JP6811153B2 - 燃料噴射弁駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁の駆動回路に関し、特に電源の電圧を昇圧する昇圧回路を備える燃料噴射弁駆動回路に関する。

特許文献１には、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁の駆動装置が示されている。この駆動装置によれば、燃料噴射弁の開弁時に、バッテリ電圧を昇圧した昇圧電圧を燃料噴射弁の駆動ソレノイドに印加し、開弁後に印加電圧の極性を逆転させて一定時間印加し、その後開弁状態を維持するための駆動電流を駆動ソレノイドに供給する制御が行われる。この駆動制御によって、弁体の不安定な挙動が抑制され、燃料噴射弁の最小噴射量が低減される。

特開２０１５−２０６３７１号公報

特許文献１に示された駆動装置では、燃料噴射弁の駆動コイルに印加される電圧の極性が逆転されるため、駆動回路が複雑化するという課題がある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、比較的簡単な構成で燃料噴射弁の開弁直後における弁体の振動を抑制し、最小噴射量を低減することができる燃料噴射弁駆動回路を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、電源（４）の電圧（ＶＢＡＴ）を昇圧する昇圧回路（１１）を含み、該昇圧回路から出力される昇圧電圧（ＶＢＳＴ）と、前記電源の電圧（ＶＢＡＴ）とを用いて、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（２）を開弁駆動する燃料噴射弁駆動回路において、前記燃料噴射弁（２）の開弁時に前記昇圧電圧（ＶＢＳＴ）を前記燃料噴射弁の駆動ソレノイド（Ｌ１１）に印加し、前記燃料噴射弁の開弁後に前記燃料噴射弁の弁体の振動を抑制するために、前記昇圧電圧（ＶＢＳＴ）と前記電源の電圧（ＶＢＡＴ）の差分電圧（ＶＤＩＦ）を前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）に印加することを特徴とする。

この構成によれば、燃料噴射弁の開弁時に昇圧回路から出力される昇圧電圧が燃料噴射弁の駆動ソレノイドに印加され、燃料噴射弁の開弁後に燃料噴射弁の弁体の振動を抑制するために、昇圧電圧と電源の電圧の差分電圧が駆動ソレノイドに印加される。差分電圧は、昇圧電圧と電源の電圧との間の電圧とすることができるので、弁体の振動を抑制する上で適切な電圧を駆動ソレノイドに印加することが可能となり、しかも差分電圧を印加するための回路は比較的簡単な構成で実現できる。したがって、比較的簡単な構成で燃料噴射弁の開弁直後における弁体の振動を抑制し、最小噴射量を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料噴射弁駆動回路において、前記差分電圧（ＶＤＩＦ）をオンオフデューティ制御して前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）に印加することを特徴とする。
この構成によれば、差分電圧をオンオフデューティ制御して駆動ソレノイドに印加されるので、デューティ比を変化させることで、弁体振動抑制効果が最適となる吸引力を容易に発生させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料噴射弁駆動回路において、前記昇圧回路（１１）と前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）の一端との間に設けられた第１スイッチング素子（Ｑ１１）と、前記電源（４）と前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）の一端との間に設けられた第２スイッチング素子（Ｑ１２）と、前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）の他端とグランドとの間に設けられた第３スイッチング素子（Ｑ１３）と、前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）の他端と、前記電源（４）との間に設けられ、前記他端にアノードが接続されたダイオード（Ｄ１４）とを備え、前記第１スイッチング素子（Ｑ１１）をオンさせるとともに前記第３スイッチング素子（Ｑ１３）をオフすることによって、前記差分電圧（ＶＤＩＦ）を前記駆動ソレノイド（Ｌ１１）に印加することを特徴とする。

この構成によれば、従来の回路にダイオード１個を追加するだけで、駆動ソレノイドに差分電圧を印加する駆動回路を実現することができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の要部の構成を示す図である。 図１に示す燃料噴射弁を駆動する燃料噴射弁駆動回路の要部を示す回路図である。 図２に示す駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の要部の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、４つの気筒を有し、各気筒には燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２が設けられている。各燃料噴射弁２は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３に接続されており、その動作はＥＣＵ３によって制御される。ＥＣＵ３には、電源としてのバッテリ４が接続されており、バッテリ電圧ＶＢＡＴが電源電圧として供給される。

