JP4492653B2 - 燃料噴射弁充電制御装置及び燃料噴射弁充電制御システム - Google Patents

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、ピエゾ素子への充電を制御する充電制御装置に関する。

この種の燃料噴射弁は、燃料の噴射口を開閉する弁体、弁体の背圧を制御する背圧制御弁、及び背圧制御弁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、ピエゾ素子により背圧制御弁が作動して弁体の背圧が低下し、弁体が開作動して燃料が噴射口から噴射されることとなる。

ピエゾ素子への充電を開始した後、充電された電力の電圧値が閾値Ｖth（図５（ｂ）参照）を超えた時点で背圧制御弁は作動を開始する。そして、上記ピエゾ素子への充電を制御する従来の充電制御装置は、ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせて（図５（ａ）参照）電圧値を上昇させ（図５（ｂ）参照）、ピエゾ素子を充電させるのが一般的である。
特開２００６−１４４５８８号公報

ここで、例えばピエゾ素子への充電量が同じであっても、その時の温度によってピエゾ素子の伸長量は異なる。また、弁体や背圧制御弁の弁座部が摩耗する等の経年変化により、ピエゾ素子への充電量が同じであっても、その時の摩耗量によってピエゾ素子の伸長量は異なる。つまり、ピエゾ素子の経年変化や温度特性等により、背圧制御弁が作動を開始するタイミングにはばらつきが生じ得る。すると、弁体の開弁作動タイミング（噴射開始タイミング）にばらつきが生じることとなる。本発明者は、このような噴射開始タイミングのばらつき原因をより詳細に追求した。

すなわち、背圧制御弁が作動を開始する時の電圧値である前記閾値Ｖthに関し、図５（ｂ）中の符号Ｖσ１に例示される如く、閾値Ｖthのばらつき幅Ｖσ１が複数の電圧上昇期間に亘って存在する場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅は符号Ｔσ１に示す大きさとなる。これに対し、図５（ｂ）中の符号Ｖσ２に例示される如く、閾値Ｖthのばらつき幅Ｖσ２が特定の電圧上昇期間内にのみ存在する場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅は符号Ｔσ２に示す大きさとなる。

換言すれば、複数の電流上昇期間ＴＵ１，ＴＵ２（図５（ａ）参照）のうちいずれの上昇期間でピエゾ素子の駆動電圧が閾値Ｖthを超えることとなるのかが不特定である場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅はＴσ１となり、特定の電流上昇期間（例えば符号ＴＵ１に示す期間）にて駆動電圧が閾値Ｖthを超えることとなる場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅はＴσ２となる。

そして、ばらつき幅Ｔσ２は電流下降期間ＴＤ１を含まないのに対し、ばらつき幅Ｔσ１は電流下降期間ＴＤ１を含むこととなるので、Ｔσ１＞Ｔσ２となる。つまり、『何れの電流上昇期間ＴＵ１，ＴＵ２にて駆動電圧が閾値Ｖthに達するかが不特定となっている場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅が大きくなり、ひいては噴射開始タイミングのばらつき幅が大きくなる』、との原因をつきとめた。

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、ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁に関し、噴射開始タイミングのばらつき幅を小さくできる燃料噴射弁充電制御装置及び燃料噴射弁充電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弁体、前記弁体の背圧を制御する背圧制御弁、及び前記背圧制御弁を作動させるピエゾ素子を備え、前記ピエゾ素子に充電された電力の電圧値（駆動電圧の値）が閾値を超えると、前記背圧制御弁が前記背圧を低下させる作動を開始して、前記弁体が開作動するよう構成された燃料噴射弁に適用され、前記ピエゾ素子への充電を制御する燃料噴射弁充電制御装置において、前記ピエゾ素子に充電するにあたり、前記ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせて前記電圧値を最大値まで上昇させる充電回路と、前記駆動電流の上昇と下降とを切り替えるスイッチング回路と、を備え、前記駆動電流が上昇する複数の上昇期間（電流上昇期間）のうち、特定の上昇期間の中間に位置する中間期間で前記電圧値が前記閾値を超えることとなるようにすべく、前記特定の上昇期間が他の上昇期間よりも長くなるよう、前記スイッチング回路による前記切り替えのタイミングが設定されており、かつ、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記特定の上昇期間を変更して切り替えることを特徴とする。

本発明は前述した『何れの電流上昇期間ＴＵ１，ＴＵ２にて駆動電圧が閾値Ｖthに達するかが不特定となっている場合には、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅が大きくなり、ひいては噴射開始タイミングのばらつき幅が大きくなる』との知見を鑑みてなされている。

以下、本発明による作用効果を図５（ｂ）の例示を参照しながら説明する。本発明に反して、上昇期間ＴＵ１のうち電流値がピークとなるタイミング近傍で駆動電圧の値が閾値Ｖthを超えることとなるよう設定した場合には、閾値Ｖthのばらつき幅が、符号Ｖσ１に例示される如く複数の電圧上昇期間に亘って存在してしまうおそれが生じる。これに対し、本発明では、複数の電流上昇期間ＴＵ１，ＴＵ２のうち特定の上昇期間ＴＵ１の中間に位置する中間期間ＴＵＭ１で駆動電圧の値が閾値Ｖthを超えることとなるようにすべく、前記特定の上昇期間が他の上昇期間よりも長くなるよう、スイッチング回路による切り替えのタイミングが設定されている。そのため、閾値Ｖthのばらつき幅が、符号Ｖσ１に例示される如く複数の電圧上昇期間に亘って存在してしまうおそれを低減でき、符号Ｖσ２に例示される如く電流下降期間ＴＤ１を含まないようにできる。よって、背圧制御弁の作動開始タイミングのばらつき幅を小さくでき、ひいては噴射開始タイミングのばらつき幅を小さくできる。

