JP2009216001A - 内燃機関の騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気系騒音を低減することができる内燃機関の振動低減装置を提供する。
【解決手段】排気バルブ８のバルブタイミングを変更可能な可変動弁装置８３を備えた内燃機関１００の振動低減装置は、内燃機関１００の燃焼室６から排出される排気に起因する騒音を低減する振動低減手段４０を備え、振動低減手段４０は、振動低減条件が成立した場合に、可変動弁装置８３を制御して、排気バルブ８が通常運転時よりもピストン下死点に近い位置で開弁するように開弁時期を設定するバルブタイミング設定手段Ｓ１０７を含んで構成される。これにより、排気バルブ８が開弁するときの気筒内圧力が低下するので、排気吐出圧力を低減することができ、内燃機関１００の排気系騒音を抑制することが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の騒音を低減する装置に関する。

多気筒内燃機関では、各気筒での燃焼状態のばらつきに起因してトルク変動が生じ、このトルク変動によって内燃機関自体が振動して騒音（以下「エンジン振動系騒音」という）が発生するという問題がある。

特許文献１には、各気筒のエンジン回転速度から算出されるエンジン回転速度平均値と、制御対象となる気筒のエンジン回転速度とに基づいて、制御対象気筒の点火時期を制御し、トルク変動を低減してエンジン振動系騒音を抑制する内燃機関が開示されている。
特開２００７−９８３５号公報

ところで、上記した内燃機関では、排気行程において排気バルブが開弁すると、燃焼室内の排気が排気ポートを介して排気通路に排出される。この排気は高圧であるため、排気バルブが開弁した直後に燃焼室から排気ポートに急激に排出される。このように排気が燃焼室から吐出されるときに、排気吐出音が発生する。また、各気筒から排出された高圧の排気が排気通路に流れ込むと、排気通路が加振されて振動し、振動音が生じる。したがって内燃機関では、エンジン振動系騒音の他に、高圧の排気に起因する騒音（以下「排気系騒音」という）も発生する。

特許文献１に記載の内燃機関は、エンジン振動系騒音を抑制することはできるが、排気系騒音を改善することはできない。

そこで、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、排気系騒音を低減することができる内燃機関の振動低減装置を提供することを目的とする。

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、排気バルブ（８）のバルブタイミングを変更可能な可変動弁装置（８３）を備えた内燃機関（１００）の振動低減装置であって、内燃機関（１００）の燃焼室（６）から排出される排気に起因する騒音を低減する振動低減手段（４０）を備え、振動低減手段（４０）は、振動低減条件が成立した場合に、可変動弁装置（８３）を制御して、排気バルブ（８）が通常運転時よりもピストン下死点に近い位置で開弁するように開弁時期を設定するバルブタイミング設定手段（Ｓ１０７）を含んで構成される、ことを特徴とする。

本発明によれば、可変動弁装置によって排気バルブの開弁時期を通常運転よりもピストン下死点近傍に設定するので、排気バルブが開弁するときの気筒内圧力を低下させることができる。これにより、排気吐出圧力を低減することができ、内燃機関の排気系騒音を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、内燃機関１００の概略構成図である。

内燃機関１００は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式の直列４気筒内燃機関である。この内燃機関１００は、シリンダヘッド１に吸気ポート２と排気ポート３とを形成する。吸気ポート２と排気ポート３は、シリンダヘッド１とシリンダ４とピストン５とによって隔てられる燃焼室６に連通する。

吸気ポート２には、吸気マニホールド２１が接続する。そして、この吸気マニホールド２１には吸気通路２２が接続する。吸気通路２２を流れる吸気は、吸気マニホールド２１を介して内燃機関１００の各気筒に分配される。

吸気通路２２には上流側から、エアフローメータ２３と、スロットルバルブ２４と、サージタンク２５が順次配置される。

エアフローメータ２３は、熱線式のエアフローメータであって、内燃機関１００に吸入される吸気の吸気量を検出する。

スロットルバルブ２４は、エアフローメータ２３よりも下流側の吸気通路２２に設置される。スロットルバルブ２４は、吸気通路２２の吸気流通面積を変化させることで、燃焼室６に導入される吸気の吸気量を調整する。

