CN102628405B

CN102628405B - 喷射器驱动电路

Info

Publication number: CN102628405B
Application number: CN201210019290.5A
Authority: CN
Inventors: 山田茂树; 黛拓也; 渡部光彦; 畑中步
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-02-02
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: US8649151B2; JP5470294B2; EP2492478A1; CN102628405A; US20120194961A1; JP2012159049A

Abstract

本发明提供一种喷射器驱动电路，可稳定地控制喷射器的驱动。该喷射器驱动电路(200)，具有：升压电路(100)，其根据电源生成高电压；第1开关元件，其连接于升压电路(100)与喷射器(3)之间的路径；第2开关元件，其连接于电源；第3开关元件，其连接于喷射器(3)与电源地线之间；和控制单元，其根据在喷射器(3)中流过的电流值来使第1开关元件、第2开关元件及第3开关元件动作，控制单元具备在使第1开关元件多次导通/截止的期间内使第2开关元件导通/截止的单元，作为用于控制在喷射器(3)中流过的电流的设定值而具有规定下限的第1阈值、规定上限的第2阈值、以及大于所述第2阈值的第3阈值。

Description

喷射器驱动电路

技术领域

本发明涉及喷射器驱动电路。

背景技术

以往，在以汽油或轻油等作为燃料的汽车、摩托车、农耕机、机床、船舶机等的内燃机控制装置中，为了提高燃料消耗率和输出，采用一种具备向汽缸内直接喷射燃料的喷射器的装置。这种喷射器被称为“汽缸内直接喷射型喷射器”、“直喷喷射器”或“DI”。

当前，在汽油发动机中，主流方式是向吸气管喷射燃料，但是具备使用被加压成高压的燃料的汽缸内直接喷射型喷射器的发动机，在喷射器的开阀动作时需要比上述方式更高的能量。另外，为了提高控制性以应对高速转动，需要在短时间内向喷射器供给高能量。此外，在具备汽缸内直喷型喷射器的发动机中，用于实现低燃料消耗量和降低排放气体的多级喷射的技术受到关注，但是在该技术中将针对以往活塞的一次动作而喷射一次的燃料分为多次来进行喷射，因而需要在更短的时间内向喷射器供给高能量。

一般情况下，对汽缸内直接喷射型喷射器进行控制的喷射器驱动电路会设置升压至比电池电压高的电压的升压电路，通过施加由该升压电路产生的升压电压来缩短喷射器的动作响应时间。因此，在喷射器的动作次数增加的多级喷射技术中，由于升压电路的负担增加，故升压电路的负荷降低成为重要的课题。

以下，对代表性的直喷喷射器的电流波形进行说明。首先，在通电初始的峰值电流通电期间内，利用升压电压使喷射器电流在短时间内上升至预先规定的峰值电流，来使喷射器开阀。该峰值电流与向吸气管喷射燃料的这种方式的喷射器电流相比，大5～20倍左右。在峰值电流的通电期间结束之后，向喷射器供给能量的能量供给源从升压电路转移至电池电源，接通比所述峰值电流值低的开阀保持电流，以保持喷射器的开阀状态。因为接通了该峰值电流和开阀保持电流，所以已开阀的喷射器向汽缸内喷射燃料。

为了在喷射结束时快速地进行喷射器的闭阀，需要在短时间内降低喷射器通电电流，以切断喷射器电流。但是，由于在喷射器中流动着喷射器电流，因而蓄积了高的能量，故需要从喷射器中将此能量消除。为了在短时间内实现能量的消除，采用了利用驱动喷射器电流的驱动电路的驱动元件并使用稳压二极管效应将能量转换成热能的方式、或经由电流再生二极管在蓄积了升压电路的升压电压的升压电容器中再生喷射器电流的方式等各种方式。

例如，专利文献1公开了同时驱动上述的作为能量供给源的升压电路和电池驱动电路，以控制喷射器中流动的电流的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-169762号公报

在上述专利文献1的喷射器驱动电路中，作为用于反复进行接通/断开的电流判定值而设定了和下限值，通常在电流达到上限值之后切断该第1开关元件，电流下降，一旦电流下降到下限值则再次通电，通过反复进行上述动作而使所述喷射器中流过的电流维持在上限值与下限值之间。

