JP2006037844A - 可変圧縮比機構の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、可変圧縮比機構の駆動トルクを過剰に増加させることなく該可変圧縮比機構を適正に動作させることができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、偏心カム軸の回転角度を変更することによってクランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変化させる可変圧縮比機構の制御方法であり、内燃機関の燃焼圧が高く且つ偏心カム軸の回転角度が高圧縮比を実現する角度にあるときは、内燃機関の燃焼圧が低く且つ偏心カム軸の回転角度が低圧縮比を実現する角度にあるときに比べて、偏心カム軸の回転速度を高くすることにより、摩擦係数の低下と潤滑状態の向上を図ることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構に関し、特に可変圧縮比機構の好適な制御方法に関する。

近年、圧縮比を変更するための可変圧縮比機構を備えた内燃機関が提案されている。可変圧縮比機構としては、クランクケースに対してシリンダブロックがシリンダ軸方向にスライド自在に構成されるとともに、これらシリンダブロックとクランクケースが偏心シャフトを介して連結され、偏心シャフトの回転位置を変更することによってシリンダブロックを変位させる機構が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。
特開２００３−２０６７７１号公報

ところで、可変圧縮比機構では、可変圧縮比機構の動作位置と内燃機関の運転状態によって可変圧縮比機構にかかる荷重が変化する。例えば、前述した従来の可変圧縮比機構では、偏心シャフトの回転位置や内燃機関の燃焼圧によって偏心シャフトの軸受けに作用する荷重が変化するため、偏心シャフトとその軸受けとの摩擦係数が変化する。

偏心シャフトと軸受けとの摩擦係数が変化すると、偏心シャフトの回転に要するトルクが過剰に大きくなり、或いは偏心シャフトが回転不良に陥る等の不具合が誘発される可能性がある。

本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は可変圧縮比機構の駆動トルクを過剰に増加させることなく該可変圧縮比機構を適正に動作させることができる技術を提供することにある。

本発明は上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明の特徴は、内燃機関の圧縮比を変更する際に回転摺動動作を伴う可変圧縮比機構の制御方法であって、可変圧縮比機構の摺動部の潤滑状態がストライベック線図における流体潤滑領域にあるときは摺動部の回転速度を低下させ、境界潤滑領域又は混合潤滑領域にあるときは摺動部の回転速度を増加させることを特徴とする。

ストライベック線図は、摺動部の摩擦係数：μと潤滑特性値（＝η・Ｖ／Ｐ，η：潤滑油の粘度、Ｖ：摺動部の回転速度、Ｐ：摺動部に作用する荷重）の関係を示す特性図である。

ストライベック線図の境界潤滑領域及び混合潤滑領域では、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなるほど摩擦係数：μが大きくなる。すなわち、境界潤滑領域及び混合潤滑領域では、動作速度：Ｖが高くなるほど摩擦係数：μが小さくなる。

ストライベック線図の流体潤滑領域では、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなるほど摩擦係数：μが小さくなる。すなわち、流体潤滑領域では、動作速度：Ｖが低くなるほど摩擦係数：μが小さくなる。

従って、摺動部の潤滑状態がストライベック線図における境界潤滑領域又は混合潤滑領
域にあるときに摺動部の回転速度：Ｖが高められると摺動部の摩擦係数：μが減小し、流体潤滑領域にあるときに摺動部の回転速度：Ｖが低められると摺動部の摩擦係数：μが減小する。

この結果、摺動部の回転動作に要する駆動トルクが低減されるとともに、摺動部の耐久性が向上する。

尚、摺動部の回転速度を制御する場合には、摺動部の摩擦係数：μが所定値以下となるように回転速度：Ｖが制御されるようにしてもよい。その際の所定値は、適当な駆動トルクが可変動機構に入力されたときに、該可変圧縮比機構が応答遅れなく動作可能な値とすることが好ましい。

このように摩擦係数：μが所定値以下となるように摺動部の回転速度：Ｖが制御されれば、比較的小さな駆動トルクにより可変圧縮比機構を適正に動作させることが可能となる。

また、ストライベック線図の流体潤滑領域では、摺動部に作用する荷重：Ｐが小さくなるほど摩擦係数：μが大きくなるため、荷重：Ｐが小さくなるほど回転速度：Ｖを低くするようにしてもよい。一方、ストライベック線図の境界潤滑領域及び混合潤滑領域では、摺動部に作用する荷重：Ｐが大きくなるほど摩擦係数：μが大きくなるため、荷重：Ｐが大きくなるほど回転速度：Ｖを高くするようにしてもよい。

