JP5316505B2 - 内燃機関の騒音低減制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の騒音低減制御装置に関する。

特許文献１では、吸気通路に振動センサを設け、振動センサが異常レベルの音及び振動の発生を検出したときは、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させて吸入空気量を調整する遅閉じ制御を停止するものが開示されている。これにより、遅閉じ制御を行っているときに、吸気ポートからシリンダ内に流入する空気と圧縮されてシリンダから排出される空気とが衝突して発生する騒音を抑制していた。

特開２００１−１５９３４２号公報

特許文献１のものは、吸気ポートからシリンダ内に流入する空気と圧縮されてシリンダから排出される空気とが衝突することで発生する騒音、言い換えれば、ピストンが下死点まで下降してから再び上死点に向けて上昇するときに発生する騒音に着目したものであり、吸気弁が開かれた後の、吸気弁の開弁期間後期に発生する騒音に着目したものであった。

しかしながら、遅閉じ制御を行っている場合には、吸気弁開時期も排気上死点から比較的大きく遅角することになり、吸気弁が開かれたときにも大きな騒音が発生することが新たに知見された。さらに、この騒音の発生メカニズムは明確になっていなかったため、スロットル開度の上限を規制して音漏れを抑制するにしても、適切なスロットル開度の上限値を設定することができず、出力性能に影響を及ぼすおそれがあるという問題点があった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、この騒音の発生メカニズムを明確にし、出力性能への影響を最小限に抑えつつ、遅閉じ制御時に吸気弁が開かれたときに発生する騒音を抑制することを目的とする。

本発明は、吸気通路に設けられたスロットル弁と、吸気弁の開閉時期を任意の開閉時期に変更可能な可変動弁装置と、を備えるエンジンの騒音低減制御装置である。そして、吸気弁の開閉時期を検出し、吸気弁の開時期におけるシリンダ内圧と、スロットル弁から吸気弁までの吸気通路内圧との差圧が、吸気弁が開かれたときにシリンダ内に吸気が吸い込まれることによって発生する騒音が問題となる所定差圧以下となるように、吸気弁の開閉時期に基づいてスロットル弁の開度の上限を所定開度に規制することを特徴とする。

本発明によれば、遅閉じ制御時に吸気弁を開いたときに発生する騒音が、シリンダ内圧と吸気通路内圧との差圧に起因することを明確にし、この差圧が所定差圧以下となるように、吸気弁の開閉時期に基づいてスロットル弁の開度の上限を所定開度に規制した。これにより、出力性能への影響を最小限に抑えつつ、遅閉じ制御時に吸気弁が開かれたときに発生する騒音を抑制することができる。

本発明の一実施形態による火花点火式内燃機関の騒音低減制御装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態による可変動弁装置の概略構成図である。 実変換角と吸気弁前後差圧との関係をスロットル開度に応じて示した図である。 走行モードの選択マップである。 本発明の一実施形態によるスロットル制御について説明するフローチャートである。 実変換角に応じてスロットル開度の上限値を算出するためのテーブルである。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

まず、図１及び図２を参照して本発明の一実施形態による火花点火式内燃機関（以下「エンジン」という。）１の騒音低減制御装置１００について説明する。

図１は、エンジン１の騒音低減制御装置１００の概略構成図である。

図１に示すように、エンジン１の騒音低減制御装置１００は、エンジン１と、エンジン１に吸入される空気（以下「吸気」という。）が流れる吸気通路２と、エンジン１から排出される燃焼ガス（以下「排気」という。）が流れる排気通路３と、コントローラ４と、を備える。

エンジン１は、シリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、を備え、車両に搭載される。

シリンダブロック１１は、シリンダ部１１ａとクランクケース部１１ｂとを備える。

シリンダ部１１ａには、複数のシリンダ１１０が形成される。シリンダ１１０の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１１０の内部を往復運動するピストン１１１が収められる。ピストン１１１には、コンロッド１１２の一端部を取り付けるためのピストンピン１１３が挿入される。

