(57)【要約】【課題】目標圧縮比が低圧縮比領域内の値であったとしても、実際の圧縮比を迅速に目標圧縮比付近へ到達させる。【解決手段】アクチュエータ５９を回転させることによって内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構Ａを具備する。アクチュエータの回転角度が機関運転状態に応じて設定される目標圧縮比に対応する目標回転角度となるようにアクチュエータが制御される。実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、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てオーバーシュートすることが許容される。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを回転させることによって内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を具備し、上記アクチュエータの回転角度が機関運転状態に応じて設定される目標圧縮比に対応する目標回転角度となるように該アクチュエータが制御される、可変圧縮比内燃機関において、
実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートすることが許容される、可変圧縮比内燃機関。
【請求項２】
実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートするように上記アクチュエータが制御される、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項３】
上記アクチュエータの回転角度又は圧縮比を検出可能なセンサを更に具備し、該センサの出力に基づいて上記アクチュエータの回転角度が目標回転角度になるように該アクチュエータをフィードバック制御しており、
上記実際の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするようにアクチュエータを制御することは、フィードバック制御における制御ゲインを増大させることによって行われる、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項４】
上記実際の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするようにアクチュエータを制御することは、実際の回転角度が目標回転角度を超えた修正目標回転角度になるように上記アクチュエータを制御することによって行われる、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項５】
実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートすることが禁止される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項６】
実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートしないように上記アクチュエータが制御される、請求項５に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項７】
実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲は、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲よりも大きい、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項８】
実際の圧縮比を高圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲は、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲よりも大きい、請求項１又は７に記載の可変圧縮比内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変圧縮比内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の燃費向上や出力性能の向上等を目的として、内燃機関の圧縮比を変更する技術が提案されている。このような技術としては、例えば、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するととものその連結部分にカムシャフトを設け、このカムシャフトを回転させてシリンダブロックとクランクケースとを気筒の軸線方向に相対移動させることで燃焼室の容積を変更し、もって内燃機関の圧縮比を変更する技術が挙げられる（例えば、特許文献１及び２を参照）。
【０００３】
特許文献１及び２に開示された可変圧縮比内燃機関では、駆動モータによってカムシャフトを回転させている。このように駆動モータによってカムシャフトを回転させると、カムシャフトを過回転させてしまうことがあり、このようなカムシャフトの過回転によって内燃機関の圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュートしてしまうことがある。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示された可変圧縮比内燃機関では、このようなカムシャフトの過回転によるオーバーシュートを抑制すべく、内燃機関の圧縮比を目標圧縮比へと変化させる際に、実際の圧縮比が目標圧縮比近傍に到達したときに駆動モータの回転速度を低下させるようにしている。また、上記可変圧縮比内燃機関では、実際の圧縮比が可変圧縮比機構によってとり得る最大圧縮比近傍又は最小圧縮比近傍にあるときにも同様に駆動モータの回転速度を低下させるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５６８３７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０６７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１に開示されているような可変圧縮比内燃機関では、駆動モータの回転角度と圧縮比との関係はリニアではなく、特に低圧縮比領域においては駆動モータの回転角度の変化に対する圧縮比の変化の割合が小さい。従って、例えば特許文献１に開示されているように、圧縮比が最小圧縮比近傍にあるとき、すなわち低圧縮比領域内にあるときに駆動モータの回転速度を低下させてしまうと、圧縮比が目標圧縮比に到達するのが遅れてしまう。
