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JP6676161B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内に直接燃料を噴射する筒内直噴式の内燃機関の制御装置に関する。
従来から、吸気弁や排気弁の開弁タイミングや閉弁タイミング（以下、纏めてバルブタイミングということがある）やリフト量を可変にできる可変動弁機構が知られている。可変動弁機構は、内燃機関の運転状態に適したバルブタイミングやリフト量を実現することで、内燃機関の熱効率向上に大きく貢献している。一方、筒内直噴式内燃機関は、高圧燃料ポンプにより加圧（昇圧）された燃料を燃料噴射弁から直接筒内に噴射する内燃機関である。近年、内燃機関の排気性能について、世界規模で法規制が強化されており、特に筒内直噴式内燃機関では、この対策として均質性の向上や未燃燃料の低減などを目的とした様々な技術が考案、実用されている。
このような対策技術としては、例えば、均質性向上を図るため、筒内に噴射する燃料圧を高圧化し、燃料の微粒化を促進する方法や、燃料噴射長（燃料噴射の時間幅）の抑制を図り、筒内のピストンや壁流への燃料付着を低減する多段噴射制御が挙げられる。しかしながら、これらの技術を適用する場合、燃料系システムの機構的な改良や、高精度な制御が不可欠となる。例えば、高燃圧化を図るためには、これに適した高圧燃料ポンプの改良が望まれるため、高燃圧化された燃料の流体力に対応したリターンスプリングが必要となる一方、動作上の応答性が悪化するので、これらを満足できる追加機構や構成部品の改良が必要となる。しかし、そのように複雑な構成となった場合、高圧燃料ポンプの駆動に伴う騒音が高くなる可能性や、騒音の回数が増える恐れがある。また、多段噴射制御の適用範囲の拡大や、多段噴射回数の増加の要求がある中で、総じて、燃料噴射弁の駆動に伴う騒音の回数は増える傾向にある。
このような背景から、従来と比べて、高圧燃料ポンプと燃料噴射弁のそれぞれを駆動した際に生じる駆動騒音が重なることで、特に官能的に不快に感じる合成騒音の機会（回数）が増えることが懸念されている。特に、アイドル運転時の騒音は、商品性の観点から、許容し得るものではない。
このような合成騒音の低減技術として、合成騒音のピーク騒音に基づき、高圧燃料ポンプや燃料噴射弁の駆動、具体的には、高圧燃料ポンプの加圧状態を調整するスピル弁の開閉時期や燃料噴射弁の駆動タイミング（噴射タイミング）などを可変にする技術が既に考案されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
特開２０１４−００１７１５号公報 特開２００６−１６１６６１号公報
しかしながら、例えば、単純に高圧燃料ポンプのスピル弁の開閉時期を可変にした場合、高圧燃料ポンプの吐出量がその都度変化するため、燃圧脈度が増大し、これに起因して噴射量のショットばらつきが大きくなるので、燃焼安定性を損なう恐れがある。また、燃料噴射弁の駆動タイミング（多段噴射を含む噴射タイミング）を可変にした場合、内燃機関の燃焼要求から定まる噴射タイミングを無視することになるので、これによっても燃焼悪化を招く恐れがある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、燃焼悪化を回避し、内燃機関の運転状態に影響を与えることなく、高圧燃料ポンプと燃料噴射弁の合成騒音を確実に低減することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に供給する燃料を昇圧する高圧燃料ポンプと、吸気弁もしくは排気弁のバルブタイミング又はリフト量を可変にできる可変動弁機構と、を備える筒内直噴式の内燃機関の制御装置であって、前記燃料噴射弁の駆動騒音と前記高圧燃料ポンプの駆動騒音がタイミング的に重なる際に生じる合成騒音の発生の有無を予測し、合成騒音有りと判断した場合に、前記燃料噴射弁の燃料噴射要求を満足しながら前記可変動弁機構の作動角を可変にすることを特徴としている。
本発明によれば、高圧燃料ポンプと燃料噴射弁の合成騒音有りと判断した場合に、燃料噴射弁の燃料噴射要求（例えば、要求燃圧や要求噴射量など）を満足しながら当該内燃機関に設けられた可変動弁機構の作動角を可変にするので、燃焼悪化を回避し、内燃機関の運転状態に影響を与えることなく、合成騒音を確実に低減でき、もって、燃料系サブシステムの商品性を向上させることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明に係る内燃機関の制御装置(ECU)が搭載された内燃機関の全体構成図。 高圧燃料ポンプの制御を説明する制御説明図。 可変動弁機構の構成を模式的に説明する説明図。 可変動弁機構の動作を説明する動作説明図。 合成騒音の発生を説明する説明図。 図１に示すECUによる可変動弁機構の制御の一例を説明する制御説明図。 図１に示すECUによる可変動弁機構の制御の他例を説明する制御説明図。 図１に示すECUによる可変動弁機構の制御の更に他例を説明する制御説明図。
以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置(ECU)が搭載された内燃機関（筒内直噴式内燃機関）の基本構成を示したものである。
図１において、内燃機関(101)に吸入される空気（吸入空気）は、空気流量計(AFM : Air Flow Meter)(120)を通過し、スロットル弁(119)、コレクタ(115)の順に吸入にされ、その後、各気筒に備わる吸気管(110)、吸気弁(103)を介して燃焼室(121)に供給される。
