JP2009138607A

JP2009138607A - 可変圧縮比内燃機関

Info

Publication number: JP2009138607A
Application number: JP2007315004A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Akihisa; 大輔秋久; Eiichi Kamiyama; 栄一神山; Yukihiro Nakasaka; 幸博中坂
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JP4998235B2

Abstract

【課題】圧縮比の制御性を高く維持しつつ目標圧縮比が圧縮比変化率の低い領域内にある場合における圧縮比の応答性を高くする。
【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。アクチュエータは、その回転角度が目標圧縮比に対応する目標回転角度となるように制御される。アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときには圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御される。ただし、アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときであっても、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータが回転せしめられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変圧縮比内燃機関に関する。

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共に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を参照）。

ここで、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、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（以下、「圧縮比変化率」という）が低い。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、基本的に低圧縮比領域においては駆動モータの回転速度を速くすると共に、高圧縮比領域では駆動モータの回転速度を遅くするようにしている。

さらに、特許文献１に開示された可変圧縮比内燃機関では、駆動モータ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。

特開２００７−５６８３７号公報

ところで、特許文献１に開示された可変圧縮比内燃機関のように、低圧縮比領域においては駆動モータの回転速度を速くすると共に高圧縮比領域では駆動モータの回転速度を遅くするように駆動モータの回転速度を制御すると圧縮比が目標圧縮比に到達するのが遅くなる。

一方、圧縮比変化率が高い領域では駆動モータの回転速度が速いと圧縮比の目標圧縮比への収束性が低下する。逆に、圧縮比変化率が低い領域では駆動モータの回転速度が速くても圧縮比の目標圧縮比への収束性は高い。従って、圧縮比を圧縮比変化率の低い領域内の目標圧縮比へ向かって変更する際には、駆動モータの回転速度が速くても圧縮比の目標圧縮比への収束性は高く維持される。

そこで、本発明の目的は、圧縮比の制御性を高く維持しつつ目標圧縮比が圧縮比変化率の低い領域内にある場合における圧縮比の応答性を高くした可変圧縮比内燃機関を提供することにある。

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、該アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときには圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御される、可変圧縮比内燃機関において、上記アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときであっても、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータが回転せしめられる。
第１の発明によれば、基本的に圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御されるため、圧縮比の制御性は高く維持される。一方、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には圧縮比変化速度を一定に維持する必要がないため、圧縮比の応答性を高めることができる。

上記課題を解決するために、第２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、該アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときには圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御される、可変圧縮比内燃機関において、上記アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときであっても、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にあってアクチュエータの回転角度を低圧縮比変化率領域内から高圧縮比変化率領域内を経由して低圧縮比変化率領域内へ変化させる必要がある場合には、圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータが回転せしめられる。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータを回転させるときには、圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度よりも速い回転速度でアクチュエータが回転せしめられる。

第４の発明では、第３の発明において、上記圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度よりも速い回転速度でアクチュエータを回転させるときには、一定の回転速度でアクチュエータが回転せしめられる。

第５の発明では、第４の発明において、上記アクチュエータの回転角度毎に上記圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度が定められており、上記一定の回転速度は目標回転角度に対応して定められた回転速度に等しい。

第６の発明では、第４の発明において、上記一定の回転速度は上記アクチュエータの最大回転速度である。

第７の発明では、第１〜第６の発明において、圧縮比変化速度がほぼ一定になるように上記アクチュエータの回転速度を制御するときには、圧縮比が低圧縮比領域及び高圧縮比領域内を通過するときのアクチュエータの回転速度を圧縮比が中圧縮比領域内を通過するときのアクチュエータの回転速度よりも速くするようにした。

本発明によれば、圧縮比の制御性を高く維持しつつ目標圧縮比が圧縮比変化率の低い領域内にある場合における圧縮比の応答性が高くされる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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。

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。

このようにカムシャフト５４、５５の回転角度θに応じて、すなわち圧縮比に応じて圧縮比変化率が変動すると、圧縮比の変更時に内燃機関を適切に制御するのが困難となる。例えば、圧縮比を変更する場合、それに伴って燃焼室５内に供給される吸入空気量も変更されるが、圧縮比及び吸入空気量の変更中に機関運転状態を安定させるためには圧縮比の変化に合わせて吸入空気量を変化させる必要がある。ところが、カムシャフト５４、５５の回転角度に応じて圧縮比変化率が変動する場合に、例えばカムシャフト５４、５５の回転速度を一定にすると、圧縮比変化速度は一定ではなくなる。このため、圧縮比の変化に合わせて燃焼室５内に供給される吸入空気量を変化させるのが困難となる。