【０００７】
ここで、通常、圧縮比を低下させる場合は、それと同時に内燃機関の燃焼室内に供給される吸入空気量も増大せしめられる。このため、目標圧縮比が低圧縮比領域内にあって実際の圧縮比が中高圧縮比領域内から低圧縮比領域内へと移動せしめられる場合、燃焼室内に供給される吸入空気量は増大せしめられているのにも関わらず、圧縮比の変更が遅れて圧縮比は十分に低い値になっていないという状況が発生し得る。このような状況になると、圧縮端温度（ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の混合気の温度）及び圧縮端圧力（ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室内の混合気の圧力）の上昇により燃焼室内で異常燃焼が生じ、ノッキングが発生してしまうことがある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、目標圧縮比が低圧縮比領域内の値であったとしても、実際の圧縮比を迅速に目標圧縮比付近へ到達させることができる可変圧縮比内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、アクチュエータを回転させることによって内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を具備し、上記アクチュエータの回転角度が機関運転状態に応じて設定される目標圧縮比に対応する目標回転角度となるように該アクチュエータが制御される、可変圧縮比内燃機関において、実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートすることが許容される。
第１の発明によれば、目標圧縮比が低圧縮比領域内にある場合には、アクチュエータの回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートせしめられる。低圧縮比領域内においてはアクチュエータの回転角度の変化に対する圧縮比の変化の割合が小さく、よって低圧縮比領域内においてオーバーシュートが生じてアクチュエータの回転角度が目標回転角度からずれても圧縮比は目標圧縮比付近に維持される。このため、圧縮比を迅速に目標圧縮比付近に到達させることができる。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートするように上記アクチュエータが制御される。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、上記アクチュエータの回転角度又は圧縮比を検出可能なセンサを更に具備し、該センサの出力に基づいて上記アクチュエータの回転角度が目標回転角度になるように該アクチュエータをフィードバック制御しており、上記実際の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするようにアクチュエータを制御することは、フィードバック制御における制御ゲインを増大させることによって行われる。
【００１２】
第４の発明では、第２の発明において、上記実際の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするようにアクチュエータを制御することは、実際の回転角度が目標回転角度を超えた修正目標回転角度になるように上記アクチュエータを制御することによって行われる。
【００１３】
第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートすることが禁止される。
【００１４】
第６の発明では、第５の発明において、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合には、上記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てオーバーシュートしないように上記アクチュエータが制御される。
【００１５】
第７の発明では、第１の発明において、実際の圧縮比を低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲は、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲よりも大きい。
【００１６】
第８の発明では、第１又は第７の発明において、実際の圧縮比を高圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲は、実際の圧縮比を中圧縮比領域内の目標圧縮比に変更すべき場合における上記アクチュエータの目標回転角度に対するオーバーシュート許容範囲よりも大きい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、目標圧縮比が低圧縮比領域内にある場合においても、圧縮比を迅速に目標圧縮比付近へ到達させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の第一実施形態の可変圧縮比内燃機関について詳細に説明する。図１に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。
【００１９】
図１を参照すると、１はクランクケース、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。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、各吸気枝管１１にはそれぞれ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が配置される。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに各燃焼室５内に配置してもよい。
【００２０】
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、吸気ダクト１４内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と例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８とが配置される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ２０に連結され、排気マニホルド１９内には空燃比センサ２１が配置される。
【００２１】
