JP3885283B2

JP3885283B2 - 燃料噴射弁の駆動装置

Info

Publication number: JP3885283B2
Application number: JP11952997A
Authority: JP
Inventors: 雅彦勝; 雅彦飯泉; 孝之荒井; 隆福田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2017-05-09
Also published as: JPH10306756A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子または磁歪素子等のアクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を駆動する燃料噴射弁の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁には、印加電圧に応じて体積変化する圧電素子や、磁界の変化に応じて体積変化する磁歪素子を備えたアクチュエータによって針弁（弁体）を開弁作動させるものが知られており、針弁をこれらアクチュエータで駆動することにより、燃料噴射弁の応答性を向上でき、噴射可能範囲が拡大してエンジンの高出力化に対応できるとともに、少量の燃料を安定して噴射することが可能となってエンジンの燃費低減を図ることができる。
【０００３】
このような燃料噴射弁としては、例えば、特開平７−２２９４５７号公報に開示されるものが知られており、アクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータを用いるとともに、針弁の開閉をその前後差圧に基づいて行うようにしたものである。
【０００４】
これについて説明すると、針弁の前後には燃圧室と差圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧力で燃料が導入され、差圧室は燃圧室とオリフィスにより連通されている。針弁背後側の差圧室にはピエゾアクチュエータが設けられており、このピエゾアクチュエータの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。すなわち、ピエゾアクチュエータに予め設定した電圧を印加して、伸長させた状態で針弁前後の燃圧室と差圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。
【０００５】
このとき針弁はリターンスプリングの付勢力により閉弁保持している。この状態からピエゾアクチュエータへの印加電圧を所定の開弁電圧へ変更してピエゾアクチュエータを瞬時に収縮させると、針弁背後の差圧室の容積が拡大する。
【０００６】
同時に、差圧室は針弁前方の燃圧室に対してオリフィスを介して連通しているので、一時的に差圧室の内圧が低下して針弁の前後に開弁方向の圧力差が発生する。これにより針弁はリターンスプリングに抗して開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、ピエゾアクチュエータへ印加する電圧を矩形波によって与えており、また、開弁時の電圧は針弁を確実かつ迅速に開弁させるため、開弁に必要な電圧よりも大きな電圧を与え、敢えてオーバーシュートさせている。そして、開弁期間中はこのオーバーシュートさせた開弁電圧を維持し、閉弁時にはこのオーバーシュートさせた開弁電圧から所定の閉弁電圧へ瞬時に切り換えているため、この結果、開弁期間中はピエゾアクチュエータがオーバーシュートさせた分だけ余分に収縮しており、閉弁時におけるピエゾアクチュエータの伸長動作はその分時間遅れを生じ、針弁が閉弁するまでに時間を要し、燃料噴射弁の応答性能が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、圧電素子や磁歪素子を用いた燃料噴射弁の応答性を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を噴射する噴口と、針弁を閉弁方向に付勢する弾性部材と、圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンと、エンジンの運転状態に応じて前記アクチュエータへ開弁信号と閉弁信号を選択的に送出する制御手段とを備えた燃料噴射弁の駆動装置において、前記制御手段は、開弁状態を維持可能な第１開弁信号と、開弁維持状態よりもさらにアクチュエータを開弁方向へ駆動する第２開弁信号とを予め設定した開弁信号設定手段と、アクチュエータに加わる荷重を検出する荷重センサと、開弁初期には第２開弁信号を選択し、荷重の検出値が開弁維持状態よりも低い開弁開始荷重に相当する所定値となったときに第２開弁信号から第１開弁信号へ切り換える駆動信号切換手段とを備える。
