JP2012202404A - 直接燃料噴射式内燃機関のエンジン騒音低減方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直接噴射のエンジン騒音、特にエンジン回転数が１０００rpm以下の低速運転時の騒音を低減するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】
多気筒の直接燃料噴射エンジンの騒音低減方法に関する。内燃機関は、燃料供給源に接続されたポンプ吸入弁と加圧された燃料配管に接続された吐出弁を有する高圧燃料ポンプと、加圧燃料を直接、エンジン燃焼室に供給する燃料噴射弁とを備える。騒音低減のために、特にエンジン回転数が低速回転時のときに、ポンプ吸入弁或いはポンプ吐出弁の開タイミングのいずれかを、エンジンの燃料噴射弁の開タイミングと一致する方向に制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、直接燃料噴射式内燃機関に係り、特に低速運転時のエンジンでの騒音低減方法及び装置に関する。

自動車に用いられる直接燃料噴射式内燃機関（以下、「直接噴射エンジン」と称する）は、エンジン燃費節約の重要な要素として大きな評価を受けている。直接噴射エンジンにおいて、燃料噴射弁は、エンジン本体に搭載され、燃焼室に直接燃料を噴射する噴射口を有する。このため、燃料噴射弁が起動及び開弁しているとき、周知の多点式燃料噴射弁が吸気弁上流で燃料が噴射されるのに対して、直接噴射エンジンの燃料噴射弁は、直接、燃焼室に燃料が噴射する。

燃焼室の高圧に勝って十分に高圧な燃料を供給するために、従来の直接噴射エンジンは、燃料流入口が燃料タンクなどの燃料供給源に接続され、燃料流出口が燃料配管に接続されている高圧燃料ポンプを有する。燃料配管は順次、複数の燃料噴射弁に接続されている。

従来知られている、直接噴射エンジンに用いられる高圧燃料ポンプは、マルチローブカム機構により往復駆動されるプランジャを有している。高圧燃料ポンプの吸入弁が高圧燃料ポンプ流入口と燃料供給源間に直列に配置され、その吐出弁が燃料ポンプの燃料流出口と燃料配管との間に直列に接続されている。プランジャの往復動中、プランジャが第１の方向に移動する時に、プランジャは、燃料を、ポンプ吸入弁を通してポンプ内に導き、その反対方向にプランジャが移動するとき、燃料ポンプは、燃料を、ポンプ吐出弁を介して燃料配管に吐出する。

なお、従来の直接噴射エンジンの短所として、騒音、特にエンジン回転数が１０００rpm以下の低速回転で騒音が生じる傾向がある。エンジン騒音は、大別すると３つの要因によってもたらされる。

より具体的には、燃料噴射弁は、高圧燃料噴射の影響で起動或いは開弁時に、自身で騒音を生成する。時には、高圧燃料噴射は、種々のエンジン構成部品の振動を生じさせる騒音を伴う。

高圧燃料噴射ポンプのポンプ吸入弁の開弁動作もまたエンジン騒音をもたらす。同様にポンプ吐出弁の開弁動作もまたエンジン騒音をもたらす。

従来の直接噴射エンジンにおいて、高圧燃料ポンプにおける吸入弁の開弁動作、吐出弁の開弁動作、燃料噴射弁の開弁動作は、エンジンクランクシャフトの異なるクランク角度で行われる。例えば、図１に示すように、グラフ１０は、６気筒直接噴射エンジンの燃料噴射弁の開弁動作により生成される騒音を示している。グラフ１２は、高圧燃料ポンプの吐出弁から生じる騒音を示し、グラフ１４は、高圧燃料ポンプの吸入弁により生成される騒音を示している。

グラフ１０〜１４は、エンジンクランクシャフトのクランク角と、高圧燃料ポンプのプランジャを駆動するために用いるマルチローブカム或いはトライアングルカムの作用として示されている。グラフ１９は、高圧燃料ポンプのプランジャのクランク角度又は位置を示している。

