JP6203159B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒への燃料噴射を制御する燃料噴射装置に関するものである。

従来より、燃料噴射装置としては、内燃機関の気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁の開閉動作を制御する制御装置とを備えるものが知られている。
燃料噴射弁は、噴孔を開閉するニードル、このニードルに対して閉弁方向に付勢する燃料圧を作用させる制御室、およびこの制御室と高圧ポートまたは低圧ポートとの連通、遮断を制御する制御弁を有している。この燃料噴射弁は、制御室に高圧燃料を流出入させることで、制御室内の燃料圧を増減して、ニードルの開閉動作を制御している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、上記の燃料噴射弁では、開弁応答性を高めるべく、制御室から低圧燃料通路へ燃料を流出させる際に使用するアウトオリフィスの絞り径を拡大して排出流量を高めたものが開発されている。
しかるに、低圧ポートを閉じる閉弁状態から低圧ポートを開く開弁状態へ切り替える制御弁を開弁駆動して制御室から燃料を流出させるためのアクチュエータとして、電荷の充放電により伸縮するピエゾ素子積層体を用いる場合、パイロット噴射のような微小噴射量の噴射（以下微小噴射と呼ぶことがある）を行うときに、以下に説明するような問題が発生する。

すなわち、ピエゾ素子積層体は、充電されて伸長することで制御弁を開弁駆動する。これにより、制御室と低圧ポートを連通して制御室から燃料を排出させることで、ニードルが開弁する。
一方、制御装置は、目標噴射量と燃料圧とから燃料噴射弁の１回当たりの噴射指令値を設定する。この噴射指令値は、ピエゾ素子積層体に対する充電開始から放電開始までの通電時間を示す。

ここで、制御装置は、制御弁の開弁状態、つまり燃料噴射弁の開弁状態を安定（維持）させるため、ピエゾ素子積層体に対する充電電圧に対する最終目標値を、制御弁が開弁を開始する時の充電電圧である開弁開始値よりも大きい値として設定している。
そして、制御装置は、噴射指令値に基づき、ピエゾ素子積層体に対する充電を開始し、充電電圧が開弁開始値に到達すると、制御弁が開弁する。そして、制御室内の燃料圧が開弁圧よりも低下すると、ニードルが開弁し、燃料噴射が開始される。
さらに、制御装置は、充電電圧を最終目標値に到達させた後、引き続き、充電電圧を最終目標値に維持して燃料噴射を継続し、その後、放電を開始して制御弁が閉弁し、燃料噴射が終了する。

また、制御装置は、可能な限り速やかにピエゾ素子積層体の充電電圧を最終目標値に到達させるため、充電を開始してから充電電圧が最終目標値に到達するまでの充電期間を短く設定しており、この短い充電期間に従って、駆動回路からピエゾ素子積層体へ充電電流を供給している。
しかし、開弁応答性を高めて燃料噴射弁の開弁開始時までの期間が短くなると、その分、開弁応答性が低いものと比べて実噴射量が多くなってしまう。このため、噴射指令値を実噴射量が小さくなるように短く設定し直す必要がある。特に、上記のような微小噴射では、噴射指令値が極端に小さくなり、充電期間以下となる場合がある。
このような場合、充電電圧が最終目標値に到達する前に放電が開始される可能性がある。この結果、充電電圧が最終目標値に到達する前に放電が開始されてしまうと、制御弁の開弁挙動が不安定なる可能性がある。

なお、微小噴射において、噴射指令値が充電期間以下となり、充電電圧が最終目標値に到達する前に放電が開始される事態を回避するという目的で、充電期間を更に短く設定することが考えられる。
しかるに、充電期間を更に短くすると駆動回路における通電条件が厳しくなり、駆動回路を、大電流仕様のものに交換しなければならなくなるので、コストアップになる可能性がある。

特許第３８２７００３号公報

本発明の目的は、アクチュエータとしてピエゾ素子積層体を有し、開弁応答性を高めた燃料噴射弁において、駆動回路を大電流仕様のものに交換することなく、小噴射量による燃料噴射における燃料噴射弁の弁体の開弁挙動を安定させることのできる燃料噴射装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明（燃料噴射装置）は、噴射量決定手段、判定手段および設定手段を備えている。
この燃料噴射装置によれば、噴射量の指令値が所定値よりも大きいと判定された場合には、ピエゾ素子積層体への充電量が開弁開始値に到達する開弁開始時期として第１時期（ｔｍ）が設定される。
一方、噴射量の指令値が所定値以下と判定された場合には、上記の開弁開始時期として第２時期（ｔｐ）が設定される。
ここで、第２時期（ｔｐ）は、第１時期（ｔｍ）よりも遅い（時刻の）時期に設定される。
さらに、制御装置は、１回の燃焼サイクルにおける燃料噴射弁から内燃機関の気筒への燃料噴射を複数回に分割して行う分割噴射を実施する噴射制御手段を有し、噴射量決定手段は、分割噴射の各噴射における燃料の噴射量に対応した噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）を設定する。

これによって、噴射量の指令値が所定値以下の場合、すなわち、噴射量（演算値）が所定値以下の小噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第１時期（ｔｍ）よりも遅い第２時期（ｔｐ）が選択される。
このため、ピエゾ素子積層体への充電開始から開弁開始時期までの制御期間（例えば充電量上昇期間）は、緩やかな通電条件、つまり少ない充電電流でピエゾ素子積層体を充電することになる。これにより、燃料噴射弁の弁体の開弁開始を遅らせることができるので、その分、実噴射量を（例えば開弁応答性が高い燃料噴射弁と比べて）減量することができる。
したがって、例えば噴射指令値（噴射期間の指令値）を充電期間以下にしなくても、実噴射量を減量できるので、放電開始の時期を、充電量が最終目標値に到達する時期以降にすることができる。この結果、開弁応答性を高めた燃料噴射弁において、制御装置、特に駆動回路を大電流仕様のものに交換することなく、小噴射量による燃料噴射における燃料噴射弁の弁体の開弁挙動を安定させることができる。

一方、噴射量の指令値が所定値よりも大きい場合、すなわち、噴射量（演算値）が所定値よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第２時期（ｔｐ）よりも早い第１時期（ｔｍ）が選択される。
このため、例えば現状の駆動回路の能力の範囲内で通電条件を設定することができる。これにより、開弁応答性を高めたことによる効果を、例えば現状の駆動回路の能力の範囲内で最大限に享受することができる。
したがって、請求項１に記載の発明（燃料噴射装置）によれば、噴射量（演算値）が所定値以下の小噴射量による燃料噴射を行う場合には、燃料噴射弁の弁体の開弁挙動の安定化を優先し、噴射量（演算値）が所定値よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合には、開弁応答性を高めたことによる効果を得ることを優先することができる。

燃料噴射装置の概略構成を示した構成図である（実施例１）。 ピエゾ素子積層体の充電制御方法を示したフローチャートである（実施例１）。 ピエゾ素子積層体の充電制御方法を示したフローチャートである（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は噴射指令値（Ｔｑ）と噴射量（Ｑ）との関係を示した特性図（全体図、拡大図）である（実施例１）。 大噴射量による燃料噴射時の充電制御を示したタイミングチャートである（実施例１）。 微小噴射量による燃料噴射時の充電制御を示したタイミングチャートである（実施例１）。 噴射指令値（Ｔｑ）および噴射量（Ｑ）の変化を示したタイミングチャートである（実施例１）。 充電制御時における噴射指令値、充電期間信号、ピエゾ電流およびピエゾ充電電圧の変化を示したタイミングチャートである（実施例１）。 ピエゾ素子積層体の充電制御方法を示したフローチャートである（実施例２）。 ピエゾ素子積層体の充電制御方法を示したフローチャートである（実施例３）。 燃料噴射装置の概略構成を示した構成図である（実施例４）。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１の構成］
図１ないし図８は、本発明を適用した内燃機関の燃料噴射装置（実施例１）を示したものである。