【００１０】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記駆動信号切換手段は、開弁開始から所定の時間が経過するまで第２開弁信号を維持する一方、所定時間経過後に荷重センサによって荷重を検出するタイマを備える。
【００１２】
また、第３の発明は、前記第１の発明において、前記第１開弁信号は、針弁が開弁する期間において、燃圧室と差圧室との差圧によって針弁に作用する開弁方向の付勢力が、弾性部材が発生する付勢力よりも大きい所定値となるよう設定する。
【００１３】
また、第４の発明は、前記第１の発明において、前記制御手段は、前記アクチュエータに加わる荷重を検出する荷重センサと、この検出荷重に基づいて前記第１開弁信号または第２開弁信号を学習補正する学習補正手段とを備える。
【００１４】
また、第５の発明は、前記第４の発明において、前記学習補正手段は、第１開弁信号または第２開弁信号のうちの少なくとも一方が所定値未満となったときに警告を発生する警告手段とを備える。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明は、開弁初期には第２開弁信号によって開弁維持状態よりもさらにアクチュエータを開弁方向へ駆動することで、迅速に針弁の開弁を行うとともに、開弁後期には荷重の検出値が開弁維持状態よりも低い開弁開始荷重に相当する所定値となったときに駆動信号切換手段によって第２開弁信号から開弁状態を維持可能な第１開弁信号へ切り換えることにより、第２開弁信号を維持した状態から閉弁信号へ切り換える場合に比して、閉弁動作におけるアクチュエータ及びピストンのストロークを短縮するので、速やかに閉弁動作を行うことが可能となって、前記従来例に比して閉弁時の応答性を向上させることが可能となり、開弁及び閉弁共に応答性を向上させることができ、燃料噴射制御の精度を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、第２の発明は、タイマのカウントによって所定時間経過後に荷重センサによって荷重を検出し、第２開弁信号から第１開弁信号への切り換えを行うため、簡易な制御によって開弁及び閉弁共に応答性を向上させることができる。
【００１８】
また、第３の発明は、第１開弁信号は針弁が開弁する期間において、燃圧室と差圧室との差圧によって針弁に作用する開弁方向の付勢力が、弾性部材が発生する付勢力よりも大きい所定値となるよう設定されるため、差圧室の圧力は弾性部材に抗して針弁の開弁状態を維持することができる。
【００１９】
また、第４の発明は、荷重センサの検出荷重に基づいて第１開弁信号または第２開弁信号を学習補正することで、圧電素子等からなるアクチュエータの温度変化や各部品の寸法公差または経時変化に起因する荷重変動を確実に抑制することが可能となって、燃料噴射弁の噴射特性のばらつきや経時変化を確実に防いで、常時正確な燃料噴射を実現することができる。
【００２０】
また、第５の発明は、補正された第１開弁信号または第２開弁信号のうちの少なくとも一方が所定値未満となったときには、針弁が固着して変位できない場合や、アクチュエータの故障等が考えられ、このような異常を確実に検知して、運転者へ知らせることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに配設される燃料噴射弁の駆動装置に適用した一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１において、燃料噴射弁３０のケーシング９の先端部には、図示しないエンジンの燃焼室に臨ませるノズルボディ１が設けられ、このノズルボディ１は先端に開口した噴口１ａから、燃料噴霧を燃焼室内へ向けて噴射するように構成される。
【００２３】
ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側に弁体２ａを形成する一方、他端にピストン部２ｃを形成した針弁２が摺動可能に収装され、ノズルボディ１の内部には針弁２のを取り囲むように燃圧室３が画成されて、噴口１ａは針弁２によって開閉される。
【００２４】
燃圧室３への加圧燃料の供給は、ケーシング９の側面に開口した燃料入口６から行われ、この燃料入口６は図示しない燃料供給手段と連通する。
【００２５】
針弁２は、噴口１ａ側のノズルボディ１のシート部と接離する弁体２ａを形成する一方、ケーシング９の隔壁９a側の基端（図中右側）にはノズルボディ１の内周を摺動するピストン部２ｃが形成され、弁体２ａとピストン部２ｃの間には棒状のロッド部２ｂが形成される。
【００２６】
針弁２のピストン部２ｃの背面、すなわち、ケーシング９の隔壁９ａと対向する側には、ピストン部２ｃと隔壁９ａとの間に差圧室８が画成され、この差圧室８にはピストン部２ｃを介して針弁２を閉弁方向へ付勢する弾性部材としてのリターンスプリング４が介装される。そして、ピストン部２ｃの端面と隔壁９ａとの間には所定の間隙等からなる絞り通路２０が形成され、この絞り通路２０を介して燃圧室３と差圧室８の間で燃料の移動を徐々に行うことができる。
【００２７】
一方、ケーシング９の隔壁９ａよりも基端側（図中右側）は筒状に形成されており、内周には圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸方向（図中左右方向）へ伸縮自在に配設され、ケーシング９の開口端（基端）には封止部材１６が配設される。
【００２８】
なお、ピエゾアクチュエータ１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミック、ＰＭＮ（ニオブ酸マグネシウム酸鉛）系セラミックなどからなる圧電素子を円盤状に形成した部材を多数積層し、これら、各圧電素子間及び両端には図示しない電極が介装されて、図示しないコントローラからの印加電圧に応じてピエゾアクチュエータ１０は、軸方向へ伸縮する。
【００２９】
隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端には、ピストン１１が固設される。このピストン１１と隔壁９ａの間には圧力室１３が画成され、この圧力室１３は隔壁９ａに設けた貫通孔９ｂを介して差圧室８と連通する。なお、ピストン１１の外周とケーシング９の内周との間には、圧力室１３からの燃料漏れを防ぐＯリング１２が設けられる。
【００３０】
なお、ピストン１１と隔壁９ａとの間には、ピエゾアクチュエータ１０を収縮方向へ付勢する付勢手段として、皿バネ状のリターンスプリング２２が介装される。
【００３１】
一方、封止部材１６と対向したピエゾアクチュエータ１０の基端側には板状のスペーサ１４が固設され、このスペーサ１４と封止部材１６との間にはボール１５が介装される。このボール１５は、ピエゾアクチュエータ１０の軸線上に設けられて、封止部材１６に対するピエゾアクチュエータ１０の相対的な回動を許容し、ピエゾアクチュエータ１０に軸まわりのねじれが発生するのを防止する。
【００３２】
次に、燃料噴射弁３０の動作について説明する。
【００３３】
図１は、エンジン停止時における燃料噴射弁３０の閉弁状態を示しており、コントローラ５は所定の閉弁電圧Ｖ０を印加してピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動する一方、図示しない燃圧供給回路より所定の圧力Ｐｆの加圧燃料が燃料入口６を介して燃圧室３へ供給される。
【００３４】
ピエゾアクチュエータ１０は印加された閉弁電圧Ｖ０に応じて針弁２側へ伸長し、リターンスプリング２２の付勢力に抗して最伸長位置まで駆動され、ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１は圧力室１３の容積を縮小する方向（隔壁９ａ側）へ移動し、圧力室１３の圧力は上昇し、同時に、圧力室１３と連通する差圧室８の圧力も上昇するため、差圧室８の圧力上昇とリターンスプリング４の付勢力によって、ピストン部２ｃは燃圧室３の圧力に抗して噴口１ａ側に押圧されて閉弁することができる。
【００３５】
