本発明は、弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置と燃料噴射装置のソレノイド(コイル)に駆動電流を供給する駆動装置とで構成される燃料噴射システムであって、燃料噴射装置の駆動装置は、燃料噴射装置に対する第1の電圧源と第1の電圧源よりも高い電圧を生じる第2の電圧源と、前記第1の電圧源から燃料噴射装置のソレノイドへの通電・非通電を制御する第一のスイッチ素子と、前記第2の電圧源から燃料噴射のソレノイドへ通電・非通電を制御する第2のスイッチ素子と、ソレノイドの設地電位(GND)側端子と燃料噴射装置の設地電位との間で、通電・非通電を制御する第3のスイッチ素子と、前記燃料噴射装置の設地電位側端子と、前記第2のスイッチ素子の第2の電圧源側端子との間に、燃料噴射装置の設地電位側端子から第2の電圧源側端子に向けて配置されるダイオードと、前記第1のスイッチ素子と前記第1の電圧源との間もしくは、前記第3のスイッチ素子と接地電位との間のどちらか一方、または両方に電流を検出するためのシャント抵抗と、を備え、また、前記燃料噴射装置は、弁座と接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記ソレノイドと固定コア、ノズルホルダ、ハウジング、可動子によって構成される磁気回路を有し、前記ソレノイドに電流が供給されると前記可動子に磁気吸引力が作用して、空走動作を行った後に前記弁体に衝突して前記弁体を開弁させる第一の可動子と、第一の可動子と連動して動く第二の可動子とを備え、前記弁体が前記弁座と接触している閉弁状態では、前記弁体の上部端面が、第二の可動子と接触し、また、前記第二の可動子の外径に設けられたつば部が前記第一の可動子と接触しており、前記第一の可動子が空走動作をする時には、前記第一の可動子と前記第二の可動子が供動して開弁方向に動く。
また、前記駆動装置は、前記弁体が閉弁している状態から、前記第2の電圧源からソレノイドへの電流供給を行うために、前記第2のスイッチ素子と前記第3のスイッチ素子を通電にし、電流が予め駆動装置に与えておく設定値もしくは、噴射パルスを印加してから所定の時間経過後に、前記第2のスイッチ素子を非通電、第3のスイッチ素子を非通電にして、電流を減衰させ、その後、前記第1のスイッチ素子と前記第3のスイッチを通電にしている期間中に、前記第一の可動子を前記弁体に衝突させて開弁させる。前記弁体が閉弁している状態では、前記第一の可動子の上流側の圧力と下流側の圧力が同等であるため、前記第一の可動子は上流側と下流側の差圧によって生じる流体力を受けず、第2の電圧源の印加により前記ソレノイドに供給される電流により発生する磁気吸引力によって、前記弁体に衝突するまで高速で移動することができる。その後、前記第一の可動子が前記弁体に衝突することで、前記可動子の運動エネルギーによる衝突する際の力積を利用して弁体は急峻に開弁動作を行う。このとき、前記弁体が閉弁している状態では、前記弁体には、燃料圧力による差圧力が働いている。差圧力は、弁体の先端部の圧力と、前記弁体の上流部の圧力との差圧と、受圧面積である弁体と弁座のシート部面積を乗じた値となる。可動子が、弁体に衝突する瞬間に、弁体に作用している差圧力により、前記第一の可動子と前記第二の可動子が受ける力が変化する。また、前記第1のスイッチ素子と前記第3のスイッチ素子を通電にしている期間中において、前記第一の可動子が変位して前記第一の可動子および前記第二の可動子と前記固定コアの間の磁気ギャップが変化すると、誘導起電力が発生するため、電流値は減少もしくは、緩やかに増加していくが、前記第一の可動子が前記弁体に衝突した瞬間に、可動子の加速度が変化し、電流の傾きに変化が生じる。また、可動子が開弁動作中の誘導起電力の大きさは、前記燃料噴射装置の磁気回路の設定値や前記第一の可動子の速度、前記ソレノイドに供給する電流によって大きく変化するため、前記第一の可動子と前記固定コア間の磁気ギャップの縮小に伴って電流が必ずしも減少しない場合がある。この場合、駆動装置から出力される噴射パルス幅がONとなってから、電流の2階微分値が最大値となるまでの時間を検出することで、誘導起電力の大きさに関わらず、電流微分値の傾きが変化する時間として前記第一の可動子が前記弁体に衝突する開弁開始タイミングを検知きる。また、検知した開弁開始タイミングを駆動装置に記憶させる。燃料噴射装置に供給される燃料の圧力が変化しても、前記可動子が受ける力は変化しないため、開弁開始タイミングも燃料の圧力変化の影響を受けない。
また、これまで弁体を介して可動子が受けていた閉弁方向の力がなくなることで可動子の加速度が変化するタイミングすなわち、可動子に働く力の向きが反転するタイミングをソレノイドの両端電圧もしくは、ソレノイドの接地電位側の端子と接地電位との電位差を駆動装置で検出することで、駆動装置で検出した電圧値を2階微分することで、電圧の2階微分値が最大となるタイミングを閉弁完了タイミングとして検知し、噴射パルスを停止してから電圧の2階微分値が最大なるまでの閉弁遅れ時間を駆動装置に記憶させる。
また、前記弁体が開弁状態からソレノイドへの電流供給を停止し、前記第一の可動子と前記第二の可動子に作用している磁気吸引力が、前記弁体に働く燃料圧力による力と第二の可動子に作用しているスプリングによる荷重の和となる閉弁方向の力を下回ると、前記弁体、前記第一の可動子および前記第二の可動子が閉弁動作を行い、前記弁体が弁座に到達する閉弁完了タイミングの瞬間に、前記第一の可動子が前記第二の可動子と前記弁体から離間し、これまで前記弁体と前記第二の可動子を介して前記第一の可動子が受けていた閉弁方向の力がなくなり、第二の可動子を開弁方向に付勢するゼロ位置ばねの荷重を受けて、前記第一の可動子の加速度が変化するタイミングすなわち、前記第一の可動子に働く力の向きが反転するタイミングをソレノイドの接地電位側の端子と接地電位との電位差のVL電圧、もしくは前記VL電圧を2つの抵抗器を用いて分圧したVL1電圧を駆動装置で検出し、検出した電圧値を2階微分することで、電圧の2階微分値が最小となるタイミングを閉弁完了タイミングとして検知し、噴射パルスを停止してから電圧の2階微分値が最小なるまでの閉弁遅れ時間を駆動装置に記憶させる。駆動装置に記憶させた、開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングもしくは閉弁遅れ時間の情報から予め駆動装置に与えておいた開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングもしくは閉弁遅れ時間の中央値からの乖離値を各気筒で算出し、予め駆動装置に与えておく前記弁体が目標リフトに位置するときの各燃料圧力での単位時間当たりの静的流量を乗じて各気筒の噴射量を推定し、次回噴射以降の噴射パルス幅を補正することで各気筒の噴射量ばらつきを低減する。
また、噴射パルスを印加してから電流が目標値に到達し、その後、第二の電圧源から負の方向の電圧を供給することで、電流を急速に低下させ、可動子に働く磁気吸引力を小さくすることで、弁体が目標リフトに到達する前に、弁体を急減速させ、減速による開弁遅れ時間の増加を最小限に抑制しつつ、目標リフト到達後の弁体バウンドを低減でるため、噴射量特性に生じる非線形性を改善することができ、噴射量の微小な制御が可能となる。また、可動子と固定コアが衝突することによって生じる弁体が目標リフトに到達した後の弁体のバウンド量は、燃料噴射装置の寸法公差の変動よって燃料噴射装置ごとに異なり、噴射量に生じる非線形性も個体ごとに異なる。噴射パルスを供給してから弁体が開弁開始するタイミングと目標リフトに到達する開弁完了タイミングが早い個体と遅い個体に対して同一の電流波形を与えた場合、開弁完了タイミングが早い個体では、電流を急速に低下させることによる弁体の減速が間に合わず、可動子が固定コアに早い速度で衝突し、目標リフトへ到達後の弁体バウンドが大きくなる。したがって、各気筒の燃料噴射装置で検知した開弁遅れ時間に基づいて、第2の電圧源の印加を停止し、燃料噴射装置のソレノイドの両端に負の方向の電圧を供給して電流を急速に遮断させるタイミングを補正することで、各気筒の燃料噴射装置で適切な電流波形を供給することができ、目標リフト到達後の弁体バウンドを抑制できるため、噴射量特性の非線形性を改善することができる。
弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置と、前記ソレノイドへ駆動電流を供給する駆動装置で構成される燃料噴射システムであって、ソレノイドに電流を供給し、前記第一の可動子が前記弁体に衝突することによる前記第一の加速度の変化を前記ソレノイドに流れる駆動電流の2階微分値の最大値として駆動装置で検知し、前記弁体が開弁状態から指令噴射パルスを停止して後に、前記弁体と前記弁座が接触し、第一の可動子が前記弁体と前記第二の可動子から離間して、前記第二の可動子が前記弁体と接触して静止することによる前記第一の可動子および前記第二の可動子が受ける作用力の変化を加速度の変化として前記VL電圧もしくは、前記VL1電圧の2階微分値の最小値もしくは最大値で検知して、駆動装置に記憶させる。
また、記憶させた各気筒の開弁開始タイミングの情報を使用し、開弁開始タイミングが各気筒で一致するように前記ソレノイドに駆動電流を供給するタイミングを変化させて、燃料噴射のタイミングを各気筒ごとに一致させることで、混合気の気筒ごとの変化を抑制し、ピストンとエンジンシリンダ壁面への燃料付着を抑制し、混合気の均質度を向上させることで、モード走行時の未燃焼粒子(PM:Particulate Matter)の総量とその個数である未燃焼粒子数(PN:Particulate Number)の低減が可能となり、また、混合気の均質度の状態を各気筒ごとに一致させることができるため、燃焼効率の向上ができ、燃費を向上させることができる。
以下、図1〜図7を用いて、本発明に係る燃料噴射装置と駆動装置とを備えた燃料噴射システムの動作について説明する。
最初に、図1を用いて、燃料噴射装置及びその駆動装置の構成と基本的な動作を説明する。図1は、燃料噴射装置の縦断面図とその燃料噴射装置を駆動するための駆動回路121、ECU(エンジンコントロールユニット)120の構成の一例を示す図である。本実施例ではECU120と駆動回路121とは別体の装置として構成されているが、ECU120と駆動回路121は一体の装置として構成されてもよい。なお、ECU120と駆動回路121とで構成される装置を以下、駆動装置として説明する。
ECU120では、エンジンの状態を示す信号を各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ECU120より出力された噴射パルスは、信号線123を通して燃料噴射装置の駆動回路121に入力される。駆動回路121は、ソレノイド105に印加する電圧を制御し、電流を供給する。ECU120は、通信ライン122を通して、駆動回路121と通信を行っており、燃料噴射装置に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動回路121によって生成する駆動電流を切替えることや、電流および時間の設定値を変更することが可能である。駆動回路121は、ECU120との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて電流波形の設定値を変化させることができる。
次に、図1の燃料噴射装置の縦断面と図2の可動子102a、102bおよび可動部材114の近傍を拡大した断面図を用いて、燃料噴射装置の構成と動作について説明する。なお、可動子102aと可動子102bは、一体の部品として構成されていても良い。可動子102aと可動子102bで構成される部品を可動子102と称する。図1および図2に示した燃料噴射装置は通常時閉型の電磁弁(電磁式燃料噴射装置)であり、ソレノイド(コイル)105に通電されていない状態では、第1のばねであるスプリング110によって可動子102bが閉弁方向に付勢され、可動子102bの弁体114側の端面207と弁体114の上部端面が接触している。このとき、弁体114には、可動子102bを介して、セットスプリング110による荷重が作用するため、弁体114は、弁座118に向けて付勢され、弁座118に密着して閉弁状態となっている。閉弁状態においては、可動子102には、閉弁方向にかかるスプリング110による力と、開弁方向にかかる第2のばねの戻しばね112による力が作用する。このとき、スプリング110による力のほうが、戻しばね112による力に比べて大きいため、可動子102bの端面207が弁体114に接触し、可動子102は静止している。また、閉弁状態においては、弁体114の可動子102aとの当接面205と可動子102aとの間には、空隙201を有している。また、この状態では、可動子102と固定コア107との間には隙間がある状態となっている。また、弁体114と可動子102とは相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ101に内包されている。また、ノズルホルダ101は、戻しばね112のばね座となる端面208を有している。スプリング110による力は、固定コア107の内径に固定されるバネ押さえ124の押し込み量によって組み立て時に調整されている。なお、ゼロ位置ばね112の付勢力はスプリング110の付勢力よりも小さく設定されている。
また、燃料噴射装置は、固定コア107、可動子102、ノズルホルダ101、ハウシング103とで磁気回路を構成しており、可動子102と固定コア107との間に空隙を有している。ノズルホルダ101の可動子102と固定コア107との間の空隙に対応する部分には磁気絞り111が形成されている。ソレノイド105はボビン104に巻き付けられた状態でノズルホルダ101の外周側に取り付けられている。弁体114の弁座118側の先端部の近傍にはロッドガイド115がノズルホルダ101に固定されるようにして設けられている。このロッドガイド115はオリフィスカップ116と同一の部品として構成されても良い。弁体114は第1のロッドガイド113と第2のロッドガイド115との2つのロッドガイドにより、弁軸方向の動きをガイドされている。ノズルホルダ101の先端部には、弁座118と燃料噴射孔119とが形成されたオリフィスカップ116が固定され、可動子102と弁体114とが設けられた内部空間(燃料通路)を外部から封止している。
燃料噴射装置に供給される燃料は、燃料噴射装置の上流に設けられたレール配管から供給され、第一の燃料通路孔131を通って弁体114の先端まで流れ、弁体114の弁座118側の端部に形成されたシート部と弁座118とで燃料をシールしている。閉弁時には、燃料圧力によって弁体114の上部と下部の差圧が生じ、燃料圧力と弁座位置におけるシート内径の受圧面の乗じた力で弁体114が閉弁方向に押されている。閉弁状態においては、弁体114の可動子102aとの当接面205と可動子102aとの間には、空隙201を有している。ソレノイド105に電流が供給されると、磁気回路によって発生する磁界により、固定コア107と可動子102との間に磁束が通過し、可動子102に磁気吸引力が作用する。可動子102に作用する磁気吸引力が、セットスプリング110による荷重を越えるタイミングで、可動子102は、固定コア107の方向に変位を開始する。このとき、弁体114と弁座118が接触しているため、可動子102の運動は、燃料の流れが無い状態で行われ、燃料圧力による差圧力を受けている弁体114とは分離して行われる空走運動であるため、燃料の圧力などの影響を受けることがなく、高速に移動することが可能である。
