JP6365778B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構を備えた内燃機関に関する。

レシプロ式内燃機関の熱効率を向上させるとともに、ノッキング等の異常燃焼を回避するために、内燃機関の運転条件に応じて内燃機関の圧縮比を最適に可変制御する可変圧縮比機構を備えた内燃機関が知られている。このような例として、複リンク式のピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を備えた内燃機関が特許文献１、２に開示されている。

この可変圧縮比機構は、内燃機関のピストンとクランクシャフトとを連結する複数の中間リンクと、これらの中間リンクの自由度を制限するコントロールリンクと、を備え、アクチュエータによりコントロールシャフトの回動位置を変更し、コントロールリンクの揺動支点位置を移動することで、ピストンの位置を相対的に上下に変位させ、圧縮比を変更する構成となっている。

一般に、この種の可変圧縮比機構においては、圧縮比が過剰に高圧縮比または低圧縮比となるのを防ぐために、ピストン−クランク機構の動きを規制して圧縮比の可変範囲を機械的に制限する何らかのストッパが設けられている。

しかし、アクチュエータとなるモータを制御するコントローラの異常時などに、ストッパに規制された後もモータが圧縮比の変更をさらに継続しようとすると、各部に過剰な負荷が加わり、好ましくない。

特開２０１０−１５１０８８号公報 特開２０１４−２３８０２７号公報

本発明における可変圧縮比内燃機関は、
アクチュエータにより回動される圧縮比制御部材の回動位置に応じて内燃機関の機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構と、
アクチュエータの駆動軸に嵌合したアームを含み、駆動軸の回動動作を圧縮比制御部材の回動動作として伝達する機械的連係機構と、
圧縮比に相当するパラメータとして駆動軸の回動位置を検出するセンサと、
上限もしくは下限の圧縮比に対応する位置において、圧縮比制御部材もしくは連係機構の動きを規制する少なくとも１つのストッパと、
を備える。

また、圧縮比制御部材もしくは連係機構がストッパにより規制されている状態におけるセンサの検出値に基づいて、アームと駆動軸との嵌合部の相対回転の有無を診断するコントローラを備える。

このような構成では、コントローラの異常時などに、ストッパによる規制後もモータが圧縮比の変更をさらに継続しようとすると、アームと駆動軸とが相対回転する。一方、このような相対回転が生じると、センサの検出値と圧縮比との関係が不正となる。本発明では、このような相対回転の有無について自己診断を行う。

本発明によれば、アームと駆動軸との相対回転が生じた場合に、この相対回転を確実に検出することができる。

複リンク式可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関を概略的に示す断面図。 図１のＡ矢視図。 低圧縮比側ストッパを用いた駆動軸の相対回転の診断処理を示すフローチャート。 高圧縮比側ストッパを用いた駆動軸の相対回転の診断処理を示すフローチャート。 センサ出力と実際の圧縮比との関係を示すグラフ。

以下に図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１に示すように、可変圧縮比内燃機関１は、公知の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２を備える。この可変圧縮比機構２は、クランクシャフト４のクランクピン４ａに回転自在に支持されたロアリンク６と、このロアリンク６の一端部のアッパピン８とピストン１０のピストンピン１０ａとを互いに連結するアッパリンク１２と、ロアリンク６の他端部のコントロールピン１４に一端が連結されたコントロールリンク１６と、このコントロールリンク１６の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト１８と、を主体として構成されている。クランクシャフト４およびコントロールシャフト１８は、シリンダブロック２０下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。

コントロールシャフト１８は、該コントロールシャフト１８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部１８ａを有し、コントロールリンク１６の端部は、この偏心軸部１８ａに回転可能に嵌合している。可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト１８の回動に伴ってピストン１０の上死点位置が上下に変位し、したがって、機械的圧縮比が変化する。つまり、本実施例においては、コントロールシャフト１８が圧縮比制御部材に相当し、この圧縮比制御部材であるコントロールシャフト１８の回動位置に応じて機械的圧縮比が一義的に定まる。

また、可変圧縮比機構２の圧縮比、つまりコントロールシャフト１８の回動位置を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト４と平行な駆動軸２２を有するアクチュエータ２４がシリンダブロック２０の下部に配置されている。図２に示すように、アクチュエータ２４は、アクチュエータ本体となる電動モータ２６と、この電動モータ２６の出力回転を減速して駆動軸２２から出力する減速機２８と、が直列に結合されて配置された構成となっている。駆動軸２２は、低圧縮比に対応する角度位置から高圧縮比に対応する角度位置まで一定角度範囲内を回動する。駆動軸２２とコントロールシャフト１８とは互いに並行に位置しており、両者が連動して回動するように、駆動軸２２に圧入された第１のアーム３０とコントロールシャフト１８に固定された第２のアーム３２とが中間リンク３４によって互いに連結されている。

アクチュエータ２４の駆動軸２２が回動すると、この回動が第１のアーム３０から中間リンク３４を介して第２のアーム３２へ伝達され、コントロールシャフト１８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的圧縮比が変化する。つまり、本実施例においては、第１のアーム３０、第２のアーム３２および中間リンク３４が機械的連係機構に相当し、駆動軸２２の回動動作をコントロールシャフト１８の回動動作として伝達する。なお、本実施例では、機械的連係機構としてリンク機構を用いているが、他の連係機構であってもよい。