一方、図１に示した実施形態ではクランクケース１とシリンダブロック２との連結部にクランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン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が設けられており、更に実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁７の閉弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構Ｂが設けられている。
【００２２】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、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及び出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１８の出力信号及び空燃比センサ２１の出力信号はそれぞれ対応する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、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。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が接続される。さらに、シリンダブロック２にはシリンダブロック２とクランクケース１との相対位置を検出するための相対位置センサ４３が設けられており、相対位置センサ４３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。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１６、可変圧縮比機構Ａ及び可変バルブタイミング機構Ｂに接続される。
【００２３】
次に、本実施形態の可変圧縮比機構Ａの構成について図２及び図３を参照して説明する。図２は図１に示す可変圧縮比機構Ａの分解斜視図を示しており、図３は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。
【００２４】
図２を参照すると、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ブロック側突出部５０が形成されており、各ブロック側突出部５０内にはそれぞれ断面円形のブロック側カム挿入孔５１が形成されている。これらブロック側カム挿入孔５１はシリンダの配列方向に平行になるように同一軸線上に形成される。
【００２５】
一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応するブロック側突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個のケース側突出部５２が形成されており、これら各ケース側突出部５２内にもそれぞれ断面円形のケース側カム挿入孔５３が形成されている。これらケース側カム挿入孔５３も、ブロック側カム挿入孔５１と同様にシリンダの配列方向に平行になるように同一軸線上に形成される。
【００２６】
図２に示したように一対のカムシャフト５４、５５が設けられており、各カムシャフト５４、５５上には一つおきに各ケース側カム挿入孔５３内に回転可能に挿入されるケース側円形カム５６が固定されている。これらケース側円形カム５６は各カムシャフト５４、５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各ケース側円形カム５６間には図３に示したように各カムシャフト５４、５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上にブロック側円形カム５８が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示したようにこれらブロック側円形カム５８は各ケース側円形カム５６間に配置されており、これらブロック側円形カム５８は対応する各ブロック側カム挿入孔５１内に回転可能に挿入されている。
【００２７】
図２に示したように各カムシャフト５４、５５をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸６０にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア６１、６２が取付けられており、これらウォームギア６１、６２と噛合する歯車６３、６４がそれぞれ各カムシャフト５４、５５の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ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の容積を広い範囲に亘って変更することができる。
【００２８】
次に、上述した構成の可変圧縮比機構Ａにより圧縮比を変更する方法について図３及び図４を参照して詳述する。図４は、ケース側円形カム５６、偏心軸５７及びブロック側円形カム５８の中心の運動をモデル化した図である。図３及び図４において、ａはケース側円形カム５６の中心、ｂは偏心軸５７の中心、ｃはブロック側円形カム５８の中心をそれぞれ示している。なお、本実施形態では、図３に示したようにブロック側円形カム５８の直径はケース側円形カム５６の直径よりも大きく、よって図４に示したようにブロック側円形カム５８の中心ｃと偏心軸５７の中心ｂとの間の距離ｍがケース側円形カム５６の中心ａと偏心軸５７の中心ｂとの間の距離ｎよりも長い。
【００２９】
図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示したような状態から駆動モータ５９を駆動して、ケース側円形カム５６が図３（Ａ）において実線の矢印で示したように互いに反対方向に回転させるべく各カムシャフト５４、５５を回転させると、偏心軸５７がケース側円形カム５６の中心ａ回りで上方へ向かって移動する。この偏心軸５７の移動に伴ってブロック側円形カム５８も図３（Ａ）において実線の矢印で示した方向に互いに反対方向に回転せしめられる。図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示したような状態からケース側円形カム５６が９０°回転すると図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示したような状態となる。
【００３０】
