JP4345226B2 - Piezo actuator driving circuit and fuel injection device - Google Patents

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    • F02M2200/21Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータはPZT等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り替えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。
【0003】
ピエゾアクチュエータの駆動用のピエゾアクチュエータ駆動回路は、例えば、ピエゾスタックに直流電源からスイッチング素子およびインダクタを介して通電するピエゾスタックへの第1の通電経路と、直流電源およびスイッチング素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに通電する第2の通電経路とを有しており、第1の通電経路には、前記スイッチング素子のオン期間に漸増する充電電流が流れ、第2の通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電流がフライホイール作用で流れる。スイッチング素子のオンオフを繰り返すことで、充電電流が漸増と漸減とを繰り返してピエゾスタックの充電量が増加していき、ピエゾスタックの両端間電圧が段階的に上昇していく。これは複数スイッチング方式として知られており、充電量が所定の目標充電量に達するとスイッチング素子をオフに固定し充電を終了する。
【0004】
充電量を可変として、ピエゾスタックの伸長量や押圧力が必要に応じて得られるようにしたものがある。特公平6−12101号公報には、コモンレール式の内燃機関の燃料噴射装置に適用した例として、燃料を噴射するインジェクタの構造を、ノズル内のニードルにコモンレールから供給された燃料の圧力が開弁方向に付勢し、ピエゾスタックがニードルを加圧室内の燃料圧を介して間接的に押圧駆動して開弁する構成とした燃料噴射装置において、検出したコモンレール内燃料圧力に応じてピエソスタックの充電量を制御し、ニードルへの押圧力の適正化を図ったものが開示されている。充電の終了は、例えばピエゾスタックの両端間電圧を検出してこれが目標充電量としての目標電圧に達したか否かで判断し、スイッチング素子をオフに固定する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、スイッチング素子をオフに固定した時、インダクタには、その時点の充電電流の大きさに応じたエネルギーが蓄積されており、オフ後にフライホイール電流による充電が行われて、その分が目標充電量に対する誤差となる。この誤差は、環境の変化等でピエゾアクチュエータ駆動回路を構成する部品の定数が変化すると、ピエゾスタックの充電量が目標充電量に達した時の充電電流の大きさが変化するので、変動する。
【0006】
充電量の誤差が最も大きくなるのは充電電流がピーク値に達した時と、スイッチング素子をオフに固定した時とが一致する場合である。したがって、充電量の誤差の抑制策として、スイッチング素子のオン期間からオフ期間に切り換えるタイミングを早めて充電電流のピーク値を抑えることが考えられる。
【0007】
しかしながら、前記特公平6−12101号公報記載の技術のようにコモンレール内燃料圧力に応じて目標充電量を制御する場合には、ピーク値を抑えることで平均充電電流が小さくなり、目標充電量が大きな値をとったときに、充電時間が長くなるという問題がある。
【0008】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、必要な充電精度を確保しつつ、適正な充電時間で、充電制御を行うことのできるピエゾアクチュエータ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】
請求項1記載の発明では、内燃機関の燃料噴射装置のインジェクタに用いられるピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、その途中に設けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増する充電電流を流し、
前記直流電源および前記スイッチング素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに通電する第2の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電流をフライホイール作用で流し、
前記充電電流が繰り返し所定のピーク値をとるように前記スイッチング素子のオンオフを制御するとともに、前記ピエゾスタックの充電量が、外部からの入力で設定された目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段を、目標充電量が小さいほど、前記スイッチング素子の前記オン期間の長さが短くなり、前記オン期間から前記オフ期間に切り換えるタイミングが、前記ピーク値が小さくなるタイミングとなるように設定する。
【0010】
目標充電量が小さいほど充電電流が減じられ、スイッチング素子がオフに固定された時点でインダクタに保持されているエネルギーは小さくなり、充電量の誤差は小さくなる。これにより、ピエゾスタックに最終的に充電される充電量に対する誤差割合は小さく抑えられる。
【0011】
一方、目標充電量が大きいほど充電電流が増大し、速やかに目標充電量まで充電できる。なお、スイッチング素子をオフに固定した時の充電電流が相対的に大きくなるが、目標充電量自体が大きいので、ピエゾスタックに最終的に充電される充電量に対する誤差割合はさ程、大きくはなく、必要な充電精度は確保することができる。
【0012】
前記制御手段は、請求項2記載の発明のように、充電電流に応じた第1の信号と、前記ピーク値を規定する前記目標充電量に応じた第2の信号とを比較する比較手段と、
第1の信号が第2の信号に達すると、前記スイッチング素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成とすることができる。
【0013】
あるいは、前記制御手段は、請求項3記載の発明のように、前記オン期間の経過時間に応じて上昇する第1の信号を発生する信号発生手段と、
第1の信号と、前記ピーク値を規定する前記目標充電量に応じた第2の信号とを比較する比較手段と、
第1の信号が第2の信号を越えると、前記スイッチング素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成とする。
【0014】
請求項4記載の発明では、コモンレールから供給される高圧の燃料の噴射用のノズル部と、
燃料の噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開閉作動用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、
前記高圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧力を出力するピエゾアクチュエータと、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項1ないし3いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備する構成とする。
前記制御手段は、検出されたコモンレール内燃料圧力が高いほど目標充電量が大きくなるように設定する。
【0015】
コモンレール内燃料圧力に抗して弁体を作動し得る押圧力を過不足のない適正な大きさに制御することができる。また、ピエゾアクチュエータ駆動回路の不要な発熱が回避される。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1、図2に本発明を適用したピエゾアクチュエータ駆動回路の構成を示す。本ピエゾアクチュエータ駆動回路1は複数スイッチング方式の回路構成において、駆動制御回路19を、充電制御において目標充電量に応じて充電電流の大きさを制御する構成としたものであり、本ピエゾアクチュエータ駆動回路1の説明に先立ち、ピエゾアクチュエータ駆動回路1を有し構成されるコモンレール式の4気筒ディーゼルエンジンの燃料噴射装置の全体構成について説明する。
【0017】
図3に前記燃料噴射装置の構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ4が各気筒に対応して設けられ(図例ではインジェクタ4は1つのみ図示)、供給ライン55を介して連通する共通のコモンレール54から燃料の供給を受け、インジェクタ4から各気筒の燃焼室内に略コモンレール54内の燃料圧力(以下、コモンレール圧力)に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール54には燃料タンク51の燃料が高圧サプライポンプ53により圧送されて高圧で蓄えられる。
【0018】
また、コモンレール54からインジェクタ4に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ4の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ4から低圧のドレーンライン56を経て燃料タンク51に還流するようになっている。
【0019】
圧力検出手段である圧力センサ57はコモンレール54に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてECU58が調量弁52を制御してコモンレール54への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。また、ECU58はクランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期や噴射量を演算し、これに応じてインジェクタ4の開弁と閉弁とを切り換え、インジェクタ4から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【0020】
図4に前記インジェクタ4の構造を示す。インジェクタ4は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ4は下側から順にノズル部4a、背圧制御部4b、ピエゾアクチュエータ4cとなっている。
【0021】
ノズル部4aの本体404内にニードル421がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル421はノズル本体404内の先端部に形成された環状シート4041に着座または離座する。ニードル421の先端部の外周空間405には高圧通路401を介してコモンレール54から高圧燃料が導入され、ニードル421のリフト時に噴孔403から燃料が噴射される。ニードル421にはその環状段面4211に前記高圧通路401からの燃料圧がリフト方向(上向き)に作用している。
【0022】
ニードル421の後方には高圧通路401からインオリフィス407を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル421の背圧を発生する背圧室406が形成される。この背圧は、背圧室406に配設されたスプリング422とともにニードル421の後端面4212に着座方向(下向き)に作用する。
