JP4476950B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータとして機能するピエゾ素子の伸縮に応じてノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタについて、前記ピエゾ素子を伸縮操作することで燃料噴射を行う燃料噴射制御装置に関する。

各気筒の燃料噴射弁に高圧の燃料を供給する共通の蓄圧室（コモンレール）を備えるコモンレール式のディーゼル機関が周知である。コモンレール式のディーゼル機関によれば、機関運転状態に応じて、コモンレール内の燃圧を自由に制御することができ、ひいては燃料噴射弁に供給される燃圧を自由に制御することができる。

また、ディーゼル機関においては、通常、ユーザによるアクセルペダルの操作量に応じた要求トルクを生成すべく、アクセルペダルの操作量と回転速度とに基づき要求される燃料量（要求噴射量）が算出される。そして、要求噴射量の燃料を噴射すべく燃料噴射弁の指令噴射期間が設定される。

ところで、上記要求噴射量の燃料を一回の燃料噴射によって噴射する場合、燃料が一気に燃焼することにより、ディーゼル機関から排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の量が上昇する傾向にある。このため、ＮＯｘの排出量を低減しつつも燃料消費量を低減させるべく、一度の噴射で燃料噴射率を段階的に増加させるいわゆるブーツ型噴射を行うことも提案されている。

ブーツ型噴射を行うためには、アクチュエータの変位に応じてノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタを用いることが考えられる（特許文献１）。このピエゾインジェクタによれば、燃料噴射途中におけるノズルニードルのリフト量を制御することができるため、燃料噴射量のみならず、燃料噴射率をも制御することができ、ひいてはブーツ型噴射が可能となる。

ただし、上記ピエゾインジェクタによってブーツ型噴射を行うべく、ピエゾ素子に対する充電を一旦停止したとしても、例えばコモンレール内の燃圧が高いとき等には、ノズルニードルの挙動が不安定となりやすく、所望の噴射率にてブーツ型噴射を行うことが困難となる。

なお、上記ブーツ型噴射に限らず、ピエゾインジェクタを用いた燃料噴射制御において噴射率を所望に制御する際には、その制御性を高く維持することが困難なこうした実情も概ね共通したものとなっている。
米国特許第６５２０４２３号明細書

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、アクチュエータの変位に応じてノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタを用いて、燃料噴射率をより高精度に制御することのできる燃料噴射制御装置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記載の発明は、アクチュエータとして機能するピエゾ素子の伸縮に応じて噴射口を開閉するノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタについて、前記ピエゾ素子を伸縮操作することで燃料噴射を行う燃料噴射制御装置において、前記ピエゾインジェクタを開弁させるべく前記ピエゾ素子を充電して前記リフト量をゼロよりも大きくした後、前記リフト量を最大リフト量よりも小さくて且つゼロよりも大きい所定のリフト量にて保持すべく、前記ピエゾ素子に充電された電荷の一部を放電させる放電手段を備えることを特徴とする。

上記構成において、ピエゾ素子を一旦充電することでピエゾインジェクタが開弁すると
、ノズルニードルの先端部に燃圧が加わることや、慣性等のために、ノズルニードルが開弁方向にオーバーシュートするおそれがある。そして、この場合には、ノズルニードルを低リフトにて保持することが困難となる。この点、上記構成では、充電後、ピエゾ素子に充電された電荷を一部放電することで、ノズルニードルのリフト量が過大となることを抑制することができ、高精度の低リフト保持が可能となる。したがって、上記構成によれば、燃料噴射率をより高精度に制御することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、当該燃料噴射制御装置は、前記ピエゾインジェクタによる燃料噴射率を段階的に増大させるブーツ型噴射を行うものであり、前記ブーツ型噴射を、前記放電手段による放電後、前記ピエゾ素子を再度充電することで行うことを特徴とする。

上記構成では、放電手段を用いることにより、ブーツ型噴射における低噴射率時の噴射率を高精度に制御することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記放電手段は、前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力、前記所定のリフト量での保持期間、及び該保持に際しての目標リフト量の少なくとも１つに基づき、前記放電処理の態様を設定することを特徴とする。

上記構成において、ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力によって、ノズルニードルを変位させるためにピエゾ素子に要求される力が変化するため、ノズルニードルを低リフトにて高精度に保持制御するためには、放電処理の態様を燃料の圧力に応じて可変設定することが望ましい。また、ノズルニードルのリフト量の保持期間が長いほど、ノズルニードルのリフト量が変動しやすいため、ノズルニードルを低リフトにて高精度に保持制御するためには、放電処理の態様を保持期間に応じて可変設定することが望ましい。更に、ノズルニードルの目標リフト量が異なると、同リフト量にて保持するためにピエゾ素子に要求される変位量が変化するため、ノズルニードルを低リフトにて高精度に保持制御するためには、放電処理の態様を目標リフト量に応じて可変設定することが望ましい。

この点、上記構成では、上記少なくとも１つに基づき放電処理の態様を設定するフィードフォワード制御を行うことで、第１回目の燃料噴射から、ノズルニードルのリフト量を低リフトにて高精度に保持することが可能となる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ピエゾインジェクタは、前記ノズルニードルのリフト量を増大させる側に流体の圧力が加わるニードルストッパを備えて且つ、前記ピエゾ素子の伸長により前記流体を加圧するものであり、前記ピエゾ素子を一旦充電した後、前記ノズルニードルのリフト量の保持期間のうち前記放電手段による放電期間以外の期間における前記ピエゾ素子の電圧降下量を検出する手段と、該検出される降下量を所望の降下量とすべく、前記ピエゾインジェクタを開弁させるための充電処理及び前記放電手段による放電処理の少なくとも一方の態様を補正する補正手段とを更に備えることを特徴とする。

上記構成において、ピエゾ素子の電圧は、ピエゾ素子の電荷量と、ピエゾ素子に加わる力に応じた圧電効果による電圧の変化量とに応じて定まる。このため、リフト量の保持期間にピエゾ素子の電圧が変化するなら、それは放電手段による放電によるものと、ノズルニードルのリフト量の変化に伴う流体の圧力の変化によるピエゾ素子の電圧の変化によるものとなる。このため、保持期間のうち放電期間以外の期間における電圧降下量は、流体の圧力の変化量と強い相関を有し、ひいてはノズルニードルのリフト量の変化量と強い相関を有する。この点、上記構成では、電圧降下量に応じてノズルニードルのリフト変化量を高精度に把握することができる。そして、こうして把握されるノズルニードルのリフト変化量に応じて放電処理や充電処理の態様を補正するフィードバック補正により、ノズルニードルのリフト量を高精度に保持制御することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ピエゾインジェクタは、前記ノズルニードルのリフト量を増大させる側に流体の圧力が加わるニードルストッパを備えて且つ、前記ピエゾ素子の伸長により前記流体を加圧するものであり、前記ピエゾ素子の応力を検出する手段の検出結果を取り込み、前記検出される応力に応じて前記ピエゾインジェクタを開弁させるための充電処理及び前記放電手段による放電処理の少なくとも一方を補正することを特徴とする。

