JP4829528B2 - 内燃機関内の電子インジェクタ及び電子バルブを制御する装置及びその動作方法 - Google Patents

内燃機関内の電子インジェクタ及び電子バルブを制御する装置及びその動作方法 Download PDF

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Description

本発明は、吸気及び/又は排気バルブの可変アクチュエーション(「可変バルブ・アクチュエーション」)の共通燃料噴射システム及び電子油圧システムを含む内燃機関内、特にディーゼル機関内の燃料電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一装置に関する。本発明は、さらに、制御装置等の動作方法に関する
電子インジェクタの制御については、その時間プロットが、第1のホールド値まで増加する上昇部と、第1のホールド値付近での振幅発振部と、第2のホールド値まで減少する下降部と、第2のホールド値付近での振幅発信部と、略0値まで下がる下降部と、を含む、電流を各電子インジェクタに供給する方法が知られている。
電子バルブの制御については、たとえば、吸気及び排気弁を制御するための電子バルブは、その時間プロットが、第1のホールド値まで増加する上昇部と、第1のホールド値付近での振幅発振部と、第2のホールド値まで増加する上昇部と、第2のホールド値付近での振幅発信部と、第3のホールド値まで減少する下降部と、第3のホールド値付近での振幅発信部と、最後に、略0値まで減少する下降部と、を含む、電流を電子バルブの各々に供給する方法が知られている。
電子バルブの駆動は、各電子バルブについて、一対の制御されたスイッチであって、電子バルブに直列に配列され、その1つが電子バルブを供給線に接続し、他のスイッチが電子バルブをアース線に接続する、スイッチと、電子バルブの端子1つとアース線との間に接続されたフリーホイール・ダイオードと、を含む、制御装置を通じて得られる。
第3のホールド値から略0値までの電流の降下の間に、制御されたスイッチの両方は同時に開いており、電子バルブ内で循環する電流は、フリーホイール・ダイオードと、アース線に接続された制御されたスイッチと、を通じて、アース線の方向に放電される。後者は、ブレークダウン領域で動作し、電子バルブ内に蓄積されたエネルギーが、アバランシェ効果によってそこで消費される。そのエネルギーは、次の式の通りであり、
Figure 0004829528
ここで、Iev_hは、電子バルブ内で循環する電流の初期値であり、前段のステップで到達された値に等しく、Levは、電子バルブの等価インダクタンスである。
典型的な数値を代入することによって、制御されたスイッチで消費されるエネルギーが略10mJであり、制御されたスイッチをかなり過熱させるような値であることが、すぐに確認できる。
制御されたスイッチが通常MOSFETトランジスタであるとすると、含まれる高エネルギーを消費できるように、十分に大きな寸法のパッケージを有するトランジスタを使用する必要がある。
各シリンダの少なくとも2つの吸気バルブが制御され、各エンジン回転数について電子バルブの二重起動で、3500r.p.mで動作する4気筒エンジンを考えると、先に計算された電力の値に基づいて、制御されたスイッチ内のアバランシェ効果のみに起因する、略4.7Wの電力の消費が得られる。次に、電子バルブの起動中の導電によって消費された電力が、前記値まで合計される。
電子インジェクタの駆動は、電子バルブを駆動するために使用される回路構造と同様の回路構造を有する制御装置を通じて、得られる。そのため、電子バルブ及び電子インジェクタを制御するための装置の両方を同一のエンジン制御ユニット内に組み込むと、主として、含まれる高電力の消費と、すべての電子装置の寸法を小さくして組み込むことと、に関連する、重大な問題につながる。
現在のところ、エンジン制御ユニット内の電力の高い消費は、とりわけ、セラミック基板又はハイブリッド回路の使用を想定する、費用のかかる技術を適用することによって克服されている。
したがって、本発明の目的は、上記欠点を克服可能な、電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一の装置を提供することである。
このため、本発明によると、電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一の装置、並びに該装置を作動する方法が、提供される。
本発明の第1の態様は、内燃機関内の複数の電子インジェクタ(3)及び複数の電子バルブ(5)を制御する装置(1)であって、前記装置(1)が、各電子インジェクタ(3)用の第1の制御回路(2)と、各電子バルブ(5)用の第2の制御回路(4)と、を含み、第1の制御回路(2)の各々が、1の電圧(VBATT)を供給する電源(8)、及び1の電圧(VBATT)よりも高い第2の電圧(VBOOST)を供給するとともにコンデンサ手段(12)を含む昇圧回路(11)に、選択的に接続されるように構成された、第1の入力端子(6)及び第2の入力端子(7)と、れぞれの電子インジェクタ(3)と接続されるように構成された、第1の出力端子(15)及び第2の出力端子(16)と、れぞれの電子インジェクタ(3)を前記電源(8)と前コンデンサ手段(12)に、選択的に接続するように構成された、第1のスイッチ手段(24、25、28、29)と、を含み、第2の制御回路(4)の各々が、電源(8)に接続されるように構成された、第1の入力端子(30)及び第2の入力端子(31)と、れぞれの電子バルブ(5)に接続されるように構成された、第1の出力端子(33)及び第2の出力端子(34)と、充電モードの間、それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続するように構成された、第2のスイッチ手段(38、39、43、45)と、を含み、電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを前記コンデンサ手段(12)に転送するために、放電モードの間、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)が、それぞれの電子バルブ(5)を前記コンデンサ手段(12)に接続するように、さらに構成されている、という特徴を有する、装置(1)、である。
