JPH1077925A

JPH1077925A - 燃料噴射装置及び方法

Info

Publication number: JPH1077925A
Application number: JP8233853A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Obo; 茂於保; Hiroshi Katayama; 博片山; Mitsuru Watabe; 満渡部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】インジェクタの電磁弁を高速に開閉する。【解決手段】あらかじめ通電しておいたインダクタを、
燃料噴射時に直列にインジェクタ電磁コイルに接続する
ことにより、一瞬にして燃料噴射に必要な電流を流す。【効果】昇圧による高電圧を用いることなく、簡単な構
成で高速応答かつ特性安定な燃料噴射装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用燃料噴射
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃料噴射装置では、燃料噴射
量の計量精度向上と制御応答性改善のため、燃料噴射器
（インジェクタ）の開弁および閉弁を高速に制御する必
要がある。従来、燃料噴射弁には電磁力を用いて開閉す
る電磁弁が使用されている。しかし、電磁弁の駆動では
電磁コイルのインダクタンスが障害となり、高速な開弁
および閉弁応答を得るのが困難であった。このため、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータを用いてバッテリ電圧を昇圧し、高
電圧を印加することによるインジェクタの開弁応答性を
向上する手法が考案されている（特開昭59−85434 号公
報，特開平5−14130 号公報等）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、昇圧回
路を用いる燃料噴射装置では、昇圧に必要な回路要素と
して、インダクタ，コンデンサ，スイッチング素子等が
必要であり、かつこれらは高電圧に耐え得るものでなけ
ればならない。またインジェクタの駆動制御回路にも高
電圧耐性を持つスイッチング素子が必要である。このた
め燃料噴射装置が大型で高価になるという問題がある。
またバッテリ電圧や温度等の変動によって電圧、ひいて
はインジェクタ駆動電流が変動し、インジェクタ特性が
変化するのも問題である。加えて高電圧を使用するた
め、製造・検査・点検・整備中において、人体が感電す
る危険性もある。

【０００４】そこで本発明の目的は、バッテリ電圧を昇
圧した高電圧を使用することなく、簡単な構成と、温度
等の変動に対する動作安定性、および高速な開弁ならび
に閉弁特性とを併せ持つ燃料噴射装置を提供することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は燃料噴射のため
に電磁力を用いて弁を開閉するインジェクタと、電磁弁
を形成する電磁コイルに直列接続されたインダクタと、
電流回路を開閉するスイッチング素子と、スイッチング
素子の動作を指示する制御回路を備えた燃料噴射装置に
係わるものである。

【０００６】上記インダクタにはインジェクタの開弁以
前に電流が流され、インダクタの磁気回路には電磁エネ
ルギーがあらかじめ蓄積されている。インジェクタ開弁
時にはインダクタとインジェクタ電磁コイルが直列回路
を形成し、同一電流が流れるようにスイッチング素子は
動作する。このため瞬時にしてインダクタに蓄積されて
いた電磁エネルギーが電流としてインジェクタ電磁コイ
ルに供給される。従って、インジェクタ電磁コイルに瞬
間的に大きな電流を流すことができる。すなわち、イン
ジェクタ電磁弁を開くための電磁力が瞬間的に発生する
ため、高速な開弁応答性を得ることができる。

【０００７】次いで開弁後にはインジェクタ電磁コイル
に所定の期間、電流を流し、開弁状態を維持する必要が
ある。本発明ではスイッチング素子を用いてインジェク
タ開弁後の電磁コイルを流れる保持電流の大小またはＯ
Ｎ／ＯＦＦを短時間に切換制御する。この際、保持電流
の大小またはＯＮ／ＯＦＦの時間比率を調節することに
よって、平均的に保持電流を所定の値に制御できるの
で、バッテリ電圧や温度変動があっても安定なインジェ
クタ動作が得られる。

