JP2021036150A - 内燃機関点火時期の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】４ストロークの直列ｎ気筒エンジンを備えたシステムにおいて、共振位置に専用の防振部材を使用したりエンジンの性能を常に限定する制御を実行したりしなくても、部品間の共振を抑制する。【解決手段】内燃機関点火時期の制御方法は、エンジンの回転数が所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき（ステップＳ１でＹの場合）、特定の気筒に対する他の特定の気筒の点火時期を制御する。所定回転数は、所定次数の振動成分の振動周波数がエンジンに具備されるクランクシャフトの共振周波数に等しい周波数になる場合の回転数に基づいて設定される。所定次数の振動成分とは、エンジンの上限回転数以下の回転数でクランクシャフトの共振周波数に到達でき且つ次数がｎ／２の整数倍である振動成分のうち、次数が最も小さい振動成分である。【選択図】図２１

Description

本発明は、内燃機関点火時期の制御方法に関する。

特許文献１には、電力制御ユニット（ＰＣＵ）がモータを収容するハウジングの上方に固定され、ＰＣＵの下面にダイナミックダンパが取り付けられた電動車両が記載されている。

特開２０１７−００７５５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、通常走行時にＰＣＵに加わる振動を低減するために専用の防振部材が必要になり、ＰＣＵとモータとの間の電気的接続部材も振動に耐えられる柔らかいケーブルにする必要があるため、部品数が増加し、コストが嵩む。

また、モータを備えるハイブリッドシステムに限らず、エンジンのみを動力源として移動する車両等のシステムについても、共振が多くなると部材の破損やクランク音の発生などの問題が生じる可能性がある。よって、このようなシステムについても、それ専用の防振部材が必要となり、部品数が増加し、コストが嵩む。さらに、エンジンの性能を常に一定以下に限定する制御を行うことで共振を抑制することができるが、共振の抑制のためにエンジンの性能を有効に利用できないことになる。

本発明の目的は、４ストロークの直列ｎ気筒エンジンを備えたシステムにおいて、共振位置に専用の防振部材を使用したりエンジンの性能を常に限定する制御を実行したりしなくても、部品間の共振を抑制できる内燃機関点火時期の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、４ストロークの直列ｎ気筒のエンジンにおける内燃機関点火時期の制御方法であって、前記エンジンの回転数が所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき、特定の気筒に対する他の特定の気筒の点火時期を制御する、ものである。ここで、前記所定回転数は、所定次数の振動成分の振動周波数が前記エンジンに具備されるクランクシャフトの共振周波数に等しい周波数になる場合の回転数に基づいて設定される。また、前記所定次数の振動成分とは、前記エンジンの上限回転数以下の回転数で前記クランクシャフトの共振周波数に到達でき且つ次数がｎ／２の整数倍である振動成分のうち、次数が最も小さい振動成分である。

この一態様に係る内燃機関点火時期の制御方法では、前記エンジンの回転数が前記所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき、特定の気筒に対する他の特定の気筒の点火時期を制御する。この制御方法では、振動成分が共振を励起する回転数になった場合において点火時期が制御されることから、本来共振を励起し難い振動成分が位相ずれにより共振を励起し易い成分になって他の回転数区間で共振を励起することを回避できる。さらに、この制御方法では、アクセル開度が所定開度以上であるときに点火時期が制御されることから、共振が或る程度以上になるような場面で制御がなされるため、エンジンの性能への影響を極力制限することができる。よって、この一態様に係る内燃機関点火時期の制御方法によれば、共振位置に専用の防振部材を使用したりエンジンの性能を常に限定する制御を実行したりしなくても、部品間の共振を抑制することが可能な内燃機関点火時期の制御方法を提供することができる。

本発明によれば、エンジンを備えたシステムにおいて、共振位置に専用の防振部材を使用しなくても、部材間の共振を抑制することが可能な内燃機関点火時期の制御方法を提供することができる。

実施形態に係る制御方法を適用可能なハイブリッドシステムの一構成例を示す外観図である。 図１のハイブリッドシステムに設けられるクランクシャフトの一例を示す外観図である。 図１のハイブリッドシステムにおけるモータのステータ部分を示す図である。 回転次数の例を示す図である。 回転次数と強制力の大きさの例を示す図である。 Ｎｍａｘ＝６０００ｒｐｍの場合の回転次数の例を示す図である。 各気筒の爆発タイミングの一例を示す図である。 図７における１つの気筒に関して周波数分析を行った結果を示す図である。 図７における１つの気筒に関して爆発と各次数成分との位相関係を示す図である。 図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発と回転０．５次成分との位相関係を示す図である。 図７における＃１〜＃４の気筒に関して、回転０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の成分の位相関係を示す図である。 図２のクランクシャフトにおける爆発力のクランクへの入力方向の例を示す斜視図である。 図１２をクランク軸に垂直な方向から見た図である。 図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発力の入力を考慮した場合の、爆発と回転０．５次成分との位相関係を示す図である。 図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発力の入力を考慮した場合の、回転０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の成分の位相関係を示す図である。 比較例に係る爆発タイミングについて説明するための図である。 実施形態に係る内燃機関点火時期の制御方法の一例について説明するための図である。 ６次について位相を１８０度だけズラしたときの各次数における位相のズレ量の一例を示す図である。 ６次について位相を１８０度だけズラしたときの５次及び７次における位相関係の一例を示す図である。 エンジン回転数と周波数と次数との関係の一例を示す図である。 実施形態に係る内燃機関点火時期の制御方法の一例について説明するためのフロー図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。

