JP5169881B2 - 内燃機関の可変圧縮比装置 - Google Patents

Description

本発明は、可動ピストンの位置に応じて機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備えた内燃機関の可変圧縮比装置に関する。

特許文献１に記載されているように、内燃機関の機関圧縮比を可変とする可変圧縮比機構は、一般に、電力や油圧を駆動源とするアクチュエータによって駆動・保持され、低負荷時には熱効率向上のために高圧縮比となり、高負荷時にはノッキング回避のために低圧縮比となるように、アクチュエータの動作が制御される。

特開２００４−１５０３５３号公報

しかしながら、上述したようなアクチュエータには可変圧縮比機構側から燃焼圧や慣性力等に起因する入力荷重が作用するため、この入力荷重に抗して可変圧縮比機構を駆動・保持する必要があり、駆動エネルギーの消費が避けられず、また、アクチュエータの大型化を招くことなく、圧縮比の応答性と保持性とを両立することが難しい。

ハウジングと、ハウジングのシリンダ内に往復移動可能に配設された可動ピストンと、上記可動ピストンにより仕切られた２つの油室とを有する油圧機構と、上記可動ピストンと機械的に連結され、上記可動ピストンのシリンダ軸方向に沿う移動に伴い機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構と、を有する。制御部により、上記２つの油室の密閉・開放を切り換えることによって、可動ピストンの挙動を制御する。つまり、可動ピストンを所定位置に保持する圧縮比保持時には、移動する可動ピストンが向かう側の油室を密閉することで、この油室内の油圧によって、この密閉された油室側への可動ピストンの移動を抑制することができる。一方、圧縮比変更時には、少なくとも一方の油室を開放することで、この開放された油室側への可動ピストンの移動を可能とする。可動ピストンには、内燃機関の燃焼荷重等に起因する入力荷重や、付勢バネによる付勢荷重等が作用しており、これらの荷重により、圧縮比変更時には、上記開放された油室側へ可動ピストンが移動する。

このような油圧機構を用いることによって、油圧や電力を駆動源とするアクチュエータを敢えて用いることなく、圧縮比保持時には可動ピストンを所定位置に保持するとともに、圧縮比変更時には、可変圧縮比機構側からの入力荷重や適宜な付勢手段による付勢荷重等の可動ピストンに作用する荷重を利用して、可動ピストンを所期の圧縮比の方向に移動させることができる。また、この荷重の設定を適切なものとすることで、特定の圧縮比の変更時、例えば急加速時のように高圧縮比設定状態から低圧縮比側への圧縮比低下時の応答性を向上することができる。従って、アクチュエータによる駆動エネルギーの消費を解消・軽減しつつ、圧縮比の保持性と応答性とを向上することができる。

本発明に係る油抜機構を備えた内燃機関の可変圧縮比装置の一実施例を示す構成図。 リザーバタンクへの油路の接続位置を示す構成図。 上記油抜機構とアクチュエータとを併用した実施例を示す構成図。 上記油抜機構の油路切換制御の流れを示すフローチャート。 油入替運転・非循環モードでの低圧縮比側への作動時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 油入替運転・循環モードでの高圧縮比側への作動時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 油入替運転・循環モードでの低圧縮比側への作動時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 圧縮比変更時・循環モードでの低圧縮比側への作動時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 圧縮比変更時・非循環モードでの低圧縮比側への作動時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 リザーバタンク内の油量回復時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。 リザーバタンク内の油量回復時における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示す構成図。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１を参照して、可変圧縮比機構１０は、複リンク式ピストン−クランク機構を利用し、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させ、内燃機関の機械的な圧縮比つまり公称圧縮比を変化させるものであり、その基本構造は特開２００３−３２２０３６号公報等により公知であるため、ここでは簡単な説明にとどめる。なお、図では簡略的に各リンクのリンク中心線のみを描いている。

可変圧縮比機構１０は、内燃機関のクランクシャフト１１のクランクピン１２に回転可能に取り付けられたロアリンク１３と、このロアリンク１３の一端と内燃機関のピストン（燃焼室ピストン）１４とを連結するアッパリンク１５と、シリンダブロック等の機関本体側に回転可能に支持される制御軸１６と、この制御軸１６の回転中心に対して偏心して設けられた偏心軸部１７と、一端がロアリンク１３に連結され、他端が偏心軸部１７に回転可能に取り付けられた制御リンク１８と、を有している。制御軸１６が回転すると、制御リンク１８を介してロアリンク１３の運動拘束条件が変化し、ピストン１４の上死点位置や下死点位置の変化を伴って、機関圧縮比（公称圧縮比）が変化する。

本実施例において油圧機構に相当する油抜機構２０は、シリンダ２１が形成されたハウジング２２と、シリンダ２１内に往復移動可能に取り付けられた可動ピストン２３と、を有し、この可動ピストン２３によりシリンダ２１内に第１油室２４と第２油室２５とが液密に画成されている。つまり、可動ピストン２３によりシリンダ２１内部が第１油室２４と第２油室２５とに仕切られている。

