JP2009203844A - 燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ピエゾ変位又は荷重を正確に推定できる燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システムを提供する。
【解決手段】ピエゾ素子を備えるピエゾインジェクタに適用され、ピエゾ素子への充放電時に、ピエゾ素子が背圧制御バルブから外力を受けない無負荷状態であったならば取りうるであろうピエゾ素子の電圧を仮想電圧Ｖ0として推定する仮想電圧推定手段Ｂ４０，Ｂ４１，Ｂ４２と、その充放電時にピエゾ素子の実電圧Ｖを計測する実電圧計測手段と、実電圧Ｖから仮想電圧Ｖ0を差し引いた電圧差ΔＶに基づき、ピエゾ素子の変位Ｚ又は荷重Ｆを算出する算出手段と、を備える。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁に適用された、燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システムに関する。

この種の燃料噴射弁は、燃料の噴射口を開閉する開閉機構、及びその開閉機構を作動させるピエゾ素子を備えている。そして、ピエゾ素子を充電により伸長させると、ピエゾ素子により開閉機構が開作動を開始して燃料が噴射口から噴射されることとなる。したがって、充電に伴い変化するピエゾ素子の変位（ピエゾ変位Ｚ）を取得できれば、燃料噴射量等の噴射態様を精度良く目標値にすることができる。

特許文献１等に記載の従来装置では、ピエゾ変位Ｚはピエゾ素子に溜っている電荷（ピエゾ電荷Ｑpz）と相関があると考えており、ピエゾ電荷Ｑpzに基づきピエゾ変位Ｚを推定することで、ピエゾ変位Ｚを直接検出するセンサの廃止を図っている。そして、ピエゾ電荷Ｑpzを次の式１にしたがって算出している。
Ｑpz＝Ｃ・Ｖ…（式１）
式１中のＣはピエゾ素子の静電容量（ピエゾ容量）であり、Ｖはピエゾ素子の電圧（ピエゾ電圧）である。
特開２００２−２１６２１号公報

しかしながら、上述の如くピエゾ電荷Ｑpzに基づきピエゾ変位Ｚを推定する従来手法では、以下の理由により正確な推定ができていないとの知見を本発明者は得た。

すなわち、燃料噴射弁に搭載された状態の実際のピエゾ素子について検討すると、ピエゾ素子を伸長させて開閉機構を作動させる時には、ピエゾ素子は開閉機構から荷重（反力）を受ける。すると、この荷重によりピエゾ素子内部では圧電効果による電荷Ｑroadが生じることとなるため、上記式１（Ｑpz＝Ｃ・Ｖ）が成り立たっておらず、次の式２に示すように電荷Ｑroadの項を加える必要がある。
Ｑpz＝Ｑroad＋Ｃ・Ｖ…（式２）
式２中のＣ・Ｖの項は、ピエゾ素子に投入した電荷Ｑinであると言える（Ｃ・Ｖ＝Ｑin）。また、圧電効果による電荷Ｑroadはピエゾ素子にかかる荷重Ｆに比例するため、圧電定数をＢとするとＱroad＝Ｂ・Ｆとなる。

このピエゾ素子にかかる荷重Ｆはピエゾ変位Ｚと比例関係にあるため、荷重Ｆと比例関係にある電荷Ｑroadからはピエゾ変位Ｚを正確に推定できると言える。しかしピエゾ電荷Ｑpzについては、式２にて表されるように電荷Ｑroadと比例関係にないため、ピエゾ電荷Ｑpzからはピエゾ変位Ｚを正確には推定できない。

ちなみに、荷重Ｆはピエゾ変位Ｚと比例関係にあるため、ピエゾ変位Ｚに替えて荷重Ｆを用いることによっても燃料の噴射態様を精度良く目標値にすることができる。しかしながら従来装置では、ピエゾ電荷Ｑpzから荷重Ｆを推定していたため、上記理由と同様に荷重Ｆを正確には推定できていない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ピエゾ変位又は荷重を正確に推定できる燃料噴射弁制御装置及び燃料噴射弁制御システムを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、
燃料の噴射口を開閉する開閉機構、及び充放電に伴い伸縮して前記開閉機構を作動させるピエゾ素子を備える燃料噴射弁に適用され、
前記ピエゾ素子への充放電時に、前記ピエゾ素子が前記開閉機構から外力を受けない無負荷状態であったならば取りうるであろう前記ピエゾ素子の電圧を仮想電圧Ｖ0として推定する仮想電圧推定手段と、
前記充放電時に、前記ピエゾ素子の実電圧Ｖを計測する実電圧計測手段と、
前記実電圧Ｖから前記仮想電圧Ｖ0を差し引いた電圧差ΔＶに基づき、前記ピエゾ素子の変位Ｚ又は荷重Ｆを算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで、図１２（ａ）中の実線はピエゾ素子の実電圧Ｖを示しており、この実電圧Ｖには、前記無負荷状態でピエゾ素子を伸縮させることに伴う電圧、つまり図１２（ａ）中の点線に示す仮想電圧Ｖ0が含まれている。また、上記式２（Ｑpz＝Ｑroad＋Ｑin）中の各電荷のいずれについても静電容量が一定であると仮定すれば、式２を以下の式３に変形できる。
Ｖpz＝Ｖroad＋Ｖin…（３）
したがって、式３中のＶpzは、ピエゾ素子の電圧（ピエゾ電圧）であり上記発明の「実電圧Ｖ」に相当し、Ｖinは無負荷状態で充放電した時に変化する電圧である「仮想電圧Ｖ0」に相当し、Ｖroadは「実電圧から仮想電圧を差し引いた電圧差ΔＶ」に相当する。そして、先述したように電荷Ｑroadは荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚと比例関係にあるため、電圧差ΔＶ（Ｖroad）も荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚに比例する。

要するに、実電圧Ｖは、荷重Ｆによる圧電効果の影響を受けない仮想電圧Ｖ0を含んでいるため、荷重Ｆとの相関性が低い。一方、電圧差ΔＶは、そのような仮想電圧Ｖ0が切り離された値であるため、荷重Ｆとの相関性が高い。以上により、このような電圧差ΔＶに基づきピエゾ変位Ｚ又は荷重Ｆを算出する本発明によれば、ピエゾ変位Ｚ又は荷重Ｆを正確に推定できる。

請求項２記載の発明では、前記ピエゾ素子に投入した充電エネルギＥと、その投入に伴い生じた前記ピエゾ素子の電圧とに基づき、前記ピエゾ素子の静電容量Ｃを算出するピエゾ容量算出手段を備え、前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時に前記ピエゾ素子に出入りする移動電荷Ｑinの計測値と、前記ピエゾ容量算出手段により算出された静電容量Ｃとに基づき、前記仮想電圧Ｖ0を算出することを特徴とする。

このように、ピエゾ素子に投入した充電エネルギＥとその投入に伴い生じたピエゾ素子の電圧とに基づき静電容量Ｃを算出する本発明によれば、ピエゾ素子内部にて圧電効果により生じる電荷Ｑroadとは無関係に次の式４にしたがって静電容量Ｃを算出できるので、静電容量Ｃを正確に算出できる。
Ｅ＝１／２×Ｃ×Ｖ²…（式４）。

ちなみに、請求項２記載の発明に反し、ピエゾ素子の実電圧Ｖとピエゾ電荷Ｑpzとから先述の式１（Ｑpz＝Ｃ・Ｖ）にしたがって静電容量Ｃを算出しようとすると、先述したように圧電効果による電荷Ｑroadが生じている時には式１が成り立たっておらず、式２（Ｑpz＝Ｑroad＋Ｃ・Ｖ）となっているため、正確に静電容量Ｃを算出できない。

そして、このように正確に算出された静電容量Ｃと移動電荷Ｑinとに基づき仮想電圧Ｖ0を算出する請求項２記載の発明によれば、Ｑin＝Ｃ・Ｖ0との算出式にしたがい、仮想電圧Ｖ0をより一層精度良く推定できる。

請求項３記載の発明では、前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時のうち充電時における前記仮想電圧を推定する場合には、前記移動電荷計測値Ｑinと前記仮想電圧Ｖ0とが線形の関係（図１１のＬ１参照）となるよう前記仮想電圧を推定することを特徴とする。また、請求項４記載の発明では、前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時のうち放電時における前記仮想電圧を推定する場合には、前記移動電荷計測値Ｑinと前記仮想電圧Ｖ0とが非線形の関係（図１１のＬ２参照）となるよう前記仮想電圧を推定することを特徴とする。
ところで、本発明者らの検討によれば、移動電荷計測値Ｑinと仮想電圧Ｖ0との関係は、充電時には線形性があるのに対し放電時には非線形となり、ヒステリシスを有することが分かった。これは、荷重をゼロとした場合において、電荷と変位との関係は充電放電いずれにおいても線形性があるのに対し、電圧と変位との関係は、充電時には線形性を有するが放電時には非線形となることに起因する。よって、上記請求項３，４記載の発明によれば、仮想電圧Ｖ0をより一層精度良く推定できる。

