JP2015113745A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、クラッチのロックを解除することが困難な状態になることを回避する内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関は、クランクケースに対するシリンダブロックの相対位置を変更する可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構は、偏心軸を含むシャフトを回転させる駆動装置を含み、駆動装置は、モータの回転力をシャフトに伝達する駆動力伝達経路に配置され、逆入力を遮断するクラッチを含む。内燃機関は、機械圧縮比を低下させる場合には、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形成されている。クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の振幅が予め定められた判定値未満の時には、機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に固定する。
【選択図】図１４

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室では、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、内燃機関の出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくすることができて、熱効率の向上を図ることができる。ところが、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更する内燃機関が知られている。

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。

特開２００５−２１４０８８号公報

圧縮比を変更する可変圧縮比機構としては、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更する機構を採用することにより圧縮比を小さくすることができる。このような可変圧縮比機構を備える内燃機関では、燃料が燃焼すると、燃焼室の圧力、すなわち筒内圧は上昇する。また、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働く力が増大し、可変圧縮比機構に作用する力も増大する。

上記の特開２００５−２１４０８８号公報に開示されているアクチュエータ機構の逆入力制限型のクラッチでは、アクチュエータが接続されている入力側からの回転力を出力側に伝達する一方で、出力側からの回転力は遮断するロック機能を有する。このような逆入力遮断クラッチは、気筒内の圧力により出力軸に加わる回転力は遮断するという特性を有する。

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する必要がある。ところが、逆入力遮断クラッチの出力軸には、筒内圧による回転力が加わっている。筒内圧は時間とともに変化し、ロック機能を解除するためには逆入力遮断クラッチの入力軸に供給する回転力を大きくしなければならない場合があった。このために、駆動装置のモータは容量が大きく設定され、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していた。更に、駆動装置のモータを配置する場所が大きくなったり、または、モータを配置する場所が制限されたりするという問題があった。

本発明は、クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、機械圧縮比を低下させる場合にクラッチの入力軸に供給する回転力を小さくできる内燃機関を提供することを目的とする。

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、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偏心軸と、偏心軸を回転させるための駆動装置とを含む。駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を偏心軸に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からの回転力を遮断するように形成されている。回転機は、機械圧縮比を低下させる場合には、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制御されている。内燃機関は、クラッチの出力軸に加わる回転力を推定する回転力推定手段を更に備え、クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の振幅が予め定められた判定値未満の時には、機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に変更した後に機械圧縮比の変更を禁止する。

上記発明においては、クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の極大点と極小点とを検出し、極大点と極小点とに基づいて振動の振幅を算出することができる。

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と、シャフトを回転させる駆動装置とを含み、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することにより機械圧縮比を変更可能に形成されている。

本発明によれば、クラッチを含む可変圧縮比機構を備え、機械圧縮比を低下させる場合にクラッチの入力軸に供給する回転力を小さくできる内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略全体図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 変位角を説明するクラッチの拡大概略断面図である。 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。 実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートである。

図１から図１４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。

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、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。内燃機関は、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。

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。

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。

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、付勢部材としてのスプリング６５が配置されている。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。

クランクケース１とシリンダブロック２には、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置を検出するための相対位置センサ２２が取付けられている。相対位置センサ２２からはクランクケース１とシリンダブロック２との間隔の変化を示す出力信号が出力される。スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ２４が取付けられている。

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。

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。

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。

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。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、一対のカムシャフト５４，５５を含む。カムシャフト５４，５５は、クランクケース１とシリンダブロック２との間に介在する。各カムシャフト５４，５５上には、一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が配置されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には、図３に示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸５７が延びている。この偏心軸５７には、別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるように、円形カム５６は、各円形カム５８の両側に配置されている。これらの円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１に回転可能に挿入されている。シリンダブロック２は、偏心軸５７を含むカムシャフト５４，５５を介して、クランクケース１に支持されている。

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。

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。

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。

図２に示されるように、カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるように、回転軸６０には螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１，６２が取付けられている。ウォーム６１，６２と噛合するウォームホイール６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。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。

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）／（燃焼室の容積）にて示すことができる。

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。

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。

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。

本実施の形態においては、クランクケース１に対してシリンダブロック２を離す向きに相対移動させるときの偏心軸５７の回転方向を、一方の回転方向と称する。また、クランクケース１に対してシリンダブロック２を近づける向きに相対移動させるときの偏心軸５７の回転方向を他方の回転方向と称する。本実施の形態においては、矢印６８が一方の回転方向であり、矢印６９が他方の回転方向である。

