JP2014171312A - Booster circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、昇圧回路に係り、特に昇圧復帰時間を一定に保つ昇圧回路の制御に関する。 The present invention relates to a booster circuit, and more particularly to control of a booster circuit that keeps a boost recovery time constant.
燃費や排ガス低減を目的とし、気筒内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えた気筒内直接噴射エンジンシステムが近年注目されている。 In recent years, an in-cylinder direct injection engine system including an injector that directly injects fuel into a cylinder has been attracting attention for the purpose of reducing fuel consumption and exhaust gas.
図1に示すように、気筒内直接噴射エンジンシステムは、気筒内直接噴射型インジェクタ106を有し、インジェクタ106は高圧に加圧された燃料を気筒内噴射するため、インジェクタ106の開弁の際には大電流を流す必要がある。そのため、気筒内直接噴射エンジンコントロールユニットでは昇圧回路で昇圧電圧を生成している。そして、エンジン駆動時には昇圧電圧を使用してインジェクタ106に大電流を流し、インジェクタ106を開弁して高圧の燃料を気筒内に噴射している。
As shown in FIG. 1, the in-cylinder direct injection engine system includes an in-cylinder direct
また、PM抑制、燃費改善といった市場要求に対応するため、1気筒で複数回連続噴射を行う多段噴射機能の追加が求められている。多段噴射機能の採用により、シリンダ内の燃料付着防止や燃料によるシリンダの冷却が可能となり、オイル希釈防止、PM抑制、燃費改善をすることができる。 Further, in order to meet market demands such as PM suppression and fuel efficiency improvement, it is required to add a multi-stage injection function for performing continuous injection multiple times in one cylinder. By adopting the multi-stage injection function, it is possible to prevent fuel adhesion in the cylinder and to cool the cylinder with the fuel, thereby preventing oil dilution, suppressing PM, and improving fuel efficiency.
気筒内直接噴射エンジンシステムではインジェクタ通電によって昇圧電圧が低下するため、次のインジェクタ通電までに低下した昇圧電圧を昇圧動作によって規定の電圧値まで復帰させる必要がある。昇圧電圧を復帰させるまでに要する時間を昇圧復帰時間と呼び、昇圧復帰時間はバッテリ電源電圧(直流電圧源の電圧)に依存する。バッテリ電源電圧が増大すると昇圧復帰時間は短くなり、バッテリ電源電圧が低下すると昇圧復帰時間は長くなる。 In the in-cylinder direct injection engine system, the boosted voltage decreases due to the energization of the injector. Therefore, it is necessary to restore the boosted voltage that has been reduced until the next injector energization to a specified voltage value by the boosting operation. The time required to restore the boosted voltage is referred to as the boosting recovery time, and the boosting recovery time depends on the battery power supply voltage (DC voltage source voltage). When the battery power supply voltage increases, the boost recovery time becomes shorter, and when the battery power supply voltage decreases, the boost recovery time becomes longer.
高回転での駆動時や多段噴射採用時にはインジェクタ106の通電間隔が短くなるため、バッテリ電源電圧が低下し昇圧電圧復帰までの時間が長くなると、次のインジェクタ通電時に規定の電圧まで昇圧電圧が復帰できないことが起こりうる。規定の昇圧電圧より低い電圧でインジェクタ通電を行うと、インジェクタ開弁に要する時間が増加するため燃料噴射量にバラツキが発生する。そのため高回転での駆動時や多段噴射採用時には昇圧復帰時間の安定化が重要となる。
When driving at high speed or using multi-stage injection, the energization interval of the
以上示したようなことから、昇圧回路において、直流電圧源の電圧が低下しても、昇圧復帰時間を一定に保つことが課題となる。 As described above, in the booster circuit, even if the voltage of the DC voltage source decreases, it is a problem to keep the boost recovery time constant.
昇圧復帰時間は、昇圧動作時において昇圧コイルに流れる昇圧電流の平均値(以下、平均昇圧電流値と称する)に依存する。平均昇圧電流値が上昇すれば昇圧復帰時間は短縮し、平均昇圧電流値が低下すれば昇圧復帰時間は延びる。 The boost recovery time depends on the average value of the boost current flowing in the boost coil during the boost operation (hereinafter referred to as the average boost current value). When the average boost current value increases, the boost recovery time is shortened, and when the average boost current value decreases, the boost recovery time is extended.
