JP5720857B2 - 可変圧縮比内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮比機構を備える可変圧縮比内燃機関の制御に関する。

制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構では、制御軸を駆動するアクチュエータに対し、燃焼荷重や慣性荷重等の大きな荷重が繰り返し作用する。そこで、特許文献１では、アクチュエータと制御軸との間に減速機を介装して、アクチュエータによる制御軸の保持トルクを軽減し、機関圧縮比を一定に保つ圧縮比保持時のアクチュエータの消費エネルギーを低減する技術が記載されている。

特許第４５３３８５６号公報

市街地走行などの一般走行パターンでは、機関圧縮比を変化させる場合に比して、機関圧縮比を一定に保持する圧縮比保持での運転状態が多くなる傾向にある。このように圧縮比保持での運転状態が多くなると、減速機の入力軸が回転しないまま停止している状態が長くなり、この結果、十分な潤滑が行われずに局所的な摩耗を招くおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧縮比保持状態で減速機の入力軸が回転しないまま停止している状態が長くなる場合でも、これに起因する潤滑不足を低減・解消することを目的としている。

本発明に係る可変圧縮比内燃機関は、制御軸の回転位置に応じて内燃機関の機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、上記制御軸を駆動するアクチュエータと、上記アクチュエータと制御軸との間に介装され、上記アクチュエータの回転動力を減速して制御軸へ伝達する減速機と、上記減速機を収容する減速機収容ケースと、を備えている。

上記アクチュエータ側に接続する減速機の入力軸は、その軸中心線が水平方向に沿うように配置されるとともに、少なくとも一部が減速機収容ケース内に貯留する潤滑油に浸かるように設定されている。そして、機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、上記減速機の入力軸を、所定の揺動角度で揺動させる。

上記揺動角度は、好ましくは、減速機の入力軸が全周にわたってケース内の潤滑油に浸かる角度以上で、かつ、制御軸の揺動角度が、機関圧縮比が実質的に変更しない程度に設定される。

本発明によれば、機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときには、減速機の入力軸を所定の揺動角度で揺動させることで、減速機の入力軸が、その一部が潤滑油に浸かった状態で揺動し、この入力軸の揺動動作に伴って、ケース内の潤滑油に浸かっていない入力軸の外周面にも潤滑油が供給される形となり、減速機の入力軸の潤滑性能を向上することができる。減速機の入力軸の全てを潤滑油に浸からせる必要がないために、ケース内に貯留される潤滑油の油量を抑制することができ、例えばケース内に潤滑油を供給するオイルポンプ容量の低減化を図ることができる。

更に、減速機の減速比が十分に大きく設定されていれば、減速機の入力軸を所定の揺動角度で揺動させたとしても、制御軸側に接続される減速機の出力軸の回転角度は十分に小さなものとなり、機関圧縮比が不用意に変動することはない。

本発明の一実施例に係る可変圧縮比内燃機関の制御装置を簡略的に示す構成図。 上記実施例の減速機の軸受部分の近傍を示す断面図。 上記実施例の減速機を示す分解斜視図（ａ）及び断面対応図（ｂ）。 上記実施例の減速機の入力軸の一部がケース内の潤滑油に浸かっている状態を示す説明図。 上記実施例の制御の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照して、内燃機関のシリンダブロック１１の上方にはシリンダヘッド１２が固定され、シリンダブロック１１の下方には、オイルパンの上部を構成するオイルパンアッパ１３が固定され、オイルパンアッパ１３の下方には、オイルパンの下部を構成するオイルパンロア（図示省略）が固定される。シリンダブロック１１には、ピストン１４が各シリンダ１１Ａ内に摺動可能に嵌合しており、このピストン１４とクランクシャフト１５のクランクピン１６とが、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構２０により連結されている。なお、図１では、明りょう化のために、可変圧縮比機構２０を構成する各リンク部品のリンク中心線のみを模式的に描いている。

可変圧縮比機構２０は、クランクシャフト１５のクランクピン１６に回転可能に取り付けられるロアーリンク２１と、このロアーリンク２１とピストン１４とを連結するアッパーリンク２２と、シリンダブロック１１やオイルパンアッパ１３等の機関本体側に回転可能に支持される制御軸２４と、この制御軸２４に偏心して設けられた制御偏心軸部２５と、この制御偏心軸部２５とロアーリンク２１とを連結する制御リンク２３と、を有している。ピストン１４とアッパーリンク２２の上端とはピストンピン２６を介して相対回転可能に連結され、アッパーリンク２２の下端とロアーリンク２１とは第１連結ピン２７を介して相対回転可能に連結され、制御リンク２３の上端とロアーリンク２１とは第２連結ピン２８を介して相対回転可能に連結され、制御リンク２３の下端は上記の制御偏心軸部２５に回転可能に取り付けられている。

