JP6462835B2 - 燃料噴射装置の駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置を駆動する駆動装置に関する。
近年、排気規制の強化に伴い、エンジンでは、モード走行時の未燃焼粒子（ＰＭ：Particulate Matter）の総量とその個数である未燃焼粒子数（PN：Particulate Number）の抑制が求められており、微少量の噴射量を制御できる燃料噴射装置が求められる。未燃焼粒子発生を抑制するための手段として、１燃焼行程中の噴霧を複数回に分割して噴射する（以降、分割噴射と称する）ことが有効である。分割噴射を行うことで、燃料のピストンおよびシリンダ壁面への付着を抑制できるため、噴射した燃料が気化し易くなり、未燃焼粒子の総量（ＰＮ）とその個数である未燃焼粒子数を抑制することが可能となる。分割噴射を行うエンジンでは、これまで1回で噴射していた燃料を複数回に分割して噴射する必要があるため、燃料噴射装置では、従来に比べて微少な噴射量を制御できる必要がある。また、多段噴射においては、噴射回数を増やすことで未燃焼粒子数を抑制する効果が得やすいことから、燃料噴射装置の応答性向上や燃焼行程中の燃料噴射の間隔低減が求められる。
一般に、燃料噴射装置の噴射量は、エンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)より出力される噴射パルスのパルス幅によって制御する。通常閉弁型の電磁式燃料噴射弁（電磁式燃料噴射装置）では、閉弁方向に力を発生する付勢手段を有し、駆動部はコイルとコアと可動子で構成され、コイルに電流を供給することによって、コアと可動子との間に吸引力が発生し、吸引力が閉弁方向の力を超えた時点で弁体が弁座から離脱し開弁を開始する。続いてコイルへの電流供給を停止することによって、コアと可動子間に発生していた吸引力が下がり、閉弁方向の力よりも小さくなった時点で閉弁を開始する。一般的に、電磁式燃料噴射装置の駆動回路は、閉弁状態から素早く開弁状態へ移行させるために、噴射パルスが出力されると最初に高電圧源から高電圧をコイルに印加して、コイルの電流を急速に立ち上げる制御を行う。その後、可動子が弁座と離間し、コアの方向へ移動した後、電圧の印加を低電圧に切替えてコイルに一定の電流が供給されるようにスイッチング制御する。高電圧源は、低電圧源の電圧を蓄電する方式の場合が多いが、多段噴射の噴射間隔が小さくなり高電圧源の電圧値が初期値に復帰しない条件で燃料の再噴射を行う場合、コイルへの印加電圧の違いによってコイルに流れる電流値が変化し、同じ噴射パルス幅を供給する条件でも噴射量ばらつきが生じる場合がある。
上記のような噴射量ばらつきを抑制する手段として、特許文献１に開示されている方法がある。特許文献１では、コイルに印加される電圧を推定し、推定値が規定値よりも低い時、その低下量に応じて指令噴射期間を長くする制御方法が開示されている。
また、例えば特許文献２では、通電開始時から電流がピーク電流値に達するまでの時間Ｔｐを計測し、その時間Ｔｐが基準値より長くなった分、通電停止を噴射指令信号の立下り時よりも遅延時間だけ遅らせる燃料噴射装置の制御装置が開示されている。
特開２００５−１７１９２８号公報 特開２０１１−５２６３１号公報
燃料噴射装置では、ソレノイド（コイル）に駆動電流を供給および停止することで、可動子に磁気吸引力を発生・消滅させて弁体を開・閉動作させる。多段噴射の条件では、他気筒の燃料噴射が停止してから次の燃料噴射までの時間が短くなるため、駆動装置の高電圧源の電圧が初期値に復帰せず、コイルへの印加電圧が小さい条件で燃料を噴射する必要がある。しかしながら、高電圧が低下した条件では、コイルに流れる電流が小さくなり、可動子に作用する磁気吸引力が小さくなるため、弁体が開弁するまでの時間が長くなり、開弁までに噴射する噴射量が低下する。噴射パルスが大きいまたは、コイルへの印加電圧を低電圧に切替えて一定の電流が供給されるようにスイッチング制御される期間に到達した後、噴射パルスが停止される条件では、高電圧源の電圧が低下していない場合に比べて低下している場合に、弁体が開弁するまでの時間が長くなる分、噴射量が低下する。
一方で、多段噴射では、制御可能な噴射量が小さい範囲での噴射量ばらつき低減が重要となる。この範囲では、噴射パルスが大きい範囲に比べて高電圧源の電圧が低下した場合の噴射量の変化が小さくなるか、もしくは電圧が低下した場合の方が噴射量が大きくなる場合がある。このため、制御可能な噴射量が小さい領域と、噴射パルス幅が大きい領域で高電圧源の電圧が低下したことによって生じる噴射量ばらつきを抑制するためには、噴射パルスの範囲や駆動電流の値によって噴射パルスの補正方法を変える必要があった。
本発明の目的は、駆動装置の高電圧源の電圧が低下した場合の噴射量ばらつきおよび噴射タイミングの変化を補正することにある。
上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射装置の駆動装置は、
ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
前記駆動装置は、噴射パルスのパルス幅により、電圧源から前記ソレノイドへ供給される通電時間を制御し、
前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅が大きくなるように補正し、
前記駆動装置は、前記弁体が開弁を開始してから目標開度に到達する前に閉弁を開始するように制御する場合に、前記弁体が前記目標開度に到達して後に閉弁を開始するように制御する場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅の補正量を大きくする。
また上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射装置の駆動装置は、
ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
前記駆動装置は、噴射パルスのパルス幅により、電圧源から前記ソレノイドへ供給される通電時間を制御し、
前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅が大きくなるように補正し、
前記駆動装置は、前記電圧源から印加される駆動電圧に基づき前記弁体を開弁するためのピーク電流を前記ソレノイドに供給するピーク電流供給期間において電流遮断する場合には、前記ピーク電流よりも電流値の小さい保持電流を前記ソレノイドに供給する保持電流供給期間において電流遮断する場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅の補正量を大きくする。
また上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射装置の駆動装置は、
ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
前記駆動装置は、電圧源から前記ソレノイドへ印加される駆動電圧を制御し、前記ソレノイドに駆動電流を供給するものであり、
前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、燃料の噴射量を増加させるように前記駆動電圧または前記駆動電流を補正し、
前記駆動装置は、前記弁体が目標開度に到達せずに閉弁するハーフリフト条件での前記補正による燃料噴射量の増加量が、前記弁体が目標開度に到達した後に閉弁するフルリフト条件での前記補正による燃料噴射量の増加量よりも大きくなるように、前記駆動電圧または前記駆動電流を補正する。
本発明によれば、高電圧を発生する高電圧源の電圧が低下した場合に噴射パルス幅の範囲に応じて噴射量の補正量を適切に決定することができるため、高圧電圧源の電圧低下による噴射量ばらつきを抑制することができる。また、噴射パルス幅が小さい範囲において噴射パルス幅が大きい範囲に比べて噴射パルス幅を小さくするように補正することにより、制御可能な最小噴射量を低減できる駆動装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置、圧力センサ、駆動装置及びＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）を筒内直接噴射式エンジンに搭載した場合の燃料噴射システムの構成を示す概略図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の縦断面図とこの燃料噴射装置を駆動するための駆動回路及びＥＣＵの構成の一例を示す図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動部の断面を拡大して示す拡大断面図である。 燃料噴射装置を駆動する一般的な噴射パルス、駆動電圧、駆動電流、及び、弁体及び可動子の変位量と時間との関係を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置の詳細を示した図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程からなる1燃焼サイクル中において、吸気行程に３回、圧縮行程に２回の多段燃料噴射を行う場合の各気筒の燃料噴射タイミングの関係を示した図である。 