(57)【要約】【課題】モータにて駆動される可変圧縮比機構を備える内燃機関において、モータの消費電力を低減する。【解決手段】内燃機関は、クランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変更する可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構は、クランクケースとシリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むカムシャフトを回転させるモータとを含む。機械圧縮比を上昇させる場合には、筒内圧を取得し、筒内圧および偏心軸の位置に基づいてモータの要求トルクを推定する。要求トルクが判定値よりも大きい場合には、要求トルクに応じてモータに供給する電力を変更し、要求トルクが判定値以下の場合には、この判定値のトルクを出力する電力をモータに供給する。【選択図】図１３
2014227936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクケースを含む支持構造物と、
燃焼室を有するシリンダブロックと、
支持構造物に対するシリンダブロックの相対位置を変更することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備え、
可変圧縮比機構は、支持構造物とシリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むシャフトと、シャフトを回転させる回転機とを含み、
回転機は、供給する電力を増大すると出力されるトルクが増大する特性を有しており、
機械圧縮比を上昇させる場合には、筒内圧を取得し、筒内圧および偏心軸の位置に基づいて回転機に要求される要求トルクを推定し、
要求トルクが予め定められた判定値よりも大きい場合には、要求トルクに応じて回転機に供給する電力を変更し、要求トルクが予め定められた判定値以下の場合には、予め定められた判定値のトルクを出力する電力を回転機に供給する、内燃機関。
【請求項２】
回転機が出力するトルクの範囲が予め定められており、回転機が出力する最小のトルクが予め定められた判定値に設定されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
機関回転数、潤滑油の動粘度および筒内圧に基づいてシャフトにおける摩擦係数を算出し、摩擦係数および偏心軸の位置に基づいて回転機の要求トルクを設定する、請求項１または２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室では、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、内燃機関の出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくすることができて、熱効率の向上を図ることができる。ところが、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更する内燃機関が知られている。運転期間中に圧縮比を変更する可変圧縮比機構としては、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更する機構を採用することが知られている。
【０００３】
特開２００９−２６４２５８号公報においては、シリンダブロックとクランクケースとが、サーボモータの駆動力によって、シリンダの軸線方向に相対的にスライド移動可能に構成されている機械圧縮比変更機構が開示されている。この公報には、機械圧縮比を所定の目標圧縮比まで変化させる際に、サーボモータの駆動力によりシリンダブロックを所定の動作状態で相対移動させることが可能な動作可能条件が成立するときに、シリンダブロックを相対移動させることが開示されている。特に、内燃機関の筒内圧の大きさが所定の基準値以下である場合に、動作可能条件が成立すると判定することが開示されている。
【０００４】
特開２００９−１１５０６０号公報においては、アクチュエータにて圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備える可変圧縮比内燃機関において、低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更する場合には、アクチュエータの回転角度を目標回転角度へと変化させるときに実際の回転角度が目標回転角度を超えさせることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６４２５８号公報
【特許文献２】特開２００９−１１５０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃焼室において燃料が燃焼すると、燃焼室の圧力、すなわち筒内圧が上昇する。筒内圧が上昇すると、燃焼室を構成する部材に対して燃焼室の容積が大きくなる方向に力が作用し、可変圧縮比機構に作用する力も増大する。
【０００７】
クランクケースに対してシリンダブロックを相対移動することにより機械圧縮比を変更する内燃機関では、筒内圧によりシリンダブロックがクランクケースから離れる向きに力が作用する。すなわち、シリンダブロックに対して機械圧縮比が低下する向きに筒内圧が作用する。このために、機械圧縮比を上昇する場合には、機械圧縮比を低下する場合よりも大きな駆動力にて可変圧縮比機構を駆動する必要がある。
【０００８】
可変圧縮比機構は、モータなどの回転機により駆動することができる。回転機は、供給する電力を増大することにより出力されるトルクを増大することができる。筒内圧は内燃機関の運転状態に応じて変化し、可変圧縮比機構を駆動するために必要な駆動力も変化する。ここで、回転機に常に大きな電力を供給することにより、多くの運転範囲において機械圧縮比を上昇させることができる。たとえば、モータの電流値が常に最大になるように電力を供給することにより、多くの運転状態において機械圧縮比を変更することができる。ところが、回転機に常に大きな電力を供給すると、可変圧縮比機構の消費電力が大きくなってしまうという問題がある。
【０００９】
上記の特開２００９−２６４２５８号公報においては、内燃機関の筒内圧の大きさが所定の基準値以下である場合に機械圧縮比を変更することが開示されている。ところが、偏心軸を含むカムシャフトを回転することによりクランクケースに対してシリンダブロックを相対移動させる可変圧縮比機構においては、カムシャフトのリンク機構の状態にも依存して回転機に要求されるトルクが変化する。このために、可変圧縮比機構の消費電力の低減に改善の余地がある。