上記構成において、ノズルニードルのリフト量が増大すると流体の圧力が低下するため、ピエゾ素子に流体が加える力が低下する。このため、ノズルニードルのリフト量とピエゾ素子に加えられる力との間には相関関係がある。この点、上記構成では、ピエゾ素子の応力に基づき、ノズルニードルのリフト量を把握することができる。そして、こうして把握されるリフト量に応じて放電処理や充電処理の態様を補正するフィードバック補正により、ノズルニードルのリフト量を高精度に保持制御することができる。

請求項６記載の発明は、前記内燃機関の運転状態に基づき、前記ピエゾ素子の放電により前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量を算出する算出手段と、前記ピエゾインジェクタを開弁させるべく前記ピエゾ素子を充電した後、前記算出手段によって算出される状態量となるまで前記ピエゾ素子を放電する放電手段とを備え、前記算出手段は、前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量としての残存エネルギ量を前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力に基づき算出する処理、又は前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量としての残存電荷量を前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力および前記ピエゾ素子の温度に基づき算出する処理を行うことを特徴とする。

ピエゾ素子を充電することでピエゾインジェクタを開弁させた後、ピエゾ素子を放電することで、ピエゾインジェクタが閉弁するためには、未だピエゾ素子には電荷が残っている。これは、ピエゾインジェクタを閉弁させる際には、必ずしもピエゾ素子の電荷を全て放電する必要がないことを意味する。この点、上記構成では、ピエゾインジェクタが閉弁するときのピエゾ素子の電気的な状態量を算出し、同電気的な状態量となるまでピエゾ素子を放電させることで、次回の充電電荷量を低減させることができる。このため、上記構成によれば、燃料噴射制御に際しての消費電力を低減することができる。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、当該燃料噴射制御装置は、任意の気筒の１燃焼サイクル内に複数回の燃料噴射をする多段噴射制御をするものであり、前記算出手段によって算出される状態量までの放電を、前記多段噴射における最終段よりも前の燃料噴射について行うことを特徴とする。

上記構成では、多段噴射による消費電力を抑制することができ、しかも任意の気筒の１燃焼サイクル内での多段噴射の終了時にはピエゾ素子を完全に放電させることで、ピエゾインジェクタの開弁条件の変化によってピエゾインジェクタの意図せぬ開弁がなされる等の問題を回避することもできる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる燃料噴射制御装置をディーゼル機関に搭載されるピエゾインジェクタを用いた燃料噴射制御装置に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、上記ディーゼル機関を含む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２から汲み上げられた燃料は、高圧燃料ポンプ４により加圧され高圧状態でコモンレール６に供給される。コモンレール６は、高圧燃料ポンプ４から供給される燃料を高圧状態で蓄え、高圧燃料通路８を介してピエゾインジェクタ１０に供給する。ピエゾインジェクタ１０は、低圧燃料通路１２とも接続されており、低圧燃料通路１２を介して燃料タンク２に燃料を戻すことが可能となっている。

電子制御装置（ＥＣＵ２０）は、マイクロコンピュータやメモリ等を備えて構成され、ディーゼル機関の出力の制御を行なう。この制御に際しては、ＥＣＵ２０は、コモンレール６内の燃圧を検出する燃圧センサ１４の検出結果や、ディーゼル機関のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ１６の検出結果、ユーザによるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ１８等、各種センサの検出結果を取り込み、これら検出結果を参照する。

図２に、ピエゾインジェクタ１０の構成を示す。

ピエゾインジェクタ１０のボディ３０の先端部には、ボディ３０の内部とピエゾインジェクタ１０の外部とを連通させる噴射口３２が形成されている。そして、ボディ３０内部には、ノズルニードル３４、ニードルストッパ３６及びバランスピストン３８が先端部側から順に連結され、ボディ３０の内壁に沿ってその軸方向に変位可能に収納されている。ノズルニードル３４とボディ３０の内壁とによって区画形成されるニードル室３５と、バランスピストン３８の背面側のバランス室３９とには、上記高圧燃料通路８から高圧燃料が供給される。

ニードルストッパ３６のうちボディ３０の後方側の面とボディ３０の内壁とで形成される背圧室４１は、上記低圧燃料通路１２と連通しており、低圧燃料通路１２からの燃料が供給される。背圧室４１には、スプリング４０が設けられており、これにより、ニードルストッパ３６は、ボディ３０の先端側へ押されている。

一方、ニードルストッパ３６のうち、ボディ３０の先端部側の面側は、ボディ３０の内壁とともに第１油密室４２を形成している。第１油密室４２は、伝達通路４４を介して、バランスピストン３８よりもボディ３０の後方に位置する第２油密室４６と接続されている。これら第１油密室４２、伝達通路４４、第２油密室４６には、動力を伝達する媒体としての燃料が充填されている。

第２油密室４６は、ピエゾピストン４８のうちボディ３０の先端側の面とボディ３０の内壁とによって区画形成される空間である。ピエゾピストン４８は、その内部に逆止弁５０を備えており、低圧燃料通路１２から第２油密室４６への燃料の供給が可能となっている。また、ピエゾピストン４８は、その後方においてピエゾ素子５２と接続されている。ピエゾ素子５２の後部は、ボディ３０に連結され固定されている。

上記ピエゾ素子５２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５２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５２は、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。

こうした構成において、ピエゾ素子５２に通電が開始されると、ピエゾ素子５２の伸長に伴い、ピエゾピストン４８がボディ３０の先端方向に変位する。これにより、第２油密室４６、伝達通路４４及び第１油密室４２内の燃圧が上昇する。そして、ニードル室３５内の高圧燃料がノズルニードル３４を押す力と第１油密室４２内の燃料がニードルストッパ３６を押す力とが、スプリング４０及び低圧燃料がニードルストッパ３６を押す力とバランス室３９内の高圧燃料がバランスピストン３８の背面を押す力とに打ち勝つと、ノズルニードル３４がボディ３０の後方に変位し、ピエゾインジェクタ１０が開弁する。これにより、ボディ３０の内部の燃料が噴射口３２を介して外部に噴射される。

一方、ピエゾ素子５２の通電後にこれを放電させると、ピエゾ素子５２の収縮に伴い、ピエゾピストン４８がボディ３０の後方に変位するため、第２油密室４６、伝達通路４４及び第１油密室４２内の燃圧が低下する。これにより、スプリング４０及び低圧燃料がニードルストッパ３６を押す力とバランス室３９内の高圧燃料がバランスピストン３８の背面を押す力とが、ニードル室３５内の高圧燃料がノズルニードル３４を押す力と第１油密室４２内の燃料がニードルストッパ３６を押す力とに打ち勝つと、ノズルニードル３４の加速度がボディ３０の先端側方向となり、ピエゾインジェクタ１０が閉弁する。これにより、燃料噴射が終了する。