可動子102の変位量が、空隙201の大きさに達すると、可動子102が弁体114に当接面205を通じて力を伝達し、弁体114を開弁方向に引き上げる。このとき、可動子102は、空走運動を行って、運動エネルギーを有した状態で弁体114と衝突するため、弁体114は、可動子102の運動エネルギーを受取り、高速に開弁方向に変位を開始する。弁体114には燃料の圧力に伴って生じる差圧力が作用しており、弁体114に作用する差圧力は、弁体114のシート部近傍の流路断面積が小さい範囲において、シート部の燃料の流速が増加し、ベルヌーイ効果による静圧低下に伴って生じる圧力降下によって弁体114先端部の圧力が低下することで生じる。この差圧力は、シート部の流路断面積の影響を大きく受けるため、弁体114の変位量が小さい条件では、差圧力が大きくなり、変位量が大きい条件では、差圧力が小さくなる。したがって、弁体114が閉弁状態から開弁開始されて変位が小さく、差圧力が大きくなる開弁動作がし難くなるタイミングで、弁体114の開弁が可動子102の空走運動によって衝撃的に行われるため、より高い燃料圧力が作用している状態でも開弁動作を行うことができるようになる。あるいは、動作できることが必要な燃料圧力範囲に対して、より強い力にスプリング110を設定することができる。スプリング110をより強い力に設定することで、後述する閉弁動作に要する時間を短縮することができ、微小噴射量の制御に有効である。
弁体114が開弁動作を開始した後、可動子102は固定コア107に衝突する。この可動子102が固定コア107に衝突する時には、可動子102は跳ね返る動作をするが、可動子102に作用する磁気吸引力によって可動子102は磁気コアに吸引され、やがて停止する。このとき、可動子102には戻しばね112によって固定コア107の方向に力が作用しているため、跳ね返りの変位量を小さくでき、また、跳ね返りが収束するまでの時間を短縮することができる。跳ね返り動作が小さいことで、可動子102と固定コア107の間のギャップが大きくなってしまう時間が短くなり、より小さい噴射パルス幅に対しても安定した動作が行えるようになる。
このようにして開弁動作を終えた可動子102および弁体102は、開弁状態で静止する。開弁状態では、弁体102と弁座101の間には隙間が生じており、燃料が噴射されている。燃料は固定コア107に設けられた中心孔と、可動子102に設けられた上部燃料通路孔と、可動子102に設けられた下部燃料通路孔を通過して下流方向へ流れるようになっている。
ソレノイド105への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子102に作用する磁気吸引力が消滅することによって、弁体114はスプリング110の荷重と、燃料圧力による力によって、弁座118に接触する閉位置に押し戻される。
また、可動子102が、可動子102aと可動子102bに分かれている場合、前記弁体が弁座118と接触している閉弁状態において、前記可動子102bは、前記可動子102bの外径に設けられたつば部211で前記可動子102aと接触しており、前記可動子102bは、接触面210で前記弁体114の上部端面と接触している。 前記可動子102aが初期位置から開弁動作する際には、可動子102bも供動して開弁動作を行うように構成されている。
また、可動子102aと可動子102bは、摺動面206で摺動できるよう構成されており、弁体114が開弁状態から閉弁する際に、弁体114が弁座118と接触した後、可動子102aが弁体114、可動子102bから分離して閉弁方向に移動して、一定時間運動した後に、戻しばね112によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。
弁体114が開弁完了する瞬間に可動子102aが、可動子102bおよび弁体114から離間することで、可動子102の質量を低減することができるため、弁座118と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体114が弁座118に衝突することによって生じる、弁体114のバウンドを抑制することができる。
弁体114が目標リフト位置で静止している状態すなわち、開弁状態において、可動子102と固定コア107が相対する環状端面には、可動子102か固定コア107のどちらか一方もしくは両方に衝突部の突起部が設けられている。また、突起部によって、開弁状態において、可動子102もしくは固定コア107の突起部以外の可動子102もしくは、固定コア107側との面との間には、空隙を有しており、開弁状態で突起の外径方向と内径方向に流体が移動可能な燃料通路が一つ以上設けられている。以上の突起と燃料通路の効果によって、可動子102と固定コア107間の微少隙間の圧力変化によって可動子102の移動を妨げる方向に生じるスクイーズ力を低減できるため、噴射パルスを停止してから弁体114が閉弁するまでの閉弁遅れ時間を低減できる効果がある。一般的に、磁気特性が良いマルテンサイト系もしくは、フェライト系のステンレス鋼では、材料の硬度および強度が低く、マルテンサイト系ステンレス鋼においては、硬度を大きくするために熱処理を行うと磁気特性が低下する場合がある。可動子102と固定コア107の衝突による突起部の摩耗を防ぐため、突起部を設けた端面に硬質クロムメッキなどのメッキ処理を行う場合がある。弁体114が閉位置に押し戻される動作では、可動子102は弁体114の規制部114aと係合した状態で一緒に移動する。
本実施例の燃料噴射装置では、弁体114と可動子102とは、開弁時に可動子102が固定コア107と衝突した瞬間と、閉弁時に弁体114が弁座118と衝突した瞬間の非常に短い時間、相対的な変位を生じることにより、可動子102の固定コア107に対するバウンドや弁体114の弁座118に対するバウンドを抑制する効果を奏する。
なお、上記のように構成されることにより、スプリング110は磁気吸引力による駆動力の向きとは逆向きに弁体114を付勢しており、戻しばね112はスプリング110の付勢力とは逆向きに可動子102を付勢している。
次に、本発明における燃料噴射装置を駆動する駆動装置121から出力される噴射パルスと燃料噴射装置のソレノイド105の端子両端にかかる駆動電圧と、駆動電流(励磁電流)と燃料噴射装置の弁体114の変位量(弁体挙動)との関係(図3)、及び噴射パルスと燃料噴射量との関係(図4)について説明する。
駆動回路121に噴射パルスが入力されると、駆動回路121はバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源からソレノイド105に高電圧301を印加し、ソレノイド105に電流の供給が開始される。電流値が予めECU120に定められたピーク電流値Ipeakに到達すると、高電圧301の印加を停止する。その後、印加する電圧値を0V以下にし、電流202のように電流値を低下させる。電流値が所定の電流値304より小さくなると、駆動回路121はバッテリ電圧VBの印加をスイッチングによって行い、所定の電流303が保たれるように制御する。
このような供給電流のプロファイルにより、燃料噴射装置は駆動される。高電圧301の印加からピーク電流値Ipeakに達するまでの間に、可動子102がタイミングt31で変位を開始し、その変位が空隙201達するタイミングt32で可動子102が弁体114に衝突し、その衝撃を利用して弁体114の変位が急峻に大きくなり、その後、保持電流303に移行するより前に弁体114が目標リフトの位置に到達する。目標リフト位置到達後は、可動子102と固定コア107との衝突により、可動子102がバウンド動作を行い、弁体114は可動子102に対して相対変位可能に構成されているため、弁体114はアンカー102から離間し、弁体114の変位は、目標リフト位置を越えて変位する。その後、保持電流303が生成する磁気吸引力と戻しばね112の開弁方向の力によって、可動子102は、所定の目標リフト位置に静止し、また、弁体114も目標リフト位置で静止するため、安定した開弁状態となる。
弁体114と可動子102が一体となっている可動弁を持つ燃料噴射装置の場合、弁体114の変位量は、目標リフト位置よりも大きくならず、目標リフト到達後の可動子102と弁体114の変位量は同等となる。可動子102と弁体114が一体の燃料噴射装置の場合、一体部品(以降、可動弁と称する)が磁気回路の構成部品となって磁気吸引力を発生させ、弁座117との開・閉弁を行う2つの機能を有する。なお、可動子102が、可動子102aと可動子102bに分かれている場合、弁体114が閉弁位置に到達した後に、可動子102bは弁体114の上部端面と接触して静止するが、可動子102aは、弁体114から離間して閉弁方向に移動する。可動子102aが一定時間運動した後に、戻しばね112によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。弁体114が開弁完了する瞬間に可動子102aが、可動子102bおよび弁体114から離間することで、可動子102の質量を低減することができるため、弁座118と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体114が弁座118に衝突することによって生じる弁体114のバウンドを抑制することができる。また、可動子102aの質量よりも、可動子102bの質量の方が小さくなるように構成されていると良い。この効果により、弁体114が弁座118と衝突することによる衝撃力を小さくできるため、弁体114が弁座118に衝突することにより生じる弁体114のバウンドを抑制でき、弁体114と弁座118が接触した後の意図しない噴射を抑制できる。 次に、図4を用いて噴射パルス幅Tiと燃料噴射量との関係について説明する。噴射パルス幅Tiが一定の時間に達しない条件では、可動子102に作用する磁気吸引力が、可動子102に作用するセットスプリング110による力を上回らないため、弁体114は開弁せず、燃料は噴射されない。また、可動子102に作用する磁気吸引力が、セットスプリング荷重を上回った場合であっても、可動子102が助走区間である空隙201を移動しきれずに、噴射パルスが停止され、可動子102に作用する磁気吸引力と可動子102持つ開弁方向の慣性力が、セットスプリング110による力より小さくなった場合であっても燃料は噴射されない。噴射パルス幅Tiが短い、例えば401のような条件では、弁体114は弁座118から離間し、リフトを開始するが、弁体114が目標リフト位置に達する前に閉弁を開始するため、直線領域320から外挿される一点鎖線330に対して噴射量は少なくなる。また、点402のパルス幅では、目標リフト位置に達する直後で閉弁を開始し、弁体114の軌跡が放物運動となる。この条件においては、弁体114が有する開弁方向の運動エネルギーが大きく、また、可動子102に作用する磁気吸引力が大きいため、閉弁に要する時間の割合が大きくなり、一点鎖線430に対して噴射量が多くなる。点403の噴射パルス幅では、目標リフト到達後の可動子102のバウンド量が最大となるタイミングt343において閉弁を開始する。このとき、可動子102と固定コア107が衝突する際の反発力が可動子102に働き、噴射パルスをOFFしてから弁体114が閉弁するまでの閉弁遅れ時間が小さくなり、その結果噴射量は一点鎖線330に対して少なくなっている。点404は、可動子102のバウンドおよび弁体114のバウンドが収束した直後のタイミングt35に閉弁を開始する状態であり、噴射パルス幅Tiが点404より大きくなる条件では、噴射パルス幅Tiの増加に応じて、閉弁遅れ時間が略線形的に増加するため、燃料の噴射量が線形的に増加する。燃料の噴射が開始されてから、点404で示すパルス幅Tiまでの領域では、弁体114が目標リフトに到達しないかもしくは、弁体114が目標リフトに到達したとしても弁体114のバウンドが安定しないため、噴射量が変動する。
ECU120で制御可能な最小噴射量を小さくするためには、噴射パルス幅Tiの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する領域を増やすか、もしくは、噴射パルス幅Tiが404より小さい噴射パルス幅Tiと噴射量の関係が線形とならない非線形領域の噴射量を補正する必要がある。図3で説明したような一般的な駆電流波形では、可動子102と固定コア107の衝突によって発生する弁体114のバウンドが大きく、弁体114のバウンド途中で閉弁を開始することにより、点404までの短い噴射パルス幅Tiの領域に非線形性が発生し、この非線形性が最小噴射量悪化の原因となっている。従って、弁体114が目標リフトに到達する条件での噴射量特性の非線形性を改善するためには、目標リフト位置到達後に発生する弁体114のバウンドを低減する必要がある。また、寸法公差に伴う弁体114の挙動の変動があるため、燃料噴射装置ごとに可動子102と固定コア107が接触するタイミングが異なり、可動子102と固定コア107の衝突速度にばらつきが生じるため、弁体114のバウンドは燃料噴射装置の個体ごとにばらつき、噴射量の個体ばらつきが大きくなる。 続いて、図5〜13について説明する。図5は、噴射パルス幅Tiと燃料噴射装置の部品公差によって生じる噴射量の個体ばらつきの関係を示した図である。図6は、図5における噴射量の個体ばらつきでの弁体114の変位量の関係、各噴射パルス幅での弁体114の変位量と時間の関係を示した図である。図7は、駆動装置から出力される噴射パルス幅、駆動電流、弁体114の変位量、可動子変位量の関係と時間の関係を示した図である。図7の弁体変位量の図中には、開弁開始タイミングが同じで閉弁完了タイミングが異なる個体と、予備的動作を行わない従来構造の燃料噴射装置での弁体変位量を記載する。また、図8は、燃料噴射装置の駆動装置121およびECU(エンジンコントロールユニット)120の詳細を示した図である。図9は、本発明の一実施例における寸法公差の変動の影響によって弁体114の動作タイミングが異なる3つの燃料噴射装置の噴射パルス幅Ti、駆動電流、電流微分値、電流2階微分値、弁体変位量、可動子変位量と時間の関係を示した図である。また、図10は、本発明の一実施例における噴射パルス、燃料噴射装置に供給する駆動電流、駆動装置のスイッチング素子805、806、807の動作タイミング、ソレノイド105の端子間電圧、弁体114および可動子102の変位量、可動子加速度と時間の関係を示した図である。図11は、ソレノイド105に供給する駆動電流、燃料噴射装置840の寸法公差のばらつきによって閉弁挙動が異なる3つの個体1、2、3の弁体の変位量、電圧VL1の拡大図と電圧VL1の2階微分値の関係を示した図である。図12は、本発明の一実施例における可動子102と固定コア107間の変位(ギャップxと称する)と可動子102の固定コア107との間の吸引面を通過する磁束φおよびソレノイド105の端子間電圧Vinjの対応関係を示した図である。図13は、本発明の一実施例における弁体が目標リフトに到達する条件で、開弁開始および開弁完了タイミングが異なる3つの燃料噴射装置での端子間電圧Vinj、駆動電流、電流の1階微分値、電流の2階微分値、弁体変位量および時間の関係を示した図である。図14は、第一実施例で磁気回路に使用する磁性材料の磁化曲線(BHカーブ)の初期磁化曲線と戻り曲線を示した図である。図15は、弁体が目標リフトに到達しない中間リフト域となる噴射パルス幅Tiが小さい領域での各気筒の噴射量補正方法のフローチャートを記載した図である。図16は、ある燃料圧力の条件で噴射パルス幅Tiを変更した場合の、各気筒の噴射量と閉弁完了タイミングTb、開弁開始タイミングTa’と燃料噴射装置840から噴射される単位時間当たりの流量Qst(以降、静流と称する)から求めた検知情報(Tb - Ta’)・Qstの関係を示したグラフである。図17は、各気筒の燃料噴射装置の個体1、個体2、個体3の検知情報と噴射パルス幅Tiの関係を示した図である。図18は、1吸排気行程中に行う噴射を分割する条件での噴射パルス幅Ti、駆動電流、端子間電圧Vinj、電圧VL1の2階微分値、電流すなわち電圧VL2の2階微分値および弁体114の変位量と時間の関係を示したグラフである。
