JP6416674B2 - 燃料噴射弁の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁の動作状態を判断し、その判断結果に基づいて燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、燃料噴射弁の初期設定時の噴射量を維持するため、燃料噴射弁のコイルに流れる電流の時間変化に基づいて開弁又は閉弁の変位点を検出し、検出した変位点を基に開弁又は閉弁の遅れ時間の変動分を検出して、検出した変動分だけコイルに対する印加パルスのパルス幅を補正することが開示されている。

特開２００１−２８０１８９号公報

このように、電流の時間変化から燃料噴射弁の動作状態を判断することは、従来から知られている。

一方、近年、燃料噴射弁の噴射性能の向上が求められており、そのためには、燃料噴射弁を高精度に制御することが必要である。

特許文献１では、閉弁時に燃料噴射弁の可動コア及び弁体が移動して、弁体が弁座に衝突した際、磁路内のインダクタンスがそれまでとは異なった変化となり、コイルを流れる電流に変位点（変曲点）が発生する。そこで、この変曲点を検出することにより、閉弁動作の時間遅れ（燃料噴射弁の動作状態）を検出するようにしている。

この変位点は、閉弁時における可動コア及び弁体の速度変化が大きい程、インダクタンスの時間変化が大きくなり、顕著に現れる。具体的に、可動コア及び弁体が一体に構成されている場合には、閉弁時の速度変化が大きいので、インダクタンスの時間変化が大きくなり、変曲点を容易に検出することができる。

これに対して、閉弁時におけるインダクタンスの時間変化が小さい場合には、変曲点を検出することが難しくなり、燃料噴射弁の動作状態を判断することが困難となる。具体的に、可動コア及び弁体が別体に構成され、閉弁時に可動コア及び弁体が一体的に移動しない場合には、弁体が弁座に着座し、燃料噴射弁が閉弁しても、可動コアが移動し続ける。これにより、速度変化が大きくならず、インダクタンスの時間変化が小さくなって、変位点の検出が困難となる。

従って、特許文献１のように、電流波形を単純に微分するだけでは、変曲点の検出が難しい場合がある。

また、個々の燃料噴射弁の構成の違い、個々の燃料噴射弁の応答性及び耐久劣化等の性能バラツキ、並びに、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力や雰囲気温度等の周辺環境の変化に起因して、燃料噴射弁の状況がその都度変化すれば、燃料噴射弁の動作状態の判断が一層困難になるおそれがある。

このように、燃料噴射弁の動作状態の判断が困難になることで、燃料噴射弁に対して適切な制御を行うことができなくなり、燃料噴射弁の噴射能力が低下するおそれがある。例えば、燃料噴射弁の経年変化により、閉弁動作に時間遅れが発生している場合でも、変曲点を検出することが困難であれば、燃料噴射弁の制御にバラツキが生じ、燃料噴射弁の噴射性能が低下することになる。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、様々な状況であっても、燃料噴射弁の動作状態を高精度に判断することが可能となる燃料噴射弁の制御装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、燃料噴射弁の動作状態を判断し、その判断結果に基づいて前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁の制御装置において、
前記燃料噴射弁が動作するときの該燃料噴射弁の電圧波形である通常動作波形と、前記燃料噴射弁が動作しないときの該燃料噴射弁の電圧波形である無動作波形との差分である差分波形を生成する差分演算手段と、
前記差分波形を微分した微分波形を生成する微分演算手段と、
前記微分波形に基づいて前記燃料噴射弁の動作状態を判断する動作状態判断手段と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、通常動作波形と無動作波形との差分を算出して差分波形を生成した後に、差分波形を微分して微分波形を生成し、生成した微分波形から燃料噴射弁の動作状態を判断する。すなわち、本発明では、特許文献１のように、通常動作波形を単純に微分するのではなく、差分波形を微分して微分波形を生成する。

これにより、閉弁時におけるインダクタンスの時間変化が小さく、通常動作波形から変曲点を検出することが難しい場合でも、差分波形から得られた微分波形を用いて、通常動作波形の変曲点を検出することが可能となる。この結果、燃料噴射弁が様々な状況にあっても、変曲点を明確に確認することができるので、燃料噴射弁の動作状態を高精度に判断することが可能となる。従って、本発明では、高精度の判断結果に基づいて、燃料噴射弁を適切に制御し、当該燃料噴射弁の噴射性能を向上させることができる。

ここで、本発明について、より詳しく説明すると、「燃料噴射弁が動作するとき」とは、燃料噴射弁のコイルへの通電に起因して弁体が開弁又は閉弁することにより当該燃料噴射弁が本来の動作（燃料の噴射動作）を行う場合をいう。従って、「燃料噴射弁が動作するときの該燃料噴射弁の電圧波形である通常動作波形」とは、燃料噴射弁のコイルに通電して該燃料噴射弁が動作する際に、コイルに発生する電圧波形をいう。

また、「燃料噴射弁が動作しないとき」とは、燃料噴射弁のコイルに通電しても弁体が開弁の動作を行わず、当該燃料噴射弁が本来の動作を行わない場合をいう。従って、「燃料噴射弁が動作しないときの該燃料噴射弁の電圧波形である無動作波形」とは、燃料噴射弁のコイルに通電しても該燃料噴射弁が動作しないときに、コイルに発生する電圧波形をいう。

前述のように、変曲点は、閉弁時の通常動作波形に現れる。そのため、開弁の動作が行われない無動作波形に変曲点が現れることはない。すなわち、通常動作波形の場合、閉弁時には、燃料噴射弁を構成する可動コア及び／又は弁体が移動するため、インダクタンスの変化が生じ、変曲点が発生する。一方、無動作波形の場合には、可動コア及び／又は弁体の移動がないため、インダクタンスが変化せず、変曲点は発生しない。