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に配置されているクラッチ７０を含む。本実施の形態におけるクラッチ７０は、入力側がモータ５９の回転力を伝達する回転軸６６に接続され、出力側がウォーム６１，６２を支持する回転軸６０に接続されている。

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。

図６に、本実施の形態におけるクラッチ７０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７０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。

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、ウォーム６１，６２が固定されている回転軸６０に接続されている。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。図６に示す例では、出力軸７４は、断面形状が正八角形に形成されている。

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、モータ５９の回転力を伝達する回転軸６６に接続されている。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。

複数の挿入部７２は、出力軸７４の複数の穴部７５に対応する位置に形成されている。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ている。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、偏心軸５７が一方の回転方向に回転する向きに入力軸７１が回転したときにローラ８０ａを押圧し、偏心軸５７が他方の回転方向に回転する向きに入力軸７１が回転したときにローラ８０ｂを押圧するように形成されている。

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。

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の端面と外輪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。

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、偏心軸５７が一方の回転方向に回転する向きにてウォーム６１，６２から回転力が伝達されると、この回転力を遮断する。

図１を参照して、本実施の形態においては、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、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。

シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きの回転力は、カムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４およびウォーム６１，６２を介してクラッチ７０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。

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。

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。

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。すなわち、ローラ８０ａのくさび効果が消失する。このため、出力軸７４は、ロックが解除され、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によるロックも解除される。

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。

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から離れる向きに回転するために、ローラ８０ａによるロックも解除される。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。

図１１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。図１１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９１と、筒内圧が極小になる極小点９２とが発現している。

図１０を参照して、筒内圧およびスプリング６５の付勢力により、出力軸７４には、矢印１００に示す向きに回転力が加わっている。すなわち、出力軸７４には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、入力軸７１が矢印１０２に示す向きに回転する。逆入力トルクをロックしている係止部８６ａにおいては、ローラ８０ａが係止部８６ａから離脱する方向に入力軸７１が回転する。保持部７３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。

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に加わる回転力は、筒内圧に依存し、筒内圧が高くなると、出力軸７４に加わる回転力も大きくなる。

図１２に、本実施の形態におけるクラッチの拡大概略断面図を示す。図１２は、機械圧縮比を一定に維持している場合のクラッチの作動状況を説明している。出力軸７４に加わる回転力が小さい時の出力軸７４およびローラ８０ａの外縁を実線にて示している。また、出力軸７４に加わる回転力が大きい時の出力軸７４およびローラ８０ａの外縁を破線にて示している。

出力軸７４に加わる回転力が増大することにより、出力軸７４が入力軸７１に対して、矢印１００に示す向きに僅かに変形する。その後に出力軸７４に加わる回転力が減少すると、出力軸７４は元の状態に戻る。このように、出力軸７４は、弾性的に変形し、更にローラ８０ａが係止部８６ａに食い込む。この結果、入力軸７１に対する出力軸７４の中心軸周りの変位角θ１が変化する。変位角θ１は、出力軸７４に加わる回転力の大きさに応じて弾性的に変化する。変位角θ１は、ローラ８０ａが係止部８６ａに食い込むことにより回転する変位角θ１１と、出力軸７４自体が変形することによる変位角θ１２とを含む。すなわち、変位角θ１は、変位角θ１１と変位角θ１２との和になる。

図１１を参照して、例えば、参考のクランク角度ＣＡａ，ＣＡｂにおける筒内圧を比較すると、クランク角度ＣＡａにおける筒内圧よりもクランク角度ＣＡｂにおける筒内圧の方が高くなる。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。図１２を参照して、筒内圧が上昇するときには、変位角θ１が増大している。すなわち、ローラ８０ａは、係止部８６ａへの食い込み量が増大し、さらに、出力軸７４自体の変形量が増大している。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のロックを解除しようとしても、大きな力が必要になる。

一方で、筒内圧が低下している場合には、変位角θ１は減少している。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。

図１１を参照して、例えばクランク角度ＣＡ１からクランク角度ＣＡ２までの期間Ｓにおいては、筒内圧が減少し、変位角θ１が減少している。機械圧縮比を低下させるために、筒内圧の極大点９１から極小点９２に移行する期間Ｓにおいて、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９１において、駆動装置のモータ５９の作動を開始している。

ここで、期間Ｓを経過すると筒内圧が再び上昇する。筒内圧の上昇は、変位角θ１が増大する向きに作用する。このために、ローラ８０ａの係止部８６ａからの離脱は、筒内圧が減少する期間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９１から極小点９２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。