制御軸２４には、後述する減速機４４を介してアクチュエータとしての可変圧縮比モータ３０（図２参照）が連結されており、この可変圧縮比モータ３０により制御軸２４の回転位置を変更することによって、ロアーリンク２１の姿勢の変化を伴って、ピストン上死点位置やピストン下死点位置を含むピストンストローク特性が変化して、機関圧縮比が変化する。なお、アクチュエータとしては、電動式のモータ３０に限らず、油圧駆動式のアクチュエータであっても良い。

また、この内燃機関のシリンダヘッド１２には、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２と、排気ポート３３を開閉する排気弁３４と、吸気ポート３１へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３５と、燃焼室３６内の混合気を火花点火する点火プラグ３７と、が設けられている。また、吸気通路３８には、吸入空気量を調整するスロットル弁３９が設けられている。

制御部４０は、各種の機関制御を記憶及び実行する機能を有するデジタルコンピュータシステムであり、油温センサ４１等の各種センサ類からの信号に基づいて、燃料噴射弁３５，点火プラグ３７，スロットル弁３９等を駆動制御して、燃料噴射時期，燃料噴射量，点火時期及び吸入空気量（スロットル開度）等を制御するとともに、可変圧縮比モータ３０を駆動制御することによって、機関運転状態に応じて機関圧縮比を制御する。

可変圧縮比機構２０の制御軸２４は、シリンダブロック１１やオイルパンアッパ１３等からなる機関本体の内部に回転可能に収容されている。一方、減速機４４及び可変圧縮比モータ３０は、減速機４４を収容する減速機収容ケース４３を介して、機関本体の一部を構成するオイルパンアッパ１３の外壁、詳しくは吸気側の側壁１３Ａに取り付けられている。なお、この実施例では減速機収容ケース４３をオイルパンアッパ１３に固定しているが、シリンダブロック１１等の他の機関本体の側壁に固定するようにしても良い。

制御軸２４と、減速機収容ケース４３内に配置される減速機４４の出力軸４４Ｂとは、レバー４５によって連結されている。具体的には、レバー４５の一端と制御軸２４の軸方向中央部より径方向外方へ延びる第１アーム４６の先端とが相対回転可能に連結されており、レバー４５の他端と出力軸４４Ｂの先端より径方向外方へ延びる第２アーム４７とが相対回転可能に連結されている。減速機収容ケース４３が固定されるオイルパンアッパ１３の吸気側の側壁１３Ａには、上記のレバー４５が挿通するレバー用スリット４８が貫通形成されている。

図２及び図３を参照して、減速機４４の構造について説明する。この減速機４４は、波動歯車装置を利用したものであり、その構造は特開２００９−４１５１９号公報にも記載されているように公知であるために、簡単に説明すると、円環状の内歯車５１と、この内歯車５１の内側に同心状に配置されたカップ状の可撓性外歯車５２と、外輪部材５４が楕円形輪郭の波動発生器５３と、を備えている。可撓性外歯車５２は、円筒状の胴部５５と、その一端を封鎖しているダイヤフラム５６と、ダイヤフラム５６の中心部分に一体成形されたボス５７と、胴部５５の開口部５８側の外周面に形成され、上記の内歯車５１の内歯と噛み合う外歯５９と、を備えている。

可撓性外歯車５２の胴部５５は波動発生器５３を挿入する前の状態では円筒形状であるが、波動発生器５３を挿入すると、開口部５８側の部分が楕円形に撓む。図３（ｂ）に示すように、楕円形の長軸方向については外側に撓み、短軸方向については内側に撓む。そして、波動発生器５３の中心を挟んで互いに対向する長軸方向の２箇所においてのみ、可撓性外歯車５２と内歯車５１とが噛み合う。なお、波動発生器５３の外周はリング状の外輪部材５４で覆われており、外輪部材５４と可撓性外歯車５２とは回転方向に摺動せず、波動発生器５３の楕円プロフィールに沿って、可撓性外歯車５２を半径方向に弾性変形させている。