一方、燃料噴射弁３０の開弁駆動は、コントローラ５がピエゾアクチュエータ１０への印加する駆動電圧を、上記閉弁電圧から後述する開弁電圧へ切り換えることにより行われ、アクチュエータ１０は上記伸長状態から急激に収縮する。
【００３６】
ピエゾアクチュエータ１０は、コントローラ５からの開弁電圧に伴って収縮するとともに、リターンスプリング２２によって最収縮位置へ向けて付勢される。
【００３７】
この開弁状態では、ピエゾアクチュエータ１０が収縮状態にあるため、ピストン１１は封止部材１６側へ変位して圧力室１３の容積は急増する。
【００３８】
圧力室１３の内圧は容積の急増に伴って急減圧し、この急減圧に伴って差圧室８の圧力も急減する。差圧室８は急減圧する一方、燃圧室３には常時所定の燃圧Ｐｆが加わっているため、針弁２のピストン部２ｃに加わる前後差圧は増大して、針弁２はリターンスプリング４の付勢力に抗して開弁方向（隔壁９ａ側）へ変位する。
【００３９】
この、針弁２の変位に伴って弁体２ａは開弁して噴口１ａが開き、燃料入口６から供給された燃圧室３内の加圧燃料は、図示しない燃焼室内に噴射される。
【００４０】
上記針弁２の開閉駆動はピストン部２ｃの前後差圧ΔＰと、リターンスプリング４の付勢力の関係に応じて行われ、燃圧室３の圧力をＰ１、ピストン１１の受圧面積をＡ、差圧室８の圧力をＰ２とし、リターンスプリング４が発生する付勢力をＦｋとすると、まず、ピストン部２ｃに加わる差圧ΔＰは、
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１
であり、針弁２が閉弁状態の時にピストン１１に加わる荷重を閉弁荷重Ｆ０とすると、
｜Ｆ０｜＝｜Ｐ２×Ａ｜………（１）
で表される一方、針弁２が開弁状態の時にピストン１１に加わる荷重を開弁維持荷重Ｆ２とすると、
｜Ｆ２｜＝｜Ｐ２×Ａ｜＞｜Ｆｋ｜………（２）
となるように、リターンスプリング４のバネ定数が設定され、Ｆ２＞Ｆ０となる。
【００４１】
次に、コントローラ５は、エンジンの運転状態に応じて開弁信号Ｓｉまたは閉弁信号Ｓｓからなる駆動信号Ｓを指令する燃料噴射司令部５０と、開弁信号Ｓｉが発生した時点から所定時間ｔ１までをカウントするとタイマ６１を備え、駆動部５２はこれらタイマ６１と駆動信号Ｓの状態に応じて、ピエゾアクチュエータ１０へ所定の電圧を印加して針弁２を開閉駆動する。なお、駆動信号Ｓは、開弁信号ＳｉをＨｉレベル、閉弁信号ＳｓをＬｏレベルとする。
【００４２】
すなわち、開弁信号Ｓｉが発生してから開弁初期の所定時間ｔ１までは、ピストン１１に上記開弁維持荷重Ｆ２を超える開弁開始荷重Ｆ１が加わるような開弁開始電圧Ｖ１（第２開弁信号）をピエゾアクチュエータ１０に印加する。
【００４３】
所定時間ｔ１が経過した後の開弁後期では、ピストン１１に上記開弁維持荷重Ｆ２が加わるような開弁維持電圧Ｖ２（第１開弁信号）をピエゾアクチュエータ１０に印加し、この開弁維持電圧Ｖ２を閉弁信号Ｓｓが指令されるまで維持し、閉弁指令信号Ｓｓが発生するとピエゾアクチュエータ１０に所定の閉弁電圧Ｖ０を印加し、伸長駆動させてピストン１１には上記閉弁荷重Ｆ０が加わって針弁２を閉弁駆動する。
【００４４】
ここで、ピストン１１に加わる各荷重は絶対値で表され、これらの関係は、
開弁開始荷重｜Ｆ１｜＞開弁維持荷重｜Ｆ２｜＞閉弁荷重｜Ｆ０｜………（３）
そして、ピストン１１を駆動するためのピエゾアクチュエータ１０への各印加電圧の関係は、
閉弁電圧Ｖ０＞開弁維持電圧Ｖ２＞開弁開始電圧Ｖ１ ………（４）
に予め設定される。
【００４５】
ここで、コントローラ５で行われるピエゾアクチュエータ１０の駆動制御の一例を、図２のフローチャートを参照しながら以下に詳述する。なお、このフローチャートは、例えば、所定時間ごとに実行されるものである。
【００４６】
ステップＳ１では、駆動信号Ｓを読み込むとともに、開弁信号Ｓｉであるか否かを判定して、駆動信号Ｓが開弁信号Ｓｉへ変化していればステップＳ２へ進んで、所定の開弁開始電圧Ｖ１をピエゾアクチュエータ１０へ印加して、伸長状態から急激に収縮駆動させて針弁２の開弁駆動を開始する一方、閉弁信号ＳｓのままであればステップＳ７へ進んで、引き続き閉弁電圧Ｖ０をピエゾアクチュエータ１０に印加して針弁２の閉弁状態を保持する。
【００４７】
そして、ステップＳ３では、開弁開始電圧Ｖ１の印加からの時間を測定するため、タイマの加算を開始して、ステップＳ４でタイマの値が所定値ｔ１になるまでステップＳ３の加算を繰り返す。
