JP4609093B2

JP4609093B2 - 電磁弁駆動装置

Info

Publication number: JP4609093B2
Application number: JP2005027810A
Authority: JP
Inventors: 晋辻本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-02-03
Also published as: JP2006216771A

Description

本発明はソレノイドコイルへの通電により開閉する電磁弁の駆動装置に関するものであり、特に、エンジンの燃料噴射装置に好適に用いられる電磁弁駆動装置に関する。

エンジンの燃料噴射システムにおいて、筒内に燃料を噴射するインジェクタを駆動するために電磁弁が広く用いられている。このシステムでは、電磁弁の応答性を向上させることが重要であり、従来技術として、例えば特許文献１に代表されるように、コンデンサに蓄電したエネルギーをインジェクタ駆動時に放電して電磁弁を高速駆動させる装置が知られている。この装置では、電源電圧より高い電圧を発生させてコンデンサに蓄え、駆動開始時にコンデンサから大電流を供給する。その後、初期の電流値から電源電圧による定電流値に切り替えることで、電磁弁の開弁を保持するようになっている。
特開平７−７１６３９号公報

近年、排出ガス規制が強化されており、これに対応して最適な燃焼状態を実現するために、例えば、１気筒当たり複数回の連続噴射が求められることがある。ところが、この場合、噴射と噴射の間隔が非常に短くなり、充電のための十分な時間が取れなくなる問題が発生した。これは、従来は噴射回数も少なく、放電後に充電する時間が十分にあるため、大きな問題とはなっていなかったものである。

図４は、連続噴射時のコンデンサ充電電圧の変化を示す図である。従来の駆動方法は、コンデンサ充電電圧がスレッシュレベルを下回った時に充電を開始するため、充電のタイミングによっては、満充電に達する前に次に噴射タイミングが来てしまう場合がある。図４（ａ）の例では、２回目以降の噴射開始時のコンデンサ充電電圧がスレッシュレベルに到達しておらず、噴射回数が多くなるほど、充電レベルが低下する。また、図４（ｂ）のように、１回目の噴射期間が短いと、放電量が少なくスレッシュレベルを下回らないため、充電が行われない。この場合、２回目の噴射時にはスレッシュレベルを上回っているが、その後の噴射で充電電圧が大きく低下してしまう。

従って、図示するように、電流を出力し始める時のコンデンサ充電電圧が変動して、電流の立ち上がりが変化する。このため、電磁弁の応答性が変化して、インジェクタの噴射タイミング・噴射量のばらつきの要因となる。そこで、電磁弁の応答性の変動を防止することが求められ、この要求を満たすために、例えば、コンデンサの容量を大きくして必要とされる以上のエネルギーを常に蓄えておく方法や、各噴射に対応できるよう複数のコンデンサを備えることなどが検討されている。しかしながら、このような方法では、コストが増加する、あるいは体格が大型化するといった問題があった。

そこで、本発明は、コストの増加や体格の大型化を伴わずに、駆動開始時のコンデンサ充電電圧の変動を抑制し、連続噴射時においても電磁弁の応答性を変化させることなく安定して駆動できる電磁弁駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、本発明の課題を解決するための他の手段を示し、
ソレノイドコイルへの通電により開閉弁する電磁弁と、
電源電圧よりも高い電圧を蓄えるチャージコンデンサと、
電源電圧を昇圧して上記チャージコンデンサに蓄電する充電回路とを備え、
上記電磁弁の駆動初期に上記チャージコンデンサからの放電電流を上記ソレノイドコイルへ供給する電磁弁駆動装置において、
上記電磁弁の駆動開始時に上記チャージコンデンサが一時的に過充電となるように、上記チャージコンデンサの充電電圧に基づいて上記充電回路による充電開始タイミングを設定する充電制御手段を設ける。

駆動開始時に満充電となるように制御するのでなく、一時的に過充電となるようにしてもよい。このようにすると、連続噴射時のコンデンサ充電電圧が大きく低下することがなく、電磁弁の応答性が変化するのを防止する効果が高い。また、過充電となるのは一時的であるので、チャージコンデンサの信頼性を損なうことなく、制御性よく電磁弁を駆動できる。

請求項２記載の発明において、上記充電制御手段は、上記電磁弁の駆動を連続して実施する際に、電源電圧と上記チャージコンデンサの充電電圧から、上記チャージコンデンサが過充電の上限値となるまでの時間を算出し、最初の放電開始直前に上記チャージコンデンサが上記上限値となるように上記充電回路による充電開始タイミングを設定する。