（実施形態）
本実施形態について、図１〜図２１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る内燃機関点火時期の制御方法を適用可能なハイブリッドシステムの一構成例を示す外観図である。図２は、図１のハイブリッドシステムに設けられるクランクシャフトの一例を示す外観図、図３は、図１のハイブリッドシステムにおけるモータのステータ部分を示す図である。

図１に示すハイブリッドシステム１は、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）１０、エンジン（エンジンブロック）１１、及びモータ（モータブロック）１２を備えることができる。ハイブリッドシステム１は、エンジン１１とモータ１２とによるハイブリッド駆動が可能なハイブリッド自動車等の車両などに搭載されるシステムとすることができる。

ＰＣＵ１０は、モータへの電力を制御するユニットであり、例えば、モータ１２を駆動するインバータ、電圧をコントロールする昇圧コンバータ、及び高電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータで構成されることができる。モータ１２のブロックには、トランスアクスルを内蔵しておくことができ、ＰＣＵ１０はこのトランスアクスルに締結されることができる。ＰＣＵ１０は、一般的にモータ１２の上部に配設されるが、エンジン１１側ではなくモータ１２側に直接的に又は間接的に設置（配設）されていれば、これに限ったものではない。なお、ＰＣＵ１０の構成や形状なども問わない。

エンジン１１は、４ストロークの直列ｎ気筒のエンジンであり、図２で例示するようなクランクシャフト１１ａと、クランクシャフト１１ａを支持するケーシングと、クランクシャフト１１ａに取り付けられるダンパと、を含むことができる。エンジン１１は、クランクシャフトを有し、４ストロークの直列ｎ気筒のエンジンであればよく、その形状や付加的要素の有無などは問わない。図２では、第１（＃１）気筒、第２（＃２）気筒、第３（＃３）気筒、第４（＃４）気筒でなる４気筒のクランクシャフト１１ａを例示しており、以下では、この例に従い、ｎ＝４の例を挙げて説明するが、これに限らず、３気筒などそれ以外の気筒についても同様に適用できる。なお、以下では、例えば＃１気筒を単に「＃１」などと称して説明を行うこともある。

上記のダンパとしては、図２で例示するプーリダンパ１１ｂ等のダンパが挙げられる。以下では、上記のダンパとして、プーリダンパ１１ｂを例に挙げて説明するが、これに限ったものではない。プーリダンパ１１ｂは、クランクシャフト１１ａの一端に取り付けられ、ダイナミックダンパとして機能させ、振動を低減する。クランクシャフト１１ａの他端にはフライホイール１１ｃが取り付けられている。

モータ１２は、ステータ１２ａを含み、エンジン１１の上記ケーシングに直接的又は間接的に取り付けられる。モータ１２は、このような構成であれば、その形状や付加的要素の有無、エンジン１１に対する配設位置などは問わない。なお、図１では、ステータ１２ａとして、モータジェネレータのステータを挙げているが、これに限ったものではない。

上述のようなハイブリッドシステム１では、図２において、白抜き矢印で図示したように、第４（＃４）ジャーナル部が面直方向（図１の太線片矢印で示す方向）に揺すられる。これは、図２の両矢印で示すように、クランクシャフト１１ａにおける捩り共振によって生じる。

さらに、上述のようなハイブリッドシステム１では、図１の太線両矢印及び図３の両矢印で示す方向に、ステータ１２ａも揺すられる。そして、第４ジャーナル部とステータ１２ａが共振して、ＰＣＵ１０を図１の太線両矢印の方向に揺らし、対策を講じないと、ＰＣＵ１０を破損させる可能性がある。

つまり、エンジン１１、モータ１２、及びＰＣＵ１０を備えたハイブリッドシステム１では、クランクの捩り共振によってエンジン１１（エンジンブロック）が振動し、モータ１２のステータ１２ａの共振により増幅され、ＰＣＵ１０が振動し破損する現象が生じ得る。この現象は、ＰＣＵ１０に防振構造を搭載することで回避できる可能性がある。

