JP6217581B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

燃焼騒音を抑制するために、内燃機関の燃焼期間が、筒内圧の周波数成分が極小となる溝周波数が人間の聴覚感度が高い周波数帯に含まれる目標燃焼期間と一致するように、内燃機関のＥＧＲ率を制御すること（例えば、特許文献１参照）が提案されている。

特開２００９−２７０４６０号公報 特開２０１３−０６８２０４号公報 特開平１１−２５７１４２号公報 特開平０９−２２８８８１号公報 特開２０１０−２７０６００号公報

ＥＧＲ率を制御する上記制御は、内燃機関の燃焼騒音を良好に抑制できない場合がある。具体的には、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合、筒内ガス量が減少した分燃焼時の筒内温度が上がることで燃焼騒音の音速が上がり、高周波騒音は大きくなる。音速を下げるためには筒内ガスの平均分子量を大きくする必要があるが、ＥＧＲ率を増加させて分子量を大きくすることは、スモーク発生抑制の観点から実施できない場合がある。

そこで、本発明の課題は、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合における燃焼騒音を抑制できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の筒内ガス量及び前記内燃機関の燃焼室の共鳴周波数を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された共鳴周波数が、人間の聴覚感度が特に高い周波数として予め定められている既定周波数を含む所定の周波数範囲内に入っており、且つ、前記算出手段により算出された筒内ガス量が筒内ガス量の目標量よりも少ない場合に、燃焼加振力（筒内圧力上昇率の最大値）が低減するように、又は、前記既定周波数と前記燃焼室の共鳴周波数との間の周波数差の絶対値が大きくなる方向に前記燃焼室内の燃料燃焼時における音速が変化するように、前記内燃機関を制御する燃焼騒音抑制部とを備える。

すなわち、本発明の内燃機関の制御装置は、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合（前記算出手段により算出された共鳴周波数が、所定の周波数範囲内に入っており、且つ、前記算出手段により算出された筒内ガス量が筒内ガス量の目標量よりも少ない場合）、以下の２処理のいずれかを行う。
（１）燃焼加振力が低減するように、前記内燃機関を制御する。
（２）人間の聴覚感度が特に高い周波数として予め定められている、前記所定の周波数範囲内の周波数と前記燃焼室の共鳴周波数との間の周波数差の絶対値が大きくなる方向に前記燃焼室内の燃料燃焼時における音速が変化するように、前記内燃機関を制御する。

（１）の処理によれば、騒音の原因となっている燃焼加振力が低減するため、騒音が抑制できることになる。また、（２）の処理によれば、共鳴周波数（騒音の周波数）が、人間の聴覚感度がより低い周波数にシフトするので、その結果として、騒音が抑制できることになる。

本発明によれば、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合における燃焼騒音を抑制することが出来る。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関システムの構成図である。 図２は、内燃機関システムのＥＣＵが周期的に実行する騒音抑制処理の流れ図である。 図３は、騒音抑制処理（図２）の内容を説明するための図である。 図４は、騒音抑制処理（図２）の内容の説明するための図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関システムのＥＣＵが周期的に実行する騒音抑制処理の流れ図である。 図６は、等ラウドネス線図である。 図７は、騒音抑制処理（図５）の内容の説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の制御装置を適用した内燃機関システムの概略構成を示す。

この内燃機関システムが備える内燃機関１０は、４つの気筒１１を有するディーゼルエンジンである。内燃機関１０には、サプライポンプから送られてきた高圧燃料を溜めておくためのコモンレール１３や、コモンレール１３内の高圧燃料を各気筒１１内へ噴射するための４つのインジェクタ１２が取り付けられている。また、内燃機関１０には、内燃機関１０内を循環する冷却水の温度を測定するための水温センサや、クランクシャフトの回転数（姿勢）を検出するためのクランクポジションセンサも取り付けられている。

内燃機関１０の各気筒１１（各気筒１１の燃焼室）は、吸気マニホールド１４を介して吸気通路１５と接続されており、各気筒１１は、排気マニホールド２１を介して排気通路２２と接続されている。

排気通路２２の途中には、ターボチャージャ１７のタービン１７ｂが設けられている。吸気通路１５の途中には、ターボチャージャ１７のコンプレッサ１７ａと、コンプレッサ１７ａからの圧縮空気を冷却するためのインタークーラ１６とが、設けられている。