第１気筒及び第３気筒について、図６の６０４の期間における、高電圧源の電圧値、噴射パルス、駆動電流及び弁体変位量と時間との関係を示した図である。 高電圧源の電圧値が低下していない場合（Ｑ801）と低下している場合（Ｑ802）とについて、噴射パルス幅と燃料噴射量との関係と、噴射パルス幅と噴射量偏差との関係とを示した図である。 噴射パルスが小さい条件（図８において噴射パルス幅Ｔｉが８０４となる条件）での高電圧源の電圧値、噴射パルス、駆動電流、弁体変位量と時間との関係を示した図である。 高電圧源の電圧値が低下していない条件と電圧が低下している条件での高電圧源の電圧、噴射パルス、駆動電流、可動子に作用する磁気吸引力および弁体変位量と時間との関係を示した図である。 第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、燃料噴射装置に供給される燃料圧力が違う３つの条件での昇圧電圧と燃料噴射タイミングとの関係を示した図である。 本発明の第二実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、高電圧源の電圧値が低下していない場合と低下している場合とについて、図８の点８１５の噴射パルス幅での駆動電流及び弁体変位量と、点８０２の噴射パルス幅での駆動電流及び弁体変位量とを示した図である。
以下、本発明に係る実施例について、図面を用いて説明する。
［実施例１］
以下、図１〜図７を用いて、本発明に係る燃料噴射装置と圧力センサと駆動装置とで構成される燃料噴射システムについて説明する。
最初に、図１を用いて、燃料噴射システムの構成について説明する。図１は、本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置、圧力センサ、駆動装置及びＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）を筒内直接噴射式エンジンに搭載した場合の燃料噴射システムの構成を示す概略図である。なお、図１の構成は、第二実施例にも適用される。
本実施例の燃料噴射システムは、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄ、燃料レール１０５、圧力センサ１０２、燃料ポンプ１０６、燃料配管１２０、駆動装置１５０及びＥＣＵ等で構成されている。
燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄはその噴射孔からの燃料噴霧が燃焼室１０７Ａ乃至１０７Ｄに直接噴射されるように各気筒に設置されている。燃料は燃料ポンプ１０６によって昇圧されて燃料レール１０５に送出され、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに配送される。燃料圧力は燃料ポンプ１０６によって吐出された燃料の流量と、エンジンの各気筒に備えられた燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄによって各燃焼室１０７Ａ乃至１０７Ｄ内に噴射された燃料の噴射量のバランスによって変動するが、燃料レール１０５に設けられた圧力センサ１０２による情報に基づいて所定の圧力を目標値として、燃料ポンプ１０６からの吐出量が制御されるようになっている。なお、気筒数及び燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの数は、本実施例の個数に限定されない。
燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの燃料の噴射はＥＣＵ１０４から送出される噴射パルス幅によって制御されており、この噴射パルスは燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの駆動回路１０３に入力され、駆動回路１０３はＥＣＵ１０４からの指令に基づいて駆動電流波形を決定し、前記噴射パルスに基づく時間だけ燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに前記駆動電流波形を供給するようになっている。なお、駆動回路１０３は、ＥＣＵ１０４と一体の部品や基板として実装されている場合もある。駆動回路１０３とＥＣＵ１０４とを含めて駆動装置１５０と称する。
駆動回路１０３は、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄのそれぞれに設けられている。なお、後述するように、駆動回路１０３中の昇圧回路５１４（図５参照）は複数の燃料噴射装置において共用される場合がある。駆動回路１０３は、各燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに対して設けられた駆動回路１０３は、複数の基板に分散して設けられてもよいし、一枚の基板にまとめて設けられてもよい。或いは複数の基板に分散して設けた駆動回路１０３を一つのケースに収容してもよい。以下では、各燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの駆動回路１０３を区別せずに、説明する。
次に、図２を用いて、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄ及びその駆動装置１５０の構成と基本的な動作を説明する。図２は、本実施例に係る燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの縦断面図とこの燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄを駆動するための駆動回路１０３及びＥＣＵ１０４の構成の一例を示す図である。なお、図２において、図１と同等の部品には同じ記号を用いる。
ＥＣＵ１０４では、エンジンの状態を示す信号を各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄから噴射する燃料の噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。また、ＥＣＵ１０４には、各種センサからの信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器とＩ／Ｏポートが備えられている。ＥＣＵ１０４より出力された噴射パルスは、信号線１１０を通して燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの駆動回路１０３に入力される。駆動回路１０３は、ソレノイド２０５に印加する電圧を制御し、ソレノイド２０５に電流を供給する。ＥＣＵ１０４は、通信ライン１１１を通して、駆動回路１０３と通信を行っており、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動回路１０３によって生成する駆動電流を切替えることや、電流および時間の設定値を変更することが可能である。
次に、図２及び図３を用いて、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの構成と動作について説明する。図３は、本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの駆動部の断面を拡大して示す拡大断面図である。なお、図３において図２と同等の部品には同じ記号を用いる。
図２および図３に示した燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄは通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射装置）であり、ソレノイド２０５に通電されていない状態では、第１のばねであるスプリング２１０によって弁体２１４が閉弁方向に付勢され、弁体２１４は弁座２１８に密着して閉弁状態となっている。閉弁状態においては、可動子（可動コア）２０２には、開弁方向にかかる第２のばね（戻しばね）２１２による付勢力が作用する。このとき、弁体２１４に作用するスプリング２１０による力のほうが、戻しばね２１２による力に比べて大きいため、可動子２０２の端面３０２が弁体２１４に接触し、可動子２０２は静止している。また、弁体２１４と可動子２０２とは相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ２０１に内包されている。また、ノズルホルダ２０１は、戻しばね２１２のばね座となる端面３０３を有している。スプリング２１０による力は、固定コア２０７の内径に固定されるバネ押さえ２２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。
