JP2008106819A - 内燃機関の振動低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マスとバネの上下方向の共振周波数が、制御対象周波数よりも十分低くできない場合であっても、広い周波数での制御設計が可能な内燃機関の振動低減装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の制振対象部２０に配置され、その配置面とは反対側に質量部１２を備え、その質量部１２に対する加振力の反力によって、その制振対象部２０を制振する制振力発生手段１０と、制振対象部２０の振動状態を検出する振動状態検出手段２５と、振動状態検出手段２５の検出信号の基づいて決定した指示発生力を、制振力発生手段１０の指示発生力を実発生力で除した周波数特性と略一致する特性の補正フィルタ７２によって補正して、制振力発生手段１０の制振力を制御する制御手段７０とを有する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の振動部分の動を低減する装置に関する。

特許文献１では、対象振動を鉄道車両の１次曲げ振動に限定し、振動周波数以外をバンドパスフィルタでカットして、慣性マスアクチュエータをフィードバック制御する。
特開平１０−１４７２４１号公報

しかしながら、慣性マスアクチュエータの力発生部自身がバネ要素となり、マスとバネの上下方向の共振周波数が、制御対象周波数よりも十分低くできない場合には、アクチュエータの指示発生力と実発生力が異なり、広い周波数での制御設計が難しくなるという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、マスとバネの上下方向の共振周波数が、制御対象周波数よりも十分低くできない場合であっても、広い周波数での制御設計が可能な内燃機関の振動低減装置を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、内燃機関の制振対象部(２０)に配置され、その配置面とは反対側に質量部(１２)を備え、その質量部(１２)に対する加振力の反力によって、その制振対象部(２０)を制振する制振力発生手段(１０)と、前記制振対象部(２０)の振動状態を検出する振動状態検出手段(２５)と、前記振動状態検出手段(２５)の検出信号の基づいて決定した指示発生力を、前記制振力発生手段(１０)の指示発生力を実発生力で除した周波数特性と略一致する特性の補正フィルタ(７２)によって補正して、制振力発生手段(１０)の制振力を制御する制御手段(７０)とを有することを特徴とする。

本発明によれば、制振対象部の振動状態を検出し、その検出信号の基づいて決定した指示発生力を、制振力発生手段の指示発生力を実発生力で除した周波数特性と略一致する特性の補正フィルタによって補正するようにしたので、広い周波数での制御設計が可能となった。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
本発明の慣性マスアクチュエータの第１実施形態としては、燃料インジェクタの振動を低減する。ここで燃料インジェクタに振動が発生する理由について説明する。

図１は、燃料インジェクタの構造を示す図である。

燃料インジェクタ２０は、針弁２１の上方に燃圧室が設けられ、下方に燃焼噴射室が設けられている。

燃料インジェクタ２０の電磁弁２２が閉じられた状態では、針弁２１が燃圧室の圧力によってシート２３に押し付けられ、燃料を噴射しない。そして燃料インジェクタ２０は、コントローラからの制御指令を受けて電磁弁２２を開くと、燃圧室が開放されて燃圧室内の圧力が低下する。そして燃料噴射室の圧力によって針弁２１が上方へ移動して噴射孔２４が開かれ燃料が噴射される。そして燃料インジェクタ２０は、コントローラからの制御指令を受けて電磁弁２２を閉じると、燃圧室の圧力が回復して針弁２１が下方に移動して、針弁２１がシート２３に着座して燃料噴射が終了する。

針弁２１がシート２３に衝突すると振動を発生する。特にコモンレールを使用する燃料噴射システムは、燃圧が非常に高圧であるので、大きな衝突力が発生し、燃料インジェクタ２０が大きく振動する。

図２は、燃料インジェクタ２０が取り付けられたシリンダヘッド４０をエンジン前方（クランク軸方向）から見た断面図である。なお、シリンダヘッド４０はヘッドボルト５１によってシリンダブロックに固定されているが、図１においてはシリンダブロックを省略する。