本発明において、可変圧縮比機構が偏心カム軸の回転角度を変更することによってクランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変化させる機構である場合は、偏心カム軸の回転角度をパラメータとして該偏心カム軸の回転速度が定められるようにしてもよい。

ストライベック線図の流体潤滑領域においては、荷重：Ｐが小さくなる（潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが大きくなる）ほど軸受け部の摩擦係数：μが大きくなる。これに対し、荷重：Ｐが小さくなるほど偏心カム軸の回転速度：Ｖが低くされれば、それに応じて潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐも小さくなるため、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることが可能である。

ストライベック線図の境界潤滑領域又は混合潤滑領域においては、荷重：Ｐが大きくなる（潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなる）ほど軸受け部の摩擦係数：μが大きくなる。これに対し、荷重：Ｐが大きくなるほど偏心カム軸の回転速度：Ｖが高められれば、それに応じて潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐも大きくなるため、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることが可能である。

従って、軸受け部の荷重：Ｐが大きくなるほど偏心カム軸の回転速度：Ｖが高められれば、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることができる。

偏心カム軸の回転角度を変更することによってクランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変化させる可変圧縮比機構では、偏心カム軸の軸受け部に作用する荷重：Ｐが圧縮比に応じて変化する。例えば、圧縮比が高くなるほど荷重：Ｐが大きくなり、圧縮比が低くなるほど荷重：Ｐが小さくなる。

そこで、偏心カム軸の回転角度が高圧縮比を実現する角度にある時は低圧縮比を実現する角度にある時より偏心カム軸の回転速度：Ｖを高くなるようにすれば、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることが可能となる。

尚、偏心カム軸の軸受け部に作用する荷重は、内燃機関の燃焼圧によっても変化する。例えば、軸受け部の荷重：Ｐは燃焼圧が高くなるほど大きくなり、燃焼圧が低くなるほど小さくなる。

従って、燃焼圧が高く且つ偏心カム軸の回転角度が高圧縮比を実現する角度にあるときは、燃焼圧が低く且つ偏心カム軸の回転角度が低圧縮比を実現する角度にあるときに比して、偏心カム軸の回転速度：Ｖが高められれば、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることができる。

本発明に係る可変圧縮比機構の制御方法によれば、可変圧縮比機構の摺動部の摩擦係数を減小させることができるため、可変圧縮比機構の駆動トルクを過剰に増大させることなく可変圧縮比機構を適正に動作させることができる。更に、摩擦係数の減小により摺動部の耐久性も向上する。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関１の概略構成を示す図である。内燃機関１は、シリンダブロック２とクランクケース３とシリンダヘッド４を備えている。

シリンダブロック２は、クランクケース３に対してシリンダ２０軸方向へ変位自在に取り付けられている。シリンダブロック２とクランクケース３の接続部には、シリンダブロック２を変位させるための変位機構５と、変位機構５を駆動するためのアクチュエータ５０が設けられている。変位機構５とアクチュエータ５０は本発明に係る可変圧縮比機構に相当する。

図２は、変位機構５とアクチュエータ５０の構成を示す図である。シリンダブロック２の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部にカム収納孔６が形成されている。これらのカム収納孔６は、シリンダ配列方向に平行に且つ同一軸線上に形成されている。

クランクケース３には、上述したカム収納孔６が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース３外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。各立壁部には、半円形の凹部を有するキャップ７がボルトによって固定される。立壁部とキャップ７が固定されると、双方の凹部によって円形の軸受収納孔８が形成される。軸受収納孔８の内径はカム収納孔６と同径である。

このように構成されたシリンダブロック２とクランクケース３が連結されると、シリンダブロック２及びクランクケース３の両側面にはカム収納孔６と軸受収納孔８が交互に配置された連通孔が形成される。これらの連通孔には、偏心カム軸５が各々挿通される。

各偏心カム軸５は、一本の軸部５ａと、複数のカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃを備えている。カム部５ｂは、正円形のカムプロフィールを有し、軸部５ａに偏心固定される。可動軸受部５ｃは、カム部５ｂと同一形状を有し、軸部５ａに対して回転自在に取り付けられる。