本実施例の内燃機関の燃料噴射装置は、内燃機関（エンジン）の各気筒内に燃料を噴射する油圧式燃料噴射弁（ピエゾインジェクタ：以下インジェクタ１）と、このインジェクタ１の燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置（以下制御装置２）とを備えている。
燃料噴射装置は、ディーゼルエンジン用の燃料噴射システムとして知られるコモンレール式燃料噴射システムによって構成されている。
コモンレール式燃料噴射システムは、燃料タンクから燃料を汲み上げるフィードポンプを内蔵した超高圧燃料ポンプ（以下サプライポンプ）と、このサプライポンプの吐出口から吐出された高圧燃料が導入される燃料分配管（以下コモンレール）と、このコモンレールの各燃料出口から高圧燃料が分配供給される複数のインジェクタ１とを備えている。

制御装置２は、エンジン制御ユニット（以下ＥＣＵ３）と、このＥＣＵ３から出力される各種信号によって制御されるピエゾ駆動回路（以下ＥＤＵ４）とを備えている。
ＥＣＵ３は、ＥＤＵ４に対して制御信号（各種指令値、例えば噴射指令値、充電指令値、充電期間信号等）を出力する。
ＥＤＵ４は、インジェクタ１の弁体（後述する）を開閉駆動するピエゾ素子積層体５の充放電制御を行うピエゾアクチュエータ駆動回路である。このＥＤＵ４は、ＥＣＵ３から開弁駆動指令（噴射指令値ＯＮ）を入力すると、ピエゾ素子積層体５の充電制御を行う。また、ＥＣＵ３から閉弁駆動指令（噴射指令値ＯＦＦ）を入力すると、ピエゾ素子積層体５の放電制御を行う。これにより、各インジェクタ１の噴孔（後述する）から燃料噴射される噴射量、噴射時期および噴射期間が制御される。

ここで、エンジンとして、第１〜第４気筒の順に配列された直列４気筒エンジンが採用されている場合、各気筒の燃料噴射の順序は、第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第２気筒＃２であり、この順で吸気行程等が実施される。
また、エンジンの各気筒＃１〜＃４において、１８０°ＣＡずつずれた噴射タイミング（噴射時期）で、例えば各気筒の圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）近傍で、各気筒のインジェクタ１を開弁による燃料噴射が開始されるように構成されている。

インジェクタ１は、コモンレール式燃料噴射システム用の燃料噴射弁として使用される。このインジェクタ１は、ノズルボディとインジェクタボディとを一体化したハウジング６と、このハウジング６の内外を連通する複数の噴孔７と、これらの噴孔７よりも燃料流方向の上流側の環状シートに接離して複数の噴孔７を開閉するノズルニードル（以下ニードル８）とを備えている。
インジェクタ１は、ピエゾ素子積層体５の伸縮変位を利用して制御弁（後述する）を開閉駆動することで、ニードル８の直上に設けられる制御室（後述する）内の燃料圧力を調整（増減）し、ニードル８の開閉動作を制御する。これにより、エンジンの気筒の燃焼室内に噴射される燃料噴射量、噴射時期および噴射パターン（噴射率）が制御される。

ハウジング６の反噴孔側には、燃料系の高圧側に設けられるサプライポンプまたはコモンレール等の高圧発生部と高圧配管を介して接続されるインレットポートが設けられている。このハウジング６の反噴孔側には、燃料系の低圧側に設けられる燃料タンクまたは燃料供給経路の低圧部等と低圧配管を介して接続されるアウトレットポートが設けられている。
また、ハウジング６のアクチュエータ収容孔内には、ピエゾ素子積層体５を含むアクチュエータ等が収容されている。
なお、本実施例のアクチュエータの詳細は、後述する。

ハウジング６は、ニードル８を伴ってノズルを構成するノズルボディと、このノズルボディの反噴孔側に配置されるインジェクタボディとを備えている。なお、図１では、ノズルボディとインジェクタボディとが一体部品として示されているが、実際は別体部品であり、リテーニングナットにより一体化されている。
また、ハウジング６のニードル収容孔内には、軸線方向に往復移動可能なニードル８、およびこのニードル８を閉弁方向に付勢するノズルスプリング９が収容されている。

また、ハウジング６のニードル収容孔内には、ニードル８の反噴孔側の摺動部を摺動可能に支持する筒状のノズルシリンダ１１が設置されている。
ハウジング６には、高圧燃料通路１２、１３から高圧燃料が導入される制御弁室であるバルブ収容室１４が形成されている。このバルブ収容室１４内には、ニードル８に対して閉弁方向に作用する燃料圧力を増減制御する制御弁（以下制御バルブ１５）、およびこの制御バルブ１５を、高圧シート（状態）側から低圧シート（状態）側へ切替動作させる方向（閉弁方向）に付勢するバルブスプリング１６が収容されている。

バルブ収容室１４の壁面には、制御バルブ１５の高圧側弁部が着座可能な環状の高圧シート面、および制御バルブ１５の低圧側弁部が着座可能な環状の低圧シート面が設けられている。
高圧シート面の中央部では、高圧燃料通路１２、１３とバルブ収容室１４とを連通する高圧ポートが開口している。
バルブ収容室１４の壁面には、共用流路１７を介して、バルブ収容室１４と制御室１８とを常時連通する連通ポートが形成されている。
低圧シート面の中央部では、アウトオリフィス１９を介して、バルブ収容室１４と低圧燃料通路２０とを連通する低圧ポートが開口している。

制御バルブ１５は、特許請求の範囲における、「燃料噴射弁の弁体」に相当する。この制御バルブ１５は、変位伝達部材（ピン）２１を介してアクチュエータのバルブピストン（後述する）に強制的に開弁駆動される。また、制御バルブ１５は、低圧シール状態と高圧シール状態とを切り替える３方弁構造の制御弁である。
制御バルブ１５は、ハウジング６の低圧シート面に接離して低圧ポートを開閉する低圧側弁部（第１弁体）、およびハウジング６の高圧シート面に接離して高圧ポートを開閉する高圧側弁部（第２弁体）等を有している。

ハウジング６の内部には、制御室１８および燃料溜まり室２２等が収容されている。
制御室１８は、ニードル８の摺動部の端面と制御室１８の壁面（天井面）とノズルシリンダ１１の内周面とで囲まれた空間である。この制御室１８内に導入される燃料圧力は、ニードル８に対して、ニードル８の閉弁方向に付勢する付勢力として作用する。
燃料溜まり室２２は、ノズルスプリング９を収容するスプリング収容室よりも燃料流の下流側に設けられている。この燃料溜まり室２２内に導入される燃料圧力は、ニードル８に対して、ニードル８の開弁方向に付勢する付勢力として作用する。

次に、本実施例のアクチュエータの詳細を図１ないし図３に基づいて簡単に説明する。 アクチュエータは、電荷の充放電により軸線方向（積層方向）に伸縮するピエゾ素子をその軸線方向に多数積層してなるピエゾ素子積層体５を備えている。このピエゾ素子積層体５は、一対のピエゾリード端子間に、ＥＤＵ４からピエゾ充電電圧またはピエゾ充電電流が印加される。
アクチュエータは、ＥＣＵ３からＥＤＵ４に与えられるインジェクタ開弁駆動指令（噴射開始指令）に対応してピエゾ素子積層体５の充電制御を行われると、ピエゾ素子積層体５に電荷が充電される。また、アクチュエータは、ＥＣＵ３からＥＤＵ４に与えられるインジェクタ閉弁駆動指令（噴射終了指令）に対応してピエゾ素子積層体５の放電制御を行われると、ピエゾ素子積層体５から電荷が放電される。

ここで、ピエゾ素子積層体５を備えたインジェクタ１では、ピエゾ素子積層体５の特徴である駆動力の大きさに対する変位量（伸長量）の不足分を補うという目的で、ピエゾ素子積層体５と制御バルブ１５との間に、ピエゾピストン３１とバルブピストン３２との受圧面積比に応じてピエゾ素子積層体５の伸長変位を拡大してバルブピストン３２に伝える変位拡大機構を備えている。
変位拡大機構は、ピエゾ素子積層体５の伸縮変位を受けてピエゾ素子積層体５と一体移動可能に連結したピエゾピストン（大径ピストン）３１と、制御バルブ１５と一体移動可能に連結したバルブピストン（小径ピストン）３２と、作動油（燃料）が充電された油密室３３とを備えている。この変位拡大機構は、バルブピストン３２が、ピエゾ素子積層体５の変位方向と略同一方向に制御バルブ１５を切替駆動するように構成されている。