図２は、燃料噴射弁２を駆動する燃料噴射弁駆動回路の要部を示す回路図であり、１つの気筒に対応する駆動回路が示されている。燃料噴射弁駆動回路は、ＥＣＵ３に含まれる。この駆動回路は、昇圧回路１１と、各気筒に対応するスイッチング回路１２とを備えており、スイッチング回路１２に燃料噴射弁２の駆動ソレノイドＬ１１が接続されている。なお、昇圧回路１１は、全ての気筒に対応するスイッチング回路１２に昇圧電圧ＶＢＳＴを供給する。ＥＣＵ３は、図示しないＣＰＵを備えており、ＣＰＵが昇圧回路１１及びスイッチング回路１２の制御を行う。

昇圧回路１１は、ソレノイド，ダイオード，スイッチング素子としての電界効果トランジスタ（以下「ＦＥＴ」という），抵抗，コンデンサを含む周知の回路である。昇圧回路１１にはバッテリ電圧ＶＢＡＴが入力され、昇圧電圧ＶＢＳＴが出力される。本実施形態では、バッテリ電圧ＶＢＡＴは１２Ｖ程度であり、昇圧電圧ＶＢＳＴは６５Ｖ程度に設定される。

昇圧回路１１の出力端子は、ＦＥＴＱ１１及び抵抗Ｒ１２を介して駆動ソレノイドＬ１１の一端に接続されている。ＦＥＴＱ１１と抵抗Ｒ１２の接続点には、バッテリ４の出力端子ＴＢがＦＥＴＱ１２及びダイオードＤ１１を介して接続されている。抵抗Ｒ１２は、駆動ソレノイドＬ１１に供給される駆動電流ＩＤを検出するためのシャント抵抗である。抵抗Ｒ１２の両端は図示しないＣＰＵに接続され、抵抗Ｒ１２の両端電圧によって駆動電流ＩＤが検出される。

駆動ソレノイドＬ１１の他端とグランドとの間にはＦＥＴＱ１３が接続されており、ＦＥＴＱ１３のゲート−ドレイン間にはツェナーダイオードＤ１３が接続され、ゲート−ソース間には抵抗Ｒ１１が接続されている。駆動ソレノイドＬ１１の他端は、ダイオードＤ１４を介してバッテリ出力端子ＴＢに接続されており、バッテリ出力端子ＴＢとグランドとの間にはコンデンサＣ１１が接続されている。ダイオードＤ１４は、アノードが駆動ソレノイドＬ１１の他端に接続される。

図３は、図２に示す駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートであり、駆動ソレノイドＬ１１の両端に印加される駆動電圧ＶＤ、及び駆動ソレノイドＬ１１を流れる駆動電流ＩＤの推移と、ＦＥＴＱ１１〜Ｑ１３及び開弁指令信号のオンオフ状態の推移とが模式的に示されている。この動作例では、時刻ｔ０からｔ３の期間において開弁指令信号がオン状態となり、燃料噴射が実行される。この図において破線で示すパルス状の波形は、オンオフデューティ制御が実行されていることを示すために付したもので、正確なデューティ比を示すものではない。

時刻ｔ０からｔ１までの期間では、ＦＥＴＱ１１及びＱ１３がオン状態とされ、ＦＥＧＱ１２がオフ状態とされる。したがって、駆動電圧ＶＤは昇圧電圧ＶＢＳＴとほぼ等しくなり（正確には抵抗Ｒ１２による電圧降下分だけ低くなる）、燃料噴射弁２の開弁動作が開始される。

時刻ｔ１からｔ２までの期間では、ＦＥＴＱ１１がオンオフデューティ制御され、ＦＥＴＱ１２はオフ状態が継続され、ＦＥＴＱ１３がオフ状態とされる。ＦＥＴＱ１３がオフ状態とされるため、ダイオードＤ１４が導通し、駆動電圧ＶＤは昇圧電圧ＶＢＳＴと、バッテリ電圧ＶＢＡＴの差分電圧ＶＤＩＦ（＝ＶＢＳＴ−ＶＢＡＴ）にほぼ等しくなる。ＦＥＴＱ１１は、駆動電流ＩＤが第１保持電流ＩＨＬＤ１と一致するようにオンオフデューティ制御される。第１保持電流ＩＨＬＤ１は、燃料噴射弁２の弁体の振動を抑制するために最適な吸引力が得られるように設定される。

時刻ｔ２からｔ３までの期間では、ＦＥＴＱ１１がオフ状態とされ、ＦＥＴＱ１２がオン状態とされ、ＦＥＴＱ１３がオンオフデューティ制御される。したがって、駆動電圧ＶＤはバッテリ電圧ＶＢＡＴとほぼ等しくなる。ＦＥＴＱ１３は、駆動電流ＩＤが第２保持電流ＩＨＬＤ２と一致するようにオンオフデューティ制御される。第２保持電流ＩＨＬＤ２は、燃料噴射弁２の開弁状態を維持するために必要な吸引力が得られるように設定される。