本発明では直流電圧源の電圧を観測し、直流電圧源の電圧が変動した際には、それに併せ平均昇圧電流値を変動させることにより昇圧復帰時間の安定化を図る。 In the present invention, the voltage of the DC voltage source is observed, and when the voltage of the DC voltage source fluctuates, the boosting recovery time is stabilized by changing the average boosted current value accordingly.
本発明によれば、昇圧回路において、直流電圧源の電圧が変動しても昇圧復帰時間を一定に保つことが可能となる。 According to the present invention, in the booster circuit, the boost recovery time can be kept constant even when the voltage of the DC voltage source fluctuates.
図1は実施形態1における気筒内直接噴射エンジンシステムの一例を示す概略図である。図1の概略図は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an in-cylinder direct injection engine system according to the first embodiment. The schematic diagram of FIG. 1 is an example, and the present invention is not limited to this.
吸入空気はエアフローセンサ1を通り、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ2を介して吸気管3を通り燃焼室4に導入される。
The intake air passes through the air flow sensor 1 and is introduced into the combustion chamber 4 through the
燃料タンク5の燃料は、高圧ポンプ6で高い圧力に加圧され、インジェクタ106から燃焼室4に噴射される。燃焼室4に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、イグニッション7で着火され、燃焼室4内で燃焼する。
The fuel in the
燃焼室4にて燃焼後の排気ガスは排気管8へ排出され、排気管8の途中には、EGRバルブ9が形成されている。排気管8を流れる排気ガスの一部(EGRガス)は、EGRバルブ9よりEGR管10を通って吸気管3内に還流する。EGRガス流量はEGRバルブ9によって調節される。
The exhaust gas after combustion in the combustion chamber 4 is discharged to the exhaust pipe 8, and an
排気管8に排出された排気ガスは、三元触媒11にて有害な排気成分を浄化された後に大気に放出される。
The exhaust gas discharged to the exhaust pipe 8 is discharged into the atmosphere after the harmful exhaust components are purified by the three-
図2に、気筒内直接噴射型の内燃機関制御装置を示す。図2に示すように内燃機関制御装置では、各センサからの入力信号100を制御部101に取り込み、制御部101で昇圧回路制御部102、インジェクタ回路制御部103を制御する。昇圧回路制御部102は昇圧回路104を動作させ、インジェクタ回路制御部103はインジェクタ駆動回路105を動作させ、インジェクタ駆動回路105はインジェクタ106を駆動させている。
FIG. 2 shows an in-cylinder direct injection type internal combustion engine control apparatus. As shown in FIG. 2, in the internal combustion engine control apparatus, an
制御部101は例えばマイコン等で実装される。また、状況に応じ、昇圧回路104、インジェクタ駆動回路105での動作情報を昇圧回路制御部102、インジェクタ回路制御部103、制御部101へフィードバックし、その情報を基に動作を行う機能を追加してもよい。
The control unit 101 is implemented by, for example, a microcomputer. Also, depending on the situation, operation information in the
図3に昇圧回路104とインジェクタ駆動回路105の詳細を示す。
FIG. 3 shows details of the
昇圧回路104は車載の直流電圧源(例えば、バッテリ電源電圧:以下、バッテリ電源電圧と称する)からインジェクタ開弁に必要な高電圧を生成する。昇圧回路104は、昇圧コイル201、スイッチング素子(例えば、FET)202、電流検出用抵抗203、昇圧コンデンサ204、逆流防止ダイオード208、昇圧回路制御部102を有する。
The
また、インジェクタ106を駆動させるインジェクタ駆動回路105は、インジェクタ駆動回路制御部103を備え、インジェクタ駆動回路制御部103では、昇圧制御部205から出力された昇圧回路の状態やインジェクタ106のコイルの状態を監視し、インジェクタ駆動回路105を制御している。
The
昇圧動作の制御は昇圧回路制御部102が行う。昇圧回路制御部102はスイッチング素子202の駆動を制御する昇圧制御部205と、昇圧コンデンサ204に蓄積された充電電圧を検出する電圧検出部206と、スイッチング素子202を流れる電流を検出する電流検出部207を有し、例えばこれらの機能はカスタムICにまとめて実装されている。
