(57)【要約】【課題】可変圧縮比機構を備え、可変圧縮比機構を駆動する回転機を小型にできる内燃機関を提供する。【解決手段】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、可変圧縮比機構は、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ための駆動装置を含む。駆動装置は、回転機の回転力を伝達する駆動力伝達経路に配置されている逆入力遮断クラッチを含む。制御装置は、逆入力遮断クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて、回転機が出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定する。【選択図】図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、
可変圧縮比機構は、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ための駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置とを含み、
駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含み、
クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の出力軸に加わる逆入力トルクを遮断するように形成されており、
制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて、回転機が出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定し、前記トルク勾配および前記継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
回転機は、電動機を含み、
制御装置は、電動機に供給する電力の供給パターンを変更することによりトルク勾配を制御し、電動機に電力を供給する時間を変更することにより継続時間を制御する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
可変圧縮比機構は、クラッチに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、潤滑油の温度を検出する温度検出器とを含み、
制御装置は、潤滑油の温度を検出し、潤滑油の温度に基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を制御する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
電動機に電力を供給する蓄電池と、
蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、
制御装置は、蓄電池の出力電圧を検出し、出力電圧が予め定められた電圧判定値よりも低い場合に、ロック状態を解除するために許容される電圧降下に基づいて、前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項５】
クランクケースを含む支持構造物と、
支持構造物に支持されているシリンダブロックとを備え、
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を含み、
駆動装置は、シャフトを回転させて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燃焼室の大きさを変更する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材を備え、
制御装置は、燃焼室における燃料の燃焼が停止している期間中に機械圧縮比を低下する場合に、付勢部材の付勢力に基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
筒内圧を検出する筒内圧力検出器と、
クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置とを備え、
制御装置は、内燃機関の運転期間中に機械圧縮比を低下させる場合に、筒内圧を検出し、筒内圧が極大点から極小点まで移行する期間中に、クラッチの入力軸の駆動を開始するように回転機を制御し、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値未満の場合に、逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項５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可変圧縮比機構を備える内燃機関が知られている。
【０００３】
可変圧縮比機構は、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ことにより圧縮比を変更することができる。燃焼室にて燃料が燃焼すると筒内圧が上昇する。そして、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、この力は可変圧縮比機構にも作用する。特に、この力が燃焼室の容積を変更する機構を駆動するモータ等の回転機に伝達される虞がある。
【０００４】
このために、可変圧縮比機構には、筒内圧による回転力が回転機の出力軸に伝達されないように、筒内圧による回転力を遮断する逆入力遮断クラッチを配置することが知られている。逆入力遮断クラッチは、回転機の出力軸に加わる回転力を遮断するロック機能を有する。機械圧縮比を変更する場合には、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除した上で燃焼室の容積を変更する。
【０００５】
特開２００５−２１４０８８号公報には、往復操作子を進退動作させることによりピストンが上死点に到達したときの位置を変更することができる可変圧縮比エンジンが開示されている。この可変圧縮比エンジンは、アクチュエータ機構により圧縮比が変更される。アクチュエータ機構は、ボールねじと、モータの回転をボールねじのナットに伝達する回転伝達系と、回転伝達系に介在させたクラッチとを備える。この公報には、モータの駆動が入力される入力部材からナットへの回転を伝達するが、ナットから入力部材への回転の伝達を遮断する逆入力制限型のクラッチを採用することが開示されている。
【０００６】
特開２０１２−２２９７６４号公報においては、入力軸から出力軸へトルクが伝達されない時には出力軸の負荷トルクが入力軸へ伝達されるのを阻止するトルクダイオードを具え、トルクダイオードのロック状態を解除するロック解除装置が開示されている。このロック解除制御装置では、設定したロック解除トルクを所定時間加え続けてもロック状態が解除されない場合に、ロック解除トルクを徐々に増大させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１４０８８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２９７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
機械圧縮比を変更する場合には、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除する必要がある。機関本体の運転中には、逆入力遮断クラッチの出力軸に筒内圧による回転力が加わる。筒内圧は時間とともに変化し、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除するために必要なトルクは時間と共に変化する。
【０００９】
機械圧縮比の変更は、機関本体を駆動している期間中に限られず、機関本体を停止している期間中に実施する場合がある。たとえば、機関本体を始動する直前に、可変圧縮比機構の異常を検出するために機械圧縮比を変更する場合がある。または、内燃機関に加えて電動機を動力源とするハイブリッド駆動装置においては、機関本体を一時的に停止する期間がある。この期間中に偏心軸の表面等に油膜を形成して軸受の固着を回避するために、機械圧縮比を変更する場合がある。
【００１０】
このように、機関本体の運転中および停止期間中の両方の期間中に生じる全ての状態において、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除するために、逆入力遮断クラッチの入力軸を駆動する回転機は出力トルクが大きな回転機を選定することが考えられる。ところが、回転機の容量を大きくすると、消費電力が大きくなったり、内燃機関の燃料の消費量が多くなったりするという問題がある。また、回転機が大型になり、回転機を配置する場所が制限されるという問題がある。
【００１１】
本発明は、逆入力遮断クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、可変圧縮比機構を駆動する回転機を小型にできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構は、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ための駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置とを含む。駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含む。クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の出力軸に加わる逆入力トルクを遮断するように形成されている。制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて、回転機が出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定し、トルク勾配および継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除する。
【００１３】
上記発明においては、回転機は、電動機を含み、制御装置は、電動機に供給する電力の供給パターンを変更することによりトルク勾配を制御し、電動機に電力を供給する時間を変更することにより継続時間を制御することができる。
【００１４】
上記発明においては、可変圧縮比機構は、クラッチに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、潤滑油の温度を検出する温度検出器とを含み、制御装置は、潤滑油の温度を検出し、潤滑油の温度に基づいてトルク勾配および継続時間を制御することができる。
【００１５】
上記発明においては、電動機に電力を供給する蓄電池と、蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御装置は、蓄電池の出力電圧を検出し、出力電圧が予め定められた電圧判定値よりも低い場合に、ロック状態を解除するために許容される電圧降下に基づいて、トルク勾配および継続時間を設定することができる。
【００１６】
上記発明においては、クランクケースを含む支持構造物と、支持構造物に支持されているシリンダブロックとを備え、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を含み、駆動装置は、シャフトを回転させて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燃焼室の大きさを変更することができる。
【００１７】
上記発明においては、支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材を備え、制御装置は、燃焼室における燃料の燃焼が停止している期間中に機械圧縮比を低下する場合に、付勢部材の付勢力に基づいてトルク勾配および継続時間を設定することができる。
【００１８】
上記発明においては、筒内圧を検出する筒内圧力検出器と、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置とを備え、制御装置は、内燃機関の運転期間中に機械圧縮比を低下させる場合に、筒内圧を検出し、筒内圧が極大点から極小点まで移行する期間中に、クラッチの入力軸の駆動を開始するように回転機を制御し、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値未満の場合に、逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいてトルク勾配および継続時間を設定することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、逆入力遮断クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、可変圧縮比機構を駆動する回転機を小型にできる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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クラッチの第１の概略断面図である。
【図７】実施の形態におけるクラッチの第２の概略断面図である。
【図８】実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第１の概略断面図である。
【図９】実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第２の概略断面図である。
【図１０】実施の形態における機械圧縮比を上昇するときのクラッチの概略断面図である。
【図１１】実施の形態のクラッチに加える入力トルクおよび入力トルクを加える付与時間に対するロック状態の解除が可能な条件を説明するグラフである。
【図１２】実施の形態のクラッチにおける入力軸の加速度および入力トルクの増大を継続する継続時間に対するロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフである。
【図１３】実施の形態において機械圧縮比を変更する第１の運転制御のフローチャートである。
【図１４】実施の形態における偏心軸角度に対するリフトスプリングによりシリンダブロックに加わる荷重のグラフである。
【図１５】実施の形態における偏心軸角度に対するリンク機構が回転力を伝達する角度係数のグラフである。
【図１６】実施の形態における偏心軸角度に対するクラッチの逆入力トルクのグラフである。
【図１７】実施の形態おけるモータのデューティ比を変化させたときのモータの出力トルクのグラフである。
【図１８】実施の形態のクラッチのローラの接触面における摩擦係数のグラフである。
【図１９】実施の形態における可変圧縮比機構のモータに電力を供給する電力供給装置の概略図である。
【図２０】実施の形態のクラッチにおける入力軸の加速度および入力トルクの増大を継続する継続時間に対するロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフである。
【図２１】実施の形態において機械圧縮比を変更する第３の運転制御のフローチャートである。
【図２２】実施の形態における内燃機関のクランク角度に対する筒内圧のグラフである。
【図２３】実施の形態における内燃機関のクランク角度に対するクラッチの逆入力トルクのグラフである。
【図２４】実施の形態において機械圧縮比を変更する第４の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】
【００２１】
図１から図２４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。
【００２２】
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、機関本体９０は、クランクケース１を含む支持構造物を備える。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を備える。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、クランクケースから離れる向きにシリンダブロックを付勢する任意の部材を採用することができる。
【００２６】
クランクケース１およびシリンダブロック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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
本実施の形態における可変圧縮比機構は、偏心軸を含むシャフトとしてのカムシャフト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。
【００３２】