可動ピストン２３と制御軸１６とはレバー４１及びレバーリンク４２からなるリンク列によって機械的に連結されている。レバー４１は、制御軸１６に固定され、制御軸１６の回転中心を支点として揺動する。レバーリンク４２は、一端がレバー４１の先端に回転可能に連結され、他端がハウジング２２より突出する可動ピストン２３のピストンロッド４３の先端に回転可能に連結されている。可動ピストン２３がシリンダ２１の軸方向に沿って図の右方向つまり高圧縮比側へ移動すると、制御軸１６が反時計回りに回転して、機関圧縮比が高くなり、可動ピストン２３がシリンダ２１の軸方向に沿って図の左方向つまり低圧縮比側へ移動すると、制御軸１６が時計回りに回転して、機関圧縮比が低くなる。

シリンダ２１の第１油室２４内には、可動ピストン２３を高圧縮比側、つまり可変圧縮比機構１０側から可動ピストン２３へ作用する入力荷重（のピーク値）Ｆｉｎの方向と逆方向へ可動ピストン２３を付勢する付勢手段としてのコイルスプリングである付勢バネ４４が設けられている。可動ピストン２３は、最も高圧縮比側へ移動した高圧縮比の状態では、ハウジング２２に設けられたストッパ４５に突き当てられ、その位置が機械的に規制・制限される。ストッパ４５は、図示の例では可動ピストン２３との衝突時の衝撃緩和や耐久性を考慮してゴムや金属等の適宜な材質からなるハウジング２２と別部材により構成しているが、ストッパ４５をハウジング２２に一体的に設け、つまりハウジング２２の壁面をストッパとして用いてもよい。

また、油抜機構２０は、一端が第１油室２４に接続し、この第１油室２４に作動油を供給する第１入油路２６と、一端が第１油室２４に接続し、この第１油室２４から作動油を排出する第１抜油路２７と、一端が第２油室２５に接続し、この、第２油室２５に作動油を供給する第２入油路２８と、一端が第２油室２５に接続し、この第２油室２５から作動油を排出する第２抜油路２９と、第１入油路２６と第２入油路２８の上流側の他端が接続するリザーバタンク３０と、一端が第１抜油路２７と第２抜油路２９の合流部３１に接続するとともに、他端がリザーバタンク３０に接続し、第１，第２抜油路２７，２９側からリザーバタンク３０を介して第１，第２入油路２６，２８側へ作動油を循環させる循環油路３２と、一端がリザーバタンク３０に接続し、リザーバタンク３０へ新規の作動油をこの油抜機構２０の外部より供給する供給油路３３と、一端が第１抜油路２７と第２抜油路２９の合流部３１に接続し、抜油路２７，２９を介して油室２４，２５内の作動油を油抜機構２０の外部へ排出する排出油路３４と、を有している。作動油は、図示せぬ内燃機関のオイルパンからポンプによって供給油路３３を通して油抜機構２０へ供給され、排出油路３４を通して排出されて、最終的にオイルパンへと戻される。第１入油路２６に第１逆止弁Ｇ１，第２入油路２８に第２逆止弁Ｇ２，第１抜油路２７に第３逆止弁Ｇ３，及び第２抜油路２９に第４逆止弁Ｇ４がそれぞれ介装されている。各逆止弁Ｇ１〜Ｇ４には、弁体３９を所期の流れ方向と逆方向へ付勢するリターンスプリング４０が設けられている。

また、油抜機構２０の各油路を開閉する油路切換手段として、供給油路３３に第１切換弁Ｋ１，第１抜油路２７における逆止弁Ｇ３の下流側に第２切換弁Ｋ２，第２抜油路２９における逆止弁Ｇ４の下流側に第３切換弁Ｋ３，循環油路３２に第４切換弁Ｋ４，排出油路３４に第５切換弁Ｋ５が設けられている。これらの切換弁Ｋ１〜Ｋ５は、制御部５０からの制御信号により油路を開閉する制御弁である。なお、切換弁の構成は上記のものに限られず、例えば周知の４ポート２位置切換弁や４ポート３位置切換弁を用いて上記の第２切換弁Ｋ２と第３切換弁Ｋ３とを一体化してもよい。

例えば、低負荷運転時などでは、高圧縮比の設定要求がなされ、この場合、第１抜油路２７の第２切換弁Ｋ２を閉とし、第２抜油路２９の切換弁Ｋ３を開とする。これによって、第１油室２４が密閉され、この第１油室２４内の作動油が排出されることがなく、一方、第２油室２５が開放され、第２抜油路２９を通して第２油室２５内の作動油が排出されるため、可動ピストン２３は密閉された第１油室２５側つまり低圧縮比側（図の左側）への移動が抑制・防止され、開放された第２油室２５側つまり高圧縮比側（図１の右側）への移動のみが許容される形となり、主として付勢バネ４４による高圧縮比側への付勢荷重Ｆｓｐｒによって、最終的にはストッパ４５に突き当てられた高圧縮比状態となる。

一方、高負荷・全開運転時などでは、低圧縮比の設定要求がなされ、この場合、第１抜油路２７の第２切換弁Ｋ２を開とし、第２抜油路２９の第３切換弁Ｋ３を閉とする。これによって、第２油室２５が密閉され、この第２油室２５の作動油が排出されることがなく、一方、第１油室２４が開放され、第１抜油路２７を通して第１油室２４内の作動油のみが排出されるため、可動ピストン２３は高圧縮比側への移動が抑制・防止され、実質的に低圧縮比側（図１の左側）への移動のみが可能となる。このため、主とし燃焼圧に起因して可変圧縮比機構１０側から可動ピストン２３へ作用する低圧縮比側への入力荷重Ｆｉｎによって、可動ピストン２３が低圧縮比側へ移動する。入力荷重Ｆｉｎは負荷の上昇とともに大きくなるために、高圧縮比の設定を用いる状態からの加速時には、負荷の増加に伴って可動ピストン２３を低圧縮比側へ速やかに移動させることができる。

