JP4535032B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータの変位に応じてノズルニードルのリフト量を調節可能な燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射装置に適用され、前記アクチュエータを操作することで燃料噴射制御を行う燃料噴射制御装置に関する。

例えば特許文献１に見られるように、ディーゼル機関の各気筒の燃料噴射弁に高圧の燃料を供給する共通の蓄圧室（コモンレール）を備える燃料噴射装置が周知である。コモンレール式のディーゼル機関の燃料噴射装置によれば、機関運転状態に応じてコモンレール内の燃圧を自由に制御することができ、ひいては燃料噴射弁に供給される燃圧を自由に制御することができる。このため、例えば、燃料噴射量が増加するほど燃圧を上昇させることで、燃料の増加にかかわらず適切な噴射期間内に燃料を噴射することが可能となる。

上記コモンレール内の燃圧は、燃料噴射弁を介して噴射される燃料の噴霧形状にも影響を与える。このため、ディーゼル機関の出力特性を良好とすべく、燃圧の設定によって燃料の噴霧形状を調節することも考えられる。しかし、この場合、噴射される燃料の粒径分布が燃圧に依存したものとなるとはいえ、燃料の粒径分布には広がりがある。このため、噴射される燃料は、その粒径の均一性に劣ったものとなる。このため、噴射燃料の全ての粒径を出力特性を良好とするのに適切なものとすることは非常に困難であった。

なお、燃料噴射装置としては、上記特許文献１の他、例えば下記特許文献２がある。
特開平６２−２５８１６０号公報 特開２００３−２１４３０２号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、噴射される燃料の粒径の均一性を高めることのできる燃料噴射制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、アクチュエータの変位に応じて噴射口を開閉するノズルニードルのリフト量を調節可能な燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射装置に適用され、前記アクチュエータを操作することで燃料噴射制御を行う燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射弁に対する燃料噴射の指令期間において、前記ノズルニードルのリフト量を複数回高低変動させる変動手段を備え、前記変動手段は、前記燃料噴射弁の開弁状態を保ちつつ前記リフト量を変動させる処理を行って且つ、前記リフト量を変動させる処理における最低リフト量を、前記ノズルニードル及び前記燃料噴射弁の内壁によって形成される燃料の流路面積が前記燃料噴射弁の噴射口の流路面積以上となるリフト量とすることを特徴とする。

上記構成では、ノズルニードルのリフト量を複数回高低変動させることで、燃料噴射弁内の燃料が噴射口を介して噴射されるに先立ち、同燃料に圧力脈動を生じさせることができる。これにより、噴射口からの燃料の噴射後における液柱破断を、ノズルニードルのリフト量の変動態様、すなわち圧力脈動の脈動態様に同期して促進することを可能とし、ひいては燃料の粒径の均一性を高めることができる。

また、上記構成では、燃料噴射弁の開弁状態を保ちつつリフト量を変動させるために、開弁及び閉弁を繰り返す場合と比較して、燃料噴射弁の閉弁回数を低減することができる。換言すれば、ノズルニードルの内壁（シート部）への着座による部材同士の衝突の回数を低減することができる。このため、燃料噴射弁の劣化を抑制することができる。

さらに、上記構成では、リフト量を変動させる際にノズルニードル及び内壁によって形成される流路面積の最小値が、燃料噴射弁の噴射口の流路面積よりも大きく設定される。このため、ノズルニードル及び内壁間の流路ではなく噴射口によって絞り効果が生じるため、燃料の噴射態様は、噴射口による絞り効果に依存することとなる。このため、噴射される燃料の特性が、リフト量の変動の中心に依存することを好適に抑制することができる。したがって、燃料の粒径を制御する際に調節するパラメータ数を低減することができ、粒径制御を簡易且つ適切に行うことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記変動手段は、前記リフト量を周期的に変動させるものであって且つ、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に応じて前記変動の周期を可変設定することを特徴とする。

変動の周期を調節することで、燃料噴射弁から噴出される燃料の粒径を調節することができる。一方、燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径は、レイノルズ数に代表される流れ場の状態に依存する。そして、流れ場の状態は、燃料の圧力に依存する。この点、上記構成では、燃料の圧力に応じて変動の周期を可変設定することで、変動の周期を、所望の粒径とする上で、燃料の圧力に見合った適切なものとすることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記変動手段は、前記燃料噴射弁に供給される燃料の温度に応じて前記変動の周期を可変設定することを特徴とする。

変動の周期を調節することで、燃料噴射弁から噴出される燃料の粒径を調節することができる。一方、燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径は、レイノルズ数に代表される流れ場の状態に依存する。そして、流れ場の状態は、燃料の温度に依存する。この点、上記構成では、燃料の温度に応じて変動の周期を可変設定することで、変動の周期を、所望の粒径とする上で、燃料の温度に見合った適切なものとすることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記アクチュエータがピエゾ素子からなり、前記変動手段は、前記ピエゾ素子の電気的な状態量を調節することで前記ノズルニードルのリフト量を調節することを特徴とする。