そこで、本発明の実施形態では、カムシャフト５４、５５の回転角度θに応じて圧縮比変化率が変動したとしても、圧縮比変化速度が一定になるように（反比例するように）カムシャフト５４、５５の回転速度を制御することとしている。

図８は、カムシャフト５４、５５の回転角度θと圧縮比変化率及び回転角度との関係及びカムシャフト５４、５５の回転角度θと時間に対する圧縮比変化速度を示している。図中の実線はカムシャフト５４、５５の回転角度θを、破線は圧縮比変化率をそれぞれ示している。

図７（Ｂ）及び図８に実線で示したように、カムシャフト５４、５５の回転角度の変化に対する圧縮比変化率は、カムシャフト５４、５５の回転角度が小さいとき又は大きいとき、すなわち圧縮比εが低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にあるときには小さく、一方、カムシャフト５４、５５の回転角度が中程度のとき、すなわち圧縮比εが中圧縮比領域内にあるときには大きい。本発明の実施形態では、カムシャフト５４、５５の回転速度は圧縮比変化率と反比例するように制御され、よって圧縮比変化率の小さいときにはカムシャフト５４、５５の回転速度が速くされ、逆に圧縮比変化率の高いときにはカムシャフト５４、５５の回転速度が遅くされる。換言すると、本発明の実施形態では、圧縮比変化速度が一定になるように、カムシャフト５４、５５の回転角度が小さいとき又は大きいとき、すなわち圧縮比εが低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にあるときにはカムシャフト５４、５５の回転速度が速くされ、逆にカムシャフト５４、５５の回転角度が中程度のとき、すなわち圧縮比εが中圧縮比領域内にあるときにはカムシャフト５４、５５の回転速度が遅くされる。

特に、本発明の実施形態では、可変圧縮比機構Ａが図２〜図４に示したように構成されているため、カムシャフト５４、５５の回転角度が大きくなるにつれて、圧縮比変化率が最初に徐々に大きくなると共に、その後徐々に小さくなる。このため、回転速度も、カムシャフト５４、５５の回転角度が大きくなるにつれて、最初に徐々に徐々に小さくなると共にその後徐々に大きくなる。

このように、本発明の実施形態では、上述したようにカムシャフト５４、５５の回転速度を制御することにより、カムシャフト５４、５５の回転角度に関わらず、すなわち圧縮比に関わらず、圧縮比変化速度をほぼ一定にすることができる。これにより、圧縮比の変更時においても内燃機関を適切に制御することができるようになる。

ところで、圧縮比変化速度が一定になるように制御すると目標圧縮比に対する実際の圧縮比の応答性が低下することがある。このような傾向は圧縮比を低圧縮比領域又は高圧縮比領域内から中圧縮比領域内へと変更するときよりも、中圧縮比領域内から低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内へと変更する場合の方が顕著である。以下、その理由について説明する。

まず、圧縮比変化率が高い領域（例えば、圧縮比変化率領域が特定の変化率よりも高い領域。以下、「高圧縮比変化率領域」という）内に目標圧縮比がある場合、この目標圧縮比へ向かうときにカムシャフト５４、５５の回転速度が速いと圧縮比は目標圧縮比に収束しにくくなる。これは、高圧縮比変化率領域内では、実際の回転角度と目標回転角度との間に僅かなずれがあると、実際の圧縮比と目標圧縮比との間に大きなずれが生じてしまうためである。したがって、目標圧縮比が高圧縮比変化率領域内にある場合、すなわち中圧縮比領域内にある場合には、カムシャフト５４、５５の回転角度をこの目標圧縮比に対応する目標回転角度に変更する際に、カムシャフト５４、５５の回転速度を最初は速くして目標回転角度付近に近づくにつれて徐々に遅くするのが好ましい。

逆に、圧縮比変化率が低い領域（例えば、圧縮比変化率が上記特定の変化率よりも低い領域。以下、「低圧縮比変化率領域」という）内に目標圧縮比がある場合、この目標圧縮比へ向かうときにカムシャフト５４、５５の回転速度が速くても圧縮比は目標圧縮比に収束し易い。これは、低圧縮比変化率領域内では、実際の回転角度と目標回転角度との間に僅かなずれがあっても、実際の圧縮比と目標圧縮比との間にはほとんどずれが生じないためである。したがって、目標圧縮比が低圧縮比変化率領域内にある場合、すなわち低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合には、カムシャフト５４、５５の回転角度をこの目標圧縮比に対応する目標回転角度に変更する際に、カムシャフト５４、５５の回転速度を目標回転角度付近に到達するまで比較的速いまま維持するのが好ましい。