一方、燃料は、燃料タンク(123)から低圧燃料ポンプ(124)により、内燃機関(101)に備わる高圧燃料ポンプ(125)（の加圧室）へ送られ、高圧燃料ポンプ(125)は、排気カム（排気弁(104)側に設けたカム）(129)が備わる（連結された）排気カム軸（図示せず）から伝達される動力により、高圧燃料ポンプ(125)内に備わるプランジャー（ポンプピストンともいう）を上下に可動し、高圧燃料ポンプ(125)内の燃料を加圧（昇圧）する。ECU(Engine Control Unit)(109)からの制御指令値に基づき、高圧燃料ポンプ(125)から吐出する燃料の圧力（燃料圧）が所望の圧力になるように、その吐出口に備わる開閉バルブ（スピル弁ともいう）をソレノイドにより制御する。
これにより、高圧化された燃料は、高圧燃料配管(128)を介して燃料噴射弁(105)へ送られ、燃料噴射弁(105)は、ECU(109)内に備わる燃料噴射弁制御装置(127)の指令に基づき、燃料を燃焼室(121)へ直接噴射する。
なお、内燃機関(101)には、高圧燃料ポンプ(125)を制御するため、高圧燃料配管(128)内の圧力を計測する燃料圧力センサ(126)が備えられており、ECU(109)は、このセンサ値に基づき、高圧燃料配管(128)内の燃料圧が所望の圧力になるように、所謂フィードバック制御を行うことが一般的である。更に、内燃機関(101)には、燃焼室(121)毎に点火コイル(107)、点火プラグ(106)が備えられており、ECU(109)により、所望のタイミングで点火コイル(107)への通電制御と点火プラグ(106)による点火制御が行われる仕組みとなっている。
これにより、燃焼室(121)内で吸入空気と燃料が混ざった混合気は、点火プラグ(106)から放たれる火花により燃焼し、この燃焼の圧力によりピストン(102)が押し下げられる。
燃焼により生じた排気ガスは、排気弁(104)を介して排気管(111)に排出され、排気管(111)上には、この排気ガスを浄化するための三元触媒(112)が備えられている。
ECU(109)には、前述の燃料噴射弁制御装置(127)が内蔵され、内燃機関(101)のクランク軸（図示せず）角度を計測するクランク角度センサ(116)、吸入空気量を示す前記AFM(120)、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ(113)、運転者が操作するアクセルの開度を示すアクセル開度センサ(122)、前記燃料圧力センサ(126)等の信号が入力される。
各センサから入力された信号について更に述べると、ECU(109)は、アクセル開度センサ(122)の信号から、内燃機関(101)の要求トルクを算出するとともに、アイドル状態であるか否かの判定等を行う。また、ECU(109)には、クランク角度センサ(116)の信号から、内燃機関(101)の回転速度（以下、エンジン回転数という）を演算する回転数検出手段と、水温センサ(108)から得られる内燃機関(101)の冷却水温と内燃機関(101)の始動後の経過時間等から三元触媒(112)が暖機された状態であるか否かを判断する手段などが備えられている。
また、ECU(109)は、前述の内燃機関(101)の要求トルクなどから、内燃機関(101)に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号をスロットル弁(119)に出力するとともに、燃料噴射弁制御装置(127)は、吸入空気量に応じた燃料量を算出して燃料噴射弁(105)にそれに応じた燃料噴射信号を出力し、更に、点火コイル(107)に点火信号を出力する。
なお、吸気弁(103)及び排気弁(104)はそれぞれ、吸気カム軸（図示せず）と排気カム軸（図示せず）のカム形状（カムプロフィールともいう）により、開閉弁タイミング（バルブタイミング）やリフト量が決定される。これら吸気弁(103)及び排気弁(104)のバルブタイミングやリフト量は、吸気カム及び排気カムに備わる可変動弁機構によって可変とされる（詳細構造は後述）。
次に、図２を用いて、図１に示される筒内直噴式内燃機関(101)に備わる高圧燃料ポンプ(125)の基本的な制御を説明する。なお、本明細書における説明上、高圧燃料ポンプ(125)は排気カム軸駆動とするが、本発明の作用効果は、吸気カム軸駆動の（つまり、吸気弁(103)側のカムによって駆動される）高圧燃料ポンプ(125)においても変わらない。
図２は、上から、高圧燃料ポンプ(125)の駆動軸である排気カムの位置を検出する排気カムセンサの値(201)、高圧燃料ポンプ(125)内に備わるプランジャーのリフト量を示したプランジャーリフト量(202)、クランク角の位置を検出するクランク角度センサ(116)の値(203)（以下、単にクランク角ということがある）を示している。また、高圧燃料ポンプ(125)から高圧燃料配管(128)へ燃料を供給する際は、高圧燃料ポンプ(125)の吐出口に備わる開閉バルブを制御することで、所望の燃料量を吐出する。図２には、この開閉バルブのソレノイドへの駆動信号(204)、開閉バルブの挙動(205)を併せて示している。
先ず、内燃機関(101)が運転を開始すると、高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーリフト量(202)は、排気カム（内燃機関(101)によって回転されるカム）(129)の回転運転に応じて、上下運動を行う。図２内では、T207から上昇し、T211で上死点(TDC : Top Dead Center)、T212で下死点(BDC : Bottom Dead Center)となり、その後もこれを繰り返すが、後述するソレノイド駆動信号(204)のONタイミング（駆動開始タイミング）(T208)から所定時間(216)だけ経過したT209から高圧燃料ポンプ(125)の上死点(T211)までの期間(221)が、高圧燃料ポンプ(125)の吐出量に相当する。