波動発生器５３は、その軸中心部分がハブ６０及びボルト６１を介してモータ３０の出力軸３０Ａと一体的に回転するように固定されており、この波動発生器５３が、減速機４４の入力軸を構成している。一方、減速機の出力軸４４Ｂは、上述したように、レバー４５を介して制御軸２４と連結されるとともに、可撓性外歯車５２と一体的に回転するように可撓性外歯車５２のボス５７に固定されており、かつ、減速機収納ケース４３の軸受部６２に回転可能に支持されている。

そして、可撓性外歯車５２の歯数と内歯車５１の歯数とが（例えば２枚だけ）異なっている。従って、減速機入力軸としての波動発生器５３の回転に伴って、可撓性外歯車５２が異なる歯数に応じた分だけ回転することとなり、例えば数１００程度の大きな減速比を得ることができる。なお、減速機４４は、モータ３０から制御軸２４を回転駆動する場合には減速機構として作動し、反対に制御軸２４からのトルクによってモータ３０が回される場合には増速機構として作動する。

なお、減速機４４としては、本実施例のような波動歯車装置を利用したものに限られず、他の形式の回転減速機を用いることもできる。

図４に模式的に示すように、減速機収容ケース４３の内部には、減速機４４の歯車噛み合い部分や軸受部分を潤滑するために、上記のスリット４８や図示せぬ油路を介して機関本体内部から潤滑油６３が供給されており、機関運転中には、所定量の潤滑油６３が減速機収容ケース４３の内部に貯留されるように設定されている。

機関運転中に減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油６３の油面高さΔＨは仕様に応じて適宜に設定可能であり、油面高さΔＨを高くするほど、潤滑性能は向上するものの、オイルポンプに要求される大型化するとともに、オイル撹拌抵抗が増加し、燃費の低下を招くおそれがある。そこで本実施例では、機関運転中に減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油６３の油面高さΔＨが、減速機入力軸である波動発生器５３の一部、つまり下半分よりも少ない領域が浸かる程度に設定されている。

減速機４４の入力軸（波動発生器５３）及び出力軸４４Ｂは、その軸中心線が水平方向に沿うように配置されており、かつ、少なくとも一部が減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油に浸かるように設定されている。従って、機関圧縮比の変更時には、減速機４４の入力軸（波動発生器５３）及び出力軸４４Ｂが回転することによって、その全周にわたって減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油６３に浸かる形となり、上述したように低い油面高さΔＨであっても、所期の潤滑性を確保することができる。

但し、機関圧縮比を一定とする圧縮比保持の運転状態では、油面高さΔＨよりも高い部分に潤滑油が行きわたらず、この圧縮比保持の運転状態が長引くと、潤滑不良を招くおそれがある。そこで本実施例では、機関圧縮比を一定とする圧縮比保持の運転状態のときに、潤滑性能を向上するために、減速機４４の入力軸（波動発生器５３）を、所定の揺動角度αで揺動させるものである。

図５は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では機関圧縮比が一定の所定の圧縮比保持の運転状態であるかを判定する。例えば、この実施例では、目標圧縮比が所定時間、所定範囲内（ほぼ一定）であるかを判定する。目標圧縮比は、機関負荷及び機関回転数に応じて設定され、低回転低負荷側では燃費向上のために高圧縮比側に設定され、高回転高負荷側ではノッキングを回避するために低圧縮比側に設定される。

ステップＳ１１において、圧縮比保持の運転状態でないと判定されれば、本ルーチンを終了し、圧縮比保持の運転状態であると判定されるとステップＳ１２以降へ進む。ステップＳ１２では、機関運転状態に基づいて、減速機４４の入力軸の揺動角度及び揺動速度を決定する。具体的な揺動角度や揺動速度の設定については後述する。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２において設定された揺動角度及び揺動速度で減速機４４の入力軸が揺動するように、モータ３０を駆動制御する。

ステップＳ１４では、減速機４４の入力軸の揺動動作に伴う機関のトルク変動を抑制するように、点火時期，燃料噴射量，及び吸入空気量の少なくとも一つの補正制御を実施する。なお、減速機４４の入力軸の揺動動作に伴う機関のトルク変動が問題とならないような場合には、上記の補正制御を行わないようにしても良い。

このような図示実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。

［１］減速機４４の入力軸としての波動発生器５３は、その軸中心線が水平方向に沿うように水平方向とほぼ平行に配置されるとともに、機関運転中には少なくとも一部が減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油に浸かるように設定されている。そして、機関圧縮比を一定とする所定の圧縮比保持の運転状態のときに、減速機４４の入力軸を、所定の揺動角度で揺動させている。

