JP3873716B2 - ピエゾインジェクタの充放電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾインジェクタの充放電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、特開平６−２６４８１０号公報、特開平８−１７７６７８号公報に開示された技術が知られている。
これらの技術は、バッテリ電圧によってピエゾ素子の充電を行うために複数の充電専用フライバックトランスを用いたものであり、充電時には充電専用フライバックトランスを用いてピエゾ素子の充電を行い、放電時には放電コイルを用いてピエゾ素子の放電を行う。
そして、特開平６−２６４８１０号公報には、１つのピエゾインジェクタが１サイクル内において複数回噴射を行う場合に、複数の充電専用フライバックトランスが順に充電作動を行って、ピエゾ素子を連続して充電させる例が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記に開示された技術では、バッテリ電圧によって充電専用フライバックトランスを駆動しているため、充電開始から充電完了までに時間がかかり、連続噴射するまでのインターバルが長くなってしまう。特に、従来の技術では、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーが充電側の電源に回収されないため、充電開始から充電完了までの時間が長くなってしまう。このため、１サイクル内において複数回噴射を行う場合は、充電完了時期をずらした多数（少なくとも２つ以上）の充電専用フライバックトランスが必要になり、重量増加、コストアップとなってしまう。
【０００４】
また、従来の技術の放電作動は、放電コイルによる自然放電であったため、ピエゾ素子に蓄えられていた電気エネルギーが消費されてしまい、エネルギー損失が大きかった。
さらに、従来の放電コイルに蓄えられた電気エネルギーは電源に回収されずに自然放電されるものであったため電気エネルギーの放出効率が悪く、発熱してしまう。このため、放電コイルの周辺部品（例えば、スイッチング素子に用いられるパワーＭＯＳ・ＦＥＴ等の半導体素子）を熱で劣化させてしまったり、放熱対策を行う必要があった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電に用いるフライバックトランスと放電に用いるフライバックトランスの２つだけを使用して、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを効率良く電源側に回収するとともに、放電作動中に充電作動を行って１サイクル内において複数回噴射を可能にしたピエゾインジェクタの充放電装置の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
充電作動時は、バッテリ電圧よりも高い電圧が直流電源から第１フライバックトランスの１次コイルに印加される。このため、充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
放電作動時は、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーは、第２フライバックトランスから直流電源に回収される。この第２フライバックトランスの放電中に、第１フライバックトランスにより充電作動を開始することにより、次回の充電完了時間を短くできる。つまり、放電開始から充電終了までの時間を短くできる。
上記のように、請求項１の手段を採用することにより、充電開始から充電終了までの時間を短くできるとともに、放電開始から充電終了までの時間を短くでき、１サイクル内において複数回噴射が可能になる。つまり、第１、第２フライバックトランスの２つだけを使用して、１サイクル内での複数回噴射が可能になる。
【０００７】
一方、放電作動時において、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーは、第２フライバックトランスによって効率よく直流電源に回収される。このため、ピエゾインジェクタの充放電装置で消費される電気エネルギーを少なくできる。
また、ピエゾ素子から直流電源に効率よく回収された電気エネルギーによって、直流電源の電圧を高く維持でき、これによっても充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
さらに、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを第２フライバックトランスで効率よく直流電源に回収するため、放電を行う第２フライバックトランスの発熱が抑えられる。
【０００８】
〔請求項２の手段〕
第１フライバックトランスを用いた充電作動時は、バッテリ電圧よりも高い電圧が直流電源から、第１フライバックトランスの１次コイルに印加される。このため、第１フライバックトランスによる充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
また、第２フライバックトランスを用いた充電作動時は、バッテリ電圧よりも高い電圧が直流電源から、第２フライバックトランスの１次コイルに印加される。このため、第２フライバックトランスによる充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
【０００９】
第１フライバックトランスを用いた放電作動時は、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーが第１フライバックトランスから直流電源に回収される。この第１フライバックトランスの放電中に、第２フライバックトランスにより充電作動を開始することにより、第１フライバックトランスの放電開始から、第２フライバックトランスの充電終了までの時間を短くできる。
