JP5997222B2

JP5997222B2 - インジェクタ駆動装置

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Publication number: JP5997222B2
Application number: JP2014181091A
Authority: JP
Inventors: 博志秋山
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: JP2016056693A; DE102015114708A1; DE102015114708B4; CN105402067A; CN105402067B; US9822745B2; US20160069311A1

Description

本発明は、多気筒内燃機関の各気筒のインジェクタに開弁電圧を供給するインジェクタ駆動装置に関し、特に異なる気筒間で噴射時期が隣接する場合における噴射時期の設定自由度を向上したものに関する。

加圧されたガソリンを、直接燃焼室内（シリンダ筒内）に噴射するガソリン用直噴インジェクタの駆動装置においては、高い燃料圧力でも噴射弁の開弁を安定して行えるよう、バッテリからの電圧を昇圧させる高電圧電源が組み込まれている。
このようなインジェクタ駆動装置においては、開弁開始時に一時的に高電圧を印加し、電流量を増やして電磁石で弁を開き、その後は電圧を低下させて通常の電装品駆動用バッテリ（例えばＤＣ１２Ｖ）から供給される電力によって、電流を減らしながら開弁状態を維持する制御を行なっている。

一般に上述したような高電圧電源は、ＤＣ−ＤＣコンバータである昇圧回路、及び、電力を一時的に蓄積可能なコンデンサを有して構成されている。
昇圧回路は比較的高価かつサイズも大きいため、複数の気筒を有し各気筒にインジェクタを装着するエンジンであっても、６気筒程度のエンジンまでは一組の昇圧回路及びコンデンサから各気筒に高電圧を供給する場合が多い。
このような場合に、高電圧電源は、インジェクタ開弁時に一時的に利用するのみであり、昇圧回路を高電圧で複数気筒に連続して大電流を流せるように設計を行うと非常に高価かつサイズが大きいものとなるため、昇圧回路及びコンデンサの容量を最適化し、充放電を繰り返して利用する設計とすることが一般的である。
例えば、等間隔燃焼（等間隔点火）の多気筒エンジンにおいて、１サイクル中に１回しか噴射しない場合は、噴射開始時期が重なることはありえず、一般に最高回転数で上記した充放電サイクルが成立するように電源要求能力の最低値を求め、高電圧電源の仕様を決定している。

しかし、最近では燃料噴射期間に対して行程期間が長い場合には、筒内での燃料混合、混合気形成の観点から、複数回に分割して噴射を行う場合がある。
例えば３気筒以上の複数気筒を有するエンジンで複数回噴射を、例えば吸気行程と圧縮行程の２行程にまたがるようにして噴射する場合、噴射タイミングの設定によっては噴射開始時期が重なり、高電圧電源を実質的に同時に利用しなければならない状況が発生する。
３気筒の２４０°ＣＡ（クランクシャフト角度）等間隔燃焼のエンジンでは複数回噴射のそれぞれの噴射に対し噴射間隔が２４０°ＣＡとなる噴射が含まれる場合、４気筒の１８０°ＣＡ等間隔燃焼のエンジンでは複数回のそれぞれの噴射に対し噴射間隔が１８０°ＣＡとなる噴射が含まれる場合がこれに該当する。

このように高電圧電源を複数の気筒で同時に使う場合や、短期間に連続して高電圧電源を使う場合には、インジェクタ通電電流や印加電圧が変動し、開弁特性が変化して燃料噴射量にばらつきが生じるため、噴射タイミングの設定に制約が生じる。
しかし、燃費や排ガス等のエンジン性能の最適化を図る場合、このような制約を受けるタイミングが最適値であることがあり、こうした場合にはインジェクタ駆動の制約のためにエンジンの性能を最適化することができない事態となる。

このような問題に対処するための従来技術として、例えば特許文献１には、動作の重ならないインジェクタをグループ化し、グループ毎に電力を溜めるコンデンサを配置することが記載されている。
また、特許文献２には、コンデンサの上流にスイッチ素子を設けて、放電されていないコンデンサを選択して充電可能な回路構成とすることが記載されている。

