JP4631188B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り換えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾスタックに通電すための充放電回路部や、充放電電流や充電量等を制御するための制御部からなる。また、充放電回路部とピエゾスタックとを接続し充電電流および放電電流を流す通電ワイヤが設けられている。
【０００３】
充放電回路部の構成としては多重スイッチング方式のものが知られている。これは蓄電用のバッファコンデンサからインダクタを介してピエゾスタックに充電する第１の通電経路が形成されるとともに、バッファコンデンサをダイオードによりバイパスする第２の通電経路が形成されており、オンオフするスイッチング素子により第１の通電経路を繰り返し開閉することにより、スイッチング素子のオン期間には第１の通電経路によりピエゾスタックに漸増する充電電流を流し、スイッチング素子のオフ期間にはインダクタに蓄積されたエネルギーを消費しながら第２の通電経路によりピエゾスタックに漸減する充電電流を流すものである。なお、放電は別のスイッチング素子をオンオフすることにより両通電経路に逆方向の放電電流を流すことでなされる。
【０００４】
ピエゾスタックの充電や放電はその両端間電圧をモニタしながら行い、例えばそれが目標電圧に達すると充電完了となる。ピエゾスタックの両端間電圧の検出は、通電ワイヤとの接続端子を検出点として行っている。
【０００５】
また、燃料噴射装置として、高圧サプライポンプにより昇圧した燃料をコモンレールに蓄え、該コモンレールからインジェクタに燃料を供給するコモンレール式のものが知られているが、その中には、コモンレールからの燃料をインジェクタの制御油として用いるものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピエゾスタックの充電時には、ピエゾスタックの両端間電圧が上昇してその前記接続端子におけるモニタ電圧も上昇するが、通電ワイヤのインピーダンスによる電圧降下の分、検出電圧が変動し、検出誤差が生じる。図７は、前記多重スイッチング方式の回路における、充電から放電までのモニタ電圧を示すもので、スイッチング素子がオンオフして充電電流、放電電流が前記のごとく漸増と漸減とを繰り返すため、鋸状にモニタ電圧が変動することになる。
【０００７】
また、ピエゾスタックは前記のごとく容量性素子であり、充電が完了してスイッチング素子がオフに固定されても、充電保持状態を保つ。このため充電完了後に通電ワイヤの断線等でピエゾスタックと充放電回路部との導通不良が生じると、放電不能となる。これは、前記燃料噴射装置であれば、燃料噴射を停止することができなくなるという問題を引き起こす。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成で、ピエゾスタックの両端間電圧を高精度にモニタすることができ、しかも、通電ワイヤの断線時等にも放電が可能なピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有し、コモンレールに蓄えられた高圧の燃料が供給されて該燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記コモンレールから燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を前記低圧源側のポートを閉鎖可能に配設してなり該弁体のリフト量が大きくなるに応じて前記背圧室の圧力を低下せしめる背圧増減手段と、前記弁体を押圧駆動するピエゾスタックを有し該ピエゾスタックの充電量が多いほど前記弁体のリフト量を増大せしめるピエゾアクチュエータとを備えたインジェクタと、
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの充電と放電とを行う充放電回路部と、ピエゾスタックの両端間電圧をモニタしながら充放電回路部によるピエゾスタックへの通電を制御する制御部と、充放電回路部とピエゾスタックとを接続し充電電流および放電電流を流す通電ワイヤとを有して、ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備し、
前記ピエゾアクチュエータ駆動回路は、
前記ピエゾスタックの非接地側の端子に、前記通電ワイヤとは別の検出ワイヤを接続してピエゾスタックの両端間電圧のモニタ信号を充放電回路部に取り込み、
かつ、検出ワイヤを介してピエゾスタックと並列に抵抗器を接続してピエゾスタックの放電電流を抵抗器に流す放電用の回路を形成するとともに、該放電用回路を開閉するフェールセーフ用のスイッチ手段を設ける。
【００１０】
検出ワイヤには充電電流等は流れないので、高精度にピエゾスタック両端間電圧を検出することができる。しかも、通常のピエゾスタックの放電が不能となっても、フェールセーフ用スイッチ手段をオンすることで検出ワイヤを使ってピエゾスタックの強制的な放電が可能となる。この放電に際しては、単純にフェールセーフ用スイッチ手段をオン側に切り替えるだけであるから制御負担が軽い。
【００１２】
簡単な構成で、ピエゾスタックの両端間電圧を高精度にモニタすることができ、しかも、通電ワイヤの断線時等にも放電が可能となる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記制御部を、
燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉する通電制御を実行し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、ピエゾスタックの充電に先立ち予め前記フェールセーフ用スイッチ手段をオンしておき、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする通電制御を実行するように設定する。
【００１４】
減圧指令に対する通電制御時には、ピエゾスタックを前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態（以下、ハーフリフトという）とし得る充電量まで充電しておけば、後は、自然に放電が進行して所定時間の後にハーフリフトを維持可能な下限の充電量を下回る。ピエゾスタックの放電パターンは抵抗器とピエゾスタックとで規定される時定数で決まるから、ピエゾスタックを充電するだけで、充電によりハーフリフト状態が持続する時間を単位として、コモンレール圧力の減圧をすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記インジェクタおよび非接地側の通電ワイヤを、前記充放電回路部を共通として複数設け、
各通電ワイヤには、充放電回路部と接続するインジェクタを選択する選択用のスイッチ手段を設け、
前記制御部を、前記減圧指令に対する通電制御において、予めフェールセーフ用スイッチ手段をオンした後、オンする選択用スイッチ手段を切り替えて、ピエゾスタックを順次、充電するように設定する。
【００１６】
減圧要求が大きいときには複数のインジェクタをハーフリフト状態とする必要がある。この場合、減圧指令に対する通電制御を複数のインジェクタに共通の充放電回路部で行おうとすれば、単に充放電回路部と接続するインジェクタを切り換えるだけだと、インジェクタを切り換えながら、順次、ピエゾスタックを充電していき、再び、インジェクタの切り換えを行いながら放電する必要がある。これに対して本発明では、ピエゾスタックの放電は自動でなされるから、インジェクタ数が多くとも制御負担が余り重くならない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２に本発明を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置の構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ１が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ１は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００１８】
また、コモンレール５４からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００１９】
ＣＰＵ６１は、駆動ユニット３とともに各インジェクタ１に搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するためのピエゾアクチュエータ駆動回路２を構成し、クランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、これに応じた噴射指令を発する。噴射指令は噴射信号として駆動ユニット３に出力される。噴射信号は「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値信号で、インジェクタ１から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【００２０】
また、ＣＰＵ６１は他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。圧力センサ６３がコモンレール５４に設けられており、コモンレール圧力の検出信号がＡＤ変換器６２でデジタル化されてＣＰＵ６１に入力している。ＣＰＵ６１はコモンレール圧力に基づいて調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整する。また、コモンレール圧力の急な減圧が必要になると、ＣＰＵ６１は減圧指令を発し、後述するようにインジェクタ１の制御油としての燃料を燃料タンク５１に戻してコモンレール圧力を減圧させる。
【００２１】
図３に前記インジェクタ１の構造を示す。インジェクタ１は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ１は下側から順にノズル部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。
【００２２】
ノズル部１ａのスリーブ状の本体１０４内にニードル１２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル１２１はノズル本体１０４の先端部に形成された環状シート１０４１に着座または離座する。ニードル１２１の先端部の外周空間１０５には高圧通路１０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル１２１のリフト時に噴孔１０３から燃料が噴射される。ニードル１２１にはその環状段面１２１１に前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００２３】
ニードル１２１の後方には高圧通路１０１からインオリフィス１０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル１２１の背圧を発生する背圧室１０６が形成される。この背圧は、背圧室１０６に配設されたスプリング１２２とともにニードル１２１の後端面１２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００２４】
前記背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂは前記ピエゾスタック１２７を備えたピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される。
【００２５】
前記背圧室１０６はアウトオリフィス１０９を介して常時、背圧制御部１ｂの弁室１１０と連通している。弁室１１０は天井面１１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面１１０１の最上部に、低圧室１１１と連通する低圧ポート１１０ａが開口しており、低圧室１１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路１０２と連通している。弁室１１０の底面には高圧制御通路１０８を介して高圧通路１０１と連通する高圧ポート１１０ｂが開口している。
【００２６】