このピエゾインジェクタ１０では、ピエゾ素子５２の変位量に応じて、ノズルニードル３４のボディ３０の後方への変位量であるリフト量が変化する。このため、ピエゾインジェクタ１０の閉弁に対応するリフト量ゼロから最大のリフト量であるフルリフト量までの間で、リフト量を任意に制御することができる。すなわち、例えばピエゾ素子５２の通電によりその電気的な状態量を操作する際に、同状態量を一定とする期間を設けると、ノズルニードル３４は中間のリフト量で停滞する。このため、その後通電制御を再開することで２段階のリフト量を有するリフト制御が可能となる。このように、ピエゾインジェクタ１０を用いることで、リフト量を自由に制御することができるために、燃料噴射量のみならず１回の燃料噴射における燃料噴射率波形をも自由に制御することが可能となる。ちなみに、ここで燃料噴射率とは、ピエゾインジェクタ１０から噴射される単位時間当たりの燃料量を意味する。

図３に、本実施形態におけるピエゾ素子５２の駆動回路の構成を示す。

図示されるように、バッテリＢからＥＣＵ２０に供給される電力は、まず昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ２１に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、バッテリＢの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子５２を充電するための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の昇圧電圧は、コンデンサ２２に印加される。コンデンサ２２は、その一方の端子がＤＣ／ＤＣコンバータ２１側に接続され、また他方の端子が接地されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の昇圧電圧がコンデンサ２２に印加されると、コンデンサ２２はピエゾ素子５２に供給するための電荷を蓄える。

コンデンサ２２のうちの高電位となる端子側、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１側は、充電スイッチ２３と充放電コイル２４との直列接続体を介して、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側に接続されている。そして、ピエゾ素子５２の低電位となる端子側は、接地されている。充電スイッチ２３と充放電コイル２４との間には、放電スイッチ２５の一方の端子が接続されており、放電スイッチ２５の他方の端子は、接地されている。

放電スイッチ２５には、接地側からコンデンサ２２及び充放電コイル２４間側に向かう方向を順方向とする態様にて、ダイオード２６が並列接続されている。このダイオード２６は、コンデンサ２２、充電スイッチ２３、充放電コイル２４と共に、ピエゾ素子５２を充電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。

一方、充電スイッチ２３には、放電スイッチ２５側からコンデンサ２２側へと向かう方向を順方向とする態様にて、ダイオード２７が並列接続されている。このダイオード２７は、コンデンサ２２、充放電コイル２４、放電スイッチ２５と共に、ピエゾ素子５２の電荷を放電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。

上記構成の駆動回路は、マイクロコンピュータ２８により駆動される。詳しくは、マイクロコンピュータ２８では、ディーゼル機関の運転状態等を検出する各種センサの検出値や、ノードＮ１を介して検出されるピエゾ素子５２の電圧、ノードＮ２を介して検出されるピエゾ素子５２の電流に基づき、充電スイッチ２３や放電スイッチ２５を操作する。これら各操作は、図４に示す態様にて行なわれる。

図４（ａ）に充電スイッチ２３の操作態様の推移を示し、図４（ｂ）に放電スイッチ２５の操作態様の推移を示し、図４（ｃ）にピエゾ素子５２を介して流れる電流（操作電流）の推移を示し、図４（ｄ）にピエゾ素子５２の操作電圧の推移を示す。

図示されるように、充電スイッチ２３のオン・オフ操作によるチョッパ制御により、操作電流を増減させつつピエゾ素子５２の充電がなされる。具体的には、充電スイッチ２３がオン操作されることによって、コンデンサ２２、充電スイッチ２３、充放電コイル２４、ピエゾ素子５２からなる閉ループ回路が形成される。これにより、コンデンサ２２の電荷がピエゾ素子５２に充電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が増加する。一方、充電スイッチ２３のオン操作の後、充電スイッチ２３がオフ操作されることで、充放電コイル２４、ピエゾ素子５２、ダイオード２６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２４のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子５２に充電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が減少する。

上記態様にて充電スイッチ２３が操作される降圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子５２が充電され、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側の電位が上昇する。

一方、放電スイッチ２５のオン・オフ操作によるチョッパ制御により、操作電流を増減させつつピエゾ素子５２の放電がなされる。具体的には、放電スイッチ２５がオン操作されることで、放電スイッチ２５、充放電コイル２４、ピエゾ素子５２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５２が放電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が増加する。更に、放電スイッチ２５のオン操作の後、放電スイッチ２５がオフ操作されることで、コンデンサ２２、ダイオード２７、充放電コイル２４、ピエゾ素子５２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２４のフライホイールエネルギがコンデンサ２２に回収される。

上記態様にて放電スイッチ２５が操作される昇圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子５２が放電され、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側の電位が低下する。

本実施形態では、上記充電スイッチ２３及び放電スイッチ２５の操作を、予め定められた規定時間に渡ってオン状態として且つピエゾ素子５２を介して流れる電流がゼロとなることでオフ状態からオン状態へと切り替えるいわゆるオン時間一定操作として行う。これにより、ピエゾ素子５２のエネルギの変化速度を一定とすることができる。このため、オン時間一定操作によってピエゾ素子５２の充電を行うことで、充電時間によって、ピエゾ素子５２に供給されるエネルギを制御することができる。そして、ピエゾ素子５２は、エネルギが一定であれば温度にかかわらずピエゾ素子５２の伸長量が略一定となるため、上記オン時間一定操作を行なうことで、簡易な処理にてノズルニードル３４のリフト量を制御することができる。これに対し、ピエゾ素子５２の電圧を用いて充電処理を管理する場合には、ピエゾ素子５２の温度によってピエゾ素子５２の伸長量が変化するため、ノズルニードル３４のリフト量を高精度に制御するためには、ピエゾ素子５２の目標電圧の温度補正を行う必要がある。なお、エネルギを一定とした場合にピエゾ素子５２の変位量が略一定となることについての詳細は、例えば特開２００５−１３０５６１号公報に記載されている。また、上記態様のチョッパ制御により単位時間当たりのピエゾ素子５２に供給されるエネルギ量を一定とすることができることについては、例えば特開２００２−１３１５６号公報に記載されている。

本実施形態では、図５に示すように、噴射率を２段階に増加させるいわゆるブーツ型噴射を行う。ここで、低噴射率で保持するための低リフト保持時（ブーツ部）のリフト量は、ピエゾ素子５２の伸長量と相関を有するため、ピエゾ素子５２のエネルギ量を一定として固定することで低リフト保持の制御をすることができる。ただし、コモンレール６内の燃圧が高圧であるとき等においては、低リフトでのノズルニードル３４の挙動が不安定化しやすく、噴射率を高精度に制御することが困難となる。