サージタンク２５は、スロットルバルブ２４よりも下流側の吸気通路２２に設置される。サージタンク２５は、上流から流れてきた吸気を一時的に蓄え、吸気脈動を抑制する。

吸気通路２２に接続する吸気マニホールド２１には、燃料噴射弁２６が設置される。燃料噴射弁２６は、内燃機関１００の気筒毎に設けられる。燃料噴射弁２６は、内燃機関運転状態に応じた燃料を吸気ポート２に向かって噴射し、混合気を形成する。

一方、排気ポート３には、排気マニホールド３１を介して排気通路３２が接続する。排気マニホールド３１は、各気筒から排出された排気を集合して排気通路３２に流す。そして、排気通路３２には、排気を浄化する触媒３３が設置される。触媒３３よりも上流側の排気通路３２には、空燃比センサ３４が設置される。空燃比センサ３４は、排気通路内を流れる排気の排気空燃比を検出する。

また、内燃機関１００は、吸気ポート２を開閉する吸気バルブ７と、排気ポート３を開閉する排気バルブ８とをシリンダヘッド１に備える。

吸気バルブ７は、吸気カムシャフト７１に形成された吸気カム７２によって駆動される。排気バルブ８は、排気カムシャフト８１に形成された排気カム８２によって駆動される。排気バルブ８のバルブタイミング（開閉時期）は、可変動弁装置８３によって調整される。この可変動弁装置８３は、油圧制御によってクランクシャフトに対する排気カムシャフト８１の相対位相角を変更する装置である。

そして、吸気バルブ７が吸気ポート２を開くと、吸気ポート内に形成された混合気が燃焼室６に導入される。導入された混合気は、燃焼室上部に設置された点火プラグ９によって点火されて爆発燃焼する。その後、排気行程で排気バルブ８が排気ポート３を開くと、燃焼により生じた排気が燃焼室６から排気ポート３に排出される。この排気は、排気マニホールド３１で集合されて排気通路３２に流れ込み、触媒３３によって浄化されて外部に放出される。

内燃機関１００は、内燃機関運転状態に応じて可変動弁装置８３を制御するために、コントローラ４０を備える。コントローラ４０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４０には、エアフローメータ２３や空燃比センサ３４からの出力信号が入力する。またコントローラ４０には、冷却水温度を検出する水温センサ４１や大気圧を検出する圧力センサ４２、アクセルペダル踏込量を検出するアクセルペダルセンサ４３、吸気温度を検出する吸気温度センサ４４、クランクシャフトの基準回転位置で基準クランク位置信号を出力するクランク角度センサ４５などの出力信号が入力する。そして、コントローラ４０は、上記した各種センサからの検出信号に基づいて可変動弁装置８３を制御して、排気バルブ８のバルブタイミングを調整する。

ところで、特許文献１に記載の従来手法の内燃機関では、内燃機関から排出される高圧の排気に起因して排気系騒音が発生するという問題ある。そして、排気系騒音は、燃焼室から排気ポートに排出されるときの排気の吐出圧力が高くなるほど悪化する。ここで、排気吐出圧力は、排気バルブが開弁した時点での気筒内圧力と相関する。

図２は、気筒内圧力と排気吐出圧力との関係を示す図である。

図２に示すように、排気バルブが開弁した時点での気筒内圧力が増加するほど、排気吐出圧力は高くなる。したがって、排気系騒音を抑制するためには、排気バルブ開弁時における気筒内圧力を低下させて、排気吐出圧力を低減する必要がある。

次に、気筒内圧力について図３を参照して説明する。

図３は、点火時期を基準時期から進角又は遅角した場合における気筒内圧力の変化を示す図である。図３において、線Ｃが基準点火時期で点火した時の気筒内圧力波形を示す。そして、線Ｃ→線Ｂ→線Ａの順番で点火時期を進角側に制御した場合を示し、線Ｃ→線Ｄ→線Ｅ→線Ｆの順番で点火時期を遅角側に制御した場合を示す。

図３の線Ａ〜線Ｆに示すように、点火時期をどのように制御しても、破線領域Ｒに示すように、気筒内の容積が最大となるピストン下死点に近づくほど気筒内圧力は低下する。したがって、排気バルブ８を開弁する時期をピストン下死点位置に近くづけるほど、排気バルブ開弁時の気筒内圧力を低下させることができ、排気吐出圧を低減させることができる。

そこで、本実施形態の内燃機関１００では、排気系騒音が顕著となる運転領域において、排気吐出圧力が低減するように排気バルブ８の開弁時期を可変動弁装置８３で制御し、内燃機関１００の排気系騒音の低減を図る。