弁室１１０内には、下側部分を水平にカットしたボール１２３が配設されている。ボール１２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）１１０２に着座して高圧ポート１１０ｂを閉鎖することにより弁室１１０を高圧制御通路１０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）１１０１に着座して低圧ポート１１０ａを閉鎖することにより弁室１１０を前記低圧室１１１から遮断する。これにより、ボール１２３下降時には背圧室１０６がアウトオリフィス１０９、弁室１１０を経て低圧室１１１と連通し、ニードル１２１の背圧が低下してニードル１２１が離座する。一方、ボール１２３の上昇時には背圧室１０６が低圧室１１１と遮断されて高圧通路１０１のみと連通し、ニードル１２１の背圧が上昇してニードル１２１が着座する。
【００２７】
ボール１２３はピエゾアクチュエータ１ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ１ｃは、低圧室１１１の上方に上下方向に形成された縦穴１１２に径の異なる２つのピストン１２４，１２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン１２５の上方にピエゾスタック１２７が上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００２８】
大径ピストン１２５はその下方に設けられたスプリング１２６によりピエゾスタック１２７と当接状態を維持しており、ピエゾスタック１２７の伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００２９】
ボール１２３と対向する下側の小径ピストン１２４と大径ピストン１２５と縦穴１１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室１１３が形成されており、ピエゾスタック１２７の伸長で大径ピストン１２５が下方変位して変位拡大室１１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室１１３の燃料を介して小径ピストン１２４に伝えられる。ここで、小径ピストン１２４は大径ピストン１２５よりも小径としているので、ピエゾスタック１２７の伸長量が拡大されて小径ピストン１２４の変位に変換される。
【００３０】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック１２７が充電されてピエゾスタック１２７が伸長することにより、小径ピストン１２４が下降してボール１２３を押し下げる。これによりボール１２３が低圧側シート１１０１からリフトするとともに高圧側シート１１０２に着座して背圧室１０６が低圧通路１０２と連通するので、背圧室１０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル１２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル１２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００３１】
噴射停止は反対にピエゾスタック１２７の放電によりピエゾスタック１２７を縮小してボール１２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室１１０内は低圧となっており、またボール１２３の底面には高圧制御通路１０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール１２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール１２３への押し下げ力の解除により、ボール１２３が高圧側シート１１０２から離間するとともに再び低圧側シート１１０１に着座して弁室１１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１２１が着座し噴射が停止する。
【００３２】
また、ピエゾスタック１２７の充電量によっては、ニードル１２１が着座状態のままボール１２３がリフト（ハーフリフト）し、燃料が弁室１１０から燃料タンク５１に還流して、コモンレール圧力を速やかに減圧する。
【００３３】
図１にピエゾスタック１２７の充電と放電とを行うピエゾアクチュエータ駆動回路２の構成を示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック１２７を４つの気筒に対応してピエゾスタック１２７Ａ、ピエゾスタック１２７Ｂ、ピエゾスタック１２７Ｃ、ピエゾスタック１２７Ｄと表すものとする。ピエゾアクチュエータ駆動回路２の駆動ユニット３はピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電および放電を行う充放電回路部３ａ、その制御を行う制御部であるコントローラ３９等からなり、ワイヤハーネス４によりピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと接続される。
【００３４】
充放電回路部３ａには、ワイヤハーネス４の各ワイヤ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４２ａ，４２ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄの線端が接続される接続端子３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃ，３０１Ｄ，３０２ａ，３０２ｂ，３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃ，３０３Ｄが設けてある。接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄは通電用のもので、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられている。接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄはモニタ用のもので、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられている。接続端子３０２ａ，３０２ｂは通電用、モニタ用に共通のものであり、一方３０２ａがピエゾスタック１２７Ａ，１２７Ｂに共通に、他方３０２ｂがピエゾスタック１２７Ｃ，１２７Ｄに共通に設けられている。共通の接続端子３０２ａ，３０２ｂが接地側となる（以下、コモン端子という）。
【００３５】
ワイヤハーネス４は、通電用の接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄと接続される通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄおよびモニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと接続されるモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄがピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられており、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄおよびモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄの線端はいずれも対応するピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの非接地側の端子と接続されている。これは、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄとモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄとでワイヤハーネス４側のコネクタの接続ピンが別体でインジェクタ１側のコネクタ内でピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの非接地側の端子と導通する構造であってもよいし、あるいは、ワイヤハーネス４側のコネクタ内で通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄとモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄとが導通する構造であってもよい。また、コモン端子３０２ａ，３０２ｂと接続されるワイヤ４２ａ，４２ｂはそれぞれピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側が二股に分かれており、対応する２つのピエゾスタック１２７Ａ，１２７Ｂ、ピエゾスタック１２７Ｃ，１２７Ｄと接続される。
【００３６】
充放電回路部３ａは、車載バッテリの給電（＋Ｂ）で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ３１１、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ３１２により直流電源３１を構成し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１１は一般的な昇圧チョッパ型の回路で、スイッチング素子３１１２のオン時にインダクタ３１１１にエネルギーを蓄積して、スイッチング素子３１１２のオフ時に逆起電力を発生するインダクタ３１１１からダイオード３１１３を介してバッファコンデンサ３１２に充電される。バッファコンデンサ３１２は十分静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【００３７】
直流電源３１のバッファコンデンサ３１２からピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄにインダクタ３３を介して通電する第１の通電経路３２ａが設けてあり、通電経路３２ａには、バッファコンデンサ３１２とインダクタ３３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子３４ａが介設されている。第１のスイッチング素子３４ａはＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）３４１ａがバッファコンデンサ３１２の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。また、インダクタ３３とピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄは第２の通電経路３２ｂを形成している。この通電経路３２ｂは、インダクタ３３と第１のスイッチング素子３４ａの接続中点に接続される第２のスイッチング素子３４ｂを有し、インダクタ３３、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄおよび第２のスイッチング素子３４ｂを含む閉回路を形成している。第２のスイッチング素子３４ｂもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）３４１ｂがバッファコンデンサ３１２の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００３８】
通電経路３２ａ，３２ｂはピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄのそれぞれに共通であり、そのピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側は前記ワイヤハーネス４である。通電経路３２ａ，３２ｂは、充放電回路部３ａの出力端であるインダクタ３３のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側の端子で分岐して通電用の接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄに伸びている。インダクタ３３と接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄとの間で通電経路３２ａ，３２ｂにはスイッチ手段であるスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄが設けてある。選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄはそれぞれピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと直列に１対１に対応して接続されており、噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに対応する選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄがオンされる。通電経路３２ａ，３２ｂが当該ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに選択的に形成されることになる。