また、第２フライバックトランスを用いた放電作動時は、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーが第２フライバックトランスから直流電源に回収される。この第２フライバックトランスの放電中に、第１フライバックトランスにより充電作動を開始することにより、第２フライバックトランスの放電開始から、第１フライバックトランスの充電終了までの時間を短くできる。
【００１０】
上記のように、請求項２の手段を採用することにより、充電開始から充電終了までの時間を短くできるとともに、放電開始から充電終了までの時間を短くでき、１サイクル内において複数回噴射が可能になる。つまり、第１、第２フライバックトランスの２つだけを使用して、１サイクル内での複数回噴射が可能になる。
【００１１】
一方、放電作動時において、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーは、第１、第２フライバックトランスによって効率よく直流電源に回収される。このため、ピエゾインジェクタの充放電装置で消費される電気エネルギーを少なくできる。
また、ピエゾ素子から直流電源に効率良く回収された電気エネルギーによって、直流電源の電圧を高く維持でき、これによっても充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
さらに、ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを第１、第２フライバックトランスで効率よく直流電源に回収するため、放電を行う第１、第２フライバックトランスの発熱が抑えられる。
【００１２】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用することにより、第１フライバックトランスを用いた充放電回路、または第２フライバックトランスを用いた充放電回路の一方に、万が一断線等の不具合が発生したとしても、第１グループまたは第２グループのピエゾ素子の充放電が可能になる。このため、充放電が可能な第１グループまたは第２グループのピエゾ素子の充放電の作動によって緊急非難走行が可能になる。
【００１３】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用し、所定の１次コイル通電時間を、充電スイッチがONしてから１次コイルを流れる電流が、開弁電流（ピエゾ素子の充電に適した電流値）に達するまでの時間としても良い。
【００１４】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチがONしてからピエゾ素子の負荷電圧が、零に近い所定の閉弁電圧に低下するまでの時間としても良い。
【００１５】
〔請求項６の手段〕
請求項６の手段を採用し、所定の２次コイル通電時間を、放電スイッチがONしてから２次コイルを流れる放電電流が所定の閉弁電流に達するまでの時間としても良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、３つの実施例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１〜図１０を参照して第１実施例（ピエゾインジェクタに搭載されたピエゾ素子の充放電装置）を説明する。
【００１７】
ピエゾ素子１は、図９、図１０に示すように、各気筒に取り付けられるピエゾインジェクタ２に取り付けられて燃料の噴射と停止を切り替えるアクチュエータとして作動するものであり、複数の板状ピエゾが電極を介して多数積層された構造を呈する。このピエゾ素子１は、充電に応動して伸長し、放電に応動して収縮するものである。
【００１８】
ピエゾ素子１が搭載されるピエゾインジェクタ２は、例えばコモンレール式のエンジン燃料噴射システムに適用される。
この燃料噴射システムの一例を図９を参照して説明する。
ピエゾインジェクタ２は、エンジンの各気筒に対応して取り付けられている（図９ではピエゾインジェクタ２を１つのみ図示）。各ピエゾインジェクタ２のピエゾ素子１の充放電を制御する充放電回路３は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニットの略）４から与えられる噴射信号によってピエゾ素子１の充放電を行うように設けられている。
【００１９】
つまり、ＥＣＵ４から与えられる噴射開始信号（噴射信号のON）によって充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を充電すると、ピエゾ素子１が伸長してピエゾインジェクタ２が開いてコモンレール５に蓄えられた高圧燃料を各気筒の燃焼室内に噴射する。噴射後、ＥＣＵ４から与えられる噴射停止信号（噴射信号のOFF ）によって充放電回路３がピエゾインジェクタ２内に搭載されたピエゾ素子１を放電すると、ピエゾ素子１が収縮してピエゾインジェクタ２が閉じて燃料噴射が停止する。
【００２０】
コモンレール５には、燃料タンク６の燃料が高圧サプライポンプ７により圧送されており、コモンレール５の内部に高圧燃料が蓄えられる。また、コモンレール５からピエゾインジェクタ２に供給される燃料は、燃焼室への噴射の他に、ピエゾインジェクタ２の制御油圧としても用いられるものであり、ピエゾインジェクタ２から低圧のドレーンライン８を経て燃料タンク６に還流するようになっている。
コモンレール５には、燃料圧力を検出するための圧力センサ９が取り付けられている。ＥＣＵ４は、圧力センサ９の出力に基づいて調整弁１０の開度を制御してコモンレール５への燃料の圧送量を調整し、コモンレール５の内圧を適正な圧力に保っている。