変位拡大機構は、バルブピストン３２の変位を制御バルブ１５に伝えて、制御バルブ１５を低圧シート（状態）側から高圧シート（状態）側（開弁方向）へ強制的に切替動作させる変位伝達部材２１と、ピエゾ素子積層体５にプリセット荷重を与えるピエゾスプリング（スリットスプリング）３４とを備えている。また、変位拡大機構は、ピエゾピストン３１およびバルブピストン３２を往復摺動可能に支持する筒状のピストンシリンダ３５と、バルブピストン３２に対して、制御バルブ１５の開弁方向に付勢する付勢力を発生するバルブピストンスプリング３６とを備えている。

ここで、ピエゾ素子積層体５への充電開始タイミングとなると、ピエゾ素子積層体５への充電が開始される。それと同時に、充電電圧の上昇が開始され、且つピエゾ素子積層体５がその軸線方向（積層方向）の一方側への伸長変位も開始される。これに伴って、ピエゾピストン３１が変位するため、ピエゾピストン３１の変位量に応じて、油密室３３の容積が縮小されて油密室３３内の燃料圧（油圧）が上昇していく。そして、充電電圧が第１所定値（開弁開始値：Ｖ０）に到達して、ピエゾ素子積層体５の伸長変位が第１所定値に到達すると、油密室３３内の油圧が第１所定値以上に上昇する。
そして、油密室３３内の油圧が第１所定値以上に上昇すると、バルブピストン３２が、ピエゾ素子積層体５の変位方向と略同一方向に駆動される。そして、バルブピストン３２の移動に伴って、制御バルブ１５が開弁駆動される。

一方、ピエゾ素子積層体５への充電終了（放電開始）タイミングとなると、ピエゾ素子積層体５の放電が開始される。これに伴って、ピエゾ素子積層体５が収縮し、ピエゾピストン３１が中間位置まで戻されると、油密室３３の容積が拡大されて油密室３３内の油圧が低下する。
そして、油密室３３内の油圧の低下に伴って、制御バルブ１５およびバルブピストン３２がバルブスプリング１６の付勢力によって押し戻される。これにより、バルブピストン３２の移動に伴って、制御バルブ１５が閉弁駆動される。

次に、本実施例の制御装置２の詳細を図１ないし図３に基づいて簡単に説明する。
制御装置２は、サプライポンプのポンプアクチュエータを駆動するポンプ制御装置と、インジェクタ１のピエゾ素子積層体５を駆動するピエゾ制御装置とを兼ねている。
ポンプ制御装置は、ポンプアクチュエータを駆動してインジェクタ１の噴孔７から噴射される燃料の噴射圧力（燃圧）、つまりコモンレール圧を制御するポンプ駆動回路と、このポンプ駆動回路に対して、コモンレール圧の増圧指令およびコモンレール圧の減圧指令を出力するＥＣＵ３とを備えている。

ピエゾ制御装置は、噴射指令値ＯＮ信号および噴射指令値ＯＦＦ信号を出力するＥＣＵ３と、インジェクタ１のピエゾ素子積層体５の充放電制御を行うＥＤＵ４とを備えている。
ＥＣＵ３には、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、入力回路（入力部）、出力回路（出力部）、タイマー回路等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが内蔵されている。
そして、コモンレールに取り付けられたコモンレール圧（燃圧）センサからの出力信号や、各種センサからの出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路でＡ／Ｄ変換された後に、マイクロコンピュータの入力部に入力されるように構成されている。

ここで、マイクロコンピュータの入力部には、コモンレール圧センサだけでなく、エアフロメータ、ＮＥセンサ、Ｇセンサ、エンジン負荷（アクセル開度センサ、スロットル開度センサ）、水温センサ、燃温センサ等が接続されている。
ＮＥセンサは、エンジンのクランクシャフトの回転角度を電気信号に変換するピックアップコイルよりなり、例えば１５°または３０°ＣＡ（クランク角度）毎にＮＥパルス信号がＥＣＵ３に対して出力される。

ＥＣＵ３は、ＮＥセンサから出力されたＮＥパルス信号の間隔時間を計測することによってエンジン回転速度（エンジン回転数：ＮＥ）を検出するための回転速度検出手段としての機能を有している。
Ｇセンサは、エンジンの各気筒毎の吸気バルブまたは排気バルブを駆動するカムシャフトの回転角度に対応した電気信号をＥＣＵ３に対して出力する。
ＥＣＵ３は、ＮＥセンサおよびＧセンサを使用して、エンジンの各気筒の上死点（ＴＤＣ）、エンジン回転速度（ＮＥ）およびクランク角度を検出して、燃料噴射を行う気筒を判別する。

ＥＣＵ３は、エンジンの運転状態（例えばエンジン回転速度等）に応じて、燃料の噴射圧力の目標値（目標コモンレール圧）を算出する。ＥＣＵ３は、燃圧センサの出力信号（コモンレール圧：Ｐｃ）と目標コモンレール圧との圧力偏差に応じて、サプライポンプに与える制御指令値を算出し、ポンプアクチュエータの駆動回路に制御指令値に対応したポンプ制御信号を出力する。

ここで、本実施例の制御装置２は、特許請求の範囲における、「噴射量決定手段」、「判定手段」および「設定手段」に相当する。
この制御装置２は、エンジンの各気筒の１回の燃焼サイクル中におけるインジェクタ１からの燃料噴射を複数回に分割して行う分割噴射（マルチ噴射）を実施する噴射制御手段を備えている。
この噴射制御手段は、エンジンの各気筒の一燃焼サイクル中に、エンジンの燃焼トルクと成り得るメイン噴射に先立って、微小量のメイン噴射以外の微小噴射を行うように構成されている。この場合、メイン噴射以外の微小噴射としては、１回以上のプレ噴射または１回以上のパイロット噴射等がある。

また、噴射制御手段は、エンジンの各気筒の一燃焼サイクル中に、メイン噴射の後に、微小量のメイン噴射以外の微小噴射を行うように構成されている。この場合、メイン噴射以外の微小噴射としては、１回以上のアフター噴射や１回以上のポスト噴射等がある。
また、噴射制御手段は、エンジンの各気筒の一燃焼サイクル中に、メイン噴射の前に、１回以上のプレ噴射または１回以上のパイロット噴射を行い、更に、メイン噴射の後に、１回以上のアフター噴射や１回以上のポスト噴射を行うように構成されている。

次に、本実施例のＥＤＵ４の詳細を図１ないし図３に基づいて簡単に説明する。
ＥＤＵ４は、特許請求の範囲における、「充電制御手段」、「作成手段」に相当する。このＥＤＵ４は、ピエゾ素子積層体５と直列接続される充放電コイルと、ピエゾ素子積層体５を充電するための電気エネルギーを蓄えるコンデンサと、ピエゾ素子積層体５の充電時に動作する充電スイッチと、ピエゾ素子積層体５の放電時に動作する放電スイッチとを備えている。

ＥＤＵ４は、充電スイッチおよび放電スイッチの動作を制御する充放電制御部（制御ＩＣ）と、ピエゾ素子積層体５を流れるピエゾ充電電流を検出する電流検出部と、ピエゾ素子積層体５に印加されるピエゾ充電電圧を検出する電圧検出部とを備えている。
充放電制御部は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータを内蔵している。
また、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）は、充電制御プログラム、放電制御プログラムおよびピエゾ素子積層体５の充放電制御に必要な制御データ（演算値、検出値や実測値）等を記憶（格納）する記憶部を構成している。

充電制御プログラムは、ピエゾ素子積層体５に対する充電パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御を行うためのプログラムである。この充電制御プログラムは、図２および図３に示したように、ピエゾ素子積層体５の充電を開始してから、ピエゾ素子積層体５の充電を完了するまでの充電期間（例えば１００μｓｅｃ程度）中に実行される。
放電制御プログラムは、ピエゾ素子積層体５に対する放電パターンに従ってピエゾ素子積層体５の放電制御を行うためのプログラムである。この放電制御プログラムは、ピエゾ素子積層体５の放電を開始してから、ピエゾ素子積層体５の放電を完了するまでのピエゾ放電期間中に実行される。