そこで、本発明では、通常動作波形と無動作波形との差分を算出して差分波形を生成し、生成した差分波形を微分して微分波形を生成することにより、通常動作波形から検出しづらい変曲点を、差分波形に基づく微分波形を用いて、容易に検出するようにしている。

ここで、上記の制御装置は、燃料噴射弁から通常動作波形を読み取る電圧読取手段と、無動作波形を記憶する記憶手段とをさらに有してもよい。この場合、差分演算手段は、電圧読取手段が読み取った通常動作波形と、記憶手段に記憶された無動作波形との差分を算出して差分波形を生成する。これにより、通常動作波形を読み取る毎に、記憶手段から無動作波形を読み出せば、差分波形の生成処理を効率よく行うことができる。

また、上記の制御装置は、燃料噴射弁のコイルに通電して通常動作波形を発生させることにより燃料噴射弁を動作させる電源をさらに有してもよい。この場合、電源は、燃料噴射弁を所定回数動作させる毎に、燃料噴射弁を動作させない程度の電圧を前記コイルに印加する。一方、電圧読取手段は、燃料噴射弁が動作する毎にコイルの電圧波形を通常動作波形として読み取り、一方で、燃料噴射弁が動作しないときのコイルの電圧波形を読み取り、読み取った動作しないときのコイルの電圧波形を無動作波形として記憶手段に記憶させればよい。

このように、定期的に無動作波形を読み取って記憶手段に記憶させれば、記憶手段には、燃料噴射弁の現在の状況に応じた最新の電圧波形が無動作波形として更新される。これにより、燃料噴射弁が動作する毎に、差分演算手段は、電圧読取手段が読み取った通常動作波形と、記憶手段から読み出した最新の無動作波形とを用いて、燃料噴射弁の現在の状況に応じた差分波形を生成することができる。この結果、当該差分波形を用いて微分波形を生成すれば、この微分波形に基づいて燃料噴射弁の動作状態をより高精度に判断することが可能となる。

さらに、燃料噴射弁は、通電により励磁されるコイルと、該コイルへの通電に起因して変位する可動コアと、可動コアの変位に起因して開弁又は閉弁する弁体とを備える。この場合、可動コア及び弁体は、別体に構成されて相互に移動可能であるか、又は、一体に構成されて移動する。このように、別体構成又は一体構成のいずれの場合であっても、通常動作波形の変曲点を精度よく検出し、燃料噴射弁の動作状態を容易且つ高精度に判断することが可能となる。

すなわち、可動コア及び弁体が別体構成の場合には、閉弁時の速度変化が小さく、インダクタンスの時間変化が小さいが、本発明を適用することにより、通常動作波形の変曲点を容易に検出することができる。一方、可動コア及び弁体が一体構成の場合でも、本発明を適用すれば、より高精度に変曲点を検出することができる。

さらにまた、通常動作波形及び無動作波形は、燃料噴射弁のコイルに発生する逆起電力を含む電圧波形であればよい。この場合、閉弁時には、コイルに逆起電力が発生するので、本発明を適用することで、通常動作波形の変曲点を容易に検出することができる。

また、動作状態判断手段は、微分波形の値が０であるときの通常動作波形の箇所を該通常動作波形の変曲点として検出し、検出した変曲点に基づいて燃料噴射弁の動作状態を判断すればよい。これにより、変曲点の箇所を容易に検出することができる。

さらに、微分演算手段は、微分波形の絶対値を算出し、動作状態判断手段は、微分波形の絶対値に基づいて燃料噴射弁の動作状態を判断してもよい。この場合でも、変曲点の箇所を容易に検出することができる。

具体的に、動作状態判断手段は、微分波形の絶対値が０であるときの通常動作波形の箇所を該通常動作波形の変曲点として検出し、検出した変曲点に基づいて燃料噴射弁の動作状態を判断すればよい。これにより、変曲点の箇所を一層容易に検出することができる。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、通常動作波形と無動作波形との差分を算出して差分波形を生成した後に、差分波形を微分して微分波形を生成し、生成した微分波形から燃料噴射弁の動作状態を判断する。すなわち、本発明では、通常動作波形を単純に微分するのではなく、差分波形を微分して微分波形を生成する。

これにより、閉弁時におけるインダクタンスの時間変化が小さく、通常動作波形から変曲点を検出することが難しい場合でも、差分波形から得られた微分波形を用いて、通常動作波形の変曲点を検出することが可能となる。この結果、燃料噴射弁が様々な状況にあっても、変曲点を明確に確認することができるので、燃料噴射弁の動作状態を高精度に判断することが可能となる。従って、本発明では、高精度の判断結果に基づいて、燃料噴射弁を適切に制御し、当該燃料噴射弁の噴射性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る制御装置のブロック図である。 図１の燃料噴射弁の一例を図示した一部破断側面図である。 図３Ａ〜図３Ｄは、図１及び図２の燃料噴射弁の開弁動作を示した要部説明図である。 図４Ａ〜図４Ｄは、図１及び図２の燃料噴射弁の閉弁動作を示した要部説明図である。 通常動作時の各種波形の時間変化を示すタイミングチャートである。 無動作時の各種波形の時間変化を示すタイミングチャートであるである。 通常動作波形、差分波形、微分波形及び絶対値波形の時間変化を示すタイミングチャートである。 図８Ａ〜図８Ｄは、一体構成の燃料噴射弁の閉弁動作を示した要部説明図である。

