JP3694950B2 - 多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各気筒内に各燃料噴射弁より直接燃料を噴射する多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図21は直噴エンジン、特に直噴ガソリンエンジン（筒内噴射・火花点火式エンジン）の概略図である。
燃焼室101 はシリンダヘッド102 とピストン103 とにより画成されている。そして、シリンダヘッド102 側には中心部に点火栓104 が配置されると共に、これを囲んで吸気ポート105 及び排気ポート106 が形成され、それぞれに吸気弁107 及び排気弁108 が装着されるようになっている。
【０００３】
燃料噴射弁（インジェクタ）109 は、燃焼室101 内に直接燃料を噴射するように備えられ、燃料は燃料タンク110 から低圧燃料ポンプ111 及び高圧燃料ポンプ112 により全気筒共通の燃料ギャラリ113 を経て供給され、その圧力はプレッシャレギュレータ（図示せず）により調整されるようになっている。
図22は燃料噴射弁の構成を示し、コイル201 、ヨーク202 、ステータ203 、プランジャ204 、針弁205 、閉弁付勢ばね206 等から構成されている。
【０００４】
ところで、直噴エンジンでは、燃料噴射弁の噴口が直接筒内に臨んでおり、基本的には吸気行程のみの短い期間に燃料を噴射しなければならない。特に、最小噴射量近くとなるアイドル回転時には 0.2〜 0.4msという極めて短い時間に燃料を噴射しなければならない。このため、非常に応答性の高い針弁の開閉を必要とする。
【０００５】
そこで、開弁時、電磁力で針弁を吸引するときには、コイルに50〜 200Ｖの高電圧を印加して電流を速く立ち上げ、吸引力発生の応答を速くして、針弁を速く開弁させる。また、閉弁時、ばね力で針弁を着座させるときには、コイルに負高電圧を印加してコイルの磁束を急速に減少させ、吸引力消滅の応答を速くして、針弁を速く閉弁させる。
【０００６】
この方式は、日本機械学会〔No930-42〕機械力学・計測制御講演論文集（Vol.Ｂ）〔'93.7.21〜23・東京〕「729. 高速電磁弁の高速化に関する研究」に記載されている。また、特許文献では、開弁時にＤＣ−ＤＣコンバータを用いてコンデンサにチャージした高電圧を印加する方式として、特開平６−２９９８９０号、特開昭５９−８５４３４号等がある。これらは閉弁時には負高電圧を印加していないが、コイルの電圧印加端子を逆にすればよいので、モータ等で正逆転させるためにコイル電流を双方向に流す手段として一般的に知られているスイッチング素子のＨブリッジ構成を用いればよい。
【０００７】
図23は上記の手段による従来から用いられている１気筒分の燃料噴射弁駆動回路を示している。
先ず構成を説明する。
１は高電圧を発生する高電圧電源、２は車載バッテリ、３は燃料噴射弁のコイルである。
【０００８】
４は開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とコイル３の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
５は開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とコイル３の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
【０００９】
６は開弁用ローサイド側スイッチング素子であり、コイル３の他端と接地との間に設けられて、開弁時及び開弁状態保持時に導通する。
７は閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とコイル３の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
８は閉弁用ローサイド側スイッチング素子であり、コイル３の一端と接地との間に設けられて、閉弁時に導通する。
【００１０】
９は電流検出抵抗であり、開弁用ローサイド側スイッチング素子６と接地との間に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
ここで、開弁状態保持時には、この電流検出抵抗９にて検出される電流をフィードバックして、電流制御回路（図示せず）により所定の電流値となるようにＰＷＭ（パルス幅変調）制御で開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５をオンオフする。
【００１１】
次に作用を図24及び図25を参照して説明する。
開弁時は、スイッチング素子４，５，６を同時にオンする。すると、高電圧がコイル３に印加され、図24（１）の矢印Ａのように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる（図25のイ）。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる（図25のロ）。
【００１２】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４をオフする。すると、スイッチング素子５，６を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３に印加され、図24（２）の矢印Ｂのように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９にて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５をＰＷＭ制御する（図25のハ）。
【００１３】
閉弁時は、スイッチング素子５，６をオフし、スイッチング素子７，８をオンする。すると、負高電圧がコイル３に印加され、電流が急速に減少して、図24（３）の矢印Ｃのように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる（図25のニ）。消磁が終わると、スイッチング素子７，８をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、全ての行程を終了する。
【００１４】
図26には図23の燃料噴射弁駆動回路を用いた６気筒エンジンの場合の燃料噴射弁駆動回路を示す。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料噴射弁駆動回路にあっては、１個の燃料噴射弁を駆動するのに５個のスイッチング素子が必要で、４気筒エンジンでは20個、６気筒エンジンでは30個（図26参照）にもなり、非常に多くのスイッチング素子が必要であるため、スイッチング素子の破壊による故障率が高くなる。さらに駆動回路全体の大きさが大きくなり過ぎて、車両のレイアウト上、搭載できない場合もありうる。
【００１６】
また、開弁状態を保持するため、電流検出抵抗を用いた電流制御を燃料噴射弁毎に行っているが、各燃料噴射弁毎に電流制御回路が必要となる。さらに、電流検出抵抗は、開弁時の大電流が流れるため、許容電力の大きいものが必要となり、大きさが大きくなってしまう。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、同時に複数の燃料噴射弁が駆動されるのは２本（ないし３本）までであることを考慮し、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化して、スイッチング素子の個数を削減するなどにより、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を簡素化することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、各気筒の燃料噴射弁を同時に駆動されることのないグループに分ける一方、車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各グループ毎に、車載バッテリと各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを設けて、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を構成する。
【００１８】
すなわち、ある気筒の燃料噴射弁の開弁時は、同一グループの開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の開弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、高電圧電源より高電圧をコイルに印加する。
開弁後は、開弁状態を保持するため、同一グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の開弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、車載バッテリの電圧をコイルに印加する。
【００１９】