ここで、目標圧縮比が中圧縮比領域内にある場合には、上述したように圧縮比変化速度が一定になるように制御すると、カムシャフト５４、５５の回転角度をこの目標圧縮比に対応する目標回転角度に変更する際に、カムシャフト５４、５５の回転速度を最初は速くして目標回転角度付近に近づくにつれて徐々に遅くすることができる。一方、目標圧縮比が低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合には、上述したように圧縮比変化速度が一定になるように制御すると、カムシャフト５４、５５の回転角度をこの目標圧縮比に対応する目標回転角度に変更する際に、カムシャフト５４、５５の回転速度を最初は遅くして目標回転角度付近に近づくにつれて徐々に速くすることになってしまう。

そこで、本発明の実施形態では、目標圧縮比が低圧縮比変化率領域内にある場合、すなわち低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合には、圧縮比変化速度が一定にならずに変動することを許容することとしている。

図９はカムシャフト５４、５５の回転角度と回転速度との関係、及びカムシャフト５４、５５の回転角度と圧縮比変化速度との関係を示している。図９では、圧縮比が低圧縮比領域内の圧縮比から中圧縮比領域内の圧縮比へと変更される場合における回転速度及び圧縮比変化速度の推移（図中のＸ）と、圧縮比が中圧縮比領域内の圧縮比から低圧縮比領域内の圧縮比へと変更された場合における回転速度及び圧縮比変化速度の推移（図中のＹ）とを示している。また、図９（Ａ）中の破線は、圧縮比変化速度を所定の一定速度で推移させるためのカムシャフト５４、５５の回転速度を表す曲線（以下、「一定変化速度維持曲線」という）を示しており、図９（Ｂ）中の破線はカムシャフト５４、５５の回転速度を一定変化速度維持曲線上で推移させた場合における圧縮比変化速度の推移を示している。

図９にＸで示した場合、すなわち現在の圧縮比が低圧縮比領域内にあって且つ目標圧縮比が中圧縮比領域内にある場合、カムシャフト５４、５５の回転角度は低圧縮比領域内の所定の圧縮比に対応する回転角度αから、中圧縮比領域内の目標圧縮比に対応する目標回転角度βへと変更される。すなわち、カムシャフト５４、５５の回転角度は、圧縮比変化率の低い領域（低圧縮比変化率領域）内の回転角度αから、圧縮比変化率の高い領域（高圧縮比変化率領域）内の回転角度βに変更される。

この場合、カムシャフト５４、５５は、図９（Ａ）に示したように、回転角度αから回転角度βに変更されるにあたって、一定変化速度維持曲線上の回転速度で回転せしめられる。これにより、図９（Ｂ）に示したように、カムシャフト５４、５５が回転角度αから回転角度βに変更されるまで、圧縮比変化速度は一定に維持される。

一方、図９にＹで示した場合、すなわち現在の圧縮比が中圧縮比領域内にあって且つ目標圧縮比が低圧縮比領域内にある場合、カムシャフト５４、５５の回転角度は中圧縮比領域内の所定の圧縮比に対応する回転角度βから、低圧縮比領域内の目標圧縮比に対応する目標回転角度αへと変更される。すなわち、カムシャフト５４、５５の回転角度は、高圧縮比変化率領域内の回転角度βから、低圧縮比変化率領域内の回転角度αに変更される。

この場合、カムシャフト５４、５５は、図９（Ａ）に示したように、回転角度βから回転角度αに変更されるにあたって、一定変化速度維持曲線上の回転速度では回転せしめられず、一定変化速度維持曲線上の回転速度よりも速い回転速度で回転せしめられる。これにより、図９（Ｂ）に示したように、カムシャフト５４、５５が回転角度βから回転角度αに変更されるときには、圧縮比変化速度は一定に維持されず、圧縮比変化速度を一定に維持した場合よりも速いものとされる。

特に、図示した実施形態では、カムシャフト５４、５５は回転角度αから回転角度βに変更されるにあたって、一定変化速度維持曲線において目標回転角度αに対応する回転速度Ｖ₁で一定に回転せしめられる。

このように、本発明の実施形態では、目標圧縮比が中圧縮比領域内にある場合、すなわち目標回転角度が高圧縮比変化率領域内にある場合には、圧縮比変化速度が一定になるようにカムシャフト５４、５５の回転が制御され、これにより圧縮比の制御性が向上し、これに伴って内燃機関を適切に制御することができるようになる。一方、目標圧縮比が低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合、すなわち目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には、カムシャフト５４、５５の回転速度が速くされ、これにより圧縮比の応答性が向上する。すなわち、本発明の実施形態によれば、圧縮比の応答性と制御性を適切に両立させることができる。