【００３９】
各選択スイッチング素子３５Ａ〜３５ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、選択寄生ダイオードという）３５１Ａ，３５１Ｂ，３５１Ｃ，３５１Ｄは、バッファコンデンサ３１２に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００４０】
スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３５Ａ〜３５Ｄの各ゲートにはコントローラ３９からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子３４ａ，３４ｂのゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子３４ａ，３４ｂをオンオフし、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。
【００４１】
共通の接地側の接続端子３０２ａ，３０２ｂと接地間には抵抗器３６Ｅ，３６Ｆが設けてある。その両端間電圧はコントローラ３９に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電電流が検出されるようになっている。
【００４２】
第２のスイッチング素子３４ｂには直列に比較的低抵抗の抵抗器３６Ｇが設けてある。その両端間電圧はコントローラ３９に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電電流が検出されるようになっている。
【００４３】
モニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄには、該接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄの電位をコントローラ３９に取り込むための線路３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄが形成してある。接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄの電位は、各ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの両端端電圧（以下、ピエゾスタック電圧という）であり、コントローラ３９はこれを監視しながらピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電と放電とを制御する。
【００４４】
また、モニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと接地間には、接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと１対１に対応して、直列に接続された抵抗器３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄおよびフェールセーフ用のスイッチ手段であるスイッチング素子（以下、適宜、フェールセーフ用のスイッチング素子という）３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄが介設されている。スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄのベースにはそれぞれコントローラ３９から制御信号が入力している。
【００４５】
コントローラ３９は、充電制御時には、第１のスイッチング素子３４ａのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、スイッチング素子３４ａの制御信号を出力する。すなわち、スイッチング素子３４ａをオンして第１の通電経路３２ａに漸増する充電電流を流す。充電電流が予め設定した上限の電流値になるとスイッチング素子３４ａをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３３に発生する逆起電力は第２のスイッチング素子３４ｂの寄生ダイオード３４１ｂに対して順バイアスであるから、インダクタ３３に蓄積されたエネルギーにより第２の通電経路３２ｂに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電が進行する。充電電流が下限の電流値（略０）になると再び第１のスイッチング素子３４ａをオンしてオン期間に入り、これを繰り返す（多重スイッチング方式）。そして、ピエゾスタック電圧が予め設定した電圧に達するとスイッチング素子３４ａをオフに固定し、充電は完了となる。これにより、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが伸長して変位拡大室１１３を介してボール１２３を押圧しリフトせしめる。
【００４６】
また、放電制御時には、第２のスイッチング素子３４ｂのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第２のスイッチング素子３４ｂの制御信号を出力する。すなわち、第２のスイッチング素子３４ｂをオンして第２の通電経路３２ｂに漸増する放電電流を流す。放電電流が予め設定した電流値（以下、上限電流値という）になるとスイッチング素子３４ｂをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３３に大きな逆起電力が発生し、インダクタ３３に蓄積されたエネルギーによりフライホイール電流を第１の通電経路３２ａに流しバッファコンデンサ３１２にエネルギーを回収する。放電電流が下限の電流値（略０）になると再び第２のスイッチング素子３４ｂをオンして、これを繰り返す。そして、ピエゾスタック電圧が０に達するとスイッチング素子３４ｂをオフに固定し、放電は完了となる。このようにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを放電することで、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが縮小して変位拡大室１１３の燃料圧力によるボール１２３への押圧力が解除されてボール１２３が着座する。
【００４７】
コントローラ３９は、これとともに制御部６ａを構成するＣＰＵ６１からの種々の制御用の信号により、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを所定の時期に充電および放電せしめる。かかる制御用信号として充電時期と放電時期とを規定する噴射信号が入力している。噴射信号は、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号であり、その立ち上がりでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電を開始し、立ち下がりでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを放電する。したがって、噴射信号の出力時期および長さにより噴射期間が規定される。
【００４８】
また、制御用信号として目標充電量である目標のピエゾスタック電圧（以下、目標電圧という）に比例した目標電圧設定信号が入力しており、コントローラ３９はピエゾスタック電圧が目標電圧に達するとスイッチング素子３４ａを前記のごとくオフに固定する。目標電圧設定信号は、噴射指令に対しては、次のように設定される。図４は、ボール１２３がリフトして弁室１１０から燃料がリークを開始するピエゾスタック電圧（以下、リーク開始電圧という）、ボール１２３がフルリフトしてニードル１２１がリフトし噴射するピエゾスタック電圧（以下、噴射開始電圧という）とコモンレール圧力との関係を示すもので、リーク開始電圧、噴射開始電圧はコモンレール圧力が大きいほど大きくなる。ＣＰＵ６１はＲＯＭに噴射開始電圧よりもやや高めの目標電圧とコモンレール圧力との対応関係をマップ等として記憶しており、これに基づいて噴射指令に対する目標電圧を設定する。この目標電圧は、ボール１２３がフルリフト可能な十分なピエゾスタック電圧が与えられることになる。このとき、コモンレール圧力が高いほど大きな目標電圧が与えられることで、ボール１２３がフルリフトするのに過不足のない適正な充電を行い得る。
【００４９】
また、ＣＰＵ６１は、減圧指令に対しては、次のようにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電時期、目標電圧を決定し、コモンレール圧力を減圧する。前掲図４において、リーク開始電圧と噴射開始電圧との間が、ボール１２３がハーフリフト可能な電圧の範囲であり、かかる範囲内で目標電圧とコモンレール圧力との対応関係をマップ等として記憶しており、これに基づいて減圧指令に対する目標電圧を設定する。なお、減圧指令における目標のコモンレール圧力（以下、目標圧力という）はＣＰＵ６１において機関運転状態に基づいて演算されて、コントローラ３９に出力される。
【００５０】
噴射指令、減圧指令における目標電圧は、マップに代えて、コモンレール圧力に対してピエゾスタック電圧が対応する関数式で与えてもよいのは勿論である。
【００５１】
また、制御対象となる気筒を選択するための制御信号もＣＰＵ６１から出力され、該制御信号により、選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄのうち、選択された気筒に対応するピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄのものがオンする。
【００５２】
図５はワイヤの断線等に対するフェールセーフ制御を示すフローチャートで、先ずピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御がなされると（ステップＳ１１）、線路３７Ａ〜３７Ｄから取り込まれるピエゾスタック電圧のモニター電圧が上昇したか否かを判定する（ステップＳ１２）。モニター電圧が上昇していればピエゾスタック電圧のモニタが正常に行われていると判定して、通常制御処理を実行する（ステップＳ１３）。すなわち、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電をモニター電圧が目標電圧に達するまで行う。そして、モニター電圧が目標電圧に達すると前記のごとく第１のスイッチング素子３４ａをオフに固定して充電を終了する。モニター電圧を取り込むためのモニタ用ワイヤ４３Ａ〜４３Ｄには充電電流が流れないから、ピエゾスタック電圧を、モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄのインピーダンスの影響を受けずにモニターすることができる。これにより、ピエゾスタック電圧を高精度に目標電圧にすることができる。
【００５３】
そして、噴射信号が立ち下がるまでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電状態を保持し、噴射信号が立ち下がるとステップＳ１４に進み、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電制御を実行する。
【００５４】
次いで、モニター電圧が減少したか否かを判定する（ステップＳ１５）。モニター電圧が減少していれば、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄの断線等は生じておらず放電が正常に行われていると判定して、第２のスイッチング素子３４ｂによる放電制御が続行され、電荷がバッファコンデンサ３１２に回収される。
【００５５】
モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄが断線等していると、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御が実行されてもモニター電圧が上昇しない（ステップＳ１２）。この場合はステップＳ１３をスキップしてステップＳ１４に進み、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電を中止して強制的に放電制御に切り換える。
【００５６】
また、充電状態で通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄが断線等すると、放電制御（ステップＳ１４）がなされても実際には放電せず、モニター電圧が減少しない（ステップＳ１５）。この場合は、電圧が減少しないピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと接続されたスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンする（ステップＳ１６）。スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンすることにより、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと抵抗器（以下、適宜、フェールセーフ用の抵抗器という）３８Ａ〜３８Ｄよりなる回路が閉成されて、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電電流が抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに流れる。これにより、速やかにボール１２３が着座して、インジェクタ１が燃料を噴射し続ける等の不具合を防止することができる。
【００５７】
このように、ピエゾスタック電圧のモニタ用のワイヤ４３Ａ〜４３Ｄを、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを強制放電せしめるためのワイヤとしても機能させることで、ワイヤ４３Ａ〜４３Ｄがピエゾスタック電圧のモニタだけに止まらない、実施価値の高いものとなる。しかも、前記のごとく、モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄには、充電電流や放電電流が流れないから、ピエゾスタック電圧の高精度なモニタが可能である。
【００５８】
また、フェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄがピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられているので、ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄの断線により一部のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが放電不能となった場合に、放電不能となった当該一部のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを除く他の正常なピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄで燃料噴射が可能であり、リンプホームを実現することができる。
【００５９】
図６にコモンレール圧力の減圧指令に対する通電制御（図中、減圧制御）のフローチャートを示す。コモンレール圧力が目標圧力に達したか否かに基づいて減圧制御が完了したか否かを判断し（ステップＳ２１）、目標圧力に達していなければ全気筒のフェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンする（ステップＳ２２）。
【００６０】
次いで、減圧制御における第１気筒のピエゾスタック１の目標電圧を演算し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを充電し、目標電圧まで昇圧する（ステップＳ２３）。
【００６１】
これにより、第１気筒のインジェクタ１において高圧燃料の燃料タンク５１への還流が開始される。
【００６２】
次いで、減圧制御における第２、第３、第４気筒のピエゾスタック１２７Ｂ〜１２７Ｄの目標電圧の演算およびピエゾスタック１２７Ｂ〜１２７Ｄの充電を、気筒選択スイッチング素子３５Ｂ〜３５Ｄを順次切り換えながら実行する（ステップＳ２４，Ｓ２５，Ｓ２６）。第４気筒のピエゾスタック１２７Ｄの目標電圧の演算およびピエゾスタック１２７Ｄの充電の実行後は、ステップＳ２１に戻る。そして、コモンレール圧力が目標圧力に達していなければ、再びステップＳ２２以降の手順が繰り返され、目標圧力に達したら本フローを抜ける。
【００６３】
本減圧制御では、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電の後、第２のスイッチング素子３４ｂのオンオフによる、そのピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電を行うことなく次の気筒のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電に入っていく。そして、各ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄからは、充電の完了後も、これと並列に接続された抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに電流が流れ、蓄電量が減少し、ピエゾスタック電圧がリーク開始電圧に向かって低下していく。なお、このときの減少速度を規定する時定数は、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの静電容量および抵抗器３８Ａ〜３８Ｄの抵抗値に依存する。
【００６４】
しかして、充電時期の早い第１気筒のインジェクタ１から順次、再びボール１２３が着座していく。
【００６５】
このように、減圧指令に対して、予めフェールセーフ用スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンしておくだけでよく、放電制御が不要となるので、複数気筒においてインジェクタ１から高圧燃料を還流するに当たり、第２のスイッチング素子３４ｂの作動が不要で、選択用スイッチング３５Ａ〜３５Ｄの作動回数を減じることができる。また、この結果、制御負担も減じられる。
【００６６】
これにより、さらにワイヤ４３Ａ〜４３Ｄの実施価値を高めることができる。
【００６７】
なお、ボール１２３がハーフリフトを終了して着座する時期は、任意には設定されず、前記時定数等で規定される。時定数等は、例えば次のことを考慮して設定する。図３のインジェクタ１では、ピエゾスタック１２７が燃料噴射可能に充電された後、仮にその状態をいつまでも続けるとしても、一定時間を越えると次第に閉弁する機械的なフェイルセーフ機構を備えている。すなわち、インジェクタ１はピエゾスタック１２７の伸長で変位拡大室１１３内の燃料を圧縮して加圧し、ボール１２３を押圧する押圧力を発生しており、その燃料圧力はボール１２３がリフト状態のときはボール１２３に作用する上向きの付勢力に抗し得る圧力となっている。このため、変位拡大室１１３内の加圧した燃料はピストン１２４，１２５の摺動部から僅かずつ低圧室１１１等の低圧部にリークし、ボール１２３のリフト量が低下して背圧室１０６から低圧室１１１に抜ける燃料の流量が減少し、これにより背圧が漸次上昇し、終にはニードル１２１が着座して燃料の噴射が停止することになる。したがって、ハーフリフト持続時間がこの時間よりも短くなるようにする。
【００６８】
なお、本実施形態ではモニタワイヤとして、ピエゾスタックの非接地側の端子と導通するもののみを設けたが、ピエゾスタックの接地側の端子と導通するものを併せて設けて、さらにピエゾスタック電圧を高精度でモニタすることもできる。
【００６９】
なお、フェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けることでリンプホームを実現しているが、フェールセーフ用のスイッチング素子を抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに共通に１つだけとし、各抵抗器と直列に、ダイオードを、抵抗器から接地側に向かう方向が順方向となるように１対１に対応して設けてもよい。この場合、フェールセーフ用のスイッチング素子をオンすると、その間、他の気筒で実質的に噴射ができなくなるが、放電不能になったピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを搭載したインジェクタ１の燃料の噴射停止は前記機械的なフェールセーフ機構にて対処し、機関停止後にフェールセーフ用のスイッチング素子をオンして、放電不能になったピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電を行う。この放電は修理工場等で外部からＣＰＵへの特別なコマンド入力により行われるように設定してもよい。
【００７０】
なお、本実施形態は内燃機関の燃料噴射装置に適用したものを示したが、本発明は、ピエゾアクチュエータを備えた装置に適用することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、上述したようにインジェクタ１から燃料が噴射し続ける等の不具合を防止できるだけではなく、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが充電保持状態となったまま通電ワイヤが断線し、何らかの異常検出手段にてその断線が検出され、エンジン停止後に修理しようとするとき、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに保持されている電荷を確実に除去できるため、修理時における安全性も確保できるという、さらなる効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料噴射装置のインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータを駆動する本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記燃料噴射装置のインジェクタを中心とする構成図である。
【図４】前記燃料噴射装置を構成するＣＰＵにおける制御を説明するグラフである。
【図５】前記燃料噴射装置における制御を示す第１のフローチャートである。
【図６】前記燃料噴射装置における制御を示す第２のフローチャートである。
【図７】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すグラフである。
【符号の説明】
１ インジェクタ
１ａ ノズル部
１ｂ 背圧制御部（背圧増減手段）
１ｃ ピエゾアクチュエータ
１１０ 弁室
１１０ａ 低圧ポート
１２３ ボール（弁体）
１２７，１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，１２７Ｄ ピエゾスタック
２ ピエゾアクチュエータ駆動回路
３ 駆動ユニット
３ａ 充放電回路部
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ 選択用のスイッチング素子（選択用のスイッチ手段）
３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ フェールセーフ用の抵抗器（抵抗器）
３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄ フェールセーフ用のスイッチング素子（フェールセーフ用のスイッチ手段）
３９ コントローラ
４ ワイヤハーネス
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 通電ワイヤ
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄ モニタワイヤ（検出用のワイヤ）
６ 制御部
６１ ＣＰＵ