具体的には、チャージコンデンサの信頼性を確保できる範囲で過充電の上限値を設定し、連続噴射の最初の放電開始直前に、この上限値となるように充電開始タイミング制御を行うことで、コンデンサ充電電圧をより高く維持して、電磁弁の応答性の変化を防止することができる。

次に、本発明の実施形態を図面により説明する。図１は本発明による電磁弁駆動装置の概略構成図で、本実施形態では４気筒エンジンの燃料噴射装置に適用した例として説明する。図中、１１〜１４は電磁弁のソレノイドコイルであり、エンジンの気筒数分だけ設けられる。電磁弁は、図示しないインジェクタにそれぞれ内蔵されてソレノイドコイル１１〜１４への通電により弁体を開閉駆動するようになっており、これに伴いインジェクタのノズルが開閉して各気筒に燃料が噴射される。

電磁弁駆動装置は、ソレノイドコイル１１〜１４を駆動するための駆動回路１５とこれを制御する制御部１６とを備える。駆動回路１５は、電源（バッテリ）電圧よりも高い電圧を蓄えるチャージコンデンサ２と、チャージコンデンサ２に電気エネルギーを充電する充電回路３、および定電流回路４を有している。ソレノイドコイル１１〜１４の一端は、駆動回路１５の共通の接続端子５１に接続し、他端はソレノイドコイル１１〜１４に１対１で設けた接地側の接続端子５２〜５５にそれぞれ接続している。接地側の接続端子５２〜５５は、インジェクタからの噴射を実施するための気筒選択スイッチ６１〜６４を介してそれぞれ接地されている。気筒選択スイッチ６１〜６４は、制御部１６に接続されており、制御部１６からの駆動信号により気筒選択スイッチ６１〜６４をオンすると、対応するソレノイドコイル１１〜１４が通電される。

充電回路３は、車載バッテリの給電で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータで、昇圧用インダクタ３１と充電スイッチ３２を有し、ダイオード３３を介してチャージコンデンサ２に接続されている。チャージコンデンサ２は、通電路５により共通の接続端子５１に接続しており、チャージコンデンサ２からの放電電流が通電路５からソレノイドコイル１１〜１４に供給される。充電スイッチ３２は制御部１６に接続され、制御部１６からの充電信号で充電スイッチ３２をオンオフ制御することにより、インダクタ３１に蓄積したエネルギーがチャージコンデンサ２に充電される。

定電流回路４はスイッチ４１およびダイオード４２を有し、通電路５に対して並列に接続している。スイッチ４１は制御部１６に接続されており、制御部１６によってオンオフ制御されて、バッテリによる定電流をソレノイドコイル１１〜１４に供給する。これにより、通電初期にチャージコンデンサ２からの大電流でソレノイドコイル１１〜１４を高速駆動し、その後はバッテリ駆動に切換えて開弁の維持に必要な電流を供給する。

制御部１６には、図示しない各種センサ等の検出信号が入力しており、これらの情報に基づいて運転条件が最適となるように噴射時期や噴射量等を算出し、駆動回路１５に駆動信号を出力して、電磁弁を駆動する。また、電磁弁の駆動に先立ってチャージコンデンサ２が所定の充電電圧となるように、充電開始タイミングを設定して充電信号を出力し、充電回路３によるチャージコンデンサ２への充電を制御する（充電制御手段）。

チャージコンデンサ２の充電開始タイミングは、具体的には、バッテリ電圧やチャージコンデンサ２の充電電圧をモニタし、放電開始時のチャージコンデンサ２の充電電圧が満充電ないし過充電、あるいは満充電に極力近くなるように設定される。噴射回数や噴射パターンに応じて、最適な充電開始タイミングを設定し、充電制御を行うことで、電磁弁を安定して駆動できる。以下に、その具体的な実施形態を図２、３のタイムチャートを参照して説明する。ここでは、一気筒から複数回の連続噴射を行う場合を想定している。