上記構成では、ピエゾ素子の伸長状態と相関を有するピエゾ素子の電気的な状態量に基づき、ノズルニードルのリフト量を調節することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記内燃機関が、筒内噴射式の内燃機関であることを特徴とする。

筒内噴射式の内燃機関にあっては、燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径が、内燃機関の出力特性に影響を与えやすい。この点、上記構成では、変動手段を備えることで、出力特性を良好とする制御が可能となる。また、筒内噴射式の内燃機関の場合、燃料噴射弁の噴射口を内燃機関の燃焼室に対向させる配置となるため、燃料噴射弁の先端部の大きさには、内燃機関の燃焼室の口径等から制約が生じることとなる。このため、燃料噴射弁内の燃料に圧力脈動を生じさせる手段を備えることが困難なものとなりやすい。この点、上記構成では、ノズルニードルのリフト量を変動させることで、燃料噴射弁の先端部の大型化を招くことなく、圧力脈動を生じさせることができる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記内燃機関がディーゼル機関であることを特徴とする。

ディーゼル機関は、燃焼室内に噴射される燃料が自己着火するものであるため、噴射される燃料の粒径が出力特性に特に影響を与えやすい。この点、上記構成では、変動手段を備えることで、出力特性を良好に制御することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかる燃料噴射制御装置をコモンレール式のディーゼル機関の燃料噴射制御装置に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、上記ディーゼル機関を含むエンジンシステムの全体構成を示す。図示されるように、ディーゼル機関１の燃料タンク２内の燃料は、クランク軸３により動力を付与される高圧燃料ポンプ４により汲み上げられ、調量弁５によって調量されて、コモンレール６に加圧供給（圧送）される。コモンレール６は、高圧燃料ポンプ４から供給される燃料を高圧状態で蓄える蓄圧室であって且つ気筒間で共有される蓄圧室である。コモンレール６に蓄えられた燃料は、高圧燃料通路８を介してピエゾインジェクタ１０に供給される。ピエゾインジェクタ１０の先端部は、ディーゼル機関１の燃焼室１１に突出しており、燃料を燃焼室１１に直接噴射可能となっている。ピエゾインジェクタ１０は、低圧燃料通路１２とも接続されており、低圧燃料通路１２を介して燃料タンク２に燃料の流出が可能となっている。

図２に、ピエゾインジェクタ１０の構成を示す。

ピエゾインジェクタ１０のボディ３０の先端部には、ボディ３０の内部とピエゾインジェクタ１０の外部とを連通させる噴射口３２が形成されている。ボディ３０の内壁のうち、噴射口３２近傍は、ノズルニードル３４を着座させるニードルシート部３３となっている。また、ボディ３０内部には、ノズルニードル３４、ニードルストッパ３６及びバランスピストン３８が先端部側から順に連結され、ボディ３０の内壁に沿ってその軸方向に変位可能に収納されている。ノズルニードル３４とボディ３０の内壁とによって区画形成されるニードル室３５と、バランスピストン３８の背面側のバランス室３９とには、上記高圧燃料通路８から高圧燃料が供給される。

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

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

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

上記ピエゾ素子５２は、複数の圧電素子が積層されてなる積層体（ピエゾスタック）を備え、これが逆圧電効果により伸縮することによりアクチュエータとして機能する。具体的には、ピエゾ素子５２は、容量性の負荷であり、充電されることで伸長し、放電されることで縮小する。ちなみに、本実施形態にかかるピエゾ素子５２は、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電素子を利用したものである。

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

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

このピエゾインジェクタ１０では、ピエゾ素子５２の変位量に応じて、ノズルニードル３４のボディ３０の後方への変位量であるリフト量が変化する。このため、ピエゾインジェクタ１０の閉弁に対応するリフト量ゼロから最大のリフト量であるフルリフト量までの間で、リフト量を任意に制御することができる。

先の図１に示すエンジンシステムは、更に、コモンレール６内の燃圧を検出する燃圧センサ２０や、高圧燃料ポンプ４内の燃料の温度を検出する温度センサ２２、ディーゼル機関１のクランク軸３の回転角度を検出するクランク角センサ２４、ユーザによるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ２６等、各種センサを備えている。

一方、電子制御装置（ＥＣＵ６０）は、マイクロコンピュータやメモリ等を備えて構成され、上記各種センサの検出値に基づき、調量弁５やピエゾインジェクタ１０等のディーゼル機関１の各種アクチュエータを操作することで、ディーゼル機関１の出力を制御する。例えば、アクセルペダルの操作量及び回転速度に基づき、コモンレール６内の燃圧を設定する。また、アクセルペダルの操作量及びクランク軸３の回転速度に基づき、ピエゾインジェクタ１０の噴射量の指令値（指令噴射量）を設定する。そして、コモンレール６内の燃圧と指令噴射量とに基づき、ピエゾインジェクタ１０の開弁期間の指令値である噴射期間の指令値（指令噴射期間）を設定する。