内燃機関１００のコントローラ４０が実行する制御について、図４〜図７を参照して説明する。

図４は、コントローラ４０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御は、内燃機関運転開始ともに実施され、一定周期（例えば１０ミリ秒周期）で内燃機関運転終了まで実施される。

ステップＳ１０１では、コントローラ４０は、内燃機関１００がファーストアイドル運転中であるか否かを判定する。ファーストアイドル運転時には、触媒３３を早期に活性化するために点火時期がリタードされる。点火時期のリタード量が大きくなると、アイドル回転速度を維持するために必要な空気量が増加するので、排気バルブ開弁時の気筒内圧力が高くなり、排気吐出圧が増大する。そのため、内燃機関１００がファーストアイドル運転中である場合には、排気系騒音が問題となる可能性がある。

ファーストアイドル運転中か否かは、吸気量や吸気温度、冷却水温度、エンジン回転速度、大気圧力、アクセルペダル踏込量に基づいて判定することができる。

そして、内燃機関１００がファーストアイドル運転中でない場合には、コントローラ４０は排気系騒音が問題にならないと判定して、処理をステップＳ１０２に移す。これに対して、内燃機関１００がファーストアイドル運転中である場合には、コントローラ４０は排気系騒音が問題となる可能性があると判定して、処理をステップＳ１０３に移す。

ステップＳ１０２では、コントローラ４０は、排気バルブ８のバルブタイミングを通常運転時のまま維持し、処理を終了する。

ステップＳ１０３では、コントローラ４０は、図３に示したような気筒内圧力波形Ｐｅｎｇを算出し、処理をステップＳ１０４に移す。気筒内圧力波形Ｐｅｎｇは、吸気量や吸気温度、冷却水温度、空燃比、点火時期、エンジン回転速度に基づいて算出することができる。

ステップＳ１０４では、コントローラ４０は、算出された気筒内圧力波形Ｐｅｎｇと排気バルブ開弁時期とに基づいて排気バルブ開弁時の気筒内圧力Ｐｅｖｏを算出し、処理をステップＳ１０５に移す。

ステップＳ１０５では、コントローラ４０は、排気バルブ開弁時の気筒内圧力Ｐｅｖｏと、圧力センサ４２によって検出された大気圧とに基づいて、排気が排気ポート３に排出されるときの排気吐出圧力Ｐｅｘを算出し、処理をステップＳ１０６に移す。

ステップＳ１０６では、コントローラ４０は、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘが吐出圧基準値Ｐ₀よりも大きいか否かを判定する。つまり、図５に示すように、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘが、エンジン回転速度に応じて定まる吐出圧基準値Ｐ₀よりも大きいか否かを判定する。

そして、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘが吐出圧基準値Ｐ₀よりも小さい場合には、コントローラ４０は排気系騒音は問題にならないと判定して、処理をステップＳ１０２移す。これに対して、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘが吐出圧基準値Ｐ₀よりも大きい場合には、コントローラ４０は排気系騒音が生じる可能性があると判定して、処理をステップＳ１０７に移す。

ステップＳ１０７では、コントローラ４０は、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘと吐出圧基準値Ｐ₀との差に基づいて排気バルブ８のバルブタイミングを制御し、処理を終了する。つまり、算出された排気吐出圧力Ｐｅｘと吐出圧基準値Ｐ₀との差が大きくなるほど、排気バルブ８の開弁時期をピストン下死点に近くなるように設定し、排気吐出圧が吐出圧基準値Ｐ₀よりも小さくなるように制御する。

排気吐出圧低減時の排気バルブ８のバルブタイミング制御について、図６を参照して説明する。図６は、吸気バルブ７及び排気バルブ８のバルブタイミングを示す図である。図６（Ａ）は、排気系騒音が問題にならない通常運転時の吸気バルブ７と排気バルブ８のバルブタイミングを示す。また、図６（Ｂ）は、排気吐出圧低減時の吸気バルブ７と排気バルブ８のバルブタイミングを示す。

