WO2017006507A1

WO2017006507A1 - 噴射制御装置

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Publication number: WO2017006507A1
Application number: PCT/JP2016/002543
Authority: WO
Inventors: 一片岡; 柴田　仁; 溝渕　剛史; 孝範鬼頭; 後藤　守康
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2016-05-26
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2018-01-03
Also published as: JP2017015033A

Abstract

内燃機関に設けられた燃料を噴射する燃料噴射弁（１０）の動作を制御する噴射制御装置であって、燃料の噴射量の目標値である目標噴射量と、所定の閾噴射量とを比較する比較部（２０、Ｓ０１）と、燃料の噴射率を変化するため、駆動電圧により、燃料噴射弁のアクチュエータ（５００）を制御して、燃料噴射弁の噴射口（３１０）の開度を変化する弁体（４００）を移動する制御部（２０、Ｓ０７）と、を備え、制御部は、比較部が目標噴射量が閾噴射量よりも大きいと判定した場合に、弁体が、噴射率が最大となる最大噴射位置まで移動するようにアクチュエータの動作を制御する通常モードと、比較部が目標噴射量が閾噴射量以下であると判定した場合に、弁体が、最大噴射位置よりも開度が小さくなる位置として予め設定された抑制噴射位置、を超えない範囲で動作するように、アクチュエータの動作を制限する制限モードとを実行する噴射制御装置。

Description

噴射制御装置

関連出願の相互参照

　本出願は、２０１５年７月３日に出願された日本特許出願番号２０１５－１３４２２６号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、内燃機関における燃料噴射弁の動作を制御する噴射制御装置に関するものである。

　内燃機関において燃料の噴射を行う燃料噴射弁は、内部に設けられた弁体の移動によって噴射口の開度を変化させ、これにより燃料の噴射率（単位時間当たりに噴射される燃料の量）を変化させるものである。燃料噴射弁の内部には、弁体を移動させるためのアクチュエータが備えられている。噴射制御装置は、このアクチュエータの動作を制御することによって弁体の位置、すなわち噴射口の開度を調整し、燃料噴射弁からの燃料の噴射量を目標噴射量に一致させる。

　下記特許文献１に記載の燃料噴射弁では、アクチュエータとして圧電アクチュエータが用いられている。圧電アクチュエータに印加される駆動電圧が大きくなるほど、弁体は開弁側（噴射口とは反対側）に移動する。弁体が、その移動範囲のうち最も開弁側となる位置に到達した後は、開弁状態となっている時間が調整されることにより、燃料の噴射量が調整される。

特開２００９－２９９４９４号公報

　上記特許文献１に記載されている燃料噴射弁のように、弁体の位置を変化させることにより開度を変化させる構成の燃料噴射弁においては、微小量の燃料を噴射させようとした際に、実際の噴射量と目標噴射量との間のずれが大きくなってしまう傾向がある。これは、弁体が最も開弁側となる位置に到達した際に、燃料噴射弁の内壁に弁体が衝突して跳ね返り、弁体が一時的に閉弁側の位置に戻ってしまうことに起因している。

　燃料の噴射量が比較的大きいときには、上記のような弁体の跳ね返りが生じた後で弁体は再び（最大の）開弁位置に戻るので、燃料の噴射量に対する跳ね返りの影響は小さい。しかしながら、燃料の噴射量が比較的小さいときには、跳ね返った弁体が元の位置に戻るよりも前に燃料の噴射が終了することとなるので、燃料の噴射量に対する跳ね返りの影響が大きくなってしまう。

　本開示の目的は、燃料の噴射量が微小な場合であっても、実際の噴射量と目標噴射量との間のずれを抑制することのできる噴射制御装置を提供することにある。

　本開示の一態様による噴射制御装置は、内燃機関に設けられた燃料を噴射する燃料噴射弁の動作を制御する噴射制御装置であって、燃料の噴射量の目標値である目標噴射量と、所定の閾噴射量とを比較する比較部と、燃料の噴射率を変化するため、駆動電圧により、燃料噴射弁のアクチュエータを制御して、燃料噴射弁の噴射口の開度を変化する弁体を移動する制御部と、を備え、制御部は、比較部が目標噴射量が閾噴射量よりも大きいと判定した場合に、弁体が、噴射率が最大となる最大噴射位置まで移動するようにアクチュエータの動作を制御する通常モードと、比較部が目標噴射量が閾噴射量以下であると判定した場合に、弁体が、最大噴射位置よりも開度が小さくなる位置として予め設定された抑制噴射位置、を超えない範囲で動作するように、アクチュエータの動作を制限する制限モードとを実行する。

