JP4433598B2 - コモンレール式燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コモンレール式燃料噴射装置はディーゼルエンジンに用いられるもので、各気筒共通のコモンレールを高圧サプライポンプからの高圧燃料の圧送で高圧に蓄圧し、コモンレールから各気筒のインジェクタに高圧燃料を供給しインジェクタはＥＣＵによる制御のもとで燃料噴射を行う。インジェクタは供給された上記高圧燃料を噴孔から噴射するノズル部を有し、噴孔の開閉はノズル部内に挿置されたニードルにより行う。
【０００３】
インジェクタに供給される高圧燃料はニードルの制御用としても用いられ、インジェクタは、例えば、ニードルの後端面に面して背圧室を有し背圧室には絞りを介して上記高圧燃料が導入されてニードルの背圧を発生し、背圧の増減でニードルが開閉作動する。背圧の増減は背圧増減手段により行われる。背圧増減手段は、背圧室と低圧通路の間に介設された弁室を有し、その中に収容された弁体の作動で背圧室の圧力を低圧通路にリリーフする。弁体の駆動には、近年、圧電セラミック等の圧電効果を応用したピエゾアクチュエータが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インジェクタ内の燃料は各種の条件により状態が大きく異なり、例えば、コモンレールから供給される高圧燃料はエンジンの運転状態に応じて約２０ＭＰa 〜約２００ＭＰa の広い範囲の燃料圧力値をとる。かかる燃料を前記ニードルの背圧等の制御用として用いる構成では燃料の状態によってはインジェクタが適正に作動しないおそれがあり噴射制御に影響をおよぼす。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、インジェクタの作動特性が良好なコモンレール式燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を上記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、放電状態から電荷が供給されて伸長する充電時に、前記弁体を前記弁座に着座する方向に駆動する機構を有し、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめるとともに、
前記制御手段を、検出された上記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定する。
【０００７】
ピエゾアクチュエータの充電時における易動度が大きいほど弁体が着座した時の衝撃が相対的に大きくなるから、ピエゾアクチュエータへの充電量を少なくして弁体駆動力を適正ならしめることで上記衝撃を和らげることができ、弁体や弁座の磨耗や破損を防止することができる。これにより燃料状態によって前記易動度が変動しても適正な作動が得られ噴射制御の精度が保たれる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、上記易動度検出手段を前記コモンレールの燃料圧力を検出する構成として、検出された燃料圧力が低いほど上記易動度が大きいと判断する。
【０００９】
コモンレールの燃料圧力が低いほど該燃料圧力により前記弁体が上記弁座から離座する方向に作用する力は小さくなるので、ピエゾアクチュエータの易動度は大きくなる。インジェクタ内の燃料圧力も上記のごとくコモンレール圧力に応じて大きく変化するから、易動度をコモンレール燃料圧力に基づいて判断することで、前記制御手段による噴射制御において燃料状態の変動を良好に吸収することができる。
【００１０】
請求項１または２の発明は、前記ピエゾアクチュエータが、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、前記インジェクタが、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成である請求項３記載の燃料噴射装置のような、弁体に対する押しつけ力が、ポンプ室内の燃料の粘性等の状態によっても変動する構成に適用することで、より良好な結果を得ることができる。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出する構成として、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する。
【００１２】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータの易動度は大きくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、易動度をインジェクタ内燃料温度に基づいて判断することで、前記制御手段による噴射制御において燃料状態の変動を良好に吸収することができる。
【００１３】
請求項５記載の発明では、請求項３または４の発明の構成において、前記制御手段を、燃料の指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長い場合に限って、前記ピエゾアクチュエータの充電量が予め設定した充電量しきい値よりも少ないときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定し、前記ピエゾアクチュエータの充電量が前記充電量しきい値よりも多いときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的にピエゾアクチュエータを放電する放電期間が設けられるように設定する。
【００１４】
弁体の着座時の衝撃を和らげるべく前記のごとくコモンレールの燃料圧力に応じてピエゾアクチュエータの充電量が低めに抑えられる。ここで、指令噴射時間が多いとすなわち充電保持時間が長いと、ピエゾアクチュエータに充電補充が行われて弁体に対する押し付け力を増強する。これにより、充電保持時間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで前記弁座から離座し燃料噴射が継続しなくなるのを防止することができる。また、ピエゾアクチュエータの易動度が低く、ピエゾアクチュエータの充電量が許容される最大充電量近くに設定されて補充する余裕がなくなったときには、放電期間の途中において一時的にピエゾアクチュエータを放電して初期状態に復しニードルが下降し切る前に再充電することで、燃料噴射が継続しなくなるのを防止することができる。
【００１５】
請求項６記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、前記ピエゾアクチュータの充電時期が、検出された上記燃料温度が低い側では遅角し高い側では進角するように、指令噴射時期に基づいて設定された充電時期が補正されるように設定する。
【００１６】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータは充電時の易動度が大きく弁体の着座作動したがってニードルリフトの応答性がよくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、充電時期をインジェクタ内燃料温度に基づいて補正することで噴射時期および噴射量のばらつきを抑えることができる。
【００１７】
請求項７記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、前記ピエゾアクチュータの充電保持時間が、検出された前記燃料温度が低い側では短く高い側では長くなるように、指令噴射時間に基づいて設定された充電保持時間が補正されるように設定する。
【００１８】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータは充電時の易動度が大きく弁体の着座作動したがってニードルリフトの応答性がよくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、充電保持時間をインジェクタ内燃料温度に基づいて補正することで噴射量のばらつきを抑えることができる。
【００１９】
請求項８記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定する。
【００２０】
指令噴射時間が長いと、充電保持期間の途中でピエゾアクチュエータに充電補充が行われて弁体に対する押し付け力を増強する。しかして、充電保持期間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで燃料噴射が途中で停止するのを防止することができる。また、これにより、当初の充電量を例えば弁体駆動に必要最小限に止めておいて弁体が着座するときの衝撃を和らげることができる。
【００２１】
請求項９記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された圧力増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的に上記ピエゾアクチュエータを放電する放電期間が設けられるように設定する。
【００２２】
指令噴射時間が長いと、充電保持期間の途中で一時的にピエゾアクチュエータを放電して初期状態に復する。しかして、充電保持期間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで燃料噴射が途中で停止するのを防止することができる。また、これにより、当初の充電量を例えば弁体駆動に必要最小限に止めておいて弁体が着座するときの衝撃を和らげることができる。
【００２３】
請求項１０記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備し、
かつ、前記ピエゾアクチュエータの充電と放電とを連続的に複数回繰り返し、１回の燃料噴射を実質的に前記複数回に分けて行うコモンレール式燃料噴射装置において、
前記コモンレールの圧力を検出する圧力検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、予め、コモンレール圧力と、前記ニードルの閉弁開始時以後における前記インジェクタの作動状態との関係を記憶し、燃料の噴射を複数回に分けて行う場合の前記ピエゾアクチュエータの再充電開始のタイミングを、前記インジェクタが、前記ニードルの閉弁開始時から前記ピエゾアクチュエータの蓄電量が０になる前の作動状態にある時点とするように設定する。
【００２４】
燃料の噴射を複数回に分けて行う場合には、２回目以降の噴射は、前記インジェクタがニードルの閉弁開始時の作動状態になる以後の時点で再充電開始が許容される。ニードルが閉弁を開始する時点ではまだピエゾアクチュエータの蓄電量は０に達しておらず、この、ピエゾアクチュエータに電荷が残った状態で再充電した場合には、ピエゾアクチュエータの蓄電量は速やかにニードルが開弁可能な蓄電量に達する。すなわち、前後する噴射のインターバルの短い噴射モードが選択し得る。
【００２５】
ここで、ニードルの閉弁開始時以後の作動状態は、ニードルの背圧等がコモンレール圧力に依存することからコモンレール圧力により異なるが、検出されたコモンレール圧力に基づいて知られるので、コモンレール圧力が変動しても、例えば、再充電のタイミングがニードルが閉弁を開始する前にきてしまう等の作動不良が回避され、相前後してなされる充電に対応して噴射率のピークが明瞭に現れる。
【００２６】
請求項１０記載の発明では、前記インジェクタの作動状態が前記ピエゾアクチュエータの蓄電量により知られる構成とする。
【００２７】
前記ピエゾアクチュエータの充電により弁体が変位し、ニードルが開閉弁するから、ピエゾアクチュエータの蓄電量に基づいてニードルが閉弁を開始する時が正確に知られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明のディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置を図１、図２、図３により説明する。コモンレール式燃料噴射装置の全体構成を示す図２において、ディーゼルエンジンの各気筒のインジェクタ１と供給ライン７５を介して連通する共通のコモンレール７４が設けられ、コモンレール７４は、高圧サプライポンプ７３から圧送された高圧燃料により蓄圧される。図例ではインジェクタ１は１つのみ図示しているが同じ構成のものが気筒数分設けられる。インジェクタ１は、ＥＣＵ８１がインジェクタ１の後述するピエゾスタック６６を充放電し、必要な時期に必要な時間だけインジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール７４の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。
【００２９】
コモンレール圧力は圧力センサ８２によって検出され、その検出結果に基づいてＥＣＵ８１が吸入調量弁７２を制御してコモンレール７４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた良好な燃焼を与える最適な噴射圧となるように制御する。また、易動度検出手段たる圧力センサ８２から知られるコモンレール圧力は後述するようにインジェクタ１の作動特性を判断するのに供される。