The boosting
図4は、インジェクタ電流波形の一例と昇圧動作を示すグラフである。(a)は制御部101からインジェクタ駆動回路制御部103に送られるインジェクタ駆動信号であり、インジェクタ駆動信号がHi出力の期間300の間、インジェクタ106に通電する。インジェクタ駆動信号がLo出力になると、インジェクタ106への通電を終了する。
FIG. 4 is a graph showing an example of the injector current waveform and the boosting operation. (A) is an injector drive signal sent from the control unit 101 to the injector drive
(b)はインジェクタ106に流れる電流波形の一例である。期間301はインジェクタを開弁させる期間であり、昇圧電圧を使用してインジェクタ106に通電する。期間302はインジェクタ106の開弁状態を保持する期間であり、保持時間302は磁気回路特性、燃料圧力、供給燃料量に応じたインジェクタ電流通電期間によって決定される。
(B) is an example of a current waveform flowing through the
(c)は昇圧電圧を表している。昇圧回路104での昇圧動作によって昇圧コンデンサ204に303の電圧が蓄えられている状態でインジェクタ106を開弁すると、昇圧電圧を使用してインジェクタ106に通電するため、開弁後、昇圧電圧は一時的に低下する。昇圧電圧が一定値304以上低下すると、昇圧回路制御部102の電圧検出部206で電圧降下を検出して昇圧動作を開始する。昇圧動作は303の電圧値に回復するまで継続する。
(C) represents the boosted voltage. When the
(d)は昇圧制御部205がスイッチング素子202のオンとオフの切り替えを制御する昇圧制御信号、(e)は昇圧コイル201を流れる昇圧電流を示す。
(D) is a boost control signal for controlling the switching on and off of the
図4(d)(e)に示すように、昇圧電圧が一定値304以上低下すると、制御部101からの入力により昇圧制御信号がオンして昇圧動作が開始し、昇圧電流が立ち上がる。昇圧電流が上限閾値305に到達すると、昇圧回路制御部102の電流検出部207で電流値を検出し、スイッチング素子202をオフさせる。このスイッチング素子202がオフの期間に昇圧コイル201に蓄えられたエネルギーは昇圧コンデンサ204にチャージされ昇圧電圧が若干上昇する。スイッチング素子202がオフの期間、昇圧電流は低下し、下限閾値306に到達すると再び昇圧スイッチング素子202をオンさせる。このスイッチング素子202の一連のスイッチング動作を繰り返すことによって図4(c)に示すように、昇圧電圧を元の電圧303まで回復させる。昇圧電流の上限閾値305と下限閾値306の平均値を平均昇圧電流値307と呼び、インジェクタ通電により低下した昇圧電圧を元の電圧値303まで復帰させるために要する時間308を昇圧復帰時間と呼ぶ。
As shown in FIGS. 4D and 4E, when the boosted voltage drops by a
図5は、昇圧動作時の昇圧電流の拡大波形を示すグラフである。スイッチング素子202がオン期間400の間、昇圧電流は上昇し、昇圧電流が上限閾値305に到達するとスイッチング素子202をオフさせ、昇圧電流が下限閾値306に到達するまでのオフ期間401の間、昇圧電流を低下させる。
FIG. 5 is a graph showing an enlarged waveform of the boost current during the boost operation. The boosting current increases during the
昇圧コイル201のインダクタンスをL、バッテリ電源電圧200をVとすると、昇圧電流を上限閾値305まで上昇させるオン期間400の昇圧電流の傾きはV/Lに比例する。そのため、オン期間400はバッテリ電源電圧200が大きければ短くなり昇圧復帰時間308も短くなる。一方、バッテリ電源電圧200が小さければオン期間400は長くなり昇圧復帰時間308も長くなる。
Assuming that the inductance of the boosting
また、昇圧電圧を復帰させる際、昇圧動作によって昇圧コンデンサ204に蓄えられるエネルギー量は縦線部面積402に比例する。そのため平均昇圧電流値307が上昇すれば縦線部面積402は増大するため昇圧復帰時間308は短くなり、平均昇圧電流値307が低下すれば縦線部面積402は減少するため昇圧復帰時間308は長くなる。
Further, when restoring the boosted voltage, the amount of energy stored in the boost capacitor 204 by the boosting operation is proportional to the
従来、昇圧動作を行う際には、昇圧電流の上限閾値305、下限閾値306は一定であり平均昇圧電流値307も常に一定となる仕様としている。この方法は昇圧電流の上限閾値305、下限閾値306を当初設定から変更する必要が無いため、制御が容易であるという利点があった。しかしながら、バッテリ電源電圧200が変動した際には、それに併せて昇圧復帰時間308が変動してしまうという問題点があった。
Conventionally, when performing a boost operation, the upper
以下、本願発明の実施形態1〜4を具体的に説明する。 Hereinafter, Embodiments 1-4 of the present invention will be specifically described.