図３に、ＥＣＵ６０の構成のうち、特にピエゾインジェクタ１０を操作する部分の構成を示す。図示されるように、ＥＣＵ６０は、駆動回路とマイクロコンピュータ（マイコン６２）とを備えている。ここで、駆動回路について説明する。

図示されるように、外部のバッテリＢから駆動回路に供給される電力は、まず昇圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ７０に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、バッテリＢの電圧（例えば「１２Ｖ」）を、ピエゾ素子５２を充電するための高電圧（例えば「２００〜３００Ｖ」）に昇圧する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の昇圧電圧は、コンデンサ７２に印加される。コンデンサ７２は、その一方の端子がＤＣ／ＤＣコンバータ７０側に接続され、また他方の端子が接地されている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の昇圧電圧がコンデンサ７２に印加されると、コンデンサ７２はピエゾ素子５２に供給するための電荷を蓄える。

コンデンサ７２のうちの高電位となる端子側、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０側は、充電スイッチ７４と充放電コイル７６との直列接続体を介して、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側に接続されている。そして、ピエゾ素子５２の低電位となる端子側は、接地されている。充電スイッチ７４と充放電コイル７６との間には、放電スイッチ７８の一方の端子が接続されており、放電スイッチ７８の他方の端子は、接地されている。

放電スイッチ７８には、接地側からコンデンサ７２及び充放電コイル７６間側に向かう方向を順方向とする態様にて、ダイオード８０が並列接続されている。このダイオード８０は、コンデンサ７２、充電スイッチ７４、充放電コイル７６と共に、ピエゾ素子５２を充電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。

一方、充電スイッチ７４には、放電スイッチ７８側からコンデンサ７２側へと向かう方向を順方向とする態様にて、ダイオード８２が並列接続されている。このダイオード８２は、コンデンサ７２、充放電コイル７６、放電スイッチ７８と共に、ピエゾ素子５２の電荷を放電するチョッパ回路を構成するものであり、フリーホイーリングダイオードとして機能する。

上記構成の駆動回路は、マイコン６２により駆動される。詳しくは、マイコン６２では、ディーゼル機関１の運転状態等を検出する各種センサの検出値や、ノードＮ１を介して検出されるピエゾ素子５２の電圧、ノードＮ２を介して検出されるピエゾ素子５２の電流に基づき、充電スイッチ７４や放電スイッチ７８を操作する。これら各操作は、図４に示す態様にて行なわれる。

図４（ａ）に充電スイッチ７４の操作態様の推移を示し、図４（ｂ）に放電スイッチ７８の操作態様の推移を示し、図４（ｃ）にピエゾ素子５２を介して流れる電流（操作電流）の推移を示し、図４（ｄ）にピエゾ素子５２の電圧（操作電圧）の推移を示す。

図示されるように、充電スイッチ７４のオン・オフ操作によるチョッパ制御により、操作電流を増減させつつピエゾ素子５２の充電がなされる。具体的には、充電スイッチ７４がオン操作されることによって、コンデンサ７２、充電スイッチ７４、充放電コイル７６、ピエゾ素子５２からなる閉ループ回路が形成される。これにより、コンデンサ７２の電荷がピエゾ素子５２に充電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が増加する。一方、充電スイッチ７４のオン操作の後、充電スイッチ７４がオフ操作されることで、充放電コイル７６、ピエゾ素子５２、ダイオード８０からなる閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル７６のフライホイールエネルギが、ピエゾ素子５２に充電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が減少する。

上記態様にて充電スイッチ７４が操作される降圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子５２が充電され、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側の電位が上昇する。

一方、放電スイッチ７８のオン・オフ操作によるチョッパ制御により、操作電流を増減させつつピエゾ素子５２の放電がなされる。具体的には、放電スイッチ７８がオン操作されることで、放電スイッチ７８、充放電コイル７６、ピエゾ素子５２によって閉ループ回路が形成される。これにより、ピエゾ素子５２が放電される。このとき、ピエゾ素子５２を介して流れる電流量が増加する。更に、放電スイッチ７８のオン操作の後、放電スイッチ７８がオフ操作されることで、コンデンサ７２、ダイオード８２、充放電コイル７６、ピエゾ素子５２によって閉ループ回路が形成される。これにより、充放電コイル７６のフライホイールエネルギがコンデンサ７２に回収される。