図６（Ａ）に示すように、通常運転時には、排気バルブ８の開弁時期（ＥＶＯ）は、ピストン５が下死点に向かう途中のストローク中央位置とピストン下死点位置との間であって、ストローク中央位置に近い側に設定される。排気バルブ８の閉弁時期（ＥＶＣ）は、ピストン上死点直後に設定される。そして、吸気バルブ７の開弁時期（ＩＶＯ）は排気バルブ閉弁後に設定され、閉弁時期（ＩＶＣ）はピストン５が上死点に向かう途中のストローク中央位置とピストン下死点位置との間であって、ストローク中央位置に近い側に設定される。

これに対して、排気吐出圧を低減する場合には、吸気バルブ７のバルブタイミングは通常運転時のまま変更せずに、排気バルブ８のバルブタイミングを可変動弁装置８３によって変更する。つまり、図６（Ｂ）に示すように、排気バルブ８の開弁時期（ＥＶＯ）を、通常運転時よりもピストン下死点側に遅角制御する。このように排気バルブ開弁時期（ＥＶＯ）を制御すると、排気バルブ８の開弁時における気筒内圧力を低下させることができ、排気吐出圧を低減することができる。

また、内燃機関１００の可変動弁装置８３は、排気バルブ８の開弁時期（ＥＶＯ）を遅角すると閉弁時期（ＥＶＣ）も同じだけ遅角する構成のものであるため、上記のように開弁時期（ＥＶＯ）を遅角制御した場合には閉弁時期（ＥＶＣ）も遅角され、吸気バルブ７と排気バルブ８の両方が開弁するバルブオーバラップ期間が設定される。このようにバルブオーバラップ期間が設定されると、燃焼室内の排気の一部が吸気ポート側に逆流する。逆流した排気は、吸気ポート内の混合気とともに再び燃焼室内に導入され、いわゆる内部ＥＧＲガスとして作用する。したがって、排気吐出圧低減時には、内部ＥＧＲによって希釈燃焼することもでき、燃焼室内での燃焼速度を抑制することができる。

しかしながら、排気バルブ８の開弁時期（ＥＶＯ）の遅角量が大きくなって、バルブオーバラップ期間が長くなると、燃焼安定性が悪化するという問題がある。そこで、内燃機関１００では、排気吐出圧を低減する場合には、燃焼安定性が悪化しない範囲で排気バルブ８の開弁時期（ＥＶＯ）を設定する。

なお、燃焼安定性は、クランク角度センサ４５の検出値から算出されるエンジン回転角速度変動αＮに基づいて判断される。そして、内燃機関１００では、図７に示すＭＡＰに基づいて、燃焼安定性が悪化しないようにバルブオーバラップ期間を設定する。つまり、図７に示すように、算出されたエンジン回転角速度変動αＮが、エンジン回転速度Ｎｅと吸気充填効率ηｃとから定まる閾値を超えないように排気バルブ８のバルブタイミングを設定する。

以上により、本実施形態の内燃機関１００では、下記の効果を得ることができる。

内燃機関１００では、ファーストアイドル運転時に、可変動弁装置８３によって排気バルブ８の開弁時期を通常運転よりも遅角制御してピストン下死点近傍に設定するので、排気バルブ８が開弁するときの気筒内圧力を低下させることができる。これにより、排気吐出圧力を低減することができ、内燃機関の排気系騒音を抑制することが可能となる。ファーストアイドル運転時には、触媒３３を早期に活性化するために点火時期がリタードされてアイドル回転速度を維持するために必要な空気量が増加するが、内燃機関１００では、点火時期や吸気量を制御するのではなく、排気バルブ８の開弁時期を制御して排気吐出圧力を低減するので、排気性能が悪化したりエンジンストールが発生したりすることなく、排気系騒音を抑制することができる。

また、内燃機関１００では、ファーストアイドル運転時であって、算出された排気吐出圧力が吐出圧基準値よりも大きい場合に、排気吐出圧力が低減するように排気バルブ８の開弁時期を遅角制御するので、必要に応じて適宜、排気系騒音を抑制することが可能となる。

さらに、内燃機関１００では、排気バルブ８の閉弁時期を制御してバルブオーバラップ期間を設定するので、内部ＥＧＲによる希釈燃焼をすることができ、燃焼室内での燃焼速度を抑制することができる。このように燃焼速度が抑制されると、単位クランク角度に対する気筒内圧力変動が小さくなるので、内燃機関自体が振動するのを抑えることができ、エンジン振動系騒音の低減を図ることができる。