【００１０】
本発明は、回転機にて駆動される可変圧縮比機構を備える内燃機関において、回転機の消費電力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の内燃機関は、クランクケースを含む支持構造物と、燃焼室を有するシリンダブロックと、支持構造物に対するシリンダブロックの相対位置を変更することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備える。可変圧縮比機構は、支持構造物とシリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むシャフトと、シャフトを回転させる回転機とを含む。回転機は、供給する電力を増大すると出力されるトルクが増大する特性を有している。機械圧縮比を上昇させる場合には、筒内圧を取得し、筒内圧および偏心軸の位置に基づいて回転機に要求される要求トルクを推定する。要求トルクが予め定められた判定値よりも大きい場合には、要求トルクに応じて回転機に供給する電力を変更し、要求トルクが予め定められた判定値以下の場合には、予め定められた判定値のトルクを出力する電力を回転機に供給する。
【００１２】
上記発明においては、回転機が出力するトルクの範囲が予め定められており、回転機が出力する最小のトルクが予め定められた判定値に設定されることができる。
【００１３】
上記発明においては、機関回転数、潤滑油の動粘度および筒内圧に基づいてシャフトにおける摩擦係数を算出し、摩擦係数および偏心軸の位置に基づいて回転機の要求トルクを設定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転機にて駆動される可変圧縮比機構を備える内燃機関において、回転機の消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態における内燃機関の概略全体図である。
【図２】実施の形態における可変圧縮比機構の概略分解斜視図である。
【図３】実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第１の概略断面図である。
【図４】実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第２の概略断面図である。
【図５】実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第３の概略断面図である。
【図６】実施の形態におけるカムシャフトのリンク機構に関する偏心軸角度と角度係数との関係のグラフである。
【図７】シリンダブロックを移動するときのカムシャフトにおける摩擦係数を説明するグラフである。
【図８】実施の形態における可変圧縮比機構のモータの電流とモータが出力するトルクとのグラフである。
【図９】実施の形態における可変圧縮比機構のモータの回転数とモータが出力するトルクとのグラフである。
【図１０】（ａ）は実施の形態における内燃機関の第１の運転状態における偏心軸角度に対するモータのトルクのグラフであり、（ｂ）は偏心軸角度に対するモータの電流のグラフである。
【図１１】（ａ）は実施の形態における内燃機関の第２の運転状態における偏心軸角度に対するモータのトルクのグラフであり、（ｂ）は偏心軸角度に対するモータの電流のグラフである。
【図１２】（ａ）は実施の形態における内燃機関の第３の運転状態における偏心軸角度に対するモータのトルクのグラフであり、（ｂ）は偏心軸角度に対するモータの電流のグラフである。
【図１３】実施の形態における運転制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１から図１３を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に取り付けられている火花点火式の内燃機関を例示して説明する。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備える。
【００１７】
図１は、実施の形態における内燃機関の概略図である。内燃機関は、機関本体９０を備える。機関本体９０は、クランクケース１を含む支持構造物を含む。支持構造物は、クランクシャフトを支持するように形成されている。機関本体９０は、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３を含む。シリンダブロック２の内部に形成された穴部には、ピストン４が配置されている。燃焼室５の頂面の中央部には、点火栓６が配置されている。本発明においては、任意のピストン４の位置において、ピストン４の冠面、シリンダブロック２の穴部およびシリンダヘッド３に囲まれる空間を燃焼室と称する。また、燃焼室５の圧力、すなわち筒内圧を検出する筒内圧力検出器としての筒内圧センサ２３が配置されている。
【００１８】
シリンダヘッド３には、吸気ポート８および排気ポート１０が形成されている。吸気ポート８の端部には吸気弁７が配置されている。吸気弁７は、吸気カム４９が回転することにより開閉する。排気ポート１０の端部には、排気弁９が配置されている。吸気ポート８は、吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。吸気枝管１１には夫々対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置されている。なお、燃料噴射弁１３は吸気枝管１１に取付ける代りに、各燃焼室５に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
【００１９】
サージタンク１２は、吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結されている。吸気ダクト１４の内部にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７が配置されている。また、吸気ダクト１４の内部には、例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８が配置されている。一方、排気ポート１０は、排気マニホールド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒装置２０に連結されている。排気マニホールド１９には空燃比センサ２１が配置されている。