上記態様にて放電スイッチ７８が操作される昇圧チョッパ制御が行われることで、ピエゾ素子５２が放電され、ピエゾ素子５２の高電位となる端子側の電位が低下する。

本実施形態では、上記充電スイッチ７４及び放電スイッチ７８の操作を、予め定められた規定時間に渡ってオン状態として且つピエゾ素子５２を介して流れる電流がゼロとなることでオフ状態からオン状態へと切り替えるいわゆるオン時間一定操作として行う。これにより、ピエゾ素子５２のエネルギの変化速度を一定とすることができる。このため、オン時間一定操作によってピエゾ素子５２の充電を行うことで、充電時間によって、ピエゾ素子５２に供給されるエネルギを制御することができる。そして、ピエゾ素子５２は、エネルギが一定であれば温度にかかわらずその伸長量が略一定となるため、上記オン時間一定操作を行なうことで、簡易な処理にてノズルニードル３４のリフト量を制御することができる。これに対し、ピエゾ素子５２の電圧を用いて充電処理を管理する場合には、ピエゾ素子５２の温度によってピエゾ素子５２の伸長量が変化するため、ノズルニードル３４のリフト量を高精度に制御するためには、ピエゾ素子５２の目標電圧の温度補正を行う必要がある。なお、エネルギを一定とした場合にピエゾ素子５２の変位量が略一定となることについての詳細は、例えば特開２００５−１３０５６１号公報に記載されている。また、上記態様のチョッパ制御により単位時間当たりのピエゾ素子５２に供給されるエネルギ量を一定とすることができることについては、例えば特開２００２−１３１５６号公報に記載されている。

ところで、ピエゾインジェクタ１０を用いた燃料噴射制御に際しては、ディーゼル機関１の排気特性等の出力特性を良好に制御すべく、ピエゾインジェクタ１０から噴射される燃料の噴霧形状を調節することが望まれる。ピエゾインジェクタ１０から噴射される燃料の噴霧形状は、上記ピエゾインジェクタ１０の噴射口３２の口径と、コモンレール６内の燃圧とに依存している。ここで、コモンレール６内の燃圧は、制御によって調節可能なパラメータであり、燃圧を高くするほど、噴射される燃料の粒径を小さくすることができる。このため、噴霧形状を調節する観点からコモンレール６内の燃圧を調節することが望ましい。しかし、実際には、以下のような制約がある。

図５に、本実施形態にかかるディーゼル機関１の回転速度及び負荷によって定まる運転領域を示す。以下、図示される各領域の定義、同領域特有の制約、及び同領域に望まれる噴霧形状等を記載する。

アイドル領域…低負荷低回転領域。ディーゼル機関１の回転速度や出力トルクが小さいため、機関駆動式の高圧燃料ポンプ４によって、コモンレール６内の燃圧を上昇させることができない。一方、騒音の低減から、着火遅れを抑制し、予混合燃焼の割合を低減させることが望まれるため、噴霧粒径の微細化が要求される。また、未燃燃料の排出抑制の観点からも、噴霧粒径の微細化が望まれる。

始動領域…ディーゼル機関１がスタータモータによりクランキングされてアイドル回転速度まで上昇するまでの燃料噴射領域。アイドル回転速度よりも高負荷領域にまで伸びた領域となっている。ディーゼル機関１の回転速度が低いため、機関駆動式の高圧燃料ポンプ４によって、コモンレール６内の燃圧を十分に上昇させることができない。また、燃料噴射装置の信頼性の確保の観点からも、コモンレール６内の燃圧を十分に上昇させることができない。しかし、始動の迅速化や未燃燃料の排出抑制の観点から、燃焼しやすい微細な粒径の噴霧を生成する要求がある。

エミッション領域…例えば１０−１５モード等の所定の走行パターンにおいて排気特性に最も影響を与える領域。コモンレール６の信頼性の向上等の観点からは、コモンレール６内の燃圧を極力低圧化することが望まれる。しかし、一方で、排気特性を良好に保つべく、噴霧形状の微細化が要求される。

常用域…上記３つのいずれにも属しない領域。エミッション領域と同様の制約及び要求がある。

全負荷領域…常用域のうち負荷が最大となる領域。ここでも、コモンレール６の信頼性の向上等の観点からは、コモンレール６内の燃圧を極力低圧化したい。しかし、排気温度の低減のため、燃料噴射を早期に終了する要求があり、このため、噴射期間を短縮すべく、燃圧の上昇が望まれる領域となっている。

上記のように、基本的には噴霧粒径の微細化が望まれる反面、微細化にとって有効な燃圧の上昇には制約がある。更に、燃圧をある程度高くできる場合であっても、図６（ａ）に示す問題がある。すなわち、上述したようにピエゾインジェクタ１０から噴射される燃料の噴霧粒径は噴射口３２の口径及び長さと燃圧とに依存しており、燃圧が高いほど微細化が促進されるとはいえ、噴射される粒径の分布には広がりが生じる。このため、所定の割合の粒径を所望の大きさ以下とすることができたとしても、残りのものについては所望の大きさを上回ることとなり、これが排気特性の低下をもたらすおそれがある。

