JP3633378B2 - 電磁弁の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は電磁弁の制御装置に係り、詳しくは、コンデンサ等に蓄積された蓄積エネルギーの放出によって作動応答性(例えば、燃料噴射用電磁弁の開弁応答性)の向上を図るとともに通電遮断時のエネルギーを回収するようにした電磁弁の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電磁弁の開弁応答を早めるために、昇圧回路(DC−DCコンバータ)によりコンデンサに蓄積されたエネルギーを放出するもの、あるいは、電磁弁の通電エネルギーの回収によりコンデンサにエネルギーを蓄積し利用するものが知られている(特開平9−115727号公報、特公平7−78374号公報、特許第2598595号公報)。また、近年、排気ガス対策として、本来の噴射タイミングの他、それとは異なるタイミングでの噴射、例えば、ディーゼルエンジンの噴射制御におけるパイロットおよびメイン噴射の他に、その前後に噴射(多段噴射)を行ったり、更には他の気筒が噴射している最中にも噴射(多重噴射)を行いたいといった要求がある。
【0003】
しかし、上記従来技術では、インジェクタ(電磁弁)に対して1個のコンデンサに制御装置内に設けた昇圧回路(DC−DCコンバータ)、又は電磁弁のオフ時のエネルギー回収を利用してエネルギーを蓄積しており、エネルギー放出後、次に放出するまでの間に再度エネルギーを蓄積するのに時間がかかるために、連続する多段噴射又は、他気筒との多重噴射制御にはエネルギーの蓄積が間に合わないといった問題があった。
【0004】
そこで、図6に示す車載型インジェクタ制御装置とすることが考えられる。図6において、昇圧回路301によりコンデンサ302にエネルギーが蓄積される。コンデンサ302にはスイッチ303を介してインジェクタ304のソレノイド304aの一端が接続され、ソレノイド304aの他端はスイッチ305及び抵抗306を介して接地されている。駆動用IC307は、マイコン308からのエンジン運転状態に応じた噴射信号♯1を入力して、各スイッチ303,305,309をオン/オフ制御する。また、ソレノイド304aのGND側端子はダイオード310を介してコンデンサ302と接続されている。
【0005】
上記インジェクタ制御装置の動作を図7のタイムチャートに従い説明する。図7には、インジェクタによる多段噴射が実施される様子を示す。
マイコン308からの噴射信号♯1に従いスイッチ305がオンすると、それと同時にスイッチ303が一定時間だけオンし、コンデンサ302の充電エネルギーがインジェクタ304のソレノイド304aに対して放出される。これにより、インジェクタ304の開弁当初に大電流が流れ、インジェクタ304の開弁応答性が向上する。その後、抵抗306により検出されるインジェクタ電流に応じてスイッチ309がオン/オフされ、インジェクタ304が定電流駆動される。また、通電遮断時のソレノイド304aに発生するエネルギーがダイオード310を通ってコンデンサ302に回収される。
【0006】
一方、コンデンサ302に対しては昇圧回路301のスイッチ301aがオン/オフされて充電が行われる。以後、このようにコンデンサ302に充電が行われるとともに、このコンデンサ302のエネルギーがインジェクタ304に供給され、燃料噴射動作に供される。
【0007】
このようにして、電磁弁の通電エネルギーの回収によるコンデンサ302への充電と昇圧回路(DC−DCコンバータ)301による充電の両方を行い、充電完了までの時間を短縮し、多段噴射時でもコンデンサ302にエネルギーを再蓄積できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図6,7の場合、噴射終了時のコンデンサ電圧の差異ΔV(=V2−V1)により電磁弁の通電エネルギーの回収時間が変化し、そのために電磁弁の閉弁時間(通電オフから弁が閉じるまでの遅れ時間T1,T2)にばらつきが生じ、マイコン308がエンジン状態により最適になるよう算出した噴射信号♯1に対し電磁弁の開いている(燃料を噴射している)時間にもばらつきが生じ、その車両において乗り心地の悪化や排気スモーク、NOxの発生が大きくなるといった問題が発生する。