さらに駆動モータ５９を駆動して、ケース側円形カム５６が図３（Ｂ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させるべく各カムシャフト５４、５５を回転させると、偏心軸５７がケース側円形カム５６の中心ａ回りで更に上方へ向かって移動する。この偏心軸５７の移動に伴ってブロック側円形カム５８も図３（Ｂ）において矢印で示した方向とは反対方向に回転せしめられる。図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示したような状態からケース側円形カム５６が９０°回転すると図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示したような状態となる。
【００３１】
ここで、ブロック側円形カム５８及びケース側円形カム５６はそれぞれブロック側カム挿入口５１及びケース側カム挿入口５３内に収容されており、シリンダの軸線と垂直な方向へは移動することができない。従って、ブロック側円形カム５８又はケース側円形カム５６はシリンダの軸線と平行な方向にのみ相対移動が可能であり、従ってこれらカム５６、５８は常にシリンダの軸線と平行な同一直線ｌ上に位置する。従って、図３（Ａ）に示したような状態から各カムシャフト５４、５５上に固定されたケース側円形カム５６を図３（Ａ）において実線の矢印で示したように互いに反対方向に回転させると、ブロック側円形カム５８の中心ｃは上方に、ケース側円形カム５６の中心ａから離れるように移動せしめられる。
【００３２】
図３（Ａ）〜図３（Ｃ）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の相対位置はケース側円形カム５６の中心ａとブロック側円形カム５８の中心ｃとの距離によって定まり、ケース側円形カム５６の中心ａとブロック側円形カム５８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。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。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（以下、「燃焼室容積」という）を変更することができる。
【００３３】
このようにカムシャフト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の容積を変化させたとしても、圧縮行程時のピストン４の行程容積（ピストン４が吸気下死点から圧縮上死点まで移動するときに変化する燃焼室５の容積）は変化しない。したがって、（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される圧縮比は、燃焼室容積の変化に応じて変化する。すなわち、本実施形態の可変圧縮比機構Ａによれば、駆動モータ５９によってカムシャフト５４、５５を回転させることによって、内燃機関の圧縮比を変更することができる。
【００３４】
なお、図１〜図４に示した可変圧縮比機構Ａは一例を示すものであって、駆動モータ等のアクチュエータを駆動させることによって圧縮比を変更することができればいかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。
【００３５】
ところで、このように構成された可変圧縮比機構Ａを有する内燃機関では、カムシャフト５４、５５又は駆動モータ５９の回転角度と圧縮比は比例していない。以下では、この理由について簡単に説明する。なお、本明細書では、カムシャフト５４、５５の回転角度と圧縮比との関係を例にとって説明するが、駆動モータ５９の回転角度と圧縮比との関係にも同じことが言える。
【００３６】
図４に示したモデルを参照して説明すると、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示した状態からのカムシャフト５４、５５の回転角度をθとすると、クランクケース１に対するシリンダブロック３の相対距離Ｌは下記式（１）のように表される。
【数１】
2009115060.tif 000003
図５はｍ：ｎを２：１とした場合における回転角度θに対する相対距離Ｌを示す図である。図５からわかるように、カムシャフト５４、５５の回転角度θに対して相対距離Ｌは比例しない。
【００３７】
また、図６（Ａ）に示したようなモデルにおいて、圧縮比εは、相対距離Ｌに応じて定まる燃焼室５の高さｈとピストン４のストロークｓとを用いて下記式（２）のように表される。
ε＝（（π・（Ｄ／２）2・（ｈ＋ｓ）／（π・（Ｄ／２）2・ｈ）
＝（ｈ＋ｓ）／ｈ      …（２）
【００３８】
図６（Ｂ）に示すように、高圧縮比になって燃焼室５の高さｈが小さくなるほど高さｈの変化に対する圧縮比εの変化率が大きくなる。すなわち、圧縮比εは燃焼室５の高さに比例して変化しない。
【００３９】
このような二つの原理の相乗効果により、カムシャフト５４、５５の回転角度と圧縮比は比例しない。具体的には、カムシャフト５４、５５の回転角度θと圧縮比εとの関係は例えば図７（Ａ）に示したようになり、カムシャフト５４、５５の単位回転角度当たりの圧縮比εの変化量（以下、「圧縮比変化率」という）は図７（Ｂ）に示したようになる。すなわち、カムシャフト５４、５５の回転角度θが小さいとき、すなわち圧縮比が低いとき及びカムシャフト５４、５５の回転角度θが大きいとき、すなわち圧縮比が高いときには、圧縮比変化率が小さい。逆に、カムシャフト５４、５５の回転角度θが９０°付近であるとき、すなわち圧縮比が中程度であるときには、圧縮比変化率が大きい。なお、図７は、ｍ：ｎを２：１とした場合における回転角度と圧縮比及び圧縮比変化率との関係を示しているが、ｍ：ｎを他の比率にした場合にも基本的に同様な傾向となる。
【００４０】
ところで、本実施形態の可変圧縮比機構Ａでは、圧縮比が目標圧縮比となるように相対位置センサ４３の出力に基づいてカムシャフト５４、５５の回転角度をフィードバック制御している。フィードバック制御としては、如何なる制御方法が用いられてもよい。以下では、フィードバック制御としてＰＩＤ制御を用いた場合を例にとって説明する。
【００４１】
図８は、駆動モータ５９の回転角度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、所定時間間隔の割り込みによって行われる。まず、ステップＳ１１では、機関負荷等に基づいて算出された目標圧縮比に応じて後述する目標回転角度設定制御により設定された目標回転角度θｔを取得する。次いで、ステップＳ１２では、相対位置センサ４３の出力に基づいてカムシャフト５４、５５の現在の回転角度θ（ｎ）を算出する。なお、ｎは回転角度θの算出回数を表す値であり、例えばｎ−１は前回の制御ルーチンにおいて算出された回転角度θを意味する。
【００４２】