そこで本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、燃料噴射の指令期間において、ノズルニードル３４のリフト量に振動を加える（リフト量を複数回高低変動させる）処理を行う。これにより、ピエゾインジェクタ１０内において、燃料の圧力脈動を生じさせることができる。これにより、噴射口３２から噴射された燃料の液柱破断を、ノズルニードル３４のリフト量の変動態様、すなわち圧力脈動態様に同期して促進することを可能とし、ひいては粒径の均一性を向上させることができる。詳しくは、燃料噴射の指令期間に渡って、ピエゾインジェクタ１０の開弁状態を保ちつつリフト量を変動させる。これにより、ノズルニードル３４がニードルシート部３３に毎回着座する場合と比較して、ピエゾインジェクタ１０の劣化を抑制することができる。また、リフト量の変動をリフト量の周期的な増大及び減少として行って且つ、変動の周波数を可変とすることで、粒径を調節する。図７に、変動の周波数及び燃圧と粒径との関係を示す。図示されるように、燃圧が高いほど、また、周波数が高いほど、粒径を小さくすることができる。

更に、本実施形態では、図８に示すように、リフト量を変動させるに際しての最低のリフト量を、ノズルニードル３４とニードルシート部３３とによって形成される流路面積Ｓが、噴射口３２の開口面積ｓよりも大きくなるリフト量とする。これにより、ピエゾインジェクタ１０内から外部へと噴射される燃料の流路において、流路面積が最小となるのは、噴射口３２部分となる。このため、絞り効果が生じるのは噴射口３２部分となるため、ノズルニードル３４及びニードルシート部３３間の絞り効果であるシート絞り効果を無視することができる。そして、この場合、噴射される燃料の噴霧形状が、リフト量の変動中心に依存することを好適に抑制することができる。このため、リフト量の変動の周波数によって粒径を所望に制御することができる。これに対し、変動に際しての最低のリフト量において、上記流路面積Ｓが上記開口面積ｓよりも小さくなる場合、シート絞り効果が支配的となる。そして、噴霧形状は、リフト量の変動中心に大きく依存することとなる。このため、所望の噴霧形状とするためには、変動中心の適合を行うことや、変動中心を高精度に制御することが要求される。

詳しくは、図９に示すように、指令噴射期間に渡ってピエゾ素子５２の充電処理及び放電処理を周期的に行うことで、ノズルニードル３４のリフト量を周期的に変動させる処理を行う。図１０に、上記マイコン６２の行う処理のうち、リフト量を周期的に変動させる処理に関する機能ブロック図を示す。

周波数設定部Ｂ１０は、燃圧センサ２０によって検出されるコモンレール６内の燃圧（実燃圧）と要求される噴霧粒径とに基づき、リフト量の変動周波数ｆを設定する部分である。ここで、実燃圧と噴霧形状の要求とに応じて周波数ｆを設定するのは、先の図７に示した関係を根拠としている。この設定は、例えばマップ演算によって行えばよい。すなわち、実燃圧が与えられたときに噴霧形状を要求値とするために最適な周波数ｆを予め実験等によって求め、これに基づきマップを作成してマイコン６２に記憶させておけばよい。なお、噴霧粒径の要求値は、ディーゼル機関１の運転領域に応じて設定されるようにすればよい。

ちなみに、上記周波数ｆの算出は、図１０に示すように、温度センサ２２の温度に基づき行ってもよい。これは、燃料の噴霧形状がレイノルズ数に代表される流れ場の状態に依存することによる。そして、流れ場の状態と相関を有するパラメータには、上記燃圧のみならず、燃料の粘性がある。そして、燃料の粘性は燃料の温度に依存するため、燃料の温度に基づき周波数ｆを設定することも有効である。

遅延時間算出部Ｂ１２は、ノズルニードル３４のリフト量が、先の図８に示した流路面積Ｓが開口面積ｓよりも大きくなるリフト量の最小値Ｌｍｉｎとなるまでの遅延時間Ｔｄｅｌａｙ（図９（ｂ）参照）を設定する部分である。すなわち、上述したように、充電処理時間に比例してピエゾ素子５２に蓄えられるエネルギ量を増加させることができ、更にピエゾ素子５２のエネルギ量によってリフト量を一義的に設定することができるため、遅延時間によって上記最小値Ｌｍｉｎとなる時間を定めることができる。なお、遅延時間を定めるために実燃圧を用いたのは、ピエゾ素子５２に蓄えられるエネルギとリフト量との関係には、燃圧依存性があるためである。このため、最小値Ｌｍｉｎとするためにピエゾ素子５２に投入すべきエネルギ量は燃圧に応じて異なる。このため、燃圧に応じて最小値Ｌｍｉｎとなる時間も変化することとなる。

