JP5659117B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射のための制御装置に用いる昇圧回路及び、その制御方法に関する。

内燃機関の燃料噴射において、筒内に燃料を直接噴射する技術が実用されているが、更なる排ガスのクリーン化、出力・燃費向上の要求から、燃料を複数回分割して噴射する多段噴射を実施する事例が増えている。一方燃料噴射制御装置は、筒内に高圧燃料を噴射、かつ高応答性が要求されるため、燃料噴射弁に対して、高電圧を印加し、大電流を流すことで弁体を開弁することが要求される。このため、燃料噴射装置内には、バッテリ電圧から高電圧を生成する昇圧回路を有する。

昇圧回路で生成された高電圧は、キャパシタなどの電荷蓄積素子に蓄積されるが、燃料噴射時に電荷が消費され電圧が降下する。昇圧回路は次の噴射までに昇圧動作を行うことで所望の電圧まで復帰させる必要がある。

内燃機関の回転数が上昇するにつれて、燃料噴射の間隔が短くなり、昇圧回路の電圧復帰までの時間短縮が重要な課題となり、特に多気筒の内燃機関では顕著である。

本課題を解決する手段として、従来では昇圧回路の能力を上げるために、コイルやキャパシタ、スイッチング素子の大型化を行ったり、特許文献１のように複数のキャパシタを切り替えて使用するなど、高コスト化を招いていた。また、昇圧回路中のキャパシタなどの電荷蓄積素子の電圧が低下し、昇圧開始電圧しきい値以下となったことを検知して、昇圧動作を開始していた。

特開２００３−１６１１９３号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃料噴射装置の昇圧回路において、昇圧回路の部品の大型化や高コスト化を招くことなく、安全かつ確実に、昇圧電圧復帰までの時間を短縮することである。

本発明では、昇圧制御回路に燃料噴射弁の駆動信号情報を入力することを主要な特徴とする。

本発明によれば、燃料噴射電磁弁に高電圧を印加開始するとともに、昇圧回路に燃料噴射弁の駆動開始信号を入力することにより、即座に昇圧動作を行うことができるため、従来の方式の昇圧回路の電荷蓄積素子の電圧が、昇圧開始電圧しきい値以下となってから昇圧動作を開始するまでのタイムラグの分、昇圧電圧の復帰時間を短縮することができる。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例１の昇圧回路ブロック図。 本発明に係る燃料噴射装置の実施例２の昇圧回路ブロック図。 本発明に係る燃料噴射装置の実施例３の昇圧回路ブロック図。 内燃機関の燃料噴射装置の回路図。 燃料噴射弁通電時のタイミングチャート。 従来の方式による昇圧回路の動作タイミングチャート。 本発明に係る燃料噴射装置の昇圧回路の実施例１の動作タイミングチャート。 本発明に係る燃料噴射装置の昇圧回路の実施例２の動作タイミングチャート。 本発明に係る燃料噴射装置の昇圧回路の実施例３の動作タイミングチャート。

図４は、燃料噴射制御装置の燃料噴射弁を制御するための駆動回路全体の一例を示す。燃料制御演算手段３は内燃機関に吸入される空気量や内燃機関の回転数、水温及び、空燃比等の情報から、燃料制御演算手段３において、内燃機関の運転状況に合わせて、燃焼室に噴射する最適量を演算する。

演算された最適な燃料量は例えばパルス信号として、燃料噴射弁駆動回路制御ブロック４へ入力され、各燃料噴射弁へ通電制御を行う。

ここで、筒内に燃料を直接噴射する内燃機関においては、筒内に高圧燃料を噴射かつ高応答性が要求されるため、燃料噴射弁のコイルに対して、高電圧を印加して、大電流を流すことで弁体を開弁する。このため、燃料噴射装置内には、バッテリ１から高電圧を生成する昇圧回路を有しており、昇圧コイルＬ１、昇圧スイッチング素子Ｓ１、整流ダイオードＤ１および高電圧のエネルギーを蓄積するための昇圧用キャパシタＣ１で構成される。昇圧動作させる時には昇圧スイッチング素子Ｓ１をオン・オフ操作することにより、昇圧コイルに蓄積された高電圧のエネルギーを整流ダイオードＤ１を通して昇圧用キャパシタＣ１に蓄積する。昇圧回路制御ブロック２は昇圧用キャパシタＣ１の電圧を昇圧電圧モニタ回路７０を通して監視しており、燃料噴射弁を開弁するために必要な電圧まで電圧が上昇した時点で、昇圧動作を停止し、昇圧スイッチング素子Ｓ１をオフとする。