最初に、図5、6を用いて、各噴射パルス幅Tiでの噴射量と弁体114の変位量の関係および、噴射量の個体ばらつきと弁体114の変位量の関係について説明する。噴射量の個体ばらつきは、燃料噴射装置の部品公差による寸法変動の影響や経年劣化、環境条件の変動すなわち、燃料噴射装置に供給される燃料圧力、駆動装置のバッテリ電圧源、昇圧電圧源の電圧値の個体ばらつきによって生じるソレノイド105へ供給される電流値の変動、温度変化に伴うソレノイド105の抵抗値の変化等によって生じる。燃料噴射装置の噴孔119より噴射される燃料の噴射量は、噴孔119の直径によって決まる複数の噴孔の総断面積と弁体114のシート部から噴孔入口までの圧力損失が同等である場合、弁体114の変位量で決まる燃料シート部の燃料が流れる弁体114と弁座118間の流路の断面積で噴射量が決まる。図5は、燃料噴射装置に一定の燃料圧力を供給した場合の噴射パルス幅が小さい領域で噴射量が設計の中央値となる個体Qcに対して、噴射量が大きい個体Quと噴射量が小さい個体Qlを記載した図である。
図5、図6を用いて、噴射量がある噴射パルス幅t51の条件において、設計の中央値となる個体Qcの各噴射パルス幅Tiでの噴射量と弁体114の変位量の関係について説明する。噴射パルス幅Tiが小さい点501の条件での弁体114の変位量は実線501となり、弁体114が目標リフトに到達する前に、噴射パルス幅TiがOFFとなり、弁体114が閉弁を開始し、弁体114の軌跡は、放物運動となる。次に、噴射パルス幅Tiと噴射量の関係が略線形となる直線領域から外挿される一点鎖線530より、噴射量が大きくなる点502では、実線601よりも弁体114の変位量は大きくなり、弁体114が目標リフト位置に到達しきらずに、一点鎖線602に示すように閉弁を開始し、実線601と同様に放物運動の軌跡となる。なお、一点鎖線602では、実線601と比べて、ソレノイド105に供給するエネルギーが大きいため、閉弁遅れ時間が増加し、その結果、噴射量も増加する。次に、一点鎖線530より、噴射量が小さくなる点503では、可動子102が固定コア107と衝突した後、可動子のバウンドが最大となるタイミングで弁体114が閉弁を開始しするため、2点鎖線603に示すような軌跡となり、閉弁遅れ時間は、1点鎖線602の条件と比べて小さくなり、その結果、点502と比べて点503の噴射量が小さくなる。また、図のt51の噴射パルス幅Tiでの各Qu、Qc、Qlの点532、501、531での弁体114の変位量を、606、605、604に示す。タイミングt51での噴射パルス幅601を駆動回路に入力した場合、燃料噴射装置640の寸法公差の個体差の影響によって、噴射パルスをONにしてから可動子102が弁体114に衝突するタイミングすなわち、弁体114の開弁開始タイミングがt61、t62、t53のように変動する。各気筒に同一の噴射パルス幅を与えた場合、開弁開始タイミングが早い個体604が、噴射パルス幅をOFFにするタイミングt64での弁体114の変位量が最も大きくなる。噴射パルス幅をOFFにした後も、可動子102は運動エネルギーおよび渦電流の影響による残留磁束に伴う残留磁気吸引力によって、弁体114は変位を継続し、可動子102の運動エネルギーと磁気吸引力による開弁方向の力が、閉弁方向の力を下回ったタイミングt67で弁体114が閉弁を開始する。弁体の変位604、605、606に示す通り、開弁開始タイミングが遅い個体のほうが、弁体114のリフト量が大きく、噴射パルス幅をOFFにしてから弁体114が閉弁完了するまでの閉弁遅れ時間が増加する。したがって、弁体114が目標リフトに到達しない中間リフト域では、弁体114の開弁開始タイミングと弁体114の閉弁完了タイミングで噴射量が決まるため、各気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミングと、閉弁完了タイミングの個体ばらつきを駆動装置で検知もしくは推定できれば、中間リフトでのリフト量の制御が可能となり、噴射量の個体ばらつきを低減して、中間リフトの領域でも噴射量を安定的に制御することができる。
次に、図7を用いて開弁開始タイミングが同等で、閉弁完了タイミングが異なる燃料噴射装置の各個体の弁動作について説明する。図7は、駆動装置から出力される噴射パルス幅、駆動電流、弁体114の変位量、可動子変位量の関係と時間の関係を示した図である。図7の弁体変位量には、開弁開始タイミングが同じで閉弁完了タイミングが異なる個体を記載する。
図7より、弁体変位量の個体1、個体2、個体3に示す通り、燃料噴射装置の個体ばらつきによって、開弁開始タイミングt73が同じであった場合でも、部品公差の影響により、弁体114に作用する差圧力、セットスプリング110による荷重、各個体ごとに変化し、弁体114の変位量の最大値と閉弁完了タイミングが個体ごとに変動する。弁体114に作用する差圧力が小さい個体3では、差圧力が中央値の個体2に対し、閉弁方向の力が小さいため、弁体114の変位量が大きくなる。その結果、可動子102と固定コア107との磁気ギャップが小さくなるため、同じ電流値を供給した場合であっても、開弁方向の力である磁気吸引力が増加し、閉弁完了タイミングは、個体2のt75に比べてt76のように遅れる。一方で、個体2に比べて差圧力が大きい個体1では、弁体114の変位量が小さくなり、可動子102と固定コア107との磁気ギャップが大きくなるため、可動子102に作用する磁気吸引力が減少し、閉弁完了タイミングは、個体2のt75に比べてt74のように早くなる。差圧力および磁気吸引力の個体ばらつきによる影響は、閉弁完了タイミングに表れてくるため、開弁開始タイミングに加えて、閉弁完了タイミングを各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知することで、噴射量の個体ばらつきを検出することが可能となる。
また、弁体114が開弁開始するよりも前に可動子102が予備的動作を行わない従来の燃料噴射装置では、可動子に作用する開弁方向の力である磁気吸引力と、スプリング110による荷重と弁体114に作用する燃料圧力による差圧力の和である閉弁方向の力との差が小さい状態で弁体114がタイミングt77で開弁を開始して、その後、701のように弁体114の変位量が緩やかに増加して行く。弁体114の変位量が小さい領域では、弁体114のシート部の流路断面積が小さいため、シート部を流れる燃料の流速が速くなり、シート部を通過することによる燃料の圧力損失が大きい。シート部近傍での燃料の圧力損失が大きいと、噴射孔119から噴射される燃料の流速が遅くなるため、噴射した燃料と空気とのせん断抵抗が小さくなり、噴射燃料の液滴の微粒化が促進されにくくなり、また、噴射燃料の粒子径が大きい粗大粒径が発生し易くなる。本発明による第1実施例における燃料噴射装置によれば、可動子102が弁体114に衝突して弁体114が開弁開始することで、弁体114の変位量が小さい領域を低減することができるため、噴射する燃料の粒子径を小さくでき、また、粗大粒径が発生しにくい。その結果、噴射した燃料と空気との混合が促進され易く、また、粗大粒径が少ないことから点火タイミングでの混合気の均質度が向上し、さらに燃料のピストンおよびシリンダ壁面への付着が抑制されることで、排気性能の向上、とくに未燃焼粒子(PM)やその数(PN)を抑制できる。また、均質度が良い混合気を形成できることで、燃費を向上させることが可能となる。
次に、図8、図9、図10を用いて、本発明の第一実施例における燃料噴射装置の駆動装置の構成と噴射量の個体ばらつきの要因である弁体114の動作を各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知方法について説明する。図8は燃料噴射装置を駆動するための駆動装置の構成を示した図である。CPU801は例えばECU120に内蔵され、燃料噴射装置の上流の燃料配管に取り付けられた圧力センサーや、エンジンシリンダへの流入空気量を測定するA/Fセンサ、エンジンシリンダから排出された排気ガスの酸素濃度を検出するための酸素センサ、クランク角センサ等のエンジンの状態を示す信号を、前述で説明した各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。
また、CPU801は、内燃機関の運転条件に応じて適切な噴射パルス幅Tiのパルス幅(すなわち噴射量)や噴射タイミングの演算を行い、通信ライン804を通して燃料噴射装置の駆動IC802に噴射パルス幅Tiを出力する。その後駆動IC802によって、スイッチング素子805、806、807の通電、非通電を切替えて、燃料噴射装置840へ駆動電流を供給する。
スイッチング素子805は駆動回路に入力された電圧源VBよりも高い高電圧源と燃料噴射装置840の高電圧側の端子間に接続されている。スイッチング素子805、806、807は、例えばFETやトランジスタ等によって構成され、燃料噴射装置840への通電・非通電を切り替えることができる。高電圧源の電圧値である昇圧電圧VHは例えば60Vであり、バッテリ電圧を昇圧回路814によって昇圧することで生成される。昇圧回路814は例えばDC/DCコンバータ等により構成されるかコイル830とスイッチ素子831、ダイオード732およびコンデンサ833で構成する方法がある。スイッチ素子831は、例えばトランジスタである。また、ソレノイド105の電源側端子890とスイッチング素子805との間には、第二の電圧源から、ソレノイド105、設置電位815の方向に電流が流れるようにダイオード835が設けられており、また、ソレノイド105の電源側端子890とスイッチング素子807との間にも、バッテリ電圧源から、ソレノイド105、設置電位815の方向に電流が流れるようにダイオード811が設けられており、スイッチ素子808を通電している間は、接地電位815から、ソレノイド105、バッテリ電圧源および第二の電圧源へ向けては電流が流れられない構成となっている。
昇圧回路814が、コイル830とスイッチ素子831、ダイオード832およびコンデンサ833で構成される場合、トランジスタ831を通電にすると、バッテリ電圧VBは接地電位834側へ流れるが、トランジスタ831を非通電にすると、コイル830に発生する高い電圧がダイオード832を通して整流されコンデンサ833に電荷が蓄積される。昇圧電圧VHとなるまで、このスイッチ素子831の通電・非通電を繰り返し、コンデンサ833の電圧を増加させる。スイッチ素子831の通電・非通電は、IC802もしくは、CPU801で制御するように構成されていると良い。
また、スイッチング素子807は、低電圧源VBと燃料噴射装置の高圧端子間に接続されている。低電圧源VBは例えばバッテリ電圧であり、その電圧値は12から14V程度である。スイッチング素子806は、燃料噴射装置840の低電圧側の端子と接地電位815の間に接続されている。駆動IC802は、電流検出用の抵抗808、812、813により、燃料噴射装置840に流れている電流値を検出し、検出した電流値によって、スイッチング素子805、806、807の通電・非通電を切替え、所望の駆動電流を生成している。なお、電流検出用の抵抗808、812、813には、電流の検出精度の向上と信頼性および発熱抑制の観点から、抵抗値が小さく、抵抗値の個体ばらつきが小さい高精度な抵抗器であるシャント抵抗を用いると良い。とくに、燃料噴射装置840のソレノイド105の抵抗値に比べて、抵抗808、812、813の抵抗値は十分に小さいため、抵抗808、812、813で発生する損失によるソレノイド105の電流に与える影響は小さい。ダイオード809と810は、燃料噴射装置のソレノイド105に逆電圧を印加し、ソレノイド105に供給されている電流を急速に低減するために備え付けられている。CPU801は駆動IC802と通信ライン803を通して、通信を行っており、燃料噴射装置840に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動IC802によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。また、抵抗808、812、813の両端は、IC802のA/D変換ポートに接続されており、抵抗808、812、813の両端にかかる電圧をIC802で検出できるように構成されている。また、燃料噴射装置840のHiサイド側(電圧側)、接地電位(GND)側にそれぞれ入力電圧および出力電圧の信号を、サージ電圧や、ノイズから保護するためのコンデンサ850、851を設け、燃料噴射装置840の下流にコンデンサ850と並列に抵抗器852および抵抗器853を設けると良い。
また、スイッチング素子806と抵抗808との間の端子808と、CPU801または、IC802との間には、オペアンプ821と抵抗R83とR84とコンデンサC82とで構成されるアクティブローパスフィルタ861が設けられている。燃料噴射装置840の下流に設けられた抵抗器852と抵抗器853との間の端子881と、CPU801または、IC802との間には、オペアンプ820と抵抗R81とR82とコンデンサC81とで構成されるアクティブローパスフィルタ860が設けられている。また、CPU801またはIC802には、設地電位815と接続される端子871が設けられており、端子881と接地電位815との間の電位差VL1をアクティブローパスフィルタ860を通して、CPU801または、IC802で検出できるように端子y80を設けている。また、抵抗器852および抵抗器853は、燃料噴射装置840のソレノイド105の抵抗値よりも大きく設定することで、燃料噴射装置840に電圧を印加する時に、ソレノイド105に電流が効率よく供給される。また、抵抗器853に比べて抵抗器852の抵抗値を大きく設定することで、燃料噴射装置840の設地電位(GND)側端子と接地電位との間の電圧VL電圧を分圧しすることができる。その結果、検出する電圧をVL1とすることができ、オペアンプ821とCPU801のA/D変換ポートの耐電圧を低減することができるため、高電圧を入力するために必要な回路を必要とせずに、端子間電圧Vinjおよび電圧VLに生じる電圧の時間を検出することができる。
また、抵抗808の燃料噴射装置840側の端子880と接地電位815との間の電位差VL2をアクティブローパスフィルタ861を通して、CPU801または、IC802で検出できるように端子y81を設けるとよい。CPU801には、バッテリ電圧VBと接続される端子y82が設けられており、バッテリ電圧VBをCPU801でモニタリングすることができるように構成されている。
次に、図9を用いて本発明の第一実施例における弁体114の開弁開始タイミングの検出方法について説明する。図9は、本発明の一実施例における寸法公差の変動等の影響によって弁体114の開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングが異なる3つの燃料噴射装置840の噴射パルス幅Ti出力後のソレノイド105の端子間電圧Vinj、ソレノイド105に供給される電流、電流微分値、電流2階微分値、弁体114の変位量、可動子102の変位量と噴射パルスON後の時間との関係を示した図である。また、ソレノイド105に流れる電流に生じる変化は、電圧VL2を検出することで駆動装置で検出することができる。
