(57)【要約】【課題】複数の気筒で発生する様々な騒音を確実に低減することができるエンジンを提供する。【解決手段】  本発明は、燃料噴射に伴って１つの気筒で１サイクル中に複数回発生する衝撃力の発生時間差を気筒ごとに独立して制御することで、気筒ごとに騒音の音圧のピーク値を低減することができ、また同周波数における音圧の相違による騒音の気筒間のばらつきを低減することができるので、エンジン音質を向上させて不快な騒音を低減することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒と、
前記気筒内の燃焼室へ燃料を噴射する気筒ごとに設けられた燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁による燃料噴射に伴って１つの気筒で１サイクル中に複数回発生する衝撃力の発生時間差を、前記衝撃力の干渉によって衝撃力が極小となる周波数が前記衝撃力の発生点から騒音測定点までの騒音伝達特性の共振周波数の１つに一致するように燃料噴射を制御する燃料噴射弁制御手段とを備え、
前記燃料噴射弁制御手段は、前記制御を前記衝撃力の発生時間差を前記振動伝達特性が互いに異なる気筒間で独立して行う、
ことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記各燃料噴射弁は、燃料噴射時に燃料噴射弁本体と１サイクル当たり複数回衝突する可動部材を備え、
前記衝撃力は、前記燃料噴射弁本体と前記可動部材との衝突の際に発生する衝撃加振力である、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は１回に噴射すべき燃料を複数段に分割して噴射し、
前記衝撃加振力は前記燃料噴射弁の各段の燃料噴射時に発生する、
ことを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記衝撃加振力は前記燃料噴射終了時に発生することを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記燃料噴射弁は、パイロット噴射とその後に続くメイン噴射を行い、パイロット噴射によって噴射された燃料は燃焼しない、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記騒音測定点は前記エンジンを搭載した車両の外にあることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項７】
前記騒音測定点は前記エンジンを搭載した車両の室内にあることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記燃料噴射弁制御手段は、前記騒音測定点において前記衝撃加振力によって発生する騒音の音圧の最大値が燃焼によって発生する騒音の音圧の最大値以上となる運転領域で前記制御を行う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項に記載のエンジン。
【請求項９】
前記燃料噴射弁制御手段は前記エンジンのアイドル運転時に前記制御を行う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項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数気筒を有するエンジンに関し、特にその騒音低減技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは作動中に燃焼に伴う燃焼騒音や燃料噴射にともなう機械騒音などの様々な騒音を発生している。
【０００３】
そこで、１つの気筒に対して１回に噴射すべき燃料をパイロット噴射とメイン噴射との２段階に分割して噴射しているエンジンにおいて、パイロット噴射の開弁時期とメイン噴射の開弁時期との間隔を制御して、パイロット燃焼時圧力波とメイン燃焼時圧力波との発生時間差を変化させることで燃焼騒音を低減する技術が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−４７９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような技術を複数の気筒を有するエンジンに適用すると、設定される圧力波の発生時間差は全ての気筒において同一になり、低減することができる燃焼騒音の周波数も全ての気筒において同一となる。
【０００５】
しかし、振動伝達特性は気筒ごとに異なるので、この特性の違いによって気筒ごとに発生する騒音の周波数特性も異なる。よって、間欠感や変動感を生じて十分に騒音を低減することができない。
【０００６】