クランクケース部１１ｂは、シリンダ部１１ａの下方に形成される。クランクケース部１１ｂは、クランクシャフト１１４を回転自在に支持する。クランクシャフト１１４は、ピストン１１１の往復運動をコンロッド１１２を介して回転運動に変換する。

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上面に取り付けられ、シリンダ１１０及びピストン１１１とともに燃焼室１３の一部を形成する。

シリンダヘッド１２には、吸気通路２に接続され燃焼室１３の頂壁に開口する吸気ポート１２０と、排気通路３に接続され燃焼室１３の頂壁に開口する排気ポート１２１と、が形成され、燃焼室１３の頂壁中央に臨むように点火栓１２２が設けられる。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１３と吸気ポート１２０との開口を開閉する吸気弁１２３と、燃焼室１３と排気ポート１２１との開口を開閉する排気弁１２４と、が設けられる。さらに、シリンダヘッド１２には、吸気弁１２３を開閉駆動する吸気カムシャフト１２５と、吸気カムシャフト１２５の一端部に設けられて吸気弁１２３の中心角（吸気弁１２３が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる可変動弁装置５と、排気弁１２４を開閉駆動する排気カムシャフト１２６と、が設けられる。

吸気通路２には、上流から順に、エアクリーナ２１と、エアフローメータ２２と、電子制御式のスロットル弁２３と、吸気コレクタ２４と、燃料噴射弁２５と、が設けられる。

エアクリーナ２１は、吸気中に含まれる砂などの異物を除去する。

エアフローメータ２２は、吸気量を検出する。

スロットル弁２３は、吸気通路２の通路段面積を連続的又は段階的に変化させることで、吸気コレクタ２４ひいてはシリンダ１１０に吸入される吸気量を調整する。スロットル弁２３は、スロットルアクチュエータ２６によって開閉駆動され、スロットルセンサ２７によってその開度（以下「スロットル開度」という。）が検出される。

吸気コレクタ２４は、流入してきた吸気を各シリンダ１１０へ均等に分配する。

燃料噴射弁２５は、エンジン１の運転状態に応じて吸気ポート１２０に向けて燃料を噴射する。

排気通路３には、排気中の炭化水素や窒素酸化物などの有害物質を取り除く三元触媒３１が設けられる。

図２は、可変動弁装置５の概略構成図である。

可変動弁装置５は、吸気カムシャフト１２５の一端部に設けられる。

吸気カムシャフト１２５は、一端部に設けられたスプロケット５０を介して、図示しないベルトやチェーンでエンジン１のクランクシャフト１１４に連結され、クランクシャフト１１４に連動して軸周りに回転する。吸気カムシャフト１２５には、吸気カムシャフト１２５と一体となって回転する数枚のベーン５１が接続される。ベーン５１は、スプロケット５０の内部に同軸的に配置され、所定の回転角の範囲で相対的に回転可能となっている。

スプロケット５０は、内部に油圧室を有する。この油圧室は、ベーン５１によって進角油圧室５２と遅角油圧室５３とに区切られる。

進角油圧室５２は進角油路６１を介して、遅角油圧室５３は遅角油路６２を介して、それぞれ通路切り換え用のソレノイドバルブ６０に接続される。ソレノイドバルブ６０には、進角油路６１及び遅角油路６２のほかに、オイルパン６３内の作動油を供給するオイル供給路６４と、オイルパン６３に作動油を戻すドレン通路６５と、が接続される。オイル供給路６４の途中にはオイルパン６３内の作動油を圧送するオイルポンプ６６が配設される。

コントローラ４は、このソレノイドバルブ６０への通電量を制御して通路を切り替えることで、進角油圧室５２及び遅角油圧室５３への油圧を適宜変更、保持し、クランクシャフト１１４に対する吸気カムシャフト１２５の相対位相角（以下「変換角」という。）を変更、保持する。これにより、吸気弁１２３の中心角の位相を進角又は遅角させて、吸気弁１２３の開閉時期を変化させる。