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内において回転し、図４に示されるように偏心軸５７の位置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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図２を参照して、本実施の形態の可変圧縮比機構は、燃焼室５の容積を変化させるためのカムシャフト５４，５５を回転させる駆動装置を含む。駆動装置は、回転機としてのモータ５９を含む。更に、駆動装置は、クラッチ７０、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６６は、モータ５９の出力軸およびクラッチ７０の入力軸に接続されている。回転軸６０は、クラッチ７０の出力軸に接続されている。回転軸６０には、カムシャフト５４，５５を互いに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、モータ等の電動機に限られず、クラッチ７０の入力軸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。
【００３６】
この実施例では、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。たとえば、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。
【００４０】
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。
【００４１】
図２を参照して、本実施の形態における可変圧縮比機構は、モータ５９が出力する回転力（出力トルク）をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチ７０を含む。
【００４２】
本実施の形態におけるクラッチ７０は、いわゆる逆入力遮断クラッチである。本実施の形態における逆入力遮断クラッチは、入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの回転力を遮断するように形成されている。すなわち、クラッチ７０は、モータ５９から伝達される回転軸６６の回転力はウォーム６１，６２に伝達し、ウォーム６１，６２から伝達される回転軸６０の回転力は遮断して、モータ５９に伝達しない構造を有する。本実施の形態においては、モータ５９が出力するトルクによりクラッチ７０の入力軸に加わるトルクをクラッチ７０の入力トルクと称する。また、シリンダブロック２に作用する力により偏心軸５７を介してクラッチ７０の出力軸に加わるトルクをクラッチ７０の逆入力トルクと称する。
【００４３】
本実施の形態のクラッチ７０は、モータ５９とウォーム６２との間に配置されているが、この形態に限られず、モータ５９の回転力をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路の任意の位置に配置することができる。例えば、クラッチ７０は、ウォームホイール６３，６４と、カムシャフト５４，５５との間に配置されていても構わない。この場合には、それぞれのカムシャフト５４，５５に対してクラッチを配置することができる。
【００４４】
図６に、本実施の形態におけるクラッチの第１の概略断面図を示す。図７に、本実施の形態におけるクラッチの第２の概略断面図を示す。図７は、図６におけるＸ線に沿って切断したときの概略断面図である。
【００４５】
図６および図７を参照して、本実施の形態のクラッチ７０は、外輪７７を含む。外輪７７は、ねじ８５によりハウジング７８に固定されている。外輪７７は、クラッチ７０が駆動している期間中にも移動せずに固定されている。クラッチ７０は、出力軸７４を有する。出力軸７４は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。出力軸７４には、穴部７５が形成されている。穴部７５は、出力軸７４が回転する周方向に沿って複数個が形成されている。本実施の形態における出力軸７４は、断面形状が多角形に形成されている。
【００４６】
クラッチ７０は、入力軸７１を含む。入力軸７１は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。入力軸７１は、挿入部７２と保持部７３とを有する。挿入部７２および保持部７３は、一体的に回転する。
【００４７】
複数の挿入部７２は、出力軸７４の穴部７５に挿入されている。穴部７５の内径は挿入部７２の外径よりも大きくなるように形成されている。挿入部７２と穴部７５との間には隙間が形成される。複数の保持部７３は、外輪７７と出力軸７４との間に配置されている。また、保持部７３はローラ８０ａ，８０ｂに対向している。
【００４８】
出力軸７４と外輪７７との間の空間には、ローラ８０ａ，８０ｂが配置されている。本実施の形態におけるローラ８０ａ，８０ｂは円柱状に形成されている。ローラ８０ａとローラ８０ｂとの間には、スプリング８１が配置されている。スプリング８１は、ローラ８０ａ，８０ｂを互いに離す向きに付勢する。
【００４９】
出力軸７４と外輪７７とにより、ローラ８０ａ，８０ｂを係止させるための係止部８６ａ，８６ｂが形成される。係止部８６ａ，８６ｂは、ローラ８０ａ，８０ｂが付勢されている向きに沿って、出力軸７４の外面と外輪７７の内面との間隔が徐々に狭くなっている部分である。また、係止部８６ａ，８６ｂは、ローラ８０ａ，８０ｂが通過しないように狭く形成されている。
【００５０】
次に、本実施の形態おけるクラッチ７０の動作について説明する。本実施の形態におけるクラッチ７０は、モータ５９の回転力が入力軸７１に入力されると、この回転力を出力軸７４に伝達する。一方で、クラッチ７０は、カムシャフト５４，５５の側からの回転力が出力軸７４に伝達されると、ロックされてこの回転力を遮断する。特に、クラッチ７０は、機械圧縮比の低下する回転方向に回転する回転力がウォーム６１，６２から伝達されると、この回転力を遮断する。
【００５１】
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、クランクケース１に対してシリンダブロック２が近づく向きに力が作用する。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に対してシリンダブロック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。更に、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が離れる方向に力が作用する。
【００５２】
シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きの付勢力はカムシャフト５４，５５に伝達されて回転力に変換される。カムシャフト５４，５５に生じる回転力は、ウォームホイール６３，６４およびウォーム６１，６２を介してクラッチ７０の出力軸７４に伝達される。図６を参照して、矢印１００は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が上昇する方向に対応する方向である。すなわち、機械圧縮比が小さくなり、ピストン４が上死点に到達したときの燃焼室５が大きくなる回転方向を示している。シリンダブロック２にはクランクケース１に対して離れる方向に常に力が加わり、出力軸７４には矢印１００に示す向きに力が加わっている。すなわち、矢印１００に示す方向に逆入力トルクが作用している。
【００５３】
ローラ８０ａは、スプリング８１に押圧されて係止部８６ａに接触している。このために、ローラ８０ａに楔の効果が生じて、外輪７７に対する出力軸７４の回転が阻止され、出力軸７４がロックされる。このように、クラッチ７０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出力側からの回転力を遮断することができる。また、同様に、矢印１００と反対向きの回転力が出力軸７４に加わった場合には、ローラ８０ｂが係止部８６ｂに接触して出力軸７４がロックされる。クラッチ７０は、モータ５９を駆動しない場合に、ローラ８０ａ，８０ｂが係止部８６ａ，８６ｂに係止して出力軸７４をロックする。
【００５４】
図８は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第１の概略断面図である。機械圧縮比を低下させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を離す向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２は、矢印１０１に示す向きに回転する。挿入部７２が穴部７５の内面に接触する前に、保持部７３がローラ８０ａに接触する。
【００５５】
図９は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第２の概略断面図である。入力軸７１を更に回転させることにより、保持部７３がローラ８０ａを押圧する。ローラ８０ａは、係止部８６ａから離れる。出力軸７４は、ロック状態が解除され、外輪７７に対して矢印１０１に示す方向に回転可能になる。入力軸７１の挿入部７２が、矢印１０１に示す向きに回転することにより、挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧し、出力軸７４を回転させることができる。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ｂが係止部８６ｂから離れる向きに回転するためにローラ８０ｂによるロック状態も解除される。
【００５６】
図１０は、機械圧縮比を上昇させるときの動作を説明するクラッチ７０の概略断面図である。機械圧縮比を上昇させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を近づける向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を、矢印１０２に示す向きに回転させる。
【００５７】
入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を矢印１０２に示す向きに回転させることにより、保持部７３がローラ８０ｂを押圧する。ローラ８０ｂが係止部８６ｂから脱離してローラ８０ｂのくさび効果が消失する。次に、入力軸７１の挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧することにより、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。出力軸７４は、矢印１０２に示す向きに回転する。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ａが係止部８６ａから離脱する向きに回転するために、ローラ８０ａによるロック状態も解除される。このように、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。
【００５８】
ところで、本実施の形態の内燃機関は、機関本体９０を停止している期間中に可変圧縮比機構を駆動する制御を実施する。ここで、機関本体９０の停止とは、燃焼室５における燃料の燃焼が停止しているのみではなく、機関本体９０から出力されるトルクが零の状態を示す。すなわち、機関回転数が零である状態を示している。このような機関本体９０が停止している状態においても、例えば、可変圧縮比機構の異常の有無を確認するために機械圧縮比を変更する場合がある。
【００５９】
図１を参照して、機関本体９０を停止している期間中では、燃焼室５における燃料の燃焼が停止している。このため、筒内圧によりシリンダブロック２に加わる力は零である。ところが、クランクケース１とシリンダブロック２との間に配置されているリフトスプリング６５により、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる向きに付勢されている。
【００６０】
図２を参照して、シリンダブロック２に作用する力は、カムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４、ウォーム６１，６２および回転軸６０を介して、クラッチ７０の出力軸７４に入力される。このときの出力軸７４に入力される逆入力トルクの方向は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向である。
【００６１】
図６を参照して、機関本体９０の停止期間中においても、クラッチ７０には、出力軸７４に対して矢印１００に示す逆入力トルクが加えられている。ローラ８０ａは、係止部８６ａに係止して、入力軸７１への逆入力トルクの伝達が遮断されている状態である。すなわち、クラッチ７０は、ロック状態である。
【００６２】
機関本体９０の停止期間中に、機械圧縮比を上昇させる場合には、機関本体９０の運転期間中と同様の制御によりロック状態を解除することができる。また、比較的に小さな入力トルクにてクラッチ７０のロック状態を解除することができる。すなわち、図１０に示すように、モータ５９により入力軸７１を矢印１０２に示す向きに回転させることにより、ローラ８０ｂによるロック状態を解除して、機械圧縮比を上昇させることができる。このときのモータ５９の出力トルクは、予め定められた設定値に制御することができる。
【００６３】
一方で、機関本体９０の停止期間中に機械圧縮比を低下させる場合には、図８および図９に示すように、モータ５９により入力軸７１を矢印１０１に示す向きに回転させることにより、ローラ８０ａを係止部８６ａから離脱させる。機関本体９０の停止期間中には、出力軸７４に加わる逆入力トルクは、ほぼ一定の状態になる。また、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる向きに付勢されている。このために、機械圧縮比を低下させる場合にクラッチ７０のロック状態を解除することができれば、小さなトルクにて容易に機械圧縮比を低下させることができる。
【００６４】
ここで、発明者らは、クラッチ７０のロック状態を解除する場合に、解除の可否は入力軸７１に入力される最終的な入力トルクの大きさのみに依存するのではなく、入力軸７１の入力トルクの上昇速度、すなわちトルク勾配が関連することを見出した。更に、発明者らは、ロック状態を解除するためには、入力トルクの上昇を所定の時間にて継続する必要があることを見出した。本実施の形態では、クラッチ７０の入力トルクの増大を継続している時間を継続時間と称し、クラッチ７０に入力トルクを加えている時間を付与時間と称する。付与時間は、継続時間以上になる。
【００６５】
図１１は、機械圧縮比を低下させる場合に、付与時間およびクラッチ７０の入力トルクに対するロック解除の状態を説明するグラフである。クラッチ７０の出力軸７４には、一定の逆入力トルクが印加されている。クラッチ７０のロック状態の解除に成功した実施例が実線にて示されている。また、ロック状態の解除に失敗した比較例１が一点鎖線にて、比較例２が二点鎖線にて示されている。
【００６６】
実施例の制御では、入力トルクの勾配が大きく、付与時間ｔidにてロック状態が解除されている。付与時間ｔidでは入力トルクＴidになっている。これに対して、比較例１の制御では、入力トルクＴiの勾配が小さく設定されている。この場合には、除々に入力トルクが増大するものの、クラッチ７０のロック状態は解除されずに維持されている。また、比較例２では、入力トルクの勾配が大きい状態であるが、トルクの増大を継続している継続時間が短く、入力トルクＴinで入力トルクの上昇が停止している。この結果、ロック状態は解除されずに維持されている。このように、発明者らは、クラッチ７０のロック状態を解除するためには、入力トルクの勾配および入力トルクの上昇を継続する継続時間が重要な要因であることを見出した。
【００６７】
図１２に、クラッチの入力軸の加速度および継続時間に対するクラッチのロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフを示す。横軸は、入力軸７１の加速度であり、入力トルクの勾配に相当する。縦軸は、トルク上昇を継続する継続時間である。
【００６８】
実線は、逆入力トルクＭ1を出力軸７４に加えたグラフを示している。入力軸の加速度αi1未満の場合には、継続時間を長くしてもクラッチ７０のロック状態を解除することができない。この領域は、トルク勾配が不足している領域である。そして、入力軸の加速度αi1以上であり、継続時間を長くするとロック状態を解除することができる。入力軸の加速度αi1にてロック状態を解除するためには、継続時間ｔi1以上の時間が必要になる。一方で、継続時間が所定の時間よりも短ければ、ロック状態を解除することができない。この領域は、継続時間が不足する領域になる。ロック状態を解除するために必要な継続時間ｔiは、入力軸の加速度αiが大きくなるほど短くなる。入力軸加速度αimは、モータ５９が出力可能な最大の入力軸の加速度である。入力軸加速度αimでは、継続時間ｔi1m以上がロック解除に必要な時間である。このように、本実施の形態のモータは、入力軸の加速度αi1より大きく入力軸加速度αim以下の状態にて、所定の時間のトルク勾配の上昇を継続することによりロック状態を解除する。
【００６９】