ステップＳ１３では、ステップＳ１１で算出された目標回転角度θｔと、ステップＳ１２で算出された現在の回転角度θ（ｎ）との差分Δθ（ｎ）が算出される（Δθ（ｎ）＝θｔ−θ（ｎ））。次いで、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で算出された差分Δθ（ｎ）に基づいて下記式（３）により比例項Ｖｐが算出される。次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１３で算出された差分Δθ（ｎ）に基づいて下記式（４）により積分項Ｖｉが算出される。さらに、ステップＳ１６では、ステップＳ１３で算出された差分Δθ（ｎ）に基づいて下記式（５）により微分項Ｖｄが算出される。なお、式（３）〜（５）におけるＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄはそれぞれ比例係数、積分係数、微分係数を示しており、本実施形態では一定の値とされる。
【数２】
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【００４３】
ステップＳ１７では、ステップＳ１４で算出された比例項Ｖｐ、ステップＳ１５で算出された積分項Ｖｉ、ステップＳ１６で算出された微分項Ｖｄが加算されて駆動モータ５９の駆動電圧Ｖｍが算出される。次いで、ステップＳ１８において駆動モータ５９にはステップＳ１７で算出された駆動電圧Ｖｍが印可され、駆動モータ５９によりカムシャフト５４、５５が回転せしめられる。
【００４４】
ところで、上述したように、低圧縮比領域ではカムシャフト５４、５５の回転角度に対する圧縮比変化率が小さい。従って、例えば、目標圧縮比がこの低圧縮比領域内にある場合、カムシャフト５４、５５の回転角度がその目標圧縮比に対応する目標回転角度に到達するのは遅い。このため、目標圧縮比が低圧縮比領域内にある場合には可変圧縮比機構Ａの応答性が低下してしまう。
【００４５】
また、圧縮比を低下させる場合には、吸入空気量を増大させることが多い。すなわち、圧縮比が高い場合（例えば１４以上）、燃焼室５内へ供給される吸入空気量が多いと圧縮端温度及び圧縮端圧力が高くなり過ぎてノッキングが発生してしまう。このため、圧縮比が高い場合には、一般に、ノッキングが発生してしまうことのないようにスロットル弁１７の開度を小さくしたり、可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点から離れるように移動させたりすることによって燃焼室５内へ供給される吸入空気量を減少させる。一方、圧縮比が低い場合（例えば、１３以下）には、燃焼室５内へ供給される吸入空気量が多くてもノッキングが発生する可能性は低い。このため、圧縮比が低い場合には、スロットル弁１７の開度を大きくしてり、可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁７の閉弁時期を吸気下死点付近へと移動させたりすることによって燃焼室５内へ供給される吸入空気量を増大させる。
【００４６】
ところが、目標圧縮比が低圧縮比領域内に変更された場合には可変圧縮比機構Ａの応答性が低いと、圧縮比が低下しないうちに燃焼室５内へ供給される吸入空気量のみが多くなってしまう。このため圧縮比は高いにも関わらず燃焼室５内へ供給される吸入空気量が多くなり、ノッキングが発生してしまう虞がある。
【００４７】
そこで、本発明の実施形態では圧縮比を低圧縮比領域内へ変更させるときに圧縮比を迅速に目標圧縮比に到達させるべく、実際の圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュートすることを許容するようにしている。特に、本実施形態では、実際の圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュートするように、すなわちカムシャフト５４、５５の実際の回転角度がその目標圧縮比に対応する目標回転角度を超えてオーバーシュートするように駆動モータ５９を制御している。
【００４８】
図９は、目標圧縮比が低圧縮比領域内に変更されたときのカムシャフト５４、５５の回転角度θと、圧縮比εの推移を表すタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ0において例えばアクセルペダル４０の急激な踏み込みにより目標圧縮比が最大圧縮比εmaxから最小圧縮比εminに移行した場合における推移を表している。また、図９（Ａ）中の実線はカムシャフト５４、５５の実際の回転角度の推移、破線は目標回転角度の推移、一点鎖線は後述する修正目標回転角度の推移、二点鎖線は後述する本実施形態のような制御を行わずに通常の制御をした場合における実際の回転角度の推移をそれぞれ示している。同様に、図９（Ｂ）中の実線は実際の圧縮比εの推移、破線は目標圧縮比の推移、二点鎖線は上記通常の制御をした場合における実際の圧縮比の推移をそれぞれ示している。
【００４９】
まず、時刻ｔ0において目標圧縮比が最大圧縮比εmaxから最小圧縮比εminに変更されると、目標回転角度も最大圧縮比εmaxに対応する回転角度（図示した例では１８０°）から最小圧縮比εminに対応する回転角度（図示した例では０°）へと変更される。通常の制御であれば、カムシャフト５４、５５の回転角度θが変更後の目標回転角度である０°となるように駆動モータ５９の制御が行われる。しかしながら、本実施形態では、図９に一点鎖線で示したように変更後の目標回転角度を超えてこの目標回転角度よりも小さい値となっている修正目標回転角度（図９に示した例では例えば−１０°）を設定し、カムシャフト５４、５５の回転角度θがこの修正目標回転角度となるように駆動モータ５９を制御することとしている。
【００５０】
このようにカムシャフト５４、５５の回転角度が修正目標回転角度となるように駆動モータ５９を制御することにより、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度θを迅速に目標回転角度に到達させることができる。この様子は図９（Ａ）から明らかであり、回転角度が目標回転角度となるように制御する通常の制御をしている場合（図中の二点鎖線）に比べて、回転角度が修正目標回転角度となるように制御している場合（図中の実線）の方が速く目標回転角度に到達する。これに伴って、図９（Ｂ）に示したように、回転角度が目標回転角度となるように制御する通常の制御をしている場合（図中の二点鎖線）に比べて、回転角度が修正目標回転角度となるように制御している場合（図中の実線）の方が速く目標圧縮比に到達する。
【００５１】
本実施形態では、回転角度が修正目標回転角度となるように制御した結果、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度が目標回転角度に到達した場合、その後は回転角度が目標回転角度となるように制御する。ただし、このように実際の回転角度が目標回転角度に到達した後にカムシャフト５４、５５の回転角度の目標値を修正目標回転角度から目標回転角度へと変更したとしても、図９（Ａ）に示したようにカムシャフト５４、５５の回転角度は目標回転角度を超えてオーバーシュートする。