図9より、ソレノイド105に供給する電流がピーク電流Ipeakに到達するまでは、昇圧電圧VHが燃料噴射装置840のソレノイド105に印加される。その後、負の方向の昇圧電圧VHが印加されるか、もしくは、 0Vの電圧を印加することで、電流値が901のように減少し、一定の時間電流が減少する電圧遮断期間T2を設ける。可動子102は、ソレノイド105に昇圧電圧VHが印加された後、可動子102に作用する開弁方向の力である磁気吸引力が、可動子102に作用する閉弁方向の力であるスプリング110による力を越えると、可動子102が開弁方向に変位し、空走動作を行う。その後、燃料噴射装置840の各個体の可動子102が弁体114に接触するタイミングt91、t92、t93で弁体114が変位を開始し、噴孔119より燃料が噴射される。この弁体114が開弁開始するより前に、バッテリ電圧源から一定電圧が供給されるタイミングt91となるようにピーク電流Ipeakもしくは、昇圧電圧印加時間Tpと、電圧遮断期間T2を調整するとよい。本発明の燃料噴射装置840では、可動子102が空走動作の後に弁体114に衝突することで、これまで弁体114のみに作用していた燃料圧力による力が弁体114を介して、可動子102に作用するため、弁体114の開弁開始タイミングで可動子102の加速度が大きく変化する。可動子102と固定コア107の間は、固定コア107、可動子102、ノズルホルダ101、ハウジング103およびソレノイド105で構成される磁気回路の磁束が通る主経路となっているため、可動子102の加速度が変化することで、可動子102と固定コア107の間を通過している磁束が変化し、誘導起電力に変化が生じ、電流値の傾きに変化が生じる。この電流の傾きすなわち電流微分値が変化するタイミングを検出するために、電流の2階微分値が最大値となるタイミングをECUで検出することで、各気筒の燃料噴射装置840ごとに開弁開始タイミングを検知することができる。また、バッテリ電圧源から一定電圧が供給されるタイミングt91以降から弁体114の開弁開始タイミングまでの区間においては、スイッチング素子805、806、807の通電・非通電の切換えを行わないことで、駆動電流の電気的な変化をなくして、電流の時間変化を小さくすることで、可動子102が弁体114に衝突することで生じる加速度の変化を検出し易くする効果が得られ、開弁開始タイミングの検知精度を向上できる
ここで、駆動装置でソレノイド105に流れている電流の時間変化を検出するために、電圧VL2を測定するための端子y81をCPU801に設けるとよい。抵抗器808の抵抗値は既知であるため、オームの法則V=R・I(電圧Vは、抵抗Rと電流Iの積)の関係
より、電圧VL2を検出することで、ソレノイド105に流れる電流を検出することができる。また、個体ばらつきや抵抗温度の変化によって、抵抗器808の抵抗値が変動した場合であっても電流の2階微分値が最大となるタイミングを検知する方法によれば、電圧VL2の2階微分値の最大値の値が変動したとしても、電圧VL2が2階微分値となる時間は変化しないため、より精度よく開弁開始タイミングを検知することができ、検知のロバスト性が高い。また、電圧VL2は、アクティブローパスフィルタ861を介して、CPU801のA/D変換ポートに接続されている。電圧VL2をA/D変換したデジタル信号をCPU801でデジタル微分処理やデジタルフィルタ処理によって、電流の2階微分値が最大値となる時間を検出することで、弁体114の開弁開始タイミングを検出することができる。また、噴射パルスがONになってから開弁開始タイミングに達するまでの開弁開始遅れ時間として駆動装置に記憶させると良い。なお、開弁開始タイミングにおいて、これまで減少に転じていた電流が増加に転じる場合、電流微分値がある閾値を超えるタイミングとして開弁開始タイミングを検出することができる。しかしながら、燃料噴射装置840と駆動装置の構成により、開弁開始タイミングで電流が減少から増加に転じない場合であっても、噴射パルスがONとなってから電流の2階微分値が最大値となるまでの開弁開始遅れ時間を検出することで、精度良く開弁開始タイミングを検出することが可能となる。
なお、電圧遮断期間T2は必ずしも必須ではないが、負の方向の昇圧電圧VHまたは0Vの電圧を印加することで、後述する理由により、ソレノイド105に流れる電流変化を検知し易くなる。
また、噴射パルスがONとなっている期間中の電圧VL2を全て駆動装置で検出した場合、電流スイッチング素子805、806、807の通電・非通電によって生じる電流に編曲点を電圧VL2の2階微分値として誤検知する場合がある。この場合、電圧VL2の取得期間をスイッチング素子805、806、807の通電・非通電の切換え動作が行われない期間903に設定することで、可動子102が弁体114に衝突する開弁開始タイミングを精度良く検出することができる。期間903のデータ取得を開始する時刻t98aは、電圧遮断期間T2の終了タイミングである時刻t91よりも遅く設定され、かつ期間903のデータ取得を停止する時刻98bは、噴射パルスをOFFにする時刻t98よりも早く設定されると良い。また、時刻t98aを開始するためのトリガーは、噴射パルスの開始、スイッチング素子805、806の通電・非通電のタイミングを使用すると良い。スイッチング素子805、806の通電・非通電のタイミングを時刻t98aのトリガーとして使用する場合、通信ライン803を通して、スイッチング素子805、806の通電・非通電の情報をCPU801に送信すると良い。
噴射パルスの開始をトリガーとして使用した場合、噴射パルスはCPU801の内部で生成さいているため、t98aの時間を正確に制御することが可能である。一方で、スイッチング素子805、806の非通電にするタイミングを時刻t98aを開始するためのトリガーとして使用した場合、ソレノイド105の温度変化に伴う抵抗変化や、昇圧電圧VHの変動によって生じるピーク電流値Ipeakに到達するまでの昇圧電圧印加時間Tpが変動した場合であっても確実に開弁開始タイミングの期間を取得することができるため、開弁開始タイミングの検知精度を高めることができる。
以上で説明した通り、弁体114の開弁開始タイミングを検知するためには、ソレノイド105に流れる電流を検出するための電圧VL2の2階微分値を駆動装置で検出することが望ましい。微分処理の次数が高い2階微分処理を行う場合において、処理を行う前の電圧VL2にノイズ等が重畳していると、微分処理を行った際に微分値が発散する可能性があり、2階微分処理後の最大値のタイミングを誤検知してしまう可能性がある。この問題に対処するため、燃料噴射装置840の端子880とCPU801の端子y81との間にオペアンプ821と抵抗R83と抵抗R84とコンデンサC82とで構成されるアクティブローパスフィルタ861を構成すると良い。可動子102aが弁体114に衝突し、弁体114が開弁開始することによる可動子102aの加速度の変化によって生じるソレノイド105の電流および電圧VL2の変化は、電圧の信号に重畳するノイズに比べて周波数が低い。したがって、電圧VL2測定するための端子880とCPU801との間に、アクティブローパスフィルタ861を介することで、電流および電圧VL2に発生する高周波なノイズを低減することができ、開弁開始タイミングの検知精度を高めることができる。
また、アクティブローパスフィルタ861のカットオフ周波数f
c1は、抵抗R82とコンデンサC81の値を用いて下記の式(1)のように表すことができる。燃料噴射装置と駆動装置の構成によって、スイッチング素子805、806、807や第2の電圧源を構成するためのスイッチング素子831のスイッチングタイミングおよび第2の電圧源の値が異なり、その結果として、電圧に発生するノイズの周波数は異なる。したがって、燃料噴射装置840と駆動回路の仕様ごとに抵抗R82とコンデンサC81の設計値を変更すると良い。また、アナログ回路でローパスフィルタを構成した場合、CPU801でデジタル的に高周波なノイズを除去するためのフィルタリング処理を行う必要がないため、CPU801の計算負荷を低減できる。また、電圧V
L1の信号をCPU601もしくは、IC602に直接入力し、デジタル的にフィルタリング処理しても良い。この場合、アナログのローパスフィルタの構成部品であるオペアンプ820と抵抗R81と抵抗R82とコンデンサC81を使用する必要がないため、駆動装置のコストを低減できる。また、以上で説明したローパスフィルタは、端子880に接続される抵抗器とその抵抗器に並列に配置するコンデンサからなる1次ローパスフィルタを用いても良い。1次ローパスフィルタを用いる場合、アクティブローパスフィルタを用いた構成に対して、抵抗とオペアンプの2つの部品を減らすことができるため、駆動装置のコストを低減することが可能である。また、1次ローパスフィルタのカットオフ周波数の算出方法は、アクティブローパスフィルタを用いた場合の式(1)で算出できる。また、ローパスフィルタの構成としては、コイルとコンデンサを用いて時数が2次以上のローパスフィルタを構成することが可能である。この場合、抵抗器なしにローパフィルタを構成できるため、アクティブローパスフィルタおよび1次ローパスフィルタを使用する場合に比べて、電力消費が少ないメリットがある。
なお、開弁開始タイミングを検知するためのソレノイド105の電流の検出は、抵抗813の両端電圧を測定しても良い。ただし、抵抗813の両端電圧を測定する場合、設地電位815との電位差を測定する電圧VL2に比べて、電圧を測定するための端子が増加し、必要なA/D変換ポートも増加するため、駆動装置のコストアップに繋がり、電圧信号をA/D変換するためのCPU801もしくは、IC802の処理負荷が高まる。また、電圧VL2では、昇圧回路814の出力である昇圧電圧VHの電圧値を復帰させるためのコンデンサ833への電荷蓄積のために、スイッチング素子831の通電・非通電の動作を高速で繰り返して行う場合、燃料噴射装置840の電源側の経路である抵抗813の両端電圧には高周波なノイズ成分が重畳する場合がある。電流の測定点を燃料噴射装置840のソレノイド105の接地電位側に位置する電圧VL2とすることで、燃料噴射装置840の上流に生じる高周波なノイズがソレノイド105のコイルによって減衰されるため、電圧VL2の2階微分値の最大を用いて開弁開始タイミングを精度良く検知することができる。
次に、図2、図8、図10を用いて、第一実施例における駆動回路の構成と開弁開始タイミングを検出する条件での燃料噴射装置に流れる駆動電流を生成するためのスイッチング素子の切換えタイミングについて説明する。図10は、駆動装置から出力される噴射パルス幅と、ソレノイド105に供給される駆動電流、駆動装置のスイッチング素子805、806、807の通電(ON)・非通電(OFF)の動作タイミング、ソレノイド105の端子間電圧Vinj、弁体114の変位量、可動子102の変位量、可動子102の加速度と時間の関係を示した図である。
最初に、タイミングt101において、CPU801より、噴射パルス幅Tiが通信ライン804を通して駆動IC802に入力されると、スイッチング素子805、806が通電となり、ソレノイド105の両端に、昇圧電圧VHが印加され、駆動電流がソレノイド105に供給されて、電流が急速に増加する。その後、磁気回路の内部に発生する渦電流の消滅に伴って磁気回路の内部に磁束が形成され、固定コア107と可動子102との間に磁束が通過することで、可動子102に作用する磁気吸引力が増加していく。開弁方向の力である可動子102に作用する磁気吸引力と戻しばね112の力の和が、閉弁方向の力であるスプリング110による荷重を越えるタイミングt102で可動子102がリフトを開始する。このとき、可動子102が開弁方向に動くことで、可動子102とノズルホルダ101との間でせん断抵抗(粘性抵抗)が発生し、運動方向とは逆の閉弁方向にせん断抵抗力が可動子102に作用する。ただし、可動子102とノズルホルダ101間の通路断面積を確保することで、可動子102に作用するせん断抵抗力を下げることができる。また、可動子102に作用する開弁方向の力である磁気吸引力に比べて、可動子102に作用するせん断抵抗力は十分小さいため、可動子102がリフトを開始してから、可動子の加速度は増加していく。駆動電流が予めECUに与えておくピーク電流値Ipeakに達するタイミングt103において、通電していたスイッチング素子805と806を非通電にすると、これまで電流が流れていた昇圧電圧VHからソレノイド105、設地電位815へ向かう経路に、電流が流れられなくなるため、燃料噴射装置840のインダクタンスによる逆起電力によって、燃料噴射装置840の設地電位(GND)側端子の電圧が大きくなり、駆動装置の設地電位(GND)815、ダイオード809、燃料噴射装置840、ダイオード810、抵抗812、昇圧電圧VHの電流の経路が形成されて、電流が昇圧回路814の昇圧電圧VH側へ帰還し、駆動装置840のソレノイド105の両端電圧には、負の方向の昇圧電圧VHが印加されて、ソレノイド105に供給されている駆動電流は、1002のように急速に低減される。
スイッチング素子805と806が非通電となるタイミングt103を駆動電流がピーク電流値Ipeakを越えるタイミングとして設定することで、ソレノイド105の温度変化による抵抗値の変化や、昇圧電圧VHの電圧値の変化が生じた場合であっても、弁体114を開弁させるのに必要なエネルギーを安定的に確保し、また、環境条件の変化に伴う出ピーク電流Ipeakに達するまでの時間が変動することによって生じる開弁開始タイミングの変化を平行移動の成分とすることができ、電流波形と弁動作のタイミングの変化を抑制することができる。
また、スイッチング素子805と806を非通電にするタイミングt103は、噴射パルスTiをONにしてからの昇圧電圧印加時間Tpで設定しても良い。ピーク電流Ipeakの設定分解能は、電流検出用に使用する抵抗808、813の抵抗値および精度で決まるため、駆動装置で設定出来るIpeakの分解能の最小値は、駆動装置の抵抗の制約を受ける。これに対して、昇圧電圧印加時間Tpでスイッチング素子805と806を非通電にするタイミングt103を制御する場合、昇圧電圧印加時間Tpの設定分解能は、駆動装置の抵抗の制約を受けず、CPU801のクロック周波数に応じて設定することができるため、ピーク電流Ipeakで設定する場合に比べて、時間分解能を小さくすることができ、より高精度に昇圧電圧印加時間Tpまたは、ピーク電流値Ipeakを停止するタイミングを補正することができるため、各気筒の燃料噴射装置の噴射量の補正精度を高めることが可能となる。
また、スイッチング素子805と806を非通電にしている電圧遮断期間T2の時間は、予め駆動装置に記憶させておき、燃料圧力等の運転条件に応じて変更してもよい。電圧遮断期間T2が終了すると、スイッチング素子806、807を通電し、バッテリ電圧VBをソレノイド105に印加する。このとき、駆動電流の目標値Ih1の電流値を1004のように、電圧遮断期間T2の終了時の電流よりも高い値に設定しておくことで、目標電流に到達するまで、スイッチング素子806がONされ続ける。このとき、スイッチング素子806、807が通電されるタイミングt105の後に、コンデンサ851、852に蓄積された電荷が放電されることで、駆動電流が1003のように増加する。その後、バッテリ電圧の印加によって、ソレノイド105に電流が供給され、可動子102の変位量が増加し、磁気ギャップの縮小に伴って生じる誘導起電力によって、タイミングt105で電流が減少に転じ、タイミングt106において、可動子102が弁体114と衝突する。 このとき、可動子102が弁体114に衝突することで、弁体114に作用している燃料圧力による差圧力が弁体114を介して可動子102に働くため、可動子102の加速度が大きく変化する。可動子102の加速度の変化に伴って、誘導起電力が変化するため、駆動電流の傾きが変化する。可動子102と弁体114が衝突し、弁体114の開弁開始タイミングにおいては、このスイッチング素子806と807が通電されているため、端子間電圧値Vinjの変化が小さく、また、昇圧電圧VHよりも低いバッテリ電圧VBが印加されることから、電圧の印加に伴う電流の変化がなだらかになるため、可動子102が弁体114に衝突することによる誘導起電力の僅かな変化を駆動電流の変化として、駆動装置で検出することができる。また、ピーク電流値Ipeakから電流を急速に低減し、弁体114の開弁開始タイミングでの電流値を小さくすることで、磁気回路内部に生じる磁界が減少し、それに伴い磁束密度を現象するため、可動子102の固定コア107側端面の磁束密度が飽和しづらくなり、その結果、可動子102が弁体114が弁体114に衝突して、弁体114が開弁開始することによる可動子102の加速度の変化を、電流時間変化すなわち電流の傾きの変化としてより検出し易くなる。スイッチング素子806と807が通電され、バッテリ電圧VHがソレノイド105に印加されている期間中に、弁体114が開弁開始するように、ピーク電流IPeakおよび電圧遮断期間T2の値を設定することで、弁体114の開弁開始タイミングを精度良く検出することができる。