グラフ２０は、直接噴射エンジンにより生成される全体の騒音を示している。グラフ２０から分かるように、全体の騒音は、燃料噴射弁の開弁動作、高圧燃料ポンプの吸入弁の開弁動作、及び高圧燃料ポンプの吐出弁の開弁動作に対応した独立した騒音ピークを含んでいる。この全体騒音は、特にエンジン回転数が１０００rpmのような低速回転で自動車の乗客が感じる。

本発明は、直接噴射のエンジン騒音、特にエンジン回転数が１０００rpm以下の低速運転時の騒音を低減するための方法及び装置を提供することにある。

本発明は、基本的には、開弁時に対応の気筒に燃料を噴射する、１気筒あたり少なくとも一つの燃料噴射弁と、ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁を有する高圧燃料ポンプと、を備える多気筒の直接燃料噴射エンジンにおけるエンジン騒音低減方法において、
前記高圧燃料ポンプの前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの開タイミングを、燃料噴射弁の開タイミングに一致する方向に変えるタイミング可変制御工程を有して、エンジン騒音低減を図ることを特徴とする。ここで、前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁の開タイミングを、燃料噴射弁の開タイミングに一致する方向に変えるとは、前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁の開弁のいずれかのタイミングが前記燃料噴射弁の開タイミングに完全に一致するか、或いは完全一致ではなくとも、それぞれの開タイミングにより生じる騒音のピークが重なり合う程度に両者のタイミングがより近接し合う実質的な一致状態をいう。
さらに、上記方法に用いる装置として、エンジン速度センサで検出されたエンジン回転数、或いはエンジンECU(エンジンコントロールユニット)で算出されたエンジン回転数のような一般的なエンジン回転数信号を入力する信号処理装置を備える。エンジン回転数が所定の閾値、例えば１０００rpm以上の時には、信号処理装置は、エンジン騒音を低減させるための動作をおこさない。一方、エンジン回転数が所定の閾値以下の時に、信号処理装置は、ポンプ吸入弁或いはポンプ吐出弁の開タイミングのいずれかがエンジンの燃料噴射弁の開タイミングと一致する方向に、高圧燃料ポンプ（HPFP）のカム位相を更新するための信号を出力する。

例えば、好ましい態様として、信号処理装置は、まず、高圧燃料ポンプの吸入弁の開動作或いは吐出弁の開動作のクランク角度を得る。信号処理装置は、角周波数の逆数を算出して、高圧燃料ポンプの吸入弁の開動作と吐出弁の開動作のいずれかを燃料噴射タイミングに重ねるために必要なマスキング閾値を算出する。さらに、信号処理装置は、前記ポンプ吸入弁の開弁動作（開タイミング）又は前記ポンプ吐出弁の開弁動作（開タイミング）のいずれかを燃料噴射弁の開弁動作（開タイミング）に重ねるために、高圧燃料ポンプのマルチローブカムのカム位相を更新するための出力信号を形成する。

エンジン回転数の低速運転時に、高圧燃料ポンプの吸入弁の開弁動作又は吐出弁の開弁動作のいずれかを、燃料噴射弁の開弁動作に重ねることにより、エンジンからの騒音ピークの数を効果的に減らすことができる。

直接噴射エンジンにより生じる騒音を示す従来技術のグラフ図。 高圧燃料ポンプの全体概要を示す図。 本発明の全体システムを示すブロック構成図。 本発明のシステムの動作を示すフローチャート。 図４同様のフローチャートで図４を変形した例を示すフローチャート。 図１同様のグラフ図で、本発明の騒音低減方法の効果を示すグラフ図。

以下、本発明の理解をより容易にするために、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、各図において、同一或いは共通する要素には同一符号が付してある。

図２に直接噴射エンジン２２（概略的に示されている）の燃料システム２１の一部が示されている。直接噴射エンジン２２は、自動車に用いられるタイプであり、クランクシャフト２３（概略的に示されている）を回転駆動する複数の気筒を有している。

燃料システム２１は、内部ポンプ室２８（概略的に示されている）となるハウジング２６を有する燃料ポンプ２４を有する。ポンプ吸入弁３０は、ポンプ室２８と燃料タンクなどの燃料供給源３２との間に、流路上で直列に接続されている。同様に、ポンプ吐出弁３６は、ポンプ室２８と燃料噴射弁に通じる燃料配管３４との間に、流路上で直列に接続されている。