【００２０】
本実施の形態における内燃機関は、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａを備える。可変圧縮比機構Ａは、クランクケース１に対するシリンダブロック２のシリンダ軸線方向における相対位置を変化させるように形成されている。クランクケース１とシリンダブロック２との間には、付勢部材としてのリフトスプリング６５が配置されている。リフトスプリング６５は、クランクケース１から離れる向きにシリンダブロック２を付勢するように形成されている。なお、付勢部材としては、この形態に限られず、クランクケース１から離れる向きにシリンダブロック２を付勢する任意の部材を採用することができる。
【００２１】
クランクケース１とシリンダブロック２には、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置を検出するための相対位置センサ２２が取付けられている。相対位置センサ２２からはクランクケース１とシリンダブロック２との間隔の変化を示す出力信号が出力される。スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ２４が取付けられている。
【００２２】
本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータを含む。デジタルコンピュータは、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。
【００２３】
吸入空気量検出器１８、空燃比センサ２１、相対位置センサ２２、筒内圧センサ２３およびスロットル開度センサ２４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。負荷センサ４１の出力により要求負荷を検出することができる。更に、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、クランク角度および機関回転数を検出することができる。
【００２４】
一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して点火栓６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６、および可変圧縮比機構Ａに接続される。これらの装置は、電子制御ユニット３０により制御されている。
【００２５】
図２に、本実施の形態における可変圧縮比機構の分解斜視図を示す。図３に本実施の形態における可変圧縮比機構の第１の概略断面図を示す。図２および図３を参照して、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されている。各突出部５０には断面形状が円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁には互いに間隔を隔てて、突出部５０同士の間に嵌合される複数個の突出部５２が形成されている。これらの突出部５２にも断面形状が円形のカム挿入孔５３が形成されている。
【００２６】
本実施の形態における可変圧縮比機構は、一対のカムシャフト５４，５５を含む。カムシャフト５４，５５は、クランクケース１とシリンダブロック２との間に介在する。各カムシャフト５４，５５上には、一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が配置されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には、図３に示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸５７が延びている。この偏心軸５７には、別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるように、円形カム５６は、各円形カム５８の両側に配置されている。これらの円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１に回転可能に挿入されている。シリンダブロック２は、偏心軸５７を含むカムシャフト５４，５５を介して、クランクケース１に支持されている。
【００２７】
図４に、本実施の形態における可変圧縮比機構の第２の概略断面図を示す。図５に、本実施の形態における可変圧縮比機構の第３の概略断面図を示す。図３から図５は、通常運転において機械圧縮比を変更するときの可変圧縮比機構の機能を説明する断面図である。図３に示す状態から各カムシャフト５４，５５上に配置された円形カム５８を矢印６８に示すように、互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに近づく方向に移動する。偏心軸５７は、それぞれのカムシャフト５４，５５の回転軸線の周りに回転する。シリンダブロック２は、矢印９９に示すようにクランクケース１から離れる向きに移動する。このときに円形カム５６は、カム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図４に示されるように偏心軸５７が低い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印６８で示される方向に回転させると、シリンダブロック２は、矢印９９に示すように更にクランクケース１から離れる向きに移動する。この結果、図５に示されるように偏心軸５７は最も高い位置となる。
【００２８】
図３から図５には、それぞれの状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。図３から図５を比較するとわかるように、クランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まる。円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離が大きくなるほど、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる。即ち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたリンク機構によりクランクケース１とシリンダブロック２との間の相対位置が変化する。
【００２９】