但是，在第1开关元件和第2开关元件同时导通，喷射器中流动的电流从0开始增加，如前述那样，在达到上限值的时刻切断升压电路的第1开关元件，在切断升压电路的第1开关元件之后，因为电源电压的上升等原因，在由第2开关元件供给的电流使得喷射器中流动的电流继续增加的情况下，由于电流超过了前述的上限值，因而无法抑制该电流。

也就是说，无法将喷射器中流动的电流控制在上限值与下限值之间，难以实现本来的控制目的、即将喷射器的开阀位置保持固定，从而控制性劣化。

发明内容

因此，本发明的目的在于，在能降低上述升压电路负荷的喷射器驱动电路中，稳定地进行喷射器的电流控制。

为了达成上述课题，本发明优选的实施方式之一如下所示。

该喷射器驱动电路能够采用如下结构来实现，即：喷射器驱动电路具有：升压电路，其根据电源生成高电压；第1开关元件，其连接于所述升压电路与喷射器的一个端子之间的路径；第2开关元件，其连接于所述电源的正极；第1二极管，其连接于所述第2开关元件的负极侧与所述喷射器的一个端子之间的路径；第2二极管，其一个端子连接于所述喷射器的一个端子与所述第1二极管之间，另一个端子连接于电源地线；第3开关元件，其连接于所述喷射器的另一个端子与电源地线之间的路径；和控制单元，其根据在所述喷射器中流过的电流值来使所述第1开关元件、所述第2开关元件及所述第3开关元件动作，所述控制单元具备在使所述第1开关元件多次导通/截止的期间内使所述第2开关元件导通/截止的单元，作为用于控制在所述喷射器中流过的电流的设定值，具有规定下限的第1阈值、规定上限的第2阈值、以及大于所述第2阈值的第3阈值。

发明效果

根据本发明能够进行稳定的喷射器的电流控制。

附图说明

图1是表示利用了本发明第1实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的结构的电路框图。

图2是说明利用了本发明第1实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的动作的时序图。

图3是异常时的喷射器控制***的时序图。

图4是说明利用了本发明实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的动作的时序图。

图5是异常时的喷射器控制***的时序图。

图6是说明利用了本发明实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的动作的时序图。

符号说明：

3 喷射器

100 升压电路

200 驱动电路

202 升压侧驱动FET

212 电池侧驱动FET

220 喷射器下游侧驱动FET

240 喷射器控制电路

241 升压侧电流检测电路

242 电池侧电流检测电路

243 下游侧电流检测电路

244 电流选择电路

245 栅极驱动逻辑电路

245A 峰值保持辅助(PHA)电路

300 控制电路

Db 电池侧保护二极管

Df 回流二极管

Dh 升压侧保护二极管

Dr 电流再生二极管

Rb 电池侧电流检测电阻

Rh 升压侧电流检测电阻

Ri 喷射器下游侧电流检测电阻

具体实施方式

以下，利用图1、图2，对本发明第1实施方式的喷射器驱动电路的结构及动作进行说明。

首先，利用图1，对利用了本实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的结构进行说明。这里，作为喷射器的一例，说明汽缸内直接喷射型喷射器的情形，但本发明也能应用于使用升压电路的其他喷射器。另外，这里示出驱动一个喷射器的驱动电路，但是也可驱动多个喷射器。

本实施方式的喷射器驱动电路具备升压电路100和驱动电路200。

驱动电路200基于来自控制电路300的控制指令，控制对喷射器3的通电。控制电路300由发动机控制单元等构成，根据车辆的状态或驾驶员的意图来控制对喷射器3的通电。喷射器3是直喷喷射器。向喷射器3施加由升压电路100升压后的电压Vh或者来自电池的电压Vb。

喷射器3能够表示为串联连接有内部线圈3L和内部寄生电阻3R的等效电路。一般，汽缸内直接喷射型喷射器的寄生电阻值为几Ω左右。

升压电路100被多个驱动电路200共用。通常，针对一个发动机，搭载有1～4个升压电路100。升压电路100共用驱动电路200的个数是由在后述的喷射器电流Iinj的峰值电流通电期间(后述的图2中的期间P1)及峰值电流保持期间(后述的图2中的期间P2)内驱动喷射器所需的能量、发动机的最高转速、由在同一汽缸内针对一次燃烧的燃料的多级喷射次数等所确定的升压恢复期间、和升压电路100的自发热等而决定的。