図６に、コモンレール６内の燃圧が高圧であるときのブーツ型噴射の態様を示す。詳しくは、図６（ａ）に、ピエゾ素子５２の充電速度又は放電速度を示し、図６（ｂ）に、ピエゾ素子５２の電圧を示し、図６（ｃ）に、ピエゾピストン４８の変位を示し、図６（ｄ）に、第１油密室４２内の燃圧を示し、図６（ｅ）にノズルニードル３４のリフト量を示し、図６（ｆ）に、ピエゾインジェクタ１０の噴射率を示す。

図示されるように、コモンレール６内の燃圧が高圧であるときには、ピエゾ素子５２の充電から再充電までの低リフト保持期間において、ノズルニードル３４のリフト量が過度に大きくなり、ブーツ型噴射を適切に行うことができなくなるおそれがある。これは、以下の理由によると考えられる。

図７に、ピエゾインジェクタ１０の先端部の拡大図を示す。図示されるように、ノズルニードル３４がボディ３０の先端に着座している閉弁時においては、ニードル室３５内の高圧燃料がノズルニードル３４を上方に押す力Ｆ１は、ノズルニードル３４の後部の断面積Ｓａ、ノズルニードル３４の先端の燃圧が加わらない部分の断面積Ｓｓ、及び高圧燃料の燃圧ＮＰＣによって下記の式（ｃ１）にて表現される。

Ｆ１＝（Ｓａ−Ｓｓ）×ＮＰＣ …（ｃ１）
一方、本実施形態では、上記バランスピストン３８の断面積もノズルニードル３４の後部の断面積Ｓａと等しくされている。このため、バランス室３９内の高圧燃料がノズルニードル３４を先端側に押す力Ｆ２は、下記の式（ｃ２）となる。

Ｆ２＝Ｓａ×ＮＰＣ
ただし、ピエゾインジェクタ１０が開弁すると、ノズルニードル３４の先端部にも燃圧Ｐｓが加わるために、ニードル室３５内の高圧燃料がノズルニードル３４を上方に押す力Ｆ３は、下記の式（ｃ３）となる。

Ｆ３＝（Ｓａ−Ｓｓ）×ＮＰＣ＋Ｓｓ×Ｐｓ …（ｃ１）
ここで、ピエゾインジェクタ１０の閉弁時において、ノズルニードルを開弁させるためには、スプリング４０の力や背圧室４１内の低圧燃料による力を無視しても、第２油密室４２内の燃料によって少なくとも「Ｓｓ×ＮＰＣ」の力を生成しなければならない。これに対し、ピエゾインジェクタ１０が開弁すると、ニードル室３５内の高圧燃料による力とバランス室３９内の高圧燃料による力との差は、「Ｓｓ×ＮＰＣ」から「Ｓｓ×（ＮＰＣ−Ｐｓ）」に変化する。ここで、ピエゾインジェクタ１０のボディ３０先端部の絞りの効果のために、ノズルニードル３４の低リフト時には、「Ｐｓ＜ＮＰＣ」である。このため、ピエゾインジェクタ１０を開弁させるために第２油密室４２に要求された力は、ピエゾインジェクタ１０の開弁後には、過剰な力となりやすい。特に、コモンレール６内の燃圧が高圧であるときには、ニードル室３５内の高圧燃料による力とバランス室３９内の高圧燃料による力との差が、開弁の前後で大きく変化しやすくなる。このため、ノズルニードル３４がボディ３０の先端部から離座する際には、その加速度が大きくなりやすい。これにより、ノズルニードル３４のリフトが所望のリフトよりも大きくなり、低噴射率の制御を困難なものとすると考えられる。

そこで本実施形態では、ピエゾインジェクタ１０を開弁させるべくピエゾ素子５２を一旦充電した後、ピエゾ素子５２に充電された電荷の一部を放電することで、低リフト保持を行う。

図８に、本実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示す。図８に示す処理は、マイクロコンピュータ２８により、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、クランク角センサ１６によって検出されるクランク軸の回転速度と、燃圧センサ１４によって検出されるコモンレール６内の燃圧と、アクセルセンサ１８によって検出されるアクセルペダルの操作量とに応じて、ブーツ型噴射の噴射態様を設定する。すなわち、ブーツ型噴射の低リフト時の噴射率（ノズルニードル３４の目標リフト量）と、低リフトの保持期間とトータルの噴射期間とを設定する。

続くステップＳ１２においては、ステップＳ１０において算出された低リフトの噴射率や、燃圧に基づき、充電エネルギ量を設定する。ここで、低リフトの噴射率に応じて低リフト時の充電エネルギ量を設定することで、ピエゾ素子５２の伸長量を低リフトに見合ったものとすることができる。また、燃圧に応じて充電エネルギ量を設定するのは、ピエゾ素子５２の伸長量とエネルギ量とが一対一の関係となるのは、ピエゾ素子５２に加わる力が一定であることが前提となっているためである。すなわち、ピエゾ素子５２に加わる力は、ニードル室３５内の高圧燃料による力とバランス室３９内の高圧燃料による力との差に応じた力となり、この差は、燃圧に応じて変化する。このため、ピエゾ素子５２に加わる力と相関を有するパラメータとして燃圧を用いることで、低リフト及び最終の高リフトとするために要求される各エネルギ量を設定する。

続くステップＳ１４では、ブーツ型噴射の低リフト時のリフト量、低リフトの保持期間及び燃圧に基づき、ピエゾ素子５２の電荷の一部を放電する放電処理の時期、放電エネルギ量、及びエネルギ放出速度を設定する。ここで、低リフト時のリフト量が小さいほど、ノズルニードル３４の先端部にニードル室３５内の高圧燃料が加える上記圧力Ｐｓが小さくなることなどから、ノズルニードル３４が過度に高リフト側に変位することを抑制するために適切な条件は、リフト量に応じて変化する。このため、本実施形態では、リフト量に応じて、放電処理の開始時期、放電するエネルギ量、放電に際してのピエゾ素子５２のエネルギ放出速度を可変設定する。また、低リフトの保持期間が長いと、ノズルニードル３４のリフト量が変動しやすくなるため、ノズルニードル３４を低リフトにて保つために適切な条件は、保持時間に応じても変化する。このため、本実施形態では、保持時間に応じて、放電処理の開始時期、放電するエネルギ量、放電に際してのピエゾ素子５２のエネルギ放出速度を可変設定する。更に、コモンレール６内の燃圧によって、ノズルニードル３４を保持するためにピエゾ素子５２に要求される力は変化するため、ノズルニードル３４を低リフトにて保つために適切な条件は、燃圧に応じても変化する。このため、本実施形態では、燃圧に応じて、放電処理の開始時期、放電するエネルギ量、放電に際してのピエゾ素子５２のエネルギの放出速度を可変設定する。