尚、カム部５ｂと可動軸受部５ｃは、カム部５ｂが前記カム収納孔６に収容され且つ可動軸受部５ｃが前記軸受収納孔８に収容されるように交互に配置されるものとする。

このように構成された偏心カム軸５の一端にはアクチュエータ５０が設けられている。アクチュエータ５０は、各偏心カム軸５の軸部５ａの一端に固定されるウォームホイール５１ａ、５１ｂと、各ウォームホイール５１ａ、５１ｂに噛み合うウォーム５２ａ、５２ｂと、ウォーム５２ａ、５２ｂを回転駆動するモータ５３を備えている。

尚、ウォームホイール５１ａ、５１ｂの中心は、軸部５ａの中心軸からオフセットされ、且つカム部５ｂの中心と一致している。また、ウォーム５２ａ、５２ｂの螺旋溝は互いに逆方向に形成され、モータ５３の回転により２本の偏心カム軸５が互いに逆回転するようになっている。

ここで図１に戻り、変位機構５には、軸部５ａの回転角度を検出する回転角センサ９が取り付けられている。回転角センサ９は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００と電気的に接続されている。

ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される算術論理演算回路であり、上記した回転角センサ９の出力信号や内燃機関１の運転状態に基づいてモータ５３を制御する。

ここで、モータ５３の基本的な制御方法について図３に基づいて説明する。図３において、ａ、ｂ、及びｃは、軸部５ａの中心、カム部５ｂの中心、及び可動軸受部５ｃの中心を各々表している。

図３中の（ａ）は、圧縮比が最も高くなる状態、言い換えればシリンダブロック２が下死点側へ最も変位した状態を示している。この場合、全てのカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃの中心ｂ、ｃが同一軸線上に位置するとともに、それらカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃの外周面が軸方向において一致する。これに対応して、カム収納孔６及び軸受収納孔８の中心も互いに一致している。

ＥＣＵ１１は、図３（ａ）の状態から圧縮比を低下させる場合には、２本の偏心カム軸５が図中の矢印方向へ回転するようにモータ５３を制御する。図３（ｂ）は偏心カム軸５が図３（ａ）の状態から凡そ４５°回転した状態を示している。この場合、カム部５ｂの中心ｂが可動軸受部５ｃの中心ｃに対して上死点側へオフセットされ、それに応じてカム部５ｂの外周面も可動軸受部５ｃの外周面に対して上死点側へオフセットされる。

カム部５ｂが可動軸受部５ｃに対して上死点側へオフセットされると、カム収納孔６も軸受収納孔８に対して上死点側へオフセットされるため、シリンダブロック２がクランクケース３に対して上死点側へ変位する。その結果、燃焼室容積が拡大するため、内燃機関１の圧縮比が低下する。

ＥＣＵ１１が２本の偏心カム軸５を図中の矢印方向へ更に回転させるようモータ５３を制御すると、カム部５ｂと可動軸受部５ｃのオフセット量が更に増加し、それに応じて圧縮比が一層低くなる。図３（ｃ）は、偏心カム軸５が図３（ａ）の状態から９０°回転した状態を示している。

このとき、軸部５ａの中心ａとカム部５ｂの中心ｂと可動軸受部５ｃの中心ｃとがシリンダ軸方向に一列に並び、カム部５ｂと可動軸受部５ｃのオフセット量が最大となる。すなわち、偏心カム軸５が図３（ａ）の状態から９０°回転したときに、シリンダブロック２の上死点側への変位量が最大となる。その結果、内燃機関１の圧縮比が最も低くくなる。

尚、図３（ｂ）、（ｃ）の状態から圧縮比を上昇させる場合には、ＥＣＵ１１はモータ５３を逆回転させて２本の偏心カム軸５が図３中の矢印方向と逆方向へ回転するようにすればよい。

上述したような変位機構５及びアクチュエータ５０によれば、シリンダブロック２がシリンダ軸方向へ変位自在となり、それに応じて内燃機関１の圧縮比が自在に変更されることとなる。

ところで、内燃機関１の圧縮比を適正に変更するためには、偏心カム軸５を円滑に回転させる必要がある。このため、上述したような変位機構５では、偏心カム軸５の軸受けとして機能するカム収納孔６及び軸受収納孔８（以下、軸受け部と総称する）には潤滑油が供給される。