また、内燃機関(101)の運転により、クランク角度センサ(116)もクランク角の位置情報を検出し、このクランク角度センサ(116)の値(203)を基に、角度制御に必要な情報をECU(109)内で演算する。また、排気カムセンサ値(201)の位置情報に基づき、高圧燃料ポンプ(125)の制御を行うが、本図内では、T206で排気カムセンサの信号が入力される。
制御基準位置となる排気カム信号の入力タイミング(T206)から高圧燃料ポンプ(125)の上死点位置(T211)までの角度(213)は、高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーを動作させるポンプカム（駆動カム）（図示せず）のプロフィールにより決定され、ソレノイド駆動信号(204)をONにする期間(217)は、開閉バルブを閉弁するために備えられるリターンスプリングのバネ定数や高圧燃料配管(128)の燃料圧、ソレノイドの電気的特性などから定まる。
また、ソレノイド駆動信号(204)のONしたタイミング(T208)から、実際に開閉バルブが開き始めるタイミング(T209)までの応答時間(216)も、高圧燃料ポンプ(125)の特性から定まるため、総じて、これらの情報はROM定数として予め設定の上、バッテリ電圧補正等を行うことで、ソレノイド駆動信号(204)のONタイミング（駆動開始タイミング）(T208)とOFFタイミング（駆動終了タイミング）(T210)を求めることが可能となる。
また、ソレノイド駆動信号のON期間(217)は時間要求となるが、これを内燃機関(101)の回転数情報に基づき、角度換算することで、ECU(109)は、全てのパラメータを既知情報として扱うことが可能となり、前記した制御基準位置(T206)からソレノイド駆動信号(204)のONタイミング(T208)までの角度(215)とソレノイド駆動信号(204)のON期間(217)を用いて、高圧燃料ポンプ(125)の制御を行う。
また、開閉バルブ挙動(205)は、前述の通り、T209から開弁動作を開始し、開閉バルブが開弁ストッパーに衝突することで、開弁動作を完了する(T218)。この際、衝突に伴うポンプ開弁騒音(220a)が発生するが、高燃圧化による機構改良に伴い、複数回の騒音が生じる場合もある。また、高圧燃料ポンプ(125)の上死点(T211)を超えた後、開閉バルブは閉弁動作を開始し、やがて、閉弁側ストッパーに衝突して、閉弁動作を完了(T219)するが、この時も、開弁動作同様に、ポンプ閉弁騒音(220b)が発生する。なお、ソレノイド駆動ON期間(217)を進角（図２内では、左側へ移動）することにより、T209を早めることで、吐出量(221)を増やすことができ、逆に、遅角（図２内では、右側へ移動）することで、T209を遅らせて、吐出量(221)を少なくすることが可能となる。また、ソレノイド駆動ON期間(217)に関わらず、閉弁タイミングは、高圧燃料ポンプ(125)の上死点(T211)に依存したタイミングとなる。
なお、図２中、214は、制御基準位置(T206)から実際に開閉バルブが開き始めるタイミング(T209)までの角度である。
次に、図３を用いて、図１に示される筒内直噴式内燃機関(101)に備わる可変動弁機構の構成を説明する。
上述の通り、内燃機関(101)に備わる吸気弁(103)や排気弁(104)は、カムプロフィールにより決定されるため、内燃機関(101)毎に違いがあるものの、その動作特性は変わらない。しかし、内燃機関(101)の運転状態毎に最適なバルブタイミングが異なるため、近年の内燃機関には、吸気弁(103)や排気弁(104)のバルブタイミングやリフト量を可変にできる可変動弁機構が多く採用されている。図３では、吸気弁(103)や排気弁(104)のバルブタイミングのみを可変とできるVTC(Valve Timing Control system)を模式的に示している。
なお、その他の可変動弁機構においても、クランク角とカム角の位相差が可変にできるものであれば、その作用効果は変わらない。
まず、図３内の301は、4気筒式内燃機関を想定したカム軸(305)を横から視た模式図である。カム軸(305)の一端にはプーリ(304)が備得られており、クランク軸からの動力をベルトやチェーン又はギアなどを経由してプーリ(304)が回されることで、気筒毎に備わるカム(306a,306b,306c,306d)が回転し、吸気弁(103)又は排気弁(104)は、開閉弁動作を行う。また、プーリ(304)より先端部には、可変動弁機構を構成するVTC機構部(303)が備えられている。
図３内の302は、上述のVTC機構部(303)の内部構成を模式的に示したものである。プーリ(304)は、内燃機関(101)と回転同期した動作となるが、外周部には仕切りが設けられ、また、中心部は、カム軸(305)と連結の上、凸部(310)を備えることで、凸部(310)を境に、２つの空間(309,311)が形成された構成となっている。
ECU(109)は、内燃機関(101)の運転状態に基づき、電磁弁（ソレノイド）を駆動することで、２つの空間(309,311)のどらちかにオイルへ供給し、これにより生じる油圧から凸部(310)の位置を可変し、クランク軸に対してカム軸(305)の回転動作に位相を設けることができる。
次に、図４を用いて、図１に示される筒内直噴式内燃機関(101)に備わる可変動弁機構、特にVTC機構部(303)の動作について説明する。
図４は、上から、クランク角度センサ(116)の値(203)、吸気カムの位置を示す吸気カムセンサの値(401)、排気カムの位置を示す排気カムセンサの値(201a,201b)を示している。
クランク角度センサ値(203)は、所定の角度間隔(203b)毎に入力される歯(203a)がある通常部と、所定数分（図４内では２歯分）の歯が欠けた歯欠け部(203c)があり、一般にクランク軸が１回転する間に、少なくとも１つ以上の歯抜け部(203c)が存在する。また、複数気筒を備える内燃機関では、等間隔(404)毎に各気筒の圧縮TDC(Top Dead Center：T402,T403)が存在し、燃料噴射や点火といった内燃機関の基本制御は全て、このクランク角の絶対角に基づき制御を行う。なお、圧縮TDC間の間隔(404)は、内燃機関の燃焼行程期間[720deg]÷気筒数で求められる。