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、複数の気筒を有するエンジンにおいて発生する燃焼騒音をはじめとする様々な騒音を確実に低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るエンジン（１）は、複数の気筒（２）と、前記気筒内の燃焼室（５）へ燃料を噴射する気筒（２）ごとに設けられた燃料噴射弁（３）と、前記燃料噴射弁（３）による燃料噴射に伴って１つの気筒（２）で１サイクル中に複数回発生する衝撃力の発生時間差を、前記衝撃力の干渉によって衝撃力が極小となる周波数が前記衝撃力の発生点から騒音測定点までの騒音伝達特性の共振周波数の１つに一致するように燃料噴射を制御する燃料噴射弁制御手段とを備える。前記燃料噴射弁制御手段は、前記制御を前記衝撃力の発生時間差を前記振動伝達特性が互いに異なる気筒間で独立して行う。なお、参照符号は実施形態に対応して付したものであり、本発明をこれらに限定するものではない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、気筒において発生する衝撃力の発生時間差を、衝撃力発生点から騒音測定点までの騒音伝達特性の共振周波数が相違する気筒間で独立して設定することができるので、気筒ごとに騒音の音圧のピーク値を低減することができることに加えて、各気筒の振動伝達特性の相違によって生じる騒音の音圧の気筒間のばらつきを抑えることができるので、確実に振動を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明によるエンジンの概略構成図である。
【００１１】
本実施形態によるエンジンは、直列４気筒エンジン１の第１気筒２ａ、第２気筒２ｂ、第３気筒２ｃ及び第４気筒２ｄにそれぞれ燃料噴射弁３を備えており、図示しないフューエルポンプによって加圧供給された燃料はコモンレール４に蓄圧され、燃料噴射管５を介して燃料噴射弁３へと圧送され、所定のタイミングで気筒内の燃焼室６に噴射されている。燃料噴射弁３の燃料噴射量及び燃料噴射時期はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７（燃料噴射弁制御手段）によって制御されている。本実施形態のエンジンはメイン噴射を行う前にパイロット噴射を行うことで１回に噴射すべき燃料を２段に分けて噴射している。
【００１２】
図２は、燃料噴射弁３の拡大図である。燃料噴射弁３は、針弁８（可動部材）と、電磁弁９とを有している。針弁８は、燃料噴射弁３の噴口近傍にある弁座１０と当接したり離れたりすることで燃料噴射弁３の開閉を行っている。電磁弁９は、ＥＣＵ７からの指令によって燃料噴射弁３の内部に圧力差を発生させて針弁８を開閉させている。ＥＣＵ７から開弁の信号を受けると電磁弁９が開き、針弁８が圧力差を受けリフトして開弁し、燃料を噴射する。所定量を噴射した後、ＥＣＵ７から閉弁の信号を受けると電磁弁９が閉じ、針弁８が圧力差を受け弁座１０に着座して閉弁し、噴射終了となる。この噴射終了時に針弁８と燃料噴射弁本体との衝突によって衝撃加振力が発生する。
【００１３】
以下、本実施形態におけるエンジン１の作用について図３〜図６を用いて説明する。
【００１４】
理解を容易にするために初めに単気筒エンジンの場合について図３、４を用いて説明する。図３は、燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示したタイムチャートである。図３（ａ）は、メイン噴射時とパイロット噴射時とにおける燃料噴射弁３の駆動電圧を示す波形図である。図３（ｂ）は、メイン噴射時とパイロット噴射時とにおいて燃料噴射弁３で発生する衝撃加振力を示す波形図である。図４は、燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示した周波数特性図である。図４（ａ）は、メイン噴射時とパイロット噴射時とのそれぞれの衝撃加振力の周波数特性をかけあわせて得られる周波数特性を示す特性図である。図４（ｂ）は、衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性を示す特性図である。図４（ｃ）は、メイン噴射とパイロット噴射とによって発生する衝撃加振力による騒音の周波数特性を示す特性図である。
【００１５】
図３（ａ）に示すようにＥＣＵ７によって指令される２つのパルス状の駆動電圧によって燃料噴射弁３を駆動し、パイロット噴射とメイン噴射とを行う。ここで、時間的に早く行われる燃料噴射（図３（ａ）中の左側のパルス波）がパイロット噴射であり、後に行われる燃料噴射（図３（ａ）中の右側のパルス波）がメイン噴射である。燃料噴射弁３の駆動電圧を立ち上げることで針弁８が開弁し、電圧をかけている間は開弁したままである。その後、駆動電圧を下げることで針弁８が閉弁する構造になっている。針弁８が閉じると針弁８と燃料噴射弁本体との衝突によって衝撃加振力を生じる。図３（ｂ）に示すようにパイロット噴射とメイン噴射とで閉弁してから衝撃加振力が発生するまでの時間は同じである。また、開弁時にも衝撃加振力を生ずるが本実施形態ではより大きな閉弁時の衝撃加振力を扱う。この衝撃加振力の発生時間差、すなわち閉弁時期の時間差をｔｉとすると、ｔｉは以下の（１）式で表される。