升压电路100将电池电源的电压Vb升压至升压电压Vh。若将电池电压Vb例如设为12V，则升压电压Vh例如为65V左右。

由升压电路100升压后的升压电压Vh，经由升压侧电流检测电阻Rh、升压侧驱动FET202和升压侧保护二极管Dh，被供给到喷射器3的上游侧。升压侧电流检测电阻Rh将用于检测来自升压电路100的流出电流的过电流或喷射器3侧的电气配线断线等的升压侧驱动电流Rha变换成电压。升压侧驱动FET202用于在后述的喷射器电流Iinj的峰值电流通电期间P1及峰值电流保持期间P2进行驱动。升压侧保护二极管Dh用于防止升压电路100发生故障时的逆电流。

另外，电池电源的电压Vb，经由电池侧电流检测电阻Rb、电池侧驱动FET212及电池侧保护二极管Db，被供给到喷射器3的上游侧。电池侧电流检测电阻Rb为了检测来自电池电源的过电流或喷射器3侧的电气配线断线等，而将电池侧驱动电流Rba变换成电压。另外，电池侧保护二极管Db是为了防止基于升压电压Vh的电流逆流至电池电源而设置的。另外，由电阻Rs和电容器Cs的串联电路构成的缓冲电路，与电池侧保护二极管Db并联连接。

电池侧驱动FET212一般是为了在开阀保持电流通电期间(后述的图2中的期间P4)流过喷射器的开阀保持电流而进行驱动的，但是如后述，在本实施方式中为了缓和峰值电流保持期间P1的电流下降也会使用。

在喷射器3的下游侧连接着喷射器下游侧驱动FET220。通过喷射器下游侧驱动FET220的导通/截止来决定喷射器3的通电/不通电。在本例中，喷射器3中流过的喷射器电流Iinj，经由与喷射器下游侧驱动FET220的源极电极相连的下游侧电流检测电阻Ri而流入电源地线GND。

另外，回流二极管Df连接于电源地线GND与喷射器3的上游侧之间。回流二极管Df用于在接通喷射器电流Iinj的期间内，同时切断升压侧驱动FET202和电池侧驱动FET212，使得因使喷射器下游侧驱动FET220通电而产生的喷射器的再生电流续流(flywheel)。因此，回流二极管Df的阳极连接于电源地线GND侧，另外阴极连接于喷射器3的上游侧。

另外，电流再生二极管Dr设置于喷射器3的下游与升压电压侧的路径之间。在本例中，电流再生二极管Dr的阳极连接于喷射器3与下游侧驱动FET220之间的路径，另外，阴极连接于升压侧电流检测电阻Rh与升压侧驱动FET202之间的路径。电流再生二极管Dr用于在接通喷射器电流Iinj的期间内，使上游侧的升压侧驱动FET202和电池侧驱动FET212、及喷射器下游侧驱动FET220全部切断，由此在升压电路100中再生喷射器3的电能。喷射器电流的再生主要是在喷射器的闭阀动作时等想要使喷射器通电电流快速下降的情况下进行的。

升压侧驱动FET202、电池侧驱动FET212、喷射器下游侧驱动FET220的各驱动元件是基于发动机转速或来自各种传感器的输入条件，由控制电路300产生的喷射器开阀信号300b、喷射器驱动信号300c进行控制的。喷射器开阀信号300b、喷射器驱动信号300c输入到驱动电路200的喷射器控制电路240的栅极驱动逻辑电路245。另外，在控制电路300与栅极驱动逻辑电路245之间，由通信信号300a来更新必要的信息。

喷射器控制电路240具备：升压侧电流检测电路241、电池侧电流检测电路242、下游侧电流检测电路243、电流选择电路244和栅极驱动逻辑电路245。升压侧电流检测电路241检测在升压侧电流检测电阻Rh中流过的升压侧驱动电流Ih。电池侧电流检测电路242检测在电池侧电流检测电阻Rb中流过的电池侧驱动电流Ib。下游侧电流检测电路243检测在下游侧电流检测电阻Ri中流过的下游侧驱动电流Ii。电流选择电路244选择由升压侧电流检测电路241和下游侧电流检测电路243检测出的电流中的任意一个电流。