【００４８】
ステップＳ４で所定時間ｔ１の経過が判定されると、ステップＳ５へ進んで、ピエゾアクチュエータ１０への印加電圧を開弁開始電圧Ｖ１から開弁維持電圧Ｖ２へ増大し、ピエゾアクチュエータ１０を若干伸長駆動させて、ピストン１１に加わる力を針弁２の開弁を維持するのに必要十分な開弁維持荷重Ｆ２とし、針弁２の開弁状態を維持して燃圧室３内の燃料を噴射する。
【００４９】
そして、ステップＳ６では、再び駆動信号Ｓを読み込むとともに、開弁信号Ｓｉが閉弁信号Ｓｓに変化したかを判定して、開弁信号ＳｉのままであればステップＳ５へ戻って開弁維持電圧Ｖ２を保持するとともに燃料噴射を継続する一方、閉弁信号Ｓｓに変化した場合には、ステップＳ７へ進んでピエゾアクチュエータ１０への印加電圧を開弁維持電圧Ｖ２から閉弁電圧Ｖ０へ増大し、ピエゾアクチュエータ１０を最伸長位置へ駆動させて、ピストン１１に加わる力が針弁２を閉弁させる閉弁荷重Ｆ２とし、開弁していた針弁２を閉弁させた後、タイマをリセットして処理を終了する。
【００５０】
上記処理を所定時間ごとに実行するとにより、開弁信号Ｓｉと閉弁信号Ｓｓによる燃料噴射弁３０の開閉動作は図３のようなる。
【００５１】
いま、時間ｔ０で開弁信号Ｓｉが発生すると、閉弁状態で伸長していたピエゾアクチュエータ１０には、開弁信号Ｓｉが発生した時点から所定時間ｔ１の間は、ピストン１１に加わる力が開弁維持荷重Ｆ２未満の開弁開始荷重Ｆ１となるように開弁開始電圧Ｖ１が印加され、ピエゾアクチュエータ１０を急激に収縮させて、差圧室８の容積の拡大を迅速に行って針弁２を迅速に開弁することができる。
【００５２】
このとき、駆動電圧Ｖは時間ｔ０より、閉弁電圧Ｖ０から開弁開始電圧Ｖ１へ急激に減少して、時間ｔ１以前にＶ１へ到達した後、この開弁開始電圧Ｖ１を維持する。一方、ピストン１１に加わる荷重は、ピエゾアクチュエータ１０等の応答遅れより、所定時間ｔ１を経過した付近で開弁開始荷重Ｆ１に到達する。
【００５３】
所定時間ｔ１が経過した後には、ピエゾアクチュエータ１０への印加電圧は開弁開始電圧Ｖ１から開弁維持電圧Ｖ２へ上昇し、ピエゾアクチュエータ１０は開弁初期に比して伸長して、ピストン１１に加わる力を、上記２式に示したように、リターンスプリング４の付勢力Ｆｋに抗して、針弁２の開弁状態を維持する開弁維持荷重Ｆ２に設定することができる。
【００５４】
そして、時間ｔ２において駆動信号Ｓが閉弁信号Ｓｓへ変化すると、ピエゾアクチュエータ１０への印加電圧は、開弁維持電圧Ｖ２から閉弁電圧Ｖ０へ復帰して、ピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動させて差圧室８の圧力を上昇させることで、針弁２のピストン部２ｃに加わる圧力差を増大して閉弁させることができ、図３に示すように、駆動部５２の内部回路の応答遅れやピエゾアクチュエータ１０等の応答遅れに応じて、閉弁信号Ｓｓが発生した時間ｔ２以降の時間ｔ３で実際の閉弁が行われて燃料噴射が終了する。
【００５５】
こうして、所定時間ｔ１までの開弁初期のみ、ピストン１１に加わる荷重の絶対値が最大となるように、印加電圧を開弁維持電圧Ｖ２より一時的にオーバーシュートさせることで、針弁２の開弁を迅速かつ確実に行った後、開弁状態を維持するのに必要十分な駆動電圧である開弁維持電圧Ｖ２へ上昇させてピエゾアクチュエータ１０を若干伸長させておき、その後、閉弁信号Ｓｓの発生により、閉弁電圧Ｖ０を印加してピエゾアクチュエータ１０を最伸長位置まで駆動して針弁２の閉弁を行うが、この閉弁動作は、前記従来例のように電圧の印加を矩形波状に行って、開弁開始電圧Ｖ１を維持した状態から閉弁電圧Ｖ０へ上昇させるのに比して、ピエゾアクチュエータ１０及ピストン１１のストロークを短縮することで、速やかに閉弁を行うことが可能となって、前記従来例に比して閉弁時の応答性を向上させることが可能となり、開弁及び閉弁共に応答性を向上させることができ、燃料噴射制御の精度を向上させることが可能となるのである。
【００５６】
図４は第２の実施形態を示し、前記第１実施形態のピストン１１とピエゾアクチュエータ１０との間に、ピエゾアクチュエータ１０に加わる荷重を検出する荷重センサ７を介装するともに、コントローラ５のには荷重センサ７の検出値から開弁開始荷重Ｆ１及び開弁維持荷重Ｆ２を測定する荷重測定部５１と、この測定した荷重に基づいて開弁開始電圧Ｖ１及び開弁維持電圧Ｖ２を学習補正する学習補正部５３を設けたものである。