[実施形態1]
実施形態1における内燃機関制御装置の駆動時において、バッテリ電源電圧200が基準の電圧値500から電圧値501だけ変動した際のバッテリ電源電圧200と昇圧電流の挙動を図6に示す。
[Embodiment 1]
FIG. 6 shows the behavior of the battery
予め、表1に示すように昇圧復帰時間が一定になるようなバッテリ電源電圧200と昇圧電流の上限閾値305,下限閾値306の組み合わせのTableを制御部101に設定する。
As shown in Table 1, a table of combinations of the battery
内燃機関制御装置の駆動時において、定期的に制御部101でバッテリ電源電圧200を観測する。観測したバッテリ電源電圧200を表1のTableと照らし合わせ、規定の昇圧復帰時間308を達成するために必要な昇圧電流の上限閾値502と下限閾値503を導出する。
When the internal combustion engine control device is driven, the control unit 101 periodically observes the battery
制御部101から導出された昇圧電流の上限閾値502と下限閾値503を昇圧回路制御部102へ送り、昇圧回路104を指定された昇圧電流の上限閾値502と下限閾値503で駆動させる。これにより平均昇圧電流値も図6に示すように電流値307から電流値504へと変動することとなる。このように平均昇圧電流値を変化させることで、電源電圧変動による昇圧復帰時間の変動分を打ち消し、昇圧復帰時間308を常時一定に保つことが可能となる。また、高回転や多段噴射でも安定的に燃料噴射を行うことができる。
The upper
[実施形態2]
次に、実施形態2における内燃機関制御装置を説明する。実施形態1では、バッテリ電源電圧200を定期的に観測し、その都度、バッテリ電源電圧に応じて昇圧電流の上限閾値と下限閾値を導出していた。これに対し、本実施形態2では、バッテリ電源電圧200の検出方法として定期的に電源電圧値を観測するのではなく、バッテリ電源電圧200が規定の電圧値から一定以上変化し、さらにそれが一定時間以上続くようであれば制御部101で昇圧電流の上限閾値305と下限閾値306を変更する。その他の構成は実施形態1と同様である。
[Embodiment 2]
Next, an internal combustion engine control apparatus according to
これにより、実施形態1の作用効果に加え、演算負荷を低減することが可能となる。 Thereby, in addition to the effect of Embodiment 1, it becomes possible to reduce a calculation load.
[実施形態3]
次に、実施形態3における内燃機関制御装置について説明する。
[Embodiment 3]
Next, an internal combustion engine control apparatus according to
実施形態1では、表1のTableから昇圧電流の上限閾値と下限閾値を導出していたが、本実施形態3では、制御部101によって設定する昇圧電流の上限閾値と下限閾値とを、その都度、算出する。 In the first embodiment, the upper limit threshold and the lower limit threshold of the boost current are derived from the table of Table 1, but in the third embodiment, the upper limit threshold and the lower limit threshold of the boost current set by the control unit 101 are calculated each time. ,calculate.