【００３０】
また、コモンレール７４からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧用としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン７６を経て燃料タンク７１に還流するようになっている。
【００３１】
インジェクタ１の断面構造を示す図１において説明する。インジェクタ１はエンジンの図略の燃焼室壁を貫通し図中下端部が燃焼室内に突出するように取り付けられ、下端部から順にノズル部１１、背圧増減手段たる背圧制御弁１２、ピエゾアクチュエータ１３が構成される。インジェクタ１は棒状体２を有し、前記各部１１〜１３を構成する各部品を格納する穴や燃料が流通する通路が形成される。
【００３２】
ノズル部１１は、棒状体２の下端部にサック部４２が形成され、サック部４２形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔４３が形成される。サック部４２は供給ライン７５に通じる高圧通路３１とつながっている。また、棒状体２には、縦穴２１が形成され、この縦穴２１の上側部分には段付きのノズルニードル６１がその上側大径部６１２で摺動自在に保持されており、ノズルニードル６１の下側小径部６１１の外周には環状の油溜まり４１が形成され、油溜まり４１は常時高圧通路３１と連通しコモンレール７４からの高圧燃料が供給されている。
【００３３】
ノズルニードル６１は下降状態では円錐形の下端部がサック部４２の上端部を閉じて噴孔４３からの燃料噴射を禁止し、燃料を噴射する時は上昇してサック部４２の上端部を開くようになっている。
【００３４】
油溜まり４１の高圧燃料はノズルニードル６１の段面６１ａおよび下端部の円錐面６１ｂに上向きに作用しノズルニードル６１を開弁方向に付勢する。
【００３５】
ノズルニードル６１の上方で縦穴２１の壁面により画成される空間５３は、高圧通路３１からインオリフィス５１を介して制御油圧としての燃料圧が導入されており、ノズルニードル６１の背圧を発生する背圧室５３としてある。この背圧はノズルニードル６１に下向きに作用し、背圧室５３内に収納されたスプリング６２とともにノズルニードル６１を閉弁方向に付勢する。
【００３６】
背圧室５３はアウトオリフィス５４を介して常時、弁室５５と連通している。弁室５５は天井面５５２が円錐状に形成されており、天井面５５２の最上部に開口する細穴２２を介してドレーンライン７６に通じる低圧通路３２とつながっている。縦穴２２には後述するピストン６４の外周に環状空間５６が形成され、低圧通路３２と連通している。
【００３７】
弁室５５の底面５５１には前記縦穴２２と対応する位置に高圧通路３１と連通する高圧制御通路５２が開口している。
【００３８】
弁室５５内には、下側部分を水平にカットしたボール６３が配設されている。ボール６３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シート）５５１に着座して弁室５５を高圧制御通路５２と遮断し、上昇時には弁座としての前記天井面（以下、低圧側シートという）５５２に着座して弁室５５を前記環状空間５６と遮断する。これにより、下降時には背圧室５３がアウトオリフィス５４、弁室５５、環状空間５６を介して低圧通路３２と連通し、ノズルニードル６１の背圧が低下してノズルニードル６１がリフトする。一方、上昇時には背圧室５３がインオリフィス５１を介して、さらにアウトオリフィス５４、弁室５５、高圧制御通路５２を介して高圧通路３１と連通し、ノズルニードル６１の背圧が上昇してノズルニードル６１が着座する。
【００３９】
ボール６３はピエゾアクチュエータ１３により駆動される。ピエゾアクチュエータ１３は、前記縦穴２３に同軸にピストン６４、皿ばね６５、ピエゾスタック６６が配設してなる。
【００４０】
ピストン６４は等径部６４３が縦穴２３の下側小径部にて摺動自在に保持され、等径部６４３の下方は下側ほど縮径する円錐部６４２となっており、さらにその下は前記細穴２２を貫通して前記ボール６３と対向し、ボール６３を押圧するプレッシャピン６４１としてある。円錐部６４２およびプレッシャピン６４１の外周には前記環状空間５６が形成される。
【００４１】
ピストン等径部６４３の上方は鍔部６４４となっており、鍔部６４４の下端面を皿ばね６５が上方に押圧している。一方、鍔部６４４の上端面にはピエゾスタック６６が当接されている。
【００４２】
ピエゾスタック６６が放電状態で縮小しているときはプレッシャピン６４１とボール６３との間は非押圧状態で当接もしくは微かなギャップが形成されており、ボール６３は、低圧側シート５５２の面積分に相当するボール６３の受圧面だけ弁室５５内の高圧燃料が上方に付勢することにより、低圧側シート５５２に着座している。一方、ピエゾスタック６６がＥＣＵ８１を構成する駆動回路８１２からの充電で伸長するとピストン６４を押し下げボール６３を高圧側シート５５１に着座せしめる。
【００４３】
駆動回路８１２はインジェクタに搭載されたピエゾスタック駆動用の公知の構成のもので、ＤＣ−ＤＣ回路、ピエゾスタック６６への充放電電流を制限するインダクタ、ピエゾスタック６６における電荷の移動を制御するスイッチ回路等からなり、ピエゾスタックの充放電および充電量の設定は、駆動回路８１２とともにＥＣＵ８１を構成する制御回路８１１により前記スイッチ回路の制御を行うことで可能としてある。
【００４４】
制御回路８１１はマイクロコンピュータ等で構成され、図３に制御回路８１１におけるピエゾアクチュエータ１３の制御フローを示す。これにより制御回路８１１の設定とともに本コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明する。
【００４５】
ステップＳ１０では圧力センサ８２により検出されたコモンレール圧力を取り込み、ステップＳ２０でこのコモンレール圧力に基づいてピエゾスタック６６の充電量、すなわち、ピエゾスタック６６への電荷の供給量を設定する。以下、適宜、充電量はピエゾスタック６６の両極間の電圧（以下、ピエゾスタック電圧Ｖt という）で表すものとする。ここで、ピエゾスタック電圧Ｖt は図４に示すようにコモンレール圧力の一次関数に従い設定する。
【００４６】
ステップＳ３０ではピエゾスタック６６を充電して伸長せしめピエゾアクチュエータ１３がボール６３を押し下げる。このボール６３を押し下げる力は、ピエゾスタック電圧Ｖt に略比例するので、コモンレール圧力に対して一次関数で変化する。
【００４７】
ボール６３が高圧側シート５５１に着座することにより前記のごとくノズルニードル６１がリフトし燃料噴射が開始される。
【００４８】
なお、ピエゾスタック６６の充電時期は前記のごとくスロットル開度等の運転状態から算出された指令噴射時期に対応して設定される。また、充電保持時間は指令噴射時間に対応して設定される。
【００４９】
ステップＳ４０では充電保持時間が終了したか否かすなわち放電時期か否かを判断する。
【００５０】
放電時期がくるとステップＳ４０からステップＳ５０に進みピエゾスタック６６を放電して本フローは終了する。ピエゾスタック６６の放電によりボール６３に対するピエゾアクチュエータ１３の押し下げ力が解除されて高圧制御通路５２からの高圧燃料の押し上げ力により上昇してボール６３が低圧側シート５５２に着座してノズルニードル６１が下降し燃料噴射が終了する。
【００５１】
さて、図５はボール６３の着座時における弁室５５内の拡大図で、前記のごとくボール６３の表面にはコモンレール圧力に略等しい燃料圧力が作用しており、これにより、全体としてはこの燃料圧力に、その非受圧面の面積すなわち低圧側シート５５２の面積を乗じた大きさの上向きの力Ｆが発生する。したがって、この力Ｆは図６に示すようにコモンレール圧力に比例する。この力Ｆはピエゾアクチュータ１３の伸長方向の動きに対抗する力として作用し、ピエゾアクチュータ１３は力Ｆが大きいほど動きにくくなる。すなわちピエゾアクチュエータ１３の易動度が減じられることになる。
【００５２】
ここで、従来のようにピエスタック電圧Ｖt が一定とすれば、伸長時におけるピエゾアクチュエータ１３の発生力は図中二点鎖線で示すように一定となる。このピエゾアクチュエータ発生力と力Ｆの差（余裕力）Ｆa がボール６３を押し下げる力となり、ピエゾアクチュエータ１３には、図より知られるようにコモンレール圧力が装置で使用される最高圧力のときに一定以上の余裕力Ｆa を出力できることが要求される。しかし、コモンレール圧力がアイドリング時等の約２０ＭＰa から高速高負荷運転時の約２００ＭＰa まで変化幅が広いことを考えると、余裕力Ｆa もコモンレール圧力に応じて相当幅があることになる。この結果、コモンレール圧力が低い時には、ピエゾアクチュエータ１３の易動度が高く余裕力Ｆa が過剰となって、ボール６３が高圧側シート５５１に当たった時に大きな衝撃が発生し、ボール６３や高圧側シート５５１等に損傷を与えるおそれがある。
【００５３】
本コモンレール式燃料噴射装置では、コモンレール圧力が低くボール６３を押し上げる力Ｆが小さいほど、ボール６３を押し下げるピエゾアクチュエータ発生力も小さくなるようにしたので、余裕力Ｆa が過剰にならず、ボール６３が高圧側シート５５１に当たった時の衝撃を和らげることができる。なお、前記一次関数の傾きは、例えば、余裕力Ｆa が略一定値をとるように設定する。
【００５４】
なお、ピエゾスタック電圧Ｖt はコモンレール圧力に対して前記一次関数的に与えるのではなくコモンレール圧力を複数のレンジに分け低圧側のレンジほど低電圧となるように階段状に設定するのも制御が簡単となってよい。
【００５５】
また、本実施形態において、背圧制御弁は図例のものだけではなく、インジェクタの弁室にピエゾアクチュエータ駆動により駆動される弁体を配設するとともに少なくとも前記ピエゾアクチュエータの放電時に上記弁体が着座する弁座（すなわち低圧側シート）を形成したものであればよく、例えば、図１のインジェクタ１の高圧制御通路５２を省略し、ピエゾアクチュエータ放電時にはボール６３が低圧側シート５５２に着座することでニードル６１の背圧を上昇させ、ピエゾアクチュエータ充電時にはボール６３が低圧側シート５５２から離れニードル６１の背圧を下降させる構成とすることもできる。なお、この構成だとボール６３はボール下方側の部材（図１での高圧側シート５５１に相当）に着座させる必要もなく、ボール下部に水平カット部も不要となる。
【００５６】
（第２実施形態）
図７に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。インジェクタの一部の構成と制御回路の制御上の一部の設定を別のものに代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分については実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００５７】
インジェクタ１Ａのピエゾアクチエータ１３Ａは、細穴２２の上方の縦穴２３Ａに下側から小径ピストン６７、皿ばね６５、大径ピストン６８、ピエゾクタック６６が配設されてなる。小径ピストン６７は第１実施形態のピストンの下側半部と実質的に同じ構成のもので、等径部６７３にて縦穴２３Ａに摺動自在に保持され、その下は下端側ほど縮径する円錐部６７２となっており、さらにその下はボール６３を押圧するプレッシャピン６７１となっている。細穴２２および縦穴２３Ａには、円錐部６７２およびプレッシャピン６７１の外周に環状空間５６が形成される。
【００５８】
環状空間５６にはスプリング６９が配設されて小径ピストン６７を上方に付勢している。小径ピストン６７の上方変位端は縦穴２３Ａの周壁面に形成した段部２３１により位置決めされ、このときの小径ピストン６７の位置がピエゾスタック６６を放電した時に復する初期位置となる。この時、プレッシャピン６７１とボール６３とが当接、もしくは微細なギャップを有した状態とする。
【００５９】
大径ピストン６８は小径ピストン６７よりも大径の円形部材で縦穴２３Ａに摺動自在に保持され、皿ばね６５からは上方に、ピエゾスタック６６からは下方に付勢可能である。
【００６０】
小径ピストン６７と大径ピストン６８との間は燃料が充填されてポンプ室たる油圧拡大室５７としてあり、ピエゾスタック６６の伸長により大径ピストン６８を押圧すると、その押圧力が油圧拡大室５７の燃料を介して小径ピストン６７に伝えられる。ここで、小径ピストン６７は大径ピストン６８よりも小径としているので、ピエゾスタック６６の伸長量を拡大するようになっている。
【００６１】
制御回路８１１Ａはここで実行される制御フローが第１実施形態の制御フローに新たに制御手順を追加したものとなっており、これを図８に示す。これにより、制御回路８１１Ａの設定とともに本コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明する。
【００６２】
ステップＳ１０〜Ｓ３０では第１実施形態と同様にピエゾスタック６６にコモンレール圧力に応じた適正なピエゾスタック電圧Ｖt が与えられる。
【００６３】