本発明に係る燃料噴射弁の制御装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る燃料噴射弁の制御装置を示す。

本実施の形態に係る燃料噴射弁の制御装置１０（以下、単に制御装置１０という）は、図１に示すように、燃料噴射弁１２のコイル１４に通電する電源１６と、通電によってコイル１４に発生する電圧を検出する電圧検出手段（電圧読取手段）１８と、オン又はオフすることでコイル１４への通電を制御するスイッチ２０と、電源１６及びスイッチ２０を制御するＥＣＵ（電子制御装置）２２とを有する。電源１６、コイル１４及びスイッチ２０は、直列回路を構成する。

ＥＣＵ２２は、車両に搭載されるエンジン２４（図２参照）の動作を制御するものであり、差分演算手段２２ａ、微分演算手段２２ｂ及び動作状態判断手段２２ｃを有する。ＥＣＵ２２は、記憶手段２６に記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、所定の処理を実行する処理手段として機能する。

この場合、ＥＣＵ２２は、コイル１４への通電を指示する指令パルスを電源１６に供給し、一方で、半導体スイッチ等から構成されるスイッチ２０にオン又はオフに切り替えるための制御信号を供給する。電源１６は、指令パルスのパルス幅の時間だけコイル１４に通電可能である。スイッチ２０は、制御信号に基づきオン又はオフすることで、電源１６からコイル１４への通電を制御する。

電圧検出手段１８は、各種の電圧センサが適用可能であり、コイル１４に発生した電圧を検出し、検出結果をＥＣＵ２２に出力する。すなわち、電圧検出手段１８は、コイル１４に発生する電圧の時間経過を示す電圧波形を読み取り、読み取った電圧波形をＥＣＵ２２に出力する。

差分演算手段２２ａは、電圧検出手段１８から入力された電圧波形のうち、コイル１４への通電によって燃料噴射弁１２が動作するときの電圧波形（通常動作波形）と、コイル１４に通電しても燃料噴射弁１２が動作しないときの電圧波形（無動作波形）との差分を算出して差分波形を生成する。

ここで、「燃料噴射弁１２が動作するとき」とは、燃料噴射弁１２のコイル１４への通電に起因して、後述する弁体２８（図３Ａ参照）が開弁又は閉弁することにより、当該燃料噴射弁１２が本来の動作（燃料の噴射動作）を行う場合をいう。従って、「通常動作波形」とは、燃料噴射弁１２のコイル１４に通電して該燃料噴射弁１２が動作する際に、コイル１４に発生する電圧波形をいう。

また、「燃料噴射弁１２が動作しないとき」とは、燃料噴射弁１２のコイル１４に通電しても弁体２８が開弁の動作を行わず、当該燃料噴射弁１２が本来の動作を行わない場合をいう。従って、「無動作波形」とは、燃料噴射弁１２のコイル１４に通電しても該燃料噴射弁１２が動作しないときに、コイル１４に発生する電圧波形をいう。

なお、無動作波形は、記憶手段２６に予め記憶されている。そのため、差分演算手段２２ａは、電圧検出手段１８から通常動作波形が入力される毎に、記憶手段２６に記憶された無動作波形を読み出し、読み出した無動作波形と通常動作波形とを用いて差分波形を算出する。

微分演算手段２２ｂは、差分演算手段２２ａが生成した差分波形を時間微分することにより微分波形を生成する。動作状態判断手段２２ｃは、微分演算手段２２ｂが生成した微分波形に基づいて、燃料噴射弁１２の動作状態を判断する。

前述のように、ＥＣＵ２２から電源１６への指令パルスの供給に起因して燃料噴射弁１２が動作する。そのため、１回の指令パルスに起因した燃料噴射弁１２の動作を１回分とした場合、制御装置１０では、ＥＣＵ２２から電源１６に指令パルスを供給する毎に、電圧検出手段１８が通常動作波形を読み取ってＥＣＵ２２に出力する。従って、ＥＣＵ２２内の差分演算手段２２ａ、微分演算手段２２ｂ及び動作状態判断手段２２ｃは、電圧検出手段１８から通常動作波形が入力される毎に、上記の各処理を実行する。

さらに、制御装置１０では、燃料噴射弁１２を所定回数動作させる毎に、燃料噴射弁１２を動作させない程度の電圧を電源１６からコイル１４に印加させるための指令パルスをＥＣＵ２２から電源１６に供給する。これにより、燃料噴射弁１２は、本来の動作を行わないため、電圧検出手段１８は、読み取ったコイル１４の電圧波形を無動作波形としてＥＣＵ２２に出力する。従って、ＥＣＵ２２は、入力された最新の無動作波形を記憶手段２６に記憶して更新することができる。

なお、ＥＣＵ２２内の各手段の具体的な処理内容については、後述する。

図２は、燃料噴射弁１２の一例を図示した一部破断側面図である。なお、制御装置１０は、図２の燃料噴射弁１２に限らず、種々の燃料噴射弁の制御に適用可能である。

エンジン２４のシリンダヘッド３０には、燃焼室３２に開口する装着孔３４が設けられており、当該装着孔３４に燃料噴射弁１２が配設される。これにより、燃料噴射弁１２は、燃焼室３２に向かって燃料を噴射することができる。なお、以下の説明では、燃料噴射弁１２における燃料噴射側を先端側（矢印Ａ方向）、燃料流入側を基端側（矢印Ｂ方向）として説明する。