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り換えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られている。ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路は、ピエゾスタックに通電すための充放電回路部や、充放電電流や充電量等を制御するための制御部からなる。また、充放電回路部とピエゾスタックとを接続し充電電流および放電電流を流す通電ワイヤが設けられている。
【０００３】
充放電回路部の構成としては多重スイッチング方式のものが知られている。これは蓄電用のバッファコンデンサからインダクタを介してピエゾスタックに充電する第１の通電経路が形成されるとともに、バッファコンデンサをダイオードによりバイパスする第２の通電経路が形成されており、オンオフするスイッチング素子により第１の通電経路を繰り返し開閉することにより、スイッチング素子のオン期間には第１の通電経路によりピエゾスタックに漸増する充電電流を流し、スイッチング素子のオフ期間にはインダクタに蓄積されたエネルギーを消費しながら第２の通電経路によりピエゾスタックに漸減する充電電流を流すものである。なお、放電は別のスイッチング素子をオンオフすることにより両通電経路に逆方向の放電電流を流すことでなされる。
【０００４】
ピエゾスタックの充電や放電はその両端間電圧をモニタしながら行い、例えばそれが目標電圧に達すると充電完了となる。ピエゾスタックの両端間電圧の検出は、通電ワイヤとの接続端子を検出点として行っている。
【０００５】
また、燃料噴射装置として、高圧サプライポンプにより昇圧した燃料をコモンレールに蓄え、該コモンレールからインジェクタに燃料を供給するコモンレール式のものが知られているが、その中には、コモンレールからの燃料をインジェクタの制御油として用いるものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピエゾスタックの充電時には、ピエゾスタックの両端間電圧が上昇してその前記接続端子におけるモニタ電圧も上昇するが、通電ワイヤのインピーダンスによる電圧降下の分、検出電圧が変動し、検出誤差が生じる。図７は、前記多重スイッチング方式の回路における、充電から放電までのモニタ電圧を示すもので、スイッチング素子がオンオフして充電電流、放電電流が前記のごとく漸増と漸減とを繰り返すため、鋸状にモニタ電圧が変動することになる。
【０００７】
また、ピエゾスタックは前記のごとく容量性素子であり、充電が完了してスイッチング素子がオフに固定されても、充電保持状態を保つ。このため充電完了後に通電ワイヤの断線等でピエゾスタックと充放電回路部との導通不良が生じると、放電不能となる。これは、前記燃料噴射装置であれば、燃料噴射を停止することができなくなるという問題を引き起こす。
【０００８】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成で、ピエゾスタックの両端間電圧を高精度にモニタすることができ、しかも、通電ワイヤの断線時等にも放電が可能なピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、噴孔を開閉するニードルを有し、コモンレールに蓄えられた高圧の燃料が供給されて該燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記コモンレールから燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を前記低圧源側のポートを閉鎖可能に配設してなり該弁体のリフト量が大きくなるに応じて前記背圧室の圧力を低下せしめる背圧増減手段と、前記弁体を押圧駆動するピエゾスタックを有し該ピエゾスタックの充電量が多いほど前記弁体のリフト量を増大せしめるピエゾアクチュエータとを備えたインジェクタと、
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの充電と放電とを行う充放電回路部と、ピエゾスタックの両端間電圧をモニタしながら充放電回路部によるピエゾスタックへの通電を制御する制御部と、充放電回路部とピエゾスタックとを接続し充電電流および放電電流を流す通電ワイヤとを有して、ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備し、
前記ピエゾアクチュエータ駆動回路は、
前記ピエゾスタックの非接地側の端子に、前記通電ワイヤとは別の検出ワイヤを接続してピエゾスタックの両端間電圧のモニタ信号を充放電回路部に取り込み、
かつ、検出ワイヤを介してピエゾスタックと並列に抵抗器を接続してピエゾスタックの放電電流を抵抗器に流す放電用の回路を形成するとともに、該放電用回路を開閉するフェールセーフ用のスイッチ手段を設ける。
【００１０】
検出ワイヤには充電電流等は流れないので、高精度にピエゾスタック両端間電圧を検出することができる。しかも、通常のピエゾスタックの放電が不能となっても、フェールセーフ用スイッチ手段をオンすることで検出ワイヤを使ってピエゾスタックの強制的な放電が可能となる。この放電に際しては、単純にフェールセーフ用スイッチ手段をオン側に切り替えるだけであるから制御負担が軽い。
【００１２】
簡単な構成で、ピエゾスタックの両端間電圧を高精度にモニタすることができ、しかも、通電ワイヤの断線時等にも放電が可能となる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の構成において、前記制御部を、
燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉する通電制御を実行し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、ピエゾスタックの充電に先立ち予め前記フェールセーフ用スイッチ手段をオンしておき、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする通電制御を実行するように設定する。
【００１４】
減圧指令に対する通電制御時には、ピエゾスタックを前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態（以下、ハーフリフトという）とし得る充電量まで充電しておけば、後は、自然に放電が進行して所定時間の後にハーフリフトを維持可能な下限の充電量を下回る。ピエゾスタックの放電パターンは抵抗器とピエゾスタックとで規定される時定数で決まるから、ピエゾスタックを充電するだけで、充電によりハーフリフト状態が持続する時間を単位として、コモンレール圧力の減圧をすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項２の発明の構成において、前記インジェクタおよび非接地側の通電ワイヤを、前記充放電回路部を共通として複数設け、
各通電ワイヤには、充放電回路部と接続するインジェクタを選択する選択用のスイッチ手段を設け、
前記制御部を、前記減圧指令に対する通電制御において、予めフェールセーフ用スイッチ手段をオンした後、オンする選択用スイッチ手段を切り替えて、ピエゾスタックを順次、充電するように設定する。
【００１６】
減圧要求が大きいときには複数のインジェクタをハーフリフト状態とする必要がある。この場合、減圧指令に対する通電制御を複数のインジェクタに共通の充放電回路部で行おうとすれば、単に充放電回路部と接続するインジェクタを切り換えるだけだと、インジェクタを切り換えながら、順次、ピエゾスタックを充電していき、再び、インジェクタの切り換えを行いながら放電する必要がある。これに対して本発明では、ピエゾスタックの放電は自動でなされるから、インジェクタ数が多くとも制御負担が余り重くならない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図２に本発明を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置の構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ１が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ１は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００１８】
また、コモンレール５４からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００１９】
ＣＰＵ６１は、駆動ユニット３とともに各インジェクタ１に搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するためのピエゾアクチュエータ駆動回路２を構成し、クランク角度等の検出信号に基づいて燃料の噴射時期と噴射量を演算し、これに応じた噴射指令を発する。噴射指令は噴射信号として駆動ユニット３に出力される。噴射信号は「Ｈ」と「Ｌ」からなる二値信号で、インジェクタ１から所定の期間、燃料を噴射せしめる。
【００２０】
また、ＣＰＵ６１は他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。圧力センサ６３がコモンレール５４に設けられており、コモンレール圧力の検出信号がＡＤ変換器６２でデジタル化されてＣＰＵ６１に入力している。ＣＰＵ６１はコモンレール圧力に基づいて調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整する。また、コモンレール圧力の急な減圧が必要になると、ＣＰＵ６１は減圧指令を発し、後述するようにインジェクタ１の制御油としての燃料を燃料タンク５１に戻してコモンレール圧力を減圧させる。
【００２１】
図３に前記インジェクタ１の構造を示す。インジェクタ１は棒状体で、図中下側部分がエンジンの図略の燃焼室壁を貫通して燃焼室内に突出するように取り付けられている。インジェクタ１は下側から順にノズル部１ａ、背圧制御部１ｂ、ピエゾアクチュエータ１ｃとなっている。
【００２２】
ノズル部１ａのスリーブ状の本体１０４内にニードル１２１がその後端部にて摺動自在に保持されており、ニードル１２１はノズル本体１０４の先端部に形成された環状シート１０４１に着座または離座する。ニードル１２１の先端部の外周空間１０５には高圧通路１０１を介してコモンレール５４から高圧燃料が導入され、ニードル１２１のリフト時に噴孔１０３から燃料が噴射される。ニードル１２１にはその環状段面１２１１に前記高圧通路１０１からの燃料圧がリフト方向（上向き）に作用している。
【００２３】
ニードル１２１の後方には高圧通路１０１からインオリフィス１０７を介して制御油としての燃料が導入されており、ニードル１２１の背圧を発生する背圧室１０６が形成される。この背圧は、背圧室１０６に配設されたスプリング１２２とともにニードル１２１の後端面１２１２に着座方向（下向き）に作用する。
【００２４】
前記背圧は背圧制御部１ｂで増減され、背圧制御部１ｂは前記ピエゾスタック１２７を備えたピエゾアクチュエータ１ｃにより駆動される。
【００２５】
前記背圧室１０６はアウトオリフィス１０９を介して常時、背圧制御部１ｂの弁室１１０と連通している。弁室１１０は天井面１１０１が上向きの円錐状に形成されており、天井面１１０１の最上部に、低圧室１１１と連通する低圧ポート１１０ａが開口しており、低圧室１１１はドレーンライン５６に通じる低圧通路１０２と連通している。弁室１１０の底面には高圧制御通路１０８を介して高圧通路１０１と連通する高圧ポート１１０ｂが開口している。
【００２６】
弁室１１０内には、下側部分を水平にカットしたボール１２３が配設されている。ボール１２３は上下動可能な弁体であり、下降時には、上記カット面で弁座としての弁室底面（以下、高圧側シートという）１１０２に着座して高圧ポート１１０ｂを閉鎖することにより弁室１１０を高圧制御通路１０８と遮断し、上昇時には弁座としての上記天井面（以下、低圧側シートという）１１０１に着座して低圧ポート１１０ａを閉鎖することにより弁室１１０を前記低圧室１１１から遮断する。これにより、ボール１２３下降時には背圧室１０６がアウトオリフィス１０９、弁室１１０を経て低圧室１１１と連通し、ニードル１２１の背圧が低下してニードル１２１が離座する。一方、ボール１２３の上昇時には背圧室１０６が低圧室１１１と遮断されて高圧通路１０１のみと連通し、ニードル１２１の背圧が上昇してニードル１２１が着座する。
【００２７】
ボール１２３はピエゾアクチュエータ１ｃにより押圧駆動される。ピエゾアクチュエータ１ｃは、低圧室１１１の上方に上下方向に形成された縦穴１１２に径の異なる２つのピストン１２４，１２５が摺動自在に保持され、上側の大径のピストン１２５の上方にピエゾスタック１２７が上下方向を伸縮方向として配設されている。