しかし、本実施形態は、このような防振構造を搭載しなくても、内燃機関点火時期の制御（爆発タイミングの制御）を行うことで、上記現象を回避させようとするものである。より具体的には、本実施形態では、本現象が発生する特定条件（エンジン回転数、アクセル開度の条件）の時に、特定の気筒の爆発タイミングを変える（他の特定の気筒の爆発タイミングに対してズラす）ことで、クランクの捩り共振を励起しないようにする。

本実施形態に係る内燃機関点火時期の制御方法（以下、本制御方法）の特徴について、図１のハイブリッドシステム１に適用した例を挙げて説明する。本制御方法は、エンジン回転数が所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき、フライホイール１１ｃから最も遠い１番気筒（＃１気筒）の点火時期が少なくともその１番気筒に隣接する２番気筒の点火時期に対して所定位相だけ早く若しくは遅くなるように、１番気筒若しくは２番気筒の点火時期を制御する。

上記の所定回転数は、所定次数の振動成分の振動周波数がクランクシャフト１１ａの共振周波数に等しい周波数になる場合の回転数に基づいて設定される。例えば、上記の所定回転数は、クランクシャフト１１ａに入力されるトルクの波形をフーリエ変換して得られた各次数の振動成分のうち、所定次数の振動成分の振動周波数がクランクシャフト１１ａの共振周波数に等しい周波数になる場合の回転数に基づいて設定される。ここで、上記各次数の振動成分は、クランクシャフト１１ａに上記１番気筒で例示した特定の気筒（点火時期を制御する対象の気筒）から入力されるトルクの波形をフーリエ変換して得られた成分とすることができるが、他の気筒から入力されるトルクの波形をフーリエ変換して得られた成分であってもよい。

ここで、振動成分の次数は、その成分がクランクシャフト１１ａの１回転において振動する回数として定義される。例えば、１回転に４回振動する成分の次数は４次である。また、エンジン１１は直列４気筒エンジン等の直列ｎ気筒エンジンであるため、各気筒からクランクシャフト１１ａへ入力されるトルクの波形は理論上同じであり、位相がずれているだけである。そして、トルク波形をフーリエ変換すると、異なる次数の振動成分の波形が得られる。

このようにして得られた振動成分のうち、ｎ／２の整数倍の成分がクランクシャフト１１ａの共振を励起し易い。また、次数が低い程、振動のエネルギーが強いため、次数がｎ／２の整数倍である最も小さい次数Ｎの成分が一番強い共振を励起する。

また、上述のように次数は１回転における振動回数を表すため、各次数の振動成分の周波数は、エンジン１１の回転数の上昇に連れて増える（周波数Ｆ＝（回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］／６０［秒］）×次数）。

そのため、実際に共振を励起できる成分は、エンジン１１の上限回転数以下の回転数でクランクシャフト１１ａの共振周波数（固有周波数）に到達できる成分に限る。換言すれば、実際に共振を励起できる次数は、エンジン１１の上限回転数以下の回転数でクランクシャフト１１ａの共振周波数に到達できる次数に限る。

よって、上記の所定次数の振動成分とは、エンジン１１の上限回転数以下の回転数でクランクシャフト１１ａの共振周波数に到達でき且つ次数がｎ／２の整数倍である振動成分のうち、次数が最も小さい振動成分である。

４気筒エンジンの場合、１番気筒の点火時期が２番気筒の点火時期に対して所定位相だけ早く若しくは遅くなる点火時期制御では、１番気筒の所定次数の振動成分に対する２番気筒の所定次数の振動成分の位相差が０に近づくように、１番気筒及び２番気筒の点火時期を制御する。これにより、その詳細は後述するが、山と谷のタイミングが重なる気筒同士であるため、クランク捩り振動を励起し難くなる。

本制御方法の具体例について、以下に説明する。
まず、回転次数と強制力との関係について、図４〜図６を参照しながら具体例を挙げて説明する。図４は回転次数の例を示す図、図５は回転次数と強制力の大きさの例を示す図、図６は、Ｎｍａｘ＝６０００ｒｐｍの場合の回転次数の例を示す図である。

図４には、エンジン回転数（Ｅｎｇ回転数）と周波数の関係における、偶数次数（２、４、６、８、１０・・・）について例示している。ここで、Ｅｎｇ回転数ＮｅにおけるＮａ次数の周波数は、上述のように、（Ｎｅ／６０）×Ｎａとなる。