また、図10に示す弁体114の変位量には、燃料噴射装置840に供給されている燃料圧力が、小、中、大の場合の弁体114の変位のプロファイルを記載している。実施例1における燃料噴射装置840では、弁体114が開弁開始するまで、可動子102は弁体114に作用している燃料圧力による力を受けないため、燃料圧力が異なる条件であっても、可動子102が弁体114に衝突するまでの可動子102のプロファイルは変化せず、また、弁体114の開弁開始タイミングt106も変わらない。したがって、弁体114の開弁開始タイミングt106の検知は、エンジン始動時、アイドル運転等のある運転条件で検知して、駆動装置に記憶させておくことで、燃料圧力等の運転条件が変わった場合であっても駆動装置に記憶した各気筒の検知情報を使用することができる。したがって、開弁開始タイミングを検知するための駆動電流検出用の抵抗813の両端電圧または抵抗808の設地電位815との間の電位差VL2のアナログ電圧信号をデジタル信号に変換するための駆動装置のA/D変換のポートを使用する頻度を低減することができるため、CPU801乃至IC802の処理負荷を低減することができる。以上のように、各気筒の燃料噴射装置840ごとのある運転条件で開弁開始タイミングを検知すれば、燃料圧力等の運転条件が変化した場合であっても検知精度を確保することができる。
また、CPU801では、バッテリ電圧源のバッテリ電圧VBの電圧値をモニタリングするために、電圧をA/D変換してデジタル信号として駆動装置で検出するためのA/D変換ポートである端子y82を設けている。バッテリ電圧VBは、バッテリ電圧源に接続された車載機器の動作によって電圧が降下し、その変動が大きい。車載機器とは、例えば、エンジンを始動する時に使用するセルモーター、エアコンなどの空調機、ライト類(ヘッドライト、ブレークランプ)、電動パワーステアリングである。また、電圧降下に伴ってオルタネータを始動させて、バッテリ電圧源を充電する構成となっている。したがい、CPU801でモニタリングしているバッテリ電圧VBが、駆動装置に設定しておくある電圧値のある変動幅以下となった時の電圧VL2もしくは抵抗器813の両端電圧を検出して、開弁開始タイミングを検知するように構成するとよい。以上の構成によって、開弁開始タイミングを検知する条件において、バッテリ電圧VBが車載機器の動作によって変化し、そのバッテリ電圧の変化するタイミングが開弁開始タイミングに近接している場合に、電流が影響を受けて変動し、開弁開始タイミングを検知するための電流2階微分値が最大値となる時間がずれる可能性を抑制することができ、安定的に開弁開始タイミングを検知できる。
また、開弁開始タイミングを検知する条件での電圧値の中央値は、バッテリ電圧源の劣化によっても変化するため、CPU801で任意に設定できるように構成されているとよい。これにより、バッテリ電圧源を使用していない場合のバッテリ電圧VBの中央値が経年変化した場合であっても精度良く開弁開始タイミングを検知することができる。
また、本発明の第1実施例における燃料噴射装置840の磁気回路の部材に用いる飽和磁束密度が高いフェライト系の磁性材は、オーステナイト系の金属に比べて材料の硬度が低いため、可動子102の弁体114との衝突面および固定コア107との衝突面に、メッキ処理を行う場合がある。可動子102は、燃料圧力による力を受けずに高速に開弁動作を行って、弁体114に衝突するため、エンジンの総回転数が増加して、燃料噴射装置840の駆動回数が増加すると、可動子102の弁体114との衝突面210が摩耗劣化する場合がある。とくに、すすを含む未燃焼粒子数(PM: Particulate Matter)の総量とその数(PN: Particulate Number)を抑制すために、燃料と空気との混合気の均質度を向上させたい場合、1回の吸排気行程中の燃料噴射を複数回に分割する方法が有効であるが、分割噴射を行う分、分割噴射を行わない場合と比べて走行距離が同じ場合であっても噴射回数が増加するため、衝突面210の摩耗劣化が発生し易い。摩耗劣化が起こった場合、閉弁状態における弁体114の可動子102aとの当接面205と可動子102aの衝突面210との間の空隙201が増加され、可動子102が弁体114に衝突するのに必要な移動距離が増加し、弁体114の開弁開始タイミングが遅くなる。燃料噴射装置840の駆動回数、時間または車載に取り付けられた走行距離計測器の値に応じて、所定期間毎に開弁開始タイミングを再検知し、駆動装置に記憶させる各気筒ごとの燃料噴射装置840の開弁開始タイミングの情報を更新していくことで、分割噴射を行って燃料噴射装置840の駆動回数が増加する場合であっても、衝突面の劣化摩耗による開弁開始タイミングの変化に対応することができ、精度よく噴射量を制御することが可能となる。
また、スイッチング素子805、806を通電にして、ソレノイド105に正方向の昇圧電圧VHが印加される条件では、昇圧電圧VHを使用することによって、これまでコンデンサ833に蓄積した電荷が減少し、昇圧電圧VHの電圧値が減少する。このとき昇圧電圧VHの電圧をCPU801もしくはIC802に予め設定しておいた初期の電圧値に復帰させるために、昇圧電圧VHの電圧値が設定した閾値値電圧を下回ると、コンデンサ833への電荷蓄積のため、昇圧回路814のスイッチング素子831を通電・非通電を高周波で繰り返して行い、昇圧電圧VHの電圧値を復帰させる動作を行う場合があるが、この電圧値の変化に比べて、可動子102が弁体114に衝突して、弁体114が開弁開始したことによる可動子102の加速度変化によって生じる誘導起電力の変化が、電圧VL2および抵抗器812の両端電圧に与える影響が小さいため、弁体114の開弁開始に伴う可動子102の加速度の変化を昇圧電圧VHを印加している条件において電圧VL2もしくは抵抗器812の両端電圧で検出することは難しい。また、昇圧電圧VHの電圧値を復帰させるための動作を行う場合、昇圧回路814のスイッチング素子831の通電・非通電を高速な周期で繰り返す必要があるため、スイッチングによる高周波なノイズが発生して、弁体114の開弁開始タイミングを検出するための電圧VL2もしくは抵抗器812の両端電圧にノイズが重畳し、開弁開始タイミングの検知精度に悪影響を与える場合がある。
図9より、噴射パルス幅Tiを供給してからスイッチング素子805、806を通電させて、昇圧電圧VHをソレノイド105に印加し、ピーク電流値Ipeakに到達後に負方向の昇圧電圧VHの印加を一定時間行い、電流値を901のように急峻に立ち下げた後、バッテリ電圧源からバッテリ電圧VBとなる一定電圧を印加し、バッテリ電圧VBから一定の電圧を供給するタイミングで弁体114が目標リフトに到達する印加電圧の構成にすると良い。
次に、噴射パルスをOFFにしてから弁体114が閉弁するまでの時間である閉弁遅れ時間の検出方法について説明する。
また、弁体114および可動子102が開弁状態から閉弁する際に、燃料噴射装置840の設地電位(GND)側端子と接地電位815との間の電位差である電圧VLに生じる電圧の時間変化をCPU801もしくは、IC802で検出するため、燃料噴射装置840の設地電位側(GND)側端子と接地電位815との間に、抵抗器852と853を設けている。抵抗器852、853の抵抗値は、ソレノイド105の抵抗値よりも大きく設定することで、バッテリ電圧VBおよび昇圧電圧VHを印加時に効率良くソレノイド105に電流が流れることができる。また、抵抗器852の抵抗値を抵抗器853の抵抗値よりも大きく設定することで、抵抗853の設地電位815との間の電位差であるVL1の電圧を小さくすることができ、オペアンプ821とCPU801のA/D変換ポートに必要な耐電圧の電圧値を低減することができるため、高電圧を入力するために必要な回路や素子を必要とせずに、端子間電圧Vinjおよび電圧VLに生じる電圧検出することができる。電圧VLを分圧した電圧VL1を、アクティブローパスフィルタ860介してCPU801もしくは、IC802に搭載したA/D変換ポートに入力する。電圧VL1の信号をアクティブローパスフィルタ860を介することで、電圧VL1に生じる高周波なノイズ成分を低減することができ、弁体114が開弁状態から閉弁を開始し、弁座117と接触した瞬間に生じる可動子102の加速度の変化を、誘導起電力の変化として電圧VL1で検出し、IC802もしくは、CPU802でデジタル信号として検出することができる。その結果、微分処理を容易に行うことが可能となる。このとき、アクティブローパスフィルタ860を通過してCPU801のA/D変換ポートに入力される端子y80と接地電位815との間の電位差を電圧VL3と称する。
次に、図2、図8、図11、図12を用いて、第一実施例における駆動回路の動作説明と弁体の開弁開始タイミング個体ばらつきと共に燃料噴射装置840の噴射量の個体ばらつきの要因である噴射パルスをOFFにしてから弁体114が弁座118と接触するまでの時間である閉弁遅れ時間を算出するための閉弁完了タイミングの検知原理について説明する。
図11は、ソレノイド105に供給する駆動電流、燃料噴射装置840の寸法公差のばらつきによって閉弁挙動が異なる3つの個体1、2、3の弁体114の変位量、電圧VL1の拡大図と電圧VL1の2階微分値の関係を示した図である。また、図12は可動子102と固定コア107間の変位(ギャップxと称する)と可動子102の固定コア107との間の吸引面を通過する磁束φおよびソレノイド105の端子間電圧Vinjの対応関係を示した図である。ただし、端子間電圧Vinjの時間変化は、電圧VLおよび電圧VL1にも生じるため、図11の電圧の変化は、CPU801で検出する電圧VL1の電圧の時間変化と同等である。また、可動子102bは、可動子102aに設けられた端面204で可動子102aと接触しており、可動子102aと可動子102bは相対的に変位することが可能である。
また、図11より、噴射パルス幅TiがOFFとなると、磁気回路の磁性材内部に生じる渦電流の影響によって、ソレノイド105近傍から磁束の消滅が開始され、可動子102aおよび可動子102bに発生していた磁気吸引力が低下し、磁気吸引力が弁体114と可動子102aおよび可動子102bに作用する閉弁方向の力を下回ったタイミングで弁体114が閉弁を開始する。磁気回路の磁気抵抗の大きさは、磁束が通過する各経路での断面積と材料の透磁率に反比例し、磁束が通る磁路長さに比例する。飽和磁束密度が高い磁性材の金属に比べて、可動子102と固定コア107との間のギャップの透磁率は真空の透磁率μ0=4π×10-7[H/m]であり、磁性材の金属の透磁率に比べて、非常に小さいため、磁気抵抗が大きくなる。磁性材の透磁率μは、B=μHの関係により、磁性材のBHカーブ(磁化曲線)の特性によって決まり、磁気回路の内部磁界の大きさによって変化するが、一般的に低い磁界では、低い透磁率となり、磁場の増加に伴って透磁率が増加し、ある磁場を越えた時点で透磁率が減少するプロファイルとなる。弁体114が開弁位置から変位すると、可動子102と固定コア107の間にギャップxが生じるため、磁気回路の磁気抵抗が増加し、磁気回路に発生可能な磁束が減少し、可動子102の固定コア107側端面の吸引面を通過する磁束も減少する。ソレノイド105の磁気回路内部に発生している磁束が変化すると、レンツの法則による誘導起電力が発生する。一般的に、磁気回路における誘導起電力の大きさは、磁気回路に流れる磁束の変化率(磁束の1階微分値)に比例する。ソレノイド105の巻き数をN、磁気回路に発生している磁束をφとすると、燃料噴射装置の端子間電圧V
injは、式(2)に示すように、 誘導起電力の項-Ndφ/dtとオームの法則によって生じるソレノイド105の抵抗成分Rとソレノイド105に流れる電流iの積との和で示される。
弁体114が弁座118と接触すると、可動子102aは可動子102bと弁体114から離間するが、これまで弁体114および可動子102bを介して可動子102aに作用していたスプリング110による荷重と弁体114に作用する燃料圧力による力である閉弁方向の力が作用しなくなり、可動子102aは、戻しばね112の力によって開弁方向に付勢される。すなわち、弁体114の閉弁完了した瞬間に可動子102aに作用していた力の向きが閉弁方向から開弁方向へ変わるため、可動子102aの加速度が変化する。
可動子102と固定コア107の間に生じるギャップxと、吸引面を通過する磁束φの関係は、微小時間においては、1次近似の関係とみなすことができる。ギャップxが大きくなると、可動子102と固定コア107の距離が大きくなり、磁気抵抗が増加して、可動子102の固定コア107側端面を通過可能な磁束が減少し、磁気吸引力も低下する。可動子102に働く吸引力は、理論的に式(3)で導出することができる。式(3)より、可動子102に働く吸引力は、可動子102の吸引面の磁束密度Bの二乗に比例し、可動子102の吸引面積Sに比例する。
式(2)と図12より、ソレノイド105の端子間電圧Vinjと可動子102の吸引面を通過する磁束φの1階微分値には対応関係がある。また、可動子102の固定コア107側端面と固定コア107の可動子102側端面の距離であるギャップxが変化することで可動子102と固定コア107との間の空間の面積が増加するため、磁気回路の磁気抵抗が変化し、その結果として可動子102の吸引面を通過可能な磁束が変化するため、ギャップxと磁束φが微小時間においては1次近似の関係にあると考えることができる。ギャップxが小さい条件では、可動子102と固定コア107との間の空間の面積が小さいため、磁気回路の磁気抵抗が小さく、可動子102の吸引面を通過できる磁束が増える。一方で、ギャップxが大きい条件では、可動子102と固定コア107との間の空間領域の面積が大きいため、磁気回路の磁気抵抗が大きく、可動子102の吸引面を通過可能な磁束が減少する。また、図12より、磁束の1階微分値は、ギャップxの1階微分値と対応関係にある。さらに、端子間電圧Vinj、電圧VL2の1階微分値は、磁束φの2階微分値と対応し、磁束φの2階微分値は、ギャップxの2階微分値すなわち可動子102の加速度に相当する。したがって、可動子102の加速度の変化を検出するためには、端子間電圧Vinjもしくは電圧VLの2階微分値を検出必要があり、そのために電圧VLを分圧して、電圧VL2をCPU801のA/D変換ポートに入力するとよい。
図11より、噴射パルス幅Tiを停止、すなわちソレノイド105への通電を停止して、弁体114が最大変位位置から変位を開始すると電圧VL2のプロファイルに変化が生じる。また、弁体114に連動して動く可動子102の変位量に応じて電圧VL2が変化する。可動子102と固定コア107ギャップxが大きいほど磁気抵抗が大きくなるため、残留磁束が小さくなり、その結果、電圧VL2は0Vに漸近していく。
また、弁体114が弁座118と接触した瞬間に可動子102aが可動子102bと弁
体114から離間することで、これまで可動子102bと弁体114を介して可動子102aに作用していた閉弁方向の力が作用しなくなり、可動子102aは戻しばね112の開弁方向の力を受けて、可動子102aに作用する力の向きが閉弁方向から開弁方向へ転ずる。したがって、可動子102aの加速度の変化を電圧VL2の2階微分値の最小値で検出することができる。
