JP6488415B2 - 燃料噴射装置の駆動装置および燃料噴射システム - Google Patents

燃料噴射装置の駆動装置および燃料噴射システム Download PDF

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本発明は、内燃機関の燃料噴射装置を駆動する駆動装置または燃料噴射システムに関する。
近年、炭酸ガスの排出規制の強化や、化石燃料枯渇の懸念から、内燃機関における燃費（燃料消費率）の向上が求められている。このため、内燃機関の各種の損失を低減することで、燃費の向上を図る努力が行われている。一般に、損失を低減すると、機関の運転に必要な出力を小さくすることができるため、内燃機関の最低出力を小さくすることができる。このような内燃機関においては、最低出力に対応した少ない燃料量まで制御して供給する必要が生じる。
また、近年では、排気量を減らして小型化するとともに、過給器によって出力を得るようにしたダウンサイジングエンジンが注目されている。ダウンサイジングエンジンでは、排気量を減らすことで、ポンピングロスやフリクションを低減することができるため、燃費を向上することができる。一方で、過給器を用いることで十分な出力を得ると共に、筒内直接噴射を行うことによる吸気冷却効果により、過給に伴う圧縮比の低下を抑制して、燃費を向上することができる。特に、このダウンサイジングエンジンに用いる燃料噴射装置では、低排気量化による最低出力に対応した最小噴射量から、過給によって得る最高出力に対応した最大噴射量までの広範囲に亘って燃料を噴射できる必要があり、噴射量の制御範囲の拡大が求められる。
また、排気規制の強化に伴い、エンジンでは、モード走行時の未燃焼粒子（ＰＭ：Particulate Matter）の総量とその個数である未燃焼粒子数（PN：Particulate Number）の抑制が求められており、微小量の噴射量を制御できる燃料噴射装置が求められている。未燃粒子発生を抑制するための手段として、例えば特許文献１記載のように、1吸排気行程中の噴霧を複数回に分割して噴射する（以降、分割噴射と称する）ことが有効である。分割噴射を行うことで、燃料のピストン壁面への付着を抑制することができるため、噴射した燃料が気化し易くなり、未燃焼粒子の総量とその個数である未燃焼粒子数を抑制することが可能となる。分割噴射を行うエンジンでは、これまで1回で噴射していた燃料を複
数回に分割して噴射する必要があるため、燃料噴射装置では、従来に比べて微少な噴射量を制御できる必要がある。
一般に、燃料噴射装置の噴射量は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）より出力される噴射パルスのパルス幅によって制御する。噴射パルス幅を長くすると噴射量が大きく、噴射パルス幅を短くすると噴射量が小さくなり、その関係は略線形的である。しかしながら、噴射パルス幅が短い領域では、可動子が固定コア、もしくは可動子の変位量を規定するストッパなどに衝突した際に生じる跳ね返り現象（可動子のバウンド挙動）により、噴射パルスを停止してから可動子が閉弁位置に到達するまでの時間が変動してしまい、噴射パルス幅に対して噴射量が直線的に変化せず、このために燃料噴射装置の制御可能な最小噴射量が増加してしまうという問題があった。また、前述の可動子の跳ね返り現象のために噴射量が燃料噴射装置の個体ごとに安定しない場合があり、噴射量が最も大きくなる個体を制御可能な最小噴射量として設定せざるを得ないため、最小噴射量を増大させる要因となることがあった。また、噴射パルスと噴射量の関係が直線とならない非線形領域での噴射パルスからさらに噴射パルス幅を短くすると、可動子と固定コアが衝突しない、すなわち弁体がフルリフトしない中間リフトの領域となる。この中間リフトの領域では、各気筒の燃料噴射装置に同じ噴射パルスを供給しても、燃料噴射装置の寸法公差や経年劣化等の影響により生じる個体差によって燃料噴射装置のリフト量が大きく異なる。そして、中間リフトの領域では要求噴射量が小さく噴射量の個体ばらつきによる噴射量誤差への影響がより顕著になり、燃焼の安定性の観点からこの中間リフト領域を使用することは困難であった。
上述したように、燃費向上や未燃粒子抑制のために、燃料噴射装置の噴射量ばらつき低減と制御可能な最小噴射量を低減する必要があり、最小噴射量の大幅な低減のためには、噴射パルス幅と噴射量の関係が各気筒の燃料噴射装置の個体ごとにばらつき特性を有する短い噴射パルス領域や噴射パルスが小さく、弁体が目標リフトに到達しない中間リフトの領域での噴射量を制御することが求められている。噴射量ばらつきの低減と最小噴射量を低減するためには、開弁時に可動子が固定コアなどに衝突した際に生ずる可動子のバウンド現象によって発生する噴射パルスを停止してから可動子が閉弁位置に到達するまでの時間の変動など、弁動作のばらつきや噴射量のばらつきを、各気筒の燃料噴射装置ごとに検知し、個別に燃料噴射量を補正できる必要があり、このための検知技術として、燃料噴射装置が開弁終了するときの可動子と固定コアとの衝突時間を検出する手段として、特許文献２に開示された燃料噴射制御装置が知られている。特許文献２では、可動子と固定コアの間のエアギャップが急速に縮小することで、磁気回路を構成する磁性材が磁気飽和し、磁気回路のインダクタンスが変化する現象に着目して、電流の２階微分値が負から正に切り替わるタイミングを検出することにより、燃料噴射装置が開弁終了するときの可動子と固定コアとの衝突タイミングを検知している。
また、特許文献３には、可動子の加速度に応じて移動する可動磁性体を差動トランスにより検出し、このトランスの2次側に上記磁性体の変位量に応じた出力を生じさせる加速度等の検出器において、作動トランスの2次側出力部に、１次ソレノイドの磁束によって誘起された電圧を２次ソレノイド出力に対して同位相または逆移動に加算するソレノイドを直列に設けることで、加速度に応じてリニアな電圧を得る検出器が開示されている。
特開２０１１−１３２８９８号公報 特開２００１−２２１１２１号公報 特開平３−２２６６７３号公報
燃料噴射装置は、ソレノイド（コイル）に駆動電流を供給および停止することで、弁体を開・閉動作させるが、駆動電流を供給開始してから弁体が目標開度に到達するまでには時間遅れがあり、目標開度に到達してから弁体が閉弁動作を行う条件で噴射量を制御すると、制御できる最小噴射量に制約が生じる。したがって、燃料噴射装置で微少な噴射量を制御するためには、弁体が目標開度に到達しない条件、すなわち中間リフトの条件での噴射量を正確に制御できる必要がある。しかしながら、中間リフトの状態では、弁体の動きが規制されない不確実な動作であるため、燃料噴射装置を駆動するための噴射パルスをＯＮにしてから弁体が開弁開始するまでの開弁開始遅れ時間と噴射パルスをＯＦＦにしてから弁体が閉弁完了するまでの閉弁遅れ時間が各気筒の燃料噴射装置ごとにばらつきが大きくなる。燃料噴射装置から噴射される流量は、噴孔の総断面積と、燃料噴射装置の開弁開始時期から閉弁完了時期までの弁体リフト量積分面積と、で決まる。このため、各気筒の燃料噴射装置で噴射量を一致させるためには、閉弁遅れ時間から開弁開始遅れ時間を減算した弁体が変位している実開弁時間を各気筒の燃料噴射装置ごとに一致させる必要がある。そのために、各気筒の燃料噴射装置ごとの弁体の開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングを駆動装置で検知できる技術が必要である。
しかしながら、特許文献２記載の燃料噴射制御装置には各気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミングを検知できる方法の開示はない。すなわち、特許文献２に開示されている検知方法では、可動子がストッパと衝突するタイミングで飽和磁束密度に到達せずに、ソレノイドに付与する磁界と磁束密度の関係がある程度線形的な関係となる低い磁界の範囲のみでしか、エアギャップ縮小に伴う磁気抵抗の変化を電流の変化として捉える事が困難であり、可動子がストッパに衝突する以前に吸引面の磁束密度が大きくなる条件での開弁開始タイミングの検知に与える影響についての配慮が必ずしも十分でない。また特許文献２記載の燃料噴射装置は、可動子が静止している状態から緩やかに開弁動作を開始するため、開弁開始タイミングでの可動子の加速度変化が小さく、開弁開始タイミングでの電流変化を捉えることは困難である。
また、特許文献３についても同様に、燃料噴射装置の開弁開始タイミングの検知方法についての開示はない。さらに、特許文献３に開示されている検知方法を燃料噴射装置に適用すると、可動子を駆動するためのソレノイドの他に、可動子を駆動するためのソレノイドと並行して検知のためのソレノイドを配置する必要があるため、燃料噴射装置の外径が、検知コイルの形状だけ大きくなり、エンジンの取り付け性の観点から、検知コイルを燃料分差や装置の内部に配置することが難しい。また、可動子を駆動するためのソレノイドの他に、各気筒にソレノイドが３つ必要となるため、燃料噴射装置および駆動装置のコストが増加するという課題があった。
本発明の目的は、燃料噴射装置の弁体が開弁開始するタイミングをエンジンの各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知することにある。
上記課題を解決するため本発明の駆動装置は、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路から燃料噴射装置のソレノイドへの通電・非通電を制御する第一のスイッチ素子と、を備える燃料噴射装置の駆動装置において、前記燃料噴射装置は、前記ソレノイドによって駆動され、弁座と接することによって閉弁し、弁座から離れることによって開弁する弁体を備え、前記駆動装置は、前記第一のスイッチ素子への通電により前記ソレノイドに電流を供給して前記弁体を開弁方向に駆動する駆動信号生成部と、前記ソレノイドに流れる電流値に基づき前記弁体が前記弁座から離れる開弁開始時期を検出する開弁開始時期検出部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、燃料噴射装置の開弁開始タイミングを検知できるので、燃料噴射装置の噴射量の個体ばらつきと、燃料噴射開始タイミングの気筒間のばらつきを低減でき、制御可能な最小噴射量を低減できる燃料噴射装置と駆動装置とで構成される燃料噴射システムを提供することができる。
本発明の第一実施例における燃料噴射装置の縦断面図と、この燃料噴射装置に接続される駆動回路及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）の構成を示す図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置の駆動部構造の断面拡大図を示した図である。 本発明の第一実施例における燃料噴射装置を駆動する噴射パルス、燃料噴射装置のソレノイドに印加される端子間電圧、駆動電流、弁体および可動子変位量と時間の関係を示した図である。 図３におけるECUから出力される噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射装置から噴射される燃料噴射量の関係を示した図である。 噴射量特性に個体ばらつきがある燃料噴射装置の噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量の関係を示した図である。 図５における各点５０１、５０２、５０３、５３１、５３２での弁挙動を示した図である。 駆動装置から出力される噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、弁体の変位量、可動子変位量と時間の関係を示した図である。 燃料噴射装置の駆動装置およびＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）の詳細を示した図である。 本発明の一実施例における寸法公差の変動の影響によって弁体の動作タイミングが異なる３つの燃料噴射装置の噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、電流微分値、電流２階微分値、弁体変位量、可動子変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の一実施例における噴射パルスＴｉ、燃料噴射装置に供給する駆動電流、駆動装置のスイッチング素子の動作タイミング、ソレノイドの端子間電圧Ｖinj、弁体および可動子の変位量、可動子加速度と時間の関係を示した図である。 本発明の第一実施例におけるソレノイド１０５に供給する駆動電流、燃料噴射装置の寸法公差のばらつきによって閉弁挙動が異なる３つの個体の弁体の変位量、電圧ＶＬ１の拡大図と電圧ＶＬ１の２階微分値の関係を示した図である。 本発明の一実施例における可動子と固定コア間の変位（ギャップxと称する）と可動子の固定コアとの間の吸引面を通過する磁束φおよびソレノイドの端子間電圧Ｖｉｎｊの対応関係を示した図である。 本発明の一実施例における弁体が目標リフトに到達する条件で、開弁開始および開弁完了タイミングが異なる３つの燃料噴射装置での端子間電圧Ｖｉｎj、駆動電流、電流の１階微分値、電流の２階微分値、弁体変位量および時間の関係を示した図である。 は、第一実施例で磁気回路に使用する磁性材料の磁化曲線(ＢＨカーブ)の初期磁化曲線と戻り曲線を示した図である。 本発明の第一実施例における弁体が目標リフトに到達しない中間リフト域となる噴射パルス幅Ｔｉが小さい領域での各気筒の噴射量補正方法のフローチャートを記載した図である。 本発明の第一実施例におけるある燃料圧力の条件で噴射パルス幅Ｔｉを変更した場合の、各気筒の噴射量と閉弁完了タイミングTb、開弁開始タイミングTa’と燃料噴射装置から噴射される単位時間当たりの流量Qst（以降、静流と称する）から求めた検知情報(Tb - Ta’)・Qstの関係を示した図である。 本発明の第一実施例における各気筒の燃料噴射装置の個体１、個体２、個体３の検知情報と噴射パルス幅Ｔｉの関係を示した図である。 本発明の第一実施例における1吸排気行程中に行う噴射を分割する条件での噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、端子間電圧Ｖinj、電圧ＶL1の2階微分値、電流すなわち電圧ＶＬ２の2階微分値および弁体の変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の第二実施例における燃料噴射装置の弁体が弁座と接触している閉弁状態での駆動部断面の拡大図である。 本発明の第二実施例における燃料噴射装置の弁体先端部の縦断面を拡大した図である。 本発明の第二実施例における燃料噴射装置の弁体が開弁状態での駆動部断面の拡大図である。 本発明の第二実施例における燃料噴射装置の弁体が開弁状態から閉弁を開始し、弁座１１８と接触した瞬間の駆動部断面の拡大図である。 本発明の第二実施例における駆動装置の構成を示した図である。 本発明の第二実施例における図２３の駆動装置のアナログ微分回路の周波数ゲイン特性を示した図である。 本発明の第二実施例におけるソレノイドに流れる電流の変化を検出するための電圧ＶL3、電圧ＶL3の１階微分値、電圧ＶL3の２階微分値、第二の弁体および第二の可動子の変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の第二実施例における中間リフト状態で最大リフトから閉弁する際の第二の弁体および第二の可動子の変位量、電圧ＶＬをＣＰＵで検出するための端子と接地電位との電位差である電圧ＶＬ４、電圧ＶＬ４の２階微分値と噴射パルスＯＦＦ後の時間の関係を示した図である。 本発明の第三実施例の手法によって燃料噴射装置または燃料噴射装置を駆動する場合のうち、弁体もしくは第二の弁体を一定時間目標リフト位置で保持させて使用する時の燃料噴射装置または燃料噴射装置の端子間電圧Ｖinj、駆動電流、可動子または第二の可動子に作用する磁気吸引力、弁体もしくは第二の弁体に作用する弁体駆動力、弁体もしくは第二の弁体の変位量、可動子もしくは第二の可動子の変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の第三実施例の手法によって燃料噴射装置８または燃料噴射装置を駆動する場合のうち、弁体もしくは第二の弁体を目標リフトに到達させる中で、最小の噴射量を実施する時の動作状態における端子間電圧Ｖinj、駆動電流、弁可動子もしくは第二の可動子に作用する磁気吸引力、弁体もしくは第二の弁体に作用する弁体駆動力、弁体もしくは第二の弁体の変位量、可動子もしくは第二の可動子の変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の第三実施例の手法によって燃料噴射装置または燃料噴射装置を駆動する場合のうち、中間リフトでの動作する場合の端子間電圧Ｖinj、駆動電流、可動子または第二の可動子に作用する磁気吸引力、弁体もしくは第二の弁体に作用する弁体駆動力、弁体もしくは第二の弁体の変位量、可動子もしくは第二の可動子の変位量と時間の関係を示した図である。また、弁体駆動力の図中には、開弁方向の駆動力を正方向に閉弁方向の駆動力を負の方向に示した図である。 本発明の第三実施例の図２７〜図２９の制御方式の電流波形を使用した場合の噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係を示した図である。 同じ噴射パルス幅Ｔｉを供給した条件で弁体もしくは第二の弁体の開弁開始タイミングＴａ‘と閉弁完了タイミングＴｂが異なる個体に対して、噴射期間（Ｔｂ−Ｔａ’）が一致するように、噴射パルス、駆動電圧、駆動電流を補正した結果の各個体の駆動電圧、駆動電流、弁体変位量と時間の関係を示した図である。 本発明の第四実施例における弁体もしくは第二の弁体が目標リフトに到達しない中間リフトの場合の弁体もしくは第二の弁体のリフトと、弁体もしくは第二の弁体に作用する力の関係を示した図である。 本発明の第四実施例における最小噴射量での噴射期間を調整後の噴射量の調整方法を記載した図である。 本発明の第四実施例における最小噴射量での噴射期間を調整後の噴射パルスと噴射量の関係を示した図である。 本発明の第五実施例における筒内直接噴射式のガソリンエンジンの構成図である。 本発明の第六実施例の燃料噴射装置の縦断面図の構成を示す図である 本発明の第六実施例の燃料噴射装置を用いた場合のソレノイドの端子間電圧と、ソレノイドに供給する駆動電流と、弁体が開弁しない条件での電流値と各個体の電流値の差分および弁変位と噴射パルスＯＮ後の時間の関係を示した図である。 電流一階微分を用いた開弁開始タイミング検知方法の説明図である。 燃料噴射タイミング補正方法の説明図である。
本発明は、弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置と燃料噴射装置のソレノイド(コイル)に駆動電流を供給する駆動装置とで構成される燃料噴射システムであって、燃料噴射装置の駆動装置は、燃料噴射装置に対する第１の電圧源と第１の電圧源よりも高い電圧を生じる第２の電圧源と、前記第１の電圧源から燃料噴射装置のソレノイドへの通電・非通電を制御する第一のスイッチ素子と、前記第２の電圧源から燃料噴射のソレノイドへ通電・非通電を制御する第２のスイッチ素子と、ソレノイドの設地電位(GND)側端子と燃料噴射装置の設地電位との間で、通電・非通電を制御する第３のスイッチ素子と、前記燃料噴射装置の設地電位側端子と、前記第２のスイッチ素子の第２の電圧源側端子との間に、燃料噴射装置の設地電位側端子から第２の電圧源側端子に向けて配置されるダイオードと、前記第１のスイッチ素子と前記第１の電圧源との間もしくは、前記第３のスイッチ素子と接地電位との間のどちらか一方、または両方に電流を検出するためのシャント抵抗と、を備え、また、前記燃料噴射装置は、弁座と接することによって燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を開く弁体と、前記ソレノイドと固定コア、ノズルホルダ、ハウジング、可動子によって構成される磁気回路を有し、前記ソレノイドに電流が供給されると前記可動子に磁気吸引力が作用して、空走動作を行った後に前記弁体に衝突して前記弁体を開弁させる第一の可動子と、第一の可動子と連動して動く第二の可動子とを備え、前記弁体が前記弁座と接触している閉弁状態では、前記弁体の上部端面が、第二の可動子と接触し、また、前記第二の可動子の外径に設けられたつば部が前記第一の可動子と接触しており、前記第一の可動子が空走動作をする時には、前記第一の可動子と前記第二の可動子が供動して開弁方向に動く。
また、前記駆動装置は、前記弁体が閉弁している状態から、前記第２の電圧源からソレノイドへの電流供給を行うために、前記第２のスイッチ素子と前記第３のスイッチ素子を通電にし、電流が予め駆動装置に与えておく設定値もしくは、噴射パルスを印加してから所定の時間経過後に、前記第２のスイッチ素子を非通電、第３のスイッチ素子を非通電にして、電流を減衰させ、その後、前記第１のスイッチ素子と前記第３のスイッチを通電にしている期間中に、前記第一の可動子を前記弁体に衝突させて開弁させる。前記弁体が閉弁している状態では、前記第一の可動子の上流側の圧力と下流側の圧力が同等であるため、前記第一の可動子は上流側と下流側の差圧によって生じる流体力を受けず、第２の電圧源の印加により前記ソレノイドに供給される電流により発生する磁気吸引力によって、前記弁体に衝突するまで高速で移動することができる。その後、前記第一の可動子が前記弁体に衝突することで、前記可動子の運動エネルギーによる衝突する際の力積を利用して弁体は急峻に開弁動作を行う。このとき、前記弁体が閉弁している状態では、前記弁体には、燃料圧力による差圧力が働いている。差圧力は、弁体の先端部の圧力と、前記弁体の上流部の圧力との差圧と、受圧面積である弁体と弁座のシート部面積を乗じた値となる。可動子が、弁体に衝突する瞬間に、弁体に作用している差圧力により、前記第一の可動子と前記第二の可動子が受ける力が変化する。また、前記第１のスイッチ素子と前記第３のスイッチ素子を通電にしている期間中において、前記第一の可動子が変位して前記第一の可動子および前記第二の可動子と前記固定コアの間の磁気ギャップが変化すると、誘導起電力が発生するため、電流値は減少もしくは、緩やかに増加していくが、前記第一の可動子が前記弁体に衝突した瞬間に、可動子の加速度が変化し、電流の傾きに変化が生じる。また、可動子が開弁動作中の誘導起電力の大きさは、前記燃料噴射装置の磁気回路の設定値や前記第一の可動子の速度、前記ソレノイドに供給する電流によって大きく変化するため、前記第一の可動子と前記固定コア間の磁気ギャップの縮小に伴って電流が必ずしも減少しない場合がある。この場合、駆動装置から出力される噴射パルス幅がONとなってから、電流の2階微分値が最大値となるまでの時間を検出することで、誘導起電力の大きさに関わらず、電流微分値の傾きが変化する時間として前記第一の可動子が前記弁体に衝突する開弁開始タイミングを検知きる。また、検知した開弁開始タイミングを駆動装置に記憶させる。燃料噴射装置に供給される燃料の圧力が変化しても、前記可動子が受ける力は変化しないため、開弁開始タイミングも燃料の圧力変化の影響を受けない。
また、これまで弁体を介して可動子が受けていた閉弁方向の力がなくなることで可動子の加速度が変化するタイミングすなわち、可動子に働く力の向きが反転するタイミングをソレノイドの両端電圧もしくは、ソレノイドの接地電位側の端子と接地電位との電位差を駆動装置で検出することで、駆動装置で検出した電圧値を２階微分することで、電圧の２階微分値が最大となるタイミングを閉弁完了タイミングとして検知し、噴射パルスを停止してから電圧の２階微分値が最大なるまでの閉弁遅れ時間を駆動装置に記憶させる。
また、前記弁体が開弁状態からソレノイドへの電流供給を停止し、前記第一の可動子と前記第二の可動子に作用している磁気吸引力が、前記弁体に働く燃料圧力による力と第二の可動子に作用しているスプリングによる荷重の和となる閉弁方向の力を下回ると、前記弁体、前記第一の可動子および前記第二の可動子が閉弁動作を行い、前記弁体が弁座に到達する閉弁完了タイミングの瞬間に、前記第一の可動子が前記第二の可動子と前記弁体から離間し、これまで前記弁体と前記第二の可動子を介して前記第一の可動子が受けていた閉弁方向の力がなくなり、第二の可動子を開弁方向に付勢するゼロ位置ばねの荷重を受けて、前記第一の可動子の加速度が変化するタイミングすなわち、前記第一の可動子に働く力の向きが反転するタイミングをソレノイドの接地電位側の端子と接地電位との電位差のＶＬ電圧、もしくは前記ＶＬ電圧を２つの抵抗器を用いて分圧したＶＬ１電圧を駆動装置で検出し、検出した電圧値を２階微分することで、電圧の２階微分値が最小となるタイミングを閉弁完了タイミングとして検知し、噴射パルスを停止してから電圧の２階微分値が最小なるまでの閉弁遅れ時間を駆動装置に記憶させる。駆動装置に記憶させた、開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングもしくは閉弁遅れ時間の情報から予め駆動装置に与えておいた開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングもしくは閉弁遅れ時間の中央値からの乖離値を各気筒で算出し、予め駆動装置に与えておく前記弁体が目標リフトに位置するときの各燃料圧力での単位時間当たりの静的流量を乗じて各気筒の噴射量を推定し、次回噴射以降の噴射パルス幅を補正することで各気筒の噴射量ばらつきを低減する。
また、噴射パルスを印加してから電流が目標値に到達し、その後、第二の電圧源から負の方向の電圧を供給することで、電流を急速に低下させ、可動子に働く磁気吸引力を小さくすることで、弁体が目標リフトに到達する前に、弁体を急減速させ、減速による開弁遅れ時間の増加を最小限に抑制しつつ、目標リフト到達後の弁体バウンドを低減でるため、噴射量特性に生じる非線形性を改善することができ、噴射量の微小な制御が可能となる。また、可動子と固定コアが衝突することによって生じる弁体が目標リフトに到達した後の弁体のバウンド量は、燃料噴射装置の寸法公差の変動よって燃料噴射装置ごとに異なり、噴射量に生じる非線形性も個体ごとに異なる。噴射パルスを供給してから弁体が開弁開始するタイミングと目標リフトに到達する開弁完了タイミングが早い個体と遅い個体に対して同一の電流波形を与えた場合、開弁完了タイミングが早い個体では、電流を急速に低下させることによる弁体の減速が間に合わず、可動子が固定コアに早い速度で衝突し、目標リフトへ到達後の弁体バウンドが大きくなる。したがって、各気筒の燃料噴射装置で検知した開弁遅れ時間に基づいて、第２の電圧源の印加を停止し、燃料噴射装置のソレノイドの両端に負の方向の電圧を供給して電流を急速に遮断させるタイミングを補正することで、各気筒の燃料噴射装置で適切な電流波形を供給することができ、目標リフト到達後の弁体バウンドを抑制できるため、噴射量特性の非線形性を改善することができる。
具体的には、以下のように構成すると良い。
弁体を駆動して開弁状態と閉弁状態とを切替える燃料噴射装置と、前記ソレノイドへ駆動電流を供給する駆動装置で構成される燃料噴射システムであって、ソレノイドに電流を供給し、前記第一の可動子が前記弁体に衝突することによる前記第一の加速度の変化を前記ソレノイドに流れる駆動電流の2階微分値の最大値として駆動装置で検知し、前記弁体が開弁状態から指令噴射パルスを停止して後に、前記弁体と前記弁座が接触し、第一の可動子が前記弁体と前記第二の可動子から離間して、前記第二の可動子が前記弁体と接触して静止することによる前記第一の可動子および前記第二の可動子が受ける作用力の変化を加速度の変化として前記ＶＬ電圧もしくは、前記ＶＬ１電圧の2階微分値の最小値もしくは最大値で検知して、駆動装置に記憶させる。
また、記憶させた各気筒の開弁開始タイミングの情報を使用し、開弁開始タイミングが各気筒で一致するように前記ソレノイドに駆動電流を供給するタイミングを変化させて、燃料噴射のタイミングを各気筒ごとに一致させることで、混合気の気筒ごとの変化を抑制し、ピストンとエンジンシリンダ壁面への燃料付着を抑制し、混合気の均質度を向上させることで、モード走行時の未燃焼粒子（ＰＭ：Particulate Matter）の総量とその個数である未燃焼粒子数（ＰＮ：Particulate Number）の低減が可能となり、また、混合気の均質度の状態を各気筒ごとに一致させることができるため、燃焼効率の向上ができ、燃費を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
以下、図１〜図７を用いて、本発明に係る燃料噴射装置と駆動装置とを備えた燃料噴射システムの動作について説明する。
最初に、図１を用いて、燃料噴射装置及びその駆動装置の構成と基本的な動作を説明する。図１は、燃料噴射装置の縦断面図とその燃料噴射装置を駆動するための駆動回路１２１、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１２０の構成の一例を示す図である。本実施例ではＥＣＵ１２０と駆動回路１２１とは別体の装置として構成されているが、ＥＣＵ１２０と駆動回路１２１は一体の装置として構成されてもよい。なお、ＥＣＵ１２０と駆動回路１２１とで構成される装置を以下、駆動装置として説明する。
ＥＣＵ１２０では、エンジンの状態を示す信号を各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１２０より出力された噴射パルスは、信号線１２３を通して燃料噴射装置の駆動回路１２１に入力される。駆動回路１２１は、ソレノイド１０５に印加する電圧を制御し、電流を供給する。ＥＣＵ１２０は、通信ライン１２２を通して、駆動回路１２１と通信を行っており、燃料噴射装置に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動回路１２１によって生成する駆動電流を切替えることや、電流および時間の設定値を変更することが可能である。駆動回路１２１は、ＥＣＵ１２０との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて電流波形の設定値を変化させることができる。