充電制御プログラムには、インジェクタ１の開弁タイミング（ｔｍ、ｔｐ）が異なる複数の充電制御パターンを所定の形式（図３参照）で表したデータテーブル（第１、第２充電制御マップ）が含まれている。この充電制御プログラムは、放電制御プログラムと共に、ＥＤＵ４のＲＯＭに予め記憶されている。
複数の充電制御パターンは、少なくとも２つ以上の第１、第２充電制御パターンを有している。
第１充電制御パターンは、図３、図５および図８に示したように、メイン噴射用のピエゾ電流制御およびピエゾ充電電圧の充電制御が示されている。
第２充電制御パターンは、図３、図６および図８に示したように、メイン噴射以外の微小噴射用のピエゾ電流制御およびピエゾ充電電圧の充電制御が示されている。

なお、図３に示した第１、第２充電制御マップは、コモンレール圧センサによって検出されたコモンレール圧（Ｐｃ）に基づいて、制御バルブ１５を開弁させるのに必要な充電電圧値（以下開弁開始値：Ｖ０）よりも高い充電完了時電圧値（以下フル充電電圧値：Ｖ１）が設定される。
開弁開始値（Ｖ０）は、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の中間目標値のことである。
フル充電電圧値（Ｖ１）は、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の最終目標値のことである。
また、図５および図６中のＰ０とは、ニードル開弁開始圧力、所謂ニードル開弁圧のことである。また、Ｐｃは、コモンレール圧（燃圧）のことである。
このため、ＥＤＵ４のＲＯＭは、図３に示した第１、第２充電制御マップを、異なるコモンレール圧（燃圧）毎に複数記憶している。

第１充電制御パターンは、要求噴射量（Ｑ）に対応した噴射量の指令値が所定値よりも大きいと判定された場合に使用される。噴射量の指令値としては、分割噴射のメイン噴射における目標噴射量、つまりメイン噴射量（Ｑｍ）が用いられる。
第１充電制御パターンは、ピエゾ素子積層体５への充電開始から、開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として、第２期間（Ｔｐ１）よりも短い時間の第１期間（Ｔｍ１）が設定されている。また、充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）に到達する第１開弁タイミング（ｔｍ）は、第２充電制御パターンの第２開弁タイミング（ｔｐ）よりも進角している。

第１充電制御パターンは、分割噴射を行わない場合（噴射回数が１回：メイン噴射のみの１回噴射）、あるいは分割噴射を行う場合（噴射回数が２回以上）でもメイン噴射を実施する時に使用する充電制御パターンである。
充電期間の前半、つまり第１期間（Ｔｍ１）は、図５に示したように、噴射指令値に対応した充電指令値を受けて、ＥＤＵ４がピエゾ素子積層体５に供給する充電電流を制御して、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第２充電制御パターンよりも速くしている。
充電期間の後半、つまり開弁開始値（Ｖ０）に到達してからフル充電電圧値（Ｖ１）に到達するまでの期間（Ｔｍ２）は、ＥＤＵ４がピエゾ素子積層体５に供給する充電電流を制御して、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第２充電制御パターンよりも遅くしている。

第２充電制御パターンは、要求噴射量（Ｑ）に対応した噴射量の指令値が所定値よりも小さいと判定された場合に使用される。噴射量の指令値としては、分割噴射のメイン噴射以外の微小噴射における目標噴射量、つまりパイロット噴射量（Ｑｐ）が用いられる。
第２充電制御パターンは、ピエゾ素子積層体５への充電開始から、開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として、第１期間（Ｔｍ１）よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）が設定されている。また、充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）に到達する第２開弁タイミング（ｔｐ）は、第１開弁タイミング（ｔｍ）よりも遅角している。このとき、噴射指令値（Ｔｑｐ）は、充電期間（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）以上の値に補正される。

第２充電制御パターンは、分割噴射を行う場合（噴射回数が２回以上）でもメイン噴射以外の微小噴射（パイロット噴射）を実施する時に使用する充電制御パターンである。
充電期間の前半、つまり第２期間（Ｔｐ１）は、図６に示したように、噴射指令値に対応した充電指令値を受けて、ＥＤＵ４がピエゾ素子積層体５に供給する充電電流を制御して、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第１充電制御パターンよりも遅くしている。
充電期間の後半、つまり開弁開始値（Ｖ０）に到達してからフル充電電圧値（Ｖ１）に到達するまでの期間（Ｔｐ２）は、ＥＤＵ４がピエゾ素子積層体５に供給する充電電流を制御して、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第２充電制御パターンよりも速くしている。

ここで、２つの第１、第２充電制御パターンは、ピエゾ素子積層体５の充電を開始してから、ピエゾ素子積層体５の充電が完了した時点に到達した充電完了時到達電圧（Ｖfull＝Ｖ１）が等しくなっている。
また、２つの第１、第２充電制御パターンは、ピエゾ素子積層体５の充電を開始してから、充電完了時到達電圧（Ｖfull＝Ｖ１）に到達するまでの充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔ１＝ｔｃ）が等しくなっている。
なお、充電期間、フル充電電圧値である充電完了時到達電圧（Ｖfull＝Ｖ１）および充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔ１＝ｔｃ）は、コモンレール圧（燃圧）に応じて変更される。

ＥＤＵ４は、ＥＣＵ３等の外部からインジェクタ開弁駆動指令が入力されると、ピエゾ素子積層体５に対する第１、第２充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５を充電する充電制御を行う。具体的には、放電スイッチをＯＦＦした状態で、充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによるチョッパ制御を実施することで、ピエゾ素子積層体５を充電させる充電制御を行う。
ＥＤＵ４は、ＥＣＵ３等の外部からインジェクタ閉弁駆動指令が入力されると、ピエゾ素子積層体５に対する放電パターンに従ってピエゾ素子積層体５を放電させる放電制御を行う。具体的には、充電スイッチをＯＦＦした状態で、放電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによるチョッパ制御を実施することで、ピエゾ素子積層体５の放電制御を行う。

ここで、第１充電制御パターンの充電前半では、図３および図５に示したように、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第２充電制御パターンよりも速くするため、ピエゾ素子積層体５に供給する通電電流（以下ピエゾ電流）をメイン噴射以外の噴射（パイロット噴射）よりも多くしている。
また、第１充電制御パターンの充電後半では、図３および図５に示したように、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第２充電制御パターンよりも遅くするため、ピエゾ素子積層体５に供給するピエゾ電流をパイロット噴射よりも少なくしている。

一方、第２充電制御パターンの充電前半では、図３および図６に示したように、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第１充電制御パターンよりも遅くするため、ピエゾ素子積層体５に供給するピエゾ電流をメイン噴射よりも少なくしている。
また、第２充電制御パターンの充電後半では、図３および図６に示したように、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第１充電制御パターンよりも速くするため、ピエゾ素子積層体５に供給するピエゾ電流をメイン噴射よりも多くしている。

ここで、本実施例の制御装置２は、メイン噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５の充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）に到達する開弁開始時期（開弁タイミング）として、第２時期（ｔｐ）よりも早い時刻の第１時期（ｔｍ）を設定する第１設定手段を備えている。この第１設定手段は、メイン噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５への充電開始から開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として、第２期間（Ｔｐ１）よりも短い時間の第１期間（Ｔｍ１）を設定する第１期間設定手段を有している。あるいは、第１設定手段は、メイン噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５への充電開始から開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの充電上昇速度として、第２充電速度（Ｖｐ）よりも速い速度の第１充電速度（Ｖｍ）を設定する第１速度設定手段を有している。

また、制御装置２は、パイロット噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５の充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）に到達する開弁開始時期（開弁タイミング）として、第１時期（ｔｍ）よりも遅い時刻の第２時期（ｔｐ）を設定する第２設定手段を備えている。この第２設定手段は、パイロット噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５への充電開始から開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として、第１期間（Ｔｍ１）よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）を設定する第２期間設定手段を有している。あるいは、第２設定手段は、パイロット噴射信号を入力していると判定した場合、ピエゾ素子積層体５への充電開始から開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの充電上昇速度として、第１充電速度（Ｖｍ）よりも遅い速度の第２充電速度（Ｖｐ）を設定する第２速度設定手段を有している。