燃料噴射弁１２は、弁ハウジング３６を備える。弁ハウジング３６は、中空円筒状の弁ハウジングボディ３８と、弁ハウジングボディ３８の先端側の内周面に嵌合して溶接される有底円筒状の弁座部材４０と、弁ハウジングボディ３８の基端側の大径部分に嵌合して溶接される磁性円筒体４２と、磁性円筒体４２の基端側で同軸に結合される図示しない非磁性円筒体とから構成される。非磁性円筒体の基端側には、固定コア４４（図２及び図３Ａ参照）が同軸に結合され、固定コア４４の基端側に、燃料入口筒４６が同軸且つ一体に連設される。固定コア４４は、燃料入口筒４６の内部に連通する中空部４８を有する。

磁性円筒体４２は、軸方向中間部にフランジ状のヨーク部５０を一体に有する。ヨーク部５０は、シリンダヘッド３０の装着孔３４の上端開口部を囲繞する荷重受け孔５２に、クッション部材５４を介して支承されている。燃料入口筒４６の入口には燃料フィルタ５６が装着され、燃料入口筒４６の外周には、高圧力の燃料を分配する燃料分配管５８がシール部材６０を介して嵌装されている。

燃料分配管５８と固定コア４４の後端面６２との間には、板ばねからなる弾性保持部材６４が介装されている。燃料分配管５８のブラケット６６がシリンダヘッド３０の支柱６８に対してボルト７０で固着されることにより、所定のセット荷重（圧縮荷重）が弾性保持部材６４に付与される。この結果、燃料噴射弁１２は、弾性保持部材６４のセット荷重をもって、シリンダヘッド３０及び弾性保持部材６４間で挟持されることにより、エンジン２４の燃焼室３２の高圧力に抗することができる。

図３Ａの燃料噴射弁１２内部の要部説明図に示すように、弁座部材４０は、弁座７２を有し、弁座７２の中心近傍には燃料噴孔７４が開口している。

弁座部材４０から非磁性円筒体に至る弁ハウジング３６（図２参照）内には、弁体２８及び可動コア７６からなる弁組立体７８が収容されている。弁体２８は、弁座７２と協働して燃料噴孔７４を開閉する球状の弁部２８ａと、弁部２８ａを支持して固定コア４４の中空部４８まで延出する弁ニードル２８ｂとで構成される。弁部２８ａは、弁座部材４０の内周面に摺動自在に支承されるよう球状に形成されている。

可動コア７６は、弁ニードル２８ｂの外周面に設けられた円筒状の部材であり、弁ニードル２８ｂとは別体に構成されている。この場合、可動コア７６は、その上面が固定コア４４の先端面に当接可能な大きさに形成されている。また、可動コア７６と弁ニードル２８ｂとは、矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向に沿って、相互に移動可能に設けられている。

弁ニードル２８ｂにおける可動コア７６の上方には、固定コア４４の中空部４８に対して摺動自在に嵌合するガイド部材８０が圧入され、弁ニードル２８ｂに溶接固定されている。従って、弁ニードル２８ｂとガイド部材８０とは、一体に構成されている。ガイド部材８０は、弁ニードル２８ｂに圧入される円筒軸部８０ａと、円筒軸部８０ａの基端部から径方向に張り出して中空部４８に摺動自在に嵌合する鍔部８０ｂとから構成される。鍔部８０ｂと可動コア７６の上面との間には、ばね部材８２が介挿されている。

一方、弁ニードル２８ｂにおける可動コア７６の下方には、ストッパ８４が固着されている。従って、ストッパ８４は、弁ニードル２８ｂと一体に構成されている。また、ストッパ８４は、その上面が可動コア７６の底面に当接可能な程度の大きさに形成されている。

さらに、中空部４８には、ガイド部材８０の鍔部８０ｂを弁体２８の閉弁側に付勢する弁ばね８６が縮設されている。

なお、燃料噴射弁１２には、磁性円筒体４２の基端部から固定コア４４に至る外周面にコイル１４（図１参照）を含むコイル組立体が嵌装される。コイル組立体は、ボビンと、ボビンに巻装されるコイル１４とからなり、コイルハウジング８８（図２参照）の内側に収容される。

コイルハウジング８８の基端部から固定コア４４の基端部にかけて、外周面を被覆する合成樹脂製の被覆層９０がモールド成形される。被覆層９０には、固定コア４４の一側方に張り出す図示しないカプラが一体に連設され、このカプラによりコイル１４に連なる端子が保持される。当該端子は、電源１６等と電気的に接続される。

本実施の形態に係る制御装置１０及び燃料噴射弁１２は、以上のように構成されるものである。次に、制御装置１０の動作について、図３Ａ〜図７を参照しながら説明する。

ここでは、燃料噴射弁１２の開弁時及び閉弁時の各動作について、図３Ａ〜図５を参照しながら説明する。次に、燃料噴射弁１２の閉弁時における制御装置１０の動作について、図４Ａ〜図７を参照しながら説明する。なお、これらの説明では、必要に応じて、図１及び図２も参照しながら説明する。

図３Ａ〜図３Ｄは、燃料噴射弁１２の開弁動作を示した要部説明図である。

図３Ａの閉弁状態では、弁ばね８６が矢印Ａ方向に付勢することにより、一体構成の弁体２８及びガイド部材８０は、弁座部材４０に押し付けられ、弁部２８ａが燃料噴孔７４を閉塞している。ガイド部材８０が矢印Ａ方向に押し付けられることで、ばね部材８２は、可動コア７６を矢印Ａ方向に押圧する。この結果、可動コア７６は、ストッパ８４に当接している。