【００２８】
大径ピストン１２５はその下方に設けられたスプリング１２６によりピエゾスタック１２７と当接状態を維持しており、ピエゾスタック１２７の伸縮量と同じだけ上下方向に変位するようになっている。
【００２９】
ボール１２３と対向する下側の小径ピストン１２４と大径ピストン１２５と縦穴１１２とで画された空間には燃料が充填されて変位拡大室１１３が形成されており、ピエゾスタック１２７の伸長で大径ピストン１２５が下方変位して変位拡大室１１３の燃料を押圧すると、その押圧力が変位拡大室１１３の燃料を介して小径ピストン１２４に伝えられる。ここで、小径ピストン１２４は大径ピストン１２５よりも小径としているので、ピエゾスタック１２７の伸長量が拡大されて小径ピストン１２４の変位に変換される。
【００３０】
燃料噴射時には、先ず、ピエゾスタック１２７が充電されてピエゾスタック１２７が伸長することにより、小径ピストン１２４が下降してボール１２３を押し下げる。これによりボール１２３が低圧側シート１１０１からリフトするとともに高圧側シート１１０２に着座して背圧室１０６が低圧通路１０２と連通するので、背圧室１０６の燃料圧が低下する。これにより、ニードル１２１に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル１２１が離座して燃料噴射が開始される。
【００３１】
噴射停止は反対にピエゾスタック１２７の放電によりピエゾスタック１２７を縮小してボール１２３への押し下げ力を解除する。この時、弁室１１０内は低圧となっており、またボール１２３の底面には高圧制御通路１０８から高圧の燃料圧力が作用しているから、ボール１２３には全体としては上向きの燃料圧が作用している。そして、前記ボール１２３への押し下げ力の解除により、ボール１２３が高圧側シート１１０２から離間するとともに再び低圧側シート１１０１に着座して弁室１１０の燃料圧力が上昇するため、ニードル１２１が着座し噴射が停止する。
【００３２】
また、ピエゾスタック１２７の充電量によっては、ニードル１２１が着座状態のままボール１２３がリフト（ハーフリフト）し、燃料が弁室１１０から燃料タンク５１に還流して、コモンレール圧力を速やかに減圧する。
【００３３】
図１にピエゾスタック１２７の充電と放電とを行うピエゾアクチュエータ駆動回路２の構成を示す。なお、説明の便宜のため、適宜、ピエゾスタック１２７を４つの気筒に対応してピエゾスタック１２７Ａ、ピエゾスタック１２７Ｂ、ピエゾスタック１２７Ｃ、ピエゾスタック１２７Ｄと表すものとする。ピエゾアクチュエータ駆動回路２の駆動ユニット３はピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電および放電を行う充放電回路部３ａ、その制御を行う制御部であるコントローラ３９等からなり、ワイヤハーネス４によりピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと接続される。
【００３４】
充放電回路部３ａには、ワイヤハーネス４の各ワイヤ４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４２ａ，４２ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄの線端が接続される接続端子３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃ，３０１Ｄ，３０２ａ，３０２ｂ，３０３Ａ，３０３Ｂ，３０３Ｃ，３０３Ｄが設けてある。接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄは通電用のもので、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられている。接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄはモニタ用のもので、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられている。接続端子３０２ａ，３０２ｂは通電用、モニタ用に共通のものであり、一方３０２ａがピエゾスタック１２７Ａ，１２７Ｂに共通に、他方３０２ｂがピエゾスタック１２７Ｃ，１２７Ｄに共通に設けられている。共通の接続端子３０２ａ，３０２ｂが接地側となる（以下、コモン端子という）。
【００３５】
ワイヤハーネス４は、通電用の接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄと接続される通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄおよびモニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと接続されるモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄがピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられており、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄおよびモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄの線端はいずれも対応するピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの非接地側の端子と接続されている。これは、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄとモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄとでワイヤハーネス４側のコネクタの接続ピンが別体でインジェクタ１側のコネクタ内でピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの非接地側の端子と導通する構造であってもよいし、あるいは、ワイヤハーネス４側のコネクタ内で通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄとモニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄとが導通する構造であってもよい。また、コモン端子３０２ａ，３０２ｂと接続されるワイヤ４２ａ，４２ｂはそれぞれピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側が二股に分かれており、対応する２つのピエゾスタック１２７Ａ，１２７Ｂ、ピエゾスタック１２７Ｃ，１２７Ｄと接続される。
【００３６】
充放電回路部３ａは、車載バッテリの給電（＋Ｂ）で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ３１１、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ３１２により直流電源３１を構成し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電用の電圧を出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３１１は一般的な昇圧チョッパ型の回路で、スイッチング素子３１１２のオン時にインダクタ３１１１にエネルギーを蓄積して、スイッチング素子３１１２のオフ時に逆起電力を発生するインダクタ３１１１からダイオード３１１３を介してバッファコンデンサ３１２に充電される。バッファコンデンサ３１２は十分静電容量の大きなもので構成され、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄへの充電作動時にも略一定の電圧値を保つようになっている。
【００３７】
直流電源３１のバッファコンデンサ３１２からピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄにインダクタ３３を介して通電する第１の通電経路３２ａが設けてあり、通電経路３２ａには、バッファコンデンサ３１２とインダクタ３３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子３４ａが介設されている。第１のスイッチング素子３４ａはＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）３４１ａがバッファコンデンサ３１２の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。また、インダクタ３３とピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄは第２の通電経路３２ｂを形成している。この通電経路３２ｂは、インダクタ３３と第１のスイッチング素子３４ａの接続中点に接続される第２のスイッチング素子３４ｂを有し、インダクタ３３、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄおよび第２のスイッチング素子３４ｂを含む閉回路を形成している。第２のスイッチング素子３４ｂもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第２の寄生ダイオードという）３４１ｂがバッファコンデンサ３１２の両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００３８】
通電経路３２ａ，３２ｂはピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄのそれぞれに共通であり、そのピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側は前記ワイヤハーネス４である。通電経路３２ａ，３２ｂは、充放電回路部３ａの出力端であるインダクタ３３のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄ側の端子で分岐して通電用の接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄに伸びている。インダクタ３３と接続端子３０１Ａ〜３０１Ｄとの間で通電経路３２ａ，３２ｂにはスイッチ手段であるスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄが設けてある。選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄはそれぞれピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと直列に１対１に対応して接続されており、噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに対応する選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄがオンされる。通電経路３２ａ，３２ｂが当該ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに選択的に形成されることになる。
【００３９】
各選択スイッチング素子３５Ａ〜３５ＤはＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、選択寄生ダイオードという）３５１Ａ，３５１Ｂ，３５１Ｃ，３５１Ｄは、バッファコンデンサ３１２に対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００４０】
スイッチング素子３４ａ，３４ｂ，３５Ａ〜３５Ｄの各ゲートにはコントローラ３９からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子３４ａ，３４ｂのゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子３４ａ，３４ｂをオンオフし、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御および放電制御を行うようになっている。
【００４１】