従って、圧縮比保持時には、減速機４４の入力軸の揺動動作に伴って、減速機４４の入力軸のうち、油面高さΔＨよりも高い部分、つまり本来は潤滑油６３に浸かっていない部分も順次潤滑油６３の内部に浸かることとなり、少ない油量でありながら減速機入力軸の潤滑性能を向上することができる。また、減速機４４の入力軸の全てを潤滑油に浸からせる必要がないために、ケース４３内に貯留される潤滑油の油量（油面高さΔＨ）を抑制することができ、例えばケース内に潤滑油を供給するオイルポンプ容量の低減化を図ることができるとともに、潤滑油の撹拌抵抗を抑制し、消費エネルギーを抑制することができる。しかも、減速機４４の減速比は十分に大きく設定されているために、減速機４４の入力軸を所定の揺動角度で揺動させたとしても、制御軸側に接続される減速機４４の出力軸４４Ｂの回転角度は極僅かなものとなり、機関圧縮比の不用意な変動を抑制・回避することができる。

［２］上記の揺動角度は、減速機４４の入力軸の全周が、減速機収容ケース４３内に貯留する潤滑油に浸かる角度以上に設定される。このために、揺動動作の際、減速機４４の入力軸が全周にわたって潤滑油に浸かることから、潤滑油が供給されない部分を無くし、全周にわたって均等に潤滑油を供給することで、潤滑性能を向上することができる。

［３］また、下記の［４］〜［９］に記載のように、機関運転状態に応じて揺動角度を制御することによって、機関運転状態に応じた形で、過度な揺動動作を抑制しつつ、減速機入力軸に対する潤滑性能を適切に向上することができる。

［４］例えば、減速機収容ケース４３内の潤滑油の油量を油量センサ４１Ａ（油量取得手段）により検出し、あるいは機関運転状態に基づいて油量を推定し、この油量に応じて揺動角度を調整する。具体的には、油量の減少時には、油面高さΔＨも低くなるので、揺動角度を増大することで、潤滑性能を確保することができ、逆に、油量の増大時には揺動角度を減少することで、過剰な揺動動作を抑制し、消費エネルギーを軽減することができる。

［５］また、減速機４４の負荷を検出もしくは推定し（減速機負荷取得手段）、この減速機４４の負荷に応じて揺動角度を調整する。具体的には、減速機４４の負荷が高くなるほど、潤滑状態が厳しくなるために、揺動角度を増大して、より積極的に潤滑油を供給することで、所期の潤滑性能を確保することができる。

［６］モータ３０の温度が所定温度を超える場合には、モータ効率が低下していたり、あるいはモータ３０が減磁している可能性が高いため、モータ３０の消費電力を抑制するように、揺動角度を減少する。

［７］油温センサ４１により検出される潤滑油の油温が所定温度を超える場合には、粘度が低くなり、油膜保持性が低下することから、潤滑性能を確保するために、揺動角度を増大する。

［８］機関圧縮比が低い場合、機関圧縮比が高い場合に比して、制御軸２４の回転角度に対する圧縮比の変化に与える影響が小さい。また、低圧縮比の設定が用いられる高負荷側の運転域では、潤滑に対する要求が厳しい。そこで、機関圧縮比が低くなるほど、揺動角度を増大することにより、潤滑油の供給量を増大することで、潤滑性能を向上することができる。

［９］油圧の低下に伴い、オイルポンプの吐出量が低下し、油面高さΔＨが下がるために、潤滑不足が懸念される。そこで、油圧が所定圧以下の場合には、潤滑性能を確保するために、揺動角度を増大する。これのよって、油圧の低下に伴う潤滑不足を解消し、所期の潤滑性能を確保することができる。

［１０］機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、減速機の揺動運転を連続的に継続すると、軸受部分等の摩耗が促進し、耐久性や寿命を低下させるおそれがあある。そこで、好ましくは、機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、所定周期で減速機の揺動と停止とを繰り返し、つまり揺動動作を所定周期で定期的に実施する。

［１１］この際、好ましくは、機関負荷が高くなるほど、偏摩耗の発生を抑制するように、揺動周期を短縮させる。

［１２］機関圧縮比を一定とする圧縮比保持での運転時に減速機入力軸を揺動作動させる場合に、減速機４４を所定速度以下で揺動させる。これによって、減速機入力軸の軸受部分への負荷入力回数を抑制し、耐久性を向上することができる。