具体的には、ソレノイドバルブ６０への通電量を増大させると、通路Ａに切り替わり、オイルパン６３内の作動油が、進角油路６１を通って進角油圧室５２に供給される。一方で、遅角油圧室５３の作動油が、遅角油路６２及びドレン通路６５を通ってオイルパン６３に排出される。これにより、進角油圧室５２の油圧が相対的に高くなり、ベーン５１が遅角油圧室５３の方向に移動する。その結果、変換角が変化し、開閉時期が進角する。

また、ソレノイドバルブ６０への通電量を減少させると、通路Ｂに切り替わり、オイルパン６３内の作動油が、遅角油路６２を通って遅角油圧室５３に供給される。一方で、進角油圧室５２の作動油が、進角油路６１及びドレン通路６５を通ってオイルパン６３に排出される。これにより、遅角油圧室５３の油圧が相対的に高くなり、ベーン５１が進角油圧室５２の方向に移動する。その結果、変換角が、ソレノイドバルブ６０への通電量を増大させたときと反対方向に変化し、吸気弁１２３の開閉時期が遅角する。

さらに、ソレノイドバルブ６０への通電量が上記２つの中間のときは、通路Ｃに切り替わり、作動油の供給が遮断される。その結果、変換角が変化せず、吸気カムシャフト１２５とスプロケット５０との相対位置がそのまま保持される。

なお、可変動弁装置５によって変化させられる吸気弁１２３の開閉時期は、例えば、最も進角させた最進角位置で、開弁時期が吸気上死点前２０°ＣＡ付近、閉弁時期が吸気下死点後４５°ＣＡ付近であり、最も遅角させた最遅角位置で、開弁時期が吸気上死点後２５°ＣＡ付近、閉弁時期が吸気下死点後９０°ＣＡ付近である。一方、排気カムシャフト１２６に可変動弁装置は設けられておらず、排気弁１２４の開閉時期は変化することがなく、例えば、開弁時期が排気下死点前６０°ＣＡ付近、閉弁時期が排気上死点付近である。このような吸気弁１２３と排気弁１２４との開閉時期の組み合せにより、吸気弁最進角位置では、排気上死点付近において少なくとも吸排気弁のいずれか一方が開弁しているのに対し、吸気弁最遅角位置では、吸排気弁の双方が閉じられるマイナスオーバーラップ期間が生じることになる。

コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、前述したエアフローメータ２２やスロットルセンサ２７からの検出信号のほか、クランク角センサ４１やカム角センサ４２、アクセルストロークセンサ４３、車速センサ４４、イグニッションセンサ４５などのエンジン１の運転状態を検出する各種センサからの検出信号が入力される。

クランク角センサ４１は、クランク軸の角度信号を出力するとともに、クランク軸の基準回転位置で基準クランク位置信号を出力する。

カム角センサ４２は、カム軸１１の基準回転位置で基準カム位置信号を出力する。

アクセルストロークセンサ４３は、エンジン１負荷としてのアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出する。

車速センサ４４は、車両の走行速度（以下「車速」という。）を検出する。

イグニッションセンサ４５は、エンジン始動信号を検出する。

コントローラ４は、アクセル操作量に基づいてエンジン１の目標出力を算出し、エンジン１の出力が目標出力となるように、スロットル開度及び燃料噴射量を制御する。

また、コントローラ４は、クランク角センサ４１の検出信号に基づきエンジン回転速度を検出する。

また、コントローラ４は、クランク角センサ４１及びカム角センサ４２によって検出されたクランクシャフト１１４と吸気カムシャフト１２５との基準回転位置のずれ角に基づいて可変動弁装置５の現在の変換角（以下「実変換角」という）を算出する。そして、この実変換角が、エンジン１の運転状態に基づいて設定される目標変換角（規範応答）に追従するように、ソレノイドバルブ６０への通電量をフィードバック制御する。

