JP2009167801A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータを駆動源とする燃料噴射装置において、圧電アクチュエータに作用する圧力の変化に伴う応答性の低下を防ぐとともに、圧電アクチュエータの出力変位を所望の値に調整し、極めて高い精度で噴射制御できる燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】充電又は放電により伸縮する圧電アクチュエータ１１０の変位を、圧力伝達媒体を介して制御室１６０内圧力Ｐ_Ｓの増減を行う駆動源とし、制御室内圧力Ｐ_Ｓの増減によってニードル１５を軸方向に昇降せしめ、ニードル１５の先端に設けた弁体１５４の離着座によってノズル１０４の先端に設けた噴孔１０５を開閉し、噴孔１０５から高圧燃料の噴射と停止とを行う燃料噴射装置１であって、制御室１６０内圧力Ｐ_Ｓの変化を検出する偏曲点検出手段２０１と、圧力変化に応じて圧電アクチュエータ１１０の充放電条件を変更する充放電条件変更手段２０２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータを駆動源とし、高圧燃料を噴射する燃料噴射装置に関するものである。

近年、環境保護の見地から、燃焼排気中のエミッション低減や更なる燃費向上のために、自動車エンジン等の内燃機関に高圧燃料を噴射する燃料噴射装置において、極めて高い精度での噴射量の調整と速やかな応答とが要求されている。このような燃料噴射装置の更なる噴射精度向上、応答性向上の要求に対し、従来の電磁弁を駆動源とする燃料噴射装置に比べ、発生力が大きく、応答性に優れた圧電アクチュエータを駆動源とする燃料噴射装置が種々と提案されている。

特許文献１には、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に係り、インジェクタ基体とノズルホルダと該ノズルホルダ内で摺動可能に保持される噴射弁体とからなり、上記噴射弁体は噴孔を開閉するシート面を具備し、上記噴射弁体を圧電アクチュエータによって駆動する燃料噴射弁において、上記噴射弁体に接続する第２の増幅ピストンを内蔵する第１の増幅ピストンを圧電アクチュエータによって駆動することを特徴とする燃料噴射弁が開示されている。

特許文献２には、ニードルの第１のガイド軸と第２のガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を、電歪アクチュエータの変位に応じて圧力変化される制御圧力室に連通又は露呈させてあり、電歪アクチュエータに印加する電圧を１噴射時間内で任意に、あるいは数段階に変化させることで、ニードルのリフト量により決定される燃料噴射率をその１噴射期間内において、任意に、あるいは数段階に制御することを特徴とする燃料噴射弁及びその駆動方法が開示されている。
ＷＯ２００５／０７５８２２ Ａ１ 特開平１１−２００９８１号公報

ところが、従来の圧電アクチュエータを駆動源に用いた燃料噴射装置では、ニードルの駆動に伴って、圧電アクチュエータに作用する圧力が変化し、圧電効果によって駆動電圧と逆向きの電圧が発生する。これによって、燃料噴射装置の駆動速度が緩慢になり、応答性の低下や燃料噴射精度の低下を招く虞がある。

本発明は、上記実情に鑑みて、圧電アクチュエータを駆動源とする燃料噴射装置において、圧電アクチュエータに作用する圧力の変化に伴う応答性の低下を防ぐとともに、圧電アクチュエータの出力変位を所望の値に調整し、極めて高い精度で噴射制御できる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明では、充電又は放電により伸縮する圧電アクチュエータの変位を、圧力伝達媒体を介して制御室内圧力の増減を行う駆動源とし、上記制御室内圧力の増減によってニードルを軸方向に昇降せしめ、該ニードルの先端に設けた弁体の離着座によってノズルの先端に設けた噴孔を開閉し、該噴孔から高圧燃料の噴射と停止とを行う燃料噴射装置であって、上記制御室内圧力の変化過程における偏曲点を検出する偏曲点検出手段と、検出された偏曲点において上記圧電アクチュエータの充電条件又は放電条件を変更する充放電条件変更手段と、を具備する。

請求項１の発明によれば、上記制御室内圧力の変化に伴う上記圧電アクチュエータの圧電効果によって発生する、充電電圧又は放電電圧と逆向きの電圧によるピエゾ電圧の増減を充電条件又は放電条件の変更により修正することができ、所望の出力を極めて精度良く得ることができる。
したがって、圧電アクチュエータに作用する圧力の変化に伴う応答性の低下を防ぐとともに、圧電アクチュエータの出力変位を所望の値に調整し、極めて高い精度で噴射制御可能な燃料噴射装置が実現できる。
さらに、予め設定したタイミングにより、充電又は放電の条件を変更するのではなく、実際の偏曲点を検知して圧電アクチュエータの出力変位が調整されるので、装置の個体差を生ずることなく、極めて高い精度の燃料噴射装置が実現できる。

具体的には、上記偏曲点検出手段は、請求項２の発明のように、上記圧電アクチュエータに発生するピエゾ電圧Ｖ_Ｐを測定する電圧測定回路を具備し、該電圧測定回路により測定されたピエゾ電圧Ｖ_Ｐからピエゾ電圧Ｖ_Ｐの時間微分ｄＶ_Ｐ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＶ_Ｐ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出する構成としても良い。

また、上記偏曲点検出手段は、請求項３の発明のように、上記制御室内圧力Ｐ_Ｓを検出する圧力センサを具備し、該圧力センサにより検出された制御室内圧力Ｐ_Ｓから制御室内圧力Ｐ_Ｓの時間微分ｄＰ_Ｓ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＰ_Ｓ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出する構成としても良い。