図１２には、逆入力トルクが変化した場合のグラフが示されている。逆入力トルクＭ2は、逆入力トルクＭ1よりも大きい。逆入力トルクＭ1から逆入力トルクＭ2に変化した場合には、矢印１０５に示すように、クラッチ７０のロック状態を解除できる領域が移行する。逆入力トルクＭ2の場合には、クラッチ７０のロック状態を解除するために入力軸の加速度αi2以上の加速度が必要である。入力軸の加速度αi2の時には継続時間ｔi2以上の時間が必要である。また、モータ５９の最大の入力軸の加速度αimの場合には、継続時間ｔi2m以上の時間がロック状態の解除に必要になる。 
【００７０】
図８に示すように、クラッチ７０のロック状態を解除する前には、ローラ８０ａは、出力軸７４および外輪７７から構成される係止部８６ａに食い込んでいる。ローラ８０ａの係止部８６ａからの離脱を開始するためには、所定の大きさ以上のトルク勾配にて入力軸７１を回転させる必要があると考えられる。また、ローラ８０ａの離脱が開始した後に、ローラ８０ａを係止部８６ａから離してロック状態を完全に解除するためには、ローラ８０ａの押圧を所定の継続時間の間、継続する必要があると考えられる。本実施の形態では、クラッチ７０の入力トルクの勾配および入力トルクの増大を継続する継続時間を設定してクラッチのロック状態を解除する。
【００７１】
図１２を参照して、クラッチ７０の逆入力トルクＭが定まれば、逆入力トルクＭに応じたトルク勾配および継続時間を選定して、クラッチ７０のロック状態を解除することができる。入力軸の加速度αiは、ロック状態の解除が可能な任意の値を選択することができる。本実施の形態では、入力トルクの勾配が大きくなる領域を選択している。クラッチ７０のロック状態の解除が可能な領域のうち、最大の入力軸加速度αimを選択する。入力軸の加速度αiを大きくし、継続時間ｔiを短くすることにより、ロック状態を解除するために必要な電力量を小さくすることができる。すなわち、クラッチ７０のロック状態を解除するための消費電力を抑制することができる。また、ロック状態の解除の応答性を向上させることができる。
【００７２】
図１３に、本実施の形態における機械圧縮比を変更する第１の運転制御のフローチャートを示す。図１３に示す運転制御は、電子制御ユニット３０により、たとえば所定の時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。
【００７３】
ステップ１２０においては、機関本体９０が停止している状態か否かを判別する。例えば、機関回転数が零であるか否かを判別する。ステップ１２０において、機関本体９０が運転期間中である場合には、この制御を終了する。ステップ１２０において、機関本体９０が停止期間中である場合にはステップ１２１に移行する。
【００７４】
ステップ１２１においては、機械圧縮比の変更要求を検出したか否かを判別する。機械圧縮比の変更要求を検出していない場合には、この制御を終了する。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。
【００７５】
次に、ステップ１２２においては、機械圧縮比を低下させるか否かを判別する。ステップ１２２において、機械圧縮比を上昇させると判別した場合には、ステップ１２４に移行する。ステップ１２４においては、機械圧縮比を目標の機械圧縮比まで上昇する。この場合には、予め定められたトルク勾配および継続時間になるようにモータ５９に電流を供給して、ロック状態を解除することができる。ロック状態を解除した後に機械圧縮比を目標圧縮比まで上昇させることができる。ステップ１２２において、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。
【００７６】
ステップ１２３においては、現在の機械圧縮比の状態における偏心軸角度θを算出する。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。図３を参照して、本実施の形態では、機械圧縮比が最も高い状態では偏心軸角度θが０°である。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。
【００７７】
偏心軸角度θは、現在の機械圧縮比に基づいて算出することができる。偏心軸角度θは、たとえば相対位置センサ２２（図１参照）により検出される相対位置に基づいて算出することができる。
【００７８】
図１３を参照して、ステップ１２５においては、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを算出する。ここで、機関本体９０の停止期間中にクラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクの算出方法について説明する。
【００７９】
図１４は、可変圧縮比機構のリンク機構における偏心軸角度に対するシリンダブロック２に加わる荷重のグラフである。縦軸は、リフトスプリング６５（図１参照）によりシリンダブロック２に印加される荷重を示している。機械圧縮比が低くなるほど、クランクケース１に対してシリンダブロック２が遠ざかるために、リフトスプリング６５の縮み量は減少する。このために、偏心軸角度θが大きくなるほど、シリンダブロック２に加えられる荷重は小さくなる。偏心軸角度が１８０°になった場合においてもリフトスプリング６５は縮んでいる状態であり、最小荷重がシリンダブロック２に加わっている。このように、偏心軸角度に基づいてリフトスプリング６５からシリンダブロック２に印加される荷重が定まる。
【００８０】
図１５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、リンク機構によりシリンダブロック２に加わる荷重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に対応する。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。角度係数が大きくなるほどウォームホイール６３，６４に伝達されるトルクは大きくなる。
【００８１】
図１６は、偏心軸角度に対する逆入力トルクを示すグラフである。図１４に示すシリンダブロック２に加わる荷重に対して図１５に示す角度係数を乗じることにより、ウォームホイール６３，６４に加えられるトルクを算出することができる。そして、ウォームホイール６３，６４とウォーム６１，６２とのギヤ比に基づいて、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを算出することができる。逆入力トルクは、偏心軸角度の関数になっていることが分かる。このように、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置に基づいて、逆入力トルクを算出することができる。
【００８２】
図１３を参照して、次に、出力軸７４に加わる逆入力トルクに基づいて、クラッチ７０のロック状態を解除するために必要なトルク勾配と入力トルクを増大する継続時間を設定する。
【００８３】
ステップ１２６においては、クラッチ７０の入力軸７１に入力されるトルク勾配を設定する。ステップ１２７においては、設定されたトルク勾配にてトルクを上昇させる継続時間を設定する。トルク勾配および継続時間は、例えば、逆入力トルクを関数にした設定値が予め定められている。図１２を参照して、たとえば、逆入力トルクＭ1の場合には、入力軸の加速度αimに対応するトルク勾配に設定され、更に継続時間ｔi1mに余裕分を加算した付与時間が選定されている。
【００８４】
次に、ステップ１２８においてはロック状態を解除する。制御装置は、設定されたトルク勾配および付与時間になるように、モータ５９に電力を供給する。
【００８５】
図１７に、モータに供給する電流とクラッチの入力トルクとの関係を説明するグラフを示す。クラッチ７０の入力トルクは、モータ５９の出力トルクに対応する。本実施の形態では、デューティ比制御にてモータ５９を制御している。すなわち、モータ５９に、電流を供給している時間と電流の供給を停止する時間との比率を変更することにより、モータ５９の出力のトルク勾配を調整することができる。
【００８６】
デューティ比が１００％のグラフが実線で、デューティ比が５０％のグラフが１点鎖線にて示されている。時刻ｔ１においてモータ５９を始動している。そして、時刻ｔ２においてクラッチ７０の入力トルクが所定の値まで到達して、その後に一定になっている。デューティ比が１００％の制御では、デューティ比が５０％の制御よりもモータの出力トルクの上昇速度、すなわちクラッチ７０の入力軸７１に加わるトルク勾配は大きくなる。デューティ比を増大することにより、入力軸７１に入力するトルク勾配を増大することができる。本実施の形態においては、モータに供給する電流のデューティ比を変化させることにより、トルク勾配を変化させている。
【００８７】
図１３を参照して、ステップ１２８において、ロック状態を解除することができる。制御装置は、設定された付与時間およびデューティ比にてモータ５９に電流を供給する。クラッチ７０のロック状態が解除される。
【００８８】
次に、ステップ１２９において、機械圧縮比を目標の機械圧縮比まで低下する。クラッチ７０のロック状態を解除した後には、クラッチ７０の入力トルクを小さくしても機械圧縮比を低下させることができる。制御装置は、予め定められた低い電流値にて機械圧縮比を目標機械圧縮比まで低下させることができる。機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達した時に、この制御を終了する。
【００８９】
このように、本実施の形態における内燃機関の制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する。逆入力トルクに基づいてモータが出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定する。継続時間に基づいて付与時間を設定する。そして、設定されたトルク勾配と付与時間に基づいてトルクを増大して、クラッチのロック状態を解除する。この制御を採用することにより、モータが出力するトルクおよびモータ供給する電力を最適化することができる。このため、モータの容量が過大になることを回避することができて、モータの小型化を図ることができる。また、モータに供給する電力を低減することができる。
【００９０】
本実施の形態においては、回転機として電動機が採用され、制御装置は、電動機への電力の供給パターンを変更してトルク勾配を制御している。また、電動機に電力を供給する時間を変更して継続時間を制御している。この制御を実施することにより、クラッチの入力軸に加えるトルク勾配および継続時間を容易に制御することができる。
【００９１】
なお、可変圧縮比機構の回転機としては、電動機に限られず、クラッチの入力軸を回転可能な任意の回転機を採用することができる。たとえば、回転機は、油圧によるアクチュエータによりクラッチの入力軸を回転するように形成されていても構わない。
【００９２】
次に、本実施の形態の第２の運転制御について説明する。クラッチ７０の内部では摺動する部分があるために、クラッチ７０の内部には潤滑油が供給される。クラッチ７０のロック状態を解除する場合には、ローラ８０ａ，８０ｂに対して、外輪７７および出力軸７４が摺動する。本実施の形態における可変圧縮比機構は、クラッチ７０の内部に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を備える。第２の運転制御では、機械圧縮比を低下させるときに潤滑油の状態を考慮する。
【００９３】
本実施の形態では、クラッチ７０が潤滑油の蒸気の雰囲気中に配置されている。機関本体９０は、オイルパンに貯留するオイルの蒸気が外部に漏れないようにブーツシールにより密閉されている。クラッチ７０は、機関本体９０の密閉空間の内部に配置されている。オイルパンおよび密閉部材が潤滑油供給装置として機能する。なお、潤滑油供給装置としては、この形態に限られず、たとえば、クラッチ７０の内部に直接的に潤滑油を供給するように形成されていても構わない。
【００９４】
本実施の形態の第２の運転制御においては、クラッチ７０の内部の摺動部分における摩擦係数を推定し、摩擦係数に基づいてクラッチ７０のロック状態の解除に必要なトルク勾配および継続時間を設定する。摩擦係数が小さくなることにより、ロック状態を解除するために必要なトルク勾配を小さくすることができて、さらに、継続時間も短くすることができる。
【００９５】
図１８は、潤滑油の温度と摩擦係数との関係を示すグラフである。クラッチ７０のロック状態を解除する時には、動摩擦係数よりも静止摩擦係数が支配的になる。ここでの摩擦係数μは、ローラ８０ａ，８０ｂの接触面における静止摩擦係数を示している。たとえば、クラッチ７０がロック状態であるときには、ローラ８０ａ，８０ｂと外輪７７とが直接的に接触している。そして、ローラ８０ａ，８０ｂとの外輪７７との間の領域における化学反応により油膜が形成される。潤滑油の温度Ｔｇが高くなるほど摩擦係数μは低下する。図１８に示す関係に基づいて、潤滑油の温度Ｔｇにより摩擦係数μを算出することができる。
【００９６】
本実施の形態の可変圧縮比機構は、潤滑油の温度を検出する温度検出器を含む。本実施の形態の温度検出器は、オイルパンに貯留する潤滑油の温度を検出する。そして、潤滑油の温度に基づいて摩擦係数を算出することができる。
【００９７】
図１３を参照して、第２の運転制御においては、潤滑油の温度に基づいてトルク勾配および継続時間を制御する。ステップ１２６において、摩擦係数に基づいてトルク勾配を設定することができる。ステップ１２７において、摩擦係数に基づいて継続時間を設定することができる。たとえば、逆入力トルクと潤滑油の温度とを関数にしたマップを予め制御装置に記憶させておくことができる。または、設定したトルク勾配および継続時間に対して摩擦係数に基づく補正係数を乗算しても構わない。
【００９８】
第２の運転制御においては、クラッチ７０の内部の摺動部分における摩擦係数を考慮するために、クラッチ７０のロック状態の解除に必要なトルク勾配および継続時間を正確に設定することができる。このために、回転機の容量が過大になることを回避することができる。また、クラッチ７０のロック状態を解除するときの消費電力を低減することができる。
【００９９】
次に、本実施の形態の第３の運転制御について説明する。第３の運転制御においては、クラッチ７０のロック状態を解除するときの蓄電池９２の状態を検出する。そして、蓄電池９２の状態に基づいて、モータ５９に供給する電力の供給パターンを設定する。
【０１００】
図１９に、可変圧縮比機構のモータに電力を供給する電力供給装置の概略図を示す。内燃機関は、モータ５９に電力を供給するための蓄電池９２と、電力供給ユニット９４と、蓄電池９２の出力電圧を検出する電圧検出器９３とを備える。電圧検出器９３の出力は、電子制御ユニット３０に入力される。電力供給ユニット９４は、電子制御ユニット３０の指令に基づいて、蓄電池９２からモータ５９に電力を供給する。
【０１０１】
図１２を参照して、前述の運転制御ではクラッチ７０の入力軸７１のトルク勾配が大きくなるように、トルク勾配および継続時間を設定する。この制御では、消費電力を低減することができるが、蓄電池９２の負荷が大きくなる。そして、クラッチ７０のロック状態を解除したときの蓄電池９２の電圧降下が大きくなる。蓄電池９２の電圧降下が大きくなると、ロック状態を解除した後の機械圧縮比の制御に不具合が生じる虞がある。または、蓄電池９２に接続されている他の装置の制御に不具合が生じる虞がある。
【０１０２】
第３の運転制御では、クラッチ７０のロック状態を解除する前に、蓄電池９２の出力電圧を検出し、機械圧縮比の低下の際に許容される電圧降下を算出する。許容される電圧降下が予め定められた判定値以上の場合には、第１の運転制御と同様の制御を実施する。一方で、許容される電圧降下が予め定められた判定値未満の場合には、許容される電圧降下に基づいてトルク勾配および継続時間を設定する。トルク勾配は、モータ５９が出力可能な最大のトルク勾配よりも低く設定される。また、継続時間は最大のトルク勾配に対応する最小の継続時間よりも長く設定される。
【０１０３】
図２０は、入力軸加速度および継続時間に対してクラッチのロック状態の解除が可能な領域を示すグラフである。図２０は、逆入力トルクＭ1のときのグラフである。この実施例では、入力軸の加速度αiをモータ５９の最大の入力軸の加速度αimに設定すると、電圧降下が大きくなり、蓄電池９２は所定の電圧判定値未満になってしまう。このために、検出した蓄電池９２の電圧に基づいて、許容される電圧降下を算出する。そして、許容される電圧降下に基づいて入力軸の加速度αi3を算出する。矢印１０３に示す様に、入力軸の加速度αi3は、最大の入力軸の加速度αimよりも低く設定される。そして、入力軸の加速度αi3に基づいて継続時間ｔi3が設定される。設定された入力軸の加速度αi3および継続時間ｔi3に基づいて、機械圧縮比が変更される。
【０１０４】
第３の運転制御を実施することにより、クラッチ７０のロック状態を解除した場合に、蓄電池の出力電圧が所定の電圧未満になって、ロック状態を解除した後の機械圧縮比の制御に不具合が生じることを回避できる。また、他の装置の制御に不具合が生じることを抑制することができる。
【０１０５】
図２１に、本実施の形態における第３の運転制御のフローチャートを示す。この運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して実施することができる。ステップ１２０からステップ１２５までは、図１３に示す第１の運転制御と同様である。ステップ１２５においては、偏心軸角度に基づいて逆入力トルクを算出する。