本発明の第2の態様は、電気エネルギーを電子バルブ(5)に蓄積するために、前記ある所定動作条件で、それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続するように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するステップを含み、前記電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを前記コンデンサ手段(12)に転送するために、れぞれの電子バルブを前記コンデンサ手段(12)に接続するように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するステップを含むことを特徴とする、
内燃機関内の複数の電子インジェクタ(3)及び複数の電子バルブ(5)を制御する装置(1)の動作方法である。
本発明をより良く理解するために、限定しない例によって、及び添付の図を参照して、純粋に提供される、好ましい実施の形態を説明する。
本発明による電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一の装置が図1に図示されており、全体として参照番号1によって示されている。
説明及び記述を簡潔にするために、図1は、2つのシリンダから成るエンジンの1つのシリンダ・バンク(図示せず)に関する、装置1のパーツのみを図示する。ここで、1つの電子インジェクタと、2つの吸気バルブと、2つの排気バルブとが、各シリンダに関連している。さらに、図1は、シリンダ・バンク内の4つの吸気バルブを制御するための電子バルブの制御に関する、装置1のパーツを示す。
図1に図示されているものについて説明すると、装置1は、各電子インジェクタ3用の複数の第1の制御回路2と、各電子バルブ5用の複数の第2の制御回路4と、制御信号を第1及び第2の制御回路2、4に供給するために設計されたタイミング回路9と、を含む。
図1では、各電子インジェクタ3は、対応する等価の導電コイル(インダクタンスLINJ)によって示されており、4つの電子バルブ5は、対応する等価の導電コイル(インダクタンスLev)によって表されている。
詳細には、各第1の制御回路2は、それぞれ、バッテリ・ダイオード20を介して電源8の正極に接続された、第1の入力端子6と、電源8の負極に接続された、第2の入力端子7と、を含む。電源8は、公称値が一般に13.5Vの電圧VBATTを供給する自動車のバッテリであってもよい。バッテリ・ダイオード20は、電源8の正極に接続されたアノードと、第1の入力端子6に接続されたカソードと、を有している。
第1及び第2の入力端子6、7は、さらに、たとえば50Vのバッテリ電圧VBATTよりも高いブースト電圧VBOOSTを供給する、昇圧回路11の正極及び負極にそれぞれ接続されている。その最も単純な実施の形態において、昇圧回路11は、「ブースト・コンデンサ」と呼ばれる、単一のコンデンサ12で構成されている。しかし、場合によっては、特定用途において、コンデンサ12に並列に接続されたDC/DCコンバータ(図示せず)の使用が想定されてもよい。コンデンサ12に並列に配列された測定回路50は、ブースト電圧VBOOSTに等しいコンデンサ12内の電圧を測定し、タイミング回路9に接続されている。
特に、第1の入力端子6は、第1の制御信号T1をタイミング回路9から受信するゲート端子と、昇圧回路11の正極に接続されたドレイン端子と、第1の入力端子6に接続されたソース端子と、を有する、MOSFET型のブースト・トランジスタ22を介して、昇圧回路11の正極に接続されている。
各第1の制御回路2は、さらに、第1の出力端子15と、第2の出力端子16と、を具備し、対応する電子インジェクタ3が、これらの端子間に接続されている。特に、第1の出力端子15に接続された、各電子インジェクタ3の端子は、一般に、「ハイサイド」(HS)端子又はホットサイド端子と呼ばれ、第2の出力端子16に接続された各電子インジェクタ3の端子は、一般に、「ローサイド」(LS)端子又はコールドサイド端子と呼ばれる。
供給線18及びアース線17は、それぞれ、第1の制御回路2の第1の入力端子6及び第2の入力端子7に、互いに接続する。
各第1の制御回路2は、さらに、第2の制御信号T2をタイミング回路9から受信するゲート端子と、供給線18に接続されたドレイン端子と、第1の出力端子15に接続されたソース端子と、を有する、MOSFET型のハイサイド・トランジスタ24と、第3の制御信号T3をタイミング回路9から受信するゲート端子と、第2の出力端子16に接続されたドレイン端子と、センスステージを介してアース線17に接続されたソース端子と、を有する、同様にMOSFET型のローサイド・トランジスタ25と、を含む。センスステージはセンス抵抗26によって形成されており、その中には、既知の方法でセンス抵抗26内を流れる電流に比例する電圧を出力する演算増幅器(オペアンプ)(図示せず)が接続されている。
最後に、各第1の制御回路2は、アース線17に接続されたアノード及び第1の出力端子15に接続されたカソードを有する、フリーホイール・ダイオード28と、第2の出力端子16に接続されたアノード及び昇圧回路11の正極に接続されたカソードを有する、ブースト・ダイオード29と、を含む。特に、フリーホイール・ダイオード28は、同期整流器の機能を有するMOSトランジスタ(図示せず)によって二者択一的に置換可能である。
各第2の制御回路4は、前述の第1の制御回路2と同様の回路構造を有する。
詳細には、各第2の制御回路4は、電源8の正極及び負極にそれぞれ接続された、第1の入力端子30及び第2の入力端子31と、その間に対応する電子バルブ5が接続された、第1の出力端子33及び第2の出力端子34と、を有する。
供給線36及びアース線35は、それぞれ、第2の制御回路4の第1の入力端子30及び第2の入力端子31に、互いに接続している。
各第2の制御回路4は、さらに、MOSFET型のハイサイド・トランジスタ38と、同様にMOSFET型のローサイド・トランジスタ39と、を含む。特に、ハイサイド・トランジスタ38は、第4の制御信号T4をタイミング回路9から受信するゲート端子と、供給線36に接続されたドレイン端子と、第1の出力端子33に接続されたソース端子と、を有する。ローサイド・トランジスタ39は、第5の制御信号T5をタイミング回路9から受信するゲート端子と、第2の出力端子34に接続されたドレイン端子と、センス・ステージを介してアース線35に接続されたソース端子と、を有する。センスステージはセンス抵抗42によって形成されており、その中には、既知の方法で、センス抵抗42内を流れる電流に比例する電圧を出力する演算増幅器(図示せず)の入力が接続されている。