さらに、上記偏曲点検出手段は、請求項４の発明のように、上記圧電アクチュエータの一部を、荷重検出センサとして利用し、該荷重検出センサの圧電効果により発生した荷重電圧Ｖ_Ｌから荷重電圧Ｖ_Ｌの時間微分ｄＶ_Ｌ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＶ_Ｌ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出する構成としても良い。

請求項２、３、４の発明によれば、上記制御室内圧力の上昇又は下降において、偏曲点が発生した時点で、ピエゾ電圧を速やかに所望の値に修正できるので、極めて精度よく燃料噴射制御可能な燃料噴射装置が実現できる。

請求項５の発明では、上記充放電条件変更手段は、充電パルス周期又は放電パルス周期の増減を行う。

具体敵には、開弁時において、上記充放電条件変更手段は、請求項６の発明のように、上記制御圧室内の圧力減少により低下する上記ピエゾ電圧Ｖ_Ｐを増加すべく、充電パルス周期を増加させる制御を行う構成としても良い。

また、閉弁時において、上記充放電条件変更手段は、請求項７の発明のように、上記制御室内の圧力増加により上昇する上記ピエゾ電圧Ｖ_Ｐを減少すべく、放電パルス周期を増加させる制御を行う構成としても良い。

請求項５、６、７の発明によれば、圧力変化に伴う圧電効果により発生するピエゾ電圧Ｖ_Ｐの目標値からのズレが速やかに修正され、応答性及び噴射精度に優れた燃料噴射装置が実現できる。

さらに、請求項８の発明のように、上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記弁体の着座直前に、上記放電パルス周期を減少させる制御を行う構成としても良い。

請求項８の発明によれば、上記弁体の駆動速度を着座直前に緩慢にし、ニードルバウンスを抑制することができる。したがって、燃料噴射装置の噴射精度がさらに向上する。

請求項９の発明では、上記充放電条件変更手段は、充電パルス又は放電パルスのデューティ比をパルス幅の変調によって増減する。

具体的には、開弁時において、上記充放電条件変更手段は、請求項１０の発明のように、上記制御圧室内の圧力減少により低下する上記駆動電圧を増加すべく、充電パルスのデューティ比を増加させる制御を行う構成としても良い。

また、閉弁時において、上記充放電条件変更手段は、請求項１１の発明のように、上記制御室内の圧力増加により上昇する上記駆動電圧を減少すべく、放電パルスのデューティ比を増加させる制御を行う構成としても良い。

請求項９、１０、１１の発明によれば、パルス幅の変調によって、充電電圧又は放電電圧の増減を行うことができるので、圧力変化に伴う圧電効果により発生するピエゾ電圧Ｖ_Ｐを速やかに所望の値に修正される。したがって、応答性及び噴射精度に優れた燃料噴射装置が実現できる。

さらに、請求項１２の発明のように、上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記弁体の着座直前に、上記放電パルスのデューティ比を減少させる制御を行う構成としても良い。

請求項１２の発明によれば、上記弁体の駆動速度を着座直前に緩慢にし、ニードルバウンスを抑制することができる。したがって、燃料噴射装置の噴射精度がさらに向上する。

図１を参照して、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置１の全体構成について説明する。なお、以下の説明において、図の上側を基端側、下側を先端側としている。
燃料噴射装置１は、図略の内燃機関に設けられ、燃料を高圧に加圧してコモンレール３０に蓄圧するサプライポンプ３１と、コモンレール３０から供給された高圧燃料を該機関内に噴射する燃料噴射弁１０と、図略の各種センサからの検出信号に基づいて、機関の運転状況に応じた最適な燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射圧力等を算出して、駆動制御装置ＥＤＵ２０に駆動信号を出力するとともに、コモンレール３０、サプライポンプ３１、燃料噴射弁１０の駆動制御を行う電子制御装置ＥＣＵ２１とによって構成されている。

燃料噴射弁１０は、略筒状の噴射弁基体１００に内蔵された圧電アクチュエータ１１０を駆動源とし、充放電により伸縮する圧電アクチュエータ１１０の変位を、加圧ピストン１２０に伝達し、加圧ピストン１２０の軸方向移動により、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓを増減させ、この制御室内圧力Ｐ_Ｓの増減に応じて軸方向に昇降するニードル１５の先端に設けた弁体１５３により噴孔１０６を開閉して、燃料噴射弁１０内に導入された高圧燃料の噴射と停止を制御している。

燃料噴射弁基体１００は、内部に燃料流路１０１を設けた略筒状に形成され、燃料流路１０１の基端側が封止されている。
燃料噴射弁基体１００の基端側には、コモンレール３０に蓄圧された高圧燃料を燃料流路１０１に導入すべく高圧燃料導入孔１０２が穿設されている。
先端側には、基体径変部１０３において、燃料流路１０２の内径が径小に縮径されたノズル部１０４が形成され、ノズル部１０４の先端側はさらに径小に縮径されたシート部１０５が形成され、シート部１０５には、機関内に開口する噴孔１０６が穿設されている。

圧電アクチュエータ１１０は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミック材料からなり、厚さ方向に分極した圧電セラミック層が分極方向を交互に替えて数十から数百枚積層された積層型圧電素子１１１が用いられている。
積層型圧電素子１１１の各圧電セラミック層の層間に形成された内部電極は一層毎に側面方向に左右交互に引き出されて側面電極１１２、１１３と接続され、さらに外部のＥＤＵ２０に接続されている。