ここで、本実施形態では、エンジン始動時の振動を低減するために、エンジン停止時に吸気弁閉時期を吸気下死点から圧縮上死点までのピストンストロークの中間付近まで予め遅角させておき（遅閉じ制御）、エンジン始動時の圧縮反力を低減させている。しかしながら、吸気弁閉時期を遅角させれば吸気弁開時期も同じだけ遅角するので、吸気弁閉時期を遅角させると吸気弁開時期も遅角し、排気弁１２４が閉じてから吸気弁１２３が開くまで吸気弁１２３及び排気弁１２４の双方が閉じているマイナスオーバーラップ期間が生じる。

マイナスオーバーラップ期間中は、吸気弁１２３及び排気弁１２４が閉じたままピストン１１１が下降するので、シリンダ内圧力は低下する。すなわち、吸気弁閉時期の遅角量を大きくするほどマイナスオーバーラップ期間中のピストン下降量が大きくなり、排気弁閉時期からのシリンダ内圧力の低下量は大きくなる。

そして、シリンダ内圧力が低下するほど、吸気弁１２３の上流側と下流側との圧力差、つまりコレクタ内圧力（吸気通路内圧）とシリンダ内圧力との圧力差（以下「吸気弁前後差圧」という。）が大きくなる。この吸気弁前後差圧が大きくなると、吸気弁１２３が開かれたときに急激にシリンダ内に吸気が吸い込まれて振幅の大きな音が発生し、その音が吸気通路２の上流側開口端まで伝播して車外に放出され、車外騒音の要因となる。

コレクタ内圧力は、スロットル弁２３が全開のときに大気圧相当となって最大となり、スロットル弁２３を閉じるにつれて低下する。

したがって、マイナスオーバーラップ期間が同じ場合、すなわち吸気弁開閉時期の遅角量が同じ場合でも、スロットル開度が大きいときと小さいときとでは、スロットル開度が大きいときの方が吸気弁前後差圧が大きくなって車外騒音も大きくなる。

そこで本実施形態では、吸気弁開閉時期、具体的には実変換角に基づいて、吸気弁前後差圧が所定差圧（車外騒音が問題となる差圧）以上にならないようにスロットル開度の上限を規制する。

図３は、実変換角と、吸気弁前後差圧と、の関係をスロットル開度に応じて示した図である。図３において、実線は、スロットル開度が全開のときの関係を示し、破線はスロットル開度が全閉のときの関係を示す。一点鎖線は、スロットル開度が全閉から全開までの間のある所定開度のときの関係を示す。また、実変換角がθｍｉｎのときに吸気弁１２３が最遅角位置となり、実変換角がθｍａｘのときに吸気弁１２３が最進角位置となるものとする。

図３に示すように、実変換角を小さくするほど、すなわち吸気弁開閉時期を遅角させるほど、吸気弁前後差圧が大きくなる。そして、実変換角が同じであれば、スロットル開度が大きいときのほうが、吸気弁前後差圧が大きくなる。

ここで、実変換角がθ１より大きければ、スロットル開度が全開であっても吸気弁前後差圧が所定差圧を超えることはなく、吸気弁１２３が開かれたときの騒音が問題となることはない。

しかし、実変換角がθｍｉｎからθ１までの間にあるときにスロットル開度を全開としてしまうと、吸気弁前後差圧が所定差圧を超えてしまう。そこで本実施形態では、このような場合にスロットル開度の上限を、吸気弁前後差圧が所定差圧を超えない開度に規制するのである。つまり図３でいえば、実変換角がθのときは、スロットル開度の上限を図３に示した所定開度に規制し、実変換角がθｍｉｎのときは、スロットル開度の上限を図３に示した所定開度よりも小さいスロットル開度に規制するのである。これにより、車外騒音の直接の要因となる吸気弁前後差圧が所定差圧を超えないようにスロットル開度の上限を規制することができるので、確実に車外騒音の発生を抑制できるとともに、出力性能への影響を最小限にすることができる。