シリンダブロック２がクランクケース１から離れると、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大する。シリンダブロック２がクランクケース１に近づくと、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は減少する。従って各カムシャフト５４，５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。
【００３０】
本実施の形態における可変圧縮比機構は、燃焼室５の容積を変更するための偏心軸５７を回転させる駆動装置を含む。図２に示されるように、駆動装置は、回転機としてのモータ５９、ウォーム６１，６２およびウォームホイール６３，６４等を含む。回転軸６０には、カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるように、螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１，６２が取付けられている。ウォーム６１，６２と噛合するウォームホイール６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。なお、駆動装置の回転機としては、モータ５９に限られず、カムシャフト５４，５５を回転させることができる任意の装置を採用することができる。
【００３１】
本実施の形態では、モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。可変圧縮比機構は、電子制御ユニット３０に制御されており、カムシャフト５４，５５を回転させるモータ５９は、対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続されている。
【００３２】
このように、本実施の形態における可変圧縮比機構は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が相対的に移動することにより、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室５の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積とピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と称する。機械圧縮比は、吸気弁の閉弁時期等に依存せずに、（機械圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋ピストンの行程容積）／（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積）にて示すことができる。
【００３３】
図３に示す状態では、燃焼室５の容積が小さくなっており、機械圧縮比が高い状態である。吸入空気量が常時一定の場合には実際の圧縮比が高くなる。これに対して、図５に示す状態では、燃焼室５の容積が大きくなっており、機械圧縮比が低い状態である。吸入空気量が常時一定の場合には実際の圧縮比が低くなる。
【００３４】
本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に機械圧縮比を変更することにより、実際の圧縮比を変更することができる。内燃機関の運転状態に応じて、可変圧縮比機構により機械圧縮比を変更することができる。たとえば、要求負荷が大きくなるほど、吸入空気量が多くなりノッキング等の異常燃焼が生じやすくなる。このために、予め定められた運転領域において、要求負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる制御を行うことができる。
【００３５】
図３から図５を参照して、偏心軸５７は、カムシャフト５４，５５の回転軸、すなわち円形カム５８の回転軸を中心に回転する。機械圧縮比を低下させる場合には、偏心軸５７を矢印６８に示す向きに回転させる。機械圧縮比を上昇させる場合には、偏心軸５７を矢印６９に示す向きに回転させる。
【００３６】
図１を参照して、本実施の形態においては、リフトスプリング６５によって、シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きに付勢されている。内燃機関の運転期間中には、重力の影響や燃焼サイクルの吸気行程において燃焼室５が負圧になる影響により、シリンダブロック２に対してクランクケース１に近づく向きに力が作用する場合がある。しかしながら、リフトスプリング６５が配置されることにより、クランクケース１はシリンダブロック２が離れる向きに常に付勢され、シリンダブロック２に振動等が生じることを抑制できる。
【００３７】
更に、内燃機関の運転期間中には、燃焼室５において燃料の燃焼が行なわれごとに、筒内圧によりシリンダブロック２に対してクランクケース１から離れる向きに力が作用する。筒内圧によりシリンダブロック２に加わる力は、内燃機関の運転状態に依存する。たとえば、可変圧縮比機構の機械圧縮比、吸入空気量および機関回転数などの内燃機関の運転状態に依存する。
【００３８】
図２を参照して、クランクケース１から離れる向きにシリンダブロック２に加わる力は、偏心軸５７を含むカムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４およびウォーム６１，６２を介してモータ５９に伝達される。このときの逆入力の回転力の方向は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向に対応する。機械圧縮比を上昇する場合には、この逆入力の回転力よりも大きなトルクが必要になり、この回転力がモータ５９に要求される要求トルクに相等する。
【００３９】
本実施の形態においては、機械圧縮比を上昇させる場合に、シリンダブロック２に加わる力を推定し、シリンダブロック２に加わる力に基づいてモータ５９に要求される要求トルクを設定し、モータ５９の要求トルクに基づいてモータ５９に供給する電力を設定する制御を行う。
【００４０】
図１を参照して、筒内圧によりシリンダブロック２に加わる力は、筒内圧センサ２３により検出される筒内圧に基づいて推定することができる。例えば、複数の気筒における筒内圧のうち、至近の筒内圧の極大点を用いて、シリンダブロック２に加わる力を推定することができる。リフトスプリング６５によりシリンダブロック２に加わる力は、リフトスプリング６５の縮み量に基づいて推定することができる。リフトスプリング６５の縮み量は、たとえば、相対位置センサ２２により検出されるクランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置に基づいて推定することができる。筒内圧による付勢力およびリフトスプリング６５による付勢力を加算することにより、シリンダブロック２に加わる力を推定することができる。