ここで、本発明者が行った各種試験によれば、背圧制御弁又は弁体の作動開始タイミングを早い時期に現れる上昇期間に設定するほど、燃料噴射を開始するにあたり単位時間あたりの燃料噴射量（燃料噴射率）が急激に上昇することが分かった。例えば、図６（ｂ）は、電流上昇期間ＴＵ１に作動開始タイミングを設定した場合（図６（ａ）参照）の燃料噴射率変化を示しており、電流上昇期間ＴＵ２に作動開始タイミングを設定した場合（図６（ｃ）参照）の燃料噴射率変化（図６（ｄ）参照）に比べて急激に上昇する（Ｒ１の傾きがＲ２の傾きより大きい）。

この点に鑑み、請求項２記載の発明では、前記特定の上昇期間は、前記内燃機関の運転状態が高負荷の場合には低負荷の場合に比べて早い時期に現れる上昇期間に設定されることを特徴とする。これによれば、高負荷の場合には燃料噴射率が急激に上昇するので、内燃機関の出力を高めることができる。一方、低負荷の場合には燃料噴射率は緩やかに上昇する（図６（ｄ））ので、内燃機関の出力を高めることはできないものの、前記特定の上昇期間を遅い時期に設定できるため、以下に説明する理由により充電回路及びスイッチング回路等にかかる回路効率を向上させることができる。

すなわち、ピエゾ素子への充電初期ほどピエゾ素子の電圧が低いため、電力供給源（例えば図２に例示されるＤＣ／ＤＣコンバータ２）とピエゾ素子との電位差が大きい。すると、Ｐ＝Ｖ・Ｉにより同じ電流でも消費電力が大きくなり回路での発熱が大きくなる。つまり、発熱による電力損失が大きいため回路効率が悪いと言える。よって、前記特定の上昇期間を遅い時期に設定できる請求項２記載の発明によれば、回路効率を向上できる。

また、本発明者が行った各種試験によれば、背圧制御弁又は弁体の作動開始タイミングを、複数の上昇期間のうち最初に現れる上昇期間に設定すると、燃料噴射を開始するにあたり燃料噴射率が最も急激に上昇することが分かった（図６（ａ）（ｂ）参照）。この点に鑑み、請求項３記載の発明では、前記高負荷の場合には、前記特定の上昇期間を、前記複数の上昇期間のうち最初に現れる上昇期間に切り替えることを特徴とする。よって、高負荷時における内燃機関の出力を高めることができる。

上述の如く、高負荷の場合には内燃機関の出力を高めることができ、低負荷の場合には回路負荷を低減させることができる。この点を鑑み請求項４記載の発明では、前記低負荷の場合には、前記特定の上昇期間を、前記複数の上昇期間のうち２番目に現れる上昇期間に切り替えることを特徴とする。よって、内燃機関の出力を適度に高めることができるとともに回路負荷を適度に低減させることができる。

請求項５記載の発明では、前記特定の上昇期間における前記駆動電流の上昇量が前記複数の上昇期間の中で最大となるよう、前記切り替えのタイミングが設定されていることを特徴とする。これによれば、特定の上昇期間が長くなるので、閾値Ｖthのばらつき幅が、符号Ｖσ１に例示される如く複数の電圧上昇期間に亘って存在してしまうおそれをより一層低減でき、特定の上昇期間で電圧値が閾値を超えることの確実性を向上できる。

請求項６記載の発明では、前記特定の上昇期間における前記駆動電流のピーク値が前記複数の上昇期間の中で最大となるよう、前記切り替えのタイミングが設定されていることを特徴とする。

ここで、上記発明の一態様として、スイッチング回路による切り替えタイミングの設定を固定させることが挙げられるが、このように設定を固定した後にピエゾ素子の経年変化等により閾値Ｖthが変化すると、閾値Ｖthのばらつき幅が複数の電圧上昇期間に亘って存在するようになることが懸念される。

当該懸念に対し請求項７記載の発明では、前記燃料噴射弁が備えられた内燃機関の運転中に、前記中間期間で前記電圧値が前記閾値を超えることとなるよう前記切り替えのタイミングを調整する調整手段を備えることを特徴とする。よって、上述の如く経年変化等により閾値Ｖthが変化した場合であっても、設定された切り替えタイミングが前記変化に応じて調整されるので、閾値Ｖthのばらつき幅が複数の電圧上昇期間に亘って存在するようになるといった上記懸念を解消できる。

請求項８記載の発明では、上記発明にかかる燃料噴射弁充電制御装置と、ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁と、を備えることを特徴とする燃料噴射弁充電制御システムである。この燃料噴射弁充電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。