以下、この本実施形態によるスロットル制御を、ハイブリッド車両に適用した場合について説明する。

ハイブリッド車両では、運転状態に応じた２つの走行モード、すなわちＥＶモードとＨＥＶモードとを備える。ＥＶモードは、モータの駆動力のみで走行する走行モードであり、ＨＥＶモードは、モータとエンジン１の駆動力で走行する走行モードである。

図４は、走行モードの選択マップである。

図４に示すように、この選択マップには、実線で示したＥＶモードからＨＥＶモードへの走行モード切替線（以下「ＨＥＶモードへの切替線」という。）と、破線で示したＨＥＶモードからＥＶモードへの走行モード切替線（以下「ＥＶモードへの切替線」という。）と、が設定される。

そして、車速とアクセル操作量とに基づいて決定される動作点が、ＨＥＶモード切替線をＥＶモード領域側からＨＥＶモード領域側に跨いだときに、エンジン１が始動される。一方、車速とアクセル操作量とに基づいて決定される動作点が、ＥＶモード切替線をＨＥＶモード領域側からＥＶモード領域側に跨いだときに、エンジン１が停止される。

図５は、ハイブリッド車両に適用した本実施形態によるスロットル制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、このルーチンを所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラ４は、エンジン始動要求があるか否かを判定する。具体的には、車速とアクセル操作量とに基づいて決定される動作点が、図４に示す選択マップのＨＥＶモード切替線をＥＶモード領域側からＨＥＶモード領域側に跨いだか否かを判定する。コントローラ４は、動作点がＨＥＶモード切替線をＥＶモード領域側からＨＥＶモード領域側に跨いだときは、エンジン始動要求があるとしてステップＳ２の処理行い、跨いでいなければ今回の処理を終了する。

ステップＳ２において、コントローラ４は、吸気弁１２３の開閉時期に基づいてスロットル開度の上限を規制するか否かを判定する。具体的には、実変換角が所定値以下か否かを判定する。コントローラ４は、変換角が所定値以下であれば、ステップＳ３の処理を行う。一方で、変換角が所定値より大きければ、ステップＳ４の処理を行う。

ステップＳ３において、コントローラ４は、実変換角に応じてスロットル開度の上限を規制する。具体的には、図６に示すテーブルを参照し、実変換角が小さくなるほどスロットル開度の上限が小さくなるようにする。

ステップＳ４において、コントローラ４は、スロットル開度の上限規制は行わず、スロットル開度をエンジン１の目標出力に応じたスロットル開度に制御する。スロットル開度の上限規制を行わなかった場合は、スロットル開度の上限規制を行った場合と比較して、（程度の差こそあれ、仮に両場合ともマイナスオーバーラップ期間を設定しているときにも）エンジン１を高負荷で運転させたときのスロットル開度が当然に大きくなる。このようにして、エンジン１を高負荷で運転する場合に、吸気弁１２３の開時期が排気上死点を超えるように遅角され、吸気弁１２３の開時期前に吸排気弁の双方が閉じられるマイナスオーバーラップ期間が生じているときに、マイナスオーバーラップ期間が生じていないときと比べて、スロットル開度を小さくする。

以上説明した本実施形態によれば、吸気弁前後差圧が大きくなるほど車外騒音が大きくなることに着目し、その車外騒音の直接の要因となる吸気弁前後差圧が所定差圧以上とならないように、吸気弁開閉時期に基づいてスロットル開度の上限を規制することとした。

これにより、吸気弁前後差圧は吸気弁開閉時期に基づいて精度良く推定することができるので、確実に車外騒音の発生を抑制できるとともに、必要以上にスロットル開度の上限を規制することもないので出力性能への影響を最小限にすることができる。