次に、図１の燃料噴射装置の縦断面と図２の可動子１０２a、１０２bおよび可動部材１１４の近傍を拡大した断面図を用いて、燃料噴射装置の構成と動作について説明する。なお、可動子１０２ａと可動子１０２ｂは、一体の部品として構成されていても良い。可動子１０２aと可動子１０２ｂで構成される部品を可動子１０２と称する。図１および図２に示した燃料噴射装置は通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射装置）であり、ソレノイド（コイル）１０５に通電されていない状態では、第１のばねであるスプリング１１０によって可動子１０２ｂが閉弁方向に付勢され、可動子１０２ｂの弁体１１４側の端面２０７と弁体１１４の上部端面が接触している。このとき、弁体１１４には、可動子１０２ｂを介して、セットスプリング１１０による荷重が作用するため、弁体１１４は、弁座１１８に向けて付勢され、弁座１１８に密着して閉弁状態となっている。閉弁状態においては、可動子１０２には、閉弁方向にかかるスプリング１１０による力と、開弁方向にかかる第２のばねの戻しばね１１２による力が作用する。このとき、スプリング１１０による力のほうが、戻しばね１１２による力に比べて大きいため、可動子１０２ｂの端面２０７が弁体１１４に接触し、可動子１０２は静止している。また、閉弁状態においては、弁体１１４の可動子１０２aとの当接面２０５と可動子１０２aとの間には、空隙２０１を有している。また、この状態では、可動子１０２と固定コア１０７との間には隙間がある状態となっている。また、弁体１１４と可動子１０２とは相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ１０１に内包されている。また、ノズルホルダ１０１は、戻しばね１１２のばね座となる端面２０８を有している。スプリング１１０による力は、固定コア１０７の内径に固定されるバネ押さえ１２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。なお、ゼロ位置ばね１１２の付勢力はスプリング１１０の付勢力よりも小さく設定されている。
また、燃料噴射装置は、固定コア１０７、可動子１０２、ノズルホルダ１０１、ハウシング１０３とで磁気回路を構成しており、可動子１０２と固定コア１０７との間に空隙を有している。ノズルホルダ１０１の可動子１０２と固定コア１０７との間の空隙に対応する部分には磁気絞り１１１が形成されている。ソレノイド１０５はボビン１０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ１０１の外周側に取り付けられている。弁体１１４の弁座１１８側の先端部の近傍にはロッドガイド１１５がノズルホルダ１０１に固定されるようにして設けられている。このロッドガイド１１５はオリフィスカップ１１６と同一の部品として構成されても良い。弁体１１４は第１のロッドガイド１１３と第２のロッドガイド１１５との２つのロッドガイドにより、弁軸方向の動きをガイドされている。ノズルホルダ１０１の先端部には、弁座１１８と燃料噴射孔１１９とが形成されたオリフィスカップ１１６が固定され、可動子１０２と弁体１１４とが設けられた内部空間（燃料通路）を外部から封止している。
燃料噴射装置に供給される燃料は、燃料噴射装置の上流に設けられたレール配管から供給され、第一の燃料通路孔１３１を通って弁体１１４の先端まで流れ、弁体１１４の弁座１１８側の端部に形成されたシート部と弁座１１８とで燃料をシールしている。閉弁時には、燃料圧力によって弁体１１４の上部と下部の差圧が生じ、燃料圧力と弁座位置におけるシート内径の受圧面の乗じた力で弁体１１４が閉弁方向に押されている。閉弁状態においては、弁体１１４の可動子１０２aとの当接面２０５と可動子１０２aとの間には、空隙２０１を有している。ソレノイド１０５に電流が供給されると、磁気回路によって発生する磁界により、固定コア１０７と可動子１０２との間に磁束が通過し、可動子１０２に磁気吸引力が作用する。可動子１０２に作用する磁気吸引力が、セットスプリング１１０による荷重を越えるタイミングで、可動子１０２は、固定コア１０７の方向に変位を開始する。このとき、弁体１１４と弁座１１８が接触しているため、可動子１０２の運動は、燃料の流れが無い状態で行われ、燃料圧力による差圧力を受けている弁体１１４とは分離して行われる空走運動であるため、燃料の圧力などの影響を受けることがなく、高速に移動することが可能である。
可動子１０２の変位量が、空隙２０１の大きさに達すると、可動子１０２が弁体１１４に当接面２０５を通じて力を伝達し、弁体１１４を開弁方向に引き上げる。このとき、可動子１０２は、空走運動を行って、運動エネルギーを有した状態で弁体１１４と衝突するため、弁体１１４は、可動子１０２の運動エネルギーを受取り、高速に開弁方向に変位を開始する。弁体１１４には燃料の圧力に伴って生じる差圧力が作用しており、弁体１１４に作用する差圧力は、弁体１１４のシート部近傍の流路断面積が小さい範囲において、シート部の燃料の流速が増加し、ベルヌーイ効果による静圧低下に伴って生じる圧力降下によって弁体１１４先端部の圧力が低下することで生じる。この差圧力は、シート部の流路断面積の影響を大きく受けるため、弁体１１４の変位量が小さい条件では、差圧力が大きくなり、変位量が大きい条件では、差圧力が小さくなる。したがって、弁体１１４が閉弁状態から開弁開始されて変位が小さく、差圧力が大きくなる開弁動作がし難くなるタイミングで、弁体１１４の開弁が可動子１０２の空走運動によって衝撃的に行われるため、より高い燃料圧力が作用している状態でも開弁動作を行うことができるようになる。あるいは、動作できることが必要な燃料圧力範囲に対して、より強い力にスプリング１１０を設定することができる。スプリング１１０をより強い力に設定することで、後述する閉弁動作に要する時間を短縮することができ、微小噴射量の制御に有効である。
弁体１１４が開弁動作を開始した後、可動子１０２は固定コア１０７に衝突する。この可動子１０２が固定コア１０７に衝突する時には、可動子１０２は跳ね返る動作をするが、可動子１０２に作用する磁気吸引力によって可動子１０２は磁気コアに吸引され、やがて停止する。このとき、可動子１０２には戻しばね１１２によって固定コア１０７の方向に力が作用しているため、跳ね返りの変位量を小さくでき、また、跳ね返りが収束するまでの時間を短縮することができる。跳ね返り動作が小さいことで、可動子１０２と固定コア１０７の間のギャップが大きくなってしまう時間が短くなり、より小さい噴射パルス幅に対しても安定した動作が行えるようになる。
このようにして開弁動作を終えた可動子１０２および弁体１０２は、開弁状態で静止する。開弁状態では、弁体１０２と弁座１０１の間には隙間が生じており、燃料が噴射されている。燃料は固定コア１０７に設けられた中心孔と、可動子１０２に設けられた上部燃料通路孔と、可動子１０２に設けられた下部燃料通路孔を通過して下流方向へ流れるようになっている。
ソレノイド１０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子１０２に作用する磁気吸引力が消滅することによって、弁体１１４はスプリング１１０の荷重と、燃料圧力による力によって、弁座１１８に接触する閉位置に押し戻される。
また、可動子１０２が、可動子１０２aと可動子１０２ｂに分かれている場合、前記弁体が弁座１１８と接触している閉弁状態において、前記可動子１０２ｂは、前記可動子１０２ｂの外径に設けられたつば部２１１で前記可動子１０２aと接触しており、前記可動子１０２ｂは、接触面２１０で前記弁体１１４の上部端面と接触している。 前記可動子１０２aが初期位置から開弁動作する際には、可動子１０２ｂも供動して開弁動作を行うように構成されている。
また、可動子１０２aと可動子１０２bは、摺動面２０６で摺動できるよう構成されており、弁体１１４が開弁状態から閉弁する際に、弁体１１４が弁座１１８と接触した後、可動子１０２aが弁体１１４、可動子１０２ｂから分離して閉弁方向に移動して、一定時間運動した後に、戻しばね１１２によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。
弁体１１４が開弁完了する瞬間に可動子１０２aが、可動子１０２ｂおよび弁体１１４から離間することで、可動子１０２の質量を低減することができるため、弁座１１８と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体１１４が弁座１１８に衝突することによって生じる、弁体１１４のバウンドを抑制することができる。
弁体１１４が目標リフト位置で静止している状態すなわち、開弁状態において、可動子１０２と固定コア１０７が相対する環状端面には、可動子１０２か固定コア１０７のどちらか一方もしくは両方に衝突部の突起部が設けられている。また、突起部によって、開弁状態において、可動子１０２もしくは固定コア１０７の突起部以外の可動子１０２もしくは、固定コア１０７側との面との間には、空隙を有しており、開弁状態で突起の外径方向と内径方向に流体が移動可能な燃料通路が一つ以上設けられている。以上の突起と燃料通路の効果によって、可動子１０２と固定コア１０７間の微少隙間の圧力変化によって可動子１０２の移動を妨げる方向に生じるスクイーズ力を低減できるため、噴射パルスを停止してから弁体１１４が閉弁するまでの閉弁遅れ時間を低減できる効果がある。一般的に、磁気特性が良いマルテンサイト系もしくは、フェライト系のステンレス鋼では、材料の硬度および強度が低く、マルテンサイト系ステンレス鋼においては、硬度を大きくするために熱処理を行うと磁気特性が低下する場合がある。可動子１０２と固定コア１０７の衝突による突起部の摩耗を防ぐため、突起部を設けた端面に硬質クロムメッキなどのメッキ処理を行う場合がある。弁体１１４が閉位置に押し戻される動作では、可動子１０２は弁体１１４の規制部１１４ａと係合した状態で一緒に移動する。
本実施例の燃料噴射装置では、弁体１１４と可動子１０２とは、開弁時に可動子１０２が固定コア１０７と衝突した瞬間と、閉弁時に弁体１１４が弁座１１８と衝突した瞬間の非常に短い時間、相対的な変位を生じることにより、可動子１０２の固定コア１０７に対するバウンドや弁体１１４の弁座１１８に対するバウンドを抑制する効果を奏する。
なお、上記のように構成されることにより、スプリング１１０は磁気吸引力による駆動力の向きとは逆向きに弁体１１４を付勢しており、戻しばね１１２はスプリング１１０の付勢力とは逆向きに可動子１０２を付勢している。
次に、本発明における燃料噴射装置を駆動する駆動装置１２１から出力される噴射パルスと燃料噴射装置のソレノイド１０５の端子両端にかかる駆動電圧と、駆動電流（励磁電流）と燃料噴射装置の弁体１１４の変位量（弁体挙動）との関係（図３）、及び噴射パルスと燃料噴射量との関係（図４）について説明する。
駆動回路１２１に噴射パルスが入力されると、駆動回路１２１はバッテリ電圧よりも高い電圧に昇圧された高電圧源からソレノイド１０５に高電圧３０１を印加し、ソレノイド１０５に電流の供給が開始される。電流値が予めＥＣＵ１２０に定められたピーク電流値Ｉpeakに到達すると、高電圧３０１の印加を停止する。その後、印加する電圧値を０Ｖ以下にし、電流２０２のように電流値を低下させる。電流値が所定の電流値３０４より小さくなると、駆動回路１２１はバッテリ電圧ＶＢの印加をスイッチングによって行い、所定の電流３０３が保たれるように制御する。
このような供給電流のプロファイルにより、燃料噴射装置は駆動される。高電圧３０１の印加からピーク電流値Ｉpeakに達するまでの間に、可動子１０２がタイミングt31で変位を開始し、その変位が空隙２０１達するタイミングt32で可動子１０２が弁体１１４に衝突し、その衝撃を利用して弁体１１４の変位が急峻に大きくなり、その後、保持電流３０３に移行するより前に弁体１１４が目標リフトの位置に到達する。目標リフト位置到達後は、可動子１０２と固定コア１０７との衝突により、可動子１０２がバウンド動作を行い、弁体１１４は可動子１０２に対して相対変位可能に構成されているため、弁体１１４はアンカー１０２から離間し、弁体１１４の変位は、目標リフト位置を越えて変位する。その後、保持電流３０３が生成する磁気吸引力と戻しばね１１２の開弁方向の力によって、可動子１０２は、所定の目標リフト位置に静止し、また、弁体１１４も目標リフト位置で静止するため、安定した開弁状態となる。
弁体１１４と可動子１０２が一体となっている可動弁を持つ燃料噴射装置の場合、弁体１１４の変位量は、目標リフト位置よりも大きくならず、目標リフト到達後の可動子１０２と弁体１１４の変位量は同等となる。可動子１０２と弁体１１４が一体の燃料噴射装置の場合、一体部品（以降、可動弁と称する）が磁気回路の構成部品となって磁気吸引力を発生させ、弁座１１７との開・閉弁を行う２つの機能を有する。なお、可動子１０２が、可動子１０２aと可動子１０２ｂに分かれている場合、弁体１１４が閉弁位置に到達した後に、可動子１０２ｂは弁体１１４の上部端面と接触して静止するが、可動子１０２aは、弁体１１４から離間して閉弁方向に移動する。可動子１０２aが一定時間運動した後に、戻しばね１１２によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。弁体１１４が開弁完了する瞬間に可動子１０２aが、可動子１０２ｂおよび弁体１１４から離間することで、可動子１０２の質量を低減することができるため、弁座１１８と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体１１４が弁座１１８に衝突することによって生じる弁体１１４のバウンドを抑制することができる。また、可動子１０２aの質量よりも、可動子１０２bの質量の方が小さくなるように構成されていると良い。この効果により、弁体１１４が弁座１１８と衝突することによる衝撃力を小さくできるため、弁体１１４が弁座１１８に衝突することにより生じる弁体１１４のバウンドを抑制でき、弁体１１４と弁座１１８が接触した後の意図しない噴射を抑制できる。 次に、図４を用いて噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量との関係について説明する。噴射パルス幅Ｔｉが一定の時間に達しない条件では、可動子１０２に作用する磁気吸引力が、可動子１０２に作用するセットスプリング１１０による力を上回らないため、弁体１１４は開弁せず、燃料は噴射されない。また、可動子１０２に作用する磁気吸引力が、セットスプリング荷重を上回った場合であっても、可動子１０２が助走区間である空隙２０１を移動しきれずに、噴射パルスが停止され、可動子１０２に作用する磁気吸引力と可動子１０２持つ開弁方向の慣性力が、セットスプリング１１０による力より小さくなった場合であっても燃料は噴射されない。噴射パルス幅Ｔｉが短い、例えば４０１のような条件では、弁体１１４は弁座１１８から離間し、リフトを開始するが、弁体１１４が目標リフト位置に達する前に閉弁を開始するため、直線領域３２０から外挿される一点鎖線３３０に対して噴射量は少なくなる。また、点４０２のパルス幅では、目標リフト位置に達する直後で閉弁を開始し、弁体１１４の軌跡が放物運動となる。この条件においては、弁体１１４が有する開弁方向の運動エネルギーが大きく、また、可動子１０２に作用する磁気吸引力が大きいため、閉弁に要する時間の割合が大きくなり、一点鎖線４３０に対して噴射量が多くなる。点４０３の噴射パルス幅では、目標リフト到達後の可動子１０２のバウンド量が最大となるタイミングｔ343において閉弁を開始する。このとき、可動子１０２と固定コア１０７が衝突する際の反発力が可動子１０２に働き、噴射パルスをOFFしてから弁体１１４が閉弁するまでの閉弁遅れ時間が小さくなり、その結果噴射量は一点鎖線３３０に対して少なくなっている。点４０４は、可動子１０２のバウンドおよび弁体１１４のバウンドが収束した直後のタイミングｔ35に閉弁を開始する状態であり、噴射パルス幅Ｔｉが点４０４より大きくなる条件では、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて、閉弁遅れ時間が略線形的に増加するため、燃料の噴射量が線形的に増加する。燃料の噴射が開始されてから、点４０４で示すパルス幅Ｔｉまでの領域では、弁体１１４が目標リフトに到達しないかもしくは、弁体１１４が目標リフトに到達したとしても弁体１１４のバウンドが安定しないため、噴射量が変動する。
ＥＣＵ１２０で制御可能な最小噴射量を小さくするためには、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて燃料の噴射量が線形的に増加する領域を増やすか、もしくは、噴射パルス幅Ｔｉが４０４より小さい噴射パルス幅Ｔｉと噴射量の関係が線形とならない非線形領域の噴射量を補正する必要がある。図３で説明したような一般的な駆電流波形では、可動子１０２と固定コア１０７の衝突によって発生する弁体１１４のバウンドが大きく、弁体１１４のバウンド途中で閉弁を開始することにより、点４０４までの短い噴射パルス幅Ｔｉの領域に非線形性が発生し、この非線形性が最小噴射量悪化の原因となっている。従って、弁体１１４が目標リフトに到達する条件での噴射量特性の非線形性を改善するためには、目標リフト位置到達後に発生する弁体１１４のバウンドを低減する必要がある。また、寸法公差に伴う弁体１１４の挙動の変動があるため、燃料噴射装置ごとに可動子１０２と固定コア１０７が接触するタイミングが異なり、可動子１０２と固定コア１０７の衝突速度にばらつきが生じるため、弁体１１４のバウンドは燃料噴射装置の個体ごとにばらつき、噴射量の個体ばらつきが大きくなる。 続いて、図５〜１３について説明する。図５は、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射装置の部品公差によって生じる噴射量の個体ばらつきの関係を示した図である。図６は、図５における噴射量の個体ばらつきでの弁体１１４の変位量の関係、各噴射パルス幅での弁体１１４の変位量と時間の関係を示した図である。図７は、駆動装置から出力される噴射パルス幅、駆動電流、弁体１１４の変位量、可動子変位量の関係と時間の関係を示した図である。図７の弁体変位量の図中には、開弁開始タイミングが同じで閉弁完了タイミングが異なる個体と、予備的動作を行わない従来構造の燃料噴射装置での弁体変位量を記載する。また、図８は、燃料噴射装置の駆動装置１２１およびＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１２０の詳細を示した図である。図９は、本発明の一実施例における寸法公差の変動の影響によって弁体１１４の動作タイミングが異なる３つの燃料噴射装置の噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、電流微分値、電流２階微分値、弁体変位量、可動子変位量と時間の関係を示した図である。また、図１０は、本発明の一実施例における噴射パルス、燃料噴射装置に供給する駆動電流、駆動装置のスイッチング素子８０５、８０６、８０７の動作タイミング、ソレノイド１０５の端子間電圧、弁体１１４および可動子１０２の変位量、可動子加速度と時間の関係を示した図である。図１１は、ソレノイド１０５に供給する駆動電流、燃料噴射装置８４０の寸法公差のばらつきによって閉弁挙動が異なる３つの個体１、２、３の弁体の変位量、電圧ＶＬ１の拡大図と電圧ＶＬ１の２階微分値の関係を示した図である。図１２は、本発明の一実施例における可動子１０２と固定コア１０７間の変位（ギャップxと称する）と可動子１０２の固定コア１０７との間の吸引面を通過する磁束φおよびソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinjの対応関係を示した図である。図１３は、本発明の一実施例における弁体が目標リフトに到達する条件で、開弁開始および開弁完了タイミングが異なる３つの燃料噴射装置での端子間電圧Ｖinj、駆動電流、電流の１階微分値、電流の２階微分値、弁体変位量および時間の関係を示した図である。図１４は、第一実施例で磁気回路に使用する磁性材料の磁化曲線(ＢＨカーブ)の初期磁化曲線と戻り曲線を示した図である。図１５は、弁体が目標リフトに到達しない中間リフト域となる噴射パルス幅Ｔｉが小さい領域での各気筒の噴射量補正方法のフローチャートを記載した図である。図１６は、ある燃料圧力の条件で噴射パルス幅Ｔｉを変更した場合の、各気筒の噴射量と閉弁完了タイミングTb、開弁開始タイミングTa’と燃料噴射装置８４０から噴射される単位時間当たりの流量Qst（以降、静流と称する）から求めた検知情報(Tb - Ta’)・Qstの関係を示したグラフである。図１７は、各気筒の燃料噴射装置の個体１、個体２、個体３の検知情報と噴射パルス幅Ｔｉの関係を示した図である。図１８は、1吸排気行程中に行う噴射を分割する条件での噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、端子間電圧Ｖinj、電圧ＶL1の2階微分値、電流すなわち電圧ＶＬ２の2階微分値および弁体１１４の変位量と時間の関係を示したグラフである。
最初に、図５、６を用いて、各噴射パルス幅Ｔｉでの噴射量と弁体１１４の変位量の関係および、噴射量の個体ばらつきと弁体１１４の変位量の関係について説明する。噴射量の個体ばらつきは、燃料噴射装置の部品公差による寸法変動の影響や経年劣化、環境条件の変動すなわち、燃料噴射装置に供給される燃料圧力、駆動装置のバッテリ電圧源、昇圧電圧源の電圧値の個体ばらつきによって生じるソレノイド１０５へ供給される電流値の変動、温度変化に伴うソレノイド１０５の抵抗値の変化等によって生じる。燃料噴射装置の噴孔１１９より噴射される燃料の噴射量は、噴孔１１９の直径によって決まる複数の噴孔の総断面積と弁体１１４のシート部から噴孔入口までの圧力損失が同等である場合、弁体１１４の変位量で決まる燃料シート部の燃料が流れる弁体１１４と弁座１１８間の流路の断面積で噴射量が決まる。図５は、燃料噴射装置に一定の燃料圧力を供給した場合の噴射パルス幅が小さい領域で噴射量が設計の中央値となる個体Qcに対して、噴射量が大きい個体Quと噴射量が小さい個体Qlを記載した図である。
図５、図６を用いて、噴射量がある噴射パルス幅ｔ51の条件において、設計の中央値となる個体Qcの各噴射パルス幅Ｔｉでの噴射量と弁体１１４の変位量の関係について説明する。噴射パルス幅Ｔｉが小さい点５０１の条件での弁体１１４の変位量は実線５０１となり、弁体１１４が目標リフトに到達する前に、噴射パルス幅ＴｉがOFFとなり、弁体１１４が閉弁を開始し、弁体１１４の軌跡は、放物運動となる。次に、噴射パルス幅Ｔｉと噴射量の関係が略線形となる直線領域から外挿される一点鎖線５３０より、噴射量が大きくなる点５０２では、実線６０１よりも弁体１１４の変位量は大きくなり、弁体１１４が目標リフト位置に到達しきらずに、一点鎖線６０２に示すように閉弁を開始し、実線６０１と同様に放物運動の軌跡となる。なお、一点鎖線６０２では、実線６０１と比べて、ソレノイド１０５に供給するエネルギーが大きいため、閉弁遅れ時間が増加し、その結果、噴射量も増加する。次に、一点鎖線５３０より、噴射量が小さくなる点５０３では、可動子１０２が固定コア１０７と衝突した後、可動子のバウンドが最大となるタイミングで弁体１１４が閉弁を開始しするため、2点鎖線６０３に示すような軌跡となり、閉弁遅れ時間は、1点鎖線６０２の条件と比べて小さくなり、その結果、点５０２と比べて点５０３の噴射量が小さくなる。また、図のｔ51の噴射パルス幅Ｔｉでの各Qu、Qc、Qlの点５３２、５０１、５３１での弁体１１４の変位量を、６０６、６０５、６０４に示す。タイミングt51での噴射パルス幅６０１を駆動回路に入力した場合、燃料噴射装置６４０の寸法公差の個体差の影響によって、噴射パルスをONにしてから可動子１０２が弁体１１４に衝突するタイミングすなわち、弁体１１４の開弁開始タイミングがｔ61、ｔ62、ｔ53のように変動する。各気筒に同一の噴射パルス幅を与えた場合、開弁開始タイミングが早い個体６０４が、噴射パルス幅をOFFにするタイミングｔ64での弁体１１４の変位量が最も大きくなる。噴射パルス幅をOFFにした後も、可動子１０２は運動エネルギーおよび渦電流の影響による残留磁束に伴う残留磁気吸引力によって、弁体１１４は変位を継続し、可動子１０２の運動エネルギーと磁気吸引力による開弁方向の力が、閉弁方向の力を下回ったタイミングt67で弁体１１４が閉弁を開始する。弁体の変位６０４、６０５、６０６に示す通り、開弁開始タイミングが遅い個体のほうが、弁体１１４のリフト量が大きく、噴射パルス幅をOFFにしてから弁体１１４が閉弁完了するまでの閉弁遅れ時間が増加する。したがって、弁体１１４が目標リフトに到達しない中間リフト域では、弁体１１４の開弁開始タイミングと弁体１１４の閉弁完了タイミングで噴射量が決まるため、各気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミングと、閉弁完了タイミングの個体ばらつきを駆動装置で検知もしくは推定できれば、中間リフトでのリフト量の制御が可能となり、噴射量の個体ばらつきを低減して、中間リフトの領域でも噴射量を安定的に制御することができる。
次に、図７を用いて開弁開始タイミングが同等で、閉弁完了タイミングが異なる燃料噴射装置の各個体の弁動作について説明する。図７は、駆動装置から出力される噴射パルス幅、駆動電流、弁体１１４の変位量、可動子変位量の関係と時間の関係を示した図である。図７の弁体変位量には、開弁開始タイミングが同じで閉弁完了タイミングが異なる個体を記載する。
図７より、弁体変位量の個体１、個体２、個体３に示す通り、燃料噴射装置の個体ばらつきによって、開弁開始タイミングｔ73が同じであった場合でも、部品公差の影響により、弁体１１４に作用する差圧力、セットスプリング１１０による荷重、各個体ごとに変化し、弁体１１４の変位量の最大値と閉弁完了タイミングが個体ごとに変動する。弁体１１４に作用する差圧力が小さい個体３では、差圧力が中央値の個体２に対し、閉弁方向の力が小さいため、弁体１１４の変位量が大きくなる。その結果、可動子１０２と固定コア１０７との磁気ギャップが小さくなるため、同じ電流値を供給した場合であっても、開弁方向の力である磁気吸引力が増加し、閉弁完了タイミングは、個体２のｔ75に比べてｔ76のように遅れる。一方で、個体２に比べて差圧力が大きい個体１では、弁体１１４の変位量が小さくなり、可動子１０２と固定コア１０７との磁気ギャップが大きくなるため、可動子１０２に作用する磁気吸引力が減少し、閉弁完了タイミングは、個体２のｔ75に比べてｔ74のように早くなる。差圧力および磁気吸引力の個体ばらつきによる影響は、閉弁完了タイミングに表れてくるため、開弁開始タイミングに加えて、閉弁完了タイミングを各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知することで、噴射量の個体ばらつきを検出することが可能となる。
また、弁体１１４が開弁開始するよりも前に可動子１０２が予備的動作を行わない従来の燃料噴射装置では、可動子に作用する開弁方向の力である磁気吸引力と、スプリング１１０による荷重と弁体１１４に作用する燃料圧力による差圧力の和である閉弁方向の力との差が小さい状態で弁体１１４がタイミングｔ77で開弁を開始して、その後、７０１のように弁体１１４の変位量が緩やかに増加して行く。弁体１１４の変位量が小さい領域では、弁体１１４のシート部の流路断面積が小さいため、シート部を流れる燃料の流速が速くなり、シート部を通過することによる燃料の圧力損失が大きい。シート部近傍での燃料の圧力損失が大きいと、噴射孔１１９から噴射される燃料の流速が遅くなるため、噴射した燃料と空気とのせん断抵抗が小さくなり、噴射燃料の液滴の微粒化が促進されにくくなり、また、噴射燃料の粒子径が大きい粗大粒径が発生し易くなる。本発明による第１実施例における燃料噴射装置によれば、可動子１０２が弁体１１４に衝突して弁体１１４が開弁開始することで、弁体１１４の変位量が小さい領域を低減することができるため、噴射する燃料の粒子径を小さくでき、また、粗大粒径が発生しにくい。その結果、噴射した燃料と空気との混合が促進され易く、また、粗大粒径が少ないことから点火タイミングでの混合気の均質度が向上し、さらに燃料のピストンおよびシリンダ壁面への付着が抑制されることで、排気性能の向上、とくに未燃焼粒子(ＰＭ)やその数(ＰＮ)を抑制できる。また、均質度が良い混合気を形成できることで、燃費を向上させることが可能となる。
次に、図８、図９、図１０を用いて、本発明の第一実施例における燃料噴射装置の駆動装置の構成と噴射量の個体ばらつきの要因である弁体１１４の動作を各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検知方法について説明する。図８は燃料噴射装置を駆動するための駆動装置の構成を示した図である。ＣＰＵ８０１は例えばＥＣＵ１２０に内蔵され、燃料噴射装置の上流の燃料配管に取り付けられた圧力センサーや、エンジンシリンダへの流入空気量を測定するＡ／Ｆセンサ、エンジンシリンダから排出された排気ガスの酸素濃度を検出するための酸素センサ、クランク角センサ等のエンジンの状態を示す信号を、前述で説明した各種センサから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて燃料噴射装置から噴射する噴射量を制御するための噴射パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。
また、ＣＰＵ８０１は、内燃機関の運転条件に応じて適切な噴射パルス幅Ｔｉのパルス幅（すなわち噴射量）や噴射タイミングの演算を行い、通信ライン８０４を通して燃料噴射装置の駆動ＩＣ８０２に噴射パルス幅Ｔｉを出力する。その後駆動ＩＣ８０２によって、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電、非通電を切替えて、燃料噴射装置８４０へ駆動電流を供給する。
