JP4186799B2 - 内燃機関の適合方法および内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の適合方法および内燃機関に係り、特に、ディーゼル機関の制御内容を適合する手法として好適な適合方法、およびその方法で適合された内燃機関に関する。

従来より、例えば特開平８−３３４０４９号公報に開示されるように、燃料噴射の手法を制御することでディーゼル機関の騒音低減を図ろうとする試みがなされている。この公報には、より具体的には、気筒内の最高燃焼圧が過大となって燃焼振動が不当に大きくなった場合には、燃料の噴射時期を遅角することにより、また、燃焼の立ち上がりが急激になりすぎて燃焼騒音が過大となった場合には燃料の噴射率を下げることにより、それぞれ騒音の低減を図るディーゼル機関が開示されている。このような制御によれば、ディーゼル機関が不当に大きな騒音を発するのを防ぎ、機関の静粛性を高めることができる。

特開平８−３３４０４９号公報 特開平３−２８１９６７号公報

ところで、内燃機関の使用者が感ずる静粛性は、必ずしも騒音の音圧レベルの絶対値だけで決まるものではない。例えば、緩加速の場合を例に取ると、加速と共になだらかに音圧が上昇するような場合は、最終的な音圧レベルが高くても、使用者はその騒音を耳障りなものとは感じ難い。これに対して、内燃機関の運転状態の変化に対して無秩序に音圧が増減するような場合は、絶対的な音圧がさほど高くなくても、使用者はその騒音を耳障りなものとして感じ易い。

上記公報に開示される制御手法を含めて、従来は、内燃機関の発する騒音を、その運転状態に対して自然に増減させるための配慮がなされていなかった。このため、内燃機関の発する騒音は、その挙動の変化に対して必ずしも自然な増減を示すものではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の発する騒音の音圧がその運転状態の変化に対して所望の増減を示すように内燃機関を適合するための適合方法を提供することを第１の目的とする。
また、運転状態の変化に対して所望の形で騒音の音圧を増減させる内燃機関を提供することを第２の目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の適合方法であって、
機関回転数と機関負荷とをパラメータとして、内燃機関において実現すべき音圧分布の指標を作成するステップと、
前記指標に沿った音圧分布が実現されるように、内燃機関の制御パラメータを、機関回転数と機関負荷との組み合わせに対して適合するステップと、
前記適合の結果を、内燃機関の制御に実装するステップと、を含み、
前記音圧分布の指標は、同一の機関回転数に対しては機関負荷によらず音圧を一定とし、かつ、同一の機関負荷に対しては機関回転数に対して音圧をリニアに変化させるものであることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の適合方法であって、
機関回転数と機関負荷とをパラメータとして、内燃機関において実現すべき音圧分布の指標を作成するステップと、
前記指標に沿った音圧分布が実現されるように、内燃機関の制御パラメータを、機関回転数と機関負荷との組み合わせに対して適合するステップと、
前記適合の結果を、内燃機関の制御に実装するステップと、を含み、
前記音圧分布の指標は、同一の機関負荷に対しては機関回転数によらず音圧を一定とし、かつ、同一の機関回転数に対しては機関負荷に対して音圧をリニアに変化させるものであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関は、メイン噴射に先立って複数のパイロット噴射を行うマルチパイロット噴射機能を有し、
前記制御パラメータは、前記複数のパイロット噴射および前記メイン噴射のそれぞれにより噴射される燃料の比率、それらの噴射の間隔、および燃料の噴射圧力のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、機関回転数と機関負荷との変化に伴って、予め作成した音圧分布が実現されるように内燃機関の制御パラメータを適合することができる。このため、本発明によれば、運転状態の変化に対して所望の形で騒音の音圧を変化させる内燃機関を実現することができる。また、この発明によれば、同一の機関回転数に対しては機関負荷によらず音圧をほぼ一定とし、かつ、同一の機関負荷に対しては機関回転数に対して音圧をほぼリニアに変化させるような音圧分布を指標として内燃機関を適合することができる。このため、本発明によれば、特に緩加速の際に騒音の音圧を自然に増加させる内燃機関を実現することができる。

第２の発明によれば、同一の機関負荷に対しては機関回転数によらず音圧をほぼ一定とし、かつ、同一の機関回転数に対しては機関負荷に対して音圧をほぼリニアに変化させるような音圧分布を指標として内燃機関を適合することができる。このため、本発明によっても、特に緩加速の際に騒音の音圧を自然に増加させる内燃機関を実現することができる。