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。

本実施形態では、内燃機関１００を冷間始動した場合のファーストアイドル運転時に排気系騒音を低減するようにしたが、エアコンを使用するアイドル運転時など、内燃機関１００によって補機を駆動するアイドル運転時に排気系騒音を低減するようにしてもよい。この場合には、図４のステップＳ１０１において、内燃機関１００によって補機を駆動するアイドル運転中か否かを判定するように構成する。このように補機を駆動するアイドル運転時に吸気系振動騒音を抑制するのは、補機を駆動しつつアイドル回転速度を維持するために必要な空気量が増加して排気吐出圧が増大するからである。なお、負荷要求のあるアイドル運転時以外でも、内燃機関１００の運転状態が部分負荷領域ある場合に、排気系騒音を低減するようにしてもよい。

また、本実施形態の内燃機関１００では、排気バルブ８の開弁時期と閉弁時期とを同時に制御するように可変動弁装置８３を構成したが、これに限られるものではなく、排気バルブ８を電磁駆動して開弁時期と閉弁時期とをそれぞれ独立して制御するように構成してもよい。この場合には、オーバラップ期間を設定せずに排気バルブ８の開弁時期のみを制御することができ、燃焼安定性を考慮することなく排気系騒音を低減することが可能となる。

内燃機関の概略構成図である。 気筒内圧力と排気吐出圧力との関係を示す図である。 点火時期を基準時期から進角又は遅角した場合における気筒内圧力の変化を示す図である。 コントローラが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。 エンジン回転速度に応じて定まる吐出圧基準値を示す図である。 吸気バルブ及び排気バルブのバルブタイミングを示す図である。 エンジン回転角速度変動と、エンジン回転速度と、吸気充填効率との関係を示す図である。

符号の説明

１００ 内燃機関
３ 排気ポート
６ 燃焼室
８ 排気バルブ
２３ エアフローメータ
３１ 排気マニホールド
３２ 排気通路
３４ 空燃比センサ
４０ コントローラ
４１ 水温センサ
４２ 圧力センサ
４３ アクセルペダルセンサ
４４ 吸気温度センサ
４５ クランク角度センサ
８３ 可変動弁装置
ステップＳ１０７ バルブタイミング設定手段
ステップＳ１０１〜Ｓ１０６ 条件判定手段

Claims (9)

1. 排気バルブのバルブタイミングを変更可能な可変動弁装置を備えた内燃機関の振動低減装置であって、
   前記内燃機関の燃焼室から排出される排気に起因する騒音を低減する振動低減手段を備え、
   前記振動低減手段は、振動低減条件が成立した場合に、前記可変動弁装置を制御して、前記排気バルブが通常運転時よりもピストン下死点に近い位置で開弁するように開弁時期を設定するバルブタイミング設定手段を含んで構成される、
   ことを特徴とする内燃機関の振動低減装置。
2. 前記振動低減手段は、
   前記排気バルブが開弁して排気が吸気ポートに排出されるときの排気の吐出圧力を算出する排気吐出圧力算出手段と、
   排気吐出圧力算出値が所定圧力値を超える場合に振動低減条件が成立したと判定する条件判定手段と、
   を備え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. 前記条件判定手段は、内燃機関がファーストアイドル運転中であって、排気吐出圧力算出値が所定圧力値を超える場合に振動低減条件が成立したと判定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の振動低減装置。
4. 前記条件判定手段は、内燃機関によって補機を駆動するアイドル運転中であって、排気吐出圧力算出値が所定圧力値を超える場合に振動低減条件が成立したと判定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の振動低減装置。
5. 前記バルブタイミング設定手段は、排気吐出圧力算出値と所定圧力値との差が大きくなるほど、前記排気バルブの開弁時期をピストン下死点に近づける、
   ことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか一つに記載の内燃機関の振動低減装置。
6. 前記所定圧力値は、エンジン回転速度に応じて設定される、
   ことを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか一つに記載の内燃機関の振動低減装置。
7. 前記バルブタイミング設定手段は、前記排気バルブの開弁時期を通常運転時よりも遅角制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の内燃機関の振動低減装置。
8. 前記バルブタイミング設定手段は、振動低減条件が成立した場合に前記可変動弁装置を制御し、排気バルブの閉弁時期を変更してバルブオーバラップ期間を設定する、
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の内燃機関の振動低減装置。
9. 前記バルブオーバラップ期間は、エンジン回転角速度変動に基づいて設定される、
   ことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の振動低減装置。

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