８の保持を所定の時間行った後、電流を増加させ、開弁を保持できる第２の電流値６０６に到達すると、駆動回路はバッテリの電圧の印加をスイッチングにて行い、電流値６０６或いはその近傍で電流値を保持するように制御を行い、駆動電流６０８よりも大きな駆動電流６０９を流す。

なお、駆動電流６０８から駆動電流６０９への切替えは、バッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源ＶＨから高電圧を与えて電流値を素早く増加させる場合と、バッテリ電圧の印加によって緩やかに変化させる場合がある。噴射パルスＯＦＦから弁体１１４が閉弁するまでの閉弁遅れ時間は、噴射パルスがＯＦＦになる際の電流値の影響を受ける。この電流値が小さいと、閉弁遅れ時間が小さくなる。よって、バッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源ＶＨからの高電圧によって駆動電流６０８から駆動電流６０９への切替えを素早く行った場合には、噴射量が線形となる領域に素早く移行できるという効果がある。緩やかに切替えを行った場合には、駆動電流６０８から駆動電流６０９への切替え期間の噴射量が緩やかに線形領域に移行するという効果がある。これらは、駆動対象の燃料噴射装置の特性によって選択すると良い。

このような電流のプロファイルにより弁体を駆動することによって得られる効果を以下に説明する。ここで、高電圧６１０の印加開始からピーク電流値Ｉpeakに達するまでの間に弁体１１４のリフトは開始される。リフト開始の後、電流６０３のように電流値を低下させる電流低下期間を設ける。この期間では、電流６０５のように開弁を保持できない電流値（駆動電流６０８及び駆動電流６０９より低い電流値）にまで低下させる。電流低下期間を設けることで、アンカー１０２が固定コア１０７に衝突する直前のタイミングｔ₆₃で弁体１１４を減速させ、衝突する際の速度を低減することで開弁後の弁体１１４のバウンドを抑制することができる。

なお、駆動電流を遮断してから磁束が消滅し、磁気吸引力が低下するまでには、遅れが生じる。このため、電流を遮断してから弁体１１４が減速するまでに遅れ時間６０４が生じる。このとき電流の遮断を開始するタイミングは、弁体１１４がリフトを開始するｔ₆₁のタイミングと弁体１１４が減速するｔ₆₃のタイミングの間であるとよい。この効果は、第１の実施形態と同様である。

さらに電流の遮断タイミングは、高電圧６１０を印加している段階での電流が、開弁状態を維持できる電流値６０７以上に到達するタイミングより後に電流の遮断を行い、かつその遮断タイミングは弁体１１４の減速よりも早いタイミングで行うとよい。このようなタイミングで電流の遮断を行うことで、弁体１１４は確実に開弁を開始して必要な速度を得るとともに、目標リフト位置に到達する前に減速することができる。この減速効果によって、開弁時の目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンド動作を抑制することができ、噴射量特性の線形領域を低流量側に拡大して、最小噴射量を低減できる。

以上の方法により、開弁時の目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンドを抑制することによって噴射量特性の直線性を向上させることが可能である。また、駆動電流６０８を駆動電流６０９より小さくすることで、電流６０５から駆動電流６０９への移行を緩やかにし、噴射量特性を緩やかに線形領域へ移行でき、かつ駆動電流６０８の期間でバウンドが収束し、かつ閉弁を開始する状態での最小噴射量を低減することが可能となる。

図７を用いて第三実施例を説明する。図７はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から出力される噴射パルスと燃料噴射装置に供給する駆動電圧と駆動電流（励磁電流）と弁体変位量（弁体挙動）との関係を示した図である。なお、以下で説明する駆動電圧又は駆動電流の制御は、第１実施例で説明した図８の駆動回路を用い、駆動電圧又は駆動電流の制御方法（切替えタイミング）を変更することにより実施することができる。

本実施例のうち、第一実施例と異なる点は、電流値が予め定められた電流値７１３に達すると、駆動回路１２１は高電圧源ＶＨの印加をスイッチングにて行い、一定時間所定の電流７０２となるように制御を行う点である。このように電流７０２を一定時間保持することで、得られる効果を以下に説明する。

ここで、高電圧７１０の印加開始からピーク電流値７１３に達するまでの間に弁体１１４のリフトは開始される。その後、第１実施例及び第２実施例におけるピーク電流Ｉpeakよりも小さい電流値７１３で電流７０２のように一定時間保持する。電流７０２はピーク電流Ｉpeakよりも低く抑えられるため、駆動回路１２１や燃料噴射装置の発熱を抑制する効果がある。一方で、高電圧源ＶＨをスイッチングし電流７０２を供給することで、ピーク電流を抑えながら、開弁に必要な時間の電流の供給が可能になる。高電圧源ＶＨのスイッチングは高圧源とバッテリ電圧の間で切替えを行っても良い。この場合、電流７０２における高電圧のスイッチングによって発生する電流の最大値と最小値の幅を小さくすることができ、安定して電流を供給することができる。

また、電流を遮断するタイミングｔ₇₂における電流値を第１実施例及び第２実施例におけるピーク電流値よりも低くすることで、電流を遮断するタイミングから開弁を保持できない電流７０５への移行を早くすることが可能となる。その結果、アンカー１０２が固定コア１０７に衝突するより前のタイミングｔ₇₃に弁体１１４を減速可能であり、第１実施例及び第２実施例における減速タイミングより早いタイミングで減速効果を得ることが可能となる。これにより、目標リフト位置到達時ｔ₇₄での弁体１１４の衝突速度を低減でき、開弁後のバウンド抑制の効果が高まる。