最後に、各第2の制御回路4は、アース線35に接続されたソース端子と、第1の出力端子33に接続されたドレイン端子と、6番目の制御信号T6をタイミング回路9から受信するゲート端子と、を有する、MOSFET型のフリーホイール・トランジスタ43と、ブースト電圧VBOOSTで、第2の出力端子34に接続されたアノードと、昇圧回路11の正極に接続されたカソードと、を有する、ブースト・ダイオード45と、を含む。特に、フリーホイール・トランジスタ43は、フリーホイール・ダイオード(図示せず)によって交互に置換可能である。
特に注意すべきことは、第2の制御回路4内に、昇圧回路11に接続されたブースト・ダイオード45が存在していることである。次の記載から、既知の技術を参照して説明された、ローサイド・トランジスタ内の電力消費の問題を解決するために、前記部品の存在が貢献していることがわかるであろう。
各第1の制御回路2の動作は、電流が所定のホールド値に達するまで増加する、急速充電モードと、前段のステップで到達された値付近で電流が略のこぎり歯波形で発振する、ホールドモードと、電流が前段のステップで仮定された値から同様に0であってもよい最終値まで減少する、急速放電モードとの、異なるパターンの電流がそれぞれの電子インジェクタ3内を流れるという特徴を有する、異なる動作モードを想定する。特に、前述のモードは、シリンダ内への燃料の噴射と同時に生ずる。
図2は、一例として、上記参照された3つの動作モードの交替及び繰返しを通じて得られたIinjによって表される、電子インジェクタ3内を流れる電流の可能な時間グラフを図示する。特に、前記可能な時間グラフは、Iinj_peakによって表されるピーク値まで増加する、第1の上昇部と、電流の振幅がピーク値付近で発振する、第1のホールド部と、Iinj_holdによって表されるホールド値まで減少する、第1の下降部と、ホールド値付近で発振する振幅を有する、第2のホールド部と、略0値まで減少する、第2の下降部と、を含む。
詳細には、急速充電モード中に、トランジスタ22、24、及び25は、閉状態にあり、したがって、ブースト電圧VBOOSTが、電子インジェクタ3内に印加される。次に、電流は、コンデンサ12と、ブースト・トランジスタ22と、ハイサイド・トランジスタ24と、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、を含むループ内を流れ、VBOOST/Linjの勾配で、時間と共に、略直線的に増加する。
ホールドモードの間は、ローサイド・トランジスタ25は閉状態にあり、ブースト・トランジスタ22は開状態にあり、ハイサイド・トランジスタ24は閉状態と開状態とに繰返し設定され、したがって、電子インジェクタ3には、バッテリ電圧VBATT(ハイサイド・トランジスタ24が閉状態にある時)及び略0ボルト(ハイサイド・トランジスタ24が開状態にある時)が交互に印加される。最初の場合(ハイサイド・トランジスタ24が閉状態にある時)には、電流は、電源8と、バッテリ・ダイオード20と、ハイサイド・トランジスタ24と、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、を含むループ内を流れ、時間と共に、略指数関数的に増加する。他方、第2の場合(ハイサイド・トランジスタ24が開状態にある時)には、電流は、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、フリーホイール・ダイオード28と、を含むループ内を流れ、時間と共に、略指数関数的に減少する。
最後に、急速放電モードでは、トランジスタ22、24、及び25は開状態にあり、したがって、電子インジェクタ3が電流によってトラバースされる限り、電子インジェクタ3には、逆ブースト電圧−VBOOSTが印加される。電流は、コンデンサ12と、ブースト・ダイオード29と、電子インジェクタ3と、フリーホイール・ダイオード28と、を含むループ内を流れ、時間と共に、−VBOOST/Linjの勾配で、略直線的に減少する。このステップでは、電子インジェクタ3内の電気エネルギー(E=1/2・Linj・I2 inj_holdで与えられる)は、コンデンサ12に転送され、充電ステップの間に供給されたエネルギーの一部を回復させるようにし、したがって、本システムの効率を増加させる。
すべての動作モード(すなわち、急速充電、ホールド、及び急速放電モード)において、トランジスタ22、24、及び25の開放及び閉止は、センス抵抗26を介して検出された電子インジェクタ3内を流れる電流の値に基づいてタイミング回路9によって制御される(閉ループ制御)か、あるいは、回路計算に従って制御される(開ループ制御)。
特に、ホールドモードの間は、ハイサイド・トランジスタ24は、対応する制御信号T2によって、PWMで制御される。ここで、制御信号T2は、電子インジェクタ3内の電流をそれぞれのホールド値付近で維持するためのタイミング回路9によって、開ループ制御又は閉ループ制御で規制可能である周期及びデューテイ・サイクルを有する、パルス列から成る。
再充電モードと呼ばれる、さらなる動作モードが、さらに、各第1の制御回路2に提供される。特に、再充電モードは、1つ以上の非動作電子インジェクタ3、すなわち燃料噴射に含まれていない電子インジェクタを使用して、コンデンサ12の再充電を可能にする。このようにして、専用のDC/DCコンバータなしに、ブースト電圧VBOOSTを生成可能である。
詳細には、コンデンサ12内のブースト電圧VBOOSTが、燃料の噴射によって、所定の下限値(たとえば、49V)より下がると、最初に、燃料噴射のために所定の瞬間に使用されなかった電子インジェクタ3(単数又は複数)が識別され、次に、各電子インジェクタ3は、コンデンサ12を再充電するために使用される。再充電ステップ中に電子インジェクタ内を流れる電流Iinjの波形が、図3に図示される。
inj_maxによって表された、再充電ステップ中の電子インジェクタ3内の電流の最大レベルは、好ましくない燃料噴射を防止するように、電子インジェクタを開くために必要な最小電流よりも明らかに低くなければならない。
特に、コンデンサ12の再充電中は、ブースト・トランジスタ22は常に開状態に保たれており、ハイサイド・トランジスタ24は常に閉状態に保たれており、他方、ローサイド・トランジスタ25は、閉状態及び開状態に繰返し設定されている。
ローサイド・トランジスタ25が閉状態にある時には、電流は、電源8と、バッテリ・ダイオード20と、ハイサイド・トランジスタ24と、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、を含むループ内を流れ、VBATT/Linjの勾配で、略直線的に増加する。