【００５７】
隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端とピストン１１の間には、非導電性部材からなるスペーサ１７と荷重センサ７が介装される。
【００５８】
スペーサ１７を介してピストン１１との間に配設された荷重センサ７は、例えば、圧電素子で構成されて、ピエゾアクチュエータ１０に加わる荷重、すなわち、ピストン１１に加わる荷重を電圧に変換し、コントローラ５の荷重測定部５１はこの電圧に基づいて算出した荷重から、ピエゾアクチュエータ１０を駆動する駆動電圧Ｖの学習補正値を出力する。
【００５９】
次に、コントローラ５で行われるピエゾアクチュエータ１０の学習補正及び駆動制御の一例を、図４のフローチャートを参照しながら以下に詳述する。なお、上記と同様に、このフローチャートは、例えば、所定時間ごとに実行されるものである。
【００６０】
ステップＳ２１では、駆動信号Ｓを読み込むとともに、開弁信号Ｓｉであるか否かを判定して、駆動信号Ｓが閉弁信号Ｓｓから開弁信号Ｓｉへ変化していれば、ステップＳ２２へ進む一方、閉弁信号ＳｓのままであればステップＳ３６へ進んで、引き続き閉弁電圧Ｖ０をピエゾアクチュエータ１０に印加する。
【００６１】
ステップＳ２２では、開弁開始電圧Ｖ１及び開弁維持電圧Ｖ２の学習補正値Ｖ１old及びＶ２oldをそれぞれ読み込んで、ステップＳ２３でこれら学習補正値Ｖ１old及びＶ２oldを、現在の開弁開始電圧Ｖ１及び開弁維持電圧Ｖ２として設定する。
【００６２】
そして、ステップＳ２４では、この開弁開始電圧Ｖ１をピエゾアクチュエータ１０へ印加して、伸長状態から急激に収縮駆動させて針弁２の開弁駆動を開始する。
【００６３】
ステップＳ２５では、開弁開始電圧Ｖ１の印加開始からの時間を測定するためタイマの加算を開始し、そして、ステップＳ２６では、ステップＳ４でタイマの値が所定値ｔ１になるまでステップＳ３の加算を繰り返すとともに、開弁開始電圧Ｖ１の印加を継続する。
【００６４】
ステップＳ２６でタイマが所定時間ｔ１を経過すると、ステップＳ２７で荷重センサ７からの検出電圧Ｖｂに基づいて、ピエゾアクチュエータ１０に加わる開弁開始荷重Ｆ１の測定が行われる。このｔ１が経過した時点では、図８に示すように、ピエゾアクチュエータ１０に加わる荷重は、上記応答遅れによって所定の開弁開始荷重Ｆ１近傍となっており、この時点の荷重センサ７の検出電圧Ｖｂ１’から、図７のマップに基づいて開弁開始荷重の測定値Ｆ１ａを演算する。なお、図中Ｖｂ０、Ｖｂ２、Ｖｂ１は、それぞれ閉弁荷重Ｆ０、開弁維持荷重Ｆ２、開弁開始荷重Ｆ１に対応した検出電圧である。
【００６５】
そして、ステップＳ２８では、図６のマップに基づいて、上記開弁開始荷重測定値Ｆ１ａと所定の開弁開始荷重Ｆ１の差ΔＦ１に応じた駆動電圧ΔＶ１を演算して、次式により開弁開始電圧Ｖ１を補正する。
【００６６】
Ｖ１＝Ｖ１＋ΔＶ１ ………（５）
この補正処理が終了すると同時に、ステップＳ２９へ進んで開弁維持電圧Ｖ２の印加が開始される。
【００６７】
ピエゾアクチュエータ１０への印加電圧は開弁開始電圧Ｖ１から開弁維持電圧Ｖ２へ切り換えられて、ピエゾアクチュエータ１０は若干伸長駆動して、ピストン１１に加わる力を、針弁２の開弁を維持するのに必要十分な開弁維持荷重Ｆ２とし、針弁２の開弁状態を維持して燃圧室３内の燃料を噴射する。
【００６８】
そして、ステップＳ３０では、再び駆動信号Ｓを読み込むとともに、開弁信号Ｓｉが閉弁信号Ｓｓに変化したかを判定して、開弁信号ＳｉのままであればステップＳ２９へ戻って開弁維持電圧Ｖ２を保持するとともに燃料噴射を継続する一方、駆動信号Ｓが開弁信号Ｓｉから閉弁信号Ｓｓに変化した場合には、ステップＳ３１へ進んで、開弁維持電圧Ｖ２の補正処理を行う。
【００６９】
ステップＳ３０で駆動信号Ｓが閉弁信号Ｓｓに変化すると、ステップＳ３１では荷重センサ７からの検出電圧Ｖｂに基づいて、ピエゾアクチュエータ１０に加わる開弁維持荷重Ｆ２の測定が行われる。
【００７０】
この閉弁信号Ｓｓが発生した時間ｔ２では、図８に示すように、ピエゾアクチュエータ１０に加わる荷重は、上記応答遅れによって所定の開弁維持荷重Ｆ２近傍を維持しており、この時点の荷重センサ７の検出電圧Ｖｂ２’から、図７のマップに基づいて開弁維持荷重の測定値Ｆ２ａを演算する。