しかしながら、偏心カム軸５の回転角度や内燃機関１の運転状態（燃焼圧）によって前記軸受け部の潤滑状態が不適切となり、モータ５３の駆動電力が過剰に増加し、或いは偏心カム軸５の回転不良等が生じる可能性がある。

ここで、軸受け部のストライベック線図を図４に示した。図４中の縦軸は軸受け部の摩擦係数：μを表し、横軸は軸受け部の潤滑特性値を表している。

潤滑特性値は、偏心カム軸５から軸受け部へ作用する荷重：Ｐと潤滑油の粘度：ηと偏心カム軸５の回転速度：Ｖとの関数：η・Ｖ／Ｐで表され、潤滑油の膜厚に相当する値である。

ストライベック線図は、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐの大きさ（潤滑油の膜厚）に応じて流体潤滑領域と混合潤滑領域と境界潤滑領域とに区画される。

流体潤滑領域は、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが比較的大きくなる（潤滑油の膜厚が比較的厚くなる）領域である。この流体潤滑領域では、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなるほど摩擦係数：μが小さくなる。言い換えれば、流体潤滑領域では、荷重：Ｐが大きくなるほど摩擦係数：μが小さくなる。

混合潤滑領域は、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが比較的小さくなる（潤滑油の膜厚が比較的薄くなる）領域である。この混合潤滑領域では、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなるにつれて摩擦係数：μが急激に大きくなる。言い換えれば、混合潤滑領域では、荷重：Ｐが大きくなるにつれて摩擦係数：μが急激に増大する。

境界潤滑領域は、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが非常に小さくなる（潤滑油の膜厚が殆ど零になる）領域である。この領域では、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐの大小にかかわらず摩擦係数：μが最大となる。

このようなストライベック線図によれば、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが混合潤滑領域にあるときはモータ５３の駆動トルクが過剰に大きくなる可能性がある。そして、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが境界潤滑領域にあるときは偏心カム軸５が回転困難になる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、ＥＣＵ１００は、潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが境界潤滑領域に入らず且つ摩擦係数：μが所定値以下となるように偏心カム軸５の回転速度：Ｖ、言い換えればモータ５３の回転速度を制御するようにした。

以下、モータ５３の回転速度を制御する具体的な方法について図５に基づいて説明する
。図５はモータ回転速度制御ルーチンを示すフローチャートである。このモータ回転速度制御ルーチンは、予めＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ１００が所定時間毎に繰り返し実行するルーチンである。

モータ回転速度制御ルーチンでは、ＥＣＵ１００は先ずＳ１０１において内燃機関１の運転状態を検出する。具体的には、ＥＣＵ１００は、アクセル開度、機関回転数、或いは燃料噴射量などを入力する。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０１で検出された運転状態に基づいて目標圧縮比：εを演算する。この場合の目標圧縮比：εは偏心カム軸５の回転角度で表される。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１００は、回転角センサ９の出力信号（現時点における偏心カム軸５の回転角度）：θを入力する。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１００は、前記Ｓ１０１で検出された内燃機関１の運転状態と前記Ｓ１０２で算出された目標圧縮比：εと前記Ｓ１０３で入力された偏心カム軸５の回転角度：θとをパラメータとして、偏心カム軸５を回転角度：θから目標圧縮比：εまで回転する際のモータ５３の回転速度：Ｖｍを決定する。

前述の図４の説明で述べたように、軸受け部の摩擦係数：μは荷重：Ｐによって変化する。軸受け部の荷重：Ｐは、内燃機関１の燃焼圧と偏心カム軸５の回転角度と相関がある。

図６は、軸受け部に作用する荷重：Ｐと偏心カム軸５の回転角度：θと内燃機関１の燃焼圧との関係を示す図である。尚、偏心カム軸５の回転角度は、圧縮比が最も低いとき（すなわち、前述した図３（ａ）の状態のとき）の回転角度を０°とし、圧縮比が最も高いとき（すなわち、前述した図３（ｃ）の状態のとき）の回転角度を９０°としている。

図６において、荷重：Ｐは、偏心カム軸５の回転角度：θの増加に伴い非線形で増加する。特に偏心カム軸５の回転角度：θが９０°に近づくにつれて荷重：Ｐの増加率が大きくなっている。更に、荷重：Ｐは内燃機関１の燃焼圧が高くなるほど大きくなる。