図４における下方向への矢印は、各偶数次数のＮｍａｘにおける周波数を示している。これにより、エンジン１１の使用領域（０〜Ｎｍａｘ）において、最低次の偶数次数の周波数範囲が分かる。例えば、図６に示すように、Ｎｍａｘ＝６０００ｒｐｍでは、Ｎｍａｘでの各偶数次数の周波数は、２次について２００Ｈｚ、４次について４００Ｈｚ、６次について６００Ｈｚなどとなる。また、図５に示すように、回転次数が高次になるに連れて強制力（爆発強制力）のレベルが低下する。

従って、図６の関係では、例えばクランクシャフト１１ａの共振（クランク共振とも称する）が５００Ｈｚである場合、クランクへ入力される最も低い次数（つまり強制力が最も大きな次数）は６次となる。

次に、本実施形態において、回転次数を偶数次数（４気筒の例における次数２、４、６、８、・・・）に限定しているのは、それがクランクの捩り共振を励起する次数であるためである。偶数次数がクランクの捩り共振を励起する理由について、以下に説明する。

そのために、まず、図７〜図１１を参照して、爆発と各次数成分との位相関係について説明する。図７は、各気筒の爆発タイミングの一例を示す図、図８は、図７における１つの気筒に関して周波数分析を行った結果を示す図である。図９は、図７における１つの気筒に関して爆発と各次数成分との位相関係を示す図、図１０は、図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発と回転０．５次成分との位相関係を示す図である。図１１は、図７における＃１〜＃４の気筒に関して、回転０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の成分の位相関係を示す図である。

図７には、＃１〜＃４気筒の爆発に関する時間軸波形を示している。一つの気筒に着目するとクランクが２回転する毎に１回爆発が発生し、図７において矢印で示すように、＃１→＃３→＃４→＃２の順で爆発を繰り返す。

この１つの気筒に関し、周波数解析を実行すると、図８に示すようになり、ＤＣ成分（０Ｈｚ成分）を除くと、回転０．５次成分が最も大きく出る。これは、２回転に１度爆発するためであり、その高次成分である、１次、１．５次、２次、・・・と成分が出るが、高次数になるに連れて徐々にレベルが低下する。例えば６０００ｒｐｍの時、６０で割ると１秒間での回転数１００ｒｐｓとなり、２回転で１回の爆発から、１００ｒｐｍ÷２＝５０回（爆発／ｓ）と１秒間の爆発回数が求まる。更に、５０回（爆発／ｓ）の逆数で０．０２（ｓ／爆発）と１回の爆発に掛かる時間が求まる。この時間軸グラフを周波数分析（ＦＦＴ）すると、０．５次は５０Ｈｚ、１次は１００Ｈｚ、１．５次は１５０Ｈｚ、２次は２００Ｈｚ、・・・であり、この周波数のレベルが大となる。

次に、各次数成分（０．５、１、１．５、２、・・・）が爆発の時間軸グラフとどのような位相関係になるかについて、説明する。まず、１つの気筒における各次数成分の位相関係に関して説明する。図９に示すように、１つの気筒において、各々の次数成分を示すグラフのピークとなるタイミングは、爆発タイミングを示すグラフのピークと一致する。

また、１つの次数成分（ここでは０．５次成分）について着目すると、＃１〜＃４気筒における、爆発と回転０．５次成分との位相関係は、図１０に示すようになる。

同様の考えに基づくと、０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の時間軸の位相関係は、図１１に示すようになる。ここで、０．５次では、＃１〜＃４の位相が９０°ずつズレており、ピークを迎える順番が、＃１→＃３→＃４→＃２の順である。また、１次では、＃１と＃４、＃２と＃３の位相が同じであり、２つの位相は１８０°ズレている。また、１．５次では、＃１〜＃４の位相が９０°ずつズレており、ピークを迎える順番が、＃１→＃２→＃４→＃３の順である。また、２次では、＃１、＃２、＃３、＃４の全てが同相である。

２．５次は０．５次と、３次は１次と、３．５次は１．５次と、４次は２次と、それぞれ同様の位相となる。よって、＃１〜＃４気筒における各次数成分の位相関係は、０．５＋２ｍ次、１＋２ｍ次、１．５＋２ｍ次、２＋２ｍ次（ｍ＝０、１、２、３、・・・）の４パターンに分類される。

次に、図１２〜図１５を参照しながら、クランクシャフト１１ａへの爆発力の入力を考慮した上で、各次数成分の位相関係がどのようなパターンに分類されるかについて、説明する。図１２は、図２のクランクシャフト１１ａにおける爆発力のクランクへの入力方向の例を示す斜視図で、図１３は、図１２をクランク軸に垂直な方向から見た図である。図１４は、図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発力の入力を考慮した場合の、爆発と回転０．５次成分との位相関係を示す図である。図１５は、図７における＃１〜＃４の気筒に関して、爆発力の入力を考慮した場合の、回転０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の成分の位相関係を示す図である。