【0009】
そこで、この発明の目的は、高い頻度でエネルギーが使われる場合においても安定した電磁弁の作動を確保することができる電磁弁の制御装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1,2に記載の発明によれば、制御手段により電磁弁へのエネルギー供給の終了時に逆起電力エネルギーが回収される時において、エネルギー蓄積手段(例えばコンデンサ)には少なくとも、エネルギー蓄積手段の電圧の変化に対し電磁弁の閉弁時間の変化が小さくなるような所定量のオフセット分が存在するように設定されている。これにより、例えば、図4に示すように、電磁弁オフ時のコンデンサ電圧と閉弁時間との関係においてコンデンサ電圧が低い場合(領域Z1)にはコンデンサ電圧の変化に対し閉弁時間も大きく変化し、コンデンサ電圧が高い場合(領域Z2)にはコンデンサ電圧の変化に対し閉弁時間の変化が小さいので、コンデンサ電圧として所定量のオフセットを持たせることによりコンデンサ電圧の変化に対し閉弁時間の変化が小さい領域Z2を用いて充・放電を行うことにより、閉弁時間の一定化を図ることが可能となる。
【0011】
このようにして、高い頻度でエネルギーが使われる場合においても安定した電磁弁の作動を確保することができることとなる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
本実施の形態は、車載用4気筒ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムとして具体化されるものであり、同燃料噴射システムにおいてコモンレール内で蓄圧された高圧燃料は、インジェクタの駆動に伴いディーゼルエンジンの各気筒に対して噴射供給される。また本実施の形態では、1回の燃焼行程に際して複数回の燃料噴射動作を行わせる多段噴射と、同時に2つのインジェクタを駆動させて各々燃料噴射を行わせる多重噴射とを実施する。
【0013】
図1は、本実施の形態におけるインジェクタ制御装置を示す電気回路図である。ただし、図1では、4つのインジェクタのうちの1つのみを示し、簡略化している。
【0014】
図1の装置は、エンジンの各気筒に対して燃料噴射を行うインジェクタ101と、インジェクタ101を駆動する駆動回路(EDU:Electric Driver Unit)100と、この駆動回路100に接続されるECU(電子制御装置)200とを備える。ECU200は、CPU、各種メモリ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、エンジン回転数Ne、アクセル開度ACC、エンジン水温THWなど、各種センサにて検出されるエンジン運転情報に基づき気筒毎に噴射信号を生成して駆動回路100に出力する。
【0015】
インジェクタ101は常閉式の電磁弁にて構成され、電磁負荷としてのソレノイド101aを備える。この場合、ソレノイド101aが通電されると、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、燃料噴射が行われる。また、ソレノイド101a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。
【0016】
インダクタL00は一端が車載電源としてのバッテリ電源ライン(+B)に接続され、他端がトランジスタ(スイッチング素子)T00に接続されている。以下、トランジスタは全てスイッチング素子として使用される。トランジスタT00のゲート端子には充電制御回路110が接続され、この回路110の出力に応じてトランジスタT00がオン/オフする。充電制御回路110に関し、詳しくは自励式の発振回路を使用している。また、トランジスタT00とGNDとの間には電流検出抵抗R00が接続されている。
【0017】
インダクタL00とトランジスタT00との間には、逆流防止用のダイオードD13を介してエネルギー蓄積手段としてのコンデンサC10の一端が接続されている。コンデンサC10の他端はトランジスタT00と電流検出抵抗R00との接続点に接続されている。