閉弁時は、同一グループの閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、高電圧電源より高電圧を逆方向に印加して、負高電圧を印加する。
これにより、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化して、スイッチング素子の個数を削減することができる。
【００２０】
尚、６気筒エンジンでは、１，３，５気筒と２，４，６気筒との２グループ、又は、１，４気筒と２，５気筒と３，６気筒との３グループに分ければよい。４気筒エンジンでは、１，３気筒と、２，４気筒との２グループに分ければよい。請求項２に係る発明では、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、高電圧電源と各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、車載バッテリと各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する単一の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを設けて、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を構成する。
【００２１】
これにより、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子を全気筒間で共通化して、スイッチング素子の個数をさらに削減することができる。
請求項３に係る発明では、各燃料噴射弁のコイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段と、開弁状態保持時に、検出される電流が所定値となるように開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子をオンオフ制御する電流制御回路とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に係る発明では、前記電流検出手段は、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と直列に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする。
これにより、この電流検出抵抗についてもグループ化でき、電流制御回路のグループ化が可能となる。また、ハイサイド側の電流検出抵抗は開弁保持電流が流れるのみであるので小型化できる。
【００２３】
請求項５に係る発明では、請求項４に係る発明の場合に、前記電流制御回路は、前記開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子のオン時に前記電流検出抵抗により検出される電流が所定の上限値以下となるように制御するものであることを特徴とする。
ハイサイド側の電流検出抵抗の場合、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子をオンオフ制御すると、オフ時には電流検出抵抗に電流が流れないので、オン時に検出した電流に基づいて上限値を規制することで、電流制御を行う。
【００２４】
請求項６に係る発明では、前記電流検出手段は、複数の開弁用ローサイド側スイッチング素子と接地との間に共通に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする。
これにより、この電流検出抵抗についてもグループ化でき、電流制御回路のグループ化が可能となる。また、ローサイド側の電流検出抵抗は大電流が流れるものの常に電流検出が可能である。
【００２５】
請求項７に係る発明では、前記高電圧電源は、50〜 250Ｖの高電圧を発生するものであることを特徴とする。
この範囲の高電圧を印加することで、非常に応答性の高い針弁の開閉を実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例を示している。
この実施例は、６気筒直噴エンジンの例で、１，３，５気筒の燃料噴射弁は同時に駆動されることがなく、また、２，４，６気筒の燃料噴射弁も同時に駆動されることがないことを前提として、１，３，５気筒の燃料噴射弁と、２，４，６気筒の燃料噴射弁との２グループに分けている。
【００２７】
先ず構成を説明する。
１は高電圧（50〜 250Ｖ）を発生する高電圧電源、２は車載バッテリ（例えば12Ｖ）、３−１〜３−６は１〜６気筒の燃料噴射弁のコイルである。
４−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
【００２８】
４−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
５−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
【００２９】
５−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
６−１〜６−６は開弁用ローサイド側スイッチング素子であり、各コイル３−１〜３−６の他端と接地との間に設けられて、開弁時及び開弁状態保持時に導通する。
【００３０】
７−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
７−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
【００３１】
８−１〜８−６は閉弁用ローサイド側スイッチング素子であり、各コイル３−１〜３−６の一端と接地との間に設けられて、閉弁時に導通する。
９−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の電流検出抵抗であり、当該グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ａと直列に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
【００３２】
９−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の電流検出抵抗であり、当該グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ｂと直列に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
ここで、開弁状態保持時には、電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂにて検出される電流をフィードバックして、それぞれの電流制御回路（図示せず）により所定の電流値となるようにＰＷＭ（パルス幅変調）制御で開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ａ，５−Ｂをオンオフする。
【００３３】
尚、回路中には、図示のごとく、逆流防止用のダイオードが適宜挿入されている。
次に作用を図２の信号波形図と図３〜図８の状態図とを参照して説明する。
１気筒の燃料噴射弁は、時刻ｔ１（図２）にて、燃料噴射開始する。
１気筒の燃料噴射弁の開弁時は、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，６−１を同時にオンする。すると、高電圧が１気筒の燃料噴射弁のコイル３−１に印加され、図３の矢印のように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる。
【００３４】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４−Ａをオフする。すると、スイッチング素子５−Ａ，６−１を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３−１に印加され、図４の矢印のように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９−Ａにて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５−ＡをＰＷＭ制御する。
【００３５】
一方、２気筒の燃料噴射弁は、１気筒の燃料噴射開始時期からクランク角 120°後の時刻ｔ２（図２）にて、燃料噴射開始する。
２気筒の燃料噴射弁の開弁時は、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，６−２を同時にオンする。すると、高電圧が２気筒の燃料噴射弁のコイル３−２に印加され、図５の矢印のように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる。このとき、１気筒の燃料噴射弁は開弁保持状態にあるため、スイッチング素子５−Ａ，６−１も同時にオンして、車載バッテリ２からコイル３−１へ電流が流れている。