クランクシャフト１１ａは回転しており、図１２及び図１３に示すように、筒内圧が最大となる、クランク角度θ、コンロッド傾きφの方向へ力の入力が最大となる。ここで、クランクが静止状態であると想定すると、＃１〜＃４気筒の爆発による力の向きは、図１２及び図１３において矢印で示す方向になる。＃２、＃３気筒についての力の向きを正にすると、＃１、＃４気筒についての力は負の方向となる。

よって、クランクシャフト１１ａへの爆発力の入力を考慮した場合、時間軸の筒内圧は、図１０の位相関係において＃１、＃４について正負を反転させた図１４に示すような位相関係となる。図１０の位相関係について図１１の位相関係を求めた場合と同様の手順で、前ページと同様の処理をすると、爆発力の入力を考慮した場合の、回転０．５次、１次、１．５次、２次、・・・の成分の位相関係は、図１５に示すようになる。

即ち、０．５次では、＃１〜＃４の位相が９０°ずつズレており、ピークを迎える順番が、＃１→＃２→＃４→＃３の順である（パターンＡと称する）。また、１次では、＃１、＃２、＃３、＃４の全てが同相である（パターンＢと称する）。また、１．５次では、＃１〜＃４の位相が９０°ずつズレており、ピークを迎える順番が、＃１→＃３→＃４→＃２の順である（パターンＣと称する）。また、２次では、＃１と＃４の位相が同じで、＃２と＃３の位相が同じであり、それらの２つの位相は１８０°ズレている（パターンＤと称する）。

ここまでは、回転次数によって、＃１〜＃４気筒に対する爆発力の入力位相が変化することを説明した。

次に、図２で説明したクランクシャフト１１ａの捩り共振を最も励起する回転次数がパターンＤであり、最も励起し難い回転次数がパターンＢであることを説明する。

図２で説明した捩り共振は、フライホイール１１ｃの回転慣性が大きいために、＃１〜＃３の回転慣性とフライホイール１１ｃの回転慣性とにより＃４気筒のピン近傍が歪み、＃１〜＃３のピンが回転する変形モードである。つまり、＃１〜＃３のピンがモードの腹であり、本モードを励起し易い場所である。なお、動き量が大きいのは、図２において両矢印の長さで図示したように、＃１＞＃２＞＃３の順であり、励起され易い順番も＃１＞＃２＞＃３の順となる。

パターンＡ〜Ｄのそれぞれについて検討する。
パターンＡ及びパターンＣでは＃２と＃３とが逆相関係にあり、互いにキャンセルするため、＃１による入力のみによって本モードが励起される。パターンＢは、＃１と＃２とが互いにキャンセルするため、最も捩り共振が励起されない入力パターンである。入力の位相は同相であるが、＃１と＃２とは入力位置が回転中心に対し対称の位置であるためである。＃３によって励起されるが、＃３は節である＃４に近いため、モードが励起され難い。一方で、パターンＤ（偶数次数）は、＃１〜＃３は全くキャンセルしないため、最も捩り共振が励起されてしまう入力パターンである。
以上が、強制力とクランク共振との関係である。

次に、図１５に加えて図１６〜図２０を参照しながら、比較例と本制御方法とにおける＃１〜＃４気筒の回転６次成分の位相関係について説明する。図１６は、比較例に係る爆発タイミングについて説明するための図で、比較例における＃１〜＃４気筒の回転６次成分の位相関係を示す図である。また、図１７は、本制御方法の一例について説明するための図で、本制御方法における＃１〜＃４気筒の回転６次成分の位相関係を示す図である。

図１５を参照しながら説明したように、４気筒で且つ＃１→＃３→＃４→＃２の順番で爆発するエンジン１１の、クランクシャフト１１ａに対する入力位相のパターンは４パターンである。また、上述したように、偶数（２、４、６、８・・・）の回転次数はクランクの捩り共振を励起し易い。

回転６次の成分は、クランクシャフト１１ａにおける１回転に６つの波があるため、爆発から爆発までの２回転には１２つの波を持つことになる。そして＃１〜＃４気筒間のそれぞれの波の位相関係は図１６に示す通りであり、このような比較例に係る位相関係である場合には、クランクの捩り共振を励起され易いと言える。

そこで、本制御方法では、図１７に示すように、例えば＃１気筒の爆発タイミングを早く出すように制御することで、６次成分の位相も早く出され、他の気筒の位相との関係を変える。このように＃１気筒の爆発タイミングを変えると、位相が変わりクランクの捩り共振が励起され難くなる。

この爆発のタイミングのズレθ度（クランクの角度）と次数Ｎａの成分の位相ズレ（度）は、下記の（式１）で算出されることができる。
位相ズレ量（度）＝｛爆発タイミングズラし量（θ度）÷７２０｝×３６０×２×次数
・・・（式１）

