JP3268244B2 - 電磁弁駆動回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁弁駆動回路
に関し、より詳しくは内燃機関の燃料噴射装置などに使
用する電磁弁駆動回路に関する。

【０００２】

【従来技術】内燃機関の燃料噴射装置においては一般
に、電磁弁の開弁・閉弁を電子回路によって制御するこ
とにより燃料噴射量を決定している。具体的にはニード
ルのストロークを電磁弁（ソレノイドコイル）に印加す
る電圧・電流により制御することにより燃料噴射量を決
定している。

【０００３】しかしながら、その電圧印加時にはソレノ
イドコイルのインダクタンスに起因する電流立ち上がり
遅れが生じ、電圧の印加から目的の電流値がコイルに流
れるまでの間にタイムラグが発生する。この電流立ち上
がり遅れは、電磁弁の応答遅れをもたらし、制御タイミ
ングのずれや燃料噴射量制御精度の悪化などの原因とな
っている。

【０００４】一方、直噴ガソリンエンジン車の燃料噴射
装置など、高圧燃料の噴射を電磁弁型インジェクタで実
現する場合、開弁時には高圧に抗してニードルを吸引す
るため少なくとも弁吸引時にはソレノイドコイルに大電
流を印加し、より大きな力を発生させる必要がある。

【０００５】上記した電流立ち上がり遅れを改善し、か
つ開弁時にソレノイドコイルに大電流を印加する技術と
して特公平７─２６７０１号公報において、電磁弁駆動
回路に昇圧電源部を設け、通常の車載バッテリ電源から
昇圧電源部を介して、少なくとも弁吸引時に高電圧を印
加することで、速やかな大電流の立ち上がりを図り、電
磁弁の応答性の改善をすることが提案されている。具体
的には、予め電流値としてコイルに充電されたエネルギ
を、高電圧に変換してコンデンサに充電しておき、その
エネルギを給電して高電圧・大電流を印加している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術においてはソレノイドコイルへの大電流
印加時間は、コンデンサに充電できるエネルギ、つまり
コンデンサ容量により一義的に決定されてしまう。従っ
て弁吸引時の印加エネルギ量には限界があり、燃料圧
力、燃料噴射期間などの設定に自由度を望めないなどの
不都合があった。特に、燃料圧力が高い場合などでは弁
吸引時の印加エネルギの不足により弁が完全に開弁され
ず、結果として燃料噴射量の精度を損なう虞があった。

【０００７】また、高電圧充電手段としてコンデンサを
使用する場合、コンデンサは温度条件や耐久劣化による
容量の変化が非常に大きいため、その充電電圧の制御が
困難であった。

【０００８】従って、この発明は上記した問題点に鑑
み、大電流印加時間を任意に設定して開弁動作を確実に
実現し、よって燃料噴射に用いるときなども燃料噴射を
確実に行えるようにした電磁弁駆動回路を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、請求項１項においては、電磁弁の駆動回路におい
て、前記電磁弁の通電開始時に第１の所定電圧を印加す
る第１の高電圧印加手段と、前記第１の所定電圧よりも
低い第２の所定電圧を印加する第２の高電圧印加手段
と、前記電磁弁の開弁状態を維持または補助するための
一定電流を流す定電流回路と、前記電磁弁への電圧印加
を制御するスイッチング回路とを有し、前記第２の高電
圧印加手段は、前記第１の高電圧印加手段によって印加
される電圧が前記第２の所定電圧まで低下したとき、前
記第２の所定電圧の印加を開始する如く構成した。これ
によって、コンデンサ容量で一義的に決まる大電流印加
時間を任意に設定できて開弁動作を確実に実現し、よっ
て燃料噴射に用いるときなども燃料噴射を確実に行うこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に即してこの発明
の実施の形態を説明する。

【００１１】図１はこの発明に係る電磁弁駆動回路の構
成を内燃機関の燃料噴射装置を例にとって説明するブロ
ック図であり、図２はその動作を示すタイム・チャート
である。

