JP7363590B2 - 噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピエゾインジェクタを駆動して噴射を制御する装置に関する。

例えば燃料等の噴射制御を行うためのアクチュエータであるピエゾインジェクタを駆動する装置は、一般にインジェクタの端子電圧を、ノイズ除去用のローパスフィルタを介して閾値電圧と比較し、閾値電圧以上となる期間をインジェクタが開弁している期間として推定する。そして、その開弁期間に基づいてピエゾインジェクタの駆動を制御している。

この場合、ローパスフィルタを介した電圧信号の波形には、時定数に応じた遅れが発生するため、閾値電圧と比較して得られた開弁期間信号には、実際の開弁期間に対して遅れが発生する。そこで、開弁期間を推定する際に、ローパスフィルタの入出力遅れ時間に基づいて、開弁期間を補正することが考えられる。

インジェクタを駆動制御する際に通電される電流は、一般に所定のエネルギで充放電が行われるように制御される。この時、インジェクタに発生する最大電圧Ｖｍａｘは、充電エネルギをＥ，インジェクタの静電容量をＣとすると、

となる。

特開２００２－１８５０５６号公報

ところで、ピエゾインジェクタは、特許文献１に示すように、温度変化や耐久性の劣化によって負荷の静電容量が経時的に変化する。したがって、同じ充電エネルギとなるように電流を制御した際にインジェクタの静電容量が変化すると、静電容量が大きい場合は最大電圧Ｖｍａｘが低くなり、静電容量が小さい場合は最大電圧Ｖｍａｘが高くなる。そして、インジェクタの最大電圧Ｖｍａｘが変化すれば、それに伴い遅れ時間も変化するため、インジェクタの開弁期間を推定できなくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピエゾインジェクタの静電容量が経時的に変化しても、開弁期間を推定できる噴射制御装置を提供することにある。

請求項１記載の噴射制御装置によれば、制御部は、ピエゾインジェクタを駆動して流体の噴射制御を行う際に、ピエゾインジェクタの端子電圧が閾値に達した時点から、ローパスフィルタを介して出力された端子電圧が閾値に達するまでの遅れ時間を、端子電圧の最大値と、ローパスフィルタの時定数と、ピエゾインジェクタの充電期間及び放電期間とにより算出すると、その算出結果に基づきピエゾインジェクタの開弁時間を推定する。これにより、制御部は、ローパスフィルタの時定数に応じて発生する電圧の遅れ時間の影響を排除して、ピエゾインジェクタの開弁時間を推定することが可能になる。

具体的には、制御部は、充電期間，放電期間のそれぞれにおいて前記端子電圧が変化する傾きを、前記最大値と充電期間，放電期間の長さとより算出し、算出した傾きとローパスフィルタの時定数とにより充電時及び放電時の遅れ時間を算出する。そして、計測部によりローパスフィルタを介して出力された電圧が閾値電圧以上となる時間を計測し、計測された時間に対し、充電時の遅れ時間を加算すると共に放電時の遅れ時間を減算して補正することで開弁時間を推定する。すなわち、ローパスフィルタからの出力電圧が閾値電圧以上となる時間は、時定数に応じた遅れ時間の影響を受けているので、計測された時間を遅れ時間により補正すれば開弁時間を推定できる。

また、充電時における電圧変化の傾きは端子電圧の最大値と充電期間の長さとから算出でき、放電時時における電圧変化の傾きは上記の最大値と放電期間の長さとから算出できる。そして、それぞれの傾きとローパスフィルタの時定数とをパラメータに含む電圧方程式を解くことで、遅れ時間を求めることができる。

一実施形態であり、燃料噴射制御装置の構成を示す機能ブロック図 マイクロコンピュータによる処理を要旨に係る部分について示すフローチャート 開弁時間の推定処理を示すサブルーチンのフローチャート ステップＳ８の処理に対応するタイミングチャート ステップＳ５の処理に対応するタイミングチャート 遅れ時間により補正して開弁時間を推定する処理を説明するタイミングチャート

図１に示すように、本実施形態の燃料噴射制御装置１は、マイクロコンピュータ２及びインジェクタ制御ＩＣ３を備えている。燃料噴射制御装置１は、図示しないが、アクセル開度やエンジン回転数，燃料圧力等のセンサ情報に基づいて、マイコン２により計算された噴射タイミング及び噴射量で、車両のエンジンに燃料を供給する燃料噴射弁であるピエゾインジェクタ４を駆動する。燃料は流体の一例である。