燃料インジェクタ２０は、シリンダヘッド４０に形成されたインジェクタ取付穴４１に挿着され、ノズルサポート３０でシリンダヘッド４０に押圧されて固定される。

ノズルサポート３０には、ボルト貫通孔３３が形成されている。ノズルサポート３０の一端は、カムシャフト４５を跨いでその先端には二股のフォーク部３１が形成される。この二股のフォーク部３１が、燃料インジェクタ２０の受圧部２６に当接する。ノズルサポート３０の他端３２は、シリンダヘッド４０の側壁４２近傍に埋め込まれたピボットピン４３に当接し、回動(傾動)自在になっている。

ボルト貫通孔３３にボルト５２が挿通されてシリンダヘッド４０に締結されると、ボルト５２の軸力によって燃料インジェクタ２０がシリンダヘッド４０に押圧される。

燃料インジェクタはシリンダヘッド４０にこのように取り付けられているので、燃料インジェクタで発生した振動は、燃料インジェクタ２０の下面２０ａからシリンダヘッド座面４１ａを介してシリンダヘッド４０に伝達するとともに、インジェクタ受圧部２６を介してノズルサポート３０へ伝わり、ピボットピン４３及び締結用ボルト５２からシリンダヘッド４０へ伝達する。そしてこの振動がさらにシリンダブロックやヘッドカバー等に伝達されて騒音が発生する。

そこで本発明では慣性マスアクチュエータ１０を使用して騒音を低減する。

慣性マスアクチュエータ１０は、燃料インジェクタ２０の上端に取り付けられる。慣性マスアクチュエータ１０は、コントローラ７０によって制御される。慣性マスアクチュエータ１０の具体的な構成については後述する。

コントローラ７０は、燃料インジェクタ２０に取り付けられ燃料インジェクタ２０の軸方向(図２のｚ方向)の加速度を検出する加速度センサ２５の振動加速度信号を、積分器７１を通して振動速度として入力し、ピエゾアンプ７４を通して慣性マスアクチュエータ１０を制御する。またコントローラ７０には、補正フィルタ７２と、速度フィードバック制御効果を決定するフィードバックゲイン７３との積のモデルが組み込まれている。フィードバックゲインは、フィードバック制御が発散しないように適度に調節されている。

このような構成によって、燃料インジェクタ２０の振動を加速度センサ２５が検出したときからフィードバック制御を開始する。また、気筒が複数筒ある場合は、気筒数に応じて燃料インジェクタの慣性マスアクチュエータを用いる。

このようにして燃料インジェクタ２０の振動を低減すれば、シリンダヘッド４０を介して、シリンダブロック、ヘッドカバー等において励起される振動も低減されるので、騒音を低減できる。

図３は慣性マスアクチュエータを示す図である。

慣性マスアクチュエータ１０は、制振力発生部１１と、質量部１２と、締結部１３とを有する。

制振力発生部１１は、薄板状の圧電素子を積層したものであり、印加する電圧に応じて軸方向(図３のｚ方向)に伸縮して力を発生する。本実施形態では制振力発生部１１は円筒形に形成されている。またこの圧電素子は、電圧をかけると印加電圧範囲では、電圧にほぼ比例するｚ方向への伸びを生じさせる内力が発生するように分極されている。圧電素子が燃料インジェクタ２０に作用する力は、質量部１２の振動加速度と、質量部１２の質量との積で与えられる。

質量部１２は、制振力発生部１１の上に載置される。質量部１２は、有天井円筒形であり、天井部分に孔１２ａが形成される。質量部１２は、制振力発生部１１に被される。

締結部１３は、質量部１２の孔１２ａを挿通するとともに、円筒形の制振力発生部１１を挿通し、燃料インジェクタ２０に螺合するボルトである。締結部１３は、制振力発生部１１及び質量部１２を燃料インジェクタ２０に螺設する。

慣性マスアクチュエータ１０は、このような構成になっており、制振力発生部１１の質量部１２に対する加振力の反力を制振力として燃料インジェクタ２０を制振する。

ところで、このような構成の慣性マスアクチュエータ１０は、制振力発生部自身がバネ要素となる。マスとバネの上下方向の共振周波数が、制御対象周波数より十分低くできないので、指示発生力(圧電素子にかけた電圧に比例して生じる内力)と実発生力(指示発生力を慣性マスアクチュエータに与えたときに燃料インジェクタに実際に作用する力)とが一致しない。実発生力を指示発生力で除算した周波数特性は、図４のようになる。このため、広い周波数での制御設計が難しくなる。