第３の発明によれば、複数のパイロット噴射およびメイン噴射のそれぞれにより噴射される燃料の比率、それらの噴射の間隔、或いは燃料の噴射圧力を適合することで、所望の音圧分布を実現することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１において用いられるディーゼル機関の構成を説明するための図である。ディーゼル機関１０は、シリンダブロック１２を備えている。尚、図１には、ディーゼル機関１０の内部構造を説明するため、シリンダブロック１２を透視した場合の構成が示されている。

ディーゼル機関１０の内部には、複数の気筒１４が設けられている。個々の気筒１４には、吸気ポートを介して吸気通路１６が連通していると共に、排気ポートを介して排気通路１８が連通している。吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２０、インタークーラ２２、ターボチャージャのコンプレッサ２４、更にはエアフィルタ２６等が配置されている。一方、排気通路１８には、ターボチャージャのタービン２８に加えて、排気ガスを浄化するためのNOx触媒３０並びに酸化触媒３２などが配置されている。また、吸気通路１６と排気通路１８との間には、排気ガスの還流（EGR）を可能とするためのEGR通路３４やEGR弁３６が設けられている。

ディーゼル機関１０の各気筒には、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁３８が配置されている。燃料噴射弁３８には、コモンレール４０を介してサプライポンプ４２が連通している。サプライポンプ４２は、図示しない燃料タンクから供給される燃料を所望の燃料圧力に昇圧して燃料噴射弁３８に供給するポンプである。燃料噴射弁３８は、その内部に電磁ソレノイドを備え、適宜開弁することでその高圧の燃料を筒内に噴射する弁機構である。サプライポンプ４２には、また、排気通路１８内に燃料成分を添加するための燃料添加弁４４が連通している。燃料添加弁４４によれば、必要に応じて、排気ガス中に還元剤として燃料を添加することができる。

本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)５０を備えている。ECU５０には、機関回転数NEを検出するための回転数センサ５２を含む様々なセンサから、出力信号が供給されている。また、ECU５０には、上述したスロットルバルブ２０や燃料噴射弁３８を含むいくつかのアクチュエータが接続されている。ECU５０は、それらのセンサ出力により、機関回転数NEや機関負荷（スロットル開度或いは機関トルク）等を検出することができ、また、燃料噴射弁３８等を駆動することができる。

［実施の形態１の機関の適合方法］
本実施形態のディーゼル機関１０は、車両の搭乗者が機関の騒音を耳障りに感じないように、機関の運転状態の変化に合わせて自然な形で変化させる点に特徴を有している。より具体的には、本実施形態のディーゼル機関１０は、機関回転数NEと出力トルクが共に緩やかに上昇するような緩加速の際に、車両の搭乗者が機関の騒音を耳障りに感じないように、その騒音の音圧を徐々に上昇させる点に特徴を有している。

ディーゼル機関１０の発する騒音は、機械的なノイズや混合気の燃焼音、或いは機関本体に生ずる燃焼振動などが合わさったものであり、単純に機関回転数NEに対して比例的に増加するものではない。このため、騒音の音圧レベルに対する配慮がなされない通常の制御手法によれば、緩加速の際に、機関騒音の音圧は、運転状態の変化に対して不規則な変化を示すのが通常である。そして、車両の搭乗者は、その不規則性のために騒音を耳障りなものと感じ易い。

このような不都合の発生を防ぐべく、本実施形態では、以下のような方法でディーゼル機関１０の燃料噴射制御の内容を適合することとした。すなわち、ここでは先ず、機関回転数NEと機関負荷とをパラメータとして、ディーゼル機関１０において実現すべき音圧分布の指標が予め準備される（指標準備ステップ）。次に、その指標に沿った音圧分布が実現されるように、音圧と相関を有する制御パラメータを、機関回転数NEと機関負荷との組み合わせに対して適合する作業が行われる（適合ステップ）。そして、その適合の結果が反映された燃料噴射制御の内容が、ECU５０に実装される（実装ステップ）。

図２は、本実施形態において用いた音圧分布の指標の一例を示す。図２に示すように、ここでは、機関回転数NEと機関負荷とを変数とする直交座標上に、等音圧線が規則的に並んだ分布、より具体的には、音圧差の揃った複数の等音圧線が機関回転数NEの方向に等間隔に並んだ分布が指標として用いられている。このような指標が忠実に再現されれば、ディーゼル機関１０の騒音は、同一の機関回転数NEに対しては機関負荷によらず常に一定の音圧を示し、また、同一の機関負荷に対しては機関回転数NEに対してほぼリニアに音圧を変化させることとなる。