【００２１】
ピエゾインジェクタ２の構造を図１０を参照して説明する。
ピエゾインジェクタ２は、棒状体を呈するもので、図中下側がエンジンの燃焼室壁を貫通し、先端部が燃焼室内に突出するものである。ピエゾインジェクタ２は、下側から上に向かって順に、ノズル部１１、背圧制御部１２、ピエゾ駆動部１３となっている。
【００２２】
ノズル部１１は、ニードル１４の大径部１５がノズルホルダー１６内に摺動自在に支持されるものであり、ニードル１４の先端円錐部１７がノズルホルダー１６の先端部に形成された環状シート１８に着座または離座する。ニードル１４の先端側の外周空間１９には、上述したコモンレール５から高圧通路２０を介して高圧燃料が導入され、ニードル１４の離座時に噴孔２１から燃料が噴射される。ニードル１４の先端側の外周空間１９に供給される高圧燃料は、大径部１５の段差面１５ａに作用して、ニードル１４を上向き（離座方向）にリフトするように作用している。
【００２３】
大径部１５の上側の背圧室２２には、高圧通路２０からインオリフィス２３を介して燃料が供給されており、背圧室２２に供給される高圧燃料は大径部１５の上面１５ｂに作用して、スプリング２４とともにニードル１４を下向き（着座方向）に押しつけるように作用している。
背圧室２２の背圧は、背圧制御部１２で切り替えられるものであり、その背圧制御部１２はピエゾ駆動部１３によって駆動される。
【００２４】
背圧室２２は、アウトオリフィス２５を介して、背圧制御部１２の弁室２６に連通している。
この弁室２６は、天井面２６ａが上向きの円錐形状に形成されており、天井面２６ａの最上部で低圧室２７とつながっている。この低圧室２７は、低圧通路２８を介して上述したドレーンライン８に通じている。
【００２５】
また、弁室２６の底面２６ｂには、高圧通路２０より分岐する高圧制御通路２９が開口している。
さらに、弁室２６内には、下面が水平にカットされたボール弁３０が配置されている。このボール弁３０は、上下動可能な弁体であり、下降時にはカット面が弁室２６の底面２６ｂに着座して弁室２６と高圧制御通路２９の連通を閉じ、上昇時には上の球面で弁室２６の天井面２６ａに着座して弁室２６と低圧室２７の連通を閉じる。
【００２６】
このように、ボール弁３０が下降して弁室２６と高圧制御通路２９の連通が閉じられると、背圧室２２が弁室２６、低圧室２７、低圧通路２８を介してドレーンライン８に連通し、結果的に背圧室２２の圧力が下がり、ニードル１４が離座する。
逆に、ボール弁３０が上昇して弁室２６と低圧室２７の連通が閉じられると、背圧室２２と低圧室２７の連通が遮断されて、背圧室２２が高圧通路２０のみと連通し、ニードル１４の背圧が高まり、ニードル１４が着座する。
【００２７】
ピエゾ駆動部１３は、ピエゾ素子１の伸長によってボール弁３０を押し下げるものであり、低圧室２７の上方に形成された変位拡大室３１の上側に大径ピストン３２、変位拡大室３１の下側に小径ピストン３３を備え、大径ピストン３２の上側に多数積層されたピエゾ素子１が配置されている。
大径ピストン３２は、その下方に配置したスプリング３４によってピエゾ素子１に押しつけられており、積層されたピエゾ素子１の伸縮量と同じだけ上下方向に変位する。
【００２８】
変位拡大室３１には、燃料が充填されており、ピエゾ素子１の伸長によって上側の大径ピストン３２が下降し、変位拡大室３１の燃料が加圧されると、その加圧力によって下側の小径ピストン３３が下方へ押し下げられる。この時、小径ピストン３３は大径ピストン３２よりも小径となっているため、ピエゾ素子１の伸長量が拡大されて小径ピストン３３に伝えられる。
【００２９】
噴射開始時は、先ず、ピエゾ素子１が充電されてピエゾ素子１が伸長する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が下降してボール弁３０が押し下げられ、背圧室２２の背圧が低下する。これにより、ニードル１４が離座して燃料の噴射が開始される。
噴射停止時は、先ず、ピエゾ素子１が放電されてピエゾ素子１が収縮する。すると、大径ピストン３２および小径ピストン３３が上昇してボール弁３０の押し下げを解除する。ボール弁３０には、高圧制御通路２９から高圧燃料が作用しているため、ボール弁３０が上昇して、弁室２６と低圧室２７の連通を遮断する。すると、背圧室２２の背圧が上昇し、ニードル１４が着座して燃料の噴射が停止する。
【００３０】
各気筒毎のピエゾ素子１を充電および放電させるための充放電回路３を図１を参照して説明する。
充放電回路３は、直流電源４０と、ピエゾ素子１を充電させるための第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂと、ピエゾ素子１を放電させるための第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂと、充放電されるピエゾ素子１を選択するための選択スイッチ４３と、第１、第２フライバックトランス４４、４５と、複数のダイオード４６とから構成されている。なお、この実施例の第１、第２フライバックトランス４４、４５は、同一のものが用いられている。
【００３１】
直流電源４０は、車載バッテリ４７の電圧（例えば１２Ｖ、２４Ｖ）を数十〜数百Ｖの直流電圧に昇圧させるＤＣ／ＤＣコンバータ４８、このＤＣ／ＤＣコンバータ４８に並列接続されたバッファコンデンサ４９を備える。このバッファコンデンサ４９は、比較的静電容量の大きなもので、ピエゾ素子１の充電作動時にも一定の電圧を保つようになっている。
【００３２】
第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制御されるものであり、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子でも良いし、機械的なリレースイッチであっても良い。