【０１０６】
次に、ステップ１３１において、電圧検出器９３により蓄電池９２の電圧を検出する。そして、蓄電池９２の電圧に基づいて機械圧縮比を低下させる制御で許容される電圧降下、すなわち電圧降下許容値を設定する。
【０１０７】
次に、ステップ１３２においては、電圧降下許容値が予め定められた判定値以上か否かが判別される。ここでの判定値は、たとえば、最大のトルク勾配を選択した場合の電圧降下を予め設定することができる。電圧降下許容値が判定値以上であれば、蓄電池９２が出力する電圧は十分に高いと判別することができる。この場合には、ステップ１３６に移行する。
【０１０８】
ステップ１３６においては、モータ５９が出力可能な最大のトルク勾配を設定する。ステップ１３７においては、設定されたトルク勾配に対応する継続時間を設定する。ステップ１３８においては、設定されたトルク勾配と継続時間に基づいてロック状態を解除する。次に、ステップ１３９において機械圧縮比を低下させる。
【０１０９】
ステップ１３２において、電圧降下許容値が予め定められた判定値未満である場合には、ステップ１３３に移行する。この場合には、最大のトルク勾配にて機械圧縮比を低下すると蓄電池９２の電圧が不足すると判別することができる。
【０１１０】
ステップ１３３においては、電圧降下許容値に基づいてトルク勾配を設定する。電圧降下許容値を関数にするトルク勾配の値は、予め定めておいて電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。このように、現在の蓄電池９２の出力電圧に基づいて、トルク勾配を設定することができる。本実施の形態では、モータ５９に供給する電力のデューテイ比を設定することができる。
【０１１１】
次に、ステップ１３４においては、設定されたトルク勾配に基づいて継続時間を設定する。ステップ１３５においては、設定されたトルク勾配および継続時間によりロック状態を解除する。次に、ステップ１３９において機械圧縮比を低下させる。
【０１１２】
このように、第３の運転制御においては、蓄電池９２の出力電圧が低下したことを検出し、機械圧縮比が低下した後に蓄電池９２の出力電圧が低くなりすぎないように制御することができる。
【０１１３】
前述の運転制御では機関本体９０の停止期間中に機械圧縮比を変更する制御を例示しているが、本発明の運転制御は、機関本体９０の運転期間中にも適用することができる。次に、機関本体９０の運転期間中に機械圧縮比を変更する第４の運転制御について説明する。
【０１１４】
図２２に、本実施の形態の内燃機関におけるクランク角度と、筒内圧との関係を説明するグラフを示す。本実施の形態における内燃機関は、複数の気筒を有する。本実施の形態においては、４個の気筒が形成されている。それぞれの気筒には燃料と空気の混合気が供給されて、点火することにより燃料が燃焼し、筒内圧が上昇する。筒内圧は、筒内圧センサ２３（図１参照）により検出することができる。図２２には、点火の順序に従って、第１気筒、第３気筒、第４気筒および第２気筒の筒内圧が記載されている。横軸のクランク角度は、時間に対応する。縦軸の筒内圧は、シリンダヘッド３を介してシリンダブロック２に作用する力に対応する。筒内圧には、燃料が燃焼することにより極大になる極大点１９１と、筒内圧が極小になる極小点１９２とが発現している。
【０１１５】
図１０を参照して、運転期間中には筒内圧およびリフトスプリング６５の付勢力により、出力軸７４には、矢印１００に示す向きの逆入力トルクが加わっている。機械圧縮比を上昇させる場合には、逆入力トルクを遮断していない側の係止部８６ｂのローラ８０ｂを押圧するために、容易にローラ８０ｂを係止部８６ｂから離脱させることができる。すなわち、容易にロック状態を解除することができる。
【０１１６】
図８および図９を参照して、機械圧縮比を低下させる場合には、入力軸７１が矢印１０１に示す向きに回転する。入力軸７１の回転方向は、矢印１００に示す出力軸７４に加わる回転力の回転方向と同じになる。出力軸７４に加わる逆入力トルクは筒内圧に依存する。筒内圧が大きくなると、出力軸７４に加わる逆入力トルクも大きくなる。このために、逆入力トルクも増大と減少とを繰り返す。出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の周期は、筒内圧の振動の周期と同様になる。
【０１１７】
図２２を参照して、例えば、クランク角度ＣＡａからクランク角度ＣＡｂに向かうにつれて、筒内圧が上昇する。出力軸７４に加わる逆入力トルクも増大する。筒内圧が上昇するときには、ローラ８０ａが係止部８６ａに食い込む量が増大する。この時に、機械圧縮比を低下させるために、保持部７３にてローラ８０ａを押圧してローラ８０ａのロック状態を解除しようとしても、大きな力が必要になる。
【０１１８】
一方で、筒内圧が低下している場合には、出力軸７４に加わる逆入力トルクが減少する。ローラ８０ａが係止部８６ａに食い込む量が小さくなる。ローラ８０ａは、係止部８６ａから離脱する向きに相対移動している。この時に、保持部７３によりローラ８０ａを押圧すると、係止部８６ａからのローラ８０ａの離脱を促進し、小さな力にてローラ８０ａの係止を解除することができる。
【０１１９】
例えばクランク角度ＣＡ１（筒内圧の極大点１９１）からクランク角度ＣＡ２（筒内圧の極小点１９２）までの期間Ｓにおいては、筒内圧が減少している。期間Ｓにおいて、機械圧縮比を低下させるために、ローラ８０ａの押圧を開始することにより、小さな力にてローラ８０ａの係止を解除することができる。本実施の形態においては、筒内圧の極大点１９１において、駆動装置のモータ５９の作動を開始している。
【０１２０】
ここで、期間Ｓを経過すると筒内圧が再び上昇する。このために、ローラ８０ａの係止部８６ａからの離脱は、期間Ｓ内に終了することが好ましい。すなわち、期間Ｓの期間内に係止部８６ａからローラ８０ａが離れることが好ましい。本実施の形態の制御装置は、筒内圧の極大点１９１から極小点１９２に移行する期間Ｓが終了するまでに、係止部８６ａからローラ８０ａが離れるようにモータ５９を制御している。
【０１２１】
このように、筒内圧の極大点１９１から極小点１９２に移行する期間中にクラッチ７０のロック状態を解除することにより、小さな駆動力にてクラッチ７０のロック状態を解除することができる。機械圧縮比を低下する場合に、トルク勾配と継続時間を設定する前述の運転制御を実施しなくてもクラッチ７０のロック状態を解除することができる。
【０１２２】
ところが、内燃機関の使用を継続すると、可変圧縮比機構の異常や偏心軸を構成する部品の経年劣化等により、筒内圧の変動が十分にクラッチ７０の出力軸７４に伝達されない場合が生じ得る。たとえば、偏心軸の軸受けの摩耗や、かたぎによるウォームギヤの動力伝達効率の低下等により、筒内圧による回転力の変動がクラッチ７０の出力軸７４に十分に伝達されない場合がある。または、偏心軸の機構を潤滑する潤滑油の劣化により筒内圧の変動が出力軸７４に十分に伝達されない場合がある。この結果、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の振幅が小さくなる場合がある。
【０１２３】
図２３は、クランク角度とクラッチの出力軸に加わる逆入力トルクとの関係を示すグラフである。図２３には、可変圧縮比機構の使用開始時のグラフと経年劣化時のグラフとが示されている。可変圧縮比機構の使用開始時、たとえば新品の時には経年劣化がないために、逆入力トルクの振幅が大きくなる。これに対して、経年劣化時や可変圧縮比機構の異常時には、逆入力トルクの振幅が減少して小さくなる。
【０１２４】
筒内圧の極大点１９３から極小点１９４に移行する期間中にクラッチ７０のロック状態を解除する制御を実施している場合に、逆入力トルクの振動の振幅が小さくなると、クラッチ７０のロック状態を解除することが困難になる場合がある。特に、機械圧縮比を低下する場合に、クラッチ７０のロック状態を解除することが困難になる場合がある。
【０１２５】
そこで、本実施の形態の内燃機関は、出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値よりも小さくなった場合には、本実施の形態の第１の運転制御から第３の運転制御と同様の制御を実施する。すなわち、機械圧縮比を低下させる場合に、トルク勾配と継続時間を設定してモータ５９を制御する。ここでは、第１の運転制御を実施する例を取り上げて説明する。
【０１２６】
図２４に、本実施の形態における第４の運転制御のフローチャートを示す。この運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して実施することができる。
【０１２７】
ステップ１５０においては、機関本体９０が運転期間中であるか否かを判別する。たとえば、機関回転数が零よりも大きいか否かを判別する。機関本体９０が停止している場合には、この制御を終了する。機関本体９０が運転期間中の場合には、ステップ１２１に移行する。
【０１２８】
ステップ１２１、ステップ１２２およびステップ１２４は、第１の運転制御と同様である（図１３参照）。ステップ１２２において、機械圧縮比を低下させる場合には、ステップ１５１に移行する。
【０１２９】
ステップ１５１においては、逆入力トルクの振動の振幅を推定する。ここで、逆入力トルクの振動の振幅の推定制御について説明する。本実施の形態の内燃機関は、運転期間中にクラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置を含む。図２を参照して、本実施の形態の回転力推定装置は、クラッチ７０の出力軸７４の逆入力トルクを検出するトルク検出器８９を含む。
【０１３０】
本実施の形態のトルク検出器８９は、歪みゲージ式である。トルク検出器８９は、出力軸７４のねじれを検出し、検出したねじれに基づいて出力軸７４に加わる逆入力トルクを検出することができる。回転力推定装置としては、この形態に限られず、出力軸７４に加わる逆入力トルクを測定する任意の装置を採用することができる。たとえば、回転力推定装置としては、磁歪式のトルクセンサを採用しても構わない。
【０１３１】
図２３を参照して、本実施の形態の内燃機関は、回転力推定装置にて検出した出力軸７４のねじれ量を検出し、検出したねじれ量に基づいて極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクを推定する。そして、逆入力トルクの極大値および極小値に基づいて、逆入力トルクの振動の振幅ＡＴｒｇを算出する。振幅ＡＴｒｇの算出においては、１つの極大点１９３と１つの極小点１９４とに基づいて１つの振幅ＡＴｒｇを算出することができる。または、複数個の極大点１９３および複数の極小点１９４に基づいて、複数の振幅の平均値等を採用しても構わない。
【０１３２】
図２４を参照して、次に、ステップ１５２においては、逆入力トルクの振動の振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値以上か否かを判別する。逆入力トルクの振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値以上の場合には、機械圧縮比を低下させるための逆入力トルクの振動の振幅が十分に大きいと判別することができる。この場合には、ステップ１５３に移行する。
【０１３３】
ステップ１５３においては、前述の通常運転の期間中のロック解除制御によりロック状態を解除することができる。たとえば、図２２を参照して、期間Ｓの期間中にロック状態を解除する。そして、ステップ１２９において、目標機械圧縮比まで機械圧縮比を低下させることができる。
【０１３４】
ステップ１５２において、逆入力トルクの振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値未満の場合には、機械圧縮比を低下させるために逆入力トルクの振動の振幅が不十分であると判別することができる。この場合には、ステップ１２５に移行する。
【０１３５】
ステップ１２５からステップ１２８は、本実施の形態における第１の運転制御と同様である。すなわち、トルク勾配とトルクの増大を継続する継続時間とを算出して、算出したトルク勾配および継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除する。
【０１３６】
ここで、ステップ１２５の逆入力トルクの算出においては、筒内圧による逆入力トルクを考慮する。たとえば、トルク検出器８９にて検出した出力軸７４のねじれ量を検出し、検出したねじれ量に基づいて極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクを推定する。そして、極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクの平均値を、出力軸に加わる逆入力トルクとすることができる。または、筒内圧センサの出力値と偏心軸角度とに基づいて逆入力トルクを推定しても構わない。
【０１３７】
そして、ステップ１２８においてロック状態を解除した後に、ステップ１２９において、目標機械圧縮比まで機械圧縮比を低下させることができる。
【０１３８】
本実施の形態の第４の運転制御においては、逆入力トルクの極大値と極小値とを推定して逆入力トルクの振動の振幅を算出しているが、この形態に限られず、逆入力トルクの振動の振幅が判定値未満であるか否かを判別可能な任意の制御を実施することができる。たとえば、所定の内燃機関の運転状態において逆入力トルクの最大値（極大値）を検出し、検出した逆入力トルクの最大値が予め定められた最大値の判定値よりも小さい場合に、逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた振幅の判定値未満であると判別することができる。
【０１３９】
第４の運転制御についても第３の運転制御を組み込むことができる。すなわち、運転期間中に最大のトルク勾配にてロック状態を解除すると、蓄電池の電圧が許容値未満になると判別される場合には、蓄電池の電圧降下許容値に基づいて回転機に供給する電力パターンを設定することができる。
【０１４０】
本実施の形態におけるクラッチは、機械圧縮比が上昇する回転方向および機械圧縮比が低下する回転方向の両方向の入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの両方向の回転力を遮断するように形成されている。クラッチとしては、この形態に限られず、入力軸からの両方向の回転力を出力側に伝達し、機械圧縮比が低下する回転方向の出力軸からの回転力を遮断するように形成されていれば構わない。
【０１４１】
更に、本実施の形態の可変圧縮比機構は、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を含み、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しているが、この形態に限られず、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ための偏心軸と、偏心軸を回転させるための駆動装置とを含む可変圧縮比機構に本発明を適用することができる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
上記の実施の形態は、組み合わせることができる。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。また、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。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形態の変更が含まれている。
【符号の説明】
【０１４４】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
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
７０    クラッチ
７１    入力軸
７４    出力軸
７７    外輪
８０ａ，８０ｂ    ローラ
８９    トルク検出器
９０    機関本体
９２    蓄電池
９３    電圧検出器
Ａ    可変圧縮比機構
【図１】
2015175243.tif 000003
【図２】
2015175243.tif 000004
【図３】
2015175243.tif 000005
【図４】
2015175243.tif 000006
【図５】
2015175243.tif 000007
【図６】
2015175243.tif 000008
【図７】
2015175243.tif 000009
【図８】
2015175243.tif 000010
【図９】
2015175243.tif 000011
【図１０】
2015175243.tif 000012
【図１１】
2015175243.tif 000013
【図１２】
2015175243.tif 000014
【図１３】
2015175243.tif 000015
【図１４】
2015175243.tif 000016
【図１５】
2015175243.tif 000017
【図１６】
2015175243.tif 000018
【図１７】
2015175243.tif 000019
【図１８】