請求項５記載の発明では、前記ピエゾ容量算出手段により算出された静電容量Ｃと前記ピエゾ素子の圧電定数Ｂとから荷重係数Ｋｂを算出する荷重係数算出手段を備え、前記算出手段は、前記電圧差ΔＶ及び前記荷重係数Ｋｂに基づき前記ピエゾ素子の荷重Ｆを算出することを特徴とする。

電圧差ΔＶが荷重Ｆに比例することは先述した通りであるが、そのときの比例係数（荷重係数Ｋｂ）は圧電定数Ｂ及び静電容量Ｃによって異なる値となる（Ｋｂ＝Ｂ／Ｃ）。そして、上記請求項５記載の発明では、ピエゾ容量算出手段により上述の如く正確に算出された静電容量Ｃを用いて荷重係数Ｋｂを算出するので、荷重Ｆを精度良く算出できる。

請求項６記載の発明では、
前記算出手段は、
前記充放電時に前記ピエゾ素子に出入りする移動電荷の計測値に基づき、前記無負荷状態であったならば取りうるであろう前記ピエゾ素子の変位を無負荷変位Ｚ0として推定する無負荷変位推定手段と、
前記電圧差ΔＶに基づき、前記ピエゾ素子が前記荷重Ｆを受けたことによって変化した負荷変位Ｚfを算出する負荷変位算出手段と、を有するとともに、
前記無負荷変位Ｚ0に前記負荷変位Ｚfを加算することにより前記ピエゾ素子の変位Ｚを算出することを特徴とする。

これによれば、充放電に伴いピエゾ素子が実際に変位した変位Ｚを、無負荷状態であったならば取りうるであろう変位（無負荷変位Ｚ0）と、荷重Ｆを受けたことによって変化した負荷変位Ｚfとに切り分けて算出しているので、無負荷変位Ｚ0及び負荷変位Ｚfの各々を精度良く算出することができ、ひいては変位Ｚを精度良く算出できる。

ところで、ピエゾ素子の静電容量Ｃは温度に応じて変化するものであるため、同じ電圧差であってもその時のピエゾ素子温度によって仮想電圧は異なる値となる。この点を鑑み請求項７記載の発明では、前記仮想電圧推定手段は、前記ピエゾ素子の温度又はその温度と相関のある物理量（例えばピエゾ素子の静電容量）に基づき前記仮想電圧を推定することを特徴とするので、ピエゾ素子の温度特性に応じて仮想電圧を推定でき、推定精度をより一層向上できる。

請求項８記載の発明では、前記算出手段により算出された変位又は荷重に基づき、前記ピエゾ素子への通電を制御することを特徴とするので、燃料噴射量等の噴射態様を精度良く目標値にすることができる。また、請求項９記載の発明では、前記算出手段により算出された変位又は荷重に基づき、前記燃料噴射弁の異常を検出することを特徴とするので、噴射異常を高精度で検出できる。

特に、１燃焼サイクル中に複数回の噴射を行う多段噴射において、パイロット噴射やプレ噴射等の微少噴射については実噴射量が目標噴射量となっているか否かを精度良く判定する手段が従来より望まれていた。よって、このような判定に上記請求項８，９記載の発明を適用すれば、本発明の効果が好適に発揮される。

請求項１０記載の発明は、燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁制御装置と、を備えることを特徴とする燃料噴射弁制御システムである。この燃料噴射弁制御システムによれば、上述の各種効果を同様に発揮することができる。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる燃料噴射制御装置を、車両に搭載されたコモンレール式のディーゼル機関の燃料噴射制御装置に適用した第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態におけるエンジンシステムの全体構成を示す。

図示されるように、燃料タンク１内の燃料は、燃料フィルタ２を介して燃料ポンプ３によって汲み上げられる。この燃料ポンプ３は、燃料調量弁４を備えており、この燃料調量弁４が操作されることで、外部に吐出される燃料量が決定される。燃料ポンプ３からの燃料は、コモンレール５に加圧供給される。コモンレール５は燃料ポンプ３から加圧供給された燃料を高圧状態で蓄え、蓄圧された高圧燃料は、高圧燃料通路６を介して各気筒（ここでは、４気筒を例示）のピエゾインジェクタＰＩ（燃料噴射弁）に供給される。ピエゾインジェクタＰＩは、低圧燃料通路７と接続されており、低圧燃料通路７を介して燃料を燃料タンク１に戻すことが可能となっている。

次に、図２に基づきピエゾインジェクタＰＩの構造について説明する。

ピエゾインジェクタＰＩのボディ１０の先端には、円柱状のニードル収納部１０ａが設けられている。そして、ニードル収納部１０ａには、その軸方向に変位可能なノズルニードル１１（弁体）が収納されている。また、ニードル収納部１０ａには、上記高圧燃料通路６を介して高圧燃料が供給される。ノズルニードル１１は、ボディ１０の先端部に形成されている環状のニードルシート部１０ｂに着座することで、ニードル収納部１０ａを高圧燃料通路６から遮断する一方、ニードルシート部１０ｂから離脱することで、ニードル収納部１０ａを高圧燃料通路６と連通させる。

ノズルニードル１１の背面側（ニードルシート部１０ｂと対向する側の反対側）は、背圧室１０ｃに対向している。背圧室１０ｃには、高圧燃料通路６からの燃料がオリフィス１０ｄを介して供給される。また、背圧室１０ｃには、ノズルニードル１１をニードルシート部１０ｂ側へ押すニードルスプリング１２が備えられている。

背圧室１０ｃは、背圧制御バルブ１３を介して上記低圧燃料通路７に連通可能とされている。背圧制御バルブ１３は、その背面側が環状の上側バルブシート部１０ｅに着座することで低圧燃料通路７と背圧室１０ｃとを遮断し、ボディ１０の先端側へ変位することで低圧燃料通路７と背圧室１０ｃとを連通させる。さらにボディ先端側へ変位して背圧制御バルブ１３のボディ１０先端側が環状の下側バルブシート部１０ｇに着座すると、背圧制御バルブ１３が収容されている弁室と高圧燃料通路６とは背圧制御バルブ１３により遮断される。但し、弁室と背圧室１０ｃとはオリフィス１０ｈを介して常時連通している。

背圧制御バルブ１３のうち上側バルブシート部１０ｅ側は、プレッシャピン１４を介して小径ピストン１５と連結されている。小径ピストン１５の後部側は、小径ピストン１５よりも径の大きな大径ピストン１６の先端と対向している。そして、小径ピストン１５、大径ピストン１６、及びボディ１０の内周面によって変位伝達室１０ｆが区画形成されている。変位伝達室１０ｆには、例えば燃料等の適宜の流体が充填されている。一方、大径ピストン１６は、そのボディ１０の後方側がピエゾ素子ＰＥと連結されている。ちなみに、ピエゾ素子ＰＥは、大径ピストン１６と対向する側の裏面側がボディ１０に固定されている。なお、特許請求の範囲に記載の「開閉機構」は、ノズルニードル１１、ニードルスプリング１２、背圧制御バルブ１３、プレッシャピン１４、小径ピストン１５、大径ピストン１６等に相当する。

ピエゾ素子ＰＥは、複数の圧電素子が積層されてなる積層体（ピエゾスタック）を備え、これが逆圧電効果により伸縮することによりアクチュエータとして機能する。具体的には、ピエゾ素子ＰＥは、容量性の負荷であり、充電されることで伸長し、放電されることで縮小する。ちなみに、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥは、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。

ピエゾ素子ＰＥへ電流が供給されずピエゾ素子ＰＥが収縮状態にあるときには、高圧燃料通路６の高圧燃料により力が及ぼされることから、背圧制御バルブ１３や小径ピストン１５はボディ１０の後方に位置することとなる。このとき、背圧制御バルブ１３により背圧室１０ｃと低圧燃料通路７とは遮断されている。このため、背圧室１０ｃ内の燃料の圧力（コモンレール５内の燃料の圧力）及びニードルスプリング１２の弾性力によって、ノズルニードル１１は、ボディ１０先端側へと押されてニードルシート部１０ｂに着座した状態(閉弁状態)となる。