続くステップＳ３１では指令噴射時間に対応する指令充電保持時間が充電保持時間しきい値たる予め設定した時間よりも長いか否かを判定し、短いときはステップＳ４０に進む。この場合は第１実施形態と同じ手順が実行され、ボール６３が高圧側シート５５１に着座する時の衝撃を和らげることができる。
【００６４】
ステップＳ３１で指令充電保持時間が設定時間よりも長いと判定されたときはステップＳ３１からステップＳ３２に進みピエゾスタック電圧Ｖt が充電量しきい値たる予め設定した電圧よりも高いか否かを判定し、低いときはステップＳ３３に進む。
【００６５】
ステップＳ３３では駆動回路８１２によりピエゾスタック６６に補充の充電を行いピエゾスタック電圧Ｖt を補充電圧ΔＶt 増加したものに変更し、ステップＳ４０に進む。これにより、充電保持時間のうち充電されてから設定時間が経過した後はピエゾスタック電圧Ｖt が補充電圧ΔＶt だけ高い分、ボール６３への押圧力が増大する。
【００６６】
一方、ステップＳ３２でピエゾスタック電圧Ｖt が設定電圧よりも高いと判定されたときはステップＳ３２からステップＳ３４に進み充電（ステップＳ３０）されてから前記設定時間が経過した時点で駆動回路８１２により一時的にピエゾスタック６６を放電する。この一時的な放電期間の後、ステップＳ３５で再充電を行い、ステップＳ４０に進む。
【００６７】
さて、本コモンレール式燃料噴射装置は、特にステップＳ３１〜Ｓ３５を実行することで次の効果を奏する。図９はステップＳ３１，Ｓ３２において指令充電保持時間が設定時間よりも長くかつ前記ステップＳ２０で設定されたピエゾスタック電圧Ｖt が設定電圧よりも高いときのピエゾスタック電圧Ｖt の充電保持期間における経時変化を示すもので、充電されてから設定時間が経過するとその後はピエゾスタック電圧Ｖt が補充電圧ΔＶt 増加する。
【００６８】
図７より知られるように燃料噴射が行われる充電保持状態においてボール６３が高圧側シート５１１に押し付けられて高圧制御通路５２を遮断している。ここではピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押し下げる力が、高圧制御通路５２の高圧燃料がボール６３を押し上げる力に勝っている。しかし、ピエゾアクチュエータ１３Ａは油圧拡大室５７の燃料圧を介してボール６３を押圧する構成となっているので、油圧拡大室５７の圧縮し加圧された燃料は徐々にピストン６７，６８等の摺動部を介して徐々にリークして油圧拡大室５７の燃料圧は低下する。これによりピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押し下げる力は徐々に減じられることになる。このため、従来の装置では噴射量が多く噴射時間が長いとボール６３が高圧側シート５１１から離間してノズルニードル６１の背圧が上昇し噴射が停止してしまうというおそれがある。
【００６９】
本コモンレール式燃料噴射装置は充電保持時間が長い場合、すなわち、噴射停止のおそれの有無を判定する上記設定時間を越えた場合は補充の充電を行うことで油圧拡大室５７の燃料圧を高圧に回復せしめてピエゾアクチュエータ１３Ａのボール６３に対する押圧力を増強する。これにより、ボール６３が高圧側シート５１１から離間せず、指令噴射量分の燃料噴射が完了する前にニードル６１が着座するのを防止することができる。なお、ピエゾアクチュエータ１３Ａのボール６３に対する押圧力を増強しても、既にボール６３は高圧側シート５１１に着座状態にあるからボール６３と高圧側シート５１１との間で新たな衝撃は発生しない。
【００７０】
また、コモンレール圧力が高くピエゾスタック電圧Ｖt が高い場合は充電を補充する余裕がないことになるが、ピエゾスタック電圧Ｖt が充電補充する余裕があるかないか判定する上記設定電圧よりも高い場合は、ステップＳ３４以降の手順により油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避することができる。すなわち、図１０に示すように、設定時間を越えた時点で一時的な放電期間を設けることでピエゾアクチュエータ１３Ａが初期状態に復帰し油圧拡大室５７の燃料もリーク分の燃料が補充される。その後、再充電を行うことでボール６３を再び高圧側シート５１１に着座せしめることができる。
【００７１】
なお、この放電期間において弁室５５内に高圧制御通路５２から高圧燃料が流入し背圧室５３が高圧となるので図１１に示すようにノズルニードル６１がフルリフトの状態から少し下降する場合もあるが、一瞬のことであるので噴射率に殆ど影響はなく通常のプロファイルが得られる。
【００７２】
なお、本実施形態において、燃料の温度を検出する温度センサを設けて上記設定時間を検出温度が高いほど短く設定してもよい。インジェクタの温度が高いほどインジェクタ内の燃料の粘性は低くなるからピエゾアクチュエータがボールを押圧するときの油圧拡大室からの燃料リークは多くなり、ボールに対する押し付け力が早く低下するからである。
【００７３】
また、上記ステップＳ３２，Ｓ３３を非実行とし、一時的な放電期間の設定（ステップＳ３４，Ｓ３５）のみで油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。逆に、ピエゾスタック６６の仕様により決まるピエゾスタック電圧Ｖt の許容最大電圧が十分なときは、前記ステップＳ３２，Ｓ３４，Ｓ３５を非実行とし、充電補充（ステップＳ３３）のみで油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。
【００７４】
また、前記ステップＳ１０，Ｓ２０を非実行としてコモンレール圧力によらずピエゾスタック電圧Ｖt を固定しておき、上記のごとく一時的な放電期間の設定（ステップＳ３４，Ｓ３５）のみ、または充電補充（ステップＳ３３）のみを実行して噴射時間が長いときの油圧拡大室からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。いずれの場合も、ピエゾスタック電圧Ｖt を装置で使用される最大コモンレール圧力に対し一定の開弁力が得られる必要最小限の電圧に固定しておけばよいので、ある程度、ボールが高圧側シートに着座する時の衝撃を和らげることもできる。
【００７５】
（第３実施形態）
図１２に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。基本的な構成は第２実施形態の構成と同じもので、図中、第２実施形態と同じ番号を付した部分は実質的に同じ作動をするので、第２実施形態との相違点を中心に説明する。また、インジェクタ１Ａの各部についても図７に示した番号を付すものとする。
【００７６】
本コモンレール式燃料噴射装置はインジェクタ１Ａの温度を検出する易動度検出手段たる温度センサ８３が設けてあり、検出信号がＥＣＵ８１Ｂに入力している。ＥＣＵ８１Ｂの図示しない制御回路は上記図８に示した制御と基本的に同じ制御を実行する。
【００７７】
この制御を前記図８により説明すると、ステップＳ１０でコモンレール圧力とともに、温度センサ８３で検出されたインジェクタ１Ａ内の燃料温度（以下、インジェクタ燃料温度という）を取り込む。ステップＳ２０では、ピエゾスタック電圧Ｖt を、コモンレール圧力とともに前記インジェクタ温度に基づいて設定する。すなわち、ピエゾスタック電圧Ｖt を上記インジェクタ燃料温度が低いほど低く設定する。例えば、図４のごとくコモンレール圧力に基づいて設定された電圧値に対して、予め設定した基準温度からの温度差に応じて電圧値を増減すればよい。
【００７８】
さて、インジェクタ燃料温度が低いほどインジェクタ１Ａ内の燃料の体積弾性率および粘性は高くなるから、コモンレール圧力が同等であってもインジェクタ燃料温度が低温側ではピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押圧するときの油圧拡大室５７の圧縮に必要な圧縮量、および油圧拡大室５７からの燃料リークは少なくなって易動度が増し、ボール６３に対する付勢力は相対的に増大する。このためインジェクタ燃料温度が高温側に比して余裕力Ｆa は大きく、ピエゾスタック電圧Ｖt はインジェクタ燃料温度が低いほどさらに低くてもよい。しかして、ピエゾスタック電圧Ｖt を上記のごとく設定することで、さらにボール６３が高圧側シート５５１に着座する時の衝撃を和らげることができる。
【００７９】
また、指令充電時期および指令充電保持時間を、検出されたインジェクタ燃料温度が前記基準温度よりも高い場合には、その温度差に応じて、充電時期を指令噴射時期に基づく指令値よりも進角するとともに充電保持時間を指令噴射時間に基づく指令値よりも長くする。一方、検出インジェクタ燃料温度が上記基準温度よりも低い場合には、その温度差に応じて、充電時期を指令噴射時期に基づく指令値よりも遅角するとともに充電保持時間を指令噴射時間に基づく指令値よりも短くする。
【００８０】
前記のごとくインジェクタ燃料温度が低温ほどピエゾアクチュエータ１３Ａの易動度が大きくボール６３が高圧側シート５５１に着座するまでの応答時間も短くなるが、充電時期をインジェクタ燃料温度が低温側ほど相対的に遅くすることでボール６３の着座時期のばらつきを低減することができ、噴射時期のばらつきを低減することができる。
【００８１】
また、同様に指令充電保持時間をインジェクタ燃料温度が低温側ほど短くすることでボール６３が着座を保持する時間のばらつきを低減することができ、したがって、噴射量のばらつきを低減することができる。
【００８２】
なお、インジェクタ燃料温度は必ずしもインジェクタに取り付けた温度センサによらずとも、前記説明より明らかなように実質的にインジェクタ内燃料温度の指標になり得るものであればよい。
【００８３】
また、要求される仕様によっては充電時期、充電保持時間の補正は省略してもよい。
【００８４】
（第４実施形態）
図１３、図１４に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。第２実施形態において、制御回路で行われる制御の一部の設定を別のものに代えたもので、図中、第１、第２実施形態と同じ番号を付した部分については実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００８５】
図１５は、本コモンレール式燃料噴射装置のＥＣＵ８１Ｃを構成する制御回路８１１Ｃにおいて実行される燃料噴射の制御フローを示すもので、ステップＳ１０、Ｓ２０では第１実施形態と同様に圧力センサ８２により検出されたコモンレール圧力を取り込み、ピエゾスタック電圧Ｖt を設定する。
【００８６】
ステップＳ１１０では設定噴射回数が２以上か否かを判定する。この噴射回数は、一時に複数回連続して噴射を行う噴射モード、すなわちメイン噴射に先立ちパイロット噴射を行うものであれば２であり、少量ずつ複数回に分けて噴射するマルチ噴射であればその噴射回数であり、運転条件により設定される。
【００８７】
複数回噴射を行う噴射モードであればピエゾスタックの再充電開始電圧Ｖａを設定しステップＳ１３０に進む。設定内容については後述する。また、一回だけ噴射を行う噴射モードであればステップＳ１２０をスキップしてステップＳ１３０に進む。
【００８８】
運転条件から設定された噴射開始時期になると、ステップＳ１３０でピエゾスタック６６の充電を開始してこれを伸長せしめる。前記のごとくノズルニードル６１がリフトを開始し燃料噴射が開始される。
【００８９】
そして、通電時間が設定値に達すると（ステップＳ１４０）、ピエゾスタック６６の放電を開始する（ステップＳ１５０）。これによりボール６３が再び低圧側シート５５２に着座して背圧室５３の圧力が上昇し、ニードル閉弁開始圧力に達すると、ニードル６１は着座方向に変位を開始する。
【００９０】
一方、ピエゾスタック６６の放電開始（ステップＳ１５０）に続いて、噴射回数が前記設定噴射回数に達したか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、噴射回数が前記設定噴射回数に達していなければ、すなわち、パイロット噴射のみが実行された場合や、マルチ噴射の最後の噴射が実行されていない場合はステップＳ１７０に進む。なお、１回だけ噴射を行う噴射モードではこれで本フローは終了となる。
【００９１】
以下、燃料噴射がパイロット噴射とメイン噴射とからなる等の噴射モードにおける２回目以降の燃料噴射について説明する。ピエゾスタック６６の放電開始（ステップＳ１５０）により、ピエゾスタック電圧は低下するが、ピエゾスタック電圧が前記再充電開始電圧Ｖa に達すると（ステップＳ１７０）、ステップＳ１３０に戻り、メイン噴射等の２回目以降の噴射が実行される。この場合、ステップＳ１４０における設定値は２回目以降のそれぞれの噴射に対して設定された時間である。
【００９２】
そして、設定噴射回数の噴射が終了すると（ステップＳ１６０）、本フローは終了となる。
【００９３】
図１６に本燃料噴射装置における燃料噴射制御時の装置各部の作動を示し、これにより、前記再充電開始電圧Ｖa の設定内容とともに、本燃料噴射装置の作動を説明する。図例はメイン噴射に先立ってパイロット噴射を行う噴射モードのものである。また、図１７にはメイン噴射に先立ってパイロット噴射を行う時の従来の制御を示す。図１６、図１７中、駆動パルスは、ピエゾスタック６６の充電開始（「Ｌ」から「Ｈ」）と放電開始（「Ｈ」から「Ｌ」）とを示す制御回路から駆動回路に出力される制御信号であり、図例は、前のがパイロット噴射、後のがメイン噴射のものである。