なお、クランクシャフト１１ａの２回転はクランク角度で７２０度であり、次数成分はこの中に「（３６０度位相／１波）×２×次数」度の位相が含まれているため、このような式となる。

例えば、６次の次数成分について９０度だけ位相をズラしたい場合、「９０度＝爆発タイミングズラし量θ度÷７２０×３６０×２×６」から、爆発タイミングのズラし量（θ度）は１５度となる。クランクの捩り共振を励起され難くすることが目的であるため、＃１と＃２及び＃３との関係をズラせばよい。よって、＃１を７．５度早出しし、＃２３を７．５度遅出ししても、両者の位相関係は９０度ズレることになる。

４気筒における次数成分のパターンは、図１５に示した通りであり、クランク捩り共振を最も励起し易いのがパターンＤ、最も励起し難いのがパターンＢである（＃１、＃２、＃３が互いに振動をキャンセルするため）。パターンＡとパターンＣは、＃２と＃３が逆相であり、互いに振動をキャンセルするため、クランク捩り共振の励起のし易さはパターンＢとパターンＤの中間である。ここで、本制御方法により、パターンＤをパターンＢのように変更するためには、＃１の位相を＃２及び＃３に対し１８０度ズラせばよい。このように、４気筒エンジンについては、＃１の気筒の所定次数の振動成分を１８０度ずらすと一番効果的に共振を抑制できる。

一方で、爆発タイミング（点火時期）をズラすと、全ての次数成分がズレることになるので、パターンＡ、Ｂ、Ｃも同時にズレることになる。具体的に図１８〜図２０を参照しながら説明する。図１８は、６次について位相を１８０度だけズラしたときの各次数における位相のズレ量の一例を示す図で、図１９は、６次について位相を１８０度だけズラしたときの５次及び７次における位相関係の一例を示す図である。図２０は、エンジン回転数と周波数と次数との関係の一例を示す図である。

図１８には、上述の式を用いて回転６次成分の位相を１８０度ズラした時（クランク角度で３０度、爆発タイミングをズラした時）の、整数次数のズレを示している。ここで、パターンＡとパターンＣは＃２と＃３が互いに振動をキャンセルしており、ほぼ＃１の入力のみのため、＃１を＃２及び＃３に対しズラしても影響は少ない。

しかし、他の次数の振動成分についても考慮する必要がある。図１９には、＃１の爆発を３０度早出しし、６次の成分の＃１の位相を１８０度ズラした時に、５次と７次の位相関係がどのように変化するかを示している。６次は１８０度ずれ、捩り共振を励起し難くなったが、５次、７次は励起し易い位相関係となってしまっている。

もし、図２０に示す例のようにエンジンの最高回転数Ｎｍａｘが６０００ｒｐｍであった場合で、且つ、クランク共振周波数が５００Ｈｚであったとすると、６０００ｒｐｍで５次が入力されてしまう。低次の方が強制力のレベルが高いことから、５次は６次より強制力の成分が大きいため、６次による励起よりも、より振動が大きくなってしまう。

以上のことから、本制御方法における点火時期の制御を発動するタイミングが重要となることが分かる。図２０を例に挙げて説明する。この例で、クランク共振周波数が例えば５００Ｈｚである場合、５次は６０００ｒｐｍ、６次は５０００ｒｐｍである。よって何の制御も入れていない状態の場合、５０００ｒｐｍで偶数次数である６次によってクランクの捩り共振が励起され、ＰＣＵ１０の破損に至ってしまう。このとき、本制御方法における点火時期の制御を発動した場合について説明する。例えば、＃１の６次の位相を１８０度ズラす（爆発タイミングをクランク角度で３０度ズラす）。但し、この制御を発動したまま、６０００ｒｐｍになると、上述した通り、５次でクランクの捩り共振が励起され破損に至ってしまう。

よって、この例の場合、５０００ｒｐｍ近傍では制御ＯＮ、６０００ｒｐｍ近傍では制御ＯＦＦとする。本現象は、エンジン１１の爆発によって起こる現象であるという理由かから、本制御方法では、上述したようにエンジン回転数とアクセル開度（爆発力）も加味している。つまり、本制御方法では、回転数とアクセル開度が破損に至る条件（本例では、５０００ｒｐｍ時の６次によってＰＣＵ１０が破損するアクセル開度を実験等により事前に得ておく）となった時に、点火時期の制御を発動する。

ここで、上記の（式１）について一般化して説明しながら、所定回転数以下で制御した後の制御の例について説明する。

次数Ｎａとは、クランク軸の１回転における振動回数であり、１つの気筒内ではクランク軸が２回転（即ち７２０度回転）する度に１回爆発する。そのため、Ｎａ次の振動成分の振動周期Ｔをクランク角に換算すると、次式になる。
Ｔ＝７２０度／（２×Ｎａ）