ピエゾインジェクタ４は容量性負荷であり、通電によりエネルギが充電されることでインジェクタ電圧が上昇して所定電圧を超えると開弁し、エネルギが放電されることでインジェクタ電圧が低下して閉弁する。上述のように計算された噴射タイミング及び噴射量に応じて、マイコン２からインジェクタ制御ＩＣ３に噴射指令が出力される。マイコン２及び制御ＩＣ３は制御部の一例である。

高電圧電源とグランドとの間には、充電スイッチであるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ５及び放電スイッチであるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６の直列回路が接続されている。ＦＥＴ５及び６の共通接続点とグランドとの間には、充放電コイル７，ピエゾインジェクタ４，気筒スイッチであるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ８及び電流検出抵抗９の直列回路が接続されている。

インジェクタ制御ＩＣ３は、噴射指令の開始からの所定期間内である充電期間に充電スイッチであるＦＥＴ５をＯＮ／ＯＦＦして、ピエゾインジェクタ４にエネルギを充電する。ＦＥＴ５をＯＮすると、高電圧電源から充放電コイル７を介してピエゾインジェクタ４に充電電流が通電され、ＦＥＴ５をＯＦＦすると、ＦＥＴ６の図示しないボディダイオードを介してインジェクタ４より放電電流が流れる。

インジェクタ４に通電された電流は、ＦＥＴ８を介して電流検出抵抗９に流れる。インジェクタ制御ＩＣ３は、電流検出抵抗９の端子電圧により前記電流をモニタしてＦＥＴ５のＯＮ／ＯＦＦタイミング制御することで、インジェクタ４の端子電圧を充電期間に所定の電圧に上昇させてインジェクタ４を開弁させる。以下、インジェクタ４の端子電圧を「インジェクタ電圧」と称す。

また、インジェクタ制御ＩＣ３は、噴射指令の終了からの所定期間内である放電期間にＦＥＴ６をＯＮ／ＯＦＦして、ピエゾインジェクタ４に滞留しているエネルギを放電する。ＦＥＴ６をＯＮすると、インジェクタ４から充放電コイル７を介して放電電流が流れ、ＦＥＴ６をＯＦＦすると、ＦＥＴ５のボディダイオードを介して前記放電電流が流れる。この場合も、インジェクタ制御ＩＣ３は、放電電流を電流検出抵抗９によりモニタしてＦＥＴ６のＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御することで、放電期間にインジェクタ電圧を０Ｖまで低下させてインジェクタ４を閉弁させる。

インジェクタ開弁時間検出回路１０は、ＣＲフィルタであるＬＰＦ（ローパスフィルタ）１１及びコンパレータ１２を備えている。充放電コイル７及びインジェクタ４の共通接続点とグランドとの間には、分圧抵抗１３ａ及び１３ｂの直列回路が接続されており、ＬＰＦ１１の入力端子は、分圧抵抗１３ａ及び１３ｂの共通接続点に接続されている。ＬＰＦ１１の出力端子は、コンパレータ１２の非反転入力端子に接続されている。コンパレータ１２の反転入力端子には、５Ｖ電源を抵抗１４ａ及び１４ｂにより分圧して生成された閾値電圧が与えられている。

コンパレータ１２の出力端子は、抵抗１５を介して５Ｖ電源にプルアップされていると共に、抵抗１６を介してマイコン２のタイマポートに接続されている。マイコン２は、コンパレータ１２より入力されるインジェクタ電圧が閾値電圧以上となる期間を内部のタイマ２Ｔにより計測し、その計測結果を暫定的にインジェクタ４の開弁期間とする。タイマ２Ｔは計測部の一例である。

また、分圧抵抗１３ａ及び１３ｂの共通接続点には、もう１つのＬＰＦ１７の入力端子が接続されており、ＬＰＦ１７の出力端子は、マイコン２のＡＤポートに接続されている。マイコン２は、入力される電圧をＡ／Ｄ変換して読み込み、インジェクタ電圧の最大電圧Ｖｍａｘを取得する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図２に示すように、マイコン２は、インジェクタ４の駆動を開始すると（Ｓ１）、インジェクタ４の開弁時間を推定する（Ｓ２）。この推定の詳細については後述する。そして、マイコン２が設定したインジェクタ４の噴射指令時間と推定した開弁時間との差の絶対値が、例えば１５μｓ等に設定される所定値未満か否かを判断する（Ｓ３）。

前記差の絶対値が所定値未満であれば（ＹＥＳ）噴射指令時間が推定した開弁時間よりも短いか否かを判断し（Ｓ４）、前者が後者よりも短ければ（ＹＥＳ）インジェクタ４を駆動する電流の閾値をより小さく設定する（Ｓ５）。一方、前者が後者以上であれば（ＮＯ）前記電流の閾値をより大きく設定する（Ｓ８）。その後、インジェクタ４の駆動停止要求があれば（Ｓ６；ＹＥＳ）インジェクタ４の駆動を停止し（Ｓ７）、停止要求が無ければ（ＮＯ）ステップＳ２に戻る。