【００９４】
先ず、従来の装置の制御について説明する。説明の便宜のため装置の各部には同じ番号を付すものとする。前記第２実施形態と同様にピエゾスタック６６の充電が開始されボール６３が低圧側シート５５２からリフトし弁室圧力が低下する。弁室圧力がニードル開弁開始圧力に達しニードル６１がリフトするとパイロット噴射が開始される。一方、ピエゾスタック電圧は、一定の勾配をもって上昇し、設定電圧Ｖt に達する。
【００９５】
そして、噴射信号が「Ｈ」から「Ｌ」に変化すると、パイロット噴射を終了せしめるべくピエゾスタック６６の放電を開始してピエゾスタック電圧が０になるまで放電する。一方、放電開始とともに弁室圧力が上昇し、ニードル６１が着座方向に変位する。
【００９６】
次いで、メイン噴射が行われることになるが、これを行う最も早いタイミングはピエゾスタック電圧が０になった直後である。図例はかかる場合のものであり、ピエゾスタック６６が再び充電されてメイン噴射がなされる。
【００９７】
一方、本燃料噴射装置は、前記図１５に示す制御内容としてあるから、次のようになる。ピエゾスタック６６の充電が開始され、ボール６３が低圧側シート５５２からリフトを開始し弁室圧力が低下する。弁室圧力がニードル開弁開始圧力に達しニードル６１がリフトするとパイロット噴射が開始される。一方、ピエゾスタック電圧は設定した電圧Ｖt に達する。
【００９８】
そして、パイロット噴射を終了せしめるべくピエゾスタック６６の放電が開始されて弁室圧力がニードル閉弁開始圧力に向かって上昇する。ここで、従来はピエゾスタック６６の放電がピエゾスタック電圧が０になるまで行われるが、本実施形態ではピエゾスタック電圧が０になる前でも可能である。すなわち、ピエゾスタック電圧が再充電開始電圧Ｖa （＞０）に達すると、再充電が開始され、ボール６３が上方変位を開始する。これにより、再び弁室圧力が低下し、ニードル開弁開始圧力を下回るとニードル６１がリフト方向に転じ、メイン噴射期間に入る。そして予め設定した所定のメイン噴射パルスが「Ｈ」から「Ｌ」になるとピエゾスタック６６は放電されてメイン噴射が停止する。
【００９９】
再充電開始電圧Ｖa は次のように設定される。図１８は発明者らが得た、インジェクタ１Ａに制御油として導入されるコモンレール圧力と、インジェクタ１Ａの作動状態におけるピエゾスタック電圧との関係で、ニードル６１を開弁方向に作動せしめるには、コモンレール圧力が高いほど、ボール６３を押し下げる力に対抗する燃料圧力が高くなるため、充電によりピエゾスタック６６に供給すべきエネルギーも大きくなって必要なピエゾスタック電圧（噴射可能電圧）も大きくなる。
【０１００】
一方、ニードル６１を閉弁方向に作動せしめるには次のようになる。すなわち、ボール６３と低圧側シート５５２の間の環状間隙が最大の状態、すなわちボール６３が高圧側シート５５１に着座状態でなくとも、前記環状間隙の面積が、背圧室５３から低圧通路３２への燃料のリリーフ流量が一定量以上確保し得るような面積であれば、ニードル６１は開弁状態を維持するが、ピエゾスタック６６の伸びがある程度以下となって前記環状間隙が小さくなると前記リリーフ流量が減るために背圧室５３の圧力が上昇してニードル６１は噴射を終了する方向に動く。つまり、ニードル６１が閉弁方向に変位するピエゾスタック電圧（噴射停止電圧）は噴射可能電圧よりもやや低い値をとり、噴射可能電圧と同様にコモンレール圧力が高いほど、大きな値をとる。
【０１０１】
ピエゾスタック電圧が噴射可能電圧以上であればニードル６１はリフト方向に変位し、噴射停止電圧以下であればニードル６１は着座方向に変位することになる。したがって、ピエゾスタック６６の放電を開始すると、ピエゾスタック電圧が設定電圧Ｖt から低下し、それが噴射停止電圧を下回るとニードル６１が着座方向に変位する。そしてピエゾスタック電圧が前記再充電開始電圧Ｖa になったら再充電を開始し、再び、ピエゾスタック電圧が噴射可能電圧を越えると、ニードル６１が離座方向に変位することになる。したがって、ニードル６１の着座から再リフトまでをパイロット噴射間隔とすれば、再充電開始電圧Ｖa を噴射停止電圧＞Ｖa ＞０の範囲で設定すれば再充電開始電圧Ｖa の大きさによって、図例のように、パイロット噴射間隔を実質的に負とすること、すなわちパイロット噴射からメイン噴射への切り換わり時にニードル６１が着座状態にある期間をなくすこともできる。
【０１０２】
ここで、かかる制御においては次の点に注意が必要となる。すなわち、噴射停止電圧がコモンレール圧力に応じて変動することから、ピエゾスタック電圧が０になる前に再充電をしてパイロット噴射間隔を短くしようとすれば、例えば、噴射停止電圧が低くなるコモンレール圧力が低い場合には、パイロット噴射を行おうと再充電を行ったにも係わらず、再充電開始時のピエゾスタック電圧が噴射停止電圧を下回らず、パイロット噴射がメイン噴射と分離しないということが起こり得る。そこで、本燃料噴射装置では、予め、再充電開始電圧Ｖa を変えた時のニードル６１の挙動を、使用されるコモンレール圧力の範囲で実験等により求めておく。そして、制御回路８１１Ｃは、その内蔵メモリに、コモンレール圧力に対して適正な噴射特性を与える再充電開始電圧Ｖa を対応付けるマップを記憶しておくとともに、検出されたコモンレール圧力に応じて再充電開始電圧Ｖa が与えられるように設定しておく。勿論、再充電開始電圧Ｖa は噴射停止電圧以下である。
【０１０３】
しかして、複数回に分けて噴射を行う噴射モードにおいて、要求される噴射特性および検出されたコモンレール圧力に応じて再充電開始電圧Ｖa を適正に設定することができる。これにより、駆動回路８１２においてピエゾスタックの充電時における損失を低減すべく、充電電流を抑制して充電／放電時におけるピエゾスタック電圧の勾配を緩やかにしてもパイロット噴射間隔が徒に長くならず、エミッションの低減を図ることができる。
【０１０４】
なお、コモンレール圧力とニードル６１の挙動についての前記実験において、ピエゾスタック６６の放電開始からピエゾスタック電圧が再充電開始電圧Ｖa になるまでの時間が知られるから、ＥＣＵの制御回路が、かかる時間のデータに基づいて、ピエゾスタック６６の再充電開始をタイマで設定することもできる。
【０１０５】
また、再充電開始電圧Ｖa はコモンレール圧力に対して固定値とするのではなく、マップはコモンレール圧力に対して再充電開始電圧Ｖa の上限である前記噴射停止電圧を対応付ける内容とし、再充電開始電圧Ｖa を、検出されたコモンレール圧力に応じた前記噴射停止電圧以下の領域で、その時の運転条件等に応じて設定するのもよい。
【０１０６】
また、本実施形態では、ニードル６１の閉弁開始時におけるインジェクタ１Ａの作動状態を、蓄電量であるピエゾスタック電圧により知るようにしたが、ニードル６１の閉弁開始時におけるインジェクタ１Ａの作動状態が知られるものであればよく、例えば背圧室５３の圧力の変化等でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図２】前記コモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図４】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すグラフである。
【図５】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するインジェクタの一部拡大図である。
【図６】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明するグラフである。
【図７】本発明の第２のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図８】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図９】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示す第１のグラフである。
【図１０】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示す第２のグラフである。
【図１１】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の第３のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図１３】本発明の第４のコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。
【図１４】前記コモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図１５】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図１６】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１７】前記コモンレール式燃料噴射装置と比較する従来の装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１８】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すグラフである。
【符号の説明】
１，１Ａ インジェクタ
１１ ノズル部
１２ 背圧制御弁（背圧増減手段）
１３，１３Ａ ピエゾアクチュエータ
２ 棒状体
３１ 高圧通路
３２ 低圧通路
４３ 噴孔
５３ 背圧室
５５ 弁室
５５１ 高圧側シート（弁座）
５５２ 低圧側シート
６１ ニードル
６３ ボール（弁体）
６４ ピストン
６６ ピエゾスタック
６７ 小径ピストン（ピストン）
６８ 大径ピストン（ピストン）
７４ コモンレール
８１，８１Ｂ，８１Ｃ ＥＣＵ（制御手段）
８２ 圧力センサ（易動度検出手段、圧力検出手段）
８３ 温度センサ（易動度検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明はコモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コモンレール式燃料噴射装置はディーゼルエンジンに用いられるもので、各気筒共通のコモンレールを高圧サプライポンプからの高圧燃料の圧送で高圧に蓄圧し、コモンレールから各気筒のインジェクタに高圧燃料を供給しインジェクタはＥＣＵによる制御のもとで燃料噴射を行う。インジェクタは供給された上記高圧燃料を噴孔から噴射するノズル部を有し、噴孔の開閉はノズル部内に挿置されたニードルにより行う。
【０００３】
インジェクタに供給される高圧燃料はニードルの制御用としても用いられ、インジェクタは、例えば、ニードルの後端面に面して背圧室を有し背圧室には絞りを介して上記高圧燃料が導入されてニードルの背圧を発生し、背圧の増減でニードルが開閉作動する。背圧の増減は背圧増減手段により行われる。背圧増減手段は、背圧室と低圧通路の間に介設された弁室を有し、その中に収容された弁体の作動で背圧室の圧力を低圧通路にリリーフする。弁体の駆動には、近年、圧電セラミック等の圧電効果を応用したピエゾアクチュエータが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インジェクタ内の燃料は各種の条件により状態が大きく異なり、例えば、コモンレールから供給される高圧燃料はエンジンの運転状態に応じて約２０ＭＰa 〜約２００ＭＰa の広い範囲の燃料圧力値をとる。かかる燃料を前記ニードルの背圧等の制御用として用いる構成では燃料の状態によってはインジェクタが適正に作動しないおそれがあり噴射制御に影響をおよぼす。
【０００５】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、インジェクタの作動特性が良好なコモンレール式燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を上記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、放電状態から電荷が供給されて伸長する充電時に、前記弁体を前記弁座に着座する方向に駆動する機構を有し、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめるとともに、
前記制御手段を、検出された上記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定する。
【０００７】
ピエゾアクチュエータの充電時における易動度が大きいほど弁体が着座した時の衝撃が相対的に大きくなるから、ピエゾアクチュエータへの充電量を少なくして弁体駆動力を適正ならしめることで上記衝撃を和らげることができ、弁体や弁座の磨耗や破損を防止することができる。これにより燃料状態によって前記易動度が変動しても適正な作動が得られ噴射制御の精度が保たれる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、上記易動度検出手段を前記コモンレールの燃料圧力を検出する構成として、検出された燃料圧力が低いほど上記易動度が大きいと判断する。