本ステップ(図3の曲線の上昇部に対応する)の間は、電子インジェクタ3内には、電圧VBATTがあり、電源8から来る電気エネルギーは、電子インジェクタ3に転送され、電子インジェクタ3内に蓄積される。このステップは、電子インジェクタ3内の電流があらかじめ定められた最大値Iinj_maxに達すると、終了する。
その代わりに、ローサイド・トランジスタ25が開状態にある時には、電流は、電源8と、バッテリ・ダイオード20と、ハイサイド・トランジスタ24と、電子インジェクタ3と、ブースト・ダイオード29と、コンデンサ12と、を含むループ内を流れ、0のこともある所定の下限値IInj_minまで、(VBATT−VBOOST)/Linjの勾配で、略直線的に減少する。
本ステップ(図3の曲線の下降部に対応する)の間に、電子インジェクタ3内に蓄積された電気エネルギーはコンデンサ12に転送され、このようにして、その再充電を判断する。
各第2の制御回路4の動作について説明する。
第1の制御回路2について説明したのと同様に、異なる動作モードが想定される。充電モードでは、電流が所定のホールド値まで増加し、ホールドモードでは、電流は、先のステップで到達された値付近で略のこぎり歯波形で発振し、放電モードでは、電流は、前段のステップで仮定された値から、0のこともある最終値まで、減少する。3つの前述のモードの交替及び繰返しを通じて、各電子バルブ5に電流Ievを供給することが可能である。電流Ievの可能な時間グラフが図4に図示されており、その時間グラフは、第1のホールド値Iev_biasまで増加する、第1の上昇部Aと、電流の振幅が第1のホールド値付近で発振する、第1のホールド部Bと、ピーク値Iev_peakまで増加する、第2の上昇部Cと、ピーク値付近で発振する振幅を有する、第2のホールド部Dと、第3のホールド値Iev_holdまで減少する、第1の下降部Eと、第3のホールド値付近で発振する振幅を有する、第3のホールド部Fと、最後に、略0値まで減少する、第2の下降部Gと、を含む。
詳細には、充電モード(部分A及びC)の間は、ハイサイド及びローサイド・トランジスタ38及び39は、それぞれの制御信号T4及びT5によって、閉状態に保たれ、したがって、電子バルブ5内には、バッテリ電圧VBATTが印加される。このようにして、電流は、電源8と、ハイサイド・トランジスタ38と、電子バルブ5と、ローサイド・トランジスタ39と、センス抵抗42と、を含むループ内を流れ、時間と共に、略指数関数的に増加する。
ホールドモード(B部,D部,及びF部)では、ローサイド・トランジスタ39は閉状態に保たれ、他方、ハイサイド・トランジスタ38は、閉状態及び開状態に繰返し設定され、したがって、電子バルブ5内には、バッテリ電圧VBATT(ハイサイド・トランジスタ38が閉状態にある時)と0ボルト(ハイサイド・トランジスタ38が開状態にある時)とが、交互に印加される。
第1の場合(ハイサイド・トランジスタ38が閉状態にある)には、電子バルブ5は、電源8からエネルギーを吸収し、電流は、電源8と、ハイサイド・トランジスタ38と、電子バルブ5と、ローサイド・トランジスタ39と、センス抵抗42と、を含むループ内を流れ、時間と共に、増加する。その代わりに、第2の場合(ハイサイド・トランジスタ38が開状態にある)には電子バルブ5はエネルギーを発生させ、電流は、電子バルブ5と、ローサイド・トランジスタ39と、センス抵抗42と、フリーホイール・トランジスタ43と、を含むループ内を流れ、時間と共に、略直線的に減少する。
放電モードの間の第2の制御回路4の動作、及び上記回路の実施の形態は、高レベルの電力消費を防止するとともに、同時に、昇圧回路11のコンデンサ12のより効果的な再充電を保証する。
詳細には、ホールド値Iev_holdの0電流値までの遷移(第2の下降部G)の間は、逆ブースト電圧−VBOOSTが、電子バルブ5内に印加される。
本ステップの間は、ハイサイド及びローサイド・トランジスタ38、39は開状態に設定されており、他方、フリーホイール・トランジスタ43は閉状態に設定されており、その結果、電流は、フリーホイール・トランジスタ43と、電子バルブ5と、ブースト・ダイオード45と、コンデンサ12と、を含むループ内を流れ、コンデンサ12は、このようにして再充電される。実際に、
Figure 0004829528
に等しい、電子バルブ5内に蓄積されたエネルギーは、コンデンサ12内に転送され、その結果、コンデンサ12内に蓄積されたエネルギーEcは、次の関係に従って増加する。
Figure 0004829528
その結果、コンデンサ内のブースト電圧VBOOSTは、初期値VBOOST(t3)よりも高い値VBOOST(t4)まで増加する。
Figure 0004829528
ここで、t3(図4も参照)は、放電が開始する瞬間であり、t4は、電子バルブ部5内の電流Ievが0値に達する瞬間であり、この時、全エネルギーEevは、コンデンサ12に転送済みである。
コンデンサ12の容量Cの値がかなり高い(約1mF)ため、各電子バルブ5のターンオフに続くブースト電圧VBOOSTの先の式に基づいて計算された増加はかなり限定され、その結果、ブースト電圧VBOOSTには、はっきりとした変化が生じず、したがって、該ブースト電圧VBOOSTは、正確に制御可能である。
電子バルブ5内に蓄積されたエネルギーが、ローサイド・トランジスタ39内のアバランシェ効果によって消費される代わりに、(伝導損失以外の)消費効果なしに、昇圧回路11のコンデンサ12に転送されているとすると、提案された解決策の利点がはっきりと現れ、このためコンデンサの再充電に寄与する。
同様に、ピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdへの遷移(第1の下降部E)の間に、本発明のさらなる態様は、さらにコンデンサ12の再充電の効率を増加させるように、電子バルブ5から昇圧回路11にエネルギーを転送することを想定する。
詳細には、同様に、本ステップの間に、ハイサイド及びローサイド・トランジスタ38、39は開状態に設定されており、他方、フリーホイール・トランジスタ43は閉状態に設定されており、その結果、電流が、フリーホイール・トランジスタ43と、電子バルブ5と、ブースト・ダイオード45と、コンデンサ12と、を含むループ内を流れ、このようにして、コンデンサ12は再充電される。電子バルブ5内には、逆ブースト電圧−VBOOSTが存在し(ダイオードでの電圧降下を除き)、電流は、ピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdまで、急速に減少する。さらに、コンデンサ12内に蓄積されているエネルギーの増加は、次の関係によると、電子バルブ5内の磁気エネルギーの減少に相当し、
Figure 0004829528
