JP4158335B2

JP4158335B2 - エンジンの騒音検出装置

Info

Publication number: JP4158335B2
Application number: JP2000376303A
Authority: JP
Inventors: 直樹 ▲高▼橋; 康之浅原; 雅彦金堂; 出穂平野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2020-12-11
Also published as: JP2002180888A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの騒音のうち機械騒音、特に燃料噴射系騒音を検出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン騒音を低減するものとして、例えば、実開平７−４４５５２号公報に示されるものがある。このものは、エンジンの振動を検出する手段を備え、メイン噴射とこのメイン噴射に先立って少量の燃料を噴射するパイロット噴射に分けて噴射する分割噴射、又はメイン噴射だけによる通常噴射、の何れかにより燃料を噴射するよう制御されているときに、他方の噴射を試行して両者のエンジン振動を検出し、該エンジン振動の小さい方の燃料噴射方式を選択することにより、エンジン騒音の低減を図っている。
【０００３】
ところで、エンジンの騒音は、大別すると、燃焼に起因する燃焼騒音と機械部品の運動に起因する機械騒音とがあり、特にディーゼルエンジンにおいては、前記機械騒音のうちの大きな割合を燃料噴射に起因するインジェクタ騒音等の燃料噴射系騒音が占める。これらの要因のうち、いずれか一方の寄与が他方に比べて大きい場合、例えば、エンジン騒音に対する燃焼騒音の寄与が機械騒音に比べて大きい場合は、上記従来のように、単にエンジンの振動を検出することにより、エンジン騒音の大小を判断することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼が改善されてエンジン騒音に対する燃焼騒音の寄与が相対的に小さくなり、それに伴って機械騒音の寄与が大きくなると、例えば、前記パイロット噴射を行うことにより燃焼騒音が小さくなっても、噴射回数が増えるために機械騒音（燃料噴射系騒音）が悪化し、結果としてエンジン騒音が悪化する場合がある。
【０００５】
このように、燃焼騒音と機械騒音との２つの要因を考慮しなければならない場合には、単にエンジンの振動を検出するだけではエンジン騒音の大小を正確に判断することはできない。
特に、低負荷運転時においてエンジン騒音を低減するためには、前記パイロット噴射による燃焼騒音の低減と機械騒音（燃料噴射系騒音）の悪化とのトレードオフに着目して、エンジン騒音を最小化するように運転状態を制御する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明では、エンジン振動から機械騒音の寄与分のみを取り出して、機械騒音（特に燃料噴射系騒音）を評価することにより、機械騒音の大小を正確に判断し、エンジン騒音全体の低減の一助とすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、エンジンの騒音検出装置であって、エンジンの振動を検出する振動検出手段と、所定の周波数特性を有するフィルタと、を備え、前記振動検出手段からの出力信号を、前記フィルタを介して検出するように構成し、前記フィルタは、同一エンジン回転速度、同一トルクで指圧波形も略同一のものについての前記振動検出手段による検出結果であって、１行程に１回の燃料噴射を行った場合の振動信号の周波数特性と、パイロット噴射を行い１行程で複数回の燃料噴射を行った場合の振動信号の周波数特性と、を比較したときに、両周波数特性の振動レベルの差が所定以上となる周波数帯域の振動信号を通過させる一方、それ以外の周波数帯域の振動信号を減衰させることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記フィルタが所定のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタであることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記カットオフ周波数が１ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域に設定されることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記振動検出手段からの出力信号を、燃料噴射系の動作するタイミングに応じて検出することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、前記振動検出手段が燃料噴射系を構成するいずれかの部品のエンジン本体への取付部近傍に設置されることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、前記振動検出手段が燃料噴射系を構成するいずれかの部品に対して設置されることを特徴とする。