ステップＳ１４の処理が完了すると、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６では、ピエゾインジェクタ１０を開弁させるべく、ピエゾ素子５２を充電する処理を行なう。ここでは、上記ステップＳ１２によって定められた充電エネルギ量の充電を行う。これは、充電エネルギ量に比例して先の図４に示した充電処理の時間を長くすることで簡易的に行うことができる。ただし、ピエゾ素子５２に供給されるエネルギの供給速度を可変とすべく、充電スイッチ２３をオンする時間を、充電エネルギ量に応じて可変設定してもよい。

ステップＳ１６の処理が完了すると、上記ステップＳ１４にて定めた放電時期となるまで待機する。そして放電時期となると（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、ステップＳ２０において、ピエゾ素子５２の電荷を一部放電する処理を行なう。ここでは、上記ステップＳ１４において定められたエネルギ放出速度とすべく、放電スイッチ２５をオン状態とする時間を可変設定し、放電エネルギ量に見合った放電処理時間に渡って、放電スイッチ２５を用いたチョッパ制御を行う。

こうして一部放電処理が完了すると、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２においては、まず、上記ステップＳ１０によって定めた保持期間が経過するときに再度の充電処理を行ない、更に、噴射期間の経過に応じてピエゾ素子５２の電荷を全て放電させることでピエゾインジェクタ１０を閉弁する。

図９に、上記処理によるブーツ型噴射の態様を示す。なお、図９（ａ）〜図９（ｆ）は、先の図６（ａ）〜図６（ｆ）と対応している。

図示されるように、ピエゾ素子５２の充電後、上記放電時期となるまでピエゾ素子５２に対する充電を停止し、放電時期となると、ピエゾ素子５２の電荷を一部放電する。これにより、ノズルニードル３４を低リフトにて保持することができ、その後ピエゾ素子５２を再度充電することで、ブーツ型噴射を適切に行うことができる。

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）ピエゾインジェクタ１０を開弁させるべくピエゾ素子５２を充電した後、リフト量を所定のリフト量にて保持すべく、ピエゾ素子５２に充電された電荷の一部を放電させた。これにより、ノズルニードル３４のリフト量が過大となることを抑制することができ、高精度の低リフト保持が可能となる。したがって、燃料噴射率をより高精度に制御することができる。

（２）ピエゾインジェクタ１０による燃料噴射率を段階的に増大させるブーツ型噴射を、ピエゾ素子５２に対する充電、一部放電、及び再充電によって行った。これにより、ブーツ型噴射における低噴射率時の噴射率を高精度に制御することができる。

（３）コモンレール６内の燃圧、ノズルニードル３４の目標リフト量、低リフトによる保持期間に基づき、放電処理の態様を設定するフィードフォワード制御を行うことで、第１回目の燃料噴射から、ノズルニードル３４のリフト量を低リフトにて高精度に保持することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、先の図８のステップＳ１４の処理に基づく一部放電処理によるノズルニードル３４のリフト量のフィードフォワード制御に加えて、同リフト量のフィードバック制御を行う。この際、低リフト保持時のリフト量の変化量を、図１０に示すように、低リフト保持期間のうち先の図８のステップＳ２０の放電処理を行っていない期間におけるピエゾ素子５２の電圧降下によって把握する。すなわち、ピエゾ素子５２の最初の充電によるピエゾ素子５２のピーク電圧Ｖａに対するピエゾ素子５２の一部放電処理の開始時の電圧Ｖｂの電圧降下量Δ１と、一部放電処理の終了時の電圧Ｖｃに対する再充電処理の開始時の電圧Ｖｄの電圧降下量Δ２との和によってノズルニードル３４のリフト量の変化量を把握する。

ここで、ピエゾ素子５２の電圧は、ピエゾ素子５２に充電される電荷量と、ピエゾ素子５２に外部から加わる力によって生じる圧電効果とによって定まる。このため、低リフトでの保持期間のうち一部放電処理の行われていない期間においては、ピエゾ素子５２の電圧の変化は、ピエゾ素子５２に加わる力の変化によって生じると考えられる。換言すれば、第１油密室４２内の燃圧の変化によって生じると考えられる。この燃圧の変化は、第１油密室４２の容積の変化と相関を有するため、燃圧の変化は、ノズルニードル３４のリフト変化量と相関を有する。このため、図１１に示すように、ピエゾ素子５２の電圧降下量によって、リフト変化量を把握することができる。

図１１は、ノズルニードル３４に加わる力が釣り合っているときにおいて、電圧降下量と、リフト変化量と燃圧との関係を示している。図示されるように、電圧降下量「Δ１＋Δ２」が大きいほど、リフト変化量が大きくなっている。これは、ピエゾ素子５２の電圧降下量が大きいほど、第１油密室４２の燃圧の低下量が大きいと考えられ、これは第１油密室４２の容積の増大量が大きいことを意味し、ひいてはノズルニードル３４のリフト量の増加量が大きいことを意味することを理由とする。また、リフト量の変化量が一定なら、燃圧が高いほど、電圧降下量「Δ１＋Δ２」は大きくなっている。これは、上述したように、燃圧が高いほどニードル室３５内の高圧燃料による力よりもバランス室３９内の高圧燃料による力の方が大きくなるためである。このため、第１油密室４２の容積変化量が同一であったとしても、この容積変化による第１油密室４２内の燃圧の低下量は燃圧が高いほど大きくなる。

図１２に、本実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示す。図１２に示す処理は、マイクロコンピュータ２８により、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図１２において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一のステップ番号を付している。

この一連の処理では、先の図８に示したステップＳ１８の放電処理の前後の電圧降下量を、ステップＳ２１において算出する。具体的には、上記放電処理の前後について、先の図３に示したノードＮ１の電圧に基づき、ピエゾ素子５２の電圧を検出し、これに応じて電圧降下量を算出する。

こうして電圧降下量が算出されると、この図１２に示す処理の次回の処理周期において、ステップＳ１４の処理の後、ステップＳ１５の処理として、この電圧降下量及び前回の燃圧の検出値に基づくフィードバック制御を行う。具体的には、ステップＳ１４の処理によって定められた放電エネルギ量を、図１３に示す態様にてフィードバック補正する。すなわち、リフト変化量の要求量を予め定めておき、この要求量と前回の燃圧の検出値とから、電圧降下量の要求値を求める。そして、この電圧降下量の要求値よりも検出値が大きいときには、放電エネルギ量を増加させる。これにより、ノズルニードル３４のリフトの上昇量が低下するため、第１油密室４２の容積の増大量が低減してその油圧が上昇することで、電圧降下量が低下する。ちなみに、上記リフト変化量の要求量は、先の図６（ｅ）に示したようなリフト量のオーバーシュートを回避する値に設定されている。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１）〜（３）の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。