なお、上記発明を方法の発明としてとらえた、充電制御設定方法に適用してもよい。すなわち、「前記駆動電流が上昇する複数の上昇期間のうち、特定の上昇期間の中間に位置する中間期間で前記電圧値が前記閾値を超えることとなるよう、前記スイッチング回路による前記切り替えのタイミングを設定する設定方法を含むことを特徴とする燃料噴射弁充電制御設定方法」である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本実施形態に係るピエゾインジェクタ（燃料噴射弁）の構造を、図１を用いて説明する。当該ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂは、ディーゼルエンジン（内燃機関）のコモンレール式燃料噴射装置における燃料噴射用インジェクタに適用されたものである。

ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂは、そのボディ５０の先端に円柱状のニードル収納部５２が設けられている。そして、ニードル収納部５２には、その軸方向に変位可能なノズルニードル５４（弁体）が収納されている。ノズルニードル５４は、ボディ５０の先端部に形成されている環状のニードルシート部５６に着座する（閉作動する）ことで、ニードル収納部５２を外部（内燃機関の燃焼室）から遮断して噴射口５７を閉鎖する。一方、ニードルシート部５６から離座する（開作動する）ことで、ニードル収納部５２を外部と連通させて噴射口５７を開ける。また、ノズルニードル５４は、図示しないコモンレールから高圧燃料通路５８へ供給された高圧燃料がニードル収納部５２へと供給される。

ノズルニードル５４の背面側（ニードルシート部５６と対向する側の反対側）は、背圧室６０に対向している。背圧室６０には、高圧燃料通路５８からの燃料がオリフィス６４を介して供給される。また、背圧室６０には、ノズルニードル５４をニードルシート部５６側へ押すニードルスプリング６２が備えられている。

背圧室６０は、バランス三方弁６６（背圧制御弁）を介して低圧燃料通路７２に連通可能とされている。バランス三方弁６６は、バルブスプリング７０によってボディ５０の後部側（図中、上方）に押されている。三方弁６６は、バルブスプリング７０によって及ぼされる力によって、その背面側が環状の低圧側バルブシート部７４に着座するとともに、高圧側バルブシート部７５から離座する。これにより、低圧燃料通路７２と背圧室６０とを遮断するとともに、バランス三方弁６６が収容される収容室６６ａを介して高圧燃料通路５８と背圧室６０とを連通させる。

一方、三方弁６６は、バルブスプリング７０によって及ぼされる力に抗してボディ５０の先端側へ変位することで、低圧側バルブシート部７４から離座するとともに、高圧側バルブシート部７５に着座する。これにより、低圧燃料通路７２と背圧室６０とを連通させるとともに、高圧燃料通路５８と背圧室６０との収容室６６ａでの連通を遮断する。

三方弁６６のうち低圧側バルブシート部７４側の面は、バルブピストン７８の先端と対向している。一方、バルブピストン７８の後部側は、ピエゾピストン８０の先端と対向している。そして、バルブピストン７８、ピエゾピストン８０、及びボディ５０の内周面によって変位拡大室８２が区画形成されている。変位拡大室８２は、ボディ５０の先端側よりもボディ５０の後方側の方が口径が大きくなるように縮径部を有して２つの円柱状の空間が直列に接続されたものである。変位拡大室８２には、例えば燃料等の適宜の流体が充填されている。

一方、ピエゾピストン８０は、ピエゾスプリング８４によってボディ５０の後方へと押されている。更に、ピエゾピストン８０は、そのボディ５０の後方側がピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂ（図２参照）を多数積層してなる積層体（ピエゾスタック８６）と連結されている。ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂは圧電効果により伸縮する容量性の負荷であり、その充電と放電とで伸長状態と縮小状態とが切り替えられる。これにより、ピエゾスタック８６は三方弁６６を作動させるアクチュエータとして機能する。

ピエゾスタック８６のうちピエゾピストン８０と対向する側の裏面側はボディ５０に固定されている。このため、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂへ駆動電流が供給されずピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂが縮小状態にあるときには、ピエゾスプリング８４によってピエゾピストン８０はボディ５０の後方に位置することとなる。このとき、バルブピストン７８が三方弁６６をボディ５０の先端側へ変位させないため、三方弁６６により背圧室６０と低圧燃料通路７２とは遮断されている。このため、背圧室６０内の燃料圧力（コモンレール圧）及びニードルスプリング６２によってノズルニードル５４は、ボディ５０先端側へと押され、ニードルシート部５６に着座した状態(閉弁状態)となる。

一方、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに駆動電流が供給されることでピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂが伸長状態となると、ピエゾピストン８０は、ピエゾスプリング８４の力に抗してボディ５０の先端側へ移動する。これにより、バルブピストン７８が三方弁６６をボディ５０の先端側へ変位させる(開弁させる）ようになるため、背圧室６０が低圧燃料通路７２と連通される。その結果、背圧室６０内の燃料の圧力が低下し、ニードル収納部５２内の高圧燃料がノズルニードル５４をボディ５０の後方へ押す力が、背圧室６０内の燃料及びニードルスプリング６２がノズルニードル５４をボディ５０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５４は、ニードルシート部５６から離座した状態（開弁状態）となる。

図２に、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂへの充電及び放電を制御することでピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂの駆動を制御する駆動装置（充電制御装置）の全体構成を示す。該図２に示されるように、本実施形態にかかるピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂの駆動装置は、ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂを駆動すべく、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの充電制御及び放電制御を行なうものであり、中央処理装置等を有してディーゼルエンジンを制御する電子制御装置３０と、ドライバユニット１（充電回路）とを備えて構成されている。ちなみに、ドライバユニット１や電子制御装置３０には、バッテリＢから電力が供給される。