ここで、t1は、ホールドステップから放電ステップへの遷移が存在する瞬間(ローサイド・トランジスタ39をターンオフする)であり、t2は、再びホールドステップへの遷移の存在する瞬間(ローサイド・トランジスタ39をターンオンする)である。
上述の動作の可能性のある変形は、達成されるべき、コンデンサ12の方向への、より大きなエネルギー回復を可能にする。
詳細には、ピーク値からホールド値までの遷移の間は、ローサイド・トランジスタ39及びフリーホイール・トランジスタ43はターンオフされており、他方、ハイサイド・トランジスタ38はターンオンされている。このようにして、電流は、電源8と、ハイサイド・トランジスタ38と、電子バルブ5と、ブースト・ダイオード45と、コンデンサ12と、を含むループ内を循環し、その結果、電子バルブ5内には、基本的に(VBATT−VBOOST)の電圧が印加されており、電流は、ピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdまで、かなり急速に減少する。このようにして、コンデンサ12内に蓄積されているエネルギーの増加は、電子バルブ5内の磁気エネルギーの減少ばかりでなく、電源8によって実行される仕事にも対応する。この場合には、コンデンサ12内に蓄積されるエネルギーの増加は、次の関係で表現可能である。
Figure 0004829528
前述の第2の制御回路4の動作方法によって得られたエネルギー回復は特に効率的であり、したがって、あるエンジン条件では、ブースト電圧VBOOSTの好ましくない増加が生じるかもしれない。たとえば、前記現象は、カットオフ条件、すなわち、電子インジェクタ3を介する燃料の噴射がないが、同時に電子バルブ5を起動する必要がある場合に、生じるかも知れないが、このようにして、前述のエネルギー回復を判断する。
上記好ましくない増加の発生を防止するために、本発明のさらなる態様は、測定回路50がコンデンサ12内のブースト電圧VBOOSTの値を測定し、その電圧値をタイミング回路9に送ることを、想定する。測定値が所定の上限値よりも高い時には、少なくとも、電子バルブ5内を流れる電流のピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdへの遷移の間にコンデンサ12にエネルギー回復がないように、タイミング回路9は、第2の制御回路4を駆動する。
この場合には、電子バルブ5内を流れる電流の波形は、図5で図示された波形であり、ここで、E’は、図4を参照して説明されたものとは異なる、ピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdまで減少する下降部を示す。
詳細には、本ステップの間は、ハイサイド・トランジスタ38はターンオフされており、他方、ローサイド・トランジスタ39及びフリーホイール・トランジスタ43はターンオンされており、その結果、電子バルブ5内の電流は、フリーホイール・トランジスタ43と、電子バルブ5と、ローサイド・トランジスタ39と、を含むループ内を流れる。電子バルブ5内は実質的に0ボルトであり(MOSトランジスタでの損失を除く)、その結果、電流は、ピーク値Iev_peakからホールド値Iev_holdまで、ゆっくりと減少する。特に、次の関係で表される、電子バルブ5内の磁気エネルギーΔEevの差分は、コンデンサ12内で回復される代わりに、熱的に散逸される。
Figure 0004829528
このように、再充電を引き起こす、コンデンサ12内に戻された電流は、電子バルブ5の起動の最終ステップに対応する、唯一の電流である(曲線のG部に対応する、ホールド値Iev_holdから0値への電流の遷移)。
ブースト電圧VBOOSTの前述の好ましくない増加を防止するためには未だ十分でない、この変形の場合には、本発明のさらなる態様は、急速充電、ホールド、急速放電(燃料噴射に関する)及び再充電の前述のステップとは異なる、第1の制御回路2の動作において、追加の放電ステップの導入を想定する。特に、ブースト電圧VBOOSTの測定された値が所定の上限値よりも高い時には、前記放電ステップは、タイミング回路9によって起動される。
詳細には、放電ステップの間は、タイミング回路9は、最初に、所定の瞬間における燃料噴射に含まれていない電子インジェクタ3を識別し、次に、その電子インジェクタの起動を命令し、放電パルスを決定する。再充電ステップについてすでに説明したように、明らかに、各電子インジェクタ3内を流れる電流によって到達された最大レベルI’inj_maxは、電子インジェクタ3の開放、したがってシリンダ内の燃料噴射、を引き起こさないものでなければならない。放電パルスは、燃料噴射に含まれていないすべての電子インジェクタ3内で同時に発生されてもよく、ブースト電圧VBOOSTが再び所定の下限値より下がるとすぐに妨げられてもよい。
放電パルス(そのパターンが、所定のタイム・ウインドウで、図6に図示されている)は、オン・ステップとオフ・ステップとが交互に現れるという特徴を有する、周期的なパターンを有する。
オン・ステップの間は、ブースト・トランジスタ22と、ハイサイド・トランジスタ24と、ローサイド・トランジスタ25とは、同時にターンオンされており、その結果、電流は、コンデンサ12と、ブースト・トランジスタ22と、ハイサイド・トランジスタ24と、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、を含むループ内を流れる。本ステップでは、ブースト電圧VBOOSTは電子インジェクタ3に印加され、したがって、電流はVBOOST/Linjの勾配で急速に増加し、コンデンサ12は部分的に放電され、コンデンサ12内に蓄積されたエネルギーの一部を、電子インジェクタ3に転送させる。センス抵抗26を介して測定された電流が所定の上限値I’inj_maxに達するとすぐに、オン・ステップは終了する。
オフ・ステップの間は、ハイサイド・トランジスタ24はターンオフされており、他方、ローサイド・トランジスタ25はオンのままであり、その結果、電流は、フリーホイール・ダイオード28と、電子インジェクタ3と、ローサイド・トランジスタ25と、センス抵抗26と、を含むループ内を流れる。このステップでは、略0ボルト(フリーホイール・ダイオード28での電圧降下を除く)が電子インジェクタ3に印加され、電流は、次の式に等しい、時定数τと共に、略指数関数的に減少する。
Figure 0004829528