マージン算出部Ｂ１４は、リフト量を変動させる際の最低のリフト量が上記最小値Ｌｍｉｎ以下とならないためのマージン量Ｔｃｕｓｉｏｎ（図９（ｂ）参照）を設定する部分である。これは、本実施形態では、リフト量を変動させる処理における充電時間と放電時間との比を、簡易的に一定としていることと関連してなされる処理である。ピエゾ素子５２の放電初期速度は、ピエゾ素子５２の放電開始直前の電圧が高いほど大きくなる。このため、周波数が小さくなることで充電時間が増加しピエゾ素子５２の電圧が高くなるほどピエゾ素子５２の放電初期速度が大きくなり、ひいては、一回の放電処理によるピエゾ素子５２の収縮量が増大する傾向にある。このため、マージン算出部Ｂ１４では、周波数ｆに応じて、マージン量Ｔｃｕｓｉｏｎを設定する。

駆動開始時期算出部Ｂ１６は、ピエゾインジェクタ１０に対する噴射開始時期の指令値（指令噴射開始時期）と実燃圧とに基づき、ピエゾインジェクタ１０を開弁させるべく、ピエゾ素子５２の駆動開始時期Ｔ０（図９（ｂ）参照）を算出する部分である。これは、ピエゾ素子５２の充電開始からノズルニードル３４が実際に開弁するまでには応答遅れが生じることに鑑み、指令噴射開始時期に対して駆動開始時期Ｔ０を先行させるためになされる処理である。そして、この応答遅れは、燃圧に応じて変化する。このため、指令噴射開始時期と実燃圧とに基づき、駆動開始時期Ｔ０を設定する。

比較部１８は、駆動開始時期Ｔ０とマージン量Ｔｃｕｓｉｏｎと遅延時間Ｔｄｅｌａｙとの和を、時刻ｔと比較する。

セレクタ部Ｂ２０は、時刻ｔが上記和以上となることで、比較部１８により、その出力を、「０」から、周波数設定部Ｂ１０の出力する周波数ｆに切り替える。

噴射終了時期設定部Ｂ２２は、指令噴射開始時期Ｔｓｏｉと指令噴射期間とに基づき、噴射終了時期Ｔｓｔｏｐを算出する。

上記構成によれば、駆動開始時期Ｔ０に対して、マージン量Ｔｃｕｓｉｏｎと遅延時間Ｔｄｅｌａｙの和の時間が経過するタイミングで、リフト量の周期的な変動の処理がなされることとなる。なお、リフト量の周期的な変動処理における充電処理は、例えば周波数ｆに応じて定まる充電期間内に、上記充電スイッチ７４のオン・オフ操作を繰り返すことで行うこともできる。しかしこの場合、スイッチング周波数を高くする必要が生じる。このため、上記充電期間内で充電スイッチ７４のオン・オフ操作を一度のみ行うようにすることが望ましい。すなわち、周波数ｆに応じて定まる充電処理時間内において、充電スイッチ７４をオンとすることでピエゾ素子５２を介して流れる電流を漸増させた後、充電スイッチ７４をオフとすることでピエゾ素子５２を介して流れる電流を漸減させる処理を一度のみ行うことが望ましい。そして、この際、充電開始から漸減する電流量が略ゼロとなるまでの期間が、上記充電処理時間と一致するように予め適合によって充電スイッチ７４のオン操作時間を設定することが望ましい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）ピエゾインジェクタ１０に対する指令噴射期間において、ノズルニードル３４のリフト量を複数回高低変動させた。これにより、噴射口３２から噴射される燃料の粒径の均一性を高めることができる。

（２）ピエゾインジェクタ１０の開弁状態を保ちつつリフト量を変動させる処理を行った。これにより、ピエゾインジェクタ１０の閉弁、すなわちノズルニードル３４の内壁（ニードルシート部３３）への着座の回数を低減することができ、ひいてはピエゾインジェクタ１０の性能劣化を抑制することができる。

（３）リフト量を変動させる処理における最低リフト量を、ノズルニードル３４及びピエゾインジェクタ１０の内壁によって形成される燃料の流路面積が噴射口３２の流路面積以上となるリフト量とした。これにより、粒径制御を簡易且つ適切に行うことができる。

（４）リフト量を周期的に変動させるに際し、ピエゾインジェクタ１０に供給される燃料の圧力（コモンレール６内の燃圧）に応じて変動の周期を可変設定した。これにより、周波数ｆを、燃料の圧力に見合った適切なものとすることができる。

（５）ピエゾインジェクタ１０に供給される燃料の温度に応じて変動の周期を可変設定した。これにより、周波数ｆを、燃料の温度に見合った適切なものとすることができる。

（６）ピエゾ素子５２の電気的な状態量としてのエネルギ量を調節することでノズルニードル３４のリフト量を調節した。これにより、ノズルニードル３４のリフト量を適切に調節することができる。