【0023】
前記背圧は背圧制御部4bで切り替えられ、背圧制御部4bは前記ピエゾスタック3Aを備えたピエゾアクチュエータ4cにより駆動される。
【0024】
前記背圧室406はアウトオリフィス409を介して常時、背圧制御部4bの弁室410と連通している。弁室410は天井面4101が上向きの円錐状に形成されており、天井面4101の最上部で低圧室411とつながっている。低圧室411はドレーンライン56に通じる低圧通路402と連通している。
【0025】
弁室410の底面4102には高圧通路401から分岐する高圧制御通路408が開口している。
【0026】
弁室410内には、下側部分を水平にカットしたボール423が配設されている。ボール423は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面(以下、高圧側シートという)4102に着座し弁室410を高圧制御通路408と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面(以下、低圧側シートという)4101に着座し弁室410を前記低圧室411から遮断する。これにより、ボール423下降時には背圧室410がアウトオリフィス409、弁室410を経て低圧室411と連通し、ニードル421の背圧が低下してニードル421がリフトする。一方、ボール423の上昇時には背圧室406が低圧室411と遮断されて高圧通路401のみと連通し、ニードル421の背圧が上昇してノズルニードル421が着座する。
【0027】
ボール423はピエゾアクチュエータ4cにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ4cは、低圧室411の上方に上下方向に形成された縦穴412に径の異なる2つのピストン424,425が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン425の上方にピエゾスタック3Aが上下方向を伸縮方向として配設されている。
【0028】
大径ピストン425はその下方に設けられたスプリング426によりピエゾスタック3Aと当接状態を維持しており、ピエゾスタック3Aの伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【0029】
ボール423と対向する下側の小径ピストン424と大径ピストン425と縦穴412とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室413が形成されており、ピエゾスタック3Aの伸長で大径ピストン425が下方変位して変位拡大室413の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室413の燃料を介して小径ピストン424に伝えられる。ここで、小径ピストン424は大径ピストン425よりも小径としているので、ピエゾスタック3Aの伸長量が拡大されて小径ピストン424の変位に変換される。
【0030】
変位拡大室413は常時十分な燃料が満たされるように図示しないチェック弁を介して低圧通路402と通じている。チェック弁は低圧通路402から変位拡大室413に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック3Aの伸長により大径ピストン425が押圧された時に閉じて燃料を変位拡大室413に閉じ込めるようになっている。
【0031】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック3Aが充電されてピエゾスタック3Aが伸長することにより、小径ピストン424が下降してボール423を押し下げる。これによりボール423が低圧側シート4101からリフトするとともに高圧側シート4102に着座して背圧室406が低圧通路402と連通するので、背圧室406の燃料圧が低下する。これにより、ニードル421に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル421がロフトして燃料噴射が開始される。
【0032】
噴射停止は反対にピエゾスタック3Aの放電によりピエゾスタック3Aを縮小してボール423への押し下げ力を解除する。この時、弁室410内は低圧となっており、またボール423の底面には高圧制御通路408から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール423には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール423への押し下げ力の解除により、ボール423が高圧側シート4102からリフトするとともに再び低圧側シート4101に着座して弁室410の燃料圧力が上昇するため、ニードル421が着座し噴射が停止する。
【0033】
次に、ピエゾアクチュエータ駆動回路1について説明する。ピエゾアクチュエータ駆動回路1は、車載のバッテリ111、降圧型チョッパ回路を構成しバッテリ111から数十〜数百Vの直流電圧を発生するDC−DCコンバータ112、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ113により直流電源11を構成し、ピエゾスタック3A,3B,3C,3Dの充電用の電圧を出力する。バッファコンデンサ113は比較的静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック3A〜3Dへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。ピエゾスタック3B〜3Dは図4に示したピエゾスタック3Aと実質的に同じもので、残りの3つのインジェクタ4に1対1に対応して搭載される。
【0034】
直流電源11のバッファコンデンサ113からピエゾスタック3A〜3Dにインダクタ13を介して通電する第1の通電経路12aが設けてあり、通電経路12aには、バッファコンデンサ113とインダクタ13間にこれらと直列に第1のスイッチング素子14が介設されている。第1のスイッチング素子14はMOSFETで構成され、その寄生ダイオード141がバッファコンデンサ113の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【0035】
また、インダクタ13とピエゾスタック3A〜3Dは直流電源11および第1のスイッチング素子14をバイパスする第2の通電経路12bを形成しており、この通電経路12bは、インダクタ13とスイッチング素子14の接続中点に接続される第2のスイッチング素子15を有している。第2のスイッチング素子15もMOSFETで構成され、その寄生ダイオード151がバッファコンデンサ113の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【0036】
通電経路12a,12bはピエゾスタック3A〜3Dのそれぞれに共通であり、次のように駆動対象としてのピエゾスタック3A〜3Dが選択できる。すなわち、ピエゾスタック3A〜3Dのそれぞれには直列にスイッチング素子(以下、適宜、選択スイッチング素子という)16A,16B,16C,16Dが1対1に接続されており、噴射気筒のインジェクタ4のピエゾスタック3A〜3Dに対応する16A〜16Dがオンされる。選択スイッチング素子16A〜16DはMOSFETが用いられている。その寄生ダイオード161A,161B,161C,161Dは、バッファコンデンサ113に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【0037】
また、駆動制御回路19には、ピエゾスタック3A〜3Dに直列に接続された抵抗値の小さな抵抗器17の両端間電圧、および第2のスイッチング素子15に直列に接続された抵抗値の小さな抵抗器18の両端間電圧が入力しており、ピエゾスタック3A〜3Dの充電電流および放電電流が知られるようになっている。また、駆動制御回路19には、充電量としてのピエゾスタック3A〜3Dの両端間電圧(以下、ピエゾスタック電圧という)が入力している。
【0038】
スイッチング素子14,15,16A〜16Dの各ゲートには駆動制御回路19からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子16A〜16Dのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック3A〜3Dが選択されるとともに、スイッチング素子14,15のゲートにはパルス状の制御信号である駆動信号が入力してスイッチング素子14,15をオンオフし、ピエゾスタック3A〜3Dの充電制御および放電制御を行うようになっている。充電制御および放電制御にあたっては、抵抗器17,18により検出された充電電流および放電電流、ピエゾスタック電圧に基づいて、さらに、CPU58aからの噴射信号およびコモンレール圧力の検出信号(以下、コモンレール圧力信号という)に基づいて行われる。
【0039】
噴射信号は、「H」と「L」からなる二値信号で、燃料噴射をすべき期間に略対応して「H」となる。
【0040】
以下に、駆動制御回路19について、ピエゾスタック3A〜3Dの充電を行う回路構成を中心に説明する。
【0041】
駆動制御回路19は、駆動信号発生回路21でスイッチング素子14のゲートに入力する駆動信号を発生する。駆動制御回路19には、コモンレール圧力信号と、ピエゾスタック電圧を抵抗器25,26により分割した電圧信号(以下、ピエゾスタック電圧信号という)とが入力する第1の比較器22を備えており、ピエゾスタック電圧が目標電圧よりも高いか低いかの二値信号を出力する。この二値信号はピエゾスタック電圧が目標電圧よりも低いときが「H」である。比較器22の出力信号は駆動信号発生回路21のANDゲート回路211に入力している。スイッチング素子14の駆動信号はこのANDゲート回路211の出力信号であり、ピエゾスタック電圧が目標電圧よりも低い時のみスイッチング素子14のオンが許容されることになる。すなわち、ピエゾスタック3A〜3Dの目標充電電圧はコモンレール圧力信号に応じて与えられ、図5に示すように、後述するインジェクタ開弁電圧よりも高圧側でコモンレール圧力が高いほど高い目標電圧となる。
【0042】
また、抵抗器17の両端間電圧(以下、充電電流検出信号という)と基準電圧発生器27から出力される基準電圧(以下、下限値信号という)とが入力する第2の比較器23を備えており、充電電流検出信号が下限値信号よりも高いか低いかの二値信号を出力する。この二値信号は充電電流検出信号が下限値信号よりも低いときが「H」である。比較器23の出力信号は噴射信号とともに駆動信号発生回路21のANDゲート回路213に入力しており、ANDゲート回路213の出力信号はフリップフロップ回路212のセット端子に入力している。しかして、フリップフロップ回路212のセット端子は、噴射信号が出力されている間のみ、充電電流検出信号と下限値信号の比較信号が入力することになる。
【0043】
また、第1の信号である充電電流検出信号と第2の信号である前記コモンレール圧力信号とが入力する第3の比較器24を備えており、充電電流検出信号がコモンレール圧力信号よりも高いか低いかの二値信号を出力する。この二値信号は充電電流検出信号がコモンレール圧力信号よりも高いときが「H」である。比較器24からの出力信号は前記フリップフロップ回路212のリセット端子に入力している。
【0044】