【００３６】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４−Ｂをオフする。すると、スイッチング素子５−Ｂ，６−２を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３−２に印加され、図６の矢印のように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９−Ｂにて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５−ＢをＰＷＭ制御する。このとき、１気筒の燃料噴射弁も開弁保持状態にあるため、車載バッテリ２からコイル３−１へも電流が流れている。
【００３７】
１気筒の燃料噴射弁の閉弁時（時刻ｔ１Ｅ）は、スイッチング素子５−Ａ，６−１をオフし、スイッチング素子７−Ａ，８−１をオンする。すると、負高電圧がコイル３−１に印加され、電流が急速に減少して、図７の矢印のように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる。消磁が終わると、スイッチング素子７−Ａ，８−１をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、燃料噴射を終了する。
【００３８】
２気筒の燃料噴射弁の閉弁時（時刻ｔ２Ｅ）は、スイッチング素子５−Ｂ，６−２をオフし、スイッチング素子７−Ｂ，８−２をオンする。すると、負高電圧がコイル３−２に印加され、電流が急速に減少して、図８の矢印のように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる。消磁が終わると、スイッチング素子７−Ｂ，８−２をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、燃料噴射を終了する。このときには、既に３気筒の燃料噴射弁が開弁し、開弁保持状態に入って、スイッチング素子５−Ａ，６−３がオンし、車載バッテリ２からコイル３−３へ電流が流れている。
【００３９】
本実施例では、以上のように、同時に３本以上の燃料噴射弁が駆動されないことに着目して、コイルのハイサイド側スイッチング素子４−ＡとＡ−Ｂ、５Ａと５Ｂ、７Ａと７Ｂを交互にスイッチングすることにより、従来６系統あったハイサイド側スイッチング素子群を２系統に減少させることができる。従って、６気筒でのスイッチング素子の総数を30個→18個に減少させることができるため、スイッチング素子の破壊による故障率が低くなる。さらに駆動回路全体の大きさを小さくすることができるので、車両のレイアウト上、搭載できる場所の自由度が高くなる。
【００４０】
また、本実施例では、コイルのハイサイド側に電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けているが、この場合の電流制御方法について説明する。
図９（１）に示すように、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（例えば５−Ａ）がオン状態で矢印のように電流が流れている場合は、電流検出抵抗（例えば９−Ａ）に電流が流れるが、図９（２）に示すように、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（例えば５−Ａ）がオフ状態で矢印のように電流が流れている場合には、電流検出抵抗（例えば９−Ａ）に電流が流れないので、電流を検出できない。
【００４１】
そこで、電流制御回路により、電流の上限値のみを制御し、下限値はスイッチング素子のオフ時間を管理することにより電流制御する。
図10はその場合の電流制御回路の構成を示している。
この電流制御回路は、電流増幅器10、第１コンパレータ11、第２コンパレータ12、充放電回路13、第３コンパレータ14等から構成されている。
【００４２】
電流増幅器10は、電流検出用抵抗（９−Ａ）の両端の電位差より、コイル電流に対応した信号を出力する。
第１コンパレータ11は、電流増幅器10からのコイル電流と、予め定めた電流上限値とを比較し、コイル電流が上限値以下のときはＨレベルの信号を出力し、コイル電流が上限値を超えるとＬレベルの信号を出力する。
【００４３】
第２コンパレータ12は、燃料噴射信号を受けて、噴射期間中、Ｈレベルの信号を出力する。
充放電回路13は、抵抗Ｒ1 とコンデンサＣ1 との直列回路からなり、それらの接続点に、第１コンパレータ11の出力端子と第２コンパレータ12の出力端子とが接続されている。
【００４４】
第３コンパレータ14は、充放電回路13におけるコンデンサＣ1 の端子電圧と、オフ時間決定基準値として予め定めた基準電圧とを比較し、コンデンサＣ1 の端子電圧が基準電圧以下のときはＬレベルの信号を出力し、コンデンサＣ1 の端子電圧が基準電圧を超えるとＨレベルの信号を出力する。
ここで、第３コンパレータ14の出力端子は、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（５−Ａ）に接続され、第３コンパレータ13の出力がＨレベルのときに開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（５−Ａ）をオンするようになっている。
【００４５】
次に作用を図11の信号波形図を参照して説明する。
時刻ｔ１にてコイル電流が上限値を一瞬超えると、第１コンパレータ11の出力が反転してＬレベルとなり、充放電回路13のコンデンサＣ1 が急速放電する結果、第３コンパレータ14の出力が反転してＬレベルとなることで、スイッチング素子（５−Ａ）がオフし、コイル電流が減少していく。
【００４６】
コイル電流の減少により、第１コンパレータ11の出力が再反転してＨレベルとなると、充放電回路13における抵抗Ｒ1 とコンデンサＣ1 との組合わせによる充電により、コンデンサＣ1 の端子電圧が徐々に上昇する。そして、オフ時間決定基準値に達すると、時刻ｔ２にて第３コンパレータ14が再反転してＨレベルとなることで、スイッチング素子（５−Ａ）がオンし、コイル電流が上昇していく。
【００４７】
以上の手法により、ハイサイド側２系統のみに電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けただけで、６個の燃料噴射弁の電流を制御できるので、大きさの大きい電流検出抵抗の数を減らし、かつ電流制御回路を２系統のみに減少させることができるので、スイッチング素子の減少効果に加えて回路の大きさを小さくでき、信頼性を向上できる。
【００４８】
図12には電流検出抵抗の他の配置例を示し、ローサイド側２系統のみに電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けた場合である。
電流検出抵抗９−Ａは、第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）内の開弁用ローサイド側スイッチング素子６−１，６−３，６−５と接地との間に共通に設けている。
【００４９】
電流検出抵抗９−Ｂは、第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）内の開弁用ローサイド側スイッチング素子６−２，６−４，６−６と接地との間に共通に設けている。
この場合には、常に電流を検出しながら、電流をＰＷＭ制御することが可能である。
【００５０】
以上の説明では、６気筒エンジンで、噴射期間がクランク角で 240°以内（最大噴射量が 120〜 240°）の場合を示したが、最大噴射量が少なく噴射期間がクランク角で 120°以内の場合には、複数の燃料噴射弁が同時に噴射する重なり期間を生じないので、ハイサイド側のスイッチング素子は１系統にてまかなえる（６気筒１グループ）。
【００５１】
図13は６気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４，５，７で全ての気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。
一方、最大噴射量が多く、噴射期間がクランク角 240°以上の場合には、３本の燃料噴射弁が同時に噴射する期間が生じるので、逆にハイサイド側のスイッチング素子は３系統になる（６気筒３グループ）。
【００５２】
図14は６気筒３グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，７−Ａで１，４気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，７−Ｂで２，５気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｃ，５−Ｃ，７−Ｃで３，６気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。
【００５３】
また、以上の説明では、全て６気筒エンジンの場合を示したが、次に４気筒エンジンの場合について説明する。
４気筒エンジンの場合、最大噴射量が多くて、噴射期間がクランク角 180°以上の場合には、２本の燃料噴射弁が同時に噴射する期間が生じるので、ハイサイド側のスイッチング素子は２系統になる（４気筒２グループ）。
【００５４】