【００１２】図１において、符号１０は燃料噴射量を制
御する電磁弁（燃料噴射弁）を示しており、吸気管１２
の先端に配置されたエアクリーナ（図示せず）から導入
された吸気はスロットル弁１４でその流量を調節されつ
つサージタンク（図示せず）と吸気マニホルド（図示せ
ず）を経て、吸気弁（図示せず）を介して各気筒燃焼室
（図示せず）へと流入される。各気筒の吸気弁付近には
電磁弁（燃料噴射弁）１０が設けられて燃料を噴射す
る。噴射されて吸気と一体となった混合気は、各気筒内
で図示しない点火プラグで点火されて燃焼してピストン
（図示せず）を駆動する。

【００１３】電磁弁（燃料噴射弁）１０は、図示しない
バネによって閉弁方向に付勢されるニードル（弁）１６
と、ニードル１６が近接して配設されるソレノイドコイ
ル１８を備える。ソレノイドコイル１８は後述の如く電
磁弁駆動回路および図示しない制御ユニットＥＣＵ（エ
ンジン・コントロール・ユニット）と接続され、ＥＣＵ
からの出力信号（燃料噴射信号）に基づき、励磁・非励
磁されてニードル１６を吸引（後退）させて燃料を噴射
する。

【００１４】電磁弁駆動回路は、車載バッテリ電源２０
に接続され、車載バッテリ電源電圧を超える高電圧を発
生する第１の昇圧電源部２２、その高電圧を充電するコ
ンデンサＣ１、同様に高電圧を発生する第２の昇圧電源
部２４、ソレノイドコイル１８に高電圧を印加するエネ
ルギを充電するコンデンサＣ２を備える。

【００１５】コンデンサＣ２は一方の端子がアースさ
れ、他方が接続点およびスイッチＳＷ１を介してコンデ
ンサＣ１に接続されると共に、ダイオードＤ１および抵
抗Ｒ１を介して第２の昇圧電源部２４に、またＳＷ２を
介してソレノイドコイル１８にそれぞれ接続される。ソ
レノイドコイル１８とアースの間にはＳＷ３が介挿され
る。

【００１６】ここで、ＳＷ１は、より詳しくは電磁弁１
０に印加しないタイミングでコンデンサＣ１に充電され
た第１の高電圧・電荷をコンデンサＣ２に移すための電
気的スイッチである。ＳＷ２はコンデンサＣ２に充電さ
れたエネルギを電磁弁吸引時にソレノイドコイル１８に
印加するための電気的スイッチ（ハイサイドスイッチ）
であり、ＳＷ３はその印加および弁電流を放電するため
の電気的スイッチ（ローサイドスイッチ）である。

【００１７】これら電気的スイッチＳＷ１，ＳＷ２，Ｓ
Ｗ３は図示しないＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユ
ニット）からの制御信号（Ｔｉ信号）に基づいてタイミ
ング回路部２６によって開閉制御される。

【００１８】一方、ソレノイドコイル１８はダイオード
Ｄ２および定電流検出回路２８を介して車載バッテリ電
源２０とも接続される。定電流検出回路２８は、抵抗Ｒ
２、抵抗Ｒ２を流れる電流を検出する電流検出部３０、
および電気的スイッチＳＷ４によって構成される。

【００１９】より詳しくは電流検出部３０により抵抗Ｒ
２を流れる電流値が検出され、その結果に基づいてソレ
ノイドコイル１８に一定電流が流れるようにタイミング
回路部２６によってＳＷ４がデューティ駆動される。

【００２０】次に、図示の電磁弁駆動回路の動作を図２
タイム・チャートを参照して説明する。

【００２１】まず、ＥＣＵからＴｉ信号が与えられる前
（図２に示す期間Ａ）においてＳＷ１は常にタイミング
回路部２６によって閉鎖（ＯＮ）されている。

【００２２】この期間Ａにおいて、コンデンサＣ２はＳ
Ｗ１がＯＮされることにより、第１の昇圧電源部２２に
よってコンデンサＣ１に充電された高電圧がコンデンサ
Ｃ２に印加され、充電される。

【００２３】具体的には、コンデンサＣ１は第１の昇圧
電源部２２において公知のスイッチング手法を用いて、
車載バッテリ電源２０から第１の昇圧電源部２２内のコ
イル（図示せず）に流れる電流を図示しないトランジス
タをパルスによってＯＮ−ＯＦＦ制御（スイッチング）
し、ＯＦＦに切替えた際にコイルに発生する高電圧を繰
り返しコンデンサＣ２に印加し、高電圧を充電する。