とある気筒の爆発タイミングをθ度のクランク角だけずらす場合、その気筒のＮａ次数の振動成分もθ度のクランク角だけずれる。よって、Ｎａ次数の振動成分の位相ずれωは、下式で表される。これは、上述した位相ズレ量（度）の式である（式１）と同義である。
ω＝（θ／Ｔ）×２π＝（θ／７２０度）×２π×２×Ｎａ

したがって、本制御方法における点火時期の制御を実行するとき、Ｎａ次数の振動成分について所望の位相ずれωを得るために、点火時期のクランク角ずれ量θは下式で表される。
θ＝ω／Ｎａ

なお、Ｎ１次数の振動成分をω１だけの位相をずらすと、Ｎ２次数の振動成分には同時にω２だけの位相ずれが発生する。ω１／Ｎ１＝ω２／Ｎ２という関係から導き出されるω２は下式で表される。
ω２＝（Ｎ２／Ｎ１）×ω１

そのため、上述した通り、所定回転数Ｎｅ１で、共振を励起する所定次数Ｎ１の振動成分の位相をω１ずらす場合、そもそも共振を励起しない次数Ｎ２の振動成分にω２の位相ずれが発生するため、クランク共振を励起できるようになる。その共振は、とある回転数Ｎｅ２で次数Ｎ２の振動成分の振動周波数がクランクシャフト１１ａの固有周波数に等しくなる時に発生する。したがって、所定回転数Ｎｅ１で実行する本制御方法の点火時期の制御（位相ずれ制御）を、エンジン回転数が回転数Ｎｅ２となったときにはキャンセルする必要がある。

次に、図２１を参照しながら本制御方法の一例について説明する。
本制御方法では、まず、Ｐ［ｒｐｍ］≦エンジン回転数≦Ｑ［ｒｐｍ］、且つ、アクセル開度≧Ｒ［％］であるか否かを判定し（ステップＳ１）、ＹＥＳであった場合には上述したような点火時期の制御をＯＮにする（ステップＳ２）。

上述したＰ、Ｑで示す値による判定は、偶数次数がクランク捩り共振を励起する回転数であって、所定回転数に幅をもたせていることを示している。また、上述したＲで示す値は、上記励起する回転数でＰＣＵ１０が破損するアクセル開度である。いずれの値も、実験等により破損に至る条件を出して、設定しておけばよい。５０００回転且つアクセル開度８０％で破損した実験例があれば、例えば余裕をもたせてＲ＝７０［％］などとしておけばよい。

点火時期の制御の内容は、＃１に対する＃２，＃３の位相をズラせばよいが、これは一例に過ぎず、クランク捩り共振が励起されない位相関係であればよい。また、ズラす位相は、＃１を１８０度ズラすのが好ましいが、少しのズラしでも効果はあるため、ＰＣＵ１０が破損しない程度にズラすだけであってもよい。

ステップＳ１でＮＯであった場合には、エンジン１１が停止しているか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５でＹＥＳの場合、処理を終了し、ステップＳ５でＮＯの場合には、ステップＳ１へ戻る。

本制御方法では、ステップＳ２の後、再度ステップＳ１と同じ判定を行い（ステップＳ３）、ステップＳ３でＮＯとなるまで待つ。本制御方法では、ステップＳ３でＮＯとなった場合、上述したような点火時期の制御をＯＦＦとし（ステップＳ４）、ステップＳ５へ移行する。

以上、本制御方法によれば、クランクシャフト１１ａの捩り共振を最も強く励起する振動成分が共振を励起し難くなる。また、本制御方法では、該振動成分が共振を励起する回転数になった場合において実行されるので、本来共振を励起し難い振動成分が位相ずれにより共振を励起し易い成分になって他の回転数区間で共振を励起することを回避できる。また、本制御方法では、アクセル開度が所定開度以上であるときに実行するので、例えばＰＣＵ１０が振動で破損する虞がある振動が発生するときのみに制御を実行することができ、エンジン１１の運転性能への影響を極力制限することができる。

（代替例等）
以上では、本実施形態について４気筒の場合、特に＃１→＃３→＃４→＃２の順番で爆発するエンジンを例に挙げて説明したが、上述したようにｎは４に限らない。例えば、３気筒で＃１→＃２→＃３の順番で爆発するエンジンは、パターンが３種類で、クランク捩り共振を励起するのは、回転１．５次、３次、４．５次、６次、・・・、１．５ｍ次（ｍ＝１、２、３、・・・）である。よって、３気筒の場合には、エンジンの上限回転数を４気筒の場合と同様に考慮したうえで、１．５次、３次、４．５次、６次、・・・の中で最も小さい次数Ｎを所定次数として、所定回転数を設定すればよい。