【００３３】
第１フライバックトランス４４は、１次コイル４４ａおよび２次コイル４４ｂを備えるものであり、１次コイル４４ａは第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂのONによって直流電源４０と電気的に接続され、２次コイル４４ｂは第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂのONによってピエゾ素子１と電気的に接続される。
【００３４】
第２フライバックトランス４５は、上述した第１フライバックトランス４４と同様、１次コイル４５ａおよび２次コイル４５ｂを備えるものであり、１次コイル４５ａは第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂのONによって直流電源４０と電気的に接続され、２次コイル４５ｂは第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂのONによってピエゾ素子１と電気的に接続される。
【００３５】
第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂ、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂおよび選択スイッチ４３は、充放電コントローラ５０によってON-OFF制御されるものであり、充放電コントローラ５０にはＥＣＵ４から「噴射信号」、「切替信号」、「気筒信号」が入力される。
噴射信号は、ピエゾインジェクタ２の噴射開始と噴射終了とを切り替える信号（噴射開始信号および充電終了信号に相当する）であり、噴射開始のHi信号が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ素子１の充電が開始されるとともに、噴射信号のLo信号が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ素子１の放電が開始される。
【００３６】
切替信号は、低エネルギー充放電時（以下、短インターバル充放電時）と、高エネルギー充放電時とを切り替える信号であり、切替信号のLo信号が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ素子１の短インターバル充放電が行われ、切替信号のHi信号が充放電コントローラ５０に与えられると、充放電コントローラ５０によってピエゾ素子１の高エネルギー充放電が行われる。
【００３７】
（短インターバル充放電の説明）
短インターバル充放電とは、エンジンの中低負荷時に実行されるものであり、コモンレール５の燃料圧力を下げて１サイクル中に複数回（例えば４、５回）の燃料を噴射し、複数の噴射で運転状態に適した所定量の燃料をピエゾインジェクタ２から噴射させるものである。
【００３８】
この短インターバル充放電は、一方の２次コイル（２次コイル４４ｂ、４５ｂの一方）で放電作動を行っている間に、他方の１次コイル（１次コイル４４ａ、４５ａの他方）で充電作動を行う技術であり、放電中に充電を開始することで放電開始から充電完了までの噴射インターバルを短くするものである。
【００３９】
次に、短インターバル充放電における第１噴射から第２噴射に至る具体的な噴射作動を、図２、図３を参照して説明する。
ＥＣＵ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号がHiに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１充電スイッチ４１ａを「所定の１次コイル通電時間」だけONする。なお、この実施例の「所定の１次コイル通電時間」は、噴射信号がHiに反転してから、１次コイル４４ａ（あるいは１次コイル４５ａ）の電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達するまでの時間である。
この第１充電スイッチ４１ａのON中に、図２▲１▼に示すように１次コイル４４ａに電流が流れて第１フライバックトランス４４に電気エネルギーが蓄えられ、第１充電スイッチ４１ａがOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２▲２▼に示すように２次コイル４４ｂからピエゾ素子１に与えられる。この作動によってピエゾ素子１の充電が完了し、ピエゾインジェクタ２から噴射が開始される。
【００４０】
続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１放電スイッチ４２ａを「所定の２次コイル通電時間」だけONする。なお、この実施例の「所定の２次コイル通電時間」は、噴射信号がLoに反転してから、ピエゾ素子１の充電電圧が閉弁電圧ＶＣに達するまでの時間である。
この第１放電スイッチ４２ａのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられていた電気エネルギーが、図３▲３▼に示すように低下すると同時に、図２、図３▲４▼に示すように２次コイル４４ｂに電流が流れ、第１フライバックトランス４４に電気エネルギーが蓄えられる。そして、第１放電スイッチ４２ａがOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図３▲５▼に示すように１次コイル４４ａから直流電源４０のバッファコンデンサ４９に回生される。
【００４１】
上記の第１放電スイッチ４２ａのON中、連続噴射のため噴射信号がHiに反転すると、充放電コントローラ５０は、第２充電スイッチ４１ｂを「所定の１次コイル通電時間」だけONする。