また、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄは、固定コア２０７、可動子２０２、ノズルホルダ２０１、ハウシング２０３とで磁気回路を構成しており、可動子２０２と固定コア２０７との間に空隙を有している。ノズルホルダ２０１の可動子２０２と固定コア２０７との間の空隙に対応する部分には磁気絞り２１１が形成されている。ソレノイド２０５はボビン２０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ２０１の外周側に取り付けられている。弁体２１４の弁座２１８側の先端部の近傍にはロッドガイド２１５がノズルホルダ２０１に固定されるようにして設けられている。弁体２１４は弁体２１４の固定コア２０７の内周面とロッドガイド２１５との２つの摺動箇所により、弁軸方向の動きをガイドされている。ノズルホルダ２０１の先端部には、弁座２１８と燃料噴射孔２１９とが形成されたオリフィスカップ２１６が固定され、可動子２０２と弁体２１４との間に設けられた内部空間（燃料通路）を外部から封止している。
燃料は、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄの上流に設けられた燃料レール１０５から燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに供給される。燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄに供給された燃料は、第一の燃料通路孔２３１を通って弁体２１４の先端まで流れる。弁体２１４が閉弁状態を維持する間、弁体２１４の弁座２１８側の端部に形成されたシート部と弁座２１８とで燃料がシールされる。閉弁時には、燃料圧力によって弁体２１４の上部と下部との間に差圧力が生じる。この差圧力は、燃料圧力と弁体２１４および弁座２１８の接触径（以降、シート径と称する）の受圧面積とを乗じて求まる。この差圧力及びスプリング２１０の荷重によって、弁体１１４が閉弁方向に押されている。閉弁状態において、駆動回路１０３から配線部材２０９を通じてソレノイド２０５に電流が供給されると、磁気回路に磁界が生じ、固定コア２０７と可動子２０２との間に磁束が通過して、可動子２０２に磁気吸引力が作用する。可動子２０２に作用する磁気吸引力が、差圧力とセットスプリング２１０による荷重とを超えるタイミングで、可動子２０２は、固定コア２０７の方向に変位（開弁動作）を開始する。このとき、可動子２０２の端面３０２は弁体２１４の位置規制部（フランジ部）３０３に当接し、可動子２０２と弁体２１４とが一体となって変位する。
弁体２１４が開弁動作を開始した後、可動子２０２は固定コア２０７の位置まで移動し、可動子２０２が固定コア２０７に衝突する。この可動子２０２が固定コア２０７に衝突した後には、可動子２０２は固定コア２０７からの反力を受けて跳ね返る動作をするが、可動子２０２に作用する磁気吸引力によって可動子２０２は固定コア２０７に吸引され、やがて停止する。このとき、可動子２０２には戻しばね２１２によって固定コア２０７の方向に力が作用しているため、跳ね返りが収束するまでの時間を短縮できる。跳ね返り動作が小さいことで、可動子２０２と固定コア２０７の間のギャップが大きくなってしまう時間が短くなり、より小さい噴射パルス幅に対しても安定した動作が行えるようになる。この可動子２０２の跳ね返り動作の間は、可動子２０２は弁体２１４の位置規制部３０３から離れて変位する。
このようにして開弁動作を終えた可動子２０２及び弁体２１４は、開弁状態で静止する。開弁状態では、弁体２０２と弁座２１８の間には隙間が生じており、噴孔２１９より燃料が噴射されている。燃料は固定コア２０７に設けられた中心孔２０７ａと、可動子２０２に設けられた下部燃料通路孔３０５を通過して下流方向へ流れるようになっている。この開弁状態では、可動子２０２の端面３０２は弁体２１４の位置規制部（フランジ部）３０３に当接している。
ソレノイド２０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子２０２に作用する磁気吸引力が消滅することによって、可動子２０２及び弁体２１４はスプリング２１０の荷重と差圧力とによって、弁座２１８に接触する閉弁位置に押し戻される。この閉弁動作では、可動子２０２の端面３０２は弁体２１４の位置規制部（フランジ部）３０３に当接し、可動子２０２と弁体２１４とが一体となって変位する。
また、弁体２１４が開弁状態から閉弁する際に、弁体２１４が弁座２１８と接触した後、可動子２０２が弁体２１４の位置規制部（フランジ部）３０３から分離して閉弁方向への変位を継続する。可動子２０２は、閉弁方向への変位を一定時間継続した後に、戻しばね２１２によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。弁体２１４が閉弁完了する瞬間に、可動子２０２が弁体２１４から離間することで、弁体２１４が弁座２１８と衝突する瞬間の可動部材の質量を可動子２０２の質量分だけ低減することができる。このため、弁体２１４が弁座２１８と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体２１４が弁座２１８に衝突することによって生じる弁体２１４のバウンドを抑制できる。
本実施例の燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄでは、弁体２１４と可動子２０２とは、開弁時に可動子２０２が固定コア２０７に衝突した瞬間と、閉弁時に弁体２１４が弁座２１８に衝突した瞬間とにおいて、短い時間、相対的な変位を生じることにより、可動子２０２の固定コア２０７に対するバウンドや弁体２１４の弁座２１８に対するバウンドを抑制することができる。
次に、ＥＣＵ１０４から出力される噴射パルスと、燃料噴射装置１０１Ａ乃至１０１Ｄのソレノイド２０５の端子両端の駆動電圧と、駆動電流（励磁電流）と、弁体２１４及び可動子２０２の変位量（弁体挙動）との関係について、図４及び図５を用いて説明する。図４は、燃料噴射装置を駆動する一般的な噴射パルス、駆動電圧、駆動電流、弁体の変位量及び可動子の変位量と時間との関係を示した図である。図５は、本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置の詳細を示した図である。
駆動回路１０３に噴射パルスが入力されると、駆動回路１０３はスイッチング素子５０５、５０６を通電してバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源からソレノイド２０５に高電圧４０１を印加し、ソレノイド２０５に電流の供給を開始する。電流値が予めＥＣＵ１０４に定められたピーク電流値Ｉｐｅａｋに到達すると、高電圧４０１の印加を停止する。その後、スイッチング素子５０５とスイッチング素子５０６とを非通電にすると、燃料噴射装置５４０のインダクタンスによる逆起電力によって、ダイオード５０９とダイオード５１０が通電し、電流が電圧源ＶＨ側へ帰還され、燃料噴射装置５４０に供給されていた電流は、電流４０２のようにピーク電流値Ｉｐｅａｋから急速に低下する。
なお、ピーク電流値Ｉｐｅａｋから電流４０３への移行期間にスイッチング素子５０６をＯＮにすると、逆起電力エネルギーによる電流は接地電位５１５側に流れ、電流が回路内を回生し、ソレノイド２０５にはほぼ０Ｖの電圧が印加されて電流は緩やかに低下する。
電流値が所定の電流値４０４より小さくなると、駆動回路１０３はスイッチング素子５０６を通電し、バッテリ電圧ＶＢの印加をスイッチング素子５０７の通電・非通電によって行い、所定の電流４０３が保たれるように制御するスイッチング期間を設ける。燃料噴射装置５４０に供給される燃料圧力が大きくなると、弁体２１４に作用する流体力が増加し、弁体２１４が目標開度に到達するまでの時間が長くなる。この結果、ピーク電流Ｉｐｅａｋの到達時間に対して目標開度への到達タイミングが遅れる場合があるが、電流を４０２のように急速に低減すると、可動子２０２に働く磁気吸引力も急速に低下するため、弁体２１４の挙動が不安定となり、場合によっては通電中にも関わらず閉弁を開始してしまう場合がある。ピーク電流Ｉｐｅａｋから電流４０３の移行中にスイッチング素子５０６をＯＮにて電流を緩やかに減少させる場合、磁気吸引力の低下を抑制でき高燃料圧力での弁体２１４の安定性を確保でき、噴射量ばらつきを抑制できる。
このような供給電流のプロファイルにより、燃料噴射装置５４０（１０１Ａ乃至１０１Ｄ）は駆動される。高電圧４０１の印加からピーク電流値Ｉｐｅａｋに達するまでの間に、可動子２０２および弁体２１４がタイミングｔ４１で変位を開始し、その後、可動子２０２及び弁体２１４が最大開度に到達する。可動子２０２が最大開度に到達したタイミングで、可動子２０２が固定コア２０７に衝突し、可動子２０２が固定コア２０７との間でバウンド動作を行う。弁体２１４は可動子２０２に対して相対変位可能に構成されているため、弁体２１４は可動子２０２から離間し、弁体２１４の変位は、最大開度を越えてオーバーシュートする。その後、保持電流４０３によって生成される磁気吸引力と戻しばね２１２の開弁方向の力によって、可動子２０２は、所定の最大開度の位置に静止し、また、弁体２１４は可動子２０２に着座して最大開度の位置で静止し、開弁状態となる。