【０００９】
コモンレールの燃料圧力が低いほど該燃料圧力により前記弁体が上記弁座から離座する方向に作用する力は小さくなるので、ピエゾアクチュエータの易動度は大きくなる。インジェクタ内の燃料圧力も上記のごとくコモンレール圧力に応じて大きく変化するから、易動度をコモンレール燃料圧力に基づいて判断することで、前記制御手段による噴射制御において燃料状態の変動を良好に吸収することができる。
【００１０】
請求項１または２の発明は、前記ピエゾアクチュエータが、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、前記インジェクタが、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成である請求項３記載の燃料噴射装置のような、弁体に対する押しつけ力が、ポンプ室内の燃料の粘性等の状態によっても変動する構成に適用することで、より良好な結果を得ることができる。
【００１１】
請求項４記載の発明では、請求項３の発明の構成において、前記易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出する構成として、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する。
【００１２】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータの易動度は大きくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、易動度をインジェクタ内燃料温度に基づいて判断することで、前記制御手段による噴射制御において燃料状態の変動を良好に吸収することができる。
【００１３】
請求項５記載の発明では、請求項３または４の発明の構成において、前記制御手段を、燃料の指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長い場合に限って、前記ピエゾアクチュエータの充電量が予め設定した充電量しきい値よりも少ないときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定し、前記ピエゾアクチュエータの充電量が前記充電量しきい値よりも多いときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的にピエゾアクチュエータを放電する放電期間が設けられるように設定する。
【００１４】
弁体の着座時の衝撃を和らげるべく前記のごとくコモンレールの燃料圧力に応じてピエゾアクチュエータの充電量が低めに抑えられる。ここで、指令噴射時間が多いとすなわち充電保持時間が長いと、ピエゾアクチュエータに充電補充が行われて弁体に対する押し付け力を増強する。これにより、充電保持時間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで前記弁座から離座し燃料噴射が継続しなくなるのを防止することができる。また、ピエゾアクチュエータの易動度が低く、ピエゾアクチュエータの充電量が許容される最大充電量近くに設定されて補充する余裕がなくなったときには、放電期間の途中において一時的にピエゾアクチュエータを放電して初期状態に復しニードルが下降し切る前に再充電することで、燃料噴射が継続しなくなるのを防止することができる。
【００１５】
請求項６記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、前記ピエゾアクチュータの充電時期が、検出された上記燃料温度が低い側では遅角し高い側では進角するように、指令噴射時期に基づいて設定された充電時期が補正されるように設定する。
【００１６】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータは充電時の易動度が大きく弁体の着座作動したがってニードルリフトの応答性がよくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、充電時期をインジェクタ内燃料温度に基づいて補正することで噴射時期および噴射量のばらつきを抑えることができる。
【００１７】
請求項７記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、前記ピエゾアクチュータの充電保持時間が、検出された前記燃料温度が低い側では短く高い側では長くなるように、指令噴射時間に基づいて設定された充電保持時間が補正されるように設定する。
【００１８】
燃料の粘性が高いほど弁体押圧時のポンプ室からの燃料のリークも少なくなるので、ピエゾアクチュエータは充電時の易動度が大きく弁体の着座作動したがってニードルリフトの応答性がよくなる。燃料の粘性は燃料温度に応じて大きく変化するから、充電保持時間をインジェクタ内燃料温度に基づいて補正することで噴射量のばらつきを抑えることができる。
【００１９】
請求項８記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定する。
【００２０】
指令噴射時間が長いと、充電保持期間の途中でピエゾアクチュエータに充電補充が行われて弁体に対する押し付け力を増強する。しかして、充電保持期間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで燃料噴射が途中で停止するのを防止することができる。また、これにより、当初の充電量を例えば弁体駆動に必要最小限に止めておいて弁体が着座するときの衝撃を和らげることができる。
【００２１】
請求項９記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された圧力増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的に上記ピエゾアクチュエータを放電する放電期間が設けられるように設定する。
【００２２】
指令噴射時間が長いと、充電保持期間の途中で一時的にピエゾアクチュエータを放電して初期状態に復する。しかして、充電保持期間の長期化によりポンプ室の燃料のリークが進んで燃料噴射が途中で停止するのを防止することができる。また、これにより、当初の充電量を例えば弁体駆動に必要最小限に止めておいて弁体が着座するときの衝撃を和らげることができる。
【００２３】
請求項１０記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備し、
かつ、前記ピエゾアクチュエータの充電と放電とを連続的に複数回繰り返し、１回の燃料噴射を実質的に前記複数回に分けて行うコモンレール式燃料噴射装置において、
前記コモンレールの圧力を検出する圧力検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、予め、コモンレール圧力と、前記ニードルの閉弁開始時以後における前記インジェクタの作動状態との関係を記憶し、燃料の噴射を複数回に分けて行う場合の前記ピエゾアクチュエータの再充電開始のタイミングを、前記インジェクタが、前記ニードルの閉弁開始時から前記ピエゾアクチュエータの蓄電量が０になる前の作動状態にある時点とするように設定する。
【００２４】
燃料の噴射を複数回に分けて行う場合には、２回目以降の噴射は、前記インジェクタがニードルの閉弁開始時の作動状態になる以後の時点で再充電開始が許容される。ニードルが閉弁を開始する時点ではまだピエゾアクチュエータの蓄電量は０に達しておらず、この、ピエゾアクチュエータに電荷が残った状態で再充電した場合には、ピエゾアクチュエータの蓄電量は速やかにニードルが開弁可能な蓄電量に達する。すなわち、前後する噴射のインターバルの短い噴射モードが選択し得る。
【００２５】
ここで、ニードルの閉弁開始時以後の作動状態は、ニードルの背圧等がコモンレール圧力に依存することからコモンレール圧力により異なるが、検出されたコモンレール圧力に基づいて知られるので、コモンレール圧力が変動しても、例えば、再充電のタイミングがニードルが閉弁を開始する前にきてしまう等の作動不良が回避され、相前後してなされる充電に対応して噴射率のピークが明瞭に現れる。
【００２６】
請求項１０記載の発明では、前記インジェクタの作動状態が前記ピエゾアクチュエータの蓄電量により知られる構成とする。
【００２７】
前記ピエゾアクチュエータの充電により弁体が変位し、ニードルが開閉弁するから、ピエゾアクチュエータの蓄電量に基づいてニードルが閉弁を開始する時が正確に知られる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明のディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置を図１、図２、図３により説明する。コモンレール式燃料噴射装置の全体構成を示す図２において、ディーゼルエンジンの各気筒のインジェクタ１と供給ライン７５を介して連通する共通のコモンレール７４が設けられ、コモンレール７４は、高圧サプライポンプ７３から圧送された高圧燃料により蓄圧される。図例ではインジェクタ１は１つのみ図示しているが同じ構成のものが気筒数分設けられる。インジェクタ１は、ＥＣＵ８１がインジェクタ１の後述するピエゾスタック６６を充放電し、必要な時期に必要な時間だけインジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール７４の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。
【００２９】
コモンレール圧力は圧力センサ８２によって検出され、その検出結果に基づいてＥＣＵ８１が吸入調量弁７２を制御してコモンレール７４への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた良好な燃焼を与える最適な噴射圧となるように制御する。また、易動度検出手段たる圧力センサ８２から知られるコモンレール圧力は後述するようにインジェクタ１の作動特性を判断するのに供される。
【００３０】
また、コモンレール７４からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧用としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン７６を経て燃料タンク７１に還流するようになっている。
【００３１】
インジェクタ１の断面構造を示す図１において説明する。インジェクタ１はエンジンの図略の燃焼室壁を貫通し図中下端部が燃焼室内に突出するように取り付けられ、下端部から順にノズル部１１、背圧増減手段たる背圧制御弁１２、ピエゾアクチュエータ１３が構成される。インジェクタ１は棒状体２を有し、前記各部１１〜１３を構成する各部品を格納する穴や燃料が流通する通路が形成される。
【００３２】
ノズル部１１は、棒状体２の下端部にサック部４２が形成され、サック部４２形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔４３が形成される。サック部４２は供給ライン７５に通じる高圧通路３１とつながっている。また、棒状体２には、縦穴２１が形成され、この縦穴２１の上側部分には段付きのノズルニードル６１がその上側大径部６１２で摺動自在に保持されており、ノズルニードル６１の下側小径部６１１の外周には環状の油溜まり４１が形成され、油溜まり４１は常時高圧通路３１と連通しコモンレール７４からの高圧燃料が供給されている。
【００３３】
ノズルニードル６１は下降状態では円錐形の下端部がサック部４２の上端部を閉じて噴孔４３からの燃料噴射を禁止し、燃料を噴射する時は上昇してサック部４２の上端部を開くようになっている。
【００３４】
油溜まり４１の高圧燃料はノズルニードル６１の段面６１ａおよび下端部の円錐面６１ｂに上向きに作用しノズルニードル６１を開弁方向に付勢する。
【００３５】
ノズルニードル６１の上方で縦穴２１の壁面により画成される空間５３は、高圧通路３１からインオリフィス５１を介して制御油圧としての燃料圧が導入されており、ノズルニードル６１の背圧を発生する背圧室５３としてある。この背圧はノズルニードル６１に下向きに作用し、背圧室５３内に収納されたスプリング６２とともにノズルニードル６１を閉弁方向に付勢する。
【００３６】
背圧室５３はアウトオリフィス５４を介して常時、弁室５５と連通している。弁室５５は天井面５５２が円錐状に形成されており、天井面５５２の最上部に開口する細穴２２を介してドレーンライン７６に通じる低圧通路３２とつながっている。縦穴２２には後述するピストン６４の外周に環状空間５６が形成され、低圧通路３２と連通している。
【００３７】
弁室５５の底面５５１には前記縦穴２２と対応する位置に高圧通路３１と連通する高圧制御通路５２が開口している。
【００３８】