この第２充電スイッチ４１ｂのON中に、図２、図３▲１▼’に示すように１次コイル４５ａに電流が流れて第２フライバックトランス４５に電気エネルギーが蓄えられ、第２充電スイッチ４１ｂがOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図２、図３▲２▼’に示すように２次コイル４５ｂからピエゾ素子１に与えられる。この作動によってピエゾ素子１が充電され、ピエゾインジェクタ２から噴射が開始される。
【００４２】
このような作動によって、噴射終了から噴射開始までの噴射インターバル▲６▼を短縮できる。
その後、第２放電スイッチ４２ｂのON中に、第１充電スイッチ４１ａのONが行われ、上記を繰り返すことによって、短いインターバルで燃料の噴射が繰り返される。
【００４３】
次に、短インターバル充放電を実行するロジック回路を、図４、図５を参照して説明する。
なお、以下では、第１充電スイッチ４１ａと第１放電スイッチ４２ａのON-OFFを行うロジック回路を説明するが、第２充電スイッチ４１ｂと第２放電スイッチ４２ｂのロジック回路も同様のものである。
【００４４】
まず、第１充電スイッチ４１ａをON-OFFさせるロジック回路を図４を参照して説明する。
充放電コントローラ５０は、噴射信号の信号を反転させるノット回路５１と、噴射信号がLo信号に反転した時にノット回路５１によってセットされてHi信号を発生する第１フィリップフロップ５２と、噴射信号のHi信号によって所定の時間に亘ってHi信号を発生する時間リミット５３と、第１フィリップフロップ５２と時間リミット５３が共にHiの時のみ第１充電スイッチ４１ａをONさせるアンド回路５４とを備える。
また、充放電コントローラ５０は、１次コイル４４ａの電流値が所定の開弁電流Ｉ1 に達したらHi信号を発生する充電電流検出手段（図示しない）の出力によって第１フィリップフロップ５２をリセットするように設けられ、１次コイル４４ａの電流値が開弁電流Ｉ1 に達したら第１充電スイッチ４１ａがOFF するように設けられている。
【００４５】
上記回路による第１充電スイッチ４１ａのON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明する。
この作動はピエゾ素子１の放電開始時から始まる。実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号が時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実線Ｂに示すようにノット回路５１で反転される。このノット回路５１で反転されたHi信号によって実線Ｃに示すように第１フィリップフロップ５２がHi信号を出力する。
燃料噴射のために、ＥＣＵ４から与えられる噴射信号が実線Ａに示すように時間ｔ2 においてLoからHiに反転すると、第１フィリップフロップ５２とともに時間リミット５３もHi信号を出力するため、アンド回路５４がHi信号を出力し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ４１ａをONさせる。
実線Ｅに示すように１次コイル４４ａの電流値が時間ｔ3 において開弁電流Ｉ1 に達すると、実線Ｃに示すように第１フィリップフロップ５２がリセットする。この結果、アンド回路５４がLoに反転し、実線Ｄに示すように第１充電スイッチ４１ａがOFF する。
【００４６】
続いて、第１放電スイッチ４２ａをON-OFFさせるロジック回路を図４を参照して説明する。
充放電コントローラ５０は、上述したノット回路５１によってセットされる第２フィリップフロップ５５と、この第２フィリップフロップ５５あるいは上述したノット回路５１の少なくとも一方がHiの時のみにHi信号を出力するオア回路５６とを備えるとともに、ピエゾ素子１の負荷電圧が所定の閉弁電圧ＶＣより高い場合にのみHi信号を発生する放電電圧ＶＣの検出回路（図示しない）の出力と上記オア回路５６が共にHiの時のみ第１放電スイッチ４２ａをONさせるアンド回路５７を備える。
【００４７】
また、充放電コントローラ５０は、ピエゾ素子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣより低下した時に、上述した検出回路（図示しない）の出力を反転させるノット回路５８と、このノット回路５８がHi信号を発生した時、あるいは上述した充電電流検出手段（図示しない）がHi信号を発生した時に、Hi信号を発生するオア回路５９とを備える。このように設けることにより、ピエゾ素子１の負荷電圧が閉弁電圧ＶＣに低下した時に、オア回路５９がHi信号を発生して第２フィリップフロップ５５をリセットするとともに、上述したアンド回路５７がOFF して第１放電スイッチ４２ａをOFF するように設けられている。
【００４８】
上記回路による第１放電スイッチ４２ａのON-OFF作動を、図５のタイムチャ−トを参照して説明する。
実線Ａに示すようにＥＣＵ４から与えられる噴射信号が時間ｔ1 においてHiからLoに反転すると、その出力が実線Ｂに示すようにノット回路５１で反転されてHiの信号を出力する。これによって、実線Ｆに示すように第２フィリップフロップ５５がHi信号を出力してオア回路５６がHi信号を出力する。
この時、実線Ｇに示すようにピエゾ素子１の負荷電圧は閉弁電圧ＶＣより高い状態であるため、アンド回路５７がHiの信号を出力して実線Ｈに示すように第１放電スイッチ４２ａをONさせる。
すると、実線Ｉに示すように２次コイル４４ｂに放電電流が流れて、ピエゾ素子１の負荷電圧が実線Ｇに示すように低下する。
ピエゾ素子１の負荷電圧が時間ｔ4 において閉弁電圧ＶＣ（≒０Ｖ）に低下すると、実線Ｆに示すように第２フィリップフロップ５５がリセットされるとともに、アンド回路５７がLoに反転し、実線Ｈに示すように第１放電スイッチ４２ａがOFF する。