在从栅极驱动逻辑电路245输出了升压侧电流选择信号245h时，电流选择电路244选择由升压侧电流检测电路241检测出的电流，在从栅极驱动逻辑电路245输出了喷射器下游侧电流选择信号245i时，则选择由下游侧电流检测电路243检测出的电流，并作为选择信号Ih/i输出。

栅极驱动逻辑电路245基于由升压侧电流检测电路241、电池侧电流检测电路242及下游侧电流检测电路243检测出的检测值(升压侧电流检测信号SIh、电池侧电流检测信号SIb、喷射器下游侧电流检测信号SIi)，生成升压侧驱动FET控制信号SDh、电池侧驱动FET控制信号SDb、喷射器下游侧驱动FET控制信号SDi。另外，控制电路300和喷射器控制电路240根据驱动电路200与控制电路300之间的通信信号300a，从决定喷射器驱动波形的峰值保持上限电流(后述的图2中的电流Ip2)、峰值保持下限电流(后述的图2中的电流Ip1)、开阀保持上限电流(后述的图2中的电流If2)、开阀保持下限电流(后述的图2中的电流If1)、峰值电流保持期间P2、开阀保持电流通电期间P4、有无峰值电流、有无实施峰值电流保持、峰值电流下降的陡峭/平缓的切换、峰值电流下降沿的陡峭/平缓的切换、通电电流下降的陡峭/平缓的切换、有无实施开阀电流保持、过电流检测、断线检测、过热保护、升压电路故障等的诊断结果、喷射器控制电路240自身控制信号之中通信必要信息，从而实现喷射器的良好驱动。

此外，这里，如专利文献1中公开那样，各电流检测电阻的连接位置可以是各种形式，与之相应，电流检测电路或电流选择电路的方式也不同，但是本实施方式也能应用于这些不同的方式。

接着，利用图2对利用了本实施方式的喷射器驱动电路的喷射器控制***的动作进行说明。

在图2中，横轴表示时间。图2(A)的纵轴表示喷射器驱动信号300c，图2(B)的纵轴表示喷射器开阀信号300b，图2(C)的纵轴表示喷射器电流Iinj。另外，图2(D)的纵轴表示升压侧驱动FET控制信号SDh，图2(E)的纵轴表示电池侧驱动FET控制信号SDb，图2(F)的纵轴表示喷射器下游侧驱动FET控制电流SDi，图2(G)的纵轴表示喷射器施加电压Vinj。

这里，图2(C)所示的喷射器电流Iinj的波形能够分为峰值电流通电期间P1、峰值电流保持期间P2、开阀保持电流移行期间P3、开阀保持电流通电期间P4、通电电流下降期间P5共计5个期间。

首先，当如图2(A)所示喷射器驱动信号300c变为接通、且如图2(B)所示喷射器开阀信号300b变为接通时，开始峰值电流通电期间P1。在该期间P1，通过由升压电路100升压后的升压电压Vh，使喷射器电流Iinj在短时间内上升至预先规定的峰值保持上限电流Ip2。此时，栅极驱动逻辑电路245如图2(D)、(F)所示，输出升压侧驱动FET控制信号SDh及喷射器下游侧驱动FET控制信号SDi，使升压侧驱动FET202和喷射器下游侧驱动FET220两者导通。其结果，如图2(C)所示，喷射器施加电压Vinj变为升压电压Vh，喷射器电流Iinj从零急剧变化为峰值保持上限电流Ip2。此外，实际的升压电压Vh根据升压侧保护二极管Dh中的压降而下降1[V]左右。另外，在峰值电流通电期间P1中，电池侧驱动FET控制信号SDb无论是接通还是断开都不受影响，但是在图2(E)中，作为例子而示出被接通的情形。