また、駆動信号発生回路21は、前記フリップフロップ回路212の出力(Q)が前記比較器22の出力信号とともにANDゲート回路211に入力している。
【0045】
したがって、噴射信号が出力されており、かつピエゾスタック電圧が目標電圧に達するまで、すなわち充電期間中は、このANDゲート回路211,213の作動で、駆動信号発生回路21からの駆動信号は、充電電流検出信号と下限値信号との比較信号である比較器23の出力をセット信号とするとともに、充電電流検出信号とコモンレール圧力信号との比較信号である比較器24の出力をリセット信号とするフリップフロップ回路212の出力(Q)と等価である。
【0046】
すなわち、スイッチング素子14のオンにより、通電経路12aに充電電流が流れる。このオン期間における充電電流は、略バッファコンデンサ電圧とピエゾスタック電圧の差に比例した上昇速度で電流値が上昇し、コモンレール圧力信号の大きさで規定される所定値に達すると、比較器24の出力が「H」となってフリップフロップ回路212がリセットされ、前記所定値をピーク値としてスイッチング素子14はオフしオフ期間に入る。オフ期間には、第2のスイッチング15の寄生ダイオード151がインダクタ13に発生する誘導起電力に対し順バイアスとなり、第2の通電経路12bに、インダクタ13に蓄積されたエネルギーにより漸減する充電電流がフライホイール作用で流れて、これが下限値に達すると、比較器23の出力が「H」となってフリップフロップ回路212がセットされて、再びスイッチング素子14がオンし、オン期間に入る。
【0047】
そして、ピエゾスタック電圧が目標電圧に達すると比較器22の出力が「L」になってスイッチング素子14はオフに固定される。
【0048】
図6はピエゾアクチュエータ駆動回路1の各部の作動状態を示すタイミングチャートで、前半がコモンレール圧力が高い時のもので、後半がコモンレール圧力が低い時のものである。充電電流信号と比較されて充電電流のピーク値を規定する比較器24の(−)入力は、コモンレール圧力に比例した大きさの信号であり、コモンレール圧力が高ければ、充電電流はピーク値が高いものとなって平均充電電流が高くなり、ピエゾスタック電圧が速やかに目標電圧に達する。一方、コモンレール圧力が低ければ、充電電流はピーク値が低いものとなり、スイッチング素子14の1回のオンオフでの充電量が少量となる。したがって、スイッチング素子14がオフに固定後に流れるフライホイール電流に基因する、最終的なピエゾスタック電圧に対する誤差の割合を、コモンレール圧力の低圧側でも小さく抑えることができる。なお、コモンレール圧力の高圧側では前記誤差はピーク電流が大きい分、相対的に大きくなるが、最終的なピエゾスタック電圧に対する割合はさ程、大きくならず、実質的には充電精度は確保される。
【0049】
また、目標電圧をコモンレール圧力に応じて設定することで次の効果を奏する。図5には、低圧側シート4101に着座状態のボール423が弁室410内の燃料圧力に抗して低圧側シート4101からリフト可能な押圧力をピエゾアクチュエータ4cが発生する最低のピエゾスタック電圧(インジェクタ開弁電圧)を併せて示している。弁室410内の燃料圧力はコモンレール圧力が高いほど高いから、ボール開弁電圧もコモンレール圧力が高いほど高い。目標電圧はインジェクタ開弁電圧よりも高いことが必要になるが、必要以上に高ければボール423が高圧側シート4102に着座する時の衝撃が大きくなり、低ければボール423の低圧側シート4101から離座が安定してなされないおそれがある。目標電圧もボール開弁電圧よりも高圧側で、コモンレール圧力に応じて設定することで、ボール423に適正な押圧力を与えることができる。また、ピエゾアクチュエータ駆動回路1の不要な発熱が回避される。
【0050】
なお、ピエゾスタック3A〜3Dの放電制御は、従来装置と同様に、第2のスイッチング素子15をオンオフし、オン期間に第2の通電経路12bに漸増する放電電流を流し、オフ期間に第1の通電経路12aに漸減する放電電流を流す。オフ期間にはピエゾスタック3A〜3Dからバッファコンデンサ113に電荷が回収されることとなる。スイッチング素子15のオンとオフの切り換えは抵抗器18で検出される放電電流が所定値に達するとオフし、放電電流が0に達するとオンする。
【0051】
(第2実施形態)
図7に本発明の第2実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第1実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の駆動制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第1実施形態と同じ番号を付した部分は第1実施形態と同じ作動をするので第1実施形態との相違点を中心に説明する。
【0052】
ピエゾアクチュエータ駆動回路1Aの駆動制御回路19Aは、基本的な構成が第1実施形態と同じで、充電電流のピーク値の制御を別の構成で行うようにしたものである。
【0053】
スイッチング素子14のオン期間からオフ期間への切り換え時期を規定するフリップフロップ回路212のリセット端子には、比較器24の出力信号が入力している。比較器24は第1実施形態と同様にコモンレール圧力信号を(−)入力とするが、(+)入力として、ランプ波発生回路28の出力信号が入力している。
【0054】
ランプ波発生回路28は定電流電源281が演算用コンデンサ282を充電するようになっており、ランプ波発生回路28の出力信号としての演算用コンデンサ282の両端間電圧を一定速度で上昇せしめる。
【0055】
演算用コンデンサ282には並列にトランジスタ283が設けられ、そのオン時に演算用コンデンサ282が急速放電するようになっている。トランジスタ283はスイッチング素子14の駆動信号を入力とするNOTゲート回路284の出力信号によりオンオフする。すなわち、演算用コンデンサ両端間電圧は、スイッチング素子14のオン期間においては時間に対して線形に上昇し、スイッチング素子14のオフ期間においては0Vをとる。
【0056】
本実施形態では、充電制御期間中には、充電電流が下限値まで低下し駆動信号発生回路21の出力信号が「H」になると充電電流の上昇が開始されるとともにトランジスタ283がオフして演算用コンデンサ両端間電圧が0Vから上昇する。そして、演算用コンデンサ両端間電圧がコモンレール圧力信号に達すると、比較器24の出力信号が「H」になってオン期間が終了する。演算用コンデンサ両端間電圧は前記のごとくオン期間開始後の経過時間に比例して上昇するから、コモンレール圧力信号が大きいほどオン期間の長さが長くなる。すなわち、コモンレール圧力が高ければ図8の前半部のように充電電流のピーク値は高くなり、コモンレール圧力が低ければ図8の後半部のように充電電流のピーク値は低くなる。
【0057】
これにより、第1実施形態と同様に、必要な充電精度を確保しつつ、適正な充電時間で、充電制御を行うことができる。
【0058】
(第3実施形態)
図9に本発明の第3実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチエータ駆動回路の構成を示す。本実施形態は、第1実施形態においてピエゾアクチュエータ駆動回路の駆動制御回路を別の構成に代えたもので、図中、第1実施形態と同じ番号を付した部分は第1実施形態と同じ作動をするので第1実施形態との相違点を中心に説明する。
【0059】
ピエゾアクチュエータ駆動回路1Bの駆動制御回路19Bは、基本的な構成が第1実施形態と同じで、比較器22,24に入力するコモンレール圧力信号を、CPU58aからではなく、コモンレール圧力センサ57の検出信号を入力とする増幅器29が出力する構成としたものである。
【0060】
本実施形態でも前記第1実施形態と同様にコモンレール圧力が低くピエゾスタック3A〜3Dの目標充電電圧が低い時に分解能を高めることで、高精度な充電制御が実現できる。
【0061】
なお、前記各実施形態ではピエゾスタック電圧を充電量の指標としているが、ピエゾスタックに供給される電力量や電荷量を指標としてもよいのは勿論である。
【0062】
また、コモンレール圧力信号はコモンレール圧力に対して比例するように与えられるのではなく、図のインジェクタ開弁電圧の特性に応じて曲線的に与えられるのでもよい。
【0063】
また、本発明は、インジェクタの燃料噴射制御用のピエゾアクチュエータだけではなく、目標充電量が可変の構成であれば、他の用途に用いられるピエゾアクチュエータの駆動用にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した第1のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図2】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図3】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路により駆動されるピエゾアクチュエータが搭載された燃料噴射用のインジェクタを有する内燃機関の燃料噴射装置の構成図である。
【図4】前記インジェクタの断面図である。
【図5】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を説明するグラフである。
【図6】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。
【図7】本発明を適用した第2のピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【図8】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路の各部の作動を示すタイミングチャートである。
【図9】本発明を適用した第3のピエゾアクチュエータ駆動回路の要部回路図である。
【符号の説明】
1,1A,1B ピエゾアクチュエータ駆動回路
11 直流電源
111 バッテリ
112 DC−DCコンバータ
113 バッファコンデンサ
12a,12b 通電経路
13 インダクタ
14 第1のスイッチング素子
141 寄生ダイオード
15 第2のスイッチング素子
151 寄生ダイオード
16A,16B,16C,16D 選択スイッチング素子
161A,161B,161C,161D 寄生ダイオード
17,18 抵抗器
19,19A,19B 駆動制御回路(制御手段)
212 フリップフロップ回路(制御信号出力禁止手段)
24 比較器(比較手段)
28 ランプ波発生回路(信号発生手段)
3A,3B,3C,3D ピエゾスタック
4 インジェクタ
4a ノズル部
4b 背圧制御部
4c ピエゾアクチュエータ
54 コモンレール
57 コモンレール圧力センサ(圧力検出手段)
58 ECU
58a CPU
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator drive circuit and a fuel injection device.
[0002]
[Prior art]
The piezo actuator uses a piezoelectric action of a piezoelectric material such as PZT, and a piezo stack, which is a capacitive element, expands or contracts due to charge / discharge, and linearly moves a piston or the like. For example, a fuel injection device for an internal combustion engine is known in which an on-off valve of a fuel injection injector is switched by a piezo actuator.