図15は４気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，７−Ａで１，３気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，７−Ｂで２，４気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。よって、スイッチング素子の総数を20個→14個に減少させることができる。
【００５５】
一方、最大噴射量が少なくて、噴射期間がクランク角で 180°以内の場合は、複数の燃料噴射弁が同時に噴射する重なり期間を生じないので、ハイサイド側のスイッチング素子は１系統にてまかなえる（４気筒１グループ）。
図16は４気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４，５，７で全ての気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。よって、スイッチング素子の総数を20個→11個に減少させることができる。
【００５６】
また、図17には６気筒１グループ（図13）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図18には６気筒３グループ（図14）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図19には４気筒２グループ（図15）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図 20には４気筒１グループ（図16）の場合の電流検出抵抗の他の配置例を示している。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、各気筒の燃料噴射弁を同時に駆動されることのないグループに分けて、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化したことにより、スイッチング素子の総数を減少でき、スイッチング素子の破壊による故障率を低減できると共に、駆動回路全体の大きさを小さくすることができるので、車両のレイアウト上、搭載できる場所の自由度が高くなるという効果が得られる。
【００５８】
請求項２に係る発明によれば、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子を全気筒間で共通化して、スイッチング素子の個数をさらに削減できるという効果が得られる。
請求項３に係る発明によれば、開弁状態保持のために電流制御を行うが、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子の削減に伴って、電流制御回路を削減できるという効果が得られる。
【００５９】
請求項４に係る発明によれば、電流検出抵抗をハイサイド側に設けて、この電流検出抵抗についてもグループ化できると共に、ハイサイド側の電流検出抵抗は開弁保持電流が流れるのみであるので小型化できるという効果が得られる。
請求項５に係る発明によれば、ハイサイド側の電流検出抵抗の場合、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子のオフ時には電流検出ができないが、オン時に検出した電流に基づいて上限値を規制することで、十分な電流制御が可能となるという効果が得られる。
【００６０】
請求項６に係る発明によれば、電流検出抵抗をローサイド側に設けて、この電流検出抵抗についてもグループ化できると共に、ローサイド側の電流検出抵抗は大電流が流れるものの常に電流検出が可能であるので電流制御が容易となるという効果が得られる。
請求項７に係る発明によれば、50〜 250Ｖの高電圧を印加することで、非常に応答性の高い針弁の開閉を実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す６気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図２】 同上の燃料噴射弁駆動回路の信号波形図
【図３】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（１）
【図４】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（２）
【図５】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（３）
【図６】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（４）
【図７】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（５）
【図８】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（６）
【図９】 電流検出抵抗に流れる電流の説明図
【図１０】 電流制御回路の構成例を示す図
【図１１】 同上の電流制御回路の信号波形図
【図１２】 電流検出抵抗の他の配置例を示す燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１３】 ６気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１４】 ６気筒３グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１５】 ４気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１６】 ４気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１７】 ６気筒１グループの場合の他の配置例の構成図
【図１８】 ６気筒３グループの場合の他の配置例の構成図
【図１９】 ４気筒２グループの場合の他の配置例の構成図
【図２０】 ４気筒１グループの場合の他の配置例の構成図
【図２１】 直噴エンジンの概略図
【図２２】 燃料噴射弁の断面図
【図２３】 従来の燃料噴射弁駆動回路（１気筒分）の構成図
【図２４】 従来の燃料噴射弁駆動回路の作動説明図
【図２５】 従来の燃料噴射弁駆動回路の信号波形図
【図２６】 従来の燃料噴射弁駆動回路（６気筒分）の構成図
【符号の説明】
１ 高電圧電源
２ 車載バッテリ
３−１〜３−６ 燃料噴射弁のコイル
４，４−Ａ，４−Ｂ，４−Ｃ 開弁用ハイサイド側 スイッチング素子
５，５−Ａ，５−Ｂ，５−Ｃ 開弁状態保持用ハイサイド側 スイッチング素子
６−１〜６−６ 開弁用ローサイド側スイッチング素子
５，５−Ａ，５−Ｂ，５−Ｃ 開弁状態保持用ハイサイド側 スイッチング素子
７，７−Ａ，７−Ｂ，７−Ｃ 閉弁用ハイサイド側 スイッチング素子
８−１〜８−６ 閉弁用ローサイド側スイッチング素子
９，９−Ａ，９−Ｂ，９−Ｃ 電流検出抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、各気筒内に各燃料噴射弁より直接燃料を噴射する多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図21は直噴エンジン、特に直噴ガソリンエンジン（筒内噴射・火花点火式エンジン）の概略図である。
燃焼室101 はシリンダヘッド102 とピストン103 とにより画成されている。そして、シリンダヘッド102 側には中心部に点火栓104 が配置されると共に、これを囲んで吸気ポート105 及び排気ポート106 が形成され、それぞれに吸気弁107 及び排気弁108 が装着されるようになっている。
【０００３】
燃料噴射弁（インジェクタ）109 は、燃焼室101 内に直接燃料を噴射するように備えられ、燃料は燃料タンク110 から低圧燃料ポンプ111 及び高圧燃料ポンプ112 により全気筒共通の燃料ギャラリ113 を経て供給され、その圧力はプレッシャレギュレータ（図示せず）により調整されるようになっている。
図22は燃料噴射弁の構成を示し、コイル201 、ヨーク202 、ステータ203 、プランジャ204 、針弁205 、閉弁付勢ばね206 等から構成されている。
【０００４】
ところで、直噴エンジンでは、燃料噴射弁の噴口が直接筒内に臨んでおり、基本的には吸気行程のみの短い期間に燃料を噴射しなければならない。特に、最小噴射量近くとなるアイドル回転時には 0.2〜 0.4msという極めて短い時間に燃料を噴射しなければならない。このため、非常に応答性の高い針弁の開閉を必要とする。
【０００５】
そこで、開弁時、電磁力で針弁を吸引するときには、コイルに50〜 200Ｖの高電圧を印加して電流を速く立ち上げ、吸引力発生の応答を速くして、針弁を速く開弁させる。また、閉弁時、ばね力で針弁を着座させるときには、コイルに負高電圧を印加してコイルの磁束を急速に減少させ、吸引力消滅の応答を速くして、針弁を速く閉弁させる。
【０００６】