2015175243.tif 000020
【図１９】
2015175243.tif 000021
【図２０】
2015175243.tif 000022
【図２１】
2015175243.tif 000023
【図２２】
2015175243.tif 000024
【図２３】
2015175243.tif 000025
【図２４】
2015175243.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月16日(2015.3.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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可変圧縮比機構を備える内燃機関が知られている。
【０００３】
可変圧縮比機構は、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ことにより圧縮比を変更することができる。燃焼室にて燃料が燃焼すると筒内圧が上昇する。そして、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、この力は可変圧縮比機構にも作用する。特に、この力が燃焼室の容積を変更する機構を駆動するモータ等の回転機に伝達される虞がある。
【０００４】
このために、可変圧縮比機構には、筒内圧による回転力が回転機の出力軸に伝達されないように、筒内圧による回転力を遮断する逆入力遮断クラッチを配置することが知られている。逆入力遮断クラッチは、回転機の出力軸に加わる回転力を遮断するロック機能を有する。機械圧縮比を変更する場合には、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除した上で燃焼室の容積を変更する。
【０００５】
特開２００５−２１４０８８号公報には、往復操作子を進退動作させることによりピストンが上死点に到達したときの位置を変更することができる可変圧縮比エンジンが開示されている。この可変圧縮比エンジンは、アクチュエータ機構により圧縮比が変更される。アクチュエータ機構は、ボールねじと、モータの回転をボールねじのナットに伝達する回転伝達系と、回転伝達系に介在させたクラッチとを備える。この公報には、モータの駆動が入力される入力部材からナットへの回転を伝達するが、ナットから入力部材への回転の伝達を遮断する逆入力制限型のクラッチを採用することが開示されている。
【０００６】
特開２０１２−２２９７６４号公報においては、入力軸から出力軸へトルクが伝達されない時には出力軸の負荷トルクが入力軸へ伝達されるのを阻止するトルクダイオードを具え、トルクダイオードのロック状態を解除するロック解除装置が開示されている。このロック解除制御装置では、設定したロック解除トルクを所定時間加え続けてもロック状態が解除されない場合に、ロック解除トルクを徐々に増大させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２１４０８８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２２９７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
機械圧縮比を変更する場合には、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除する必要がある。機関本体の運転中には、逆入力遮断クラッチの出力軸に筒内圧による回転力が加わる。筒内圧は時間とともに変化し、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除するために必要なトルクは時間と共に変化する。
【０００９】
機械圧縮比の変更は、機関本体を駆動している期間中に限られず、機関本体を停止している期間中に実施する場合がある。たとえば、機関本体を始動する直前に、可変圧縮比機構の異常を検出するために機械圧縮比を変更する場合がある。または、内燃機関に加えて電動機を動力源とするハイブリッド駆動装置においては、機関本体を一時的に停止する期間がある。この期間中に偏心軸の表面等に油膜を形成して軸受の固着を回避するために、機械圧縮比を変更する場合がある。
【００１０】
このように、機関本体の運転中および停止期間中の両方の期間中に生じる全ての状態において、逆入力遮断クラッチのロック状態を解除するために、逆入力遮断クラッチの入力軸を駆動する回転機は出力トルクが大きな回転機を選定することが考えられる。ところが、回転機の容量を大きくすると、消費電力が大きくなったり、内燃機関の燃料の消費量が多くなったりするという問題がある。また、回転機が大型になり、回転機を配置する場所が制限されるという問題がある。
【００１１】
本発明は、逆入力遮断クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、可変圧縮比機構を駆動する回転機を小型にできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構は、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ための駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置とを含む。駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含む。クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の出力軸に加わる逆入力トルクを遮断するように形成されている。制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて、回転機が出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定し、トルク勾配および継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除する。
【００１３】
上記発明においては、クラッチは、回転機の回転力が入力される入力軸と、入力軸から回転力が伝達される出力軸と、クラッチの駆動中に移動しない外輪とを含み、ローラが出力軸と外輪との間に配置され、出力軸と外輪とはローラを係止させるための係止部を形成し、クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の逆入力トルクが出力軸に作用すると、ローラを係止部に係止させて出力軸を外輪に対してロックさせることで逆入力トルクを遮断するように形成されており、制御装置は、トルク勾配および継続時間に基づいて入力軸を回転させることにより、ローラを係止部から離して出力軸のロックを解除することができる。
【００１４】
上記発明においては、回転機は、電動機を含み、制御装置は、電動機に供給する電流のデューティ比を変更することによりトルク勾配を制御し、電動機に電力を供給する時間を変更することにより継続時間を制御することができる。
【００１５】
上記発明においては、可変圧縮比機構は、クラッチに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、潤滑油の温度を検出する温度検出器とを含み、制御装置は、潤滑油の温度を検出し、潤滑油の温度に基づいてトルク勾配および継続時間を制御することができる。
【００１６】
上記発明においては、電動機に電力を供給する蓄電池と、蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、制御装置は、蓄電池の出力電圧を検出し、出力電圧が予め定められた電圧判定値よりも低い場合に、ロック状態を解除するために許容される電圧降下に基づいて、トルク勾配および継続時間を設定することができる。
【００１７】
上記発明においては、クランクケースを含む支持構造物と、支持構造物に支持されているシリンダブロックとを備え、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を含み、駆動装置は、シャフトを回転させて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燃焼室の大きさを変更することができる。
【００１８】
上記発明においては、支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材を備え、制御装置は、燃焼室における燃料の燃焼が停止している期間中に機械圧縮比を低下する場合に、付勢部材の付勢力に基づいてトルク勾配および継続時間を設定することができる。
【００１９】
上記発明においては、筒内圧を検出する筒内圧力検出器と、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置とを備え、制御装置は、内燃機関の運転期間中に機械圧縮比を低下させる場合に、筒内圧を検出し、筒内圧が極大点から極小点まで移行する期間中に、クラッチの入力軸の駆動を開始するように回転機を制御し、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値未満の場合に、逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいてトルク勾配および継続時間を設定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、逆入力遮断クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、可変圧縮比機構を駆動する回転機を小型にできる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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クラッチの第１の概略断面図である。
【図７】実施の形態におけるクラッチの第２の概略断面図である。
【図８】実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第１の概略断面図である。
【図９】実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第２の概略断面図である。
【図１０】実施の形態における機械圧縮比を上昇するときのクラッチの概略断面図である。
【図１１】実施の形態のクラッチに加える入力トルクおよび入力トルクを加える付与時間に対するロック状態の解除が可能な条件を説明するグラフである。
【図１２】実施の形態のクラッチにおける入力軸の加速度および入力トルクの増大を継続する継続時間に対するロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフである。
【図１３】実施の形態において機械圧縮比を変更する第１の運転制御のフローチャートである。
【図１４】実施の形態における偏心軸角度に対するリフトスプリングによりシリンダブロックに加わる荷重のグラフである。
【図１５】実施の形態における偏心軸角度に対するリンク機構が回転力を伝達する角度係数のグラフである。
【図１６】実施の形態における偏心軸角度に対するクラッチの逆入力トルクのグラフである。
【図１７】実施の形態おけるモータのデューティ比を変化させたときのモータの出力トルクのグラフである。
【図１８】実施の形態のクラッチのローラの接触面における摩擦係数のグラフである。
【図１９】実施の形態における可変圧縮比機構のモータに電力を供給する電力供給装置の概略図である。
【図２０】実施の形態のクラッチにおける入力軸の加速度および入力トルクの増大を継続する継続時間に対するロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフである。
【図２１】実施の形態において機械圧縮比を変更する第３の運転制御のフローチャートである。
【図２２】実施の形態における内燃機関のクランク角度に対する筒内圧のグラフである。
【図２３】実施の形態における内燃機関のクランク角度に対するクラッチの逆入力トルクのグラフである。
【図２４】実施の形態において機械圧縮比を変更する第４の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】
【００２２】
図１から図２４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。
【００２３】
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、機関本体９０は、クランクケース１を含む支持構造物を備える。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を備える。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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、クランクケースから離れる向きにシリンダブロックを付勢する任意の部材を採用することができる。
【００２７】
クランクケース１およびシリンダブロック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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施の形態における可変圧縮比機構は、偏心軸を含むシャフトとしてのカムシャフト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。
【００３３】
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内において回転し、図４に示されるように偏心軸５７の位置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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
図２を参照して、本実施の形態の可変圧縮比機構は、燃焼室５の容積を変化させるためのカムシャフト５４，５５を回転させる駆動装置を含む。駆動装置は、回転機としてのモータ５９を含む。更に、駆動装置は、クラッチ７０、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６６は、モータ５９の出力軸およびクラッチ７０の入力軸に接続されている。回転軸６０は、クラッチ７０の出力軸に接続されている。回転軸６０には、カムシャフト５４，５５を互いに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、モータ等の電動機に限られず、クラッチ７０の入力軸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。
【００３７】
この実施例では、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。たとえば、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。
【００４１】
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。
【００４２】
図２を参照して、本実施の形態における可変圧縮比機構は、モータ５９が出力する回転力（出力トルク）をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチ７０を含む。
【００４３】
本実施の形態におけるクラッチ７０は、いわゆる逆入力遮断クラッチである。本実施の形態における逆入力遮断クラッチは、入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの回転力を遮断するように形成されている。すなわち、クラッチ７０は、モータ５９から伝達される回転軸６６の回転力はウォーム６１，６２に伝達し、ウォーム６１，６２から伝達される回転軸６０の回転力は遮断して、モータ５９に伝達しない構造を有する。本実施の形態においては、モータ５９が出力するトルクによりクラッチ７０の入力軸に加わるトルクをクラッチ７０の入力トルクと称する。また、シリンダブロック２に作用する力により偏心軸５７を介してクラッチ７０の出力軸に加わるトルクをクラッチ７０の逆入力トルクと称する。
【００４４】
本実施の形態のクラッチ７０は、モータ５９とウォーム６２との間に配置されているが、この形態に限られず、モータ５９の回転力をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路の任意の位置に配置することができる。例えば、クラッチ７０は、ウォームホイール６３，６４と、カムシャフト５４，５５との間に配置されていても構わない。この場合には、それぞれのカムシャフト５４，５５に対してクラッチを配置することができる。
【００４５】
図６に、本実施の形態におけるクラッチの第１の概略断面図を示す。図７に、本実施の形態におけるクラッチの第２の概略断面図を示す。図７は、図６におけるＸ線に沿って切断したときの概略断面図である。
【００４６】