（７）内燃機関としてディーゼル機関１を用いた。ディーゼル機関１は、燃焼室１１内に噴射される燃料が自己着火するものであるため、噴射される燃料の粒径が出力特性に特に影響を与えやすい。この点、本実施形態では、上記リフト量の変動処理により、出力特性を良好に制御することができる。また、ディーゼル機関１は、筒内噴射式の内燃機関であることから、ピエゾインジェクタ１０の噴射口３２を燃焼室１１に対向させる配置となるため、ピエゾインジェクタ１０の先端部の大きさには、燃焼室１１の口径等から制約が生じる。このため、ピエゾインジェクタ１０内の燃料に圧力脈動を生じさせる手段を備えることが困難なものとなりやすい。この点、ノズルニードル３４のリフト量を変動させることで、ピエゾインジェクタ１０の先端部の大型化を招くことなく、圧力脈動を生じさせることができる。

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

上記実施形態では、リフト量の変動処理におけるリフト量の振幅が周波数ｆによって変化する例を示した。これに対し、本実施形態では、周波数ｆにかかわらず、リフト量の変動の振幅を一定とする処理を行う。こうした制御をすべく、本実施形態では、ノズルニードル３４のリフト量を、ピエゾ素子５２の電気的な状態量としてのピエゾ素子５２の電圧によって調節する。

図１１に、本実施形態にかかる燃料噴射制御の態様を示す。図示されるように、本実施形態では、ピエゾ素子５２の電圧を上限値Ｖｔと下限値Ｖｂとの間で周期的に変化させることで、リフト量を周期的に変動させる。ここで、下限値Ｖｂは、先の図９に示したリフト量の最小値Ｌｍｉｎ以上のリフト量を実現可能な電圧とされている。この電圧は、ピエゾ素子５２の伸長量が温度に応じて変化することに鑑み、想定されるあらゆる温度において上記最小値Ｌｍｉｎ以上のリフト量を実現可能な電圧として設定すればよい。また、これに代えて、ピエゾ素子５２の温度に応じて下限値Ｖｂを可変設定することも可能である。

詳しくは、ピエゾ素子５２の電圧が上限値Ｖｔとなることで充電処理を終了した後は、周波数ｆの逆数である周期Ｔのうちの充電期間の終了まで待機する。そして、充電期間が終了すると、放電処理を行いピエゾ素子５２の電圧が下限値Ｖｂとなることで放電処理を終了した後は、周期Ｔのうち放電期間の終了まで待機する。これにより、ノズルニードル３４のリフト量は、下限値Ｖｂに対応するリフト量の極小値Ｌｂと、上限値Ｖｔに対応するリフト量の極大値Ｌｔとの間で周期的に変動することとなる。

以上説明した本実施形態によっても、先の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

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

・上記各実施形態では、要求される粒径が小さいほどリフト量の変動周波数を高くすることとしたが、これに限らず、図１２に示す性質を利用することで粒径の微細化を狙って周波数を低くしてもよい。すなわち、リフト量の変動周波数を低くしていくと、噴射口３２から噴射される燃料の粒径は大きくなるものの、この粒径がある程度大きくなると、燃料が噴射口３２から噴射された後、複数の小さい粒子に***する現象が生じる。このため、周波数を低くしていくことで、噴射口３２から噴射された後の燃料の粒径を微細化することが可能となる。

・上記実施形態では、粒径を小さくするために本発明を適用したが、粒径を大きくする要求が生じた場合であっても、粒径を均一化することのできる本発明の適用は有効である。

・ピエゾ素子５２の充放電処理の態様としては、先の図４に例示したものに限らない。例えばピエゾ素子５２を介して流れる電流量が規定値となることで充電スイッチ７４をオフとして且つ同電流量がゼロとなることで充電スイッチ７４を再度オンとする態様にて受電処理を行ってもよい。また、例えば特開平２００５−３９９９０号公報に例示されるように、ピエゾ素子５２に与える電力をフィードバック制御する態様にて充電処理を行ってもよい。

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

・ノズルニードル３４のリフト量の変動態様は、先の図９、図１１に例示したものに限らず、例えば、リフト量がサインカーブを描いて変動するようにしてもよい。更に、変動は一定の周期で行うものにも限らない。また、上記各実施形態では、最小値Ｌｍｉｎに基づきリフト量を定めたが、ピエゾインジェクタ１０の噴射率を調節する観点からリフト量を定めてもよい。この場合であっても、最低リフト量を最小値Ｌｍｉｎ以上とするとの制約を設けることで、粒径の制御を簡易且つ高精度に行うことができる。最も、最低リフト量が最小値Ｌｍｉｎを下回ったとしても、粒径の均一化を向上させる効果を奏することはできる。