この方式は、日本機械学会〔No930-42〕機械力学・計測制御講演論文集（Vol.Ｂ）〔'93.7.21〜23・東京〕「729. 高速電磁弁の高速化に関する研究」に記載されている。また、特許文献では、開弁時にＤＣ−ＤＣコンバータを用いてコンデンサにチャージした高電圧を印加する方式として、特開平６−２９９８９０号、特開昭５９−８５４３４号等がある。これらは閉弁時には負高電圧を印加していないが、コイルの電圧印加端子を逆にすればよいので、モータ等で正逆転させるためにコイル電流を双方向に流す手段として一般的に知られているスイッチング素子のＨブリッジ構成を用いればよい。
【０００７】
図23は上記の手段による従来から用いられている１気筒分の燃料噴射弁駆動回路を示している。
先ず構成を説明する。
１は高電圧を発生する高電圧電源、２は車載バッテリ、３は燃料噴射弁のコイルである。
【０００８】
４は開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とコイル３の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
５は開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とコイル３の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
【０００９】
６は開弁用ローサイド側スイッチング素子であり、コイル３の他端と接地との間に設けられて、開弁時及び開弁状態保持時に導通する。
７は閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とコイル３の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
８は閉弁用ローサイド側スイッチング素子であり、コイル３の一端と接地との間に設けられて、閉弁時に導通する。
【００１０】
９は電流検出抵抗であり、開弁用ローサイド側スイッチング素子６と接地との間に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
ここで、開弁状態保持時には、この電流検出抵抗９にて検出される電流をフィードバックして、電流制御回路（図示せず）により所定の電流値となるようにＰＷＭ（パルス幅変調）制御で開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５をオンオフする。
【００１１】
次に作用を図24及び図25を参照して説明する。
開弁時は、スイッチング素子４，５，６を同時にオンする。すると、高電圧がコイル３に印加され、図24（１）の矢印Ａのように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる（図25のイ）。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる（図25のロ）。
【００１２】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４をオフする。すると、スイッチング素子５，６を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３に印加され、図24（２）の矢印Ｂのように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９にて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５をＰＷＭ制御する（図25のハ）。
【００１３】
閉弁時は、スイッチング素子５，６をオフし、スイッチング素子７，８をオンする。すると、負高電圧がコイル３に印加され、電流が急速に減少して、図24（３）の矢印Ｃのように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる（図25のニ）。消磁が終わると、スイッチング素子７，８をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、全ての行程を終了する。
【００１４】
図26には図23の燃料噴射弁駆動回路を用いた６気筒エンジンの場合の燃料噴射弁駆動回路を示す。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料噴射弁駆動回路にあっては、１個の燃料噴射弁を駆動するのに５個のスイッチング素子が必要で、４気筒エンジンでは20個、６気筒エンジンでは30個（図26参照）にもなり、非常に多くのスイッチング素子が必要であるため、スイッチング素子の破壊による故障率が高くなる。さらに駆動回路全体の大きさが大きくなり過ぎて、車両のレイアウト上、搭載できない場合もありうる。
【００１６】
また、開弁状態を保持するため、電流検出抵抗を用いた電流制御を燃料噴射弁毎に行っているが、各燃料噴射弁毎に電流制御回路が必要となる。さらに、電流検出抵抗は、開弁時の大電流が流れるため、許容電力の大きいものが必要となり、大きさが大きくなってしまう。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、同時に複数の燃料噴射弁が駆動されるのは２本（ないし３本）までであることを考慮し、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化して、スイッチング素子の個数を削減するなどにより、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を簡素化することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、各気筒の燃料噴射弁を同時に駆動されることのないグループに分ける一方、車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各グループ毎に、車載バッテリと各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを設けて、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を構成する。
【００１８】
すなわち、ある気筒の燃料噴射弁の開弁時は、同一グループの開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の開弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、高電圧電源より高電圧をコイルに印加する。
開弁後は、開弁状態を保持するため、同一グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の開弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、車載バッテリの電圧をコイルに印加する。
【００１９】
閉弁時は、同一グループの閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、当該気筒の閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを導通させて、高電圧電源より高電圧を逆方向に印加して、負高電圧を印加する。
これにより、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化して、スイッチング素子の個数を削減することができる。
【００２０】
尚、６気筒エンジンでは、１，３，５気筒と２，４，６気筒との２グループ、又は、１，４気筒と２，５気筒と３，６気筒との３グループに分ければよい。４気筒エンジンでは、１，３気筒と、２，４気筒との２グループに分ければよい。請求項２に係る発明では、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、高電圧電源と各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、車載バッテリと各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する単一の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子とを設けて、多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路を構成する。
【００２１】
これにより、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子を全気筒間で共通化して、スイッチング素子の個数をさらに削減することができる。
請求項３に係る発明では、各燃料噴射弁のコイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段と、開弁状態保持時に、検出される電流が所定値となるように開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子をオンオフ制御する電流制御回路とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に係る発明では、前記電流検出手段は、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と直列に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする。