【００１６】
ｔｉ＝ｔ＋（Ｔｍ−Ｔｐ）  ・・・（１）
ここで、
ｔ：開弁時期の時間差、
Ｔｐ：パイロット噴射の噴射時間、
Ｔｍ：メイン噴射の噴射時間とする。
【００１７】
図３（ｂ）に示す２つの衝撃加振力は燃焼の１サイクル中に発生するので、ｔｉは微小な時間となる。よって、パイロット噴射によって発生した衝撃加振力による振動が減衰する前にメイン噴射によって発生した衝撃加振力による振動が発生するので、２つの振動は互いに干渉することになる。この２つの振動が干渉したときの周波数特性は図４（ａ）に示されており、ｔｉが図３（ｂ）の波長の自然数倍になるときの周波数において極大となり、ｔｉが図３（ｂ）の波長の（自然数−０．５）倍になるときの周波数において極小となる。極大となる周波数をＦ、極小となる周波数をＦｍとすると、Ｆ、Ｆｍは以下の（２）、（３）式で表される。
【００１８】
Ｆ＝Ｎ／ｔｉ  ・・・（２）
Ｆｍ＝（−０．５＋Ｎ）／ｔｉ  ・・・（３）
ここで、
ｔｉ：衝撃加振力の発生時間差、
Ｎ：自然数、とする。
【００１９】
図４（ｂ）は、衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの振動伝達特性を示しており、主にエンジン１の構造及び衝撃加振力を発生する気筒２ａ〜２ｄの位置によって決まる固有のモードである。図４（ａ）に示す衝撃加振力の周波数特性と図４（ｂ）に示す騒音の伝達特性とを掛け合わせると図４（ｃ）に示すように車外に設けた騒音測定点で測定される騒音の周波数特性が得られる。すなわち、図４（ａ）で極大値になる周波数Ｆ１、Ｆ２と図４（ｂ）の共振周波数（固有周波数）Ｆ１、Ｆ２とが一致しているので、図４（ｃ）に示す騒音が周波数Ｆ１、Ｆ２においてピーク値となる。
【００２０】
騒音を抑えるにはこの様なピーク値を抑える必要があり、そのためには図４（ａ）で極大値になる周波数Ｆ１、Ｆ２が図４（ｂ）の共振周波数（固有周波数）Ｆ１、Ｆ２に一致しないように衝撃加振力の発生時間差を設定する必要がある。具体的には、（１）式と（３）式を用いて図４（ａ）の極小値となる周波数Ｆｍと図４（ｂ）の共振周波数とが一致するように衝撃加振力の発生時間差ｔｉを設定すればよい。これにより、図４（ｂ）の共振周波数Ｆ１、Ｆ２における騒音の共振を抑えて車外騒音を低減することができる。
【００２１】
次に、本実施形態の４気筒エンジン１の場合について図５、６を用いて説明する。図５は、４つの気筒を有するエンジンにおいて各気筒における衝撃加振力の発生時間差を全て同一に設定した場合の車外騒音低減効果を示しており、図６は、４つの気筒を有するエンジンにおいて各気筒における衝撃加振力の発生時間差を騒音伝達特性の相違する気筒間で独立して設定した場合の車外騒音低減効果を示している。
【００２２】
図５（ａ）、図６（ａ）は、メイン噴射時とパイロット噴射時との衝撃加振力を掛け合わせて得られる周波数特性を示す特性図である。図５（ｂ）、図６（ｂ）は、衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性を示す特性図である。図５（ｃ）、図６（ｃ）は、メイン噴射とパイロット噴射とによって発生する衝撃加振力による騒音の周波数特性を示す特性図である。
【００２３】
第１気筒２ａから第４気筒２ｄまでの衝撃加振力の発生時間差を全て同一に設定すると、図５（ａ）に示すように第１気筒２ａから第４気筒２ｄまでの周波数特性も全て同一の波形となる。衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性は、図５（ｂ）に示すようにエンジン１の構造及び気筒２ａ〜２ｄの位置などの差異によりエンジン１の外側に配置される第１気筒２ａと第４気筒２ｄとは同一の伝達特性となり、エンジン１の内側に配置される第２気筒２ｂと第３気筒２ｃとは同一の伝達特性となって、図５（ｂ）中に２種類の特性が示される。
【００２４】
よって、図５（ａ）の衝撃加振力と図５（ｂ）の騒音伝達特性とを掛け合わせると図５（ｃ）に示すように車外騒音も第１及び第４気筒２ａ、２ｄと第２及び第３気筒２ｂ、２ｃとでは異なった結果となる。これにより、周波数によって音圧が異なるので、車外騒音に気筒間のばらつきが生じて音質が悪化する。また、騒音伝達特性の相違する気筒２ａ〜２ｄごとに衝撃加振力の周波数特性の極小値を騒音伝達特性の共振周波数に一致させることができないので、気筒２ａ〜２ｄごとに共振周波数における騒音のピーク値を低減することができない。よって、騒音を確実に低減することができない。