次に燃料噴射弁のコイルに通電する際の動作について説明する。

燃料噴射弁の応答性を高めるため、開弁時にはＦＥＴ（Ｔ２１）あるいは（Ｔ２２）をオンすることにより高電圧を燃料噴射弁に供給する。その後ＦＥＴ（Ｔ３１）あるいは（Ｔ３２）をスイッチング操作して、燃料噴射弁に流れる電流を定電流に制御することにより開弁状態を保持する。ＦＥＴ（Ｔ４１）、（Ｔ４２）、（Ｔ４３）及び（Ｔ４４）については、これらをオン・オフ操作して、複数ある燃料噴射弁中から通電するものを選択する。

複数ある燃料噴射弁の中からインジェクタコイル１１を駆動する時の動作について、図５と共に説明する。

燃料制御演算手段から出力されたインジェクタ駆動パルスに対して、所定の時間、開弁電流Ｉｐｅａｋを流すために、ＦＥＴ（Ｔ２１）及び（Ｔ４１）にゲート信号を与えると、インジェクタコイル１１の両端に昇圧電圧が印加され、設定された開弁電流が流れるまでＦＥＴ（Ｔ２１）はオンし続ける。開弁電流まで到達したことを、電流検出用抵抗Ｒ１の両端電圧により検知すると、その後はＦＥＴ（Ｔ２１）をオフとし、ＦＥＴ（Ｔ３１）をスイッチングすることにより、インジェクタコイル１１の電流は設定された保持電流１（Ｉｈｏｌｄ１）又は保持電流２（Ｉｈｏｌｄ２）の電流にコントロールされる。

インジェクタへ高電圧を流すことにより、昇圧用キャパシタＣ１は電荷を消費することにより電圧が低下する。

低下した電圧は、前記昇圧回路が動作することにより、所定の電圧まで復帰し、次の燃料噴射に備える。

図６は従来方式の昇圧回路の動作タイミングチャートを示しており、燃料噴射弁の駆動により昇圧電圧が低下してから、昇圧動作により昇圧電圧が復帰するまでを表している。

ここで、従来の方式では昇圧回路の動作および停止は昇圧電圧により決定され、昇圧電圧が昇圧開始電圧しきい値以下であれば、昇圧動作を開始し、昇圧終了電圧しきい値に達すると、昇圧動作を停止する。

そのため、燃料噴射弁に通電を開始してから、昇圧電圧が昇圧開始電圧しきい値より低下するまで、昇圧回路は停止しており、昇圧電圧が所望の電圧まで復帰するまでの時間を短縮する妨げとなっていた。

次に、本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例について、説明する。

図１は、本発明に係る燃料噴射装置の実施例１の昇圧回路ブロック図を示す。

バッテリ１から昇圧電圧を生成するための回路は昇圧コイルＬ１、昇圧スイッチング素子Ｓ１、整流ダイオードＤ１及び昇圧用キャパシタＣ１で構成される。本発明では昇圧スイッチング素子Ｓ１の制御方法に特に特徴があり、これにより従来方式の問題点を解決することができる。以下に動作内容について説明する。

昇圧スイッチング素子Ｓ１を制御する昇圧スイッチング素子制御回路６０には、昇圧開始信号５０及び昇圧停止信号５１が入力されており、それに応じて昇圧スイッチング素子Ｓ１のオン・オフ動作を決定する。

昇圧停止信号５１は、予め設定された昇圧停止しきい値Ｖｓｔｏｐ（３０）と現在の昇圧電圧を昇圧電圧モニタ回路７０を通して比較器４１に入力することにより、昇圧電圧がしきい値以上に達した時点で昇圧停止信号が発生する。