【0018】
上記インダクタL00、トランジスタT00、電流検出抵抗R00、充電制御回路110、ダイオードD13により昇圧手段としてのDC−DCコンバータ回路50が構成されている。トランジスタT00がオン/オフされると、ダイオードD13を通じてコンデンサC10が充電される。これにより、コンデンサC10がバッテリ電圧+Bよりも高い電圧に充電され、バッテリ電源よりも高いエネルギーを蓄積することができる。かかる場合、電流検出抵抗R00により充電電流がモニタされつつ、充電制御回路110によりトランジスタT00がオン/オフされることで、コンデンサC10が効率の良い周期で充電される。また、充電制御回路110は駆動用IC120から充電許可信号を入力している。
【0019】
駆動用IC120には、#1の入力端子が接続され、駆動用IC120はこの端子を通じてECU200から第1気筒(#1)の噴射信号を取り込む。
トランジスタT12は、#1の噴射信号がオフ(論理ローレベル)からオン(論理ハイレベル)に反転するタイミングで一時的にオンとなり、コンデンサC10の蓄積エネルギーをインジェクタ101に供給(放出)するためのトランジスタである。より詳しくは、トランジスタT12はコンデンサC10と共通端子COM1との間に設けられ、制御手段としての駆動用IC120によりトランジスタT12がオンされると、コンデンサC10の蓄積エネルギーがCOM1側のインジェクタ101に供給される。こうしたコンデンサC10のエネルギー放出により、インジェクタの駆動電流として大電流が流れ、それに伴いインジェクタの開弁応答性が向上する。
【0020】
インジェクタ101のローサイドには、駆動回路100の端子INJ1を介してトランジスタT10が接続されており、ECU200から#1の噴射信号が供給されると、その論理ハイレベルの噴射信号により当該トランジスタT10がオンとなる。トランジスタT10は電流検出抵抗R10を介して接地されている。電流検出手段としての電流検出抵抗R10によりインジェクタ101に流れる駆動電流が検出され、その検出結果が駆動用IC120に取り込まれる。
【0021】
本例では、抵抗R10と駆動用IC120にてエネルギー供給量検出手段を構成しており、コンデンサC10からソレノイド101aに対してのエネルギー供給量を検出することができるようになっている。
【0022】
COM1端子はダイオードD11とトランジスタT11を介してバッテリ電源ライン(+B)に接続されている。かかる場合、駆動用IC120は、インジェクタ101に流れる駆動電流に応じてトランジスタT11をオン/オフ制御する。これにより、+Bからインジェクタ101に定電流が供給される。ダイオードD12は定電流制御のための帰還ダイオードであり、トランジスタT11のオフ時にインジェクタ101に流れる電流はダイオードD12を介して還流される。
【0023】
実際の動作に際しては、駆動指令である噴射信号の立ち上がりと同時に先ずトランジスタT12がオンされ、インジェクタ101の駆動電流としてコンデンサC10のエネルギー放出により大電流が流れた後、引き続き、トランジスタT11を通じて定電流が流れ、噴射信号の立ち下がりに伴い同駆動電流が遮断される。なお、ダイオードD11は、コンデンサC10のエネルギー放出に際し、高電位となるCOM1端子から+B側への回り込みを防止するためのダイオードである。
【0024】
ここで、本例のコンデンサC10は、コンデンサC10の満充電電圧が高くなっている。
また、駆動用IC120には放電制御回路121が備えられている。放電制御回路121は、後述するインジェクタ開弁時のエネルギー供給のタイミングを制御する回路で、抵抗R10によるインジェクタ電流を取り込んで、この電流値に基づいてトランジスタT12のオン・オフを制御する。
【0025】