（４）ノズルニードル３４のリフト量の保持期間のうち一部放電処理期間以外の期間におけるピエゾ素子５２の電圧降下量を所望の降下量とすべく、一部放電処理による放電エネルギ量をフィードバック補正した。これにより、ノズルニードル３４のリフト量をいっそう高精度に保持制御することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第２の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、ピエゾ素子５２の応力を検出するセンサを備え、ピエゾ素子５２の応力に応じてノズルニードル３４のリフト量を把握することで、フィードバック制御を行う。ここで、ノズルニードル３４に加わる力が釣り合っているときにおいて、ピエゾ素子５２の応力と、コモンレール６内の燃圧と、ノズルニードル３４のリフト量とに間には、図１４に示す関係がある。

図示されるように、ピエゾ素子５２の応力が大きいほどリフト量が低下する。これは、応力が大きいほど、ピエゾ素子５２に加わる力が大きいことから、第１油密室４２内の燃圧が高く、第１油密室４２の容積が小さい。すなわち、第１油密室４２の容積が小さいときには、ノズルニードル３４のリフト量が小さいため、応力が大きいほどリフト量が低下する。また、リフト量が同一なら、コモンレール６内の燃圧が高いほど、ピエゾ素子５２の応力が大きい。これは、上述したように、燃圧が高いほど、ニードル室３５内の高圧燃料による力よりもバランス室３９内の高圧燃料による力の方が大きくなるため、これを補償するために要求される第１油密室４２内の燃圧が上昇するためである。

したがって、一部放電処理後のピエゾ素子５２の応力から低リフト時のニードルリフト量を推定し、これに応じて、先の図１２のステップＳ１２の処理によって定められた充電エネルギ量や、エネルギ供給速度、ステップＳ１４の処理によって定められた放電時期や、放電エネルギ量、エネルギ放出速度の少なくとも１つをフィードバック補正する。

ちなみに、ピエゾ素子５２の応力は、図１５に示すように、複数の圧電素子の積層体としてのピエゾ素子５２のうちの単一の圧電素子を応力センサ５２ｓとして利用することで検出する。すなわち、ピエゾ素子５２に外部から力が加わると、ピエゾ素子５２の応力に応じて圧電効果により電圧が生じるため、これを応力情報として利用する。

以上説明した本実施形態によれば、第１の実施形態の上記（１）〜（３）の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。

（５）検出される応力から把握されるリフト量に応じてピエゾインジェクタ１０を開弁させるための充電処理及び一部放電処理の少なくとも一方を補正することで、ノズルニードル３４のリフト量を高精度に保持制御することができる。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態について、先の各実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、ピエゾ素子５２の充電処理や放電処理のためのチョッパ制御を、図１６に示す態様にて行う。すなわち、ピエゾ素子５２を介して流れる電流が規定のピーク値Ｉｐとなることで充電スイッチ２３や放電スイッチ２５をオフとし、且つピエゾ素子５２を介して流れる電流がゼロとなることで充電スイッチ２３や放電スイッチ２５をオンとする。換言すれば、ピエゾ素子５２を介して流れる電流がピーク値Ｉｐとなることで増加操作から減少操作への切り替えを行い且つ、ピエゾ素子５２を流れる電流がゼロとなることで減少操作から増加操作への切り替えを行なう。ただし、増加操作時間には予め上限値が定められており、上限値に達すると、ピエゾ素子５２を介して流れる電流がピーク値Ｉｐに達していなくても、減少操作に切り替える。これは、充電処理や放電処理の開始から時間の経過とともに充電スイッチ２３や放電スイッチ２５のオン状態における電流の増加速度が小さくなるためにとられる処置である。

上記態様にてピエゾ素子５２の充電処理や放電処理を行なうことで、充電時間や放電時間に比例して充電電荷量や放電電荷量を増加させることができる。すなわち、ピーク値Ｉｐとなることでオフ操作へと切り替える上記操作を行なう場合、充電時間（放電時間）ｔの間に充電（放電）される電荷量は、図１６に示す各三角形の面積が「（底辺）×（高さ）／２」であることに鑑みれば、「ｔ×Ｉｐ／２」にて近似できる。このため、ピエゾ素子５２の電荷を簡易且つ直接管理することが可能となる。

このため、本実施形態では、充電処理や放電処理において、エネルギではなく、ピエゾ素子５２の電荷量を管理する。以下、図１６のチョッパ制御を第１〜第３の実施形態に適用する場合について、その適用例を示す。

＜第１の実施形態に適用する場合＞
先の図８に示したステップＳ１２において、ブーツ型噴射の態様及び燃圧に加えて、更に、ピエゾ素子５２の温度に応じて、ピエゾ素子５２の目標電圧を設定する。ここでピエゾ素子５２の温度を用いるのは、ピエゾ素子５２の電圧の変化に対するピエゾ素子５２の変位量の変化である圧電係数が、ピエゾ素子５２の温度に依存して変化するためである。なお、ここでは簡易的にディーゼル機関の冷却水の温度をピエゾ素子５２の温度として代用してもよいが、例えばピエゾ素子５２の電荷量と電圧とを検出することでピエゾ素子５２の容量を算出し、これによりピエゾ素子５２の温度を推定してもよい。ちなみに、電荷の変化に対する電圧の変化で定義される見かけの容量が温度に応じて変化することに着目したこの手法の詳細は、例えば特開２００２−２１６２０号公報に記載されている。

また、先の図８のステップＳ１４において、放電時期に加えて、放電電荷量や放電速度を設定する。ここで、放電電荷量に代えて、ピエゾ素子５２の放電後の目標電圧を設定してもよい。また、放電速度は、図１６に示すピーク値Ｉｐによって調節することができる。

＜第２の実施形態に適用する場合＞
上記第１の実施形態に適用する場合の変更点に加えて、先の図１２に示したステップＳ１５において、電圧降下量に応じて放電電荷量をフィードバック補正すればよい。この際、先の図１３において、放電エネルギ量を放電電荷量と読み替えるものとする。

＜第３の実施形態に適用する場合＞
上記第１、第２の実施形態に適用する場合の変更点に加えて、先の図１２に示したステップＳ１５において、ピエゾ素子５２の応力と燃圧とに基づき、充電に際してのピエゾ素子５２の目標電圧や、充電速度、ステップＳ１４の処理によって定められた放電時期や、放電電荷量、放電速度の少なくとも１つをフィードバック補正する。

（第５の実施形態）
以下、第５の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、ピエゾ素子に対する充電及び放電に応じて開弁及び閉弁の２値的な動作をするピエゾインジェクタ１０ａを用いる。以下、図１７に基づき、ピエゾインジェクタ１０ａの構造について説明する。

ピエゾインジェクタ１０ａのボディ７０の先端には、円柱状のニードル収納部７２が設けられている。そして、ニードル収納部７２には、その軸方向に変位可能なノズルニードル７４が収納されている。ノズルニードル７４は、ボディ７０の先端部に形成されている環状のニードルシート部７６に着座することで、ニードル収納部７２を外部（ディーゼル機関の燃焼室）から遮断する一方、ニードルシート部７６から離座することで、ニードル収納部７２を外部と連通させる。また、ニードル収納部７２には、上記高圧燃料通路８を介して高圧燃料が供給される。

