JP2016145544A

JP2016145544A - 可変圧縮比内燃機関

Info

Publication number: JP2016145544A
Application number: JP2015022678A
Authority: JP
Inventors: 智也大嶋; Tomoya Oshima; 和人酒井; Kazuto Sakai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-12

Abstract

【課題】ウォームギアとウォームホイールとが衝突することによる異音の発生を抑制する。
【解決手段】シリンダブロックがクランクケースに対して相対移動することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関は、回転するとシリンダブロックとクランクケースとの間の相対位置が変化するように構成された作用軸と、作用軸に連結されたウォームホイールと、ウォームホイールと噛合するウォームギアと、ウォームギアに連結されると共にウォームギア及びウォームホイールを介して作用軸を駆動するためのアクチュエータとを具備する。アクチュエータは、機械圧縮比が低くなるようにシリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させるときには、アクチュエータの回転速度が設定禁止領域外の速度となるように駆動され、この設定禁止領域は機関回転数が高くなるほど相対的に高い速度領域となるように設定される。
【選択図】図６

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）。

特に、特許文献１に開示された可変圧縮比内燃機関では、アクチュエータによってカムシャフトを回転させると共に、アクチュエータの回転角度位置が目標圧縮比に対応する目標回転角度位置となるようにアクチュエータを制御している。加えて、アクチュエータの回転させるときには基本的に圧縮比変更速度がほぼ一定になるようにその回転速度を制御すると共に、目標回転角度が低圧縮比変化率領域内にある場合に限り、圧縮比変化速度が変動するようにその回転速度を制御するようにしている。特許文献１によれば、これにより、圧縮比の制御性を高く維持しつつ、圧縮比の応答性を高くすることができるとされている。

特開２００９−１３８６０７号公報特開２０１２−１７２６２６号公報

ところで、上述したような可変圧縮比内燃機関は、カムシャフトに連結されたウォームホイールとアクチェエータに連結されたウォームギアとを具備する。これらウォームホイールとウォームギアとは互いに噛合されている。このため、アクチュエータが回転駆動せしめられると、ウォームギア及びウォームホイールを介してカムシャフトが回転せしめられ、この結果、シリンダブロックとクランクケースとが相対的に移動せしめられる。

ここで、斯かる可変圧縮比内燃機関では、燃焼室内で爆発が生じることによってシリンダブロックにはクランクケースから離れる方向に、すなわち圧縮比を下げる方向に、周期的に力が加わる。このため、カムシャフトにも圧縮比を下げる方向に回転しようとする力が周期的に加わることになる。このため、圧縮比を下げる方向にアクチュエータを駆動している場合に、アクチュエータに連結されたウォームギアとカムシャフトに連結されたウォームホイールとの相対速度が燃焼室内での爆発周期に合わせて変動する。この結果、ウォームギアとウォームホイールとが衝突して、これらの間で歯打ち音が発生してしまう場合がある。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、可変圧縮比内燃機関のアクチュエータに連結されたウォームギアとカムシャフトに連結されたウォームホイールとが衝突することによる異音の発生を抑制することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、シリンダブロックがクランクケースに対して相対移動することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関において、前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に配置されると共に回転すると前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間の相対位置が変化するように構成された作用軸と、前記作用軸に連結されたウォームホイールと、前記ウォームホイールと噛合するウォームギアと、前記ウォームギアに連結されると共に該ウォームギア及び前記ウォームホイールを介して前記作用軸を駆動するためのアクチュエータとを具備し、前記アクチュエータは、機械圧縮比が低くなるように前記シリンダブロックを前記クランクケースに対して相対移動させるときには、当該アクチュエータの回転速度が所定の設定禁止領域外の速度となるように駆動され、該設定禁止領域は機関回転数が高くなるほど相対的に高い速度領域となるように設定される、可変圧縮比内燃機関が提供される。

本発明によれば、ウォームギアとウォームホイールとが衝突することによる異音の発生を抑制することができる。

図１は、本発明に係る火花点火式内燃機関を概略的に示す側面断面図である。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いる。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４は、機関負荷に応じた機械圧縮比等の変化を示す図である。図５は、ウォームギアとウォームホイールとの噛合部を拡大した概略断面図である。図６は、機関回転数及び駆動モータの回転速度と歯打ち音の発生との関係を示す図である。図７は、機械圧縮比と、機械圧縮比を単位量変更するのに必要なカムシャフトの回転量との関係を示す図である。図８は、機械圧縮比のタイムチャートである。図９は、駆動モータの回転速度を制御するための制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関の構成＞
図１は、火花点火式内燃機関の側面断面図である。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に取付けられる代りに各燃焼室５内に配置されてもよい。