図６および図７を参照して、本実施の形態のクラッチ７０は、外輪７７を含む。外輪７７は、ねじ８５によりハウジング７８に固定されている。外輪７７は、クラッチ７０が駆動している期間中にも移動せずに固定されている。クラッチ７０は、出力軸７４を有する。出力軸７４は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。出力軸７４には、穴部７５が形成されている。穴部７５は、出力軸７４が回転する周方向に沿って複数個が形成されている。本実施の形態における出力軸７４は、断面形状が多角形に形成されている。
【００４７】
クラッチ７０は、入力軸７１を含む。入力軸７１は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。入力軸７１は、挿入部７２と保持部７３とを有する。挿入部７２および保持部７３は、一体的に回転する。
【００４８】
複数の挿入部７２は、出力軸７４の穴部７５に挿入されている。穴部７５の内径は挿入部７２の外径よりも大きくなるように形成されている。挿入部７２と穴部７５との間には隙間が形成される。複数の保持部７３は、外輪７７と出力軸７４との間に配置されている。また、保持部７３はローラ８０ａ，８０ｂに対向している。
【００４９】
出力軸７４と外輪７７との間の空間には、ローラ８０ａ，８０ｂが配置されている。本実施の形態におけるローラ８０ａ，８０ｂは円柱状に形成されている。ローラ８０ａとローラ８０ｂとの間には、スプリング８１が配置されている。スプリング８１は、ローラ８０ａ，８０ｂを互いに離す向きに付勢する。
【００５０】
出力軸７４と外輪７７とにより、ローラ８０ａ，８０ｂを係止させるための係止部８６ａ，８６ｂが形成される。係止部８６ａ，８６ｂは、ローラ８０ａ，８０ｂが付勢されている向きに沿って、出力軸７４の外面と外輪７７の内面との間隔が徐々に狭くなっている部分である。また、係止部８６ａ，８６ｂは、ローラ８０ａ，８０ｂが通過しないように狭く形成されている。
【００５１】
次に、本実施の形態おけるクラッチ７０の動作について説明する。本実施の形態におけるクラッチ７０は、モータ５９の回転力が入力軸７１に入力されると、この回転力を出力軸７４に伝達する。一方で、クラッチ７０は、カムシャフト５４，５５の側からの回転力が出力軸７４に伝達されると、ロックされてこの回転力を遮断する。特に、クラッチ７０は、機械圧縮比の低下する回転方向に回転する回転力がウォーム６１，６２から伝達されると、この回転力を遮断する。
【００５２】
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、クランクケース１に対してシリンダブロック２が近づく向きに力が作用する。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に対してシリンダブロック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。更に、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が離れる方向に力が作用する。
【００５３】
シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きの付勢力はカムシャフト５４，５５に伝達されて回転力に変換される。カムシャフト５４，５５に生じる回転力は、ウォームホイール６３，６４およびウォーム６１，６２を介してクラッチ７０の出力軸７４に伝達される。図６を参照して、矢印１００は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が上昇する方向に対応する方向である。すなわち、機械圧縮比が小さくなり、ピストン４が上死点に到達したときの燃焼室５が大きくなる回転方向を示している。シリンダブロック２にはクランクケース１に対して離れる方向に常に力が加わり、出力軸７４には矢印１００に示す向きに力が加わっている。すなわち、矢印１００に示す方向に逆入力トルクが作用している。
【００５４】
ローラ８０ａは、スプリング８１に押圧されて係止部８６ａに接触している。このために、ローラ８０ａに楔の効果が生じて、外輪７７に対する出力軸７４の回転が阻止され、出力軸７４がロックされる。このように、クラッチ７０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出力側からの回転力を遮断することができる。また、同様に、矢印１００と反対向きの回転力が出力軸７４に加わった場合には、ローラ８０ｂが係止部８６ｂに接触して出力軸７４がロックされる。クラッチ７０は、モータ５９を駆動しない場合に、ローラ８０ａ，８０ｂが係止部８６ａ，８６ｂに係止して出力軸７４をロックする。
【００５５】
図８は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第１の概略断面図である。機械圧縮比を低下させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を離す向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２は、矢印１０１に示す向きに回転する。挿入部７２が穴部７５の内面に接触する前に、保持部７３がローラ８０ａに接触する。
【００５６】
図９は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第２の概略断面図である。入力軸７１を更に回転させることにより、保持部７３がローラ８０ａを押圧する。ローラ８０ａは、係止部８６ａから離れる。出力軸７４は、ロック状態が解除され、外輪７７に対して矢印１０１に示す方向に回転可能になる。入力軸７１の挿入部７２が、矢印１０１に示す向きに回転することにより、挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧し、出力軸７４を回転させることができる。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ｂが係止部８６ｂから離れる向きに回転するためにローラ８０ｂによるロック状態も解除される。
【００５７】
図１０は、機械圧縮比を上昇させるときの動作を説明するクラッチ７０の概略断面図である。機械圧縮比を上昇させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を近づける向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を、矢印１０２に示す向きに回転させる。
【００５８】
入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を矢印１０２に示す向きに回転させることにより、保持部７３がローラ８０ｂを押圧する。ローラ８０ｂが係止部８６ｂから脱離してローラ８０ｂのくさび効果が消失する。次に、入力軸７１の挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧することにより、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。出力軸７４は、矢印１０２に示す向きに回転する。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ａが係止部８６ａから離脱する向きに回転するために、ローラ８０ａによるロック状態も解除される。このように、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。
【００５９】
ところで、本実施の形態の内燃機関は、機関本体９０を停止している期間中に可変圧縮比機構を駆動する制御を実施する。ここで、機関本体９０の停止とは、燃焼室５における燃料の燃焼が停止しているのみではなく、機関本体９０から出力されるトルクが零の状態を示す。すなわち、機関回転数が零である状態を示している。このような機関本体９０が停止している状態においても、例えば、可変圧縮比機構の異常の有無を確認するために機械圧縮比を変更する場合がある。
【００６０】
図１を参照して、機関本体９０を停止している期間中では、燃焼室５における燃料の燃焼が停止している。このため、筒内圧によりシリンダブロック２に加わる力は零である。ところが、クランクケース１とシリンダブロック２との間に配置されているリフトスプリング６５により、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる向きに付勢されている。
【００６１】
図２を参照して、シリンダブロック２に作用する力は、カムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４、ウォーム６１，６２および回転軸６０を介して、クラッチ７０の出力軸７４に入力される。このときの出力軸７４に入力される逆入力トルクの方向は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向である。
【００６２】
図６を参照して、機関本体９０の停止期間中においても、クラッチ７０には、出力軸７４に対して矢印１００に示す逆入力トルクが加えられている。ローラ８０ａは、係止部８６ａに係止して、入力軸７１への逆入力トルクの伝達が遮断されている状態である。すなわち、クラッチ７０は、ロック状態である。
【００６３】
機関本体９０の停止期間中に、機械圧縮比を上昇させる場合には、機関本体９０の運転期間中と同様の制御によりロック状態を解除することができる。また、比較的に小さな入力トルクにてクラッチ７０のロック状態を解除することができる。すなわち、図１０に示すように、モータ５９により入力軸７１を矢印１０２に示す向きに回転させることにより、ローラ８０ｂによるロック状態を解除して、機械圧縮比を上昇させることができる。このときのモータ５９の出力トルクは、予め定められた設定値に制御することができる。
【００６４】
一方で、機関本体９０の停止期間中に機械圧縮比を低下させる場合には、図８および図９に示すように、モータ５９により入力軸７１を矢印１０１に示す向きに回転させることにより、ローラ８０ａを係止部８６ａから離脱させる。機関本体９０の停止期間中には、出力軸７４に加わる逆入力トルクは、ほぼ一定の状態になる。また、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる向きに付勢されている。このために、機械圧縮比を低下させる場合にクラッチ７０のロック状態を解除することができれば、小さなトルクにて容易に機械圧縮比を低下させることができる。
【００６５】
ここで、発明者らは、クラッチ７０のロック状態を解除する場合に、解除の可否は入力軸７１に入力される最終的な入力トルクの大きさのみに依存するのではなく、入力軸７１の入力トルクの上昇速度、すなわちトルク勾配が関連することを見出した。更に、発明者らは、ロック状態を解除するためには、入力トルクの上昇を所定の時間にて継続する必要があることを見出した。本実施の形態では、クラッチ７０の入力トルクの増大を継続している時間を継続時間と称し、クラッチ７０に入力トルクを加えている時間を付与時間と称する。付与時間は、継続時間以上になる。
【００６６】
図１１は、機械圧縮比を低下させる場合に、付与時間およびクラッチ７０の入力トルクに対するロック解除の状態を説明するグラフである。クラッチ７０の出力軸７４には、一定の逆入力トルクが印加されている。クラッチ７０のロック状態の解除に成功した実施例が実線にて示されている。また、ロック状態の解除に失敗した比較例１が一点鎖線にて、比較例２が二点鎖線にて示されている。
【００６７】
実施例の制御では、入力トルクの勾配が大きく、付与時間ｔidにてロック状態が解除されている。付与時間ｔidでは入力トルクＴidになっている。これに対して、比較例１の制御では、入力トルクＴiの勾配が小さく設定されている。この場合には、除々に入力トルクが増大するものの、クラッチ７０のロック状態は解除されずに維持されている。また、比較例２では、入力トルクの勾配が大きい状態であるが、トルクの増大を継続している継続時間が短く、入力トルクＴinで入力トルクの上昇が停止している。この結果、ロック状態は解除されずに維持されている。このように、発明者らは、クラッチ７０のロック状態を解除するためには、入力トルクの勾配および入力トルクの上昇を継続する継続時間が重要な要因であることを見出した。
【００６８】
図１２に、クラッチの入力軸の加速度および継続時間に対するクラッチのロック状態の解除が可能な領域を説明するグラフを示す。横軸は、入力軸７１の加速度であり、入力トルクの勾配に相当する。縦軸は、トルク上昇を継続する継続時間である。
【００６９】
実線は、逆入力トルクＭ1を出力軸７４に加えたグラフを示している。入力軸の加速度αi1未満の場合には、継続時間を長くしてもクラッチ７０のロック状態を解除することができない。この領域は、トルク勾配が不足している領域である。そして、入力軸の加速度αi1以上であり、継続時間を長くするとロック状態を解除することができる。入力軸の加速度αi1にてロック状態を解除するためには、継続時間ｔi1以上の時間が必要になる。一方で、継続時間が所定の時間よりも短ければ、ロック状態を解除することができない。この領域は、継続時間が不足する領域になる。ロック状態を解除するために必要な継続時間ｔiは、入力軸の加速度αiが大きくなるほど短くなる。入力軸加速度αimは、モータ５９が出力可能な最大の入力軸の加速度である。入力軸加速度αimでは、継続時間ｔi1m以上がロック解除に必要な時間である。このように、本実施の形態のモータは、入力軸の加速度αi1より大きく入力軸加速度αim以下の状態にて、所定の時間のトルク勾配の上昇を継続することによりロック状態を解除する。
【００７０】
図１２には、逆入力トルクが変化した場合のグラフが示されている。逆入力トルクＭ2は、逆入力トルクＭ1よりも大きい。逆入力トルクＭ1から逆入力トルクＭ2に変化した場合には、矢印１０５に示すように、クラッチ７０のロック状態を解除できる領域が移行する。逆入力トルクＭ2の場合には、クラッチ７０のロック状態を解除するために入力軸の加速度αi2以上の加速度が必要である。入力軸の加速度αi2の時には継続時間ｔi2以上の時間が必要である。また、モータ５９の最大の入力軸の加速度αimの場合には、継続時間ｔi2m以上の時間がロック状態の解除に必要になる。
【００７１】
図８に示すように、クラッチ７０のロック状態を解除する前には、ローラ８０ａは、出力軸７４および外輪７７から構成される係止部８６ａに食い込んでいる。ローラ８０ａの係止部８６ａからの離脱を開始するためには、所定の大きさ以上のトルク勾配にて入力軸７１を回転させる必要があると考えられる。また、ローラ８０ａの離脱が開始した後に、ローラ８０ａを係止部８６ａから離してロック状態を完全に解除するためには、ローラ８０ａの押圧を所定の継続時間の間、継続する必要があると考えられる。本実施の形態では、クラッチ７０の入力トルクの勾配および入力トルクの増大を継続する継続時間を設定してクラッチのロック状態を解除する。
【００７２】
図１２を参照して、クラッチ７０の逆入力トルクＭが定まれば、逆入力トルクＭに応じたトルク勾配および継続時間を選定して、クラッチ７０のロック状態を解除することができる。入力軸の加速度αiは、ロック状態の解除が可能な任意の値を選択することができる。本実施の形態では、入力トルクの勾配が大きくなる領域を選択している。クラッチ７０のロック状態の解除が可能な領域のうち、最大の入力軸加速度αimを選択する。入力軸の加速度αiを大きくし、継続時間ｔiを短くすることにより、ロック状態を解除するために必要な電力量を小さくすることができる。すなわち、クラッチ７０のロック状態を解除するための消費電力を抑制することができる。また、ロック状態の解除の応答性を向上させることができる。
【００７３】
図１３に、本実施の形態における機械圧縮比を変更する第１の運転制御のフローチャートを示す。図１３に示す運転制御は、電子制御ユニット３０により、たとえば所定の時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。
【００７４】
ステップ１２０においては、機関本体９０が停止している状態か否かを判別する。例えば、機関回転数が零であるか否かを判別する。ステップ１２０において、機関本体９０が運転期間中である場合には、この制御を終了する。ステップ１２０において、機関本体９０が停止期間中である場合にはステップ１２１に移行する。
【００７５】
ステップ１２１においては、機械圧縮比の変更要求を検出したか否かを判別する。機械圧縮比の変更要求を検出していない場合には、この制御を終了する。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。
【００７６】
次に、ステップ１２２においては、機械圧縮比を低下させるか否かを判別する。ステップ１２２において、機械圧縮比を上昇させると判別した場合には、ステップ１２４に移行する。ステップ１２４においては、機械圧縮比を目標の機械圧縮比まで上昇する。この場合には、予め定められたトルク勾配および継続時間になるようにモータ５９に電流を供給して、ロック状態を解除することができる。ロック状態を解除した後に機械圧縮比を目標圧縮比まで上昇させることができる。ステップ１２２において、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。