特許第３５７３００１号特開２０００−３４５８９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、コンデンサ放電中に昇圧回路を利用すると、電源電圧に変動が生じ問題が発生するため、放電中は昇圧を停止させることになる。
この場合、単発の重なりでは問題が発生しないが、短期間に複数回動作させるためには、グループ間の充電サイクル干渉の課題が生じる。
これに対し、特許文献２に記載された技術のように、コンデンサを選択的に充電可能とすれば昇圧回路の利用時間を増加でき、グループ間の充放電サイクル干渉の制約をある程度緩和することはできるが、十分ではない。
以上説明した問題に鑑み、本発明の課題は、異なる気筒間で噴射時期が隣接する場合における噴射時期の設定自由度を向上したインジェクタ駆動装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、複数気筒を有する内燃機関の各気筒に燃料をそれぞれ噴射するインジェクタに駆動電力を供給するインジェクタ駆動装置であって、前記複数気筒は少なくとも第１の気筒群及び第２の気筒群を有する複数のグループに分けられ、外部電源から供給される電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、前記第１の気筒群の前記インジェクタに供給される電力を蓄積する第１のコンデンサと、前記第２の気筒群の前記インジェクタに供給される電力を蓄積する第２のコンデンサと、前記昇圧回路の出力を前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサに選択的に供給するスイッチ素子と、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電量がいずれも所定値以下である場合に、前記昇圧回路の出力を次回に予定される燃料噴射開始までの期間が短い側のコンデンサに対して優先的に供給するよう前記スイッチ素子を切り替える制御手段とを備えることを特徴とするインジェクタ駆動装置である。

本発明によれば、次回放電までの時間の短い気筒群のコンデンサを優先して充電し、充電完了後に他方のコンデンサを充電することによって、気筒群間の充放電サイクルの干渉の影響を低減することができる。
また、複数のコンデンサを独立して充放電させることができるため、複数気筒のインジェクタを同時に開弁することや、一方のコンデンサの放電中に他方のコンデンサを充電することも可能となる。
これによって、異なる気筒間で噴射時期が隣接する場合における噴射時期の設定自由度を向上したインジェクタ駆動装置を提供することができる。

本発明の参考例であるインジェクタ駆動装置の構成を示す図である。４気筒エンジンにおける各気筒の噴射時期の一例を示すタイミングチャートである。本発明を適用したインジェクタ駆動装置の実施例の構成を示す図である。実施例のインジェクタ駆動装置におけるコンデンサの充電制御を示すフローチャートである。

本発明は、異なる気筒間で噴射時期が隣接する場合における噴射時期の設定自由度を向上したインジェクタ駆動装置を提供する課題を、点火順序が３６０°間隔となる２気筒を組み合わせるようグループ分けされた気筒群のそれぞれに、インジェクタ開弁時に高電圧を供給するコンデンサを設けるとともに、各コンデンサがいずれも充電必要な状態である場合に、次回に予定される燃料噴射開始までの期間が短い側のコンデンサを優先的に充電することによって解決した。

先ず、本発明を適用したインジェクタ駆動装置の実施例の説明に先立ち、本発明の参考例であるインジェクタ駆動装置について説明する。
図１は、参考例のインジェクタ駆動装置の構成を示す図である。
参考例のインジェクタ駆動装置は、例えば、乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載される４気筒の直噴ガソリンエンジンのインジェクタを駆動するものである。
このエンジンは、１８０°ＣＡ等間隔燃焼をするものであり、点火順序は、例えば、第１気筒−第３気筒−第２気筒−第４気筒の順となっている。

インジェクタ駆動装置１は、図示しない燃料ポンプによって加圧され、蓄圧容器内で蓄圧された燃料が供給される第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２、第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４の電磁石に電力を供給し、所定の開弁時期にニードルバルブを駆動して開弁させ、シリンダ筒内に燃料を噴射させるものである。
インジェクタ駆動装置１は、昇圧回路２０、コンデンサ３０、バッテリ４０、昇圧電力供給素子５０、高電圧供給素子６１，６２、低電圧供給素子７１，７２、インジェクタ通電素子８１〜８４、エンジン制御ユニット９０等を有して構成されている。

第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２、第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４は、それぞれ図示しないエンジンの第１気筒、第２気筒、第３気筒、第４気筒の燃焼室内（シリンダ筒内）に直接燃料を噴射するものである。
各インジェクタ１１〜１４は、開弁時には昇圧回路２０によって昇圧され、コンデンサ３０に蓄電された高電圧電力を供給されるとともに、一旦開弁した後は、一般電装品駆動用のバッテリ４０から供給される低電圧電力（例えば１２Ｖ）によって開弁状態を維持し、その後通電停止に伴い閉弁されるようになっている。
各インジェクタ１１〜１４は、燃焼時期（点火時期）が３６０°ＣＡ異なった２気筒を組み合わせて２つのグループ（気筒群）に分けられている。
本実施例においては、第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２が第１の気筒群のインジェクタ、第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４が第２の気筒群のインジェクタとなっている。