スイッチング素子８０５は駆動回路に入力された電圧源ＶＢよりも高い高電圧源と燃料噴射装置８４０の高電圧側の端子間に接続されている。スイッチング素子８０５、８０６、８０７は、例えばＦＥＴやトランジスタ等によって構成され、燃料噴射装置８４０への通電・非通電を切り替えることができる。高電圧源の電圧値である昇圧電圧ＶＨは例えば６０Ｖであり、バッテリ電圧を昇圧回路８１４によって昇圧することで生成される。昇圧回路８１４は例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等により構成されるかコイル８３０とスイッチ素子８３１、ダイオード７３２およびコンデンサ８３３で構成する方法がある。スイッチ素子８３１は、例えばトランジスタである。また、ソレノイド１０５の電源側端子８９０とスイッチング素子８０５との間には、第二の電圧源から、ソレノイド１０５、設置電位８１５の方向に電流が流れるようにダイオード８３５が設けられており、また、ソレノイド１０５の電源側端子８９０とスイッチング素子８０７との間にも、バッテリ電圧源から、ソレノイド１０５、設置電位８１５の方向に電流が流れるようにダイオード８１１が設けられており、スイッチ素子８０８を通電している間は、接地電位８１５から、ソレノイド１０５、バッテリ電圧源および第二の電圧源へ向けては電流が流れられない構成となっている。
昇圧回路８１４が、コイル８３０とスイッチ素子８３１、ダイオード８３２およびコンデンサ８３３で構成される場合、トランジスタ８３１を通電にすると、バッテリ電圧VBは接地電位８３４側へ流れるが、トランジスタ８３１を非通電にすると、コイル８３０に発生する高い電圧がダイオード８３２を通して整流されコンデンサ８３３に電荷が蓄積される。昇圧電圧ＶＨとなるまで、このスイッチ素子８３１の通電・非通電を繰り返し、コンデンサ８３３の電圧を増加させる。スイッチ素子８３１の通電・非通電は、ＩＣ８０２もしくは、ＣＰＵ８０１で制御するように構成されていると良い。
また、スイッチング素子８０７は、低電圧源ＶＢと燃料噴射装置の高圧端子間に接続されている。低電圧源ＶＢは例えばバッテリ電圧であり、その電圧値は１２から１４Ｖ程度である。スイッチング素子８０６は、燃料噴射装置８４０の低電圧側の端子と接地電位８１５の間に接続されている。駆動ＩＣ８０２は、電流検出用の抵抗８０８、８１２、８１３により、燃料噴射装置８４０に流れている電流値を検出し、検出した電流値によって、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電を切替え、所望の駆動電流を生成している。なお、電流検出用の抵抗８０８、８１２、８１３には、電流の検出精度の向上と信頼性および発熱抑制の観点から、抵抗値が小さく、抵抗値の個体ばらつきが小さい高精度な抵抗器であるシャント抵抗を用いると良い。とくに、燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５の抵抗値に比べて、抵抗８０８、８１２、８１３の抵抗値は十分に小さいため、抵抗８０８、８１２、８１３で発生する損失によるソレノイド１０５の電流に与える影響は小さい。ダイオード８０９と８１０は、燃料噴射装置のソレノイド１０５に逆電圧を印加し、ソレノイド１０５に供給されている電流を急速に低減するために備え付けられている。ＣＰＵ８０１は駆動ＩＣ８０２と通信ライン８０３を通して、通信を行っており、燃料噴射装置８４０に供給する燃料の圧力や運転条件によって駆動ＩＣ８０２によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。また、抵抗８０８、８１２、８１３の両端は、ＩＣ８０２のＡ／Ｄ変換ポートに接続されており、抵抗８０８、８１２、８１３の両端にかかる電圧をＩＣ８０２で検出できるように構成されている。また、燃料噴射装置８４０のＨｉサイド側(電圧側)、接地電位(GND)側にそれぞれ入力電圧および出力電圧の信号を、サージ電圧や、ノイズから保護するためのコンデンサ８５０、８５１を設け、燃料噴射装置８４０の下流にコンデンサ８５０と並列に抵抗器８５２および抵抗器８５３を設けると良い。
また、スイッチング素子８０６と抵抗８０８との間の端子８０８と、ＣＰＵ８０１または、ＩＣ８０２との間には、オペアンプ８２１と抵抗Ｒ８３とＲ８４とコンデンサＣ８２とで構成されるアクティブローパスフィルタ８６１が設けられている。燃料噴射装置８４０の下流に設けられた抵抗器８５２と抵抗器８５３との間の端子８８１と、ＣＰＵ８０１または、ＩＣ８０２との間には、オペアンプ８２０と抵抗Ｒ８１とＲ８２とコンデンサＣ８１とで構成されるアクティブローパスフィルタ８６０が設けられている。また、ＣＰＵ８０１またはＩＣ８０２には、設地電位８１５と接続される端子８７１が設けられており、端子８８１と接地電位８１５との間の電位差ＶＬ１をアクティブローパスフィルタ８６０を通して、ＣＰＵ８０１または、ＩＣ８０２で検出できるように端子ｙ８０を設けている。また、抵抗器８５２および抵抗器８５３は、燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５の抵抗値よりも大きく設定することで、燃料噴射装置８４０に電圧を印加する時に、ソレノイド１０５に電流が効率よく供給される。また、抵抗器８５３に比べて抵抗器８５２の抵抗値を大きく設定することで、燃料噴射装置８４０の設地電位(ＧＮＤ)側端子と接地電位との間の電圧ＶＬ電圧を分圧しすることができる。その結果、検出する電圧をＶL1とすることができ、オペアンプ８２１とＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートの耐電圧を低減することができるため、高電圧を入力するために必要な回路を必要とせずに、端子間電圧Ｖinjおよび電圧ＶLに生じる電圧の時間を検出することができる。
また、抵抗８０８の燃料噴射装置８４０側の端子８８０と接地電位８１５との間の電位差ＶＬ２をアクティブローパスフィルタ８６１を通して、ＣＰＵ８０１または、ＩＣ８０２で検出できるように端子ｙ８１を設けるとよい。ＣＰＵ８０１には、バッテリ電圧ＶＢと接続される端子ｙ８２が設けられており、バッテリ電圧ＶＢをＣＰＵ８０１でモニタリングすることができるように構成されている。
次に、図９を用いて本発明の第一実施例における弁体１１４の開弁開始タイミングの検出方法について説明する。図９は、本発明の一実施例における寸法公差の変動等の影響によって弁体１１４の開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングが異なる３つの燃料噴射装置８４０の噴射パルス幅Ｔｉ出力後のソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinj、ソレノイド１０５に供給される電流、電流微分値、電流2階微分値、弁体１１４の変位量、可動子１０２の変位量と噴射パルスＯＮ後の時間との関係を示した図である。また、ソレノイド１０５に流れる電流に生じる変化は、電圧ＶL2を検出することで駆動装置で検出することができる。
図９より、ソレノイド１０５に供給する電流がピーク電流Ｉpeakに到達するまでは、昇圧電圧ＶＨが燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５に印加される。その後、負の方向の昇圧電圧ＶＨが印加されるか、もしくは、 0Vの電圧を印加することで、電流値が９０１のように減少し、一定の時間電流が減少する電圧遮断期間Ｔ２を設ける。可動子１０２は、ソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨが印加された後、可動子１０２に作用する開弁方向の力である磁気吸引力が、可動子１０２に作用する閉弁方向の力であるスプリング１１０による力を越えると、可動子１０２が開弁方向に変位し、空走動作を行う。その後、燃料噴射装置８４０の各個体の可動子１０２が弁体１１４に接触するタイミングｔ91、ｔ92、ｔ93で弁体１１４が変位を開始し、噴孔１１９より燃料が噴射される。この弁体１１４が開弁開始するより前に、バッテリ電圧源から一定電圧が供給されるタイミングｔ91となるようにピーク電流Ｉpeakもしくは、昇圧電圧印加時間Ｔｐと、電圧遮断期間Ｔ２を調整するとよい。本発明の燃料噴射装置８４０では、可動子１０２が空走動作の後に弁体１１４に衝突することで、これまで弁体１１４のみに作用していた燃料圧力による力が弁体１１４を介して、可動子１０２に作用するため、弁体１１４の開弁開始タイミングで可動子１０２の加速度が大きく変化する。可動子１０２と固定コア１０７の間は、固定コア１０７、可動子１０２、ノズルホルダ１０１、ハウジング１０３およびソレノイド１０５で構成される磁気回路の磁束が通る主経路となっているため、可動子１０２の加速度が変化することで、可動子１０２と固定コア１０７の間を通過している磁束が変化し、誘導起電力に変化が生じ、電流値の傾きに変化が生じる。この電流の傾きすなわち電流微分値が変化するタイミングを検出するために、電流の2階微分値が最大値となるタイミングをＥＣＵで検出することで、各気筒の燃料噴射装置８４０ごとに開弁開始タイミングを検知することができる。また、バッテリ電圧源から一定電圧が供給されるタイミングｔ91以降から弁体１１４の開弁開始タイミングまでの区間においては、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電の切換えを行わないことで、駆動電流の電気的な変化をなくして、電流の時間変化を小さくすることで、可動子１０２が弁体１１４に衝突することで生じる加速度の変化を検出し易くする効果が得られ、開弁開始タイミングの検知精度を向上できる
ここで、駆動装置でソレノイド１０５に流れている電流の時間変化を検出するために、電圧ＶL2を測定するための端子ｙ８１をＣＰＵ８０１に設けるとよい。抵抗器８０８の抵抗値は既知であるため、オームの法則Ｖ＝Ｒ・I(電圧Ｖは、抵抗Ｒと電流Ｉの積)の関係
より、電圧ＶL2を検出することで、ソレノイド１０５に流れる電流を検出することができる。また、個体ばらつきや抵抗温度の変化によって、抵抗器８０８の抵抗値が変動した場合であっても電流の２階微分値が最大となるタイミングを検知する方法によれば、電圧ＶL2の２階微分値の最大値の値が変動したとしても、電圧ＶＬ２が２階微分値となる時間は変化しないため、より精度よく開弁開始タイミングを検知することができ、検知のロバスト性が高い。また、電圧ＶL2は、アクティブローパスフィルタ８６１を介して、ＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに接続されている。電圧ＶL2をＡ／Ｄ変換したデジタル信号をＣＰＵ８０１でデジタル微分処理やデジタルフィルタ処理によって、電流の2階微分値が最大値となる時間を検出することで、弁体１１４の開弁開始タイミングを検出することができる。また、噴射パルスがＯＮになってから開弁開始タイミングに達するまでの開弁開始遅れ時間として駆動装置に記憶させると良い。なお、開弁開始タイミングにおいて、これまで減少に転じていた電流が増加に転じる場合、電流微分値がある閾値を超えるタイミングとして開弁開始タイミングを検出することができる。しかしながら、燃料噴射装置８４０と駆動装置の構成により、開弁開始タイミングで電流が減少から増加に転じない場合であっても、噴射パルスがＯＮとなってから電流の2階微分値が最大値となるまでの開弁開始遅れ時間を検出することで、精度良く開弁開始タイミングを検出することが可能となる。
なお、電圧遮断期間Ｔ２は必ずしも必須ではないが、負の方向の昇圧電圧ＶＨまたは0Vの電圧を印加することで、後述する理由により、ソレノイド１０５に流れる電流変化を検知し易くなる。
また、噴射パルスがＯＮとなっている期間中の電圧ＶＬ２を全て駆動装置で検出した場合、電流スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電によって生じる電流に編曲点を電圧ＶＬ２の２階微分値として誤検知する場合がある。この場合、電圧ＶL2の取得期間をスイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電の切換え動作が行われない期間９０３に設定することで、可動子１０２が弁体１１４に衝突する開弁開始タイミングを精度良く検出することができる。期間９０３のデータ取得を開始する時刻ｔ９８ａは、電圧遮断期間Ｔ２の終了タイミングである時刻ｔ９１よりも遅く設定され、かつ期間９０３のデータ取得を停止する時刻９８ｂは、噴射パルスをＯＦＦにする時刻ｔ９８よりも早く設定されると良い。また、時刻ｔ９８ａを開始するためのトリガーは、噴射パルスの開始、スイッチング素子８０５、８０６の通電・非通電のタイミングを使用すると良い。スイッチング素子８０５、８０６の通電・非通電のタイミングを時刻ｔ９８ａのトリガーとして使用する場合、通信ライン８０３を通して、スイッチング素子８０５、８０６の通電・非通電の情報をＣＰＵ８０１に送信すると良い。
噴射パルスの開始をトリガーとして使用した場合、噴射パルスはＣＰＵ８０１の内部で生成さいているため、ｔ９８ａの時間を正確に制御することが可能である。一方で、スイッチング素子８０５、８０６の非通電にするタイミングを時刻ｔ９８ａを開始するためのトリガーとして使用した場合、ソレノイド１０５の温度変化に伴う抵抗変化や、昇圧電圧ＶＨの変動によって生じるピーク電流値Ｉpeakに到達するまでの昇圧電圧印加時間Ｔｐが変動した場合であっても確実に開弁開始タイミングの期間を取得することができるため、開弁開始タイミングの検知精度を高めることができる。
以上で説明した通り、弁体１１４の開弁開始タイミングを検知するためには、ソレノイド１０５に流れる電流を検出するための電圧ＶL2の2階微分値を駆動装置で検出することが望ましい。微分処理の次数が高い2階微分処理を行う場合において、処理を行う前の電圧ＶL2にノイズ等が重畳していると、微分処理を行った際に微分値が発散する可能性があり、2階微分処理後の最大値のタイミングを誤検知してしまう可能性がある。この問題に対処するため、燃料噴射装置８４０の端子８８０とＣＰＵ８０１の端子ｙ８１との間にオペアンプ８２１と抵抗Ｒ８３と抵抗Ｒ８４とコンデンサＣ８２とで構成されるアクティブローパスフィルタ８６１を構成すると良い。可動子１０２aが弁体１１４に衝突し、弁体１１４が開弁開始することによる可動子１０２aの加速度の変化によって生じるソレノイド１０５の電流および電圧ＶL2の変化は、電圧の信号に重畳するノイズに比べて周波数が低い。したがって、電圧ＶL2測定するための端子８８０とＣＰＵ８０１との間に、アクティブローパスフィルタ８６１を介することで、電流および電圧ＶL2に発生する高周波なノイズを低減することができ、開弁開始タイミングの検知精度を高めることができる。
また、アクティブローパスフィルタ８６１のカットオフ周波数ｆc1は、抵抗Ｒ８２とコンデンサＣ８１の値を用いて下記の式（１）のように表すことができる。燃料噴射装置と駆動装置の構成によって、スイッチング素子８０５、８０６、８０７や第２の電圧源を構成するためのスイッチング素子８３１のスイッチングタイミングおよび第２の電圧源の値が異なり、その結果として、電圧に発生するノイズの周波数は異なる。したがって、燃料噴射装置８４０と駆動回路の仕様ごとに抵抗Ｒ８２とコンデンサＣ８１の設計値を変更すると良い。また、アナログ回路でローパスフィルタを構成した場合、ＣＰＵ８０１でデジタル的に高周波なノイズを除去するためのフィルタリング処理を行う必要がないため、ＣＰＵ８０１の計算負荷を低減できる。また、電圧ＶL1の信号をＣＰＵ６０１もしくは、IC６０２に直接入力し、デジタル的にフィルタリング処理しても良い。この場合、アナログのローパスフィルタの構成部品であるオペアンプ８２０と抵抗Ｒ８１と抵抗Ｒ８２とコンデンサＣ８１を使用する必要がないため、駆動装置のコストを低減できる。また、以上で説明したローパスフィルタは、端子８８０に接続される抵抗器とその抵抗器に並列に配置するコンデンサからなる1次ローパスフィルタを用いても良い。1次ローパスフィルタを用いる場合、アクティブローパスフィルタを用いた構成に対して、抵抗とオペアンプの２つの部品を減らすことができるため、駆動装置のコストを低減することが可能である。また、1次ローパスフィルタのカットオフ周波数の算出方法は、アクティブローパスフィルタを用いた場合の式（１）で算出できる。また、ローパスフィルタの構成としては、コイルとコンデンサを用いて時数が２次以上のローパスフィルタを構成することが可能である。この場合、抵抗器なしにローパフィルタを構成できるため、アクティブローパスフィルタおよび1次ローパスフィルタを使用する場合に比べて、電力消費が少ないメリットがある。
Figure 0006488415
なお、開弁開始タイミングを検知するためのソレノイド１０５の電流の検出は、抵抗８１３の両端電圧を測定しても良い。ただし、抵抗８１３の両端電圧を測定する場合、設地電位８１５との電位差を測定する電圧ＶL2に比べて、電圧を測定するための端子が増加し、必要なＡ／Ｄ変換ポートも増加するため、駆動装置のコストアップに繋がり、電圧信号をＡ／Ｄ変換するためのＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２の処理負荷が高まる。また、電圧ＶL2では、昇圧回路８１４の出力である昇圧電圧ＶＨの電圧値を復帰させるためのコンデンサ８３３への電荷蓄積のために、スイッチング素子８３１の通電・非通電の動作を高速で繰り返して行う場合、燃料噴射装置８４０の電源側の経路である抵抗８１３の両端電圧には高周波なノイズ成分が重畳する場合がある。電流の測定点を燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５の接地電位側に位置する電圧ＶL2とすることで、燃料噴射装置８４０の上流に生じる高周波なノイズがソレノイド１０５のコイルによって減衰されるため、電圧ＶL2の2階微分値の最大を用いて開弁開始タイミングを精度良く検知することができる。
次に、図２、図８、図１０を用いて、第一実施例における駆動回路の構成と開弁開始タイミングを検出する条件での燃料噴射装置に流れる駆動電流を生成するためのスイッチング素子の切換えタイミングについて説明する。図１０は、駆動装置から出力される噴射パルス幅と、ソレノイド１０５に供給される駆動電流、駆動装置のスイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電（ＯＮ）・非通電（ＯＦＦ）の動作タイミング、ソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinj、弁体１１４の変位量、可動子１０２の変位量、可動子１０２の加速度と時間の関係を示した図である。
最初に、タイミングｔ１０１において、ＣＰＵ８０１より、噴射パルス幅Ｔｉが通信ライン８０４を通して駆動ＩＣ８０２に入力されると、スイッチング素子８０５、８０６が通電となり、ソレノイド１０５の両端に、昇圧電圧ＶＨが印加され、駆動電流がソレノイド１０５に供給されて、電流が急速に増加する。その後、磁気回路の内部に発生する渦電流の消滅に伴って磁気回路の内部に磁束が形成され、固定コア１０７と可動子１０２との間に磁束が通過することで、可動子１０２に作用する磁気吸引力が増加していく。開弁方向の力である可動子１０２に作用する磁気吸引力と戻しばね１１２の力の和が、閉弁方向の力であるスプリング１１０による荷重を越えるタイミングｔ102で可動子１０２がリフトを開始する。このとき、可動子１０２が開弁方向に動くことで、可動子１０２とノズルホルダ１０１との間でせん断抵抗(粘性抵抗)が発生し、運動方向とは逆の閉弁方向にせん断抵抗力が可動子１０２に作用する。ただし、可動子１０２とノズルホルダ１０１間の通路断面積を確保することで、可動子１０２に作用するせん断抵抗力を下げることができる。また、可動子１０２に作用する開弁方向の力である磁気吸引力に比べて、可動子１０２に作用するせん断抵抗力は十分小さいため、可動子１０２がリフトを開始してから、可動子の加速度は増加していく。駆動電流が予めＥＣＵに与えておくピーク電流値Ｉpeakに達するタイミングｔ１０３において、通電していたスイッチング素子８０５と８０６を非通電にすると、これまで電流が流れていた昇圧電圧ＶＨからソレノイド１０５、設地電位８１５へ向かう経路に、電流が流れられなくなるため、燃料噴射装置８４０のインダクタンスによる逆起電力によって、燃料噴射装置８４０の設地電位(ＧＮＤ)側端子の電圧が大きくなり、駆動装置の設地電位(GND)８１５、ダイオード８０９、燃料噴射装置８４０、ダイオード８１０、抵抗８１２、昇圧電圧ＶＨの電流の経路が形成されて、電流が昇圧回路８１４の昇圧電圧ＶＨ側へ帰還し、駆動装置８４０のソレノイド１０５の両端電圧には、負の方向の昇圧電圧ＶＨが印加されて、ソレノイド１０５に供給されている駆動電流は、１００２のように急速に低減される。
スイッチング素子８０５と８０６が非通電となるタイミングｔ１０３を駆動電流がピーク電流値Ｉpeakを越えるタイミングとして設定することで、ソレノイド１０５の温度変化による抵抗値の変化や、昇圧電圧VHの電圧値の変化が生じた場合であっても、弁体１１４を開弁させるのに必要なエネルギーを安定的に確保し、また、環境条件の変化に伴う出ピーク電流Ｉpeakに達するまでの時間が変動することによって生じる開弁開始タイミングの変化を平行移動の成分とすることができ、電流波形と弁動作のタイミングの変化を抑制することができる。
また、スイッチング素子８０５と８０６を非通電にするタイミングｔ１０３は、噴射パルスＴｉをONにしてからの昇圧電圧印加時間Ｔｐで設定しても良い。ピーク電流Ｉpeakの設定分解能は、電流検出用に使用する抵抗８０８、８１３の抵抗値および精度で決まるため、駆動装置で設定出来るＩpeakの分解能の最小値は、駆動装置の抵抗の制約を受ける。これに対して、昇圧電圧印加時間Ｔｐでスイッチング素子８０５と８０６を非通電にするタイミングｔ１０３を制御する場合、昇圧電圧印加時間Ｔｐの設定分解能は、駆動装置の抵抗の制約を受けず、ＣＰＵ８０１のクロック周波数に応じて設定することができるため、ピーク電流Ｉpeakで設定する場合に比べて、時間分解能を小さくすることができ、より高精度に昇圧電圧印加時間Ｔｐまたは、ピーク電流値Ｉpeakを停止するタイミングを補正することができるため、各気筒の燃料噴射装置の噴射量の補正精度を高めることが可能となる。
また、スイッチング素子８０５と８０６を非通電にしている電圧遮断期間Ｔ２の時間は、予め駆動装置に記憶させておき、燃料圧力等の運転条件に応じて変更してもよい。電圧遮断期間Ｔ２が終了すると、スイッチング素子８０６、８０７を通電し、バッテリ電圧ＶＢをソレノイド１０５に印加する。このとき、駆動電流の目標値Ｉh1の電流値を１００４のように、電圧遮断期間Ｔ２の終了時の電流よりも高い値に設定しておくことで、目標電流に到達するまで、スイッチング素子８０６がONされ続ける。このとき、スイッチング素子８０６、８０７が通電されるタイミングｔ１０５の後に、コンデンサ８５１、８５２に蓄積された電荷が放電されることで、駆動電流が１００３のように増加する。その後、バッテリ電圧の印加によって、ソレノイド１０５に電流が供給され、可動子１０２の変位量が増加し、磁気ギャップの縮小に伴って生じる誘導起電力によって、タイミングｔ１０５で電流が減少に転じ、タイミングｔ１０６において、可動子１０２が弁体１１４と衝突する。 このとき、可動子１０２が弁体１１４に衝突することで、弁体１１４に作用している燃料圧力による差圧力が弁体１１４を介して可動子１０２に働くため、可動子１０２の加速度が大きく変化する。可動子１０２の加速度の変化に伴って、誘導起電力が変化するため、駆動電流の傾きが変化する。可動子１０２と弁体１１４が衝突し、弁体１１４の開弁開始タイミングにおいては、このスイッチング素子８０６と８０７が通電されているため、端子間電圧値Ｖinjの変化が小さく、また、昇圧電圧ＶＨよりも低いバッテリ電圧ＶＢが印加されることから、電圧の印加に伴う電流の変化がなだらかになるため、可動子１０２が弁体１１４に衝突することによる誘導起電力の僅かな変化を駆動電流の変化として、駆動装置で検出することができる。また、ピーク電流値Ｉpeakから電流を急速に低減し、弁体１１４の開弁開始タイミングでの電流値を小さくすることで、磁気回路内部に生じる磁界が減少し、それに伴い磁束密度を現象するため、可動子１０２の固定コア１０７側端面の磁束密度が飽和しづらくなり、その結果、可動子１０２が弁体１１４が弁体１１４に衝突して、弁体１１４が開弁開始することによる可動子１０２の加速度の変化を、電流時間変化すなわち電流の傾きの変化としてより検出し易くなる。スイッチング素子８０６と８０７が通電され、バッテリ電圧ＶＨがソレノイド１０５に印加されている期間中に、弁体１１４が開弁開始するように、ピーク電流ＩPeakおよび電圧遮断期間Ｔ２の値を設定することで、弁体１１４の開弁開始タイミングを精度良く検出することができる。
また、図１０に示す弁体１１４の変位量には、燃料噴射装置８４０に供給されている燃料圧力が、小、中、大の場合の弁体１１４の変位のプロファイルを記載している。実施例１における燃料噴射装置８４０では、弁体１１４が開弁開始するまで、可動子１０２は弁体１１４に作用している燃料圧力による力を受けないため、燃料圧力が異なる条件であっても、可動子１０２が弁体１１４に衝突するまでの可動子１０２のプロファイルは変化せず、また、弁体１１４の開弁開始タイミングｔ106も変わらない。したがって、弁体１１４の開弁開始タイミングｔ106の検知は、エンジン始動時、アイドル運転等のある運転条件で検知して、駆動装置に記憶させておくことで、燃料圧力等の運転条件が変わった場合であっても駆動装置に記憶した各気筒の検知情報を使用することができる。したがって、開弁開始タイミングを検知するための駆動電流検出用の抵抗８１３の両端電圧または抵抗８０８の設地電位８１５との間の電位差ＶＬ２のアナログ電圧信号をデジタル信号に変換するための駆動装置のA/D変換のポートを使用する頻度を低減することができるため、ＣＰＵ８０１乃至ＩＣ８０２の処理負荷を低減することができる。以上のように、各気筒の燃料噴射装置８４０ごとのある運転条件で開弁開始タイミングを検知すれば、燃料圧力等の運転条件が変化した場合であっても検知精度を確保することができる。
また、ＣＰＵ８０１では、バッテリ電圧源のバッテリ電圧ＶＢの電圧値をモニタリングするために、電圧をＡ／Ｄ変換してデジタル信号として駆動装置で検出するためのＡ／Ｄ変換ポートである端子ｙ８２を設けている。バッテリ電圧ＶＢは、バッテリ電圧源に接続された車載機器の動作によって電圧が降下し、その変動が大きい。車載機器とは、例えば、エンジンを始動する時に使用するセルモーター、エアコンなどの空調機、ライト類(ヘッドライト、ブレークランプ)、電動パワーステアリングである。また、電圧降下に伴ってオルタネータを始動させて、バッテリ電圧源を充電する構成となっている。したがい、ＣＰＵ８０１でモニタリングしているバッテリ電圧ＶＢが、駆動装置に設定しておくある電圧値のある変動幅以下となった時の電圧ＶＬ２もしくは抵抗器８１３の両端電圧を検出して、開弁開始タイミングを検知するように構成するとよい。以上の構成によって、開弁開始タイミングを検知する条件において、バッテリ電圧ＶＢが車載機器の動作によって変化し、そのバッテリ電圧の変化するタイミングが開弁開始タイミングに近接している場合に、電流が影響を受けて変動し、開弁開始タイミングを検知するための電流２階微分値が最大値となる時間がずれる可能性を抑制することができ、安定的に開弁開始タイミングを検知できる。
また、開弁開始タイミングを検知する条件での電圧値の中央値は、バッテリ電圧源の劣化によっても変化するため、ＣＰＵ８０１で任意に設定できるように構成されているとよい。これにより、バッテリ電圧源を使用していない場合のバッテリ電圧ＶＢの中央値が経年変化した場合であっても精度良く開弁開始タイミングを検知することができる。
また、本発明の第１実施例における燃料噴射装置８４０の磁気回路の部材に用いる飽和磁束密度が高いフェライト系の磁性材は、オーステナイト系の金属に比べて材料の硬度が低いため、可動子１０２の弁体１１４との衝突面および固定コア１０７との衝突面に、メッキ処理を行う場合がある。可動子１０２は、燃料圧力による力を受けずに高速に開弁動作を行って、弁体１１４に衝突するため、エンジンの総回転数が増加して、燃料噴射装置８４０の駆動回数が増加すると、可動子１０２の弁体１１４との衝突面２１０が摩耗劣化する場合がある。とくに、すすを含む未燃焼粒子数(PM: Particulate Matter)の総量とその数(PN: Particulate Number)を抑制すために、燃料と空気との混合気の均質度を向上させたい場合、１回の吸排気行程中の燃料噴射を複数回に分割する方法が有効であるが、分割噴射を行う分、分割噴射を行わない場合と比べて走行距離が同じ場合であっても噴射回数が増加するため、衝突面２１０の摩耗劣化が発生し易い。摩耗劣化が起こった場合、閉弁状態における弁体１１４の可動子１０２aとの当接面２０５と可動子１０２aの衝突面２１０との間の空隙２０１が増加され、可動子１０２が弁体１１４に衝突するのに必要な移動距離が増加し、弁体１１４の開弁開始タイミングが遅くなる。燃料噴射装置８４０の駆動回数、時間または車載に取り付けられた走行距離計測器の値に応じて、所定期間毎に開弁開始タイミングを再検知し、駆動装置に記憶させる各気筒ごとの燃料噴射装置８４０の開弁開始タイミングの情報を更新していくことで、分割噴射を行って燃料噴射装置８４０の駆動回数が増加する場合であっても、衝突面の劣化摩耗による開弁開始タイミングの変化に対応することができ、精度よく噴射量を制御することが可能となる。