なお、２つの第１、第２充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御を行った場合、図８に示したように、充電期間に対応した充電期間信号がＯＮしてからＯＦＦするまでの期間が完了した時点で、いずれもフル充電電圧値（Ｖfull＝Ｖ１）および充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔｃ）が等しくなっている。
ここで、充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔ１）を一定とする理由は、パイロット噴射等の微小噴射時に充電完了到達タイミングが増加する、つまり充電期間が長くなると、それに伴って制御可能な噴射量下限が増加するためである。
また、フル充電電圧値（Ｖfull＝Ｖ１）を一定とする理由は、制御バルブ１５の開弁作動に必要な充電電圧（開弁開始値：Ｖ０）に対する余裕度（Ｖ１ーＶ０）を目標噴射量（Ｑ）によらず一定とするためである。

［実施例１の制御方法］
次に、本実施例の充放電制御方法を図１ないし図８に基づいて簡単に説明する。
ここで、図２および図３は、制御装置２によるピエゾ素子積層体５の充電制御方法を示したフローチャートである。この図２および図３の制御ルーチンは、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ・ＯＮ）された後に、予め設定された所定の制御周期（例えばサンプリング周期）毎に繰り返し実行される。

先ず、制御装置２のＥＣＵ３は、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ・ＯＮ）された後に、予め設定された所定の制御周期毎に、要求噴射量等を算出するのに必要な各種センサの出力信号を取得する（センサ信号取得手段）。
具体的には、コモンレール圧センサ、ＮＥセンサ、Ｇセンサ、アクセル開度センサ、水温センサ、燃温センサ等の各種センサから出力された出力信号が取得される。

ＥＣＵ３は、先ずエンジンの運転状態（例えばエンジン回転速度、アクセル開度、エンジントルク等）に対応して要求噴射量（演算値）を算出（設定）する（要求噴射量決定手段：Ｓ１）。
具体的には、アクセル開度センサによって検出されるアクセルペダルの操作量（アクセル開度）と、ＮＥセンサから出力されたＮＥ信号の間隔時間を計測することによって検出（測定）されたエンジン回転速度とに基づいて、アクセル開度に応じて要求される出力トルクを生成するための要求噴射量を算出する。

次に、ＥＣＵ３は、エンジンの運転状態（例えば要求噴射量、エンジン回転速度）に基づいて、エンジンの各気筒の一燃焼サイクル中での分割噴射における噴射回数を算出（設定）する（噴射回数決定手段：Ｓ２）。
この噴射回数演算手段では、要求噴射量とエンジン回転速度とに基づいて、分割噴射を行わない場合（噴射回数が１回：メイン噴射のみの１回噴射）、分割噴射を行う場合（噴射回数が２回以上）とが判定される。分割噴射を行う場合には、エンジンの運転状態、特にエンジン回転速度（ＮＥ）とエンジン負荷（例えばアクセル開度：ＡＣＣＰ）とに対応し、更に、使用可能な最小噴射量または噴射指令値（図４参照）に基づいて、エンジンの各気筒の一燃焼サイクル中において可能な噴射回数を算出（設定）する。

次に、ＥＣＵ３は、噴射回数によって決められた各噴射における目標噴射量（Ｑ）、噴射開始時期の指令値、噴射期間の指令値（噴射指令値）等を算出（設定）する（噴射量の指令値決定手段：Ｓ３）。
具体的には、ＥＣＵ３は、エンジン回転速度と要求噴射量（Ｑ）とに基づいて指令噴射時期（Ｔ）を算出（設定）する。また、ＥＣＵ３は、要求噴射量（Ｑ）とコモンレール圧（Ｐｃ）とに基づいて噴射指令値（Ｔｑ）を算出（設定）する。この噴射指令値（Ｔｑ）は、気筒毎のインジェクタ１に対する噴射量指令値（通電時間、指令噴射期間）のことである。

また、ＥＣＵ３は、１回の燃焼サイクル中にメイン噴射に先立って微小量のパイロット噴射を行う場合、メイン噴射時期（Ｔｍ）、メイン噴射量（Ｑｍ）、メイン噴射指令値（Ｔｑｍ）、パイロットインターバル（ＩＮＴ）、パイロット噴射時期（Ｔｐ）、パイロット噴射量（Ｑｐ）、パイロット噴射指令値（Ｔｑｐ）を算出（設定）する（目標噴射量決定手段）。
なお、ＲＯＭには、噴射指令値（演算値：Ｔｑ）の算出に必要なＴｑ−Ｑ特性データ（Ｔｑ−Ｑ特性曲線）を所定の形式で表したデータテーブル（制御マップ）が予め記憶されている。

次に、図３の制御ルーチンでは、図７に示したように、分割噴射における噴射回数が２回の場合、つまりメイン噴射の前に微小量のパイロット噴射を行う場合を説明する。
ここで、図３の制御ルーチンに進入するタイミングになると、または図３の制御ルーチンが起動するタイミングになると、先ず、インジェクタ１の１回の開弁期間における燃料の噴射量に対応した噴射量の指令値（図２で設定された目標噴射量：Ｑ）を読み込む。

ここで、次の燃料噴射としてメイン噴射を行う場合には、目標噴射量（Ｑ）としてメイン噴射量（Ｑｍ）が設定される。なお、メイン噴射を行う場合とは、目標噴射量（Ｑ）が所定値よりも大きい場合、すなわち、目標噴射量（演算値：Ｑ）が所定値よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合に相当する。この場合には、ＥＣＵ３からＥＤＵ４へメイン噴射信号が出力される。
一方、次の燃料噴射としてメイン噴射以外の微小噴射（パイロット噴射）を行う場合には、目標噴射量（Ｑ）としてパイロット噴射量（Ｑｐ）が設定される。なお、パイロット噴射を行う場合とは、目標噴射量（Ｑ）が所定値以下の場合、すなわち、目標噴射量（演算値：Ｑ）が所定値以下の小噴射量による燃料噴射を行う場合に相当する。この場合には、ＥＣＵ３からＥＤＵ４へメイン噴射以外の微小噴射信号が出力される。

次に、ＥＤＵ４がメイン噴射信号を入力しているか否かを判定する。すなわち、メイン噴射信号を入力しているか、あるいはメイン噴射以外の微小噴射信号を入力しているかを判定する（判定手段：ステップＳ４）。このステップＳ４は、目標噴射量（Ｑ）が所定値よりも大きいか否かを判定する判定手段に相当する。
ステップＳ１の判定結果がＹＥＳの場合には、ピエゾ素子積層体５に対する充電制御パターンの中で、一方の第１充電制御パターンを選択し、この選択された第１充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御が行われるように、メイン噴射用駆動電流制御値を読み込む（ステップＳ５）。

次に、ピエゾ素子積層体５への充電開始からピエゾ素子積層体５の充電電圧がフル充電電圧値（Ｖ１）に到達した後に、充電電圧をフル充電電圧値（Ｖ１）に維持して燃料噴射を継続する。
以上のように、ピエゾ素子積層体５を通電制御して、第１充電制御パターンまたは第２充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御を行う（ステップＳ６）。
次に、ＥＣＵ３から閉弁駆動指令（噴射指令値ＯＦＦ）を入力したらピエゾ素子積層体５の放電制御を行う（ステップＳ７）。その後に、図３の制御ルーチンを抜ける。

ここで、大噴射量による燃料噴射（メイン噴射）時の充電制御を図５のタイミングチャートに基づいて説明する。
ＥＤＵ４は、ＥＣＵ３から開弁駆動指令（噴射指令値ＯＮ）を入力すると同時に、ＥＣＵ３から第１充電制御パターンに基づく充電指令値を入力する。
充電指令値を入力すると、放電スイッチをＯＦＦした状態で、充電開始から充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）よりも大きい値のフル充電電圧値（Ｖ１）に到達するまでの間、充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによるチョッパ制御を実施する。