ノズルニードル７４の背面側（ニードルシート部７６と対向する側の反対側）は、背圧室８０に対向している。背圧室８０には、高圧燃料通路８からの燃料がオリフィス８２を介して供給される。また、背圧室８０には、ノズルニードル７４をニードルシート部７６側へ押すニードルスプリング８４が備えられている。

背圧室８０は、ボール８６を介して上記低圧燃料通路１２に連通可能とされている。ボール８６は、その背面側が、環状のバルブシート部９０に着座することで、低圧燃料通路１２と背圧室８０とを遮断し、ボディ７０の先端側へ変位することで、低圧燃料通路１２と背圧室８０とを連通させる。

ボール８６のうちバルブシート部９０側は、プレッシャピン９２を介して小径ピストン９４と連結されている。小径ピストン９４の後部側は、小径ピストン９４よりも径の大きな大径ピストン９６の先端と対向している。そして、小径ピストン９４、大径ピストン９６、及びボディ７０の内周面によって変位伝達室９８が区画形成されている。変位伝達室９８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９６は、そのボディ７０の後方側が、先の図２に示したピエゾ素子５２と同様のピエゾ素子５２ａと連結されている。ちなみに、ピエゾ素子５２ａは、大径ピストン９６と対向する側の裏面側がボディ７０に固定されている。

ピエゾ素子５２ａへ電流が供給されずピエゾ素子５２ａが収縮状態にあるときには、高圧燃料通路８の高圧燃料により力が及ぼされることから、ボール８６や小径ピストン９４はボディ７０の後方に位置することとなる。このとき、ボール８６により背圧室８０と低圧燃料通路１２とは遮断されている。このため、背圧室８０内の燃料の圧力（コモンレール６内の燃料の圧力）及びニードルスプリング８４の弾性力によって、ノズルニードル７４は、ボディ７０先端側へと押され、ニードルシート部７６に着座した状態(閉弁状態)となる。

一方、ピエゾ素子５２ａに電流が供給されることでピエゾ素子５２ａが伸長状態となると、ボール８６は、ボディ７０の先端側へ移動する。これにより、背圧室８０が低圧燃料通路１２と連通される。その結果、背圧室８０内の燃料の圧力が低下し、ニードル収納部７２内の高圧燃料がノズルニードル７４をボディ７０の後方へ押す力が、背圧室８０内の燃料及びニードルスプリング８４がノズルニードル７４をボディ７０の前方へ押す力よりも所定以上大きくなると、ノズルニードル７４は、ニードルシート部７６から離座した状態（開弁状態）となる。

こうした構成の場合には、ノズルニードル７４のリフト量を高精度に制御することができないため、ブーツ型噴射を行うことはできない。そこで、本実施形態では、燃焼サイクルの１サイクル内で、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の中からいくつかを選択して、これら選択した噴射を行なう多段噴射制御とする。ここで、パイロット噴射は、極微小な燃料が噴射されて着火の直前の燃料と空気との混合を促進させる。プレ噴射は、メイン噴射後の着火時期の遅れを短縮して窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制し、燃焼音及び振動を低減する。メイン噴射は、ディーゼル機関の出力トルクの生成に寄与して且つ多段噴射中の最大の噴射量を有する。アフタ噴射は、微粒子物質（ＰＭ）を再燃焼させる。ポスト噴射は、排気の温度を制御して、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等のディーゼル機関の後処理装置を再生させる。

ところで、これら多段噴射の各噴射を行うたびにピエゾ素子５２ａの充電、及び完全な放電を繰り返すとすると、放電時の消費電力が増加する。これは、上記チョッパ制御に際し、放電スイッチ２５がオフ状態のときにピエゾ素子５２ａに充電された電荷の一部をコンデンサ２２によって回収することができるとはいえ、放電スイッチ２５がオン状態であるときには、放電スイッチ２５、充放電コイル２４及びピエゾ素子５２ａによって形成される閉ループ回路によって放電がなされるため、電荷が回収されないからである。

そこで、本実施形態では、ピエゾインジェクタ１０ａが閉弁するときのピエゾ素子５２ａの残存エネルギ量を算出し、同残存エネルギ量となるまでピエゾ素子５２ａを放電する。これにより、多段噴射に際し、全ての電荷量を放電することがないため、消費電力を抑制することができる。

図１８に、本実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示す。図１８に示す処理は、マイクロコンピュータ２８により、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ３０において、アクセルペダルの操作量に応じた要求噴射量と、クランク軸の回転速度とに基づき、要求噴射量の燃料を分割して噴射する噴射段数を算出する。ここで、この噴射段数が「１」であるときには、メイン噴射のみを行うこととなり、噴射段数が「２」以上であるときには、メイン噴射に加えて、パイロット噴射や、プレ噴射、アフタ噴射を行なうこととなる。また、この際、別のロジックにて行われるポスト噴射の要求があるか否かを加味して最終的な噴射段数を設定する。

続くステップＳ３２では、ステップＳ３０にて算出される噴射段数の各噴射段の指令噴射期間と指令噴射開始時期とを算出する。

続くステップＳ３４では、コモンレール６内の燃圧に基づき、ピエゾインジェクタ１０の閉弁時の残存エネルギ量をマップ演算する。このマップは、予め実験等によって適合されたものとする。なお、残存エネルギ量を燃圧に応じて設定するのは、先の図１７に示したピエゾインジェクタ１０ａにあっても、これを開弁させるためには、高圧燃料がボール８６をバルブシート部９０側に押す力に打ち勝つ力をピエゾ素子５２ａが与えなければならないことなどによる。このため、ノズルニードル７４がニードルシート部７６に着座する際のピエゾ素子５２ａの力は、燃圧によって変化する。

こうして残存エネルギ量を算出すると、ステップＳ３６に移行する。ステップＳ３６では、各噴射において、充電処理によりピエゾインジェクタ１０ａを開弁させ、所定のタイミングでピエゾインジェクタ１０ａを閉弁させるべく、ピエゾ素子５２ａのエネルギ量が上記残存エネルギ量となるまで放電処理を行なう。なお、最終段の噴射については、安全性等の観点からピエゾ素子５２ａの電荷を完全に放電させる処理とする。

以上説明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。

（６）ピエゾ素子５２ａの放電によりピエゾインジェクタ１０ａが閉弁するときのピエゾ素子５２ａの残存エネルギ量を算出し、ピエゾインジェクタ１０ａを開弁させるべくピエゾ素子５２ａを充電した後、上記残存エネルギ量となるまでピエゾ素子５２ａを放電させた。これにより、燃料噴射制御に際しての消費電力を低減することができる。