次に，ドライバユニット１について説明する。バッテリＢから供給される電力は、まず昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ２に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、コイル２ｃと、ＮチャネルＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタからなる充電
スイッチ２ｓとの直列接続体として構成されており、その一方の端子がバッテリＢ側に、また他方の端子が接地側にそれぞれ接続されている。ちなみに、図中、ダイオード２ｄは、Ｎチャネルトランジスタを形成することで形成される寄生ダイオードであり、そのアノード側が接地側と、またカソード側がコイル２ｃ側と接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、充電スイッチ２ｓがオン・オフの操作をされることで、バッテリＢの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの充電制御のための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２の昇圧電圧は、ダイオード４を介してコンデンサ６に印加される。コンデンサ６は、その一方の端子がダイオード４のカソード側に接続され、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２の昇圧電圧がコンデンサ６に印加されると、コンデンサ６はピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに供給するための電荷を蓄える。ちなみに、コンデンサ６は、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂへの一回の充電動作にかかる電荷の供給によってはその電圧がほとんど変化しないような容量（例えば「数１００μＦ」程度）を有することが望ましい。

コンデンサ６のうちの高電位となる端子側、すなわち、ダイオード４のカソード側は、充電スイッチ１０と充放電コイル１２との直列接続体を介して、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂ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Ｐａ，Ｐｂの低電位となる端子側は、それぞれ選択スイッチ１４ａ，１４ｂと抵抗１６ａ，１６ｂとからなる直列接続体を介して接地されている。

ここで、充電スイッチ１０は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタからなるスイッチング回路を構成する。また、図中、ダイオード１０ｄは、トランジスタが形成されることで形成される寄生ダイオードで、そのアノードが充放電コイル１２側に、またそのカソードがダイオード４側にそれぞれ接続されている。また、選択スイッチ１４ａ，１４ｂは、それぞれＮチャネルＭＯＳトランジスタからなる。図中、ダイオードｄａ，ｄｂは、これらトランジスタが形成されることで形成される寄生ダイオードで、そのアノードが接地側に、またそのカソードがピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂ側にそれぞれ接続されている。

充電スイッチ１０と充放電コイル１２との間には、放電スイッチ１８の一方の端子が接続されており、放電スイッチ１８の他方の端子は接地されている。ここで、放電スイッチ１８は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタからなるスイッチング回路を構成する。ちなみに、図中、ダイオード１８ｄは、このトランジスタが形成されることで形成されるものであり、そのアノードが接地側に、またカソードが充電スイッチ１０や充放電コイル１２側に接続されている。

一方、コントローラ２０は、電子制御装置３０からの指令に基づき、充電スイッチ１０及び放電スイッチ１８を操作する専用のハードウェアである。ちなみに、充電スイッチ１０や放電スイッチ１８を高速で駆動すべく、本実施形態では、図示しないドライバを介して、コントローラ２０から充電スイッチ１０や放電スイッチ１８へ信号を出力するようにしている。このドライバは、コンデンサ６の高電位となる端子側から給電されるようにすることが望ましい。

次に、電子制御装置３０とコントローラ２０とによって行なわれるピエゾ素子Ｐａ，ｐｂの充電制御及び放電制御について説明する。

図３は、充電制御及び放電制御の状態を示すタイムチャートである。ここで、図３（ａ）は、その論理値を「Ｈ」とすることで、燃料の噴射時期及び噴射期間を指定するための信号である噴射信号（図中、上記ピエゾ素子Ｐａに対応する信号である噴射信号ＩＪＴａを例示）の推移を示している。図３（ｂ）は、その論理値を「Ｈ」とすることで、選択スイッチ１４ａ，１４ｂのうちのうちのいずれかを選択的にオンとする制御信号（図中、選択スイッチ１４ａの制御信号を例示）の推移を示している。図３（ｃ）は、その論理値を「Ｈ」とすることで、充電スイッチ１０の操作を通じたピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの充電を行なう時期及び期間を指定するための信号である充電期間信号の推移を示している。図３（ｄ）は、その論理値を「Ｈ」とすることで、放電スイッチ１８の操作を通じたピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの放電を行なう時期及び期間を指定するための信号である放電期間信号の推移を示している。図３（ｅ）は、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの高電位となる端子側の電位の推移を示している。

この一連の制御においては、時刻ｔ１に、電子制御装置３０からコントローラ２０に噴射信号ＩＪＴａが入力されると、コントローラ２０では、以下のような処理を行なう。まず、この噴射信号ＩＪＴａに基づき、上記充電期間信号を、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで論理「Ｈ」となる態様にて生成するとともに、選択スイッチ１４ａを選択的にオンとすべく、選択制御信号を出力する。そして、生成された充電期間信号に基づき、充電スイッチ１０をオン・オフ操作する。なお、充電期間信号を、電子制御装置３０によって生成するようにしてもよい。