弁室５５内には、下側部分を水平にカットしたボール６３が配設されている。ボール６３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シート）５５１に着座して弁室５５を高圧制御通路５２と遮断し、上昇時には弁座としての前記天井面（以下、低圧側シートという）５５２に着座して弁室５５を前記環状空間５６と遮断する。これにより、下降時には背圧室５３がアウトオリフィス５４、弁室５５、環状空間５６を介して低圧通路３２と連通し、ノズルニードル６１の背圧が低下してノズルニードル６１がリフトする。一方、上昇時には背圧室５３がインオリフィス５１を介して、さらにアウトオリフィス５４、弁室５５、高圧制御通路５２を介して高圧通路３１と連通し、ノズルニードル６１の背圧が上昇してノズルニードル６１が着座する。
【００３９】
ボール６３はピエゾアクチュエータ１３により駆動される。ピエゾアクチュエータ１３は、前記縦穴２３に同軸にピストン６４、皿ばね６５、ピエゾスタック６６が配設してなる。
【００４０】
ピストン６４は等径部６４３が縦穴２３の下側小径部にて摺動自在に保持され、等径部６４３の下方は下側ほど縮径する円錐部６４２となっており、さらにその下は前記細穴２２を貫通して前記ボール６３と対向し、ボール６３を押圧するプレッシャピン６４１としてある。円錐部６４２およびプレッシャピン６４１の外周には前記環状空間５６が形成される。
【００４１】
ピストン等径部６４３の上方は鍔部６４４となっており、鍔部６４４の下端面を皿ばね６５が上方に押圧している。一方、鍔部６４４の上端面にはピエゾスタック６６が当接されている。
【００４２】
ピエゾスタック６６が放電状態で縮小しているときはプレッシャピン６４１とボール６３との間は非押圧状態で当接もしくは微かなギャップが形成されており、ボール６３は、低圧側シート５５２の面積分に相当するボール６３の受圧面だけ弁室５５内の高圧燃料が上方に付勢することにより、低圧側シート５５２に着座している。一方、ピエゾスタック６６がＥＣＵ８１を構成する駆動回路８１２からの充電で伸長するとピストン６４を押し下げボール６３を高圧側シート５５１に着座せしめる。
【００４３】
駆動回路８１２はインジェクタに搭載されたピエゾスタック駆動用の公知の構成のもので、ＤＣ−ＤＣ回路、ピエゾスタック６６への充放電電流を制限するインダクタ、ピエゾスタック６６における電荷の移動を制御するスイッチ回路等からなり、ピエゾスタックの充放電および充電量の設定は、駆動回路８１２とともにＥＣＵ８１を構成する制御回路８１１により前記スイッチ回路の制御を行うことで可能としてある。
【００４４】
制御回路８１１はマイクロコンピュータ等で構成され、図３に制御回路８１１におけるピエゾアクチュエータ１３の制御フローを示す。これにより制御回路８１１の設定とともに本コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明する。
【００４５】
ステップＳ１０では圧力センサ８２により検出されたコモンレール圧力を取り込み、ステップＳ２０でこのコモンレール圧力に基づいてピエゾスタック６６の充電量、すなわち、ピエゾスタック６６への電荷の供給量を設定する。以下、適宜、充電量はピエゾスタック６６の両極間の電圧（以下、ピエゾスタック電圧Ｖt という）で表すものとする。ここで、ピエゾスタック電圧Ｖt は図４に示すようにコモンレール圧力の一次関数に従い設定する。
【００４６】
ステップＳ３０ではピエゾスタック６６を充電して伸長せしめピエゾアクチュエータ１３がボール６３を押し下げる。このボール６３を押し下げる力は、ピエゾスタック電圧Ｖt に略比例するので、コモンレール圧力に対して一次関数で変化する。
【００４７】
ボール６３が高圧側シート５５１に着座することにより前記のごとくノズルニードル６１がリフトし燃料噴射が開始される。
【００４８】
なお、ピエゾスタック６６の充電時期は前記のごとくスロットル開度等の運転状態から算出された指令噴射時期に対応して設定される。また、充電保持時間は指令噴射時間に対応して設定される。
【００４９】
ステップＳ４０では充電保持時間が終了したか否かすなわち放電時期か否かを判断する。
【００５０】
放電時期がくるとステップＳ４０からステップＳ５０に進みピエゾスタック６６を放電して本フローは終了する。ピエゾスタック６６の放電によりボール６３に対するピエゾアクチュエータ１３の押し下げ力が解除されて高圧制御通路５２からの高圧燃料の押し上げ力により上昇してボール６３が低圧側シート５５２に着座してノズルニードル６１が下降し燃料噴射が終了する。
【００５１】
さて、図５はボール６３の着座時における弁室５５内の拡大図で、前記のごとくボール６３の表面にはコモンレール圧力に略等しい燃料圧力が作用しており、これにより、全体としてはこの燃料圧力に、その非受圧面の面積すなわち低圧側シート５５２の面積を乗じた大きさの上向きの力Ｆが発生する。したがって、この力Ｆは図６に示すようにコモンレール圧力に比例する。この力Ｆはピエゾアクチュータ１３の伸長方向の動きに対抗する力として作用し、ピエゾアクチュータ１３は力Ｆが大きいほど動きにくくなる。すなわちピエゾアクチュエータ１３の易動度が減じられることになる。
【００５２】
ここで、従来のようにピエスタック電圧Ｖt が一定とすれば、伸長時におけるピエゾアクチュエータ１３の発生力は図中二点鎖線で示すように一定となる。このピエゾアクチュエータ発生力と力Ｆの差（余裕力）Ｆa がボール６３を押し下げる力となり、ピエゾアクチュエータ１３には、図より知られるようにコモンレール圧力が装置で使用される最高圧力のときに一定以上の余裕力Ｆa を出力できることが要求される。しかし、コモンレール圧力がアイドリング時等の約２０ＭＰa から高速高負荷運転時の約２００ＭＰa まで変化幅が広いことを考えると、余裕力Ｆa もコモンレール圧力に応じて相当幅があることになる。この結果、コモンレール圧力が低い時には、ピエゾアクチュエータ１３の易動度が高く余裕力Ｆa が過剰となって、ボール６３が高圧側シート５５１に当たった時に大きな衝撃が発生し、ボール６３や高圧側シート５５１等に損傷を与えるおそれがある。
【００５３】
本コモンレール式燃料噴射装置では、コモンレール圧力が低くボール６３を押し上げる力Ｆが小さいほど、ボール６３を押し下げるピエゾアクチュエータ発生力も小さくなるようにしたので、余裕力Ｆa が過剰にならず、ボール６３が高圧側シート５５１に当たった時の衝撃を和らげることができる。なお、前記一次関数の傾きは、例えば、余裕力Ｆa が略一定値をとるように設定する。
【００５４】
なお、ピエゾスタック電圧Ｖt はコモンレール圧力に対して前記一次関数的に与えるのではなくコモンレール圧力を複数のレンジに分け低圧側のレンジほど低電圧となるように階段状に設定するのも制御が簡単となってよい。
【００５５】
また、本実施形態において、背圧制御弁は図例のものだけではなく、インジェクタの弁室にピエゾアクチュエータ駆動により駆動される弁体を配設するとともに少なくとも前記ピエゾアクチュエータの放電時に上記弁体が着座する弁座（すなわち低圧側シート）を形成したものであればよく、例えば、図１のインジェクタ１の高圧制御通路５２を省略し、ピエゾアクチュエータ放電時にはボール６３が低圧側シート５５２に着座することでニードル６１の背圧を上昇させ、ピエゾアクチュエータ充電時にはボール６３が低圧側シート５５２から離れニードル６１の背圧を下降させる構成とすることもできる。なお、この構成だとボール６３はボール下方側の部材（図１での高圧側シート５５１に相当）に着座させる必要もなく、ボール下部に水平カット部も不要となる。
【００５６】
（第２実施形態）
図７に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。インジェクタの一部の構成と制御回路の制御上の一部の設定を別のものに代えたもので、図中、第１実施形態と同じ番号を付した部分については実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００５７】
インジェクタ１Ａのピエゾアクチエータ１３Ａは、細穴２２の上方の縦穴２３Ａに下側から小径ピストン６７、皿ばね６５、大径ピストン６８、ピエゾクタック６６が配設されてなる。小径ピストン６７は第１実施形態のピストンの下側半部と実質的に同じ構成のもので、等径部６７３にて縦穴２３Ａに摺動自在に保持され、その下は下端側ほど縮径する円錐部６７２となっており、さらにその下はボール６３を押圧するプレッシャピン６７１となっている。細穴２２および縦穴２３Ａには、円錐部６７２およびプレッシャピン６７１の外周に環状空間５６が形成される。
【００５８】
環状空間５６にはスプリング６９が配設されて小径ピストン６７を上方に付勢している。小径ピストン６７の上方変位端は縦穴２３Ａの周壁面に形成した段部２３１により位置決めされ、このときの小径ピストン６７の位置がピエゾスタック６６を放電した時に復する初期位置となる。この時、プレッシャピン６７１とボール６３とが当接、もしくは微細なギャップを有した状態とする。
【００５９】
大径ピストン６８は小径ピストン６７よりも大径の円形部材で縦穴２３Ａに摺動自在に保持され、皿ばね６５からは上方に、ピエゾスタック６６からは下方に付勢可能である。
【００６０】
小径ピストン６７と大径ピストン６８との間は燃料が充填されてポンプ室たる油圧拡大室５７としてあり、ピエゾスタック６６の伸長により大径ピストン６８を押圧すると、その押圧力が油圧拡大室５７の燃料を介して小径ピストン６７に伝えられる。ここで、小径ピストン６７は大径ピストン６８よりも小径としているので、ピエゾスタック６６の伸長量を拡大するようになっている。
【００６１】
制御回路８１１Ａはここで実行される制御フローが第１実施形態の制御フローに新たに制御手順を追加したものとなっており、これを図８に示す。これにより、制御回路８１１Ａの設定とともに本コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明する。
【００６２】
ステップＳ１０〜Ｓ３０では第１実施形態と同様にピエゾスタック６６にコモンレール圧力に応じた適正なピエゾスタック電圧Ｖt が与えられる。
【００６３】
続くステップＳ３１では指令噴射時間に対応する指令充電保持時間が充電保持時間しきい値たる予め設定した時間よりも長いか否かを判定し、短いときはステップＳ４０に進む。この場合は第１実施形態と同じ手順が実行され、ボール６３が高圧側シート５５１に着座する時の衝撃を和らげることができる。
【００６４】
ステップＳ３１で指令充電保持時間が設定時間よりも長いと判定されたときはステップＳ３１からステップＳ３２に進みピエゾスタック電圧Ｖt が充電量しきい値たる予め設定した電圧よりも高いか否かを判定し、低いときはステップＳ３３に進む。
【００６５】
ステップＳ３３では駆動回路８１２によりピエゾスタック６６に補充の充電を行いピエゾスタック電圧Ｖt を補充電圧ΔＶt 増加したものに変更し、ステップＳ４０に進む。これにより、充電保持時間のうち充電されてから設定時間が経過した後はピエゾスタック電圧Ｖt が補充電圧ΔＶt だけ高い分、ボール６３への押圧力が増大する。
【００６６】
一方、ステップＳ３２でピエゾスタック電圧Ｖt が設定電圧よりも高いと判定されたときはステップＳ３２からステップＳ３４に進み充電（ステップＳ３０）されてから前記設定時間が経過した時点で駆動回路８１２により一時的にピエゾスタック６６を放電する。この一時的な放電期間の後、ステップＳ３５で再充電を行い、ステップＳ４０に進む。
【００６７】
さて、本コモンレール式燃料噴射装置は、特にステップＳ３１〜Ｓ３５を実行することで次の効果を奏する。図９はステップＳ３１，Ｓ３２において指令充電保持時間が設定時間よりも長くかつ前記ステップＳ２０で設定されたピエゾスタック電圧Ｖt が設定電圧よりも高いときのピエゾスタック電圧Ｖt の充電保持期間における経時変化を示すもので、充電されてから設定時間が経過するとその後はピエゾスタック電圧Ｖt が補充電圧ΔＶt 増加する。
【００６８】
図７より知られるように燃料噴射が行われる充電保持状態においてボール６３が高圧側シート５１１に押し付けられて高圧制御通路５２を遮断している。ここではピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押し下げる力が、高圧制御通路５２の高圧燃料がボール６３を押し上げる力に勝っている。しかし、ピエゾアクチュエータ１３Ａは油圧拡大室５７の燃料圧を介してボール６３を押圧する構成となっているので、油圧拡大室５７の圧縮し加圧された燃料は徐々にピストン６７，６８等の摺動部を介して徐々にリークして油圧拡大室５７の燃料圧は低下する。これによりピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押し下げる力は徐々に減じられることになる。このため、従来の装置では噴射量が多く噴射時間が長いとボール６３が高圧側シート５１１から離間してノズルニードル６１の背圧が上昇し噴射が停止してしまうというおそれがある。
【００６９】
本コモンレール式燃料噴射装置は充電保持時間が長い場合、すなわち、噴射停止のおそれの有無を判定する上記設定時間を越えた場合は補充の充電を行うことで油圧拡大室５７の燃料圧を高圧に回復せしめてピエゾアクチュエータ１３Ａのボール６３に対する押圧力を増強する。これにより、ボール６３が高圧側シート５１１から離間せず、指令噴射量分の燃料噴射が完了する前にニードル６１が着座するのを防止することができる。なお、ピエゾアクチュエータ１３Ａのボール６３に対する押圧力を増強しても、既にボール６３は高圧側シート５１１に着座状態にあるからボール６３と高圧側シート５１１との間で新たな衝撃は発生しない。