弁体２１４と可動子２０２が一体となっている可動弁を持つ燃料噴射装置の場合、弁体２１４の変位量は、最大開度よりも大きくならず、最大開度に到達後の可動子２０２と弁体２１４の変位量は同等となる。
さらに、図５を用いて、本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置の構成について、詳細に説明する。
ＣＰＵ５０１は例えばＥＣＵ１０４に内蔵されている。ＣＰＵ５０１は、燃料レール１０５に取り付けられた圧力センサ１０２や、エンジンシリンダへの流入空気量を測定するＡ／Ｆセンサ、エンジンシリンダから排出された排気ガスの酸素濃度を検出するための酸素センサ、クランク角センサ等のエンジンの状態を示す信号を取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置５４０（１０１Ａ乃至１０１Ｄ）から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅Ｔｉ（すなわち噴射量）や噴射タイミングの演算を行う。ＣＰＵ５０１は、通信ライン５０４を通して燃料噴射装置の駆動ＩＣ５０２に噴射パルス幅Ｔｉを出力する。その後、駆動ＩＣ５０２によって、スイッチング素子５０５、５０６、５０７の通電、非通電を切替えて燃料噴射装置５４０へ駆動電流を供給する。
スイッチング素子５０５は駆動回路に入力された電圧源ＶＢよりも高い高電圧源と燃料噴射装置５４０の高電圧側の端子間に接続されている。スイッチング素子５０５、５０６、５０７は、例えばＦＥＴやトランジスタ等によって構成され、燃料噴射装置５４０への通電・非通電を切り替えることができる。高電圧源の初期電圧値である昇圧電圧ＶＨは例えば６０Ｖであり、バッテリ電圧を昇圧回路５１４によって昇圧することで生成する。昇圧回路５１４は例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等により構成する方法と、コイル５３０とトランジスタ５３１、ダイオード５３２およびコンデンサ５３３で構成する方法とがある。後者の方法で昇圧回路５１４を構成した場合、トランジスタ５３１をＯＮにすると、バッテリ電圧ＶＢは接地電位５３４側へ流れるが、トランジスタ５３１をＯＦＦにすると、コイル５３０に発生する高い電圧がダイオード５３２を通して整流され、コンデンサ５３３に電荷が蓄積される。昇圧電圧ＶＨとなるまで、このトランジスタのＯＮ・ＯＦＦを繰り返し、コンデンサ５３３の電圧を増加させる。トランジスタ５３１は、ＩＣ５０２もしくはＣＰＵ５０１と接続され、昇圧回路５１４から出力される昇圧電圧ＶＨはＩＣ５０２もしくはＣＰＵ５０１で検出するよう構成する。本実施例では、昇圧電圧ＶＨを配線５５１でＩＣ５０２に入力し、昇圧電圧ＶＨをＩＣ５０２で検出している。
また、ソレノイド２０５の電源側端子５９０とスイッチング素子５０５との間には、第二の電圧源である昇圧回路５１４から、ソレノイド２０５、接置電位５１５の方向に電流が流れるようにダイオード５３５が設けられている。また、ソレノイド２０５の電源側端子５９０とスイッチング素子５０７との間にも、バッテリ電圧源ＶＢから、ソレノイド２０５、接置電位５１５の方向に電流が流れるようにダイオード５１１が設けられている。ダイオード５３５とダイオード５１１とが設けられていることにより、スイッチ素子５０６を通電している間は、接地電位５１５から、ソレノイド２０５、バッテリ電圧源ＶＢ及び第二の電圧源５１４へ向けては電流が流れない構成となっている。また、ＥＣＵ１０４には、噴射パルス幅の演算等のエンジンの制御に必要な数値データを記憶させるために、レジスタおよびメモリが搭載されている。レジスタおよびメモリは駆動装置１５０もしくは駆動装置１５０内のＣＰＵ５０１に内包されている。
また、スイッチング素子５０７は、低電圧源と燃料噴射装置の高圧端子間に接続されている。低電圧源ＶＢは例えばバッテリ電圧であり、その電圧値は１２から１４Ｖ程度である。スイッチング素子５０６は、燃料噴射装置５４０の低電圧側の端子と接地電位５１５の間に接続されている。駆動ＩＣ５０２は、電流検出用の抵抗５０８、５１２、５１３により、燃料噴射装置５４０に流れている電流値を検出し、検出した電流値によって、スイッチング素子５０５、５０６、５０７の通電・非通電を切替え、所望の駆動電流を生成している。ダイオード５０９と５１０は、燃料噴射装置のソレノイド２０５に逆電圧を印加し、ソレノイド２０５に供給されている電流を急速に低減するために備え付けられている。ＣＰＵ５０１は駆動ＩＣ５０２と通信ライン５０３を通して通信を行っており、燃料噴射装置５４０に供給する燃料の圧力や運転条件によって、駆動ＩＣ５０２によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。また、抵抗５０８、５１２、５１３の両端は、配線５５０，５５１，５８０，５８１，５５２，５５３によりＩＣ５０２のＡ／Ｄ変換ポートに接続されており、抵抗５０８、５１２、５１３の両端にかかる電圧をＩＣ５０２で検出できるように構成されている。
次に、図６、７、８、９を用いて第一実施例における噴射量の補正方法について説明する。図６は、本発明の第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程からなる1燃焼サイクル中において、吸気行程に３回、圧縮行程に２回の多段燃料噴射を行う場合の各気筒の燃料噴射タイミングの関係を示した図である。また、図７は、第１気筒及び第３気筒について、図６の６０４の期間における、高電圧源の電圧値、噴射パルス、駆動電流及び弁体変位量と時間との関係を示した図である。図８は、高電圧源の電圧値が低下していない場合（Ｑ801）と、高電圧源の電圧値が低下している場合（Ｑ802）とについて、噴射パルス幅と燃料噴射量との関係と、噴射パルス幅と噴射量偏差との関係とを示した図である。図９は、噴射パルスが小さい条件（図８において噴射パルス幅Ｔｉが８０４となる条件）での高電圧源の電圧値、噴射パルス、駆動電流、弁体変位量と時間との関係を示した図である。図１０は、高電圧源の電圧値が低下していない条件と電圧が低下している条件での高電圧源の電圧、噴射パルス、駆動電流、可動子２０２に作用する磁気吸引力および弁体変位量と時間との関係を示した図である。図１１は、第一実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、燃料噴射装置に供給される燃料圧力が違う３つの条件での昇圧電圧と燃料噴射タイミングとの関係を示した図である。
図６、７、８を用いて噴射量の補正方法について説明する。最初に気筒間で噴射タイミングが重なる条件について説明する。直噴エンジンでは、吸気行程で燃料噴射を行って均質な混合気をシリンダ内に形成した後に、圧縮行程で燃料噴射を行い点火プラグ近傍に局所的なリッチな混合気を形成することで、弱成層燃焼を行ってＰＮ抑制による排気清浄化と燃費向上を両立させる燃焼制御を行う場合がある。
この場合、図６に示すように、各気筒間の噴射タイミング（噴射期間）が重なる場合がある。なお、図６では、前気筒から第１、第２、第３、第４気筒と定義した場合、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順に点火する一般的な直列4気筒のエンジンの場合を示している。６０１の期間においては、第３気筒における圧縮行程での噴射と第４気筒における吸気行程での噴射とが重なる。６０２の期間においては、第２気筒における吸気行程での噴射と第４気筒における圧縮行程での噴射とが重なる。６０３の期間においては、第１気筒における吸気行程での噴射と第２気筒における圧縮行程での噴射とが重なる。６０４の期間においては、第１気筒における圧縮行程での噴射と第３気筒における吸気行程での噴射とが重なる。
昇圧回路５１４を各気筒にそれぞれ１つずつ配置する場合、1気筒内での噴射間隔が確保されていれば、気筒間で吸気行程と圧縮行程での燃料噴射が重なった場合に高電圧源の電圧値が低下した状態で次の再噴射が要求される可能性は小さい。しかしながら、昇圧回路５１４のコンデンサ５３３に蓄積した電荷は一定時間が経過すると放電するため、昇圧回路５１４の駆動周期が遅い場合、高電圧源の電圧値が僅かながら低下する場合がある。また、ＥＣＵ１０４の発熱とコストを低減するために、４気筒エンジンにおいては、昇圧回路５１４を１、３の奇数気筒と２、４の偶数気筒それぞれに１個配置する場合や、４気筒で１つの昇圧回路５１４を共有で使用する場合がある。昇圧回路５１４の個数を減らすことで、耐電圧を確保したトランジスタ等で構成されるスイッチング素子の数と、高電圧を蓄電できるコンデンサの数とを減らせるため、駆動回路１０３のコストを低減できる。