【０００８】更にインジェクタの閉弁時には、スイッチ
ング素子はインジェクタ電磁コイルを流れる電流と、イ
ンダクタを流れる電流が別個の回路を流れるように動作
し、インジェクタ電磁コイルには電源電圧は引加されな
い。したがって、電磁コイル磁気回路に蓄積された電磁
エネルギーはインジェクタ電流として放出される。この
際、スイッチング素子は所定の抵抗がインジェクタ電磁
コイルと直列に接続されるように動作する。あるいはス
イッチング素子自体が高抵抗として作用する。この結
果、電磁エネルギーの熱エネルギーへの変換が促進さ
れ、電磁力が速やかに消失するため、インジェクタが高
速に閉弁することになる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図１に示
す。図１はエンジンの電子制御装置と１気筒分の燃料噴
射装置駆動部を示す。本実施例において、バッテリ１０
０とインダクタ２００およびインジェクタ電磁コイル３
００は直列に接続されている。インダクタ２００および
電磁コイル３００は各々抵抗２１０，３１０とインダク
タンス２２０，３２０を含んでいる。エンジン電子制御
装置４００の発生するインダクタ電流制御信号がトラン
ジスタスイッチ６００（ＳＷ１）に、また燃料噴射制御
信号がトランジスタスイッチ６１０（ＳＷ２）に各々供
給されている。各信号によりトランジスタスイッチ６０
０，６１０のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

【００１０】エンジン電子制御装置４００にはマイクロ
コンピュータ４０１，信号入力回路４０２，ROM403，RA
M404，制御信号出力回路４０５が内蔵されている。マイ
クロコンピュータ４０１は信号入力回路を通して、エン
ジンの吸入空気流量センサ５００，クランク角度センサ
５０１，バッテリ電圧センサ５０２，温度センサ５０３
の出力信号を入力する。またマイクロコンピュータ４０
１はこれらセンサ入力信号と、ROM403，RAM404に格納さ
れているデータを用いて制御信号出力回路４０５の制御
出力を決定する。

【００１１】図２のタイミングチャートを用いて図１の
エンジン電子制御装置及び燃料噴射装置駆動部の動作タ
イミングと電流の挙動を説明する。まず、インダクタ２
００を流れる電流の挙動は以下の通りである。最初に燃
料噴射開始に先立ち、インダクタ電流制御信号が出力さ
れる。このためトランジスタスイッチ６００がＯＮし、
インダクタ２００には電流が流れる。この時点ではまだ
トランジスタスイッチ６１０はＯＦＦ状態であり、イン
ジェクタ電磁コイル３００には電流は流れていない。燃
料噴射制御信号が噴射を指示した瞬間、スイッチ６００
はＯＦＦ、スイッチ６１０はＯＮへと急速に変化する。
この際、インダクタ磁気回路に蓄積された電磁エネルギ
ーは直ちには消失しないため、インダクタ電流は電磁コ
イル300を通って引き続き流れる。すなわちスイッチ６
００がＯＦＦした瞬間、インダクタ電流は図２のＡ点か
らＢ点まで急激に変化し、その後インダクタ２００と電
磁コイル３００の直列回路により定まる時定数で、図２
のＣ点まで遷移する。この後、燃料噴射が停止となると
スイッチ６１０がＯＦＦとなるため、インダクタ電流は
零となる。

【００１２】上記説明においてインダクタ電流制御信号
の通電開始タイミングおよび通電時間はクランク角セン
サ５０１，バッテリ電圧センサ５０２，温度センサ５０
３の信号を参照してマイクロコンピュータ４０１が決定
する。例えばバッテリ電圧が低い場合には通電時間を長
くして、所定の電流がインダクタ２００に流れるように
制御する。また抵抗２１０は値が温度により変化する。
これを補償するため、例えば温度センサ５０３で冷却水
温を計測し、通電時間をこの温度に応じた所定の値とす
る。

【００１３】一方、インジェクタ電磁コイル３００を流
れる電流の挙動は以下の通りである。燃料噴射停止時に
はスイッチ６１０がＯＦＦしているため、電磁コイル３
００には電流は流れない。燃料噴射制御信号が噴射を指
示した瞬間、スイッチ６００がＯＦＦ、スイッチ６１０
がＯＮとなるため、インダクタ２００を流れる電流は全
て電磁コイル３００を通過するようになる。したがって
図２に示すように、噴射開始の直後、電磁コイル３００
には零からＥ点まで急激に電流が流れ始める。このＥ点
における電流値は燃料噴射開始直前のインダクタ電流値
Ａ、インダクタ２００のインダクタンス２２０の値Ｌ
１、および電磁コイル３００のインダクタンス２２０の
値Ｌ２によって原理的には決定され、Ｂ＝Ｅ＝Ａ｛Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）｝ …（１）の関係がある。しかし、実際にはインダクタ２００およ
び電磁コイル３００が電流のスイッチングに際して、大
きな逆起電力を発生する。このためトランジスタスイッ
チ６００を逆起電力から保護する必要がある。図１にお
いてツエナーダイオード７００はスイッチ６００を保護
するために設けてあり、電圧を所定値以下に制限するク
ランプ作用を持つ。この結果、電磁コイル３００にはツ
エナーダイオード７００のクランプ電圧以上の電圧は印
加されない。このためクランプ電圧の値に応じてＥ点の
電流値は上記（１）式よりいくらか小さくなる。また電
磁コイル３００の電流が零からＥ点に至るまでの時間も
クランプ電圧に依存する。したがって、ツエナーダイオ
ード７００のクランプ電圧を所定の値に選ぶことによ
り、電磁コイルの初期電流増加の時間、あるいは傾きを
調整できる。