【００７０】
また、コモンレール圧力が高くピエゾスタック電圧Ｖt が高い場合は充電を補充する余裕がないことになるが、ピエゾスタック電圧Ｖt が充電補充する余裕があるかないか判定する上記設定電圧よりも高い場合は、ステップＳ３４以降の手順により油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避することができる。すなわち、図１０に示すように、設定時間を越えた時点で一時的な放電期間を設けることでピエゾアクチュエータ１３Ａが初期状態に復帰し油圧拡大室５７の燃料もリーク分の燃料が補充される。その後、再充電を行うことでボール６３を再び高圧側シート５１１に着座せしめることができる。
【００７１】
なお、この放電期間において弁室５５内に高圧制御通路５２から高圧燃料が流入し背圧室５３が高圧となるので図１１に示すようにノズルニードル６１がフルリフトの状態から少し下降する場合もあるが、一瞬のことであるので噴射率に殆ど影響はなく通常のプロファイルが得られる。
【００７２】
なお、本実施形態において、燃料の温度を検出する温度センサを設けて上記設定時間を検出温度が高いほど短く設定してもよい。インジェクタの温度が高いほどインジェクタ内の燃料の粘性は低くなるからピエゾアクチュエータがボールを押圧するときの油圧拡大室からの燃料リークは多くなり、ボールに対する押し付け力が早く低下するからである。
【００７３】
また、上記ステップＳ３２，Ｓ３３を非実行とし、一時的な放電期間の設定（ステップＳ３４，Ｓ３５）のみで油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。逆に、ピエゾスタック６６の仕様により決まるピエゾスタック電圧Ｖt の許容最大電圧が十分なときは、前記ステップＳ３２，Ｓ３４，Ｓ３５を非実行とし、充電補充（ステップＳ３３）のみで油圧拡大室５７からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。
【００７４】
また、前記ステップＳ１０，Ｓ２０を非実行としてコモンレール圧力によらずピエゾスタック電圧Ｖt を固定しておき、上記のごとく一時的な放電期間の設定（ステップＳ３４，Ｓ３５）のみ、または充電補充（ステップＳ３３）のみを実行して噴射時間が長いときの油圧拡大室からの燃料のリークによる燃料噴射の不具合を回避するのもよい。いずれの場合も、ピエゾスタック電圧Ｖt を装置で使用される最大コモンレール圧力に対し一定の開弁力が得られる必要最小限の電圧に固定しておけばよいので、ある程度、ボールが高圧側シートに着座する時の衝撃を和らげることもできる。
【００７５】
（第３実施形態）
図１２に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。基本的な構成は第２実施形態の構成と同じもので、図中、第２実施形態と同じ番号を付した部分は実質的に同じ作動をするので、第２実施形態との相違点を中心に説明する。また、インジェクタ１Ａの各部についても図７に示した番号を付すものとする。
【００７６】
本コモンレール式燃料噴射装置はインジェクタ１Ａの温度を検出する易動度検出手段たる温度センサ８３が設けてあり、検出信号がＥＣＵ８１Ｂに入力している。ＥＣＵ８１Ｂの図示しない制御回路は上記図８に示した制御と基本的に同じ制御を実行する。
【００７７】
この制御を前記図８により説明すると、ステップＳ１０でコモンレール圧力とともに、温度センサ８３で検出されたインジェクタ１Ａ内の燃料温度（以下、インジェクタ燃料温度という）を取り込む。ステップＳ２０では、ピエゾスタック電圧Ｖt を、コモンレール圧力とともに前記インジェクタ温度に基づいて設定する。すなわち、ピエゾスタック電圧Ｖt を上記インジェクタ燃料温度が低いほど低く設定する。例えば、図４のごとくコモンレール圧力に基づいて設定された電圧値に対して、予め設定した基準温度からの温度差に応じて電圧値を増減すればよい。
【００７８】
さて、インジェクタ燃料温度が低いほどインジェクタ１Ａ内の燃料の体積弾性率および粘性は高くなるから、コモンレール圧力が同等であってもインジェクタ燃料温度が低温側ではピエゾアクチュエータ１３Ａがボール６３を押圧するときの油圧拡大室５７の圧縮に必要な圧縮量、および油圧拡大室５７からの燃料リークは少なくなって易動度が増し、ボール６３に対する付勢力は相対的に増大する。このためインジェクタ燃料温度が高温側に比して余裕力Ｆa は大きく、ピエゾスタック電圧Ｖt はインジェクタ燃料温度が低いほどさらに低くてもよい。しかして、ピエゾスタック電圧Ｖt を上記のごとく設定することで、さらにボール６３が高圧側シート５５１に着座する時の衝撃を和らげることができる。
【００７９】
また、指令充電時期および指令充電保持時間を、検出されたインジェクタ燃料温度が前記基準温度よりも高い場合には、その温度差に応じて、充電時期を指令噴射時期に基づく指令値よりも進角するとともに充電保持時間を指令噴射時間に基づく指令値よりも長くする。一方、検出インジェクタ燃料温度が上記基準温度よりも低い場合には、その温度差に応じて、充電時期を指令噴射時期に基づく指令値よりも遅角するとともに充電保持時間を指令噴射時間に基づく指令値よりも短くする。
【００８０】
前記のごとくインジェクタ燃料温度が低温ほどピエゾアクチュエータ１３Ａの易動度が大きくボール６３が高圧側シート５５１に着座するまでの応答時間も短くなるが、充電時期をインジェクタ燃料温度が低温側ほど相対的に遅くすることでボール６３の着座時期のばらつきを低減することができ、噴射時期のばらつきを低減することができる。
【００８１】
また、同様に指令充電保持時間をインジェクタ燃料温度が低温側ほど短くすることでボール６３が着座を保持する時間のばらつきを低減することができ、したがって、噴射量のばらつきを低減することができる。
【００８２】
なお、インジェクタ燃料温度は必ずしもインジェクタに取り付けた温度センサによらずとも、前記説明より明らかなように実質的にインジェクタ内燃料温度の指標になり得るものであればよい。
【００８３】
また、要求される仕様によっては充電時期、充電保持時間の補正は省略してもよい。
【００８４】
（第４実施形態）
図１３、図１４に本発明の別のコモンレール式燃料噴射装置を示す。第２実施形態において、制御回路で行われる制御の一部の設定を別のものに代えたもので、図中、第１、第２実施形態と同じ番号を付した部分については実質的に同じ作動をするので相違点を中心に説明する。
【００８５】
図１５は、本コモンレール式燃料噴射装置のＥＣＵ８１Ｃを構成する制御回路８１１Ｃにおいて実行される燃料噴射の制御フローを示すもので、ステップＳ１０、Ｓ２０では第１実施形態と同様に圧力センサ８２により検出されたコモンレール圧力を取り込み、ピエゾスタック電圧Ｖt を設定する。
【００８６】
ステップＳ１１０では設定噴射回数が２以上か否かを判定する。この噴射回数は、一時に複数回連続して噴射を行う噴射モード、すなわちメイン噴射に先立ちパイロット噴射を行うものであれば２であり、少量ずつ複数回に分けて噴射するマルチ噴射であればその噴射回数であり、運転条件により設定される。
【００８７】
複数回噴射を行う噴射モードであればピエゾスタックの再充電開始電圧Ｖａを設定しステップＳ１３０に進む。設定内容については後述する。また、一回だけ噴射を行う噴射モードであればステップＳ１２０をスキップしてステップＳ１３０に進む。
【００８８】
運転条件から設定された噴射開始時期になると、ステップＳ１３０でピエゾスタック６６の充電を開始してこれを伸長せしめる。前記のごとくノズルニードル６１がリフトを開始し燃料噴射が開始される。
【００８９】
そして、通電時間が設定値に達すると（ステップＳ１４０）、ピエゾスタック６６の放電を開始する（ステップＳ１５０）。これによりボール６３が再び低圧側シート５５２に着座して背圧室５３の圧力が上昇し、ニードル閉弁開始圧力に達すると、ニードル６１は着座方向に変位を開始する。
【００９０】
一方、ピエゾスタック６６の放電開始（ステップＳ１５０）に続いて、噴射回数が前記設定噴射回数に達したか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、噴射回数が前記設定噴射回数に達していなければ、すなわち、パイロット噴射のみが実行された場合や、マルチ噴射の最後の噴射が実行されていない場合はステップＳ１７０に進む。なお、１回だけ噴射を行う噴射モードではこれで本フローは終了となる。
【００９１】
以下、燃料噴射がパイロット噴射とメイン噴射とからなる等の噴射モードにおける２回目以降の燃料噴射について説明する。ピエゾスタック６６の放電開始（ステップＳ１５０）により、ピエゾスタック電圧は低下するが、ピエゾスタック電圧が前記再充電開始電圧Ｖa に達すると（ステップＳ１７０）、ステップＳ１３０に戻り、メイン噴射等の２回目以降の噴射が実行される。この場合、ステップＳ１４０における設定値は２回目以降のそれぞれの噴射に対して設定された時間である。
【００９２】
そして、設定噴射回数の噴射が終了すると（ステップＳ１６０）、本フローは終了となる。
【００９３】
図１６に本燃料噴射装置における燃料噴射制御時の装置各部の作動を示し、これにより、前記再充電開始電圧Ｖa の設定内容とともに、本燃料噴射装置の作動を説明する。図例はメイン噴射に先立ってパイロット噴射を行う噴射モードのものである。また、図１７にはメイン噴射に先立ってパイロット噴射を行う時の従来の制御を示す。図１６、図１７中、駆動パルスは、ピエゾスタック６６の充電開始（「Ｌ」から「Ｈ」）と放電開始（「Ｈ」から「Ｌ」）とを示す制御回路から駆動回路に出力される制御信号であり、図例は、前のがパイロット噴射、後のがメイン噴射のものである。
【００９４】
先ず、従来の装置の制御について説明する。説明の便宜のため装置の各部には同じ番号を付すものとする。前記第２実施形態と同様にピエゾスタック６６の充電が開始されボール６３が低圧側シート５５２からリフトし弁室圧力が低下する。弁室圧力がニードル開弁開始圧力に達しニードル６１がリフトするとパイロット噴射が開始される。一方、ピエゾスタック電圧は、一定の勾配をもって上昇し、設定電圧Ｖt に達する。
【００９５】
そして、噴射信号が「Ｈ」から「Ｌ」に変化すると、パイロット噴射を終了せしめるべくピエゾスタック６６の放電を開始してピエゾスタック電圧が０になるまで放電する。一方、放電開始とともに弁室圧力が上昇し、ニードル６１が着座方向に変位する。
【００９６】
次いで、メイン噴射が行われることになるが、これを行う最も早いタイミングはピエゾスタック電圧が０になった直後である。図例はかかる場合のものであり、ピエゾスタック６６が再び充電されてメイン噴射がなされる。
【００９７】
一方、本燃料噴射装置は、前記図１５に示す制御内容としてあるから、次のようになる。ピエゾスタック６６の充電が開始され、ボール６３が低圧側シート５５２からリフトを開始し弁室圧力が低下する。弁室圧力がニードル開弁開始圧力に達しニードル６１がリフトするとパイロット噴射が開始される。一方、ピエゾスタック電圧は設定した電圧Ｖt に達する。
【００９８】
そして、パイロット噴射を終了せしめるべくピエゾスタック６６の放電が開始されて弁室圧力がニードル閉弁開始圧力に向かって上昇する。ここで、従来はピエゾスタック６６の放電がピエゾスタック電圧が０になるまで行われるが、本実施形態ではピエゾスタック電圧が０になる前でも可能である。すなわち、ピエゾスタック電圧が再充電開始電圧Ｖa （＞０）に達すると、再充電が開始され、ボール６３が上方変位を開始する。これにより、再び弁室圧力が低下し、ニードル開弁開始圧力を下回るとニードル６１がリフト方向に転じ、メイン噴射期間に入る。そして予め設定した所定のメイン噴射パルスが「Ｈ」から「Ｌ」になるとピエゾスタック６６は放電されてメイン噴射が停止する。
【００９９】
再充電開始電圧Ｖa は次のように設定される。図１８は発明者らが得た、インジェクタ１Ａに制御油として導入されるコモンレール圧力と、インジェクタ１Ａの作動状態におけるピエゾスタック電圧との関係で、ニードル６１を開弁方向に作動せしめるには、コモンレール圧力が高いほど、ボール６３を押し下げる力に対抗する燃料圧力が高くなるため、充電によりピエゾスタック６６に供給すべきエネルギーも大きくなって必要なピエゾスタック電圧（噴射可能電圧）も大きくなる。
【０１００】
一方、ニードル６１を閉弁方向に作動せしめるには次のようになる。すなわち、ボール６３と低圧側シート５５２の間の環状間隙が最大の状態、すなわちボール６３が高圧側シート５５１に着座状態でなくとも、前記環状間隙の面積が、背圧室５３から低圧通路３２への燃料のリリーフ流量が一定量以上確保し得るような面積であれば、ニードル６１は開弁状態を維持するが、ピエゾスタック６６の伸びがある程度以下となって前記環状間隙が小さくなると前記リリーフ流量が減るために背圧室５３の圧力が上昇してニードル６１は噴射を終了する方向に動く。つまり、ニードル６１が閉弁方向に変位するピエゾスタック電圧（噴射停止電圧）は噴射可能電圧よりもやや低い値をとり、噴射可能電圧と同様にコモンレール圧力が高いほど、大きな値をとる。