一般的には、燃料噴射弁３８（概略的に示されている）は、直接噴射エンジン３２の各気筒に組み込まれている。エンジン制御ユニット（ECU）は燃料噴射弁３８の起動および開弁を制御する。

また、図２を参照すると、ポンププランジャ４０は、ポンプハウジング２６のボア４２内に往復移動可能に設けられ、ボア４２は、ポンプ室２８に開口している。マルチローブカム４４は、直接噴射エンジンにより回転駆動され、ポンププランジャ４０に当接する。その結果、エンジンクランクシャフトに同期するカム４４の回転は、プランジャ４０をボア４２内で直線的に往復駆動する。

一般的には、ボア４２におけるポンププランジャ４０の往復動作において、プランジャ４０がポンプ室２８から遠ざかる方向に移動するときに、燃料を燃料室２８内に導く。この動作中に、燃料は燃料タンク３２から燃料室２８内に導かれる。これとは逆に、ポンププランジャ４０の往復動作において、プランジャ４０が上記とは反対方向すなわちポンプ室２８に向かって移動するときに、燃料はポンプ吐出弁３６を介して燃料配管３４に吐出され最終的に燃料噴射弁３８に圧送られる。

図３は、本発明の全体的な騒音低減システムを、概略的に示す図である。このシステムは、エンジンクランク速度（エンジン回転数）を検出する速度センサ５２からの入力信号を取り込む信号処理装置（プロセッサ）５０を有する。信号処理装置５０は、さらに、クランク角センサ５４からの信号、すなわちポンプ吸入弁３０又はポンプ吐出弁３６のいずれかの開タイミングを示す信号を取り込む。

信号処理装置５０は、エンジン回転数が所定の閾値Ｔrpm以下であるとき、燃料ポンプ制御部５６への出力を生成するようにプログラムされている。燃料ポンプ制御部５６は、ポンプ吸入弁３０又はポンプ吐出弁３６のいずれかの開弁動作（開タイミング）が燃料噴射弁３８の起動及び開弁と一致するように燃料ポンプカム４４の角度を変える。

図４に本発明の動作を表すフローチャートを示す。信号処理装置５０は、ステップ６０で開始後、ステップ６２に移り、信号処理装置５０は、エンジンクランクシャフトの回転数rpmを速度センサ５２から取り込む。その後、ステップ６２からステップ６４に移る。

ステップ６４で、信号処理装置５０は、実エンジン回転数（クランクシャフト回転数rpm）を低速閾値Ｔrpmと比較する。エンジン回転数が閾値Ｔrpmよりも大きいときには、ステップ６４はステップ６５に移り、ルーチンを終了する。

これとは逆に、実エンジン回転数が低速閾値Ｔrpmより小さいときには、ステップ６４はステップ６６に移り、信号処理装置５０は、ポンプ吸入弁３０の開タイミングでのクランク角（ラジアン）ωiを入力する（以後、クランク角ωiをポンプ吸入弁開タイミングωiと称する）。ステップ６６で、燃料噴射タイミングでのクランク角ωfも入力する（以後、クランク角ωfを燃料噴射タイミングωfと称する）。その後、ステップ６６からステップ６８に移る。

ステップ６８で、信号処理装置５０は、角周波数ω（ラジアン毎秒）の逆数を、次の式により算出する。
[数１]
１/ω＝６０/(２πrpm)
その後、ステップ６８からステップ７０に移る。

ステップ７０では、燃料噴射タイミングωfとポンプ吸入弁開タイミングωiの差分に角周波数ωの逆数が乗ぜられ、その乗算値が次のようにマスキング閾値Ｔmaskと比較される。
[数２]
１/ω｜ωi−ωf｜<Tmask

上記乗算値がマスキング閾値よりも小さいとき、ωiとωfとの差分が小さく、ポンプ吸入弁開タイミングは実質的に燃料噴射タイミングに一致するので、ステップ７０は、ステップ６５に移り、ルーチンは終了する。逆に、上記乗算値がマスキング閾値よりも大きいときには、ステップ７０からステップ７２に移る。ステップ７２において、信号処理装置５０は、燃料ポンプ制御部５６（図３）にポンプ吸入弁の開タイミングωiを燃料噴射タイミングωfに一致させるための信号を送り、ポンプカムの開弁動作の位相角を更新する。その後、ステップ７２は、ステップ６２に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。