圧電アクチュエータ１１０は、噴射弁基体１００内に収納され、圧電アクチュエータ１１０の基端側に形成された基端側保護層１１４の上端面が、噴射弁基体１００との電気的絶縁性を確保しつつ噴射弁基体１００の内壁に接し、先端側に形成された先端側保護層１１５の下端面が、圧電アクチュエータ１１０と同軸に配された加圧ピストン１２０に接している。

加圧ピストン１２０は、略柱軸状に形成され、基端側には外周方向に張り出したピストン鍔部１２１が形成されている。加圧ピストン１２０は、略筒状に形成されたピストン案内シリンダ１２２内に摺動可能に保持されている。
ピストン案内シリンダ１２２の先端側下端には外周方向に張り出したシリンダ鍔部１２３が形成されている。ピストン鍔部１２１とシリンダ鍔部１２３との間には、ピストン戻しバネ１２４が配設され、ピストン１２０を圧電アクチュエータ１１０側方向に付勢している。

ピストン案内シリンダ１２２の先端側には、隔壁部１２５が配設され、ピストン１２０の下端面とピストン案内シリンダ１２２の内周壁と隔壁部１２５の上面とによって加圧室１２６が区画されている。加圧室１２６内には圧力伝達媒体として、噴射弁基体１００内に導入された高圧燃料の一部が導入されている。

ニードル１５は、基端側には径大となるニードル大径部１５０が形成され、先端側には第１の径変部１５１を介して、径小となるニードル小径部１５２が形成され、さらに先端側には、さらに径小に縮径された第２の径変部１５３が形成され、さらにその先端側には弁体１５４が形成されており、弁体１５４の先端面はシート部１０５の内周壁に当接する弁体シート面１５５が形成されている。

内挿シリンダ１３０は、略筒状に形成され、隔壁部１２５の先端側に配設されている。
ニードル大径部１５０は、内挿シリンダ１３０の内周に摺動可能に保持され、ニードル小径部１５２は、ノズル部１０４の内周に摺動可能に保持されている。内挿シリンダ１３０の内周壁と、第１の径変部１５１の底面と、燃料流路１０１からノズル部１０４へ縮径する基体径変部１０３の内壁上面とによって制御室１６０が区画されている。

第２の径変部１５３と弁体１５４の外周面とノズル部１０４の内周壁とによって、燃料貯留室１８０が区画されている。

隔壁部１２５と内挿シリンダ１３０とには、加圧室１２６と制御室１６０とを連通する連通流路１２７、１３１が形成されている。加圧室１２６内の圧力が圧力伝達媒体として導入された高圧燃料を介して連通流路１２７、１３１で連通された制御室１６０に伝達されている。

ニードル１５の背面と隔壁部１２５の先端側底面と内挿シリンダ１３０の内周壁とによって、背圧室１７０が区画されている。
隔壁部１２５には、燃料流路１０２と背圧室１７０とを連通する背圧導入流路１７１が形成され、燃料流路１０２内の高圧燃料が背圧室１７０に導入されている。

背圧室１７０は、ニードル１５の背面に配設され、ニードル１５を閉弁方向に付勢する背圧バネ１７２を収納するバネ室を兼ねている。
ニードル１５には、背面側室１７０と燃料貯留室１８０とを連通するニードル内流路１５６が形成されている。

制御室１６０内の圧力は、第１の径変部１５１の底面に対して開弁方向に作用し、背圧バネ１７２のバネ圧は、ニードル１５の閉弁方向に作用している。
背圧室１７０内の圧力は、ニードル１５の背面に対して閉弁方向に作用し、燃料貯留室１８０内の圧力は、第２の径変部１５３の底面に対して開弁方向に作用し、互いにバランスしている。

圧電アクチュエータ１１０へのＥＤＵ２０からの充放電によって、圧電アクチュエータ１１０が伸縮し、圧電アクチュエータ１１０の伸縮によって加圧ピストン１２０が軸方向に上下動し、加圧ピストン１２０の上下動によって、加圧室１２６内の圧力が増減し、加圧室１２６内の圧力の増減によって、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが増減する。

制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが背圧バネ１７２のバネ圧以上となるとニードル１５が上昇し、弁体シート面１５５がシート部１０５の内周壁から離座し、噴孔１０６が開口し、燃料貯留室１８０内の高圧燃料が、機関内に噴射される。
制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが背圧バネ１７２のバネ圧以下となるとニードル１５が下降し、弁体シート面１５５がシート部１０５の内周壁に着座し、噴孔１０６が閉鎖され、燃料貯留室１８０内の高圧燃料の噴射が停止される。

図２を参照して本発明の効果について説明する。本図中（ａ）は、ＥＣＵ２１から発信される燃料噴射弁駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを示し、（ｂ）は、本実施形態における駆動電流Ｉ_Ｐの制御例を示し、（ｃ）は、実施例として本実施形態におけるピエゾ電圧Ｖ_Ｐの変化を実線で示し、比較例として従来のピエゾ電圧Ｖ_Ｐの変化を点線で示し、（ｄ）は、実施例として本実施形態における圧電アクチュエータの変位Ｘ_Ｐの変化を実線で示し、比較例として従来の変位ＸＰの変化を点線で示し、（ｅ）は、実施例として本実施形態における制御室内圧力Ｐ_Ｓの変化を実線で示し、比較例として従来の制御室圧力Ｐ_Ｓの変化を点線で示し、（ｆ）は、実施例として本実施形態におけるニードルリフトＸ_Ｎの変化を実線で示し、比較例として従来のニードルリフトＸ_Ｎの変化を点線で示したタイムチャート図である。