[0003]
A piezo actuator drive circuit for driving a piezo actuator includes, for example, a first energization path from a DC power source to a piezo stack via a switching element and an inductor, and an inductor bypassing the DC power source and the switching element. And a second energization path for energizing the piezo stack, a charging current that gradually increases during the ON period of the switching element flows through the first energization path, and the switching current flows through the second energization path. A charging current that gradually decreases during the off period of the element flows by the flywheel action. By repeatedly turning on and off the switching element, the charging current repeatedly increases and decreases gradually, the amount of charge of the piezo stack increases, and the voltage across the piezo stack increases stepwise. This is known as a multiple switching method, and when the charge amount reaches a predetermined target charge amount, the switching element is fixed to OFF and the charging is terminated.
[0004]
There is a battery that allows the amount of charge to be variable and the amount of expansion and pressing force of the piezo stack to be obtained as required. In Japanese Examined Patent Publication No. 6-12101, as an example applied to a fuel injection device for a common rail internal combustion engine, the structure of an injector for injecting fuel is opened, and the pressure of the fuel supplied from the common rail to the needle in the nozzle is opened. In a fuel injection device that is urged in the direction and the piezo stack opens and opens the needle indirectly through the fuel pressure in the pressurized chamber, the piezo stack is charged according to the detected fuel pressure in the common rail. A device that controls the amount and optimizes the pressing force to the needle is disclosed. The end of charging is determined by, for example, detecting the voltage across the piezo stack and determining whether or not this voltage has reached the target voltage as the target charge amount, and fixing the switching element to OFF.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the switching element is fixed to OFF, the inductor stores energy according to the magnitude of the charging current at that time. It becomes an error for the quantity. This error fluctuates because the magnitude of the charging current when the charge amount of the piezo stack reaches the target charge amount changes when the constants of the components constituting the piezo actuator drive circuit change due to environmental changes or the like.
[0006]
The error in the amount of charge becomes the largest when the charging current reaches the peak value and when the switching element is fixed off. Therefore, as a measure for suppressing the error in the charge amount, it is conceivable to suppress the peak value of the charging current by advancing the timing for switching the switching element from the on period to the off period.
[0007]
However, when the target charge amount is controlled according to the fuel pressure in the common rail as in the technique described in Japanese Patent Publication No. 6-12101, the average charge current is reduced by suppressing the peak value, and the target charge amount is reduced. There is a problem that the charging time becomes long when a large value is taken.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezo actuator driving circuit capable of performing charging control in an appropriate charging time while ensuring necessary charging accuracy.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In invention of Claim 1, Used for injectors of fuel injection devices for internal combustion engines A piezo stack provided in the piezo actuator has a first energization path for energizing from a DC power source through an inductor, and the energization path gradually increases during an ON period of a switching element that is provided in the middle and repeats ON / OFF. Let the charging current flow,
There is a second energization path for energizing the piezo stack from the inductor, bypassing the DC power supply and the switching element, and a charging current that gradually decreases during the OFF period of the switching element is caused to flow through the energization path by the flywheel action. ,
The charging current is repeated Predetermined Control means for controlling on / off of the switching element so as to take a peak value, and fixing the switching element to off when the charge amount of the piezo stack reaches a target charge amount set by an external input. In the multi-switching piezo actuator drive circuit provided,
The control means, the smaller the target charge amount, The length of the on period of the switching element is reduced, The timing for switching from the on period to the off period is set so that the peak value becomes smaller.