【０１０１】
ピエゾスタック電圧が噴射可能電圧以上であればニードル６１はリフト方向に変位し、噴射停止電圧以下であればニードル６１は着座方向に変位することになる。したがって、ピエゾスタック６６の放電を開始すると、ピエゾスタック電圧が設定電圧Ｖt から低下し、それが噴射停止電圧を下回るとニードル６１が着座方向に変位する。そしてピエゾスタック電圧が前記再充電開始電圧Ｖa になったら再充電を開始し、再び、ピエゾスタック電圧が噴射可能電圧を越えると、ニードル６１が離座方向に変位することになる。したがって、ニードル６１の着座から再リフトまでをパイロット噴射間隔とすれば、再充電開始電圧Ｖa を噴射停止電圧＞Ｖa ＞０の範囲で設定すれば再充電開始電圧Ｖa の大きさによって、図例のように、パイロット噴射間隔を実質的に負とすること、すなわちパイロット噴射からメイン噴射への切り換わり時にニードル６１が着座状態にある期間をなくすこともできる。
【０１０２】
ここで、かかる制御においては次の点に注意が必要となる。すなわち、噴射停止電圧がコモンレール圧力に応じて変動することから、ピエゾスタック電圧が０になる前に再充電をしてパイロット噴射間隔を短くしようとすれば、例えば、噴射停止電圧が低くなるコモンレール圧力が低い場合には、パイロット噴射を行おうと再充電を行ったにも係わらず、再充電開始時のピエゾスタック電圧が噴射停止電圧を下回らず、パイロット噴射がメイン噴射と分離しないということが起こり得る。そこで、本燃料噴射装置では、予め、再充電開始電圧Ｖa を変えた時のニードル６１の挙動を、使用されるコモンレール圧力の範囲で実験等により求めておく。そして、制御回路８１１Ｃは、その内蔵メモリに、コモンレール圧力に対して適正な噴射特性を与える再充電開始電圧Ｖa を対応付けるマップを記憶しておくとともに、検出されたコモンレール圧力に応じて再充電開始電圧Ｖa が与えられるように設定しておく。勿論、再充電開始電圧Ｖa は噴射停止電圧以下である。
【０１０３】
しかして、複数回に分けて噴射を行う噴射モードにおいて、要求される噴射特性および検出されたコモンレール圧力に応じて再充電開始電圧Ｖa を適正に設定することができる。これにより、駆動回路８１２においてピエゾスタックの充電時における損失を低減すべく、充電電流を抑制して充電／放電時におけるピエゾスタック電圧の勾配を緩やかにしてもパイロット噴射間隔が徒に長くならず、エミッションの低減を図ることができる。
【０１０４】
なお、コモンレール圧力とニードル６１の挙動についての前記実験において、ピエゾスタック６６の放電開始からピエゾスタック電圧が再充電開始電圧Ｖa になるまでの時間が知られるから、ＥＣＵの制御回路が、かかる時間のデータに基づいて、ピエゾスタック６６の再充電開始をタイマで設定することもできる。
【０１０５】
また、再充電開始電圧Ｖa はコモンレール圧力に対して固定値とするのではなく、マップはコモンレール圧力に対して再充電開始電圧Ｖa の上限である前記噴射停止電圧を対応付ける内容とし、再充電開始電圧Ｖa を、検出されたコモンレール圧力に応じた前記噴射停止電圧以下の領域で、その時の運転条件等に応じて設定するのもよい。
【０１０６】
また、本実施形態では、ニードル６１の閉弁開始時におけるインジェクタ１Ａの作動状態を、蓄電量であるピエゾスタック電圧により知るようにしたが、ニードル６１の閉弁開始時におけるインジェクタ１Ａの作動状態が知られるものであればよく、例えば背圧室５３の圧力の変化等でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図２】前記コモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図４】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すグラフである。
【図５】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するインジェクタの一部拡大図である。
【図６】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を説明するグラフである。
【図７】本発明の第２のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図８】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図９】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示す第１のグラフである。
【図１０】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示す第２のグラフである。
【図１１】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の第３のコモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図１３】本発明の第４のコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。
【図１４】前記コモンレール式燃料噴射装置の要部構成図である。
【図１５】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すフローチャートである。
【図１６】前記コモンレール式燃料噴射装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１７】前記コモンレール式燃料噴射装置と比較する従来の装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図１８】前記コモンレール式燃料噴射装置を構成するＥＣＵにおける制御内容を示すグラフである。
【符号の説明】
１，１Ａ インジェクタ
１１ ノズル部
１２ 背圧制御弁（背圧増減手段）
１３，１３Ａ ピエゾアクチュエータ
２ 棒状体
３１ 高圧通路
３２ 低圧通路
４３ 噴孔
５３ 背圧室
５５ 弁室
５５１ 高圧側シート（弁座）
５５２ 低圧側シート
６１ ニードル
６３ ボール（弁体）
６４ ピストン
６６ ピエゾスタック
６７ 小径ピストン（ピストン）
６８ 大径ピストン（ピストン）
７４ コモンレール
８１，８１Ｂ，８１Ｃ ＥＣＵ（制御手段）
８２ 圧力センサ（易動度検出手段、圧力検出手段）
８３ 温度センサ（易動度検出手段）
Claims (11)
- 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を上記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、放電状態から電荷が供給されて伸長する充電時に、前記弁体を前記弁座に着座する方向に駆動する機構を有し、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめるとともに、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 請求項１記載のコモンレール式燃料噴射装置において、前記易動度検出手段を前記コモンレールの燃料圧力を検出する構成として、検出された燃料圧力が低いほど前記易動度が大きいと判断するコモンレール式燃料噴射装置。
- 請求項１または２いずれか記載のコモンレール式燃料噴射装置において、前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であるコモンレール式燃料噴射装置。 - 請求項３記載のコモンレール式燃料噴射装置において、上記易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出する構成として、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断するコモンレール式燃料噴射装置。
- 請求項３または４いずれか記載のコモンレール式燃料噴射装置において、前記制御手段を、燃料の指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長い場合に限って、前記ピエゾアクチュエータの充電量が予め設定した充電量しきい値よりも少ないときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定し、
前記ピエゾアクチュエータの充電量が前記充電量しきい値よりも多いときには、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的にピエゾアクチュエータを放電する放電期間が設けられるように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、上記ピエゾアクチュータの充電時期が、検出された前記燃料温度が低い側では遅角し高い側では進角するように、指令噴射時期に基づいて設定された充電時期が補正されるように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記ピエゾアクチュエータは、燃料が導入されピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を有し前記燃料の圧力によりピストンを駆動して前記弁体を押圧する構成であり、
前記インジェクタは、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行う構成であり、
充電時における前記ピエゾアクチュエータの易動度を検出する易動度検出手段を具備せしめ、該易動度検出手段を前記インジェクタ内の燃料の温度を検出し、検出された前記燃料温度が低いほど易動度が大きいと判断する構成として、
前記制御手段を、検出された前記易動度が大きいほど前記ピエゾアクチュエータへの充電量が少なくなるように設定するとともに、上記ピエゾアクチュータの充電保持時間が、検出された前記燃料温度が低い側では短く高い側では長くなるように、指令噴射時間に基づいて設定された充電保持時間が補正されるように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえると前記ピエゾアクチュエータに補充の充電を行うように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された圧力増減手段と、燃料が導入されてピエゾスタックの伸縮で拡縮するポンプ室を備え前記弁体を直接押圧するピストンを前記ポンプ室の燃料の圧力を介して駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されるとともに、前記ピエゾアクチュエータが充電保持状態の時、燃料噴射を行うインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備するコモンレール式燃料噴射装置において、
前記制御手段を、指令噴射時間に基づいて設定された前記ピエゾアクチュエータの充電保持時間が予め設定した充電保持時間しきい値よりも長いときに限って、前記ピエゾアクチュエータの充電後の経過時間が前記充電保持時間しきい値をこえた時に一時的に前記ピエゾアクチュエータを放電する放電期間を設定することを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 噴孔を開閉するニードルを有しコモンレールから供給された高圧の燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体が配設され前記弁体の変位で前記背圧室の圧力を増減自在に構成された背圧増減手段と、前記弁体を駆動するピエゾアクチュエータとを有し、かつ、少なくとも前記ピエゾアクチュエータの充電時に前記弁体が着座する弁座が前記弁室に形成されてなるインジェクタと、
前記ピエゾアクチュエータの充放電を制御して前記背圧室の圧力の高低切り換えにより前記ニードルを開閉駆動せしめる制御手段とを具備し、
かつ、前記ピエゾアクチュエータの充電と放電とを連続的に複数回繰り返し、１回の燃料噴射を実質的に前記複数回に分けて行うコモンレール式燃料噴射装置において、
前記コモンレールの圧力を検出する圧力検出手段を具備せしめ、
前記制御手段は、予め、コモンレール圧力と、前記ニードルの閉弁開始時以後における前記インジェクタの作動状態との関係を記憶し、燃料の噴射を複数回に分けて行う場合の前記ピエゾアクチュエータの再充電開始のタイミングを、前記インジェクタが、前記ニードルの閉弁開始時から前記ピエゾアクチュエータの蓄電量が０になる前の作動状態にある時点とするように設定したことを特徴とするコモンレール式燃料噴射装置。 - 請求項１０記載のコモンレール式燃料噴射装置において、前記インジェクタの作動状態は前記ピエゾアクチュエータの蓄電量により知られるコモンレール式燃料噴射装置。
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