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エアフロメータ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とのシリンダ軸線方向の相対距離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が設けられている。また、クランクケース１とシリンダブロック２との間には、付勢部材として機能するバネ２５が配置されている。バネ２５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を付勢するように構成されている。さらに、図１に示した実施形態では、吸気弁の閉弁時期を変更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。エアフロメータ１８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Ｌ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。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが所定角度だけ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との相対距離を検出するための相対距離センサ４３が設けられており、相対距離センサ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。

＜可変圧縮比機構の構成＞
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に示したように作用軸として機能する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５８が固定されている。これらケース側円形カム５８は各カムシャフト５４、５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各ケース側円形カム５８の両側には図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上に別のブロック側円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示したようにこれらブロック側円形カム５６は各ケース側円形カム５８の両側に配置されており、これらブロック側円形カム５６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。また、図２に示したようにカムシャフト５５にはカムシャフト５５の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ４４が取付けられている。

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（アクチュエータ）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と噛合するウォームホイール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。

＜可変圧縮比機構による機械圧縮比の変更方法＞
図３（Ａ）に示す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５８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偏心軸５７が互いに離れる方向に移動するため、ブロック側円形カム５６がブロック側カム挿入孔５１内においてケース側円形カム５８とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示したように偏心軸５７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更にケース側円形カム５８を矢印で示した方向に回転させると図３（Ｃ）に示したように偏心軸５７は最も低い位置となる。

なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）には、それぞれの状態におけるケース側円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂとブロック側円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。

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の相対距離はケース側円形カム５８の中心ａとブロック側円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まり、ケース側円形カム５８の中心ａとブロック側円形カム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。すなわち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクラ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との間の相対距離を変化させていることになる。そして、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。したがって、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。

特に、図３に示した例では、図３（Ａ）に示した状態と図３（Ｂ）に示した状態との間でシリンダブロック２はクランクケース１に対してＤ₁だけ相対移動せしめられ、図３（Ｂ）に示した状態と図３（Ｃ）に示した状態との間でシリンダブロック２はクランクケース１に対してＤ₂だけ相対移動せしめられる。

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機械圧縮比は、上述したように燃焼室容積を変化させることで、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３に示した可変圧縮比機構Ａは一例を示すものであり、本発明では、駆動モータ等のアクチュエータにより回転軸６０等の回転体を回転させることによって機械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。

＜機関負荷に応じた制御＞
次に図４を参照しつつ運転制御全般について説明する。
図４には機関負荷に応じた要求吸入空気量、吸気弁７の閉弁時期、機械圧縮比、膨張比、実圧縮比、スロットル弁１７の開度およびポンピング損失の各変化が示されている。なお、本実施形態では触媒コンバータ２０内の三元触媒によって排気ガス中の未燃ＨＣ、ＣＯおよびＮＯ_xを同時に低減しうるように通常燃焼室５内における平均空燃比は空燃比センサ２１の出力信号に基づいて理論空燃比にフィードバック制御されている。

図４に示したように機関高負荷運転時には機械圧縮比は低くされる。このため、膨張比は低く、図４において実線で示したように吸気弁７の閉弁時期は早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁１７の開度は全開又はほぼ全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。

一方、図４において実線で示したように機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁７の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように図４に示される如く機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、したがって機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁１７は全開状態に保持されており、したがって燃焼室５内に供給される吸入空気量はスロットル弁１７によらずに吸気弁７の閉弁時期を変えることによって制御されている。このときにもポンピング損失は零となる。

このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。すなわち、吸入空気量の減少に比例してピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が減少せしめられる。

機関負荷がさらに低くなると機械圧縮比はさらに増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷Ｌ₁まで低下すると機械圧縮比は燃焼室５の構造上限界となる最大限界機械圧縮比に達する。機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が最大限界機械圧縮比に保持される。したがって低負荷側の機関中負荷運転時及び機関低負荷運転時には、すなわち機関低負荷運転側では、機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると機関低負荷運転側では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。

一方、図４に示した実施形態では機関負荷がＬ₁まで低下すると吸気弁７の閉弁時期が燃焼室５内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域では吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。

吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁７の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。図４に示した実施形態ではこのとき、すなわち吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ₁よりも負荷の低い領域ではスロットル弁１７によって燃焼室５内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル弁１７の開度は小さくされる。

なお、図４において破線で示すように機関負荷が低くなるにつれて吸気弁７の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁１７によらずに吸入空気量を制御することができる。

＜ウォームギアにおける歯打ち音＞
ところで、上述したような構成の可変圧縮比内燃機関では、機械圧縮比を低下させる際に、すなわちシリンダブロック２とクランクケース１とが互いに離れるように相対位置を変化させる際に、駆動モータ５９に連結されたウォームギア６１、６２と、カムシャフト５４、５５に連結されたウォームホイール６３、６４との間で歯打ち音が発生する場合がある。以下、図５を参照して、歯打ち音が発生するメカニズムについて説明する。

図５は、ウォームギア６１、６２の歯とウォームホイール６３、６４の歯とが噛合する部分を拡大した概略断面図である。特に、図５では、ウォームギア６１、６２が駆動モータ５９によって機械圧縮比を低下する側に駆動せしめられている状態を示している。図示した例では、ウォームギア６１、６２がこの方向に駆動されることによって、ウォームギア６１、６２の歯は図中の左へ向かって移動せしめられる。

一方、上述したように、クランクケース１とシリンダブロック２との間にはバネ２５が配置されており、このバネ２５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。このため、これらクランクケース１とシリンダブロック２との間に配置されたカムシャフト５４、５５には機械圧縮比が低下する方向に力が加わる。この結果、カムシャフト５４、５５に連結されたウォームホイール６３、６４は機械圧縮が低下する方向に回転しようとし、よってウォームホイール６３、６４の歯は図中の左へ向かって移動しようとする。このウォームホイール６３、６４の歯の移動方向は、上述したウォームギア６１、６２の移動方向と一致する。

加えて、燃焼室５内では周期的に爆発が発生する。燃焼室５内で爆発が生じると、クランクケース１とシリンダブロック２にはこれらが互いに離れる向きに力が加わる。したがって、燃焼室５内で爆発が生じると、ウォームホイール６３、６４は機械圧縮比が低下する方向に回転しようとし、よってウォームホイール６３、６４の歯は図中の左へ向かって移動しようとする。したがって、ウォームホイール６３、６４の歯が図中の左へ向かって移動しようとする速度は、燃焼室５内で爆発が生じる周期で変動することになる。

機械圧縮比を低下させるべく駆動モータ５９によってウォームギア６１、６２が回転せしめられる場合、上述したようにウォームギア６１、６２の歯は図５にて左方向に移動する。一方、ウォームホイール６３、６４の歯は、バネ２５の付勢力により及び燃焼室５内での爆発により、図５にて左方向に移動しようとする。

このとき、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度よりもウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度の方が速い場合、図５（Ａ）に示したように、ウォームホイール６３、６４の歯の移動方向前側がウォームギア６１、６２の歯の移動方向後側と当接することになる。一方、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度よりもウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度の方が遅い場合、図５（Ｂ）に示したように、ウォームギア６１、６２の移動方向前側がウォームホイール６３、６４の移動方向後側と当接することになる。

ここで、上述したように、燃焼室５内で爆発が生じることによって、ウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度が変動する。このとき、ウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度が、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度よりも速い速度と遅い速度との間で交互に変動するような場合、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４との位置関係は図５（Ａ）に示した状態と図５（Ｂ）に示した状態との間で交互に変動することになる。この結果、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４との位置関係が図５（Ａ）に示した状態から図５（Ｂ）に示した状態に変化するとき又はその逆に変化するときにこれらの歯において歯打ち音が発生することになる。このような歯打ち音は、内燃機関の運転騒音を大きくしてしまうことから、このような歯打ち音の発生を抑制することが必要になる。

＜歯打ち音の抑制原理＞
ところで、上述したようにウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度は、燃焼室５内での爆発により、最大移動速度と最小移動速度との間で変動することになる。このため、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最小移動速度以下であれば、すなわちウォームギア６１、６２の回転速度がこの最小移動速度に対応する最小回転速度以下であれば、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４とは常に図５（Ａ）に示した相対位置関係となり、図５（Ｂ）に示した相対位置関係にはならない。このため、ウォームギア６１、６２の歯とウォームホイール６３、６４の歯との間で歯打ち音が発生することはない。なお、より正確には、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最小移動速度よりも僅かに速くても、ウォームギア６１、６２の歯とウォームホイール６３、６４の歯との間に生じる相対速度差はそれほど大きくないことから歯打ち音が発生することはない。したがって、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最小移動速度よりも僅かに速い下限速度以下であれば、すなわちウォームギア６１、６２の回転速度がこの下限速度に対応する下限回転速度以下であれば、歯打ち音は発生しないといえる。