図略の各種センサから運転状況を示すデータがＥＣＵ２１に入力され、運転状況に応じた燃料噴射条件がＥＣＵ２１によって判断され、ＥＣＵ２１からの燃料噴射弁駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを受けて、ＥＤＵ２０から、圧電アクチュエータ１１０に所定のパルス周期で駆動電流Ｉ_Ｐが充電又は放電される。

開弁指令を受けると、充電電流Ｉ_Ｐとして一定の周期ｔ_０のパルス電流が圧電アクチュエータ１１０に充電され、逆圧電効果により、圧電アクチュエータ１１０が伸長し、加圧ピストン１２０を押圧する。このとき、圧電アクチュエータ１１０は、加圧ピストン１２０から圧縮方向の反力を受けて、圧電効果により、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐと同方向の電圧が発生する。

これが繰り返されることによりピエゾ電圧Ｖ_Ｐが重畳的に上昇し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇に伴い圧電アクチュエータ１１０の変位Ｘ_Ｐも増加する。圧電アクチュエータ１１０の伸長に伴い、加圧ピストン１２０が下降し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが上昇する。制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが、背圧バネ１７２のバネ圧即ち開弁圧Ｐ_ＯＰＮ以上になるとニードル１５が上昇し始める。

ニードル１５が上昇を始めると、制御室１６０内の容積が増加し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが瞬間的に低下する。これに伴い、圧電アクチュエータ１１０に作用する圧力が下がるので、圧電効果によって、充電電圧と逆向きの電圧が発生し、圧電アクチュエータ１１０の駆動が緩慢になる虞がある。
そこで、本発明の要部である、制御室１２０内の圧力Ｐ_Ｓの変化を検出する偏曲点検出手段２０１によって、制御室１２０内の圧力変化過程で生じる偏曲点を検知し、充放電条件変更手段２０２によって、速やかに充電電流Ｉ_Ｐを増加されば、理想的な充電電圧Ｖ_ＩＤＥＡに近い状態に修正することができる。

本実施形態においては、偏曲点検出手段２０１として、ＥＤＵ２０に圧電アクチュエータ１１０のピエゾ電圧Ｖ_Ｐを測定する駆動電圧測定回路を設け、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの微少時間変化ｄＶ_Ｐ／ｄｔを監視する。

偏曲点検出手段２０１によって、ｄＶ_Ｐ／ｄｔの変化に偏曲点が検知された場合、圧電アクチュエータ１２０の充電条件を、充放電条件変更手段２０２によって、充電電圧Ｖ_Ｐが上昇する方向、即ち、充電電流Ｉ_Ｐのパルス周期を増加する制御がなされる。より具体的な偏曲点検出手段２０１、及び、充放電条件変更手段２０２については、図４、５を参照して後述する。

充電電流Ｉ_Ｐのパルス周期の増加によって、充電電圧が上昇し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの低下による充電電圧の低下を早期に挽回でき、ニードル１５が離座した後も、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇が抑制されることがない。
したがって、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが開弁圧力Ｐ_ＯＰＮ以上になった後も制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが上昇を続け、ニードル１５が速やかに上昇し、噴孔１０６が速やかに完全解放さるので、高圧燃料の噴射が速やかに開始され、速やかに安定する。

一方、閉弁指令を受けると、放電電流Ｉ_Ｐとして一定の周期のパルス電流が圧電アクチュエータ１１０から放電され、逆圧電効果により、圧電アクチュエータ１１０が収縮し、加圧ピストン１２０を押圧する圧力が低下し、ピストン戻しバネ１２４によって加圧ピストン１２０が上昇し始める。
このとき、圧電アクチュエータ１１０は、加圧ピストン１２０からの圧縮力が減少するので、圧電効果により、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐと同方向の電圧が放電される。

これが繰り返されることによりピエゾ電圧Ｖ_Ｐが重畳的に下降し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの下降に伴い圧電アクチュエータ１１０の変位Ｘ_Ｐも減少する。圧電アクチュエータ１１０の収縮に伴い、加圧ピストン１２０が上昇し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが下降する。制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが、開弁圧保持圧Ｐ_ＨＬＤ以下になるとニードル１５が下降し始める。

この時、制御室１６０内の容積が減少し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが瞬間的に増加する。このため、圧電アクチュエータ１１０に作用する圧力が上がり、圧電効果によって、放電電圧と逆向きの電圧が発生し、圧電アクチュエータ１１０の駆動が緩慢になる虞がある。
そこで、本発明の要部である、偏曲点検出手段２０１によって、制御室１２０内の圧力Ｐ_Ｓの変化過程で生じる偏曲点を検知し、充放電条件変更手段２０２によって、速やかに放電電流Ｉ_Ｐを増加させれば、所望の放電電圧に修正することができる。

放電電流Ｉ_Ｐの増加によって、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの上昇によるピエゾ電圧Ｖ_Ｐの低下の抑制を早期に挽回し、ニードル１５が着座した後も、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの下降が抑制されることがない。したがって、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが開弁保持圧力Ｐ_ＨＬＤ以下になった後も制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが下降を続け、ニードル１５が速やかに下降し、高圧燃料の噴射が速やかに停止される。