ここで、図５の時点ｔ０で、ＥＣＵ２２（図１参照）が電源１６に指令パルスを供給する一方で、制御信号をスイッチ２０に供給する。これにより、ｔ０〜ｔ３の時間帯において、スイッチ２０がオンとなり、電源１６は、指令パルスに従ってコイル１４に通電することができる。この結果、コイル１４が励磁され、固定コア４４及び可動コア７６に磁路が形成される。

前述のように、弁体２８と可動コア７６とが別体構成であるため、可動コア７６は、磁路の形成に起因して可動コア７６に発生する矢印Ｂ方向への吸引力により、図３Ｂに示すように、ばね部材８２の矢印Ａ方向への押圧力に抗して矢印Ｂ方向に上昇する。図５の「弁動作」で一点鎖線に示すように、可動コア７６は、時点ｔ０から時間経過に伴って上昇する。この結果、可動コア７６は、ガイド部材８０の円筒軸部８０ａの先端面に衝突する。なお、図５において、「弁動作」における下方の「０」は、可動コア７６の初期位置（時点ｔ０での可動コア７６の位置）を示す。また、「弁動作」における上方の「０」は、弁体２８の初期位置（時点ｔ０から時点ｔ１までの弁体２８の位置）を示すと共に、可動コア７６の上面が円筒軸部８０ａの先端面に衝突する位置を示す。従って、これらの「０」の位置は、「弁動作」の波形において、この初期位置から可動コア７６及び弁体２８がそれぞれ動作を開始することを意味している。

可動コア７６は、ガイド部材８０の円筒軸部８０ａの先端面に衝突した後、ばね部材８２の押圧力に抗して矢印Ｂ方向にさらに上昇する。これにより、可動コア７６に当接したガイド部材８０も、一体構成の弁体２８と共に、弁ばね８６の矢印Ａ方向への押圧力に抗して、矢印Ｂ方向へ上昇する。この結果、図３Ｃに示すように、弁部２８ａが弁座７２から離間して、燃料噴孔７４が開口し、可動コア７６の上面が固定コア４４の先端面に衝突する。

この場合、図５の「弁動作」で実線に示すように、弁体２８は、可動コア７６と共に、上方の「０」で示す初期位置から時間経過に伴って上昇する。これにより、燃料噴射弁１２は、閉弁状態から開弁状態に移行し、燃料噴孔７４から燃焼室３２に燃料を噴射することが可能となる。なお、図５の「弁動作」の破線は、燃料噴射弁１２が開弁状態であるか否かの閾値を示している。すなわち、破線の位置に到達すると、燃料噴射弁１２は開弁状態に移行したと判断することができる。

上述のように、可動コア７６が固定コア４４に衝突しても、弁体２８は、直ちに停止せず、慣性力によって、図３Ｄに示すストッパ８４の上面が可動コア７６の底面に衝突する位置、すなわち、図５の時点ｔ２に示すオーバーシュートの位置にまで上昇する。

その後、弁ばね８６の矢印Ａ方向への付勢力に起因して、弁体２８は、図３Ｃ及び図４Ａの位置にまで下降する。これにより、燃料噴射弁１２の開弁動作が完了する。なお、図５において、下方の「０」の位置から破線の位置までは、可動コア７６のリフト量を示し、一方で、上方の「０」の位置から破線の位置までは、弁体２８のリフト量を示す。

燃料噴射弁１２の開弁後、時点ｔ３で、ＥＣＵ２２の制御によってスイッチ２０がオンからオフに切り替わると、電源１６からコイル１４への通電が一時的に停止する。その後、時点ｔ３から時点ｔ４までの時間帯では、ＥＣＵ２２がスイッチ２０を繰り返しオン又はオフさせており、コイル１４に対する通電を間欠的に行うホールド区間となる。このホールド区間において、コイル１４に印加される電圧は、スイッチ２０のオン又はオフの繰り返しにより、ｔ０〜ｔ３の時間帯よりも低レベルの電圧となる。具体的には、時間経過に対して周期的に上下動する低レベルの電圧がコイル１４に繰り返し印加される。これにより、より小さな電流（消費電力）で燃料噴射弁１２の開弁状態をホールドすることができる。

以上が開弁動作の説明であり、次に、閉弁動作について、図４Ａ〜図４Ｄの要部説明図を参照しながら説明する。

図４Ａに示すように開弁状態がホールドされているときに、図５の時点ｔ４で電源１６からコイル１４への通電が停止されると、コイル１４の通常動作波形に逆起電力が発生する。逆起電力は、時点ｔ４で負のピーク値となり、その後、時間経過に伴って低下し、時点ｔ８で０Ｖとなる。

一方、弁体２８等は、時点ｔ４で通電停止となっても直ちに閉弁動作を行わず、時点ｔ５から閉弁動作が開始される。すなわち、時点ｔ５で、弁ばね８６の矢印Ａ方向への付勢力によってガイド部材８０の鍔部８０ｂが押圧されると、ガイド部材８０と一体構成の弁体２８及びストッパ８４が矢印Ａ方向へ下降する。

この場合、ガイド部材８０の円筒軸部８０ａの先端面が可動コア７６の上面に当接し、且つ、ばね部材８２が可動コア７６を矢印Ａ方向に付勢しているので、図５の「弁動作」に示すように、可動コア７６及び弁体２８は、同じ移動速度で矢印Ａ方向に共に下降する。この結果、図４Ｂに示すように、弁部２８ａは、時点ｔ６で弁座７２に衝突し、燃料噴孔７４を一旦閉塞する。その際、電圧波形には、逆起電力に対する変曲点９２が発生する。