請求項７係る発明は、コモンレール式直噴ディーゼルエンジンであって、請求項１から請求項６のいずれか１つに係るエンジンの騒音検出装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、エンジンの振動を検出する振動検出手段からの出力信号を、フィルタを介して検出することにより、燃焼騒音と機械騒音とが混在するエンジン振動信号から、機械騒音のうち大きな割合を占める燃料噴射系騒音の寄与分のみを効果的に検出することができる。このため、パイロット噴射による燃焼騒音の低減と機械騒音の悪化とのトレードオフに着目して、エンジン騒音を最小化するようなエンジン制御を行うことも可能となる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、前記フィルタが所定のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタとするので、一般的に高周波に偏った周波数特性を有する燃料噴射系特有の騒音を重点的に取り出すことができ、燃料噴射系騒音を効果的に検出できる。
請求項３に係る発明によれば、前記カットオフ周波数を、１ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域に設定するので、一般的に１ｋＨｚ〜３ｋＨｚ程度の周波数を境界としてそれよりも高周波側に偏った周波数特性を有する燃料噴射系特有の騒音を重点的に取り出すことができ、燃料噴射系騒音を効果的に検出できる。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、前記振動検出手段からの出力信号を、燃料噴射系の動作するタイミングに応じて検出するので、燃料噴射系を構成する部品の動作に起因する振動レベルが大きい期間のエンジン振動信号を重点的に取り出すことができ。燃料噴射系騒音を更に効果的に検出できる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、前記振動検出手段を、燃料噴射系を構成するいずれかの部品（コモンレール、インジェクタ等）のエンジン本体への取付部近傍に設置するので、燃料噴射系の作動による加振力やそれによって引き起こされた共振が伝達し易い箇所で、エンジン振動を測定でき、更に効果的に燃料噴射系騒音を検出できる。
【００１９】
請求項６に係る発明によれば、前記振動検出手段を、燃料噴射系を構成するいずれかの部品（コモンレール、高圧燃料配管、インジェクタ等）に対して設置するので、燃料噴射系の作動により振動が発生し易い箇所で、エンジン振動を測定でき、更に効果的に燃料噴射系騒音を検出できる。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、燃料噴射系騒音のエンジン全体の騒音に対する寄与率が大きいコモンレール式直噴ディーゼルエンジンが、前記請求項１から請求項６のいずれかの騒音検出装置を備えるので、燃料噴射系騒音を検出してエンジンを制御することにより、エンジン騒音を効果的に低減できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に、本発明をディーゼルエンジンに適用した第１実施形態を示す。
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、燃料をサプライポンプ（図示省略）で加圧してコモンレール２に供給することにより、コモンレール２内を高圧にし、それに接続される電磁式の燃料噴射弁（インジェクタ）３から燃料を筒内４に直接噴射する直噴型ディーゼルエンジンである。
【００２２】
コモンレール２は、インジェクタ３に供給する高圧燃料を保持（蓄圧）する。
インジェクタ３は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０からの信号によって、その内部の電磁弁（図示省略）を開閉することによる燃料の圧力バランスにより針弁（図示省略）が上下して、運転状態に応じた量の燃料を噴射供給する。
【００２３】
ＥＣＵ１０は、入力されるエンジン回転速度、アクセル開度信号等の運転状態を示す各種信号１１に基づいて、燃料噴射圧力、燃料噴射時期、燃料噴射量等の制御量を演算して制御信号１２を出力し、前記インジェクタ３を制御する。
該ＥＣＵ１０による燃料噴射制御により、１行程に複数回に分けて燃料を噴射することが可能であり、メイン噴射に先立って、少量の燃料を噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを小さくし、燃焼騒音を小さくすることができるが、その一方、噴射回数が増加することにより、前記針弁とインジェクタ本体との衝突音等によるインジェクタ騒音（機械騒音）は悪化する傾向になる。
【００２４】
また、ディーゼルエンジン１には、振動検出手段として加速度ピックアップ６が設けられており、エンジン１の振動を検出する。
加速度ピックアップ６からの出力信号は、フィルタ７とオーバーオール振動レベル計算部８とを含んで構成される信号処理部５に入力される。
ここで、前記加速度ピックアップ６で検出された振動信号の周波数特性の典型的な１例（加速度のパワースペクトル密度）を図２に示す。
【００２５】