吸気通路１５のコンプレッサ１７ａよりも上流の部分には、吸気（新気）の流量を測定するためのエアフローメータ１８が設けられている。吸気通路１５のインタークーラ１６よりも下流の部分には、吸気の流量を調整するための吸気絞り弁１９が設けられている。

排気マニホールド２１と吸気マニホールド１４との間には、排気マニホールド２１内を流れる排気の一部（以下、ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)ガスと表記する）を吸気マニホールド１４に戻すためのＥＧＲ装置２０が設けられている。このＥＧＲ装置２０は
、排気マニホールド２１と吸気マニホールド１４とを接続（連通）するＥＧＲ通路２０ａと、ＥＧＲ通路２０ａ内を流れるＥＧＲガス量を調節するためのＥＧＲ弁２０ｂとにより、構成されている。

ＥＣＵ(Electronic Control Unit）３０は、内燃機関システムの各部（吸気絞り弁１９、インジェクタ１２、ＥＧＲ弁２０ｂ等）を統合的に制御するユニットである。このＥＣＵ３０には、上記した各種センサの出力に加え、アクセル開度センサ２８の出力が入力されている。

第１実施形態に係る内燃機関の制御装置は、このＥＣＵ３０の一機能として実装された装置である。第１実施形態に係る内燃機関の制御装置として機能しているＥＣＵ３０は、図２に示した手順の騒音抑制処理を周期的に繰り返す。

すなわち、騒音抑制処理を開始したＥＣＵ３０は、まず、各種情報を収集して収集した情報に基づき、共鳴周波数ｆｃ、筒内ガス量Ｇｃｙｌ及び目標筒内ガス量Ｇｃｙｌｔｈを算出する処理（ステップＳ１０１、Ｓ１０２）を行う。尚、目標筒内ガス量Ｇｃｙｌｔｈとは、内燃機関１０に対してその時点（ステップＳ１０１の処理の実行時点）において行われている制御が目標としている筒内ガス量（制御内容が変わることなく過給遅れ等が無くなったときに到達する筒内ガス量）のことである。筒内ガス量Ｇｃｙｌとは、内燃機関１０のその時点における、実際の筒内ガス量の推定値のことである。

ステップＳ１０１，Ｓ１０２の各処理は、共鳴周波数ｆｃ、筒内ガス量Ｇｃｙｌ及び目標筒内ガス量Ｇｃｙｌｔｈを或る程度の精度で算出できるものでありさえすれば、どのような内容の処理であっても良い。

具体的には、共鳴周波数ｆｃは、通常、燃焼時の音速（燃焼時における燃焼室内の音速）、燃焼室径等から算出される。燃焼時の音速は、筒内圧の筒内圧センサによる測定結果、マップから読み出した現運転状況に応じた熱発生率等から算出することが出来る。また、燃焼時の音速を、燃料噴射量等から算出することも出来る。尚、内燃機関１０の燃焼騒音は、燃料燃焼時の筒内圧力の変化により内燃機関１０に加わる燃焼加振力（筒内圧力上昇率の最大値）が大きくなるにつれ、大きくなる。そして、筒内圧力は、共鳴により、共鳴周波数ｆｃ成分の圧力が増大する。従って、共鳴周波数ｆｃは、燃焼騒音のピーク周波数となる。

目標筒内ガス量Ｇｃｙｌｔｈは、例えば、運転状況に応じた値をマップから読み出すことにより算出（特定）することが出来る。筒内ガス量Ｇｃｙｌは、例えば、エアフローメータ１８による吸入空気量の測定結果等から算出することが出来る。

ステップＳ１０２の処理を終えたＥＣＵ３０は、“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”が成立しているが否かを判断する（ステップＳ１０３）。尚、ｆｌ、ｆｈとしては、ｆｌ〜ｆｈが人間の聴覚感度が高い周波数範囲となり、且つ、当該周波数範囲内に人間の聴覚感度が特に高い周波数（例えば、人間の聴覚感度が最も高い周波数）が入るように定めた値（例えば、５ｋＨｚと８ｋＨｚ）が使用される。