昇圧回路２０は、バッテリあるいはオルタネータから供給される比較的低電圧の電力を昇圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。
コンデンサ３０は、昇圧回路２０が出力する高電圧の電力を蓄える蓄電手段である。
バッテリ４０は、車両の各種電装品に電力を供給する二次電池である。
なお、図１においては、図示を容易とするためバッテリ４０を二か所図示しているが、実際にはこれらは単一のバッテリとなっている（後述する図３において同じ）。
バッテリ４０は、例えば、ＤＣ１２Ｖの定格出力を有する鉛バッテリであって、オルタネータが発電する電力によって充電される。

昇圧電力供給素子５０、高電圧供給素子６１，６２、低電圧供給素子７１，７２、インジェクタ通電素子８１〜８４は、それぞれエンジン制御ユニット９０からの信号に応じて通電をオンオフ切替可能なＦＥＴ等を有するスイッチ素子である。

昇圧電力供給素子５０は、昇圧回路２０からコンデンサ３０への電力供給をオンオフするものである。
昇圧電力供給素子５０は、コンデンサ３０の充電が不要（蓄電された電力量が所定値以上）である場合、及び、コンデンサ３０が放電中にはオフされ、その他の場合にはオンされてコンデンサ３０を充電するようになっている。
なお、一般的に用いられているフライバック昇圧回路においては、昇圧電力供給素子５０は設けられていない場合も多い。

高電圧供給素子６１は、コンデンサ３０が出力する高電圧電力を、第１の気筒群のインジェクタである第１気筒インジェクタ１１及び第２気筒インジェクタ１２に供給するものである。
高電圧供給素子６２は、コンデンサ３０が出力する高電圧電力を、第２の気筒群のインジェクタである第３気筒インジェクタ１３及び第４気筒インジェクタ１４に供給するものである。

低電圧供給素子７１は、バッテリ４０が出力する低電圧電力を、第１の気筒群のインジェクタである第１気筒インジェクタ１１及び第２気筒インジェクタ１２に供給するものである。
低電圧供給素子７２は、バッテリ４０が出力する低電圧電力を、第２の気筒群のインジェクタである第３気筒インジェクタ１３及び第４気筒インジェクタ１４に供給するものである。

インジェクタ通電素子８１〜８４は、それぞれ第１気筒インジェクタ１１〜第４気筒インジェクタ１４の接地側に設けられたスイッチ素子であり、各インジェクタ１１〜１４への通電オンオフを個別に切り換えるものである。

エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）９０は、エンジン及びその補器類を統括的に制御するものである。
ＥＣＵ９０は、例えば、ＣＰＵ等の情報処理手段、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶手段、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５０、高電圧供給素子６１，６２、低電圧供給素子７１，７２、インジェクタ通電素子８１〜８４などの各スイッチ素子を、所定の燃料噴射タイミングに応じて個別にオンオフ切替する機能を有している。

例えば第１の気筒群の第１気筒インジェクタ１１が噴射を行う場合、開弁時には高電圧供給素子６１をオン、低電圧供給素子７１をオフ、インジェクタ通電素子８１をオンとして、コンデンサ３０から高電圧電力を供給する。
その後、開弁動作が完了後、高電圧供給素子６１をオフ、低電圧供給素子７１をオン、インジェクタ通電素子８１をオンとして、バッテリ４０からの低電圧電力に切り換え、開弁状態を維持する。
所定の開弁期間を経過後は、インジェクタ通電素子８１をオフとして、第１気筒インジェクタ１１への通電を停止し、閉弁させる。

次に、４気筒ガソリン直噴エンジンにおける噴射時期制御について説明する。
図２は、４気筒エンジンにおける各気筒の噴射時期の一例を示すタイミングチャートである。
図２に示す例においては、１サイクルあたりの噴射回数は例えば４回であり、分割比は例えば０．２５（各回等分）である。また、各回の噴射パルス幅は、例えば、６００ｕｓである。