　このような噴射制御装置では、目標噴射量が比較的小さく閾噴射量以下である場合には、弁体の動作が制限される。具体的には、予め設定された抑制噴射位置を超えない範囲で弁体が動作するように、アクチュエータの動作が制限される。燃料噴射時における弁体の位置が、閉弁位置から抑制噴射位置までの範囲に収まるよう制限されるので、弁体が最も開弁側の位置まで到達して跳ね返ってしまうような現象の発生が抑制される。その結果、跳ね返りの影響により燃料の噴射量が低減されてしまう現象は生じにくくなり、実際の噴射量と目標噴射量との間のずれが抑制される。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、本開示の実施形態に係る噴射制御装置、及びその制御対象となる燃料噴射弁の構成を模式的に示す図であり、図２は、噴射指令値として入力される矩形波と、圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の変化との例を示す図であり、図３は、噴射指令値と噴射量との関係を示す図であり、図４は、様々な噴射指令値に対応する実際の駆動電圧の波形の例を示す図であり、図５は、図４に示される駆動電圧が入力された場合における、実際の燃料の噴射率の変化を示す図であり、図６は、図１の噴射制御装置で実行される処理の流れを示すフローチャートであり、図７は、従来の制御が行われた場合における、噴射指令値として入力される矩形波と、圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の変化との例を示す図であり、図８は、従来の制御が行われた場合における、噴射指令値として入力される矩形波と、圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の変化との例を示す図であり、図９は、従来の制御が行われた場合における、噴射指令値と噴射量との関係を示す図であり、図１０は、従来の制御が行われた場合における、様々な噴射指令値に対応する実際の駆動電圧の波形の例を示す図であり、図１１は、図１０に示される駆動電圧が入力された場合における、実際の燃料の噴射率の変化を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　図１を参照しながら、本開示の実施形態に係る噴射制御装置２０、及び、噴射制御装置２０の制御対象である燃料噴射弁１０について説明する。先ず、燃料噴射弁１０の具体的な構造について説明する。

　燃料噴射弁１０は、車両の内燃機関（不図示）に燃料を噴射するためのものであって、所謂インジェクタとも称されるものである。燃料噴射弁１０は、ハウジング１００と、キャップ２００と、ノズルボディ３００と、ニードル４００と、圧電アクチュエータ５００と、ピストン６００と、を備えている。

　ハウジング１００は、略円筒形状の容器として形成された部分である。ハウジング１００の内部には、圧電アクチュエータ５００及びピストン６００が収納されている。ハウジング１００の側面には燃料供給管１１０が接続されている。燃料供給管１１０は、フューエルポンプ（不図示）からの燃料を燃料噴射弁１０に供給するための配管である。フューエルポンプから送り込まれる燃料は、燃料供給管１１０を通じてハウジング１００の内部に流入した後、ノズルボディ３００の先端に形成された噴射口３１０から噴射される。

　ハウジング１００の内部空間は、仕切り板１２０によって仕切られている。圧電アクチュエータ５００及びピストン６００の一部は、仕切り板１２０よりも上方側（ノズルボディ３００とは反対側）の空間に収納されている。ピストン６００の他の一部は、仕切り板１２０よりも下方側（ノズルボディ３００側）の空間に収納されている。燃料供給管１１０を通じて燃料噴射弁１０に供給される燃料は、仕切り板１２０よりも下方側の空間にのみ流入し、圧電アクチュエータ５００が配置されている方の空間には流入しない。

　ハウジング１００のうち仕切り板１２０よりも下方側には、流路１３０が形成されている。流路１３０は、その第１端（上端）が燃料供給管１１０の内部と繋がっており、その第２端（下端）がハウジング１００の下端まで伸びるように形成された流路となっている。

　キャップ２００は蓋状の部材であって、ハウジング１００の一端側（図１では下端側）を覆うように配置されている。キャップ２００の内周面には雌螺子加工が施されており、ハウジング１００の外周面には雄螺子加工が施されている。キャップ２００は、ハウジング１００に対してねじ込まれた状態で固定されている。キャップ２００には、ノズルボディ３００を挿通させるための貫通穴２０１が形成されている。

　キャップ２００の内部のうち、ハウジング１００とノズルボディ３００との間には、略円板状の仕切り板２１０が両者に挟み込まれた状態で配置されている。仕切り板２１０の上面２１１にはハウジング１００の下端が当接している。また、仕切り板２１０の下面２１２にはノズルボディ３００の上端が当接している。

　仕切り板２１０には、上面２１１から下面２１２までを貫くように、２つの貫通穴２１３、２１４が形成されている。貫通穴２１３の上端は、流路１３０の下端と対向する位置において開口している。また、貫通穴２１３の下端は、ノズルボディ３００の中心軸と略一致する位置において開口している。貫通穴２１３によって、流路１３０と、ニードル４００の背圧室４１０とが連通されている。

　貫通穴２１４の上端は、ピストン６００の下端面と対向する位置において開口している。また、貫通穴２１４の下端は、ニードル４００の外周側に形成された流路３３０の上端と対向する位置において開口している。貫通穴２１４によって、加圧室１４０と流路３３０とが連通されている。

　ノズルボディ３００は、ニードル４００を内部に収容する部材であって、その一部がキャップ２００の内部に配置されており、他の一部が貫通穴２０１から外部（図１では下方側）に向かって突出している。この突出している部分の先端には、燃料の出口である噴射口３１０が形成されている。また、ノズルボディ３００の内壁面のうち噴射口３１０の近傍には、ニードル４００の先端が当接する部分である弁座３２０が設けられている。

　ニードル４００は、細長い棒状に形成された部材であって、燃料噴射弁１０の開度を調整するための弁体として機能するものである。ニードル４００は、ノズルボディ３００の内部空間に収容されており、図１の上下方向に沿って移動可能な状態で保持されている。ニードル４００のうち仕切り板２１０寄りの部分は、他の部分よりも径が大きくなっている。以下では、当該部分のことを拡径部４３０と表記する。

　ニードル４００の内部には背圧室４１０が形成されている。背圧室４１０は、ニードル４００の長手方向（上下方向）に沿って形成された細長い空間であって、その上端が開口している。当該開口と対向する位置には、貫通穴２１３の下端が配置されている。