“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”が成立していない場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を再び実行する。

一方、“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”が成立している場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。すなわち、燃焼騒音のピーク周波数（共鳴周波数ｆｃ）が人間にとって不快な範
囲として定められている周波数範囲に入っている場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”が成立しているか否かを判断する（ステップＳ１０４）。

そして、ＥＣＵ３０は、“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”が成立していない場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）には、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理を再び実行する。また、ＥＣＵ３０は、“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”が成立している場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）には、インジェクタの燃料噴射圧力を低減（ステップＳ１０５）してから、この騒音抑制処理を終了する。

図３に示してあるように、筒内ガス量Ｇｃｙｌが目標筒内ガス量Ｇｃｙｌｔｈよりも小さくなっていると（図３では、“Ｇｃｙｌ減”）、燃焼加振力であるＣＰＬ（Cylinder Pressure Level）が増加する。そして、既に説明したように、燃焼加振力（筒内圧力上昇率）が大きくなると騒音も大きくなる。従って、 “Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”と“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”の双方が成立している場合、人間にとって不快な周波数における騒音が大きくなっていることになる。

ここで、図４に模式的に示してあるように、インジェクタの燃料噴射圧力（図４では、“ＰＣＲ”）を低減すれば、燃焼が緩慢になることにより筒内圧力の上昇率が低下する。したがって、騒音のレベルが低下する。

このように、本実施形態に係る内燃機関の制御装置（ＥＣＵ３０の一部）によれば、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合における燃焼騒音を抑制することができる。

尚、ステップＳ１０５の処理は、加振力が低下する処理であれば良い。従って、ステップＳ１０５にて、パイロット噴射量を増やしてメインの予混合燃焼量を低減する処理が行われるようにしておいても良い。また、内燃機関１０が、可変圧縮比エンジンである場合には、ステップＳ１０５にて、可変圧縮比の実圧縮比を上げて予混合燃焼量を低減する処理が行われるようにしておくことも出来る。

《第２実施形態》
以下、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置の構成及び機能を、上記した第１実施形態に係る内燃機関の制御装置と異なっている部分を中心に説明する。

本発明の第２実施形態に係る内燃機関の制御装置は、上記した騒音抑制処理（図２）の代わりに、図５に示した手順の騒音抑制処理を行うように、第１実施形態に係る内燃機関の制御装置（ＥＣＵ３０の一部）を変形した装置である。

この騒音抑制処理（図５）のステップＳ２０１〜Ｓ２０４の処理は、上記したステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理と同じ処理である。

すなわち、第２実施形態に係る内燃機関の制御装置として機能しているＥＣＵ３０は、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４にて、ｆｃ、Ｇｃｙｌ及びＧｃｙｌｔｈを算出する処理を、“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”と“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”とが成立するまで繰り返す。

そして、ＥＣＵ３０は、“ｆｌ＜ｆｃ＜ｆｈ”、“Ｇｃｙｌ＜Ｇｃｙｌｔｈ”の双方が成立した場合（ステップＳ２０４；ＹＥＳ）には、“ｆｃ＜ｆｚ”が成立しているか否かを判断する（ステップＳ２０５）。このステップＳ２０５にて共鳴周波数ｆｃと比較されるｆｚとしては、人間の聴覚感度が特に高い周波数が使用される。尚、ｆｚとして使用す
る周波数は、図６に示した等ラウドネス線図を用いて定めることが出来る。また、等ラウドネス線図を用いることなく、ｆｚとして使用する周波数を定めることも出来る。

“ｆｃ＜ｆｚ”が成立している場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、音速増加制御処理（ステップＳ２０６）を行う。一方、“ｆｃ＜ｆｚ”が成立していなかった場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、音速低減制御処理（ステップＳ２０７）を行う。

ステップＳ２０６で行われる音速増加制御処理は、燃焼時の音速（燃焼時における燃焼室内の音速）が増加するように、内燃機関１０を制御する（内燃機関１０に対する制御内容を変更する）処理である。また、ステップＳ２０７で行われる音速低減制御処理は、燃焼時の音速が減少するように、内燃機関１０を制御する処理である。