また、スイッチング素子８０５、８０６を通電にして、ソレノイド１０５に正方向の昇圧電圧ＶＨが印加される条件では、昇圧電圧ＶＨを使用することによって、これまでコンデンサ８３３に蓄積した電荷が減少し、昇圧電圧ＶＨの電圧値が減少する。このとき昇圧電圧ＶＨの電圧をＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２に予め設定しておいた初期の電圧値に復帰させるために、昇圧電圧ＶＨの電圧値が設定した閾値値電圧を下回ると、コンデンサ８３３への電荷蓄積のため、昇圧回路８１４のスイッチング素子８３１を通電・非通電を高周波で繰り返して行い、昇圧電圧ＶＨの電圧値を復帰させる動作を行う場合があるが、この電圧値の変化に比べて、可動子１０２が弁体１１４に衝突して、弁体１１４が開弁開始したことによる可動子１０２の加速度変化によって生じる誘導起電力の変化が、電圧ＶＬ２および抵抗器８１２の両端電圧に与える影響が小さいため、弁体１１４の開弁開始に伴う可動子１０２の加速度の変化を昇圧電圧ＶＨを印加している条件において電圧ＶL2もしくは抵抗器８１２の両端電圧で検出することは難しい。また、昇圧電圧ＶＨの電圧値を復帰させるための動作を行う場合、昇圧回路８１４のスイッチング素子８３１の通電・非通電を高速な周期で繰り返す必要があるため、スイッチングによる高周波なノイズが発生して、弁体１１４の開弁開始タイミングを検出するための電圧ＶL2もしくは抵抗器８１２の両端電圧にノイズが重畳し、開弁開始タイミングの検知精度に悪影響を与える場合がある。
図９より、噴射パルス幅Ｔｉを供給してからスイッチング素子８０５、８０６を通電させて、昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に印加し、ピーク電流値Ｉpeakに到達後に負方向の昇圧電圧ＶＨの印加を一定時間行い、電流値を９０１のように急峻に立ち下げた後、バッテリ電圧源からバッテリ電圧ＶＢとなる一定電圧を印加し、バッテリ電圧VBから一定の電圧を供給するタイミングで弁体１１４が目標リフトに到達する印加電圧の構成にすると良い。
次に、噴射パルスをＯＦＦにしてから弁体１１４が閉弁するまでの時間である閉弁遅れ時間の検出方法について説明する。
また、弁体１１４および可動子１０２が開弁状態から閉弁する際に、燃料噴射装置８４０の設地電位(GND)側端子と接地電位８１５との間の電位差である電圧ＶＬに生じる電圧の時間変化をＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２で検出するため、燃料噴射装置８４０の設地電位側(GND)側端子と接地電位８１５との間に、抵抗器８５２と８５３を設けている。抵抗器８５２、８５３の抵抗値は、ソレノイド１０５の抵抗値よりも大きく設定することで、バッテリ電圧ＶＢおよび昇圧電圧ＶＨを印加時に効率良くソレノイド１０５に電流が流れることができる。また、抵抗器８５２の抵抗値を抵抗器８５３の抵抗値よりも大きく設定することで、抵抗８５３の設地電位８１５との間の電位差であるＶＬ１の電圧を小さくすることができ、オペアンプ８２１とＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに必要な耐電圧の電圧値を低減することができるため、高電圧を入力するために必要な回路や素子を必要とせずに、端子間電圧Ｖinjおよび電圧ＶLに生じる電圧検出することができる。電圧ＶＬを分圧した電圧ＶＬ１を、アクティブローパスフィルタ８６０介してＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２に搭載したＡ／Ｄ変換ポートに入力する。電圧ＶＬ１の信号をアクティブローパスフィルタ８６０を介することで、電圧ＶＬ１に生じる高周波なノイズ成分を低減することができ、弁体１１４が開弁状態から閉弁を開始し、弁座１１７と接触した瞬間に生じる可動子１０２の加速度の変化を、誘導起電力の変化として電圧ＶＬ１で検出し、ＩＣ８０２もしくは、ＣＰＵ８０２でデジタル信号として検出することができる。その結果、微分処理を容易に行うことが可能となる。このとき、アクティブローパスフィルタ８６０を通過してＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに入力される端子ｙ８０と接地電位８１５との間の電位差を電圧ＶＬ３と称する。
次に、図２、図８、図１１、図１２を用いて、第一実施例における駆動回路の動作説明と弁体の開弁開始タイミング個体ばらつきと共に燃料噴射装置８４０の噴射量の個体ばらつきの要因である噴射パルスをOFFにしてから弁体１１４が弁座１１８と接触するまでの時間である閉弁遅れ時間を算出するための閉弁完了タイミングの検知原理について説明する。
図１１は、ソレノイド１０５に供給する駆動電流、燃料噴射装置８４０の寸法公差のばらつきによって閉弁挙動が異なる３つの個体１、２、３の弁体１１４の変位量、電圧ＶL1の拡大図と電圧ＶL1の２階微分値の関係を示した図である。また、図１２は可動子１０２と固定コア１０７間の変位（ギャップxと称する）と可動子１０２の固定コア１０７との間の吸引面を通過する磁束φおよびソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinjの対応関係を示した図である。ただし、端子間電圧Ｖinjの時間変化は、電圧ＶLおよび電圧ＶL1にも生じるため、図１１の電圧の変化は、ＣＰＵ８０１で検出する電圧ＶL1の電圧の時間変化と同等である。また、可動子１０２ｂは、可動子１０２aに設けられた端面２０４で可動子１０２aと接触しており、可動子１０２aと可動子１０２ｂは相対的に変位することが可能である。
また、図１１より、噴射パルス幅ＴｉがOFFとなると、磁気回路の磁性材内部に生じる渦電流の影響によって、ソレノイド１０５近傍から磁束の消滅が開始され、可動子１０２aおよび可動子１０２ｂに発生していた磁気吸引力が低下し、磁気吸引力が弁体１１４と可動子１０２aおよび可動子１０２ｂに作用する閉弁方向の力を下回ったタイミングで弁体１１４が閉弁を開始する。磁気回路の磁気抵抗の大きさは、磁束が通過する各経路での断面積と材料の透磁率に反比例し、磁束が通る磁路長さに比例する。飽和磁束密度が高い磁性材の金属に比べて、可動子１０２と固定コア１０７との間のギャップの透磁率は真空の透磁率μ0=4π×10-7[H/m]であり、磁性材の金属の透磁率に比べて、非常に小さいため、磁気抵抗が大きくなる。磁性材の透磁率μは、Ｂ＝μＨの関係により、磁性材のＢＨカーブ(磁化曲線)の特性によって決まり、磁気回路の内部磁界の大きさによって変化するが、一般的に低い磁界では、低い透磁率となり、磁場の増加に伴って透磁率が増加し、ある磁場を越えた時点で透磁率が減少するプロファイルとなる。弁体１１４が開弁位置から変位すると、可動子１０２と固定コア１０７の間にギャップｘが生じるため、磁気回路の磁気抵抗が増加し、磁気回路に発生可能な磁束が減少し、可動子１０２の固定コア１０７側端面の吸引面を通過する磁束も減少する。ソレノイド１０５の磁気回路内部に発生している磁束が変化すると、レンツの法則による誘導起電力が発生する。一般的に、磁気回路における誘導起電力の大きさは、磁気回路に流れる磁束の変化率(磁束の１階微分値)に比例する。ソレノイド１０５の巻き数をN、磁気回路に発生している磁束をφとすると、燃料噴射装置の端子間電圧Ｖinjは、式(２)に示すように、 誘導起電力の項-Ndφ/dtとオームの法則によって生じるソレノイド１０５の抵抗成分Rとソレノイド１０５に流れる電流iの積との和で示される。
Figure 0006488415
弁体１１４が弁座１１８と接触すると、可動子１０２aは可動子１０２ｂと弁体１１４から離間するが、これまで弁体１１４および可動子１０２ｂを介して可動子１０２aに作用していたスプリング１１０による荷重と弁体１１４に作用する燃料圧力による力である閉弁方向の力が作用しなくなり、可動子１０２aは、戻しばね１１２の力によって開弁方向に付勢される。すなわち、弁体１１４の閉弁完了した瞬間に可動子１０２aに作用していた力の向きが閉弁方向から開弁方向へ変わるため、可動子１０２aの加速度が変化する。
可動子１０２と固定コア１０７の間に生じるギャップｘと、吸引面を通過する磁束φの関係は、微小時間においては、１次近似の関係とみなすことができる。ギャップｘが大きくなると、可動子１０２と固定コア１０７の距離が大きくなり、磁気抵抗が増加して、可動子１０２の固定コア１０７側端面を通過可能な磁束が減少し、磁気吸引力も低下する。可動子１０２に働く吸引力は、理論的に式（３）で導出することができる。式（３）より、可動子１０２に働く吸引力は、可動子１０２の吸引面の磁束密度Ｂの二乗に比例し、可動子１０２の吸引面積Ｓに比例する。
Figure 0006488415
式（２）と図１２より、ソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinjと可動子１０２の吸引面を通過する磁束φの１階微分値には対応関係がある。また、可動子１０２の固定コア１０７側端面と固定コア１０７の可動子１０２側端面の距離であるギャップｘが変化することで可動子１０２と固定コア１０７との間の空間の面積が増加するため、磁気回路の磁気抵抗が変化し、その結果として可動子１０２の吸引面を通過可能な磁束が変化するため、ギャップxと磁束φが微小時間においては１次近似の関係にあると考えることができる。ギャップｘが小さい条件では、可動子１０２と固定コア１０７との間の空間の面積が小さいため、磁気回路の磁気抵抗が小さく、可動子１０２の吸引面を通過できる磁束が増える。一方で、ギャップｘが大きい条件では、可動子１０２と固定コア１０７との間の空間領域の面積が大きいため、磁気回路の磁気抵抗が大きく、可動子１０２の吸引面を通過可能な磁束が減少する。また、図１２より、磁束の１階微分値は、ギャップxの１階微分値と対応関係にある。さらに、端子間電圧Ｖinj、電圧ＶL2の１階微分値は、磁束φの２階微分値と対応し、磁束φの２階微分値は、ギャップｘの２階微分値すなわち可動子１０２の加速度に相当する。したがって、可動子１０２の加速度の変化を検出するためには、端子間電圧Ｖinjもしくは電圧ＶLの2階微分値を検出必要があり、そのために電圧ＶLを分圧して、電圧ＶL2をＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに入力するとよい。
図１１より、噴射パルス幅Ｔｉを停止、すなわちソレノイド１０５への通電を停止して、弁体１１４が最大変位位置から変位を開始すると電圧ＶL2のプロファイルに変化が生じる。また、弁体１１４に連動して動く可動子１０２の変位量に応じて電圧ＶＬ２が変化する。可動子１０２と固定コア１０７ギャップxが大きいほど磁気抵抗が大きくなるため、残留磁束が小さくなり、その結果、電圧ＶL2は０Ｖに漸近していく。
また、弁体１１４が弁座１１８と接触した瞬間に可動子１０２aが可動子１０２ｂと弁
体１１４から離間することで、これまで可動子１０２ｂと弁体１１４を介して可動子１０２aに作用していた閉弁方向の力が作用しなくなり、可動子１０２aは戻しばね１１２の開弁方向の力を受けて、可動子１０２aに作用する力の向きが閉弁方向から開弁方向へ転ずる。したがって、可動子１０２aの加速度の変化を電圧ＶＬ２の２階微分値の最小値で検出することができる。
噴射パルス幅Ｔｉが停止された後、弁体１１４と連動して可動子１０２aと可動子１０２ｂが目標リフト位置から変位し、このときの電圧ＶLは正の昇圧電圧ＶＨの値から緩やかに０Ｖに漸近していく。弁体１１４が閉弁後に、可動子１０２aが弁体１１４および可動子１０２ｂから離間すると、これまで弁体１１４、可動子１０２ｂを介して可動子１０２aに働いていた閉弁方向の力すなわちスプリング１１０による荷重と燃料圧力による力がなくなり、可動子１０２aには、戻しばね１１２の荷重が開弁方向の力として働く。弁体１１４が閉弁位置に到達して可動子１０２aに作用する力の向きが閉弁方向から開弁方向へ変化すると、これまで緩やかに減少していた電圧ＶＬの２階微分値が増加に転ずる。この電圧ＶＬの２階微分値の最小値を駆動回路で検出することで、弁体１１４の変位量の個体ばらつきを精度よく検出することが可能である。また、可動子１０２aおよび可動子１０２ｂが開弁位置から変位することによる電圧ＶＬの値は、ソレノイド１０５の巻き線の線径および巻き数によって決まる抵抗値、磁気回路の仕様、磁性材の材質(電気低効率とBHカーブ)によって決まるインダクタンスや、弁体１１４の目標リフトの設計値、噴射パルス幅Ｔｉが停止されるタイミングでの電流値によって変化し、以上で説明した寸法や設定値の公差変動による影響を大きく受ける。電圧ＶLの２階微分値による閉弁遅れ時間の検知方法では、物理量として可動子１０２aおよび可動子１０２bの加速度の変化点を検出しているため、設計値や公差の変動および環境条件(電流値)の影響を受けず、精度良く閉弁完了タイミングを検知することができ、噴射パルスをＯＦＦにしてから弁体１１４が閉弁するまでの時間である閉弁遅れ時間を検出することができる。
噴射パルス幅Ｔｉを停止してから弁体１１４が閉弁完了するまでの時間を検知するため、ＩＣ８０２もしくは、ＣＰＵ８０１に入力する端子間電圧Ｖinjをもしくは電圧ＶＬを分圧した電圧ＶL1を2階微分し、2階微分値が最小となるタイミングを弁体１１４が閉弁完了するタイミングとして検知することで、正確な閉弁完了タイミングを検出することができる。また、端子間電圧Ｖinjをもしくは電圧ＶＬを分圧した電圧ＶＬ１を検出する前処理において、燃料噴射装置８４０の端子８８１とＣＰＵ８０１の端子ｙ８０との間にオペアンプ８２０と抵抗Ｒ８１と抵抗Ｒ８２とコンデンサＣ８１とで構成されるアクティブローパスフィルタ８６０を構成すると良い。弁体１１４が閉弁完了することに伴う可動子１０２aの加速度の変化によって生じる端子間電圧Ｖinjおよび電圧ＶL、電圧ＶL1の変化は、電圧の信号に重畳するノイズに比べて周波数が低い。したがって、電圧ＶL1測定するための端子８８１とＣＰＵ８０１との間に、アクティブローパスフィルタを介することで、端子間電圧Ｖinj、電圧ＶＬ、電圧ＶＬ１に発生する高周波なノイズを低減することができ、閉弁完了タイミングの検知精度を高めることができる。
また、アクティブローパスフィルタ８６０のカットオフ周波数ｆc2は、抵抗Ｒ８４とコンデンサＣ８２の値を用いて下記の式（４）のように表すことができる。燃料噴射装置と駆動装置の構成によって、スイッチング素子８０５、８０６、８０７や第２の電圧源を構成するためのスイッチング素子８３１のスイッチングタイミングおよび第２の電圧源の値が異なり、その結果として、電圧に発生するノイズの周波数は異なる。したがって、燃料噴射装置８４０と駆動回路の仕様ごとに抵抗Ｒ８４とコンデンサＣ８２の設計値を変更すると良い。また、アナログ回路でローパスフィルタを構成した場合、ＣＰＵ８０１でデジタル的にフィルタリング処理を行う必要がないため、ＣＰＵ８０１の計算負荷を低減できる。また、電圧ＶＬ１の信号をＣＰＵ６０１もしくは、IC６０２に直接入力し、デジタル的にフィルタリング処理しても良い。この場合、アナログのローパスフィルタの構成部品であるオペアンプ８２０と抵抗Ｒ８１と抵抗Ｒ８２とコンデンサＣ８１を使用する必要がないため、駆動装置のコストを低減できる。また、以上で説明したローパスフィルタは、端子８５３に直列に配置する抵抗器と並列に配置するコンデンサからなる1次ローパスフィルタを用いても良い。1次ローパスフィルタを用いる場合、アクティブローパスフィルタを用いた構成に対して、抵抗とオペアンプの２つの部品を減らすことができるため、駆動装置のコストを低減することが可能である。また、1次ローパスフィルタのカットオフ周波数の算出方法は、アクティブローパスフィルタ８６０を用いた場合の式（４）で算出できる。このカットオフ周波数ｆｃ２は、開弁開始タイミングを検知するためのアクティブローパスフィルタｆｃ１の値と異なるように構成されていても良い。
また、ローパスフィルタの構成としては、コイルとコンデンサを用いて時数が２次以上のローパスフィルタを構成することが可能である。この場合、抵抗器なしにローパフィルタを構成できるため、アクティブローパスフィルタおよび1次ローパスフィルタを使用する場合に比べて、電力消費が少ないメリットがある。
Figure 0006488415
閉弁完了タイミングを検出するための電圧の測定点は、端子間電圧Ｖinjを用いることも可能であるが、端子間電圧Ｖinjには、燃料噴射装置８４０の昇圧回路のスイッチング素子８３１によって生じる高周波なノイズが発生する。端子間電圧Ｖinjでは、噴射パルスＴｉ停止後の電圧のプロファイルが電圧ＶＬと比べて正負が逆転し、負の方向の昇圧電圧ＶＨから電圧０Ｖに向かって漸近して行く。したがって、閉弁完了タイミングを検出するためには、端子間電圧Ｖinjの2階微分値の最大値を検知する必要があるが、精度良く検出するためには、スイッチングノイズを低減するために、ローパスフィルタの時定数を大きく設定する必要があるため、弁体１１４と弁座１１８と接触するタイミングと検知した端子間電圧Ｖinjの2階微分値で検知した閉弁完了タイミングには誤差が生じることがある。この誤差は、検出ばらつきとなり、微小噴射量制御を行う制約となりうるため、閉弁完了タイミングを測定する箇所は、端子間電圧Ｖinjではなく、燃料噴射装置８４０の設地電位側端子と接地電位(GND)との電位差である電圧ＶLを測定することが望ましい。
また、ＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２に入力された信号は、噴射パルス幅Ｔｉをトリガーとし、噴射パルス幅Ｔｉが停止されてからから一定時間経過後に予め設定しておいた時間の間、電圧ＶL2の信号を取り込むとよい。このような構成とすることで、 CＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２に入力される電圧ＶL2のデータ点列を閉弁完了タイミングの検知に必要最低限に抑制することができるため、ＣＰＵ８０１およびＩＣ８０２のメモリの記憶容量と計算負荷を低減できる。また、昇圧電圧ＶＨからバッテリ電圧ＶＢへ切り替えるタイミングや、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電を繰り返すタイミングすなわち、電圧の変化が急峻となるタイミングで電圧の微分処理を行うと、処理後のデータに高周波の信号が発生するため、弁体１１４が弁座１１８と接触する閉弁完了タイミングを電圧ＶL2の2階微分値で検出する際に、閉弁完了タイミングを誤検知する可能性があるが、電圧を検出する期間をＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２で決定することで、開弁完了タイミングの誤検知を防止することができる。
また、電圧検出用の抵抗８１６は、抵抗値の精度が高いシャント抵抗を用いると良い。燃料噴射装置８４０の駆動装置では、電流もしくは電圧を測定するため、駆動回路に設けた電圧検出用抵抗８１２、８１３、８０８、８１６の両端電圧をIC８０２もしくは、ＣＰＵ８０１で診断しているが、予めＩＣ８０２、ＣＰＵ８０１に設定しておいた抵抗値に対して個体ごとに抵抗値が異なると、ＩＣ８０２で推定する電圧値に誤差が生じて、燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５に供給される駆動電流が各気筒の燃料噴射装置８４０ごとに変動し、噴射量ばらつきが大きくなる。
また、弁体１１４と弁座１１８が接触する閉弁位置において、燃料噴射装置８４０の端子間電圧Ｖinjが小さいと、可動子１０２の加速度の変化による電圧値の変化が相対的に小さくなるため、ソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinjが高い条件で閉弁位置に到達するように、スプリング１１０の荷重を大きくして、閉弁遅れ時間を短縮する方法が有効である。また、燃料噴射装置８４０に供給する燃料圧力が大きいほど、弁体１１４および可動子１０２に働く燃料圧力による力が増加するため、閉弁遅れ時間が小さくなる。例えば、弁体１１４が弁座１１８と接触する閉弁完了タイミングの各気筒の個体ばらつきの検知は、燃料圧力が高い条件、各気筒で燃料噴射装置８４０に供給する燃料圧力が同じ運転条件で行うと良い。この効果によって、燃料圧力が低い条件に比べて、閉弁完了タイミングでの磁気回路に発生している残留磁束が大きくなり、また、弁体１１４が弁座１１８に衝突する際の速度が増加し、弁体１１４が弁座１１８と接触した瞬間に可動子１０２が弁体１１４から離間することによる可動子１０２の加速度の変化が増加し、誘導起電力の変化も大きくなるため、端子間電圧Ｖinjもしくは電圧ＶLの2階微分値で閉弁完了タイミングを検出し易くなる。また、燃料噴射装置８４０に供給される燃料圧力が高くエンジンの負荷が大きい条件では、１吸気行程中に噴射する噴射量が大きくなり、燃料噴射装置８４０の上流に取り付けられた配管の圧力脈動の影響によって、燃料噴射装置８４０に供給する燃料圧力が変動することがある。この場合、閉弁完了タイミングの検知は、エンジン負荷が小さく各気筒の噴射量が同じアイドル運転などの条件で行うと良い。
また、電圧ＶL2を検出してデータ処理をするためのマイコンをＣＰＵ８０１、ＩＣ８０２の他に設けてもよい。ＣＰＵ８０１で電圧ＶL1、電圧ＶL2を検出してデータ処理を行う場合には、高いサンプリングレートでデータをＡ／Ｄ変換して、微分処理を行う必要があり、他のセンサーからの信号を取り込む時の割り込み処理が発生する場合やＣＰＵ８０１の計算負荷が高いような条件では、電圧ＶL1、電圧ＶＬ２を検出して微分処理することが難しい場合がある。したがって、ＣＰＵ８０１の他に設けたマイコンで電圧ＶL1、電圧ＶL2を検出して、マスキング処理と微分処理を行い、電圧ＶL1、電圧ＶL2の２階微分値を算出し、電圧の２階微分値が最小、最大となるタイミングを閉弁完了タイミング、開弁開始タイミングとして検出して、記憶させる機能をマイコンに持たせることで、ＣＰＵ８０１とＩＣ８０２の計算負荷の低減と、開弁完了タイミングの確実な検知を行うことができるため、噴射量の補正精度を向上させることができる。このマイコンは、ＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２との相互に通信できる通信ラインを設けており、ＣＰＵ８０１で圧力センサから取り込んだ燃料圧力の情報と、マイコンから送信されてきた閉弁完了タイミングの検知情報をＣＰＵ８０１に記憶させるように構成するとよい。このような構成とすることで、開弁開始・閉弁完了タイミングの検知をより確実に行うことができるため、各気筒の噴射量をより正確に制御することが可能となる。
なお、閉弁完了タイミングを検知するための１つ目の代替手段として、噴射パルスTiの停止後にコイル１０５に流れるリーク電流の編曲点を検出する方法が考えられる。駆動電流がコイル１０５に供給されている状態から噴射パルスＴｉ停止を停止すると、スイッチング素子８０５、８０６、８０７が非通電となり、マイナス方向の昇圧電圧ＶＨがコイル１０５に印加され、駆動電流は急速に低減される。駆動電流が０Ａ近傍に到達したタイミングで、これまで逆起電圧により生じていた電圧が消滅し、昇圧電圧ＶＨ側へ帰還していた経路に電流が流れなくなることで、自動的にマイナス方向の昇圧電圧の印加は停止されるが、コイル１０５には僅かなリーク電流が流れられる。このとき、スイッチング素子８０５、８０６、８０７はともにＯＦＦとなっているため、リーク電流はコイル１０７から、抵抗８５２、抵抗８５３を介して接地電位８１５側へ流れる。したがって、このリーク電流を検出するためには、抵抗８５２もしくは、８５３の両端電圧を測定するか、コイル１０７から接地電位８１０との間の経路にシャント抵抗を設けて、その両端電圧を測定する方法が考えられる。または、電流が０Ａ近傍に到達して、マイナス方向の昇圧電圧ＶＨの印加が停止されたタイミングでスイッチング素子８０６をＯＮにして、リーク電流を抵抗８０８から接地電位８１５側に流すことで、抵抗値の精度が高いシャント抵抗である抵抗８０８の両端電圧を測定し、その電圧を微分処理することで、リーク電流の編曲点を検出することができ、弁体１１４の閉弁完了タイミングを検出できる。
また、弁体１１４が弁座１１８と接触した瞬間である閉弁完了タイミングを検知するための２つ目の代替手段として、各気筒のインジェクタもしくは、インジェクタを固定しているエンジン側に、加速度ピックアップを取り付け、弁体１１４が弁座１１８に衝突する際の衝撃もしくは、急激に燃料の噴射が停止されることで生じる水撃による振動を検出することで、閉弁完了タイミングを検知する方法も考えられる。この場合、各気筒の閉弁完了タイミングを精度良く検出するため、加速度ピックアップの取付位置は、インジャクタのハウジング側面円筒部に平面となる部分を設け、そこに固定し、加速度ピックアップを取付ネジ等を用いてハウジングに押しつけて固定することで、インジェクタの閉弁完了タイミングに伴う振動を検出し易くできる。また、この加速度ピックアップを用いた方法では、可動子１０２が、固定コア１０７と衝突する際の開弁完了タイミングも同時に検知することができる反面で、各インジェクタそれぞれに加速度ピックアップと、その出力電圧を増幅するためのアンプおよび、電圧信号とＧＮＤ線の２つの配線が必要になる。また、精度良く検知を行うためには、加速度ピックアップで得られた高周波な振動波形を正確にデータ処理するためのサンプリングレートを高くする必要があるため、高性能なＡ／Ｄ変換器が必要となる。
また、弁体１１４が弁座１１８と接触した瞬間である閉弁完了タイミングを検知するための３つ目の代替手段として、ノッキング検出用にインジェクタ上流のレール配管に設けられた圧力センサーもしくは、エンジンに取り付けられらたノッキング検出用のセンサーを用いる方法が考えられる。インジェクタから燃料が噴射されている状態では、レール配管の圧力が減少し、上流に取り付けられたポンプによって目標の燃料圧力となるように圧力減少分だけポンプが加圧動作を行う。弁体１１４が開弁状態から弁座１１８に衝突し、閉弁完了タイミングに到達すると、インジェクタ上流の燃料配管の圧力減少が停止するため、その圧力の編曲点を検出することで閉弁完了タイミングを検出する方法が考えられる。また、ノッキング検出用に用いられるセンサーは一般的に振動を検出する振動ピックアップであるため、インジェクタの閉弁完了タイミングに伴う弁体１１４が弁座１１８に衝突することによって生じる閉弁時の振動と可動子１０２が固定コア１０７に衝突することで生じる開弁時の振動を検出することができ、開・閉弁完了タイミングを検知することができる。これを用いる場合、別気筒の開・閉弁完了タイミングおよび燃焼時の振動と検知している開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングが一致しないように、アイドル運転などエンジンが低回転で負荷が小さい条件で開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングを検知するとよい。
通常エンジンでは、Ａ／Ｆセンサ(空燃比センサ)からの指令値をＣＰＵ８０１で検出し、同じ運転条件においても各気筒の燃料噴射装置ごとに噴射パルス幅を微調整している。閉弁完了タイミングを検知する条件では、Ａ／Ｆセンサからの指令値に基づいた噴射パルス幅の微調整を停止し、同じ噴射パルス幅が供給される条件で、開弁開始および閉弁完了タイミングを検知すると良い。このようにすることで、閉弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知する際の流入空気のばらつき等、燃料噴射装置８４０の弁動作に伴う個体ばらつき以外の変動の影響小さくすることができ、燃料噴射装置８４０の開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングの各気筒の燃料噴射装置ごとのばらつきを精度良く検知できる。
また、噴射パルス幅Ｔｉを停止し、弁体１１４が開弁状態から閉弁する際に、弁体１１４または可動子１０２が閉弁を開始してから、弁体１１４が弁座１１８と接触して、閉弁完了するまでは、駆動装置のスイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電の切替を行わないようにしないように駆動装置のスイッチング動作を制御すると良い。以上のように構成することで、端子間電圧ＶinjまたはＶL電圧にスイッチング素子８０５、８０６、８０７をスイッチングすることによる高周波の測定ノイズが、燃料噴射装置８４０の端子間電圧ＶinjまたはＶＬ電圧に重畳することがなくなるため、閉弁完了タイミングの検知の精度を向上させることができる。
次に、図１３を用いて弁体１１４が目標リフトに到達するタイミングである開弁完了タイミングの検出方法について説明する。図１３は、端子間電圧Ｖｉｎj、駆動電流、電流１階微分値、電流２階微分値、弁体１１４の変位量と噴射パルスON後の時間の関係を示した図である。なお、図１３の駆動電流、電流の１階微分値、電流２階微分値および弁体１１４の変位量には、寸法公差によって生じる可動子１０２と弁体１１４に作用する力の変動によって、弁体の動作タイミングが異なる燃料噴射装置８４０の各個体３つのプロファイルを記載している。図１３より、最初にソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨを印加することで、急速に電流を増加させて、可動子１０２に作用する磁気吸引力を増加させる。その後、駆動電流がピーク電流値Ｉpeakに到達し、電圧遮断期間Ｔ２が終了するタイミングｔ１３０３までに、各気筒の燃料噴射装置である個体１、個体２、個体３の弁体１１４の開弁開始タイミングがくるように、ピーク電流値Ｉpeak、もしくはピーク電流到達時間Ｔｐと電圧遮断期間Ｔ２を設定するとよい。バッテリ電圧ＶＢの印加を続けて一定の電圧値１３０１が供給されている条件では、ソレノイド１０５への印加電圧の変化が小さいため、可動子１０２が閉弁位置からリフトを開始し、可動子１０２と固定コア１０７との間のギャップの縮小に伴う磁気抵抗の変化を誘導起電力の変化として検出することができる。弁体１１４および可動子１０２がリフトを開始すると、可動子１０２と固定コア１０７との間のギャップが縮小するため、誘導起電力が大きくなり、ソレノイド１０５に供給される電流が１３０３のように緩やかに減少する。可動子１０２が固定コア１０７に到達するタイミングすなわち、弁体１１４が目標リフトに到達したタイミング(以降、開弁完了タイミングと称する)でギャップの変化に伴う誘導起電力の変化が小さくなるため、電流値は１３０４のように緩やかに増加する。誘導起電力の大きさは、ギャップの他に電流値の影響を受けるが、バッテリ電圧ＶＢのように昇圧電圧ＶＨに比べて低い電圧が印加されている条件では、電流の変化が小さいため、ギャップが変化することによる誘導起電力の変化を電流で検出し易い。