一方昇圧開始信号５０は予め設定された昇圧開始しきい値Ｖｓｔａｒｔ（２０）と現在の昇圧電圧を昇圧電圧モニタ回路７０を通して比較器４０に入力することにより、昇圧電圧がしきい値以下まで低下すると、昇圧開始信号が発生するほか、燃料噴射弁の駆動信号が入ることによっても、昇圧開始信号が発生する構成とする。

図７は図１の実施例１の昇圧回路の動作タイミングチャートを示しており、燃料噴射弁の駆動により昇圧電圧が低下してから、昇圧動作による昇圧電圧が復帰するまでを表している。

図１の方法によれば、燃料噴射弁駆動開始タイミングと同時に昇圧動作を行うことができ、点線で示す従来の方式による昇圧波形に比べて昇圧電圧の復帰時間を短縮できる。例えば、燃料の分割噴射を行う場合や内燃機関の回転数が大きい場合に、昇圧電圧の復帰時間の影響はより顕著になるが、本実施例の発明によれば、燃料噴射弁駆動信号１０に基づいて、燃料噴射弁開弁のタイミングで必ず昇圧動作を開始できる。また、昇圧回路の部品の仕様を変更することなく効果代が見込めるため、部品の変更での昇圧能力向上を実施した場合の、部品の大型化や高コスト化を防ぐことができる。

図２は本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例２の昇圧回路ブロックを示す。

図８は図２の実施例２の昇圧回路の動作タイミングチャートを示す。

実施例２では、実施例１に対して、昇圧停止しきい値を２つ設け、燃料噴射弁の駆動開始タイミングに切り替えることを特徴としている。

昇圧停止しきい値として、昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨ（３１）及び昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＬ（３２）を設定し、それぞれの大小関係は昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨ＞昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＬとしている。昇圧停止しきい値は図８に示す通り、昇圧停止中は昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＬとしているが、燃料噴射タイミングで昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨに切り替える。

燃料噴射弁駆動開始直後の通電電流は、インダクタンス負荷である場合、電流の立ち上がりは緩やかであり、昇圧回路の能力によっては、昇圧電圧が即時昇圧停止しきい値に達して、昇圧動作を停止してしまい、その後昇圧電圧が、昇圧開始しきい値まで動作しないことが考えられる。そのため、昇圧停止しきい値を燃料噴射直後に高電圧側に切り替えることにより、昇圧動作が停止することを回避できる。

また、昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨは、昇圧回路を構成する部品の耐圧以下に設定する。

これは例えば燃料噴射弁が開放状態となった状態で通電制御した場合、電流が流れないため、昇圧電圧は低下しない。一方昇圧回路は駆動信号により動作を開始するが、昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨに達すると、昇圧動作を停止するため、安全確保が可能となる。

昇圧停止しきい値をＶｓｔｏｐＬに戻すタイミングは、昇圧回路内でタイマ等により設定したり、図８の通り、燃料噴射弁の電流がピーク電流Ｉｐｅａｋに達するタイミングに設定が可能である。

図３は本発明に係る燃料噴射制御装置の実施例２の昇圧回路ブロックを示す。

図９は図２の実施例２の昇圧回路の動作タイミングチャートを示す。

実施例３では実施例２に対して、昇圧開始しきい値を２つ設け、燃料噴射弁の駆動開始タイミングで切り替え、
昇圧開始信号５０に燃料噴射弁駆動信号を入力しないことを特徴としている。

昇圧開始しきい値として、昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＨ（２１）及び昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＬ（２２）を設定し、それぞれのしきい値の大小関係は昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨ＞昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＨ＞昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＬ＞昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＬとする。

燃料噴射開始時にしきい値をそれぞれ昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＨ、昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨに切り替えることにより、比較器４０が昇圧電圧が昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＨより低いことを検知することで、昇圧動作を開始させることができる。