各音速制御処理（音速増加制御処理、音速低減制御処理）は、燃焼時の音速が上昇／下降する処理でありさえすれば良い。

具体的には、或る気体中の音速ｃと、当該気体の温度Ｔ、比熱比κ及び平均分子量Ｍとの間には、以下の関係がある。
ｃ＝√（κＲＴ／Ｍ）
ここで、Ｒは、気体定数である。

従って、各音速制御処理（音速増加制御処理、音速低減制御処理）として、ＥＧＲ率を変更させることによりκ値を変える処理を採用することが出来る。また、各音速制御処理として、吸気温度を変更する処理や過給圧を変更する処理を採用することも出来る。

ステップＳ２０５又はＳ２０６の処理を終えたＥＣＵ３０は、この騒音抑制処理（図５）を終了する。

本実施形態に係る内燃機関の制御装置（ＥＣＵ３０の一部）は、以上、説明した内容の騒音抑制処理を繰り返す。従って、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によれば、筒内ガス量が過給遅れなどにより目標量よりも少なくなっている場合における燃焼騒音を抑制することができる。

具体的には、共鳴周波数ｆｃは、燃焼時の音速に比例する。そのため、“ｆｃ＜ｆｚ”が成立している場合に燃焼時の音速を減少させると、ｆｃがより小さくなる（｜ｆｃ−ｆｚ｜がより大きくなる）。例えば、ｆｃが図７に示してある周波数であった場合、燃焼時の音速を下降させることにより、ｆｃが、ｆｌにより近い周波数に変化する。

そして、ｆｚは、人間の聴覚感度が特に高い周波数であるため、ｆｌに近い周波数の方が、人間の聴覚感度は低い。従って、音速低減制御処理が行われてｆｃの周波数が下がると、騒音の周波数が人間の聴覚感度がより低い周波数となり、その結果として、騒音が抑制されることになる。

また、“ｆｃ≧ｆｚ”が成立している場合に燃焼時の音速を増加させると、ｆｃが大きくなる（｜ｆｃ−ｆｚ｜が大きくなる）。そして、ｆｚは、人間の聴覚感度が特に高い周波数であるので、音速増加制御処理が行われると、音速低減制御処理が行われた場合と同様に、ｆｃの周波数が人間の聴覚感度がより低い周波数に変更される。そして、その結果として、騒音が抑制されることになる。

《変形形態》
上記した各実施形態に係る内燃機関の制御装置は、各種の変形を行うことが出来るものである。例えば、上記した各制御装置は、ＥＧＲ装置及びターボチャージャを備えたディーゼルエンジンを制御する装置であったが、上記制御手順は、筒内ガス量が目標筒内ガス量よりも小さくなることがある内燃機関でありさえすれば、どのような内燃機関にも適用出来るものである。従って、各実施形態に係る内燃機関の制御装置を、ＥＧＲ装置及び／又はターボチャージャを備えたガソリンエンジン等を制御する装置に変形することが出来る。

各実施形態に係る内燃機関の制御装置が実行する騒音抑制処理を、ステップＳ１０３、Ｓ２０３で、“ｆｌ＜ｆｃ”が成立しているか否かの判断が行われる処理に変形することも出来る。

１０ 内燃機関
１１ 気筒
１２ インジェクタ
１３ コモンレール
１４ 吸気マニホールド
１５ 吸気通路
１６ インタークーラ
１７ ターボチャージャ
１７ａ コンプレッサ
１７ｂ タービン
１８ エアフローメータ
２０ ＥＧＲ装置
２０ａ ＥＧＲ通路
２０ｂ ＥＧＲ弁
２１ 排気マニホールド
２２ 排気通路
２４ 温度センサ
２８ アクセル開度センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の筒内ガス量及び前記内燃機関の燃焼室の共鳴周波数を算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出された共鳴周波数が、人間の聴覚感度が特に高い周波数として予め定められている既定周波数を含む所定の周波数範囲内に入っており、且つ、前記算出手段により算出された筒内ガス量が筒内ガス量の目標量よりも少ない場合に、燃焼加振力が低減するように、又は、前記既定周波数と前記燃焼室の共鳴周波数との間の周波数差の絶対値が大きくなる方向に前記燃焼室内の燃料燃焼時における音速が変化するように、前記内燃機関を制御する燃焼騒音抑制部と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。