クランク角度センサ値（クランク角）(203)は、歯欠け部(203c)を基準に所定間隔(203b)毎に入力された歯(203a)の数を把握することで把握する。但し、内燃機関(101)の燃焼行程は、クランク軸が２回転( = 720deg)となることから、クランク角(203)の情報だけでは、絶対角の判断ができず、一般に吸気カムセンサ値(401)もしくは排気カムセンサ値(201a,202b)の少なくとも１つ以上の入力パターンと合わせて、気筒判別を実施し、そのクランク角を把握する。なお、本図４では、説明の便宜上、吸気カムセンサ値(401)、排気カムセンサ値(201a,201b)とも、１つの入力歯として記載している。
これらのことから、クランク角に対し、吸気カムセンサ値(401)及び排気カムセンサ値(201a,201b)は、一定の位相差を保ちながら入力される。
しかし、図３で説明したVTC機構部(303)の動作から、凸部(310)を境に形成された空間(311)にオイルを充填すると、VTC機構部(303)の作動角の変化に応じて吸気カムセンサ値(401)が進角側(401a)へ移動するため、吸気カムセンサの入力は、T405から進角側に移動する。同様に、排気カムについても、図３内に示した空間(309)にオイルを充填することで、VTC機構部(303)の作動角の変化に応じてカム軸を遅角側へ移動することが可能となる。
なお、図４内の201aは、VTC機構部(303)の動作がない状態を示し、201bは排気カム（のカム軸）を遅角側へ移動した状態を示している。また、これにより、高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーリフト量(202a)も、遅角側へ移動し(202b)、排気カムの入力信号は、T206aからT206bへ移動したことで、プランジャーリフト量(202a,202b)に示す上死点位置(T211a)もT211bへ移動する。
なお、ここで説明したVTC機構部(303)の動作は一例であり、例えば、VTCのデフォルト位置がVTC作動角の中間位置に設けられたものがあり、その場合、吸気カム及び排気カムのどちらにVTC機構部(303)が備わる場合においても、進角側と遅角側どちらへの移動も可能となるが、カム位置と高圧燃料ポンプ(125)の上死点の位置関係は同じ特性となる。
本実施形態では、後述する燃料噴射弁(105)の開閉弁騒音(516a,516b)と高圧燃料ポンプ(125)の開閉弁騒音(220a,220b)の発生タイミングが重なった場合に生じる合成騒音の発生の有無を予測（合成騒音予測手段）した上で、合成騒音有りと判断した場合には、前述のようにVTC機構部(303)を可動することにより、そのVTC機構部(303)の作動角の変化によってクランク角とカム角の位相差を変えることで、合成騒音の抑制を図る。
次に、図５を用いて、図１に示される筒内直噴式内燃機関(101)における合成騒音の発生のメカニズムを説明する。図５は、上から、燃料噴射弁(105)の駆動状態を示す噴射パルス信号(501)、燃料噴射弁(105)の開弁電流に使用する高電圧(502)、燃料噴射弁(105)の弁体動作を示す弁体挙動(503)、高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーリフト量(202c)、ソレノイド駆動信号(204)、開閉バルブ挙動(205)を示している。
先ず、燃料噴射弁(105)の動作について説明すると、噴射パルス信号(501)は、図５内で２回の噴射動作を指示している。つまり、１回目は、T504でON（駆動開始）指令、T506でOFF（駆動終了）指令となり、２回目は、T509でON指令、T511でOFF指令である。高電圧(502)は、噴射パルス信号(501)のON指令が発生したタイミングT504又はT509から、燃料噴射弁(105)に開弁電流を印加する期間(513)で降下する。図５内では、T504からT505又はT509からT510が該当する。
燃料噴射弁(105)の駆動電流は、所定の開弁電流が印加された後、バッテリ電圧による開弁保持電流に切り替わることから、高電圧の使用は停止され、次に使用される準備のため、昇圧動作となる。T505からT508までの期間(514)がこれに該当する。T508で所定の高電圧まで回復し、次の噴射(ON)指令T509からは上述の動作を繰り返す。
一方、燃料噴射弁(105)の弁体挙動(503)は、パルスONタイミング（駆動開始タイミング）(T504)により駆動電流が印加され、開弁動作を始め、弁体が開弁ストッパーに衝突したところ(T505)でフルリフト状態に至る。ここで、高圧燃料ポンプ(125)と同様に、開弁動作による開弁騒音(516a)が発生し、噴射パルス信号(501)がOFFとなったタイミング（駆動終了タイミング）(T506)から、弁体挙動(503)は、閉弁動作を行い、閉弁が完了した時点(T507)でも閉弁騒音(516b)が生じる。
なお、これらの開閉弁騒音(516a,516b)は、燃料噴射弁(105)内に備わるリターンスプリングの強さと高圧燃料配管(128)内の燃料圧によりその発生タイミングが決まるため、噴射パルス信号(501)のONタイミング又はOFFタイミングから、これらの発生タイミングの予測は可能と考えられる。
また、図５に示した燃料噴射弁(105)の動作では、多段噴射を実行しており、高電圧(502)の昇圧動作期間(514)と、弁体挙動(503)の閉弁応答(515)の双方について、次の動作へ影響がないように配慮する必要がある。そのため、噴射間隔(T504からT509又はT506からT509)を所定の期間以上設ける必要がある。