ここで、スイッチング回路としての充電スイッチ１０がオンとされることによって、図４（ａ）に示すように、コンデンサ６、充電スイッチ１０、充放電コイル１２、ピエゾ素子Ｐａ、選択スイッチ１４ａ、抵抗１６ａ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６の電荷がピエゾ素子Ｐａに充電される。一方、充電スイッチ１０のオン操作の後、この充電スイッチ１０がオフとされることで、図４（ｂ）に示すように、ダイオード１８ｄ、充放電コイル１２、ピエゾ素子Ｐａ、選択スイッチ１４ａ、抵抗１６ａ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１２のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子Ｐａに充電される。

上記態様にて充電スイッチ１０が操作されることで、ピエゾ素子Ｐａが充電され、ピエゾ素子Ｐａの高電位となる端子側の電位が上昇する。なお、図４（ａ）に示す閉ループ回路は、充放電コイル１２を介してコンデンサ６の電力が供給される電流通路であり、充電スイッチ１０は、この電流通路を開閉制御する機能を有する。

一方、図３に示す時刻ｔ３において噴射信号ＩＪＴａが論理「Ｌ」となると、放電期間信号を、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで論理「Ｈ」となる態様にて生成するとともに放電スイッチ１８をオン・オフ操作する。

すなわち、放電スイッチ１８がオンとされることで、図４（ｃ）に示すように、放電スイッチ１８、充放電コイル１２、ピエゾ素子Ｐａ、選択スイッチ１４ａ、抵抗１６ａ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Ｐａが放電される。更に、放電スイッチ１８のオン操作の後、放電スイッチ１８がオフとされることで、図４（ｄ）に示すように、コンデンサ６、ダイオード１０ｄ、充放電コイル１２、ピエゾ素子Ｐａ、選択スイッチ１４ａ、抵抗１６ａ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１２のフライホイールエネルギがダイオード１０ｄを介してコンデンサ６に回収される。

上記態様にて放電スイッチ１８が操作されることで、ピエゾ素子Ｐａが放電され、ピエゾ素子Ｐａの高電位となる端子側の電位が低下する。そして、放電をする制御期間の終了後の時刻ｔ５に、選択スイッチ１４ａをオフとする。以上説明した態様にて、充電スイッチ１０のオン・オフ操作や、放電スイッチ１８のオン・オフ操作を行なうことで、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの充放電制御をすることができる。

ここで、上記充電制御及び放電制御について、図５に基づいて更に詳述する。図５は、１燃焼サイクルあたりに燃料を１回噴射する場合の噴射態様を現しているが、１燃焼サイクルあたりに複数回噴射する場合にも同様に適用できる。

図５（ａ）は、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂへ流す電流（駆動電流）の推移を示している。図５（ｂ）は、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの高電位となる端子側の電圧（駆動電圧）の推移を示している。図５（ｃ）は、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに蓄えられた電気エネルギの推移を示している。図５（ｄ）は、先の図２に示した充電スイッチ１０をオンさせる充電指令信号のオン・オフ操作状態の推移を示している。図５（ｅ）は、ノズルニードル５４のリフト量変化を示している。図５（ｆ）は、単位時間あたりの実際の燃料噴射量（実燃料噴射率）の変化を示している。

この図５に示す一連の処理においては、まず時刻ｔ１において電子制御装置３０から噴射信号（ＩＪＴａ，ＩＪＴｂ）が出力されると、先の図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示した態様にて選択スイッチ１４ａ，１４ｂの操作や、充電期間信号の生成が行なわれる。そして、充電期間信号に応じてコントローラ２０では以下の処理を行なう。すなわち、充電期間信号によって指定される充電期間ｔ１〜ｔ２、充電スイッチ１０をオン・オフ操作する（図５（ｄ）参照）ことによりピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに充電する。

充電期間ｔ１〜ｔ２においては、充電指令信号のオン信号をトリガとして充電スイッチ１０がオン作動したタイミングｔ１で駆動電流は上昇し始め、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに所定量の電荷が溜まった時点で駆動電流は下降し始める。つまり、図４（ａ）の如く充電スイッチ１０をオンさせることによる充電期間中では、電流上昇期間ＴＵ１にて駆動電流が上昇する。その後、図４（ｂ）の如く充電スイッチ１０オフ後のフライホイールエネルギによる充電期間中では、電流下降期間ＴＤ１にて駆動電流が下降する。

その後再び、充電指令信号に基づき充電スイッチ１０がオン作動したタイミングで駆動電流は上昇し始め、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに所定量の電荷が溜まった時点で駆動電流は下降し始める。このような駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返しながら（図５（ａ）参照）、駆動電圧及び電気エネルギを上昇させて（図５（ｂ）（ｃ）参照）充電する。

放電期間ｔ３〜ｔ４においては、放電スイッチ１８をオン操作したタイミングで駆動電流は下降し始め、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂから所定量の電荷が放電された時点で駆動電流は上昇し始める。このような駆動電流の下降と上昇を複数回繰り返しながら（図５（ａ）参照）、駆動電圧及び電気エネルギを下降させて（図５（ｂ）（ｃ）参照）放電する。

ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂへの充電を開始した後、駆動電圧の値が閾値Ｖth（図５（ｃ）参照）を超えた時点で、三方弁６６は低圧側バルブシート部７４からの離座を開始して開弁作動を開始する。その後、三方弁６６は、低圧側バルブシート部７４及び高圧側バルブシート部７５の両シート部７４，７５から離座した状態となり、その後、高圧側バルブシート部７５に着座した状態となる。