【００５２】
しかしながら、図７（Ｂ）を用いて説明したように、低圧縮比領域では、すなわちカムシャフト５４、５５の回転角度が小さい領域では、圧縮比変化率が低い。このため、カムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートしても、図９（Ｂ）に示したように実際の圧縮比は目標圧縮比から大きくは変化せず、目標圧縮比付近に維持される。そして、最終的に実際の圧縮比は目標圧縮比とされる。
【００５３】
このように、本実施形態の圧縮比の制御方法によれば、圧縮比を迅速に目標圧縮比付近に到達させることができると共に目標圧縮比付近に到達させた後には圧縮比を目標圧縮比付近に維持することができる。
【００５４】
一方、図７を用いて説明したように、中圧縮比領域ではカムシャフト５４、５５の回転角度に対する圧縮比変化率が大きい。従って、例えば、目標圧縮比がこの中圧縮比領域内にある場合には可変圧縮比機構Ａの応答性は高い。また、中圧縮比領域ではカムシャフト５４、５５の回転角度に対する圧縮比変化率が大きいため、上述したようにカムシャフト５４、５５の実際の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするように駆動モータ５９を制御すると、圧縮比が目標回転角度を大きく超えてしまう。
【００５５】
そこで、本発明の実施形態では、圧縮比を中圧縮比領域内へ変更させるときには圧縮比が目標圧縮比を大きく超えてしまうことのないように、実際の圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュートすること禁止するようにしている。特に、本実施形態では、実際の圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュートしないように、すなわちカムシャフト５４、５５の実際の回転角度が目標圧縮比に対応する目標回転角度を超えてオーバーシュートしないように駆動モータ５９を制御している。
【００５６】
図１０は、上述した本実施形態の圧縮比の制御方法を実行するための目標回転角度の設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。以下、制御ルーチンの説明では、目標圧縮比に対応する目標回転角度を基準目標回転角度として説明する。
【００５７】
図１０を参照すると、まずステップＳ２１では目標圧縮比が低圧縮比領域内にあって回転角度を急速に目標回転角度に変更させるための条件、すなわち急速変更条件が成立しているか否かが判定される。急速変更条件が成立する場合とは、例えば一定速度以上の速いアクセルペダル４０の踏み込みがあったり、燃焼室５内のノッキングを検出するためのノックセンサ（図示せず）によりノッキングが検出されたりすることによって目標圧縮比が低圧縮比領域内の圧縮比に変更された場合が挙げられる。すなわち、本実施形態では、目標圧縮比が低圧縮比領域内の圧縮比に変更された場合であっても必ずしも急速変更条件が成立するわけではなく、それに加えて圧縮比を急速に低圧縮比領域内の目標圧縮比に変更することが必要である場合に急速変更条件が成立する。ただし、目標圧縮比が低圧縮比領域内の圧縮比に変更された場合には常に急速変更条件が成立するようにしてもよい。
【００５８】
ステップＳ２１において、急速変更条件が成立していないと判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、図８のステップＳ１１で用いられる目標回転角度θｔが基準目標回転角度θｔｂとされる。ここで、基準目標回転角度θｔｂは、機関負荷等に応じて算出された目標圧縮比に対応する回転角度である。基準目標回転角度θｔｂは、予め実験等により図７に示したようなマップを求め、目標圧縮比に基づいてこのマップにより算出される。
【００５９】
一方、ステップＳ２１において、急速変更条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ２２へと進む。ステップＳ２２では、図８のステップＳ１１で用いられる目標回転角度θｔが修正目標回転角度θｔｍとされる。ここで、修正目標回転角度θｔｍは、現在の回転角度から離れる方向に上述した基準目標回転角度θｔｂから一定回転角度ずらされた回転角度である。修正目標回転角度θｔｍは、上述したようにして基準目標回転角度θｔｂを算出し、この基準目標回転角度θｔｂから所定値を加算又は減算することによって算出される。
【００６０】
次いで、ステップＳ２３において、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度θｔが基準目標回転角度θｔｂに到達したか否かが判定される。ステップＳ２３において実際の回転角度θｔが基準目標回転角度θｔｂに到達していないと判定された場合には、基準目標回転角度θｔｂに到達するまでステップＳ２２が繰り返され、目標回転角度θｔは修正目標回転角度θｔｍのまま維持される。その後、ステップＳ２３において実際の回転角度θｔが基準目標回転角度θｔｂに到達したと判定された場合には、ステップＳ２４へと進み、目標回転角度θｔが基準目標回転角度θｔｂとされる。
【００６１】
次に、本発明の第二実施形態の可変圧縮比内燃機関について説明する。本実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成は基本的に第一実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成と同様である。しかしながら、本実施形態の可変圧縮比内燃機関では、目標圧縮比が低圧縮比領域内の圧縮比に変更された場合に、修正目標回転角度を設定することなくカムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度となるように可変圧縮比機構Ａを制御すると共に、カムシャフト５４、５５の回転角度のフィードバック制御における制御ゲインを変更するようにしている。
【００６２】
図１１は、目標圧縮比が低圧縮比領域内に変更されたときの制御ゲイン、カムシャフト５４、５５の回転角度θと、圧縮比εとの推移を表す、図９と同様なタイムチャートである。図示した例では、時刻ｔ0において例えばアクセルペダル４０の急激な踏み込みにより目標圧縮比が妻帯圧縮比εmaxから最小圧縮比εminに移行した場合における推移を表している。
【００６３】