時点ｔ６で発生する変曲点９２は、弁体２８が弁座７２に着座すると共に、可動コア７６が矢印Ａ方向に下降し続けることにより、インダクタンスが時間的に変化することで発生する。すなわち、弁体２８と可動コア７６との重量差や、ばね部材８２及び弁ばね８６の付勢力の差に起因して、弁体２８と可動コア７６との間に速度差が生じることにより、インダクタンスが時間的に変化する。

そして、図４Ｃに示すように、弁座７２に衝突した弁部２８ａを含む弁体２８、ガイド部材８０及びストッパ８４は、時点ｔ６から時点ｔ７にかけて、弁ばね８６の付勢力に抗して、矢印Ｂ方向に跳ね返る。一方、可動コア７６と弁体２８とが別体構成であるため、可動コア７６は、弁体２８等と一体的に下降した際の移動速度で、慣性力により下降し続ける。その結果、時点ｔ７で可動コア７６の底面とストッパ８４の上面とが衝突することになる。

その後、時点ｔ７から時点ｔ８にかけて、弁ばね８６の矢印Ａ方向への付勢力によって、弁体２８、可動コア７６、ガイド部材８０及びストッパ８４が一体的に下降することにより、時点ｔ８で、弁部２８ａが弁座７２に当接し、燃料噴孔７４を閉塞する。これにより、燃料噴射弁１２の閉弁動作が完了する。

以上が閉弁動作の説明であり、次に、無動作波形について、図６を参照しながら説明する。

無動作波形は、ＥＣＵ２２から電源１６にｔ１０〜ｔ１１の短時間の指令パルスを供給することに起因して発生する。すなわち、時点ｔ１０〜ｔ１１の短時間だけ、スイッチ２０がオンになると共に、電源１６がコイル１４に通電する。このような短時間の通電（電圧の印加）であれば、燃料噴射弁１２は閉弁状態から開弁状態に移行しないため、燃料噴射弁１２は本来の動作を行わない。一方、時点ｔ１１でコイル１４への通電が停止すると、ｔ１１〜ｔ１２の時間帯に逆起電力が発生する。前述のように、燃料噴射弁１２が本来の動作を行わないので、逆起電力に変曲点９２は発生しない。すなわち、無動作波形の場合、閉弁動作が行われないので、可動コア７６等は移動せず、インダクタンスの時間的変化が生じないためである。

従って、電圧検出手段１８は、燃料噴射弁１２が本来の動作を行う場合には、図５の通常動作波形を読み取ってＥＣＵ２２に出力し、一方で、燃料噴射弁１２が本来の動作を行わない場合には、図６の無動作波形を読み取ってＥＣＵ２２に出力する。なお、制御装置１０は、所定回数（例えば、１００回又は１０００回）だけ燃料噴射弁１２を動作させる毎に、無動作波形を取得すればよい。

このようにして、電圧検出手段１８からＥＣＵ２２に電圧波形（通常動作波形、無動作波形）が入力された場合、ＥＣＵ２２内では、以下に説明する処理が実行される。

すなわち、電圧検出手段１８からＥＣＵ２２に無動作波形が入力されると、ＥＣＵ２２は、記憶手段２６に無動作波形を記憶する。これにより、記憶手段２６に記憶される無動作波形は、最新の無動作波形に更新される。

一方、電圧検出手段１８からＥＣＵ２２に図７の通常動作波形が入力された場合、ＥＣＵ２２の差分演算手段２２ａは、記憶手段２６から無動作波形を読み出し、読み出した無動作波形と、通常動作波形との差分を算出して差分波形を生成する。

なお、図７の差分波形は、時点ｔ６でピーク値を有する負極性の電圧波形である。これは、時点ｔ６で通常動作波形にのみ変曲点９２が発生するためであり、時点ｔ４と時点ｔ８とでは、それぞれ、通常動作波形と無動作波形とに同じ値の逆起電力が発生する。この結果、差分波形は、時点ｔ４及び時点ｔ８において、電圧レベルが０となる。

次に、微分演算手段２２ｂは、差分演算手段２２ａが生成した差分波形を時間微分して微分波形を生成する。図７の微分波形は、時点ｔ６で０となる波形である。また、微分演算手段２２ｂは、微分波形の絶対値を算出して絶対値波形を生成することも可能である。図７の絶対値波形は、時点ｔ６で０にまで下降する波形となる。

次に、動作状態判断手段２２ｃは、微分演算手段２２ｂが算出した微分波形及び／又は絶対値波形に基づいて、燃料噴射弁１２の動作状態を判断する。具体的に、動作状態判断手段２２ｃは、微分波形の値が０となる時点、及び／又は、絶対値波形の値が０となる時点（図７では時点ｔ６）を検出し、検出した時点ｔ６を通常動作波形の変曲点９２が現れる時点として検出する。従って、動作状態判断手段２２ｃは、検出した変曲点９２の時点ｔ６に基づき、例えば、燃料噴射弁１２の閉弁時間の遅れ等を判断し、当該燃料噴射弁１２に対して適切な制御を行うことが可能となる。

なお、上記の説明では、弁体２８と可動コア７６とが別体構成である場合について説明したが、本実施の形態に係る制御装置１０では、図８Ａ〜図８Ｄに示す弁体２８及び可動コア７６が一体構成である場合にも適用可能である。なお、一体構成の場合、ばね部材８２及びストッパ８４は省略される。