【００１４】Ｅ点に到達した後の電磁コイル３００を流
れる電流はインダクタ２００を流れる電流と等しいた
め、図２のＢＣの曲線とＥＦの曲線は完全に一致する。
噴射停止となった瞬間には、スイッチ６１０がＯＦＦす
るため、抵抗８００が電磁コイル３００に直列に接続さ
れる。噴射停止の瞬間に電磁コイル磁気回路に蓄積され
ていた電磁エネルギーは、電磁コイル３００と抵抗８０
０からなる直列回路を流れる電流として放出される。こ
の際、抵抗８００をある程度大きくしておけば、電磁エ
ネルギーは主として抵抗８００において急速に熱に変換
される。従って図２のＥＧに示すように、インジェクタ
電磁コイル電流は短時間に零となる。

【００１５】以上、説明したように第１の実施例によれ
ばインジェクタ電磁コイルに瞬間的に大きな電流を流
し、かつ急速にこの電流を取り除くことができる。従っ
て、電磁弁を駆動する電磁力の発生，消滅も急速に起こ
るので、インジェクタの開弁，閉弁動作を高速に制御で
きる。なお、図１に示した本実施例では、電圧クランプ
用ツエナーダイオード７００はトランジスタスイッチ６
００のコレクタとエミッタ間に設置した。しかし、これ
はトランジスタスイッチ６００のコレクタとベース間に
設置しても同等の効果が得られる。また本実施例では、
燃料噴射停止に際して、電磁コイル３００に蓄積されて
いる電磁エネルギーを抵抗８００に消費させるように制
御した。しかし、抵抗８００を取り除き、トランジスタ
スイッチ６１０のＯＦＦ時にトランジスタスイッチ６１
０の抵抗分に電磁エネルギーを与えても同等の効果が得
られる。

【００１６】また図３は本発明の第２の実施例である。
第２の実施例は第１の実施例に加えて、インジェクタ電
磁コイル３００を流れる電流の安定化制御を図ったもの
である。インジェクタ電磁コイル電流は抵抗８１０の両
端の電圧として検出され、平均化回路９００を経て演算
増幅器９１０に入力される。この値は演算増幅器910に
同じく入力されている目標電圧値と比較され、差電圧が
ＰＷＭ制御回路４１０に供給されている。ＰＷＭ制御回
路４１０は所定周波数の矩形パルスを発生する。ＰＷＭ
制御回路４１０は発生する矩形パルスのパルス幅、すな
わちデューティ比を、演算増幅器９１０の差信号出力の
正負、および大小に応じて変化させる。すなわち、抵抗
８１０の両端電圧平均値が目標電圧値より小さく、演算
増幅器９１０の出力信号が正であれば、ＰＷＭ制御回路
４１０は発生する矩形パルス幅を広げ、デューティ比を
大きくする。また逆に、抵抗８１０の両端電圧平均値が
目標電圧値より大きく、演算増幅器９１０の出力信号が
負であれば、ＰＷＭ制御回路４１０は発生する矩形パル
ス幅を狭め、デューティ比を小さくするように動作す
る。

【００１７】ＰＷＭ制御回路４１０の出力矩形パルスは
ＡＮＤゲート４２０に接続されている。この結果、図４
に示すように、スイッチ６１０は燃料噴射期間におい
て、ＰＷＭ信号によってＯＮ／ＯＦＦする。このＯＮ／
ＯＦＦのデューティ比は上記で説明したように、抵抗８
１０の両端電圧平均値、すなわちインジェクタ電磁コイ
ル電流の平均値が大きい場合には小さくなり、逆にイン
ジェクタ電磁コイル電流の平均値が小さい場合には大き
くなる。従って、噴射期間中においてインジェクタ電磁
コイル電流は図４に示すようにＰＷＭ信号に応じて変化
し、その平均値が目標電圧値と等しくなるように制御さ
れる。