第１噴射、第２噴射、第３噴射、第４噴射の噴射開始時期は、クランク角度にして、吸気開始時の上死点から、それぞれ９０°、１６０°、２８０°、３１０°である。
図２において、第１気筒の第１〜第４噴射に、それぞれ＃１１ｓｔ〜＃１４ｔｈの符号を付して図示している。
また、第４気筒の第３、４噴射に、それぞれ＃４３ｒｄ、＃４４ｔｈの符号を付して図示している。
また、第３気筒の第１、第２噴射に、それぞれ＃３１ｓｔ、＃３２ｎｄの符号を付して図示している。
なお、各噴射時期において、実線は噴射期間（開弁期間）を示し、これに引き続く破線は噴射後におけるコンデンサ３０の充電に必要な期間を示している。
また、噴射期間内において、噴射開始から一点鎖線までの部分は高電圧電力の供給期間（開弁動作期間）を示し、その後の部分は低電圧電力の供給期間（開弁維持期間）を示している。
コンデンサ３０の充電に必要な期間は、一点鎖線の高電圧電力の供給期間終了後から破線期間で示される。

図２に示すように、第１気筒の第１噴射の直後には、第４気筒の第３噴射、第４噴射が順次行われ、その後第１気筒の第２噴射が行われる。
また、第１気筒の第３噴射の直前には、第３気筒の第１噴射が行われ、第１気筒の第４噴射の後には、第３気筒の第２噴射が行われる。
参考例のインジェクタ駆動装置においては、このように第１の気筒群と第２の気筒群のインジェクタとが短い時間間隔で順次噴射を行う場合には、コンデンサ３０の充電を十分に行うことができず、開弁時の電圧、電流が変動して動作が不安定となることが懸念される。

次に、本発明を適用したインジェクタ駆動装置の実施例について説明する。
上述した参考例と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図３は、実施例のインジェクタ駆動装置の構成を示す図である。
実施例のインジェクタ駆動装置１は、参考例におけるコンデンサ３０に代えて第１コンデンサ３１、第２コンデンサ３２を設け、参考例における昇圧電力供給素子５０に代えて、各コンデンサ３１，３２に個別に電力を供給する昇圧電力供給素子５１，５２をそれぞれ設けたものである。
第１コンデンサ３１は、第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２に開弁時の高電圧電力を供給するものである。
第２コンデンサ３２は、第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４に開弁時の高電圧電力を供給するものである。
昇圧電力供給素子５１は、昇圧回路２０から第１コンデンサ３１への電力供給をオンオフするものである。
昇圧電力供給素子５２は、昇圧回路２０から第２コンデンサ３２への電力供給をオンオフするものである。

また、実施例においては、高電圧供給素子６１は、第１コンデンサ３１が出力する電力を第１の気筒群のインジェクタである第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２に供給し、高電圧供給素子６２は、第２コンデンサ３２が出力する電力を第２の気筒群のインジェクタである第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４に供給するようになっている。

実施例においては、ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５１，５２のオンオフを相互に反転させつつ同期して切り替えることによって、第１コンデンサ３１、第２コンデンサ３２のいずれか一方を選択的に充電できるようになっている。
以下、この充電制御について詳細に説明する。

図４は、実施例のインジェクタ駆動装置におけるコンデンサの充電制御を示すフローチャートである。
以下ステップ毎に順を追って説明する。

＜ステップＳ０１：第１コンデンサ充電要否判断＞
ＥＣＵ９０は、第１コンデンサ３１に蓄えられている電力量を検出し、所定値未満である場合には充電が必要であるとしてステップＳ０２に進む。
一方、電力量が所定値以上である場合には充電は不要であるとしてステップＳ０４に進む。

＜ステップＳ０２：第２コンデンサ充電要否判断＞
ＥＣＵ９０は、第２コンデンサ３２に蓄えられている電力量を検出し、所定値未満である場合には充電が必要であるとしてステップＳ０３に進む。
一方、電力量が所定値以上である場合には充電は不要であるとしてステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０３：次回放電タイミング判断＞
ＥＣＵ９０は、それ自体が保持している燃料噴射時期制御マップ等を参照して、第１の気筒群のインジェクタである第１気筒インジェクタ１１、第２気筒インジェクタ１２のうち次回噴射時期が早いほうの噴射開始時期が、第２の気筒群のインジェクタである第３気筒インジェクタ１３、第４気筒インジェクタ１４のうち次回噴射時期が早いほうの噴射開始時期に対して早く到来するか否かを判別する。
第１の気筒群のインジェクタのほうが第２の気筒群のインジェクタに対して早く次回噴射開始時期が到来する場合にはステップＳ０７に進み、その他の場合にはステップＳ０８に進む。