また、抜油路２７，２９の切換弁Ｋ２，Ｋ３の双方を閉とすることで、第１油室２４及び第２油室２５のいずれからも作動油が排出されず、可動ピストン２３を所定の中間位置に保持し、機関圧縮比を適宜な中間の中圧縮比に保持することができる。

このように、油抜機構２０は、一般的なアクチュエータのように油圧や電力によりピストンを動かすものではなく、入力荷重Ｆｉｎや付勢バネ４４の付勢荷重Ｆｓｐｒのように可動ピストン２３へ作用する荷重を利用して移動し、切換弁Ｋ２，Ｋ３により抜油路２７，２９の開閉を切り換えることによって、油室を密閉状態として可動ピストン２３の移動を抑制・防止したり、油室を開放状態として可動ピストン２３の移動を許容するものである。つまり、圧縮比保持時には、少なくとも一方の油室を密閉することで、この密閉された油室側への可動ピストン２３の移動を抑制し、圧縮比変更時には、少なくとも一方の油室を開放することで、この開放された油室側への可動ピストン２３の移動を許容するものである。従って、入油路２６，２８を介して油室２４，２５へ供給される作動油は、加圧されている必要はなく、大気圧程度のものであっても良い。

このような油抜機構２０を用いることによって、油圧や電力を駆動源とするアクチュエータを敢えて用いることなく、圧縮比保持時には可動ピストン２３を所定位置に保持するとともに、圧縮比変更時には、可動ピストンに作用する入力荷重Ｆｉｎや付勢荷重Ｆｓｐｒを利用して、可動ピストン２３を所期の圧縮比の方向に移動させることができる。特に、これらの荷重Ｆｉｎ，Ｆｓｐｒの設定を適切なものとすることで、高圧縮比の設定状態に保持する状態では、高圧縮比側への荷重（Ｆｓｐｒ）を低圧縮比側への荷重（Ｆｉｎ）よりも大きくして、圧縮比保持性を高め、かつ、例えば急加速時のように高圧縮比設定状態から低圧縮比側への変更時には、負荷の増加に応じて低圧縮比側への荷重（Ｆｉｎ）を高圧縮比側への荷重（Ｆｓｐｒ）よりも上回らせることで、低圧縮比側への応答性を向上することができる。

図２は、リザーバタンク３０と、このリザーバタンク３０に接続する油路との位置関係を示している。同図に示すように、空気混入が多い新規の作動油の供給油路３３は、リザーバタンク３０の最上部に接続させ、つまり作動油が供給油路３３からリザーバタンク３０へ鉛直上方より下方へ向けて流入・滴下する構成とする。一方、油室への入油路２６，２８は、空気が混入することのないように、リザーバタンク３０の最下方に接続させる。同様に、循環油路３２も、空気が混入することのないように、リザーバタンク３０の下方に接続させる。

図３は、上記の油抜機構２０とは別に、可動ピストン２３をシリンダ軸方向に駆動するアクチュエータ６０が、油抜機構２０と直列に設けられている。このアクチュエータ６０は、電動モータ６１を備えた電動式のものであり、かつ、モータ６１の出力軸６１Ａの回転動力を減速しつつ直線動力に変換してハウジング２２に伝達するボールネジを利用した減速機構を有し、可動ピストン２３を含めたハウジング２２全体をシリンダ軸方向に駆動することで、可動ピストン２３を低圧縮比側又は高圧縮比側へ駆動する。モータ６１の動作は上記の制御部５０により制御される。上記減速機構は、一端がハウジング２２に固定されたボールネジシャフト６２と、モータ６１の出力軸６１Ａに取り付けられた第１減速ギヤ６３と、この第１減速ギヤ６３にかみ合う第２減速ギヤ６４と、この第２減速ギヤ６４が取り付けられ、ボールネジシャフト６２とかみ合うボールネジナット６５と、を有している。

例えば、急加速による過渡的なノッキング回避時のように、低圧縮比側への高い応答速度が要求され、かつ、その圧縮比可変幅が大きい場合には、油抜機構２０とアクチュエータ６０とを併用して低圧縮比化を行い、緩加速時等のように、高い応答性が要求されず、その圧縮比可変幅が比較的小さい場合には、上記のアクチュエータ６０又は油抜機構２０の一方により可動ピストン２３の低圧縮比化を行う。このように、油抜機構２０とアクチュエータ６０とを併用することで、機関圧縮比の更なる応答性及び保持性の向上を図ることができる。また、油抜機構２０とアクチュエータ６０を直列に配列することで、油抜機構２０の可動ピストン２３のストロークを低減させ、油抜機構２０の小型化を図ることができる。