・ピエゾ素子５２の変位に応じてノズルニードル３４のリフト量を連続的に調節可能なピエゾインジェクタ１０としては、先の図２に例示したものに限らない。例えば図１３に例示するものであってもよい。なお、図１３において、先の図２に示した部材と対応する部材については便宜上同一の符号を付している。このピエゾインジェクタ１０ａでは、ピエゾ素子５２がノズルニードル３４に直結されているため、先の図２に示したピエゾインジェクタ１０のように流体の緩衝作用による応答遅れがなく、ピエゾ素子５２の伸長動作をノズルニードル３４に直接伝達することができる。ただし、この場合、ノズルニードル３４がニードルシート部３３に着座するたびにピエゾ素子５２に大きな衝撃が伝わるために、先の図２に示したピエゾインジェクタ１０と比較してピエゾ素子５２が劣化しやすい懸念がある。

なお、図１３に示すピエゾインジェクタ１０ａは、その構成上、ピエゾ素子５２が充電されることで閉弁し、放電されることで開弁するノーマリーオープンタイプのものとなっている。しかし、ピエゾ素子５２とノズルニードル３４とが連結される構造であっても、例えばピエゾ素子５２がＵ字型の部材によってノズルニードル３４と連結され、ピエゾ素子５２がピエゾインジェクタ１０の後部に向けて伸長することでノズルニードル３４が開弁する構造とするなら、ノーマリークローズタイプの燃料噴射弁とすることができる。

・更に、アクチュエータの変位に応じてノズルニードル３４のリフト量を調節可能な燃料噴射弁としては、ピエゾインジェクタ１０に限らない。例えばステップモータを用いてノズルニードル３４のリフト量を段階的に調節するものであってもよい。

・内燃機関としては、ディーゼル機関１に限らず、例えばガソリン機関であってもよい。この場合、筒内噴射式のガソリン機関にあっては、燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径が内燃機関の出力特性に影響を与えやすいために、本発明の作用効果を特に好適に奏することができる。更に、筒内噴射式の内燃機関の場合、燃料噴射弁の噴射口を燃焼室に対向させる必要から、燃料噴射弁の先端部の大きさに燃焼室の大きさに基づく制約が生じる。これに対し、ノズルニードルのリフト量を変動させることによって燃料噴射弁の内部に圧力脈動を生じさせるなら、圧力脈動を生じさせる手段を設けることによる燃料噴射弁の先端部の大型化を回避することもできる。

第１の実施形態にかかるエンジンシステムの全体構成を示す図。 同実施形態にかかるピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。 同実施形態のＥＣＵの内部構成を示す図。 同実施形態にかかるピエゾ素子の充電処理及び放電処理の態様を示すタイムチャート。 同実施形態にかかるディーゼル機関の運転領域を示す図。 同実施形態にかかるピエゾインジェクタの操作態様を示す図。 リフト量の変動周波数と噴霧粒径との関係を示す図。 上記実施形態にかかるピエゾインジェクタのリフト量の制御態様を示す図。 同実施形態にかかるリフト量の変動処理の態様を示すタイムチャート。 同実施形態にかかるリフト量の変動処理に関する機能ブロック図。 第２の実施形態にかかるリフト量の変動処理の態様を示すタイムチャート。 ピエゾインジェクタ１０から噴射された後の燃料の粒径と周波数との関係を示す図。 上記各実施形態の変形例におけるピエゾインジェクタの断面構成を示す断面図。

符号の説明

１０…ピエゾインジェクタ、３２…噴射口、３４…ノズルニードル、５２…ピエゾ素子、６２…マイコン（燃料噴射制御装置の一実施形態）。

Claims (6)

1. アクチュエータの変位に応じて噴射口を開閉するノズルニードルのリフト量を調節可能な燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射装置に適用され、前記アクチュエータを操作することで燃料噴射制御を行う燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射弁に対する燃料噴射の指令期間において、前記ノズルニードルのリフト量を複数回高低変動させる変動手段を備え、
   前記変動手段は、前記燃料噴射弁の開弁状態を保ちつつ前記リフト量を変動させる処理を行って且つ、前記リフト量を変動させる処理における最低リフト量を、前記ノズルニードル及び前記燃料噴射弁の内壁によって形成される燃料の流路面積が前記燃料噴射弁の噴射口の流路面積以上となるリフト量とすることを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 前記変動手段は、前記リフト量を周期的に変動させるものであって且つ、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に応じて前記変動の周期を可変設定することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記変動手段は、前記燃料噴射弁に供給される燃料の温度に応じて前記変動の周期を可変設定することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記アクチュエータがピエゾ素子からなり、
   前記変動手段は、前記ピエゾ素子の電気的な状態量を調節することで前記ノズルニードルのリフト量を調節することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記内燃機関が、筒内噴射式の内燃機関であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
6. 前記内燃機関がディーゼル機関であることを特徴とする請求項５記載の燃料噴射制御装置。

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