また、昇圧回路５１４では、電荷をコンデンサ５３３に蓄電するために、スイッチング素子５３１を高周波でＯＮ／ＯＦＦを繰り返す制御を行う。この場合、昇圧回路５１４が発熱してソレノイド２０２への高電圧印加の時間またはソレノイド２０２に流せる電流値が制約を受けることがある。昇圧回路５１４の個数を減らすことで、駆動回路１０３の発熱を抑制でき、特に燃料噴射装置５４０に供給される燃料圧力が高くなった場合であっても、電流の制約を受けることなく燃料噴射装置５４０の電流制御を行うことができる。この結果、高い燃料圧力で燃料噴射装置５４０を安定動作させることができ、高燃料圧力の範囲での噴射量の精度を高めることができる。
図７は、一例として第１及び第３の奇数気筒と第２及び第４の偶数気筒とに、それぞれ１個ずつ昇圧回路５１４を備えた構成で多段噴射を行う条件（場合）について示している。図７では、第１及び第３の奇数気筒について示しているが、第２及び第４の偶数気筒についても図７と同様である。なお、図７では、噴射パルスがＯＮとなるタイミングを第３気筒の噴射パルスがＯＮとなるタイミングに合せた場合の前気筒（第１気筒）の駆動電流及び弁体変位量をそれぞれ破線７１２及び７１３で示す。
第３気筒の噴射パルスがＯＮとなるタイミングｔ７１より前の時間では、高電圧源（昇圧回路）５１４の電圧値は昇圧電圧ＶＨとなるように制御されている。第３気筒の噴射パルスがＯＮとなるタイミングｔ７１において、ソレノイド２０５には高電圧源５１４から電圧が印加され、コンデンサ５３３に蓄電された電荷が減少することによって高電圧源５１４の電圧値が低下する。電流がピーク電流Ｉｐｅａｋに到達するタイミングｔ７２になると、ソレノイド２０５への高電圧源５１４からの電圧印加は停止され、バッテリ電圧源ＶＢもしくは０Ｖがソレノイド２０５に印加される。タイミングｔ７２の後、高電圧源５１４の電圧値は、昇圧電圧ＶＨに向かって復帰するが、昇圧電圧ＶＨまで復帰する前にタイミングｔ７３において第１気筒における圧縮行程での噴射パルスが通電され、高電圧源５１４の電圧値は減少する。その後、第１気筒の電流値がピーク電流Ｉｐｅａｋとなるタイミングｔ７４に到達すると、ソレノイド２０５への高電圧源５１４からの電圧印加は停止されるため、一定時間経過後に昇圧電圧値ＶＨに復帰する。
噴射パルスがＯＮとなるタイミングを第３気筒の噴射パルスがＯＮとなるタイミングに合せた場合の第１気筒の駆動電流７１２及び弁体変位量７１３と、第３気筒の駆動電流７１０及び弁体変位量７１１とを比較すると、第３気筒に比べて第１気筒ではソレノイド２０５に印加される電圧値が低いため、ソレノイド２０５に流れる電流が減少して、電流の立ち上がりが遅れる。この結果、可動子２０２に生じる磁気吸引力の立ち上がりも遅れる。このため、弁体２１４及び可動子２０２に作用する閉弁方向の力を磁気吸引力が上回るタイミングが遅れて、弁体２１４の開弁開始タイミングがタイミングｔ７５からタイミングｔ７６まで遅くなる。ソレノイド２０５に流れる電流値が保持電流７２１に到達して以降は高電圧源の電圧値が電流に影響しないため、噴射パルスがＯＦＦとなってから弁体２１４が閉弁するまでの遅れ時間は、第１気筒と第３気筒で同等となる。
従って、第１気筒と第３気筒の噴射量を比較すると、第１気筒の方が噴射パルスがＯＮとなってから弁体２１４が目標開度に達するまでの開弁遅れ時間が長くなり、噴射量が低下する。噴射パルスがＯＮとなるタイミングで、高電圧源５１４の電圧が昇圧電圧ＶＨから低下している場合は、電圧が低下していない場合の噴射パルス幅に比べて、噴射パルス幅を長くするように補正することで、噴射量を増加させる。これにより、第１気筒と第３気筒との間の気筒間の噴射量ばらつきを抑制できる。
これは、噴射パルスのパルス幅を駆動電流が保持電流に切り替わった後に閉弁する通電時間（例えば図８の噴射パルス幅８１５）に設定する場合に、気筒間で燃料の噴射タイミング又は燃料の噴射期間が重なる場合の噴射パルスのパルス幅を、噴射タイミング又は噴射期間が重ならない場合の噴射パルスのパルス幅に比べて、長くするように補正することを意味する。或いは、噴射パルスのパルス幅を駆動電流が保持電流に切り替わった後に閉弁する通電時間（例えば図８の噴射パルス幅８１５）に設定する場合に、高電圧源５１４の電圧が低下している場合の噴射パルスのパルス幅を、高電圧源の電圧が低下していない場合の噴射パルスのパルス幅に比べて、長くするように補正することを意味する。
また、噴射量の低下量は、高電圧源５１４の電圧値に依存するため、高電圧源５１４の電圧値に応じて噴射パルスの補正量を決めると良い。また、接点５１６をＩＣ５０２又はＣＰＵ５０１のＡ／Ｄ変換ポートに接続することで、昇圧回路５１４の出力である高電圧源の電圧値を検出する電圧検出手段を備えると良い。本実施例では、配線５５１を介して接点５１６をＩＣ５０２のＡ／Ｄ変換ポートに接続している。噴射量と高電圧源５１４の電圧値と噴射パルス幅との関係は予めＣＰＵ５０１に与えておくと良い。このように構成することで、ＣＰＵ５０１で演算される要求噴射量と検出した高電圧源５１４の電圧値から適切な噴射パルス幅Ｔｉを決定することができる。
図７では、噴射パルスのパルス幅Ｔｉが十分に長い場合を示している。これは、図８に示す噴射パルス幅Ｔｉが８１４におけるパルス幅以上に長くなる場合に相当し、噴射量特性の８３０に示す区間に相当する。
次に、図８を用いて、噴射パルス幅Ｔｉと噴射量との関係（流量特性）について説明する。
まず、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合の流量特性Ｑ８０１を用いて一般的な流量特性について説明する。噴射パルス幅Ｔｉが一定の時間に達せず８１１より小さくなる時には、可動子２０２に作用する磁気吸引力が、弁体２１４に作用する閉弁方向の力を上回らないため、弁体２１４は開弁を開始せず、燃料は噴射されない。上記の閉弁方向の力とは、弁体２１４に働くスプリング２１０の力と、上述した閉弁状態で弁体２１４に作用する燃料圧力の差圧力による力との合力である。
噴射パルス幅Ｔｉが短い、例えば８０１のような条件では、弁体２１４は弁座２１８から離間し、変位を開始するが、弁体２１４が目標開度に達する前に閉弁を開始するため、噴射パルス幅と噴射量との関係が線形となる直線領域８３０から外挿される一点鎖線８２０に対して噴射量は少なくなる。
点８０２のパルス幅では、目標開度に達する直後で閉弁を開始し、弁体２１４の軌跡が放物運動となる。この条件においては、弁体２１４が有する開弁方向の運動エネルギーが大きく、また、可動子２０２に作用する磁気吸引力が大きいため、閉弁に要する時間の割合が大きくなり、一点鎖線８２０に対して噴射量が多くなる。
点８０３の噴射パルス幅では、弁体２１４が目標開度に到達したタイミングで可動子２０２が固定コア２０７と衝突することによって生じる弁体２１４のバウンド量が最大となるタイミングにおいて弁体２１４が閉弁を開始する。このため、可動子２０２と固定コア２０７とが衝突する際の反発力が可動子２０２に働き、噴射パルスをＯＦＦしてから弁体２１４が閉弁するまでの閉弁遅れ時間が小さくなる。その結果、噴射量は一点鎖線８２０に対して少なくなる。
点８０４では、ソレノイド２０５に供給される電流が保持電流に到達する前に噴射パルスが停止されるため、閉弁遅れ時間が長くなり、一点鎖線８２０に対して噴射量は増加する。また、可動子２０２が目標開度に到達して固定コア２０７と衝突し、反発した後に再び固定コア２０７の方向へ運動中に衝突する場合、可動子２０２の運動エネルギーによって開弁遅れ時間が増加する。このため、ソレノイド２０５に供給される電流が保持電流に到達した後であっても点８０４の噴射量が一点鎖線８２０よりも大きくなる場合がある。
また、弁体２１４のバウンドが収束し、さらに電流が保持電流に到達する点８０５より大きい噴射パルス幅Ｔｉでは、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する。
燃料の噴射が開始されてから、点８０４で示すパルス幅Ｔｉまでの領域では、弁体２１４が目標開度に到達しないかもしくは、弁体２１４が目標開度に到達したとしても弁体２１４のバウンドが安定しないため、噴射量が変動する。制御可能な最小噴射量を小さくするためには、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する領域を増やすか、もしくは、噴射パルス幅Ｔｉと噴射量との関係が線形とならない、噴射パルス幅Ｔｉが８０５におけるパルス幅より短い非線形領域の噴射量を補正する必要がある。
高電圧源５１４の電圧が低下している場合の流量特性Ｑ８０２では、図７で説明した理由により弁体２１４の開弁開始タイミングが遅れることで、燃料の噴射タイミングが８１１から８１２に遅れる。噴射パルス幅８１５では、高電圧源５１４の電圧が低下しない場合に比べて電圧が低下する場合の方が、開弁の遅れが生じることによって噴射量が８４０に示すように小さくなる。この条件での駆動電流及び弁体２１４の変位量の関係は図７の７１０、７１１、７１２、７１３で説明した通りとなる。