このように、筒内圧の極大点９１から極小点９２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。小さな力にてクラッチ７０のロックを解除することができて、モータ５９の容量を小さくすることができる。または、モータ５９を小型にすることができる。または、可変圧縮比機構を駆動する駆動装置の消費電力量を少なくすることができる。

ところで、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。

図１３に、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グラフを示す。図１３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。出力軸７４に加わる逆入力トルクは、筒内圧の振動の周期と同様の周期にて振動にする（図１１参照）。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。

出力軸７４の変位角θ１の変化量は、出力軸７４に加わる逆入力トルクに対応する。逆入力トルクが小さくなるほど変位角θ１の変化量も小さくなる。このために、筒内圧の極大点９１から極小点９２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。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。

本実施の形態の内燃機関は、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よりも小さくなった場合には、機械圧縮比を予め定められた低い機械圧縮比に変更する。そして、機械圧縮比の変更を禁止する制御を実施する。すなわち、内燃機関の運転状態に関わらず、予め定められた低機械圧縮比に固定する制御を行う。

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に加わる回転力を推定する回転力推定手段を備える。図２を参照して、本実施の形態の回転力推定手段は、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装置を含む。トルク検出装置は、トルク検出器８９を含む。

本実施の形態のトルク検出器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歪みゲージ式である。トルク検出装置としては、この形態に限られず、出力軸７４に加わる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、トルク検出装置としては、磁歪式のトルクセンサを採用しても構わない。

図１３を参照して、本実施の形態の内燃機関は、トルク検出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９３の逆入力トルクおよび極小点９４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、逆入力トルクの振幅ＡＴｑを算出する。振幅ＡＴｑの算出においては、１つの極大点９３と１つの極小点９４とに基づいて１つの振幅ＡＴｑを算出することができる。または、複数個の極大点９３および複数の極小点９４に基づいて、複数の振幅ＡＴｑの平均値等を採用しても構わない。

次に、逆入力トルクの振幅ＡＴｑが予め定められた振幅の判定値よりも小さいか否かを判別する。逆入力トルクの振幅ＡＴｑが予め定められた振幅の判定値よりも小さい場合には、機械圧縮比を低下させるためにクラッチ７０のロック状態を解除する時の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。

クラッチ７０のロック状態を解除するための逆入力トルクの振動の振幅が不十分であると判別された場合には、機械圧縮比を予め定められた低い機械圧縮に変更する制御を実施する。この時の機械圧縮比としては、たとえば１０程度の低い機械圧縮比を採用することができる。次に、内燃機関の運転状態に関わらず、機械圧縮比をこの低い機械圧縮比にて固定する。すなわち、機械圧縮比の変更を禁止する制御を実施する。

内燃機関を低機械圧縮比に固定することにより、燃焼室にて異常燃焼の発現を抑制することができる。本実施の形態の内燃機関は、使用者に可変圧縮比機構の異常を通知する制御を実施する。たとえば、運転席前のインストルメンタルパネルに配置された警告灯を点灯させる制御を実施する。機械圧縮比が低い状態にて固定されるものの、修理工場まで自走することができて修理を依頼することができる。

上記の実施の形態においては、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幅ＡＴｑ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。

図１４に、本実施の形態における内燃機関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１２１においては、機械圧縮比の変更要求があるか否かを判別する。機械圧縮比は内燃機関の運転状態に基づいて選定され、目標機械圧縮比が設定される。機械圧縮比は、例えば、機関回転数および燃料噴射量などを関数にして設定される。ステップ１２１において、機械圧縮比の変更要求がない場合には、この制御を終了する。ステップ１２１において、機械圧縮比の変更要求がある場合には、ステップ１２２に移行する。

ステップ１２２においては、目標機械圧縮比が現在の機械圧縮比よりも小さいか否かを判別する。すなわち、機械圧縮比を減少させるか否かを判別する。ステップ１２２において、目標機械圧縮比が現在の機械圧縮比よりも大きな場合には、ステップ１２５に移行する。すなわち、機械圧縮比を上昇させる場合には、ステップ１２５に移行する。ステップ１２５においては、機械圧縮比を目標機械圧縮比に変更する。

一方で、ステップ１２２において、目標機械圧縮比が現在の機械圧縮比未満である場合には、ステップ１２３に移行する。すなわち、機械圧縮比を低下させる場合には、ステップ１２３に移行する。