時刻ｔ０になって充電スイッチがＯＮされると、コンデンサの電荷がピエゾ素子積層体５に充電される。このとき、ピエゾ素子積層体５に供給される充電電流が増加する。そして、充電電流のピーク値が電流閾値１を越えると、充電スイッチがＯＦＦされる。
充電スイッチがＯＦＦされると、充放電コイルのエネルギーがピエゾ素子積層体５に充電される。このとき、ピエゾ素子積層体５に供給される充電電流が減少する。そして、充電電流がゼロになると、充電スイッチがＯＮされる。
このような充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを、時刻ｔ０から時刻ｔａまで、すなわち、第１時期（ｔｍ）を過ぎるまで行う。これにより、充電期間（Ｔｍ１＋Ｔｍ２）の前半には、第２充電制御パターンよりもピエゾ素子積層体５に大電流が供給されるため、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度が第２充電制御パターンよりも速くなる。この結果、パイロット噴射時の第１時期（ｔｐ）よりも第２時期（ｔｍ）が早くなる。

制御バルブ１５がフルリフトする時刻ｔａから時刻ｔｂまでの期間は、充電スイッチをＯＦＦする電流閾値を、電流閾値１よりも小さい電流閾値２に切り替える。また、充電電圧のフル充電電圧値（Ｖｆｕｌｌ）に近づいたら、つまり時刻ｔｂから時刻ｔｃまでの期間は、充電スイッチをＯＦＦする電流閾値を、電流閾値２よりも小さい電流閾値３に切り替える。これにより、充電期間の後半には、第２充電制御パターンよりもピエゾ素子積層体５に大電流が供給されるため、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度が第２充電制御パターンよりも遅くなり、充電期間の終了時の充電電圧のオーバーシュートを防止できる。

ところで、制御バルブ１５が開弁（フルリフト）すると、低圧ポートが開放され、高圧ポートが閉塞される。
これによって、制御室１８内の燃料は、共用流路１７、バルブ収容室１４、アウトオリフィス１９および低圧燃料通路２０等を介して燃料系の低圧側へ流出する。これにより、制御室１８内の燃料圧（制御室圧）が素早く低下し、ニードル開弁開始圧力（Ｐ０）以下になると、ニードル８がシート面から離脱（リフト）する。これにより、ニードル８が開弁してエンジンの気筒内への燃料噴射が開始される。

また、ステップＳ１の判定結果がＮＯの場合には、ピエゾ素子積層体５に対する充電制御パターンの中で、他方の第２充電制御パターンを選択し、この選択された第２充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御が行われるように、メイン噴射以外の微小噴射用駆動電流制御値を読み込む（ステップＳ８）。
次に、ピエゾ素子積層体５を通電制御して、第２充電制御パターンに従ってピエゾ素子積層体５の充電制御を行う（ステップＳ９）。その後に、ステップＳ７の処理を行う。

ここで、微小噴射量による燃料噴射（パイロット噴射）時の充電制御を図６のタイミングチャートに基づいて説明する。
ＥＤＵ４は、ＥＣＵ３から開弁駆動指令（噴射指令値ＯＮ）を入力すると同時に、ＥＣＵ３から第２充電制御パターンに基づく充電指令値を入力する。
充電指令値を入力すると、放電スイッチをＯＦＦした状態で、充電開始から充電電圧が開弁開始値（Ｖ０）よりも大きい値のフル充電電圧値（Ｖ１）に到達するまでの間、充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことによるチョッパ制御を実施する。

時刻ｔ０になって充電スイッチがＯＮされると、コンデンサの電荷がピエゾ素子積層体５に充電される。このとき、ピエゾ素子積層体５に供給される充電電流が増加する。そして、充電電流のピーク値が電流閾値１を越えると、充電スイッチがＯＦＦされる。
充電スイッチがＯＦＦされると、充放電コイルのエネルギーがピエゾ素子積層体５に充電される。このとき、ピエゾ素子積層体５に供給される充電電流が減少する。そして、充電電流がゼロになると、充電スイッチがＯＮされる。このような充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを、時刻ｔ０から時刻ｔａまで行う。

そして、時刻ｔａから時刻ｔｂまでの期間は、充電スイッチをＯＦＦする電流閾値を、電流閾値１よりも大きい電流閾値２に切り替える。
このような充電スイッチのＯＮ／ＯＦＦを第２時期（ｔｐ）を過ぎるまで行う。これにより、充電期間の前半には、第１充電制御パターンよりもピエゾ素子積層体５に小電流が供給されるため、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度が第１充電制御パターンよりも遅くなる。この結果、メイン噴射時の第１時期（ｔｍ）よりも第２時期（ｔｐ）が遅くなる。

制御バルブ１５がフルリフトする時刻が経過して時刻ｔｂになったら、充電スイッチをＯＦＦする電流閾値を、電流閾値１、２よりも小さい電流閾値３に切り替える。これにより、充電期間の後半には、第１充電制御パターンよりもピエゾ素子積層体５に大電流が供給されるため、ピエゾ素子積層体５の充電電圧の上昇速度を第１充電制御パターンよりも速くなる。また、充電電圧のフル充電電圧値（Ｖｆｕｌｌ）に近づいたら、つまり時刻ｔｂから時刻ｔｃまでの期間は、充電スイッチをＯＦＦする電流閾値を、電流閾値２よりも小さい電流閾値３に切り替える。これにより、充電期間の終了時の充電電圧のオーバーシュートを防止できる。

ところで、制御バルブ１５が開弁（フルリフト）すると、低圧ポートが開放され、高圧ポートが閉塞される。
これによって、制御室１８内の燃料は、共用流路１７、バルブ収容室１４、アウトオリフィス１９および低圧燃料通路２０等を介して燃料系の低圧側へ流出する。これにより、制御室１８内の燃料圧（制御室圧）が素早く低下し、ニードル開弁開始圧力（Ｐ０）以下になると、ニードル８がシート面から離脱（リフト）する。これにより、ニードル８が開弁してエンジンの気筒内への燃料噴射が開始される。

［実施例１の効果］
ここで、アウトオリフィスの絞り径を拡大して排出流量を高めた高応答なインジェクタ（比較例）は、噴射率矩形度向上による等容度の向上（燃費向上）、噴射間インターバルの短縮（近接多段噴射化）による、燃費向上、エンジン騒音および排気エミッション低減等のメリットがある。

しかしながら、開弁応答性の高いインジェクタ（比較例）は、図６および図７に破線で示したように、ニードル８の開弁時期が開弁応答性の遅いインジェクタ（従来例、比較例）と比べて早くなるので、燃料の噴射量（実測値）が多くなる。また、制御室１８内の燃料圧の低下速度も、開弁応答性の遅いインジェクタ（従来例、比較例）と比べて速くなるので、ニードル８のリフト量が大きくなる。これにより、ニードル８の弁部とハウジング６のシート面との間の環状クリアランスが広がり、燃料溜まり室２２から環状クリアランスを通って複数の噴孔７側へ流れる燃料量が増えるので、燃料の噴射量（実測値）が多くなる。
したがって、図７に破線で示した噴射率波形（従来例、比較例）は、実線で示した噴射率波形（実施例）と比べて、大きなものとなる。これにより、開弁応答性の遅いインジェクタ（従来例、比較例）と比べて噴射量が増量されるため、噴射指令値（Ｔｑｐ）が充電期間（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）以下に短くなってしまう。

そこで、本実施例のインジェクタ１を制御する制御装置２によれば、メイン噴射を行う場合に、ピエゾ素子積層体５への充電電圧が開弁指令値（Ｖ０）に到達する開弁開始時期として第１時期（ｔｍ）が設定される。
一方、パイロット噴射を行う場合に、上記の開弁開始時期として第２時期（ｔｐ）が設定される。
ここで、第２時期（ｔｐ）は、第１時期（ｔｍ）よりも遅い時刻の時期に設定される。すなわち、ｔｐ＞ｔｍである。