共通の接地側の接続端子３０２ａ，３０２ｂと接地間には抵抗器３６Ｅ，３６Ｆが設けてある。その両端間電圧はコントローラ３９に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電電流が検出されるようになっている。
【００４２】
第２のスイッチング素子３４ｂには直列に比較的低抵抗の抵抗器３６Ｇが設けてある。その両端間電圧はコントローラ３９に入力し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電電流が検出されるようになっている。
【００４３】
モニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄには、該接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄの電位をコントローラ３９に取り込むための線路３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃ，３７Ｄが形成してある。接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄの電位は、各ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの両端端電圧（以下、ピエゾスタック電圧という）であり、コントローラ３９はこれを監視しながらピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電と放電とを制御する。
【００４４】
また、モニタ用の接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと接地間には、接続端子３０３Ａ〜３０３Ｄと１対１に対応して、直列に接続された抵抗器３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄおよびフェールセーフ用のスイッチ手段であるスイッチング素子（以下、適宜、フェールセーフ用のスイッチング素子という）３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄが介設されている。スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄのベースにはそれぞれコントローラ３９から制御信号が入力している。
【００４５】
コントローラ３９は、充電制御時には、第１のスイッチング素子３４ａのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、スイッチング素子３４ａの制御信号を出力する。すなわち、スイッチング素子３４ａをオンして第１の通電経路３２ａに漸増する充電電流を流す。充電電流が予め設定した上限の電流値になるとスイッチング素子３４ａをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３３に発生する逆起電力は第２のスイッチング素子３４ｂの寄生ダイオード３４１ｂに対して順バイアスであるから、インダクタ３３に蓄積されたエネルギーにより第２の通電経路３２ｂに漸減するフライホイール電流が流れ、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電が進行する。充電電流が下限の電流値（略０）になると再び第１のスイッチング素子３４ａをオンしてオン期間に入り、これを繰り返す（多重スイッチング方式）。そして、ピエゾスタック電圧が予め設定した電圧に達するとスイッチング素子３４ａをオフに固定し、充電は完了となる。これにより、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが伸長して変位拡大室１１３を介してボール１２３を押圧しリフトせしめる。
【００４６】
また、放電制御時には、第２のスイッチング素子３４ｂのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、第２のスイッチング素子３４ｂの制御信号を出力する。すなわち、第２のスイッチング素子３４ｂをオンして第２の通電経路３２ｂに漸増する放電電流を流す。放電電流が予め設定した電流値（以下、上限電流値という）になるとスイッチング素子３４ｂをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ３３に大きな逆起電力が発生し、インダクタ３３に蓄積されたエネルギーによりフライホイール電流を第１の通電経路３２ａに流しバッファコンデンサ３１２にエネルギーを回収する。放電電流が下限の電流値（略０）になると再び第２のスイッチング素子３４ｂをオンして、これを繰り返す。そして、ピエゾスタック電圧が０に達するとスイッチング素子３４ｂをオフに固定し、放電は完了となる。このようにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを放電することで、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが縮小して変位拡大室１１３の燃料圧力によるボール１２３への押圧力が解除されてボール１２３が着座する。
【００４７】
コントローラ３９は、これとともに制御部６ａを構成するＣＰＵ６１からの種々の制御用の信号により、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを所定の時期に充電および放電せしめる。かかる制御用信号として充電時期と放電時期とを規定する噴射信号が入力している。噴射信号は、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号であり、その立ち上がりでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電を開始し、立ち下がりでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを放電する。したがって、噴射信号の出力時期および長さにより噴射期間が規定される。
【００４８】
また、制御用信号として目標充電量である目標のピエゾスタック電圧（以下、目標電圧という）に比例した目標電圧設定信号が入力しており、コントローラ３９はピエゾスタック電圧が目標電圧に達するとスイッチング素子３４ａを前記のごとくオフに固定する。目標電圧設定信号は、噴射指令に対しては、次のように設定される。図４は、ボール１２３がリフトして弁室１１０から燃料がリークを開始するピエゾスタック電圧（以下、リーク開始電圧という）、ボール１２３がフルリフトしてニードル１２１がリフトし噴射するピエゾスタック電圧（以下、噴射開始電圧という）とコモンレール圧力との関係を示すもので、リーク開始電圧、噴射開始電圧はコモンレール圧力が大きいほど大きくなる。ＣＰＵ６１はＲＯＭに噴射開始電圧よりもやや高めの目標電圧とコモンレール圧力との対応関係をマップ等として記憶しており、これに基づいて噴射指令に対する目標電圧を設定する。この目標電圧は、ボール１２３がフルリフト可能な十分なピエゾスタック電圧が与えられることになる。このとき、コモンレール圧力が高いほど大きな目標電圧が与えられることで、ボール１２３がフルリフトするのに過不足のない適正な充電を行い得る。
【００４９】
また、ＣＰＵ６１は、減圧指令に対しては、次のようにピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電時期、目標電圧を決定し、コモンレール圧力を減圧する。前掲図４において、リーク開始電圧と噴射開始電圧との間が、ボール１２３がハーフリフト可能な電圧の範囲であり、かかる範囲内で目標電圧とコモンレール圧力との対応関係をマップ等として記憶しており、これに基づいて減圧指令に対する目標電圧を設定する。なお、減圧指令における目標のコモンレール圧力（以下、目標圧力という）はＣＰＵ６１において機関運転状態に基づいて演算されて、コントローラ３９に出力される。
【００５０】
噴射指令、減圧指令における目標電圧は、マップに代えて、コモンレール圧力に対してピエゾスタック電圧が対応する関数式で与えてもよいのは勿論である。
【００５１】
また、制御対象となる気筒を選択するための制御信号もＣＰＵ６１から出力され、該制御信号により、選択スイッチング素子３５Ａ〜３５Ｄのうち、選択された気筒に対応するピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄのものがオンする。
【００５２】
図５はワイヤの断線等に対するフェールセーフ制御を示すフローチャートで、先ずピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御がなされると（ステップＳ１１）、線路３７Ａ〜３７Ｄから取り込まれるピエゾスタック電圧のモニター電圧が上昇したか否かを判定する（ステップＳ１２）。モニター電圧が上昇していればピエゾスタック電圧のモニタが正常に行われていると判定して、通常制御処理を実行する（ステップＳ１３）。すなわち、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電をモニター電圧が目標電圧に達するまで行う。そして、モニター電圧が目標電圧に達すると前記のごとく第１のスイッチング素子３４ａをオフに固定して充電を終了する。モニター電圧を取り込むためのモニタ用ワイヤ４３Ａ〜４３Ｄには充電電流が流れないから、ピエゾスタック電圧を、モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄのインピーダンスの影響を受けずにモニターすることができる。これにより、ピエゾスタック電圧を高精度に目標電圧にすることができる。
【００５３】
そして、噴射信号が立ち下がるまでピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電状態を保持し、噴射信号が立ち下がるとステップＳ１４に進み、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電制御を実行する。
【００５４】
次いで、モニター電圧が減少したか否かを判定する（ステップＳ１５）。モニター電圧が減少していれば、通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄの断線等は生じておらず放電が正常に行われていると判定して、第２のスイッチング素子３４ｂによる放電制御が続行され、電荷がバッファコンデンサ３１２に回収される。
【００５５】
モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄが断線等していると、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電制御が実行されてもモニター電圧が上昇しない（ステップＳ１２）。この場合はステップＳ１３をスキップしてステップＳ１４に進み、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電を中止して強制的に放電制御に切り換える。
【００５６】
また、充電状態で通電ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄが断線等すると、放電制御（ステップＳ１４）がなされても実際には放電せず、モニター電圧が減少しない（ステップＳ１５）。この場合は、電圧が減少しないピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと接続されたスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンする（ステップＳ１６）。スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンすることにより、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄと抵抗器（以下、適宜、フェールセーフ用の抵抗器という）３８Ａ〜３８Ｄよりなる回路が閉成されて、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電電流が抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに流れる。これにより、速やかにボール１２３が着座して、インジェクタ１が燃料を噴射し続ける等の不具合を防止することができる。
【００５７】