これにより、この電流検出抵抗についてもグループ化でき、電流制御回路のグループ化が可能となる。また、ハイサイド側の電流検出抵抗は開弁保持電流が流れるのみであるので小型化できる。
【００２３】
請求項５に係る発明では、請求項４に係る発明の場合に、前記電流制御回路は、前記開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子のオン時に前記電流検出抵抗により検出される電流が所定の上限値以下となるように制御するものであることを特徴とする。
ハイサイド側の電流検出抵抗の場合、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子をオンオフ制御すると、オフ時には電流検出抵抗に電流が流れないので、オン時に検出した電流に基づいて上限値を規制することで、電流制御を行う。
【００２４】
請求項６に係る発明では、前記電流検出手段は、複数の開弁用ローサイド側スイッチング素子と接地との間に共通に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする。
これにより、この電流検出抵抗についてもグループ化でき、電流制御回路のグループ化が可能となる。また、ローサイド側の電流検出抵抗は大電流が流れるものの常に電流検出が可能である。
【００２５】
請求項７に係る発明では、前記高電圧電源は、50〜 250Ｖの高電圧を発生するものであることを特徴とする。
この範囲の高電圧を印加することで、非常に応答性の高い針弁の開閉を実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例を示している。
この実施例は、６気筒直噴エンジンの例で、１，３，５気筒の燃料噴射弁は同時に駆動されることがなく、また、２，４，６気筒の燃料噴射弁も同時に駆動されることがないことを前提として、１，３，５気筒の燃料噴射弁と、２，４，６気筒の燃料噴射弁との２グループに分けている。
【００２７】
先ず構成を説明する。
１は高電圧（50〜 250Ｖ）を発生する高電圧電源、２は車載バッテリ（例えば12Ｖ）、３−１〜３−６は１〜６気筒の燃料噴射弁のコイルである。
４−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
【００２８】
４−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の開弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の一端との間に設けられて、開弁時に高電圧を印加すべく導通する。
５−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
【００２９】
５−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子であり、車載バッテリ２とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の一端との間に設けられて、開弁後に開弁状態を保持すべく、所定の電流値となるようにオンオフ制御（ＰＷＭ制御）される。
６−１〜６−６は開弁用ローサイド側スイッチング素子であり、各コイル３−１〜３−６の他端と接地との間に設けられて、開弁時及び開弁状態保持時に導通する。
【００３０】
７−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−１，３−３，３−５の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
７−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子であり、高電圧電源１とグループ内のコイル３−２，３−４，３−６の他端との間に設けられて、閉弁時に負高電圧を印加すべく導通する。
【００３１】
８−１〜８−６は閉弁用ローサイド側スイッチング素子であり、各コイル３−１〜３−６の一端と接地との間に設けられて、閉弁時に導通する。
９−Ａは第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）の電流検出抵抗であり、当該グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ａと直列に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
【００３２】
９−Ｂは第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）の電流検出抵抗であり、当該グループの開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ｂと直列に設けられて、開弁状態保持時のコイル電流を検出する。
ここで、開弁状態保持時には、電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂにて検出される電流をフィードバックして、それぞれの電流制御回路（図示せず）により所定の電流値となるようにＰＷＭ（パルス幅変調）制御で開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子５−Ａ，５−Ｂをオンオフする。
【００３３】
尚、回路中には、図示のごとく、逆流防止用のダイオードが適宜挿入されている。
次に作用を図２の信号波形図と図３〜図８の状態図とを参照して説明する。
１気筒の燃料噴射弁は、時刻ｔ１（図２）にて、燃料噴射開始する。
１気筒の燃料噴射弁の開弁時は、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，６−１を同時にオンする。すると、高電圧が１気筒の燃料噴射弁のコイル３−１に印加され、図３の矢印のように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる。
【００３４】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４−Ａをオフする。すると、スイッチング素子５−Ａ，６−１を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３−１に印加され、図４の矢印のように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９−Ａにて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５−ＡをＰＷＭ制御する。
【００３５】
一方、２気筒の燃料噴射弁は、１気筒の燃料噴射開始時期からクランク角 120°後の時刻ｔ２（図２）にて、燃料噴射開始する。
２気筒の燃料噴射弁の開弁時は、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，６−２を同時にオンする。すると、高電圧が２気筒の燃料噴射弁のコイル３−２に印加され、図５の矢印のように電流が流れて、コイル電流は急速に立ち上がる。その後、高電圧電源１内のコンデンサに充電していた電荷が放電するため、電流は徐々に下がる。このとき、１気筒の燃料噴射弁は開弁保持状態にあるため、スイッチング素子５−Ａ，６−１も同時にオンして、車載バッテリ２からコイル３−１へ電流が流れている。
【００３６】
開弁後は、開弁状態を保持するため、スイッチング素子４−Ｂをオフする。すると、スイッチング素子５−Ｂ，６−２を通して、車載バッテリ２からの電圧がコイル３−２に印加され、図６の矢印のように電流が流れる。このとき、電流検出抵抗９−Ｂにて検出される電流が所定値になるようにスイッチング素子５−ＢをＰＷＭ制御する。このとき、１気筒の燃料噴射弁も開弁保持状態にあるため、車載バッテリ２からコイル３−１へも電流が流れている。
【００３７】
１気筒の燃料噴射弁の閉弁時（時刻ｔ１Ｅ）は、スイッチング素子５−Ａ，６−１をオフし、スイッチング素子７−Ａ，８−１をオンする。すると、負高電圧がコイル３−１に印加され、電流が急速に減少して、図７の矢印のように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる。消磁が終わると、スイッチング素子７−Ａ，８−１をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、燃料噴射を終了する。
【００３８】
２気筒の燃料噴射弁の閉弁時（時刻ｔ２Ｅ）は、スイッチング素子５−Ｂ，６−２をオフし、スイッチング素子７−Ｂ，８−２をオンする。すると、負高電圧がコイル３−２に印加され、電流が急速に減少して、図８の矢印のように逆方向となり、磁束の減少すなわち消磁が速められる。消磁が終わると、スイッチング素子７−Ｂ，８−２をオフし、ばね力にて針弁が閉じて、燃料噴射を終了する。このときには、既に３気筒の燃料噴射弁が開弁し、開弁保持状態に入って、スイッチング素子５−Ａ，６−３がオンし、車載バッテリ２からコイル３−３へ電流が流れている。