【００４１】
シリンダブロック２に加わる力は、カムシャフト５４，５５におけるリンク機構により、回転力に変換される。図３から図５を参照して、本実施の形態においては、円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂとを結ぶ線と、シリンダブロック２の移動方向とのなす角度を偏心軸角度θと称する。機械圧縮比が最も高い図３に示す状態では、偏心軸角度が０°である。本実施の形態においては、機械圧縮比が低下するほど、偏心軸角度θが増大する。そして、図５に示すように、機械圧縮比が最小の状態では、偏心軸角度θがほぼ１８０°である。
【００４２】
偏心軸角度θが変化することにより偏心軸５７の位置が変化する。偏心軸角度θは、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置から推定することができる。または、任意の装置により偏心軸角度θを検出しても構わない。
【００４３】
図６に、偏心軸角度に対する角度係数のグラフを示す。縦軸の角度係数は、カムシャフト５４，５５におけるリンク機構によりシリンダブロック２に加わる力がウォームホイール６３，６４に伝達されるときの力の伝達率を示している。図３から図５に示すように、本実施の形態の可変圧縮比機構は、円形カム５６，５８の中心ｃ，ａと偏心軸５７の中心ｂとが相対移動するリンク機構を有する。シリンダブロック２に加わる力は、このリンク機構を介してウォームホイール６３，６４に伝達される。このときに、リンク機構の状態、すなわち、偏心軸角度θに依存して、ウォームホイール６３，６４に伝達される回転力が変化する。シリンダブロックに加わる力が同一であっても、角度係数が大きくなるほどウォームホイール６３，６４に加わるトルクは大きくなる。
【００４４】
更に、本実施の形態においては、カムシャフト５４，５５における摩擦を考慮する。図１から図３を参照して、本実施の形態の可変圧縮比機構においては、機械圧縮比を変更する場合には、カムシャフト５４，５５を回転させる。この時に、それぞれの円形カム５６，５８とカム挿入孔５１，５３とが摺動する。また、偏心軸５７と円形カム５６とが摺動する。本実施の形態の内燃機関は、潤滑油供給装置を備え、潤滑油供給装置によって可変圧縮比機構の摺動部分に潤滑油が供給されている。本実施の形態の潤滑油供給装置は、クランクケース１の底部に貯留する潤滑油としてのエンジンオイルを可変圧縮比機構の摺動部分に供給する。
【００４５】
可変圧縮比機構のそれぞれの部材同士の間には油膜が形成される。このような油膜の効果としては、互いに対向する部材同士の表面が互いに傾いている場合に生じるくさび膜効果と、互いに対向する部材同士の表面が接近することにより生じる絞り膜効果とが知られている。ここで、発明者らは、本実施の形態の可変圧縮比機構では、くさび膜効果による潤滑作用よりも絞り膜効果による潤滑作用が支配的であることを見出した。すなわち、部材同士が近接する動作が潤滑作用に大きく影響することを見出した。
【００４６】
本実施の形態においては、カムシャフト５４，５５における摩擦に関する摩擦係数を推定する時に、新たな変数Ｓを導入する。変数Ｓは、次の式（１）に示すように表される。
Ｓ＝η・Ｎｅ／Ｆ  …（１）
【００４７】
ここで、係数ηは潤滑油の動粘度であり、変数Ｆはシリンダブロック２に加わる力であり、変数Ｎｅは機関回転数である。シリンダブロック２に加わる力Ｆは、リフトスプリング６５による付勢力および筒内圧により作用する力が含まれる。シリンダブロック２に加わる力Ｆは、カムシャフト５４，５５に作用する力に対応する。また、シリンダブロック２に加わる力Ｆは、カムシャフト５４，５５の摺動部分の圧力に対応する。すなわち、シリンダブロック２に加わる力が増大すると、カムシャフト５４，５５の摺動部分に加わる圧力も増大する。
【００４８】
図７に、変数Ｓとカムシャフト５４，５５における摩擦係数ｆとのグラフを示す。変数Ｓが増加すると摩擦係数ｆが減少することが分かる。たとえば、シリンダブロックに一定の荷重が加わっている場合には、変数Ｓが大きくなるほど摩擦が小さくなることが分かる。変数Ｓは、機関回転数Ｎｅの関数になっている。機関回転数Ｎｅが上昇することにより摩擦係数ｆは減少する。これは、機関回転数Ｎｅが上昇すると、カムシャフト５４，５５においてシリンダブロック２の移動方向の振動の周波数が増大して、摩擦係数が小さくなると考えられる。すなわち、機関回転数が増大すると絞り膜効果により摩擦が低減されると考えられる。また、図７に示す変数Ｓの領域では、シリンダブロック２に加わる力Ｆが増大すると、摩擦係数ｆが増大している。
【００４９】
変数Ｓは、内燃機関の運転状態に依存する。たとえば、機関回転数Ｎｅが変化したり、シリンダブロック２に加わる力Ｆが変化したりすると、変数Ｓも変化する。図７には、内燃機関の第１の運転状態ＣＩ１、第２の運転状態ＣＩ２、および第３の運転状態ＣＩ３の運転例が示されている。
【００５０】
本実施の形態の制御装置は、摩擦係数ｆを推定する。図７に示すグラフの変数Ｓに対する摩擦係数ｆの関係は、予め電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。変数Ｓを算出するための潤滑油の動粘度ηは予め記憶させておくことができる。機関回転数Ｎｅは、クランク角センサ４２により検出することができる。シリンダブロック２に加わる力Ｆは、相対位置センサ２２の出力によりリフトスプリング６５の付勢力を推定し、筒内圧センサ２３の出力により筒内圧により作用する力を推定し、リフトスプリング６５の付勢力および筒内圧に基づいて算出することができる。そして、変数Ｓを算出し、変数Ｓに基づいて摩擦係数ｆを設定することができる。
【００５１】
シリンダブロック２に加わる力Ｆは、シリンダブロック２からカムシャフト５４，５５に加わる力になる。摩擦係数が設定されると、カムシャフト５４，５５に加わる力、角度係数、および摩擦係数に基づいて、機械圧縮比を上昇する方向にカムシャフト５４，５５を回転するために必要なトルクを算出することができる。更に、カムシャフト５４，５５を回転させるために必要なトルクと、ウォーム６１，６２とウォームホイール６３，６４とのギヤ比等に基づいて、機械圧縮比を上昇させるためにモータ５９に要求される要求トルクを算出することができる。算出される要求トルクは、前述のように偏心軸角度θの関数になる。
【００５２】