［１３］好ましくは、上記制御部４０（揺動速度制御手段）は、減速機の負荷が高くなるほど、上記揺動速度を増大する。これによって、特定部位に負荷が作用する場合の偏摩耗の発生を抑制・防止することができる。

［１４］減速機の変速比が小さい場合など、減速機入力軸の揺動動作の際に、機関圧縮比が不用意に変動して、エンジントルクの変動を招くおそれがある場合には、好ましくは、揺動動作に伴う機関圧縮比の変更に基づいて、エンジントルクの変動を抑制するように、点火時期，燃料噴射量及び吸入空気量の少なくとも一つを補正する。これによって、エンジントルクの変動をより確実に抑制し、運転性を向上することができる。

［１５］また、無段変速機を搭載する車両の場合には、揺動動作に伴う機関圧縮比の変更に基づいて、車両出力トルクの変動を抑制するように、無段変速機の変速比を補正する。これによって、車両出力トルクの変動を抑制し、運転性を向上することができる。

［１６］更に、トルク変動を無視できるアイドル運転時にのみ、減速機入力軸の揺動動作を行うようにしても良い。

Claims (13)

1. 制御軸の回転位置に応じて内燃機関の機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   上記制御軸を駆動するアクチュエータと、
   上記アクチュエータと制御軸との間に介装され、上記アクチュエータの回転動力を減速して制御軸へ伝達する減速機と、
   上記減速機を収容する減速機収容ケースと、を備え、
   上記アクチュエータ側に接続する減速機の入力軸は、その軸中心線が水平方向に沿うように配置されるとともに、少なくとも一部が減速機収容ケース内に貯留する潤滑油に浸かるように設定されており、
   かつ、機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、上記減速機の入力軸を、所定の揺動角度で揺動させる入力軸揺動手段を有する可変圧縮比内燃機関の制御装置。
2. 上記揺動角度は、上記減速機の入力軸の全周が、上記減速機収容ケース内に貯留する潤滑油に浸かる角度以上に設定されている請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
3. 機関運転状態に応じて、上記入力軸揺動手段による上記揺動角度を制御する揺動角度制御手段を有する請求項１又は２に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
4. 上記減速機収容ケース内の潤滑油の油量を検出又は推定する油量取得手段を有し、
   上記揺動角度制御手段は、上記油量の減少時には、上記揺動角度を増大する請求項３に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
5. 上記減速機の負荷を検出又は推定する減速機負荷取得手段を有し、
   上記揺動角度制御手段は、上記減速機の負荷が高くなるほど、上記揺動角度を増大する請求項３又は４に記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
6. 上記アクチュエータがモータであり、
   上記揺動角度制御手段は、上記モータの温度が所定温度を超える場合に、上記揺動角度を減少する請求項３〜５のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
7. 潤滑油の油温を検出する油温検出手段を備え、
   上記揺動角度制御手段は、上記油温が所定温度を超える場合に、上記揺動角度を増大する請求項３〜６のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
8. 上記揺動角度制御手段は、上記機関圧縮比が低くなるほど、上記揺動角度を増大する請求項３〜７のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
9. 上記揺動角度制御手段は、油圧が所定圧以下の場合には、上記揺動角度を増大する請求項３〜８のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
10. 上記入力軸揺動手段は、上記機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、所定周期で上記減速機の揺動と停止とを繰り返す請求項１〜９のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
11. 上記入力軸揺動手段は、上記機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、上記減速機を所定速度以下で揺動させる請求項１〜１０のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
12. 上記入力軸揺動手段による揺動動作時に、上記可変圧縮比機構による機関圧縮比の設定に基づいて、点火時期，燃料噴射量及び吸入空気量の少なくとも一つを補正することで、エンジントルクの変動を抑制する請求項１〜１１のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関の制御装置。
13. 制御軸の回転位置に応じて内燃機関の機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
    上記制御軸を駆動するアクチュエータと、
    上記アクチュエータと制御軸との間に介装され、上記アクチュエータの回転動力を減速して制御軸へ伝達する減速機と、
    上記減速機を収容する減速機収容ケースと、を備える可変圧縮比内燃機関の制御方法において、
    上記アクチュエータ側に接続する減速機の入力軸は、その軸中心線が水平方向に沿うように配置されるとともに、少なくとも一部が減速機収容ケース内に貯留する潤滑油に浸かるように設定されており、
    かつ、機関圧縮比を一定とする所定の運転状態のときに、上記減速機の入力軸を、所定の揺動角度で揺動させる可変圧縮比内燃機関の制御方法。
    
    

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