また、直線領域８３０よりも噴射パルス幅が小さい８０４’では、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて電圧が低下している場合の方が、噴射量が大きくなる場合がある。点８０４’では、弁体２１４が目標開度に到達するまでの弁体２１４の変位量は、点８０５と同等である。高電圧源５１４の電圧が低下していない条件と低下している条件とで閉弁遅れ時間が同じ場合は、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて電圧が低下している場合の方が、噴射量が小さくなる。しかしながら、噴射パルスを停止してからの弁体２１４の変位量を比較すると、高電圧源５１４の電圧が低下している方が閉弁遅れ時間が長くなり、弁体２１４の変位量の面積が大きくなる。結果として、弁体２１４の変位量の面積分で噴射量が決まるため、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて低下している場合では噴射量が増加する。
図９を用いて、点８０４’における燃料噴射量について説明する。図９では、高電圧源５１４の電圧値が低下しない場合の駆動電流を９１０、弁体変位量を９１１に示し、高電圧源５１４の電圧が低下した場合の駆動電流を９１２、弁体変位量を９１３に示す。なお、図７では、噴射パルスのパルス幅Ｔｉが図７の場合よりも短い場合を示している。これは、図８に示す噴射パルス幅Ｔｉが８１３におけるパルス幅の場合に相当する。図９に符号９２１で示す波形は、噴射パルス幅Ｔｉが図７と同様な長さである場合を仮定した場合に、バッテリ電源ＶＢから供給する保持電流である。
噴射量が増加する第１の要因としては、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて低下している方が、駆動電流がピーク電流値Ｉｐｅａｋに到達するまでの時間が遅れることが挙げられる。この遅れにより、図９に示すように、噴射パルスがＯＦＦとなるタイミングｔ９４での駆動電流値が大きくなる。駆動電流値が大きくなることにより、磁気吸引力が増加し、閉弁遅れ時間が長くなる。
噴射パルスがＯＦＦとなった後も、渦電流の影響によって磁気回路を構成する可動子２０２、固定コア２０７、ハウジング２０３の磁性材の内部には残留磁束が生じて磁気吸引力が残留している。噴射パルスがＯＦＦとなるタイミングｔ９４での駆動電流の増加に伴って残留する磁気吸引力が大きくなる。残留磁気吸引力の増大により、可動子２０２に作用する開弁方向の力が大きくなり、閉弁遅れ時間が増加する。
噴射量が増加する第２の要因は、可動子２０２が目標開度に到達した後に生じる弁体２１４のバウンドである。高電圧源５１４の電圧が低下していない場合では、弁体２１４が目標開度に到達した後の可動子２０２と固定コア２０７との間のバウンドによって生じる弁体２１４のバウンドが収束した後に目標開度から弁体２１４が閉弁を開始している。一方で、高電圧源５１４の電圧が低下している場合では、弁体２１４が目標開度に到達した後に生じるバウンドが収束しておらず、可動子２０２が目標開度の方向へ運動している途中で閉弁を開始する。このため、可動子２０２の有する運動エネルギーによって閉弁遅れ時間が増加する。
噴射量は、開弁遅れ時間と閉弁遅れ時間のトレードオフで決まり、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合と比較して電圧が低下している場合では、噴射パルスをＯＦＦにするまでの噴射量が小さくなり、噴射パルスをＯＦＦにしてから弁体２１４が閉弁完了するまでの噴射量が大きくなる。この結果、噴射パルス幅８１５では、直線領域（線形領域）８３０の噴射パルス幅８１５と比較して、噴射量の偏差が正の方向へ推移するもしくは、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて電圧が低下している場合の方が、噴射量が大きくなる場合がある。
直線領域８３０では、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合に比べて低下している場合では、噴射パルス幅が長くなるように補正するとよい。これにより、開弁遅れによって生じる噴射量の変化を抑制することができる。このような噴射パルス幅の補正は駆動装置１５０で行うと良い。一方、噴射パルスのパルス幅を駆動電流が保持電流に切り替わる前に閉弁する通電時間（図８の噴射パルス幅８０４）に設定する場合に、高電圧源５１４の電圧が低下している場合の噴射パルスのパルス幅を、高電圧源の電圧が低下していない場合の噴射パルスのパルス幅に比べて、短くするように補正すると良い。
また、高電圧源５１４の電圧が低下することによる噴射量の変化量は、高電圧源５１４の電圧値に依存する。したがって、昇圧回路５１４の出力である高電圧源５１４の電圧値を検出できるよう接点５１６をＩＣ５０２又はＣＰＵ５０１のＡ／Ｄ変換ポートに接続し、噴射量と高電圧源５１４の電圧値と噴射パルス幅との関係は予めＣＰＵ５０１に与えておくと良い。このように構成することで、ＣＰＵ５０１で演算される要求噴射量と検出した高電圧源５１４の電圧値から適切な噴射パルス幅Ｔｉを決定することができる。
多段噴射の条件においては、これまで１回の噴射で実現していた噴射量を複数回の噴射に分割して噴射するために、１回の噴射で制御可能な最小噴射量を小さくする必要がある。この場合、直線領域８３０では噴射量に制限があるため、噴射パルス幅Ｔｉが点８０５より小さい領域での噴射量を正確に制御する必要がある。
高電圧源５１４の電圧値が低下している条件での噴射パルス幅Ｔｉが８１３から８１４までの噴射量は、噴射パルスをＯＦＦにするタイミングでの電流値にも依存する。抵抗５０８もしくは抵抗５１３の両端をＣＰＵ５０１もしくはＩＣ５０２のＡ／Ｄ変換ポートに接続し、駆動電流がピーク電流Ｉｐｅａｋに到達した以降の電流値を検出する電流検出手段を設けるとよい。このように構成することで、噴射パルスが停止されるタイミングの直前に電流を検出し、その電流値から噴射パルスがＯＦＦとなるタイミングでの電流値を推定できる。
電流値を検出してからその電流値を検出している条件での噴射に対する噴射量の補正が間に合わない場合には、１燃焼サイクル中での次の多段噴射の条件において前噴射で噴射量が変化した分の噴射量を補正するように、次回噴射での噴射パルス幅を補正しても良い。このような補正により、多段噴射を行う場合の１燃焼サイクル中での噴射量の総量を気筒間、サイクルごとに一致させることができる。このため、噴射量が要求値から乖離することによって生じるＰＮの増加等を抑制できる。
また、噴射量、高電圧源５１４の電圧値、駆動電流値および噴射パルス幅Ｔｉの関係は、ＭＡＰ情報もしくは近似式としてＣＰＵ５０１またはＩＣ５０２に予め与えておくと良い。このように構成することで、推定した電流値から噴射パルスの補正量を計算し、要求噴射量を達成するのに必要な噴射パルス幅を適切に決定できる。結果として、高電圧源５１４の電圧値が低下したことによって生じる噴射パルス幅８１４より噴射パルス幅が小さい範囲での噴射量ばらつきを抑制でき、多段噴射の条件でも精度良く噴射量を制御することが可能となる。
また、噴射パルスをＯＦＦにするタイミングでの電流値は高電圧源５１４の電圧値およびソレノイド２０５の抵抗値の影響を受ける。ソレノイド２０５が発熱することでソレノイド２０５の抵抗値は大きくなるが、多段噴射により気筒間の噴射タイミングもしくは噴射期間が重なり、高電圧源５１４の電圧が低下する条件では、ソレノイド２０５の発熱に寄与する燃料噴射装置５４０の駆動周期等が同等であるため、高電圧源５１４の電圧値が検出できれば噴射パルスをＯＦＦにするタイミングでの電流値を推定することができる。従って、燃料噴射タイミングの直前に高電圧源５１４の電圧値を検出し、その検出値から噴射パルス幅の補正量を決定してもよい。
なお、ＣＰＵ５０１及びＩＣ５０２で高電圧源５１４の電圧値を検出する場合、ハードウェアの制約からＡ／Ｄ変換ポートの時間分解能には制約がある。この場合、ＣＰＵ５０１で演算する噴射パルスの通電タイミングをトリガーとして、高電圧源５１４の電圧値を検出すると良い。このような構成によって、Ａ／Ｄ変換ポートの使用頻度や分解能を高めることなく、適切なタイミングで噴射パルス幅の補正に必要な高電圧源５１４の電圧値を検出することができ、噴射量の補正精度を高めることができる。
図８では、噴射量偏差は、高電圧源５１４の電圧が低下していない場合の噴射量Ｑ８０１に対する電圧が低下している場合の噴射量Ｑ８０２の割合で示している。このため、噴射量偏差８４０に対して、噴射量偏差８６０の方が大きくなっている。しかし、噴射量偏差８４０が発生する領域では、噴射量Ｑ８０１が噴射量Ｑ８０２に対して大きいため、噴射量偏差８６０を補正するために必要な噴射パルス幅の補正量の絶対値は、噴射量偏差８４０を補正するために必要な噴射パルス幅の補正量の絶対値と比べて小さくなる。従って、噴射パルス幅８１３において噴射量偏差８６０を補正し、さらに噴射量が直線領域８３０から外挿される一点鎖線８２０に一致するように補正するために必要な噴射パルス幅の補正量の絶対値は、噴射量偏差８４０を補正するために必要な噴射パルス幅の補正量（噴射量Ｑ８０１に一致させるために必要な噴射パルス幅の補正量）の絶対値に対して小さい。