本実施の形態においては、このように算出されたモータ５９の要求トルクに基づいて、モータ５９に供給する電力を設定する。本実施の形態における制御装置は、デューティ制御によりモータ５９に供給する電力を調整する。本実施の形態の可変圧縮比機構は、デューティ比を変化させることにより、モータ５９の電流を変化させるように形成されている。
【００５３】
図８に、本実施の形態におけるモータ５９の電流に対してモータ５９が出力するトルクの関係を説明するグラフを示す。モータ５９に供給する電流を増大させるほど、モータ５９が出力するトルクが増大する。図９に、本実施の形態におけるモータ５９の回転数とモータ５９が出力するトルクとの関係を説明するグラフを示す。モータ５９は、出力するトルクが大きくなるとモータ５９の回転数が減少する特性をしている。このように、本実施の形態のモータ５９は、モータ５９に供給する電流を増大すると、モータ５９が出力するトルクは増大するが、モータ５９の回転数Ｒは減少する特性を有する。
【００５４】
図８および図９を参照して、本実施の形態においては、モータ５９の運転範囲が予め定められている。モータ５９の電流値Ｉ２以上電流値Ｉ１以下の範囲が、モータ５９に供給する電力の範囲である。本実施の形態においては、モータ５９の電流値が最大の電流値Ｉ１になるモータ５９の運転状態ＣＭ１からモータ５９の電流値が最小の電流値Ｉ２になるモータ５９の運転状態ＣＭ２まで連続的に運転可能に形成されている。モータ５９に供給する電力は、電流値Ｉ２から電流値Ｉ１まで連続的に変化するように制御される。
【００５５】
モータ５９が出力する回転力は、トルクＴ２以上トルクＴ１以下の範囲内で連続的に変化する。本実施の形態においては、トルクＴ２がモータ５９の運転範囲における最小のトルクになる。また、モータ５９の回転数は、回転数Ｒ１以上回転数Ｒ２以下の範囲内で連続的に変化する。
【００５６】
図１０から図１２は、本実施の形態の内燃機関の複数の運転状態において、偏心軸角度に対するモータ５９の要求トルクおよびモータ５９の電流のグラフを示している。図１０から図１２においては、摩擦係数ｆの作用の比較のために、シリンダブロック２に加わる力が一定であるとして実施例を示している。
【００５７】
図１０は、本実施の形態の内燃機関の第１の運転状態ＣＩ１におけるグラフであり、（ａ）は偏心軸角度とモータ５９のトルクとの関係を示し、（ｂ）は偏心軸角度とモータ５９の電流との関係を示している。図７を参照して、第１の運転状態ＣＩ１では摩擦係数ｆが大きくなり、モータ５９に要求される要求トルクが大きくなる。図１０（ａ）に示すグラフでは、モータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘが大きくなる。また、図６を参照して、モータ５９の要求トルクは偏心軸角度θに依存する。このため、要求トルクは偏心軸５７の位置に応じて変化する。
【００５８】
図１０（ａ）には、モータ５９の運転範囲おいて、モータ５９が出力する最大のトルクＴ１と最小のトルクＴ２が記載されている。第１の運転状態ＣＩ１では、要求トルクの最大値Ｔｍａｘとモータ５９の運転範囲おける最大のトルクＴ１とがほぼ等しくなっている。偏心軸角度θ１において要求トルクの最大値Ｔｍａｘになり、モータ５９のトルクＴ１が出力される。
【００５９】
ここで、本実施の形態の運転制御では、現在のモータ５９の要求トルクＴｊが、モータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２以下の場合には、モータ５９がトルクＴ２を出力する電流値が設定される。すなわち、モータ５９の電力の供給範囲のうち、最小の電力となるように電流値を設定する。
【００６０】
本実施の形態においては、モータ５９が出力する最小のトルクＴ２に対応する偏心軸角度θＬおよび偏心軸角度θＨを推定する。そして、現在の偏心軸角度θｊが偏心軸角度θＬ以下、または偏心軸角度θＨ以上の場合には、要求トルクがモータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２以下であると判別する。制御装置は、モータ５９がトルクＴ２を出力するように電流を設定する。すなわちモータ５９に供給される電流が電流値Ｉ２になるように制御される。
【００６１】
一方で、現在の要求トルクＴｊが、モータ５９の最小のトルクＴ２よりも大きな場合には、要求トルクＴｊに応じて、モータ５９に供給する電力を変化させる。要求トルクＴｊが大きくなるほど、モータ５９に供給する電力を増大する制御を行う。すなわち、偏心軸角度θに応じて、モータ５９に供給する電力を変化させる。本実施の形態においては、要求トルクＴｊと同一のトルクを出力するようにモータ５９に電力が供給される。
【００６２】
本実施の形態においては、現在の偏心軸角度θｊが偏心軸角度θＬよりも大きく偏心軸角度θＨ未満の範囲内の場合には、モータ５９の要求トルクがモータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２よりも大きいと判別する。そして、要求トルクＴｊに基づいて電流値Ｉｊを設定し、モータ５９の電流が電流値Ｉｊになるように電力を供給する。本実施の形態においては偏心軸角度θ１においてモータ５９の電流値Ｉ１が設定される。
【００６３】
たとえば、矢印１０１に示すように偏心軸角度θｊの状態から機械圧縮比を上昇させる場合には、モータ５９の電流値Ｉｊによりモータ５９の駆動を開始し、偏心軸角度θＬに到達するまで徐々にモータ５９の電流値Ｉを減少させる。そして、偏心軸角度θＬ以下の領域では、モータ５９の電流を電流値Ｉ２に維持する制御を行う。
【００６４】
図１１は、内燃機関の第２の運転状態ＣＩ２におけるグラフであり、（ａ）は偏心軸角度とモータ５９のトルクとの関係を示し、（ｂ）は偏心軸角度とモータ５９の電流との関係を示している。図７を参照して、第２の運転状態ＣＩ２では摩擦係数ｆが第１の運転状態ＣＩ１よりも小さくなり、モータ５９の要求トルクも第１の運転状態ＣＩ１よりも小さくなっている。たとえば、図１１（ａ）のグラフにおいて、第２の運転状態ＣＩ２のモータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘは、第１の運転状態ＣＩ１の要求トルクの最大値Ｔｍａｘよりも小さくなっている。第２の運転状態ＣＩ２においては、モータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘは、モータ５９が出力する最小のトルクＴ２よりも大きくなり、モータ５９が出力する最大のトルクＴ１よりも小さくなっている。