ここで、Rsはセンス抵抗26の抵抗、Rinjは電子インジェクタ3の等価抵抗であり、他方、Rwiresは、ワイヤー、その上に装置が形成されるプリント回路のパス、ローサイド・トランジスタ25等における消費を考慮した抵抗条件である。特に、オン・ステップの終わりに、電子インジェクタ内に蓄積された磁気エネルギーは、主として配線及び電子インジェクタ3での熱の形で、エンジン制御ユニットへと外部へ、部分的に放散されることを強調すべきである。
電子インジェクタ3内を循環する電流が、同様にセンス抵抗26を介して測定される最小の所定の値I’inj_minを示す時に、オフ・ステップが終了する。
したがって、ブースト電圧VBOOSTの好ましくない増加を防止するように、前述の2つのオン及びオフ・ステップの繰返しを通じて、コンデンサ12の部分的な放電を得ることが可能である。
本発明の利点は、前述の説明から明らかであろう。
特に、単一の制御装置は、エンジン制御ユニット内の電力消費の顕著な制限を可能にする。実際、単一の制御装置は、(主として制御ユニットの外部の)伝導損失を除いて、電子バルブ内に蓄積された電力が昇圧回路のコンデンサ内に転送される限り、電子バルブを制御するための回路のローサイド・トランジスタ内のアバランシェ効果によって、電力の損失を除去する。
したがって、MOSFETトランジスタは、伝導損失のみに基づいて寸法調整可能であり、その結果、パッケージを小型化し、低コストにし、すべての制御回路のエンジン制御ユニット内へのより単純な統合を可能にする。
さらに、開放中(急速充電ステップ)に電子インジェクタを駆動するために必要なブースト電圧は、より効率的に生成される。実際,通常の起動中に電子バルブ内に蓄積されたエネルギーの一部は、ブースト・コンデンサを再充電するために使用される。
最後に、本明細書中に記載され図示された内容については、添付の特許請求の範囲で定義されたように、本発明の範囲を逸脱せずに、変更及び修正がなされてもよいことは明らかである。
特に、電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一の装置について説明された回路構造は、それによってエンジンが構成されたシリンダ・バンクの数、シリンダ・バンク当りのシリンダの数、並びにシリンダ当りの電子インジェクタ及び電子バルブの数に従って、電子インジェクタ及び電子バルブを制御するための任意の数の回路を含んでいてもよいから、完全に一般的であることは明らかである。
さらに、説明された回路構造は、それによっては吸入バルブ及び/又は排気バルブを制御する電子バルブに限定されない、その起動にブースト電圧を必要としない、任意の電子バルブをエンジン内に具備していてもよいことは明らかである。
最後に、上記の単一の制御装置は、直接噴射システム(ガソリン直接噴射−GDI)を備えるペトロールエンジン、すなわち、一般的に、起動のためにバッテリ電圧よりも高いブースト電圧を必要とする電子インジェクタを内蔵するエンジンにも、適用可能である。
本発明による電子インジェクタ及び電子バルブを制御する単一の装置の回路の実施の形態を示す。 種々の動作条件における、図1の回路のいくつかの電気量の時間グラフを示す。 種々の動作条件における、図1の回路のいくつかの電気量の時間グラフを示す。 種々の動作条件における、図1の回路のいくつかの電気量の時間グラフを示す。 種々の動作条件における、図1の回路のいくつかの電気量の時間グラフを示す。 種々の動作条件における、図1の回路のいくつかの電気量の時間グラフを示す。
符号の説明
1 装置
2 第1の制御回路
3 電子インジェクタ
4 第2の制御回路
5 電子バルブ
6、30 第1の入力端子
7、31 第2の入力端子
8 電源(第1の電気エネルギーのソース)
9 タイミング回路
11 昇圧回路(第2の電気エネルギーのソース)
12 コンデンサ(エネルギー蓄積手段)
15、33 第1の出力端子
16、34 第2の出力端子
24 ハイサイド・トランジスタ(第1の制御されたスイッチ手段)
25 ローサイド・トランジスタ(第2の制御されたスイッチ手段)
28 フリーホイール・ダイオード(第1の一方向性導電手段)
29 ブースト・ダイオード(第2の一方向性導電手段)
38 ハイサイド・トランジスタ(第1の制御されたスイッチ手段)
39 ローサイド・トランジスタ(第2の制御されたスイッチ手段)
43 フリーホイール・トランジスタ(第1の一方向性導電手段)
45 ブースト・ダイオード(第2の一方向性導電手段)
50 測定回路(測定手段)

Claims (19)

  1. 内燃機関内の複数の電子インジェクタ(3)及び複数の電子バルブ(5)を制御する装置(1)であって、
    前記装置(1)が、
    各電子インジェクタ(3)用の第1の制御回路(2)と、
    各電子バルブ(5)用の第2の制御回路(4)と、を含み、
    第1の制御回路(2)の各々が、
    第1の電圧(VBATT)を供給する電源(8)と、及び第1の電圧(VBATT)よりも高い第2の電圧(VBOOST)を供給するとともにコンデンサ手段(12)を含む昇圧回路(11)とに、選択的に接続されるように構成された、第1の入力端子(6)及び第2の入力端子(7)と、
    それぞれの電子インジェクタ(3)と接続されるように構成された、第1の出力端子(15)及び第2の出力端子(16)と、
    それぞれの電子インジェクタ(3)を前記電源(8)と前記コンデンサ手段(12)とに、選択的に接続するように構成された、第1のスイッチ手段(24、25、28、29)と、を含み、
    第2の制御回路(4)の各々が、
    前記電源(8)に接続されるように構成された、第1の入力端子(30)及び第2の入力端子(31)と、
    それぞれの電子バルブ(5)に接続されるように構成された、第1の出力端子(33)及び第2の出力端子(34)と、
    充電モードの間、それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続するように構成された、第2のスイッチ手段(38、39、43、45)と、を含み、
    電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを前記コンデンサ手段(12)に転送するために、放電モードの間、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)が、それぞれの電子バルブ(5)を前記コンデンサ手段(12)に接続するように、さらに構成されている、という特徴を有する、
    装置(1)。
  2. 前記第1のスイッチ手段が、
    前記第1の出力端子(15)と前記第1の制御回路(2)の前記第1の入力端子()との間に接続された、第1の制御されたスイッチ(24)と、
    前記第2の出力端子(16)と前記第1の制御回路(2)の前記第2の入力端子()との間に接続された、第2の制御されたスイッチ(25)と、