【００２５】
そこで、本発明では図６（ａ）の周波数特性に示すように、騒音伝達特性の相違している第１及び第４気筒２ａ、２ｄと第２及び第３気筒２ｂ、２ｃとの間で衝撃加振力の発生時間差が異なるように設定する。衝撃加振力の発生時間差が異なれば周波数特性も異なるので、図６（ａ）には、第１及び第４気筒２ａ、２ｄの周波数特性と第２及び第３気筒２ｂ、２ｃの周波数特性との２種類の波形が示される。このとき、衝撃加振力の発生時間差は図６（ａ）に示す第１及び第４気筒２ａ、２ｄの周波数特性の極小値Ｆ３を図６（ｂ）に示す第１及び第４気筒２ａ、２ｄの騒音伝達特性の共振周波数の１つに一致させ、第２及び第３気筒２ｂ、２ｃの周波数特性の極小値Ｆ４を図６（ｂ）に示す第２及び第３気筒２ｂ、２ｃの騒音伝達特性の共振周波数の１つに一致させるように設定する。
【００２６】
図６（ａ）の衝撃加振力の周波数特性と図６（ｂ）の騒音伝達特性とを掛け合わせると、図６（ｃ）に示すように第１及び第４気筒２ａ、２ｄから発生する車外騒音の音圧と第２及び第３気筒２ｂ、２ｃから発生する車外騒音の音圧とが２つの騒音伝達特性のそれぞれの共振周波数において略一致する。これにより、車外騒音の気筒間のばらつきは低減され車外騒音のエンジン音質が向上する。また、騒音伝達特性の相違する気筒２ａ〜２ｄごとに衝撃加振力の周波数特性の極小値を騒音伝達特性の共振周波数の１つに一致させることができるので、気筒２ａ〜２ｄごとに共振周波数における騒音のピーク値を低減することができる。よって、騒音を確実に低減することができる。
【００２７】
なおここで、本実施形態では第１及び第４気筒２ａ、２ｄと第２及び第３気筒２ｂ、２ｃとの間で衝撃加振力の発生時間差が異なるように設定したが、例えば全ての気筒において騒音伝達特性が相違していれば、全ての気筒において衝撃加振力の発生時間差を異なるように設定してもよく、騒音伝達特性の相違に応じて適切に設定される。
【００２８】
以上のように本実施形態では、エンジンの構造及び気筒２ａ〜２ｄの位置などによって気筒２ａ〜２ｄごとに振動伝達特性が異なっていても、気筒２ａ〜２ｄごとに衝撃加振力の発生時間差を制御することで振動伝達特性の相違による影響を低減することができる。よって、気筒２ａ〜２ｄごとに騒音の音圧のピーク値を低減することができ、また同周波数における音圧の相違による騒音の気筒間のばらつきを低減することができるので、エンジン音質を向上させて不快な騒音を低減することができる。
【００２９】
また、運転領域によっては騒音測定点において衝撃加振力によって発生する騒音の音圧の最大値が燃焼によって発生する騒音の音圧の最大値以上となることがあり、このような状況下ではエンジン燃焼に伴う燃焼騒音よりも燃料噴射に伴う機械騒音の方が大きくなる。よって、燃焼騒音に比べて機械騒音の方が比較的大きくなる運転条件、例えばエンジンのアイドル運転時には、本実施形態のように機械騒音を低減することでエンジンの騒音低減効果は特に大きくなる。
【００３０】
さらに例えば低温予混合燃焼のように、パイロット噴射とメイン噴射との２段に分けて噴射を行うがメイン噴射の後にしか燃焼させない燃焼形態のエンジンに本実施形態を適用しても、燃料噴射による衝撃加振力は燃焼の有無にかかわらず発生しているのでメイン噴射とパイロット噴射とを確実に区別して機械騒音を低減することができる。
【００３１】
（第２実施形態）
本実施形態のエンジン１は、第１実施形態の２段噴射に加えて３段目の噴射を行う噴射方式である。３段目の噴射は排気の温度を上昇させるために第１実施形態のメイン噴射の後に行う。エンジン１の構成は第１実施形態と同等である。
【００３２】
図７を用いて第２実施形態について説明する。図７は、本実施形態の燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示したタイムチャート及び周波数特性図である。図７（ａ）は、パイロット噴射時、メイン噴射時及び３段目の噴射時において燃料噴射弁３で発生する衝撃加振力を示す波形図である。図７（ｂ）は、パイロット噴射時、メイン噴射時及び３段目の噴射時のそれぞれの衝撃加振力の周波数特性をかけあわせて得られる周波数特性を示す特性図である。
【００３３】
本実施形態では燃焼の１サイクルの間に噴射すべき燃料を３段に分けて噴射しているので、図７（ａ）に示すように燃料噴射終了時の衝撃加振力も３回発生する。図中左からパイロット噴射、メイン噴射、本実施形態で新たに追加した噴射である。図７（ｂ）に示すように３つの衝撃加振力のそれぞれの周波数特性を掛け合わせたときの周波数特性は、大きく遅れて発生する３段目の衝撃加振力の影響により２段噴射のとき（図４（ａ））に比べて短い周波数間隔で変動しているが、エンベロープ（包絡）はメイン噴射時とパイロット噴射時とに発生する衝撃加振力の発生時間差に影響されており、第１実施形態と略同等の間隔で波形が変化している。