図４は、切換弁Ｋ１〜Ｋ５による油抜機構２０の油路切換制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、機関負荷や機関回転数などに基づいて、目標圧縮比（ε）の変更要求が有るか、つまり目標圧縮比が変化し、可動ピストン２３を低圧縮比側又は高圧縮比側へ移動する圧縮比変更時であるか、あるいは目標圧縮比が変化せず、可動ピストン２３を所定位置に保持する圧縮比保持時であるかを判定する。例えばアクセルペダルの踏込み操作による加速時には低圧縮比側への変更要求がなされ、減速時には高圧縮比側への変更要求がなされる。

圧縮比変更要求がない場合、つまり目標圧縮比が変化しない圧縮比保持時には、ステップＳ１２へ進み、油室２４，２５内の油温（以下、油室内油温とも呼ぶ）が所定の低温側判定値Ｔｌ以下であるかを判定する。油温が低温側判定値Ｔｌ以下の場合には、ステップＳ１３において、油室内の暖機のため、内燃機関の運転条件が圧縮比を保持する条件であっても、油室内の作動油を強制的に入れ替える油入替運転が行われる。この油入替運転では、後述するように、切換弁Ｋ１〜Ｋ５を適宜に開閉制御することによって、可動ピストン２３を高圧縮比側と低圧縮比側に往復移動させ、これに伴い油室２４，２５内の作動油の入れ替えを行う。

ステップＳ１４では、油室内油温が所定の高温側判定値Ｔｈ１（＞Ｔｌ）以上であるかを判定する。ステップＳ１５では、油抜機構の可動ピストン２３の位置変動量が所定の変動判定量Δｘ以上であるかを判定する。油室内油温が高温側判定値Ｔｈ１（＞Ｔｌ）以上であるか、可動ピストン２３の位置変動量が所定の変動判定量Δｘ以上である場合、ステップＳ１６へ進み、内燃機関の運転条件が圧縮比を保持する条件であっても、油入替運転を行う。ここでの油入替運転では、後述するように、油室内の高温油を排出し、新規の低温油を油室内へ供給する非循環モードにより行われる。

目標圧縮比の変更要求がある圧縮比変更時には、ステップＳ１１からステップＳ１７へ進み、油室内油温が所定の第２高温側判定値Ｔｈ２以上であるかを判定する。第２高温側判定値Ｔｈ２以上であればステップＳ１８Ａへ進み、非循環モードにより可動ピストン２３を作動させる。一方、第２高温側判定値Ｔｈ２未満であれば、ステップＳ１８Ｂへ進んで、循環モードにより可動ピストン２３を作動させる。後述するように、循環モードでは、油室内の油を第１油室２４と第２油室２５との間で循環させ、非循環モードでは、油室内の油を排出油路３４を通して外部へ排出するとともに、新規の油を供給油路３３を通して供給する。

ステップＳ１９では、リザーバタンク３０内の油量が所定の判定油量Ｖ以下に減少したかを判定する。あるいは、油抜機構２０の可変頻度が所定回数Ｎ（回／ｓ）以上であるかを判定することによって、リザーバタンク３０内の油量が判定油量Ｖ以下に減少したかを推定しても良い。リザーバタンク３０内の油量が判定油量Ｖ以下、あるいは油抜機構の可変頻度が所定回数Ｎ（回／ｓ）以上と判定された場合、ステップＳ２０へ進む。

このステップＳ２０において、例えば圧縮比変更要求に応じて可動ピストン２３を作動させる場合には、後述する循環モードによって、油室内の油を排出油路３４を介して油抜機構２０の外部へ排出させることなく、循環油路３２を通して第１油室２４と第２油室２５との間で油を循環させる（Ｓ２０Ａ）。あるいは、油抜機構を低圧縮比側の位置に保持し、リザーバタンク内の油量が回復するまで、油入替運転の実行を禁止する。あるいは、油抜機構と電動アクチュエータとを併用する構成においては、図１１に示すように油抜機構２０を高圧縮比側に保持し、電動アクチュエータ６０を低圧縮比側に保持する。

次に、図示実施例を参照して、本発明の特徴的な構成について列記する。但し、本発明は図示実施例の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。

［１］上述したように、高圧縮比状態での保持性と低圧縮比側への応答性とを向上する手段として油抜機構２０を用いた場合、目標圧縮比が変化しない圧縮比保持状態では、基本的に、抜油路２６，２８の切換弁Ｋ２，Ｋ３を閉とし、油室２４，２５が密閉・閉鎖された状態に保持される。このため、油室内に混入した空気が燃焼荷重や慣性荷重を受けて繰り返し圧縮されて、油室内の油に伝熱し、油温度が上昇し、油粘度が低下する。このようにして油温度が過度に上昇すると、目標圧縮比が変化しない圧縮比保持時においても、可動ピストン２３の位置が変動して実圧縮比が変動し、これによるエネルギー損失を生じ、燃費が悪化するという問題がある。また、油室内の油温度がさらに上昇していくと、油が劣化し、油抜機構の固着や応答性の低下によるノッキングの発生を招くという問題がある。空気混入回避対策として、図１等に示すように、油室２４，２５へ作動油を供給する入油路２６，２８の上流にリザーバタンク３０を配置し、このリザーバタンク３０内で一定時間以上放置することにより暖められた油を油室に供給する方法などがある。しかしながら、このような空気混入回避対策を行った場合でも、油室内の作動油への数％程度の空気混入は避けられず、密閉された油室内の油の圧縮による温度上昇対策を取る必要がある。油温度管理方法として、例えば冷却水により強制的に油抜機構を冷却する方法もあるが、冷却水配管の取り回しによる搭載位置の制約や大型化の問題がある。