本実施形態によれば、図２（ｆ）に示すように開弁開始ＯＰ_ＳＴＲ１から開弁完了ＯＰ_ＳＴＰ１までの応答時間が比較例として示した従来の燃料噴射装置において開弁開始ＯＰ_ＳＴＲｚから開弁完了ＯＰ_ＳＴＰｚまでの応答時間に比べて早くなり、また、閉弁開始ＣＬ_ＳＴＲ１から閉弁完了ＣＬ_ＳＴＰ１までの応答時間が比較例において閉弁開始ＣＬ_ＳＴＲｚから閉弁完了ＣＬ_ＳＴＰｚまでの応答時間に比べて早くなる。
したがって、極めてニードル１５の応答性が極めて良くなり、高圧燃料の噴射精度が高くなり、燃料噴射装置１の信頼性が向上する。

ここで、比較のために示した、従来の燃料噴射装置における問題点について、図３を参照して説明する。
従来の燃料噴射装置においては、圧電アクチュエータの駆動電流Ｉ_Ｐは、一定周期ｔ_０で充電と放電とが行われている。
ニードル１５が開弁方向に駆動された直後から開弁までの過程において、制御室１６０の容積がニードル１５の上昇に伴って増加し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの上昇が抑制される。
このため、圧電アクチュエータ１１０に作用する圧力は相対的に減圧される。このとき、圧電効果により充電電圧と逆向きの電圧が発生し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇に偏曲点Ｖ_Ｐ１が生まれ、理想的なピエゾ電圧Ｖ_ＩＤＥＡに比べて、偏曲点Ｖ_Ｐ１以後のピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇が緩慢になる。このため圧電アクチュエータ１１０の変位Ｘ_Ｐの伸長速度も緩慢になる。
したがって、ニードル１５の開弁開始ＯＰ_ＳＴＲｚから開弁完了ＯＰ_ＳＴＰｚまでの時間が長くなる。

また、ニードル１５が閉弁方向に駆動された直後から閉弁までの過程において、制御室１６０の容積がニードル１５の下降に伴って減少し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの減少が抑制される。この時、圧電アクチュエータ１１０には、圧電効果により放電電圧と逆向きの電圧が発生し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの下降に偏曲点Ｖ_Ｐ２が生まれ、理想的なピエゾ電圧Ｖ_ＩＤＥＡに比べて、偏曲点Ｖ_Ｐ２以後のピエゾ電圧Ｖ_Ｐの下降が緩慢になる。このため圧電アクチュエータ１１０の変位Ｘ_Ｐの収縮速度が緩慢になる。
したがって、ニードル１５の閉弁開始ＣＬ_ＳＴＲｚから閉弁完了ＣＬ_ＳＴＰｚまでの時間が長くなる。
以上により、従来の一定パルス周期で、充放電を行う燃料噴射装置においては、開弁及び閉弁に伴う制御室内の圧力の変化によって、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの増減が理想状態Ｖ_ＩＤＥＡから外れ、燃料噴射精度の低下を招く虞がある。

図４、５を参照して、上述した偏曲点検出手段２０１及び充放電条件変更手段２０２について詳述する。
図４は、燃料噴射弁１０の開弁時、即ち、圧電アクチュエータ１１０の充電時におけるタイムチャートの一例を示し、本図中（ａ）は、機関の運転状況に応じてＥＣＵ２１から発信される燃料噴射弁１０を駆動する駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを示し、（ｂ）は、ＥＣＵ２１から駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを受けたＥＤＵ２０から圧電アクチュエータ１１０への充電を制御すべく発信されるスイッチング信号ＳＧ_ＳＷを示し、（ｃ）は、スイッチング信号ＳＧ_ＳＷに従って流れる駆動電流Ｉ_Ｐを示し、（ｄ）は、駆動電流Ｉ_Ｐによって圧電アクチュエータ１１０に充電されるピエゾ電圧Ｖ_Ｐを示す。

図４に示すように、ＥＣＵ２１からの燃料噴射弁駆動信号ＳＧ_ＩＮＪがＯＮとなると、ＥＤＵ２０から一定周期ｔ_０で、圧電アクチュエータ１１０への充電が開始される。パルス電流Ｉ_Ｐが重畳的に充電されることにより、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐが上昇する。制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが、開弁圧Ｐ_ＯＰＮ以上になり、ニードル１５が開弁を開始し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが瞬間的に下がり始めると、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐに偏曲点が生じる。このとき、充電電流Ｉ_Ｐの周期がｔ_０からｔ_１に切り換えられ、充電電流Ｉ_Ｐが増加する。速やかにピエゾ電流Ｖ_Ｐが上昇し、目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達する。本実施形態によれば、比較例として示した従来の一定パルス周期で充電電流を印加する場合に比べ、理想的なピエゾ電圧Ｖ_ＩＤＥＡの上昇に極めて近いピエゾ電圧Ｖ_Ｐの変化を示す。