図１０はカムシャフト５４、５５の回転角度と回転速度との関係、及びカムシャフト５４、５５の回転角度と圧縮比変化速度との関係を示す、図９と同様な図である。図１０では、圧縮比が低圧縮比領域内から高圧縮比領域内へと変更された場合における回転速度及び圧縮比変化速度の推移（図中のＸ）と、圧縮比が高圧縮比領域内から低圧縮比領域内へと変更された場合における回転角度及び圧縮比変化速度の推移（図中のＹ）とを示している。また、図１０（Ａ）中の破線は、図９（Ａ）中の破線と同様に一定変化速度維持曲線を示しており、一方、図１０（Ｂ）中の破線は図９（Ｂ）中の破線と同様に、カムシャフト５４、５５の回転速度を一定変化速度維持曲線上で維持させた場合における圧縮比変化速度の推移を示している。

図１０にＸで示した場合、すなわち現在の圧縮比が低圧縮比領域内にあって且つ目標圧縮比が高圧縮比領域内にある場合、カムシャフト５４、５５の回転角度は現在の低圧縮比領域内の所定の圧縮比に対応する回転角度αから、高圧縮比領域内の目標圧縮比に対応する目標回転角度γへと変更される。すなわち、カムシャフト５４、５５の回転角度は、高圧縮比変化率領域内の回転角度αから、低圧縮比変化率領域を挟んで高圧縮比変化率領域内の回転角度γに変更される。

この場合、カムシャフト５４、５５は、図１０（Ａ）に示したように、回転角度αから回転角度γに変更されるにあたって、一定変化速度維持曲線上の回転速度では回転せしめられず、一定変化速度維持曲線上の回転速度よりも速い回転速度で回転せしめられる。これにより、図１０（Ｂ）に示したように、カムシャフト５４、５５が回転角度αから回転角度γに変更されるときには、圧縮比変化速度は一定に維持されず、図１０（Ｂ）に破線で示した一定の圧縮比変化速度よりも速い圧縮比変化速度とされる。

図１０にＹで示した場合、すなわち現在の圧縮比が高圧縮比領域内にあって且つ目標圧縮比が低圧縮比領域内にある場合、カムシャフト５４、５５の回転角度は現在の高圧縮比領域内の所定の圧縮比に対応する回転角度γから、低圧縮比領域内の目標圧縮比に対応する目標回転角度αへと変更される。すなわち、カムシャフト５４、５５の回転角度は、高圧縮比変化率領域内の回転角度γから、低圧縮比変化率領域を挟んで高圧縮比変化率領域内の回転角度αに変更される。

この場合、カムシャフト５４、５５は、図１０（Ａ）に示したように、回転角度γから回転角度αに変更されるにあたって、図１０にＸで示した場合と同様に、一定変化速度維持曲線上の回転速度よりも速い回転速度で回転せしめられる。これにより、図１０（Ｂ）に示したように、カムシャフト５４、５５が回転角度γから回転角度αに変更されるときにも、圧縮比変化速度は図１０（Ｂ）に破線で示した一定の圧縮比変化速度よりも速い圧縮比変化速度とされる。

このように、目標圧縮比が低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合、すなわち目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には、現在の回転角度と目標回転角度との間に高圧縮比変化率領域があったとしても、カムシャフト５４、５５の回転速度が速くされ、これにより圧縮比の応答性が向上する。

図１１は、本発明の実施形態における回転角度制御の制御ルーチンのフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

図１１を参照すると、まず、ステップＳ１１では、機関運転状態等に基づいてＥＣＵ３０により目標圧縮比εｔが算出される。特に、本実施形態では、機関負荷、機関回転数、吸気弁７の閉弁時期、スロットル弁１７の開度等に基づいて目標圧縮比εｔが算出される。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で算出した目標圧縮比εｔに基づいて図７（Ａ）に示したようなマップにより目標回転角度θｔが算出される。

次いで、ステップＳ１３では、カムシャフト５４、５５の現在の回転角度θが目標回転角度θｔ近傍の値であるか否かが判定される。機関運転状態が大きく変化して目標圧縮比が変化し、それに伴って目標回転角度が急激に変化した直後等には、現在の回転角度θは目標回転角度θｔとは大きく異なった値となっており、このような場合にはステップＳ１４へと進む。

ステップＳ１４では、目標回転角度θｔが低圧縮比変化率領域内にあるか否かが判定される。目標回転角度θｔが低圧縮比変化率領域内にあると判定された場合、すなわち目標圧縮比が低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にあると判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、図８（Ａ）に示したようなマップに基づいて、一定変化速度維持曲線において目標回転角度θｔに対応する回転速度Ｖθｔが算出される。次いで、ステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出された回転速度Ｖθｔでカムシャフト５４、５５が回転するように駆動モータ５９が駆動される。