＜ステップＳ０４：第２コンデンサ充電要否判断＞
ＥＣＵ９０は、第２コンデンサ３２に蓄えられている電力量を検出し、所定値未満である場合には充電が必要であるとしてステップＳ０６に進む。
一方、電力量が所定値以上である場合には充電は不要であるとして、一連の処理を終了（リターン）する。
このときは、昇圧電力供給素子５１，５２はいずれもオフとされ、第１コンデンサ３１、第２コンデンサ３２はともに充電されない。

＜ステップＳ０５：第１コンデンサ充電＞
ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５１をオン、昇圧電力供給素子５２をオフとして、第１コンデンサ３１を充電する。
その後、一連の処理を終了する。

＜ステップＳ０６：第２コンデンサ充電＞
ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５１をオフ、昇圧電力供給素子５２をオンとして、第２コンデンサ３２を充電する。
その後、一連の処理を終了する。

＜ステップＳ０７：第１コンデンサ充電＞
ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５１をオン、昇圧電力供給素子５２をオフとして、第１コンデンサ３１を充電する。
その後、一連の処理を終了する。

＜ステップＳ０８：第２コンデンサ充電＞
ＥＣＵ９０は、昇圧電力供給素子５１をオフ、昇圧電力供給素子５２をオンとして、第２コンデンサ３２を充電する。
その後、一連の処理を終了する。

以上説明した実施例によれば、第１コンデンサ３１、第２コンデンサ３２のうち、次回放電までの時間の短い側のコンデンサを優先して充電し、充電完了後に他方のコンデンサを充電することによって、気筒群間の充放電サイクルの干渉の影響を低減することができる。
また、第１、第２コンデンサ３１，３２を独立して充放電させることができるため、異なる気筒のインジェクタ１１〜１４を同時に開弁させたり、一方のコンデンサを放電させながら他方のコンデンサを充電することも可能となる。
これによって、異なる気筒間で噴射時期が隣接する場合における開弁動作を安定化したインジェクタ駆動装置を提供することができ、燃料噴射時期の設定自由度を高めて排ガスや燃費といったエンジンの性能を最適化することができる。
また、実施例の構成とした場合、参考例に対してコンデンサ及びスイッチ素子を各一個追加すればよいため、追加する電気素子が少なく、コストアップを抑制することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）実施例においてはエンジンは例えば４気筒であるが、本願発明は６気筒など異なる排気量のエンジンにも適用することができる。また、インジェクタのグループ化も、実施例のような２グループに限らず、３以上のグループに分けることができる。例えばＶ型８気筒エンジンの場合には、各バンクの気筒をそれぞれ２グループに分け、バンク毎に上述した実施例と同様の制御を行ってもよい。
（２）コンデンサ、スイッチング素子の配置など回路構成は実施例の構成に限らず、適宜変更することが可能である。
（３）実施例においては、エンジンは例えばガソリン直噴エンジンであったが、本発明はこれに限らず他の燃料を用いるエンジンにも適用することが可能である。

１インジェクタ駆動装置
１１第１気筒インジェクタ１２第２気筒インジェクタ
１３第３気筒インジェクタ１４第４気筒インジェクタ
２０昇圧回路３０コンデンサ
３１第１コンデンサ３２第２コンデンサ
４０バッテリ５０〜５２昇圧電力供給素子
６１，６２高電圧供給素子７１，７２低電圧供給素子
８１〜８４インジェクタ通電素子９０エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

複数気筒を有する内燃機関の各気筒に燃料をそれぞれ噴射するインジェクタに駆動電力を供給するインジェクタ駆動装置であって、
前記複数気筒は少なくとも第１の気筒群及び第２の気筒群を有する複数のグループに分けられ、
外部電源から供給される電力の電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記第１の気筒群の前記インジェクタに供給される電力を蓄積する第１のコンデンサと、
前記第２の気筒群の前記インジェクタに供給される電力を蓄積する第２のコンデンサと、
前記昇圧回路の出力を前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサに選択的に供給するスイッチ素子と、
前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電量がいずれも所定値以下である場合に、前記昇圧回路の出力を次回に予定される燃料噴射開始までの期間が短い側のコンデンサに対して優先的に供給するよう前記スイッチ素子を切り替える制御手段と
を備えることを特徴とするインジェクタ駆動装置。