図５に、本実施形態における偏曲点検出手段２０１及び充放電条件変更手段２０２の開弁時における制御方法を示す制御フローチャートの具体例を示す。
Ｓ１００では、ＥＣＵ２１から燃料噴射弁１０の駆動信号がＥＤＵ２０に入力され、燃料噴射弁１０が駆動準備状態となる。
Ｓ１１０では、スイッチング信号がＯＮとなり、ＥＤＵ２０によって駆動電流Ｉ_Ｐが出力制御される。このとき、充電条件として、充電電流Ｉ_Ｐのパルス周期は初期パルス周期ｔ_０に設定され、圧電アクチュエータ１１０の充電が開始される。
Ｓ１２０では、圧電アクチュエータ１１０に充電されたピエゾ電圧Ｖ_Ｐの微少時間変化ｄＶ_Ｐ／ｄｔがモニタされる。
Ｓ１３０では、目標とするｄＶ_Ｐ／ｄｔと実際の読み取り値とのズレによって、ピエゾ電圧の偏曲点の有無を判断する。
読み取り値と目標値とのズレが大きく、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇に偏曲点が検知された場合には、Ｓ１４０に進む。
Ｓ１４０では、ｄＶ_Ｐ／ｄｔについて読み取り値と目標値とのズレを補正するように、充電条件変更手段２０２によって、スイッチング信号を例えば第２のパルス周期ｔ_１に変更し、充電電流Ｉ_Ｐを増加する制御がなされる。
次いでＳ１２０に戻りｄＶ_Ｐ／ｄｔを読み取り、再度Ｓ１３０で偏曲点の有無が判定される。
読み取り値と目標値とのズレが小さくなり、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの上昇に偏曲点が検知されなくなった場合には、Ｓ１５０に進む。
Ｓ１５０では、ｄＶ_Ｐ／ｄｔを積算し、圧電アクチュエータ１１０のピエゾ電圧Ｖ_Ｐが算出される。
Ｓ１６０では、得られたピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達しているか否かが判定される。
ピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達していない場合には、Ｓ１２０へ戻り、充電を継続する。
Ｓ１２０からＳ１６０を繰り返し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達した場合には、Ｓ１７０に進み、スイッチング信号がＯＦＦとなり、充電が終了する。

燃料噴射弁１０の閉弁時即ち圧電アクチュエータ１１０の放電時には、類似のフローチャートに従って、ｄＶ_Ｐ／ｄｔをモニタしつつ、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐの下降に偏曲点が検知された場合には、放電電流Ｉ_Ｐを増加すべく、放電周期Ｔの変更がなされ、放電を完了するまでの放電条件が制御される。具体的には、制御室内の圧力Ｐ_Ｓの増加により上昇するピエゾ電圧Ｖ_Ｐを減少すべく、放電パルス周期Ｔを増加させる制御を行う。

図６を参照して本発明の第２の実施形態における燃料噴射装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、本実施形態における特徴的な部分についてのみ説明する。（以下の実施形態についても同様である。）
上記実施形態においては、偏曲点検出手段２０１として、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐを測定する電圧測定回路をＥＤＵ２０に設けたが、本実施形態においては、図６に示すように、偏曲点検出手段２０１ａとして、圧電アクチュエータ１１０の一部を圧電アクチュエータ１１０に作用する圧力を検出するための圧力センサ１９０として用いている構成としても良い。圧力センサ１９０に圧力が作用すると圧電効果により電圧Ｖ_Ｐ（ａ）が発生する。加圧センサ１９０は、圧電素子１９１に発生した電圧を側面電極１９２、１９３から取り出し、これを変換回路２０３ａで荷重変換し、これを制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの変化を間接的に示す情報としてＥＤＵ２０でモニタし、圧電アクチュエータ１１０ａに作用する制御室内圧力Ｐ_Ｓの変化の影響を充放電条件変更手段２０２ａによって補正する。

図７を参照して、本発明の第３の実施形態における燃料噴射装置１ｂについて説明する。本実施形態においては、偏曲点検出手段２０１ｂとして、圧力センサ１８０を加圧室設けて、直接的に制御室１６０内の圧力Ｐｓを検出する。

図８は、開弁時におけるタイムチャートの一例を示し、本図中（ａ）は、機関の運転状況に応じてＥＣＵ２１ｂから発信される燃料噴射弁１０ｂを駆動する駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを示し、（ｂ）は、ＥＣＵ２１ｂから駆動信号ＳＧ_ＩＮＪを受けたＥＤＵ２０ｂから圧電アクチュエータ１１０への充電を制御すべく発信されるスイッチング信号ＳＧ_ＳＷを示し、（ｃ）は、スイッチング信号ＳＧ_ＳＷに従って流れる駆動電流Ｉ_Ｐを示し、（ｄ）は、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓの変化を示す。

図８に示すように、ＥＣＵ２１ｂからの燃料噴射弁駆動信号ＳＧ_ＩＮＪがＯＮとなると、ＥＤＵ２０ｂから一定周期ｔ_０で、圧電アクチュエータ１１０への充電が開始される。制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが、開弁圧Ｐ_ＯＰＮ以上になり、ニードル１５が開弁を開始し、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが瞬間的に下がり始めると、制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓに偏曲点が生じる。このとき、充電電流Ｉ_Ｐの周期がｔ_０からｔ_１に切り換えられ、充電電流Ｉ_Ｐが増加し、圧電アクチュエータ１１０の伸長速度の低下が挽回される。したがって、速やかに制御室１６０内の圧力Ｐ_Ｓが上昇し目標圧力Ｐ_ＴＲＧに到達する。