図２において、波形Ａ、Ｂは、同一回転速度、同一トルクで指圧波形（燃焼圧力波形）も略同一のものについての検出結果であるが、波形Ａが１行程で１回の燃料噴射を行った場合のものであるのに対して、波形Ｂはパイロット噴射を行っており、１行程で２回の燃料噴射を行った場合のものである。
従って、波形ＡとＢは、燃焼騒音は略同一であるが、燃料噴射系を構成する部品の動作に起因する騒音（燃料噴射系騒音）のレベルが異なる場合を示すものである。
【００２６】
そして、波形ＡとＢとを比較すると、比較的低周波側（図中Ｃで示す、約２ｋＨｚ以下の領域）の振動レベルについては、ほとんど差がないのに対して、比較的高周波側（図中Ｄで示す、約２ｋＨｚを超える領域）の振動レベルでは差が大きいという特徴を有している。
そこで、図１に示すように、前記フィルタ７を、７ａに示すような周波数特性（横軸：周波数、縦軸：ゲイン）を有するフィルタ、すなわち、低周波側の信号を減衰させるが高周波数側の信号の振幅には影響を与えないハイパスフィルタとすることにより、フィルタ処理後の信号が燃料噴射の動作に起因する振動信号をより顕著に反映したものとして検出できる。
【００２７】
すなわち、本実施形態では、カットオフ周波数Ｆｃ（一般に減衰量が−３ｄｂとなる周波数をいう、図中７ｂで示す）が約２ｋＨｚに設定されたハイパスフィルタ７を用いて、噴射条件による振動レベルの変化の小さい低周波数領域の信号を減衰させることにより、該ハイパスフィルタ７を通過した振動信号は、燃料噴射系部品の動作以外の原因による騒音振動の影響が低減され、燃料噴射系騒音の大小をより顕著に反映したものとなる。
【００２８】
そして、前記ハイパスフィルタ７を通過した信号の振動波形を前記オーバーオール振動レベル計算部８に入力し、全周波数帯域における振動エネルギの総和を計算することで、燃料噴射系振動（騒音）のレベルの大小に応じた信号値９が出力される。
以上により、エンジン振動から、機械騒音のうち大きな割合を占める燃料噴射系騒音の寄与分のみを効果的に検出できる。
【００２９】
なお、本実施形態では、前記カットオフ周波数Ｆｃが約２ｋＨｚのハイパスフィルタを用いているが、図２を参照すれば、カットオフ周波数Ｆｃが３ｋＨｚ以下（１ｋＨｚ以上）あれば上記と同様の効果を得られると考えられる。
また、前記オーバーオール振動レベル計算部８から出力された信号値９は、ＥＣＵ１０に入力され、エンジンの運転状態を決定するための状態変数の１つとして使用される。
【００３０】
本実施形態では、機械騒音のうち大きな割合を占める燃料噴射系騒音に応じた信号値が得られているので、さらに燃焼騒音の検出手段又は推定手段を併用すれば、機械騒音（燃料噴射系騒音）と燃焼騒音のトレードオフに着目して、エンジン騒音を最小化するように運転状態を制御するようなことも容易に可能となる。
次に、本発明の参考例について説明する。
【００３１】
かかる参考例の基本的な構成は、第１実施形態と同様であるが、信号処理部５'におけるフィルタ７'が異なる。図３に示すように、本参考例においては、フィルタ７'を、所定の周波数にピーク１３、１３を有する周波数応答関数１４としている。そして、このピーク周波数１３、１３は、インジェクタ３、燃料配管、コモンレール２等の燃料噴射系を構成する部品単体の固有振動数、又はこれらの部品を組み合わせた系の固有振動数のうちのいずれかと略一致するように設定されている。
【００３２】
燃料噴射系の機械騒音は、電磁弁や針弁の上昇や着座、又は燃料配管内の急激な圧力変動等の加振力が、各部品又は部品を組み合わせた系の固有モードで励起することで発生しているため、これらの固有振動数において高いゲインを有するフィルタ７'を通過させることで、加速度ピックアップ６の出力信号から燃料噴射系騒音の寄与分の信号のみを精度よく抽出することができる。
【００３３】
以上のように、本参考例では、エンジン振動から燃料噴射系騒音に応じた信号値のみを検出できるという効果を有する点で第１実施形態と共通するが、例えば、特定の部品又は特定の部品を組み合わせた少数の系の振動モードが燃料噴射系騒音について支配的であるようなエンジンの場合には、フィルタを、これらの固有振動数をピークとする周波数応答関数とすることで、燃料噴射系騒音の検出精度をより向上させることができる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４に示すように、本実施形態の基本的構成は、第１実施形態又は参考例と同様であるが、信号処理部５において、周波数フィルタ７（又は７'）の前段に、ＥＣＵ１０から与えられた所定の時刻信号１２ａに応じて、加速度ピックアップ６からの信号入力のＯＮ／ＯＦＦ切り換えを行う切り換え回路１８が設置されている点が異なる。
【００３５】
ここで、燃料噴射系騒音は、図５に示すように、パイロット噴射時１９と主噴射時２０において、それぞれ間欠的に騒音が発生している。この騒音の発生するタイミングは燃料の噴射タイミングによって決まるので、エンジンの運転条件を把握することによって求めることができる。
そこで、燃料の噴射時期、噴射量、コモンレール圧力等の状態量を用いて、あらかじめＥＣＵ１０で燃料噴射系騒音が発生するタイミングを推定し、前記切り換え回路１８を、燃料噴射系騒音が発生する時期のみＯＮ（２１ａ、２１ｂ）、それ以外の時期ではＯＦＦ（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）とするよう制御することにより、燃料噴射系部品以外の動作に起因する振動の影響を除去できるので、燃料噴射系騒音をさらに精度よく検出できる。