【００３９】
本実施例では、以上のように、同時に３本以上の燃料噴射弁が駆動されないことに着目して、コイルのハイサイド側スイッチング素子４−ＡとＡ−Ｂ、５Ａと５Ｂ、７Ａと７Ｂを交互にスイッチングすることにより、従来６系統あったハイサイド側スイッチング素子群を２系統に減少させることができる。従って、６気筒でのスイッチング素子の総数を30個→18個に減少させることができるため、スイッチング素子の破壊による故障率が低くなる。さらに駆動回路全体の大きさを小さくすることができるので、車両のレイアウト上、搭載できる場所の自由度が高くなる。
【００４０】
また、本実施例では、コイルのハイサイド側に電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けているが、この場合の電流制御方法について説明する。
図９（１）に示すように、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（例えば５−Ａ）がオン状態で矢印のように電流が流れている場合は、電流検出抵抗（例えば９−Ａ）に電流が流れるが、図９（２）に示すように、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（例えば５−Ａ）がオフ状態で矢印のように電流が流れている場合には、電流検出抵抗（例えば９−Ａ）に電流が流れないので、電流を検出できない。
【００４１】
そこで、電流制御回路により、電流の上限値のみを制御し、下限値はスイッチング素子のオフ時間を管理することにより電流制御する。
図10はその場合の電流制御回路の構成を示している。
この電流制御回路は、電流増幅器10、第１コンパレータ11、第２コンパレータ12、充放電回路13、第３コンパレータ14等から構成されている。
【００４２】
電流増幅器10は、電流検出用抵抗（９−Ａ）の両端の電位差より、コイル電流に対応した信号を出力する。
第１コンパレータ11は、電流増幅器10からのコイル電流と、予め定めた電流上限値とを比較し、コイル電流が上限値以下のときはＨレベルの信号を出力し、コイル電流が上限値を超えるとＬレベルの信号を出力する。
【００４３】
第２コンパレータ12は、燃料噴射信号を受けて、噴射期間中、Ｈレベルの信号を出力する。
充放電回路13は、抵抗Ｒ1 とコンデンサＣ1 との直列回路からなり、それらの接続点に、第１コンパレータ11の出力端子と第２コンパレータ12の出力端子とが接続されている。
【００４４】
第３コンパレータ14は、充放電回路13におけるコンデンサＣ1 の端子電圧と、オフ時間決定基準値として予め定めた基準電圧とを比較し、コンデンサＣ1 の端子電圧が基準電圧以下のときはＬレベルの信号を出力し、コンデンサＣ1 の端子電圧が基準電圧を超えるとＨレベルの信号を出力する。
ここで、第３コンパレータ14の出力端子は、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（５−Ａ）に接続され、第３コンパレータ13の出力がＨレベルのときに開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子（５−Ａ）をオンするようになっている。
【００４５】
次に作用を図11の信号波形図を参照して説明する。
時刻ｔ１にてコイル電流が上限値を一瞬超えると、第１コンパレータ11の出力が反転してＬレベルとなり、充放電回路13のコンデンサＣ1 が急速放電する結果、第３コンパレータ14の出力が反転してＬレベルとなることで、スイッチング素子（５−Ａ）がオフし、コイル電流が減少していく。
【００４６】
コイル電流の減少により、第１コンパレータ11の出力が再反転してＨレベルとなると、充放電回路13における抵抗Ｒ1 とコンデンサＣ1 との組合わせによる充電により、コンデンサＣ1 の端子電圧が徐々に上昇する。そして、オフ時間決定基準値に達すると、時刻ｔ２にて第３コンパレータ14が再反転してＨレベルとなることで、スイッチング素子（５−Ａ）がオンし、コイル電流が上昇していく。
【００４７】
以上の手法により、ハイサイド側２系統のみに電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けただけで、６個の燃料噴射弁の電流を制御できるので、大きさの大きい電流検出抵抗の数を減らし、かつ電流制御回路を２系統のみに減少させることができるので、スイッチング素子の減少効果に加えて回路の大きさを小さくでき、信頼性を向上できる。
【００４８】
図12には電流検出抵抗の他の配置例を示し、ローサイド側２系統のみに電流検出抵抗９−Ａ，９−Ｂを設けた場合である。
電流検出抵抗９−Ａは、第１グループ（１，３，５気筒の燃料噴射弁）内の開弁用ローサイド側スイッチング素子６−１，６−３，６−５と接地との間に共通に設けている。
【００４９】
電流検出抵抗９−Ｂは、第２グループ（２，４，６気筒の燃料噴射弁）内の開弁用ローサイド側スイッチング素子６−２，６−４，６−６と接地との間に共通に設けている。
この場合には、常に電流を検出しながら、電流をＰＷＭ制御することが可能である。
【００５０】
以上の説明では、６気筒エンジンで、噴射期間がクランク角で 240°以内（最大噴射量が 120〜 240°）の場合を示したが、最大噴射量が少なく噴射期間がクランク角で 120°以内の場合には、複数の燃料噴射弁が同時に噴射する重なり期間を生じないので、ハイサイド側のスイッチング素子は１系統にてまかなえる（６気筒１グループ）。
【００５１】
図13は６気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４，５，７で全ての気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。
一方、最大噴射量が多く、噴射期間がクランク角 240°以上の場合には、３本の燃料噴射弁が同時に噴射する期間が生じるので、逆にハイサイド側のスイッチング素子は３系統になる（６気筒３グループ）。
【００５２】
図14は６気筒３グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，７−Ａで１，４気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，７−Ｂで２，５気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｃ，５−Ｃ，７−Ｃで３，６気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。
【００５３】
また、以上の説明では、全て６気筒エンジンの場合を示したが、次に４気筒エンジンの場合について説明する。
４気筒エンジンの場合、最大噴射量が多くて、噴射期間がクランク角 180°以上の場合には、２本の燃料噴射弁が同時に噴射する期間が生じるので、ハイサイド側のスイッチング素子は２系統になる（４気筒２グループ）。
【００５４】
図15は４気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４−Ａ，５−Ａ，７−Ａで１，３気筒の燃料噴射弁、スイッチング素子４−Ｂ，５−Ｂ，７−Ｂで２，４気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。よって、スイッチング素子の総数を20個→14個に減少させることができる。
【００５５】
一方、最大噴射量が少なくて、噴射期間がクランク角で 180°以内の場合は、複数の燃料噴射弁が同時に噴射する重なり期間を生じないので、ハイサイド側のスイッチング素子は１系統にてまかなえる（４気筒１グループ）。
図16は４気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路を示している。この場合には、スイッチング素子４，５，７で全ての気筒の燃料噴射弁を駆動することになる。よって、スイッチング素子の総数を20個→11個に減少させることができる。
【００５６】
また、図17には６気筒１グループ（図13）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図18には６気筒３グループ（図14）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図19には４気筒２グループ（図15）の場合の電流検出抵抗の他の配置例、図 20には４気筒１グループ（図16）の場合の電流検出抵抗の他の配置例を示している。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、各気筒の燃料噴射弁を同時に駆動されることのないグループに分けて、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子をグループ化したことにより、スイッチング素子の総数を減少でき、スイッチング素子の破壊による故障率を低減できると共に、駆動回路全体の大きさを小さくすることができるので、車両のレイアウト上、搭載できる場所の自由度が高くなるという効果が得られる。