まず、時刻ｔ0において目標圧縮比が最大圧縮比εmaxから最小圧縮比εminに変更されると、目標回転角度も最大圧縮比εmaxに対応する回転角度（図示した例では１８０°）から最小圧縮比εminに対応する回転角度（図示した例では０°）へと変更される。そして、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度θが変更後の目標回転角度である０°となるように駆動モータ５９の制御が行われる。
【００６４】
このとき、本実施形態では、目標回転角度が低圧縮比領域に対応する回転角度に変更されたときには、目標回転角度の変更に伴って制御ゲインが増大せしめられる。ここで、制御ゲインとは制御における入力に対する出力の比を意味し、通常この制御ゲインが大きいほど同一条件下においてカムシャフト５４、５５の制御量（回転量）が大きくなる。図８に示したようにＰＩＤ制御を行っている場合、制御ゲインを増大することは比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄの少なくともいずれか一つを大きくすることを意味する。
【００６５】
このように制御ゲインを増大させることにより、図１１に示したように、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度θを迅速に目標回転角度に到達させることができる。これに伴って、圧縮比を迅速に目標圧縮比に到達させることができる。特に、本実施形態では、カムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートするように制御ゲインが増大せしめられる。このため、極めて迅速にカムシャフト５４、５５の回転角度θを目標回転角度に到達させることができる。
【００６６】
本実施形態では、カムシャフト５４、５５の実際の回転角度が一旦目標回転角度に到達すると、その後は制御ゲインが元の値に戻される。ここで、このように実際の回転角度が目標回転角度に到達した後に制御ゲインを元の値に戻しても、カムシャフト５４、５５の回転角度は目標回転角度を超えてオーバーシュートする。しかしながら、図７（Ｂ）を用いて説明したように、低圧縮比領域では圧縮比変化率が低いため、カムシャフト５４、５５の回転角度θが目標回転角度を超えてオーバーシュートしても実際の圧縮比は目標圧縮比付近に維持される。
【００６７】
このように、第二実施形態の圧縮比の制御方法によっても、圧縮比を迅速に目標圧縮比付近に到達させることができると共に目標圧縮比付近に到達させた後には圧縮比を目標圧縮比付近に維持することができる。
【００６８】
なお、本実施形態では、制御ゲインは、カムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートする角度（以下、「オーバーシュート許容角度偏差」という）が図１２に示した値以下になるように設定される。図１２からわかるように、低圧縮比領域及び高圧縮比領域におけるオーバーシュート許容角度偏差は、中圧縮比領域におけるオーバーシュート許容角度偏差よりも小さい。これは、中圧縮比領域における圧縮比変化率が低圧縮比領域及び高圧縮比領域における圧縮比変化率よりも大きいことによる。逆に言うと、圧縮比が目標圧縮比を超えてオーバーシュート可能な量は全ての圧縮比領域においてほぼ一定とされる。
【００６９】
図１３は、上述した本実施形態の圧縮比の制御方法を実行するための制御ゲインの設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１３に示したステップＳ３１、Ｓ３３は図１０に示したステップＳ２１、Ｓ２３と同様であるので説明を省略する。
【００７０】
ステップＳ３１において、急速変更条件が成立していないと判定された場合にはステップＳ３４へと進む。ステップＳ３４では、図８のステップ１４、１５、１６で用いられる比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄがそれぞれ基準比例係数Ｋｐｂ、基準積分係数Ｋｉｂ、基準微分係数Ｋｄｂとされる。これら係数Ｋｐｂ、Ｋｉｂ、Ｋｄｂは例えばカムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度を超えてオーバーシュートすることのない範囲で最も速く目標回転角度に到達するような値に設定される。
【００７１】
一方、ステップＳ３１において、急速変更条件が成立していると判定された場合には、ステップＳ３２へと進む。ステップＳ３２では、図８のステップ１４、１５、１６で用いられる比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄがそれぞれ修正比例係数Ｋｐｍ、修正積分係数Ｋｉｍ、修正微分係数Ｋｄｍとされる。ここで、修正比例係数Ｋｐｍ、修正積分係数Ｋｉｍ、修正微分係数Ｋｄｍはそれぞれ基準比例係数Ｋｐｂ、基準積分係数Ｋｉｂ、基準微分係数Ｋｄｂ以上の値とされる（Ｋｐｍ≧Ｋｐｂ、Ｋｉｍ≧Ｋｉｂ、Ｋｄｍ≧Ｋｄｂ）。
【００７２】
次いで、ステップＳ３３において実際の回転角度θが目標回転角度θｔに到達していないと判定された場合には目標回転角度θｔに到達するまでステップＳ３２が繰り返される。その後、実際の回転角度θが目標回転角度θｔに到達したと判定された場合には、ステップＳ３４へと進み、比例係数Ｋｐ、積分係数Ｋｉ、微分係数Ｋｄがそれぞれ基準比例係数Ｋｐｂ、基準積分係数Ｋｉｂ、基準微分係数Ｋｄｂとされる。
【００７３】
図１４は、本発明の上記実施形態で用いられるウォームギア６１、６２と噛合する歯車６３、６４の一つの例を示す側面図である。歯車６３、６４は、図２に示したように、円形であっても良いし、図１４に示したようにほぼ半円形であってもよい。
【００７４】
ただし、上述したように上記実施形態では、例えば目標回転角度が０°であるときに、カムシャフト５４、５５はこの目標回転角度を超えてオーバーシュートするように制御される。このため、カムシャフト５４、５５の回転角度が０°以下となってもなおウォームギア６１、６２と噛合することができるように歯車６３、６４を形成しなければならない。
【００７５】
そこで、本発明の実施形態では、歯車６３、６４の噛合角度αは１８０°以上とされる。特に、本実施形態の歯車６３、６４では、最大圧縮比から最小圧縮比までに対応する噛合領域の両側に噛合余裕領域β、β’が設けられる。これにより、歯車６３、６４は、カムシャフト５４、５５の回転角度が０°以下の場合及び１８０°以上の場合にもウォームギア６１、６２と噛合するようになる。
【００７６】
なお、上記説明では、フィードバック制御によりカムシャフト５４、５５の回転角度が目標回転角度となるように駆動モータ５９を制御しているが、フィードバック制御のみならず、オープンループ制御等、如何なる制御により回転角度が目標回転角度になるように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】火花点火式内燃機関の全体図である。