ステップＳ５を実行するケースでは、図５に示すように、駆動電流の閾値をより小さく設定することで、インジェクタ電圧の立ち上がり，立ち下がりの傾きをより緩やかにして開弁時間がより短くなるように補正する。また、ステップＳ８を実行するケースでは、図４に示すように、駆動電流の閾値をより大きく設定することで、インジェクタ電圧の立ち上がり，立ち下がりの傾きをより急峻にして開弁時間がより長くなるように補正する。

尚、ステップＳ３において、前記差の絶対値が所定値以上であり「ＮＯ」と判断されるケースは、制御ＩＣ３やＦＥＴ５，６，８を備える駆動回路の異常や、インジェクタ４やハーネス等に異常があることが想定される。したがって、ステップＳ７に移行してインジェクタ４の駆動を停止させる。

図３に示すように、ステップＳ２の推定処理では、インジェクタ電圧の最大電圧Ｖｍａｘを取得すると（Ｓ１１）、マイコン２のタイマポートに入力されるコンパレータ１２の出力電圧がハイレベルを示す時間Ｔｉｎをタイマ２Ｔにより計測する（Ｓ１２）。次に、最大電圧Ｖｍａｘを充電時間Ｔｃｈｇで除して充電期間の電圧傾きα_ｃを求め（Ｓ１３）、その傾きα_ｃを用いて充電時の遅れ時間Ｔｄｒを算出する（Ｓ１４）。

ここで、充放電開始時におけるインジェクタ４の駆動電圧をＶ_０，充放電期間の電圧傾きをα，ＬＰＦ１１の抵抗値をＲ，容量をＣとすると、充放電の開始から時間ｔ後におけるＬＰＦ１１の出力電圧Ｖ_ＡＬＰＦ（ｔ）は、以下の式で表すことができる。
Ｖ_ＡＬＰＦ（ｔ）＝Ｖ_０＋α×ｔ－α×Ｒ×Ｃ×（１－ｅ^{－ｔ／（Ｒ×Ｃ）}） …（１）
この（１）式について、充電期間の傾きα_ｃを用い、Ｖ_ＡＬＰＦ（ｔ）をコンパレータ１２の閾値電圧として時間ｔについて解けば、充電時の遅れ時間Ｔｄｒが求められる。

続いて、最大電圧－Ｖｍａｘを放電時間Ｔｄｃｈｇで除して放電期間の電圧傾きα_ｄを求め（Ｓ１５）、その傾きα_ｄを用いて、上記と同様に放電時の遅れ時間Ｔｄｆを算出する（Ｓ１６）。そして、開弁時間を以下のように推定する（Ｓ１７）。
（推定開弁時間）＝Ｔｉｎ＋Ｔｄｒ－Ｔｄｆ …（２）
これにより、図６に示すように、遅れ時間Ｔｄｒ，Ｔｄｆによる補正を加えた開弁時間を推定する。

以上のように本実施形態によれば、マイコン２は、ピエゾインジェクタ４を駆動して燃料の噴射制御を行う際に、ＬＰＦ１１を介して入力された電圧の遅れ時間を、インジェクタ４の端子電圧の最大値Ｖｍａｘと、ＬＰＦ１１の時定数と、インジェクタ４の充電期間及び放電期間とにより算出すると、その算出結果に基づきインジェクタ４の開弁時間を推定する。これにより、マイコン２は、前記時定数に応じて発生する電圧の遅れ時間の影響を排除して、インジェクタ４の開弁時間をより精確に推定することが可能になる。

具体的には、マイコン２は、タイマ２Ｔによりローパスフィルタを介して出力された電圧が所定電圧以上となる時間を計測し、計測された時間を遅れ時間により補正して開弁時間を推定する。すなわち、ＬＰＦ１１からの出力電圧が所定電圧以上となる時間は、時定数に応じた遅れ時間の影響を受けているので、計測された時間を遅れ時間により補正すれば開弁時間を妥当に推定できる。

更に、マイコン２は、充電期間，放電期間のそれぞれにおいてインジェクタ電圧が変化する傾きを算出し、算出した傾きとＬＰＦ１１のＣＲ時定数とにより遅れ時間を推定する。すなわち、充電時における電圧変化の傾きα_ｃは最大電圧Ｖｍａｘと充電期間の長さＴｃｈｇとから算出でき、放電時時における電圧変化の傾きα_ｄは符号が負の最大電圧－Ｖｍａｘと放電期間の長さＴｄｃｈｇとから算出できる。そして、それぞれの傾きとＣＲ時定数とをパラメータに含む電圧方程式である（１）を解くことで、遅れ時間を求めることができる。