すると、ｔ５時点にてノズルニードル５４は開弁作動を開始してリフト量が増大する（図５（ｅ）参照）。そして、リフト量増大にともない実燃料噴射率は上昇し始め（図５（ｆ）参照）、噴射口５７からの燃料噴射を開始する。一方、放電期間ｔ３〜ｔ４にて放電されると、ノズルニードル５４は閉弁作動を開始してリフト量が減少する。そして、リフト量減少にともない実燃料噴射率は下降し始め、ｔ６時点にて三方弁６６は低圧側バルブシート部７４に着座した状態となり、燃料噴射を終了する。

ここで、上記閾値Ｖthは、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの経年変化や温度特性、ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂの個体差等により変化するため、三方弁６６が開弁作動を開始するタイミングにばらつきが生じ得る。また、ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂの固体差によっても上記ばらつきが生じ得る。よって、ノズルニードル５４がニードルシート部５６から離座する開弁作動タイミング（噴射開始タイミング）にばらつきが生じることとなる。

本実施形態では、駆動電流が上昇する複数の上昇期間ＴＵ１，ＴＵ２，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５のうち、最初に現れる上昇期間ＴＵ１（特定の上昇期間）の中間に位置する中間期間ＴＵＭ１で駆動電圧値が閾値Ｖthを超えることとなるよう、充電スイッチ１０をオン作動させるトリガ信号としての充電指令信号を生成している。具体的には、このように設定された充電指令信号の波形は、不等ピッチとなるよう生成されている。すなわち、上昇期間ＴＵ１の開始トリガとなる充電スイッチ１０のオンタイミングから、次の上昇期間ＴＵ２の開始トリガとなる充電スイッチ１０のオンタイミングまでのピッチをＰ１とし、それ以降のピッチをＰ２，Ｐ３，Ｐ４とすると、Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は等ピッチであるのに対し、Ｐ１はＰ２，Ｐ３，Ｐ４よりも長くなるよう設定されている。

そのため、閾値Ｖthのばらつき幅が、符号Ｖσ１に示す如く複数の電圧上昇期間に亘って存在してしまうおそれを低減でき、符号Ｖσ２に示す如く電流下降期間ＴＤ１を含まないようにできる。よって、三方弁６６の作動開始タイミングのばらつき幅を小さくでき、ひいては噴射開始タイミングのばらつき幅を小さくできる。

当該中間期間ＴＵＭ１は、電流上昇期間ＴＵ１の両端期間（例えばＴＵ１の１０％に相当する期間）を除いた中間部分の期間として設定して好適である。或いは、上昇開始時点ｔ１での駆動電流値０Ａからピーク電流値（例えば２５Ａ）まで上昇する間のうち、所定上昇量（例えば電流上昇期間ＴＵ１全体で上昇する量ΔＡ（図５（ａ）参照）の１０％に相当する量）に対応する期間を中間期間ＴＵＭ１として設定して好適である。

最初に現れる上昇期間ＴＵ１（特定の上昇期間）における駆動電流のピーク値Ａ１（図５（ａ）参照）が他の上昇期間ＴＵ２，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ信号波形は生成されている。また、特定の上昇期間ＴＵ１における駆動電流の上昇量ΔＡが他の上昇期間ＴＵ２，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ信号波形は生成されている。これによれば、特定の上昇期間ＴＵ１が長くなるので、閾値Ｖthのばらつき幅が、符号Ｖσ１に例示される如く複数の電圧上昇期間に亘って存在してしまうおそれをより一層低減でき、特定の上昇期間ＴＵ１で電圧値が閾値を超えることの確実性を向上できる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、特定の上昇期間の中間期間ＴＵＭ１で駆動電圧値が閾値Ｖthを超えることとなるよう、充電指令信号のオン・オフ信号波形を生成している点では、第１の実施形態と共通する。さらに、本実施形態では、ディーゼルエンジンの運転状態に応じて、前記特定の上昇期間を他の上昇期間に切り替えている。

具体的には、図６（ａ）に示す如くエンジンの高負荷運転時には、特定の上昇期間を最初の上昇期間ＴＵ１とし、上昇期間ＴＵ１の中間期間ＴＵＭ１で駆動電圧値が閾値Ｖthを超えるようオン・オフ信号波形（充電指令信号波形１）を生成する。つまり、上昇期間ＴＵ１の開始トリガとなる充電指令信号のオン信号による充電スイッチ１０のオンタイミングから、次の上昇期間ＴＵ２の開始トリガとなる充電指令信号のオン信号による充電スイッチ１０のオンタイミングまでのピッチＰ１を、それ以降のピッチＰ２，Ｐ３，Ｐ４よりも長く設定している。

一方、図６（ｃ）に示す如く低負荷運転時には、特定の上昇期間を２番目に現れる上昇期間ＴＵ２とし、上昇期間ＴＵ２の中間期間ＴＵＭ２で駆動電圧値が閾値Ｖthを超えるようオン・オフ信号波形を生成する。つまり、ピッチＰ２を他のピッチＰ１，Ｐ３，Ｐ４よりも長く設定している。