次に、図２に示す指標を実現するための適合の手法を説明する。
図３は、ディーゼル機関１０が実行するマルチパイロット噴射の内容を説明するための波形を示す。より具体的には、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、何れも、ディーゼル機関１０の各気筒に配置された燃料噴射弁３８が、サイクル毎に実行する燃料噴射の様子を模式的に表した図である。

この図に示すように、マルチパイロット噴射では、メイン噴射に先だって複数回（ここでは２回）のパイロット噴射が実行される。最初のパイロット噴射は、主として、燃焼室内に確実に火種を形成し、燃料の着火性を高める目的で行われる。２回目のパイロット噴射は、燃焼室内に緩やかに火炎伝搬を生じさせ、着火遅れを防ぐ目的に行われる。メイン噴射に先立ってこれらのパイロット噴射を行うと、排気ガス中のスモーク量が減らせるなどの効果を得ることができる。

図４は、マルチパイロット噴射の実行に伴って設定すべきいくつかの制御パラメータと燃焼騒音との関係を表した図である。より具体的には、図４（Ａ）は、第１パイロット噴射の噴射量とメイン噴射の噴射量を一定として、第２パイロット噴射における噴射量qpl2を変化させた場合の燃焼騒音の変化を示す。この図から判るように、ディーゼル機関１０における燃焼騒音は、第２パイロット噴射量qpl2を減らすことにより低下させることができる。

図４（Ｂ）は、第２パイロット噴射の時期とメイン噴射の時期とを固定して、第１パイロット噴射の時期aintpl1を（第１パイロット噴射からメイン噴射までのインターバル；図３におけるInt.Bを）変化させた場合の燃焼騒音の変化を示す。この結果によれば、ディーゼル機関１０の騒音は、第１パイロット噴射からメイン噴射までのインターバルInt.Bが長いほど低下することが判る。

また、図４（Ｃ）は、レール圧pcr、つまり、燃料噴射弁３８に供給される燃料の圧力と燃焼騒音との関係を示す。この図に示す結果によれば、燃焼騒音は、レール圧pcrが高いほど大きなものとなることが判る。

以上説明した通り、マルチパイロット噴射の実行に伴って設定すべき制御パラメータの中には、燃焼騒音、つまり、ディーゼル機関１０の発する騒音の音圧と相関を有するものが存在する。より詳細には、上述した３つの制御パラメータの他、第２パイロット噴射からメイン噴射までのインターバルInt.Aや、第１パイロット噴射による噴射量、更には、第１パイロット噴射、第２パイロット噴射、およびメイン噴射における噴射量の割合なども、燃焼騒音に対して相関を有している。このため、それらの制御パラメータを適合することによれば、任意の機関回転数NEにおいて、所望のトルクを確保しながら、騒音の音圧を増減させることが可能である。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、その適合の一例を示したものである。ここには、図３（Ａ）に示す制御パラメータによる燃料噴射では、指標に比して大きな音圧が発生したため、図３（Ｂ）に示すようにInt.Bを延ばすことで、指標と合致するように音圧を下げた適合例を示している。

［実施の形態１の適合方法による効果］
図５（Ａ）は、音圧に配慮せずに制御パラメータが決定された場合にディーゼル機関１０が発生する騒音の音圧分布を示す。一方、図５（Ｂ）は、エミッション特性において許容できる範囲内で、制御パラメータに上記の適合を施した場合の音圧分布を示す。

本実施形態のディーゼル機関１０は、その開発の過程において、パイロット噴射とメイン噴射の間隔Int.BやInt.A、パイロット噴射とメイン噴射の噴射割合、更には、燃料噴射の際のレール圧pcrなどの制御パラメータに、図２に示す音圧分布を指標とする上記の適合が施されている。そして、ECU５０は、車両の走行時には、機関回転数NEおよび機関負荷を検出し、その検出値に基づいてそれらの制御パラメータを設定する。このため、本実施形態のディーゼル機関１０は、機関回転数NEと機関負荷とを変数とする直交座標上で、図５（Ｂ）に示すような音圧分布を示す。