ここで、一体構成における閉弁動作について説明すると、先ず、図８Ａに示す開弁状態のときに、電源１６からコイル１４への通電が停止されると、コイル１４には逆起電力が発生する。次に、弁ばね８６の矢印Ａ方向への付勢力によってガイド部材８０が押圧されると、ガイド部材８０と一体構成の弁体２８及び可動コア７６が矢印Ａ方向へ下降する。この結果、図８Ｂに示すように、弁部２８ａが弁座７２に衝突し、燃料噴孔７４を一旦閉塞する。この場合でも、電圧波形には、逆起電力に対する変曲点９２が発生する。

その後、図８Ｃに示すように、弁座７２に衝突した弁部２８ａを含む弁体２８、可動コア７６及びガイド部材８０は、弁ばね８６の付勢力に抗して、矢印Ｂ方向に跳ね返る。次に、弁ばね８６の矢印Ａ方向への付勢力によって、弁体２８、可動コア７６及びガイド部材８０が一体的に下降することにより、弁部２８ａが弁座７２に当接し、燃料噴孔７４を閉塞する。これにより、燃料噴射弁１２の閉弁動作が完了する。

このような一体構成の場合でも、ＥＣＵ２２は、通常動作波形と無動作波形とを用いて変曲点９２を検出することができる。また、一体構成の場合には、図４Ａ〜図４Ｄに示す別体構成の場合よりも、閉弁時の可動コア７６の速度変化が大きくなるので、インダクタンスの変化が大きくなり、変曲点９２が顕著に現れる。そのため、ＥＣＵ２２では、当該変曲点９２を容易に検出することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る制御装置１０によれば、ＥＣＵ２２の差分演算手段２２ａが通常動作波形と無動作波形との差分を算出して差分波形を生成する。次に、微分演算手段２２ｂが差分波形を時間微分して微分波形を生成する。最後に、動作状態判断手段２２ｃが微分波形に基づいて燃料噴射弁１２の動作状態を判断する。すなわち、本実施の形態では、特許文献１のように、通常動作波形を単純に微分するのではなく、差分波形を時間微分して微分波形を生成する。

これにより、燃料噴射弁１２の閉弁時におけるインダクタンスの時間変化が小さく、通常動作波形から変曲点９２を検出することが難しい場合でも、差分波形から得られた微分波形を用いて、通常動作波形の変曲点９２を検出することが可能となる。この結果、燃料噴射弁１２が様々な状況にあっても、燃料噴射弁１２の動作状態を高精度に判断することが可能となる。従って、本実施の形態では、高精度の判断結果に基づいて、燃料噴射弁１２を適切に制御し、当該燃料噴射弁１２の噴射性能を向上させることができる。

この場合、変曲点９２は、閉弁時の通常動作波形に現れる。そのため、開弁及び閉弁の動作が行われない無動作波形に変曲点９２が現れることはない。すなわち、通常動作波形の場合、閉弁時には、燃料噴射弁１２を構成する可動コア７６及び／又は弁体２８が移動するため、インダクタンスの変化が生じ、変曲点９２が発生する。一方、無動作波形の場合には、可動コア７６及び／又は弁体２８の移動がないため、インダクタンスが変化せず、変曲点９２は発生しない。

そこで、本実施の形態では、通常動作波形と無動作波形との差分を算出して差分波形を生成し、生成した差分波形を時間微分して微分波形を生成することにより、通常動作波形から検出しづらい変曲点９２を、差分波形に基づく微分波形を用いて、容易に検出するようにしている。

また、制御装置１０は、燃料噴射弁１２のコイル１４から通常動作波形を読み取る電圧検出手段１８と、無動作波形を記憶する記憶手段２６とをさらに有する。これにより、差分演算手段２２ａは、電圧検出手段１８が読み取った通常動作波形と、記憶手段２６に記憶された無動作波形との差分を算出して差分波形を生成する。この結果、通常動作波形を読み取る毎に、記憶手段２６から無動作波形を読み出せば、差分波形の生成処理を効率よく行うことができる。

また、制御装置１０は、燃料噴射弁１２のコイル１４に通電して通常動作波形を発生させることにより燃料噴射弁１２を動作させる電源１６をさらに有する。この場合、電源１６は、燃料噴射弁１２を所定回数動作させる毎に、燃料噴射弁１２を動作させない程度の電圧をコイル１４に印加する。一方、電圧検出手段１８は、燃料噴射弁１２が動作する毎にコイル１４の電圧波形を通常動作波形として読み取り、一方で、燃料噴射弁１２が動作しないときのコイル１４の電圧波形を読み取り、読み取った動作しないときのコイル１４の電圧波形を無動作波形として、ＥＣＵ２２を介して記憶手段２６に記憶させる。

このように、定期的に無動作波形を読み取って記憶手段２６に記憶させれば、記憶手段２６には、燃料噴射弁１２の現在の状況に応じた最新の電圧波形が無動作波形として更新される。これにより、燃料噴射弁１２が動作する毎に、差分演算手段２２ａは、電圧検出手段１８が読み取った通常動作波形と、記憶手段２６から読み出した最新の無動作波形とを用いて、燃料噴射弁１２の現在の状況に応じた差分波形を生成することができる。この結果、当該差分波形を用いて微分波形を生成すれば、この微分波形に基づいて燃料噴射弁１２の動作状態をより高精度に判断することが可能となる。