    前記第1の出力端子(15)と前記第1の制御回路(2)の前記第2の入力端子()との間に接続された、第1の一方向性導電要素28)と、
    前記第1の制御回路(2)の前記第2の出力端子(16)と前記昇圧回路(11)との間に接続された、第2の一方向性導電要素29)と、を含み、
    前記第2のスイッチ手段が、
    前記第1の出力端子(33)と前記第2の制御回路(4)の前記第1の入力端子(30)との間に接続された、第3の制御されたスイッチ(38)と、
    前記第2の出力端子(34)と前記第2の制御回路(4)の前記第2の入力端子(31)との間に接続された、第4の制御されたスイッチ(39)と、
    前記第1の出力端子(33)と前記第2の制御回路(4)の前記第2の入力端子(31)との間に接続された、第5の制御されたスイッチ(43)と、
    前記第2の制御回路(4)の前記第2の出力端子(34)と前記昇圧回路(11)との間に接続された、第3の一方向性導電要素(45)と、を含む、
    請求項1に記載の装置。
  3. タイミング信号を、前記第1及び第2の制御回路(2、4)に供給するように構成された、タイミング回路(9)をさらに含み、
    前記タイミング回路(9)が、
    蓄積ステップの間に、電気エネルギーを前記電子バルブ(5)に蓄積するように、前記電源(8)と、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)と、前記電子バルブ(5)と、を介する電流路を画定するための、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)の前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)の閉止と、
    前記蓄積ステップに続く転送ステップの間に、前記電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを、前記コンデンサ手段(12)に転送するように、前記電子バルブ(5)と、前記第5の制御されたスイッチ(43)及び第3の一方向性導電要素(45)と、前記コンデンサ手段(12)と、を介する電流路を画定するための、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)の内の、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)の開放と、を制御するように、構成された、
    請求項2に記載の装置。
  4. タイミング信号を、前記第1及び第2の制御回路(2、4)に供給するように構成された、タイミング回路(9)をさらに含み、
    前記タイミング回路(9)が、
    蓄積ステップの間に、電気エネルギーを前記電子バルブ(5)に蓄積するように、前記電源(8)と、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)と、前記電子バルブ(5)と、を介する電流路を画定するための、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)の内の、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)の閉止と、
    前記蓄積ステップに続く転送ステップの間に、前記電子バルブ(5)に蓄積されたエネルギー及び前記電源(8)によって実行された仕事を、前記コンデンサ手段(12)に転送するように、前記電源(8)と、前記第3の制御されたスイッチ(38)と、前記電子バルブ(5)と、前記第の一方向性導電要素(45)と、前記コンデンサ手段(12)と、を介する電流路を画定するための、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)の内の、前記第3の制御されたスイッチ(38)の閉止及び前記第4の制御されたスイッチ(39)の開放を制御するように、構成された、
    請求項2に記載の装置。
  5. 前記タイミング回路(9)が、
    前記電子バルブ(5)を流れる電流が、初期値から第1のホールド値(Iev_bias)まで及び第1のホールド値からピーク値(Iev_peak)まで増加し、次に、ピーク値から第2のホールド値(Iev_hold)まで及び第2のホールド値から最終値まで減少するように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するように構成され、
    前記転送ステップが、第2のホールド値(Iev_hold)から最終値までの電流の減少に相当する、
    請求項3又は4に記載の装置。
  6. 前記転送ステップが、さらに、ピーク値(Iev_peak)から第2のホールド値(Iev_hold)までの前記電子バルブ(5)を流れる電流の減少に相当する、
    請求項5に記載の装置。
  7. 前記第2の電圧(VBOOST)を測定するための、前記コンデンサ手段(12)に接続された、測定手段(50)をさらに含み、
    前記タイミング回路(9)が前記測定手段(50)に接続されており、前記第2の電圧(VBOOST)が所定の上限を越える時に、ピーク値(Iev_peak)から第2のホールド値(Iev_hold)までの電流の減少の間に、前記電子バルブ(5)に蓄積されたエネルギーの前記コンデンサ手段(12)への転送を妨げるように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するように構成された、
    請求項6に記載の装置。
  8. ピーク値(Iev_peak)から第2のホールド値(Iev_hold)までの電流の減少の間に、前記タイミング回路(9)が、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)の内の、前記第3の制御されたスイッチ(38)の開放及び前記第4の制御されたスイッチ(39)の閉止を制御するように構成された、
    請求項7に記載の装置。
  9. タイミング信号を前記第1及び第2の制御回路(2、4)に供給するように構成された、タイミング回路(9)と、
    前記第2の電圧(VBOOST)を測定するための前記コンデンサ手段(12)に接続された、測定手段(50)と、をさらに含み、