そこで、圧縮比保持時、つまり加速時や減速時のように機関運転状態に応じた目標圧縮比の変更要求がなされていない運転状況において、油抜機構２０の圧縮比保持状態での可動ピストン２３の位置変動に影響するパラメータに応じて、油抜機構２０の油室２４，２５内の作動油を強制的に入れ替える油入替運転を行う。上記パラメータは、典型的には、油室内の油温、油室内の油の空気（エア）混入率、あるいはリザーバタンク３０内の油量である。

油抜機構の油室内温度を適正な範囲（Ｔｌ〜Ｔｈ）内に制御することによって、油温の過度な上昇を抑制し、圧縮比保持時における可動ピストン２３のがたつきによる圧縮比変動を抑制し、これに起因する燃費悪化を抑制することができる。また、冷機始動時のように油室内油温が過度に低い場合には、油入替運転により油抜機構の油室内油温を速やかに上昇させることで、油温低下に伴う油粘性の増大による低圧縮比化の応答性の低下を抑制し、急加速時などにおけるノッキングの発生を抑制することができる。

油室内の油の空気混入率が過大となると、例えば可動ピストン２３を高圧縮比側のストッパ４５に突き当てた最高圧縮比の保持状態で、ピストン位置の変動つまりがたつきが増大し、ストッパ４５への衝突による着座音つまり異音の発生が繰り返されるおそれがある。そこで、圧縮比保持時に、油抜機構の可動ピストン２３の位置変動量が所定の変動判定量Δｘ以上であると判定された場合には（図４のＳ１１，Ｓ１５参照）、空気混入率が増大したと判断し、油室内の油を入れ替える油入替運転を行うことで（図４のＳ１６参照）、空気混入率の増加を抑制・防止することができる。

［２−１］低油温時には油粘度が低下するため、油抜機構作動時（可動ピストン２３の移動時）の油排出流速が低下し、圧縮比可変速度つまり応答性が低下し、急加速時に圧縮比可変速度が不十分となるとノッキングが発生する。これを回避するために、ノッキングしない圧縮比まで予め圧縮比の設定を低下したり、吸入空気量を制限すると、機関の出力トルクが低下して加速性能が低下する。

そこで、図４のステップＳ１２において、油抜機構の油室内油温が所定の低温側判定値Ｔｌ以下と判定されると、ステップＳ１３において、油入替運転を行う。図５及び図６は、非循環モードでの油入替運転における切換弁・逆止弁の開閉状況や油の流れの一例を示している。油入替運転においては、図５に示すように、先ず一方の抜油路２７の切換弁Ｋ２を開，他方の抜油路２９の切換弁Ｋ３を閉として可動ピストン２３を低圧縮比化方向（図の左方向）へ移動させた後、図６に示すように、一方の抜油路２７の切換弁Ｋ２を閉，他方の抜油路２９の切換弁Ｋ３を開として可動ピストン２３を高圧縮比化方向（図の右方向）へ移動させる。このように可動ピストン２３をシリンダ２１内で一回以上往復させることで、２つの油室２４，２５内の作動油を強制的に入れ替えることができる。

冷機時など、油室内油温が低い状況では、圧縮比変更要求が無くても、上記の油入替運転を行い、燃焼熱などにより加熱された高温の油を油室内に供給・循環させて、油室内を暖機することにより、油室内温度の昇温を促進し、これによって油温低下による圧縮比の応答性の低下を抑制・防止し、急加速時等におけるノッキングの発生を抑制することができる。

より具体的には、油抜機構の可動ピストン２３がストッパ４５により高圧縮比位置に保持されている高圧縮比保持状態で、油入替運転を行う場合、図５に示すように、可動ピストン２３を低圧縮比化方向に１度作動させる。可動ピストン２３の低圧縮比方向への移動に伴って、第１油室２４内の容積が低下して低温の油が排出されるとともに、第２油室２５は膨張して高温の油が供給される。この状態では第１油室２４には低温の油が残留しているため、次に図６に示すように可動ピストン２３を高圧縮比化方向へ移動させる。この可動ピストンの高圧縮比側への移動に伴い、第１油室２４の内部にも高温の油が供給され、第２油室２５からは一度供給された高温の油が再度排出される。このように可動ピストン２３をシリンダ２１内で一往復させ、つまり機関圧縮比を上下に一往復させることによって、両油室２４，２５ともに低温の油を排出し高温の油に交換できるため、次回の圧縮比の変更に伴い油抜機構を作動するときには、低温・低粘度の油の影響を受けることなく高速で圧縮比を変化させることができる。従って、急加速時のように高圧縮比設定状態から低圧縮比側への切換過渡期にも、その応答性を十分に確保して、ノッキングの発生を抑制・回避することができる。