具体的には、観測したバッテリ電源電圧200と規定の電圧値の差分を取り、その電圧値の差分からスイッチング素子202がオン期間400(昇圧電流上昇の際)における昇圧電流の傾きの変動分を算出する。ここで、昇圧電流の傾きはV/L(ただし、V:バッテリ電源電圧,L:インダクタンス)に比例する。そのため、電圧値の差分から傾きの変動分を求めることができる。
Specifically, the difference between the observed battery
昇圧電流の傾きから昇圧電流が下限閾値から上限閾値まで到達するのに必要な時間が求められるため、昇圧電流の傾きの変動分から昇圧復帰時間の変動分を算出することができる。 Since the time required for the boost current to reach from the lower limit threshold value to the upper limit threshold value is obtained from the slope of the boost current, the change amount of the boost return time can be calculated from the change amount of the boost current slope.
次に、算出された昇圧復帰時間変動分を解消できるような、一回のスイッチング素子202のオンオフ切り替えで昇圧コンデンサ204に蓄えられるエネルギー量を求める。I=ΔQ/Δt(ただし、I:昇圧電流,dQ:電荷,dt:時間差)であるため、昇圧電流から、一回のスイッチング素子202のオンオフ切り替えで昇圧コンデンサに蓄えられる電荷ΔQが求まり、その電荷からエネルギー量(∝Q2/C(ただし、C:昇圧コンデンサ204の容量))を求めることができる。その値より昇圧復帰時間変動分を解消できる平均昇圧電流値を算出し、設定すべき昇圧電流の上限閾値と下限閾値を求める。
Next, the amount of energy stored in the boost capacitor 204 by one on / off switching of the
この方式では制御部101で上記のような算出が必要となることから実施形態1に比べ、制御が困難となる。しかしながら、バッテリ電源電圧値の小さな変動にも対応できることから、実施形態3では昇圧復帰時間308をより安定させることが可能となる。
In this method, the control unit 101 needs to perform the calculation as described above, so that control becomes difficult as compared with the first embodiment. However, since it is possible to cope with small fluctuations in the battery power supply voltage value, the
[実施形態4]
実施形態1〜3では平均昇圧電流を変動させる際に、昇圧電流の上限閾値305と昇圧電流の下限閾値306を併せて変動させて平均昇圧電流307を変動させているが、昇圧電流の上限閾値305または下限閾値306のどちらか一方を変動させて平均昇圧電流値307を変動させる方式としても良い。また、昇圧電流の上限閾値を大きく変動させて下限閾値の変動を小さくする方法やその逆でもよい。
[Embodiment 4]
In the first to third embodiments, when the average boost current is changed, the average boost current 307 is changed by changing the boost current
例えば、昇圧電流の上限閾値のみを上げた場合、昇圧コイルでは交流成分により消費電力が大きくなるが、下限閾値のみを上げることにより、昇圧コイルの交流成分による消費電力は小さくなる。一方、下限閾値のみを上げた場合は、スイッチング素子202のスイッチング回数が増えてスイッチング損失が増えることとなる。
For example, when only the upper limit threshold value of the boost current is increased, the power consumption of the booster coil increases due to the AC component, but by increasing only the lower limit threshold value, the power consumption due to the AC component of the booster coil decreases. On the other hand, when only the lower limit threshold value is increased, the switching frequency of the
本実施形態4によれば、上限閾値と下限閾値の設定の自由度が向上し、上記のような各要素の影響を考慮した上限閾値および下限閾値に設定することが可能となる。 According to the fourth embodiment, the degree of freedom in setting the upper limit threshold and the lower limit threshold is improved, and it is possible to set the upper limit threshold and the lower limit threshold in consideration of the influence of each element as described above.
101…制御部
102…昇圧回路制御部
106…インジェクタ
200…直流電圧源(バッテリ電源電圧)
201…昇圧コイル
202…スイッチング素子(FET)
203…電流検出部
204…昇圧コンデンサ
206…昇圧電圧検出部
307,504…平均昇圧電流値
305,502…上限閾値
306,503…下限閾値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ...