高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーリフト量(202c)、ソレノイド駆動信号(204)、開閉バルブ挙動(205)については、図2に基づき説明したため、ここでは詳細説明は割愛するが、ここで、図５内では、T507で生じた燃料噴射弁(105)の閉弁騒音(516b)と高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)がほぼ同じタイミングで発生している。本明細書ではこの状態を合成騒音とし、この合成騒音が発生する（所定範囲の）期間(517)を回避することを目的として、燃料噴射弁(105)の開閉弁騒音(516a,516b)と高圧燃料ポンプ(125)の駆動騒音(220a,220b)のそれぞれが発生するタイミングを予測し、それぞれの発生タイミングが所定範囲(517)で重なると予測した場合、前記した可変動弁機構を用いて（可変動弁機構の作動角を変化させて）クランク角とカム角の位相差を変える、つまり、燃料噴射弁(105)の弁体挙動(503)に対して高圧燃料ポンプ(125)の開閉バルブ挙動(205)を進角側若しくは遅角側に変化させる（ずらす）ようにする。
ここで、燃料噴射弁(105)の駆動騒音(516a,516b)と高圧燃料ポンプ(125)の駆動騒音(220a,220b)がタイミング的に重なる際に生じる合成騒音の発生の有無を予測する合成騒音予測手段は、噴射パルス信号(501)のONタイミング(T504)から所定期間(例えば513)を設け、開弁騒音(516a)の監視を行う燃料噴射弁開弁監視期間(610)と、噴射パルス信号(501)のOFFタイミング(T506)から所定期間(例えば515)を設け、閉弁騒音(516b)の監視を行う燃料噴射弁閉弁監視期間(611)とを含む燃料噴射弁監視期間を設定する。また、高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)の監視を行う高圧燃料ポンプ開弁監視期間(222a)と、高圧燃料ポンプ(125)の閉弁騒音(220b)の監視を行う高圧燃料ポンプ閉弁監視期間(222b)を含む高圧燃料ポンプ監視期間を設定するが、図２で説明したプランジャー（ポンプピストン）リフト量(202)の上死点(T211)や下死点(T212)、ソレノイド駆動信号(204)のONタイミング(T206)やOFFタイミング(T210)のいずれかと前記した高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)と閉弁騒音(220b)には、時間的な相関関係があるため、ソレノイド駆動信号(204)のONタイミング(T206)、OFFタイミング(T210)、プランジャー（ポンプピストン）リフト量(202)の上死点(T211)、下死点(T212)のいずれか一つ以上から所定期間を設けた高圧燃料ポンプ監視期間を設定する。そして、前記燃料噴射弁監視期間と前記高圧燃料ポンプ監視期間が所定範囲(517)内で重なった（重複した）場合を、合成騒音有りと判定する。
また、弁体挙動(503)を、燃料噴射弁(105)の駆動電圧もしくは駆動電流を高速サンプリングした上で、複数回の微分処理を行うことで、実開弁タイミングや実閉弁タイミングを高精度に検知することが可能な開閉弁検知機能を備えた制御装置の場合には、実開弁タイミングに基づいた所定期間の燃料噴射弁開弁監視期間(610)と、実閉弁タイミングに基づいた所定期間の燃料噴射弁閉弁監視期間(611)とを含む燃料噴射弁監視期間を設定し（図６も併せて参照）、その燃料噴射弁監視期間と前記高圧燃料ポンプ監視期間を比較して、合成騒音の発生の有無を判定しても良い。こうすることで、それぞれの所定期間をより短期間に設定できると共に、燃料噴射弁(105)毎に生じる個体差に対しても高精度に検知できることから、本発明の効果を最大限に得ることができる。
＜ECUによる可変動弁機構の制御例（その１）＞
図６を用いて、図１に示すECU(109)による可変動弁機構の制御の一例を説明する。図６の一番上は、噴射パルス信号(501)を示しており、図６内では3段噴射を行っている。その下には、合成騒音発生時（制御前）のプランジャーリフト量(202c)とソレノイド駆動信号(204a)、および、合成騒音回避時（制御後）のプランジャーリフト量(202d)とソレノイド駆動信号(204b)を示している。
先ず、T601で噴射パルス信号(501)がONとなり、図５で説明した開弁騒音(516a)が発生し、T602で噴射パルス信号(501)がOFFとなった際にも、閉弁騒音(516b)が発生する。このため、上述の通り、燃料噴射弁開弁監視期間(610)と燃料噴射弁閉弁監視期間(611)を含む燃料噴射弁監視期間を設定している。
噴射パルス信号(501)は、その後もON動作(T603,T605)とOFF動作(T604,T606)を繰り返すが、上記の説明と同様であるため、詳細は省略する。
ここで、噴射パルス信号(501)は、ON期間(612a,612b,612c)とOFF期間(607)が存在し、OFF期間(607)については、図５で説明した燃料噴射弁(105)の閉弁応答(515)と高電圧(502)の昇圧期間(514)の制約から生じる噴射間隔の要求を満足する期間とする。
次に、高圧燃料ポンプ(125)のプランジャーリフト量(202c)は、内燃機関(101)の燃焼要求、排気要求などから定まる制御量においてVTC機構部（可変動弁機構）(303)が制御しているが、噴射パルス信号(501)のONタイミングであるT603に対して設けた燃料噴射弁開弁監視期間(610)内に高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)、噴射パルス信号(501)のOFFタイミングであるT604に対して設けた燃料噴射弁閉弁監視期間(611)に高圧燃料ポンプ(125)の閉弁騒音(220b)の発生が予測された場合、噴射パルス信号(501)の駆動タイミング(駆動開始タイミングT603、駆動終了タイミングT604)に基づき（すなわち、噴射パルス信号(501)の駆動タイミングは維持したまま）、VTC機構部(303)の制御量を演算し、結果的に高圧燃料ポンプ(125)の上死点の位置を可変(T211a→T211b)とする（ここでは、遅角化させる）。