　背圧室４１０の下端は、ニードル４００の下端よりも高い位置となっている。また、背圧室４１０の下端部近傍には、背圧室４１０と外部とを連通させる開口４２０が複数形成されている。このため、燃料供給管１１０を通じて供給される燃料は、流路１３０、貫通穴２１３を順に通って背圧室４１０に流入した後、開口４２０を通ってニードル４００の外側（ノズルボディ３００の内部）に流出する。

　ただし、ニードル４００の位置が図１のように最も下方側（噴射口３１０側）となっており、ニードル４００の先端が弁座３２０に当接している状態においては、開口４２０を通った燃料は噴射口３１０から噴射されない。ニードル４００が上方側（噴射口３１０とは反対側）に移動し、ニードル４００の先端と弁座３２０とが離間した状態になると、開口４２０を通った燃料は噴射口３１０から噴射される。

　ニードル４００が上方側にあるほど、すなわち、噴射口３１０の開度が大きくなるほど、燃料の噴射率（噴射口３１０から単位時間当たりに噴射される燃料の量）は大きくなる。ニードル４００がその可動範囲のうち最も上方側にあり、ニードル４００の上端面４４０が仕切り板２１０の下面２１２に当接しているときには、燃料の噴射率は最大となる。

　背圧室４１０にはバネ３０１が収納されている。ニードル４００は、バネ３０１の弾性力によって下方側に付勢されている。このため、燃料の噴射が行われていない状態においては、ニードル４００の先端がバネ３０１の弾性力によって弁座３２０に押し付けられている。

　ニードル４００の外周側には円筒形状のスリーブ３５０が配置されている。スリーブ３５０は、その内周面が拡径部４３０の外周面に当接している。スリーブ３５０は、ニードル４００に対して上下方向に摺動可能な状態で、ノズルボディ３００の内部空間に収納されている。

　スリーブ３５０の外周面と、ノズルボディ３００の内壁面との間には、流路３３０が形成されている。流路３３０の上端部は、貫通穴２１４の下端と繋がっている。また、流路３３０の下端部は、拡径部４３０の下方側に形成された空間である駆動室３４０と繋がっている。つまり、貫通穴２１４と駆動室３４０とが、流路３３０によって連通されている。

　流路３３０にはバネ３６０が収納されている。スリーブ３５０は、バネ３６０の弾性力によって上方側に付勢されている。このため、スリーブ３５０は、その上端部が仕切り板２１０の下面２１２に押し付けられた状態となっている。

　圧電アクチュエータ５００は、ピエゾ素子により構成されたアクチュエータであって、外部から印加される駆動電圧の大きさに応じて伸縮する。圧電アクチュエータ５００は、その上端部５１０がハウジング１００の天板に固定されており、その下端部がピストン６００の上端部に当接している。駆動電圧が増加すると、圧電アクチュエータ５００の長手方向の寸法が大きくなり、ピストン６００は下方側に押し下げられる。また、駆動電圧が減少すると、圧電アクチュエータ５００の長手方向の寸法が小さくなり、ピストン６００はバネ１５０により上方側に引き上げられる。

　圧電アクチュエータ５００の上端部５１０は、ハウジング１００の天板に形成された貫通穴に挿通されており、その一部が外部に露出している。圧電アクチュエータ５００に対する駆動電圧の印加は、上端部５１０を介して行われる。上端部５１０とハウジング１００との間にはシールリング５２０が配置されている。

　ピストン６００は、圧電アクチュエータ５００の伸縮に応じて上下に移動する部材である。ピストン６００は全体が略円柱形状となっており、その長手方向をハウジング１００の長手方向と一致させた状態で配置されている。ピストン６００のうち上方側（圧電アクチュエータ５００側）の部分は、その断面の直径が比較的小さい小径部６１０となっている。また、ピストン６００のうち下方側（仕切り板２１０側）の部分は、その断面の直径が比較的大きい大径部６２０となっている。

　小径部６１０のうち圧電アクチュエータ５００寄りとなる位置には、板状のスプリングシート６１１が固定されている。また、スプリングシート６１１と仕切り板１２０との間にはバネ１５０が配置されている。スプリングシート６１１は、バネ１５０の弾性力によって上方側に付勢されている。このため、ピストン６００の上端は、圧電アクチュエータ５００の下端に対して常に押し付けられた状態となっている。

　ピストン６００の小径部６１０は、仕切り板１２０を貫いた状態となっている。小径部６１０と仕切り板１２０との間にはシールリング６３０が配置されている。シールリング６３０により、仕切り板１２０よりも圧電アクチュエータ５００側に燃料が漏出してしまうことが防止されている。

　大径部６２０の下端面と仕切り板２１０の上面２１１との間には隙間が形成されており、当該隙間が加圧室１４０となっている。加圧室１４０は、常に燃料で満たされている。加圧室１４０の容積は、ピストン６００の移動に伴って変化する。

　燃料噴射弁１０の動作について説明する。圧電アクチュエータ５００に駆動電圧が印加されておらず、圧電アクチュエータ５００の長手方向の寸法である長さが最も短くなっているときには、ニードル４００の先端はバネ３０１の弾性力によって弁座３２０に押し付けられている。このため、噴射口３１０からの燃料の噴射は行われない。

　圧電アクチュエータ５００に駆動電圧が印加され、圧電アクチュエータ５００の長さが長くなると、これに伴ってピストン６００は下方側に移動する。加圧室１４０の容積は小さくなり、加圧室１４０に充填されていた燃料の一部が貫通穴２１４を通って流路３３０及び駆動室３４０に流入する。これにより、駆動室３４０における燃料の圧力が高くなり、ニードル４００は上方側に向かう力を受ける。ニードル４００は上方側に移動し、その先端が弁座３２０から離間する。その結果、噴射口３１０からの燃料の噴射が開始される。

　圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧が大きくなり、圧電アクチュエータ５００の長さが更に長くなると、これに伴ってピストン６００は更に下方側へと移動する。ニードル４００は更に上方側へ移動し、噴射口３１０の開度が大きくなるので、燃料の噴射率は大きくなる。このように、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧の大きさに応じて、燃料の噴射率は大きくなる。

　噴射制御装置２０について説明する。噴射制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムとして構成された制御装置である。噴射制御装置２０は、圧電アクチュエータ５００に対して印加される駆動電圧を調整することにより、燃料噴射弁１０からの燃料の噴射率や噴射量（１回の噴射で噴射される燃料の総量をいう。以下においても同様）を制御するための装置である。

　燃料供給管１１０の途中には、圧力検出装置３０が設けられている。圧力検出装置３０は、燃料供給管１１０の内部における燃料の圧力を計測するための装置である。圧力検出装置３０によって計測された燃料の圧力は噴射制御装置２０に入力される。

　噴射制御装置２０は、燃料の噴射時における圧力の変動を圧力検出装置３０から取得し、当該変動に基づいて実際の燃料の噴射量を算出することが可能となっている。つまり、圧力検出装置３０は噴射量検知部に該当する。尚、圧力の変動（例えば圧力変化の振幅）と噴射量との対応関係は、予め実験などで求められており、当該対応関係がマップとして噴射制御装置２０に記憶されている。噴射制御装置２０は、当該マップを参照することにより、計測された圧力の変動から噴射量を算出する。

　本実施形態では、燃料の噴射時における駆動電圧の調整方法において、従来の制御方法と異なっている。本実施形態による制御方法について説明するに先立ち、図７乃至図１１を参照しながら従来の制御方法について説明することとする。

　図７（Ａ）に示されるのは、燃料の噴射量についての指令値として生成される信号の波形を示すグラフである。当該波形は、噴射制御装置２０の内部で生成され、圧電アクチュエータ５００に駆動電圧を出力するためのドライバ（不図示）に対して入力される。

　図７（Ａ）の例では、時刻ｔ０から時刻ｔ２０までの期間において、電圧の大きさがＶ０１となるような矩形波となっている。ドライバは、このような矩形波が入力されると、時刻ｔ０から時刻ｔ２０までの期間の長さに応じた噴射量となるように、圧電アクチュエータ５００への駆動電圧を出力する。

　図７（Ｂ）には、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧の波形が示されている。尚、当該波形は直線状に描かれているのであるが、実際の波形は図１０に示されるように曲線状となる。

　図７（Ｂ）に示されるように、ドライバに対する矩形波の入力が開始された時刻ｔ０以降は、駆動電圧は次第に増加して行く。これに伴い、ニードル４００は仕切り板２１０側に移動して行き、噴射口３１０の開度は次第に大きくなって行く。噴射口３１０からは燃料が噴射され始めて、その噴射率は次第に大きくなって行く。

　その後の時刻ｔ１０において、駆動電圧は最大値（Ｖ１０）となる。噴射口３１０の開度は最大となり、噴射率も最大となる。このとき、ニードル４００はその上端が仕切り板２１０に当接した状態となっている。

　時刻ｔ１０以降は、噴射率が最大となっている状態が維持される。このときの駆動電圧は、Ｖ１０のままで概ね一定に維持される（実際には、次第に低下して行く）。その間、最大の噴射率での燃料の噴射が継続される。

　ドライバに対する矩形波の入力が終了した時刻ｔ２０以降は、駆動電圧は次第に減少して行く。これに伴い、ニードル４００は弁座３２０側に移動して行き、噴射口３１０の開度は次第に小さくなって行く。燃料の噴射率は次第に小さくなって行き、ニードル４００が弁座３２０に当接すると同時に０となる（時刻ｔ３０）。

　燃料の噴射量は、図７（Ｂ）のグラフで囲まれた図形の面積に概ね比例したものとなる。また、図７（Ａ）に示される矩形波のパルス幅、すなわち、電圧がＶ０１となっている期間の長さが長い程、実際の噴射量は大きくなる。噴射制御装置２０には、噴射量とパルス幅との関係がマップとして記憶されている。噴射制御装置２０は、噴射量についての指令値である噴射指令値（目標噴射量）を、これに対応するパルス幅の矩形波としてドライバに入力する。以下の説明においては、噴射指令値は、ドライバに入力される矩形波のパルス幅を示す。

　図７（Ｂ）において、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間は、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧が増加する期間となっている。当該期間は、圧電アクチュエータ５００に電荷が蓄積されて行く期間ともいえるから、以下では当該期間のことを充電期間とも称する。

　時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までの期間は、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧が概ね一定のまま維持される期間となっている。以下では当該期間のことを維持期間とも称する。

　時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの期間は、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧が減少する期間となっている。当該期間は、圧電アクチュエータ５００から電荷が放出されて行く期間ともいえるから、以下では当該期間のことを放電期間とも称する。

　燃料噴射弁１０からの噴射量を微少とする際には、噴射指令値が小さくなる。このため、図８に示されるように、駆動電圧がＶ１０に到達する前に放電が開始されるような場合も生じ得る。図８の例では、時刻ｔ１０よりも前の時刻ｔ０８において充電期間が終了しており、これと同時に（維持期間を経ることなく）放電期間が開始されている。印加される駆動電圧の最大値は、Ｖ１０よりも小さなＶ０８となっている。尚、図８（Ｂ）の点線ＤＬ１は、図７（Ｂ）のグラフと同一の波形を示すものである。