一方、ピエゾ素子ＰＥに電流が供給されることでピエゾ素子ＰＥが伸長状態となると、背圧制御バルブ１３はボディ１０の先端側へ移動する。これにより、背圧室１０ｃが低圧燃料通路７と連通される。その結果、背圧室１０ｃ内の燃料の圧力が低下し、ニードル収納部１０ａ内の高圧燃料がノズルニードル１１をボディ１０の後方へ押す力Ｆ１が大きくなる。そして、背圧室１０ｃ内の燃料及びニードルスプリング１２がノズルニードル１１をボディ１０の前方へ押す力Ｆ２よりも、前記後方へ押す力Ｆ１が所定以上大きくなると、ノズルニードル１１はニードルシート部１０ｂから離脱した状態（開弁状態）となり、開状態となった噴射口１０ｉから高圧燃料通路６の燃料が噴射されることとなる。

先の図１に示したエンジンシステムは、コモンレール５内の燃圧（レール圧ＰＣ）を検出する燃圧センサ５ａや、ディーゼル機関の出力軸の回転角度を検出するクランク角センサ２０ａ等、ディーゼル機関の運転状態を検出する各種センサや、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ２０ｂを備えている。

これら各種センサの検出結果は制御ユニット２０に取り込まれる。制御ユニット２０では、こうした検出値に基づき、ピエゾインジェクタＰＩや燃料調量弁４等、ディーゼル機関の各種アクチュエータを操作する。特に制御ユニット２０では、上記各種センサの検出値に基づきピエゾインジェクタＰＩを操作することで、燃料噴射制御を行う。

次に、図３に基づき制御ユニット２０の構成と作動概略について説明する。

制御ユニット２０が有するマイクロコンピュータ２１は、アクセルセンサ２０ｂによって検出されるアクセルペダルの操作量とクランク角センサ２０ａの検出値から定まる出力軸の回転速度とに基づき、ディーゼル機関の出力トルクの要求を満たす要求噴射量を算出する。そして、算出した要求噴射量と燃圧センサ５ａの検出値とに基づき、ピエゾインジェクタＰＩに対する噴射指令値（指令噴射期間）をマップ演算し、その指令値に応じた駆動信号IJTを制御ＩＣ２２に出力する。

制御ＩＣ２２は、入力された駆動信号IJTに基づき駆動回路２３を制御することで、ピエゾインジェクタＰＩへの電力供給状態（つまり、ピエゾインジェクタＰＩへの充放電）を制御する。これにより、要求噴射量の燃料を所望のタイミングで噴射するようピエゾインジェクタＰＩが伸縮し、ピエゾインジェクタＰＩから噴射される燃料の噴射量、噴射時期及び噴射段等の噴射形態が制御される。

駆動回路２３からＡＤコンバータ及びＤＳＰ２４には各種検出信号が入力され、当該検出信号は、ＡＤコンバータ及びＤＳＰ２４にて入力処理等がなされた後、マイクロコンピュータ２１及び制御ＩＣ２２に送信される。

ピエゾインジェクタＰＩには、噴射特性や静電容量その他の各種個体差があり、このような固有の特性は、車両を市場に出荷する前の製造工程時にて予め計測されている。そして、夫々のピエゾインジェクタＰＩが同じように作動するよう調整された調整データを含む個体情報が、ＱＲコード１０ｊ（記憶手段）に記憶され、当該ＱＲコード１０ｊはピエゾインジェクタＰＩに印字されている。なお、ＱＲコード１０ｊ以外の記憶手段としてはＩＣメモリ及び補正抵抗器等が挙げられる。

ＱＲコード１０ｊに記憶された個体情報は、エンジンの製造工程やサービス店においてＱＲコードリーダ３０によって読み取られ、外部ツール３１によって制御ユニット２０内のＥＥＰＲＯＭ２５に書き込まれる。マイクロコンピュータ２１では、上述の如く噴射指令値を算出するにあたり、ＥＥＰＲＯＭ２５に書き込まれた個体情報等を用いて、マップ演算により得られた噴射指令値を補正する。

次に、図４に基づき駆動回路２３の構成とその回路動作について説明する。

多気筒エンジンに適用された本実施形態では、ピエゾインジェクタＰＩが複数個並列に接続され、噴射する気筒のピエゾインジェクタＰＩが選択スイッチで選択されるように構成される。図４ではこの選択スイッチの図示を省略している。

駆動回路２３は、バッテリＢａの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子ＰＥを充電するための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧するＤＣＤＣコンバータ（昇圧回路）を備えている。このＤＣＤＣコンバータは、昇圧コイルＬ１、昇圧スイッチＳＷ３、整流ダイオードＤ３及びバッファコンデンサＣ１から構成されている。制御ＩＣ２２により昇圧スイッチＳＷ３をＯＮ−ＯＦＦさせることで、昇圧コイルＬ１により昇圧された高電圧で、ピエゾ素子ＰＥに供給するための電荷をバッファコンデンサＣ１に蓄えさせる。ちなみに、バッファコンデンサＣ１は、ピエゾ素子ＰＥへの１回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しない容量（例えば「３０μＦ〜数１００μＦ」程度）を有するものであることが望ましい。

なお、バッファコンデンサＣ１の接地側にはシャント抵抗Ｒ１が設けられており、シャント抵抗Ｒ１での電圧を制御ＩＣ２２が取り込む。これにより、制御ＩＣ２２は、バッファコンデンサＣ１の充電・放電に伴い流れた電流を検出している。

ピエゾ素子ＰＥは電気的には容量性負荷であるため、バッファコンデンサＣ１の電荷をピエゾ素子ＰＥに供給して充電させると、ピエゾ素子ＰＥは伸長駆動して燃料を噴射させることとなる。また、ピエゾ素子ＰＥに蓄えられた電荷を放電させると、ピエゾ素子ＰＥは縮小駆動して燃料噴射を停止させることとなる。以下、本実施形態にかかるピエゾ素子ＰＥの変位量制御、つまり充電処理及び放電処理を行った時の回路動作について詳述する。

（充電処理時の回路動作）
マイクロコンピュータ２１から上記駆動信号IJTが制御ＩＣ２２に入力されることで、制御ＩＣ２２は、充電スイッチＳＷ１のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、後述するトリガ信号TRGGの立ち上がりエッジをトリガとして充電スイッチＳＷ１がオン操作されると、バッファコンデンサＣ１、充電スイッチＳＷ１、充放電コイルＬ２、ピエゾ素子ＰＥからなる閉ループ回路が形成される。これにより、バッファコンデンサＣ１の電荷がピエゾ素子ＰＥに充電される。このとき、ピエゾ素子ＰＥを介して流れる電流（以下、「ピエゾ電流」と呼ぶ）の量が漸増する（電流量の漸増操作）。

そして、シャント抵抗Ｒ１を流れた電流の積分値、つまりバッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥへ放出された電荷Ｑin（移動電荷計測値）が、予め設定された閾値Ｑth（図５（ｂ）参照）を超えると、充電スイッチＳＷ１をオフ操作する。したがって、実際の投入電荷Ｑinの挙動は、図５（ｂ）中の実線とはならず、閾値Ｑth以下に制限された挙動となる。

一方、充電スイッチＳＷ１のオン操作の後、先述の閾値Ｑthに基づき充電スイッチＳＷ１がオフ操作されることで、充放電コイルＬ２、ピエゾ素子ＰＥ、還流ダイオードＤ２からなる閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイルＬ２のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子ＰＥに充電される。このとき、ピエゾ電流量が漸減する（電流量の漸減操作）。そして、次のトリガ信号TRGGの立ち上がりエッジをトリガとして、充電スイッチＳＷ１を再度オン操作する。

以上により、上記態様にて充電スイッチＳＷ１が操作されると、ピエゾ素子ＰＥが充電され、ピエゾ素子ＰＥの高電位となる端子側の電位（以下、「ピエゾ電圧」と呼ぶ）が上昇する。具体的には、図５（ｃ）の如く充電スイッチＳＷ１をオン・オフ操作すると、図５（ｅ）の如くピエゾ電流の上昇と下降が複数回繰り返し行われ、図５（ｆ）の如くピエゾ電圧が段階的に上昇する。

（放電処理時の回路動作）
マイクロコンピュータ２１からの駆動信号IJTが反転すると、制御ＩＣ２２は、放電スイッチＳＷ２のオン・オフ操作によるチョッパ制御を開始する。具体的には、駆動信号IJTの立ち下がりエッジをトリガとして放電スイッチＳＷ２がオン操作されることで、ピエゾ素子ＰＥ、充放電コイルＬ２、放電スイッチＳＷ２によって閉ループ回路が形成される。これにより、ピエゾ素子ＰＥが放電される。このとき、ピエゾ電流量が漸減する（電流量の漸減操作）。そして、ピエゾ電流が閾値Ｉth1より下がると、放電スイッチＳＷ２をオフ操作する。