エンジンの高負荷運転時には、特定の上昇期間ＴＵ１における駆動電流のピーク値Ａ１（図６（ａ）参照）が他の上昇期間ＴＵ２，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ信号波形は生成されている。また、特定の上昇期間ＴＵ１における駆動電流の上昇量ΔＡ１が他の上昇期間ＴＵ２，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ波形は生成されている。よって、特定の上昇期間ＴＵ１が長くなるので、第１の実施形態と同様にして特定の上昇期間ＴＵ１で電圧値が閾値を超えることの確実性を向上できる。

エンジンの低負荷運転時には、特定の上昇期間ＴＵ２における駆動電流のピーク値Ａ２（図６（ｃ）参照）が他の上昇期間ＴＵ１，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ波形は生成されている。また、特定の上昇期間ＴＵ２における駆動電流の上昇量ΔＡ２が他の上昇期間ＴＵ１，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ波形は生成されている。よって、特定の上昇期間ＴＵ２が長くなるので、第１の実施形態と同様にして特定の上昇期間ＴＵ２で電圧値が閾値を超えることの確実性を向上できる。

図７は、電子制御装置３０、コントローラ２０及びピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂの作動の流れを示す流れ図であり、先ず、電子制御装置３０はエンジンの運転状態が高負荷であるか否かを判定する（Ｓ１０）。例えば、エンジン回転速度やスロットル開度、吸気圧等の値が大きいほど高負荷であると判定すればよい。高負荷運転であると判定した場合には、充電指令信号のオン・オフ波形として図６（ａ）に示す波形１を選択する（Ｓ２０）。高負荷運転でないと判定した場合には、図６（ｃ）に示す波形２を選択する（Ｓ３０）。

次に、電子制御装置３０は、選択した充電指令信号の波形を指令する噴射信号ＩＪＴａ，ＩＪＴｂをコントローラ２０に出力する（Ｓ４０）。当該噴射信号ＩＪＴａ，ＩＪＴｂが入力されたコントローラ２０は、選択した充電指令信号の波形を出力する（Ｓ５０）。すると、図６（ａ）又は図６（ｃ）に示すように駆動電流が上昇と下降を繰り返すことでピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂは充電され、ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂは燃料噴射作動を開始する（Ｓ６０）。

以上詳述した本実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果に加え、以下の効果が奏される。すなわち、エンジンの高負荷運転時には、駆動電圧値が閾値Ｖthを超える特定の上昇期間を最初の上昇期間ＴＵ１とし、低負荷運転時には、２番目に現れる上昇期間ＴＵ２とするようオン・オフ信号波形を生成する。これによれば、図６（ｂ）（ｄ）に示すように高負荷の場合には燃料噴射率が急激に上昇する（Ｒ１の傾きがＲ２の傾きより大きい）ので、エンジンの出力を高めることができる。一方、低負荷の場合には燃料噴射率は緩やかに上昇する（Ｒ２の傾きがＲ１の傾きより小さい）ので、エンジンの出力を高めることはできないものの、ドライバユニット１における発熱を低減でき、回路効率を向上させることができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、上記各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。また、例えば次のように実施しても良い。

（１）上記第１の実施形態では、充電指令信号のオン・オフ波形、つまり充電スイッチ１０のオン・オフ信号波形を固定させるようにしている。このようにオン・オフ信号波形を固定すると、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂの経年変化等により閾値Ｖthが変化した場合、閾値Ｖthのばらつき幅が複数の電圧上昇期間に亘って存在するようになることが懸念される。

これに対し他の実施形態として、充電指令信号のオン・オフ波形を可変とし、ディーゼルエンジンの運転中に、中間期間で駆動電圧値が閾値Ｖthを超えることとなるようピッチＰ１の長さを調整して上昇期間ＴＵ１の長さを調整してもよい。これによれば、上述の如く設定されたオン・オフ信号波形が閾値Ｖthの変化に応じて調整されるので、閾値Ｖthのばらつき幅が複数の電圧上昇期間に亘って存在するようになるといった上記懸念を解消できる。

なお、エンジン運転中にオン・オフ信号波形を可変とするにあたり、実際の閾値Ｖthが複数の上昇期間ＴＵ１〜ＴＵ５のいずれで現れているかを推定する必要が生じる。当該検出の具体例として、ピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂから実際に燃料が噴射される時の噴射タイミングを検出し、その噴射タイミングから三方弁６６の作動開始タイミングを推定して閾値Ｖthが複数の上昇期間ＴＵ１〜ＴＵ５のいずれで現れているかを推定することが挙げられる。また、噴射タイミングを推定する具体例としては、Ａ／Ｆセンサの検出値、燃焼タイミング（着火タイミング）及びエンジン回転速度の少なくとも１つの値から噴射タイミングを推定することが挙げられる。

（２）上記第１の実施形態では、充電指令信号のオン・オフ波形を固定させるにあたり、特定の上昇期間が１番目に現れる上昇期間ＴＵ１となるよう設定しているが、本発明の実施にあたり、特定の上昇期間が２番目に現れる上昇期間ＴＵ２となるよう設定してもよい。

（３）上記実施形態では、充電指令信号のオン作動（充電スイッチ１０のオン作動）を駆動電流の上昇開始トリガとし、その後、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂに所定量の電荷が溜まったことを駆動電流の下降開始トリガとしている。これに対し、充電指令信号のオフ作動を駆動電流の下降開始トリガとしてもよい。或いは、図６（ａ）中の一点鎖線に示すように、駆動電流が所定の上限値αに達したことを駆動電流の下降開始トリガとしてもよいし、駆動電流が所定の下限値βに達したことを駆動電流の上昇開始トリガとしてもよい。