また、マイコン２は、インジェクタ４の駆動を制御する際に、入力される噴射指令時間に対して推定した開弁時間が長い場合はインジェクタ４を駆動する電流量を小さくし、推定した開弁時間が短い場合は前記電流量を大きくする。この場合、制御ＩＣ３は、電流検出抵抗９により検出された電流に対して設定される閾値を変化させることで、インジェクタ４を駆動する電流量を増減させる。これにより、噴射指令時間と推定した開弁時間との差に応じて、インジェクタ４の駆動電流量が適切となるように制御できる。

加えて、マイコン２は、噴射指令時間と推定した開弁時間との差分が所定値以上であればインジェクタ４の駆動を停止させるので、制御ＩＣ３駆動回路等に異常がある蓋然性が高い状態で駆動制御を継続することを回避できる。

（その他の実施形態）
充電スイッチや放電スイッチはＮチャネルＭＯＳＦＥＴに限ることなく、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ等でも良い。
ステップＳ３は、必要に応じて実行すれば良い。
燃料以外の流体を噴射する装置に適用しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は燃料噴射制御装置、２はマイクロコンピュータ、３はインジェクタ制御ＩＣ、４はピエゾインジェクタ、５，６，８は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、７は充放電コイル、９は電流検出抵抗、１０はインジェクタ開弁時間検出回路、１１はＬＰＦ、１２はコンパレータを示す。

Claims (5)

1. ピエゾインジェクタ（４）を駆動して流体の噴射制御を行うもので、
   前記ピエゾインジェクタの端子電圧が入力されるローパスフィルタ（１１）と、
   前記端子電圧が閾値に達した時点から、前記ローパスフィルタを介して出力された端子電圧が前記閾値に達するまでの遅れ時間を、前記端子電圧の最大値と、前記ローパスフィルタの時定数と、前記ピエゾインジェクタの充電期間及び放電期間とにより算出し、その算出結果に基づき前記ピエゾインジェクタの開弁時間を推定する制御部（２，３）とを備え、
   前記制御部は、前記充電期間，前記放電期間のそれぞれにおいて前記端子電圧が変化する傾きを、前記最大値と前記充電期間，前記放電期間の長さとより算出し、算出した傾きと前記ローパスフィルタの時定数とにより充電時及び放電時の遅れ時間を算出し、
   前記ローパスフィルタを介して出力された端子電圧が前記閾値電圧以上となる時間を計測する計測部を備え、
   前記計測部により計測された時間に対し、前記充電時の遅れ時間を加算すると共に前記放電時の遅れ時間を減算して補正することで、前記開弁時間を推定する噴射制御装置。
2. 前記制御部は、前記ピエゾインジェクタの駆動を制御する際に、入力される噴射指令時間に対して推定した開弁時間が長い場合は、前記ピエゾインジェクタを駆動する電流量を小さくし、
   前記噴射指令時間に対して推定した開弁時間が短い場合は、前記ピエゾインジェクタを駆動する電流量を大きくする請求項１記載の噴射制御装置。
3. 前記ピエゾインジェクタに通電される電流を検出する電流検出部（９）を備え、
   前記制御部は、前記電流検出部により検出された電流に対して設定される閾値を変化させることで、前記ピエゾインジェクタを駆動する電流量を増減させる請求項２記載の噴射制御装置。
4. 前記制御部は、噴射指令時間と推定した開弁時間との差分が所定値以上であれば、前記ピエゾインジェクタの駆動を停止する請求項１から３の何れか一項に記載の噴射制御装置。
5. 前記制御部は、充電開始時又は放電開始時におけるインジェクタの駆動電圧をＶ _０ ，充電期間又は放電期間の電圧傾きをα，前記ローパスフィルタの抵抗値をＲ，容量をＣとすると、充電の開始又は放電の開始から時間ｔ後における前記ローパスフィルタの出力電圧Ｖ _ＡＬＰＦ （ｔ）を表す以下の（１）式を、
   Ｖ _ＡＬＰＦ （ｔ）＝Ｖ _０ ＋α×ｔ－α×Ｒ×Ｃ×（１－ｅ ^{－ｔ／（Ｒ×Ｃ）} ） …（１）
   充電期間又は放電期間それぞれの端子電圧の傾きα _ｃ を用い、Ｖ _ＡＬＰＦ （ｔ）を前記閾値として時間ｔについて解くことで、充電時及び放電時の遅れ時間を求める請求項１から４の何れか一項に記載の噴射制御装置。

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