前述したが、多段噴射を含む複数のON/OFFタイミングは、内燃機関(101)の燃焼要求から決定されており、噴射形態の変化は内燃機関(101)に多大な影響を与える可能性がある。本実施形態のように、VTC機構部(303)を用いて、バルブタイミングを変えた場合、燃焼室(121)へ吸入される空気量や吸入速度、流動形態に変化を与えるものの、合成騒音の低減が求められる低負荷領域（空気量を絞った領域）、特にアイドル運転時では、内燃機関(101)の運転状態に大きな影響は与えない。
また、合成騒音回避時では、合成騒音発生時と比べて、ソレノイド駆動信号(204b)の駆動タイミングが遅角側へ変わっている（ずれている）が、それぞれの上死点(T211a,T211b)との変化はなく（つまり、上死点(T211a,T211b)との相対関係は変化しない）、プランジャーリフト量の変化(202c→202d)に対し、相対的に遅角にしたに過ぎず、結果的に高圧燃料ポンプ(125)の燃料吐出量(221)に変化は生じない。このため、燃圧脈動の増大といった噴射量ばらつきを誘発する現象も抑止される。
また、図６に示す例では、ソレノイド駆動信号(204a,204b)のON（駆動）期間(217)に対し、噴射パルス信号(501)のOFF（駆動停止）期間(607)が長くなっており、この場合、VTC機構部(303)の作動角を可変するに当たり、噴射パルス信号(501)のOFF期間(607)へ高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)と閉弁騒音(220b)を移動できると考えられる。
このため、例えば、高圧燃料ポンプ(125)の上死点位置(T211a)、ソレノイド駆動信号(204a)のONタイミング(T208)は既知であるため、燃料噴射弁(105)の駆動終了タイミング(T604)に基づき設定された燃料噴射弁閉弁監視期間(611)以降にソレノイド駆動信号(204a)のONタイミング(T208)が設定されるように、VTC機構部(303)の作動角を可変にする。その際、燃料噴射弁(105)の噴射パルス信号(501)のOFF期間(607)内に高圧燃料ポンプ(125)のソレノイド駆動信号(204a,204b)のON期間(217)が設定される（含まれる）ように、より具体的には、次の燃料噴射弁(105)の駆動開始タイミング(T605)に基づき設定された燃料噴射弁開弁監視期間(610)以前にソレノイド駆動信号(204a)のOFFタイミング(T210)に基づき設定された高圧燃料ポンプ閉弁監視期間(222b)が設定されるように、VTC機構部(303)の作動角を可変にできれば、燃料噴射弁(105)の駆動騒音(516a,516b)と高圧燃料ポンプ(125)の駆動騒音(220a,220b)の合成騒音の発生を確実に回避することができる。
このような制御により、高圧燃料ポンプ(125)の上死点がT211aからT211bまで移動することで、ソレノイド駆動信号(204b)上に示したように、高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)および閉弁騒音(220b)共、燃料噴射弁(105)の騒音位置から離れ、合成騒音の低減が可能となると共に、高圧燃料ポンプ(125)の吐出量(221)の増減はなく、内燃機関(101)の運転状態に影響を与えない。
＜ECUによる可変動弁機構の制御例（その２）＞
次に、図７を用いて、図１に示すECU(109)による可変動弁機構の制御の他例を説明する。
図７に示す例では、噴射パルス信号(501)のON期間(704)がソレノイド駆動信号(204a,204b)のON期間(217)より長い場合を示している。本例では、前述の合成騒音予測判定により、VTC機構部(303)を用いて高圧燃料ポンプ(125)の上死点(T211c)を可変させるとき、噴射パルス信号(501)のON期間(704)側へ（ここでは、進角側へ）移行した方が合成騒音を低減できると考えられる。よって、VTC機構部(303)の作動角はT211cからT211dまでの期間となる。
このため、例えば、燃料噴射弁(105)の駆動開始タイミング(T701)に基づき設定された燃料噴射弁開弁監視期間(610)以降にソレノイド駆動信号(204a)のONタイミング(T208)が設定されるように、VTC機構部(303)の作動角を可変にする。その際、燃料噴射弁(105)の噴射パルス信号(501)のON期間(704)内に高圧燃料ポンプ(125)のソレノイド駆動信号(204a,204b)のON期間(217)が設定される（含まれる）ように、より具体的には、燃料噴射弁(105)の駆動終了タイミング(T702)に基づき設定された燃料噴射弁閉弁監視期間(611)以前にソレノイド駆動信号(204a)のOFFタイミング(T210)に基づき設定された高圧燃料ポンプ閉弁監視期間(222b)が設定されるように、VTC機構部(303)の作動角を可変にできれば、燃料噴射弁(105)の駆動騒音(516a,516b)と高圧燃料ポンプ(125)の駆動騒音(220a,220b)の合成騒音の発生を確実に回避することができる。
このような制御により、図６に示す例と同様に、高圧燃料ポンプ(125)の吐出量(221)の増減はなく、内燃機関(101)の運転状態に影響を与えず、高圧燃料ポンプ(125)の開弁騒音(220a)および閉弁騒音(220b)共、燃料噴射弁(105)の騒音位置から離れ、合成騒音の低減が可能となる。