具体的には、本例の放電制御回路121を、図2に示す回路構成とする。放電制御回路121には比較器401が設けられている。比較器401において、インジェクタ通電電流に相当する電圧が入力されるとともに、抵抗R40とR41による基準電圧Vccの分圧が遮断電流値に相当する比較値として入力される。比較器401の出力端子にはゲート402を介してトランジスタT12が接続されている。そして、噴射信号♯1がオンとなると、比較器401の比較結果によりトランジスタT12にオン信号が送出される。
【0026】
また、インジェクタ101(端子INJ1)は回収手段としてのダイオードD10を介してコンデンサC10に接続されており、ソレノイド101aのオフ、即ち、通電遮断に伴いソレノイド101aに発生する逆起電力エネルギー(フライバックエネルギー)はダイオードD10を介してコンデンサC10に回収される。
【0027】
本例では、トランジスタT10が、バッテリ電源のエネルギーをソレノイド101aに供給するための第1エネルギー供給手段として機能し、トランジスタT12が、コンデンサC10に蓄積したエネルギーをソレノイド101aに供給するための第2エネルギー供給手段として機能する。
【0028】
次に、本実施の形態における作用を、図3のタイムチャートを用いて説明する。
図3は、インジェクタ101の制御信号♯1を示し、パイロット噴射とメイン噴射を行わせるための噴射信号である。
【0029】
図3のパイロット噴射開始前において、コンデンサC10は充電制御回路110によって充電され、満充電の状態にある。満充電の電圧は、電磁弁の開弁応答を早めるのに必要なエネルギーを放出した後でも、所定のオフセット電圧が残るように設定されている。この所定量のオフセット分は、ソレノイド101aがオンからオフに切り替わった際のソレノイド・オフ時の動作状態(閉弁状態)に戻るまでの切り替わり時間の変動が適用されるシステム、即ち、図3において閉弁時間が変動するシステムにおいて、閉弁時間が許容できる範囲に収まるように決定したものである。
【0030】
このようにコンデンサC10が満充電の状態から、t1のタイミングで#1の噴射信号がオンに立ち上げられると、トランジスタT10がオンすると共に、それと同時にトランジスタT12がオンし、インジェクタ101による噴射が開始される。トランジスタT12がオンした後において抵抗R10による通電電流値(INJ1電流)が所定の値I0 になると、駆動用IC120の放電制御回路121により、1回の噴射に必要な所定のエネルギーを放出したとして、つまり、必要なエネルギーの放出が完了する電圧まで低下したとして、トランジスタT12がオフされる。なお、抵抗R10によるインジェクタ電流の代わりに、コンデンサC10の電圧Vcを取り込んで、コンデンサ電圧Vcに基づいてトランジスタT12のオン・オフを制御してもよい。
【0031】
このようにして、トランジスタT12は、噴射の開始当初の一定時間だけオンし、コンデンサC10の蓄積エネルギーがインジェクタ101に放出され、これにより、インジェクタ101のソレノイド101aに大電流が流れ、インジェクタ101の開弁応答が早まる。この時、コンデンサC10からの放電電流を安定させるためトランジスタT12のオン時(通電中)は、DC−DCコンバータ回路50による充電が禁止される。
【0032】
そして、コンデンサC10のエネルギー放出後は、それに引き続いてトランジスタT11がオン/オフ制御され、ダイオードD11を介してインジェクタ101に定電流が供給される。すなわち、電流検出抵抗R10により検出した駆動電流(INJ1電流)に応じて駆動用IC120がトランジスタT11をオン/オフし、その駆動電流を所定値に保持する。これにより、インジェクタ101は開弁状態で保持される。
【0033】
その後、#1の噴射信号がオフされると(t2のタイミング)、トランジスタT10がオフしてインジェクタ101が閉弁し、同インジェクタ101による噴射が終了される。インジェクタ101の通電遮断時に発生する逆起電力エネルギーはダイオードD10を通じてコンデンサC10に回収される。このとき、噴射開始時にエネルギー放出を行ったのと同じコンデンサC10でエネルギーが回収される。
【0034】
その後に、トランジスタT00がオン/オフを開始され、DC−DCコンバータ回路50によるコンデンサC10の充電が行われる。
以後、噴射信号に基づいてメイン噴射が連続して行われる(図3のt3〜t4の期間)。