【００４９】
（高エネルギー充放電の説明）
高エネルギー充放電とは、エンジンの高負荷時に実行されるものであり、コモンレール５の燃料圧力を高めて１行程中の噴射回数を１回にし、１度の噴射で運転状態に適した所定量の燃料をピエゾインジェクタ２から噴射させるものである。
【００５０】
次に、高インターバル充放電における具体的な噴射作動を、図６、図７を参照して説明する。
ＥＣＵ４から充放電コントローラ５０へ与えられる噴射信号がHiに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂを上述した「所定の１次コイル通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号がHiに反転してから、１次コイル４４ａ、４５ａの電流値が開弁電流Ｉ1 に達するまでの時間に亘って、第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂをONする。
この第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂのON中に、図６、図７▲１▼、▲１▼’に示すように１次コイル４４ａ、４５ａに電流が流れて第１、第２フライバックトランス４４、４５の両方に電気エネルギーが蓄えられる。そして、第１、第２充電スイッチ４１ａ、４１ｂがOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図６、図７▲２▼、▲２▼’に示すように２次コイル４４ｂ、４５ｂの両方からピエゾ素子１に与えられる。この作動によって実線Ａに示すようにピエゾ素子１を高電圧充電（短インターバル充放電の破線Ｂより高電圧充電）でき、ピエゾインジェクタ２から噴射が開始される。
【００５１】
続いて、燃料の噴射中に噴射信号がLoに反転すると、充放電コントローラ５０は、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂを上述した「所定の２次コイル通電時間」だけONする。すなわち、噴射信号がLoに反転してから、ピエゾ素子１の充電電圧が閉弁電圧ＶＣに達するまでの時間に亘って第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂをONする。
この第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂのON中に、ピエゾ素子１に蓄えられていた電気エネルギーが、図７▲３▼に示すように低下すると同時に、図６、図７▲４▼、▲４▼’に示すように２次コイル４４ｂ、４５ｂに電流が流れ、第１、第２フライバックトランス４４、４５に電気エネルギーが蓄えられる。そして、第１、第２放電スイッチ４２ａ、４２ｂがOFF した際に、蓄えられた電気エネルギーは図６、図７▲５▼、▲５▼’に示すように１次コイル４４ａ、４５ａから直流電源４０のバッファコンデンサ４９に回生される。
【００５２】
高エネルギー充放電を実行するロジック回路を図８に示す。
図８の基本演算回路６０は、図４で示した短インターバル充放電のロジック回路であり、基本演算回路６０から出力される「充電ＳＷ１」の出力は図４のアンド回路５４の出力であり、「放電ＳＷ１」の出力は図４のアンド回路５７の出力である。
また、基本演算回路６０から出力される「充電ＳＷ２」および「放電ＳＷ２」の出力は、第２充電スイッチ４１ｂおよび第２放電スイッチ４２ｂのロジック回路（図示しない）からの出力信号である。
【００５３】
この図８のロジック回路は、「短インターバル充放電」と「高エネルギー充放電」のモードの切替手段であり、複数のオア回路６１とアンド回路６２によって、ＥＣＵ４から与えられる「切替信号」がHiの時に高エネルギー充放電を行い、「切替信号」がLoの時に短インターバル充放電が行われるように設けられている。
【００５４】
〔実施例の効果〕
短インターバル充放電における本発明の特徴を説明する。
上述したように、バッテリ電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって高く昇圧された電圧が、直流電源４０のバッファコンデンサ４９から第１フライバックトランス４４の１次コイル４４ａに印加される。このため、１次コイル４４ａの通電時間を短くでき、第１フライバックトランス４４による充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
同様に、第２フライバックトランス４５を用いた充電作動時は、バッテリ電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって高く昇圧された電圧が、直流電源４０のバッファコンデンサ４９から第２フライバックトランス４５の１次コイル４５ａに印加される。このため、１次コイル４５ａの通電時間を短くでき、第２フライバックトランス４５による充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
【００５５】
一方、第１フライバックトランス４４を用いた放電作動時は、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エネルギーが第１フライバックトランス４４から直流電源４０に回収される。この第１フライバックトランス４４の放電中に、第２フライバックトランス４５により充電作動を開始することにより、第１フライバックトランス４４の放電開始から、第２フライバックトランス４５の充電終了までの時間を短くできる。