【００７１】
そして、ステップＳ３２では、図６のマップに基づいて、上記開弁維持荷重測定値Ｆ２ａと所定の開弁維持荷重Ｆ２の差ΔＦ２に応じた駆動電圧ΔＶ２を演算して、次式により開弁維持電圧Ｖ２を補正する。
【００７２】
Ｖ２＝Ｖ２＋ΔＶ２ ………（６）
この開弁維持電圧Ｖ２の補正が終了すると、ステップＳ３３で補正後の開弁維持電圧Ｖ２が所定の最小値Ｖmin未満となったかを判定する。
【００７３】
補正後の開弁維持電圧Ｖ２が所定の最小値Ｖmin未満となった状態では、針弁２が固着して変位できない場合や、ピエゾアクチュエータ１０が故障あるいは断線して伸長不能となった場合等が推定され、このような不具合が発生したと判定してステップＳ３４へ進み、燃料系統に異常があることを警告灯などで構成された警告手段５４を介して運転者へ知らせる。
【００７４】
ここで、針弁２が固着して変位できない場合を判定できるのは、ピエゾアクチュエータ１０が収縮する際に、針弁２がピエゾアクチュエータ１０側へ変位できない分だけ、通常よりも圧力室１３の圧力が下がり、この結果、ピエゾアクチュエータ１０に加わる荷重が減るからである。従って、前述の通り、開弁維持電圧Ｖ２の補正を行うと、開弁維持電圧Ｖ２は所定の最小値Ｖmin未満となって、針弁２の固着を判定することができるのである。
【００７５】
上記開弁維持電圧Ｖ２の補正処理及び異常判定処理が終了すると同時に、ステップＳ３６では、ピエゾアクチュエータ１０への印加電圧を開弁維持電圧Ｖ２から閉弁電圧Ｖ０へ切り換えて、ピエゾアクチュエータ１０を最伸長位置へ駆動させて、ピストン１１に加わる力が針弁２を閉弁させる閉弁荷重Ｆ２とし、開弁していた針弁２を閉弁させる。
【００７６】
そして、ステップＳ３７でタイマをリセットしてから、ステップＳ３８で上記ステップＳ２８、Ｓ３２で補正した開弁開始電圧Ｖ１及び開弁維持電圧Ｖ２を学習補正値Ｖ１old、Ｖ２oldへ代入して学習記憶してから処理を終了する。なお、これら学習補正値Ｖ１old、Ｖ２oldは、コントローラ５に配設された不揮発性メモリ等に格納されて、エンジン停止後にも保持されて次回の運転時に使用される。
【００７７】
こうして、前記第１実施形態と同様に、開弁初期には開弁維持電圧Ｖ２未満の開弁開始電圧Ｖ１を一時的に印加してオーバーシュートさせて、針弁２の開弁を迅速に行った後、開弁状態を維持するのに必要十分な駆動電圧である開弁維持電圧Ｖ２へ上昇させてピエゾアクチュエータ１０を若干伸長させて、閉弁動作の応答性を向上させるのに加えて、開弁開始電圧Ｖ１及び開弁維持電圧Ｖ２は、ステップＳ２８、Ｓ３２で燃料噴射の度に学習補正されるため、ピエゾアクチュエータ１０の温度変化や各部品の寸法公差または経時変化に起因する荷重変動を確実に抑制することが可能となって、燃料噴射弁３０の噴射特性のばらつきや経時変化を確実に防いで、正確な燃料噴射を実現することが可能となるのである。
【００７８】
さらに、閉弁維持電圧Ｖ２が所定の最小値Ｖmin未満となるような場合では、針弁２が固着して変位できない場合や、ピエゾアクチュエータ１０の故障等が考えられ、このような異常を的確に検知して、運転者へ知らせることが可能となるのである。
【００７９】
また、燃料噴射弁３０の製造時には、荷重Ｆと検出電圧Ｖｂ及び駆動電圧Ｖのマップまたは関数と、所定の開弁開始荷重Ｖ１、開弁維持荷重Ｖ２及び閉弁荷重Ｖ０を設定するだけでよく、各構成部品の寸法公差によるばらつきを修正する調整工程を不要にして、製造コストの低減が可能となる。
【００８０】
加えて、荷重センサ７をピエゾアクチュエータ１０の先端とピストン１１との間に設けたため、荷重センサ７の検出値にはピストン１１の慣性が加わるだけで、ピエゾアクチュエータ１０の慣性が加わらないので、荷重センサ７をピエゾアクチュエータ１０の基端側、すなわち、スペーサ１４との間に配設した場合に比して、荷重Ｆの検出精度を向上させて制御精度を向上させることができ、また、荷重センサ７を圧電素子より構成したため、製造コストの上昇を抑制することができる。
【００８１】
なお、上記ステップＳ２６では、タイマを用いてピエゾアクチュエータ１０の印加電圧を開弁開始電圧Ｖ１から開弁維持電圧Ｖ２へ切り換えたが、図示はしないが、タイマを使用せずに、検出荷重Ｆ１ａが開弁開始荷重Ｆ１となったときに、開弁開始電圧Ｖ１から開弁維持電圧Ｖ２へ移行しても同様である。