また、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最大移動速度以上であれば、すなわちウォームギア６１、６２の回転速度がこの最大移動速度に対応する最大回転速度以上であれば、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４とは常に図５（Ｂ）に示した相対位置関係となり、図５（Ａ）に示した相対位置関係にはならない。このため、ウォームギア６１、６２の歯とウォームホイール６３、６４の歯との間で歯打ち音が発生することはない。なお、より正確には、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最大移動速度よりも僅かに遅くても、ウォームギア６１、６２の歯とウォームホイール６３、６４の歯との間に生じる相対速度差はそれほど大きくないことから、歯打ち音が発生することはない。したがって、ウォームギア６１、６２の歯の移動速度が最大移動速度よりも僅かに遅い上限速度以上であれば、すなわちウォームギア６１、６２の回転速度がこの上限速度に対応する上限回転速度以上であれば、歯打ち音は発生しないといえる。

そして、これら下限回転速度及び上限回転速度は、機関回転数に応じて変化する。具体的には、機関回転数が高くなるほど速くなる。これは、機関回転数が高くなるほど、燃焼室５内での爆発と爆発との間隔が短くなることから、ウォームホイール６３、６４が回転しようとする速度が低下する前に次の爆発が起こることになり、結果として、ウォームホイール６３、６４が回転しようとする速度が全体的に速くなるためである。

この様子を、図６に示す。図６は、機関回転数及び駆動モータ５９の回転速度（すなわち、ウォームギア６１、６２の回転速度）と、歯打ち音発生との関係を示す図である。図中に破線で示す領域Ｃは歯打ち音が発生する領域を示しており、領域Ｃの上側の境界線は上限回転速度を、下側の境界線は下限回転速度をそれぞれ示している。図６からわかるように、下限回転速度及び上限回転速度は機関回転数が高くなるほど速くなっている。この結果、下限回転速度と上限回転速度との間の領域Ｃは、機関回転数が高くなるほど相対的に高い速度領域になっている。

なお、図６中の領域Ａは、駆動モータ５９の回転速度が遅いことにより、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４との相対位置関係が図５（Ａ）に示した状態に維持される領域を示している。また、図６中の領域Ｂは、駆動モータ５９の回転速度が速いことにより、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４との相対位置関係が図５（Ｂ）に示した状態に維持される領域を示している。また、機関回転数が所定の基準回転数Ｎｅｃよりも高くなると、燃焼室５内での爆発間隔が極めて短くなることから、ウォームホイール６３、６４の歯が移動しようとする速度がほとんど変動しなくなる。この結果、機関回転数が所定の基準回転数以上の領域では、駆動モータ５９の回転速度によらずに常に歯打ち音は生じなくなる。

以上より、歯打ち音は機関回転数と駆動モータ５９の回転速度との関係が領域Ｃ内の関係にあるときに歯打ち音が生じることがわかる。したがって、機関回転数と駆動モータ５９の回転速度との関係が領域Ｃ内の関係にならないようにすることで、歯打ち音の発生を抑制することができる。

＜本実施形態における制御＞
そこで、本発明の実施形態では、機械圧縮比が低くなるようにシリンダブロック２をクランクケース１に対して相対移動させるときには、駆動モータ５９の回転速度が所定の設定禁止領域（すなわち、上記領域Ｃ）外の速度となるように駆動モータ５９を制御するようにしている。

例えば、機関負荷等に基づいて設定される駆動モータ５９の目標回転速度がＶｃであって現在の機関回転数がＮｅ₁である場合（図中の地点ｃ）を考える。この場合、駆動モータ５９の目標回転速度が所定値αだけ低下せしめられ、このときの機関回転数Ｎｅ₁における下限回転速度よりも遅い速度Ｖａとされる（図中の地点ａ）。或いは、この場合、駆動モータ５９の目標回転速度が所定値βだけ上昇せしめられ、このときの機関回転数Ｎｅ₁における上限回転速度よりも速い速度Ｖｂとされる（図中の地点ｂ）。これにより、ウォームギア６１、６２とウォームホイール６３、６４の歯との間で発生する歯打ち音を抑制することができる。