　ところで、図８の例のように噴射指令値（パルス幅）が比較的小さく、充電期間の終了と同時に放電期間が開始されるような場合には、噴射指令値を増加させても実際の噴射量が増加しない領域が生じる傾向がある。

　図９に示されるように、噴射指令値を増加させて行くと、これに概ね比例して、噴射量はＱ１０まで増加する。しかしながら、それ以降においては、噴射指令値を増加させても噴射量は増加しない。その後、更に噴射指令値を増加させて行くと、噴射量は再び増加し始める。

　このような現象は、充電期間においてニードル４００がその位置を変化させていく際に、ニードル４００の上端面４４０が仕切り板２１０の下面２１２に衝突してしまうことにより生じるものである。

　つまり、ニードル４００は、仕切り板２１０との衝突の衝撃で跳ね返り、その位置が一時的に弁座３２０側（閉弁側）に戻ってしまう。これにより、噴射口３１０の開度が小さくなり、噴射率が一時的に低下してしまうのである。

　図７の例のように噴射指令値が大きいときには、上記のようなニードル４００の跳ね返りが生じた後で、ニードル４００は再び元の位置（仕切り板２１０に当接する位置）に戻る。このため、燃料の噴射量に対する跳ね返りの影響は小さい。しかしながら、図８の例のように噴射指令値が小さいときには、跳ね返ったニードル４００が元の位置に戻るよりも前に燃料の噴射が終了することとなるので、燃料の噴射量に対する跳ね返りの影響が大きくなってしまうのである。跳ね返りの影響により、噴射指令値と実際の噴射量との間における線形性が崩れてしまうと、燃料噴射弁１０からの噴射量を正確に制御することが難しくなってしまう。

　図１０に示されるのは、様々な噴射指令値に対応する実際の駆動電圧の波形の例である。これら複数の波形のうち線Ｇ２０に示されるものは、最も大きな噴射指令値に対応する駆動電圧の波形である。当該波形においては、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間が充電期間となっており、駆動電圧は時刻ｔ１０において最大値に到達している。また、時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までの期間が維持期間となっており、時刻ｔ２０以降の期間が放電期間となっている。つまり、図１０の線Ｇ２０は、図７（Ｂ）の実際の波形を示すもの、ということができる。

　図１０に示される波形のうち線Ｇ１０に示されるものは、最も小さな噴射指令値に対応する駆動電圧の波形である。線Ｇ１０と線Ｇ２０との間に示された複数の波形は、噴射指令値を一定値ずつ増加させて行きながら、それぞれの噴射指令値に対応する駆動電圧の波形を描いて行ったものである。

　図１０に示される波形のうち線Ｇ２０に示されるもの以外は、いずれも比較的小さな噴射指令値に対応するものであり、維持期間が存在しない。つまり、充電期間が終了すると同時に放電期間が開始されるような波形となっている。

　図１１には、図１０に示される駆動電圧が圧電アクチュエータ５００に入力された場合における、それぞれの噴射率の時間変化が示されている。これら複数の波形のうち線Ｇ２１に示されるものは、図１０の線Ｇ２０に示される駆動電圧が入力された場合における噴射率の時間変化である。また、線Ｇ１１に示されるものは、図１０の線Ｇ１０に示される駆動電圧が入力された場合における噴射率の時間変化である。燃料の噴射量は、それぞれの波形に囲まれた各図形の面積に等しい。

　既に述べたように、図１０に示される複数の波形は、噴射指令値を一定値ずつ増加させて行きながら描かれたものである。従って、図１１に示される各噴射率の波形も、互いに等間隔となるように描かれるはずである。しかしながら、図１１において点線Ａ２で囲まれた部分のように、一部においては波形同士の間隔が非常に狭くなっている。このことは、既に説明したようなニードル４００の跳ね返りが生じた結果、噴射指令値を変化させても噴射量（つまり各グラフの面積）があまり変化していないことを示している。

　更に、図１１において点線Ａ１で囲まれた部分のように、噴射率が増加する際においてはその波形に脈動が生じる場合がある。これは、ニードル４００が移動する期間（充電期間）が比較的長いことに起因して生じる。このような脈動が生じると、燃料噴射弁１０からの噴射量を正確に制御することが更に難しくなってしまう。

　本実施形態に係る噴射制御装置２０では、以上に説明したようなニードル４００の跳ね返りや噴射率の脈動を防止するために、従来とは異なる制御が行われる。当該制御の内容について、図２を参照しながら説明する。

　図２は、図７や図８と同様の図である。すなわち、図２（Ａ）に示されているのは、不図示のドライバに入力される矩形波の波形であり、図２（Ｂ）に示されているのは、上記波形が入力された際において圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧の波形である。図２（Ａ）に示される矩形波の波形は、図８（Ａ）に示される矩形波の波形と同一である。従って、図２（Ｂ）に示される駆動電圧の波形は、噴射指令値が図８の例と同一となっている場合において、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧の波形、ということになる。尚、図２（Ｂ）の点線ＤＬ１は、図７（Ｂ）のグラフと同一の波形を示すものである。

　図７や図８を参照しながら説明した従来の制御とは異なり、本実施形態においては、噴射指令値が所定の閾値以下であるときには、印加される駆動電圧の大きさがＶ０５を超えないように調整がなされる。