【００８２】
また、上記ステップＳ３３において、開弁維持電圧Ｖ２の補正値と所定値とを比較して異常を判定したが、図示はしないが、開弁開始電圧Ｖ１の補正値と所定値とを比較して異常を判定しても同様である。
【００８３】
また、上記実施形態において、ピストン１１を駆動するアクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０を採用した場合を示したが、図示はしないが、磁界の強さに応じて伸縮する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを採用しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の概略断面図。
【図２】コントローラで行われる駆動処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】駆動信号Ｓ、荷重Ｆ及び駆動電圧Ｖと時間の関係を示すグラフである。
【図４】第２の実施形態を示し、燃料噴射弁の概略断面図。
【図５】コントローラで行われる駆動処理及び学習補正処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】駆動電圧Ｖと荷重Ｆの関係を示すマップである。
【図７】検出電圧Ｖｂと荷重Ｆの関係を示すマップである。
【図８】駆動信号Ｓ、荷重Ｆ、駆動電圧Ｖ及び検出電圧Ｖｂと時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ノズルボディ
１ａ噴口
２針弁
２ａ弁体
２ｃピストン部
３燃圧室
４リターンスプリング（弾性部材）
５コントローラ（制御手段）
６燃料入口
７荷重センサ
８差圧室
１０ピエゾアクチュエータ
１１ピストン
１３圧力室
１４、１７スペーサ
２２リターンスプリング
３０燃料噴射弁
５０噴射司令部
５１荷重測定部
５２駆動部
５３補正部
５４警告手段
６１タイマ

Claims

加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、
針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を噴射する噴口と、
針弁を閉弁方向に付勢する弾性部材と、
圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンと、
エンジンの運転状態に応じて前記アクチュエータへ開弁信号と閉弁信号を選択的に送出する制御手段とを備えた燃料噴射弁の駆動装置において、
前記制御手段は、
開弁状態を維持可能な第１開弁信号と、開弁維持状態よりもさらにアクチュエータを開弁方向へ駆動する第２開弁信号とを予め設定した開弁信号設定手段と、
前記アクチュエータに加わる荷重を検出する荷重センサと、
開弁初期には前記第２開弁信号を選択し、荷重の検出値が開弁維持状態よりも低い開弁開始荷重に相当する所定値となったときに第２開弁信号から第１開弁信号へ切り換える駆動信号切換手段とを備えることを特徴とする燃料噴射弁の駆動装置。
前記駆動信号切換手段は、
開弁開始から所定の時間が経過するまで前記第２開弁信号を維持する一方、所定時間経過後に前記荷重センサによって荷重を検出するタイマを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の駆動装置。
前記第１開弁信号は、
前記針弁が開弁する期間において、前記燃圧室と差圧室との差圧によって針弁に作用する開弁方向の付勢力が、弾性部材が発生する付勢力よりも大きい所定値となるよう設定したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の駆動装置。
前記制御手段は、
前記アクチュエータに加わる荷重を検出する荷重センサと、
この検出荷重に基づいて前記第１開弁信号または第２開弁信号を学習補正する学習補正手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の駆動装置。
前記学習補正手段は、
第１開弁信号または第２開弁信号のうちの少なくとも一方が所定値未満となったときに警告を発生する警告手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射弁の駆動装置。