【００１８】マイクロコンピュータ４０１は制御信号出
力回路４０５を通して、ＰＷＭ回路制御信号を発生し、
ＰＷＭ制御回路４１０に供給する。ＰＷＭ制御回路４１
０はＰＷＭ回路制御信号が入力している期間のみ矩形パ
ルスを出力し、ＰＷＭ制御動作を実行する。マイクロコ
ンピュータ４０１は燃料噴射開始後、バッテリ電圧や温
度等のセンサ信号を参照して決定した時間だけ遅れて、
ＰＷＭ制御信号を発生する。これにより、例えば温度等
によるインジェクタ抵抗３１０の変化に対して、インジ
ェクタ電流のＰＷＭ制御動作の開始タイミングを調整で
きる。

【００１９】以上説明したように第２の実施例によれ
ば、インジェクタ電磁コイルの駆動電流の平均値が常に
所定の値になるよう制御されるので、バッテリ電圧の変
動や温度変化による抵抗値変化があっても、インジェク
タ電磁弁安定して制御することができる。

【００２０】また図５は本発明の第３の実施例である。
第３の実施例はトランジスタスイッチが１個である点が
第１の実施例と異なる。本実施例ではエンジン電子制御
装置４００は燃料噴射制御信号を発生し、トランジスタ
スイッチ６００のＯＮ／OFFを制御する。スイッチ６０
０がＯＦＦすると、電磁コイル３００に瞬時にして電流
が流れ始め、スイッチ６００がＯＮすると電磁コイル電
流は消失する。インダクタ２００は燃料噴射停止時に通
電される。なお、スイッチ９０はキースイッチと連動し
ており、エンジン回転中はＯＮとなっている。第３の実
施例によればトランジスタスイッチ個数を節減しつつ、
第１の実施例と同様にインジェクタ電磁弁を高速制御可
能である。

【００２１】また図６は本発明の第４の実施例であり、
１個のインダクタ２００を用いて、２つのインジェクタ
を制御するものである。すなわち、第１のインジェクタ
電磁コイル３００と、抵抗３１１，インダクタンス３２
１とから成る第２のインジェクタ電磁コイル３０１には
インダクタ２００によって瞬時に電流が流される。エン
ジン電子制御装置４００の発生する第１のインジェクタ
への第１燃料噴射信号がスイッチ６１０に供給され、ス
イッチ６００の動作と合わせて、電磁コイル３００の電
流を制御し、第１のインジェクタの燃料噴射を制御する
ことは第１の実施例と全く同様である。第１のインジェ
クタの燃料噴射後、エンジン電子制御装置４００はイン
ダクタ電流制御信号によりスイッチ６００をＯＮとして
インダクタ２００に再度通電する。その後、第２のイン
ジェクタへ第２の燃料噴射信号を発生し、スイッチ６１
１がＯＮ／ＯＦＦ制御され、インダクタ２００と電磁コ
イル３０１とからなる直列回路を電流が燃料噴射期間だ
け流れて、第２のインジェクタの燃料噴射動作が完了す
る。上記述べた第２のインジェクタの動作は時間がずれ
ている点を除き、第１のインジェクタの動作と全く同様
である。

【００２２】以上説明したように第４の実施例によれ
ば、１個のインダクタを用いて複数気筒のインジェクタ
を高速応答で制御することができる。第４の実施例が４
気筒あるいは更に多数気筒のエンジンにまで拡大できる
ことは言うまでもない。

【００２３】上記第１乃至第４の実施例ではスイッチン
グ素子としてトランジスタを用いたが、これはバイポー
ラ型，ＭＯＳ型、あるいはリレースイッチ等のいずれの
スイッチング素子を用いても、本発明を実施することが
できる。

【００２４】本実施例では高速開弁が可能となったの
で、エンジンのシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴
射弁に用いると好適である。特に微量の燃料供給が要求
される運転条件での燃料制御精度が向上する。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば昇
圧回路により高電圧を発生することなく、極めて高速に
インジェクタの電磁弁を開閉でき、しかも電圧，温度等
の変動に対して安定に動作する燃料噴射装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例。