例えば実施例１で駆動開始信号に故障が発生し、連続的に入力された場合、昇圧電圧の値に関らず、一旦は昇圧動作を開始するため、比較器４１の動作遅延時間によっては、昇圧電圧が上がり続ける可能性があるのに対して、実施例３の構成の場合、昇圧回路がＶｓｔａｒｔＨより高い時には、昇圧回路は動作しないため、より安全性が高い。

１ バッテリ
２ 昇圧回路制御ブロック
３ 燃料制御演算手段
４ 燃料噴射弁駆動回路制御ブロック
５ 燃料噴射制御装置
１０ 燃料噴射弁駆動信号
１１〜１４ インジェクタコイル
２０ 昇圧開始しきい値Ｖｓｔａｒｔ
２１ 昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＨ
２２ 昇圧開始しきい値ＶｓｔａｒｔＬ
３０ 昇圧停止しきい値Ｖｓｔｏｐ
３１ 昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＨ
３２ 昇圧停止しきい値ＶｓｔｏｐＬ
４０、４１ 比較器
５０ 昇圧開始信号
５１ 昇圧停止信号
６０ 昇圧スイッチング素子制御回路
７０ 昇圧電圧モニタ回路
Ｃ１ 昇圧用キャパシタ
Ｄ１ 整流ダイオード
Ｄ４１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ５２ ダイオード
Ｌ１ 昇圧コイル
Ｒ１，Ｒ２ 電流検出用抵抗
Ｓ１ 昇圧スイッチング素子
Ｓ２、Ｓ３ 切り替え回路
Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、Ｔ４１〜Ｔ４４ ＦＥＴ

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室内へ燃料を直接供給するための燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御装
   置であって、
   前記燃料噴射制御装置は前記燃料噴射弁を開弁するための高電圧を供給する昇圧回路と、
   前記昇圧回路の昇圧動作のオン・オフを制御する昇圧動作制御回路と、
   前記昇圧回路の昇圧電圧と、第１の昇圧停止電圧しきい値と第２の昇圧停止電圧しきい値のいずれかを比較するかを切り替える停止電圧しきい値切替手段と、を備え、
   前記第２の昇圧停止電圧しきい値は前記第１の昇圧停止電圧しきい値より大きい値に設
   定し、
   前記停止電圧しきい値切替手段は、前記燃料噴射弁の通電開始から一定期間、第２の昇
   圧停止電圧しきい値に切り替え、
   前記昇圧動作制御回路は、前記燃料噴射弁の駆動信号に基づいて、
   前記燃料噴射弁に通電が開始されると同時に前記昇圧回路の昇圧動作を開始させ、前記昇圧回路の昇圧電圧が前記停止電圧しきい値切替手段によって切り替えられたしきい値よりも高くなった時に、前記昇圧回路の昇圧動作を停止させることを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載された燃料噴射制御装置において、
   前記昇圧回路の昇圧電圧と、
   第１の昇圧開始電圧しきい値と第２の昇圧開始電圧しきい値のいずれかを比較するかを
   切り替える開始電圧しきい値切替手段を備え、
   前記第２の昇圧開始電圧しきい値は前記第１の昇圧開始電圧しきい値より大きい値に設
   定し、
   前記開始電圧しきい値切替手段は、前記燃料噴射弁の通電開始から一定期間、前記第２
   の昇圧開始電圧しきい値に切り替え、
   前記昇圧動作制御回路は、前記昇圧回路の昇圧電圧が前記昇圧開始電圧しきい値切替手
   段によって切り替えられたしきい値よりも小さくなった時に、前記昇圧回路の昇圧動作を
   開始させることを特徴とする燃料噴射制御装置。
3. 請求項１または２いずれか一項に記載された燃料噴射制御装置において、
   しきい値を切り替える期間は、前記昇圧回路中に備えたタイマにてカウントすることを
   特徴とする燃料噴射制御装置。
4. 請求項１または２いずれか一項に記載された燃料噴射制御装置において、
   しきい値を切り替える期間は、前記燃料噴射弁への通電開始から、前記燃料噴射弁の電
   磁コイルに通電する電流が、設定されたピーク電流に到達すまでであることを特徴とする
   燃料噴射制御装置。