次に、機関負荷等に基づいて設定される駆動モータ５９の目標回転速度と機関回転数との関係が設定禁止領域Ｃ内にあるときに、目標回転速度を低下させるか上昇させるかの判断基準について説明する。

図７は、機械圧縮比と、機械圧縮比を単位量変更するのに必要なカムシャフトの回転量との関係を示している。図７からわかるように、機械圧縮比が中程度の基準圧縮比εｃ以下である場合には機械圧縮比を単位量変更するのに必要なカムシャフトの回転量は比較的多く、特に、機械圧縮比が低下するほど回転量が多くなる。このため、機械圧縮比が低いときには、燃焼室５での爆発が生じたときにウォームホイール６３が回転しようとする速度が速くなりやすい。このため、これに合わせて、ウォームギア６１、６２の回転速度を速める必要がある。

また、機械圧縮比が低いときには、図４からわかるように機関負荷が高いことを示している。したがって、この場合には、アクセル踏み込み量に対する機関出力の高い応答性や、高い加速性能が求められることになる。したがって、斯かる観点からもウォームギア６１、６２の回転速度を速める必要がある。したがって、本実施形態では、機械圧縮比が基準圧縮比εｃ以下である場合には、駆動モータ５９の目標回転速度を上昇させるようにしている（例えば、図６の地点ｃから地点ｂへ変更する）。

この結果、機械圧縮比は迅速に低下するようになる。図８は、機械圧縮比を低下させるときの、機械圧縮比の変化を示すタイムチャートである。図中のｃは、機関負荷等に基づいて設定された機械圧縮比の目標変化速度（駆動モータ５９の目標回転速度Ｖθｔに相当）によって機械圧縮比が変更された場合の機械圧縮比の推移を示している。一方、図中のｂは、駆動モータ５９の目標回転速度を増大させた場合の機械圧縮比の推移を示している。図８からわかるように、図中にｂで示した場合には、図中にｃで示した場合に比べて機械圧縮比が迅速に最終的な目標圧縮比に到達する。このため、機関出力の高い応答性を得ることができる。加えて、図中にｂで示した場合には、図中にｃで示した場合に比べて機械圧縮比を低下させている間中、機械圧縮比が低い。機械圧縮比が低いほど吸入空気量を増大させることができることから、加速性能を高めることができる。

一方、図７からわかるように、機械圧縮比が基準圧縮比εｃよりも大きい場合には機械圧縮比を単位量変更するのに必要なカムシャフトの回転量は比較的少ない。このため、機械圧縮比が高いときには、燃焼室５での爆発が生じたときにウォームホイール６３が回転しようとする速度は比較的遅い。このため、これに合わせて、ウォームギア６１、６２の回転速度を遅くする必要がある。

また、機械圧縮比が高いときには、図４からわかるように機関負荷が低いことを示している。したがって、この場合には、高い応答性や高い加速性は必要ではなく、したがって燃費性能を高める必要がある。したがって、本実施形態では、機械圧縮比が基準圧縮比εｃよりも大きい場合には、駆動モータ５９の目標回転速度を低下させるようにしている（例えば、図６の地点ｃから地点ａへ変更する）。

この結果、機械圧縮比の低下速度は遅くなる。図８のａは、駆動モータ５９の目標回転速度を低下させた場合の機械圧縮比の推移を示している。図８からわかるように、図中にａで示した場合には、図中にｃで示した場合に比べて、機械圧縮比を低下させている間中、機械圧縮比が高い。一般に、機械圧縮比が高いほど内燃機関における熱効率が高くなるため、このように機械圧縮比が高いものとされることによって燃費性能が上昇する。したがって、図中にａで示した場合には、図中にｃで示した場合に比べて、燃費性能を向上させることができる。

＜フローチャート＞
図９は、本実施形態における駆動モータ５９の回転速度を制御するための制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、圧縮比変更フラグＦが１であるか否かが判定される。圧縮比変更フラグＦは、駆動モータ５９により機械圧縮比を変更している間は１とされ、変更していないときには０とされるフラグである。機械圧縮比の変更が行われていなくて、ステップＳ１１において、圧縮比変更フラグＦが１でないと判定された場合には、ステップＳ１２へと進む。ステップＳ１２では、負荷センサ４１によって検出された機関負荷が変化したか否かが判定される。機関負荷が変化していないと判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１２において機関負荷が変化したと判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、圧縮比変更フラグＦが１に設定され、ステップＳ１４へと進む。