以上のように本実施形態では、燃料噴射弁２の開弁時に昇圧回路１１から出力される昇圧電圧ＶＢＳＴが燃料噴射弁２の駆動ソレノイドＬ１１に印加され、燃料噴射弁２の開弁後に燃料噴射弁２の弁体の振動を抑制するために、昇圧電圧ＶＢＳＴとバッテリ電圧ＶＢＡＴの差分電圧ＶＤＩＦが駆動ソレノイドＬ１１に印加される。差分電圧ＶＤＩＦは、昇圧電圧ＶＢＳＴとバッテリ電圧ＶＢＡＴとの間の電圧（本実施形態では５３Ｖ程度）とすることができるので、弁体の振動を抑制する上で適切な電圧を駆動ソレノイドＬ１１に印加することが可能となる。

すなわち、昇圧電圧ＶＢＳＴをそのまま印加してオンオフデューティ制御する場合には、駆動電流ＩＤを第１保持電流ＩＨＬＤ１に保持するためのデューティ比が比較的小さくなり、デューティ比の僅かな変化で駆動電流ＩＤが大きく変化する一方、バッテリ電圧ＶＢＡＴを印加してオンオフデューティ制御する場合には、デューティ比を１００％としても弁体の振動抑制のための十分な吸引力は得られない。したがって、差分電圧ＶＤＩＦを印加することによって、駆動電流ＩＤを第１保持電流ＩＨＬＤ１に高い精度で制御することができる。しかも、差分電圧ＶＤＩＦを印加するための回路は、従来の駆動回路にダイオードＤ１４を追加することで実現できるので、比較的簡単な構成で燃料噴射弁２の開弁直後における弁体の振動を抑制して、燃料噴射時間が比較的短い範囲で燃料噴射量との関係の線形性が確保され、最小噴射量を低減することができる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態ではスイッチング素子として、電界効果トランジスタを使用する例を示したが、同様の機能を有する他のトランジスタまたはリレーなどを使用してもよい。また、電源はバッテリに限らず、例えばエンジン１によって駆動される発電機であってもよい。

またオンオフデューティ制御においてデューティ比のフィードバック制御を行わない場合（予め設定したデューティ比でオンオフデューティ制御を行う場合）には、電流検出用の抵抗Ｒ１２を削除し、ＦＥＴＱ１１及びダイオードＤ１１を駆動ソレノイドＬ１１の一端に直接接続するようにしてもよい。

１ 内燃機関
２ 燃料噴射弁
３ 電子制御ユニット
４ バッテリ（電源）
１１ 昇圧回路
１２ スイッチング回路
Ｌ１１ 駆動ソレノイド
Ｑ１１ 電界効果トランジスタ（第１スイッチング素子）
Ｑ１２ 電界効果トランジスタ（第２スイッチング素子）
Ｑ１３ 電界効果トランジスタ（第３スイッチング素子）
Ｄ１４ ダイオード

Claims (3)

1. 電源の電圧を昇圧する昇圧回路を含み、該昇圧回路から出力される昇圧電圧と、前記電源の電圧とを用いて、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を開弁駆動する燃料噴射弁駆動回路において、
   前記燃料噴射弁の開弁時に前記昇圧電圧を前記燃料噴射弁の駆動ソレノイドに印加し、前記燃料噴射弁の開弁後に前記燃料噴射弁の弁体の振動を抑制するために、前記昇圧電圧と前記電源の電圧の差分電圧を前記駆動ソレノイドに印加することを特徴とする燃料噴射弁駆動回路。
2. 前記差分電圧をオンオフデューティ制御して前記駆動ソレノイドに印加することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁駆動回路。
3. 前記昇圧回路と前記駆動ソレノイドの一端との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記電源と前記駆動ソレノイドの一端との間に設けられた第２スイッチング素子と、前記駆動ソレノイドの他端とグランドとの間に設けられた第３スイッチング素子と、前記駆動ソレノイドの他端と、前記電源との間に設けられ、前記他端にアノードが接続されたダイオードとを備え、
   前記第１スイッチング素子をオンさせるとともに前記第３スイッチング素子をオフすることによって、前記差分電圧を前記駆動ソレノイドに印加することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁駆動回路。

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