在该期间P1，喷射器下游侧电流选择信号245i被控制为接通，升压侧电流选择信号245h被控制为断开。因此，电流选择电路244选择从下游侧电流检测电路243输出的喷射器下游侧电流检测信号SIi。因此，基于在喷射器下游侧电流检测电阻Ri中流过的下游侧驱动电流Ii的喷射器下游侧电流检测信号SIi成为选择信号Ih/i。

当喷射器电流Iinj达到预先规定的峰值保持上限电流Ip2时，接着成为峰值电流保持期间P2。此时，按照喷射器电流被保持在峰值保持下限电流Ip1与峰值保持上限电流Ip2之间，升压侧驱动FET控制信号SDh反复接通/断开的方式进行控制。此时，喷射器施加电压Vinj断续地成为升压电压Vh。

在该峰值电流保持期间P2，由于从峰值保持上限电流Ip2下降到峰值保持下限电流Ip1，因而如图2(E)、(F)所示，使电池侧驱动FET控制信号SDb及喷射器下游侧驱动FET控制信号SDi的双方接通。由此，使电池侧驱动FET212和喷射器下游侧驱动FET220两者导通。另外，如图2(D)所示，将升压侧驱动FET控制信号SDh断开，而使升压侧驱动FET202截止。由此，通过将喷射器施加电压Vinj设为电池电压Vb(实际上，由于电池侧保护二极管Db中的压降而下降了1[V]左右)，以缓和电流下降(以下，将该方式称为“峰值保持辅助(peak hold assist)方式”)。峰值保持辅助(PHA)电路245A执行峰值保持辅助方式。

当喷射器电流Iinj达到峰值保持下限电流Ip1时，如图2(D)所示，栅极驱动逻辑电路245再次将升压侧驱动FET控制信号SDh接通，从而使升压侧驱动FET202导通。由此，如图2(C)所示，喷射器电流Iinj增加。这样，通过反复进行升压侧驱动FET控制信号SDh的接通/断开，从而控制为喷射器电流Iinj被保持在峰值保持下限电流Ip1与峰值保持上限电流Ip2之间。

若将峰值保持上限电流Ip2和峰值保持下限电流Ip1的平均电流设为峰值保持电流Ip0，则在峰值电流保持期间P2，喷射器电流Iinj被平均地保持在峰值保持电流Ip0。

根据以上的峰值保持辅助方式，在规定的峰值电流保持期间P2使用升压电路将喷射器电流从峰值保持下限电流Ip1移行到峰值保持上限电流Ip2的频度减少，因此能够降低升压电路的负荷。

在图2中，虽然作为电流控制用的上下限的阈值(电流控制用阈值)而设定了峰值保持下限电流Ip1和峰值保持上限电流Ip2，但是在本发明中除了这些上下限的设定值之外，还设置较之电流值大的峰值保持上限电流Ip2而言电流值更大的电流制御用阈值Ip3。利用图3以后的图来说明此设定的理由。

图3是在峰值保持下限电流Ip1与峰值保持上限电流Ip2之间控制喷射器电流Iinj的期间内电池电压Vb上升时的时序图。

如图3(D)、(E)所示，升压驱动侧FET控制信号SDh和电池侧驱动FET信号SDb都接通，喷射器电流Iinj从0起开始上升。在达到峰值保持上限电流Ip2的定时，升压驱动侧FET控制信号SDh变为断开，喷射器电流Iinj下降至峰值保持下限电流Ip1。其后，升压驱动侧FET控制信号SDh再次接通，喷射器电流Iinj再次开始上升。在该定时电池电压Vb上升的情况下，喷射器电流Iinj再次增加，并在达到电流控制值的峰值保持上限电流Ip2之后，升压驱动侧FET控制信号SDh变为断开，但是由于电池电压Vb上升了，因而喷射器电流Iinj在大于峰值保持上限电流Ip2的区域内持续增加。

若处于该状态，则无法将喷射器电流Iinj控制在固定值的范围内，导致控制性的劣化。

此外，上述的电池电压的上升，也可因交流发电机的故障、发动机转动中的电池端子脱落等而产生。

图4中示出如下的时序图，即：为使即便在上述这种情形下也能进行稳定的电流控制，除了设定峰值保持上限电流Ip2之外，也可设定大于峰值保持上限电流Ip2的电流值(阈值)、即电流控制用阈值Ip3。