ステップＳ１４では、機関負荷に基づいて、目標機械圧縮比εｔ及び目標機械圧縮比変化速度Ｖεｔが算出される。目標機械圧縮比εｔは、図４からわかるように、機関負荷が高くなるほど大きくなるように算出される。目標機械圧縮比変化速度Ｖεｔは、目標機械圧縮比εｔ、現在の機械圧縮比εｉと目標機械圧縮比εｔとの差分及び機関回転数等に基づいて算出される。次いで、ステップＳ１５では、目標機械圧縮比変化速度Ｖεｔに基づいて、駆動モータ５９の目標回転速度Ｖθｔが算出される。目標回転速度Ｖθｔは、目標機械圧縮比変化速度Ｖεｔが速くなるほど速くなるように算出される。

次いで、ステップＳ１６では、現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔよりも大きいか否かが判定される。ステップＳ１６において、現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔ以下であると判定された場合には、機械圧縮比はこれから増大されることになる。この場合には歯打ち音は発生しないことから、ステップＳ１７〜Ｓ２１がスキップされ、ステップＳ２２において、ステップＳ１５にて算出された目標回転速度Ｖθｔで駆動モータ５９が駆動されることになる。

一方、ステップＳ１６において、現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔよりも大きい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、ステップＳ１５において算出された目標回転速度Ｖθｔと、クランク角センサ４２の出力から算出された機関回転数Ｎｅとに基づいて、図６に示したようなマップを用いて、これらパラメータの組合せが位置する領域が特定される。次いで、ステップＳ１８では、ステップＳ１７において特定された領域が設定禁止領域Ｃであるか否かが判定される。ステップＳ１７において特定された領域が設定禁止領域Ｃでないと判定された場合には、歯打ち音は発生しないことから、ステップＳ１９〜Ｓ２１がスキップされ、ステップＳ２２へと進む。

一方、ステップＳ１８において、ステップＳ１７にて特定された領域が設定禁止領域Ｃであると判定された場合には、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、現在の機械圧縮比εｉが基準圧縮比εｃよりも大きいか否かが判定される。ステップＳ１９において、現在の機械圧縮比εｉが基準圧縮比εｃよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、駆動モータ５９の目標回転速度Ｖθｔが下限回転速度よりも遅い速度となるように、目標回転速度Ｖθｔを上述した所定値αだけ低下させたものが新たな目標回転速度Ｖθｔとされ、ステップＳ２２へと進む。一方、ステップＳ１９において、現在の機械圧縮比εｉが基準圧縮比εｃ以下であると判定された場合には、ステップＳ２１へと進む。ステップＳ２１では、駆動モータ５９の目標回転速度Ｖθｔが上限回転速度よりも速い速度となるように、目標回転速度Ｖθｔを上述した所定値βだけ増大させたものが新たな目標回転速度Ｖθｔとされ、ステップＳ２２へと進む。

ステップＳ２２では、ステップＳ１５、Ｓ２０又はＳ２１の何れかにおいて算出された目標回転速度Ｖθｔで駆動モータ５９が駆動せしめられる。次いで、ステップＳ２３において、現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔにと等しい値になったか否かが判定される。現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔとは異なる値であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２３において、現在の機械圧縮比εｉが目標機械圧縮比εｔに等しい値になった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、圧縮比変更フラグＦが０にリセットされて、制御ルーチンが終了せしめられる。

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
６点火プラグ
１３燃料噴射弁
３０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４３相対距離センサ
５４、５５カムシャフト
５９駆動モータ
６０回転軸
Ａ可変圧縮比機構
Ｂ可変バルブタイミング機構

Claims

シリンダブロックがクランクケースに対して相対移動することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関において、
前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に配置されると共に回転すると前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間の相対位置が変化するように構成された作用軸と、
前記作用軸に連結されたウォームホイールと、
前記ウォームホイールと噛合するウォームギアと、
前記ウォームギアに連結されると共に該ウォームギア及び前記ウォームホイールを介して前記作用軸を駆動するためのアクチュエータとを具備し、
前記アクチュエータは、機械圧縮比が低くなるように前記シリンダブロックを前記クランクケースに対して相対移動させるときには、当該アクチュエータの回転速度が所定の設定禁止領域外の速度となるように駆動され、該設定禁止領域は機関回転数が高くなるほど相対的に高い速度領域となるように設定される、可変圧縮比内燃機関。