油室内油温の判定は、例えば第１，第２油室２４，２５やリザーバタンク３０の内部又はその壁面の温度や、供給油路，排出油路あるいは循環油路のいずれかの温度を検出し、これを用いて行うことができる。ここで、低圧縮比化応答性に最も影響するのは、低圧縮比化時に第１油室２４から油が排出される第１抜油路２７上の、最も流路が絞られる逆止弁Ｇ３や切換弁Ｋ２の近傍や、リザーバタンク３０から第２油室２５へ油を供給する第２入油路２８上の、最も流路が絞られる逆止弁Ｇ２近傍であり、これらの部分の油温を低下させて、その粘性抵抗を低減することが有効である。従って、第１油室２４の油温とリザーバタンク３０内の油温と、を検出・管理し、これらの油温を所定の判定値以上に保持することで、低圧縮比側への変更時における高い応答性を安定して得ることができる。

圧縮比変更時や油入替運転時のような可動ピストン２３の作動時における油抜機構２０の作動油の流れ方式として、非循環モード（Ｓ１３Ａ，Ｓ１６）と、循環モード（Ｓ１３Ｂ，Ｓ１８Ｂ，Ｓ２０Ａ）とがあり、制御部５０により機関運転状態に応じてこれらのモードが切り換えられる。

例えば、油室内油温の低下により油入替運転を行う場合（Ｓ１３）において、暖機後の運転状態のように外部から供給される油の温度が比較的高い場合には、非循環モード（Ｓ１３Ａ）とされる。この非循環モードでは、図５及び図６に示すように、循環油路３２の切換弁Ｋ４を閉、供給油路３３，排出油路３４の切換弁Ｋ１，Ｋ５を開とする。これによって、油室内の低温の油を排出油路３４を通して機構の外部へ排出し、新規の高温の油を供給油路３３より油室内へ供給し、油室内油温を速やかに上昇させることができる。

［２−２］一方、冷機始動直後のように、外部から供給される油の温度やリザーバタンク３０内の油の温度が低い状況では、上述したような非循環モードにより新規の油を油室内に供給しても、油室内の暖機が促進されず、応答性が十分に改善されない場合がある。そこで、このような場合には、図４のステップＳ１３Ｂ及び図７に示すように、循環モードとする。つまり、循環油路の切換弁Ｋ４を開，排出油路の切換弁Ｋ５を閉として、循環油路３２を介して第１油室２４と第２油室２５との間で油を循環・還流させる。加えて、循環油路３２（又はリザーバタンク３０）に、燃焼熱により加熱した冷却水が通流する冷却水通路等の熱交換部５１を近接配置させて、燃焼熱を利用して油抜機構内を循環する油を昇温することによって、油室内の昇温を更に促進し、応答性を改善することができる。

［２−３］目標圧縮比が一定で可動ピストン２３の位置が変化しない圧縮比保持状態で、油抜機構の油室内温度が過度に上昇した場合には、油粘度の低下によりピストン位置変動が増大し、燃費悪化等の不具合を招いてしまう。油温度の過度な上昇による不具合としては、低粘度化した油が閉鎖された油室から漏れることよる油漏れ損失の増大，油漏れによって油室容積が変化して圧縮比保持時においても可動ピストン２３の位置が変動することによる油抜機構のフリクション増大，燃焼行程のピストン位置変動による冷却損失・時間損失の増大，吸気・排気行程時のピストン位置変動によるポンプ損失増大によるエンジン熱効率悪化，圧縮比保持精度の低下に伴う熱効率低下，最高圧縮比時のピストン位置変動を許容するために吸・排気弁との干渉回避用のピストン冠面のリセス深さの増大化による冷却損失増大、などが挙げられる。これらの不具合を抑制・最小化するために、油室内油温を適切な範囲に制御して、過度な油温の上昇を抑制する必要がある。また、過度に油温が上昇することによる油の劣化を回避するためにも油温度を管理する必要がある。

そこで、図４のステップＳ１１，Ｓ１４，Ｓ１６及び図５に示すように、圧縮比保持状態で、油室内油温が所定の高温側判定値Ｔｈ１以上となる場合、非循環モードでの油入替運転を行い、具体的には図５に示すように、循環油路３２の切換弁Ｋ４を閉，供給油路３３や排出油路３４の切換弁Ｋ１，Ｋ５を開として、油室内の高温の油を排出油路３４を通して排出するとともに、低温の油を供給油路３３を通して油室内に供給して、油室内油温を速やかに低下させる。これによって、油室内油温の過度な上昇に伴う油粘度の低下を抑制し、ピストン位置変動が増大することによる燃費悪化を抑制することができる。

ただし、油温上昇が小さく油抜機構作動による消費エネルギーの方が高油温状態での圧縮比保持時のエネルギー損失よりも大きい場合には、油が劣化しない所定油温以内において、高油温のまま油抜機構の圧縮比を保持するほうが良い場合もある。そのため、上述した油入替運転の判定に用いられる高温側判定値Ｔｈ１は、圧縮比保持中であっても油入替運転を行った方が燃費悪化を抑制でき、かつ油劣化を招くことのないように、これらを考慮して設定される。

［３］油室内油温が上昇すると、油粘度の低下により圧縮比保持状態での可動ピストン２３の変動量が大きくなるために、この可動ピストン２３の位置変動量を検出することによって、油室内の油温の過度な上昇を推定することもできる。また、油温が高温側判定値Ｔｈ１より低い場合であっても、油室内の油の空気混入率が増大することによって、油抜機構のピストン位置変動量が増大することがある。