[0010]
As the target charge amount is smaller, the charge current is reduced, and the energy held in the inductor at the time when the switching element is fixed off is reduced, and the charge amount error is reduced. Thereby, the error ratio with respect to the charge amount finally charged to the piezo stack can be kept small.
[0011]
On the other hand, as the target charge amount increases, the charge current increases, and the battery can be charged to the target charge amount quickly. Note that the charging current when the switching element is fixed to off is relatively large, but the target charge amount itself is large, so the error rate with respect to the charge amount finally charged in the piezo stack is not so large. The required charging accuracy can be ensured.
[0012]
As in the invention according to claim 2, the control means includes a first signal corresponding to the charging current and Define the peak value A comparison means for comparing the second signal according to the target charge amount;
When the first signal reaches the second signal, a control signal output prohibiting means for prohibiting the output of the control signal for turning on the switching element and switching the control signal during the off period can be provided.
[0013]
Alternatively, as in the invention according to claim 3, the control means generates a first signal that rises according to the elapsed time of the on period;
With the first signal Define the peak value A comparison means for comparing the second signal according to the target charge amount;
Control signal output prohibiting means for prohibiting output of a control signal for turning on the switching element and switching in the off period when the first signal exceeds the second signal is provided.
[0014]
In invention of Claim 4, the nozzle part for the injection of the high pressure fuel supplied from a common rail,
A valve body for switching between fuel injection and stop, and a valve body on which the pressure of the high-pressure fuel acts for opening / closing operation thereof;
A piezo actuator that outputs a pressing force that operates the valve body against the high-pressure fuel pressure;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
A piezo actuator drive circuit according to any one of claims 1 to 3, which drives the piezo actuator.
The control means sets the target charge amount to be larger as the detected fuel pressure in the common rail is higher.
[0015]
The pressing force capable of operating the valve body against the fuel pressure in the common rail can be controlled to an appropriate level without excess or deficiency. Further, unnecessary heat generation of the piezo actuator drive circuit is avoided.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
1 and 2 show the configuration of a piezoelectric actuator drive circuit to which the present invention is applied. The piezo actuator drive circuit 1 has a configuration in which the drive control circuit 19 controls the magnitude of the charging current in accordance with the target charge amount in the charge control in the circuit configuration of the multiple switching system. Prior to the description of FIG. 1, an overall configuration of a fuel injection device for a common rail type four-cylinder diesel engine having a piezo actuator drive circuit 1 will be described.
[0017]
FIG. 3 shows the configuration of the fuel injection device. The number of injectors 4 corresponding to the number of cylinders of the diesel engine is provided corresponding to each cylinder (only one injector 4 is shown in the figure), and fuel is supplied from a common common rail 54 communicated via a supply line 55, Fuel is injected from the injector 4 into the combustion chamber of each cylinder at an injection pressure substantially equal to the fuel pressure in the common rail 54 (hereinafter, common rail pressure). The fuel in the fuel tank 51 is pumped to the common rail 54 by the high-pressure supply pump 53 and stored at a high pressure.
[0018]
The fuel supplied from the common rail 54 to the injector 4 is used not only for injection into the combustion chamber, but also as control hydraulic pressure of the injector 4 and returns to the fuel tank 51 from the injector 4 via a low-pressure drain line 56. It is supposed to be.
[0019]
A pressure sensor 57, which is a pressure detection means, is provided on the common rail 54 and detects the common rail pressure. Based on the detection result, the ECU 58 controls the metering valve 52 to adjust the amount of fuel pumped to the common rail 54. The pressure is controlled so as to be an appropriate injection pressure according to the operating condition known from other sensor inputs. Further, the ECU 58 calculates the fuel injection timing and the injection amount based on the detection signal such as the crank angle, and switches between opening and closing the injector 4 according to this, and injects fuel from the injector 4 for a predetermined period. Let me.
[0020]
FIG. 4 shows the structure of the injector 4. The injector 4 is a rod-like body, and is attached so that a lower portion in the drawing passes through a combustion chamber wall (not shown) of the engine and protrudes into the combustion chamber. The injector 4 includes a nozzle portion 4a, a back pressure control portion 4b, and a piezo actuator 4c in order from the bottom.
[0021]
A needle 421 is slidably held at the rear end portion in the main body 404 of the nozzle portion 4 a, and the needle 421 is seated on or separated from an annular sheet 4041 formed at the front end portion in the nozzle main body 404. High pressure fuel is introduced from the common rail 54 into the outer peripheral space 405 at the tip of the needle 421 through the high pressure passage 401, and fuel is injected from the injection hole 403 when the needle 421 is lifted. The fuel pressure from the high-pressure passage 401 acts on the annular step surface 4211 of the needle 421 in the lift direction (upward).
[0022]
A fuel as control oil is introduced from the high-pressure passage 401 through the in-orifice 407 behind the needle 421, and a back pressure chamber 406 for generating a back pressure of the needle 421 is formed. This back pressure acts on the rear end surface 4212 of the needle 421 in the seating direction (downward) together with the spring 422 disposed in the back pressure chamber 406.
[0023]
The back pressure is switched by a back pressure control unit 4b, and the back pressure control unit 4b is driven by a piezo actuator 4c provided with the piezo stack 3A.
[0024]
The back pressure chamber 406 always communicates with the valve chamber 410 of the back pressure control unit 4b through the out orifice 409. The valve chamber 410 has a conical shape with a ceiling surface 4101 facing upward, and is connected to the low pressure chamber 411 at the top of the ceiling surface 4101. The low pressure chamber 411 communicates with the low pressure passage 402 that leads to the drain line 56.
[0025]
A high pressure control passage 408 branched from the high pressure passage 401 is opened on the bottom surface 4102 of the valve chamber 410.
[0026]
In the valve chamber 410, a ball 423 whose lower portion is cut horizontally is disposed. The ball 423 is a valve body that can move up and down. When lowered, the ball 423 sits on the valve chamber bottom surface (hereinafter referred to as a high-pressure side seat) 4102 as a valve seat with the cut surface, and shuts off the valve chamber 410 from the high-pressure control passage 408. When ascending, the valve chamber 410 is blocked from the low-pressure chamber 411 by sitting on the ceiling surface (hereinafter referred to as a low-pressure side seat) 4101 as a valve seat. Thus, when the ball 423 is lowered, the back pressure chamber 410 communicates with the low pressure chamber 411 through the out orifice 409 and the valve chamber 410, the back pressure of the needle 421 decreases, and the needle 421 is lifted. On the other hand, when the ball 423 is raised, the back pressure chamber 406 is cut off from the low pressure chamber 411 and communicates only with the high pressure passage 401, the back pressure of the needle 421 rises, and the nozzle needle 421 is seated.
[0027]
The ball 423 is pressed and driven by the piezo actuator 4c. In the piezo actuator 4c, two pistons 424 and 425 having different diameters are slidably held in a vertical hole 412 formed in the vertical direction above the low pressure chamber 411, and the piezo stack 3A is disposed above the upper large-diameter piston 425. Are arranged with the up-down direction as the expansion / contraction direction.