　本実施形態では、所定の閾値とは、図７等における時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間の長さと一致するような噴射指令値（矩形波のパルス幅）のことである。つまり、図７等に示される従来の制御が行われる場合には、印加される駆動電圧がＶ１０まで増加した直後に放電が行われるような噴射指令値のことである。ただし、所定の閾値は必ずしも上記のような値である必要はない。所定の閾値は、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間の長さよりも短い値に設定されていてもよく、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間の長さよりも長い値に設定されていてもよい。

　図２（Ｂ）に示されるように、本実施形態でも、時刻ｔ０以降は点線ＤＬ１と同じ傾きで駆動電圧が増加して行く。しかしながら、時刻ｔ０５において駆動電圧がＶ０５に到達すると、以降は駆動電圧がＶ０５のままで維持される。その後、時刻ｔ０８においてドライバに対する矩形波の入力が終了すると、放電が開始される。駆動電圧は、Ｖ０５から次第に小さくなって行き、最終的には０となる。

　駆動電圧の上限として設定されたＶ０５は、Ｖ１０よりも小さく、且つ０よりも大きな値である。このため、ニードル４００は、Ｖ１０の駆動電圧に対応する位置、すなわち、仕切り板２１０に当接するような位置（最大噴射位置）までは移動せず、それよりも弁座３２０寄りとなる位置までしか移動しない。Ｖ０５の駆動電圧に対応するニードル４００の位置は、抑制噴射位置に該当する。

　このように、駆動電圧の調整により圧電アクチュエータ５００の動作が制限される結果、ニードル４００は、その可動範囲の全体を移動するのではなく、上記の抑制噴射位置を越えない範囲で動作することとなる。その結果、ニードル４００が仕切り板２１０に衝突して跳ね返ってしまうような現象の発生が抑制される。

　尚、噴射指令値が非常に短く、時刻ｔ０から時刻ｔ０５までの期間の長さよりも短い場合には、駆動電圧がＶ０５に到達する前に放電が開始されることとなる。このため、ニードル４００の動作は、従来の制御が行われた場合における動作と同一となる。

　また、噴射指令値が所定の閾値を超えている場合には、上記のように駆動電圧をＶ０５以下に制限するような制御は行われない。この場合には、図７を参照しながら説明した従来の制御と同様に、駆動電圧はＶ１０まで増加する。すなわち、噴射率が最大となる最大噴射位置までニードル４００が移動する。また、本実施形態では、閾値は閾噴射量である。

　以上のような制御が行われる結果、本実施形態における噴射指令値と噴射量との関係は、図９のようなものとはならず、図３に示されるようなものとなる。図３の点線ＤＬ２は、図９のグラフと同一の波形を示すものである。また、図３においては、噴射指令値についての上記閾値（時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間の長さと一致するような噴射指令値）が、ＴＭ１０として示されている。

　本実施形態では、噴射指令値がＴＭ１０よりも小さい場合には、上記のように駆動電圧がＶ０５以下となるように制限される。このため、従来の制御が行われる場合に比べると、矢印ＡＲ１で示されるように噴射量は小さくなっている。図３に示されるグラフの波形を見ると明らかなように、噴射指令値と噴射量との関係はほぼ比例関係となっており、線形性が保たれている。従って、燃料噴射弁１０からの噴射量を正確に（噴射指令値通りとなるように）制御することが従来に比べて容易である。

　図４は図１０と同様の図であって、本実施形態に係る制御が行われた場合における、様々な噴射指令値に対応する実際の駆動電圧の波形の例である。これら複数の波形のうち線Ｇ４０に示されるものは、最も大きな噴射指令値に対応する駆動電圧の波形である。また、線Ｇ３０に示されるものは、最も小さな噴射指令値に対応する駆動電圧の波形である。線Ｇ３０と線Ｇ４０との間に示された複数の波形は、噴射指令値を一定値ずつ増加させて行きながら、それぞれの噴射指令値に対応する駆動電圧の波形を描いて行ったものである。

　本実施形態に係る制御では、印加される駆動電圧がＶ０５以下となるように制限される。このため、図４に示されるいずれの波形においても、遅くとも時刻ｔ０５には充電期間が終了している。

　図５は図１１と同様の図であって、図４に示される駆動電圧が圧電アクチュエータ５００に入力された場合における、それぞれの噴射率の時間変化が示されている。これら複数の波形のうち線Ｇ４１に示されるものは、図４の線Ｇ４０に示される駆動電圧が入力された場合における噴射率の時間変化である。また、線Ｇ３１に示されるものは、図４の線Ｇ３０に示される駆動電圧が入力された場合における噴射率の時間変化である。図５においても、燃料の噴射量は、それぞれの波形に囲まれた各図形の面積に等しい。

　図５のグラフにおいては、図１１の点線Ａ１で示されるような噴射率の脈動は生じていない。また、図１１の点線Ａ２で示されるような、噴射率の波形同士の間隔が局所的に狭くなっているような領域は存在しない。これは、駆動電圧の制限によって充電期間が短くなったこと、及び、ニードル４００と仕切り板２１０との衝突が抑制されたことによるものである。

　図６を参照しながら、噴射制御装置２０において行われる具体的な処理の内容について説明する。図６に示される一連の処理は、駆動電圧の上限値を設定するために行われる処理であって、所定の周期が経過する毎に繰り返し実行されている。また、当該処理と並行して、内燃機関における燃料の噴射も繰り返し行われている。

　最初のＳ０１では、噴射指令値が閾値（ＴＭ１０）以下であるか否かが判定される。すなわち、噴射指令値が、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの期間の長さ以下であるか否かが判定される。本実施形態では、Ｓ０１は比較部に該当する。