そこで、図４のステップＳ１１，Ｓ１５，Ｓ１６に示すように、上記圧縮比保持状態で、油抜機構の可動ピストン２３の位置変動量が所定の変動判定量Δｘ以上に増大した場合に、上記油入替運転を行うことによって、高温，高空気混入率の油を油室から排出しつつ、低温，低空気混入率の油を油室に供給することで、圧縮比保持時における可動ピストン２３の位置変動による圧縮比の変動を抑制し、これに起因する燃費悪化を抑制することができる。なお、可動ピストン２３の位置変動量は、例えば制御軸１６の角度を検出する制御軸センサを用いて検出することができる。

［４］加速時や減速時のように、目標圧縮比の変化に伴う機関圧縮比の変更要求がある圧縮比変更時には、可動ピストン２３を低圧縮比側又は高圧縮比側へ移動させるために、上述したように、抜油路２７，２９の切換弁Ｋ２，Ｋ３の一方を開，他方を閉として、一方の油室から油を排出し、他方の油室へ油を供給する。このような圧縮比変更要求による可動ピストン２３の移動時においても、上記の油入替運転時と同様、循環モードと非循環モードとを油温度やピストン位置変動量などに応じて使い分けることによって、油室内の油の温度や空気混入率を適切な範囲に保持し、燃費・トルク性能の低下を抑制することができる。

循環モードでは、図８に示すように、循環油路３２の切換弁Ｋ４を開，排出油路の切換弁Ｋ５を閉として、油を油抜機構の外部へ排出させることなく、循環油路３２を介して油室２４，２５間で同じ油を循環させる。従って、油室内の油の温度や空気混入率が適正な範囲内にある場合には、循環モードにより可動ピストン２３を作動させることによって、油の供給・排出によるポンプ損失を抑制することができる。一方、非循環モードでは、図９に示すように、循環油路３２の切換弁Ｋ４を閉，供給油路３３，排出油路３４の切換弁Ｋ１，Ｋ５を開として、排出油路３４を介して油室内の油を油抜機構の外部へ排出するとともに新規の油を外部より給油する。従って、油室内の油の温度や空気混入率が適正な範囲から外れているような場合には、この非循環モードにより可動ピストン２３を作動させることによって、油室内の油を適正な温度の油と入れ替えることができる。

具体的には、図４のステップＳ１１，Ｓ１７，Ｓ１８Ａ，Ｓ１８Ｂを参照して、圧縮比変更要求に応じて可動ピストンを低圧縮比側又は高圧縮比側へ移動する圧縮比変更時に、ステップＳ１７において、油抜機構の油室内の油の温度や空気混入率が適正な範囲から外れているかを判定する。例えば、油室内油温が所定の第２高温側判定値Ｔｈ２以上であるかを判定する。この第２高温側判定値Ｔｈ２は、上記の高温側判定値Ｔｈ１と同様、適正な油温の上限に相当するものである。油抜機構の油室内の油の温度や空気混入率が適正範囲にある場合には、ステップＳ１８Ａに進み、循環モードにより可動ピストン２３を作動させることで、油抜機構の油室内の油の温度や空気混入率を適正範囲に維持しつつ、油の供給・排出に伴う損失の増加を防止することができる。一方、油抜機構の油室内の油の温度や空気混入率が適正範囲から外れている場合には、ステップＳ１８Ｂへ進み、非循環モードにより可動ピストン２３を作動させて、油室内の油を外部からの油と積極的に入れ替えることによって、圧縮比変更時の可動ピストン２３の移動を利用して、油抜機構の油室内の油の温度や空気混入率を所期の適正範囲に速やかに復帰させること可能となる。

［５］油抜機構の油室へ油を供給する入油路の上流側に、油から空気を抜くためのリザーバタンク３０を備える構成では、リザーバタンク３０の容量が低下している場合、不用意に可動ピストン２３を作動させると、空気が油室に混入し、油室内の油の空気混入率を増加させる恐れがある。そこで、リザーバタンク３０内の油量が所定の判定油量Ｖ以下となる場合、以下の［５−１，２，３］のような制御を行い、リザーバタンク３０内の油量を速やかに回復させる。

［５−１］圧縮比の変更要求がある圧縮比変更時には、図４のステップＳ２０Ａに示すように、上記の循環モードによりピストンを作動させる。これによって、リザーバタンク内の油の消費を抑え、リザーバタンク３０内の油量を速やかに回復させることができる。

［５−２］図１０に示すように、油抜機構を低圧縮比側に保持した状態で、供給油路の切換弁Ｋ１のみを開とし、他の切換弁Ｋ２〜Ｋ５を閉として、可動ピストン２３を動かないようにすることで、リザーバタンク内の油量を速やかに回復することができる。また、低圧縮比状態に保持しておくことで、急加速時にも圧縮比の低下遅れによるノッキングの発生を招くことがない。