【００７７】
ステップ１２３においては、現在の機械圧縮比の状態における偏心軸角度θを算出する。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。図３を参照して、本実施の形態では、機械圧縮比が最も高い状態では偏心軸角度θが０°である。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。
【００７８】
偏心軸角度θは、現在の機械圧縮比に基づいて算出することができる。偏心軸角度θは、たとえば相対位置センサ２２（図１参照）により検出される相対位置に基づいて算出することができる。
【００７９】
図１３を参照して、ステップ１２５においては、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを算出する。ここで、機関本体９０の停止期間中にクラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクの算出方法について説明する。
【００８０】
図１４は、可変圧縮比機構のリンク機構における偏心軸角度に対するシリンダブロック２に加わる荷重のグラフである。縦軸は、リフトスプリング６５（図１参照）によりシリンダブロック２に印加される荷重を示している。機械圧縮比が低くなるほど、クランクケース１に対してシリンダブロック２が遠ざかるために、リフトスプリング６５の縮み量は減少する。このために、偏心軸角度θが大きくなるほど、シリンダブロック２に加えられる荷重は小さくなる。偏心軸角度が１８０°になった場合においてもリフトスプリング６５は縮んでいる状態であり、最小荷重がシリンダブロック２に加わっている。このように、偏心軸角度に基づいてリフトスプリング６５からシリンダブロック２に印加される荷重が定まる。
【００８１】
図１５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、リンク機構によりシリンダブロック２に加わる荷重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に対応する。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。角度係数が大きくなるほどウォームホイール６３，６４に伝達されるトルクは大きくなる。
【００８２】
図１６は、偏心軸角度に対する逆入力トルクを示すグラフである。図１４に示すシリンダブロック２に加わる荷重に対して図１５に示す角度係数を乗じることにより、ウォームホイール６３，６４に加えられるトルクを算出することができる。そして、ウォームホイール６３，６４とウォーム６１，６２とのギヤ比に基づいて、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを算出することができる。逆入力トルクは、偏心軸角度の関数になっていることが分かる。このように、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置に基づいて、逆入力トルクを算出することができる。
【００８３】
図１３を参照して、次に、出力軸７４に加わる逆入力トルクに基づいて、クラッチ７０のロック状態を解除するために必要なトルク勾配と入力トルクを増大する継続時間を設定する。
【００８４】
ステップ１２６においては、クラッチ７０の入力軸７１に入力されるトルク勾配を設定する。ステップ１２７においては、設定されたトルク勾配にてトルクを上昇させる継続時間を設定する。トルク勾配および継続時間は、例えば、逆入力トルクを関数にした設定値が予め定められている。図１２を参照して、たとえば、逆入力トルクＭ1の場合には、入力軸の加速度αimに対応するトルク勾配に設定され、更に継続時間ｔi1mに余裕分を加算した付与時間が選定されている。
【００８５】
次に、ステップ１２８においてはロック状態を解除する。制御装置は、設定されたトルク勾配および付与時間になるように、モータ５９に電力を供給する。
【００８６】
図１７に、モータに供給する電流とクラッチの入力トルクとの関係を説明するグラフを示す。クラッチ７０の入力トルクは、モータ５９の出力トルクに対応する。本実施の形態では、デューティ比制御にてモータ５９を制御している。すなわち、モータ５９に、電流を供給している時間と電流の供給を停止する時間との比率を変更することにより、モータ５９の出力のトルク勾配を調整することができる。
【００８７】
デューティ比が１００％のグラフが実線で、デューティ比が５０％のグラフが１点鎖線にて示されている。時刻ｔ１においてモータ５９を始動している。そして、時刻ｔ２においてクラッチ７０の入力トルクが所定の値まで到達して、その後に一定になっている。デューティ比が１００％の制御では、デューティ比が５０％の制御よりもモータの出力トルクの上昇速度、すなわちクラッチ７０の入力軸７１に加わるトルク勾配は大きくなる。デューティ比を増大することにより、入力軸７１に入力するトルク勾配を増大することができる。本実施の形態においては、モータに供給する電流のデューティ比を変化させることにより、トルク勾配を変化させている。
【００８８】
図１３を参照して、ステップ１２８において、ロック状態を解除することができる。制御装置は、設定された付与時間およびデューティ比にてモータ５９に電流を供給する。クラッチ７０のロック状態が解除される。
【００８９】
次に、ステップ１２９において、機械圧縮比を目標の機械圧縮比まで低下する。クラッチ７０のロック状態を解除した後には、クラッチ７０の入力トルクを小さくしても機械圧縮比を低下させることができる。制御装置は、予め定められた低い電流値にて機械圧縮比を目標機械圧縮比まで低下させることができる。機械圧縮比が目標機械圧縮比に到達した時に、この制御を終了する。
【００９０】
このように、本実施の形態における内燃機関の制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する。逆入力トルクに基づいてモータが出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定する。継続時間に基づいて付与時間を設定する。そして、設定されたトルク勾配と付与時間に基づいてトルクを増大して、クラッチのロック状態を解除する。この制御を採用することにより、モータが出力するトルクおよびモータ供給する電力を最適化することができる。このため、モータの容量が過大になることを回避することができて、モータの小型化を図ることができる。また、モータに供給する電力を低減することができる。
【００９１】
本実施の形態においては、回転機として電動機が採用され、制御装置は、電動機への電力の供給パターンを変更してトルク勾配を制御している。また、電動機に電力を供給する時間を変更して継続時間を制御している。この制御を実施することにより、クラッチの入力軸に加えるトルク勾配および継続時間を容易に制御することができる。
【００９２】
なお、可変圧縮比機構の回転機としては、電動機に限られず、クラッチの入力軸を回転可能な任意の回転機を採用することができる。たとえば、回転機は、油圧によるアクチュエータによりクラッチの入力軸を回転するように形成されていても構わない。
【００９３】
次に、本実施の形態の第２の運転制御について説明する。クラッチ７０の内部では摺動する部分があるために、クラッチ７０の内部には潤滑油が供給される。クラッチ７０のロック状態を解除する場合には、ローラ８０ａ，８０ｂに対して、外輪７７および出力軸７４が摺動する。本実施の形態における可変圧縮比機構は、クラッチ７０の内部に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を備える。第２の運転制御では、機械圧縮比を低下させるときに潤滑油の状態を考慮する。
【００９４】
本実施の形態では、クラッチ７０が潤滑油の蒸気の雰囲気中に配置されている。機関本体９０は、オイルパンに貯留するオイルの蒸気が外部に漏れないようにブーツシールにより密閉されている。クラッチ７０は、機関本体９０の密閉空間の内部に配置されている。オイルパンおよび密閉部材が潤滑油供給装置として機能する。なお、潤滑油供給装置としては、この形態に限られず、たとえば、クラッチ７０の内部に直接的に潤滑油を供給するように形成されていても構わない。
【００９５】
本実施の形態の第２の運転制御においては、クラッチ７０の内部の摺動部分における摩擦係数を推定し、摩擦係数に基づいてクラッチ７０のロック状態の解除に必要なトルク勾配および継続時間を設定する。摩擦係数が小さくなることにより、ロック状態を解除するために必要なトルク勾配を小さくすることができて、さらに、継続時間も短くすることができる。
【００９６】
図１８は、潤滑油の温度と摩擦係数との関係を示すグラフである。クラッチ７０のロック状態を解除する時には、動摩擦係数よりも静止摩擦係数が支配的になる。ここでの摩擦係数μは、ローラ８０ａ，８０ｂの接触面における静止摩擦係数を示している。たとえば、クラッチ７０がロック状態であるときには、ローラ８０ａ，８０ｂと外輪７７とが直接的に接触している。そして、ローラ８０ａ，８０ｂとの外輪７７との間の領域における化学反応により油膜が形成される。潤滑油の温度Ｔｇが高くなるほど摩擦係数μは低下する。図１８に示す関係に基づいて、潤滑油の温度Ｔｇにより摩擦係数μを算出することができる。
【００９７】
本実施の形態の可変圧縮比機構は、潤滑油の温度を検出する温度検出器を含む。本実施の形態の温度検出器は、オイルパンに貯留する潤滑油の温度を検出する。そして、潤滑油の温度に基づいて摩擦係数を算出することができる。
【００９８】
図１３を参照して、第２の運転制御においては、潤滑油の温度に基づいてトルク勾配および継続時間を制御する。ステップ１２６において、摩擦係数に基づいてトルク勾配を設定することができる。ステップ１２７において、摩擦係数に基づいて継続時間を設定することができる。たとえば、逆入力トルクと潤滑油の温度とを関数にしたマップを予め制御装置に記憶させておくことができる。または、設定したトルク勾配および継続時間に対して摩擦係数に基づく補正係数を乗算しても構わない。
【００９９】
第２の運転制御においては、クラッチ７０の内部の摺動部分における摩擦係数を考慮するために、クラッチ７０のロック状態の解除に必要なトルク勾配および継続時間を正確に設定することができる。このために、回転機の容量が過大になることを回避することができる。また、クラッチ７０のロック状態を解除するときの消費電力を低減することができる。
【０１００】
次に、本実施の形態の第３の運転制御について説明する。第３の運転制御においては、クラッチ７０のロック状態を解除するときの蓄電池９２の状態を検出する。そして、蓄電池９２の状態に基づいて、モータ５９に供給する電力の供給パターンを設定する。
【０１０１】
図１９に、可変圧縮比機構のモータに電力を供給する電力供給装置の概略図を示す。内燃機関は、モータ５９に電力を供給するための蓄電池９２と、電力供給ユニット９４と、蓄電池９２の出力電圧を検出する電圧検出器９３とを備える。電圧検出器９３の出力は、電子制御ユニット３０に入力される。電力供給ユニット９４は、電子制御ユニット３０の指令に基づいて、蓄電池９２からモータ５９に電力を供給する。
【０１０２】
図１２を参照して、前述の運転制御ではクラッチ７０の入力軸７１のトルク勾配が大きくなるように、トルク勾配および継続時間を設定する。この制御では、消費電力を低減することができるが、蓄電池９２の負荷が大きくなる。そして、クラッチ７０のロック状態を解除したときの蓄電池９２の電圧降下が大きくなる。蓄電池９２の電圧降下が大きくなると、ロック状態を解除した後の機械圧縮比の制御に不具合が生じる虞がある。または、蓄電池９２に接続されている他の装置の制御に不具合が生じる虞がある。
【０１０３】
第３の運転制御では、クラッチ７０のロック状態を解除する前に、蓄電池９２の出力電圧を検出し、機械圧縮比の低下の際に許容される電圧降下を算出する。許容される電圧降下が予め定められた判定値以上の場合には、第１の運転制御と同様の制御を実施する。一方で、許容される電圧降下が予め定められた判定値未満の場合には、許容される電圧降下に基づいてトルク勾配および継続時間を設定する。トルク勾配は、モータ５９が出力可能な最大のトルク勾配よりも低く設定される。また、継続時間は最大のトルク勾配に対応する最小の継続時間よりも長く設定される。
【０１０４】
図２０は、入力軸加速度および継続時間に対してクラッチのロック状態の解除が可能な領域を示すグラフである。図２０は、逆入力トルクＭ1のときのグラフである。この実施例では、入力軸の加速度αiをモータ５９の最大の入力軸の加速度αimに設定すると、電圧降下が大きくなり、蓄電池９２は所定の電圧判定値未満になってしまう。このために、検出した蓄電池９２の電圧に基づいて、許容される電圧降下を算出する。そして、許容される電圧降下に基づいて入力軸の加速度αi3を算出する。矢印１０３に示す様に、入力軸の加速度αi3は、最大の入力軸の加速度αimよりも低く設定される。そして、入力軸の加速度αi3に基づいて継続時間ｔi3が設定される。設定された入力軸の加速度αi3および継続時間ｔi3に基づいて、機械圧縮比が変更される。
【０１０５】
第３の運転制御を実施することにより、クラッチ７０のロック状態を解除した場合に、蓄電池の出力電圧が所定の電圧未満になって、ロック状態を解除した後の機械圧縮比の制御に不具合が生じることを回避できる。また、他の装置の制御に不具合が生じることを抑制することができる。
【０１０６】
図２１に、本実施の形態における第３の運転制御のフローチャートを示す。この運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して実施することができる。ステップ１２０からステップ１２５までは、図１３に示す第１の運転制御と同様である。ステップ１２５においては、偏心軸角度に基づいて逆入力トルクを算出する。
【０１０７】
次に、ステップ１３１において、電圧検出器９３により蓄電池９２の電圧を検出する。そして、蓄電池９２の電圧に基づいて機械圧縮比を低下させる制御で許容される電圧降下、すなわち電圧降下許容値を設定する。
【０１０８】
次に、ステップ１３２においては、電圧降下許容値が予め定められた判定値以上か否かが判別される。ここでの判定値は、たとえば、最大のトルク勾配を選択した場合の電圧降下を予め設定することができる。電圧降下許容値が判定値以上であれば、蓄電池９２が出力する電圧は十分に高いと判別することができる。この場合には、ステップ１３６に移行する。
【０１０９】
ステップ１３６においては、モータ５９が出力可能な最大のトルク勾配を設定する。ステップ１３７においては、設定されたトルク勾配に対応する継続時間を設定する。ステップ１３８においては、設定されたトルク勾配と継続時間に基づいてロック状態を解除する。次に、ステップ１３９において機械圧縮比を低下させる。
【０１１０】
ステップ１３２において、電圧降下許容値が予め定められた判定値未満である場合には、ステップ１３３に移行する。この場合には、最大のトルク勾配にて機械圧縮比を低下すると蓄電池９２の電圧が不足すると判別することができる。
【０１１１】
ステップ１３３においては、電圧降下許容値に基づいてトルク勾配を設定する。電圧降下許容値を関数にするトルク勾配の値は、予め定めておいて電子制御ユニット３０に記憶させておくことができる。このように、現在の蓄電池９２の出力電圧に基づいて、トルク勾配を設定することができる。本実施の形態では、モータ５９に供給する電力のデューテイ比を設定することができる。
【０１１２】
次に、ステップ１３４においては、設定されたトルク勾配に基づいて継続時間を設定する。ステップ１３５においては、設定されたトルク勾配および継続時間によりロック状態を解除する。次に、ステップ１３９において機械圧縮比を低下させる。
【０１１３】
このように、第３の運転制御においては、蓄電池９２の出力電圧が低下したことを検出し、機械圧縮比が低下した後に蓄電池９２の出力電圧が低くなりすぎないように制御することができる。
【０１１４】
前述の運転制御では機関本体９０の停止期間中に機械圧縮比を変更する制御を例示しているが、本発明の運転制御は、機関本体９０の運転期間中にも適用することができる。次に、機関本体９０の運転期間中に機械圧縮比を変更する第４の運転制御について説明する。
【０１１５】
図２２に、本実施の形態の内燃機関におけるクランク角度と、筒内圧との関係を説明するグラフを示す。本実施の形態における内燃機関は、複数の気筒を有する。本実施の形態においては、４個の気筒が形成されている。それぞれの気筒には燃料と空気の混合気が供給されて、点火することにより燃料が燃焼し、筒内圧が上昇する。筒内圧は、筒内圧センサ２３（図１参照）により検出することができる。図２２には、点火の順序に従って、第１気筒、第３気筒、第４気筒および第２気筒の筒内圧が記載されている。横軸のクランク角度は、時間に対応する。縦軸の筒内圧は、シリンダヘッド３を介してシリンダブロック２に作用する力に対応する。筒内圧には、燃料が燃焼することにより極大になる極大点１９１と、筒内圧が極小になる極小点１９２とが発現している。
【０１１６】