実発生力を指示発生力で除した周波数特性は、質量部１２の質量ｍと、圧電素子１１及びボルト１３の力発生方向(図３の上下方向(ｚ方向))の剛性ｋとで、構成される振動系によって主な特性が決定される。このような振動系において、実発生力を指示発生力で除した周波数特性は、振動モードの周波数以上では１に漸近し、振動モードの周波数以下では、周波数が低くなるにつれて力の発生効率が下がる。

また図４において周波数が低いところに現れている山は、慣性マスアクチュエータ１０の曲げ方向の振動モードの影響である。なお振動モードとしては捩れ方向のモードも考えられるが、その影響は図４には現れていない。

慣性マスアクチュエータに比べて十分に重く硬い制振対象物(燃料インジェクタ２０)に慣性マスアクチュエータ１０を取り付けた状態で、図４の慣性マスアクチュエータの実発生力を指示発生力で除した周波数特性にモード解析を行い、モードベクトル、モーダル質量Ｍ、モーダル剛性Ｋ、モーダル減衰定数Ｃを同定する。

本実施形態では、慣性マスアクチュエータの上下方向の振動モードと、曲げ方向の振動モードの２つの振動モードを主だった振動モードとしてモード解析する。

そしてこれらの同定されたモーダルパラメータを使用して慣性マスアクチュエータの実発生力Ｆinputを指示発生力で除した周波数特性が次式(1)から得られる。

また慣性マスアクチュエータの実発生力を指示発生力で除した周波数特性の逆特性に、ハイパスフィルタをかけた特性(補正フィルタの特性)を図５に示す。慣性マスアクチュエータの実発生力を指示発生力で除した周波数特性の逆特性は、(1)式の逆特性として得られる。

慣性マスアクチュエータ１０は、図４に示すように周波数が０Ｈｚのときは力を発生できず実発生力がゼロになる。このような実発生力で指示発生力を除算すると周波数が０Ｈｚのときに無限大となってしまって現実的ではない。そこで所定の周波数以下をカットオフするハイパスフィルタを使用する。ハイパスフィルタの次数は４次である。(1)式の逆特性にハイパスフィルタをかけた特性の示すフィルタが補正フィルタである。

本実施形態によれば、指示発生信号に対して補正フィルタをかけるようにしたので、指示発生信号が実発生信号に略一致するようになった。ハイパスフィルタの次数が４次であって、慣性マスアクチュエータ１０の振動特性の逆特性の次数が４次である。その結果、１気筒当たりコントローラ次数が８次となり、慣性マスアクチュエータ１０を用いたフィードバック制御が、低次元で可能となる。そして、図６に示すように、従来に比べて本発明の速度フィードバック制御効果である燃料インジェクタ２０の振動を減衰する効果が大きく、燃料インジェクタの加速度レベルのピークを低減できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、慣性マスアクチュエータの上下方向の振動モードと、曲げ方向の振動モードの２つの振動モードを主だった振動モードとしてモード解析したが、曲げ方向の振動モードの影響は小さいので、慣性マスアクチュエータの上下方向(力発生方向)の振動モードを主だった振動モードとしてモード解析してもよい。

このようにした場合は、同定したモーダルパラメータを使用して慣性マスアクチュエータの実発生力Ｆinputを指示発生力で除した周波数特性は、次式(2)から得られる。

そしてこの場合は、慣性マスアクチュエータの実発生力を指示発生力で除した周波数特性の逆特性は、(2)式の逆特性として得られる。

このようにすれば、演算処理工数を低減でき、処理能力の低いコントローラを使用可能である。

（第３実施形態）
図７は、制振対象部分であるチェーンケースに対して、本発明の慣性マスアクチュエータを適用した場合を示す図である。図７は、一般的な６気筒エンジンのチェーンケースを図示する。なお以下では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

慣性マスアクチュエータ１０は、チェーンケース２６の面直方向に実発生力を作用できるように、チェーンケース２６上端に面直に取り付けられている。

また、加速度センサ２５は、慣性マスアクチュエータ１０の近傍に面直振動を得られるように取り付けられている。

慣性マスアクチュエータ１０をこのように使用することで、チェーンケースの振動を低減する。また第１実施形態と同様に、コントローラにかかる負荷が低い状態で、速度フィードバック効果が得られる。