一方、放電スイッチＳＷ２のオン操作の後、先述の閾値Ｉth1に基づき放電スイッチＳＷ２がオフ操作されることで、ピエゾ素子ＰＥ、充放電コイルＬ２、回収ダイオードＤ１、バッファコンデンサＣ１によって閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイルＬ２のフライホイールエネルギがバッファコンデンサＣ１に回収される。このとき、ピエゾ電流の放電量が漸増する（電流量の漸増操作）。そして、ピエゾ電流が閾値Ｉth2より上がると、放電スイッチＳＷ２を再度オン操作する。

以上により、上記態様にて放電スイッチＳＷ２が操作されると、ピエゾ素子ＰＥが放電されてピエゾ電圧が下降する。具体的には、図５（ｄ）の如く充電スイッチＳＷ２をオン・オフ操作すると、図５（ｅ）の如くピエゾ電流（駆動電流）の上昇と下降が複数回繰り返し行われ、図５（ｆ）の如くピエゾ電圧が段階的に下降する。そして、充放電コイルＬ２の両端電圧がゼロとなると電流の流れが終了する。なお、クランプダイオードＤ４は、ピエゾ電圧が負電圧になるのを防止するものである。

次に、図５、図６及び図７を用いて、制御ＩＣ２２による充電処理及び放電処理の手順を説明する。図５に示すタイミングチャートのうち、（ａ）は駆動信号IJTのオン・オフ変化、（ｂ）はシャント抵抗Ｒ１を流れた電荷量Ｑactの変化、（ｃ）は充電スイッチＳＷ１のオン・オフ変化、（ｄ）は放電スイッチのオン・オフ変化、（ｅ）はピエゾ電流の変化、（ｆ）はピエゾ電圧の変化を示す。図６は、制御ＩＣ２２が上述の充電処理を行う時の処理手順を示すフローチャートである。図７は、充電処理に用いる閾値Ｑth及びトリガ信号TRGGを算出するよう機能する時の、制御ＩＣ２２のブロック図である。

（充電処理の制御手順）
先ず、図６のステップＳ１において、マイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ入力されている駆動信号IJTがオン状態であるか否かを判定する。駆動信号IJTがオン状態になり駆動信号IJTの立ち上がりエッジ（図５（ａ）中の符号ｔ１参照）を検出すると（Ｓ１：ＹＥＳ）、続くステップＳ２において放電スイッチＳＷ２をオフにする（この処置の理由については後述する）と同時に、ステップＳ３において、図７に示すブロックＢ９のデータに基づきトリガ信号TRGGを生成する。

このトリガ信号TRGGは、充電スイッチＳＷ１のオンタイミングを決定するための信号であり、トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジで充電スイッチＳＷ１がオンする。つまり、ブロックＢ９に記憶されているデータは、１回の充電期間（図５に示すｔ１〜ｔ５の期間）における充電スイッチＳＷ１のオンタイミングをスケジューリングしているデータと言える。本実施形態のブロックＢ９のデータは、等間隔の周期で充電スイッチＳＷ１をオンさせるようにスケジューリングしているが、不等間隔の周期であっても構わない。１回の充電では少なくとも３回以上充電スイッチＳＷ１をオンさせている。なお、ブロックＢ９のデータは、イニシャライズ時にマイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ転送されたデータであり、マイクロコンピュータ２１からのクロック信号timeに基づいてトリガ信号TRGGは生成される。

続くステップＳ４では、ステップＳ３にて生成したトリガ信号TRGGがオン状態であるか否かを判定する。トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジ（図５（ｃ）参照）が検出されてトリガ信号TRGGがオン状態になると（Ｓ４：ＹＥＳ）、続くステップＳ５において充電スイッチＳＷ１をオンにする。

続くステップＳ６では、後に詳述するブロックＢ１〜Ｂ１２により、先述の閾値Ｑth（図５（ｂ）参照）を算出する。続くステップＳ７では、シャント抵抗Ｒ１を流れる電流を積分して得られた投入電荷Ｑinが、ステップＳ６にて算出した電荷の閾値Ｑthを超えたか否かを判定する。投入電荷Ｑinが閾値Ｑthを超えたと判定された場合（Ｓ７：ＹＥＳ）には、続くステップＳ８にて充電スイッチＳＷ１をオフさせる。

続くステップＳ９では、駆動信号IJTのオン立ち上がり時点ｔ１（図５（ａ）参照）から所定時間が経過してｔ５時点に達したか否かが判定される。ステップＳ３〜Ｓ８による充電スイッチＳＷ１のオン・オフが繰り返された後、ｔ５に達した時点（Ｓ９：ＹＥＳ）で、図６に示す一連の充電処理を終了する。但し、ｔ５に達していなかったとしても、ブロックＢ９のトリガ信号TRGGのオン生成が終了していれば、ｔ５よりも前の時点ｔ４で充電処理は終了していることになる。なお、シャント抵抗Ｒ１を流れた電流を積分器で積分演算して得られた投入電荷Ｑinの値は、トリガ信号TRGGの立ち上がりエッジ時点ｔ１又は所定時間経過時点ｔ５に積分器がリセットされることによりゼロとなる。

（放電処理の制御手順）
マイクロコンピュータ２１から制御ＩＣ２２へ入力されている駆動信号IJTがオフになると、その時点ｔ６から放電処理を開始し、放電処理開始から所定時間が経過してｔ８時点に達すると放電処理を終了する。より詳細に説明すると、先ずｔ６時点にて駆動信号IJTの立ち下がりエッジを検出すると、放電スイッチＳＷ２をオンさせる（図５（ｄ）参照）。放電スイッチＳＷ２のオンに伴いピエゾ電流（シャント抵抗は図示せず）が下降して電流閾値Ｉth1よりも低くなると（図５（ｅ）参照）、放電スイッチＳＷ２をオフさせる。

その後、放電スイッチＳＷ２のオフに伴いピエゾ電流が上昇して電流閾値Ｉth2よりも高くなると、放電スイッチＳＷ２を再びオンさせる。このように放電スイッチＳＷ２のオン・オフを繰り返してピエゾ素子ＰＥの電荷を放電することで、ピエゾ電圧が徐々に降下していく（図５（ｆ）参照）。ある程度までピエゾ電圧が降下すると、充放電コイルＬ１の両端電位差が少なくなるため、ピエゾ電流が閾値Ｉth1を越えるほどには低下しなくなる。そこで、放電スイッチＳＷ２のオン時間が所定時間を経過した場合には、放電スイッチＳＷ２を強制的にオフさせることで、スイッチングを可能にしている。

放電処理の終了時点ｔ８でピエゾ素子ＰＥに残ってしまう残電荷は、その終了時点ｔ８で放電スイッチＳＷ２をオンしたままにすることで、完全に電荷を放電させる。したがって、次回に駆動信号IJTの入力があったときには、図６のステップＳ２で説明したように、まず放電スイッチＳＷ２をオフさせる。

（閾値Ｑthの算出手順）
ところで、バッファコンデンサＣ１から放出されるエネルギは、エネルギ保存則にしたがってピエゾ素子ＰＥに充電される。したがって、充電エネルギＥは、バッファコンデンサＣ１の放出エネルギと同じであると言えるため、次の式２で算出することができる。なお、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥに流れるバッファコンデンサ電流をＩC1、バッファコンデンサ電圧をＶC1とする。
Ｅ＝∫（ＶC1×ＩC1）ｄｔ…（式２）。

そして、先述の如く、バッファコンデンサＣ１の容量は、ピエゾ素子ＰＥへの１回の充電処理によってはその電圧がほとんど変化しない容量に設定されているため、バッファコンデンサ電圧ＶC1は略一定であると言える。よって、上記式２は次の式３に変形できる。
Ｅ＝ＶC1×∫ＩC1ｄｔ…（式３）。

式３中のｄｔは充電スイッチＳＷ１のオン時間であるため、式３中の∫ＩC1ｄｔの項は、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥに流れる投入電荷Ｑinであると言える。つまり、上記式３は次の式４に変形できる。
Ｅ＝ＶC1×Ｑin…（式４）。

式４中のバッファコンデンサ電圧ＶC1は略一定であるため、充電エネルギＥは投入電荷Ｑinにより一義的に決定される値であると言える。したがって、バッファコンデンサＣ１からピエゾ素子ＰＥへ放出される投入電荷Ｑinを閾値Ｑthにより制御するということは、ピエゾ素子ＰＥへの充電エネルギを制御していると言える。そのため、シャント抵抗Ｒ１にてバッファコンデンサ電流ＩC1を検出すれば、エネルギは実際に計測しなくとも充電エネルギＥを容易に把握することができる。