（７）残存エネルギ量までの放電を、多段噴射における最終段よりも前の燃料噴射について行った。これにより、多段噴射による消費電力を抑制しつつ、ピエゾインジェクタ１０ａの開弁条件の変化によってピエゾインジェクタ１０ａの意図せぬ開弁がなされる等の問題を回避することもできる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第２の実施形態において、フィードバック補正の対象は、放電エネルギ量に限らず、例えば一部放電処理の開始時期や、ピエゾ素子５２からエネルギを放出する速度、更には、一部放電前の充電エネルギ量等であってもよい。

・上記第２、第３の実施形態において、フィードフォワード制御を行うことなく、フィードバック制御のみを行ってもよい。この際、例えば第３の実施形態においては、ピエゾ素子５２の応力の検出は、ピエゾインジェクタ１０を開弁させるための充電処理の後、ノズルニードル３４に加わる力が安定すると想定されるまで待機した後に行うことが望ましい。

・上記第４の実施形態において、ピエゾ素子５２の電荷の管理手法としては、先の図１６のチョッパ制御を行う期間及びピーク値Ｉｐによる簡易な管理手法に限らない。例えばチョッパ制御の態様にかかわらず、先の図３に示したノードＮ２の電圧によって検出されるピエゾ素子５２を流れる電流の時間積分値によってピエゾ素子５２の電荷を管理してもよい。

・上記第１〜第４の実施形態においては、ブーツ型噴射を行ったがこれに限らず、ノズルニードル３４を低リフトで保持する燃料噴射制御を行う場合には、本発明の適用が有効である。

・上記第５の実施形態において、ピエゾインジェクタ１０ａが閉弁するときの残存電荷量を算出し、同残存電荷量となるまでピエゾ素子５２ａを放電することで、ピエゾインジェクタ１０ａを閉弁させてもよい。ここで、残存電荷量を算出する際には、コモンレール６内の燃圧に加えて、ピエゾ素子５２ａの温度を用いることが望ましい。

・チョッパ制御を行う駆動回路としては、先の図３に例示したものに限らず、例えば特開平８−１７７６７８号公報等に例示されるように、トランスのフライバック電流を用いたチョッパ制御を行うものであってもよい。また、例えばピエゾ素子５２の充電処理や放電処理を、チョッパ制御以外の手法で行ってもよい。

・内燃機関としては、ディーゼル機関に限らず、例えば筒内噴射式等のガソリン機関であってもよい。

第１の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。 同実施形態のピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。 同実施形態にかかるＥＣＵの構成を示す図。 同実施形態にかかるピエゾ素子の操作態様を示すタイムチャート。 同実施形態における燃料噴射時の噴射率波形を示すタイムチャート。 ブーツ型噴射を行う際の問題点を説明するタイムチャート。 上記問題点の原因を考察するための図。 上記実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示すフローチャート。 同実施形態におけるブーツ型噴射のための処理態様を示すタイムチャート。 第２の実施形態にかかるピエゾ素子の操作のフィードバック補正態様を示すタイムチャート。 電圧降下量とノズルニードルのリフト変化量との関係を示す図。 上記実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示すフローチャート。 同実施形態における電圧降下量に基づくフィードバック補正手法を示す図。 第３の実施形態におけるノズルニードルのリフト量の推定手法を示す図。 同実施形態におけるピエゾ素子の応力を検出する応力センサを示す図。 第４の実施形態にかかるチョッパ制御の態様を示すタイムチャート。 第５の実施形態にかかるピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。 同実施形態にかかる燃料噴射制御の処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

６…コモンレール、１０…ピエゾインジェクタ、２３…充電スイッチ、２５…放電スイッチ、５２…ピエゾ素子、２０…ＥＣＵ（燃料噴射制御装置の一実施形態）。

Claims (7)

1. アクチュエータとして機能するピエゾ素子の伸縮に応じて噴射口を開閉するノズルニードルのリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタについて、前記ピエゾ素子を伸縮操作することで燃料噴射を行う燃料噴射制御装置において、
   前記ピエゾインジェクタを開弁させるべく前記ピエゾ素子を充電して前記リフト量をゼロよりも大きくした後、前記リフト量を最大リフト量よりも小さくて且つゼロよりも大きい所定のリフト量にて保持すべく、前記ピエゾ素子に充電された電荷の一部を放電させる放電手段を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 当該燃料噴射制御装置は、前記ピエゾインジェクタによる燃料噴射率を段階的に増大させるブーツ型噴射を行うものであり、
   前記ブーツ型噴射を、前記放電手段による放電後、前記ピエゾ素子を再度充電することで行うことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記放電手段は、前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力、前記所定のリフト量での保持期間、及び該保持に際しての目標リフト量の少なくとも１つに基づき、前記放電処理の態様を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記ピエゾインジェクタは、前記ノズルニードルのリフト量を増大させる側に流体の圧力が加わるニードルストッパを備えて且つ、前記ピエゾ素子の伸長により前記流体を加圧するものであり、
   前記ピエゾ素子を一旦充電した後、前記ノズルニードルのリフト量の保持期間のうち前記放電手段による放電期間以外の期間における前記ピエゾ素子の電圧降下量を検出する手段と、
   該検出される降下量を所望の降下量とすべく、前記ピエゾインジェクタを開弁させるための充電処理及び前記放電手段による放電処理の少なくとも一方の態様を補正する補正手段とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記ピエゾインジェクタは、前記ノズルニードルのリフト量を増大させる側に流体の圧力が加わるニードルストッパを備えて且つ、前記ピエゾ素子の伸長により前記流体を加圧するものであり、
   前記ピエゾ素子の応力を検出する手段の検出結果を取り込み、前記検出される応力に応じて前記ピエゾインジェクタを開弁させるための充電処理及び前記放電手段による放電処理の少なくとも一方を補正することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
6. アクチュエータとして機能するピエゾ素子の充放電により開閉して且つ内燃機関に搭載されるピエゾインジェクタについて、前記ピエゾ素子を充電することで該ピエゾ素子を伸長操作し且つ前記ピエゾ素子を放電することで前記ピエゾ素子を縮小操作して燃料噴射制御を行う燃料噴射制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態に基づき、前記ピエゾ素子の放電により前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量を算出する算出手段と、
   前記ピエゾインジェクタを開弁させるべく前記ピエゾ素子を充電した後、前記算出手段によって算出される状態量となるまで前記ピエゾ素子を放電する放電手段とを備え、
   前記算出手段は、前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量としての残存エネルギ量を前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力に基づき算出する処理、又は前記ピエゾインジェクタが閉弁するときの前記ピエゾ素子の電気的な状態量としての残存電荷量を前記ピエゾインジェクタに供給される燃料の圧力および前記ピエゾ素子の温度に基づき算出する処理を行うことを特徴とする燃料噴射制御装置。
7. 当該燃料噴射制御装置は、任意の気筒の１燃焼サイクル内に複数回の燃料噴射をする多段噴射制御をするものであり、
   前記算出手段によって算出される状態量までの放電を、前記多段噴射における最終段よりも前の燃料噴射について行うことを特徴とする請求項６記載の燃料噴射制御装置。

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