同様に、第２フライバックトランス４５を用いた放電作動時は、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エネルギーが第２フライバックトランス４５から直流電源４０に回収される。この第２フライバックトランス４５の放電中に、第１フライバックトランス４４により充電作動を開始することにより、第２フライバックトランス４５の放電開始から、第１フライバックトランス４４の充電終了までの時間を短くできる。
【００５６】
請求項２の発明にかかるこの第１実施例を採用することにより、充電開始から充電終了までの時間を短くできるとともに、放電開始から充電終了までの時間を短くでき、１サイクル内において複数回噴射が可能になる。つまり、第１、第２フライバックトランス４４、４５の２つだけを使用して、１サイクル内での複数回噴射が可能になる。
【００５７】
放電作動時においてピエゾ素子１に蓄えられた電気エネルギーは、第１、第２フライバックトランス４４、４５によって効率よく直流電源４０に回収される。このため、ピエゾインジェクタ２の充放電装置で消費される電気エネルギーを少なくできる。
また、ピエゾ素子１から直流電源４０に効率良く回収された電気エネルギーによって、直流電源４０の電圧を高く維持できる。これによっても充電開始から充電終了までの時間を短くできる。
さらに、ピエゾ素子１に蓄えられた電気エネルギーを第１、第２フライバックトランス４４、４５で効率よく直流電源４０に回収するため、放電を行う第１、第２フライバックトランス４４、４５の発熱が抑えられる。
【００５８】
フライバックトランスは、第１、第２フライバックトランス４４、４５の２つに分割して設けられているため、それぞれ半分の容量で充放電に必要な電気エネルギーの蓄積を賄うことができる。このため、第１、第２フライバックトランス４４、４５を小型化でき、車両搭載性が向上する。
【００５９】
〔第２実施例〕
上記の第１実施例では、短インターバル充放電と高エネルギー充放電とを切り替える例を示した。しかし、以下の実施例では、高エネルギー充電は実施しないピエゾインジェクタ２の充放電装置を示す。
【００６０】
上記の第１実施例では、短インターバル充放電時に、第１、第２フライバックトランス４４、４５のそれぞれで交互に充放電を行う例を示した。しかし、この第２実施例の第１フライバックトランス４４は充電作動専用であり、第２フライバックトランス４５は放電作動専用である。
このため、図１１に示されるように、第１実施例で示した第２充電スイッチ４１ｂと第１放電スイッチ４２ａが廃止されている。
つまり、第２フライバックトランス４５の放電作動中に、第１フライバックトランス４４で充電を開始するように設けられている。
請求項１の発明にかかるこの第２実施例を採用することにより、第１実施例と同等の効果を得ることができる。
【００６１】
〔第３実施例〕
この第３実施例は、図１２に示すように、各気筒毎のピエゾ素子１を第１グループαと第２グループβに分けた。
また、第１フライバックトランス４４のそれぞれの２次コイルを、充電専用２次コイル４４ｃと放電専用２次コイル４４ｄに分けて設けるとともに、第２フライバックトランス４５のそれぞれの２次コイルを、充電専用２次コイル４５ｃと放電専用２次コイル４５ｄに分けて設けた。
【００６２】
そして、第１グループαのピエゾ素子１は、第１フライバックトランス４４の充電専用２次コイル４４ｃによって充電されるとともに、第２フライバックトランス４５の放電専用２次コイル４５ｄによって放電されるように設けた。
また、第２グループβのピエゾ素子１は、第２フライバックトランス４５の充電専用２次コイル４５ｃによって充電されるとともに、第１フライバックトランス４４の放電専用２次コイル４４ｄによって放電されるように設けた。
【００６３】
この第３実施例のように設けることにより、第１フライバックトランス４４の充放電回路、または第２フライバックトランス４５の充放電回路の一方に、万が一断線等の不具合が発生した場合であっても、第１グループαまたは第２グループβのピエゾ素子１の充放電が可能になる。このため、充放電が可能な第１グループαまたは第２グループβのピエゾ素子１の充放電の作動によって緊急非難走行が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】充放電装置の電気回路図である（第１実施例）。
【図２】短インターバル充放電説明用の概略回路図である（第１実施例）。
【図３】短インターバル充放電説明用のタイムチャートである（第１実施例）。
【図４】短インターバル充放電のロジック回路図である（第１実施例）。
【図５】短インターバル充放電のロジック回路の作動説明のためのタイムチャートである（第１実施例）。
【図６】高エネルギ−充放電説明用の概略回路図である（第１実施例）。
【図７】高エネルギ−充放電説明用のタイムチャートである（第１実施例）。
【図８】モード切替用のロジック回路図である（第１実施例）。
【図９】燃料噴射システムの概略図である（第１実施例）。
【図１０】ピエゾインジェクタの断面図である（第１実施例）。
【図１１】充放電装置の概略回路図である（第２実施例）。
【図１２】充放電装置の概略回路図である（第３実施例）。
【符号の説明】
１ ピエゾ素子
２ ピエゾインジェクタ
４０ 直流電源
４１ａ 第１充電スイッチ
４１ｂ 第２充電スイッチ
４２ａ 第１放電スイッチ
４２ｂ 第２放電スイッチ
４４ 第１フライバックトランス
４４ａ １次コイル
４４ｂ ２次コイル
４４ｃ 充電専用２次コイル
４４ｄ 放電専用２次コイル
４５ 第２フライバックトランス
４５ａ １次コイル
４５ｂ ２次コイル
４５ｃ 充電専用２次コイル
４５ｄ 放電専用２次コイル
４７ バッテリ
４８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４９ バッファコンデンサ
α 第１グループ
β 第２グループ

Claims (6)