噴射パルス幅Tiが停止された後、弁体114と連動して可動子102aと可動子102bが目標リフト位置から変位し、このときの電圧VLは正の昇圧電圧VHの値から緩やかに0Vに漸近していく。弁体114が閉弁後に、可動子102aが弁体114および可動子102bから離間すると、これまで弁体114、可動子102bを介して可動子102aに働いていた閉弁方向の力すなわちスプリング110による荷重と燃料圧力による力がなくなり、可動子102aには、戻しばね112の荷重が開弁方向の力として働く。弁体114が閉弁位置に到達して可動子102aに作用する力の向きが閉弁方向から開弁方向へ変化すると、これまで緩やかに減少していた電圧VLの2階微分値が増加に転ずる。この電圧VLの2階微分値の最小値を駆動回路で検出することで、弁体114の変位量の個体ばらつきを精度よく検出することが可能である。また、可動子102aおよび可動子102bが開弁位置から変位することによる電圧VLの値は、ソレノイド105の巻き線の線径および巻き数によって決まる抵抗値、磁気回路の仕様、磁性材の材質(電気低効率とBHカーブ)によって決まるインダクタンスや、弁体114の目標リフトの設計値、噴射パルス幅Tiが停止されるタイミングでの電流値によって変化し、以上で説明した寸法や設定値の公差変動による影響を大きく受ける。電圧VLの2階微分値による閉弁遅れ時間の検知方法では、物理量として可動子102aおよび可動子102bの加速度の変化点を検出しているため、設計値や公差の変動および環境条件(電流値)の影響を受けず、精度良く閉弁完了タイミングを検知することができ、噴射パルスをOFFにしてから弁体114が閉弁するまでの時間である閉弁遅れ時間を検出することができる。
噴射パルス幅Tiを停止してから弁体114が閉弁完了するまでの時間を検知するため、IC802もしくは、CPU801に入力する端子間電圧Vinjをもしくは電圧VLを分圧した電圧VL1を2階微分し、2階微分値が最小となるタイミングを弁体114が閉弁完了するタイミングとして検知することで、正確な閉弁完了タイミングを検出することができる。また、端子間電圧Vinjをもしくは電圧VLを分圧した電圧VL1を検出する前処理において、燃料噴射装置840の端子881とCPU801の端子y80との間にオペアンプ820と抵抗R81と抵抗R82とコンデンサC81とで構成されるアクティブローパスフィルタ860を構成すると良い。弁体114が閉弁完了することに伴う可動子102aの加速度の変化によって生じる端子間電圧Vinjおよび電圧VL、電圧VL1の変化は、電圧の信号に重畳するノイズに比べて周波数が低い。したがって、電圧VL1測定するための端子881とCPU801との間に、アクティブローパスフィルタを介することで、端子間電圧Vinj、電圧VL、電圧VL1に発生する高周波なノイズを低減することができ、閉弁完了タイミングの検知精度を高めることができる。
また、アクティブローパスフィルタ860のカットオフ周波数fc2は、抵抗R84とコンデンサC82の値を用いて下記の式(4)のように表すことができる。燃料噴射装置と駆動装置の構成によって、スイッチング素子805、806、807や第2の電圧源を構成するためのスイッチング素子831のスイッチングタイミングおよび第2の電圧源の値が異なり、その結果として、電圧に発生するノイズの周波数は異なる。したがって、燃料噴射装置840と駆動回路の仕様ごとに抵抗R84とコンデンサC82の設計値を変更すると良い。また、アナログ回路でローパスフィルタを構成した場合、CPU801でデジタル的にフィルタリング処理を行う必要がないため、CPU801の計算負荷を低減できる。また、電圧VL1の信号をCPU601もしくは、IC602に直接入力し、デジタル的にフィルタリング処理しても良い。この場合、アナログのローパスフィルタの構成部品であるオペアンプ820と抵抗R81と抵抗R82とコンデンサC81を使用する必要がないため、駆動装置のコストを低減できる。また、以上で説明したローパスフィルタは、端子853に直列に配置する抵抗器と並列に配置するコンデンサからなる1次ローパスフィルタを用いても良い。1次ローパスフィルタを用いる場合、アクティブローパスフィルタを用いた構成に対して、抵抗とオペアンプの2つの部品を減らすことができるため、駆動装置のコストを低減することが可能である。また、1次ローパスフィルタのカットオフ周波数の算出方法は、アクティブローパスフィルタ860を用いた場合の式(4)で算出できる。このカットオフ周波数fc2は、開弁開始タイミングを検知するためのアクティブローパスフィルタfc1の値と異なるように構成されていても良い。
また、ローパスフィルタの構成としては、コイルとコンデンサを用いて時数が2次以上のローパスフィルタを構成することが可能である。この場合、抵抗器なしにローパフィルタを構成できるため、アクティブローパスフィルタおよび1次ローパスフィルタを使用する場合に比べて、電力消費が少ないメリットがある。
閉弁完了タイミングを検出するための電圧の測定点は、端子間電圧Vinjを用いることも可能であるが、端子間電圧Vinjには、燃料噴射装置840の昇圧回路のスイッチング素子831によって生じる高周波なノイズが発生する。端子間電圧Vinjでは、噴射パルスTi停止後の電圧のプロファイルが電圧VLと比べて正負が逆転し、負の方向の昇圧電圧VHから電圧0Vに向かって漸近して行く。したがって、閉弁完了タイミングを検出するためには、端子間電圧Vinjの2階微分値の最大値を検知する必要があるが、精度良く検出するためには、スイッチングノイズを低減するために、ローパスフィルタの時定数を大きく設定する必要があるため、弁体114と弁座118と接触するタイミングと検知した端子間電圧Vinjの2階微分値で検知した閉弁完了タイミングには誤差が生じることがある。この誤差は、検出ばらつきとなり、微小噴射量制御を行う制約となりうるため、閉弁完了タイミングを測定する箇所は、端子間電圧Vinjではなく、燃料噴射装置840の設地電位側端子と接地電位(GND)との電位差である電圧VLを測定することが望ましい。
また、CPU801もしくは、IC802に入力された信号は、噴射パルス幅Tiをトリガーとし、噴射パルス幅Tiが停止されてからから一定時間経過後に予め設定しておいた時間の間、電圧VL2の信号を取り込むとよい。このような構成とすることで、 CPU801もしくは、IC802に入力される電圧VL2のデータ点列を閉弁完了タイミングの検知に必要最低限に抑制することができるため、CPU801およびIC802のメモリの記憶容量と計算負荷を低減できる。また、昇圧電圧VHからバッテリ電圧VBへ切り替えるタイミングや、スイッチング素子805、806、807の通電・非通電を繰り返すタイミングすなわち、電圧の変化が急峻となるタイミングで電圧の微分処理を行うと、処理後のデータに高周波の信号が発生するため、弁体114が弁座118と接触する閉弁完了タイミングを電圧VL2の2階微分値で検出する際に、閉弁完了タイミングを誤検知する可能性があるが、電圧を検出する期間をCPU801もしくはIC802で決定することで、開弁完了タイミングの誤検知を防止することができる。
また、電圧検出用の抵抗816は、抵抗値の精度が高いシャント抵抗を用いると良い。燃料噴射装置840の駆動装置では、電流もしくは電圧を測定するため、駆動回路に設けた電圧検出用抵抗812、813、808、816の両端電圧をIC802もしくは、CPU801で診断しているが、予めIC802、CPU801に設定しておいた抵抗値に対して個体ごとに抵抗値が異なると、IC802で推定する電圧値に誤差が生じて、燃料噴射装置840のソレノイド105に供給される駆動電流が各気筒の燃料噴射装置840ごとに変動し、噴射量ばらつきが大きくなる。
また、弁体114と弁座118が接触する閉弁位置において、燃料噴射装置840の端子間電圧Vinjが小さいと、可動子102の加速度の変化による電圧値の変化が相対的に小さくなるため、ソレノイド105の端子間電圧Vinjが高い条件で閉弁位置に到達するように、スプリング110の荷重を大きくして、閉弁遅れ時間を短縮する方法が有効である。また、燃料噴射装置840に供給する燃料圧力が大きいほど、弁体114および可動子102に働く燃料圧力による力が増加するため、閉弁遅れ時間が小さくなる。例えば、弁体114が弁座118と接触する閉弁完了タイミングの各気筒の個体ばらつきの検知は、燃料圧力が高い条件、各気筒で燃料噴射装置840に供給する燃料圧力が同じ運転条件で行うと良い。この効果によって、燃料圧力が低い条件に比べて、閉弁完了タイミングでの磁気回路に発生している残留磁束が大きくなり、また、弁体114が弁座118に衝突する際の速度が増加し、弁体114が弁座118と接触した瞬間に可動子102が弁体114から離間することによる可動子102の加速度の変化が増加し、誘導起電力の変化も大きくなるため、端子間電圧Vinjもしくは電圧VLの2階微分値で閉弁完了タイミングを検出し易くなる。また、燃料噴射装置840に供給される燃料圧力が高くエンジンの負荷が大きい条件では、1吸気行程中に噴射する噴射量が大きくなり、燃料噴射装置840の上流に取り付けられた配管の圧力脈動の影響によって、燃料噴射装置840に供給する燃料圧力が変動することがある。この場合、閉弁完了タイミングの検知は、エンジン負荷が小さく各気筒の噴射量が同じアイドル運転などの条件で行うと良い。
また、電圧VL2を検出してデータ処理をするためのマイコンをCPU801、IC802の他に設けてもよい。CPU801で電圧VL1、電圧VL2を検出してデータ処理を行う場合には、高いサンプリングレートでデータをA/D変換して、微分処理を行う必要があり、他のセンサーからの信号を取り込む時の割り込み処理が発生する場合やCPU801の計算負荷が高いような条件では、電圧VL1、電圧VL2を検出して微分処理することが難しい場合がある。したがって、CPU801の他に設けたマイコンで電圧VL1、電圧VL2を検出して、マスキング処理と微分処理を行い、電圧VL1、電圧VL2の2階微分値を算出し、電圧の2階微分値が最小、最大となるタイミングを閉弁完了タイミング、開弁開始タイミングとして検出して、記憶させる機能をマイコンに持たせることで、CPU801とIC802の計算負荷の低減と、開弁完了タイミングの確実な検知を行うことができるため、噴射量の補正精度を向上させることができる。このマイコンは、CPU801もしくはIC802との相互に通信できる通信ラインを設けており、CPU801で圧力センサから取り込んだ燃料圧力の情報と、マイコンから送信されてきた閉弁完了タイミングの検知情報をCPU801に記憶させるように構成するとよい。このような構成とすることで、開弁開始・閉弁完了タイミングの検知をより確実に行うことができるため、各気筒の噴射量をより正確に制御することが可能となる。
なお、閉弁完了タイミングを検知するための1つ目の代替手段として、噴射パルスTiの停止後にコイル105に流れるリーク電流の編曲点を検出する方法が考えられる。駆動電流がコイル105に供給されている状態から噴射パルスTi停止を停止すると、スイッチング素子805、806、807が非通電となり、マイナス方向の昇圧電圧VHがコイル105に印加され、駆動電流は急速に低減される。駆動電流が0A近傍に到達したタイミングで、これまで逆起電圧により生じていた電圧が消滅し、昇圧電圧VH側へ帰還していた経路に電流が流れなくなることで、自動的にマイナス方向の昇圧電圧の印加は停止されるが、コイル105には僅かなリーク電流が流れられる。このとき、スイッチング素子805、806、807はともにOFFとなっているため、リーク電流はコイル107から、抵抗852、抵抗853を介して接地電位815側へ流れる。したがって、このリーク電流を検出するためには、抵抗852もしくは、853の両端電圧を測定するか、コイル107から接地電位810との間の経路にシャント抵抗を設けて、その両端電圧を測定する方法が考えられる。または、電流が0A近傍に到達して、マイナス方向の昇圧電圧VHの印加が停止されたタイミングでスイッチング素子806をONにして、リーク電流を抵抗808から接地電位815側に流すことで、抵抗値の精度が高いシャント抵抗である抵抗808の両端電圧を測定し、その電圧を微分処理することで、リーク電流の編曲点を検出することができ、弁体114の閉弁完了タイミングを検出できる。
また、弁体114が弁座118と接触した瞬間である閉弁完了タイミングを検知するための2つ目の代替手段として、各気筒のインジェクタもしくは、インジェクタを固定しているエンジン側に、加速度ピックアップを取り付け、弁体114が弁座118に衝突する際の衝撃もしくは、急激に燃料の噴射が停止されることで生じる水撃による振動を検出することで、閉弁完了タイミングを検知する方法も考えられる。この場合、各気筒の閉弁完了タイミングを精度良く検出するため、加速度ピックアップの取付位置は、インジャクタのハウジング側面円筒部に平面となる部分を設け、そこに固定し、加速度ピックアップを取付ネジ等を用いてハウジングに押しつけて固定することで、インジェクタの閉弁完了タイミングに伴う振動を検出し易くできる。また、この加速度ピックアップを用いた方法では、可動子102が、固定コア107と衝突する際の開弁完了タイミングも同時に検知することができる反面で、各インジェクタそれぞれに加速度ピックアップと、その出力電圧を増幅するためのアンプおよび、電圧信号とGND線の2つの配線が必要になる。また、精度良く検知を行うためには、加速度ピックアップで得られた高周波な振動波形を正確にデータ処理するためのサンプリングレートを高くする必要があるため、高性能なA/D変換器が必要となる。
また、弁体114が弁座118と接触した瞬間である閉弁完了タイミングを検知するための3つ目の代替手段として、ノッキング検出用にインジェクタ上流のレール配管に設けられた圧力センサーもしくは、エンジンに取り付けられらたノッキング検出用のセンサーを用いる方法が考えられる。インジェクタから燃料が噴射されている状態では、レール配管の圧力が減少し、上流に取り付けられたポンプによって目標の燃料圧力となるように圧力減少分だけポンプが加圧動作を行う。弁体114が開弁状態から弁座118に衝突し、閉弁完了タイミングに到達すると、インジェクタ上流の燃料配管の圧力減少が停止するため、その圧力の編曲点を検出することで閉弁完了タイミングを検出する方法が考えられる。また、ノッキング検出用に用いられるセンサーは一般的に振動を検出する振動ピックアップであるため、インジェクタの閉弁完了タイミングに伴う弁体114が弁座118に衝突することによって生じる閉弁時の振動と可動子102が固定コア107に衝突することで生じる開弁時の振動を検出することができ、開・閉弁完了タイミングを検知することができる。これを用いる場合、別気筒の開・閉弁完了タイミングおよび燃焼時の振動と検知している開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングが一致しないように、アイドル運転などエンジンが低回転で負荷が小さい条件で開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングを検知するとよい。
通常エンジンでは、A/Fセンサ(空燃比センサ)からの指令値をCPU801で検出し、同じ運転条件においても各気筒の燃料噴射装置ごとに噴射パルス幅を微調整している。閉弁完了タイミングを検知する条件では、A/Fセンサからの指令値に基づいた噴射パルス幅の微調整を停止し、同じ噴射パルス幅が供給される条件で、開弁開始および閉弁完了タイミングを検知すると良い。このようにすることで、閉弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知する際の流入空気のばらつき等、燃料噴射装置840の弁動作に伴う個体ばらつき以外の変動の影響小さくすることができ、燃料噴射装置840の開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングの各気筒の燃料噴射装置ごとのばらつきを精度良く検知できる。