【００５８】
請求項２に係る発明によれば、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、燃料噴射弁のコイルのハイサイド側のスイッチング素子を全気筒間で共通化して、スイッチング素子の個数をさらに削減できるという効果が得られる。
請求項３に係る発明によれば、開弁状態保持のために電流制御を行うが、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子の削減に伴って、電流制御回路を削減できるという効果が得られる。
【００５９】
請求項４に係る発明によれば、電流検出抵抗をハイサイド側に設けて、この電流検出抵抗についてもグループ化できると共に、ハイサイド側の電流検出抵抗は開弁保持電流が流れるのみであるので小型化できるという効果が得られる。
請求項５に係る発明によれば、ハイサイド側の電流検出抵抗の場合、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子のオフ時には電流検出ができないが、オン時に検出した電流に基づいて上限値を規制することで、十分な電流制御が可能となるという効果が得られる。
【００６０】
請求項６に係る発明によれば、電流検出抵抗をローサイド側に設けて、この電流検出抵抗についてもグループ化できると共に、ローサイド側の電流検出抵抗は大電流が流れるものの常に電流検出が可能であるので電流制御が容易となるという効果が得られる。
請求項７に係る発明によれば、50〜 250Ｖの高電圧を印加することで、非常に応答性の高い針弁の開閉を実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例を示す６気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図２】 同上の燃料噴射弁駆動回路の信号波形図
【図３】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（１）
【図４】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（２）
【図５】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（３）
【図６】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（４）
【図７】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（５）
【図８】 同上の燃料噴射弁駆動回路の状態図（６）
【図９】 電流検出抵抗に流れる電流の説明図
【図１０】 電流制御回路の構成例を示す図
【図１１】 同上の電流制御回路の信号波形図
【図１２】 電流検出抵抗の他の配置例を示す燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１３】 ６気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１４】 ６気筒３グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１５】 ４気筒２グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１６】 ４気筒１グループの場合の燃料噴射弁駆動回路の構成図
【図１７】 ６気筒１グループの場合の他の配置例の構成図
【図１８】 ６気筒３グループの場合の他の配置例の構成図
【図１９】 ４気筒２グループの場合の他の配置例の構成図
【図２０】 ４気筒１グループの場合の他の配置例の構成図
【図２１】 直噴エンジンの概略図
【図２２】 燃料噴射弁の断面図
【図２３】 従来の燃料噴射弁駆動回路（１気筒分）の構成図
【図２４】 従来の燃料噴射弁駆動回路の作動説明図
【図２５】 従来の燃料噴射弁駆動回路の信号波形図
【図２６】 従来の燃料噴射弁駆動回路（６気筒分）の構成図
【符号の説明】
１ 高電圧電源
２ 車載バッテリ
３−１〜３−６ 燃料噴射弁のコイル
４，４−Ａ，４−Ｂ，４−Ｃ 開弁用ハイサイド側 スイッチング素子
５，５−Ａ，５−Ｂ，５−Ｃ 開弁状態保持用ハイサイド側 スイッチング素子
６−１〜６−６ 開弁用ローサイド側スイッチング素子
５，５−Ａ，５−Ｂ，５−Ｃ 開弁状態保持用ハイサイド側 スイッチング素子
７，７−Ａ，７−Ｂ，７−Ｃ 閉弁用ハイサイド側 スイッチング素子
８−１〜８−６ 閉弁用ローサイド側スイッチング素子
９，９−Ａ，９−Ｂ，９−Ｃ 電流検出抵抗
Claims (7)
- 各気筒内に各燃料噴射弁より直接燃料を噴射する多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路であって、
各気筒の燃料噴射弁を同時に駆動されることのないグループに分ける一方、
車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、
各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、
各グループ毎に、車載バッテリと各グループ内の燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、
各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、
各グループ毎に、高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、
各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子と、
を設けてなる多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。 - 各気筒内に各燃料噴射弁より直接燃料を噴射する多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路であって、各気筒の燃料噴射弁の全てが同時に駆動されることがない場合に、
車載バッテリに比べ、高電圧を発生する高電圧電源と、
高電圧電源と各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁用ハイサイド側スイッチング素子と、
車載バッテリと各燃料噴射弁のコイルの一端との導通・遮断を制御する単一の開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と、
各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの他端と接地との導通・遮断を制御する開弁用ローサイド側スイッチング素子と、
高電圧電源と各グループ内の燃料噴射弁のコイルの他端との導通・遮断を制御する単一の閉弁用ハイサイド側スイッチング素子と、
各燃料噴射弁毎に、各燃料噴射弁のコイルの一端と接地との導通・遮断を制御する閉弁用ローサイド側スイッチング素子と、
を設けてなる多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。 - 各燃料噴射弁のコイルに流れる電流を検出するコイル電流検出手段と、開弁状態保持時に、検出される電流が所定値となるように開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子をオンオフ制御する電流制御回路とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。
- 前記電流検出手段は、開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子と直列に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする請求項３記載の多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。
- 前記電流制御回路は、前記開弁状態保持用ハイサイド側スイッチング素子のオン時に前記電流検出抵抗により検出される電流が所定の上限値以下となるように制御するものであることを特徴とする請求項４記載の多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。
- 前記電流検出手段は、複数の開弁用ローサイド側スイッチング素子と接地との間に共通に設けた電流検出抵抗であることを特徴とする請求項３記載の多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。
- 前記高電圧電源は、50〜 250Ｖの高電圧を発生するものであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の多気筒直噴エンジンの燃料噴射弁駆動回路。
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