1. （ａ）直流電源の電流をフライバックトランスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備し、
   噴射開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけオンさせ、
   前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトランスの２次コイルからピエゾインジェクタのピエゾ素子に与えられて、このピエゾ素子の充電作動が１回の１次コイル通電作動で完了する充電作動を行うとともに、
   （ｂ）前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放電スイッチを具備し、
   噴射停止信号が与えられてから前記放電スイッチを所定の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて前記ピエゾ素子の放電作動を１回の２次コイル通電作動で完了し、
   前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの１次コイルから直流電源に回生するピエゾインジェクタの充放電装置であって、
   （ｃ）前記直流電源は、車両に搭載されるバッテリの電圧をバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧する直流の高圧電源であり、
   前記フライバックトランスは、充電作動を行う第１フライバックトランスと、放電作動を行う第２フライバックトランスとに独立して設けられ、
   前記第２フライバックトランスの放電作動中に、前記第１フライバックトランスによって充電作動を開始することを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
2. （ｄ）直流電源の電流をフライバックトランスの１次コイルに与えるための充電スイッチを具備し、
   噴射開始信号が与えられてから前記充電スイッチを所定の１次コイル通電時間だけオンさせ、
   前記充電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーが、前記フライバックトランスの２次コイルからピエゾインジェクタのピエゾ素子に与えられて、このピエゾ素子の充電作動が１回の１次コイル通電作動で完了する充電作動を行うとともに、
   （ｅ）前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの２次コイルに与えるための放電スイッチを具備し、
   噴射停止信号が与えられてから前記放電スイッチを所定の２次コイル通電時間だけオンさせて、前記ピエゾ素子に蓄えられた電気エネルギーを前記２次コイルに与えて前記ピエゾ素子の放電作動を１回の２次コイル通電作動で完了し、
   前記放電スイッチのオフ後、前記フライバックトランスに蓄えられた電気エネルギーを前記フライバックトランスの１次コイルから直流電源に回生するピエゾインジェクタの充放電装置であって、
   （ｆ）前記直流電源は、車両に搭載されるバッテリの電圧をバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧する直流の高圧電源であり、
   前記フライバックトランスは、第１フライバックトランスと第２フライバックトランスとに独立して設けられ、
   前記第２フライバックトランスの放電作動中に、前記第１フライバックトランスが充電作動を開始し、
   前記第１フライバックトランスの放電作動中に、前記第２フライバックトランスが充電作動を開始することを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
3. 請求項２のピエゾインジェクタの充放電装置において、
   前記ピエゾインジェクタは複数用いられ、各ピエゾインジェクタに搭載されるそれぞれのピエゾ素子は、第１グループと第２グループに分けて設けられ、
   前記第１、第２フライバックトランスのそれぞれの２次コイルは、充電専用２次コイルと放電専用２次コイルを備え、
   前記第１グループのピエゾ素子は、前記第１フライバックトランスの充電専用２次コイルによって充電されるとともに、前記第２フライバックトランスの放電専用２次コイルによって放電され、
   前記第２グループのピエゾ素子は、前記第２フライバックトランスの充電専用２次コイルによって充電されるとともに、前記第１フライバックトランスの放電専用２次コイルによって放電されることを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかのピエゾインジェクタの充放電装置において、
   前記所定の１次コイル通電時間は、前記充電スイッチがオンしてから、前記１次コイルの通電電流が所定の開弁電流に達するまでの時間であることを特徴とすることを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかのピエゾインジェクタの充放電装置において、
   前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチがオンしてから、前記ピエゾ素子の負荷電圧が、零に近い所定の閉弁電圧に低下するまでの時間であることを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかのピエゾインジェクタの充放電装置において、
   前記所定の２次コイル通電時間は、前記放電スイッチがオンしてから、前記２次コイルを流れる放電電流が所定の閉弁電流に達するまでの時間であることを特徴とするピエゾインジェクタの充放電装置。

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