【００２４】この実施の形態ではコンデンサＣ２は１５
０［Ｖ］（前記した第１の所定電圧）の電圧を充電で
き、初期弁吸引動作をさせるのに十分な容量を備える。

【００２５】また、第２の昇圧電源部２４も図示しない
コイルを備え、同様に車載バッテリ電源電圧を超える高
電圧、具体的には７０［Ｖ］（前記した第２の所定電
圧）の電圧を発生する。

【００２６】尚、期間ＡはコンデンサＣ２充電電圧を第
１の昇圧電源部電圧（１５０［Ｖ］）まで充電するのに
十分な適宜な期間に設定する。

【００２７】次に、期間Ａの経過後（図２の時刻Ｂ）に
ＳＷ１がＯＦＦされ、ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮされ、コン
デンサＣ２に蓄えられた高電圧（第１の所定電圧）はソ
レノイドコイル１８へ印加される。コンデンサＣ２に
は、上記した如く高電圧（第１の所定電圧）が充電され
ているため、インジェクタ電流（ソレノイドコイル１８
を流れる電流）の速やかな立ち上がりが実現される。

【００２８】一方、コンデンサＣ２に充電された電圧は
ソレノイドコイル１８への放電に伴って低下し、第２の
昇圧電源部２４の出力電圧（７０［Ｖ］）まで下がると
（図２の時刻Ｃ）、図１にその構成を示す如く、以後、
第２の昇圧電源部２４によりソレノイドコイル１８への
電圧印加がなされる。従って大電流を継続して抵抗Ｒ１
およびダイオードＤ１を介してソレノイドコイル１８に
供給することができる。

【００２９】尚、この第２の昇圧電源部電圧（第２の所
定電圧）は、第１の昇圧電源部２２によって立ち上がっ
た大電流を維持するのに必要最低限の電圧を発生するよ
う予め設定する。

【００３０】以上により、弁が完全に吸引されるまでの
任意の期間（この実施の形態では時間ｔ１）を設定して
ソレノイドコイルに大電流を印加することができる。
尚、この弁が閉弁から完全に開弁されるまでの時間ｔ１
を「初期弁吸引動作期間」、この期間における弁吸引を
「初期弁吸引動作」という。

【００３１】図３は第２の昇圧電源部２４を有さない従
来技術に係る電磁弁駆動回路において、電磁弁１０に電
圧・電流を印加したときのインジェクタ電流の変化を示
すデータ図である。

【００３２】図示の如く、高電圧を印加しているため速
やかな電流の立ち上がりが実現されているが、大電流、
特にピーク付近の電流値の印加を維持できる期間は短
い。

【００３３】これは印加エネルギ充電部であるコンデン
サの容量を大きくすれば、ある程度改善されるが、いず
れにせよ大電流印加期間はコンデンサ容量に依存し、更
に、コンデンサは温度条件、耐久劣化などによってコン
デンサ容量が大幅に変化してしまうため、制御精度の点
で不利である。

【００３４】図４は、図示した電磁弁駆動回路におい
て、第２の昇圧電源部２４により任意に初期弁吸引動作
期間を設定しているときのインジェクタ電流の変化を示
す、図３と同様のデータ図である。

【００３５】図示の如く、この発明に係る電磁弁駆動回
路においてはインジェクタ電流が速やかに立ち上がって
いると共に、図３と比較して明らかなように大電流を安
定して任意時間印加されているのが見てとれる。

【００３６】このように、この装置においては第１の昇
圧電源部２２により速やかな大電流の立ち上がりを実現
すると共に、第２の昇圧電源部２４を設けることにより
ソレノイドに印加する大電流を任意の期間維持すること
ができた。

【００３７】従って、従来のエネルギ不足から生じる不
完全な弁吸引を解消した、より確実な弁吸引を実現で
き、制御精度を向上させることができる。

【００３８】図２タイム・チャートの説明に戻ると、次
に時刻ＤにおいてＳＷ２とＳＷ３を同時に、所定時間、
より詳しくは瞬時、ＯＦＦすることで前記した初期弁吸
引動作を終了する。尚、ＳＷ２をＳＷ３より先にＯＦＦ
しても良い。