（４）上記実施形態では、特定の上昇期間ＴＵ２における駆動電流のピーク値Ａ２（図６（ｃ）参照）が他の上昇期間ＴＵ１，ＴＵ３，ＴＵ４，ＴＵ５の中で最大となるよう、充電指令信号のオン・オフ波形、つまり充電スイッチ１０のオン・オフ信号波形は生成されている。これに対し、上昇期間ＴＵ２における駆動電流のピーク値Ａ２を最初の上昇期間ＴＵ１のピーク値Ａ１と同じにしてもよいし、ピーク値Ａ１より小さくしてもよい。

（５）上記実施形態に係るピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂは、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂにより三方弁６６を作動させ、この三方弁６６の作動によりノズルニードル５４を作動させている。本発明はこのようなタイプのピエゾインジェクタＰＩａ，ＰＩｂへの適用に限られるものではなく、例えば、三方弁６６を廃止して、ピエゾ素子Ｐａ，Ｐｂによりノズルニードル５４を直接作動させる直動タイプのピエゾインジェクタに適用させてもよい。

（６）上記実施形態では、電流上昇期間ＴＵ１の１０％に相当する両端期間を除いた期間を中間期間ＴＵＭ１として設定しているが、前記両端期間は電流上昇期間ＴＵ１の１０％に限らず、例えば２０％、５％、又は３％でもよい。

本発明の一実施形態に係るピエゾインジェクタの構造を示す断面図。 第１の実施形態に係る駆動装置（充電制御装置）の全体構成を示すブロック図。 同実施形態の充放電制御を説明するタイムチャート。 同実施形態に関し、（ａ）（ｂ）は充電制御時における電流の流通態様を示す図、（ｃ）（ｄ）は放電制御時における電流の流通態様を示す図。 同実施形態にかかる充電制御及び放電制御態様を示すタイムチャート。 第２の実施形態に係る駆動電流及び燃料噴射率の変化を示す図であり、（ａ）（ｂ）はエンジン高負荷時の変化、（ｃ）（ｄ）は低負荷時における変化を示す。 第２の実施形態において、電子制御装置、コントローラ及びピエゾインジェクタの作動の流れを示す流れ図。

符号の説明

１…ドライバユニット（充電回路，スイッチング回路）、１０…充電スイッチ（スイッチング回路）、５４…ノズルニードル（弁体）、５７…噴射口、６６…三方弁（背圧制御弁）、Ｐａ，Ｐｂ…ピエゾ素子、ＰＩａ，ＰＩｂ…ピエゾインジェクタ（燃料噴射弁）、Ｖth…閾値。

Claims (8)

1. 燃料の噴射口を開閉する弁体、前記弁体の背圧を制御する背圧制御弁、及び前記背圧制御弁を作動させるピエゾ素子を備え、前記ピエゾ素子に充電された電力の電圧値が閾値を超えると、前記背圧制御弁が前記背圧を低下させる作動を開始して、前記弁体が開作動するよう構成された燃料噴射弁に適用され、前記ピエゾ素子への充電を制御する燃料噴射弁充電制御装置において、
   前記ピエゾ素子に充電するにあたり、前記ピエゾ素子へ流す駆動電流の上昇と下降を複数回繰り返し行わせて前記電圧値を最大値まで上昇させる充電回路と、
   前記駆動電流の上昇と下降とを切り替えるスイッチング回路と、
   を備え、
   前記駆動電流が上昇する複数の上昇期間のうち、特定の上昇期間の中間に位置する中間期間で前記電圧値が前記閾値を超えることとなるようにすべく、前記特定の上昇期間が他の上昇期間よりも長くなるよう、前記スイッチング回路による前記切り替えのタイミングが設定されており、
   かつ、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記特定の上昇期間を変更して切り替えることを特徴とする燃料噴射弁充電制御装置。
2. 前記特定の上昇期間は、前記内燃機関の運転状態が高負荷の場合には低負荷の場合に比べて早い時期に現れる上昇期間に設定されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁充電制御装置。
3. 前記高負荷の場合には、前記特定の上昇期間を、前記複数の上昇期間のうち最初に現れる上昇期間に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁充電制御装置。
4. 前記低負荷の場合には、前記特定の上昇期間を、前記複数の上昇期間のうち２番目に現れる上昇期間に切り替え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充電制御装置。
5. 前記特定の上昇期間における前記駆動電流の上昇量が前記複数の上昇期間の中で最大となるよう、前記切り替えのタイミングが設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁充電制御装置。
6. 前記特定の上昇期間における前記駆動電流のピーク値が前記複数の上昇期間の中で最大となるよう、前記切り替えのタイミングが設定されてい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充電制御装置。
7. 前記燃料噴射弁が備えられた内燃機関の運転中に、前記中間期間で前記電圧値が前記閾値を超えることとなるよう前記切り替えのタイミングを調整する調整手段を備え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充電制御装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料噴射弁充電制御装置と、
   ピエゾ素子をアクチュエータとして有する燃料噴射弁と、
   を備え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充電制御システム。

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