図５には、上記したポンプ吸入弁３０の開弁動作に代わり、ポンプ吐出弁３６の開弁動作を燃料噴射タイミングに一致させる本発明の動作を示している。図５のフローチャートは、図４に示すフローチャートの大部分と類似する。例えば、図５のステップ６４〜６５は、図４のステップ６４〜６５と同一であるので、それらの説明を省略する。

図５において、実エンジン回転数が閾値Ｔrpm以下であるとき、ステップ６４からステップ８０に移る。ステップ８０では、信号処理装置５０は、図４のポンプ吸入弁３０に代わって、ポンプ吐出弁３６の開タイミングのクランク角ωoを入力する（以後、クランク角ωoをポンプ吐出弁開タイミングと称する）。ステップ８０で、燃料噴射タイミングのクランク角ωfも入力する（以後、クランク角ωfを燃料噴射タイミングωfと称する）。その後、ステップ８０からステップ８２に移る。

ステップ８２は、先に述べたステップ６８と同様であり、エンジンの角周波数ωの逆数を演算する。その後、ステップ８２は、ステップ８４に移る。ステップ８４で、燃料噴射タイミングωfとポンプ吐出弁開タイミングωoの差分に角周波数ωの逆数が乗ぜられ、その乗算値が次のようにマスキング閾値Ｔmaskと比較される。
[数２]
１/ω｜ωo−ωf｜<Tmask
上記乗算値がマスキング閾値よりも小さいとき、ωoとωfとの差分が小さく、ポンプ吐出弁開タイミングは実質的に燃料噴射タイミングに一致するので、ステップ８４は、ステップ６５に移り、ルーチンは終了する。

逆に、上記乗算値がマスキング閾値よりも大きいときには、ステップ８４からステップ８６に移る。ステップ８６において、信号処理装置５０は、燃料ポンプ制御部５６（図３）にポンプ吐出弁の開タイミングωoを燃料噴射タイミングωfに一致させるための信号を送り、ポンプカムの開弁動作の位相角を更新する。その後、ステップ８６は、ステップ６２に戻り、上記の一連の処理を繰り返す。

図６には、本発明の効果を図式的に示している。図６は、従来図の図１に対応する。さらに、図６は、図４に従ったポンプ吸入弁開タイミングと燃料噴射タイミングとを重ねたときの効果を示している。

さらに具体的には、グラフ９０は燃料噴射タイミングによる騒音を示している。グラフ９２は、ポンプ吐出弁３６による騒音を示し、グラフ９４は、ポンプ吸入弁３０による騒音を示している。

本発明によれば、従来技術と異なり、グラフ９６に示すように、ポンププランジャ角は、破線に示す位置から実線に示す位置に移る。このシフトは、グラフ９８に示すマルチローブカム位相のシフトに相当する。この位相のシフトは、グラフ１００に示すクランク角と相対的に、破線の示す位置から実線の位置に移る。

ポンププランジャの位相シフトが生じるポンプカムの位相シフトの正味の効果は、グラフ９４及びグラフ９０に示すように、ポンプ吸入弁により生成された騒音を燃料噴射弁で生成された騒音に重畳させることである。その結果として、６気筒エンジンの毎回転数あたり３つの騒音ピークによる全体ノイズの数を、グラフ１０２に示すように、効果的に減らすことができる。そのため、エンジンの低回転数で占められる自動車の全体騒音感覚を低減することができる。

図５に示すフローチャートも、本質的に図６に示すグラフの効果に相当する。この場合、グラフ９４で示されるポンプ吸入弁からの騒音ピークに代わり、グラフ９２で示されるポンプ吐出弁からの騒音ピークが、グラフ９０に示す燃料噴射タイミングの騒音に重ねられる。効果的には、既述したポンプ吸入弁からの騒音ピークが燃料噴射タイミングの騒音に重ねられるのと同じであるので、それ以上の説明は省略する。