ステップ１２３においては、筒内圧およびスプリング６５によりクラッチ７０の出力軸７４に加わる回転力の振動の振幅、すなわち、クラッチ７０の出力軸に加わる逆入力トルクの振動の振幅を検出する。

次に、ステップ１２４においては、クラッチ７０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振幅の判定値よりも大きいか否かを判別する。クラッチ７０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振幅の判定値よりも大きい場合には、クラッチ７０のロック状態の解除が可能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に移行して、機械圧縮比を目標機械圧縮比まで変更する。

クラッチ７０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振幅の判定値以下の場合には、クラッチ７０のロック状態の解除が困難であると判別することができる。この場合には、ステップ１２６に移行する。

ステップ１２６においては、機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に変更する。そして、ステップ１２７においては、今後の機械圧縮比の変更を禁止する。機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に固定する制御を実施する。次に、ステップ１２８においては、可変圧縮比機構が異常であることを示す警告灯を点灯して、この制御を終了する。

本実施の形態における可変圧縮比機構の駆動装置は、回転機としてモータ５９が採用されているが、この形態に限られず、クラッチ７０の入力軸７１を回転させる任意の回転機を採用することができる。

本実施の形態におけるクラッチ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の回転力を偏心軸５７に伝達する駆動力伝達経路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に対してクラッチが配置される。

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。

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することにより機械圧縮比を変更可能に形成されているが、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。

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。

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変更が含まれている。

１ クランクケース
２ シリンダブロック
４ ピストン
５ 燃焼室
２２ 相対位置センサ
３０ 電子制御ユニット
４２ クランク角センサ
５４，５５ カムシャフト
５６，５８ 円形カム
５７ 偏心軸
５９ モータ
６５ スプリング
７０ クラッチ
７１ 入力軸
７３ 保持部
７４ 出力軸
８０ａ，８０ｂ ローラ
８６ａ，８６ｂ 係止部
８９ トルク検出器
９１ 極大点
９２ 極小点
Ａ 可変圧縮比機構

本発明は、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って、クラッチのロックを解除することが困難な状態になることを回避する内燃機関を提供することを目的とする。

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、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偏心軸と、偏心軸を回転させるための駆動装置とを含む。駆動装置は、回転機と、回転機の回転力を偏心軸に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、出力軸に伝わる機械圧縮比を低下させる回転力を遮断するように形成されている。回転機は、機械圧縮比を低下させる場合には、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制御されている。内燃機関は、クラッチの出力軸に加わる回転力を推定する回転力推定手段を更に備え、クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の振幅が予め定められた判定値未満の時には、機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に固定する。

上記発明においては、クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の振幅が予め定められた判定値未満の時には、機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に変更した後に機械圧縮比の変更を禁止することができる。また、上記発明においては、クラッチの出力軸に加わる回転力の振動の極大点と極小点とを検出し、極大点と極小点とに基づいて振動の振幅を算出することができる。

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と、シャフトを回転させる駆動装置とを含み、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することにより機械圧縮比を変更可能に形成することができる。

本発明によれば、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って、クラッチのロックを解除することが困難な状態になることを回避する内燃機関を提供することができる。

Claims (3)

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偏心軸と、偏心軸を回転させるための駆動装置とを含み、
   駆動装置は、回転機と、前記回転機の回転力を偏心軸に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、
   前記クラッチは、機械圧縮比を低下させ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おり、
   前記回転機は、前記機械圧縮比を低下させる場合には、筒内圧が極大点から極小点まで移行する期間中に、前記クラッチの入力軸の駆動を開始するように制御されており、
   前記クラッチの前記出力軸に加わる回転力を推定する回転力推定手段を更に備え、
   前記クラッチの前記出力軸に加わる回転力の振動の振幅が予め定められた判定値未満の時には、前記機械圧縮比を予め定められた低機械圧縮比に変更した後に機械圧縮比の変更を禁止することを特徴とする、内燃機関。
2. 前記クラッチの前記出力軸に加わる回転力の振動の極大点と極小点とを検出し、前記極大点と前記極小点とに基づいて振動の振幅を算出する、請求項１に記載の内燃機関。
3. クランクケースを含む支持構造物と、
   前記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、
   前記可変圧縮比機構は、前記支持構造物と前記シリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むシャフトと、前記シャフトを回転させる前記駆動装置とを含み、前記支持構造物に対する前記シリンダブロックの相対位置を変更することにより機械圧縮比を変更可能に形成されている、請求項１または２に記載の内燃機関。

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