【００６５】
第２の運転状態ＣＩ２においても、第１の運転状態ＣＩ１と同様に、現在の要求トルクＴｊを推定し、要求トルクＴｊがモータ５９の出力する最小のトルクＴ２以下であれば、モータ５９には最小の電流値Ｉ２になるように電力が供給される。一方で、要求トルクＴｊがモータ５９の出力する最小のトルクＴ２より大きければ、モータ５９には、要求トルクＴｊに対応した電流値Ｉｊになるように電力が供給される。
【００６６】
図１２は、内燃機関の第３の運転状態ＣＩ３におけるグラフであり、（ａ）は偏心軸角度とモータ５９のトルクとの関係を示し、（ｂ）は偏心軸角度とモータ５９の電流との関係を示している。図７を参照して、第３の運転状態ＣＩ３では摩擦係数ｆが第２の運転状態ＣＩ２よりも更に小さくなり、モータ５９の要求トルクも第２の運転状態ＣＩ２よりも小さくなっている。たとえば、図１２（ａ）のグラフにおいて、第３の運転状態ＣＩ３のモータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘは、第２の運転状態ＣＩ２の要求トルクの最大値Ｔｍａｘよりも小さくなっている。
【００６７】
第３の運転状態ＣＩ３では、モータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘは、モータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２よりも小さくなっている。このような運転状態においては、すべての偏心軸角度θに対して、モータ５９には、出力するトルクが最小のトルクＴ２になるように電力が供給される。すなわち、モータ５９の電流が最小の電流値Ｉ２になるように電力が供給される。たとえば、偏心軸角度θｊから矢印１０２に示すように機械圧縮比を上昇させる場合にも、要求トルクＴｊは、モータ５９の最小のトルクＴ２未満であるために、モータ５９は電流値Ｉ２に維持される。
【００６８】
このように、本実施の形態の運転制御では、モータ５９の要求トルクが予め定められた判定値よりも大きい場合には、要求トルクに応じてモータ５９に供給する電力を変更する。一方で、モータ５９の要求トルクが予め定められた判定値以下の場合には、偏心軸５７の位置に関わらず予め定められた判定値のトルクを出力する電力をモータ５９に供給する。すなわち、モータ５９に供給する電力を一定に制御する。本実施の形態においては、モータ５９の運転範囲の最小の電流値Ｉ２にて電力を供給する制御を行う。この制御により、モータ５９に要求されるトルクに応じて電力を供給することができる。可変圧縮比機構を駆動するためにモータ５９に過剰な電力を供給することを抑制できる。このために、モータ５９の消費電力を低減することができる。
【００６９】
図１３に、本実施の形態における可変圧縮比機構の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１２１において、機械圧縮比の変更要求を検出したか否かを判別する。機械圧縮比は、例えば内燃機関の運転状態に基づいて変更される。ステップ１２１において、機械圧縮比の変更要求を検出しない場合には、この制御を終了する。ステップ１２１において、機械圧縮比の変更要求を検出した場合には、ステップ１２２に移行する。
【００７０】
ステップ１２２においては、機械圧縮比を上昇させるか否かを判別する。現在の機械圧縮比と目標の機械圧縮比とを比較して判別を行うことができる。機械圧縮比を低下させる場合には、ステップ１２３に移行する。ステップ１２３においては、予め定められた制御により目標の機械圧縮比まで低下させる。機械圧縮比が目標の機械圧縮比まで低下したらこの制御を終了する。ステップ１２２において、機械圧縮比を上昇させる場合にはステップ１２４に移行する。
【００７１】
ステップ１２４においては、モータ５９の要求トルクＴｊを算出する。本実施の形態においては、前述のように、リフトスプリング６５の付勢力および筒内圧によりシリンダブロック２に作用する力を算出し、リフトスプリングの付勢力、筒内圧によりシリンダブロック２に作用する力、機関回転数、および予め定められた潤滑油の動粘度に基づいて摩擦係数を算出する。摩擦係数に基づいて、偏心軸角度を関数にするモータ５９の要求トルクを算出する。たとえば、図１０（ａ）に示す曲線を算出する。ここで、図６に示す偏心軸角度と角度係数の関係は、予め電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。また、図７に示す変数Ｓと摩擦係数との関係は、予め電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。
【００７２】
次に、ステップ１２５において、偏心軸角度θＬおよび偏心軸角度θＨを算出可能か否かを判別する。たとえば、図１２に示すような第３の運転状態においては、全ての偏心軸角度θにおいてモータ５９の要求トルクが、モータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２未満になっている。このような場合には、偏心軸角度θＬ，θＨを算出することができない。本実施の形態においては、偏心軸角度θを関数にするモータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘがモータ５９の出力するトルクＴ２以下か否かを判別する。モータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘがモータ５９の出力するトルクＴ２以下である場合には、偏心軸角度θＬ，θＨを算出することが不可能であると判別する。この場合には、ステップ１２７に移行する。
【００７３】
ステップ１２７においては、モータ５９に供給する電流を、電流値Ｉ２に設定する。次に、ステップ１２８においては、モータ５９に電流値Ｉ２になるように電力を供給し、機械圧縮比を目標機械圧縮比まで上昇させる。機械圧縮比が目標の機械圧縮比に到達したらこの制御を終了する。
【００７４】
ステップ１２５において、モータ５９の要求トルクの最大値Ｔｍａｘがモータ５９の出力するトルクＴ２よりも大きい場合には、偏心軸角度θＬ，θＨを算出することが可能であると判別する。この場合には、ステップ１２６に移行する。
【００７５】
ステップ１２６においては、モータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２に基づいて、偏心軸角度θＬおよび偏心軸角度θＨを算出する。偏心軸角度θＬおよび偏心軸角度θＨは偏心軸角度の判定値になる。