【0035】
ここで、メイン噴射においてもパイロット噴射と同様に動作するが、噴射間隔が短い場合に対応するため、放電終了後、直ちにDC−DCコンバータ回路50による充電を開始しているので、噴射時間が異なると噴射終了時のコンデンサ電圧Vcが異なるが、コンデンサ電圧にオフセットを設けているので、閉弁時間、即ち、INJ1電流の低下するのに要する時間の差異は無視できる程度まで縮小することができる。これに関して、図4,5を用いて説明を加える。
【0036】
図4には、噴射終了時のコンデンサ電圧Vcとインジェクタ閉弁時間の関係を示す。図5には、噴射終了時のINJ1電流波形IINJ とコンデンサ電圧波形を示す。つまり、図5においてtsのタイミングにてインジェクタへの通電遮断が行われ、その逆起電力がコンデンサC10に回収され、また、その後のteのタイミングにてDC−DCコンバータ回路50のインダクタL00への通電遮断が行われ、その逆起電力がコンデンサC10に蓄えられる。よって、tsとteのタイミングにてコンデンサ電圧Vcが上昇している。
【0037】
インジェクタのソレノイド101aに溜まったエネルギー量Eは、コンデンサ電圧をVc、INJ1電流をIINJ とすると、
【0038】
【数1】
となる。ここで、ソレノイド101aは電流制御され、一定のエネルギーを蓄積しているので、図4に示すように、コンデンサ電圧Vcが高い程、閉弁時間は短くなる。つまり、コンデンサ電圧Vcが所定値V1より低い領域Z1においてはコンデンサ電圧Vcの変化に対し閉弁時間も大きく変化し、また、コンデンサ電圧Vcが所定値V1より高い領域Z2においてはコンデンサ電圧Vcの変化に対し閉弁時間の変化が小さい。
【0039】
従って、コンデンサ電圧に対して予めオフセットを設け、閉弁時間の差異を無視できる領域Z2でコンデンサC10を充放電させることにより、閉弁時間のばらつきを抑えることができる。
【0040】
尚、多段噴射或いは多重噴射に対応するため、コンデンサC10に複数回分の噴射に必要なエネルギーを蓄積する場合にも有効である。
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
(イ)駆動用IC120は、トランジスタT10,T11によりソレノイド101aを動作させる期間だけバッテリ電源のエネルギーをソレノイド101aに供給すると共に、トランジスタT12によりソレノイド101aの動作の応答を早めるのに必要な量のコンデンサC10のエネルギーをソレノイド101aに供給し、コンデンサC10においては、駆動用IC120によりソレノイド101aへのエネルギー供給の終了時の逆起電力エネルギーを回収する時に、少なくとも所定量のオフセット分が存在するように設定した。これにより、図4の領域Z1にて示すコンデンサ電圧が低い場合にはコンデンサ電圧の変化に対し閉弁時間も大きく変化し、領域Z2にて示すコンデンサ電圧が高い場合にはコンデンサ電圧の変化に対し閉弁時間の変化が小さいので、閉弁時間の変化が小さい領域Z2を用いて充・放電を行うことにより、閉弁時間の一定化を図ることが可能となる。その結果、高い頻度でエネルギーが使われる場合、即ち、多段噴射・多重噴射が行われるインジェクタ制御装置においても安定したインジェクタ(ソレノイド)の作動を確保することができる。
【0041】
なお、ディーゼルエンジンのインジェクタの制御システムに適用したが、ガソリンエンジンのインジェクタの制御システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態におけるインジェクタ制御装置を示す電気回路図。
【図2】放電制御回路の電気回路図。
【図3】作用説明のためのタイムチャート。
【図4】噴射終了時のコンデンサ電圧Vcとインジェクタ閉弁時間の関係を示す図。
【図5】噴射終了時のINJ1電流波形とコンデンサ電圧波形を示す図。
【図6】従来技術を説明するためのインジェクタ制御装置の構成例を示す図。
【図7】従来技術を説明するためのタイムチャート。
【符号の説明】
50…DC−DCコンバータ回路、101a…ソレノイド、120…駆動用IC、C10…コンデンサ、R10…抵抗、T10…トランジスタ、T12…トランジスタ。