以上の点を鑑み、本実施形態では充電処理で用いる閾値Ｑthを次の如く算出している。つまり、図６の充電処理では、ｔ１〜ｔ５による１回の充電によりピエゾ素子ＰＥに投入される充電エネルギＥが目標エネルギＥtrgとなるよう、充電スイッチＳＷ１のオン・オフ作動をオープン制御している。目標エネルギEtrgは、主にレール圧ＰＣに基づき算出されるとともに、さらにはピエゾインジェクタＰＩの個体情報及び温度特性等に基づき補正される。そして、１回の充電量が目標エネルギＥtrgとなるよう閾値Ｑthを算出している。

閾値Ｑthの算出手法を、図７のブロックＢ１〜Ｂ１２を用いてより具体的に説明すると、先ずブロックＢ１において、レール圧ＰＣ及びピエゾインジェクタＰＩの個体情報に基づき、マップを用いて目標エネルギＥtrgに対するベース値Ｅbasを算出する。ピエゾ素子ＰＥの伸長力が高圧燃料から背圧制御バルブ１３が受ける力を上回った時点で開弁作動を開始することは前述した通りである。そのため、図１０に示すように、レール圧ＰＣが高いほど開弁作動開始に必要な伸長力は大きくなる。したがって、レール圧ＰＣの所定領域においては、レール圧ＰＣが高いほどベース値Ｅbasを高く設定している。また、ピエゾインジェクタＰＩの個体差に応じてレール圧ＰＣに対するベース値Ｅbasの値を変更させている。

なお、ブロックＢ１，Ｂ５等で用いる個体差情報は、車両を市場に出荷する前の製造工程時にて予め計測しておき、先述したＱＲコード１０ｊに記憶させておくことが望ましいが、車両運転中に各種検出値に基づき推定するようにしてもよい。

ピエゾインジェクタＰＩの伸長量は、充電エネルギＥが同じであってもその時のピエゾ素子温度ＴＰ’によって異なる。そこで、ブロックＢ６ではピエゾ素子温度ＴＰ’に基づきマップを用いて補正量ΔＥを算出し、ブロックＢ２では、補正量ΔＥをベース値Ｅbasに加算することで目標エネルギＥtrgを算出する。

ブロックＢ６で用いるピエゾ素子温度ＴＰ’は、ブロックＢ４，Ｂ５において、別途算出されたピエゾ素子ＰＥの容量Ｃｐ及びピエゾインジェクタＰＩの固体情報に基づき、マップを用いて推定される。具体的には、ピエゾ容量Ｃｐは温度に依存して変化する特性があるため、ピエゾ容量Ｃｐに基づきピエゾ素子温度ＴＰをブロックＢ４にて推定することができる。ここで用いるピエゾ容量Ｃｐに、後述する図８の処理にて算出された静電容量Ｃｄを適用してもよい。ブロックＢ４にて推定されたピエゾ素子温度ＴＰは、ピエゾインジェクタＰＩの個体情報による値がブロックＢ５にて乗算されることで補正される。

閾値Ｑthを制御することで充電エネルギＥを制御することは上述した通りである。そこでブロックＢ３，Ｂ７，Ｂ８では、ブロックＢ２で算出した目標エネルギＥtrgを、図６のステップＳ７の処理で用いる閾値Ｑthに変換する。具体的には、閾値Ｑthに対するベース値ＱbasをブロックＢ７で決定し、目標エネルギＥtrgに基づきマップを用いてゲインＫgainをブロックＢ３で算出する。そして、ブロックＢ８においてベース値ＱbasにゲインＫgainを乗算することで、閾値Ｑthを算出する。

また、本実施形態では、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅから離脱する開弁作動開始タイミング（以下、「開弁時刻」と呼ぶ）を算出する手段（後に詳述する）を備えている。そして、算出した開弁時刻とその目標時刻との偏差に応じて、目標エネルギＥtrgに対するベース値Ｅbasを補正するフィードバック制御を行っている。

このフィードバック制御を実行するため、制御ＩＣ２２（仮想電圧推定手段、実電圧計測手段、算出手段）ブロックＢ１０，Ｂ１１，Ｂ１２により以下の制御を行う。先ずブロックＢ１０では、算出した開弁時刻ｔopenとその目標時刻Ｔtrgとの偏差を算出する。ブロックＢ１１では、ブロックＢ１０にて算出した偏差に基づきマップを用いて補正量ΔＥ２を算出する。ブロックＢ１１のマップでは、算出した開弁時刻ｔopenが目標時刻Ｔtrgに対して遅いほど、目標エネルギＥtrgを増大させるように補正量ΔＥ２を設定している。なお、偏差の値がゼロ近傍であれば補正量ΔＥ２をゼロとするとともに、補正量ΔＥ２に上限及び下限を設けている。

ブロックＢ２では、ブロックＢ１１にて算出した補正量ΔＥ２をブロックＢ１２にて積分演算した値と、ブロックＢ６で算出された補正量ΔＥとを、ブロックＢ１にて算出したベース値Ｅbasに加算することで、最終的な目標エネルギＥtrgを算出する。

ここで、背圧制御バルブ１３の挙動状態（詳細は後述する）を検出できれば、噴射口１０ｉからの燃料噴射状態を正確に把握できる。そこで本実施形態では、検出した挙動状態が目標状態となるよう制御ＩＣ２２により駆動回路２３をフィードバック制御する。背圧制御バルブ１３の挙動状態は、小径ピストン１５及び大径ピストン１６等を介して背圧制御バルブ１３からピエゾ素子ＰＥが受ける荷重Ｆ（反力）や、ピエゾ素子ＰＥの変位Ｚ（リフト量）と相関がある（詳細は後述する）。この点を鑑み本実施形態では、ＤＳＰ２４を用いて荷重Ｆ及び変位Ｚを算出している。

以下、ピエゾ素子ＰＥにかかる荷重Ｆ及び変位ＺのＤＳＰ２４による算出手順を説明する。まず図８に示すブロック図の処理では、荷重Ｆ及び変位Ｚを算出するために必要な値である投入電荷Ｑin及び静電容量Ｃの算出を行っている。

すなわち、図８のブロックＢ２０では、シャント抵抗Ｒ１にて検出された電流Ｉを積分演算することで、バッファコンデンサＣ１を出入りする電荷、つまりピエゾ素子ＰＥに投入される投入電荷Ｑinを演算する。

ブロックＢ３０では、図７のブロックＢ２にて算出した目標エネルギＥtrg及びピエゾ電圧の検出値Ｖ（実電圧）に基づき、時々の瞬時ピエゾ容量Ｃｐを算出する。当該算出では、前述の式４（Ｅtrg＝１／２×Ｃｐ×Ｖ²）による演算式を用いて算出してもよいし、マップを用いて算出してもよい。

図９は、ピエゾ素子ＰＥへの通電開始からの経過時間に対するピエゾ容量Ｃｐの変化を示す試験データであり、通電開始から所定時間が経過してピエゾ素子ＰＥへの充電が完了するまでは、ピエゾ容量Ｃｐの値が不安定であることを示す。そこでブロック３２では、ピエゾ素子ＰＥへの充電が完了した後の所定期間Ｔ１０において、ブロックＢ３０にて算出された瞬時ピエゾ容量Ｃｐを平均化処理する、或いはピークホールドする。これにより、ピエゾ素子ＰＥの静電容量Ｃｄを算出する。

なお、ブロックＢ３１の切り替え作動により、ブロックＢ３２により算出した静電容量Ｃｄに替えて、ブロックＢ３０にて算出した瞬時ピエゾ容量Ｃｐをピエゾ素子ＰＥの静電容量値として出力してもよい。

また、ブロックＢ３３の切り替え作動により、ブロックＢ３０で用いる目標エネルギＥtrgに替えて、実際にピエゾ素子ＰＥに投入された充電エネルギを算出するようにしてもよい。具体的には、ブロックＢ３４において、シャント抵抗Ｒ１にて検出された電流Ｉとピエゾ電圧の検出値Ｖとを乗算処理し、その乗算値をブロックＢ３５において積分処理することで、充電エネルギの実際の値を検出する。