（第４実施形態）
図８は、制振対象部分であるエンジンのロッカーカバーに対して、本発明の慣性マスアクチュエータを適用した場合を示す図である。図８は、エンジンのロッカーカバー及びヘッド８をエンジン前方（クランク軸方向）から見た断面図である。

慣性マスアクチュエータ１０は、ロッカーカバー２７の面直方向に実発生力を作用できるように、ロッカーカバー２７上端に面直に取り付けられている。

また、加速度センサ２５は、慣性マスアクチュエータ１０の真下で、ロッカーカバー２７を挟んだ面に面直振動を得られるように取り付けられている。

慣性マスアクチュエータ１０をこのように使用することで、ロッカーカバーの振動を低減する。また第１実施形態と同様に、コントローラにかかる負荷が低い状態で、速度フィードバック効果が得られ、さらに、慣性マスアクチュエータのほぼ加振点応答点の速度をフィードバックするので、速度フィードバック制御の高い振動低減効果が得られる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

例えば、上記各実施形態では、制振力発生部として圧電素子を例示して説明したが、圧電素子に代えて、超磁歪素子を用い、電圧の代わりに磁界で制御しても同様の効果が得られる。

またオイルパンに慣性マスアクチュエータを取り付けて、オイルパンの振動を低減させてもよい。

さらに上記では、慣性マスアクチュエータが円筒形である場合を例示して説明したが、そのような形状には限定されず、例えば楕円筒形や角筒形などであってもよい。

燃料インジェクタの構造を示す図である。 燃料インジェクタが取り付けられたシリンダヘッドをエンジン前方（クランク軸方向）から見た断面図である。 慣性マスアクチュエータを示す図である。 実発生力を指示発生力で除算した周波数特性を示す図である。 補正フィルタの周波数特性を示す図である。 本発明の効果を示す図である。 制振対象部分であるチェーンケースに対して、本発明の慣性マスアクチュエータを適用した場合を示す図である。 制振対象部分であるエンジンのロッカーカバーに対して、本発明の慣性マスアクチュエータを適用した場合を示す図である。

符号の説明

１０ 慣性マスアクチュエータ(制振力発生手段)
１１ 圧電素子(制振力発生部)
１２ 質量部
１３ ボルト(締結部)
２０ 燃料インジェクタ(制振対象部)
２５ 加速度センサ(振動状態検出手段)
２６ チェーンケース(制振対象部)
２７ ロッカーカバー(制振対象部)
７０ コントローラ(制御手段)
７１ 積分器
７２ 補正フィルタ
７３ フィードバックゲイン
７４ ピエゾアンプ

Claims (8)

1. 内燃機関の制振対象部に配置され、その配置面とは反対側に質量部を備え、その質量部に対する加振力の反力によって、その制振対象部を制振する制振力発生手段と、
   前記制振対象部の振動状態を検出する振動状態検出手段と、
   前記振動状態検出手段の検出信号の基づいて決定した指示発生力を、前記制振力発生手段の指示発生力を実発生力で除した周波数特性と略一致する特性の補正フィルタによって補正して、制振力発生手段の制振力を制御する制御手段と、
   を有する内燃機関の振動低減装置。
2. 前記制振力発生手段は、前記質量部を挿通するボルトを含み、そのボルトで前記制振対象部に螺設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の振動低減装置。
3. 前記補正フィルタは、前記制振力発生手段が有する複数の振動モードのうち、その制振力発生手段の力発生方向と一致するモードの周波数特性の逆特性である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の振動低減装置。
4. 前記制御手段は、カットオフ周波数が、前記制振力発生手段の力発生方向の剛性によって決定される共振周波数以下であるハイパスフィルタを含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関の振動低減装置。
5. 前記制振対象部は、燃料インジェクタである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の振動低減装置。
6. 前記制振対象部は、内燃機関の主騒音放射面である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の振動低減装置。
7. 前記主騒音放射面は、内燃機関のチェーンケース、オイルパン又はロッカーカバーである、
   ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の振動低減装置。
8. 前記制振力発生手段は、圧電素子又は超磁歪素子によって前記質量部に対する加振力を発生する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関の振動低減装置。