これによって、パイロット噴射を行う場合、すなわち、目標噴射量（演算値：Ｑ）が所定値以下の微小噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第１時期（ｔｍ）よりも遅い時刻の第２時期（ｔｐ）が選択される。
このため、ピエゾ素子積層体５への充電開始から充電電圧の開弁開始値（Ｖ０）までの制御期間は、緩やかな通電条件、つまり少ない充電電流でピエゾ素子積層体５を充電することになる。これにより、インジェクタ１の制御バルブ１５の開弁開始時期を遅らせることができるので、その分、開弁応答性の高いインジェクタ（比較例）と比べて実噴射量を減量することができる。

したがって、例えばパイロット噴射時の噴射指令値（噴射期間の指令値：Ｔｑｐ）を充電期間（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）以下にしなくても、燃料の噴射量（実測値）を減量できるので、図４に示したように、噴射指令値により決まる放電開始の時期を、充電量がフル充電電圧値（Ｖ１）に到達する時期以降、つまり充電期間以降にすることができる。この結果、開弁応答性を高めたインジェクタ１において、制御装置２、特にＥＤＵ４を大電流仕様のものに交換することなく、微小噴射量による燃料噴射におけるインジェクタ１の制御バルブ１５の開弁挙動を安定させることができる。
なお、本実施例では、図４に示したように、パイロット噴射時の噴射指令値（Ｔｑｐ）が、充電期間（Ｔｐ１＋Ｔｐ２）以降に設定される。また、パイロット噴射時期（Ｔｐ）を、充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔｃ）以降に設定しても良い。

一方、メイン噴射を行う場合、すなわち、目標噴射量（Ｑ）が所定値よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第２時期（ｔｐ）よりも早い時刻の第１時期（ｔｍ）が選択される。
このため、例えば現状のＥＤＵ４の能力の範囲内で通電条件を設定することができる。これにより、開弁応答性を高めたことによる効果を、例えば現状のＥＤＵ４の能力の範囲内で最大限に享受することができる。

したがって、本実施例のインジェクタ１を制御する制御装置２によれば、目標噴射量（Ｑ）が所定値以下の微小噴射量による燃料噴射を行う場合には、インジェクタ１の制御バルブ１５の開弁挙動の安定化を優先し、目標噴射量（Ｑ）が所定値よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合には、開弁応答性を高めたことによる効果を得ることを優先することができる。すなわち、インジェクタ１の開弁応答性と微小噴射量制御性との両立を図ることができる。
また、メイン噴射の開弁応答性（噴射間インターバルの維持、噴射率矩形度）を損なうことなく、パイロット噴射量を低減することができる。また、パイロット噴射等の微小噴射による燃料噴射において、制御可能な噴射量下限値（最小噴射量）を引き下げることができる。

［実施例２の構成］
図９は、本発明を適用した燃料噴射装置（実施例２）を示したものである。
ここで、実施例１と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

本実施例の制御装置２は、特許請求の範囲における、「噴射量決定手段」、「判定手段」および「設定手段」に相当する。この制御装置２は、分割噴射の各噴射における目標噴射量（Ｑ）が所定値（パイロット噴射量：Ｑｐ）よりも大きいか否かを判定する判定手段（図９のステップＳ４）を備えている。
これによって、目標噴射量（Ｑ）がパイロット噴射量（Ｑｐ）よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第２時期（ｔｐ）よりも早い時刻の第１時期（ｔｍ）が選択される。また、上記の制御期間として、第２期間（Ｔｐ１）よりも短い時間の第１期間（Ｔｍ１）が選択される。あるいは、上記の充電上昇速度として、第２充電速度（Ｖｐ）よりも速い速度の第１充電速度（Ｖｍ）が選択される。

また、目標噴射量（Ｑ）がパイロット噴射量（Ｑｐ）以下の微小噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第１時期（ｔｍ）よりも遅い時刻の第２時期（ｔｐ）が選択される。また、上記の制御期間として、第１期間（Ｔｍ１）よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）が選択される。あるいは、上記の充電上昇速度として、第１充電速度（Ｖｍ）よりも遅い速度の第２充電速度（Ｖｐ）が選択される。
また、本実施例の充電制御の場合も、充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔ１）およびフル充電電圧値（Ｖfull＝Ｖ１）は、上記の理由から目標噴射量（Ｑ）によらず一定となっている。
以上のように、本実施例の制御装置２においては、実施例１と同様な効果を奏する。
なお、ＥＤＵ４のＲＯＭは、実施例１と同様に、図９に示した第１、第２充電制御マップを、異なるコモンレール圧（燃圧）毎に複数記憶している。

［実施例３の構成］
図１０は、本発明を適用した燃料噴射装置（実施例３）を示したものである。
ここで、実施例１及び２と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

本実施例の制御装置２は、特許請求の範囲における、「噴射量決定手段」、「判定手段」および「設定手段」に相当する。この制御装置２は、分割噴射の各噴射における目標噴射量（Ｑ）に対応した噴射指令値（Ｔｑ）が所定値（充電期間）よりも大きいか否かを判定する判定手段（図１０のステップＳ４）を備えている。
これによって、噴射指令値（Ｔｑ）が所定値（充電期間）よりも大きい大噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第２時期（ｔｐ）よりも早い時刻の第１時期（ｔｍ）が選択される。また、上記の制御期間として、第２期間（Ｔｐ１）よりも短い時間の第１期間（Ｔｍ１）が選択される。あるいは、上記の充電上昇速度として、第２充電速度（Ｖｐ）よりも速い速度の第１充電速度（Ｖｍ）が選択される。

また、噴射指令値（Ｔｑ）が所定値（充電期間）以下の微小噴射量による燃料噴射を行う場合、上記の開弁開始時期として、第１時期（ｔｍ）よりも遅い時刻の第２時期（ｔｐ）が選択される。また、上記の制御期間として、第１期間（Ｔｍ１）よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）が選択される。あるいは、上記の充電上昇速度として、第１充電速度（Ｖｍ）よりも遅い速度の第２充電速度（Ｖｐ）が選択される。
また、本実施例の充電制御の場合も、充電完了到達タイミング（ｔfull＝ｔ１）およびフル充電電圧値（Ｖfull＝Ｖ１）は、上記の理由から目標噴射量（Ｑ）または噴射指令値（Ｔｑ）によらず一定となっている。
以上のように、本実施例の制御装置２においては、実施例１及び２と同様な効果を奏する。
なお、ＥＤＵ４のＲＯＭは、実施例１及び２と同様に、図１０に示した第１、第２充電制御マップを、異なるコモンレール圧（燃圧）毎に複数記憶している。

［実施例４の構成］
図１１は、本発明を適用した内燃機関の燃料噴射装置（実施例４）を示したものである。
ここで、実施例１〜３と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。

本実施例のインジェクタ１は、ニードル８をアクチュエータにより直接開閉駆動する直動式の燃料噴射弁である。このインジェクタ１は、ピエゾ素子積層体５および変位拡大機構を有するアクチュエータと、エンジンの気筒の燃焼室に連通する噴孔７を有するハウジング６と、このハウジング６の噴孔７を開閉するニードル８とを備えている。
ハウジング６の内部には、インレットポートから燃料溜まり室２２を介して複数の噴孔７へ高圧燃料を供給する高圧燃料通路１２が形成されている。

ニードル８は、特許請求の範囲における、「燃料噴射弁の弁体」に相当する。このニードル８の軸線方向の反噴孔側端部には、摺動部（変位拡大機構のバルブピストン３２）が設けられている。
バルブピストン３２は、変位拡大機構のピエゾピストン３１に形成される収容凹部（スプリング収容室３１）の壁面に往復摺動可能に支持されている。このスプリング収容室３１内には、ニードル８を閉弁方向に付勢するノズルスプリング９が収容されている。また、ニードル８は、変位拡大機構のピストンシリンダ３５の摺動孔３７の孔壁面に往復摺動可能に支持されている。

アクチュエータは、ピエゾ素子積層体５および変位拡大機構を備えている。
変位拡大機構は、ピエゾピストン３１、バルブピストン３２、ピエゾスプリング３４およびピストンシリンダ３５を備えている。この変位拡大機構は、ピエゾ素子積層体５およびピエゾピストン３１の変位方向に対して、ニードル８およびバルブピストン３２の変位方向を反転させる反転機構を備えている。
ピエゾピストン３１は、ピストンシリンダ３５に形成される収容凹部３８の壁面に往復摺動可能に支持される。