[0028]
The large-diameter piston 425 is kept in contact with the piezo stack 3A by a spring 426 provided below the large-diameter piston 425, and is displaced up and down by the same amount as the expansion and contraction of the piezo stack 3A.
[0029]
The space defined by the lower small-diameter piston 424, the large-diameter piston 425, and the vertical hole 412 facing the ball 423 is filled with fuel to form a displacement expansion chamber 413. The expansion of the piezo stack 3A causes a large diameter. When the piston 425 is displaced downward and presses the fuel in the displacement expansion chamber 413, the pressing force is transmitted to the small diameter piston 424 through the fuel in the displacement expansion chamber 413. Here, since the small diameter piston 424 has a smaller diameter than the large diameter piston 425, the extension amount of the piezo stack 3A is expanded and converted into the displacement of the small diameter piston 424.
[0030]
The displacement expansion chamber 413 communicates with the low pressure passage 402 through a check valve (not shown) so that sufficient fuel is always filled. The check valve is provided with the direction from the low pressure passage 402 toward the displacement expansion chamber 413 as a forward direction, and closes when the large-diameter piston 425 is pressed by the extension of the piezo stack 3A so as to confine the fuel in the displacement expansion chamber 413. It has become.
[0031]
At the time of fuel injection, first, the piezo stack 3A is charged and the piezo stack 3A is extended, so that the small-diameter piston 424 descends and pushes the ball 423 down. As a result, the ball 423 lifts from the low-pressure side seat 4101 and sits on the high-pressure side seat 4102 so that the back pressure chamber 406 communicates with the low pressure passage 402, so that the fuel pressure in the back pressure chamber 406 decreases. As a result, the force acting on the needle 421 in the seating direction becomes more dominant than the force acting on the seating direction, and the needle 421 is lofted to start fuel injection.
[0032]
In contrast, when the injection is stopped, the piezo stack 3A is contracted by the discharge of the piezo stack 3A, and the pressing force to the ball 423 is released. At this time, the inside of the valve chamber 410 is at a low pressure, and high pressure fuel pressure is applied to the bottom surface of the ball 423 from the high pressure control passage 408, so that upward fuel pressure is applied to the ball 423 as a whole. is doing. Then, by releasing the pushing force to the ball 423, the ball 423 is lifted from the high pressure side seat 4102 and seated again on the low pressure side seat 4101 to increase the fuel pressure in the valve chamber 410, so that the needle 421 is seated and injected. Stops.
[0033]
Next, the piezo actuator drive circuit 1 will be described. The piezoelectric actuator drive circuit 1 is connected in parallel to an in-vehicle battery 111, a DC-DC converter 112 that constitutes a step-down chopper circuit and generates a DC voltage of several tens to several hundreds V from the battery 111, and an output terminal thereof. A DC power supply 11 is constituted by the buffer capacitor 113, and a voltage for charging the piezo stacks 3A, 3B, 3C, 3D is output. The buffer capacitor 113 is configured with a relatively large capacitance, and maintains a substantially constant voltage value even when the piezo stacks 3A to 3D are charged. The piezo stacks 3B to 3D are substantially the same as the piezo stack 3A shown in FIG. 4, and are mounted on the remaining three injectors 4 in a one-to-one correspondence.
[0034]
A first energization path 12a for energizing the piezoelectric stacks 3A to 3D from the buffer capacitor 113 of the DC power supply 11 via the inductor 13 is provided. In the energization path 12a, these are connected in series between the buffer capacitor 113 and the inductor 13. A first switching element 14 is interposed. The first switching element 14 is composed of a MOSFET, and the parasitic diode 141 is connected so as to be reverse-biased with respect to the voltage across the buffer capacitor 113.
[0035]
The inductor 13 and the piezo stacks 3 </ b> A to 3 </ b> D form a second energization path 12 b that bypasses the DC power supply 11 and the first switching element 14, and the energization path 12 b is connected to the inductor 13 and the switching element 14. It has the 2nd switching element 15 connected to a midpoint. The second switching element 15 is also composed of a MOSFET, and the parasitic diode 151 is connected so as to be reverse-biased with respect to the voltage across the buffer capacitor 113.
[0036]
The energization paths 12a and 12b are common to each of the piezo stacks 3A to 3D, and the piezo stacks 3A to 3D as driving objects can be selected as follows. That is, each of the piezo stacks 3A to 3D is connected in series with switching elements (hereinafter referred to as selective switching elements) 16A, 16B, 16C, 16D in a one-to-one relationship, and the piezo stack of the injector 4 of the injection cylinder. 16A to 16D corresponding to 3A to 3D are turned on. MOSFETs are used as the selection switching elements 16A to 16D. The parasitic diodes 161A, 161B, 161C, 161D are connected to the buffer capacitor 113 so as to be reverse-biased.
[0037]
Further, the drive control circuit 19 includes a voltage across the resistor 17 having a small resistance value connected in series to the piezo stacks 3 </ b> A to 3 </ b> D and a resistor having a small resistance value connected in series to the second switching element 15. The voltage between both ends of the device 18 is inputted, and the charging current and discharging current of the piezo stacks 3A to 3D are known. The drive control circuit 19 is input with the voltage across the piezo stacks 3A to 3D (hereinafter referred to as piezo stack voltage) as the amount of charge.
[0038]
A control signal is input from the drive control circuit 19 to each of the gates of the switching elements 14, 15, 16A to 16D. As described above, any of the selection switching elements 16A to 16D is turned on to drive the piezo stack 3A to be driven. -3D is selected, and a drive signal, which is a pulsed control signal, is input to the gates of the switching elements 14 and 15 to turn the switching elements 14 and 15 on and off, and charge control and discharge control of the piezo stacks 3A to 3D Is supposed to do. In charge control and discharge control, based on the charge current and discharge current detected by the resistors 17 and 18 and the piezo stack voltage, an injection signal from the CPU 58a and a common rail pressure detection signal (hereinafter referred to as a common rail pressure signal). ).
[0039]
The injection signal is a binary signal composed of “H” and “L”, and becomes “H” substantially corresponding to the period during which fuel injection is to be performed.
[0040]
Hereinafter, the drive control circuit 19 will be described focusing on the circuit configuration for charging the piezo stacks 3A to 3D.
[0041]
The drive control circuit 19 generates a drive signal input to the gate of the switching element 14 by the drive signal generation circuit 21. The drive control circuit 19 includes a first comparator 22 to which a common rail pressure signal and a voltage signal obtained by dividing a piezo stack voltage by resistors 25 and 26 (hereinafter referred to as a piezo stack voltage signal) are input. A binary signal indicating whether the piezo stack voltage is higher or lower than the target voltage is output. This binary signal is “H” when the piezo stack voltage is lower than the target voltage. The output signal of the comparator 22 is input to the AND gate circuit 211 of the drive signal generation circuit 21. The drive signal of the switching element 14 is an output signal of the AND gate circuit 211, and the switching element 14 is allowed to be turned on only when the piezo stack voltage is lower than the target voltage. That is, the target charging voltage of the piezo stacks 3A to 3D is given according to the common rail pressure signal, and as shown in FIG. 5, the higher the common rail pressure is on the higher pressure side than the later-described injector valve opening voltage, the higher the target voltage.