在峰值保持上限电流Ip2与峰值保持下限电流Ip1之间进行电流控制的期间内，当喷射器电流Iinj的电流值达到电流控制用阈值Ip3时，如图4(E)所示，将电池侧驱动FET信号SDb断开，以降低喷射器电流Iinj。

也就是说，通过设置大于峰值保持上限电流Ip2的电流控制用阈值Ip3，在控制为电流固定的期间、即峰值电流保持期间P2内，当喷射器电流Iinj达到电流控制用阈值Ip3时，使电池侧驱动FET信号SDb停止，由此实现将喷射器电流Iinj控制在固定值的范围内这一目的。

图2～图4的电池电压Vb通常为14V，相对于此，图5中示出电池电压Vb为其2倍的28V时的时序图。

电池电压Vb为28V的情况是：在寒冷地区等电池容易用完的状态下，为了确保发动机起动用的电压，而使电池处于串联连接(起动开始模式)的情况等。

如图5(D)、(E)所示，升压驱动侧FET控制信号SDh和电池侧驱动FET信号SDb都接通，喷射器电流Iinj从0起开始上升。在喷射器电流Iinj达到峰值保持上限电流Ip2的定时，升压驱动侧FET控制信号SDh变为断开，但是由于电池侧驱动FET信号SDb处于接通，故喷射器电流Iinj持续增加。

图6是为了防止上述情形发生而设置了大于峰值保持上限电流Ip2的电流控制用阈值Ip3时的时序图。

与图4同样地，在以喷射器电流Iinj为固定的方式进行控制期间、即峰值电流保持期间P2内，当喷射器电流Iinj达到电流控制用阈值Ip3时，如图6(E)所示，通过使电池侧驱动FET信号SDb停止，由此防止喷射器电流Iinj增加到电流控制用阈值Ip3以上的情形。

通过将电流控制用阈值Ip3设定为比峰值保持上限电流Ip2稍大的值，从而可进行与峰值保持上限电流Ip2相比几乎没有变化的电流控制。

此外，在峰值电流保持期间P2中，由于所驱动的喷射器的寄生电阻值，如果采用峰值保持辅助方式，那么有时喷射器电流不会下降到峰值保持下限电流Ip1反而上升。也就是说，基于上述峰值电流通电的寄生电阻3R中的压降VR与喷射器施加电压Vinj之间的关系为VR＞Vinj时喷射器电流减少，而在VR＜Vinj时喷射器电流增加。

即便在这种情况下，通过进行利用了电流控制用阈值Ip3的控制，也可进行稳定的电流控制。

Claims

1.一种喷射器驱动电路，其具有：

升压电路，其根据电源生成高电压；

第1开关元件，其连接于所述升压电路与喷射器的一个端子之间的路径；

第2开关元件，其连接于所述电源的正极；

第1二极管，其连接于所述第2开关元件的负极侧与所述喷射器的一个端子之间的路径；

第2二极管，其一个端子连接于所述喷射器的一个端子与所述第1二极管之间，另一个端子连接于电源地线；

第3开关元件，其连接于所述喷射器的另一个端子与电源地线之间的路径；和

控制单元，其根据在所述喷射器中流过的电流值，使所述第1开关元件、所述第2开关元件及所述第3开关元件动作，

所述喷射器驱动电路的特征在于，

所述控制单元具备在使所述第1开关元件多次导通/截止的期间内使所述第2开关元件导通/截止的单元，

作为用于控制在所述喷射器中流过的电流的设定值，具有规定下限的第1阈值、规定上限的第2阈值、以及大于所述第2阈值的第3阈值，

所述控制单元按照使所述第1开关元件多次导通/截止从而使得在所述喷射器中流过的电流值保持在所述第1阈值与所述第2阈值之间的方式，对所述喷射器中流过的电流进行控制，

所述控制单元在按照使所述第1开关元件多次导通/截止从而保持在所述第1阈值与所述第2阈值之间的方式对所述喷射器中流过的电流进行控制的期间之中的、使所述第1开关元件截止且使所述第2开关元件导通的期间内，在所述喷射器中流过的电流增加并超过所述第2阈值而达到所述第3阈值时，使所述第2开关元件截止。