［５−３］図２にも示すような油抜機構２０と併用して電動アクチュエータ６０を用いる構成の場合には、図１１に示すように、油抜機構２０によって可動ピストン２３を高圧縮比側（図の右側）に保持し、かつ、アクチュエータ６０により可動ピストン２３を含むハウジング２２を低圧縮比側（図の左側）に保持した状態、つまり最終的な圧縮比を中間圧縮比に保持した状態で、供給油路の切換弁Ｋ１のみを開とし、他の切換弁Ｋ２〜Ｋ５を閉として、可動ピストン２３を動かないようにする。これによって、リザーバタンク内の油量を速やかに回復することができ、かつ、急加速時に圧縮比を低下させる場合には、第１抜油路及び排出油路の切換弁Ｋ２，Ｋ５を開として、第１油室２４を開放することで、可動ピストン２３をシリンダ２１内で速やかに低圧縮比側へ移動させることができ、ノッキングの発生を抑制することができる。

［６］油抜機構の圧縮比可変頻度が所定以上の場合には、リザーバタンク内の油量が低下していると推定して、上記［５−１，２，３］と同様の制御を行うようにしても良い。

［７］油抜機構の油室内油温の制御方法として、リザーバタンク内の油温に基づいて制御を行うようにしても良い。つまり、リザーバタンク内油温が所定温度Ｔ１以下のとき、循環モードとして、油室からの排出油をリザーバタンク内に戻し、リザーバタンク内油温が所定温度Ｔ２以上のとき、非循環モードとして、油を油抜機構の外部からリザーバタンクへ供給するとともに、油室からの排出油をリザーバタンク内に戻すことなく外部へ排出するように構成しても良い。

１０…可変圧縮比機構
２０…油抜機構
２１…シリンダ
２２…ハウジング
２３…可動ピストン
２４…第１油室
２５…第２油室
２６…第１入油路
２７…第１抜油路
２８…第２入油路
２９…第２抜油路
３０…リザーバタンク
３２…循環油路
３３…供給油路
３４…排出油路
５０…制御部
Ｋ１〜Ｋ４…切換弁（油路切換手段）

Claims (8)

1. ハウジングと、ハウジングのシリンダ内に往復移動可能に配設された可動ピストンと、上記可動ピストンにより仕切られた２つの油室とを有する油圧機構と、
   上記可動ピストンと機械的に連結され、上記可動ピストンのシリンダ軸方向に沿う移動に伴い機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構と、
   上記２つの油室の密閉・開放を切り換える制御部と、を有し、
   上記制御部は、圧縮比保持時には、少なくとも一方の油室を密閉することで、この密閉された油室側への可動ピストンの移動を抑制し、圧縮比変更時には、移動する可動ピストンが向かう側の油室を開放することで、この開放された油室側への可動ピストンの移動を可能とし、
   かつ、上記制御部は、上記内燃機関の運転条件が圧縮比を保持する条件であっても、上記可動ピストンを往復移動させることにより上記油室内の油を入れ替える油入替運転を行うことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
2. 上記制御部は、上記内燃機関の運転条件が圧縮比を保持する条件であっても、上記油室内の油温が所定の低温判定値以下、あるいは所定の高温判定値以上の場合に、上記油入替運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
3. 上記制御部は、上記内燃機関の運転条件が圧縮比を保持する条件であっても時に、上記ピストンの実際の位置変動量が所定の変動判定量以上となる場合に、上記油入替運転を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
4. 上記制御部は、上記油入替運転時には、２つの油室のうちの一方の油室を開放し、上記可動ピストンを開放された一方の油室側へ移動させた後、他方の油室を開放し、上記可動ピストンを開放された他方の油室側へ移動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
5. 上記制御部は、上記可動ピストンの作動時に、上記２つの油室間で油を循環させる循環モードと、上記油室内の油を油圧機構の外部へ排出させるとともに外部より油室へ油を供給する非循環モードと、を切り換えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
6. 上記油圧機構は、
   上記２つの油室の一方の第１油室に作動油を供給する第１入油路と、
   上記第１入油路の作動油の上記供給方向への流れと反対向きの流れを抑える第１逆止弁と、
   上記第１油室から作動油を排出する第１抜油路と、
   上記２つの油室の他方の第２油室に作動油を供給する第２入油路と、
   上記第２入油路の作動油の上記供給方向への流れと反対向きの流れを抑える第２逆止弁と、
   上記第２油室から作動油を排出する第２抜油路と、
   上記第１抜油路及び第２抜油路を開閉する油路切換手段と、を有し、
   上記制御部は、上記可動ピストンを第２油室側へ移動させるときには、上記第１抜油路を閉，第２抜油路を開とし、上記可動ピストンを第１油室側へ移動させるときには、上記第１抜油路を開，第２抜油路を閉とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
7. 上記油圧機構が、上記第１入油路及び第２入油路の上流側に、油室へ供給する油への空気の混入を低減するリザーバタンクを有することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
8. 上記油圧機構は、
   上記油圧機構の外部よりリザーバタンクへ油を供給する供給油路と、
   上記第１，第２抜油路から分岐して、上記リザーバタンクと第１，第２抜油路とを接続する循環油路と、
   上記第１，第２抜油路から分岐して、第１，第２油室内の油を油圧機構の外部へ排出する排出油路と、を有し、
   上記油路切換手段が、上記第１，第２抜油路と上記循環油路及び排出油路との連通を切換え可能なものであり、
   上記制御部は、上記第１，第２油室間で油を循環させる循環モードでは、上記循環油路を開，上記排出油路を閉とし、非循環モードでは、上記循環油路を閉，上記排出油路を開とすることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。

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