[0042]
Further, a second comparator 23 is provided to which a voltage across the resistor 17 (hereinafter referred to as a charging current detection signal) and a reference voltage (hereinafter referred to as a lower limit signal) output from the reference voltage generator 27 are input. And outputs a binary signal indicating whether the charging current detection signal is higher or lower than the lower limit signal. This binary signal is “H” when the charging current detection signal is lower than the lower limit signal. The output signal of the comparator 23 is input to the AND gate circuit 213 of the drive signal generation circuit 21 together with the injection signal, and the output signal of the AND gate circuit 213 is input to the set terminal of the flip-flop circuit 212. Therefore, the comparison signal between the charging current detection signal and the lower limit signal is input to the set terminal of the flip-flop circuit 212 only while the injection signal is output.
[0043]
In addition, a third comparator 24 for inputting the charging current detection signal as the first signal and the common rail pressure signal as the second signal is provided, and whether the charging current detection signal is higher than the common rail pressure signal. Outputs a low binary signal. This binary signal is “H” when the charge current detection signal is higher than the common rail pressure signal. The output signal from the comparator 24 is input to the reset terminal of the flip-flop circuit 212.
[0044]
In the drive signal generation circuit 21, the output (Q) of the flip-flop circuit 212 is input to the AND gate circuit 211 together with the output signal of the comparator 22.
[0045]
Therefore, until the piezo stack voltage reaches the target voltage, that is, during the charging period, the AND gate circuits 211 and 213 are operated so that the driving signal from the driving signal generating circuit 21 is charged. A flip-flop with the output of the comparator 23 that is a comparison signal between the current detection signal and the lower limit signal as a set signal and the output of the comparator 24 that is a comparison signal between the charge current detection signal and the common rail pressure signal as a reset signal This is equivalent to the output (Q) of the circuit 212.
[0046]
That is, when the switching element 14 is turned on, a charging current flows through the energization path 12a. When the charging current during this ON period rises at a rate approximately proportional to the difference between the buffer capacitor voltage and the piezo stack voltage and reaches a predetermined value defined by the magnitude of the common rail pressure signal, The output becomes “H”, the flip-flop circuit 212 is reset, the switching element 14 is turned off and the off period starts with the predetermined value as a peak value. During the off period, the parasitic diode 151 of the second switching 15 is forward biased with respect to the induced electromotive force generated in the inductor 13, and a charging current that gradually decreases due to the energy accumulated in the inductor 13 is generated in the second energization path 12 b. When the flywheel action flows and this reaches a lower limit value, the output of the comparator 23 becomes “H”, the flip-flop circuit 212 is set, the switching element 14 is turned on again, and the ON period starts.
[0047]
When the piezo stack voltage reaches the target voltage, the output of the comparator 22 becomes “L” and the switching element 14 is fixed off.
[0048]
FIG. 6 is a timing chart showing the operating state of each part of the piezo actuator drive circuit 1. The first half is when the common rail pressure is high, and the second half is when the common rail pressure is low. The (−) input of the comparator 24 that defines the peak value of the charging current compared with the charging current signal is a signal having a magnitude proportional to the common rail pressure. If the common rail pressure is high, the charging current has a high peak value. As a result, the average charging current increases and the piezo stack voltage quickly reaches the target voltage. On the other hand, if the common rail pressure is low, the charging current has a low peak value, and the amount of charge when the switching element 14 is turned on / off once is small. Therefore, the ratio of the error to the final piezo stack voltage caused by the flywheel current that flows after the switching element 14 is fixed off can be kept small even on the low-pressure side of the common rail pressure. Note that, on the high-pressure side of the common rail pressure, the error becomes relatively large because the peak current is large, but the ratio to the final piezo stack voltage is not so large, and charging accuracy is substantially ensured. .
[0049]
Moreover, the following effect is produced by setting the target voltage according to the common rail pressure. FIG. 5 shows the lowest piezo stack voltage at which the piezo actuator 4c generates a pressing force that allows the ball 423 seated on the low pressure side seat 4101 to lift from the low pressure side seat 4101 against the fuel pressure in the valve chamber 410. (Injector valve opening voltage) is also shown. Since the fuel pressure in the valve chamber 410 is higher as the common rail pressure is higher, the ball opening voltage is higher as the common rail pressure is higher. The target voltage needs to be higher than the injector valve opening voltage. If the target voltage is higher than necessary, the impact when the ball 423 is seated on the high-pressure side seat 4102 increases, and if the target voltage is low, the target voltage is separated from the low-pressure side seat 4101. The seat may not be stable. An appropriate pressing force can be applied to the ball 423 by setting the target voltage to be higher than the ball opening voltage and according to the common rail pressure. Further, unnecessary heat generation of the piezo actuator drive circuit 1 is avoided.
[0050]
Note that the discharge control of the piezo stacks 3A to 3D is performed by turning on and off the second switching element 15 in the same manner as in the conventional device, supplying a gradually increasing discharge current to the second energization path 12b during the on period, and the first during the off period. A gradually decreasing discharge current is supplied to the energization path 12a. In the off period, charges are collected from the piezo stacks 3A to 3D to the buffer capacitor 113. The switching of the switching element 15 is turned off when the discharge current detected by the resistor 18 reaches a predetermined value, and turned on when the discharge current reaches zero.
[0051]
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows a configuration of a piezo actuator drive circuit of a fuel injection device according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the drive control circuit of the piezo actuator drive circuit is replaced with another configuration in the first embodiment. In the drawing, the same reference numerals as those in the first embodiment denote the same operations as in the first embodiment. Therefore, the difference from the first embodiment will be mainly described.
[0052]
The drive control circuit 19A of the piezo actuator drive circuit 1A has the same basic configuration as that of the first embodiment, and controls the peak value of the charging current with another configuration.
[0053]
The output signal of the comparator 24 is input to the reset terminal of the flip-flop circuit 212 that defines the switching timing of the switching element 14 from the on period to the off period. The comparator 24 uses the common rail pressure signal as the (−) input as in the first embodiment, but the output signal of the ramp wave generation circuit 28 is input as the (+) input.
[0054]
The ramp wave generation circuit 28 is configured such that the constant current power supply 281 charges the calculation capacitor 282, and increases the voltage across the calculation capacitor 282 as an output signal of the ramp wave generation circuit 28 at a constant speed.
[0055]
The calculation capacitor 282 is provided with a transistor 283 in parallel, and the calculation capacitor 282 is rapidly discharged when it is turned on. The transistor 283 is turned on / off by the output signal of the NOT gate circuit 284 that receives the drive signal of the switching element 14. That is, the voltage across the operation capacitor rises linearly with respect to time during the on period of the switching element 14 and takes 0 V during the off period of the switching element 14.
[0056]
In the present embodiment, during the charging control period, when the charging current decreases to the lower limit value and the output signal of the drive signal generation circuit 21 becomes “H”, the charging current starts to increase and the transistor 283 is turned off to perform the calculation. The voltage across the capacitor rises from 0V. When the voltage across the operation capacitor reaches the common rail pressure signal, the output signal of the comparator 24 becomes “H” and the ON period ends. As described above, the voltage across the computing capacitor rises in proportion to the elapsed time after the start of the on-period, so the larger the common rail pressure signal, the longer the on-period. That is, if the common rail pressure is high, the peak value of the charging current is high as in the first half of FIG. 8, and if the common rail pressure is low, the peak value of the charging current is low as in the second half of FIG.
[0057]
Thereby, similarly to 1st Embodiment, charging control can be performed by appropriate charging time, ensuring required charging precision.