図２中、本発明の参考例として実線で示す第１形態では、電磁弁の駆動開始時にチャージコンデンサ２が満充電となるように、充電開始タイミングを設定する。制御部１６は、ＣＰＵにて次の噴射開始タイミングと期間を算出した後、バッテリ電圧とチャージコンデンサ２の充電電圧の検出値と、ＣＰＵの噴射期間指令に基づいて算出されるチャージコンデンサ２の予想放電量から、チャージコンデンサ２が満充電となるまでの時間を算出する。そして、ＣＰＵからの噴射開始タイミング指令を基に、噴射開始時に満充電となる充電開始タイミングを算出する。

次いで、制御部１６は、算出した所定の充電開始タイミングで充電信号を出力し、充電回路３の充電スイッチ３２をスイッチング動作させる。これにより、チャージコンデンサ２への充電が開始され（図２のタイミングａ）、最初の噴射開始時点（図２のタイミングｃ）において満充電となるように、充電がなされる。従って、所定の噴射開始タイミング（図２のタイミングｃ）において、噴射を行うインジェクタに対応する気筒選択スイッチ６１〜６４をオンすると、電磁弁のソレノイドコイル１１〜１４に満充電となったチャージコンデンサ２から大電流が放電される。

その後、定電流回路４の定電流制御に切換えることで、引き続き電磁弁の開弁を保持することができる。定電流制御時において、制御部１６は定電流回路４のスイッチ４１をオンオフして、所定の駆動電流がソレノイドコイル１１〜１４に供給されるように制御する。このようにして、通電初期に大きな駆動電流を流し、電磁弁を高速開弁することができる。

その間、制御部１６の充電制御回路は、２回目の噴射開始タイミングに合わせて同様の充電制御を行う。図示するように連続噴射の場合は噴射間隔が短いため、満充電に必要な時間が噴射間隔以下であると、放電直後に充電を開始することになる。この場合、噴射開始時に満充電に満たないことがあるが、放電後直ちに充電を開始して、２回目の噴射開始時点（図２のタイミングｄ）まで充電することにより、充電レベルが極力低下しないようにする。このような場合でも、最初の噴射開始前に満充電となっているので、最初の噴射後の充電レベルの低下が抑制され、最初の噴射後にさらに充電することで、２回目の噴射時の充電電圧を例えばスレッシュレベル以上に十分高くすることができる。３回目の噴射時も同様にして充電制御がなされる。

点線で示す従来制御では、最初の噴射開始前に充電電圧がスレッシュレベル以上であると充電を行わないため、放電直後に充電を開始しても充電レベルが回復せず、連続噴射によって充電レベルが大きく低下してしまう。これに対し、第１形態の制御では、連続噴射を行っても充電レベルが大きく低下することがなく、チャージコンデンサ２から電磁弁へのエネルギー供給量の変動を抑制できる。よって、図示するように、電磁弁の駆動電流の立ち上がりを安定させて、電磁弁の応答性の変化を小さくし、インジェクタからの噴射タイミング・噴射量のばらつきを抑制することができる。

連続噴射時は、噴射回数が多いと噴射終了まで充電レベルを維持することが難しいことから、図２中、本発明例として一点鎖線で示す第２実施形態のように、最初の噴射開始時にチャージコンデンサ２が一時的に過充電となるように、充電開始タイミングを設定することもできる。この場合、制御部１６は、ＣＰＵにて噴射回数・噴射開始タイミングの算出後、この指令に基づいて、バッテリ電圧とコンデンサ充電電圧から、最初の噴射の直前に、コンデンサの過充電の上限値までの充電時間を算出する。そして、噴射の直前にコンデンサ充電電圧が、算出した上限値となるような充電開始タイミングを設定する。ここで、過充電の上限値とは、放電直前の極めて短時間の過充電であることを限定として、コンデンサの信頼性を損なわない範囲で、コンデンサの満充電の定格値よりも高い充電値のことをいう。

この場合、制御部１６から、第１形態よりも早いタイミングで充電信号が出力され、チャージコンデンサ２への充電が開始される（図２のタイミングｂ）、そして、最初の噴射開始時点（図２のタイミングｃ）において一次的な過充電となったチャージコンデンサ２から、電磁弁のソレノイドコイル１１〜１４へ放電電流が供給される。２回目以降の充電は、第１形態と同様になされる。