以上で説明した燃料噴射装置８４０の各気筒の個体１、個体２、個体３について、弁体１１４が目標リフトに到達したタイミングを駆動電流が減少から増加へ転ずる点として検出するために、電流の1階微分を行い、電流の1階微分値が０となるタイミングt113、t114、t115を開弁完了のタイミングとして検知するとよい。
また、ギャップの変化によって生じる誘導起電力が小さいような駆動部および磁気回路の構成では、必ずしもギャップの変化によって、電流が減少しない場合があるが、開弁完了タイミングに到達することで、電流の傾きすなわち電流の微分値が変化するため、駆動装置で検出した電流の2階微分値の最大値を検出することで、開弁完了タイミングを検知でき、磁気回路やインダクタンス、抵抗値、電流の制約を受けずに、開弁完了タイミングを安定して検知することができ、噴射量の補正精度を高めることができる。
また、開弁完了タイミングの検知は、弁体１１４と可動子１０２が一体となった可動弁の構成においても、弁体１１４と可動子１０２の別体構造で説明した開弁完了タイミングの検知を同様の原理で検出することができる。
ここで、第一実施例で燃料噴射装置８４０の磁気回路に使用する磁性材のBH特性を図１４に示す。図１４より、磁性材のBHカーブは、入力値である磁場と磁束密度の関係は非線形であり、磁化されていない磁性材に増加していく磁場を加えると、磁性材は磁化され始めて磁束密度が飽和磁束密度Bsに達するまで増加する。この過程で、磁場と磁束密度の傾きが大きい領域H１と、磁界と磁束密度の傾きが小さい領域H2が存在する。また、飽和磁束密度Bsに到達してから磁場を減少させていくと、磁性材が磁化する現象が時間的に遅れることによって、初期磁化曲線と異なる曲線を描く。燃料噴射装置８４０では、正方向の磁場を繰り返して与えることが多いため、初期磁化曲線と戻り曲線との間でヒステリシスのマイナーループを描く場合が多い。そこで、開弁開始および開弁完了タイミングを検知する条件では、ピーク電流Ｉpeakに到達するまで電流を増加させ、弁体１１４が変位するために必要な磁気吸引力を可動子１０２に発生させた後、開弁開始タイミングおよび開弁完了タイミングの前に駆動電流を急速に小さくする期間Ｔ２を設けることで、可動子１０２に働く磁気吸引力を低下させると良い。燃料噴射装置８４０のソレノイド１０５に供給される駆動電流がピーク電流値Ｉpeakのように開弁状態で弁体１１４を保持するのに必要な電流値と比べて高い条件では、ソレノイド１０５に供給される電流値が大きくなり、図１４に示す通りに、磁界と磁束密度の傾きが小さい領域H2に位置することが多く、磁束密度が飽和に近い状態にある。本第一実施例においては、可動子１０２に開弁に必要な磁気吸引力を発生させた後に、負の方向の昇圧電圧ＶＨを期間Ｔ２の間印加し、急速に電流を低下させることで、開弁開始タイミングおよび開弁完了タイミングでの駆動電流を小さくし、ピーク電流値Ｉpeakの条件での磁界と磁束密度の傾きに比べて、磁界と磁束密度の傾きを大きくすることができ、弁体１１４が開弁開始するタイミングでの可動子１０２の加速度の変化を電圧ＶＬ２の2階微分値の最大値としてより顕著に検出し易くできる。また、開弁完了タイミングも同様に、弁体１１４が変位を開始し、可動子１０２と固定コア１０７のギャップの縮小に伴う磁気抵抗の変化を誘導起電力の変化としてより顕著に検出し易くできる効果がある。
このように、開弁開始または完了タイミングを検出するときに、ピーク電流Ｉpeakに到達するまで電流を増加させた後に負の方向の昇圧電圧ＶＨまたは0Vを印加することは必ずしも必須ではないが、このようにすることで開弁開始または完了タイミングをより精度良く検出することが可能となる。
また、開弁完了タイミングを検知するに当たり、ピーク電流値Ｉpeakに到達した時刻、もしくは、負の方向の昇圧電圧ＶＨの印加が終了した時刻から駆動装置へ与えておいた一定時間経過後からのある期間における電流値のみを検出して、電流値の1階微分処理によって行うと良い。このような構成とすることで、昇圧電圧ＶＨのＯＮ・ＯＦＦを行うタイミングにおいては、電流値が急速に変化するため、開弁完了タイミングではない時刻に駆動装置に予め与えておく閾値を電流の1階微分値が越えてしまう誤検知を抑制することができ、開弁完了タイミングの検知精度を向上させることができる。 なお、負方向の昇圧電圧ＶＨの印加が停止した後に、バッテリ電圧源VBから電圧値１３０１が供給されている期間に、ＩＣ８０２に予め設定しておく目標の電流値Ｉｈ１に到達しないようにピーク電流値Ｉpeakと負方向の昇圧電圧ＶＨを印加する期間Thbを調整すると良い。この効果によって、弁体１１４が目標リフトに到達する前に駆動電流が目標の電流値Ih1に到達すると、駆動装置では、電流Ｉｈ１を一定に保つように制御されるため、電流の１階微分値が０点を繰り返し通過するため、誘導起電力の変化を駆動電流で検知できなくなる問題を解決できる。
また、一定の電圧値１１０２を印加している状態から、負方向の昇圧電圧ＶＨもしくは、電圧の印加を停止(0Vの印加)して、電流値を図７の電流７０４に到達させ、その後バッテリ電圧VBのON・OFFを繰り返すことで、電流７０３となるようにスイッチング素子６０５、６０６、６０７を制御する。噴射パルス幅ＴｉをONにしてから電流値Ｉｈ１に到達するまでの時間は、弁体１１４の個体差および燃料圧力の変化に伴う開弁完了タイミングのばらつきによって異なる。噴射パルス幅Ｔｉを停止した時の磁気吸引力は、噴射パルス幅ＴｉをOFFにしたときの駆動電流の値に大きく依存し、駆動電流が大きいと磁気吸引力が大きくなり、閉弁遅れ時間が増加する。逆に、噴射パルス幅ＴｉをOFFにした時の、駆動電流が小さいと、時吸引力が小さくなり、閉弁遅れ時間が減少する。以上で説明した通り、開弁完了を検知する条件において、噴射パルス幅ＴｉをOFFにするタイミングでの電流値は、個体ごとに同じ電流７０３となることが望ましいため、一定の電圧値１１０２から負の方向の昇圧電圧ＶＨを印加するもしくは、電圧の印加を停止するタイミングは、噴射パルス幅ＴｉをONにしてからの時間もしくは、ピーク電流値Ｉpeakに到達してからの時間で制御すると良い。
第一実施例における各気筒の噴射量ばらつきの検知および推定方法では、噴射パルス幅Ｔｉを供給してから開弁完了するまでの時間を開弁遅れ時間として、各気筒の燃料噴射装置８４０ごとに記憶させ、予めＣＰＵ８０１に与えておいた開弁遅れ時間の中央値からの乖離値を算出し、乖離値に応じて次回噴射以降の噴射パルス幅Ｔｉの補正値を算出して、開弁遅れ時間の検知情報に基づいて噴射パルス幅Ｔｉを各気筒の燃料噴射装置６４０ごとに補正するとよい。開弁遅れ時間の検知情報に基づいて噴射パルス幅Ｔｉを補正することで、公差のばらつきに伴う開弁遅れ時間のばらつきによって生じる噴射量の個体ばらつきを低減することができる。
続いて、本実施例において検知した燃料噴射装置８４０の開弁完了タイミングの情報を用いて、中間リフト動作を行う場合の制御方法について説明する。弁体１１４が目標リフトに到達せずに、中間リフト動作を行う条件では、噴射量の個体ばらつきは、開弁開始・閉弁完了タイミングのばらつきで決まる。しかしながら、駆動装置と燃料噴射装置を接続した状態で燃料噴射装置が駆動されていない段階では、開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングを検知するための中間リフト動作を行っていないため、駆動装置で演算される噴射量を得るための噴射パルス幅を出力して、中間リフト動作させた場合、各気筒の燃料噴射装置によっては想定していた噴射量に対しての噴射量ばらつきが大きくなり、混合気の燃料がリッチもしくはリーンな状態となり、場合によっては失火する可能性がある。したがって、最初に中間リフト動作させる前に、弁体１１４が目標リフトに到達する条件で、開弁完了タイミングを検知して、開弁開始タイミングを推定する必要がある。この場合、開弁完了タイミングの検知用波形を用いて検知して、駆動装置に記憶させた各気筒の燃料噴射装置ごとの開弁遅れ時間に補正係数を乗じて、開弁開始タイミングを推定すると良い。また、開弁開始タイミングを精度良く推定するためには、開弁完了タイミングと開弁開始タイミングとの相関係数が高い必要があるため、開弁完了タイミングに影響する弁体１１４に作用する燃料圧力による差圧力が小さくなる低撚圧の条件での開弁遅れ時間の情報から開弁開始タイミングを推定すると良い。
次に、図４、図１５、図１６、図１７を用いて中間リフトでの噴射量を補正方法について説明する。図１５は、図４における点４０２より、小さい噴射パルス幅の領域での噴射量補正のフローチャートを記載した図である。また、図１６は、ある燃料圧力の条件で噴射パルス幅Ｔｉを変更した場合の、各気筒の噴射量と閉弁完了タイミングTb、開弁開始タイミングTa’と燃料噴射装置８４０から噴射される単位時間当たりの流量Qst（以降、静流と称する）から求めた検知情報(Tb - Ta’)・Qstの関係を示した図である。また、図１７は、各気筒の燃料噴射装置の個体１、個体２、個体３の検知情報と噴射パルス幅Ｔｉの関係を示した図である。
最初に中間リフト動作を行う場合においては、各気筒の中間リフト動作中の開弁開始および開弁完了タイミングの検知情報を駆動装置が得ていないため、弁体１１４が目標リフトに到達する条件で各気筒の燃料噴射装置８４０ごとに検知した開弁遅れ時間と閉弁遅れ時間に、予めＣＰＵ８０１に与えておく補正係数を乗じて、閉弁完了タイミングおよび開弁開始タイミングを推定し、推定した開弁開始タイミングＴａ‘と閉弁完了タイミングＴｂから算出される中間リフトでの実噴射期間(Ｔｂ−Ｔa’)を算出し、予めＣＰＵ８０１に与えておく設定値と実噴射期間(Ｔｂ−Ｔa’)の乖離値だけ、噴射パルス幅Ｔｉを補正して中間リフト動作を行うと良い。また、図１５より、検知情報である実噴射期間（Ｔｂ−Ｔａ‘）と弁体１１４が目標リフト位置で静止している条件で、燃料噴射装置８４０から噴射される単位時間当たりの流量Qst（以降、静流と称する）を乗じた値、（Ｔｂ−Ｔａ‘）・Ｑｓｔと噴射量の関係を関数化して、駆動装置のＣＰＵ８０１に予め設定しておく。図１６より、例えば、噴射量と(Ｔｂ−Ｔａ‘)・Ｑｓｔの関係は、１次近似の関係で求めることができる。図１７より、各噴射パルス幅での検知情報(Ｔｂ−Ｔａ‘)・Ｑｓｔを取得し、噴射パルス幅Ｔｉと検知情報(Ｔｂ−Ｔａ‘)・Ｑｓｔの関係より、検知情報から各気筒の係数を決定する。検知情報(Ｔｂ−Ｔａ‘)・Ｑｓｔと噴射パルス幅Ｔｉの関係は、例えば、１次近似の関係で表すことができ、各個体１、２、３の関数の係数、a１、ｂ１、a２、ｂ２、a３、ｂ３の係数を検知情報から算出することができる。噴射パルス幅Ｔｉ異なる２点の検知情報をＣＰＵ８０１で検知し、係数を算出することができる。以上で説明したフローチャートによって、ＣＰＵ８０１で要求噴射量が決定した場合に、各気筒ごとに噴射パルス幅Ｔｉを補正することで、中間リフトでの噴射量を補正することができ、精密かつ微少な噴射量制御が可能となる。
次に、図１８を用いて、中間リフトでの検知情報を得るための燃料噴射装置８４０の制御方法について説明する。図１８は、1吸排気行程中に行う噴射を複数回に分割する条件での噴射パルス幅Ｔｉ、駆動電流、端子間電圧Ｖinj、電圧ＶL1の2階微分値、電流すなわち電圧ＶL2の2階微分値および弁体１１４の変位量と時間の関係を示した図である。本発明の第１実施例における燃料噴射装置と駆動装置とで構成される燃料噴射システムでは、中間リフト条件での開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングを、燃料噴射装置に供給する燃料圧力および噴射パルスＴｉが異なる条件で複数回取得する必要がある。しかしながら、中間リフトでの検知情報を得ていない場合、弁体１１４が目標リフトに到達する条件での開弁完了タイミングと閉弁完了タイミングから中間リフトでの噴射量を推定し、中間リフト動作を行う必要がある。この場合、目標の噴射量からの乖離値が大きくなり、吸入する空気と燃料の比率 (空燃比)が、リッチ、およびリーンな状態となり、不安定な燃焼によって未燃焼物質が多く排出され、排気性能が悪化し、場合によっては失火を起こす可能性がある。図１８より、1吸排気行程中の噴射を複数回に分割して、各気筒の噴射量のばらつきが既知である弁体１１４が目標リフトに達する条件で一定量の噴射を行い、その後またはその前に、中間リフトでの噴射を行うことで、中間リフト動作時における開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知することができる。このとき、弁体１１４の変位量の積分値が噴射量に相当し、弁体１１４が目標リフトに到達する条件での噴射量に比べて、中間リフトでの噴射量の方が小さいように設定するとよい。これにより、１吸排気行程中の噴射量の多くは、目標リフトに到達する条件での噴射量で決まるため、中間リフトでの噴射量が目標値と乖離していたとしても、失火を抑制できる効果がある。
中間リフトの条件で、閉弁完了タイミングの検知情報を得るための噴射は、１吸排気行程中で１回乃至複数回行っても良い。１吸排気行程中で中間リフトの動作を複数回行い、１回目の中間リフト動作と２回目の中間リフト動作で異なる噴射パルス幅Ｔｉを用いることで、噴射量を補正するための閉弁完了タイミングの検知情報を複数同時に得ることができる。また、開弁開始タイミングの検知情報が既に得られている場合、中間リフトでの駆動波形は、図１５に示す、２回目の噴射の波形を用いる必要はなく、実際に中間リフト動作の噴射を行う場合に適した電流波形を用いれば良い。以上の方法によれば、燃焼安定性を維持しつつ、中間リフトでの閉弁完了タイミングの検知情報を得ることが可能となるため、短時間で中間リフト条件での各気筒の燃料噴射装置の個体ばらつきを補正できかつ微少な燃料噴射を行うことが可能となる。
また、本実施１における手法によれば、中間リフトでの個体ばらつきのみではなく、弁体１１４が目標リフトに達する条件で駆動されるされる場合においても、閉弁完了タタイミングの個体ばらつきによって生じる各気筒のインジェタクの噴射量ばらつきを低減することができる。これは、噴射パルスＴｉを停止してから弁体１１４が閉弁を開始して開弁完了タイミングの個体ばらつきは、セットスプリング荷重や磁気吸引力を決める寸法の公差変動によって生じる。よって、閉弁完了タイミングが早い個体については、可動子１０２が固定コア１０７から離間して、弁体１１４が閉弁を開始する閉弁開始タイミングも早くなる。したがって、閉弁完了タイミングの変動時間に、フルリフトでの単位時間当たりの流量を積算した値が、閉弁完了タイミングの個体ばらつきによる噴射量の変動量に相当するため、閉弁完了タイミングを検知することで、弁体１１４が開弁状態から閉弁完了タイミングに達するまでの噴射量ばらつきをＥＣＵで導出することができる。また、ＥＣＵで検知した各気筒のインジェクタの開弁開始タイミングと開弁完了タイミングの情報から推定できる弁体１１４の傾きから、弁体１１４が目標リフトに達するまでに噴射した噴射量を導出することができるため、閉弁完了タイミングから推定した噴射量ばらつきと合わせて、各気筒のインジェクタの噴射量ばらつきをＥＣＵで検出することができ、噴射パルス幅Ｔｉの補正と電流設定値の補正によって、弁体１１４が目標リフトに達する条件における噴射量を補正することが可能となる。
さらに図１８記載のように、中間リフト動作での開弁開始タイミングおよび閉弁完了タイミングの情報を取得した後には、１吸気行程中に行う分割噴射を中間リフトの動作で行うと良い。中間リフトで動作する場合、弁体１１４が目標リフトに達して動作する場合に比べて、噴射パルスＴｉを停止してから弁体１１４および可動子１０２a、可動子１０２ｂが閉弁方向に加速する時間が短い。したがって、弁体１１４が弁座１１８と接触するタイミングでの弁体１１４、可動子１０２a、可動子１０２ｂの速度を低減することができるため、弁体１１４が閉弁後に可動子１０２aが閉弁方向に放物運動して、戻しばね１１２によって再び弁体１１４と接触する位置まで戻ってくるまでの時間が短くできる。可動子１０２ｂが運動している最中に、分割噴射における次の噴射の噴射パルスを印加すると、可動子１０２ｂに作用する磁気吸引力に加えて可動子１０２ｂが有する運動エネルギーによって、噴射パルスをＯＮにしてから可動子１０２ｂが弁体１１４に衝突するまでの時間が短くなることで、弁体１１４の開弁開始タイミングが早くなり、１回目の噴射と２回目の噴射で噴射量がばらつく要因となる。本発明における第一実施例においては、開弁開始遅れ時間および閉弁完了遅れ時間を各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置に記憶させることで、１吸排気行程中における分割噴射を、中間リフト動作で行うことができ、その結果、弁体１１４が閉弁してから次の噴射を行う噴射間隔を低減することができるため、分割噴射の回数を増加させることができ、より精密な噴射量制御と、噴射タイミングの制御が可能となることで、混合気の均質度を向上させることができる。また、中間リフトでは、弁体１１４が目標リフトに到達して駆動される場合に比べて、噴射量が小さいため、噴射した燃料の噴霧の貫徹力を弱めることができるため、燃料のピストン付着やシリンダ壁面付着を抑制することができ、すすを含む未燃焼粒子(PM：Particulate Matter)や未燃焼粒子の数(PN：Particulate Number)を低減でき、排気ガスをよりクリーンにすることができる。
図１９、図２０、図２１、図２２、図２３、図２４、図２５、図２６を用いて、本発明の第２実施例における燃料噴射装置および駆動装置の構成について説明する。図１９は、本発明の第二実施例における燃料噴射装置の弁体が弁座と接触している閉弁状態での駆動部断面の拡大図である。図２０は、燃料噴射装置の弁体先端部の縦断面を拡大した図である。図２１は、第二実施例における燃料噴射装置の弁体が開弁状態での駆動部断面の拡大図である。図２２は、弁体が開弁状態から閉弁を開始し、弁座１１８と接触した瞬間の駆動部断面の拡大図である。図２３は、本発明の第二実施例における駆動装置の構成を示した図である。図２４は、図２３の駆動装置のアナログ微分回路の周波数ゲイン特性を示した図である。図２５は、ソレノイド１０５に流れる電流の変化を検出するための電圧ＶL3、電圧ＶL3の１階微分値、電圧ＶL3の２階微分値、第二の弁体１９０７および第二の可動子１９０２の変位量と時間の関係を示した図である。図２６は、中間リフト状態で最大リフトから閉弁する際の第二の弁体１９０７および第二の可動子１９０２の変位量、電圧ＶＬをＣＰＵ８０１で検出するための端子２３０６と接地電位８１５との電位差である電圧ＶＬ４、電圧ＶＬ４の２階微分値と噴射パルスＯＦＦ後の時間の関係を示した図である。なお、図１９、図２０、図２１、２２において、図１、図２と同等の部品については、同じ記号を用いる。また、図２１、図２２において、図１９と同一の部品については、同じ記号を用いる。また、図２３において、図８と同等の部品については、同じ記号を用いる。
最初に、図１９、図２０を用いて、本発明の第二実施例における弁体と弁座１１８が接触している閉弁状態での燃料噴射装置の駆動部構造および構成について説明する。図１９より、第二の弁体１９０７には、上部に第一の規制部１９１０を備えており、また、第二の弁体１９０７には、第二の規制部１９０８が結合されている。第二の可動子１９０２には、初期位置ばね１９０９を支持するための第一の部材１９０３が、接合部１９０４で第二の可動子１９０２に接合されている。第二の可動子１９０２は、第一の規制部１９１０と第二の規制部１９０８との間を相対移動することが可能である。第二の弁体１９０７と弁座１１８が接触している閉弁状態において、第二の弁体１９０７には、スプリング１１０による荷重と第二の弁体１９０７と弁座１１８の接触位置のシート径ｄsの面積と燃料圧力の積となる流体力(以降、差圧力と称する)が閉弁方向に作用している。また、第二の可動子１９０２は、初期値ばね１９０９の荷重で閉弁方向に付勢され、第二の規制部１９０８と接触して静止している。この閉弁状態において、第二の規制部１９１０と第二の可動子１９０２との間には、隙間１９０１を有している。また、第二の弁体１９０７が弁座１１８と接触している状態では、第二の可動子の上部と下部の圧力差がないため、第二の可動子には差圧力が作用しない。また、第二の弁体１９０７の中心には、縦孔燃料通路１９０５が形成されており、横孔燃料通路１９０６を抜けて燃料が下流へ流れられる構成となっている。
図２３、図２４を用いて第二実施例における駆動装置の構成について説明する。第二実施例の駆動装置における第一実施例の駆動装置との差異は、閉弁完了タイミングを検知するための電圧の測定箇所を、電圧ＶL1から電圧ＶLに変更し、アクティブローパスフィルタ８６０と燃料噴射装置８４０の設地電位(GND)側端子２３０１と抵抗Ｒ８１との間にコンデンサＣ８３を設けることで、コンデンサＣ８１、Ｃ８３、抵抗器Ｒ８１、Ｒ８２、オペアンプ８２０で構成されるアナログ微分回路２２０３を設け、電圧ＶＬの１階微分処理をアナログ的に駆動装置で行い、ＶＬの１階微分値の信号をＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに入力する点である。このアナログ微分回路２２０３においては、ＶL電圧を分圧しない構成においては、ソレノイド１０５の接地電位(GND)側端子と接地電位(GND)との間の電位差を検出しているため、ＶＬ電圧の電圧値の最大値は、ソレノイド１０５に負の方向の電圧を印加する条件での高い電圧値例えば、６０Ｖとなる。電圧ＶLを検出するための測定端子２３０１とオペアンプ８２０との間にコンデンサＣ１を配置することで、オペアンプ８２０に入力される電圧を小さくすることができるため、オペアンプ８２０とＣＰＵ８０１のＡ／Ｄコンバーターに必要な耐電圧を低減することができ、オペアンプ８２０とＣＰＵ８０１のコストを低減することができる。また、この構成によれば、第一実施例で用いた電圧ＶLを分圧するために必要な抵抗器８５３を無くすことができるため、駆動装置のコスト低減に繋がる。また、アナログ微分回路２２０３で微分処理を行うことで、駆動装置のＶＬ電圧に重畳する高周波なノイズを低減することができ、1階微分処理後の電圧値をＣＰＵ８０１に入力する構成とすることで、ＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに必要な時間分解能を低減することができ、ＣＰＵ８０１のフィルタリング処理や、デジタル微分演算処理の負荷を低減することができる。また、検出する電圧ＶＬとＣＰＵ８０１に入力される電圧値Ｖ0の関係を式（５）に示す。式（５）より、アナログの微分回路２３０３では、抵抗器Ｒ８１、Ｒ８２とコンデンサＣ８１とＣ８３の値を適切に調整することで、電圧Ｖ0の値が、ＣＰＵ８０１ないし、ＩＣ８０２に設けられたＡ／Ｄ変換ポートの耐電圧以下となるようにすると良い。
Figure 0006488415
また、図２４に第二実施例におけるアナログ微分回路２３０３の周波数ゲイン特性を示す。図２４より、アナログ微分回路２３０３では、低い周波数でのゲインが小さく、高い周波数でのゲインが小さくなるバンドパスフィルタであり、周波数ｆcLからｆcHまで周波数帯域の以外のゲインが低くなるように構成されている。通常のアナログの微分回路では、周波数とゲインの関係が正比例の関係となるため、ステップ的な高い周波数の信号が入力された場合、アナログ回路で無限に増幅され、回路が発信を起こす問題がある。したがって、閉弁完了タイミングを検知するために必要な周波数帯域を予め導出し、アナログ微分回路２３０３の抵抗器Ｒ８１、Ｒ８２、コンデンサＣ８１、Ｃ８３の設計値を予め設計しておくことで、必要な周波数帯域の電圧のみを安定的に検出することが可能となり、燃料噴射装置２３０５の閉弁完了タイミングの検出精度を向上させることができる。あらかじめ、噴射パルス幅Ｔｉが停止してから第二の弁体１９０７が閉弁完了するまでのＶＬ電圧の周波数分析を実施し、抵抗器Ｒ８１、Ｒ８２およびコンデンサＣ８１、Ｃ８３を設定すると良い。また、開弁開始および開弁完了タイミングを検知するための電圧ＶL2を、アクティブローパスフィルタ８６１を通過させて、高周波なノイズ成分を除去した端子８４３と接地電位８１５間の電位差を電圧ＶL3と称する。電圧ＶL3をＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートに入力することで、オームの法則によって電圧ＶL3を抵抗器８０８の抵抗値で除した値がソレノイド１０５に流れる電流となるため、ＣＰＵ８０１でソレノイド１０５に流れる電流を検出することができる。また、本発明の第二の実施例における方法によれば、ソレノイド１０５に流れる電流の傾きの変化、すなわち電流微分値の値を駆動装置で検出できれば良いため、電圧ＶL3を微分処理して、開弁開始および開弁完了タイミングを検知することができる。
次に、図１９、図２０、図２１を用いて、第二実施例における燃料噴射装置２３０５の開弁動作について説明する。ソレノイド１０５に電流が供給されて、第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力が初期位置ばね１９０９の荷重を越えると、第二の可動子１９０２は開弁方向に移動し、隙間１９０１が０になったタイミングで第二の可動子１９０２は第二の弁体１９０７に衝突し、第二の弁体１９０７は弁座１１８から離間する。第二の可動子１９０２が開弁方向に動くことによって、第二の可動子１９０２には、第二の可動子１９０２の外径とノズルホルダ１０１との間にせん断抵抗が生じ、第二の可動子１９０２には閉弁方向にせん断抵抗力が作用する。ただし、第二の可動子１９０２の外径とノズルホルダ１０１との間の隙間を大きくすることでせん断抵抗は低減できる。また、第二の可動子１９０２に作用するせん断抵抗力は、開弁方向の力である磁気吸引力に比べて小さいため、第二の可動子１９０２は、スイッチング素子８０５、８０８を通電することで、ソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨが印加されてソレノイドへ電流が供給されることで生じる磁気吸引力によって、第二の可動子１９０２は開弁方向に加速されていく。その後、スイッチング素子８０５、８０６を非通電にして、ソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinjに負の方向の昇圧電圧ＶＨを印加して、ソレノイドに流れる電流を急速に低減する。その後、スイッチング素子８０７、８０６を通電して、ソレノイド１０５にバッテリ電圧ＶＢを印加し、このスイッチング素子８０７、８０６が通電されている期間中に、第二の可動子１９０２を第二の弁体１９０７に衝突させて、第二の弁体１９０７を開弁開始させる。第二の弁体１９０７が開弁開始後も一定時間または、ソレノイド１０５に流れる電流値が所定の電流値に達するまで、スイッチング素子８０７、８０６を通電することで、電流の２階微分値の最大値として開弁開始タイミングを検出することができる。また、第一実施例における方法と比べて、スプリング１１０による荷重が、可動子１０２ではなく、第二の弁体１９０７に作用するため、第二の弁体１９０７の開弁開始タイミングでの第二の可動子１９０２の加速度変化が大く、開弁開始タイミングを検知するための電流の傾きの変化が大きい。この電流の傾きの変化は、ソレノイド１０５に流れる電流を検出するための電圧ＶL2にも生じるため、電圧ＶL2を２階微分処理した後の電圧ＶL2の最大値もしくは最小値を検出し易く、結果として開弁開始タイミングの検知精度を高めることができる。
次に、図１９、図２０、図２１、図２５を用いて第二実施例における弁体１１４が閉弁状態から開弁する際の第二の可動子１９０２および第二の弁体１９０７動作の説明および開弁完了タイミングの検知方法について説明する。図２５は、ソレノイド１０５に流れる電流の変化を検出するための電圧ＶL3、電圧ＶL3の１階微分値、電圧ＶL3の２階微分値、第二の弁体１９０７および第二の可動子１９０２の変位量と時間の関係を示した図である。また、図２５における時間軸は、第二の弁体１９０７が閉弁状態から開弁動作を行っている途中で、これまで昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に印加するために通電していたスイッチング素子８０５、８０６を非通電にし、ソレノイド１０５に逆電圧が印加されるタイミングからの時間を示している。
第二の弁体１９０７が弁座１１８と接触している状態では、第二の可動子１９０２に差圧力が働かないため、ソレノイド１０５に電流が供給されると、第二の可動子１９０７は加速動作を行って、第二の弁体１９０７に衝突した後に、短時間で目標リフトまで到達し、タイミングｔ2503において、第二の可動子１９０２が固定コア１０７に衝突する。本発明の第一実施例における燃料噴射装置８４０とは異なり、第二実施例における燃料噴射装置２３０５では、第二の可動子１９０２に作用する初期値ばね１９０９による荷重が閉弁方向に働くため、第二の弁体１９０７が目標リフトに到達した後の第二の可動子１９０２が固定コア１０７に衝突することによって生じる第二の可動子１９０２のバウンドが２５０６、２５０７、２５０８のように複数回発生し、第二の可動子１９０２のバウンドが収束するまでには長い時間を要する。その結果、開弁完了タイミングを検知するための電圧ＶL3には、第二の可動子１９０２が固定コア１０７に衝突することによる編曲点が、タイミングｔ2502、ｔ2503、ｔ2504で生じ、電圧ＶL3の2階微分値が正方向へ突となる山が、２５０１、２５０２、２５０３（以降、ピーク２５０１、ピーク２５０２、ピーク２５０３と称する）のように複数生じる場合がある。この場合であっても電圧ＶL3の２階微分値が最大となるタイミングｔ2502を各気筒の燃料噴射装置ごとに駆動装置で検出することで、開弁完了タイミングを検知することができる。また、開弁完了タイミングを検知するための電圧ＶL3の取得期間２５０５のトリガーとなるタイミングｔ2502は、噴射パルスの通電タイミングまたは、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電のタイミングを用いて設定し、上記の動作が通電・非通電となってからある一定の期間２５０４経過後となるように構成すると良い。とくに、ＣＰＵ８０１から出力される噴射パルスは、ＣＰＵ８０１の内部で生成しているため、期間２５０４を決めるためのトリガーとして使用し易い。取得期間２５０５は、各気筒の燃料噴射装置の開弁完了タイミングの個体ばらつきを検知できる時間を持たせ、かつＣＰＵ８０１に入力する電圧ＶＬ３のデータ点数を減らすために、予め期間２５０４および取得期間２５０５の設定値を駆動装置に設定しておくと良い。また、燃料噴射装置２３０５に供給される燃料圧力が変化すると、第二の弁体１９０７に作用する差圧力が変化するため、開弁完了タイミングも変化する。したがって、期間２５０４と取得期間２５０５は、駆動装置のＣＰＵ８０１で設定する目標の燃料圧力か、燃料噴射装置２３０５の上流の配管に設置した圧力センサの出力信号を駆動装置で検出した値を元に決定すると良い。これにより、運転条件が変化した場合であっても開弁完了タイミングを精度良く検知でき、かつ検知のために必要な電圧ＶＬ３をＣＰＵ８０１に取り込むデータ点列を低減することができ、ＣＰＵ８０１の処理負荷を低減することができる。また、取得期間２５０５において、電圧ＶL3の2階微分値が正方向へ突となる山が複数存在し、かつ１つめのピーク２５０１の値よりも２つめ、３つめのピーク２５０２、２５０３の値の方が大きい場合、最初のピーク２５０１を開弁完了タイミングとして駆動装置に記憶させると良い。このような構成とすることで、各気筒の燃料噴射装置２３０５の開弁完了タイミングの個体ばらつきを検知するのに必要な取得期間２５０５を確保しつつ、開弁完了タイミングの誤検知を抑制することが可能となるため、開弁完了タイミングの検知精度および噴射量の補正精度を高めることができる。また、図２１より、第二の可動子１９０２が固定コアと接触して静止した状態では、第二の可動子１９０２の下側端面と第二の規制部１９０８との間には、第二の隙間２１０１を有している。