図１０を参照して、運転期間中には筒内圧およびリフトスプリング６５の付勢力により、出力軸７４には、矢印１００に示す向きの逆入力トルクが加わっている。機械圧縮比を上昇させる場合には、逆入力トルクを遮断していない側の係止部８６ｂのローラ８０ｂを押圧するために、容易にローラ８０ｂを係止部８６ｂから離脱させることができる。すなわち、容易にロック状態を解除することができる。
【０１１７】
図８および図９を参照して、機械圧縮比を低下させる場合には、入力軸７１が矢印１０１に示す向きに回転する。入力軸７１の回転方向は、矢印１００に示す出力軸７４に加わる回転力の回転方向と同じになる。出力軸７４に加わる逆入力トルクは筒内圧に依存する。筒内圧が大きくなると、出力軸７４に加わる逆入力トルクも大きくなる。このために、逆入力トルクも増大と減少とを繰り返す。出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の周期は、筒内圧の振動の周期と同様になる。
【０１１８】
図２２を参照して、例えば、クランク角度ＣＡａからクランク角度ＣＡｂに向かうにつれて、筒内圧が上昇する。出力軸７４に加わる逆入力トルクも増大する。筒内圧が上昇するときには、ローラ８０ａが係止部８６ａに食い込む量が増大する。この時に、機械圧縮比を低下させるために、保持部７３にてローラ８０ａを押圧してローラ８０ａのロック状態を解除しようとしても、大きな力が必要になる。
【０１１９】
一方で、筒内圧が低下している場合には、出力軸７４に加わる逆入力トルクが減少する。ローラ８０ａが係止部８６ａに食い込む量が小さくなる。ローラ８０ａは、係止部８６ａから離脱する向きに相対移動している。この時に、保持部７３によりローラ８０ａを押圧すると、係止部８６ａからのローラ８０ａの離脱を促進し、小さな力にてローラ８０ａの係止を解除することができる。
【０１２０】
例えばクランク角度ＣＡ１（筒内圧の極大点１９１）からクランク角度ＣＡ２（筒内圧の極小点１９２）までの期間Ｓにおいては、筒内圧が減少している。期間Ｓにおいて、機械圧縮比を低下させるために、ローラ８０ａの押圧を開始することにより、小さな力にてローラ８０ａの係止を解除することができる。本実施の形態においては、筒内圧の極大点１９１において、駆動装置のモータ５９の作動を開始している。
【０１２１】
ここで、期間Ｓを経過すると筒内圧が再び上昇する。このために、ローラ８０ａの係止部８６ａからの離脱は、期間Ｓ内に終了することが好ましい。すなわち、期間Ｓの期間内に係止部８６ａからローラ８０ａが離れることが好ましい。本実施の形態の制御装置は、筒内圧の極大点１９１から極小点１９２に移行する期間Ｓが終了するまでに、係止部８６ａからローラ８０ａが離れるようにモータ５９を制御している。
【０１２２】
このように、筒内圧の極大点１９１から極小点１９２に移行する期間中にクラッチ７０のロック状態を解除することにより、小さな駆動力にてクラッチ７０のロック状態を解除することができる。機械圧縮比を低下する場合に、トルク勾配と継続時間を設定する前述の運転制御を実施しなくてもクラッチ７０のロック状態を解除することができる。
【０１２３】
ところが、内燃機関の使用を継続すると、可変圧縮比機構の異常や偏心軸を構成する部品の経年劣化等により、筒内圧の変動が十分にクラッチ７０の出力軸７４に伝達されない場合が生じ得る。たとえば、偏心軸の軸受けの摩耗や、かたぎによるウォームギヤの動力伝達効率の低下等により、筒内圧による回転力の変動がクラッチ７０の出力軸７４に十分に伝達されない場合がある。または、偏心軸の機構を潤滑する潤滑油の劣化により筒内圧の変動が出力軸７４に十分に伝達されない場合がある。この結果、クラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の振幅が小さくなる場合がある。
【０１２４】
図２３は、クランク角度とクラッチの出力軸に加わる逆入力トルクとの関係を示すグラフである。図２３には、可変圧縮比機構の使用開始時のグラフと経年劣化時のグラフとが示されている。可変圧縮比機構の使用開始時、たとえば新品の時には経年劣化がないために、逆入力トルクの振幅が大きくなる。これに対して、経年劣化時や可変圧縮比機構の異常時には、逆入力トルクの振幅が減少して小さくなる。
【０１２５】
筒内圧の極大点１９３から極小点１９４に移行する期間中にクラッチ７０のロック状態を解除する制御を実施している場合に、逆入力トルクの振動の振幅が小さくなると、クラッチ７０のロック状態を解除することが困難になる場合がある。特に、機械圧縮比を低下する場合に、クラッチ７０のロック状態を解除することが困難になる場合がある。
【０１２６】
そこで、本実施の形態の内燃機関は、出力軸７４に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値よりも小さくなった場合には、本実施の形態の第１の運転制御から第３の運転制御と同様の制御を実施する。すなわち、機械圧縮比を低下させる場合に、トルク勾配と継続時間を設定してモータ５９を制御する。ここでは、第１の運転制御を実施する例を取り上げて説明する。
【０１２７】
図２４に、本実施の形態における第４の運転制御のフローチャートを示す。この運転制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して実施することができる。
【０１２８】
ステップ１５０においては、機関本体９０が運転期間中であるか否かを判別する。たとえば、機関回転数が零よりも大きいか否かを判別する。機関本体９０が停止している場合には、この制御を終了する。機関本体９０が運転期間中の場合には、ステップ１２１に移行する。
【０１２９】
ステップ１２１、ステップ１２２およびステップ１２４は、第１の運転制御と同様である（図１３参照）。ステップ１２２において、機械圧縮比を低下させる場合には、ステップ１５１に移行する。
【０１３０】
ステップ１５１においては、逆入力トルクの振動の振幅を推定する。ここで、逆入力トルクの振動の振幅の推定制御について説明する。本実施の形態の内燃機関は、運転期間中にクラッチ７０の出力軸７４に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置を含む。図２を参照して、本実施の形態の回転力推定装置は、クラッチ７０の出力軸７４の逆入力トルクを検出するトルク検出器８９を含む。
【０１３１】
本実施の形態のトルク検出器８９は、歪みゲージ式である。トルク検出器８９は、出力軸７４のねじれを検出し、検出したねじれに基づいて出力軸７４に加わる逆入力トルクを検出することができる。回転力推定装置としては、この形態に限られず、出力軸７４に加わる逆入力トルクを測定する任意の装置を採用することができる。たとえば、回転力推定装置としては、磁歪式のトルクセンサを採用しても構わない。
【０１３２】
図２３を参照して、本実施の形態の内燃機関は、回転力推定装置にて検出した出力軸７４のねじれ量を検出し、検出したねじれ量に基づいて極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクを推定する。そして、逆入力トルクの極大値および極小値に基づいて、逆入力トルクの振動の振幅ＡＴｒｇを算出する。振幅ＡＴｒｇの算出においては、１つの極大点１９３と１つの極小点１９４とに基づいて１つの振幅ＡＴｒｇを算出することができる。または、複数個の極大点１９３および複数の極小点１９４に基づいて、複数の振幅の平均値等を採用しても構わない。
【０１３３】
図２４を参照して、次に、ステップ１５２においては、逆入力トルクの振動の振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値以上か否かを判別する。逆入力トルクの振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値以上の場合には、機械圧縮比を低下させるための逆入力トルクの振動の振幅が十分に大きいと判別することができる。この場合には、ステップ１５３に移行する。
【０１３４】
ステップ１５３においては、前述の通常運転の期間中のロック解除制御によりロック状態を解除することができる。たとえば、図２２を参照して、期間Ｓの期間中にロック状態を解除する。そして、ステップ１２９において、目標機械圧縮比まで機械圧縮比を低下させることができる。
【０１３５】
ステップ１５２において、逆入力トルクの振幅ＡＴｒｇが予め定められた振幅の判定値未満の場合には、機械圧縮比を低下させるために逆入力トルクの振動の振幅が不十分であると判別することができる。この場合には、ステップ１２５に移行する。
【０１３６】
ステップ１２５からステップ１２８は、本実施の形態における第１の運転制御と同様である。すなわち、トルク勾配とトルクの増大を継続する継続時間とを算出して、算出したトルク勾配および継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除する。
【０１３７】
ここで、ステップ１２５の逆入力トルクの算出においては、筒内圧による逆入力トルクを考慮する。たとえば、トルク検出器８９にて検出した出力軸７４のねじれ量を検出し、検出したねじれ量に基づいて極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクを推定する。そして、極大点１９３の逆入力トルクおよび極小点１９４の逆入力トルクの平均値を、出力軸に加わる逆入力トルクとすることができる。または、筒内圧センサの出力値と偏心軸角度とに基づいて逆入力トルクを推定しても構わない。
【０１３８】
そして、ステップ１２８においてロック状態を解除した後に、ステップ１２９において、目標機械圧縮比まで機械圧縮比を低下させることができる。
【０１３９】
本実施の形態の第４の運転制御においては、逆入力トルクの極大値と極小値とを推定して逆入力トルクの振動の振幅を算出しているが、この形態に限られず、逆入力トルクの振動の振幅が判定値未満であるか否かを判別可能な任意の制御を実施することができる。たとえば、所定の内燃機関の運転状態において逆入力トルクの最大値（極大値）を検出し、検出した逆入力トルクの最大値が予め定められた最大値の判定値よりも小さい場合に、逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた振幅の判定値未満であると判別することができる。
【０１４０】
第４の運転制御についても第３の運転制御を組み込むことができる。すなわち、運転期間中に最大のトルク勾配にてロック状態を解除すると、蓄電池の電圧が許容値未満になると判別される場合には、蓄電池の電圧降下許容値に基づいて回転機に供給する電力パターンを設定することができる。
【０１４１】
本実施の形態におけるクラッチは、機械圧縮比が上昇する回転方向および機械圧縮比が低下する回転方向の両方向の入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの両方向の回転力を遮断するように形成されている。クラッチとしては、この形態に限られず、入力軸からの両方向の回転力を出力側に伝達し、機械圧縮比が低下する回転方向の出力軸からの回転力を遮断するように形成されていれば構わない。
【０１４２】
更に、本実施の形態の可変圧縮比機構は、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を含み、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しているが、この形態に限られず、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ための偏心軸と、偏心軸を回転させるための駆動装置とを含む可変圧縮比機構に本発明を適用することができる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
上記の実施の形態は、組み合わせることができる。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。また、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。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形態の変更が含まれている。
【符号の説明】
【０１４５】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
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
７０    クラッチ
７１    入力軸
７４    出力軸
７７    外輪
８０ａ，８０ｂ    ローラ
８９    トルク検出器
９０    機関本体
９２    蓄電池
９３    電圧検出器
Ａ    可変圧縮比機構
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、
可変圧縮比機構は、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ための駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置とを含み、
駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含み、
クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の出力軸に加わる逆入力トルクを遮断するように形成されており、
制御装置は、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて、回転機が出力するトルク勾配およびトルクの増大を継続する継続時間を設定し、前記トルク勾配および前記継続時間に基づいてクラッチのロック状態を解除することを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
クラッチは、回転機の回転力が入力される入力軸と、入力軸から回転力が伝達される出力軸と、クラッチの駆動中に移動しない外輪とを含み、ローラが出力軸と外輪との間に配置され、出力軸と外輪とはローラを係止させるための係止部を形成し、クラッチは、機械圧縮比を低下させる回転方向の逆入力トルクが出力軸に作用すると、ローラを係止部に係止させて出力軸を外輪に対してロックさせることで前記逆入力トルクを遮断するように形成されており、
制御装置は、前記トルク勾配および前記継続時間に基づいて入力軸を回転させることにより、ローラを係止部から離して出力軸のロックを解除する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
回転機は、電動機を含み、
制御装置は、電動機に供給する電流のデューティ比を変更することによりトルク勾配を制御し、電動機に電力を供給する時間を変更することにより継続時間を制御する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
可変圧縮比機構は、クラッチに潤滑油を供給する潤滑油供給装置と、潤滑油の温度を検出する温度検出器とを含み、
制御装置は、潤滑油の温度を検出し、潤滑油の温度に基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を制御する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
電動機に電力を供給する蓄電池と、
蓄電池の出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、
制御装置は、蓄電池の出力電圧を検出し、出力電圧が予め定められた電圧判定値よりも低い場合に、ロック状態を解除するために許容される電圧降下に基づいて、前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項６】
クランクケースを含む支持構造物と、
支持構造物に支持されているシリンダブロックとを備え、
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を含み、
駆動装置は、シャフトを回転させて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燃焼室の大きさを変更する、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項７】
支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材を備え、
制御装置は、燃焼室における燃料の燃焼が停止している期間中に機械圧縮比を低下する場合に、付勢部材の付勢力に基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
筒内圧を検出する筒内圧力検出器と、
クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクを推定する回転力推定装置とを備え、
制御装置は、内燃機関の運転期間中に機械圧縮比を低下させる場合に、筒内圧を検出し、筒内圧が極大点から極小点まで移行する期間中に、クラッチの入力軸の駆動を開始するように回転機を制御し、クラッチの出力軸に加わる逆入力トルクの振動の振幅が予め定められた判定値未満の場合に、逆入力トルクを推定し、逆入力トルクに基づいて前記トルク勾配および前記継続時間を設定する、請求項６に記載の内燃機関。