【００３６】
なお、前記第１、２実施形態及び参考例で用いられた振動検出手段である加速度ピックアップ６は、少なくともエンジン１のいずれかの部位に設置されていればよいが、燃料噴射系を構成するいずれかの部品のエンジン本体への取付部近傍（図６参照）又は、燃料噴射系を構成するいずれかの部品（図７参照）に設置することがより好ましい。
【００３７】
すなわち、燃料噴射系の機械騒音は、その原因となる加振力がインジェクタ等の燃料噴射系を構成する部品で発生しているが、これらの部品が直接周辺の空気を振動させるばかりでなく、該加振力が他のエンジン部品に伝達し、その振動を励起することによっても周辺の空気に対して放射されている。そして、燃料噴射系から伝達される加振力による振動は、本質的に、燃料噴射系を構成する部品がエンジンの本体部品に対して取り付けられている点において大きいから、これらの点近傍に加速度ピックアップ６を設置することにより、燃料噴射系騒音をより精度よく検出できる。
【００３８】
また、燃料噴射系の機械騒音は、燃料噴射系を構成する部品で発生する加振力や各部品の有する固有モードに起因しているため、各部品の振動は燃料噴射系の機械騒音と本質的に相関が高い。従って、燃料噴射系を構成する部品に加速度ピックアップを設置することにより、燃料噴射系騒音を精度よく検出できる。
ここで、前記燃料噴射系を構成するいずれかの部品のエンジン本体への取付部近傍としては、図６に示すように、コモンレール２のシリンダヘッド１５への取付部１５ａの近傍、インジェクタ３のシリンダヘッド１５への取付部１５ｂの近傍、又はインジェクタ３をシリンダヘッド１５に取り付けるためのノズルサポート１６とシリンダヘッド１５が当接する部分１５ｃの近傍等がある。
【００３９】
また、前記燃料噴射系を構成する部品としては、図７に示すように、インジェクタ３、コモンレール２、燃料配管１７、又はノズルサポート１６等がある。
なお、以上説明した実施形態では、コモンレール式直噴ディーゼルエンジンに対して本発明に係る騒音検出装置を適用したものとしているが、これに限られるものではなく、同様に、インジェクタ騒音によるエンジン騒音の悪化が問題となる直噴ガソリンエンジンに対して適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るエンジンのシステムの構成図。
【図２】エンジン上の加速度ピックアップで検出された信号の周波数特性の１例を示す図。
【図３】本発明の参考例に係る信号処理部を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るエンジンのシステム構成図。
【図５】エンジン上の加速度ピックアップで検出された信号の時刻暦波形の１例を示す図。
【図６】前記加速度ピックアップの取付状態を示す図。
【図７】前記加速度ピックアップの他の取付状態を示す図。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン
２…コモンレール
３…インジェクタ
５…信号処理部
６…加速度ピックアップ
７…フィルタ
８…オーバーオール振動レベル計算部
１８…切り換え回路

Claims

エンジンの振動を検出する振動検出手段と、
所定の周波数特性を有するフィルタと、を備え、
前記振動検出手段からの出力信号を、前記フィルタを介して検出するように構成し、
前記フィルタは、
同一エンジン回転速度、同一トルクで指圧波形も略同一のものについての前記振動検出手段による検出結果であって、１行程に１回の燃料噴射を行った場合の振動信号の周波数特性と、パイロット噴射を行い１行程で複数回の燃料噴射を行った場合の振動信号の周波数特性と、を比較したときに、両周波数特性の振動レベルの差が所定以上となる周波数帯域の振動信号を通過させる一方、それ以外の周波数帯域の振動信号を減衰させることを特徴とするエンジンの騒音検出装置。
前記フィルタは、所定のカットオフ周波数を有するハイパスフィルタであることを特徴とする請求項１記載のエンジンの騒音検出装置。
前記カットオフ周波数は、１ｋＨｚから３ｋＨｚの周波数帯域に設定されることを特徴とする請求項２記載のエンジンの騒音検出装置。
前記振動検出手段からの出力信号を、燃料噴射系の動作するタイミングに応じて検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のエンジンの騒音検出装置。
前記振動検出手段は、燃料噴射系を構成するいずれかの部品のエンジン本体への取付部近傍に設置されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のエンジンの騒音検出装置。
前記振動検出手段は、燃料噴射系を構成するいずれかの部品に対して設置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１つに記載のエンジンの騒音検出装置。
請求項１から請求項６のいずれか１つに記載のエンジンの騒音検出装置を備えたことを特徴とするコモンレール式直噴ディーゼルエンジン。