一方、ステップＳ１４において、目標回転角度θｔが圧縮比変化率の高い領域（以下、「高圧縮比変化率領域」という）内にあると判定された場合、すなわち目標圧縮比が中圧縮比領域内にあると判定された場合には、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、図８（Ａ）に示したようなマップに基づいて、一定変化速度維持曲線において現在の回転角度θに対応する回転速度Ｖθが算出される。次いで、ステップＳ１８では、ステップＳ１７で算出された回転速度Ｖθでカムシャフト５４、５５が回転するように駆動モータ５９が駆動される。

その後、カムシャフト５４、５５の回転角度θが目標回転角度θｔに近づくと、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１３においてカムシャフト５４、５５の現在の回転角度θが目標回転角度θｔ近傍の値であると判定され、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、少なくとも一定変化速度維持曲線において目標回転角度θｔに対応する回転速度Ｖθｔよりも低い回転速度Ｖθｌでカムシャフト５４、５５が回転するように駆動モータが駆動される。これにより、カムシャフト５４、５５の回転角度θが目標回転角度θｔ近傍に到達するとカムシャフト５４、５５の回転速度が遅くされ、よってカムシャフト５４、５５の回転角度θが目標回転角度θｔに収束し易くなる。

なお、上記フローチャートに示した制御では、カムシャフト５４、５５の回転角度θが目標回転角度θｔ近傍に到達するとカムシャフト５４、５５の回転速度を遅くするようにしているが、必ずしもこのような制御を行う必要はない。

また、上記実施形態では、目標圧縮比が低圧縮比領域内及び高圧縮比領域内にある場合には、図９及び図１０に示したような一定変化速度維持曲線において目標回転角度に対応する回転速度でカムシャフト５４、５５が回転するようにしている。しかしながら、必ずしもこの回転速度でカムシャフト５４、５５を回転させる必要はなく、例えば目標圧縮比が低圧縮比領域内又は高圧縮比領域内にある場合には目標回転角度に無関係に予め定められた一定の速い回転速度（例えば、駆動モータ５９の最大回転速度等）でカムシャフト５４、５５を回転させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、カムシャフト５４、５５の回転角度を制御しているが、駆動モータ５９、すなわちアクチュエータの回転角度を制御するようにしてもよい。

火花点火式内燃機関の全体図である。可変圧縮比機構の分解斜視図である。図解的に表した内燃機関の側面断面図である。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。回転角度に対する相対距離を示す図である。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。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。回転角度と回転速度及び圧縮比変化速度との関係を示す図である。回転速度及び圧縮比変化速度の推移を示す図である。回転速度及び圧縮比変化速度の推移を示す図である。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。

符号の説明

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

Claims

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、該アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときには圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御される、可変圧縮比内燃機関において、
上記アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときであっても、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合には圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータが回転せしめられる、可変圧縮比内燃機関。
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、該アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときには圧縮比変化速度がほぼ一定になるようにアクチュエータの回転速度が制御される、可変圧縮比内燃機関において、
上記アクチュエータの回転角度を目標回転角度に変更するときであっても、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にあってアクチュエータの回転角度を低圧縮比変化率領域内から高圧縮比変化率領域内を経由して低圧縮比変化率領域内へ変化させる必要がある場合には、圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータが回転せしめられる、可変圧縮比内燃機関。
上記圧縮比変化速度が変動するようにアクチュエータを回転させるときには、圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度よりも速い回転速度でアクチュエータが回転せしめられる、請求項１又は２に記載の可変圧縮比内燃機関。
上記圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度よりも速い回転速度でアクチュエータを回転させるときには、一定の回転速度でアクチュエータが回転せしめられる、請求項３に記載の可変圧縮比内燃機関。
上記アクチュエータの回転角度毎に上記圧縮比変化速度がほぼ一定になるような回転速度が定められており、上記一定の回転速度は目標回転角度に対応して定められた回転速度に等しい、請求項４に記載の可変圧縮比内燃機関。
上記一定の回転速度は上記アクチュエータの最大回転速度である、請求項４に記載の可変圧縮比内燃機関。
圧縮比変化速度がほぼ一定になるように上記アクチュエータの回転速度を制御するときには、圧縮比が低圧縮比領域及び高圧縮比領域内を通過するときのアクチュエータの回転速度を圧縮比が中圧縮比領域内を通過するときのアクチュエータの回転速度よりも速くするようにした、請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変圧縮比内燃機関。