＜ECUによる可変動弁機構の制御例（その３）＞
次に、図８を用いて、図１に示すECU(109)による可変動弁機構の制御の更に他例を説明する。本例では、吸気弁(103)と排気弁(104)のバルブオーバーラップについて説明する。
図８で、801は、内燃機関(101)のピストン(102)のストローク量を示し、802aは、合成騒音発生時（制御前）の吸気弁(103)のリフト量、803aは、合成騒音発生時（制御前）の排気弁(104)のリフト量、802bは、合成騒音回避時（制御後）の吸気弁(103)のリフト量、803bは、合成騒音回避時（制御後）の排気弁(104)のリフト量を示している。ここで、吸気弁(103)と排気弁(104)が双方共開弁中である期間（言い換えれば、吸気弁(103)の開弁期間と排気弁(104)の開弁期間が重なる期間）(806)をバルブオーバーラップ（量）と言い、内燃機関(101)の吸排気性能を左右する重要なパラメータである。このため、バルブオーバーラップ(806)の期間を含め、吸気弁(103)および排気弁(104)とも、内燃機関(101)の特性に応じたタイミングで開閉弁動作を行うように設計されている。
本実施形態では、合成騒音を低減するため、前述のように、高圧燃料ポンプ(125)を駆動するカム（例えば、排気カム）のVTC機構部(303)を可変としている（T804a→T804b、又は、T805a→T805b）。そのため、場合によって、バルブオーバーラップ(806)に変化を与える可能性がある。
そこで、本例では、合成騒音低減のために、高圧燃料ポンプ(125)を駆動するカム（例えば、排気カム）のVTC機構部(303)を可変にした場合、もう一方のカム（つまり、高圧燃料ポンプ(125)の駆動を行わない側のカム、例えば、吸気カム）のVTC機構部(303)も、このバルブオーバーラップ（量）(806)が同一になる（変化しない）ように、同時に（すなわち、吸気・排気共）可変させる。
このような制御により、更に内燃機関(101)の運転状態に影響を与えることなく、合成騒音の低減が可能となる。
なお、図６および図７で説明したVTC機構部(303)の作動角の演算において、騒音低減が可能な領域が、噴射パルス信号(501)のON期間(612a,612b,612c,704)と、噴射パルス信号(501)のOFF期間(607)の双方にある場合には、進角側もしくは遅角側のそれぞれについてVTC機構部(303)の作動角の変化量が少なくなる側へ可変させた方が良い。これにより、内燃機関(101)の運転状態への影響を低減しつつ、合成騒音の低減が可能となる。
＜ECUによる可変動弁機構制御の作用効果＞
前述の従来技術のように、例えば、単純に高圧燃料ポンプ(125)のソレノイド駆動信号(204)のONタイミング(T208)やOFFタイミング(T210)を可変にした場合、高圧燃料ポンプ(125)の吐出量(221)がその都度変化するため、燃圧脈度が増大し、これに起因して噴射量のショットばらつきが大きくなるので、燃焼安定性を損なう恐れがある。また、図５に基づき説明した多段噴射を含む噴射タイミングを可変にした場合、内燃機関(101)の燃焼要求から定まる噴射タイミングを無視することになるので、これによっても燃焼悪化の恐れがある。
本実施形態の内燃機関の制御装置(ECU)によれば、高圧燃料ポンプ(125)と燃料噴射弁(105)の合成騒音有りと判断した場合に、燃料噴射弁(105)の燃料噴射要求（例えば、要求燃圧や要求噴射量など）を満足しながら当該内燃機関(101)に設けられた可変動弁機構の作動角を可変にするので、図２に基づき説明した高圧燃料ポンプ(125)の特性から、ソレノイド駆動信号(204)のONタイミング(T208)やOFFタイミング(T210)は高圧燃料ポンプ(125)の駆動カム角上において変える必要がないことから、高圧燃料ポンプ(125)の吐出量(221)に変化は生じない上、燃料噴射弁(105)の駆動タイミングを変えないため、燃焼悪化を回避し、内燃機関(101)の運転状態に影響を与えることなく、合成騒音を確実に低減でき、もって、燃料系サブシステムの商品性を向上させることができる。
特に、内燃機関(101)のアイドル運転時には、前記合成騒音が顕著となるとともに、VTC機構部(303)を用いてバルブタイミングを変化させても内燃機関(101)の運転状態への影響は少ないので、更に内燃機関(101)の運転状態に影響を与えることなく、合成騒音をより効果的に低減することが可能となる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
101 ・・・内燃機関（筒内直噴式内燃機関）
102 ・・・ピストン
103 ・・・吸気弁
104 ・・・排気弁
105 ・・・燃料噴射弁
109 ・・・ECU（内燃機関の制御装置）
110 ・・・吸気管
111 ・・・排気管
121 ・・・燃焼室
123 ・・・燃料タンク
124 ・・・低圧燃料ポンプ
125 ・・・高圧燃料ポンプ
127 ・・・燃料噴射弁制御装置
129 ・・・排気カム
202c ・・・合成騒音発生時のプランジャーリフト量
202d ・・・合成騒音回避時のプランジャーリフト量
204a ・・・ソレノイド駆動信号
T208 ・・・ソレノイド駆動信号ONタイミング
T210 ・・・ソレノイド駆動信号OFFタイミング
T211a ・・・VTC可変前ポンプ上死点位置
T211b ・・・VTC可変後ポンプ上死点位置
217 ・・・ソレノイド駆動信号ON期間
220a ・・・高圧燃料ポンプの開弁騒音
220b ・・・高圧燃料ポンプの閉弁騒音
222a ・・・高圧燃料ポンプ開弁監視期間
222b ・・・高圧燃料ポンプ閉弁監視期間
303 ・・・VTC機構部（可変動弁機構）
501 ・・・噴射パルス信号
516a ・・・燃料噴射弁の開弁騒音
516b ・・・燃料噴射弁の閉弁騒音
T601 ・・・噴射パルス信号ONタイミング