また、噴射パルス幅Tiを停止し、弁体114が開弁状態から閉弁する際に、弁体114または可動子102が閉弁を開始してから、弁体114が弁座118と接触して、閉弁完了するまでは、駆動装置のスイッチング素子805、806、807の通電・非通電の切替を行わないようにしないように駆動装置のスイッチング動作を制御すると良い。以上のように構成することで、端子間電圧VinjまたはVL電圧にスイッチング素子805、806、807をスイッチングすることによる高周波の測定ノイズが、燃料噴射装置840の端子間電圧VinjまたはVL電圧に重畳することがなくなるため、閉弁完了タイミングの検知の精度を向上させることができる。
次に、図13を用いて弁体114が目標リフトに到達するタイミングである開弁完了タイミングの検出方法について説明する。図13は、端子間電圧Vinj、駆動電流、電流1階微分値、電流2階微分値、弁体114の変位量と噴射パルスON後の時間の関係を示した図である。なお、図13の駆動電流、電流の1階微分値、電流2階微分値および弁体114の変位量には、寸法公差によって生じる可動子102と弁体114に作用する力の変動によって、弁体の動作タイミングが異なる燃料噴射装置840の各個体3つのプロファイルを記載している。図13より、最初にソレノイド105に昇圧電圧VHを印加することで、急速に電流を増加させて、可動子102に作用する磁気吸引力を増加させる。その後、駆動電流がピーク電流値Ipeakに到達し、電圧遮断期間T2が終了するタイミングt1303までに、各気筒の燃料噴射装置である個体1、個体2、個体3の弁体114の開弁開始タイミングがくるように、ピーク電流値Ipeak、もしくはピーク電流到達時間Tpと電圧遮断期間T2を設定するとよい。バッテリ電圧VBの印加を続けて一定の電圧値1301が供給されている条件では、ソレノイド105への印加電圧の変化が小さいため、可動子102が閉弁位置からリフトを開始し、可動子102と固定コア107との間のギャップの縮小に伴う磁気抵抗の変化を誘導起電力の変化として検出することができる。弁体114および可動子102がリフトを開始すると、可動子102と固定コア107との間のギャップが縮小するため、誘導起電力が大きくなり、ソレノイド105に供給される電流が1303のように緩やかに減少する。可動子102が固定コア107に到達するタイミングすなわち、弁体114が目標リフトに到達したタイミング(以降、開弁完了タイミングと称する)でギャップの変化に伴う誘導起電力の変化が小さくなるため、電流値は1304のように緩やかに増加する。誘導起電力の大きさは、ギャップの他に電流値の影響を受けるが、バッテリ電圧VBのように昇圧電圧VHに比べて低い電圧が印加されている条件では、電流の変化が小さいため、ギャップが変化することによる誘導起電力の変化を電流で検出し易い。
以上で説明した燃料噴射装置840の各気筒の個体1、個体2、個体3について、弁体114が目標リフトに到達したタイミングを駆動電流が減少から増加へ転ずる点として検出するために、電流の1階微分を行い、電流の1階微分値が0となるタイミングt113、t114、t115を開弁完了のタイミングとして検知するとよい。
また、ギャップの変化によって生じる誘導起電力が小さいような駆動部および磁気回路の構成では、必ずしもギャップの変化によって、電流が減少しない場合があるが、開弁完了タイミングに到達することで、電流の傾きすなわち電流の微分値が変化するため、駆動装置で検出した電流の2階微分値の最大値を検出することで、開弁完了タイミングを検知でき、磁気回路やインダクタンス、抵抗値、電流の制約を受けずに、開弁完了タイミングを安定して検知することができ、噴射量の補正精度を高めることができる。
また、開弁完了タイミングの検知は、弁体114と可動子102が一体となった可動弁の構成においても、弁体114と可動子102の別体構造で説明した開弁完了タイミングの検知を同様の原理で検出することができる。
ここで、第一実施例で燃料噴射装置840の磁気回路に使用する磁性材のBH特性を図14に示す。図14より、磁性材のBHカーブは、入力値である磁場と磁束密度の関係は非線形であり、磁化されていない磁性材に増加していく磁場を加えると、磁性材は磁化され始めて磁束密度が飽和磁束密度Bsに達するまで増加する。この過程で、磁場と磁束密度の傾きが大きい領域H1と、磁界と磁束密度の傾きが小さい領域H2が存在する。また、飽和磁束密度Bsに到達してから磁場を減少させていくと、磁性材が磁化する現象が時間的に遅れることによって、初期磁化曲線と異なる曲線を描く。燃料噴射装置840では、正方向の磁場を繰り返して与えることが多いため、初期磁化曲線と戻り曲線との間でヒステリシスのマイナーループを描く場合が多い。そこで、開弁開始および開弁完了タイミングを検知する条件では、ピーク電流Ipeakに到達するまで電流を増加させ、弁体114が変位するために必要な磁気吸引力を可動子102に発生させた後、開弁開始タイミングおよび開弁完了タイミングの前に駆動電流を急速に小さくする期間T2を設けることで、可動子102に働く磁気吸引力を低下させると良い。燃料噴射装置840のソレノイド105に供給される駆動電流がピーク電流値Ipeakのように開弁状態で弁体114を保持するのに必要な電流値と比べて高い条件では、ソレノイド105に供給される電流値が大きくなり、図14に示す通りに、磁界と磁束密度の傾きが小さい領域H2に位置することが多く、磁束密度が飽和に近い状態にある。本第一実施例においては、可動子102に開弁に必要な磁気吸引力を発生させた後に、負の方向の昇圧電圧VHを期間T2の間印加し、急速に電流を低下させることで、開弁開始タイミングおよび開弁完了タイミングでの駆動電流を小さくし、ピーク電流値Ipeakの条件での磁界と磁束密度の傾きに比べて、磁界と磁束密度の傾きを大きくすることができ、弁体114が開弁開始するタイミングでの可動子102の加速度の変化を電圧VL2の2階微分値の最大値としてより顕著に検出し易くできる。また、開弁完了タイミングも同様に、弁体114が変位を開始し、可動子102と固定コア107のギャップの縮小に伴う磁気抵抗の変化を誘導起電力の変化としてより顕著に検出し易くできる効果がある。
このように、開弁開始または完了タイミングを検出するときに、ピーク電流Ipeakに到達するまで電流を増加させた後に負の方向の昇圧電圧VHまたは0Vを印加することは必ずしも必須ではないが、このようにすることで開弁開始または完了タイミングをより精度良く検出することが可能となる。
また、開弁完了タイミングを検知するに当たり、ピーク電流値Ipeakに到達した時刻、もしくは、負の方向の昇圧電圧VHの印加が終了した時刻から駆動装置へ与えておいた一定時間経過後からのある期間における電流値のみを検出して、電流値の1階微分処理によって行うと良い。このような構成とすることで、昇圧電圧VHのON・OFFを行うタイミングにおいては、電流値が急速に変化するため、開弁完了タイミングではない時刻に駆動装置に予め与えておく閾値を電流の1階微分値が越えてしまう誤検知を抑制することができ、開弁完了タイミングの検知精度を向上させることができる。 なお、負方向の昇圧電圧VHの印加が停止した後に、バッテリ電圧源VBから電圧値1301が供給されている期間に、IC802に予め設定しておく目標の電流値Ih1に到達しないようにピーク電流値Ipeakと負方向の昇圧電圧VHを印加する期間Thbを調整すると良い。この効果によって、弁体114が目標リフトに到達する前に駆動電流が目標の電流値Ih1に到達すると、駆動装置では、電流Ih1を一定に保つように制御されるため、電流の1階微分値が0点を繰り返し通過するため、誘導起電力の変化を駆動電流で検知できなくなる問題を解決できる。
また、一定の電圧値1102を印加している状態から、負方向の昇圧電圧VHもしくは、電圧の印加を停止(0Vの印加)して、電流値を図7の電流704に到達させ、その後バッテリ電圧VBのON・OFFを繰り返すことで、電流703となるようにスイッチング素子605、606、607を制御する。噴射パルス幅TiをONにしてから電流値Ih1に到達するまでの時間は、弁体114の個体差および燃料圧力の変化に伴う開弁完了タイミングのばらつきによって異なる。噴射パルス幅Tiを停止した時の磁気吸引力は、噴射パルス幅TiをOFFにしたときの駆動電流の値に大きく依存し、駆動電流が大きいと磁気吸引力が大きくなり、閉弁遅れ時間が増加する。逆に、噴射パルス幅TiをOFFにした時の、駆動電流が小さいと、時吸引力が小さくなり、閉弁遅れ時間が減少する。以上で説明した通り、開弁完了を検知する条件において、噴射パルス幅TiをOFFにするタイミングでの電流値は、個体ごとに同じ電流703となることが望ましいため、一定の電圧値1102から負の方向の昇圧電圧VHを印加するもしくは、電圧の印加を停止するタイミングは、噴射パルス幅TiをONにしてからの時間もしくは、ピーク電流値Ipeakに到達してからの時間で制御すると良い。
第一実施例における各気筒の噴射量ばらつきの検知および推定方法では、噴射パルス幅Tiを供給してから開弁完了するまでの時間を開弁遅れ時間として、各気筒の燃料噴射装置840ごとに記憶させ、予めCPU801に与えておいた開弁遅れ時間の中央値からの乖離値を算出し、乖離値に応じて次回噴射以降の噴射パルス幅Tiの補正値を算出して、開弁遅れ時間の検知情報に基づいて噴射パルス幅Tiを各気筒の燃料噴射装置640ごとに補正するとよい。開弁遅れ時間の検知情報に基づいて噴射パルス幅Tiを補正することで、公差のばらつきに伴う開弁遅れ時間のばらつきによって生じる噴射量の個体ばらつきを低減することができる。
続いて、本実施例において検知した燃料噴射装置840の開弁完了タイミングの情報を用いて、中間リフト動作を行う場合の制御方法について説明する。弁体114が目標リフトに到達せずに、中間リフト動作を行う条件では、噴射量の個体ばらつきは、開弁開始・閉弁完了タイミングのばらつきで決まる。しかしながら、駆動装置と燃料噴射装置を接続した状態で燃料噴射装置が駆動されていない段階では、開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングを検知するための中間リフト動作を行っていないため、駆動装置で演算される噴射量を得るための噴射パルス幅を出力して、中間リフト動作させた場合、各気筒の燃料噴射装置によっては想定していた噴射量に対しての噴射量ばらつきが大きくなり、混合気の燃料がリッチもしくはリーンな状態となり、場合によっては失火する可能性がある。したがって、最初に中間リフト動作させる前に、弁体114が目標リフトに到達する条件で、開弁完了タイミングを検知して、開弁開始タイミングを推定する必要がある。この場合、開弁完了タイミングの検知用波形を用いて検知して、駆動装置に記憶させた各気筒の燃料噴射装置ごとの開弁遅れ時間に補正係数を乗じて、開弁開始タイミングを推定すると良い。また、開弁開始タイミングを精度良く推定するためには、開弁完了タイミングと開弁開始タイミングとの相関係数が高い必要があるため、開弁完了タイミングに影響する弁体114に作用する燃料圧力による差圧力が小さくなる低撚圧の条件での開弁遅れ時間の情報から開弁開始タイミングを推定すると良い。
次に、図4、図15、図16、図17を用いて中間リフトでの噴射量を補正方法について説明する。図15は、図4における点402より、小さい噴射パルス幅の領域での噴射量補正のフローチャートを記載した図である。また、図16は、ある燃料圧力の条件で噴射パルス幅Tiを変更した場合の、各気筒の噴射量と閉弁完了タイミングTb、開弁開始タイミングTa’と燃料噴射装置840から噴射される単位時間当たりの流量Qst(以降、静流と称する)から求めた検知情報(Tb - Ta’)・Qstの関係を示した図である。また、図17は、各気筒の燃料噴射装置の個体1、個体2、個体3の検知情報と噴射パルス幅Tiの関係を示した図である。
最初に中間リフト動作を行う場合においては、各気筒の中間リフト動作中の開弁開始および開弁完了タイミングの検知情報を駆動装置が得ていないため、弁体114が目標リフトに到達する条件で各気筒の燃料噴射装置840ごとに検知した開弁遅れ時間と閉弁遅れ時間に、予めCPU801に与えておく補正係数を乗じて、閉弁完了タイミングおよび開弁開始タイミングを推定し、推定した開弁開始タイミングTa‘と閉弁完了タイミングTbから算出される中間リフトでの実噴射期間(Tb−Ta’)を算出し、予めCPU801に与えておく設定値と実噴射期間(Tb−Ta’)の乖離値だけ、噴射パルス幅Tiを補正して中間リフト動作を行うと良い。また、図15より、検知情報である実噴射期間(Tb−Ta‘)と弁体114が目標リフト位置で静止している条件で、燃料噴射装置840から噴射される単位時間当たりの流量Qst(以降、静流と称する)を乗じた値、(Tb−Ta‘)・Qstと噴射量の関係を関数化して、駆動装置のCPU801に予め設定しておく。図16より、例えば、噴射量と(Tb−Ta‘)・Qstの関係は、1次近似の関係で求めることができる。図17より、各噴射パルス幅での検知情報(Tb−Ta‘)・Qstを取得し、噴射パルス幅Tiと検知情報(Tb−Ta‘)・Qstの関係より、検知情報から各気筒の係数を決定する。検知情報(Tb−Ta‘)・Qstと噴射パルス幅Tiの関係は、例えば、1次近似の関係で表すことができ、各個体1、2、3の関数の係数、a1、b1、a2、b2、a3、b3の係数を検知情報から算出することができる。噴射パルス幅Ti異なる2点の検知情報をCPU801で検知し、係数を算出することができる。以上で説明したフローチャートによって、CPU801で要求噴射量が決定した場合に、各気筒ごとに噴射パルス幅Tiを補正することで、中間リフトでの噴射量を補正することができ、精密かつ微少な噴射量制御が可能となる。
次に、図18を用いて、中間リフトでの検知情報を得るための燃料噴射装置840の制御方法について説明する。図18は、1吸排気行程中に行う噴射を複数回に分割する条件での噴射パルス幅Ti、駆動電流、端子間電圧Vinj、電圧VL1の2階微分値、電流すなわち電圧VL2の2階微分値および弁体114の変位量と時間の関係を示した図である。本発明の第1実施例における燃料噴射装置と駆動装置とで構成される燃料噴射システムでは、中間リフト条件での開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングを、燃料噴射装置に供給する燃料圧力および噴射パルスTiが異なる条件で複数回取得する必要がある。しかしながら、中間リフトでの検知情報を得ていない場合、弁体114が目標リフトに到達する条件での開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングから中間リフトでの噴射量を推定し、中間リフト動作を行う必要がある。この場合、目標の噴射量からの乖離値が大きくなり、吸入する空気と燃料の比率 (空燃比)が、リッチ、およびリーンな状態となり、不安定な燃焼によって未燃焼物質が多く排出され、排気性能が悪化し、場合によっては失火を起こす可能性がある。図18より、1吸排気行程中の噴射を複数回に分割して、各気筒の噴射量のばらつきが既知である弁体114が目標リフトに達する条件で一定量の噴射を行い、その後またはその前に、中間リフトでの噴射を行うことで、中間リフト動作時における開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知することができる。このとき、弁体114の変位量の積分値が噴射量に相当し、弁体114が目標リフトに到達する条件での噴射量に比べて、中間リフトでの噴射量の方が小さいように設定するとよい。これにより、1吸排気行程中の噴射量の多くは、目標リフトに到達する条件での噴射量で決まるため、中間リフトでの噴射量が目標値と乖離していたとしても、失火を抑制できる効果がある。