次に、図２０、図２２、図２６を用いて第二実施例における第二の弁体１９０７が中間リフトの変位量が最大となる状態から閉弁する際の第二の可動子１９０２および第二の弁体１９０７の動作の説明および閉弁完了タイミングの検知方法について説明する。図２６は、中間リフト状態で最大リフトから閉弁する際の第二の弁体１９０７および第二の可動子１９０２の変位量、電圧ＶLをＣＰＵ８０１で検出するための端子２３０６と接地電位８１５との電位差である電圧ＶL4、電圧ＶL4の２階微分値と噴射パルスＯＦＦ後の時間の関係を示した図である。図２２、図２６より、第二の弁体１９０７が開弁状態から閉弁する際には、閉弁方向の力としてスプリング１１０による荷重、燃料の流れによる差圧力が第二の弁体１９０７に作用し、 第二の弁体１９０７を介して第二の可動子１９０７が閉弁方向の力を受け、また、第二の可動子１９０２には初期位置ばね１９０９の荷重が閉弁方向に作用している。噴射パルスを停止し、スイッチング素子８０５、８０６を非通電にして、負の方向の昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に印加し、ソレノイド１０５に流れる電流を低減させると、第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力が磁気回路の内部に生じる渦電流の消滅に伴って減少していく。第二の可動子１９０２に作用する開弁方向の力である磁気吸引力が、第二の弁体１９０２と第二の可動子１９０７に作用する閉弁方向の力を下回ると、第二の可動子１９０２と第二の弁体１９０７は閉弁動作を開始する。第二の弁体１９０７が弁座１１８と接触する開弁完了タイミングｔ2602で第二の可動子１９０２は第二の弁体１９０７から離間し、閉弁方向に運動を継続する。その後、第二の可動子１９０２は、第二の弁体１９０７と弁座１１８が接触した瞬間の第二の可動子の下側端面２２０２と第二の規制部１９０８との端面間の第三の隙間２２０１が０になったタイミングｔ2604で、第二の可動子１９０２が第二の規制部１９０８にタイミングｔ2604で衝突し、静止する。本発明の第二実施例において、噴射パルスＴｉがＯＦＦとなるタイミングｔ2601をＣＰＵ８０１で電圧ＶL4を取り込むためのトリガーとし、噴射パルスＴｉがＯＦＦとなってから一定時間２６０６経過後に電圧ＶＬ４のデータ取得を開始し、期間２６０７の間だけ電圧ＶLの１階微分値に相当する電圧ＶL4をＣＰＵ８０１のＡ／Ｄ変換ポートへ入力させるとよい。その後、ＣＰＵ８０１で取り込んだ電圧ＶL4をデジタル微分処理し、電圧ＶL4の１階微分値を算出する。このとき電圧ＶL4の１階微分値は、電圧ＶLの２階微分値に相当する。
駆動装置で電圧ＶL4の１階微分値(電圧ＶLの２階微分値に相当)を検出することで、第二の弁体１９０７が弁座１１８と接触し、第二の可動子１９０２が第二の弁体１９０７から離間する瞬間の閉弁完了タイミングで、これまで第二の弁体１９０７を介して作用していた第二の可動子１９０２に働く閉弁方向の力を第二の可動子１９０２が受けなくなるため、第二の可動子１９０２の加速度が変化し、電圧ＶL4の１階微分値が負の方向の第一の山２６０８が生じる。その後、第二の可動子１９０２が第二の規制部１９０８に衝突する瞬間に、第二の可動子１９０２は、第二の規制部１９０８に接触することによる反力を受けて、加速度が大きく変化し、電圧ＶL4の１階微分値が負の方向の第二の山２６０９が生じる。第一の山２６０８と第二の山２６０９の電圧ＶL4の１階微分値の値は、隙間１９０１の隙間、磁気回路の形状に依存し、スプリング荷重や燃料圧力による差圧力によって変化する閉弁完了タイミングでの第二の可動子１９０２の速度に大きく依存する。閉弁完了タイミングでの速度が小さい場合、閉弁完了タイミングでの第二の可動子１９０２が有する運動エネルギーが小さくなるため、閉弁完了タイミングから第二の可動子１９０２が静止するまでの時間が長くなり、電圧ＶL4の１階微分値の値が第一の山２６０８と比べて第二の山２６０９の方が小さくなる場合もある。以上で説明した通り、期間２６０７における電圧ＶL4の１階微分値の最小値を探索する場合には、第一の山２６０８か第二の山２６０９のどちらか一方を検出することになる。このような場合、期間２６０７を、第一の期間２６０８と第二の期間２６０９に分割し、第一の期間２６０８の電圧ＶL4の１階微分値の最小値を、第二の弁体１１４が弁座１１８と接触する閉弁完了タイミングとして判定し、第二の期間における電圧ＶL4の１階微分値の最小値を、第二の可動子１９０２が第二の弁体１９０７の第二の規制部１９０８と接触する可動子静止タイミングとして、各気筒の燃料噴射装置ごとに検知し判定することで、精度良く閉弁完了タイミングタイミングを検出することができる。また、閉弁動作中において、第二の弁体１１４が弁座１１８と接触してから第二の可動子１９０２は第二の規制部１９０８に衝突するまで閉弁方向に運動を継続する。第二の可動子が閉弁方向に運動している途中で、分割噴射のための次の第二の噴射パルスＴｉが供給された場合、前回の噴射パルス(第一の噴射パルスと称する)と同等の第二の噴射パルスを供給しても、第二の噴射パルスが供給されたタイミングでの第二の可動子１９０２の位置や第二の可動子１９０２が有する運動エネルギーの変化によって、第二の噴射パルスＴｉ供給時の噴射量が、第一の噴射パルス幅Ｔｉ供給時に比べて変化する。したがい、駆動装置で検知した各気筒の燃料噴射装置２３０５が静止するタイミングｔ2604を検知し、第二の噴射パルスＴｉの供給タイミングを制御すると良い。また、第二の噴射パルスＴｉの供給タイミングは、タイミングｔ2604が最も長くなる燃料噴射装置２３０５の個体に合わせて調整すると良い。本発明の第二実施例によれば、１回の吸排気行程中に複数回の燃料噴射を行う分割噴射の条件において、第一の噴射パルスと第２の噴射パルスの間隔を低減することが可能となり、また、第一の噴射パルスと第二の噴射パルスの噴射量を正確に制御することができるため、要求される分割噴射の回数が多い場合に有効である。また、電圧ＶL4を取り込むためのトリガーは、噴射パルスＴｉがＯＮとなるタイミングや、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電のタイミングを使用しても良い。
なお、本発明の第二実施例における燃料噴射装置２３０５と駆動装置は、第一実施例における燃料噴射装置８４０と駆動装置と組み合わせて使用しても良い。
本発明における第３の実施例による第一、第二実施例の燃料噴射装置８４０および燃料噴射装置２３０５の噴射量補正のための制御手法を図２７から図３０を用いて説明する。
図２７は、第３実施例の手法によって燃料噴射装置８４０または燃料噴射装置２３０５を駆動する場合のうち、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を一定時間目標リフト位置で保持させて使用する時の燃料噴射装置８４０または燃料噴射装置２３０５の端子間電圧Ｖinj、駆動電流、可動子１０２または第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する弁体駆動力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７の変位量と時間の関係を示した図である。また、弁体駆動力の図中には、開弁方向の駆動力を正方向に閉弁方向の駆動力を負の方向に示す。また、図中の駆動電流には、一般的に用いられていた従来の電流波形を一点鎖線で記載している。図２８は、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を目標リフトに到達させる中で、最小の噴射量を実施する時の動作状態における端子間電圧Ｖinj、駆動電流、弁可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する弁体駆動力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７の変位量と時間の関係を示した図である。また、弁体駆動力の図中には、開弁方向の駆動力を正方向に閉弁方向の駆動力を負の方向に示す。図２９は、図２８に示した動作による噴射量よりも少ない噴射量を実現する中間リフトでの動作する場合の端子間電圧Ｖinj、駆動電流、可動子１０２または第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する弁体駆動力、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７の変位量と時間の関係を示した図である。また、弁体駆動力の図中には、開弁方向の駆動力を正方向に閉弁方向の駆動力を負の方向に示す。図３０は、図２７〜図２９の制御方式の電流波形を使用した場合の噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係を示した図である。
最小に、図２７を用いて弁体１１４もしくは第二の弁体１９０２を目標リフト位置で保持させて使用する場合の動作について説明する。図２７より、時刻ｔ2901で噴射パルス幅Ｔｉを供給し、スイッチング素子８０５、８０６を通電させて、開弁信号がＯＮになると、ソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨが印加される。これに伴い、ソレノイド１０５に流れる電流が徐々に上昇し、磁気回路の内部に生じる渦電流の消滅に伴って一定の遅れ時間経過後に可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力が増加していく。磁気吸引力が可動子１０２または第二の可動子１９０２に作用している閉弁力を上回ることで可動子１０２または第二の可動子１９０２が動き始め、その動きが徐々に加速されていく。ただし、第二実施例における燃料噴射装置２３０５では、閉弁状態でセットスプリング１１０による荷重は、第二の弁体１９０７に作用し、第二の可動子１９０７は、初期位置ばね１９０９による荷重によって閉弁方向に押されている。次に、ソレノイド１０５に流れる電流がピーク電流値Ｉpeakに達した時刻２９０２で、スイッチング素子８０５、８０６を非通電とすることで、昇圧電圧ＶＨの印加を停止し、同時に、負の方向の昇圧電圧ＶＨが印加される。タイミングｔ2902に行われるこの動作のトリガーとしては、前述のようにピーク電流値Ｉpeakに達したことを利用することの他に、昇圧電圧印加時間Ｔｐをあらかじめ決めておく方法と、ピーク電流ＩPeakに到達してから一定時間経過後に設定する方法がある。回路構成によっては、昇圧電圧ＶＨが変動する場合がある他、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５のソレノイド１０５の抵抗値、配線抵抗やインダクタンス等にばらつきがあるため、昇圧電圧印加時間Ｔｐを固定した場合は、ピーク電流値Ｉpeakがばらつくことになる。各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは、燃料噴射装置２３０５の弁動作のばらつきを考慮した上で、開弁動作時に、安定した開弁力を与えるには、ピーク電流値ＩPeakを固定する制御方法の方がよい。一方、開弁力を与える時間のばらつきを減らすには、印加時間Ｔｐを固定する方法がよい。また、ピーク電流値ＩPeakに到達してから一定時間経過後に昇圧電圧ＶＨの印加を停止する方法では、ピーク電流値Ｉpeakを設定する効果をえつつ、ピーク電流Ｉｐｅａｋの設定分解能に依存せず、電流遮断時間を制御することが可能となるため、より精密な電流値の調整が可能となり、噴射量の補正精度を向上することができる。
また、可動子１０２または可動子１９０７が弁体１１４または第二の弁体１９０７に衝突するタイミングｔ2702において、弁体１１４または第二の弁体１９０７には、可動子１０２または第二の可動子１９０７が衝突することにより、可動子１０２または第二の可動子１９０７の運動エネルギーおよび可動子が弁体に衝突による力積を弁体１１４または第二の弁体１９０７が受けて、弁体１１４または第二の弁体１９０７が開弁動作を行う。このとき、期間２７０１中にソレノイド１０５に投入されたエネルギーが、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７の運動エネルギーに変換される。その後、可動子１０２または第二の可動子１９０７に作用する磁気吸引力によって弁体１１４または第二の弁体１９０７が目標リフトまで達するが、弁体１１４または第二の弁体１９０７には、変位位置に応じた差圧力(流体力)が閉弁方向に作用する。弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフト位置に到達する際には、可動子１０２もしくは可動子１９０２が固定コア１０７と衝突することで、反力が生じる場合があるが、昇圧電圧遮断期間Ｔ２で弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の開弁速度を抑制しつつ、ピーク電流値Ｉpeakよりも低い保持電流値Ｉｈで目標リフトに到達するため、その反力は小さく、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２は固定コア１０７との間でバウンドしない。また、燃料噴射装置８４０の構成によれば、戻しばね１１２の荷重が可動子１０２のバウンドを抑制する開弁方向に働くため、可動子１０２が固定コア１０７に衝突することによって生じる可能性がある可動子１０２のバウンドを抑制できる効果がある。
また、時刻ｔ2702以降、ソレノイド１０５に負の方向の昇圧電圧ＶＨを印加している間に電流が０Ａに達すると、電流の変化によって発生する誘導起電力の変化は減少するが、その時点で磁気回路の内部に磁束が残っていると、磁気吸引力および磁束の消滅は継続され、誘導起電力によって発生する電圧分は、負の方向の電圧として２７１０のようにソレノイド１０５に印加される。ソレノイド１０５に流れる電流が低下するのと同時に可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７に働く磁気吸引力が低下して、弁体１１４もしくは弁体１９０７の運動エネルギーは低下するが、その後、保持電流値Ｉｈが供給されることで再び磁気吸引力が増加に転じ、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフト位置に到達する。
また、一旦ピーク電流値Ｉpeakに到達後に、電流を急速に遮断し、保持電流値Ｉｈ以下まで低下させる(遮断波形と称する)ことで、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達した時点の磁気吸引力を、図２７の駆動電流に記載した従来のピーク電流値Ｉpeakから保持電流値Ｉｈへ移行する電流波形(従来波形と称する)の場合と比べて小さくできる。また、磁気吸引力を小さくすることで、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７と固定コア１０７の衝突速度を低減できるため、図３０に示すように、遮断波形を用いた場合は、従来波形と比べて、噴射量特性に生じる非線形性を改善でき、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係が線形となる領域を噴射量が小さい方向へ拡大することができ、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達する場合の制御可能な最小噴射量を従来波形の最小噴射量３００２から遮断波形の最小噴射量３００３まで低減することができる。
また、各気筒の燃料噴射装置ごとに記憶した噴射パルスＴｉを供給してから弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達する開弁完了タイミングまでの時間である開弁遅れ時間を用いて、各気筒の燃料噴射装置ごとにピーク電流値Ｉpeakもしくは昇圧電圧印加時間Ｔｐ、電圧遮断時間Ｔ２を調整するのがよい。例えば、開弁遅れ時間が早い個体に対しては、開弁速度が大きいため、昇圧電圧印加時間Ｔｐ短く設定して、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２が減速を開始する時間を早くすると良い。一方で、開弁遅れ時間が遅い個体に対しては、昇圧電圧印加時間Ｔｐを長く設定して、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２が減速を開始する時間を遅くするとよい。
また、電流遮断波形を用いた場合、昇圧電圧遮断時間Ｔｐの期間において噴射パルス幅ＴｉがＯＦＦとなる場合、噴射パルス幅Ｔｉの大きさに関わらず同じ電流波形が燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５のソレノイド１０５に供給される期間が生じるため、噴射パルス幅Ｔｉを増加させても燃料噴射量ｑが変化しない不感帯Ｔｎが生じる。図３０に示した遮断波形の噴射量特性において、弁体１１４が目標リフトに到達しない中間リフト領域Ｔharfと弁体１１４が目標リフトに到達して駆動される３００３以降の噴射パルス幅Ｔｉの領域では、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射賞のqの傾きが異なるが、従来波形の噴射量特性で生じていた噴射量特性の非線形性が改善されているため、噴射パルス幅と燃料噴射量ｑの関係が常に正の関係となり、噴射パルス幅の増加に伴って燃料噴射量ｑも増加する。駆動装置のＣＰＵ８０１に搭載する噴射量の制御アルゴリズムを簡素化するためには、エンジン回転数もしくはエンジン負荷の増加に伴って、連続的に噴射量を増加させる必要があるため、燃料噴射装置８４０では、噴射パルス幅Ｔｉの増加に伴って、燃料噴射量ｑが増加していく必要がある。このようなエンジンにおいて、実施例３における制御手法を用いることで、エンジン回転数もしくはエンジン負荷の増加に伴って要求される燃料噴射量ｑを適切に制御することができ、噴射量の制御が容易となる。また、従来波形を用いた場合では、噴射パルス幅と噴射量の関係が略線形となる領域の噴射量から求めた理想直線３００１と燃料噴射量ｑの乖離値が正と負の方向に変動し、この噴射量特性が非線形となる領域においては、各噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係を駆動装置で把握する必要があるため、各噴射パルス幅Ｔｉごとに閉弁完了タイミングの検知を実施し、閉弁遅れ時間として各気筒の燃料噴射装置で駆動装置に記憶させる必要がある。一方で、第三実施例における遮断波形を用いた制御方法では、中間リフト領域Ｔharfと目標リフトに到達した以降の領域において、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係が正の相関となるため、中間リフト領域Ｔharfと目標リフトに到達する領域それぞれで２点の閉弁完了タイミングの検知情報と、目標リフトに到達する領域の１点の開弁完了タイミング、開弁開始タイミングの検知情報に基づいて、要求噴射量からの乖離値を算出することが可能となり、弁動作を検知するために必要なＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２の計算負荷および個体情報を記憶させるために必要なメモリ容量を低減することができ、ＣＰＵ８０１もしくは、ＩＣ８０２に与える噴射量の個体ばらつきを補正するためのアルゴリズムを簡素化できる。また、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達する条件での制御可能な最小噴射量３００３よりも小さい噴射量の要求があった場合、不感帯Ｔｎの期間よりも小さい噴射パルス幅Ｔｉを使用するように予め駆動装置に不感帯Ｔｎを、各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに設定しておくと良い。
具体的には、ピーク電流値Ｉpeakもしくは昇圧電圧印加時間Ｔｐ、電圧遮断時間Ｔ２を調整するとき、駆動装置で各気筒の開弁遅れ時間Ｔａを記憶しておくことで、フィードバック的にパラメータを調整可能となり、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５の動作特性の個体ばらつきや、劣化による変化などに対応することが可能となり、安定した動作を実現することが可能になる。燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５では、寸法公差の変動の影響により、開弁完了タイミングにばらつきが生じている。開弁完了タイミングが遅い個体と早い個体に対して、同一の遮断波形をソレノイド１０５に供給した場合、開弁完了タイミングが早い個体では、ピーク電流値Ｉpeakを遮断するタイミングである昇圧電圧打切りタイミングｔ2702で電流を遮断しても、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７の減速が間に合わず、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７と固定コア１０７の衝突速度が大きくなり、噴射量特性に非線形性が生じる場合がある。また、開弁完了タイミングが遅い個体では、昇圧電圧遮断時間Ｔｐの終了タイミングで、スイッチング素子８０５、８０６を非通電にして、ソレノイド１０５に流れる電流を低減すると、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達するのに必要な可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２に作用する磁気吸引力が確保できなくなり、弁体１１４もしくは弁体１９０７が目標リフト位置に到達しない。したがって、駆動装置に記憶させた開弁遅れ時間の情報を用いて、各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が開弁開始してから、ある変位量に到達した段階で、スイッチング素子８０５、８０６を非通電にして、負の方向の昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に印加し、開弁完了タイミングから見て減速を始めるタイミングが同等になるように、昇圧電圧印加時間Ｔｐと電圧遮断時間Ｔ２を調整すると良い。また、昇圧電圧印加時間Ｔｐを変化させることで、自動的にピーク電流値Ｉpeakの値が変化するが、ピーク電流値Ｉpeakの設定を燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに変更し、昇圧電圧印時間Ｔｐを調整しても良い。ピーク電流値Ｉpeakを個体ごとに調整することで、昇圧電圧印加時間Ｔｐを調整する場合に比べて、駆動装置の昇圧電圧ＶＨの電圧値が変動することによるソレノイド１０５に流れる電流とそれに起因する弁動作のばらつきを最小限に抑えることができるため、各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに適切な減速タイミングを調整することができる。ピーク電流値Ｉpeakと駆動電圧遮断時間Ｔ２を各気筒の燃料噴射装置ごとに適正に補正することで、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２と固定コア１０７が衝突する際の速度の個体ばらつきを低減することができるため、衝突によって生じる開弁時の駆動音を低減することができ、エンジンを静音化できる効果がある。また、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７と固定コア１０７の衝突速度を小さくすることで、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７と固定コア１０７の衝突面に働く衝撃力を小さくすることができ、衝突面の変形や摩耗を防ぐことができるため、劣化による目標リフト量の変化を抑制することができる。また、本実施例における効果によれば、各気筒の燃料噴射装置の個体によらず可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７と固定コア１０７の衝突速度を低減して、一定に保つことが可能となるため、衝突面の変形や摩耗を防ぐために必要な材料の硬度を小さくすることができ、可動子１０２もしくは可動子１９０７の固定コア１０７側端面や、固定コア１０７の可動子１０２側端面に形成しているメッキ処理が不要となるため、大幅なコスト低減を図ることが可能となる。メッキ処理を行わないことで、メッキの厚さ個体ばらつきによって生じる目標リフトの個体ばらつきに伴う単位時間当たりの流量のばらつきや、開弁状態での可動子１０２と固定コア１０７との間の流体隙間のばらつきに伴うスクイーズ力のばらつきを抑制することができるため、噴射量の精度を高めることができる。
また、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達して、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７と固定コア１０７が接触して、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフト位置で静止すると、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５から噴射される燃料は一定流量となり、噴射パルス幅Ｔｉの増加に比例して噴射量を増やせる状態になり、噴射量を精度よく制御することが可能な状態になる。
また、各気筒の燃料噴射装置で噴射量が同等となるようにピーク電流値Ｉpeakまたは、昇圧電圧印加時間Ｔｐのどちらか一方の値と電圧遮断時間Ｔ２が補正されることで、電流遮断波形を用いた場合に生じる噴射量特性の不感帯Ｔｎの値が各気筒の燃料噴射装置ごとに異なる。検知情報を用いてピーク電流値Ｉpeakまたは、昇圧電圧印加時間Ｔｐのどちらか一方の値と電圧遮断時間Ｔ２が決まると、不感帯Ｔｎが決まる。したがって、不感帯Ｔｎを各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに異なる値を設定できるように、ＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２を構成することで、噴射パルス幅Ｔｉが小さく弁体１１４が目標リフトに到達しない中間リフト領域Ｔharfから弁体が目標リフトに到達した後の最小噴射量３００３以降の噴射量まで連続的に変化させて制御することが可能となるため、エンジン運転条件に合わせた噴射量制御を行うことができる。
閉弁動作は、開弁信号時間である噴射パルス幅Ｔｉが停止された時刻ｔ2704に、スイッチング素子８０７、８０６を非通電にすることで、ソレノイド１０５に負の方向の昇圧電圧ＶＨが印加され、ソレノイド１０５に流れる電流を急速に低下させて、磁気吸引力が減少していく。磁気吸引力が閉弁方向の力を下回った時刻ｔ2705に弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の閉弁方向の動作が開始され、時刻ｔ2706に閉弁が完了する。ただし、燃料噴射装置２３０５では、第二の弁体１９０７が閉弁完了後に、第二の弁体１弁体駆動力の閉弁方向には、セットスプリング１１０による荷重が作用し続ける。図２７に示す開弁開始前および閉弁完了後の弁体駆動力の閉弁方向の力には、燃料噴射装置２３０５を使用した場合の弁体駆動力を示す。また、噴射パルス幅ＴｉをＯＮにしてから弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が閉弁完了タイミングまでの時間である閉弁完了遅れ時間Ｔｂを駆動装置で検知して記憶させて、目標設定値の遅れ時間に対してズレがある場合には、目標リフト位置での保持電流値Ｉｈの設定を増減させ、標準の遅れ時間に合わせるとよい。その他、各気筒の燃料噴射装置での駆動電流、駆動電圧を補正した後、閉弁完了遅れ時間の個体ばらつき補正する場合は、噴射パルス幅Ｔｉを補正し、閉弁完了遅れ時間が大きなものはその分、噴射パルス幅Ｔｉを小さくし、閉弁完了遅れ時間が小さいものはその分、噴射パルス幅Ｔｉを大きくすることで、実際に弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が開弁されている実噴射期間（Ｔｂ−Ｔａ‘）を、要求噴射量を実現するのに必要な実噴射期間に制御することができ、噴射量の補正精度を高めることができる。