　既に述べたように、噴射制御装置２０には、図３に示されるような噴射量とパルス幅との関係が予めマップとして記憶されている。当該関係は、燃料噴射弁１０の内部における燃料の圧力に応じて変化する。このため、噴射制御装置２０には、燃料の圧力に応じた複数のマップが記憶されている。

　噴射制御装置２０では、圧力検出装置３０で計測された圧力に基づいて適切なマップが選択される。その後、当該マップに基づいて、必要な噴射量（噴射量の目標値）が噴射指令値に換算される。Ｓ０１においてＴＭ１０と比較される噴射指令値は、以上のような方法で算出されたものである。この場合、噴射量算出部は、図３に示されるマップに基づいて噴射量の目標値を算出する。本実施形態では、噴射制御装置は噴射量算出部を有する。

　噴射指令値がＴＭ１０以下であれば、Ｓ０２に移行する。Ｓ０２では、駆動電圧の上限値が、Ｖ１０からＶ０５へと変更される。以降においては、図２を参照しながら説明したように、圧電アクチュエータ５００に印加される駆動電圧の大きさは、０からＶ０５までの範囲内となる。その後、燃料噴射弁１０では、このように駆動電圧が制限された状態において燃料の噴射が行われる。

　Ｓ０３では、実際の噴射量が算出される。既に述べたように、当該算出は、圧力検出装置３０によって計測された圧力の変動に基づいて行われる。本実施形態では、Ｓ０３は噴射量検知部に該当する。

　Ｓ０４では、噴射量のずれが所定の許容範囲に収まっているか否かが判定される。噴射量のずれとは、燃料噴射弁１０からの実際の噴射量と、図３に示されるマップに基づいて算出される噴射量と、差の絶対値のことである。本実施形態では、Ｓ０４は判定部に該当する。噴射量のずれが許容範囲内であれば、Ｓ０５に移行する。

　Ｓ０５では、Ｓ０１において噴射量指令値の算出に用いられたマップが更新される。具体的には、今回の噴射指令値に対応する噴射量の値が、Ｓ０３で算出された実際の噴射量の値となるようにマップが書き換えられる。これにより、燃料噴射弁１０の状態が経年劣化などによって変化した場合であっても、実際の噴射量が噴射量指令値から大きくずれてしまうようなことが抑制される。本実施形態では、Ｓ０５は更新部に該当する。

　Ｓ０４において、噴射量のずれが所定の許容範囲に収まっていなかった場合には、Ｓ０６に移行する。Ｓ０６に移行したということは、駆動電圧が上限値（Ｖ０５）以下となるように制限されても、噴射指令値と噴射量との関係が図３のように線形とはならなかったということである。換言すれば、設定された上限値（Ｖ０５）が適切ではなかったということである。このため、Ｓ０６では上限値が補正される。本実施形態では、Ｓ０６は補正部に該当する。

　例えば、噴射量指令値に対応する噴射量に比べて、実際の噴射量が少なかった場合には、上限値を増加させるような補正が行われる。逆に、噴射量指令値に対応する噴射量に比べて、実際の噴射量が多かった場合には、上限値を減少させるような補正が行われる。その後、Ｓ０２以降の処理が繰り返される。このような上限値の補正が行われる結果、噴射量のずれは次第に小さくなり、燃料の噴射量はより正確な値に近づくこととなる。

　Ｓ０７では、燃料の噴射率を変化するため、駆動電圧により、圧電アクチュエータ５００を制御する。それによって、Ｓ０７では、噴射口３１０の開度を変化するニードル４００を移動する。また、Ｓ０７では、ニードル４００が、最大噴射位置よりも開度が小さくなる位置として予め設定された抑制噴射位置、を超えない範囲で動作するように、圧電アクチュエータ５００の動作を制限する制限モードを実行する。本実施形態では、Ｓ０７は制御部に該当し、Ｓ０２とＳ０７は制限実行部に該当する。

　このように、本実施形態では、圧力検出装置３０によって検知された実際の噴射量に基づいて、駆動電圧の上限値が変更される。換言すれば、ニードル４００が移動し得る範囲のうちの上端（最も仕切り板２１０に近づいた場合の位置）である抑制噴射位置が変更される。実際の噴射量に基づいて抑制噴射位置が変更されるので、噴射指令値と噴射量との関係をより確実に線形に近づけることができる。

　Ｓ０１において、噴射指令値がＴＭ１０を超えている場合には、Ｓ０７では、駆動電圧により圧電アクチュエータ５００を制御する。それによって、Ｓ０７では、噴射口３１０の開度を変化するニードル４００を移動する。また、Ｓ０７では、ニードル４００が、噴射率が最大となる最大噴射位置まで移動するように圧電アクチュエータ５００の動作を制御する通常モードを実行する。具体的に、駆動電圧の上限値は制限されず、０からＶ１０までの範囲で圧電アクチュエータ５００に印加されることとなる。すなわち、図７や図８を参照しながら説明したような従来と同様の制御が行われる。その後、図６に示される一連の処理を終了する。この場合、Ｓ０７は通常実行部に該当する。

　本実施形態では、圧力検出装置３０で計測された圧力の変動に基づいて実際の燃料の噴射量が算出されている。このような態様に替えて、燃料の噴射量が別の方法で算出又は測定されることとしてもよい。例えば、ニードル４００の移動速度を測定し、その測定結果に基づいて燃料の噴射量が算出されることとしてもよい。