【００３９】このＳＷ２，ＳＷ３をＯＦＦし続ける間
（図２の時間ｔ２）はハイサイド側からの給電が一切断
たれ、かつ受電側（アース側）のＳＷ３もＯＦＦされる
ため、インジェクタ電流は速やかに立ち下がる。従って
弁吸引時の大電流から開弁保持電流（車載バッテリ電源
電流）までの電流立ち下がり時間を大幅に改善すること
ができる。

【００４０】図５は上記の電流遮断を行わない、従来技
術でのインジェクタ電流の変化を示す、データ図であ
る。尚、試験の際に使用した電磁弁駆動回路は第２の昇
圧電源部２４を備えていないものを使用した。

【００４１】図示の如く、従来技術に係る駆動回路にお
いては、電流ピーク値から開弁保持電流値へはなだらか
な曲線を描いて立ち下がっており、冗長な時間を要して
いる。

【００４２】この電流立ち下がり時間はコンデンサの容
量・電圧およびソレノイドコイルのインダクタンスによ
り一義的に決まる。換言すれば電磁弁のダイナミックレ
ンジはコンデンサおよびソレノイドコイルの特性によっ
て決定されてしまう。特に大電流を印加した場合には電
流の立ち下がり遅れはより大きくなる傾向がある。

【００４３】一方、弁吸引エネルギが十分供給され完全
に弁吸引された後、更に電流が印加されることは余分な
エネルギを浪費していることに他ならない。

【００４４】従って、図示の回路にあっては上述した如
く、ソレノイドコイル１８とソレノイドコイル１８に電
流を供給する電圧源（コンデンサＣ２、第１，第２の昇
圧電源部２２，２４、および車載バッテリ電源２０）と
の通電回路（ＳＷ２，ＳＷ３）を初期印加動作終了時
（時刻Ｄ）に一切遮断し、ソレノイド印加電流の速やか
な立ち下がりを図った。

【００４５】図６は、図示した駆動回路において、初期
印加動作終了時の電流遮断を行った場合のインジェクタ
電流の変化を示す、図５と同様のデータ図である。

【００４６】図６を図５と比較すると明らかなように、
電流遮断によって、インジェクタ電流は瞬時に開弁保持
電流値まで立ち下がっているのを確認することができ
る。

【００４７】具体的には、上記ＳＷ２，ＳＷ３の開放に
よる電流遮断によって、電流立ち下がり特性の改善は、
改善前：１３０μｓｅｃ＞改善後：１０μｓｅｃの結果
が得られ、この改善により電磁弁のリニアリティ特性は
１２０μｓｅｃ短縮できることが確認できた。

【００４８】また、この電流遮断によって、ソレノイド
コイル１８への必要な弁吸引エネルギ以上の余分な電流
の印加を任意に遮断することができ、車載バッテリ電源
２０のエネルギの節約を実現できる。

【００４９】図２タイム・チャートに戻ると、次に時刻
ＥにおいてＳＷ３およびＳＷ４をＯＮし、任意期間の開
弁保持動作を行う。この期間においては、ソレノイドコ
イル１８にはダイオードＤ２および抵抗Ｒ２を介して車
載バッテリ電源より電圧・電流が印加される。電流検出
部３０により抵抗Ｒ２を流れる電流値を検出し、その検
出結果に基づいてＥＣＵはソレノイドコイルに一定電流
（開弁保持電流）が流れるようにタイミング回路部２６
によりＳＷ４をＯＮ−ＯＦＦ制御する（図２の期間
Ｆ）。

【００５０】次に、時刻Ｇ（Ｔｉ信号終了時）におい
て、ＳＷ３，ＳＷ４をＯＦＦして開弁保持電流の印加を
終了して電磁弁を閉じると共に、ＳＷ１をＯＮし、コン
デンサＣ２に再び高電圧を充電して次の開弁動作に備え
る。

【００５１】この実施の形態は上記の如く、電磁弁の駆
動回路において、前記電磁弁の通電開始時に第１の所定
電圧を印加する第１の高電圧印加手段（第１の昇圧電源
部２２、コンデンサＣ１、コンデンサＣ２）と、前記第
１の所定電圧よりも低い第２の所定電圧を印加する第２
の高電圧印加手段（第２の昇圧電源部２４）と、前記電
磁弁に開弁状態を維持または補助するための一定電流を
流す定電流回路（定電流検出回路２８）と、前記電磁弁
への電圧印加を制御するスイッチング回路（タイミング
回路２６、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）とを有
し、前記第２の高電圧印加手段は、前記第１の高電圧印
加手段によって印加される電圧が前記第２の所定電圧ま
で低下したとき、前記第２の所定電圧の印加を開始する
如く構成した。