本手法の動作手順によって、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を目標リフトに到達させる中で、最小の噴射量を実施する時の動作状態を図２８に示す。時刻ｔ2801に開弁信号すなわち噴射パルスがＯＮとなり、スイッチング素子８０５、８０６を通電にし、ソレノイド１０５に第二の電圧源から昇圧電圧ＶＨを印加し、可動子１０２もしくは、第二の可動子１９０２に磁気吸引力を発生させる。その後、ピーク電流Ｉpeakに達した時点、もしくは昇圧電圧印加時間Ｔｐに達した時点で、スイッチング素子８０５、８０５の通電を停止することで、昇圧電圧ＶＨの印加を停止させ、負の方向の昇圧電圧ＶＨを印加し、ソレノイド１０５に流れる電流を急速に低下させ、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２に作用していた磁気吸引力が低下していく。駆動方向の電圧すなわち正の方向の電圧を遮断する電圧遮断時間Ｔ２の設定時間が終了した後に、スイッチング素子８０６、８０７を通電させて、バッテリ電圧ＶＢからソレノイド１０５に電圧を印加するタイミングで開弁信号時間である噴射パルス幅ＴｉがＯＮになると、その前後で目標リフト位置に達した第二の弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７は、磁気吸引力が、弁体駆動力の閉弁方向の力を下回ったタイミング以降において閉弁方向の動作に移行し、目標リフト位置で静止することなく、閉弁動作を行う。このフルリフトでの最小噴射量の動作を行うには、この時の動作にして、噴射パルス幅Ｔｉが増えた時に、その分だけ、弁体１１４が目標リフト位置で静止している時間が長くなる必要がある。すなわち、理想的には、最小噴射量時は、目標リフト位置での静止時間が限りなく０秒に近く、それより開弁信号時間すなわち噴射パルス幅Ｔｉを増加させた場合、増加した時間だけ、弁体が目標リフトの位置で静止する時間が長くなり、その静止時間の増加に応じて閉弁完了タイミングが増加して噴射量が大きくなることで、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑが線形的な関係となるように制御するとよい。
また、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５に供給される燃料圧力が変化すると、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達するために必要なピーク電流値Ｉpeakと、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を開弁状態で保持可能な保持電流値Ｉｈが変わる。燃料圧力が増加すると、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が閉弁している状態では、シート径の受圧面積と燃料圧力を乗じた力が弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用するため、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が開弁を開始するのに必要な可動子１０２もしくは、可動子１９０２の運動エネルギーが変化する。また、可動子１０２もしくは可動子１９０７が弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に衝突することで、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位が開始されると、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の燃料シート部を流れる燃料の流速が早くなり、ベルヌーイの定理に基づく圧力降下(静圧低下)の影響によって、シート部近傍を流れる燃料の圧力が急激に減少し、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の配管側と先端部の圧力差が大きくなり、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する差圧力が増加する。この差圧力の増減に応じて、必要なピーク電流値Ｉpeakと電圧遮断時間Ｔ２と保持電流値Ｉｈを調整すると良い。エンジンの負荷が異なる広い範囲の燃料圧力の条件において、駆動電流の保持電流値Ｉｈを一定にして使用する場合、高い燃料圧力で弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を開弁状態で保持可能なように、可動子１０２もしくは、第二の可動子１９０２に働く磁気吸引力を発生できる高い保持電流値Ｉｈを設定する必要がある。高い保持電流値Ｉｈを用いて、低い燃料圧力で弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７が目標リフトに到達する条件で駆動した場合、噴射パルス幅Ｔｉを停止する時に、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７に発生している磁気吸引力が大きくなり、閉弁遅れ時間が増加し、噴射量も増加する。したがって、ＥＣＵ１２０から駆動回路１２１に指令信号を送る構成として、ＥＣＵで検出する燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５の上流部の燃料配管に取り付けられた圧力センサからの信号を用いて、燃料圧力に応じて適切な保持電流値Ｉｈを設定すると良い。
また、各気筒での燃料噴射装置８４０および燃料噴射装置２３０５の個体ばらつきも燃料圧力の変化と同様に、スプリング１１０の荷重のばらつきによって、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を開弁状態で保持に必要な保持電流値Ｉｈも変わる。スプリング１１０による荷重が大きい個体では、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７を開弁状態で保持するのに必要な磁気吸引力が大きくなるため、保持電流値Ｉｈを大きく設定する必要がある。このスプリング１１０の荷重は、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５の噴射量を調整する過程で調整される。したがって、開弁遅れ時間、閉弁遅れ時間とスプリング１１０の荷重には強い相関があるため、開・閉弁遅れ時間からスプリング１１０の荷重を推定することができる。各気筒ごとに推定したスプリング１１０による荷重の情報を駆動装置に記憶させることで、スプリング１１０による荷重と開弁遅れ時間の情報を元に、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７を減速させるタイミングを、ピーク電流値Ｉpeakもしくは昇圧電圧印加時間Ｔｐと電圧遮断時間Ｔ２を各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとに補正することで、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２の固定コアとのバウンドを抑制することができるため、中間リフトからフルリフトで駆動させるまでの噴射量特性の連続性を確保することが可能となるため、噴射量の制御が容易となる。
各気筒の燃料噴射装置８４０および燃料噴射装置２３０５の個体ばらつきを低減するためのピーク電流値Ｉpeakと昇圧電圧印時間Ｔｐと電圧遮断時間Ｔ２の調整に加えて、燃料圧力による電流波形の調整を行うと効果的である。燃料圧力が増加すると、第二の弁体１９０７に作用する燃料圧力による差圧力が増加するため、スイッチング素子８０５とスイッチング素子８０６を非通電にして、ソレノイド１０５に負の方向の昇圧電圧ＶＨを印加えし、ピーク電流値Ｉpeakを遮断してから第二の弁体１９０７が減速するタイミングも早くなり、第二の弁体１９０７が目標リフト位置に到達してからの第二の可動子１９０２が固定コア１０７に衝突することによって生じる第二の弁体１９０７のバウンドも小さくなる。したがって、燃料圧力の増加に応じて、ピーク電流値Ｉpeakを増加させることで、第二の弁体１９０７が目標リフトに到達するのに必要なピーク電流値Ｉpeakを確保しつつ、第二の可動子１９０２と固定コア１０７の衝突速度も低減でき、噴射量特性の非線形性を低減することができ、噴射量ばらつきを低減できる。また、ピーク電流値Ｉpeakを増加させると、スイッチング素子８０５、８０６を非通電にして、昇圧電圧ＶＨの印加を停止するタイミングが遅くなり、電圧遮断時間Ｔ２も連動して遅くなる。この電圧遮断時間Ｔ２は燃料圧力の増加に応じて小さくなるように構成するとよい。このような構成とすることで、燃料圧力の増加に伴って弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７に作用する差圧力が増加すると、可動子１０２もしくは、第二の可動子１９０２と固定コア１０７の衝突速度が小さくなり、減速に必要なタイミングも遅くなるため、適切な減速タイミングを設定することが可能である。燃料圧力と弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７に作用する差圧力は、線形的な関係となるため、燃料圧力に応じて、ピーク電流値Ｉpeakもしくは昇圧電圧印時間Ｔｐと保持電流値Ｉｈを決定するための補正係数を予め、ＥＣＵもしくは駆動回路に与えておくと良い。また、以上で説明したピーク電流値Ｉpeakと保持電流値Ｉｈを各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５ごとおよび、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５に供給される燃料圧力ごとに調整することで、使用する電流を小さくできるため、燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５のソレノイド１０５の発熱とＥＣＵの発熱を低減でき、消費エネルギーを低減できる効果がある。また、昇圧電圧ＶＨを印加している時間が低減されるため、昇圧回路の負荷が低減でき、分割噴射時において次の噴射パルス幅が要求された時点での昇圧電圧ＶＨを一定に保つことができるため、噴射量を正確に制御することが可能となる。
次に、本発明における第二実施例の制御手法によって、弁体１１４を目標リフトに到達させない領域（中間リフト領域と称する）を使用するための動作を図２９に示す。本動作では、目標リフトに到達させる場合の最小噴射量よりもさらに小さな噴射量を実現するために、噴射量を減らす分に応じて、ピーク電流値Ｉpeakを標準の設定値より下げていくことで、噴射量を低減していく。すなわち、図２８に示した動作による噴射量よりも少ない噴射量を実現する時は、開弁信号時間である噴射パルス幅Ｔｉ、昇圧電圧を印加する時間を決めるピーク電流値Ｉpeakの設定値、昇圧電圧印加時間Ｔｐの設定値を変化させるとよい。図２８に示す通り、標準のピーク電流値Ｉpeakより、小さな設定値Ｉｐ’に設定することにより、ソレノイド１０５に流れる電流がＩｐ’に達した時刻ｔ2902で、昇圧電圧ＶＨの印加を停止する。これにより、負の方向の昇圧電圧ＶＨがソレノイド１０５に印加され、ソレノイド１０５に流れる電流は急速に低下し、それにより、磁気吸引力が低下する。ただし、噴射する燃料が小さく弁体１１４の変位量が小さい領域では、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０２が弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に衝突することで、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が受取る力積および運動エネルギーにより、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が開弁開始するため、弁体１１４が開弁開始する時刻ｔ２９０４より前に、ソレノイド１０５への正の方向の電圧印加を停止すると良い。この正の方向の電圧の停止は、噴射パルスがＯＮとなりスイッチング素子８０５、スイッチング素子８０６が通電されて、ソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨが印加されてからスイッチング素子８０５、スイッチング素子８０６を非通電にして、負の方向の昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に印加するまでの昇圧電圧印加時間Ｔｐか、設定値Ｉｐ‘で制御するとよい。昇圧電圧印加時間Ｔｐもしくは、設定値Ｉｐ’によって、弁体１１４が開弁開始するより前のタイミングに可動子１０２に発生する運動エネルギーを制御することができ、弁体１１４の変位量の制御が可能となる。また、この中間リフトの動作では、弁体１１４が目標リフトに到達しないため、弁体１１４の変位量が機構で規定されず、燃料圧力等の僅かな変化によって噴射量の個体ばらつきが生じやすい。したがって、噴射パルスがＯＮとなってから電圧ＶＬ４の１階微分値が最小値となる時間もしくは、電圧ＶＬの２階微分値が最小値となる時間である閉弁完了タイミングｔ２９０５を各気筒の燃料噴射装置ごとに検知し、駆動装置に記憶させることで、要求噴射量を実現するための閉弁完了タイミングもしくは噴射期間と一致しているかどうかをＥＣＵ１２０もしくは、ＥＤＵ１２１でチェックし、目標値から乖離しているようであれば、次回の噴射時は、ピーク電流の設定値Ｉｐ’を増減させて調整することで、要求噴射量に対する実噴射量の精度を高めることが可能になる。同様に、昇圧電圧印加時間Ｔｐを設定する方式の場合は、閉弁完了タイミングｔ２９０４を駆動装置で検知して、要求噴射量を実現するための閉弁完了タイミングもしくは噴射期間に合うように、昇圧電圧印加時間Ｔｐを調整することで、要求噴射量に対する実噴射量の精度を高めることが可能になる。
本発明における第四実施例における噴射量補正のための制御手法を図３１から図３４を用いて説明する。図３１は、各気筒の燃料噴射装置の個体１、個体２、個体３で同じ噴射パルス幅Ｔｉを供給した条件で弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の開弁開始タイミングＴａ‘と閉弁完了タイミングＴｂが異なる個体に対して、噴射期間（Ｔｂ−Ｔａ’）が一致するように、噴射パルス、駆動電圧、駆動電流を補正した結果の各個体の駆動電圧、駆動電流、弁体変位量と時間の関係を示した図である。また、図３１の弁体変位量には、個体２と同じ噴射パルス幅、駆動電圧、駆動電流を供給した場合の個体１と個体３の弁体変位量を記載する。図３２は、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が目標リフトに到達しない中間リフトの場合の弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７のリフトと、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する力の関係を示した図である。
第一実施例の図６で述べた通り、同じ噴射パルス幅を供給しても寸法公差等の変動の影響によって、各気筒の燃料噴射装置ごとに弁動作のタイミングすなわち、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の開弁開始タイミングＴａ‘および閉弁完了タイミングＴｂが異なり、弁体１９０７が弁座１１８から離間し、燃料を噴射している実噴射期間（Ｔｂ−Ｔａ’）が各個体ごとに変動することで、噴射量の個体ばらつきが生じる。本発明の第３実施例における制御方法では、第一実施例および第二実施例で述べた開弁開始タイミング、開弁完了タイミング、閉弁完了タイミングの駆動装置に記憶させた検知情報を用いて、噴射量の個体ばらつきを抑制する燃料噴射の制御方法について説明する。図２７より、ある燃料圧力で最も噴射量が小さい最小噴射量での噴射量の個体ばらつきの補正方法について説明する。開弁開始タイミングＴａ‘が早い個体１(補正前)では、個体２と同じ噴射パルス幅、駆動電圧、駆動電流を供給すると、個体２に比べて電流供給を停止するタイミングでの弁体変位量の最大値が大きいため、閉弁完了タイミングＴｂが遅くなり、その結果、個体２に比べて噴射期間が大きくなり、噴射量も大きくなる。また、開弁開始タイミングＴａ’が遅い個体１（補正前）では、個体２と同じ噴射パルス幅、駆動電圧、駆動電流を供給すると、電流供給を停止するタイミングでの弁体変位量が、個体２に比べて小さくなるため、閉弁完了タイミングＴｂが早くなり、その結果、個体２に比べて噴射期間が小さくなり、噴射量も小さくなる。噴射期間が大きい個体１(補正前)に対しては、噴射パルスＴｉを小さくするか、昇圧電圧ＶＨを印加する期間をＴｐ１のように小さくするか、駆動電流のピーク電流値ＩｐｅａｋをＩｐ１‘のように小さくして、個体２の噴射期間２７０２と一致するように上記のパラメータを補正すると良い。一方で、噴射期間が小さい個体３(補正前）に対しては、噴射パルスＴｉを大きくするか、昇圧電圧ＶＨを印加する期間をＴｐ３のように大きくするか、駆動電流のピーク電流値ＩｐｅａｋをＩｐ３‘のように大きくして、個体２の噴射期間２７０２と一致するように上記のパラメータを補正すると良い。駆動電流のピーク電流Ｉｐ１’、Ｉｐ２’、Ｉｐ３‘を使用して噴射期間を補正した場合、ソレノイド１０５の温度変化に伴う抵抗の変化や、昇圧電圧ＶＨの電圧値の変動があった場合であっても弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量の変動をお最小限に抑えることができ、 環境変化に伴う意図しない噴射期間の変動を抑制することができる。また、昇圧電圧の印加時間Ｔｐ１、Ｔｐ２、Ｔｐ３を使用して噴射期間を補正した場合、駆動電流のピーク電流を使用する方法と比べて、時間分解能を小さくすることが可能となるため噴射期間の補正精度を高められる効果がある。これは、ピーク電流値の設定分解能は、電流値を検出するための抵抗器８０８もしくは、８１２の抵抗値に依存するためである。抵抗値を小さくするほどピーク電流値の設定分解能は向上するが、電流値が小さくなりすぎると、ＩＣ８０２での検出が困難になる。また、噴射期間を調整するための駆動電圧の停止タイミングは、目標の電流値に到達してから一定の時間経過後となるように設定しても良い。この効果によって、ソレノイド１０５の抵抗の変化があった場合であっても意図しない噴射期間の変動を抑制することができ、かつ駆動電圧の停止タイミングの時間分解能を向上させることが可能となるため、噴射期間の補正精度および噴射量の個体ばらつきの補正精度を高めることができる。
また、図３２を用いて中間リフト動作時における弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７とその弁体に作用する力の関係について説明する。図２８の図中に示す２８０１は開弁方向の力（主に磁気吸引力）であり、２８０２は、閉弁方向の力である弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７に作用する差圧力とセットスプリング１１０による荷重の和である。なお、セットスプリング１１０による荷重は、弁体１１４が閉弁している状態では、可動子１０２に作用するが、図２８では、開弁開始する瞬間での閉弁方向の力として、弁体１１４に作用することとする。また、第二の弁体１９０７の場合、セットスプリングによる荷重は、第二の弁体１９０７に直接作用している。また、弁体１１４と第二の弁体１９０７では、初期位置ばね１９０９と戻しばね１１２の力の向きが異なるが、磁気吸引力、セットスプリングによる荷重、弁体に作用する差圧力と比べて小さいため、説明を省略する。最初に、ソレノイド１０５に電流を供給すると可動子１０２もしくは可動子１９０２に磁気吸引力が生じ、磁気吸引力がセットスプリング１１０による荷重を越えると、可動子１０２が変位を開始し、２８０３で可動子１０２が、弁体１１４もしくは第二の弁体９０７に衝突して、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が開弁開始する。なお、実施例二における燃料噴射装置では、セットスプリングによる荷重は、第二の弁体１９０７に作用し、第二の可動子１９０７は第二の弁体１９０７に衝突するまで、セットスプリング１１０による荷重を受けない。ここで、閉弁方向の力２８０２であるセットスプリングによる荷重と差圧力の内、セットスプリング力は弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が変位したとしても、変位量とばね定数の積となる力でしか変動しないため、弁体の変位量に対してほぼ一定値となる。一方で差圧力は、弁体１１４もしくは、第二の弁体１９０７が閉弁している状態では、シート径ｄｓの面積と燃料圧の積となる一定値が作用するが、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が変位を開始すると、２８０５のように変位に伴って差圧力が増加する。これは、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量が小さい条件では、シート部の流路断面積が小さいため、燃料の流速が増加し、ベルヌーイの定理に基づく圧力降下によって、シート部近傍の圧力が低下するためである。 弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量がある値２８０６に到達すると、シート部の断面積が増加し、シート部を流れる燃料の流速が低下するため、圧力降下の影響は小さくなり、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７に作用する差圧力は、弁体の変位量の増加に伴って減少していく。以上で説明した通り、閉弁方向の力である差圧力は、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量が小さい領域で増加し、変位量が大きい領域で減少するプロファイルとなる。
ここで、開弁開始タイミングにおいて、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７には、可動子１０２もしくは第二の可動子１９０７が有していた運動エネルギーを受取るため、２８０４での閉弁方向の力に比べて２８０３での開弁方向の力が大きいため、開弁方向の力が閉弁方向の力が最大となる２８０６を超えて、開弁動作を行う。その後、噴射パルスＴｉがＯＦＦになると、磁気吸引力が渦電流の消滅に伴って減少し、２８０７で開弁方向の力が閉弁方向の力を下回ると弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量が減少に転じ、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が閉弁動作を行う。本発明の第三実施例における制御方法によれば、開弁方向の力が閉弁方向の力を上回って安定的な中間リフトの動作を行うために、差圧力が最大となる１８０６以降に弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が閉弁動作を開始するようにすると良い。差圧力が最大となる２８０６近傍で、弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７が閉弁を開始すると、わずかな力の変動によって、開弁方向の力が差圧力の最大値２８０６を乗り越えた場合と乗り越えない場合で弁体１１４もしくは第二の弁体１９０７の変位量が変動し、燃料圧力等の環境条件の変化の影響を受けやすくなる。
次に、図３３、図３４を用いて最小噴射量での噴射期間調整後の噴射量の制御方法について説明する。図３３は、最小噴射量での噴射期間を調整後の噴射量の調整方法を記載した図である。また、図３４は、最小噴射量での噴射期間を調整後の噴射パルスと噴射量の関係を示した図である。図３３より、最小噴射量でのＴｐは、前述で説明した通り、噴射期間が合うように、各気筒の燃料噴射装置８４０または燃料噴射装置２３０５ごとに調整される。その後、中間リフトでの噴射量を制御するため、Ｔ２終了タイミングｔ２８０４後に、スイッチング素子８０５、８０６を通電して、ソレノイド１０５に昇圧電圧ＶＨを印加し、保持電流Ｉｈまで移行させる。その後、噴射パルスＴｉの通電時間を増加させて、弁体１１４または第二の弁体１９０７を固定コア１０７と接触する目標リフト位置まで到達させる。最小噴射量での噴射パルス幅Ｔｉ１以降の中間リフト動作を行うＴｉ２、Ｔｉ３において、各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５でで、噴射パルスＴｉを増加させることによる閉弁完了タイミングの変化量が各個体ごとに異なる場合、閉弁完了タイミングの変化量が小さい個体については、保持電流値Ｉｈ２を大きくし、磁気吸引力を増加させて、噴射期間があうように学習制御を行う。一方で、閉弁完了タイミングの変化量が大きい個体については、保持電流値Ｉｈ１を小さくして、磁気吸引力を減少させて、噴射期間が合うように学習制御を行うと良い。このように保持電流Ｉｈの電流値を各気筒の個体ごとに調整することで、安定的に目標リフトまで到達させることができ、噴射量の補正精度を高めることが可能となる。
以上で説明した方法で弁体１１４または第二の弁体１９０７の変位量を制御することで、図３４に示す噴射量特性は、中間リフト領域での従来波形の区間３４０１における噴射パルス幅Ｔｉと噴射量の傾きに対して、区間Ｔharf2における噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量との傾きが小さくなり、目標リフトに到達するまでの中間リフト領域がＴharf1からＴharf２まで拡大される。従来波形の中間リフトのある区間３４０１では、噴射パルス幅の変化に対して、噴射量が大きく変わるため、微小噴射量制御を行う際には、噴射パルス幅Ｔｉもしくは、昇圧電圧印加時間Ｔｐの時間分解能を細かく設定せざるを得ず、ＣＰＵ８０１のクロック数が高い駆動装置を使用せざるを得ないため、駆動装置のコストアップに繋がる。また、中間リフトのある区間３４０１と目標リフト領域との間で噴射パルス幅Ｔｉに対する燃料噴射量が非線形となるため、噴射量を制御するためには、各点の噴射パルス幅Ｔｉでの噴射期間の情報を検知する必要があり、駆動装置の記憶用力の圧迫を招き、さらには、区間３４０１終了後の噴射量が、環境条件等の変化で大きく変化する可能性があるため、噴射量の補正精度とロバスト性を高めることが困難である。本発明の第３実施例における制御手法によれば、中間リフト領域での噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの傾きと、目標リフト到達後の噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの傾きの差を、従来波形を使用した制御手法と比べて小さくすることができ、また、中間リフト領域から目標リフト以降も噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係が線形となることから、噴射量を補正および制御しやすいメリットがある。以上のように、駆動電圧、電流波形を各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５で個体調整した結果、噴射量特性が噴射パルス幅Ｔｉ方向に平行移動した特性となり、ある燃料噴射装置ｑにおいて、平行移動分のずれ３４０１を有する。しかしながら、燃料噴射量ｑを決める噴射期間を各気筒ごとに駆動装置で検知できているため、平行移動分のずれ３４０１分を各気筒ごとに噴射パルス幅Ｔｉで補正することにより、噴射量の個体ばらつきを補正制御することが可能となる。また、中間リフト領域での噴射パルス幅と燃料噴射量の関係が１次近似な関係となる場合、その傾きを検出するための噴射期間の情報が２点あれば、その補正式の傾きと切片を導出することが可能となる。また、目標リフト領域においては、噴射パルス幅Ｔｉの増加に伴って燃料噴射量ｑが線形的に増加していくため、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射量ｑの関係は１次近似の関数で近似することができ、その関数の傾きと切片は、２点以上の噴射期間の情報で導出することができる。また、中間リフトから目標リフトへ切り替わる噴射パルス幅Ｔｉは、中間リフトでの１次関数とフルリフトでの１次関数の燃料噴射量ｑが重なる点として算出することができ、中間リフト域での噴射量の補正式と目標リフト以降の噴射量の補正式を切り替えられるように構成すると良い。
本発明における第５の実施例は、実施形態１乃至４に記載した燃料噴射装置及びその制御方法をエンジンに搭載した例を示す実施形態である。
図３５は、筒内直接噴射式のガソリンエンジンの構成図であり、燃料噴射装置Ａ０１Ａ乃至Ａ０１Ｄはその噴射孔からの燃料噴霧が燃焼室Ａ０２に直接噴射されるように設置されている。燃料は燃料ポンプＡ０３によって昇圧されて燃料配管Ａ０７に送出され、燃料噴射装置Ａ０１に配送される。燃料圧力は燃料ポンプＡ０３によって吐出された燃料量と、エンジンの各気筒に供えられた燃料噴射装置によって各燃焼室内に噴射された燃料量のバランスによって変動するが、圧力センサＡ０４による情報に基づいて所定の圧力を目標値として、燃料ポンプＡ０３からの吐出量が制御されるようになっている。
燃料の噴射はＥＣＵエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）Ａ０５から送出される噴射パルス幅によって制御されており、この噴射パルスは燃料噴射装置の駆動回路Ａ０６に入力され、駆動回路Ａ０６はＥＣＵＡ０５からの指令に基づいて駆動電流波形を決定し、前記噴射パルスに基づく時間だけ燃料噴射装置Ａ０１に前記駆動電流波形を供給するようになっている。