【００３４】
よって本実施形態のように３段噴射を行う場合でも、第１実施形態と同様の制御を行うことで、機械騒音を低減してエンジン１の騒音を確実に低減することができる。
【００３５】
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、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００３６】
例えば、燃料噴射弁閉弁時ではなく開弁時に発生する衝撃力の発生時間差を制御してもよい。
【００３７】
また、本実施形態のように２段の燃料噴射のそれぞれの燃料噴射時に発生する衝撃加振力の発生時間差を制御する代わりに、例えば燃料噴射弁開弁時の衝撃加振力と閉弁時の衝撃加振力のように１段の燃料噴射において発生する複数の衝撃加振力の発生時間差を制御してもよい。
【００３８】
さらに、本実施形態では衝撃力として衝撃加振力を用いて燃料噴射に伴う機械騒音を低減しているが、例えば衝撃力として燃焼時圧力波を用いて燃焼に伴う燃焼騒音を低減しても、気筒２ａ〜２ｄごとに騒音の音圧のピーク値を低減することができ、また同周波数における音圧の相違による騒音の気筒間のばらつきを低減することができるので、エンジン音質を向上させて不快な騒音を低減することができる。
【００３９】
さらにまた、本実施形態では直列４気筒エンジン１を用いているが、気筒配列及び気筒数はこれに限定されない。
【００４０】
さらにまた、騒音測定点は車両の車室内に設けてもよく、この場合特に車室内に搭乗している人間が不快に感じる騒音を意識して騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるエンジンの概略構成図である。
【図２】燃料噴射弁の拡大図である。
【図３】燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示したタイムチャートであり、（ａ）は燃料噴射弁の駆動電圧を示す波形図、（ｂ）は衝撃加振力を示す波形図である。
【図４】燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示した周波数特性図であり、（ａ）はメイン噴射時とパイロット噴射時との衝撃加振力の周波数特性を掛け合わせて得られる周波数特性を示す特性図、（ｂ）は衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性を示す特性図、（ｃ）は衝撃加振力による騒音の周波数特性を示す特性図である。
【図５】４つの気筒を有するエンジンにおいて各気筒における衝撃加振力の発生時間差を全て同一に設定した場合の車外騒音低減効果を示す周波数特性図であり、（ａ）はメイン噴射時とパイロット噴射時との衝撃加振力の周波数特性を掛け合わせて得られる周波数特性を示す特性図、（ｂ）は衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性を示す特性図、（ｃ）は衝撃加振力による騒音の周波数特性を示す特性図である。
【図６】４つの気筒を有するエンジンにおいて各気筒における衝撃加振力の発生時間差を騒音伝達特性の相違する気筒間で独立して設定した場合の車外騒音低減効果を示す周波数特性図であり、（ａ）は第１実施形態におけるメイン噴射時とパイロット噴射時との衝撃加振力の周波数特性を掛け合わせて得られる周波数特性を示す特性図、（ｂ）は衝撃加振力の発生点から車外に設けた騒音測定点までの騒音伝達特性を示す特性図、（ｃ）は衝撃加振力による騒音の周波数特性を示す特性図である。
【図７】第２実施形態の燃料噴射時の衝撃加振力によって発生する騒音の様子を示したタイムチャート及び周波数特性図であり、（ａ）は衝撃加振力を示す波形図、（ｂ）はメイン噴射時とパイロット噴射時との衝撃加振力の周波数特性を掛け合わせて得られる周波数特性を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  エンジン
２ａ  第１気筒
２ｂ  第２気筒
２ｃ  第３気筒
２ｄ  第４気筒
３  燃料噴射弁
４  コモンレール
５  燃料噴射管
６  燃焼室
７  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）（燃料噴射弁制御手段）
８  針弁（可動部材）
９  電磁弁
１０  弁座
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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