このように、最初の噴射開始時にチャージコンデンサ２が過充電となるように充電制御を行うことで、第１形態よりも充電レベルを高く維持することができる。図２のように、連続噴射時は、噴射毎に充電レベルが低下するが、第２実施形態では、チャージコンデンサ２が予め過充電の上限値まで充電されているため、２回目の噴射時にほぼ満充電まで充電され、３回目の噴射時でも例えばスレッシュレベル以上とすることができる。よって、充電レベルの低下を抑制する効果が高く、電磁弁の応答性の変化を防止し、インジェクタからの噴射制御性をより向上することができる。

図３に本発明の参考例として第３形態を示す。上記第１形態、第２実施形態では、噴射開始前にできるだけ充電電圧が高くなるように充電開始タイミングを設定したが、噴射直後にできるだけ早く充電電圧が回復するように充電開始タイミングを設定してもよい。図示するように、連続噴射の最初の噴射期間が短い噴射パターンでは、最初の噴射量が少ないため、噴射後にチャージコンデンサ２の充電電圧の低下が小さい。このように、最初の噴射後の充電レベルの低下が小さい場合には、図に実線で示すように、連続噴射の各回の放電直後、すなわち電磁弁の駆動終了直後に充電を開始するように充電開始タイミングを設定することもできる。

制御部１６は、ＣＰＵにて算出された噴射終了タイミングの直後に充電が開始されるように充電開始タイミングを設定し、充電信号を出力する。これにより、最初の噴射終了直後に、チャージコンデンサ２への充電が開始され、２回目の噴射開始時点において、ほぼ満充電に近い充電電圧となったチャージコンデンサ２から、電磁弁のソレノイドコイル１１〜１４へ放電電流が供給される。３回目以降の充電も同様になされる。

図に点線で示す従来制御では、最初の噴射後にチャージコンデンサ２の充電電圧がスレッシュレベルを下回らないと、充電がなされないまま２回目の噴射が実施される。この場合、２回目の噴射後の充電レベルの低下が大きく、３回目以降の電磁弁の応答性が低下する。これに対し、第３形態の制御では、放電直後に充電開始タイミングを設定するので、スレッシュレベルを下回ったかどうかにかかわらず、次の噴射まで充電がなされ、噴射開始時のチャージコンデンサ２の充電電圧の低下を抑制することができる。また、満充電までの時間等の算出が不要で充電開始タイミングの設定が容易であり、簡易な方法で効果的に充電制御ができる。

以上のように、本発明によれば、チャージコンデンサからの放電電流を電磁弁に供給する駆動装置において、噴射回数や噴射パターンに応じて、チャージコンデンサへの最適な充電開始タイミングを設定することにより、噴射開始時のチャージコンデンサ充電電圧を制御し、噴射毎に電磁弁へのエネルギー供給量が変化するのを防止できる。よって、電磁弁の応答性が変化するのを防止し、噴射制御性・信頼性を向上させることができる。

本発明を適用した電磁弁駆動装置の概略構成図である。本発明の参考例である第１形態および本発明例である第２実施形態による制御と従来の駆動装置による制御とを比較したタイムチャート図である。本発明の参考例である第３形態による制御と従来の駆動装置による制御とを比較したタイムチャート図である。（ａ）、（ｂ）は従来の駆動装置による制御を説明するタイムチャート図である。

符号の説明

１１〜１４ソレノイドコイル
１５駆動回路
１６制御部（充電制御手段）
２チャージコンデンサ
３充電回路
４定電流回路
５１〜５５接続端子
６１〜６４気筒選択スイッチ

Claims

ソレノイドコイルへの通電により開閉弁する電磁弁と、
電源電圧よりも高い電圧を蓄えるチャージコンデンサと、
電源電圧を昇圧して上記チャージコンデンサに蓄電する充電回路とを備え、
上記電磁弁の駆動初期に上記チャージコンデンサからの放電電流を上記ソレノイドコイルへ供給する電磁弁駆動装置において、
上記電磁弁の駆動開始時に上記チャージコンデンサが一時的に過充電となるように、上記チャージコンデンサの充電電圧に基づいて上記充電回路による充電開始タイミングを設定する充電制御手段を設けたことを特徴とする電磁弁駆動装置。
上記充電制御手段は、上記電磁弁の駆動を連続して実施する際に、電源電圧と上記チャージコンデンサの充電電圧から、上記チャージコンデンサが過充電の上限値となるまでの時間を算出し、最初の放電開始直前に上記チャージコンデンサが上記上限値となるように上記充電回路による充電開始タイミングを設定する請求項１記載の電磁弁駆動装置。