次に、図１０に示すブロック図の処理では、図８の処理により算出されたピエゾ素子ＰＥへの投入電荷Ｑin及び静電容量Ｃｄの値を用いて、荷重Ｆ及び変位Ｚの算出を行う。

ピエゾ素子ＰＥへの充電時にはピエゾ電圧が上昇するが、この充電時に、ピエゾ素子ＰＥが背圧制御バルブ１３から荷重Ｆを受けていない無負荷状態であったならば取りうるであろうピエゾ電圧を仮想電圧Ｖ0と呼ぶ。図１０のブロックＢ４０では、図８のブロックＢ２０にて算出された投入電荷Ｑinに基づき前記仮想電圧Ｖ0を推定する。具体的には、投入電荷Ｑinと仮想電圧Ｖ0との関係を示す演算式又はマップを用いて算出する。また、先述した通り、投入電荷Ｑinに対してピエゾ電圧はヒステリシスを描くため、投入Ｑinと仮想電圧Ｖ0との関係は、充電時には線形性があるのに対し放電時には非線形となる（図１１参照）。そこで、ブロックＢ４０で用いる上記演算式又はマップは、図１１に示すように充電時と放電時とで異なる仮想電圧Ｖ0となるよう設定されている。

なお、これらの演算式又はマップは、ピエゾインジェクタＰＩに搭載されていない単体のピエゾ素子ＰＥについて、ピエゾ素子ＰＥに負荷がかからない無負荷状態で充電する試験を予め行い、その時のピエゾ素子ＰＥに生じた電圧（仮想電圧Ｖ0）と投入電荷Ｑinとの関係に基づき設定されている。

ピエゾ素子ＰＥは温度特性が大きく、ピエゾ素子ＰＥの温度によって静電容量が変化する。そこでブロックＢ４１では、ブロックＢ３０等にて算出した静電容量Ｃｄに基づきマップ又は演算式を用いて温度補正係数Ｋｃを算出し、ブロックＢ４２では、その温度補正係数Ｋｃを仮想電圧Ｖ0に乗算することで仮想電圧Ｖ0を補正する。

ブロックＢ４３では、ピエゾ電圧の検出値Ｖから補正後の仮想電圧Ｖ0’を差し引いて電圧差ΔＶを算出する減算処理を行う。図１２（ａ）中の実線は、充電を開始してから終了するまでのピエゾ素子の実電圧Ｖの変化を示しており、この実電圧Ｖには、無負荷状態でピエゾ素子ＰＥを伸縮させることに伴う電圧、つまり図１２（ａ）中の点線に示す仮想電圧Ｖ0’が含まれている。よって、充放電期間中に算出された電圧差ΔＶの積分値は、図１２（ａ）中の斜線を付した面積に相当する。したがって、電圧差ΔＶは、荷重Ｆとの相関性のない仮想電圧Ｖ0’が切り離され、荷重Ｆと相関性の高いピエゾ電圧を表していると言える。

ブロックＢ４４（荷重係数算出手段）では、静電容量Ｃｄとピエゾ素子ＰＥの圧電定数Ｂとから荷重係数Ｋｂを算出する（Ｋｂ＝Ｂ／Ｃｄ）。荷重Ｆをゼロとした場合において、図１３に示すようにピエゾ電圧Ｖが高くなることに比例してピエゾ変位Ｚは大きくなる。この時の比例定数が前記圧電定数Ｂに相当する。

ブロックＢ４５では、ブロックＢ４３にて算出した電圧差ΔＶ及びブロックＢ４４にて算出した荷重係数Ｋｂに基づき、ピエゾ荷重Ｆを算出する。電圧差ΔＶが大きくなることに比例して荷重Ｆは大きくなる。この時の比例定数が前記荷重係数Ｋｂに相当する。なお、ピエゾ素子ＰＥが充電により伸長する前から予めかかっているプリセット荷重を考慮して荷重Ｆを算出する場合には、ブロックＢ４５にて算出した荷重Ｆに予め計測したプリセット荷重の値を加算すれば良い。充放電に伴い変化する実際のピエゾ荷重Ｆの変化を図１２（ｂ）に示す。

ブロックＢ４６（無負荷変位推定手段）では、図８のブロックＢ２０にて算出された投入電荷Ｑin及びブロックＢ４４にて算出した荷重係数Ｋｂに基づき、無負荷状態であったならば取りうるであろうピエゾ素子ＰＥの変位を、無負荷変位Ｚ0として推定する。投入電荷Ｑinが大きくなることに比例して無負荷変位Ｚ0は大きくなる。この時の比例定数が前記荷重係数Ｋｂに相当する。

ブロックＢ４７では定数Ｋａを取得する。この定数Ｋａは圧電方程式Ｚ＝Ａ×Ｆ＋Ｂ×ＶのＡに相当する定数で、ピエゾ素子ＰＥの剛性を表す。本実施形態では、この剛性は温度による依存性は比較的少ないため固定定数としているが、種々のパラメータで定数Ｋａを補正することにより、更に精度を向上させた定数Ｋａ’を算出するようにしてもよい。なお、ピエゾ電圧Ｖが一定である場合において、図１３に示すようにピエゾ荷重Ｆが高くなることに比例してピエゾ変位Ｚは小さくなる。この時の比例定数Ａが前記定数Ｋａに相当する。

ブロックＢ４８（負荷変位算出手段）では、ブロックＢ４５にて算出した荷重Ｆに定数Ｋａを乗算することで、荷重Ｆに関与する負荷変位Ｚfを算出する。そして、ブロックＢ４９において、ブロックＢ４６にて算出した無負荷変位Ｚ0に負荷変位Ｚfを加算することで、ピエゾ変位Ｚを算出する。充放電に伴い変化する実際のピエゾ変位Ｚの変化を図１２（ｃ）に示す。

本実施形態では、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、時々刻々とＤＳＰ２４により図８及び図１０に示す演算を所定周期（例えばＤＳＰ２４の演算周期）で繰り返し実行しているが、必要な時期の荷重Ｆや変位Ｚを算出するよう、必要な時期のみ上記演算を実行するようにしてもよい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）ピエゾ荷重Ｆによりピエゾ素子ＰＥ内部では圧電効果による電荷Ｑroadが発生する。この電荷Ｑroadはピエゾ荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚと比例関係にあるため、電圧差ΔＶ（Ｖroad）もピエゾ荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚに比例する。要するに、実電圧Ｖは、荷重Ｆによる圧電効果の影響を受けない仮想電圧Ｖ0を含んでいるため、荷重Ｆとの相関性が低い。一方、電圧差ΔＶは、そのような仮想電圧Ｖ0が切り離された値であるため、荷重Ｆとの相関性が高い。この点に着目した本実施形態では、このような電圧差ΔＶに基づき荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚを算出するので、その荷重Ｆ及び変位Ｚを正確に推定できる。

（２）本実施形態では図８のブロックＢ３０において、ピエゾ素子ＰＥへ投入する充電エネルギＥ（目標エネルギＥtrg）とその投入に伴い生じたピエゾ電圧とに基づき静電容量Ｃｐ，Ｃｄを算出する。そのため、ピエゾ素子内部にて圧電効果により生じる電荷Ｑroadとは無関係に先述の式４（Ｅ＝１／２×Ｃ×Ｖ²）にしたがって静電容量Ｃｐ，Ｃｄを算出できるので、静電容量Ｃｐ，Ｃｄを正確に算出できる。

（３）本実施形態では、投入電荷Ｑinに対するピエゾ電圧Ｖの値がヒステリシスを描く（図１１参照）ことに鑑みて、ブロックＢ４０において投入電荷Ｑinに基づき仮想電圧Ｖ0を推定するにあたり、充電時には、投入電荷Ｑinとピエゾ電圧Ｖとが線形性を有する関係にあることに基づき仮想電圧Ｖ0を推定し、放電時には非線形性の関係にあることに基づき仮想電圧Ｖ0を推定する。よって、仮想電圧Ｖ0を正確に推定できる。

（４）ピエゾ素子ＰＥの静電容量は温度に応じて変化するものである。そして、同じ電圧差ΔＶであってもその時のピエゾ素子温度（静電容量）によって仮想電圧Ｖ0は異なる値となる。この点を鑑み本実施形態では、図８の処理により算出した静電容量Ｃｄに基づき、ブロックＢ４０で推定した仮想電圧Ｖ0を補正する。よって、ピエゾ素子ＰＥの温度特性に応じて仮想電圧Ｖ0を推定でき、仮想電圧Ｖ0の推定精度をより一層向上できる。

次に、上述の如く算出されたピエゾ荷重Ｆやピエゾ変位Ｚを用いて、制御ＩＣ２２により駆動回路２３をフィードバック制御する等、ピエゾ荷重Ｆやピエゾ変位Ｚを噴射制御に用いる各種利用実施例（第１〜第１２実施例）を説明する。なお、各実施例によるフィードバック制御は単独で行ってもよいし、任意の複数制御を組み合わせて行ってもよい。以下の説明に用いる図１４の（ａ）は駆動信号IJTのオン・オフ変化、（ｂ）はピエゾ電流の変化、（ｃ）はピエゾ電圧の変化、（ｄ）はピエゾ変位Ｚの変化、（ｅ）はピエゾ荷重Ｆの変化、（ｆ）は背圧制御バルブ１３のリフト量変化をそれぞれ示す。なお、図１４（ｃ）中の点線は仮想電圧Ｖ0を示し、実線は実電圧Ｖを示す。