そこで、ＥＣＵ１００は、図７に示すマップに従って、偏心カム軸５を回転角度：θから目標圧縮比：εまで回転する際のモータ５３の回転速度：Ｖｍを定める。

図７のマップでは、燃焼圧が高く且つ回転角度：θが大きくなる（軸受け部の荷重：Ｐが大きくなる）ほどモータ５３の回転速度：Ｖｍが高くなり、燃焼圧が低く且つ回転角度：θが小さくなる（軸受け部の荷重：Ｐが小さくなる）ほどモータ５３の回転速度：Ｖｍを低くなっている。

図７のマップによれば、軸受け部の潤滑状態がストライベック線図の何れの領域にあっても、軸受け部の摩擦係数：μを小さくすることが可能となる。

例えば、ストライベック線図の流体潤滑領域においては、荷重：Ｐが小さくなる（潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが大きくなる）ほど軸受け部の摩擦係数：μが大きくなるため、荷重：Ｐが小さくなるほど偏心カム軸５の回転速度：Ｖが低くされれば、それに応じて潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐも小さくなり、以て軸受け部の摩擦係数：μが小さくなる。

また、ストライベック線図の境界潤滑領域又は混合潤滑領域においては、荷重：Ｐが大きくなる（潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが小さくなる）ほど軸受け部の摩擦係数：μが大きく
なるため、荷重：Ｐが大きくなるほど偏心カム軸５の回転速度：Ｖが高められれば、それに応じて潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐも大きくなり、以て軸受け部の摩擦係数：μが小さくなる。

尚、図７のマップに示されるモータ５３の回転速度：Ｖｍは、軸受け部の摩擦係数：μが所定値（好ましくは０.１程度）以下となり、且つ、ストライベック線図における潤滑特性値：η・Ｖ／Ｐが可能な限り流体潤滑領域に入るようにるように定められている。

ここで図５に戻り、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０５において前記Ｓ１０４で定められたモータ５３の回転速度：Ｖｍに従ってモータ５３を制御する。

以上述べた実施の形態によれば、軸受け部の摩擦係数：μが低下するとともに潤滑油の膜厚が適正な厚さになるため、モータ５３の駆動電力が過剰に増加することがなくなるとともに偏心カム軸５や軸受け部の耐久性が向上する。

尚、上述したモータ回転制御によれば、荷重：Ｐが比較的小さいときにモータ５３の回転速度：Ｖｍが低くされるため、圧縮比切換の所要時間が長くなる可能性がある。そのような場合には、摩擦係数：μが所定値より十分に小さい領域においてモータ５３の回転速度：Ｖｍを高めることで所要時間の延長を抑制するようにしてもよい。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図 変位機構とアクチュエータの構成を示す図 変位機構の動作を説明する図 偏心カム軸の軸受け部における潤滑特性を示すストライベック線図 モータ回転制御ルーチンを示すフローチャート 軸受け部に作用する荷重と偏心カム軸の回転角度と燃焼圧との関係を示す図 モータ回転速度の制御マップを示す図

符号の説明

１・・・・内燃機関
２・・・・シリンダブロック
３・・・・クランクケース
５・・・・変位機構
６・・・・カム収納孔
８・・・・軸受収納孔
５０・・・アクチュエータ
５００・・偏心カム軸

Claims (4)

1. 内燃機関の圧縮比を変更する際に回転摺動動作を伴う可変圧縮比機構の制御方法であり、
   前記可変圧縮比機構の摺動部の潤滑状態がストライベック線図における流体潤滑領域にあるときは前記摺動部の回転速度を低下させ、境界潤滑領域又は混合潤滑領域にあるときは前記摺動部の回転速度を増加させることを特徴とする可変圧縮比機構の制御方法。
2. 請求項１において、前記摺動部の摩擦係数が所定値以下になるように前記摺動部の回転速度を制御することを特徴とする可変圧縮比機構の制御方法。
3. 偏心カム軸の回転角度を変更することによってクランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変化させる可変圧縮比機構の制御方法であり、
   前記偏心カム軸の回転角度をパラメータとして前記偏心カム軸の回転速度を増減させることを特徴とする可変圧縮比機構の制御方法。
4. 請求項３において、前記偏心カム軸の回転角度に加え前記内燃機関の燃焼圧をパラメータとして前記偏心カム軸の回転速度を増減することを特徴とする可変圧縮比機構の制御方法。

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