従って、噴射パルス幅８１４よりも噴射パルス幅が大きい領域と比べて、噴射パルス幅８１４よりも噴射パルス幅が小さい領域では、高電圧源５１４の電圧が低下している場合の噴射パルス幅の補正量の絶対値が小さくなるように補正するとよい。このように噴射パルス幅の補正量を切り替えることで、直線領域８３０から噴射パルス幅が小さい領域までの範囲において、高電圧源５１４の電圧が低下していることで生じる噴射量ばらつきを抑制できる。
これは、噴射パルスのパルス幅を駆動電流が保持電流に切り替わる前に閉弁する通電時間（例えば図８の噴射パルス幅８１３）に設定する場合に、噴射パルスのパルス幅を駆動電流が保持電流に切り替わった後に閉弁する通電時間に設定している場合（例えば図８の噴射パルス幅８１５）に比べて、噴射パルスのパルス幅の補正量の絶対値を小さくすることを意味する。
また、６０４より、第１気筒の圧縮行程噴射の噴射インターバルが小さいまたは第３気筒の吸気行程噴射の噴射インターバルが小さい条件では、第１気筒と第３気筒で噴射タイミングおよび噴射期間が重ならない場合であっても高電圧源５１４の電圧が低下した条件で燃料噴射を行う場合がある。この場合、各気筒にそれぞれ昇圧回路５１４を構成したとしても高電圧源５１４の電圧が低下した条件で燃料噴射を行うため、該当行程中の１回目と２回目の噴射で噴射量ばらつきが生じる。このような場合であっても図６、７、８、９で説明した噴射パルス幅の補正によって噴射量ばらつきを抑制できる。
次に、図１０及び図１１を用いて高電圧源５１４の電圧値が低下している場合の噴射タイミングのばらつき補正方法について説明する。図１０の弁体変位量には、噴射パルスがＯＮとなるタイミングでの高電圧源５１４の電圧値が初期値である昇圧電圧ＶＨとなる場合かつ燃料圧力が小さい条件での弁体変位量を１００１に示し、燃料圧力が大きい条件での弁体変位量を１００３に示す。また、図１０の図中には、噴射パルスがＯＮとなるタイミングでの高電圧源５１４の電圧値が初期値から低下している場合かつ燃料圧力が小さい条件での弁体変位量を１００２に示し、燃料圧力が大きい条件での弁体変位量を１００４に示す。図１１に記載されている燃料圧力が違う３つの条件については、燃料圧力が高い順に１１０１、１１０２、１１０３とする。
図７で説明した通り、高電圧源５１４の電圧値が初期値から低下し、ソレノイド２０５に印加される電圧が小さくなると、弁体２１４の開弁開始タイミングが遅れて燃料の噴射タイミングが遅くなる。例えば、圧縮行程での燃料噴射の条件で燃料の噴射タイミングが遅くなると、燃料噴霧がピストンに付着し易くなり、かつ燃料噴霧の形成状態が変化することで噴霧の均質度が低下する。燃料噴霧のピストンへの付着及び噴霧の均質度の低下は、ＰＮの増加を招く場合がある。
また、吸気行程での燃料噴射の条件においても燃料の噴射タイミングが遅くなることで、吸気バルブの開閉タイミングに対して燃料噴射のタイミングが遅れ、ピストン筒内への流入空気と噴射燃料との混合気の均質度が気筒ごともしくは多段噴射の噴射ごとにばらつくことで、ＰＮが増加する場合がある。
高電圧源５１４の電圧値の低下による燃料の噴射タイミングのばらつきを抑制するためには、高電圧源５１４の電圧値もしくは、ソレノイド２０５に流れる電流をＣＰＵ５０２またはＩＣ５０１で検出し、その検出値から高電圧源５１４の電圧値または昇圧電圧ＶＨからの低下量を算出して噴射パルスの通電タイミングを補正すると良い。
図１１の１１０２に示す通り、高電圧源５１４の電圧値と燃料の噴射タイミングの関係は略線形となる。高電圧源５１４の電圧値と噴射タイミングの関係は予めＣＰＵ５０１に与えておくと良い。このような構成によって、検出した高電圧源５１４の電圧から適切な噴射タイミングを決定し、基準値からのズレ分だけ通電パルスの通電タイミング（印加タイミング）を早くすることで、噴射タイミングのばらつきを精度よく補正することができる。
また、弁体２１４は、可動子１０２に作用する磁気吸引力が弁体２１４及び可動子１０２に働く閉弁方向の力を超えたタイミングで開弁を開始する。可動子１０２に作用する磁気吸引力は、ソレノイド２０５に流れる電流値Ｉｓｏで決まり、電流値Ｉｓｏは、高電圧源５１４の電圧値をＶＨｉ、ソレノイド２０５の抵抗値をＲＳＯとすると、オームの法則よりＩｓｏ＝ＶＨｉ／ＲＳＯで求められる。ソレノイド２０５の抵抗値ＲＳＯは、ソレノイド２０５の発熱によって変化するため、電流Ｉｓｏを検出することで、高電圧源の電圧値ＶＨｉのみで通電タイミングを補正する場合に比べて、通電タイミングの補正値の計算精度を向上できる。その結果、弁体２１４の開弁開始タイミングの補正精度を高めることができ、ＰＮ抑制の効果が高まる。
電流値による通電タイミングの補正では、ソレノイド２０５へ通電開始してから弁体２１４が開弁開始するより前の電流値を検出し、その検出した電流値に応じて通電タイミングの補正量を決定すると良い。電流値の検出では、通電タイミングをトリガーとすると良い。このような構成により、確実にソレノイド２０５に通電が開始された後の電流値を検出できるため、通電タイミングの補正量の計算精度を向上させて、開弁開始タイミングの補正精度を高められる。
また、ソレノイド２０５への通電を開始してから弁体２１４が開弁するまでの期間の電流値Ｉｓｏを２点又は３点以上の複数点で検出してその電流値Ｉｓｏの傾き、すなわち時間微分もしくは近似式を用いて通電タイミングの補正量を決定しても良い。このような構成によって、電流値Ｉｓｏを１点検出する場合に比べて電流Ｉｓｏの検出誤差の影響を小さくできるため、開弁開始タイミングの補正精度を高めることができる。
なお、高電圧源５１４の電圧値及び駆動電流と噴射パルスの通電タイミングの補正量との関係は、予めＣＰＵ５０１にＭＡＰデータもしくは近似式として与えておくと良い。このような構成によって検出した電流値と高電圧源５１４の電圧値とから通電タイミングを適切に決定でき、噴射タイミングのばらつきを抑制できる。
また、高電圧源５１４の電圧値が低下している場合の噴射パルスの通電タイミングの遅れは燃料噴射装置５４０に供給される燃料圧力の影響を受ける。１１０２に対して燃料圧力が大きい１１０１または燃料圧力が小さい１１０３の条件では、高電圧源５１４の電圧値が低下したことによる燃料の噴射タイミングの変化の感度が異なり、燃料圧力が大きいほど、高電圧源５１４の電圧値に対する燃料の噴射タイミングの傾きが大きくなる。弁体２１４が閉弁状態において、燃料圧力が小さい場合での弁体２１４に作用する閉弁方向の力を１００７に示し、燃料圧力が大きい場合での弁体２１４に作用する閉弁方向の力を１００６に示す。
弁体２１４が閉弁している状態では、弁体２１４と弁座２１８が接触する径の断面積に燃料圧力を乗じた流体力と、スプリング荷重２１０の合力が閉弁方向の力として作用している。噴射パルスがＯＮとなると、ソレノイド２０５に駆動電流が供給され、渦電流の影響による時間遅れを伴って可動子２０２に磁気吸引力が作用する。燃料圧力が小さい１００７の条件で高電圧源５１４の電圧値が低下していない条件では、１００１に示すように磁気吸引力が閉弁方向の力１００７を超えたタイミングｔ１０２以降に弁体２１４は開弁を開始する。高電圧源５１４の電圧値が低下している条件では、１００２に示すようにタイミングｔ１０３以降に弁体２１４が開弁を開始する。
ここで、燃料圧力が小さい１００７の条件での高電圧源５１４の電圧が低下していない場合と低下した場合との開弁開始タイミングの差を１０１０とする。また、燃料圧力が大きい１００６の条件での高電圧源５１４の電圧が低下していない場合と低下している場合との開弁開始タイミングの差を１０１１とする。図１０に示されているように、開弁開始タイミングの差１０１０より開弁開始タイミングの差１０１１の方が大きくなる。
可動子２０２に作用する磁気吸引力は、駆動電流のエネルギーすなわち駆動電流の時間積分値に依存する。高電圧源５１４の電圧値が低下することで駆動電流の傾きが小さくなり、磁気吸引力の傾きも小さくなる。この傾きの差によって燃料圧力が小さい１００７の条件に比べて、燃料圧力が大きい１００６の方が、高電圧源５１４の電圧が低下した場合の開弁開始タイミング及び噴射タイミングの遅れが大きくなる。したがって、燃料噴射装置５４０に供給される燃料圧力を検出し、燃料圧力と高電圧源５１４の電圧値に応じて噴射タイミングを補正するための通電タイミングを決定することで、噴射タイミングのばらつきを抑制できる。
また、圧力センサ１０２からの信号をＣＰＵ５０１のＡ／Ｄ変換ポートに接続することで、燃料圧力を検出する圧力信号検出手段を設けるとよい。燃料圧力の検出は、ＣＰＵ５０１で演算した噴射パルスの通電タイミングをトリガーとして、そのトリガーよりも前のタイミングで燃料圧力を検出すると良い。燃料噴射によって圧力が降下すると、レール配管１３３内の圧力が変動し、圧力センサ１０２を解して検出される圧力も変動する。燃料噴射前の燃料圧力を検出することで、噴射タイミングの変化に寄与する弁体２１４の開弁開始タイミング直前の燃料圧力を正確に検出することができ、通電タイミングの補正量を正確に計算できる。この結果、噴射タイミングのばらつきを抑制することができ、ＰＮ抑制の効果が高まる。
［実施例２］