また、４気筒について、＃１→＃３→＃４→＃２の順番で爆発するエンジンを例に挙げて説明したが、本実施形態に係る制御方法は、他の順番で爆発するエンジンについても同様の考え方で適用できる。この順番によっては、どの気筒に対してどの気筒の点火時期をずらすのか、どの程度ずらすのかといった好ましい制御のパターンが異なることもある。また、＃２及び＃３の点火時期が同位相で、＃１の点火時期を＃２及び＃３の点火時期に対してずらせた例を挙げたが、例えば、＃２及び＃３の点火時期が異なる位相であっても、＃１の点火時期を＃２及び＃３の双方の点火時期に対してずらすこともできる。

また、本実施形態に係る制御方法の説明としてクランク捩り共振によるＰＣＵ破損への対策のための方法を例に挙げて説明した。しかし、これに限ったものではなく、本実施形態に係る制御方法は、クランク捩り共振による音（クランク打音）に対しても有効である。

また、本実施形態に係る制御方法について、その方法を適用可能なハイブリッドシステムを例に挙げて説明したが、ハイブリッドシステムに限らず、エンジンのみを動力源として移動する車両等のシステムであっても、共振を抑える効果を奏するため、適用できる。

また、上述の説明では、点火時期の制御方法として、第１気筒に対する第２気筒の点火時期、又は第２気筒に対する第１気筒の点火時期を制御した例を挙げたが、本実施形態は、これに限ったものではない。本実施形態に係る制御方法は、エンジンの回転数が所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき、特定の気筒に対する他の特定の気筒（他の特定の１又は複数の気筒）の点火時期を制御すればよい。本実施形態では、特定の気筒と他の特定の気筒との組合せや、どの程度ずらすのか、どのようなずらし方をするのかなど、様々な制御のパターンを採用することができる。また、ずらし方は、片方のみ遅くするのか、片方のみ早くするのか、双方ずらすのか、双方ずらす場合にどちらを早くしてどちらを遅くするのか、双方とも早く又は遅くしてその程度を変えるのか、など様々な例が挙げられる。

この制御方法では、振動成分が共振を励起する回転数になった場合において点火時期が制御されることから、本来共振を励起し難い振動成分が位相ずれにより共振を励起し易い成分になって他の回転数区間で共振を励起することを回避できる。さらに、この制御方法では、アクセル開度が所定開度以上であるときに点火時期が制御されることから、共振が或る程度以上になるような場面で制御がなされるため、エンジンの性能への影響を極力制限することができる。よって、この制御方法によれば、共振位置に専用の防振部材を使用したりエンジンの性能を常に限定する制御を実行したりしなくても、部品間の共振を抑制することが可能になる。

また、本実施形態に係る制御方法は、点火時期を制御する制御コンピュータにより実行されることができる。この制御コンピュータは、エンジンを搭載する車両に搭載されていればよい。また、この制御コンピュータは、例えば、プロセッサ、メモリ、及びインタフェースを有することができる。プロセッサは、例えば、マイクロプロセッサ、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）、又はＣＰＵ（Central Processor Unit）、その他の集積回路（Integrated Circuit）などであってもよい。プロセッサは、複数のプロセッサを含んでもよい。メモリは、例えば、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせによって構成される。本実施形態に係る制御方法は、プロセッサがメモリに記憶された制御プログラムを読み込んで実行することにより実現される。この際、制御に必要な情報の入出力は、インタフェースを介して行うことができる。この制御プログラムは、上述した制御方法を制御コンピュータに実行させるためのプログラムである。

この制御プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）を含む。さらに、この例は、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリを含む。この半導体メモリとしては、例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）などが挙げられる。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

１ ハイブリッドシステム
１１ エンジン（エンジンブロック）
１２ モータ（モータブロック）
１２ａ ステータ
１０ 電力制御ユニット（ＰＣＵ）
１１ａ クランクシャフト
１１ｂ プーリダンパ
１１ｃ フライホイール

Claims (1)

1. ４ストロークの直列ｎ気筒のエンジンにおける内燃機関点火時期の制御方法であって、
   前記エンジンの回転数が所定回転数であり、且つアクセル開度が所定開度以上であるとき、特定の気筒に対する他の特定の気筒の点火時期を制御し、
   前記所定回転数は、所定次数の振動成分の振動周波数が前記エンジンに具備されるクランクシャフトの共振周波数に等しい周波数になる場合の回転数に基づいて設定され、
   前記所定次数の振動成分とは、前記エンジンの上限回転数以下の回転数で前記クランクシャフトの共振周波数に到達でき且つ次数がｎ／２の整数倍である振動成分のうち、次数が最も小さい振動成分である、
   内燃機関点火時期の制御方法。

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