本発明によれば、直接噴射エンジンのための効果的な騒音低減方法及び装置、特に低エンジン回転数における騒音低減を図れる方法及び装置を提供することができる。
本発明により述べられた事項は、本発明の特許請求の範囲で定義された思想の範囲内で当該技術分野において変形することができる。

２２…直接噴射エンジン、２３…クランクシャフト、２４…燃料ポンプ、３０…ポンプ吸入弁、３６…ポンプ吐出弁、３８…燃料噴射弁、５０…信号処理装置（プロセッサ）、５２…速度センサ、５４…弁開度角（クランク角）、５６…燃料ポンプ制御部。

Claims (8)

1. 開弁時に対応の気筒に燃料を噴射する、１気筒あたり少なくとも一つの燃料噴射弁と、ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁を有する高圧燃料ポンプと、を備える多気筒の直接燃料噴射エンジンにおけるエンジン騒音低減方法において、
   前記高圧燃料ポンプの前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの開タイミングを、燃料噴射弁の開タイミングに一致する方向に変えるタイミング可変制御工程を有することを特徴とするエンジン騒音低減方法。
2. 請求項１において、
   エンジン回転数を求めるステップと、
   エンジン回転数が所定の閾値よりも小さいときにのみ前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの前記開タイミングを変える前記タイミング可変制御工程と、を有するエンジン騒音低減方法。
3. 請求項１において、前記ポンプは、ポンププランジャを駆動するマルチローブカムを有し、前記タイミング可変制御工程は、前記カムのカム角度を変化させる工程を有するエンジン騒音低減方法。
4. 請求項１において、前記タイミング可変制御工程は、
   エンジンクランクシャフトのクランク角を求める工程と、
   前記クランク角の角周波数の逆数を求める工程と、
   前記ポンプ吸入弁の開タイミングと燃料噴射タイミングとの差分に前記角周波数の逆数を乗じる値を、所定の閾値と比較する工程と、
   前記ポンプ吸入弁の開タイミングと前記燃料噴射タイミングとの差分に前記角周波数の逆数を乗じる前記値が、前記所定の閾値を超えるときに、前記ポンプ吸入弁の開タイミングが前記燃料噴射タイミングにより近く一致するための可変制御を行う工程とを有するエンジン騒音低減方法。
5. 請求項１において、前記タイミング可変制御工程は、
   エンジンクランクシャフトのクランク角を求める工程と、
   前記クランク角の角周波数の逆数を求める工程と、
   前記ポンプ吐出弁の開タイミングと燃料噴射タイミングとの差分に前記角周波数の逆数を乗じる値を、所定の閾値と比較する工程と、
   前記ポンプ吐出弁の開タイミングと前記燃料噴射タイミングとの差分に前記角周波数の逆数を乗じる前記値が、前記所定の閾値を超えるときに、前記ポンプ吐出弁の開タイミングが前記燃料噴射タイミングにより近く一致するための可変制御を行う工程とを有するエンジン騒音低減方法。
6. 開弁時に対応の気筒に燃料を噴射する、１気筒あたり少なくとも一つの燃料噴射弁と、ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁を有する高圧燃料ポンプと、を備える多気筒の直接燃料噴射エンジンにおけるエンジン騒音低減装置において、
   前記高圧燃料ポンプの前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの開タイミングを変えるタイミング可変手段と、
   前記高圧燃料ポンプの前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの開タイミングを、燃料噴射弁の開タイミングに一致する方向に変えるよう前記タイミング可変手段を制御するプログラムを有する信号処理装置と、を備えることを特徴とするエンジン騒音低減装置。
7. 請求項６において、
   前記信号処理装置は、エンジン回転数を求め、前記エンジン回転数が所定の閾値より小さいときにのみ前記ポンプ吸入弁及びポンプ吐出弁のいずれかの開タイミングを、燃料噴射弁の開タイミングに一致する方向に変えるプログラム構成を有するエンジン騒音低減装置。
8. 請求項６において、
   前記ポンプは、ポンププランジャを直線的に往復駆動するマルチローブカムを有し、前記タイミング可変手段は、前記カムのカム角度を変化させる手段を有するエンジン騒音低減装置。

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