また、吸気弁前後差圧と相関関係にある吸気弁開閉時期に基づいてスロットル開度の上限を規制するので、振動センサを設ける必要がなく、コストを抑えることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば信号待ちによって車両が停止したときなど、所定のエンジン停止条件が成立していればエンジン１を自動停止させ、その後、所定のエンジン再始動条件が成立すればエンジン１を再始動させるアイドルストップ機能を備える場合には、ステップＳ１のエンジン始動要求として、エンジン１を自動停止させた後にエンジン再始動条件が成立したか否かを判定し、成立した場合にスロットル開度の上限を規制するか否かを判定すれば良い。

エンジン停止条件としては、アクセル操作量が所定量より小さいこと、ブレーキペダルが踏み込まれていること、車速が所定値よりも小さいことなどがある。エンジン再始動条件としては、アクセル操作量が所定量より大きいこと、ブレーキペダルが踏み込まれていないことなどがある。

また、ステップＳ１のエンジン始動要求として、イグニッションセンサ４５からの入力信号がＯＦＦからＯＮに切り替わったか否かを判定しても良い。

また、上記実施形態では油圧駆動式の可変動弁装置５を用いたが、例えば特開２００１−１５９３４２号公報に示すような、電磁駆動式の可変動弁装置を用いても良い。また、吸気弁１２３の作動角及び最大リフト量を変化させる可変動弁装置を備えるエンジンや、排気弁側にも可変動弁装置５を備えるエンジンに適用することもできる。

また、上記実施形態では、吸気弁開閉時期を実変換角によって検出していたが、実変換角に替えて目標変換角を使用しても良い。これにより、スロットル弁２３の応答遅れを保証することができる。

１ 火花点火式内燃機関（内燃機関）
２ 吸気通路
５ 可変動弁装置
２３ スロットル弁
１１４ クランクシャフト
１２３ 吸気弁
１２５ 吸気カムシャフト
Ｓ２ 開閉時期検出手段
Ｓ３ スロットル開度規制手段

Claims (4)

1. 吸気通路に設けられたスロットル弁と、
   吸気弁の開閉時期を任意の開閉時期に変更可能な可変動弁装置と、
   を備えるエンジンの騒音低減制御装置であって、
   前記吸気弁の開閉時期を検出する開閉時期検出手段と、
   前記吸気弁の開時期におけるシリンダ内圧と、前記スロットル弁から前記吸気弁までの吸気通路内圧との差圧が、前記吸気弁が開かれたときにシリンダ内に吸気が吸い込まれることによって発生する騒音が問題となる所定差圧以下となるように、前記吸気弁の開閉時期に基づいて前記スロットル弁の開度の上限を所定開度に規制するスロットル開度規制手段と、
   を備えることを特徴とするエンジンの騒音低減制御装置。
2. 吸気通路に設けられたスロットル弁と、
   吸気弁の開閉時期を任意の開閉時期に変更可能な可変動弁装置と、
   を備えるエンジンの騒音低減制御装置であって、
   前記エンジンを高負荷で運転させる場合で、前記吸気弁の開時期が排気上死点を超えるように遅角され、吸気弁の開時期前に吸排気弁の双方が閉じられるマイナスオーバーラップ期間が生じているときに、マイナスオーバーラップ期間が生じていないときと比べて、前記スロットル弁の開度を小さくする、
   ことを特徴とするエンジンの騒音低減制御装置。
3. 前記吸気弁の開閉時期を遅角させてマイナスオーバーラップ期間が生じている場合に、前記エンジンを高負荷で運転させたときの前記スロットル弁の開度は、前記吸気弁の開時期におけるシリンダ内圧と、前記スロットル弁から前記吸気弁までの吸気通路内圧との差圧が、騒音が問題となる所定差圧以下となる開度である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの騒音低減制御装置。
4. 前記可変動弁装置は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対位相角である変換角を変位させて、前記吸気弁の開閉時期を遅角又は進角させる可変動弁装置であって、
   前記スロットル開度規制手段は、前記吸気弁の開閉時期の遅角量が大きいときほど前記スロットル弁の開度の上限値を小さくする、
   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つに記載のエンジンの騒音低減制御装置。

Images