【図２】第１の実施例の動作説明図。

【図３】本発明の第２の実施例。

【図４】第２の実施例の動作説明図。

【図５】本発明の第３の実施例。

【図６】本発明の第４の実施例。

【符号の説明】

１００…バッテリ、２００…インダクタ、２２０…イン
ダクタンス、３００，３０１…インジェクタ電磁コイ
ル、４００…エンジン電子制御装置、４０１…マイクロ
コンピュータ、４０２…信号入力回路、４０３…ＲＯ
Ｍ、４０４…ＲＡＭ、４０５…制御信号出力回路、４１
０…ＰＷＭ制御回路、４２０…ＡＮＤゲート、５００…
空気流量センサ、５０１…クランク角センサ、５０２…
バッテリ電圧センサ、５０３…温度センサ、６００，６
１０，６１１…トランジスタスイッチ、７００…ツエナ
ーダイオード、８００，８０１…抵抗、９００…平均化
回路、９１０…演算増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタを用いた燃料噴射装置において、
インダクタと、一つまたは複数のスイッチング素子を有
するスイッチング回路とを設置し、前記インダクタには
燃料噴射開始に先立ち、あらかじめ駆動電流を流すよう
に前記スイッチング回路を構成かつ制御し、燃料噴射開
始タイミングにおいて前記インダクタを流れていた前記
駆動電流が前記電磁コイルに流れこむように、前記スイ
ッチング回路を構成かつ制御することを特徴とする燃料
噴射装置。
【請求項２】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタと、前記電磁コイルの電流回路を
開閉する第１のスイッチング回路と、前記第１のスイッ
チング素子の動作を制御する制御回路を備えた燃料噴射
装置において、前記電磁コイルに直列に接続されたイン
ダクタと、前記インダクタの電流回路を開閉する第２の
スイッチング回路を設置し、前記第２のスイッチング回
路を制御することにより燃料噴射開始に先立ち、あらか
じめ前記インダクタに電流を流し、燃料噴射開始タイミ
ングにおいて前記第１のスイッチング回路を制御するこ
とにより、前記電磁コイルと前記インダクタの直列回路
に電流が流れるよう構成したことを特徴とする燃料噴射
装置。
【請求項３】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタを備えた燃料噴射装置において、
インダクタとスイッチング回路とを設置し、前記スイッ
チング回路の開閉により前記インダクタを流れる電流が
前記電磁コイルを流れるよう構成したことを特徴とする
燃料噴射装置。
【請求項４】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタと前記電磁コイルの電流回路を開
閉するスイッチング回路を備えた燃料噴射装置におい
て、燃料噴射の期間中においてのみ前記電磁コイルと同
一の電流が流れるように接続制御されるインダクタを備
えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタと前記電磁コイルの電流回路を開
閉するスイッチング回路を備えた燃料噴射装置におい
て、燃料噴射の開始時点で、前記電磁コイルの発生する
逆起電力を打ち消す方向に逆起電力を発生するインダク
タを備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項６】電磁コイルの発生する電磁力を用いて弁を
開閉するインジェクタと、前記電磁コイルに電流を供給
する電源とを備えた燃料噴射装置において、前記電源の
電圧を昇圧することなく、前記電磁コイルの抵抗分とイ
ンダクタンス分により定まる時定数を超えた立ち上がり
速さで前記電磁コイルに電流を流す機構を備えたことを
特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】請求項１の燃料噴射装置において、燃料噴
射開始に先立ち、該インダクタにあらかじめ流している
駆動電流の通電時間をクランク角センサ，バッテリ電圧
センサ，温度センサの信号を参照して制御することを特
徴とする燃料噴射装置。
【請求項８】請求項１の燃料噴射装置において、該電磁
コイルの一端に電圧を制限するクランプ素子を設け、前
記クランプ素子のクランプ電圧を調整することにより、
該電磁コイルに流れる電流の立ち上がり時間を制御する
ことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項９】車載電源に接続され、燃料噴射弁の駆動に
先立って所定期間、通電されるインダクタ，燃料噴射弁
の駆動時に、前記インダクタに蓄積されたエネルギーを
当該燃料噴射弁のコイルに流れる電流として放出する燃
料噴射弁の駆動回路とから成る燃料噴射装置。
【請求項１０】車載電源に直列に接続されたインダクタ
と、電磁コイル式の燃料噴射弁と、を有するものにおい
て、燃料噴射開始タイミングでインダクタへの通流を遮
断し、その際インダクタに発生する逆起電力によるエネ
ルギーを前記燃料噴射弁の電磁コイルに供給する様にし
たことを特徴とする燃料噴射方法。