中間リフトの条件で、閉弁完了タイミングの検知情報を得るための噴射は、1吸排気行程中で1回乃至複数回行っても良い。1吸排気行程中で中間リフトの動作を複数回行い、1回目の中間リフト動作と2回目の中間リフト動作で異なる噴射パルス幅Tiを用いることで、噴射量を補正するための閉弁完了タイミングの検知情報を複数同時に得ることができる。また、開弁開始タイミングの検知情報が既に得られている場合、中間リフトでの駆動波形は、図15に示す、2回目の噴射の波形を用いる必要はなく、実際に中間リフト動作の噴射を行う場合に適した電流波形を用いれば良い。以上の方法によれば、燃焼安定性を維持しつつ、中間リフトでの閉弁完了タイミングの検知情報を得ることが可能となるため、短時間で中間リフト条件での各気筒の燃料噴射装置の個体ばらつきを補正できかつ微少な燃料噴射を行うことが可能となる。
また、本実施1における手法によれば、中間リフトでの個体ばらつきのみではなく、弁体114が目標リフトに達する条件で駆動されるされる場合においても、閉弁完了タタイミングの個体ばらつきによって生じる各気筒のインジェタクの噴射量ばらつきを低減することができる。これは、噴射パルスTiを停止してから弁体114が閉弁を開始して開弁完了タイミングの個体ばらつきは、セットスプリング荷重や磁気吸引力を決める寸法の公差変動によって生じる。よって、閉弁完了タイミングが早い個体については、可動子102が固定コア107から離間して、弁体114が閉弁を開始する閉弁開始タイミングも早くなる。したがって、閉弁完了タイミングの変動時間に、フルリフトでの単位時間当たりの流量を積算した値が、閉弁完了タイミングの個体ばらつきによる噴射量の変動量に相当するため、閉弁完了タイミングを検知することで、弁体114が開弁状態から閉弁完了タイミングに達するまでの噴射量ばらつきをECUで導出することができる。また、ECUで検知した各気筒のインジェクタの開弁開始タイミングと開弁完了タイミングの情報から推定できる弁体114の傾きから、弁体114が目標リフトに達するまでに噴射した噴射量を導出することができるため、閉弁完了タイミングから推定した噴射量ばらつきと合わせて、各気筒のインジェクタの噴射量ばらつきをECUで検出することができ、噴射パルス幅Tiの補正と電流設定値の補正によって、弁体114が目標リフトに達する条件における噴射量を補正することが可能となる。
さらに図18記載のように、中間リフト動作での開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングの情報を取得した後には、1吸気行程中に行う分割噴射を中間リフトの動作で行うと良い。中間リフトで動作する場合、弁体114が目標リフトに達して動作する場合に比べて、噴射パルスTiを停止してから弁体114および可動子102a、可動子102bが閉弁方向に加速する時間が短い。したがって、弁体114が弁座118と接触するタイミングでの弁体114、可動子102a、可動子102bの速度を低減することができるため、弁体114が閉弁後に可動子102aが閉弁方向に放物運動して、戻しばね112によって再び弁体114と接触する位置まで戻ってくるまでの時間が短くできる。可動子102bが運動している最中に、分割噴射における次の噴射の噴射パルスを印加すると、可動子102bに作用する磁気吸引力に加えて可動子102bが有する運動エネルギーによって、噴射パルスをONにしてから可動子102bが弁体114に衝突するまでの時間が短くなることで、弁体114の開弁開始タイミングが早くなり、1回目の噴射と2回目の噴射で噴射量がばらつく要因となる。本発明における第一実施例においては、開弁開始遅れ時間および閉弁完了遅れ時間を各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置に記憶させることで、1吸排気行程中における分割噴射を、中間リフト動作で行うことができ、その結果、弁体114が閉弁してから次の噴射を行う噴射間隔を低減することができるため、分割噴射の回数を増加させることができ、より精密な噴射量制御と、噴射タイミングの制御が可能となることで、混合気の均質度を向上させることができる。また、中間リフトでは、弁体114が目標リフトに到達して駆動される場合に比べて、噴射量が小さいため、噴射した燃料の噴霧の貫徹力を弱めることができるため、燃料のピストン付着やシリンダ壁面付着を抑制することができ、すすを含む未燃焼粒子(PM:Particulate Matter)や未燃焼粒子の数(PN:Particulate Number)を低減でき、排気ガスをよりクリーンにすることができる。
本発明における第5の実施例は、実施形態1乃至4に記載した燃料噴射装置及びその制御方法をエンジンに搭載した例を示す実施形態である。
図35は、筒内直接噴射式のガソリンエンジンの構成図であり、燃料噴射装置A01A乃至A01Dはその噴射孔からの燃料噴霧が燃焼室A02に直接噴射されるように設置されている。燃料は燃料ポンプA03によって昇圧されて燃料配管A07に送出され、燃料噴射装置A01に配送される。燃料圧力は燃料ポンプA03によって吐出された燃料量と、エンジンの各気筒に供えられた燃料噴射装置によって各燃焼室内に噴射された燃料量のバランスによって変動するが、圧力センサA04による情報に基づいて所定の圧力を目標値として、燃料ポンプA03からの吐出量が制御されるようになっている。
燃料の噴射はECUエンジンコントロールユニット(ECU)A05から送出される噴射パルス幅によって制御されており、この噴射パルスは燃料噴射装置の駆動回路A06に入力され、駆動回路A06はECUA05からの指令に基づいて駆動電流波形を決定し、前記噴射パルスに基づく時間だけ燃料噴射装置A01に前記駆動電流波形を供給するようになっている。
なお、駆動回路A06は、ECUA05と一体の部品や基板として実装される場合もある。
ECUA05および駆動回路A06は、燃料圧力や運転条件によって駆動電流波形を変更できる能力を備えている。
このようなエンジンにおいて、ECUA05が実施例01乃至9記載のように、燃料噴射装置A01の開弁および閉弁の動作を検知する能力を有する場合に、エンジンの制御を容易に行ったり、燃費や排気を低減したり、あるいは気筒間の燃焼圧のばらつきを低減してエンジンの振動を抑えたりする方法について述べる。
図36に記載したエンジンに用いるECUA05では、燃料噴射装置A01A乃至A01Dから噴射される燃料量が、ECUA05が要求する値に近づくように、燃料噴射装置A01の噴射パルス幅が補正されるようになっている。すなわち、多気筒エンジンにおいては、気筒毎にそれぞれ補正された異なる幅の駆動パルスが、それぞれの燃料噴射装置に与えられる。
例えば、同じ指令パルス幅を与えた時に燃料を多く噴いてしまう燃料噴射装置に対しては短いパルス幅を与えて駆動し、同じパルス幅を与えた時に燃料を少なめに噴射する燃料噴射装置に対しては長いパルス幅で駆動する。このような補正を、各気筒毎に行う運転モードを持つことによって、気筒間の燃料噴射量のばらつきを抑制することができる。
更に、図35に記載したECUA05では、各気筒の燃料噴射装置A01A乃至A01Dに供給される駆動電流は、各燃料噴射装置ごとに調整された波形として供給されるようになっている。
それぞれの電流波形は、それぞれの燃料噴射装置A01A乃至A01Dの弁の挙動が、開弁時の跳ね返り挙動が減殺されるように設定されており、この結果、噴射パルス幅と噴射量の関係が直線に近づくパルス幅の範囲が広くなるように設定できる。
例えば、開弁時の跳ね返り挙動の減殺のために、駆動波形のうち昇圧電圧源から昇圧電圧VHをソレノイド105に供給する時間もしくは、ピーク電流値Ipeakを、スイッチング素子805、806、807の通電・非通電を制御することで、各気筒の燃料噴射装置の開弁タイミングに合わせて調整し、開弁の途中で昇圧電源からの通電が打ち切られ、弁が減速するように設定する。例えば、ある電流波形を与えた時に早く開弁する燃料噴射装置に対しては昇圧電源からの通電打ち切りタイミングを早めて、遅く開弁する燃料噴射装置840もしくは燃料噴射装置2305に対しては昇圧電源からの通電打ち切りタイミングを遅く設定する。このように、昇圧電源からの通電を打ち切って開弁動作を減速させるような駆動波形を用いることで、微小噴射量の領域での噴射パルス幅Tiの変化に対する噴射量の変化を小さくすることができ、噴射パルス幅Tiによる噴射量の補正を行い易くなる効果もある。
このように弁体114が減速する駆動電流波形を、気筒の燃料噴射装置840もしくは2305の開弁完了タイミングの変動に合わせて与えることで、各気筒の燃料噴射装置に適する電流波形を与えられるようになり、噴射パルスと噴射量の関係が直線的になる範囲を増大させることができる。
また、駆動波形のうち開弁状態を保持するための通電電流値(保持電流値)を各燃料噴射装置の閉弁タイミングに応じて調整するとよい。燃料噴射装置をある駆動電流波形で駆動した場合に得られる閉弁タイミングが遅い場合には、前記保持電流値を小さく設定し、閉弁タイミングが早い場合には前記保持電流値を相対的に大きく設定する。このように、駆動電流波形のうち保持電流値を燃料噴射装置の状態に合わせて設定することで、余剰な電流値を与えることを防ぐことができる。余剰な電流値を与えないようにすることで、噴射パルス幅が小さい時に閉弁の応答遅れ時間を小さくすることができ、噴射パルス幅と噴射量の関係が直線となる噴射量の範囲を、小さい側に拡大することができる。
また、中間リフト動作での各気筒の燃料噴射装置840もしくは燃料噴射装置2305の噴射量の個体ばらつきを抑制するため、駆動装置で検知した各個体ごとの開弁開始タイミングTa‘と開弁完了タイミングTbを情報を元に、実噴射期間(TB−Ta’)が一致するように、昇圧電圧印加時間Tpもしくはピーク電流値Ipeakを制御する方法が有効である。この場合、中間リフト動作での最小噴射量は、昇圧電圧印加時間Tpすなわち、スイッチング素子805と806を通電している時間に、ソレノイド105に供給される電流によって可動子102もしくは、可動子1902に蓄えられる運動エネルギーで決定される。その後、可動子を減速するための電圧遮断時間T2を設け、駆動装置に記憶させておく開弁完了タイミングTaと閉弁完了タイミングTbの情報を元に、電圧遮断時間T2と保持電流値Ihを決定し、弁体114もしくは弁体1907が目標リフトに到達するまで、噴射パルスの増加に伴って、閉弁完了タイミングTbと弁体114もしくは弁体1907の変位量が大きくなるように制御する。また、電圧遮断時間T2と保持電流値Ihを検知情報に基づいて調整することで、弁体114もしくは弁体1907が目標リフトに到達した時に、弁体114もしくは弁体1907の速度を減速させて、可動子102もしくは可動子1902が固定コア107に衝突することで生じる可動子102もしくは可動子1902のバウンドを低減できるため、中間リフトの領域から目標リフトに達したタイミング以降の噴射量が正の相関となり、噴射パルス幅Tiを増減させることで噴射量を連続的に制御することができる。
このように、ECUによって駆動電流波形や駆動パルス幅Tiを各燃料噴射装置に対して調整して与えるようなエンジンにおいては、各燃料噴射装置の製造ばらつきや状態に応じて駆動電流波形や駆動パルスを与える必要があり、そのために各燃料噴射装置の状態として、開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁完了のタイミングをECU05Aが読み取る。
各燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁のタイミングを読み取る場合には、開閉弁のタイミングを検知し易い駆動電流波形で各燃料噴射装置を運転すると良い。しかしながら、検知を行い易い駆動電流波形では、噴射パルス幅と噴射量の直線的な関係を、必ずしも広くすることができない場合がある。
このため、燃料噴射装置の状態を読み取るための駆動電流波形を設定する動力を、ECU05Aが有しているとよい。例えば、エンジンが始動後の暖気中など、噴射量が必ずしも最小でなくてもよいシチュエーションで、弁体114の挙動を読み取るための駆動電流波形を用いて、接続されている各気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知し、ECU05A内のメモリに記録しておく。または、1吸排気行程中の燃料噴射を分割する分割噴射の条件において、弁体114もしくは弁体1907を目標リフトに到達させる条件と、中間リフト動作を行う条件で噴射し、中間リフト動作での各気筒の燃料噴射装置の噴射量の個体ばらつきを補正するのに必要な開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングの検知情報を複数回取得できるようにすると効果的である。
この駆動装置の記録情報に基づいて、ECU05Aは各気筒に与える駆動電流波形や駆動パルス幅を調整することで、より少ない噴射量まで制御して噴射することが可能になる。
このように、燃料噴射装置の状態を読み取るための駆動波形を設定し、特定のエンジン運転状態で燃料噴射装置の状態を記録しておくことで、噴射量の補正を可能にして、制御可能な最小噴射量を低減することができる。また、このような学習を行う方法では、燃料噴射装置の経時劣化の状態もモニタすることができるようになり、したがって燃料噴射装置の動作が経時劣化によって変化したとしても、制御可能な噴射量の最小値を小さく保つことができるようになる。
なお、特定のエンジン運転状態としては、エンジン始動後の暖気中の他に、アイドリング中、エンジン始動プロセスの間や、エンジンキーオフ後の吸排気行程の数サイクルなど、ECU05Aからの指令で運転者のアクセルペダル操作に依らず回転数や負荷を調節でき、噴射量が著しく小さくない状態が、特に実施容易な期間である。
また、このように燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁のタイミングをECU内のメモリに記録して、噴射パルス幅Tiや駆動電流波形の補正を各気筒の燃料噴射装置ごとに行う方式の場合であっても、更に各噴射毎に弁動作のタイミングを検知して、ECUからのパルス幅指令値に反映させるとよい。特に、閉弁動作である閉弁完了タイミングの検知を燃料噴射装置のソレノイド105の端子間電圧や、ソレノイド105の接地電位(GND)側端子と接地電位との電位差を検出して行う場合には、検知専用の波形を用いなくともこれを検知することができるので、毎回の燃料噴射ごとに閉弁完了タイミングの検知を行うことができる。この検知結果を次回の噴射時の噴射パルス幅にフィードバックすることにより、燃料噴射量の制御精度をより向上させることができるとともに、エンジンの温度や振動などによる燃料噴射装置の動作の変化を補正できるようになる。
このようにして、より小さい噴射量まで制御して内燃機関で用いることができるようになる結果、より小さい噴射量まで制御して燃料噴射を行わせることができるようになり、例えば、アイドルストップなどの燃料カットからのリカバリなどの低負荷時における燃焼を可能にして、エンジンとしては低燃費にし易くなる。また、A/Fを目標値に近づけられるようになるので、排気中に含まれるHCやNOxなどのガスを抑制することができる。更に、燃料噴射量が小さくなることで、低負荷域において、エンジンの1行程中に噴射する燃料を、複数回に分割して噴射することができるようになり、この結果噴霧の貫徹力を減殺したり、混合気を形成する制御を行い易くして、燃焼室壁面に付着する燃料が抑制され、かつ混合気の均質度を均一にして、燃料が濃い領域を低減できることから、PM(粒子状物質)やPN(PMの粒子個数濃度)の一部であるすすの排出量低減に繋げることができる。