【図２】可変圧縮比機構の分解斜視図である。
【図３】図解的に表した内燃機関の側面断面図である。
【図４】ブロック側円形カム、偏心軸、ケース側円形カムの中心の運動をモデル化した図である。
【図５】回転角度に対する相対変位量を示す図である。
【図６】燃焼室の高さと圧縮比との関係を説明するための図である。
【図７】回転角度と圧縮比及び圧縮比変化率との関係を示す図である。
【図８】駆動モータの回転角度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】目標圧縮比が低圧縮比領域内に変更されたときのカムシャフトの回転角度及び圧縮比εの推移を表すタイムチャートである。
【図１０】目標回転角度の設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】制御ゲイン、カムシャフトの回転角度及び圧縮比の推移を表すタイムチャートである。
【図１２】オーバーシュート許容角度偏差を示す図である。
【図１３】制御ゲインの設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】ウォームギアと噛合する歯車の一つの例を示す側面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
３    シリンダヘッド
４    ピストン
５    燃焼室
７    吸気弁
５４、５５    カムシャフト
５６    ケース側円形カム
５７    偏心軸
５８    ブロック側円形カム
５９    駆動モータ
６３、６４    歯車
Ａ    可変圧縮比機構
Ｂ    可変バルブタイミング機構
【図１】
2009115060.tif 000005
【図２】
2009115060.tif 000006
【図３】
2009115060.tif 000007
【図４】
2009115060.tif 000008
【図５】
2009115060.tif 000009
【図６】
2009115060.tif 000010
【図７】
2009115060.tif 000011
【図８】
2009115060.tif 000012
【図９】
2009115060.tif 000013
【図１０】
2009115060.tif 000014
【図１１】
2009115060.tif 000015
【図１２】
2009115060.tif 000016
【図１３】
2009115060.tif 000017
【図１４】
2009115060.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月10日(2007.12.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示したような状態から駆動モータ５９を駆動して、ケース側円形カム５６が図３（Ａ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させるべく各カムシャフト５４、５５を回転させると、偏心軸５７がケース側円形カム５６の中心ａ回りで下方へ向かって移動する。この偏心軸５７の移動に伴ってブロック側円形カム５８は図３（Ａ）において矢印で示した方向とは反対方向に回転せしめられる。図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示したような状態からケース側円形カム５６が９０°回転すると図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示したような状態となる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
さらに駆動モータ５９を駆動して、ケース側円形カム５６を図３（Ｂ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させるべく各カムシャフト５４、５５を回転させると、偏心軸５７がケース側円形カム５６の中心ａ回りで更に下方へ向かって移動する。この偏心軸５７の移動に伴ってブロック側円形カム５８も図３（Ｂ）において矢印で示した方向に回転せしめられる。図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示したような状態からケース側円形カム５６が９０°回転すると図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示したような状態となる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ここで、ブロック側円形カム５８及びケース側円形カム５６はそれぞれブロック側カム挿入口５１及びケース側カム挿入口５３内に収容されており、シリンダの軸線と垂直な方向へは移動することができない。従って、ブロック側円形カム５８又はケース側円形カム５６はシリンダの軸線と平行な方向にのみ相対移動が可能であり、従ってこれらカム５６、５８は常にシリンダの軸線と平行な同一直線ｌ上に位置する。従って、図３（Ａ）に示したような状態から各カムシャフト５４、５５上に固定されたケース側円形カム５６を図３（Ａ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させると、ブロック側円形カム５８の中心ｃは下方に、ケース側円形カム５６の中心ａに近づくように移動せしめられる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図４に示したモデルを参照して説明すると、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示した状態（すなわち中心ａ、ｂ、ｃが直線ｌ上にある状態）からのカムシャフト５４、５５の回転角度をθとすると、クランクケース１に対するシリンダブロック３の相対距離Ｌは下記式（１）のように表される。
【数１】
2009115060.tif 000019
図５はｍ：ｎを２：１とした場合における回転角度θに対する相対距離Ｌを示す図である。図５からわかるように、カムシャフト５４、５５の回転角度θに対して相対距離Ｌは比例しない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2009115060.tif 000020
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2009115060.tif 000021