Claims (7)
- 電磁弁(101)と、
前記電磁弁に接続され、前記電磁弁に供給するエネルギーが蓄積されるエネルギー蓄積手段(C10)と、
前記電磁弁と前記エネルギー蓄積手段との間に設けられ、前記エネルギー蓄積手段に蓄積したエネルギーを前記電磁弁に供給するためのエネルギー供給手段(T12)と、
前記エネルギー供給手段を制御する制御手段(120)と、
前記電磁弁のオフ時に発生する逆起電力エネルギーを前記エネルギー蓄積手段に回収するための回収手段(D10)と、
を備え、
前記エネルギー蓄積手段(C10)は、前記制御手段により前記電磁弁へのエネルギー供給の終了時の逆起電力エネルギーを回収する時に、少なくとも、前記エネルギー蓄積手段の電圧の変化に対し前記電磁弁の閉弁時間の変化が小さくなるような所定量のオフセット分が存在するように設定されていることを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 車載電源に接続された電磁弁(101)と、
前記車載電源のエネルギーを前記電磁弁に供給するための第1エネルギー供給手段(T10)と、
前記電磁弁に接続され、前記電磁弁に供給する前記車載電源よりも高いエネルギーが蓄積されるエネルギー蓄積手段(C10)と、
前記電磁弁と前記エネルギー蓄積手段との間に設けられ、前記エネルギー蓄積手段に蓄積したエネルギーを前記電磁弁に供給するための第2エネルギー供給手段(T12)と、
前記第1、第2エネルギー供給手段を制御する制御手段(120)と、
前記電磁弁のオフ時に発生する逆起電力エネルギーを前記エネルギー蓄積手段に回収するための回収手段(D10)と、
を備え、
前記制御手段(120)は、前記第1エネルギー供給手段により前記電磁弁を動作させる期間だけ前記車載電源のエネルギーを前記電磁弁に供給すると共に、前記第2エネルギー供給手段により前記電磁弁の動作の応答を早めるのに必要な量の前記エネルギー蓄積手段のエネルギーを前記電磁弁に供給し、
前記エネルギー蓄積手段(C10)は、前記制御手段により前記電磁弁へのエネルギー供給の終了時の逆起電力エネルギーを回収する時に、少なくとも、前記エネルギー蓄積手段の電圧の変化に対し前記電磁弁の閉弁時間の変化が小さくなるような所定量のオフセット分が存在するように設定されていることを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 請求項1または2に記載の電磁弁の制御装置において、
前記エネルギー蓄積手段から前記電磁弁に対してのエネルギー供給量を検出するエネルギー供給量検出手段(R10,120)を備え、前記制御手段はこのエネルギー供給量に従って前記エネルギー供給手段を制御することを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 請求項3に記載の電磁弁の制御装置において、
エネルギー供給量検出手段は前記電磁弁に流れる電流値を検出する電流検出手段(R10)を備えることを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電磁弁の制御装置において、
前記エネルギー蓄積手段には、車載電源電圧を昇圧手段(50)にて昇圧したエネルギーも蓄積されることを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電磁弁の制御装置において、
前記エネルギー蓄積手段での所定量のオフセット分とは、前記電磁弁がオンからオフに切り替わった際の電磁弁オフ時の動作状態に戻るまでの切り替わり時間の変動が適用されるシステムにおいて許容できる範囲から決められるものであることを特徴とする電磁弁の制御装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電磁弁の制御装置において、
前記電磁弁はエンジンに燃料を供給するインジェクタのソレノイドであることを特徴とする電磁弁の制御装置。
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