ディーゼル機関１０が図５（Ａ）に示す音圧分布を示す場合は、緩加速の際に、つまり、機関回転数NEと負荷トルクが共に緩やかに増加する際に、騒音の音圧が不規則に増減する事態が生じ得る。これに対して、図５（Ｂ）に示す音圧分布によれば、緩加速の際に、騒音の音圧は規則的にほぼ一定の割合で増大する。このため、本実施形態のディーゼル機関１０によれば、車両の搭乗者に対して快適な乗り心地を提供することができる。

［その他の特徴および変形例］
ところで、本実施形態のディーゼル機関１０において、上述した適合処理は、必ずしも全運転領域において行う必要はない。つまり、車両の搭乗者が騒音を耳障りに感ずるか否かは、騒音の音圧が比較的低い緩加速の領域において重要な事項であり、騒音の音圧が十分に大きい高負荷高回転領域では、さほど重要な事柄ではない。一方で、所望の音圧分布を実現するための適合処理には、多大な工数が必要とされる。このため、そのような適合は、高負荷領域、および高回転領域では省略することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１では、図２に示すように、同一回転数に対して同じ音圧を維持する分布が指標として用いられているが、本発明において用いうる指標はこのような音圧分布に限られるものではない。つまり、ここでは、内燃機関の運転状態の変化（機関回転数および機関負荷の変化）に対して、騒音の音圧が、規則的な変化、更に言えば所望の変化を示せばよく、その指標は任意の規則性を有していればよい。

図６は、その指標として用いることのできる他の音圧分布の一例を示す。図６に示す指標は、機関回転数NEと機関負荷とを変数とする直交座標上に、音圧差の揃った複数の等音圧線が機関負荷の方向に等間隔に並ぶように作成されている。このような指標が忠実に再現されれば、ディーゼル機関１０の騒音は、同一の機関負荷に対しては機関回転数NEによらず常に一定の音圧を示し、また、同一の機関回転数NEに対しては機関負荷に対してほぼリニアに音圧を変化させることとなる。そして、このような音圧分布によれば、図２に示す音圧分布が再現される場合と同様に、緩加速時には、徐々に音圧が増大することとなり、車両の搭乗者に対して快適な乗り心地を提供することができる。

更に、上述した実施の形態１においては、内燃機関がディーゼル機関に限定されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、騒音の音圧分布に配慮して制御パラメータを適合する手法は、ガソリン機関を対象として行うこととしてもよい。

本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において適合の指標として用い得る音圧分布の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１のディーゼル機関が実行するマルチパイロット噴射の内容を説明するための図である。 マルチパイロット噴射の実行に伴って設定するべき制御パラメータと燃焼騒音との相関を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において行われる適合の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において適合の指標として用い得る音圧分布の他の例を示す図である。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１４ 気筒
２０ 電子制御式スロットルバルブ
３８ 燃料噴射弁
５０ ECU(Electronic Control Unit)
５２ 回転数センサ

Claims (4)

1. 機関回転数と機関負荷とをパラメータとして、内燃機関において実現すべき音圧分布の指標を作成するステップと、
   前記指標に沿った音圧分布が実現されるように、内燃機関の制御パラメータを、機関回転数と機関負荷との組み合わせに対して適合するステップと、
   前記適合の結果を、内燃機関の制御に実装するステップと、を含み、
   前記音圧分布の指標は、同一の機関回転数に対しては機関負荷によらず音圧を一定とし、かつ、同一の機関負荷に対しては機関回転数に対して音圧をリニアに変化させるものであることを特徴とする内燃機関の適合方法。
2. 機関回転数と機関負荷とをパラメータとして、内燃機関において実現すべき音圧分布の指標を作成するステップと、
   前記指標に沿った音圧分布が実現されるように、内燃機関の制御パラメータを、機関回転数と機関負荷との組み合わせに対して適合するステップと、
   前記適合の結果を、内燃機関の制御に実装するステップと、を含み、
   前記音圧分布の指標は、同一の機関負荷に対しては機関回転数によらず音圧を一定とし、かつ、同一の機関回転数に対しては機関負荷に対して音圧をリニアに変化させるものであることを特徴とする内燃機関の適合方法。
3. 前記内燃機関は、メイン噴射に先立って複数のパイロット噴射を行うマルチパイロット噴射機能を有し、
   前記制御パラメータは、前記複数のパイロット噴射および前記メイン噴射のそれぞれにより噴射される燃料の比率、それらの噴射の間隔、および燃料の噴射圧力のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の適合方法。
4. 前記適合するステップでは、高負荷領域及び高回転領域の少なくとも一方を除く領域で、前記制御パラメータの適合が行われることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の適合方法。

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