図８及び図１２を用いて、本発明の第２実施例における噴射量ばらつきの補正方法について説明する。なお、本実施例における燃料噴射装置と駆動装置は実施例１と同等の構成とする。図１２は、本発明の第二実施例に係る燃料噴射装置の駆動装置について、高電圧源の電圧値が低下していない場合と低下している場合とについて、図８の点８１５の噴射パルス幅での駆動電流及び弁体変位量と、点８０２の噴射パルス幅での駆動電流及び弁体変位量とを示した図である。
図１２では、図８の点８０２の噴射パルス幅において、高電圧源５１４の電圧が初期値（昇圧電圧VH）に比べて低下しない場合の駆動電流波形を１２０１、弁体変位量を１２０２に示し、高電圧源５１４の電圧が初期値に比べて低下した場合の電流波形を１２０３、弁体変位量を１２０４に示す。また、点８１５の噴射パルス幅において、高電圧源５１４の電圧が初期値に比べて低下しない場合の電流波形を１２０５、弁体変位量を１２０６に示し、高電圧源５１４の電圧が初期値に比べて低下した場合の電流波形を１２０７、弁体変位量を１２０８に示す。
最初に、噴射パルス幅が点８０２よりも小さい領域での噴射量の補正方法について説明する。点８０２の噴射パルス幅では、目標開度に達する直前で閉弁を開始し、弁体２１４の軌跡が放物運動となる。すなわち、点８０２のパルス幅以下の範囲では、弁体２１４が目標開度に到達せずに閉弁するハーフリフトの条件で駆動される。この条件においては、弁体２１４が目標開度に到達した後に通電が停止される条件に比べて、噴射パルスに応じて、閉弁遅れ時間とともに弁体変位量が増加するため、噴射量に対する噴射パルス幅の感度が高い。結果、弁体２１４が目標開度に到達して閉弁を開始する条件に比べて、ハーフリフトの条件では、高電圧源５１４の電圧が初期値の昇圧電圧VHから低下した場合は、低下しない場合に比べて、噴射パルス幅の補正量を大きく補正すると良い。
また、ハーフリフトの条件では、高電圧源５１４の電圧が初期値の昇圧電圧VHから低下した場合には、低下しない場合に比べて、通電を停止するタイミングでの駆動電流値が低い。さらに、高電圧源５１４の電圧が初期値の昇圧電圧VHから低下した場合には、低下しない場合に比べて、開弁開始タイミングの遅れに伴って、通電を停止するタイミングにおいて弁体２１４及び可動子２０２が有する運動エネルギーが小さい。これらのことから、弁体２１４の変位量の最大値１２１０が小さくなる。従って、弁体２１４がハーフリフトで駆動される条件では、高電圧源５１４の電圧が初期値の昇圧電圧VHから低下した場合には、低下しない場合に比べて、噴射パルス幅が大きくなるように補正することで、噴射量ばらつきを抑制でき、噴射量の補正精度を高めることができる。
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ…燃料噴射装置、１０２…圧力センサ、１０３…駆動回路、１０４…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、１５０…駆動装置、２０２…可動子、２０５…ソレノイド、２０７…固定コア、２１０…スプリング、２１２…戻しばね、２１４…弁体、２１８…弁座、２１９…燃料噴射孔、４０１…高電圧、４０２…電流、４０３…保持電流、４０４…所定の電流値、５０１…ＣＰＵ、５０２…駆動ＩＣ、５０３…通信ライン、５０５，５０６，５０７…スイッチング素子、５０８…抵抗、５０９，５１０，５１１…ダイオード、５１２，５１３…抵抗、５１４…昇圧回路（高電圧源）、５１５…接置電位、５３０…コイル、５３１…トランジスタ、５３２…ダイオード、５３３…コンデンサ、５３５…ダイオード、５４０…燃料噴射装置、５５０，５５１，５８０，５８１，５５２，５５３…配線、５９０…ソレノイド２０５の電源側端子、７１０…第３気筒の駆動電流、７１１…第３気筒の弁体変位量、７１２…第１気筒の駆動電流、７１３…第１気筒の弁体変位量、８３０…直線領域（線形領域）、９１０…高電圧源５１４の電圧値が低下しない場合の駆動電流、９１１…高電圧源５１４の電圧値が低下しない場合の弁体変位量、９１２…高電圧源５１４の電圧が低下した場合の駆動電流、９１３…高電圧源５１４の電圧が低下した場合の弁体変位量、１００１…高電圧源５１４の電圧値が昇圧電圧ＶＨとなる場合かつ燃料圧力が小さい条件での弁体変位量、１００２…高電圧源５１４の電圧値が初期値から低下している場合かつ燃料圧力が小さい条件での弁体変位量、１００３…高電圧源５１４の電圧値が昇圧電圧ＶＨとなる場合かつ燃料圧力が大きい条件での弁体変位量、１００４…高電圧源５１４の電圧値が初期値から低下している場合かつ燃料圧力が大きい条件での弁体変位量、１０１０，１０１１…開弁開始タイミングの差、１１０１，１１０２，１１０３…燃料圧力が違う３つの条件における高電圧源５１４の電圧値と燃料の噴射タイミングの関係。

Claims (8)

  1. ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
    前記駆動装置は、噴射パルスのパルス幅により、電圧源から前記ソレノイドへ供給される通電時間を制御し、
    前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅が大きくなるように補正し、
    前記駆動装置は、前記弁体が開弁を開始してから目標開度に到達する前に閉弁を開始するように制御する場合に、前記弁体が前記目標開度に到達して後に閉弁を開始するように制御する場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅の補正量を大きくすることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
  2. ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
    前記駆動装置は、噴射パルスのパルス幅により、電圧源から前記ソレノイドへ供給される通電時間を制御し、
    前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅が大きくなるように補正し、
    前記駆動装置は、前記電圧源から印加される駆動電圧に基づき前記弁体を開弁するためのピーク電流を前記ソレノイドに供給するピーク電流供給期間において電流遮断する場合には、前記ピーク電流よりも電流値の小さい保持電流を前記ソレノイドに供給する保持電流供給期間において電流遮断する場合に比べて、前記噴射パルスのパルス幅の補正量を大きくすることを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
  3. ソレノイドへの通電により生じる磁気吸引力を用いて弁体を駆動させて燃料を噴射する電磁式燃料噴射装置の駆動装置であって、
    前記駆動装置は、電圧源から前記ソレノイドへ印加される駆動電圧を制御し、前記ソレノイドに駆動電流を供給するものであり、
    前記駆動装置は、前記電圧源の電圧が第一の電圧より低下した第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、燃料の噴射量を増加させるように前記駆動電圧または前記駆動電流を補正し、
    前記駆動装置は、前記弁体が目標開度に到達せずに閉弁するハーフリフト条件での前記補正による燃料噴射量の増加量が、前記弁体が目標開度に到達した後に閉弁するフルリフト条件での前記補正による燃料噴射量の増加量よりも大きくなるように、前記駆動電圧または前記駆動電流を補正することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射装置の駆動装置であって、
    前記電圧源の電圧が前記第二の電圧である場合に、前記電圧源の電圧が前記第一の電圧である場合に比べて、前記ソレノイドへの通電開始タイミングを早める補正を行う燃料噴射装置の駆動装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料噴射装置の駆動装置であって、
    噴射する燃料の圧力が第一の圧力である場合に、噴射する燃料の圧力が前記第一の圧力より小さい第二の圧力である場合に比べて、前記ソレノイドへの通電開始タイミングを早める補正を行う燃料噴射装置の駆動装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料噴射装置の駆動装置であって、
    前記電圧源は、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路を有する燃料噴射装置の駆動装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料噴射装置の駆動装置であって、
    複数の気筒毎に設けられた燃料噴射装置の駆動を制御する燃料噴射装置の駆動装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料噴射装置の駆動装置であって、
    １燃焼行程中の燃料噴射を複数回に分割して行う燃料噴射装置の駆動装置。
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