変位拡大機構は、ピエゾピストン３１の噴孔側の環状端面とピストンシリンダ３５の収容凹部３８の底面との間に形成される油密室３３を備えている。この油密室３３内には、作動油（燃料）が充填されている。
変位拡大機構は、ピエゾ素子積層体５の伸長変位により油密室３３内の油圧力が上昇することで、ピエゾ素子積層体５およびピエゾピストン３１の変位を拡大してバルブピストン３２に伝え、ニードル８を開弁駆動するように構成されている。

インジェクタ１は、ピエゾ素子積層体５の伸長変位により油密室３３内の油圧力が所定値以上に上昇すると、ノズルスプリング９の付勢力に抗してニードル８がシートより離脱（開弁）してエンジンの気筒の燃焼室内に高圧燃料が噴射される。
また、インジェクタ１は、ピエゾ素子積層体５の収縮変位により油密室３３内の油圧力が低下すると、ノズルスプリング９の付勢力によってニードル８がシートに着座（閉弁）してエンジンの気筒の燃焼室内への燃料噴射が終了する。
以上のように、本実施例の制御装置２においては、実施例１〜３と同様な効果を奏する。
なお、本実施例のピエゾ素子積層体５の充電方法として、図２、図３、図９および図１０の制御ルーチンのいずれかを使用する。

［変形例］
本実施例では、ピエゾ素子積層体５への充電量として、ピエゾ素子積層体５の充電電圧を用いているが、ピエゾ素子積層体５への充電量として、ピエゾ素子積層体５の充電電流と充電電圧との積を時間積分した充電エネルギーを用いていても良い。
本実施例では、開弁開始値（Ｖ０）を屈曲点として充電電圧の上昇速度が変化するように充電制御しているが、開弁開始値（Ｖ０）以外に少なくとも１つ以上の屈曲点を設け、その屈曲点を境に充電電圧の上昇速度が変化するように充電制御しても良い。また、開弁開始値（Ｖ０）とそれ以外に少なくとも１つ以上の屈曲点を設けても良い。

本実施例では、ピエゾ素子積層体５に供給する充電電流値を、電流閾値に基づいて調整することで、充電電圧の上昇速度を制御しているが、ピエゾ素子積層体５に供給する充電電流値を、例えば図５に示した充電指令値によるデューティ（ＤＵＴＹ）比に基づくＯＮ／ＯＦＦ制御により調整することで、充電電圧の上昇速度を制御しても良い。
本実施例では、本発明を、メイン噴射およびパイロット噴射の場合の充電制御に適用した場合を説明しているが、本発明を、メイン噴射以外の微小噴射として、プレ噴射、アフター噴射またはポスト噴射の場合の充電制御に適用しても良い。
なお、設定手段において、噴射量が微小噴射量の場合、噴射量が少ない程、噴射量が多い場合と比べて、第２期間を長く設定しても良い。

１ インジェクタ（燃料噴射弁）
２ 制御装置
３ ＥＣＵ
４ ＥＤＵ（駆動回路）
５ ピエゾ素子積層体
８ ニードル（燃料噴射弁の弁体）
１５ 制御バルブ（制御弁、燃料噴射弁の弁体）

Claims (9)

1. 電荷の充放電により伸縮するピエゾ素子積層体（５）、およびこのピエゾ素子積層体（５）の伸縮変位に応じて開閉駆動される弁体（８、１５）を有し、内燃機関の気筒への燃料噴射を行う燃料噴射弁（１）と、
   前記ピエゾ素子積層体（５）の充放電制御を行うことで、前記燃料噴射弁（１）の燃料噴射を制御する制御装置（２〜４）と
   を備え、
   前記制御装置（２〜４）は、前記ピエゾ素子積層体（５）の充電量に対する最終目標値（Ｖ１）を、前記弁体（８、１５）が開弁を開始するのに必要な充電量である開弁開始値（Ｖ０）よりも大きい値に設定し、
   前記ピエゾ素子積層体（５）への充電開始から前記充電量が前記開弁開始値（Ｖ０）を越えて前記最終目標値（Ｖ１）に到達した後に、前記充電量を前記最終目標値（Ｖ１）に維持して燃料噴射を継続させる燃料噴射装置において、
   前記制御装置（２〜４）は、前記燃料噴射弁（１）の１回の開弁期間における燃料の噴射量に対応した噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）を設定する噴射量決定手段、
   この噴射量決定手段で設定された前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が所定値（Ｑｐ）よりも大きいか否かを判定する判定手段、
   および前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）よりも大きいと判定された場合、前記充電量が前記開弁開始値（Ｖ０）に到達する開弁開始時期として第１時期（ｔｍ）を設定し、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）以下と判定された場合、前記開弁開始時期として前記第１時期（ｔｍ）よりも遅い第２時期（ｔｐ）を設定する設定手段を有し、
   さらに、前記制御装置（２〜４）は、１回の燃焼サイクルにおける前記燃料噴射弁（１）から前記内燃機関の気筒への燃料噴射を複数回に分割して行う分割噴射を実施する噴射制御手段を有し、
   前記噴射量決定手段は、前記分割噴射の各噴射における燃料の噴射量に対応した噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）を設定することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記設定手段は、前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）よりも大きいと判定された場合、前記ピエゾ素子積層体（５）への充電開始から前記開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として第１期間（Ｔｍ１）を設定し、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）以下と判定された場合、前記制御期間として前記第１期間よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）を設定する期間設定手段を有していることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射装置において、
   前記設定手段は、前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）よりも大きいと判定された場合、前記ピエゾ素子積層体（５）への充電開始から前記開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの充電速度として第１充電速度（Ｖｍ）を設定し、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）以下と判定された場合、前記充電速度として前記第１充電速度よりも遅い速度の第２充電速度（Ｖｐ）を設定する速度設定手段を有していることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載の燃料噴射装置において、
   前記噴射制御手段は、前記内燃機関の一燃焼サイクル中に、少なくともメイン噴射に先立って前記メイン噴射以外の微小噴射を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
5. 請求項４に記載の燃料噴射装置において、
   前記前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）よりも大きいと判定された場合とは、大噴射量による燃料噴射または前記メイン噴射が選択された場合のことであって、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）以下と判定された場合とは、微小噴射量による燃料噴射または前記パイロット噴射が選択された場合のことであることを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項１ないし請求項５の内のいずれか１つに記載の燃料噴射装置において、
   前記制御装置（２〜４）は、前記ピエゾ素子積層体（５）への充電開始から前記開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間に基づいて複数の充電制御パターンを作成する作成手段、およびこの作成手段で作成された前記複数の充電制御パターンに従って前記ピエゾ素子積層体（５）の充電制御を行う充電制御手段を有していることを特徴とする燃料噴射装置。
7. 請求項６に記載の燃料噴射装置において、
   前記設定手段は、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）よりも大きいと判定された場合、前記ピエゾ素子積層体（５）への充電開始から前記開弁開始値（Ｖ０）に到達するまでの制御期間として第１期間（Ｔｍ１）を設定し、
   前記噴射量の指令値（Ｑ、Ｔｑ）が前記所定値（Ｑｐ）以下と判定された場合、前記制御期間として前記第１期間よりも長い時間の第２期間（Ｔｐ１）を設定する期間設定手段を有し、
   前記作成手段は、前記制御期間が前記第１期間（Ｔｍ１）に設定される第１充電制御パターン、および前記制御期間が前記第２期間（Ｔｐ１）に設定される第２充電制御パターンを作成することを特徴とする燃料噴射装置。
8. 請求項７に記載の燃料噴射装置において、
   前記第１充電制御パターンおよび前記第２充電制御パターンは、いずれも、前記最終目標値（Ｖ１）に到達する充電完了時期、またはこの充電完了時期における充電量が略等しいことを特徴とする燃料噴射装置。
9. 請求項１ないし請求項８の内のいずれか１つに記載の燃料噴射装置において、
   前記制御装置は、前記ピエゾ素子積層体（５）に充電電流を供給する駆動回路（４）を有していることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

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