T602 ・・・噴射パルス信号OFFタイミング
T603 ・・・噴射パルス信号ONタイミング
T604 ・・・噴射パルス信号OFFタイミング
T605 ・・・噴射パルス信号ONタイミング
T606 ・・・噴射パルス信号OFFタイミング
607 ・・・噴射パルス信号OFF期間
610 ・・・燃料噴射弁開弁監視期間
611 ・・・燃料噴射弁閉弁監視期間

Claims (10)

  1. 筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に供給する燃料を昇圧する高圧燃料ポンプと、吸気弁もしくは排気弁のバルブタイミングを可変にできる可変動弁機構と、を備える筒内直噴式の内燃機関の制御装置であって、
    前記燃料噴射弁の駆動騒音と前記高圧燃料ポンプの駆動騒音がタイミング的に重なる際に生じる合成騒音の発生の有無を予測し、合成騒音有りと判断した場合に、前記燃料噴射弁の燃料噴射要求を満足しながら前記高圧燃料ポンプの駆動カムに連結された前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    合成騒音有りと判断した場合に、前記燃料噴射弁の駆動タイミングに基づき、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
    合成騒音有りと判断し、且つ、前記燃料噴射弁の駆動停止期間が前記高圧燃料ポンプの駆動期間より長い場合に、前記燃料噴射弁の駆動終了タイミングに基づき、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項３に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記燃料噴射弁の駆動終了タイミングから所定期間をあけて前記高圧燃料ポンプの駆動開始タイミングが設定されるとともに、前記燃料噴射弁の駆動停止期間内に前記高圧燃料ポンプの駆動期間が設定されるように、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
    合成騒音有りと判断し、且つ、前記燃料噴射弁の駆動期間が前記高圧燃料ポンプの駆動期間より長い場合に、前記燃料噴射弁の駆動開始タイミングに基づき、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記燃料噴射弁の駆動開始タイミングから所定期間をあけて前記高圧燃料ポンプの駆動開始タイミングが設定されるとともに、前記燃料噴射弁の駆動期間内に前記高圧燃料ポンプの駆動期間が設定されるように、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  7. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記高圧燃料ポンプを駆動する前記吸気弁側もしくは前記排気弁側のカムに連結された前記可変動弁機構の作動角を変更する場合、前記吸気弁の開弁期間と前記排気弁の開弁期間のバルブオーバーラップ量が変化しないように、前記高圧燃料ポンプの駆動を行わない前記排気弁側もしくは前記吸気弁側のカムに連結された可変動弁機構も合わせて駆動することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  8. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記可変動弁機構の作動角を、進角側もしくは遅角側のそれぞれについて演算した上で、作動角の変化量が少ない側へ変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  9. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記内燃機関のアイドル運転時に、前記可変動弁機構の作動角を変更することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  10. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記燃料噴射弁の駆動開始タイミングから第１の所定期間を設けた燃料噴射弁開弁監視期間と、前記燃料噴射弁の駆動終了タイミングから第２の所定期間を設けた燃料噴射弁閉弁監視期間とを含む燃料噴射弁監視期間を設定し、前記高圧燃料ポンプの駆動開始タイミング、前記高圧燃料ポンプの駆動終了タイミング、前記高圧燃料ポンプのポンプピストンの上死点、前記高圧燃料ポンプのポンプピストンの下死点のいずれか一つ以上から第３の所定期間を設けた高圧燃料ポンプ監視期間を設定し、前記燃料噴射弁監視期間と前記高圧燃料ポンプ監視期間が重なった場合、
    あるいは、
    前記燃料噴射弁の弁体挙動に応じた実開弁タイミング及び実閉弁タイミングの少なくとも一方を検知することができる開閉弁検知機能を備えている場合において、
    前記開閉弁検知機能により検知した前記燃料噴射弁の実開弁タイミングから第１の所定期間を設けた燃料噴射弁開弁監視期間と、前記開閉弁検知機能により検知した前記燃料噴射弁の実閉弁タイミングから第２の所定期間を設けた燃料噴射弁閉弁監視期間とを含む燃料噴射弁監視期間を設定し、前記高圧燃料ポンプの駆動開始タイミング、前記高圧燃料ポンプの駆動終了タイミング、前記高圧燃料ポンプのポンプピストンの上死点、前記高圧燃料ポンプのポンプピストンの下死点のいずれか一つ以上から第３の所定期間を設けた高圧燃料ポンプ監視期間を設定し、前記燃料噴射弁監視期間と前記高圧燃料ポンプ監視期間が重なった場合に、
    合成騒音有りと判断することを特徴とする内燃機関の制御装置。
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