    前記タイミング回路(9)が前記測定手段(50)に接続されており、前記コンデンサ手段(12)を放電させるように、前記第2の電圧(VBOOST)が所定の上限を越える時に、前記コンデンサ手段(12)に蓄積されたエネルギーの一部を、燃料噴射に含まれていない少なくとも1つの電子インジェクタ(3)に転送するように、前記第1のスイッチ手段(24、25、28、29)を制御するように構成された、請求項2乃至8のいずれかに記載の装置。
  10. 前記タイミング回路(9)が、燃料噴射に含まれていない前記電子インジェクタ(3)を、前記昇圧回路(11)と、0ボルトとに、交互に接続するように、前記第1のスイッチ手段(24、25、28、29)を制御するように構成された、請求項9に記載の装置。
  11. 電気エネルギーを電子バルブ(5)に蓄積するために、前記ある所定動作条件で、それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続するように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するステップを含み、
    前記電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを前記コンデンサ手段(12)に転送するために、それぞれの電子バルブを前記コンデンサ手段(12)に接続するように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するステップを含むことを特徴とする、
    請求項1乃至10のいずれかに記載の装置(1)の動作方法。
  12. それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続する前記ステップが、
    電子バルブ(5)を起動し、同時に、電気エネルギーを電子バルブ(5)に蓄積するように、前記電源(8)と、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)と、前記電子バルブ(5)と、を介する電流路を画定するために、それぞれの第2の制御回路(4)の前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)を閉じるステップを含み、
    それぞれの電子バルブをコンデンサ手段(12)に接続するステップが、
    電子バルブ(5)の起動中に前記電子バルブ(5)に蓄積された電気エネルギーを、前記コンデンサ手段(12)に転送するように、前記電子バルブ(5)と、前記第5の制御されたスイッチ(43)及び第3の一方向性導電要素(45)と、前記コンデンサ手段(12)と、を介する電流路を画定するために、それぞれの第2の制御回路(4)の前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)を開くステップを含む、
    請求項2乃至10のいずれかに記載の装置用の請求項11に記載の方法。
  13. それぞれの電子バルブ(5)を前記電源(8)に接続するステップが、
    電子バルブを起動し、同時に、電子バルブ(5)に電気エネルギーを蓄積するように、前記電源(8)と、前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)と、前記電子バルブ(5)と、を介する電流路を画定するために、それぞれの第2の制御回路(4)の前記第3及び第4の制御されたスイッチ(38、39)を閉じるステップを含み、
    それぞれの電子バルブをコンデンサ手段(12)に接続する前記ステップが、電子バルブ(5)の起動中に前記電子バルブ(5)に蓄積されたエネルギー及び前記電源(8)によって実行された仕事を、前記コンデンサ手段(12)に転送するように、前記電源(8)と、前記第3の制御されたスイッチ(38)と、前記電子バルブ(5)と、前記第の一方向性導電要素(45)と、前記コンデンサ手段(12)と、を介する電流路を画定するために、それぞれの第2の制御回路(4)の、前記第3の制御されたスイッチ(38)を閉じ、前記第4の制御されたスイッチ(39)を開くステップを含む、
    請求項2乃至10のいずれかに記載の装置用の請求項11に記載の方法。
  14. 前記電子バルブ(5)を流れる電流が、初期値から第1のホールド値(Iev_bias)まで及び第1のホールド値からピーク値(Iev_peak)まで増加し、次に、ピーク値から第2のホールド値(Iev_hold)まで及び第2のホールド値から最終値まで減少し
    それぞれの電子バルブを前記コンデンサ手段(12)に接続する前記ステップが、第2のホールド値(Iev_hold)から最終値までの電流の減少に相当する、
    請求項12又は13に記載の方法。
  15. それぞれの電子バルブを前記コンデンサ手段(12)に接続する前記ステップが、さらに、ピーク値(Iev_peak)から第2のホールド値(Iev_hold)までの、電流の減少に相当する、
    請求項14に記載の方法。
  16. 前記第2の電圧(VBOOST)を測定し、
    前記第2の電圧(VBOOST)が所定の上限を越える時に、ピーク値(Iev_peak)から第2のホールド値(Iev_hold)までの電流の減少の間に、前記電子バルブ(5)に蓄積されたエネルギーの、前記コンデンサ手段(12)への転送を妨げるように、前記第2のスイッチ手段(38、39、43、45)を制御するステップをさらに含む、
    請求項15に記載の方法。
  17. 前記電子バルブ(5)に蓄積されたエネルギーの転送を妨げる前記ステップが、
    それぞれの第2の制御回路(4)の、前記第3の制御されたスイッチ(38)を開き、前記第4の制御されたスイッチ(39)を閉じるステップを含む、
    請求項16に記載の方法。
  18. 前記第2の電圧(VBOOST)を測定し、
    前記コンデンサ手段(12)を放電させるように、前記第2の電圧(VBOOST)が所定の上限を越える時に、前記コンデンサ手段(12)に蓄積されたエネルギーの一部を、燃料噴射に含まれていない少なくとも1つの電子インジェクタ(3)に転送するように、前記第1のスイッチ手段(24、25、28、29)を制御するステップをさらに含む、
    請求項12乃至17のいずれかに記載の方法。
  19. 前記コンデンサ手段(12)に蓄積されたエネルギーの一部を燃料噴射に含まれていない少なくとも1つの電子インジェクタ(3)に転送する前記ステップが、
    燃料噴射に含まれていない前記電子インジェクタ(3)を、前記昇圧回路(11)と、0ボルトとに、交互に接続するように、前記第1のスイッチ手段(24、25、28、29)を制御するステップを含む、
    請求項18に記載の方法。
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