このように、ピエゾスタック電圧のモニタ用のワイヤ４３Ａ〜４３Ｄを、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを強制放電せしめるためのワイヤとしても機能させることで、ワイヤ４３Ａ〜４３Ｄがピエゾスタック電圧のモニタだけに止まらない、実施価値の高いものとなる。しかも、前記のごとく、モニタワイヤ４３Ａ〜４３Ｄには、充電電流や放電電流が流れないから、ピエゾスタック電圧の高精度なモニタが可能である。
【００５８】
また、フェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄがピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けられているので、ワイヤ４１Ａ〜４１Ｄの断線により一部のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが放電不能となった場合に、放電不能となった当該一部のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを除く他の正常なピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄで燃料噴射が可能であり、リンプホームを実現することができる。
【００５９】
図６にコモンレール圧力の減圧指令に対する通電制御（図中、減圧制御）のフローチャートを示す。コモンレール圧力が目標圧力に達したか否かに基づいて減圧制御が完了したか否かを判断し（ステップＳ２１）、目標圧力に達していなければ全気筒のフェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンする（ステップＳ２２）。
【００６０】
次いで、減圧制御における第１気筒のピエゾスタック１の目標電圧を演算し、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを充電し、目標電圧まで昇圧する（ステップＳ２３）。
【００６１】
これにより、第１気筒のインジェクタ１において高圧燃料の燃料タンク５１への還流が開始される。
【００６２】
次いで、減圧制御における第２、第３、第４気筒のピエゾスタック１２７Ｂ〜１２７Ｄの目標電圧の演算およびピエゾスタック１２７Ｂ〜１２７Ｄの充電を、気筒選択スイッチング素子３５Ｂ〜３５Ｄを順次切り換えながら実行する（ステップＳ２４，Ｓ２５，Ｓ２６）。第４気筒のピエゾスタック１２７Ｄの目標電圧の演算およびピエゾスタック１２７Ｄの充電の実行後は、ステップＳ２１に戻る。そして、コモンレール圧力が目標圧力に達していなければ、再びステップＳ２２以降の手順が繰り返され、目標圧力に達したら本フローを抜ける。
【００６３】
本減圧制御では、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電の後、第２のスイッチング素子３４ｂのオンオフによる、そのピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電を行うことなく次の気筒のピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの充電に入っていく。そして、各ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄからは、充電の完了後も、これと並列に接続された抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに電流が流れ、蓄電量が減少し、ピエゾスタック電圧がリーク開始電圧に向かって低下していく。なお、このときの減少速度を規定する時定数は、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの静電容量および抵抗器３８Ａ〜３８Ｄの抵抗値に依存する。
【００６４】
しかして、充電時期の早い第１気筒のインジェクタ１から順次、再びボール１２３が着座していく。
【００６５】
このように、減圧指令に対して、予めフェールセーフ用スイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをオンしておくだけでよく、放電制御が不要となるので、複数気筒においてインジェクタ１から高圧燃料を還流するに当たり、第２のスイッチング素子３４ｂの作動が不要で、選択用スイッチング３５Ａ〜３５Ｄの作動回数を減じることができる。また、この結果、制御負担も減じられる。
【００６６】
これにより、さらにワイヤ４３Ａ〜４３Ｄの実施価値を高めることができる。
【００６７】
なお、ボール１２３がハーフリフトを終了して着座する時期は、任意には設定されず、前記時定数等で規定される。時定数等は、例えば次のことを考慮して設定する。図３のインジェクタ１では、ピエゾスタック１２７が燃料噴射可能に充電された後、仮にその状態をいつまでも続けるとしても、一定時間を越えると次第に閉弁する機械的なフェイルセーフ機構を備えている。すなわち、インジェクタ１はピエゾスタック１２７の伸長で変位拡大室１１３内の燃料を圧縮して加圧し、ボール１２３を押圧する押圧力を発生しており、その燃料圧力はボール１２３がリフト状態のときはボール１２３に作用する上向きの付勢力に抗し得る圧力となっている。このため、変位拡大室１１３内の加圧した燃料はピストン１２４，１２５の摺動部から僅かずつ低圧室１１１等の低圧部にリークし、ボール１２３のリフト量が低下して背圧室１０６から低圧室１１１に抜ける燃料の流量が減少し、これにより背圧が漸次上昇し、終にはニードル１２１が着座して燃料の噴射が停止することになる。したがって、ハーフリフト持続時間がこの時間よりも短くなるようにする。
【００６８】
なお、本実施形態ではモニタワイヤとして、ピエゾスタックの非接地側の端子と導通するもののみを設けたが、ピエゾスタックの接地側の端子と導通するものを併せて設けて、さらにピエゾスタック電圧を高精度でモニタすることもできる。
【００６９】
なお、フェールセーフ用のスイッチング素子３９Ａ〜３９Ｄをピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに１対１に対応して設けることでリンプホームを実現しているが、フェールセーフ用のスイッチング素子を抵抗器３８Ａ〜３８Ｄに共通に１つだけとし、各抵抗器と直列に、ダイオードを、抵抗器から接地側に向かう方向が順方向となるように１対１に対応して設けてもよい。この場合、フェールセーフ用のスイッチング素子をオンすると、その間、他の気筒で実質的に噴射ができなくなるが、放電不能になったピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄを搭載したインジェクタ１の燃料の噴射停止は前記機械的なフェールセーフ機構にて対処し、機関停止後にフェールセーフ用のスイッチング素子をオンして、放電不能になったピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄの放電を行う。この放電は修理工場等で外部からＣＰＵへの特別なコマンド入力により行われるように設定してもよい。
【００７０】
なお、本実施形態は内燃機関の燃料噴射装置に適用したものを示したが、本発明は、ピエゾアクチュエータを備えた装置に適用することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、上述したようにインジェクタ１から燃料が噴射し続ける等の不具合を防止できるだけではなく、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄが充電保持状態となったまま通電ワイヤが断線し、何らかの異常検出手段にてその断線が検出され、エンジン停止後に修理しようとするとき、ピエゾスタック１２７Ａ〜１２７Ｄに保持されている電荷を確実に除去できるため、修理時における安全性も確保できるという、さらなる効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料噴射装置のインジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータを駆動する本発明のピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記燃料噴射装置のインジェクタを中心とする構成図である。
【図４】前記燃料噴射装置を構成するＣＰＵにおける制御を説明するグラフである。
【図５】前記燃料噴射装置における制御を示す第１のフローチャートである。
【図６】前記燃料噴射装置における制御を示す第２のフローチャートである。
【図７】従来のピエゾアクチュエータ駆動回路の作動を示すグラフである。
【符号の説明】
１ インジェクタ
１ａ ノズル部
１ｂ 背圧制御部（背圧増減手段）
１ｃ ピエゾアクチュエータ
１１０ 弁室
１１０ａ 低圧ポート
１２３ ボール（弁体）
１２７，１２７Ａ，１２７Ｂ，１２７Ｃ，１２７Ｄ ピエゾスタック
２ ピエゾアクチュエータ駆動回路
３ 駆動ユニット
３ａ 充放電回路部
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ 選択用のスイッチング素子（選択用のスイッチ手段）
３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ フェールセーフ用の抵抗器（抵抗器）
３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄ フェールセーフ用のスイッチング素子（フェールセーフ用のスイッチ手段）
３９ コントローラ
４ ワイヤハーネス
４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 通電ワイヤ
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄ モニタワイヤ（検出用のワイヤ）
６ 制御部
６１ ＣＰＵ
Claims (3)
- 噴孔を開閉するニードルを有し、コモンレールに蓄えられた高圧の燃料が供給されて該燃料を前記噴孔から噴射するノズル部と、前記コモンレールから燃料が導入され前記ニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源の間に介設された弁室内に弁体を前記低圧源側のポートを閉鎖可能に配設してなり該弁体のリフト量が大きくなるに応じて前記背圧室の圧力を低下せしめる背圧増減手段と、前記弁体を押圧駆動するピエゾスタックを有し該ピエゾスタックの充電量が多いほど前記弁体のリフト量を増大せしめるピエゾアクチュエータとを備えたインジェクタと、
ピエゾアクチュエータに搭載されたピエゾスタックの充電と放電とを行う充放電回路部と、ピエゾスタックの両端間電圧をモニタしながら充放電回路部によるピエゾスタックへの通電を制御する制御部と、充放電回路部とピエゾスタックとを接続し充電電流および放電電流を流す通電ワイヤとを有して、ピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備し、
前記ピエゾアクチュエータ駆動回路は、
前記ピエゾスタックの非接地側の端子に、前記通電ワイヤとは別の検出ワイヤを接続してピエゾスタックの両端間電圧のモニタ信号を制御部に取り込み、
かつ、検出ワイヤを介してピエゾスタックと並列に抵抗器を接続してピエゾスタックの放電電流を抵抗器に流す放電用の回路を形成するとともに、該放電用回路を開閉するフェールセーフ用のスイッチ手段を設けたことを特徴とする燃料噴射装置。 - 請求項１記載の燃料噴射装置において、前記制御部を、
燃料の噴射指令に対しては、前記弁体を着座状態とフルリフト状態との間で切り換えて前記ニードルを開閉する通電制御を実行し、前記コモンレール内の燃料圧力の減圧指令に対しては、ピエゾスタックの充電に先立ち予め前記フェールセーフ用スイッチ手段をオンしておき、前記ニードルが着座状態のままで前記弁体をリフト状態とする通電制御を実行するように設定した燃料噴射装置。 - 請求項２記載の燃料噴射装置において、前記インジェクタおよび非接地側の通電ワイヤを、前記充放電回路部を共通として複数設け、
各通電ワイヤには、充放電回路部と接続するインジェクタを選択する選択用のスイッチ手段を設け、
前記制御部を、前記減圧指令に対する通電制御において、予めフェールセーフ用スイッチ手段をオンした後、オンする選択用スイッチ手段を切り替えて、ピエゾスタックを順次、充電するように設定した燃料噴射装置。
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