【００７６】
次に、ステップ１２９においては、現在の偏心軸角度θｊを検出する。ステップ１２９の制御が１回目である場合には、ステップ１２４にて検出した偏心軸角度を用いても構わない。
【００７７】
次に、ステップ１３０においては、現在の偏心軸角度θｊが、偏心軸角度θＬよりも大きく偏心軸角度θＨ未満の偏心軸角度の判定範囲内であるか否かを判別する。すなわち、現在のモータ５９の要求トルクＴｊがモータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２よりも大きいか否かを判別する。偏心軸角度θｊが偏心軸角度の判定範囲内でない場合には、現在のモータ５９の要求トルクＴｊがモータ５９の運転範囲の最小のトルクＴ２以下である。この場合には、ステップ１２７に移行する。ステップ１２７およびステップ１２８においては、モータ５９に供給する電流を電流値Ｉ２に設定し、目標機械圧縮比まで機械圧縮比を上昇させる。ステップ１３０において、偏心軸角度θｊが偏心軸角度の判定範囲内である場合には、ステップ１３１に移行する。
【００７８】
ステップ１３１においては、モータ５９の要求トルクＴｊに基づいて、モータ５９に供給する電流値Ｉｊを算出する。たとえば、図８に示すモータ５９の電流とモータ５９が出力するトルクとの関係を電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。モータ５９の要求トルクＴｊに基づいて、電流値Ｉｊを設定することができる。
【００７９】
次に、ステップ１３２においては、モータ５９に電流値Ｉｊとなるように電力を供給して、機械圧縮比を上昇させる。本実施の形態においては、デューティ比を変更することにより電流値を制御する。ステップ１３２における電力の供給は、例えば予め定められた時間の間、実施することができる。
【００８０】
次に、ステップ１３３においては、現在の機械圧縮比を検出し、現在の機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達したか否かを判別する。機械圧縮比が目標の機械圧縮比に到達していない場合には、ステップ１２９に戻る。機械圧縮比が上昇することにより偏心軸角度θｊは減少し、モータ５９の要求トルクも変化する。このために、本実施の形態においては、機械圧縮比の上昇に伴ってモータ５９に供給する電流値Ｉｊも変化させる制御を行う。ステップ１２９においては、現在の偏心軸角度θｊを検出する。ステップ１３０においては、偏心軸角度θｊが偏心軸角度の判定範囲内であるか否かの判別を行って、前回の制御と同様にモータ５９に供給する電流値を切り替える制御を行っている。
【００８１】
図１０を参照して、例えば、矢印１０１に示すように機械圧縮比を上昇させる場合には、偏心軸角度θが減少し、モータ５９の要求トルクが減少する。このために、偏心軸角度に応じてモータ５９に供給する電力も変化させている。そして、偏心軸角度θＬ以下になった場合には、モータ５９に供給する電力が最小になるように電流値Ｉ２を設定している。
【００８２】
図１３を参照して、ステップ１３３において、機械圧縮比が目標の機械圧縮比に到達している場合には、ステップ１３４に移行する。ステップ１３４においては、機械圧縮比の変更を終了する。
【００８３】
本実施の形態においては、モータ５９に供給する電力の制御を変更する為の偏心軸角度の判定値としては、モータ５９の電流の範囲の最小値Ｉ２が設定されている。すなわち、モータ５９が出力するトルクの範囲のうち、最小のトルクＴ２が判定値に設定されている。この制御を行うことにより、モータ５９の最小の消費電力で可変圧縮比機構を駆動できる範囲が大きくなり、モータ５９の消費電力を抑制することができる。モータ５９に供給する電力を変更する為の判定値としては、この形態に限られず、モータ５９が出力する最小のトルクＴ２よりも大きな判定値が採用されていても構わない。すなわち、モータ５９の運転範囲における最小のトルクＴ２よりも大きなトルクを判定値として採用し、モータ５９の要求トルクが判定値のトルク以下の場合には、この判定値のトルクに維持する制御を行っても構わない。
【００８４】
更に、本実施の形態においては、機関回転数、潤滑油の動粘度および筒内圧に基づいて、カムシャフトに５４，５５おける摩擦係数を算出し、この摩擦係数を用いてシリンダブロックを移動するために必要な力を推定している。このように摩擦係数を機関回転数および筒内圧に基づいて算出する制御を行うことにより、モータ５９の要求トルクをより正確に設定することができる。
【００８５】
更に、機械圧縮比を変更することにより、摩擦係数を設定するための変数Ｓが変化する。このために、機械圧縮比を変更している期間中に摩擦係数の変化を予測する制御を加えても構わない。
【００８６】
なお、本実施の形態においては、偏心軸の位置を特定するために、偏心軸角度を用いているが、この形態に限られず、偏心軸の位置に関する任意の変数を採用することができる。例えば、偏心軸の位置は、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置に依存する。このために、偏心軸角度の代わりに、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置を採用しても構わない。
【００８７】
本実施の形態においては、車両に取り付けられている内燃機関を例示して説明を行なったが、この形態に限られず、任意の装置や設備等に配置されている内燃機関に本発明を適用することができる。
【００８８】
上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。
【００８９】
上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【００９０】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
４    ピストン
５    燃焼室
２２    相対位置センサ
２３    筒内圧センサ
３０    電子制御ユニット
５４，５５    カムシャフト
５６，５８    円形カム
５７    偏心軸
５９    モータ
６５    リフトスプリング
Ａ    可変圧縮比機構
【図１】
2014227936.tif 000003
【図２】
2014227936.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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