充放電に伴う背圧制御バルブ１３の挙動を図１４にしたがって説明すると、ｔ１時点から充電を開始してピエゾ素子ＰＥが伸長することに伴い、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅからｔ２時点（上シート離脱時点）で離脱する。その後さらに充電してピエゾ素子ＰＥが伸長することに伴い、背圧制御バルブ１３が下側バルブシート部１０ｇにｔ３時点（下シート着座時点）で着座する。次に、ｔ６時点から放電を開始してピエゾ素子ＰＥが縮小することに伴い、背圧制御バルブ１３が下側バルブシート部１０ｇからｔ７時点で離脱（下シート離脱時点）する。その後放電が完了すると、背圧制御バルブ１３が上側バルブシート部１０ｅにｔ８時点で着座（上シート着座時点）する。

（第１実施例：上シート離脱時点制御１）
算出したピエゾ変位Ｚが予め設定された閾値Ｚth1（図１４（ｄ）参照）を越えた時点を上シート離脱時点ｔ２として検出する。そして、充電スイッチＳＷ１に対して制御ＩＣ２２が出力する駆動信号（図５（ｃ）参照）を、検出した上シート離脱時点ｔ２が目標時刻となるようフィードバック補正する。この補正により、少なくとも目標上シート離脱時刻付近においてピエゾ素子ＰＥに充電される投入電荷Ｑin（図５（ｂ）参照）の増加速度（充電電荷速度）が変更される。目標上シート離脱時刻は、エンジン回転速度やエンジン負荷等のエンジン運転状態によって変更することもできる。

また、本実施例によれば、エンジン制御に関連する異常状態を、以下の各種場合に基づき判定することができる。
・充電電荷速度もしくは充電電荷速度の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・目標上シート離脱時刻又は実際の上シート離脱時点ｔ２での充電量もしくは充電量の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・充電処理完了時点（ｔ４時点）での充電量もしくは充電量の増加量が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・充電開始時点ｔ１から所定時間が経過してもピエゾ変位Ｚが所定の閾値を越えない場合に異常状態であると判定する。

（第２実施例：上シート離脱時点制御２）
上記第１実施例ではピエゾ変位Ｚに基づき上シート離脱時点ｔ２を検出するのに対し、本実施例ではピエゾ荷重Ｆに基づき上シート離脱時点ｔ２を検出する。具体的には、目標上シート離脱時刻を含むその前後の期間Ｔ２０（図１４（ｅ）参照）において、算出したピエゾ荷重Ｆのピークが発生した時点を上シート離脱時点ｔ２として検出する。

上記フィードバック補正及び異常判定については、本実施例においても第１実施例と同様である。また、上記第１実施例における異常判定に加え、本実施例によれば、充電開始時点ｔ１から所定時間が経過してもピエゾ荷重Ｆが所定の閾値を越えない場合に異常状態であると判定できる。

（第３実施例：下シート着座時点制御１）
算出したピエゾ変位Ｚが予め設定された閾値Ｚth2（図１４（ｄ）参照）を越えた時点を下シート着座時点ｔ３として検出する。この下シート着座時点検出の閾値Ｚth2は、前記上シート離脱時点判定の閾値Ｚth1よりも高く設定される。そして、充電スイッチＳＷ１に対して制御ＩＣ２２が出力する駆動信号を、検出した下シート着座時点ｔ３が目標時刻となるようフィードバック補正する。この補正により、少なくとも目標下シート着座時刻付近においてピエゾ素子ＰＥに充電される投入電荷Ｑin（図５（ｂ）参照）の増加速度（充電電荷速度）が変更される。目標下シート着座時刻は、エンジン回転速度やエンジン負荷等のエンジン運転状態によって変更することもできる。また、下シート着座時点ｔ３から所定時間経過後もしくは下シート着座時点ｔ３での充電エネルギ量から、所定充電エネルギ量を更に充電したら充電動作を停止するよう充電スイッチＳＷ１を制御することが望ましい。

また、上記各実施例における異常判定に加え、本実施例によれば、目標下シート離脱時刻又は実際の下シート離脱時点ｔ３での充電量もしくは充電量の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に、異常であると判定できる。

（第４実施例：下シート着座時点制御２）
上記第３実施例ではピエゾ変位Ｚに基づき下シート着座時点ｔ３を検出するのに対し、本実施例ではピエゾ荷重Ｆに基づき下シート着座時点ｔ３を検出する。具体的には、目標下シート着座時刻を含むその前後の期間Ｔ３０（図１４（ｅ）参照）において、算出したピエゾ荷重Ｆのボトムピークが発生した時点を下シート着座時点ｔ３として検出する。

上記フィードバック補正及び異常判定については、本実施例においても第３実施例と同様である。また、上記第３実施例における異常判定に加え、本実施例によれば、第２実施例における期間Ｔ２０のピーク値に比較して、本実施例における期間Ｔ３０のボトムピーク値が所定値以上低くない場合に異常状態であると判定できる。

（第５実施例：下シート面圧制御）
充電処理が完了した時点ｔ４後に検出したピエゾ荷重Ｆを充電後荷重とした場合、この充電後荷重が許容荷重範囲Ｆ１０（図１４（ｅ）参照）に入るように、充電スイッチＳＷ１に対して制御ＩＣ２２が出力する駆動信号をフィードバック補正する。この許容荷重範囲Ｆ１０は、レール圧ＰＣに応じて設定変更させるようにしてもよい。本実施例のフィードバック補正により、次回ピエゾ素子ＰＥに充電される充電エネルギ量が変更されることとなる。そして、その充電エネルギ量もしくは充電エネルギ量の補正値（充電電荷速度の補正値）が予め規定された許容範囲を外れる場合に、エンジン制御に関連する異常状態であると判定できる。

（第６実施例：下シート離脱時点制御１）
算出したピエゾ変位Ｚが予め設定された閾値Ｚth3（図１４（ｄ）参照）未満となった時点を下シート離脱時点ｔ７として検出する。そして、放電スイッチＳＷ２に対して制御ＩＣ２２が出力する駆動信号（図５（ｄ）参照）を、検出した下シート離脱時点ｔ７が目標時刻となるようフィードバック補正する。この補正により、少なくとも目標下シート離脱時刻付近においてピエゾ素子ＰＥから放電される電荷（移動電荷）の増加速度（放電電荷速度）が変更される。目標下シート離脱時刻は、エンジン回転速度やエンジン負荷等のエンジン運転状態によって変更することもできる。

また、本実施例によれば、エンジン制御に関連する異常状態を、以下の各種場合に基づき判定することができる。
・放電電荷速度もしくは放電電荷速度の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・目標下シート離脱時刻又は実際の下シート離脱時点ｔ７での放電量もしくは放電量の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・放電処理完了時点（ｔ８時点）での放電量もしくは放電量の増加量が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・放電開始時点ｔ６から所定時間が経過してもピエゾ変位Ｚが所定の閾値未満とならない場合に異常状態であると判定する。

（第７実施例：下シート離脱時点制御２）
上記第６実施例ではピエゾ変位Ｚに基づき下シート離脱時点ｔ７を検出するのに対し、本実施例ではピエゾ荷重Ｆに基づき下シート離脱時点ｔ７を検出する。具体的には、目標下シート離脱時刻を含むその前後の期間Ｔ４０（図１４（ｅ）参照）において、算出したピエゾ荷重Ｆが閾値Ｆth1未満となった時点を下シート離脱時点ｔ７として検出する。

上記フィードバック補正及び異常判定については、本実施例においても第６実施例と同様である。また、上記第６実施例における異常判定に加え、本実施例によれば、下シート着座時点ｔ３での充電量と比較して、下シート離脱時点ｔ７での充電量が所定値以上低い場合に異常状態であると判定できる。さらに本実施例によれば、放電開始時点ｔ６から所定時間が経過してもピエゾ荷重Ｆが所定の閾値未満とならない場合に異常状態であると判定できる。

（第８実施例：上シート着座時点制御）
算出したピエゾ変位Ｚが予め設定された閾値Ｚth4（図１４（ｄ）参照）未満となった時点を上シート着座時点ｔ８として検出する。この上シート着座時点検出の閾値Ｚth4は、前記下シート離脱時点判定の閾値Ｚth3よりも低く設定される。そして、放電スイッチＳＷ２に対して制御ＩＣ２２が出力する駆動信号を、検出した上シート着座時点ｔ８が目標時刻となるようフィードバック補正する。この補正により、少なくとも目標上シート着座時刻付近においてピエゾ素子ＰＥから放電される電荷（移動電荷）の増加速度（放電電荷速度）が変更される。目標上シート着座時刻は、エンジン回転速度やエンジン負荷等のエンジン運転状態によって変更することもできる。