さらに、燃料噴射弁１２は、通電により励磁されるコイル１４と、該コイル１４への通電に起因して変位する可動コア７６と、可動コア７６の変位に起因して開弁又は閉弁する弁体２８とを備える。この場合、可動コア７６及び弁体２８は、別体に構成されて相互に移動可能であるか、又は、一体に構成されて移動する。このように、別体構成又は一体構成のいずれの場合であっても、通常動作波形の変曲点９２を精度よく検出し、燃料噴射弁１２の動作状態を容易且つ高精度に判断すること可能となる。

すなわち、可動コア７６及び弁体２８が別体構成の場合には、閉弁時の速度変化が小さく、インダクタンスの時間変化が小さいが、本実施の形態を適用することにより、通常動作波形の変曲点９２を容易に検出することができる。一方、可動コア７６及び弁体２８が一体構成の場合でも、本実施の形態を適用すれば、より高精度に変曲点９２を検出することができる。

さらにまた、通常動作波形及び無動作波形は、燃料噴射弁１２のコイル１４に発生する逆起電力を含む電圧波形であればよい。閉弁時には、コイル１４に逆起電力が発生するので、本実施の形態を適用することで、通常動作波形の変曲点９２を容易に検出することができる。

また、動作状態判断手段２２ｃは、微分波形の値が０であるときの通常動作波形の時点ｔ６を変曲点９２が発生している時点として検出し、検出した変曲点９２に基づいて燃料噴射弁１２の動作状態を判断する。これにより、通常動作波形における変曲点９２の箇所を容易に検出することができる。

さらに、微分演算手段２２ｂは、微分波形の絶対値（絶対値波形）を算出し、動作状態判断手段２２ｃは、絶対値波形に基づいて燃料噴射弁１２の動作状態を判断してもよい。この場合でも、変曲点９２の箇所を容易に検出することができる。

具体的に、動作状態判断手段２２ｃは、微分波形の絶対値が０であるときの通常動作波形の時点ｔ６を該通常動作波形の変曲点９２の時点として検出し、検出した変曲点９２に基づいて燃料噴射弁１２の動作状態を判断すればよい。これにより、変曲点９２の時点を一層容易に検出することができる。

なお、本発明に係る燃料噴射弁の制御装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。

１０…制御装置（燃料噴射弁の制御装置）
１２…燃料噴射弁 １４…コイル
１６…電源 １８…電圧検出手段（電圧読取手段）
２０…スイッチ ２２…ＥＣＵ（電子制御装置）
２２ａ…差分演算手段 ２２ｂ…微分演算手段
２２ｃ…動作状態判断手段 ２６…記憶手段
２８…弁体 ２８ａ…弁部
２８ｂ…弁ニードル ４０…弁座部材
４４…固定コア ７２…弁座
７４…燃料噴孔 ７６…可動コア
７８…弁組立体 ８０…ガイド部材
８０ａ…円筒軸部 ８０ｂ…鍔部
８２…ばね部材 ８４…ストッパ
８６…弁ばね ９２…変曲点

Claims (8)

1. 燃料噴射弁の動作状態を判断し、その判断結果に基づいて前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁の制御装置において、
   前記燃料噴射弁が動作するときの該燃料噴射弁の電圧波形である通常動作波形と、前記燃料噴射弁が動作しないときの該燃料噴射弁の電圧波形である無動作波形との差分である差分波形を生成する差分演算手段と、
   前記差分波形を微分した微分波形を生成する微分演算手段と、
   前記微分波形に基づいて前記燃料噴射弁の動作状態を判断する動作状態判断手段と、
   を有することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記燃料噴射弁から前記通常動作波形を読み取る電圧読取手段と、前記無動作波形を記憶する記憶手段とをさらに有し、
   前記差分演算手段は、前記電圧読取手段が読み取った通常動作波形と、前記記憶手段に記憶された無動作波形との差分を算出して前記差分波形を生成することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
3. 請求項２記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記燃料噴射弁のコイルに通電して前記通常動作波形を発生させることにより前記燃料噴射弁を動作させる電源をさらに有し、
   前記電源は、前記燃料噴射弁を所定回数動作させる毎に、前記燃料噴射弁を動作させない程度の電圧を前記コイルに印加し、
   前記電圧読取手段は、前記燃料噴射弁が動作する毎に前記コイルの電圧波形を前記通常動作波形として読み取り、一方で、前記燃料噴射弁が動作しないときの前記コイルの電圧波形を読み取り、読み取った前記動作しないときの前記コイルの電圧波形を前記無動作波形として前記記憶手段に記憶させることを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記燃料噴射弁は、通電により励磁されるコイルと、該コイルへの通電に起因して変位する可動コアと、前記可動コアの変位に起因して開弁又は閉弁する弁体とを備え、
   前記可動コア及び前記弁体は、別体に構成されて相互に移動可能であるか、又は、一体に構成されて移動することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記通常動作波形及び前記無動作波形は、前記燃料噴射弁のコイルに発生する逆起電力を含む電圧波形であることを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記動作状態判断手段は、前記微分波形の値が０であるときの前記通常動作波形の箇所を該通常動作波形の変曲点として検出し、検出した前記変曲点に基づいて前記燃料噴射弁の動作状態を判断することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記微分演算手段は、前記微分波形の絶対値を算出し、
   前記動作状態判断手段は、前記微分波形の絶対値に基づいて前記燃料噴射弁の動作状態を判断することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
8. 請求項７記載の燃料噴射弁の制御装置において、
   前記動作状態判断手段は、前記微分波形の絶対値が０であるときの前記通常動作波形の箇所を該通常動作波形の変曲点として検出し、検出した前記変曲点に基づいて前記燃料噴射弁の動作状態を判断することを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。

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