第三実施例において、ピーク電流値到達後に電流を遮断し、急速に電流を低下させ、開弁を維持できない電流値としているため、図２で説明した駆動波形に比べ、燃料噴射装置が正常に作動する燃料圧力の限界が低下する。そのため、最小噴射量が必要な場合では、本発明の第一実施例，第二実施例又は第三実施例のいずれかにおける駆動電流を使用し、出力が必要な場合には、図２で説明した駆動電流を用いるように駆動電流の切替えを行うと効果的である。

また、本発明に係る各実施例によれば、開弁時におけるアンカー１０２と固定コア１０７の衝突速度を低減できるため、結果、燃料噴射装置の駆動音を低減することができる。

また、本発明に係る各実施例では、図１で説明した燃料噴射装置、すなわちアンカー１０２と弁体１１４とが別体の形状となっている燃料噴射装置を用いてもよいが、アンカー１０２と弁体１１４とが一体構造の燃料噴射装置を用いても本発明における効果は有効である。

１０１ノズルホルダ
１０２アンカー
１０３ヨーク
１０５ソレノイド
１０７固定コア
１１０スプリング
１１２ゼロ位置ばね
１１３，１１５ロッドガイド
１１４弁体
１１６オリフィスプレート
１１８弁座
１１９燃料噴射孔

本発明では、弁体を備えた電磁弁装置に対し、駆動電流を供給することにより弁体の開閉を行う駆動回路を備えた電磁弁装置の駆動装置において、駆動回路は、バッテリ電圧よりも高圧の高電圧源による駆動電流を弁電磁弁装置に供給することで弁体を開弁させた後、弁体が最大高さ位置に到達する前に電磁弁装置に供給する駆動電流を弁体の開弁を保持できない電流値以下まで低下させる。

あるいは、本発明では、弁体を備えた電磁弁装置に対し、駆動電流を供給することにより前記弁体の開閉を行う駆動回路を備えた電磁弁装置の駆動装置において、前記駆動回路は、バッテリ電圧よりも高圧の高電圧源による駆動電流を前記弁電磁弁装置に供給することで前記弁体を開弁させた後、前記弁体が最大高さ位置に到達する前に前記電磁弁装置に供給する駆動電流を前記弁体の開弁の保持電流以下まで低下させる。

このとき、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路で高電圧源を構成するとよい。またバッテリ電圧による電圧源により又は前記高電圧源により前記電磁弁装置に対して逆電圧をかけることにより、前記弁体が最大高さ位置に到達する前に前記電磁弁装置に供給する駆動電流を前記弁体の開弁を保持できない電流値以下まで低下させることが望ましい。あるいは、前記バッテリ電圧による電圧源により又は前記高電圧源により前記電磁弁装置に対して逆電圧をかけることにより、前記弁体が最大高さ位置に到達する前に前記電磁弁装置に供給する駆動電流を保持電流以下まで低下させることが望ましい。

また、前記弁体が最大高さ位置に到達する前において前記弁体のリフト開始のタイミングと前記弁体が減速するタイミングとの間で、前記電磁弁装置に供給する駆動電流を前記弁体の開弁を保持できない電流値以下まで低下させることが望ましい。また前記弁体が最大高さ位置に到達する前において前記弁体のリフト開始のタイミングと前記弁体が減速するタイミングとの間で、前記電磁弁装置に供給する駆動電流を保持電流以下まで低下させることが望ましい。

また、前記電磁弁装置に供給する駆動電流を前記弁体の開弁を保持できない電流値以下まで低下させた後、前記高電圧源による駆動電流を前記電磁弁装置に供給することで前記弁体の開弁を保持することが望ましい。

また前記電磁弁装置に供給する駆動電流を前記弁体の開弁の前記保持電流以下まで低下させた後、前記高電圧源による駆動電流を前記電磁弁装置に供給することが望ましい。

Claims

弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置に弁体の駆動電流を供給する駆動装置であって、燃料噴射装置に対する第１の電圧源と第１の電圧源よりも高い電圧を生じる第２の電圧源との電気的な接続をオンオフする手段を備え、閉弁状態から開弁状態に弁体を動作させる開弁時に第２の電圧源の電圧を燃料噴射装置に印加して弁体の駆動電流を第２の電圧源から供給し、その後、第２の電圧源の電圧の印加を停止して第１の電圧源の電圧を燃料噴射装置に印加することにより弁体を開弁状態に保持する保持電流を第１の電圧源から供給する燃料噴射装置の駆動装置において、
第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくし、その後、第２の電圧源の電圧の印加を再開して弁体を開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくし、その後、前記保持電流を第１の電圧源から供給することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記第１の電圧源の電圧を昇圧する昇圧回路で前記第２の電圧源を構成したことを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
請求項２に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
前記第２の電圧源を装置上に備えたことを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくする際に、弁体が最大リフト位置に到達する前に弁体の移動速度が減速するタイミングで、前記第２の電圧源の電圧の印加を停止することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
第２の電圧源の電圧の印加を停止して弁体を開弁状態に保持できない電流値まで弁体の駆動電流を小さくした後に、第１の電圧源の電圧を印加して弁体を開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくする制御を実行可能に構成し、弁体を開弁状態に保持できない電流値から開弁状態に保持できる電流値まで駆動電流を大きくする際に用いる電圧源として前記第１の電圧源又は前記第２の電圧源のいずれかを選択可能にしたことを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。