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 9 shows the configuration of a piezo actuator drive circuit of a fuel injection device according to a third embodiment of the present invention. This embodiment is obtained by replacing the drive control circuit of the piezo actuator drive circuit with another configuration in the first embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in the first embodiment denote the same operations as those in the first embodiment. Therefore, the difference from the first embodiment will be mainly described.
[0059]
The drive control circuit 19B of the piezo actuator drive circuit 1B has the same basic configuration as that of the first embodiment, and the common rail pressure signal input to the comparators 22 and 24 is detected not by the CPU 58a but by the detection signal of the common rail pressure sensor 57. Is configured to output the amplifier 29.
[0060]
In the present embodiment, as in the first embodiment, high-precision charging control can be realized by increasing the resolution when the common rail pressure is low and the target charging voltages of the piezo stacks 3A to 3D are low.
[0061]
In each of the embodiments described above, the piezo stack voltage is used as an indicator of the amount of charge, but it is needless to say that the amount of electric power or the amount of charge supplied to the piezo stack may be used as an indicator.
[0062]
Further, the common rail pressure signal is not given in proportion to the common rail pressure, but may be given in a curve according to the characteristics of the injector valve opening voltage in the figure.
[0063]
The present invention can be applied not only to a piezo actuator for fuel injection control of an injector, but also to driving a piezo actuator used for other purposes as long as the target charge amount is variable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a first piezo actuator drive circuit to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a main part circuit diagram of the piezo actuator driving circuit;
FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel injection device for an internal combustion engine having a fuel injection injector on which a piezo actuator driven by the piezo actuator drive circuit is mounted.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the injector.
FIG. 5 is a graph illustrating the operation of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 6 is a timing chart showing the operation of each part of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 7 is a main part circuit diagram of a second piezo actuator driving circuit to which the present invention is applied;
FIG. 8 is a timing chart showing the operation of each part of the piezo actuator drive circuit.
FIG. 9 is a main part circuit diagram of a third piezo actuator driving circuit to which the present invention is applied;
[Explanation of symbols]
1,1A, 1B Piezo actuator drive circuit
11 DC power supply
111 battery
112 DC-DC converter
113 Buffer capacitor
12a, 12b energization route
13 Inductor
14 First switching element
141 Parasitic diode
15 Second switching element
151 Parasitic diode
16A, 16B, 16C, 16D Selective switching element
161A, 161B, 161C, 161D Parasitic diode
17, 18 resistors
19, 19A, 19B Drive control circuit (control means)
212 Flip-flop circuit (control signal output prohibiting means)
24 comparator (comparison means)
28 Ramp wave generation circuit (signal generation means)
3A, 3B, 3C, 3D Piezo stack
4 Injector
4a Nozzle part
4b Back pressure control unit
4c Piezo actuator
54 Common rail
57 Common rail pressure sensor (pressure detection means)
58 ECU
58a CPU

Claims (4)

内燃機関の燃料噴射装置のインジェクタに用いられるピエゾアクチュエータに設けられたピエゾスタックに直流電源からインダクタを介して通電する第1の通電経路を有し、該通電経路には、その途中に設けられてオンオフを繰り返すスイッチング素子のオン期間に漸増する充電電流を流し、
前記直流電源および前記スイッチング素子をバイパスしてインダクタからピエゾスタックに通電する第2の通電経路を有し、該通電経路には、前記スイッチング素子のオフ期間に漸減する充電電流をフライホイール作用で流し、
前記充電電流が繰り返し所定のピーク値をとるように前記スイッチング素子のオンオフを制御するとともに、前記ピエゾスタックの充電量が、外部からの入力で設定された目標充電量に達すると前記スイッチング素子をオフに固定する制御手段とを具備する複数スイッチング方式のピエゾアクチュエータ駆動回路において、
前記制御手段を、目標充電量が小さいほど、前記スイッチング素子の前記オン期間の長さが短くなり、前記オン期間から前記オフ期間に切り換えるタイミングが、前記ピーク値が小さくなるタイミングとなるように設定したことを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
A piezo stack provided in a piezo actuator used for an injector of a fuel injection device of an internal combustion engine has a first energization path for energizing from a DC power source through an inductor, and the energization path is provided in the middle of the energization path. A charging current that gradually increases during the ON period of the switching element that repeats ON / OFF flows,
There is a second energization path for energizing the piezo stack from the inductor, bypassing the DC power supply and the switching element, and a charging current that gradually decreases during the OFF period of the switching element is caused to flow through the energization path by the flywheel action. ,
The switching element is turned on / off so that the charging current repeatedly takes a predetermined peak value, and the switching element is turned off when the charge amount of the piezo stack reaches a target charge amount set by an external input. A plurality of switching type piezo actuator driving circuits comprising control means fixed to
The control means is set such that the smaller the target charge amount , the shorter the on-period of the switching element, and the timing for switching from the on-period to the off-period is the timing at which the peak value becomes smaller. A piezoelectric actuator drive circuit characterized by that.
請求項1記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記制御手段は、充電電流に応じた第1の信号と、前記ピーク値を規定する前記目標充電量に応じた第2の信号とを比較する比較手段と、
第1の信号が第2の信号に達すると、前記スイッチング素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
2. The piezo actuator driving circuit according to claim 1, wherein the control means compares a first signal corresponding to a charging current with a second signal corresponding to the target charge amount that defines the peak value. When,
A piezo actuator drive circuit comprising control signal output prohibiting means for prohibiting output of a control signal for turning on the switching element and switching to the off period when the first signal reaches the second signal.
請求項1記載のピエゾアクチュエータ駆動回路において、前記制御手段は、前記オン期間の経過時間に応じて上昇する第1の信号を発生する信号発生手段と、
第1の信号と、前記ピーク値を規定する前記目標充電量に応じた第2の信号とを比較する比較手段と、
第1の信号が第2の信号を越えると、前記スイッチング素子をオンする制御信号の出力を禁止して前記オフ期間に切り換える制御信号出力禁止手段とを具備する構成としたピエゾアクチュエータ駆動回路。
2. The piezo actuator driving circuit according to claim 1, wherein the control means generates a first signal that rises according to an elapsed time of the ON period;
A comparison means for comparing the first signal with a second signal corresponding to the target charge amount that defines the peak value ;
A piezo actuator drive circuit comprising control signal output prohibiting means for prohibiting output of a control signal for turning on the switching element and switching to the off period when the first signal exceeds the second signal.
コモンレールから供給される高圧の燃料の噴射用のノズル部と、
燃料の噴射と停止とを切り換える弁体であって、その開閉作動用として前記高圧燃料の圧力が作用する弁体と、
前記高圧燃料圧力に抗して前記弁体を作動せしめる押圧力を出力するピエゾアクチュエータと、
コモンレール内の燃料圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項1ないし3いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備し、
前記制御手段は、検出されたコモンレール内燃料圧力が高いほど目標充電量が大きくなるように設定したことを特徴とする燃料噴射装置。
A nozzle for injecting high-pressure fuel supplied from a common rail;
A valve body for switching between fuel injection and stop, and a valve body on which the pressure of the high-pressure fuel acts for opening / closing operation thereof;
A piezo actuator that outputs a pressing force that operates the valve body against the high-pressure fuel pressure;
Pressure detecting means for detecting the fuel pressure in the common rail;
A piezo actuator driving circuit according to any one of claims 1 to 3, which drives the piezo actuator.
The fuel injection device is characterized in that the control means is set so that the target charge amount increases as the detected fuel pressure in the common rail increases.
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