201 ... Boosting
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記昇圧コイルへ昇圧電流を通電させるスイッチング素子と、
前記昇圧コイルで生成されたエネルギーを蓄積する昇圧コンデンサと、
前記昇圧コイルの昇圧電流を検出する電流検出部と、
前記昇圧コイルの昇圧電流が上限閾値に到達後、下限閾値に到達するまでスイッチング素子をオフにして昇圧電流を遮断し、前記昇圧コイルに蓄積されたエネルギーを前記昇圧コンデンサに充電させる昇圧制御を繰り返して行い昇圧電圧を生成する昇圧回路制御部と、
前記昇圧電圧を検出する昇圧電圧検出部と、を備えた昇圧回路において、
前記昇圧回路制御部は、
昇圧電圧を生成する前記直流電圧源の電圧が変動した際に、前記直流電圧源の電圧の変動に応じて昇圧電流の平均昇圧電流値を変更させることを特徴とする昇圧回路。 A booster coil that is connected to a DC voltage source and boosts the voltage of the DC voltage source; and a switching element that energizes a boost current to the booster coil;
A boost capacitor for storing energy generated by the boost coil;
A current detector for detecting a boost current of the boost coil;
After the boost current of the boost coil reaches the upper limit threshold, the switching element is turned off until the lower limit threshold is reached, the boost current is cut off, and the boost control for charging the boost capacitor with the energy stored in the boost coil is repeated. A booster circuit controller for generating a boosted voltage,
A booster circuit comprising a boosted voltage detector for detecting the boosted voltage;
The booster circuit control unit includes:
A booster circuit, wherein when the voltage of the DC voltage source that generates the boosted voltage fluctuates, the average boosted current value of the boosted current is changed according to the fluctuation of the voltage of the DC voltage source.
前記昇圧電流の上限閾値と下限閾値を変更することにより平均昇圧電流値を変更することを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。 The booster circuit control unit includes:
2. The booster circuit according to claim 1, wherein the average boost current value is changed by changing an upper limit threshold and a lower limit threshold of the boost current.
前記昇圧電流の上限閾値と下限閾値のどちらか一方を変更することにより平均昇圧電流値を変更することを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。 The booster circuit control unit includes:
2. The booster circuit according to claim 1, wherein the average boost current value is changed by changing one of an upper limit threshold and a lower limit threshold of the boost current.
前記平均昇圧電流値の変更を、前記電圧検出部で観測された電圧値が規定の電圧値から一定以上変動したことを検知した時、または定期的に行うこと特徴とする請求項1〜3のうち何れかに1項に記載の昇圧回路。 The booster circuit control unit includes:
4. The average boosted current value is changed when it is detected that the voltage value observed by the voltage detector has fluctuated more than a predetermined value from a specified voltage value, or periodically. The booster circuit according to any one of the above.
前記電圧検出部で検出した直流電圧源の電圧に基づいて、その都度、平均昇圧電流値を算出することを特徴とする請求項1〜4のうち何れか1項に記載の昇圧回路の制御装置。 The booster circuit control unit includes:
5. The boosting circuit control device according to claim 1, wherein an average boosting current value is calculated each time based on a voltage of a DC voltage source detected by the voltage detection unit. 6. .
予め制御部に記憶された前記直流電圧源の電圧と昇圧電流のテーブルから、前記直流電圧源の電圧に基づいて、昇圧電流を導出することを特徴とする請求項1〜4のうち何れか1項に記載の昇圧回路。 The booster circuit control unit includes:
5. The boost current is derived from the DC voltage source voltage and boost current table stored in advance in the control unit based on the DC voltage source voltage. 6. The booster circuit according to the item.
昇圧回路で生成された昇圧電流はエンジン気筒内に燃料を噴射するインジェクタの開弁に用いられることを特徴とする請求項1〜6のうち何れか1項に記載の昇圧回路。 The booster circuit is provided in a control device for an internal combustion engine,
The booster circuit according to any one of claims 1 to 6, wherein the booster current generated by the booster circuit is used to open an injector that injects fuel into the engine cylinder.
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