図９に、本発明の第３の実施形態における開弁時の制御フローチャートの具体例を示す。
Ｓ２００では、ＥＣＵ２１ｂから燃料噴射弁１０ｂの駆動信号がＥＤＵ２０ｂに入力され、燃料噴射弁１０ｂが駆動準備状態となる。
Ｓ２１０では、スイッチング信号がＯＮとなり、ＥＤＵ２０ｂによって駆動電流Ｉ_Ｐが出力制御される。このとき、充電条件として、充電電流Ｉ_Ｐのパルス周期は初期パルス周期ｔ_０に設定され、圧電アクチュエータ１１０ｂの充電が開始される。
Ｓ２２０では、圧電アクチュエータ１１０ｂに充電されたピエゾ電圧Ｖ_Ｐの微少時間変化ｄＶ_Ｐ／ｄｔがモニタされる。
Ｓ２３０では、制御室１６０内の圧力Ｐｓの微少時間変化ｄＰ／ｄｔがモニタされる。
Ｓ２４０では、目標とするｄＰ／ｄｔと実際の読み取り値とのズレによって、ピエゾ電圧の偏曲点の有無を判断する。
読み取り値と目標値とのズレが大きく、制御室１６０内の圧力Ｐｓの上昇に偏曲点が検知された場合には、Ｓ２５０に進む。
Ｓ２５０では、ｄＰ／ｄｔについて読み取り値と目標値とのズレを補正するように、充電条件変更手段２０２ｂによって、スイッチング信号を例えば第２のパルス周期ｔ_１に変更し、充電電流Ｉ_Ｐを増加する制御がなされる。
次いでＳ２２０、Ｓ２３０に戻りｄＶ_Ｐ／ｄｔ及びｄＰ／ｄｔを読み取り、再度Ｓ２４０で偏曲点の有無が判定される。
読み取り値と目標値とのズレが小さくなり、制御室１６０内の圧力Ｐｓの上昇に偏曲点が検知されなくなった場合には、Ｓ２６０に進む。
Ｓ２６０では、ｄＶ_Ｐ／ｄｔを積算し、圧電アクチュエータ１１０のピエゾ電圧Ｖ_Ｐが算出される。
Ｓ２７０では、得られたピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達しているか否かが判定される。
ピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達していない場合には、Ｓ２２０へ戻り、充電を継続する。
Ｓ２２０からＳ２７０を繰り返し、ピエゾ電圧Ｖ_Ｐが目標電圧Ｖ_ＴＲＧに到達した場合には、Ｓ２８０に進み、スイッチング信号がＯＦＦとなり、充電が終了する。

燃料噴射弁１０ｂの閉弁時、即ち、圧電アクチュエータ１１０ｂの放電時には、類似のフローチャートに従って、ｄＶ_Ｐ／ｄｔ及びｄＰ／ｄｔをモニタしつつ、制御室１６０内の圧力Ｐｓの下降に偏曲点が検知された場合には、放電電流Ｉ_Ｐを増加すべく、放電周期の変更がなされ、放電を完了するまでの放電条件が制御される。具体的には、制御室内圧力Ｐ_Ｓの増加により上昇するピエゾ電圧Ｖ_Ｐを減少すべく、放電パルス周期Ｔを増加させる制御を行う。

また、本実施形態において、ｄＶ_Ｐ／ｄｔのモニタを廃し、ｄＰ／ｄｔのモニタのみとし、ｄＶ／ｄｔの積算に換えて、ｄＰ／ｄｔの積算を行って、制御室１６０内圧力Ｐ_Ｓが目標の圧力Ｐ_ＴＲＧに達した場合にスイッチング信号をＯＦＦとするフローとしても良い。

図１０、図１１に本発明の第４の実施形態における開弁時のタイムチャート及び、制御フローチャートの具体例を示す。
上記実施形態においては、充放電条件変更手段２０２、２０２ａ、２０２ｂでは、偏曲点が検知された場合に、充電電流又は、放電電流のパルス周期を変更し、充電電圧又は、放電電圧の増減を行う制御としたが、本実施形態において、図１０及び、図１１に示すように、パルス周期は一定のまま、デューティ比を増減して、充電電圧又は、放電電圧の増減を行うＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、パルス幅変調）制御としても良い。
本実施形態においては、上記実施形態における制御フローチャートと略同様のフローチャートが適用できるが、初期設定として、Ｓ３１０において、デューティ比Ｒの初期値をＲ_０＝ｔ_０／Ｔ_０とし、Ｓ３５０においてスイッチング周期Ｔの変更に変えて、例えば、開弁時にはデューティ比ＲをＲ_１＝ｔ_１／Ｔ_０に変更する等のデューティ比Ｒの変更を行う制御をとした点が相違する。
パルス幅の変調によって、充電電圧又は放電電圧の増減を行うことができるので、圧力変化に伴う圧電効果により発生するピエゾ電圧Ｖ_Ｐが速やかに所望の値に修正される。
したがって、上記実施形態と同様に、応答性及び噴射精度に優れた燃料噴射装置が実現できる。
また、充放電条件の具体的な変更手段として、上述したスイッチング周期の変更とデューティ比の変更とを組み合わせた制御を行っても良い。

更に、閉弁時におけるニードルバウンスを防ぐために、弁体１５３のシート面１５５がシート部１０５の内周壁に着座する直前に、放電パルス周期Ｔを減少させる制御を行ったり、放電パルスのデューティ比Ｒを減少させる制御を行う構成を追加しても良い。ニードル１５の駆動速度を着座直前に緩慢にし、ニードルバウンスを抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、制御室の圧力変動により圧電アクチュエータに生じる圧電効果の影響を相殺すべく、制御室の圧力変動を偏曲点の検出により速やかに検知して、圧電アクチュエータの駆動電流をフィードバック制御する本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本発明は、燃料噴射弁として上記実施形態に示したニードル内に設けたニードル内流路を経由して燃料貯留室に高圧燃料を導入する構造のものに限定するものではなく、高圧燃料を直接に燃料貯留室に導入する構造の燃料噴射弁等にも適宜採用し得るものであり、また、上記実施形態に示した単数の噴孔を開閉する燃料噴射弁に限らず、ノズル部の先端を閉じ燃料を貯留するサック室を設け、該サック室に複数の噴孔を穿設した構造でも良い。