　また、駆動電圧の上限値が、実際の噴射量以外のパラメータに基づいて調整されることとしてもよい。例えば、ニードル４００の移動速度等に基づいて噴射率特性が算出され、噴射率特性に基づいて駆動電圧の上限値が調整されることとしてもよい。

　燃料噴射弁１０の内部に搭載されるアクチュエータは、本実施形態のようなピエゾ素子を有する圧電アクチュエータであってもよいが、ソレノイドを有するアクチュエータであってもよい。この場合、噴射制御装置は、ソレノイドに対して供給される電流の大きさを制限することにより、ニードル４００の動作範囲を調整することとなる。

　車両の複数気筒のそれぞれに燃料噴射弁１０が設けられており、これらの制御が噴射制御装置２０によって行われる場合には、それぞれの燃料噴射弁１０について検出された圧力の波形（圧力検出装置３０で検出された波形）を比較することによって気筒間の噴射量の差を低減するような制御が行われてもよい。例えば、検出されたそれぞれの圧力の波形に基づいて、燃料噴射弁１０に入力される矩形波の波形を気筒毎に調整すればよい。具体的には、圧力の波形のピーク値や、立ち上がり又は立下りのタイミングに基づいて開弁期間や閉弁期間を算出し、上記矩形波の波形を修正すればよい。

　以上、具体例を参照しつつ本開示の実施の形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本開示の特徴を含む限り本開示の範囲に包含される。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims

　内燃機関における燃料噴射弁（１０）の動作を制御する噴射制御装置（２０）であって、
　前記燃料噴射弁は、噴射口（３１０）の開度を変化させるための弁体（４００）をアクチュエータ（５００）によって移動させ、これにより燃料の噴射率を変化させる構成となっており、
　前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量の目標値である目標噴射量が、所定の閾噴射量よりも大きい場合には、前記弁体が、噴射率が最大となる最大噴射位置まで移動するように前記アクチュエータの動作を制御し、
　前記目標噴射量が前記閾噴射量以下である場合には、
　前記弁体が、前記最大噴射位置よりも開度が小さくなる位置として予め設定された抑制噴射位置、を超えない範囲で動作するように、前記アクチュエータの動作を制限する噴射制御装置。
　前記燃料噴射弁からの燃料の噴射量を検知する噴射量検知部（３０）を備えており、
　前記噴射量検知部で検知された噴射量に基づいて、前記抑制噴射位置が変更される、請求項１に記載の噴射制御装置。
　前記噴射量検知部は、前記燃料噴射弁の内部における燃料の圧力変動に基づいて噴射量を検知するものである、請求項２に記載の噴射制御装置。
　内燃機関に設けられた燃料を噴射する燃料噴射弁（１０）の動作を制御する噴射制御装置であって、
　燃料の噴射量の目標値である目標噴射量と、所定の閾噴射量とを比較する比較部（２０、Ｓ０１）と、
　前記燃料の噴射率を変化するため、駆動電圧により、前記燃料噴射弁のアクチュエータ（５００）を制御して、前記燃料噴射弁の噴射口（３１０）の開度を変化する弁体（４００）を移動する制御部（２０、Ｓ０７）と、
　を備え、
　前記制御部は、前記比較部が前記目標噴射量が前記閾噴射量よりも大きいと判定した場合に、前記弁体が、前記噴射率が最大となる最大噴射位置まで移動するように前記アクチュエータの動作を制御する通常モードと、前記比較部が前記目標噴射量が前記閾噴射量以下であると判定した場合に、前記弁体が、前記最大噴射位置よりも開度が小さくなる位置として予め設定された抑制噴射位置、を超えない範囲で動作するように、前記アクチュエータの動作を制限する制限モードとを実行する噴射制御装置。
　前記制御部は、
　前記通常モードを実行する通常実行部（２０、Ｓ０７）と、
　前記駆動電圧を上限値以下に制限して、前記制限モードを実行する制限実行部（２０、Ｓ０２、Ｓ０７）とを有する請求項４に記載の噴射制御装置。
　前記燃料の噴射量を検知する噴射量検知部（３０、Ｓ０３）と、
　前記噴射量検知部で検知された前記噴射量に基づいて、前記抑制噴射位置を変更する変更部（２０、Ｓ０６）と
　をさらに備える請求項５に記載の噴射制御装置。
　前記噴射量検知部は、前記燃料噴射弁の内部における前記燃料の圧力変動に基づいて前記噴射量を検知する請求項６に記載の噴射制御装置。
　前記変更部は、前記上限値を補正する補正部（２０、Ｓ０６）を有する請求項６または７に記載の噴射制御装置。
　前記噴射量を更新する更新部（２０、Ｓ０５）をさらに備える請求項６乃至８のいずれかの一つに記載の噴射制御装置。
　前記噴射量と前記目標噴射量との差の絶対値が所定の許容範囲に収まっているか否かを判定する判定部（２０、Ｓ０４）をさらに備え、
　前記変更部は、前記判定部が前記噴射量と前記目標噴射量との差の絶対値が所定の許容範囲に収まっていると判定した場合に、前記抑制噴射位置を変更し、
　前記更新部は、前記判定部が前記噴射量と前記目標噴射量との差の絶対値が所定の許容範囲に収まっていないと判定した場合に、前記噴射量を更新する請求項９に記載の噴射制御装置。
　前記目標噴射量を算出する噴射量算出部（２０）をさらに備える請求項４乃至１０のいずれかの一つに記載の噴射制御装置。