なお、駆動回路Ａ０６は、ＥＣＵＡ０５と一体の部品や基板として実装される場合もある。
ＥＣＵＡ０５および駆動回路Ａ０６は、燃料圧力や運転条件によって駆動電流波形を変更できる能力を備えている。
このようなエンジンにおいて、ＥＣＵＡ０５が実施例０１乃至９記載のように、燃料噴射装置Ａ０１の開弁および閉弁の動作を検知する能力を有する場合に、エンジンの制御を容易に行ったり、燃費や排気を低減したり、あるいは気筒間の燃焼圧のばらつきを低減してエンジンの振動を抑えたりする方法について述べる。
図３６に記載したエンジンに用いるＥＣＵＡ０５では、燃料噴射装置Ａ０１Ａ乃至Ａ０１Ｄから噴射される燃料量が、ＥＣＵＡ０５が要求する値に近づくように、燃料噴射装置Ａ０１の噴射パルス幅が補正されるようになっている。すなわち、多気筒エンジンにおいては、気筒毎にそれぞれ補正された異なる幅の駆動パルスが、それぞれの燃料噴射装置に与えられる。
例えば、同じ指令パルス幅を与えた時に燃料を多く噴いてしまう燃料噴射装置に対しては短いパルス幅を与えて駆動し、同じパルス幅を与えた時に燃料を少なめに噴射する燃料噴射装置に対しては長いパルス幅で駆動する。このような補正を、各気筒毎に行う運転モードを持つことによって、気筒間の燃料噴射量のばらつきを抑制することができる。
更に、図３５に記載したＥＣＵＡ０５では、各気筒の燃料噴射装置Ａ０１Ａ乃至Ａ０１Ｄに供給される駆動電流は、各燃料噴射装置ごとに調整された波形として供給されるようになっている。
それぞれの電流波形は、それぞれの燃料噴射装置Ａ０１Ａ乃至Ａ０１Ｄの弁の挙動が、開弁時の跳ね返り挙動が減殺されるように設定されており、この結果、噴射パルス幅と噴射量の関係が直線に近づくパルス幅の範囲が広くなるように設定できる。
例えば、開弁時の跳ね返り挙動の減殺のために、駆動波形のうち昇圧電圧源から昇圧電圧ＶＨをソレノイド１０５に供給する時間もしくは、ピーク電流値Ｉpeakを、スイッチング素子８０５、８０６、８０７の通電・非通電を制御することで、各気筒の燃料噴射装置の開弁タイミングに合わせて調整し、開弁の途中で昇圧電源からの通電が打ち切られ、弁が減速するように設定する。例えば、ある電流波形を与えた時に早く開弁する燃料噴射装置に対しては昇圧電源からの通電打ち切りタイミングを早めて、遅く開弁する燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５に対しては昇圧電源からの通電打ち切りタイミングを遅く設定する。このように、昇圧電源からの通電を打ち切って開弁動作を減速させるような駆動波形を用いることで、微小噴射量の領域での噴射パルス幅Ｔｉの変化に対する噴射量の変化を小さくすることができ、噴射パルス幅Ｔｉによる噴射量の補正を行い易くなる効果もある。
このように弁体１１４が減速する駆動電流波形を、気筒の燃料噴射装置８４０もしくは２３０５の開弁完了タイミングの変動に合わせて与えることで、各気筒の燃料噴射装置に適する電流波形を与えられるようになり、噴射パルスと噴射量の関係が直線的になる範囲を増大させることができる。
また、駆動波形のうち開弁状態を保持するための通電電流値（保持電流値）を各燃料噴射装置の閉弁タイミングに応じて調整するとよい。燃料噴射装置をある駆動電流波形で駆動した場合に得られる閉弁タイミングが遅い場合には、前記保持電流値を小さく設定し、閉弁タイミングが早い場合には前記保持電流値を相対的に大きく設定する。このように、駆動電流波形のうち保持電流値を燃料噴射装置の状態に合わせて設定することで、余剰な電流値を与えることを防ぐことができる。余剰な電流値を与えないようにすることで、噴射パルス幅が小さい時に閉弁の応答遅れ時間を小さくすることができ、噴射パルス幅と噴射量の関係が直線となる噴射量の範囲を、小さい側に拡大することができる。
また、中間リフト動作での各気筒の燃料噴射装置８４０もしくは燃料噴射装置２３０５の噴射量の個体ばらつきを抑制するため、駆動装置で検知した各個体ごとの開弁開始タイミングＴａ‘と開弁完了タイミングＴｂを情報を元に、実噴射期間(ＴＢ−Ｔａ’)が一致するように、昇圧電圧印加時間Ｔｐもしくはピーク電流値Ｉpeakを制御する方法が有効である。この場合、中間リフト動作での最小噴射量は、昇圧電圧印加時間Ｔｐすなわち、スイッチング素子８０５と８０６を通電している時間に、ソレノイド１０５に供給される電流によって可動子１０２もしくは、可動子１９０２に蓄えられる運動エネルギーで決定される。その後、可動子を減速するための電圧遮断時間Ｔ２を設け、駆動装置に記憶させておく開弁完了タイミングＴaと閉弁完了タイミングＴｂの情報を元に、電圧遮断時間Ｔ２と保持電流値Ｉｈを決定し、弁体１１４もしくは弁体１９０７が目標リフトに到達するまで、噴射パルスの増加に伴って、閉弁完了タイミングＴｂと弁体１１４もしくは弁体１９０７の変位量が大きくなるように制御する。また、電圧遮断時間Ｔ２と保持電流値Ｉｈを検知情報に基づいて調整することで、弁体１１４もしくは弁体１９０７が目標リフトに到達した時に、弁体１１４もしくは弁体１９０７の速度を減速させて、可動子１０２もしくは可動子１９０２が固定コア１０７に衝突することで生じる可動子１０２もしくは可動子１９０２のバウンドを低減できるため、中間リフトの領域から目標リフトに達したタイミング以降の噴射量が正の相関となり、噴射パルス幅Ｔｉを増減させることで噴射量を連続的に制御することができる。
このように、ＥＣＵによって駆動電流波形や駆動パルス幅Ｔｉを各燃料噴射装置に対して調整して与えるようなエンジンにおいては、各燃料噴射装置の製造ばらつきや状態に応じて駆動電流波形や駆動パルスを与える必要があり、そのために各燃料噴射装置の状態として、開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁完了のタイミングをＥＣＵ０５Ａが読み取る。
各燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁のタイミングを読み取る場合には、開閉弁のタイミングを検知し易い駆動電流波形で各燃料噴射装置を運転すると良い。しかしながら、検知を行い易い駆動電流波形では、噴射パルス幅と噴射量の直線的な関係を、必ずしも広くすることができない場合がある。
このため、燃料噴射装置の状態を読み取るための駆動電流波形を設定する動力を、ＥＣＵ０５Ａが有しているとよい。例えば、エンジンが始動後の暖気中など、噴射量が必ずしも最小でなくてもよいシチュエーションで、弁体１１４の挙動を読み取るための駆動電流波形を用いて、接続されている各気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁完了タイミングを検知し、ＥＣＵ０５Ａ内のメモリに記録しておく。または、1吸排気行程中の燃料噴射を分割する分割噴射の条件において、弁体１１４もしくは弁体１９０７を目標リフトに到達させる条件と、中間リフト動作を行う条件で噴射し、中間リフト動作での各気筒の燃料噴射装置の噴射量の個体ばらつきを補正するのに必要な開弁開始タイミングと閉弁完了タイミングの検知情報を複数回取得できるようにすると効果的である。
この駆動装置の記録情報に基づいて、ＥＣＵ０５Ａは各気筒に与える駆動電流波形や駆動パルス幅を調整することで、より少ない噴射量まで制御して噴射することが可能になる。
このように、燃料噴射装置の状態を読み取るための駆動波形を設定し、特定のエンジン運転状態で燃料噴射装置の状態を記録しておくことで、噴射量の補正を可能にして、制御可能な最小噴射量を低減することができる。また、このような学習を行う方法では、燃料噴射装置の経時劣化の状態もモニタすることができるようになり、したがって燃料噴射装置の動作が経時劣化によって変化したとしても、制御可能な噴射量の最小値を小さく保つことができるようになる。
なお、特定のエンジン運転状態としては、エンジン始動後の暖気中の他に、アイドリング中、エンジン始動プロセスの間や、エンジンキーオフ後の吸排気行程の数サイクルなど、ＥＣＵ０５Ａからの指令で運転者のアクセルペダル操作に依らず回転数や負荷を調節でき、噴射量が著しく小さくない状態が、特に実施容易な期間である。
また、このように燃料噴射装置の開弁開始タイミング、開弁完了タイミングおよび閉弁のタイミングをＥＣＵ内のメモリに記録して、噴射パルス幅Ｔｉや駆動電流波形の補正を各気筒の燃料噴射装置ごとに行う方式の場合であっても、更に各噴射毎に弁動作のタイミングを検知して、ＥＣＵからのパルス幅指令値に反映させるとよい。特に、閉弁動作である閉弁完了タイミングの検知を燃料噴射装置のソレノイド１０５の端子間電圧や、ソレノイド１０５の接地電位(GND)側端子と接地電位との電位差を検出して行う場合には、検知専用の波形を用いなくともこれを検知することができるので、毎回の燃料噴射ごとに閉弁完了タイミングの検知を行うことができる。この検知結果を次回の噴射時の噴射パルス幅にフィードバックすることにより、燃料噴射量の制御精度をより向上させることができるとともに、エンジンの温度や振動などによる燃料噴射装置の動作の変化を補正できるようになる。
このようにして、より小さい噴射量まで制御して内燃機関で用いることができるようになる結果、より小さい噴射量まで制御して燃料噴射を行わせることができるようになり、例えば、アイドルストップなどの燃料カットからのリカバリなどの低負荷時における燃焼を可能にして、エンジンとしては低燃費にし易くなる。また、Ａ／Ｆを目標値に近づけられるようになるので、排気中に含まれるＨＣやＮＯｘなどのガスを抑制することができる。更に、燃料噴射量が小さくなることで、低負荷域において、エンジンの１行程中に噴射する燃料を、複数回に分割して噴射することができるようになり、この結果噴霧の貫徹力を減殺したり、混合気を形成する制御を行い易くして、燃焼室壁面に付着する燃料が抑制され、かつ混合気の均質度を均一にして、燃料が濃い領域を低減できることから、PM(粒子状物質)やPN(PMの粒子個数濃度)の一部であるすすの排出量低減に繋げることができる。
次に、図３６、図３７を用いて、第六実施例における燃料噴射装置の構成および動作と噴射量の個体ばらつきの要因である開弁開始タイミングの他の検出方法について説明する。なお、図３６において、図１と同等の部品には同じ記号を用いる。
最初に、図３６を用いて、第六実施例における燃料噴射装置の構成と基本的な動作を説明する。図３６は、燃料噴射装置の縦断面図の構成を示す図である。図３６に示した燃料噴射装置は通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射装置）であり、ソレノイド1０５に通電されていない状態では、弁体３６１４は第１のばねであるスプリング１１０によって弁座１１８に向けて付勢され、弁座１１８に密着して閉状態となっている。この閉弁状態においては、可動子３６０２は第２のばねであるゼロ位置ばね３６１２によって固定コア１０７側（開弁方向）に付勢されており、弁体３６１４の固定コア側の端部に設けられた規制部３６１４ａに密着している。この状態では、可動子３６０２と固定コア１０７との間には隙間がある状態となっている。弁体３６１４のロッド部３６１４ｂをガイドするロッドガイド３６１３がハウジングを成すノズルホルダ３６０１に固定されている。弁体３６１４と可動子３６０２とは相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ３６０１に内包されている。また、ロッドガイド３６１３はゼロ位置ばね３６１２のばね座を構成している。スプリング１１０による力は、固定コア１０７の内径に固定されるバネ押さえ３６２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。なお、ゼロ位置ばね３６１２の付勢力はスプリング１１０の付勢力よりも小さく設定されている。
燃料噴射装置は、固定コア１０７、可動子３６０２、ハウジング３６０３とで磁気回路を構成しており、可動子３６０２と固定コア１０７との間に空隙を有している。ノズルホルダ３６０１の可動子３６０２と固定コア３６０６との間の空隙に対応する部分には磁気絞り３６１１が形成されている。ソレノイド１０５はボビン１０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ１０１の外周側に取り付けられている。
弁体１１４の規制部１１４ａとは反対側の端部の近傍にはロッドガイド１１５がノズルホルダ１０１に固定されるようにして設けられている。このロッドガイド１１５はオリフィスカップ１１６と同一の部品として構成されても良い。弁体１１４は第１のロッドガイド１１３と第２のロッドガイド１１５との２つのロッドガイドにより、弁軸方向の動きをガイドされている。
ノズルホルダ１０１の先端部には、弁座１１８と燃料噴射孔１１９とが形成されたオリフィスカップ１１６が固定され、可動子３６０２と弁体３６１４とが設けられた内部空間（燃料通路）を外部から封止している。
燃料は燃料噴射装置の上部より供給され、弁体３６１４の規制部３６１４ａとは反対側の端部に形成されたシール部と弁座１１８とで燃料をシールしている。閉弁時には、燃料圧力によって弁座位置におけるシート内径に応じた力で弁体が閉方向に押されている。
ソレノイド１０５に電流が通電されると、可動子３６０２と固定コア１０７との間に磁束が発生し、磁気吸引力が発生する。可動子３６０２に作用する磁気吸引力がスプリング１１０による荷重と、燃料圧力による力の和を超えると、可動子３６０２が上方へ動く。このとき可動子３６０２は弁体３６１４の規制部３６１４ａと係合した状態で弁体３６１４と一緒に上方へ移動し、可動子３６０２の上端面が固定コア１０７の下面に衝突するまで移動する。このとき、弁体３６１４が変位を開始してから弁体３６１４が目標リフトに達するよりも前にソレノイド１０５への電流供給を停止すると、中間リフト動作を行う。
その結果、弁体３６１４が弁座１１８より離間し、供給された燃料が、複数の燃料噴射孔１１９から噴射される。
ソレノイド１０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子３６０２に作用する磁気吸引力が消滅することによって、弁体３６１４はスプリング１１０の荷重と、燃料圧力による力によって、弁座１１８に接触する閉位置に押し戻される。
弁体３６１４が目標リフト位置で静止している状態すなわち、開弁状態において、可動子３６０２と固定コア１０７が相対する環状端面には、可動子３６０２か固定コア１０７のどちらか一方もしくは両方に衝突部の突起部が設けられている。また、突起部によって、開弁状態において、可動子３６０２もしくは固定コア１０７の突起部以外の可動子３６０２もしくは、固定コア１０７側との面との間には、空隙を有しており、開弁状態で突起の外径方向と内径方向に流体が移動可能な燃料通路が一つ以上設けられている。弁体３６１４が閉位置に押し戻される動作では、可動子３６０２は弁体１１４の規制部１１４ａと係合した状態で一緒に移動する。
本実施例の燃料噴射装置では、弁体１１４と可動子３６０２とは、開弁時に可動子３６０２が固定コア１０７と衝突した瞬間と、閉弁時に弁体３６１４が弁座１１８と衝突した瞬間の非常に短い時間、相対的な変位を生じることにより、可動子３６０２の固定コア１０７に対するバウンドや弁体１１４の弁座１１８に対するバウンドを抑制する効果を奏する。
なお、上記のように構成されることにより、スプリング１１０は磁気吸引力による駆動力の向きとは逆向きに弁体１１４を付勢しており、ゼロ位置ばね１１２はスプリング１１０の付勢力とは逆向きに可動子３６０２を付勢している。
次に、図３７を用いて図３６の燃料噴射装置を使用した場合の開弁開始タイミングを検知するための方法について説明する。図３７は、ソレノイド１０５の端子間電圧Ｖinj、ソレノイド１０５に供給する駆動電流、弁体が開弁しない条件での電流値、各個体の電流値の差分および弁変位と噴射パルスＯＮ後の時間の関係を示した図である。なお、駆動電流と弁変位の図中には、開弁開始タイミングが異なる個体１、個体２、個体３のプロファイルと弁体が開弁開始しない条件でのプロファイルをそれぞれ記載する。図３６、図３７より、昇圧電圧ＶＨを印加し、高電流で弁体が開弁開始する条件では、吸引面の磁束が飽和に近い状態にあることから、弁体３６１４の開弁開始に伴う誘導起電力の変化が小さく、結果として、駆動電流の変化も小さい。また、図３６の燃料噴射装置では、可動子３６０２が静止している状態から、開弁方向の力が閉弁方向の力を上回った段階で緩やかに開弁開始することから、開弁開始タイミングでの加速度の変化が小さいため、開弁開始タイミングが変化した場合であっても駆動電流の変化が小さい。このような燃料噴射装置の構成においては、弁体３７１４が開弁開始しない条件での駆動電流をＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２に記憶させておき、記憶させた駆動電流と、弁体３７１４が開弁開始する条件での各気筒の燃料噴射装置の駆動電流との差分をとるもしくは比較することで、開弁開始に伴う僅かな駆動電流の変化を検出することができる。このとき、弁体３７１４の開弁開始に伴う電流差分の変化も緩やかに立ち上がることから、電流差分にある閾値を設定することで、その閾値を越えたタイミングを開弁開始タイミングとして検出し、噴射パルスがＯＮになったから開弁開始タイミングまでの開弁開始遅れ時間をＣＰＵ８０１もしくはＩＣ８０２に記憶させると良い。なお、弁体３７１４が開弁開始しない条件での駆動電流（以降、参照電流）の取得は、燃料噴射装置に供給される燃料圧力が高く、弁体３７１４に作用する差圧力が大きい条件で取得し、各気筒の燃料噴射装置ごとに検出しておくと良い。ソレノイド１０５に流れる駆動電流のプロファイルは、ソレノイド１０５の抵抗値や、磁気回路のインダクタンス等の個体ばらつきの影響を受ける。したがって、各気筒の燃料噴射装置ごとに開弁開始しない条件での駆動電流を記憶させ、各燃料噴射装置の駆動電流との差分をとることで、精度良く開弁開始タイミングを検出することができ、噴射量の補正精度を高めることができる。また、ＣＰＵ８０１乃至ＩＣ８０２に搭載している記憶メモリの容量が小さい場合、記憶可能なメモリ領域が制約されるため、参照電流と駆動電流の記憶は、ある気筒の開弁開始タイミングの検知が終了した段階で一度消去し、つぎの気筒の燃料噴射装置の開弁開始タイミングを検出するための参照電流と駆動電流を記憶させるように構成するとよい。これにより、ＣＰＵ８０１乃至ＩＣ８０２のメモリ使用容量を低減することができ、かつ記憶させるデータ点列のサンプリングレートを細かくすることができるため、開弁開始タイミングの検出精度を高めることができる。また、第六実施例における手法によれば、大きい駆動電流を用いて弁体３６１４を目標リフトに到達させる制御が可能となるため、燃料圧力が高い条件で燃料噴射装置を作動させる場合に有効である。
また、弁体３６１４が弁座１１８と接触している閉弁状態では、弁体３６１４には、そのシート面積と燃料圧力との積となる差圧力が、弁体３６１４に作用している。したがって、燃料圧力が増加すると、弁体３６１４に作用する差圧力も増加するため、弁体３６１４の開弁開始タイミングが遅くなる。差圧力は、シート面積と燃料圧力の積で算出できることから、燃料圧力と開弁開始タイミングの関係は、略線形的な関係となるため、燃料圧力が違う条件で、２点以上開弁開始タイミングをＣＰＵ８０１乃至ＩＣ８０２に記憶させておき、燃料圧力と開弁開始タイミングとの関係を関数化しておくことで、各気筒の燃料噴射装置ごとの開弁開始タイミングと、燃料圧力が変化した場合の開弁開始タイミングをＥＣＵ１２０で算出することが可能となる。この開弁開始タイミング乃至開弁開始遅れ時間の情報と、閉弁完了タイミングの情報から、中間リフトの条件で、弁体３６１４が変位している噴射期間を求めることができ、噴射期間が一致するように、駆動電流を制御することで、中間リフトでの噴射量を制御することができるため、微小な噴射量制御が可能となる。
次に、図２、図１４、図１８、図３８を用いて、第七実施例における開弁開始タイミングＴａ‘の検知方法について説明する。図３８は、実施例１、２の駆動装置と燃料噴射装置において、コイル１０５にバッテリ電圧ＶＢを印加する条件での、駆動電流、電流1階微分値、弁体速度、弁体変位量と噴射パルスＯＮ後の時間の関係を示した図である。図３８より、バッテリ電圧ＶＢを印加して、弁体１１４、弁体１９０７を開弁開始させる場合には、昇圧電圧ＶＨを印加する条件に比べて、駆動電流と磁束が徐々に立ちあがり、その時間変化が小さいため、実施例１の式（２）の右辺第１項の誘導起電力に伴って生じる電圧が小さい。また、昇圧電圧ＶＨをコイル１０７に印加する条件に比べて、バッテリ電圧ＶＢを印加する場合では、その印加電圧が小さいことから、右辺第２項のオームの法則による電圧も小さくなるため、結果としてコイルに流れる駆動電流が小さくなる。また、上記で説明したとおり、磁束の時間変化が小さいことから、渦電流の影響も小さくなるため、駆動電流が低いタイミングｔ3801、ｔ3802において、弁体１１４、弁体１９０７がそれぞれ開弁開始できる。タイミングｔ３８０１、ｔ３８０２での駆動電流が小さいことで、開弁開始タイミングＴａ’における可動子１０２、可動子１９０２の吸引面の磁束密度が低くなる。これにより、図１４に示す磁場の変化に対して磁束密度の変化が大きい領域Ｈ１の範囲において、式（６）に示す磁界Ｈと磁束密度Ｂの関係式より１０２、可動子１９０２の吸引面の透磁率μ が大きい条件で、弁体１１４、弁体１９０７を開弁開始させることができるため、磁気ギャップの変化に伴う誘導起電力の変化を駆動電流で検出し易くなる。この条件の場合、図３８に示す通り、弁体１１４、弁体１９０７の開弁開始タイミングＴａ’であるタイミングｔ3801、ｔ3802を電流１階微分値が最小値を検出することができ、噴射パルスがＯＮとなってから弁体１１４、弁体１９０７が開弁開始するまでの時間を開弁開始遅れ時間として駆動装置に記憶させると良い。この電流の１階微分値の最小値は、弁体１１４、弁体１９０７の速度の時間変化に対応し、弁体１１４、弁体１９０７の開弁開始に伴って速度が急峻に変化するタイミングを電流１階微分値の最小値として検出している。
Figure 0006488415
また、バッテリ電圧ＶＢを印加する条件で検知し、駆動装置に記憶させた各気筒の燃料噴射装置の開弁開始遅れ時間に、予め駆動装置に記憶させておく補正係数を乗じることで、昇圧電圧ＶＨを印加する条件での開弁開始遅れ時間を推定できる。とくに燃料圧力が高い条件では、弁体１１４、弁体１９０７を目標の噴射期間または、目標リフト位置まで変位させるために、昇圧電圧ＶＨを印加して、可動子１０２乃至可動子１９０２に大きな磁気吸引力を発生させて、大きな運動エネルギーを有した状態で可動子１０２乃至可動子１９０２を弁体１１４乃至弁体１９０７に衝突させる必要がある。したがって、本第七実施例における開弁開始タイミングＴａ‘の検知手法によれば、開弁開始タイミングＴａ‘を検知する場合には、燃料圧力が低い条件でバッテリ電圧ＶＢの印加を行い、実際に駆動する条件では、昇圧電圧ＶＨを印加して駆動させるように、使用する電圧源を切り替えるとよい。バッテリ電圧ＶＢで開弁開始遅れ時間を検知する場合、昇圧電圧ＶＨを使用しないため、駆動電流が低く、消費エネルギーを抑制できる。また、昇圧電圧ＶＨを初期の電圧値に復帰させるためのスイッチング素子８３１の通電・非通電の頻度を抑制できるため駆動回路の発熱を抑制できる。また、開弁開始タイミングＴａ‘開弁開始遅れ時間を検知するときには、ＣＰＵ８０１乃至ＩＣ８０２でバッテリ電圧ＶＢをモニタリングし、バッテリ電圧ＶＢの電圧値が一定の範囲内に入った時の信号の電流１階微分値の最小値を検出し、開弁開始遅れ時間として駆動装置に記憶させると良い。これにより、バッテリ電圧ＶＢが変動した場合に生じる開弁開始タイミングの変動を抑制することができるため、精度良く開弁開始タイミングを検知でき、噴射量を精度良く制御できる。
次に、図３９を用いて実施例８における燃料の噴射タイミングの補正方法について説明する。なお、実施例８は、実施例１から４に記載の噴射量の制御方法と組み合わせて使用することができる噴射タイミングの制御方法である。なお、図３９の横軸は、吸気行程中から圧縮行程に移行するまでのエンジンのピストンの上死点(TDC)から、下死点(BDC)のタイミングを示している。また、図３９は、２回の分割噴射を行う場合において、開弁開始タイミングＴａ‘が異なる個体１、個体２、個体３に対して、ＥＣＵで検知した各個体の開弁開始遅れ時間の情報を元に、噴射タイミングを制御した場合の噴射パルスと燃料を噴射している噴射期間Ｔqrの関係を示したグラフである。図３９より、噴射燃料と空気との流動を良くして混合気の均質度を向上させかつ、ピストン付着を低減する観点から、ＴＤＣからＢＤＣに移行する間の吸気行程に燃料を噴射するとよい。開弁開始タイミングＴａ’が異なる個体において、ＴＤＣを基準に同じタイミングで噴射パルスＴｉを駆動回路に入力すると、燃料が噴射開始されるタイミングが各個体ごとに変動し、混合気の均質度の分布に変動が生じ、また、噴射開始タイミングが遅くなることで、燃料のピストン付着が増加して、すす等を含む未燃焼粒子が増加する場合がある。燃料が噴射されるタイミングを各気筒ごとに一致させることで、燃料が噴射されてから空気と混合されて、混合気を形成するまでの変動要因が抑制されるため、各気筒ごとの混合気の均質度の変動を抑制することができ、排気性能と燃費を向上させることができる。個体１、個体２、個体３ごとに開弁開始タイミングＴａ‘の変動に伴って開弁開始遅れ時間が変動するが、開弁開始遅れ時間が長い個体２については、開弁開始遅れ時間が標準の個体１に対して、噴射パルスＴｉをタイミングｔ3901で出力し、開弁開始遅れ時間が短い個体２については、噴射パルスＴｉをタイミングｔ3903で出力することで、燃料の噴射開始タイミングｔ３９０４を各個体ごとに一致させることができる。とくに、一吸排気行程中に複数回の燃料噴射を行う分割噴射時においては、一回噴射の場合と比べて、弁体１１４乃至弁体１９０７が目標リフト位置に到達して駆動される時間が短くなるため、中間リフトでの過渡的な弁体１１４乃至弁体１９０７の挙動が燃料噴射量を決める支配要因になる。また、分割噴射時では、各気筒ごとの噴射開始タイミングのずれが分割噴射の回数分発生するため、噴射タイミングの変動に伴う燃料の壁面付着の増加や、混合気の燃料がリッチな領域が生じることで、すすを含む未燃焼粒子が増加し、排気性能が悪化する場合がある。
本発明の第８実施例における手法によれば、噴射開始タイミングを各気筒ごとに噴射パルス幅Ｔｉが供給されるタイミングを調整することで、各気筒ごとの混合気の均質度を同様の状態に近づけることができ、未燃焼粒子を抑制できるため、排気性能を向上が可能となる。さらに実施例１、３、４の制御手法を用いて駆動電流の設定および噴射パルスＴｉの幅を各気筒ごとに補正することにより、燃料を噴射している噴射期間Ｔqrを合わせることができる。以上で説明した方法により、噴射開始タイミングおよび噴射終了タイミングｔ3904を各個体(各気筒)ごとに一致させることができるため、混合気の各気筒ごとのばらつきを抑制でき、排出ガスに含まれるＰＮ(Particulate Number)、ＰＭ(Particulate Matter)を大幅に抑制できる。
１０１ ノズルホルダ
１０２ａ 可動子
１０２ｂ 可動子
１０３ ハウジング
１０４ ボビン
１０５ ソレノイド
１０７ 固定コア
１１０ スプリング
１１１ 磁気絞り
１１２ 戻しばね
１１５ ロッドガイド
１１４ 弁体
１１４a 規制部
１１４b ロッド部１１４b
１１７ 固定コア
１１６ オリフィスカップ
１１８ 弁座
１１９ 燃料噴射孔
１２０ ＥＣＵ
１２１ 駆動回路
１２４ バネ押さえ
２０１ 空隙
２０４ 端面
２０５ 弁体１１４の可動子１０２aとの当接面
２０６ 可動子１０２aと可動子１０２ｂの摺動面
２０７ 可動子１０２ｂの弁体１１４側の端面
２１０ 接触面
８４０ 燃料噴射装置
８０１ 中央演算処理装置（ＣＰＵ）
８０２ ＩＣ
８０５、８０６、８０７、８３１ スイッチング素子
８０９、８１０、８１１、８３２、８３５ ダイオード
８０８、８１２、８１３ 電流、電圧検出用の抵抗器
８１４ 昇圧回路
８３０ コイル
８１５ 接地電位(GND)
６２０ オペアンプ
８４１ ソレノイドの接地電位(GND)側の端子
Ｒ８１、Ｒ８２、Ｒ８３、Ｒ８４ 抵抗器
８５２、８５３ ＶＬ１電圧検出のための抵抗器
Ｃ８１、Ｃ８２ コンデンサ
８６０ 電圧ＶL1検出用のアクティブローパスフィルタ
８６１ 電圧ＶL2検出用のアクティブローパスフィルタ
１５０１ アナログの微分回路
１９０１ 隙間
１９０２ 第二の可動子
１９０３ 第一の部材
１９０４ 接合部
１９０５ 縦孔燃料通路
１９０６ 横孔燃料通路
１９０７ 第二の弁体
１９０８ 第二の規制部
１９０９ 初期位置ばね
１９１０ 第一の規制部
２１０１ 第二の隙間
２２０１ 第三の隙間
ｄｓ シート径
Ｔ１３ バックパルス印加時刻
Ｔｉ 噴射パルス幅(開弁信号時間)
Ｔａ‘ 開弁開始遅れ時間（Ｔａ‘）
Ｔａ 開弁完了遅れ時間（Ｔａ）
Ｔｂ 閉弁完了遅れ時間（Ｔｂ）
Ｔｐ 昇圧電圧印加時間（Ｔｐ）
Ｔ２ 駆動電圧遮断時間（Ｔ２）
ＶＨ 昇圧電圧
ＶＢ バッテリ電圧
ＩPeak ピーク電流値
Ｉｈ 保持電流値
Ｔｎ 不感帯

Claims (2)

  1. 可動子と弁体を有する複数の燃料噴射装置のソレノイドにかかる電圧を制御して前弁体の開閉弁を制御する駆動装置において、
    当該駆動装置は、前記ソレノイドに電圧を印加して当該ソレノイドに供給される電流が所定の電流値に到達するまでの時間をＴｐ、および前記所定の電流値に到達した後に前記ソレノイドに負電圧を印加する時間又は電圧を印加しない時間をＴ２としたときに、前記各燃料噴射装置の弁体の開弁遅れ時間に基づいて各燃料噴射装置毎に前記Ｔｐ及び前記Ｔ２を変更することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
  2. 請求項１に記載の燃料噴射装置の駆動装置において、
    当該駆動装置は、開弁遅れ時間が早い前記燃料噴射装置を制御する場合には前記Ｔｐを小さく設定し、開弁遅れ時間が遅い前記燃料噴射装置を制御する場合には前記Ｔｐを大きく設定することを特徴とする燃料噴射装置の駆動装置。
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