また、本実施例によれば、エンジン制御に関連する異常状態を、以下の各種場合に基づき判定することができる。
・放電電荷速度もしくは放電電荷速度の補正値が、予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。
・放電開始時点ｔ６から所定時間が経過してもピエゾ変位Ｚが所定の閾値未満とならない場合に異常状態であると判定する。

（第９実施例：充放電傾き制御）
上記各実施例において、検出した時点ｔ２，ｔ３，ｔ７，ｔ８が目標時刻となるようフィードバック補正するにあたり、本実施例では充電量または放電量の傾きを制御する。そして、この充電と放電の傾き、もしくは、充電期間と放電期間が予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。また、ピエゾ素子ＰＥに充電される充電量もしくは充電量の補正値が予め規定された許容範囲を外れる場合に異常状態であると判定する。

（第１０実施例：経年変化量推定）
上シート離脱時点ｔ２、下シート着座時点ｔ３、下シート離脱時点ｔ７の少なくとも一つの時点における充電量に基づき、ピエゾインジェクタＰＩ又はピエゾ素子ＰＥの経年劣化量を推定する。そして、推定した経年変化量が所定値を越えると、ピエゾインジェクタＰＩ又はピエゾ素子ＰＥが異常状態であると判定する。また、推定した経年劣化量が大きいほど、レール圧ＰＣの最大制限値を小さくするよう設定変更する。

（第１１実施例：異常状態検出時の処置）
上記各実施例にて異常状態が判定された場合には、以下の処置を行うことが具体例として挙げられる。
・レール圧ＰＣを非異常時より低く制限する。
・複数気筒のエンジンにおいて、異常が判定された気筒に対応するピエゾインジェクタＰＩの駆動を停止させる。
・燃料ポンプ３からコモンレール５への燃料圧送を停止し、コモンレール５に備えられた図示しない減圧弁を作動させて、レール圧ＰＣを噴射できない圧力まで低下させる。
・制御ユニット２０内のＲＡＭまたはＥＥＰＲＯＭ等に異常内容を記憶させる。これによれば、車載の故障表示装置又は外部ツール３１で、車両運転者や車両修理業者などが異常内容を確認することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下の各実施形態の特徴点をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記実施形態では、ピエゾ荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚの両方を算出しているが、いずれか一方を算出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、充電時及び放電時の両期間においてピエゾ荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚを算出しているが、充電時及び放電時のいずれか一方の期間において算出してもよい。この場合、ブロックＢ４０での仮想電圧Ｖ0算出において、充電時には投入Ｑinと仮想電圧Ｖ0との関係が線形となるよう仮想電圧Ｖ0を算出し、放電時には投入Ｑinと仮想電圧Ｖ0との関係が非線形となるよう仮想電圧Ｖ0を算出する。

・上記実施形態では、駆動回路２３をバッファコンデンサＣ１及び充電スイッチＳＷ１等から構成し、バッファコンデンサＣ１からの電荷放出（ピエゾ素子ＰＥへの充電エネルギ）を１回の充電期間（図５に示すｔ１〜ｔ５の期間）に充電スイッチＳＷ１を複数回オン・オフさせることで制御している。本発明はこのようなマルチスイッチ方式の駆動回路２３に限られるものではなく、例えば、トランスへの一次電流をスイッチング制御することで、トランスの二次電流によりピエゾ素子ＰＥへ充電されるエネルギを制御する方式の駆動回路であってもよい。また、ＬＣ共振回路による複数回のＬＣ共振でピエゾ素子ＰＥへ充電する方式の駆動回路であってもよい。

・上記実施形態では、背圧制御バルブ１３を有するピエゾインジェクタＰＩを採用しているが、ピエゾ素子ＰＥによりノズルニードル１１を直接作動させて噴射口１０ｉを開閉させる直動式のピエゾインジェクタＰＩを採用してもよい。なお、このような直動式の場合には、複数の時刻でのピエゾ変位Ｚや荷重Ｆを目標値に合致するように制御することが挙げられる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの全体構成を示す図。 ピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。 制御ユニット２０の構成を示す図。 駆動回路の構成を示す図。 充電処理及び放電処理を実行した時のタイミングチャート。 充電処理の手順を示すフローチャート。 制御ＩＣのブロック図。 投入電荷Ｑin及び静電容量Ｃの算出を行う、制御ＩＣのブロック図。 ピエゾ素子ＰＥへの通電開始からの経過時間に対するピエゾ容量Ｃｐの変化を示す試験データ。 ピエゾ荷重Ｆ及びピエゾ変位Ｚの算出を行う、制御ＩＣのブロック図。 投入電荷Ｑinとピエゾ電圧との関係を示す図。 （ａ）は実際のピエゾ電圧変化を、（ｂ）は実際のピエゾ荷重の変化を、（ｃ）は実際のピエゾ変位の変化を示す図。 ピエゾ荷重Ｆに対するピエゾ変位Ｚの比例定数Ａ、及びピエゾ電圧Ｖに対するピエゾ変位Ｚの比例定数Ｂを示す図。 背圧制御バルブの挙動を説明するためのタイミングチャート。

符号の説明

１０ｉ…噴射口、１１…ノズルニードル（弁体）、１３…背圧制御バルブ（開閉機構）、Ｂ３０〜Ｂ３５…ピエゾ容量算出手段、Ｂ４０〜Ｂ４９…仮想電圧推定手段、実電圧計測手段、算出手段、無負荷変位推定手段、負荷変位算出手段、ＰＥ…ピエゾ素子、ＰＩ…ピエゾインジェクタ（燃料噴射弁）。

Claims (10)

1. 燃料の噴射口を開閉する開閉機構、及び充放電に伴い伸縮して前記開閉機構を作動させるピエゾ素子を備える燃料噴射弁に適用され、
   前記ピエゾ素子への充放電時に、前記ピエゾ素子が前記開閉機構から外力を受けない無負荷状態であったならば取りうるであろう前記ピエゾ素子の電圧を仮想電圧として推定する仮想電圧推定手段と、
   前記充放電時に、前記ピエゾ素子の実電圧を計測する実電圧計測手段と、
   前記実電圧から前記仮想電圧を差し引いた電圧差に基づき、前記ピエゾ素子の変位又は荷重を算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射弁制御装置。
2. 前記ピエゾ素子に投入した充電エネルギと、その投入に伴い生じた前記ピエゾ素子の電圧とに基づき、前記ピエゾ素子の静電容量を算出するピエゾ容量算出手段を備え、
   前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時に前記ピエゾ素子に出入りする移動電荷の計測値と、前記ピエゾ容量算出手段により算出された静電容量とに基づき、前記仮想電圧を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁制御装置。
3. 前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時のうち充電時における前記仮想電圧を推定する場合には、前記移動電荷計測値と前記仮想電圧とが線形の関係となるよう前記仮想電圧を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁制御装置。
4. 前記仮想電圧推定手段は、前記充放電時のうち放電時における前記仮想電圧を推定する場合には、前記移動電荷計測値と前記仮想電圧とが非線形の関係となるよう前記仮想電圧を推定することを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料噴射弁制御装置。
5. 前記ピエゾ容量算出手段により算出された静電容量と前記ピエゾ素子の圧電定数とから荷重係数を算出する荷重係数算出手段を備え、
   前記算出手段は、前記電圧差及び前記荷重係数に基づき前記ピエゾ素子の荷重を算出することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
6. 前記算出手段は、
   前記充放電時に前記ピエゾ素子に出入りする移動電荷の計測値に基づき、前記無負荷状態であったならば取りうるであろう前記ピエゾ素子の変位を無負荷変位として推定する無負荷変位推定手段と、
   前記電圧差に基づき、前記ピエゾ素子が前記荷重を受けたことによって変化した負荷変位を算出する負荷変位算出手段と、を有するとともに、
   前記無負荷変位に前記負荷変位を加算することにより前記ピエゾ素子の変位を算出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
7. 前記仮想電圧推定手段は、前記ピエゾ素子の温度又はその温度と相関のある物理量に基づき前記仮想電圧を推定することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
8. 前記算出手段により算出された変位又は荷重に基づき、前記ピエゾ素子への通電を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
9. 前記算出手段により算出された変位又は荷重に基づき、前記燃料噴射弁の異常を検出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置。
10. 燃料噴射弁と、請求項１〜９のいずれか１つに記載の燃料噴射弁制御装置と、を備えることを特徴とする燃料噴射弁制御システム。

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