は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置の全体構成図。 （ａ）から（ｆ）は、本発明の第１の実施形態における効果を比較例と共に示すタイムチャート図。 （ａ）から（ｆ）は、従来の燃料噴射装置における問題点を示すタイムチャート図。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における開弁時のタイムチャート図。 は、本発明の第１の実施形態における開弁時の制御フローチャート図。 は、本発明の第２の実施形態における燃料噴射装置の全体構成図。 は、本発明の第３の実施形態における燃料噴射装置の全体構成図。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の第３の実施形態における開弁時のタイムチャート図。 は、本発明の第３の実施形態における開弁時の制御フローチャート図。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の第４の実施形態における開弁時のタイムチャート図。 は、本発明の第４の実施形態における開弁時の制御フローチャート図。

符号の説明

１ 燃料噴射装置
１０ 燃料噴射弁
１００ 噴射弁基体
１０１ 燃料流路
１０２ 高圧燃料導入孔
１０３ 基体径変部
１０４ ノズル部
１０５ シート部
１０６ 噴孔
１１０ 圧電アクチュエータ
１１１ 積層型圧電素子
１１２、１１３ 側面電極
１１４ 基端側保護層
１１５ 先端側保護層
１２０ 加圧ピストン
１２１ ピストン鍔部
１２２ ピストン案内シリンダ
１２３ シリンダ鍔部
１２４ ピストン戻しバネ
１２５ 隔壁部
１２６ 加圧室
１２７、１３１ 連通流路
１３０ 内挿シリンダ
１５ ニードル
１５０ ニードル大径部
１５１ 第１の径変部
１５２ ニードル小径部
１５３ 第２の径変部
１５４ 弁体
１５５ 弁体シート面
１５６ ニードル内流路
１６０ 制御室
Ｐ_Ｓ 制御室内圧力
１７０ 背圧室
１７１ 背圧導入流路
１７２ 背圧バネ
１８０ 燃料貯留室
２０ ＥＤＵ
２０１ 制御室内圧力変化検出手段
２０１ 充放電条件変更手段
２１ ＥＣＵ
３０ コモンレール
３１ サプライポンプ（高圧ポンプ）

Claims (12)

1. 充電又は放電により伸縮する圧電アクチュエータの変位を、圧力伝達媒体を介して制御室内圧力の増減を行う駆動源とし、上記制御室内圧力の増減によってニードルを軸方向に昇降せしめ、該ニードルの先端に設けた弁体の離着座によってノズルの先端に設けた噴孔を開閉し、該噴孔から高圧燃料の噴射と停止とを行う燃料噴射装置であって、
   上記制御室内圧力の変化過程における偏曲点を検出する偏曲点検出手段と、
   検出された偏曲点において上記圧電アクチュエータの充電条件又は放電条件を変更する充放電条件変更手段と、を具備すること特徴とする燃料噴射装置。
2. 上記偏曲点検出手段は、上記圧電アクチュエータに発生するピエゾ電圧Ｖ_Ｐを測定する電圧測定回路を具備し、
   該電圧測定回路により測定されたピエゾ電圧Ｖ_Ｐからピエゾ電圧Ｖ_Ｐの時間微分ｄＶ_Ｐ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＶ_Ｐ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 上記偏曲点検出手段は、上記制御室内圧力Ｐ_Ｓを検出する圧力センサを具備し、
   該圧力センサにより検出された制御室内圧力Ｐ_Ｓから制御室内圧力Ｐ_Ｓの時間微分ｄＰ_Ｓ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＰ_Ｓ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
4. 上記偏曲点検出手段は、上記圧電アクチュエータの一部を、荷重検出センサとして利用し、該荷重検出センサの圧電効果により発生した荷重電圧Ｖ_Ｌから荷重電圧Ｖ_Ｌの時間微分ｄＶ_Ｌ／ｄｔを算出し、その値と目標とするｄＶ_Ｌ／ｄｔとのズレによって偏曲点を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
5. 上記充放電条件変更手段は、充電パルス周期又は放電パルス周期の増減を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
6. 上記充放電条件変更手段は、開弁時において、上記制御圧室内の圧力減少により低下する上記駆動電圧を増加すべく、充電パルス周期を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
7. 上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記制御室内の圧力増加により上昇する上記駆動電圧を減少すべく、放電パルス周期を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
8. 上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記弁体の着座直前に、上記放電パルス周期を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
9. 上記充放電条件変更手段は、充電パルス又は放電パルスのデューティ比をパルス幅の変調によって増減することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
10. 上記充放電条件変更手段は、開弁時において、上記制御圧室内の圧力減少により低下する上記駆動電圧を増加すべく、充電パルスのデューティ比を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射装置。
11. 上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記制御室内の圧力増加により上昇する上記駆動電圧を減少すべく、放電パルスのデューティ比を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射装置。
12. 上記充放電条件変更手段は、閉弁時において、上記弁体の着座直前に、上記放電パルスのデューティ比を減少させる制御を行うことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
    
    

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