【００５２】上記の如く構成したことから、従来のコン
デンサ容量により一義的に決まる大電流印加時間を、第
２の昇圧電源部２４を設けて大電流を維持し続けるのに
必要最低限の電圧を発生・印加することで、電磁弁１０
への大電流印加時間を任意に設定でき開弁動作を確実に
実現することができる。よって燃料噴射に用いるときな
ども燃料噴射を確実に行うことができる。

【００５３】また、コンデンサＣ２の電圧は第２の昇圧
電源部２４の電圧より下がることがないため、第１の昇
圧電源部２２によるコンデンサＣ２の昇圧は図２に示す
電圧Ｖｄｒｏｐ分（８０［Ｖ］）だけ昇圧すればよい。
従って、コンデンサＣ２の充電を速やかに行うことがで
き、かつエネルギを節約することができる。

【００５４】また、第２の昇圧電源部２４による電圧印
加とコンデンサＣ２による電圧印加との間につなぎめが
ないため、電流の急激な変化がなく、ラジオノイズが発
生しない点などにおいても有利である。

【００５５】また、一般にコンデンサの電圧変化率はコ
ンデンサの耐久性に大きく関与するため、コンデンサＣ
１，Ｃ２の耐久性を向上性させることができる。

【００５６】尚、上記において内燃機関の燃料噴射装置
を例にとって、この発明に係る電磁弁駆動回路を説明し
たが、この発明に係る電磁弁駆動回路はそれに限られる
ものではない。

【００５７】

【発明の効果】大電流印加時間を任意に設定できて開弁
動作を確実に実現することができ、よって燃料噴射に用
いるときなども燃料噴射を確実に行うことができる。

【００５８】また、電流の急激な変化がないためラジオ
ノイズが発生することがなく、コンデンサの充電が容易
になってコンデンサの耐久性を向上できると共に、充電
エネルギを節約することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る電磁弁駆動回路の構成を説明す
るブロック図である。

【図２】この発明に係る電磁弁駆動回路の動作を説明す
るタイム・チャートである。

【図３】従来技術に係る電磁弁駆動回路において、電磁
弁に電圧・電流を印加したときのインジェクタ電流の変
化を示すデータ図である。

【図４】この発明に係る電磁弁駆動回路を使用し、任意
に初期弁吸引動作期間を設定しているときのインジェク
タ電流の変化を示す、図３と同様のデータ図である。

【図５】従来技術に係る電磁弁駆動回路において、電流
遮断を行わない場合のインジェクタ電流の変化を示す、
データ図である。

【図６】図１に示す電磁弁駆動回路において、初期印加
終了時の電流遮断を行った場合のインジェクタ電流の変
化を示す、図５と同様のデータ図である。

【符号の説明】

１０ 電磁弁 １２ 吸気管 １４ スロットル弁 １６ ニードル １８ ソレノイドコイル ２０ 車載バッテリ電源 ２２ 第１の昇圧電源部 ２４ 第２の昇圧電源部 ２６ タイミング回路部 ２８ 定電流検出回路 ３０ 電流検出部 ＳＷ１〜４ 電気的スイッチ Ｒ１，Ｒ２ 抵抗 Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ Ｄ１，Ｄ２ ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/20 F02M 51/00 F02M 51/06 F16K 31/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁弁の駆動回路において、前記電磁弁の
   通電開始時に第１の所定電圧を印加する第１の高電圧印
   加手段と、前記第１の所定電圧よりも低い第２の所定電
   圧を印加する第２の高電圧印加手段と、前記電磁弁の開
   弁状態を維持または補助するための一定電流を流す定電
   流回路と、前記電磁弁への電圧印加を制御するスイッチ
   ング回路とを有し、前記第２の高電圧印加手段は、前記
   第１の高電圧印加手段によって印加される電圧が前記第
   ２の所定電圧まで低下したとき、前記第２の所定電圧の
   印加を開始することを特徴とする電磁弁駆動回路。