可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、コントローラ４０において、機関運転条件（例えば要求負荷および機関回転速度）に基づいて設定され、この目標庄縮比を実現するようにアクチュエータ２４つまり電動モータ２６が駆動制御される。実際の機械的圧縮比に相当する駆動軸２２の回動位置は、実圧縮比センサ４２によって検出され、目標圧縮比に沿うように電動モータ２６のフィードバック制御がなされる。実圧縮比センサ４２は、駆動軸２２の先端に対向して配設された非接触型のセンサであり、駆動軸２２の先端面に埋め込まれた永久磁石からなる被検出体（図示せず）の角度位置を読み取り、検出値をコントローラ４０に出力する。コントローラ４０は、上記検出値に基づいてアクチュエータ２４を駆動制御する。

コントローラ４０には、上記実圧縮比センサ４２のほか、吸入空気量Ｑの検出を行うエアフロメータ４４、機関回転速度Ｎの検出を行うクランク角センサ４６等のセンサ類の信号が入力されている。コントローラ４０は、これらの検出信号に基づき、圧縮比を最適に制御している。

基本的な圧縮比制御の傾向としては、低負荷側では熱効率向上のために高い目標圧縮比が与えられ、高負荷側ではノッキング回避のために低い目標圧縮比が与えられる。

内燃機関１は、可変圧縮比機構２による圧縮比の変化範囲を機械的に制限するために、コントロールシャフト１８の低圧縮比側への過度の回転を規制する低圧縮比側ストッパ５０と、コントロールシャフト１８の高圧縮比側への過度の回転を規制する高圧縮比側ストッパ６０と、を有する。

低圧縮比側ストッパ５０は、下限圧縮比に対応する位置において、第１のアーム３０が当接するように、アクチュエータ２４のハウジング内に突出形成されている。したがって、駆動軸２２が下限圧縮比に対応する位置まで回動すると、第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接して、駆動軸２２ひいてはコントロールシャフト１８は、それ以上低圧縮比側に回動しないように規制される。つまり、低圧縮比側ストッパ５０と第１のアーム３０とが当接する位置において圧縮比の下限が制限されている。

一方、高圧縮比側ストッパ６０は、上限圧縮比に対応する位置において、コントロールシャフト１８の軸受を構成する部材（例えば、ベアリングキャップ５２）に突出形成されている。この高圧縮比側ストッパ６０に当接するように、凸部６２がコントロールシャフト１８の所定位置に設けられている。したがって、駆動軸２２が上限圧縮比に対応する位置まで回動すると、凸部６２が高圧縮比側ストッパ６０に当接して、コントロールシャフト１８ひいては駆動軸２２は、それ以上高圧縮比側に回動しないように規制される。つまり、高圧縮比側ストッパ６０と凸部６２とが当接する位置において圧縮比の上限が制限されている。

このように、低圧縮比側ストッパ５０および高圧縮比側ストッパ６０は、上記連係機構の動きを下限圧縮比に対応する位置と上限圧縮比に対応する位置との間に制限しており、その結果、圧縮比は下限圧縮比と上限圧縮比との間でしか変化しないようになっている。

なお、本実施例では、アクチュエータ２４内に低圧縮比側ストッパ５０を設け、内燃機関１本体側に高圧縮比側ストッパ６０を設けているが、ストッパ５０，６０の位置はこれに限定されるものではなく、第１のアーム３０およびコントロールシャフト１８の回動を規制し得る任意の位置に配置することができる。例えば、アクチュエータ２４内に低圧縮比側ストッパおよび高圧縮比側ストッパを設けるようにしてもよいし、内燃機関１本体側に両ストッパを設けるようにしてもよい。

ここで、本実施例では、第１のアーム３０と駆動軸２２とが過大なトルクによって相対回転するように構成されている。具体的には、第１のアーム３０は、目標とする上限トルクに対応して設定された締め代をもって駆動軸２２に圧入されている。このため、上限トルクを越えるトルクが加わったときに、第１のアーム３０と駆動軸２２とが相対回転するようになっている。なお、第１のアーム３０の軸受部を２つ割りにして、両者をねじにより締め付ける構造としてもよい。

例えば、電動モータ２６を制御するコントローラ４０の異常等により、ストッパ５０，６０に規制された後も電動モータ２６が圧縮比の変更をさらに継続しようとして駆動軸２２が回動し続けると、第１のアーム３０からコントロールシャフト１８に至る連係機構の各部に過剰な負荷が掛かる。このため、本実施例では、ストッパ５０，６０による規制後に駆動軸２２が回動し続けた場合でも、上限トルクを越えるトルクが加わったときに、第１のアーム３０と駆動軸２２とが相対回転するようにしてあるため、連係機構の他の部位に過剰な負荷が掛からない。

一方、上記構成では、コントローラ４０の異常時以外の場合にも過大なトルクを受けて相対回転する可能性があり、このような相対回転が生じると圧縮比を正常に制御することができなくなる。そこで、本実施例では、コントローラ４０が相対回転の有無を診断する。

図３，４を参照して、駆動軸２２の相対回転の診断について説明する。図３は、低圧縮比側ストッパ５０を用いた、駆動軸２２の相対回転の診断処理を示すフローチャートであり、図４は、高圧縮比側ストッパ６０を用いた、駆動軸２２の相対回転の診断処理を示すフローチャートである。本実施例では、低圧縮比側ストッパ５０を用いた診断と、高圧縮比側ストッパ６０を用いた診断とを並行して行う。

図３に示す低圧縮比側ストッパ５０を用いた診断は、内燃機関１の冷機始動直後の触媒昇温制御中に実行される。

ステップ１では、内燃機関の運転状態を読み込み、ステップ２に進む。ステップ２では、触媒昇温制御中であるか否かを判定する。触媒昇温制御中であれば、ステップ３に進み、触媒昇温制御中でなければ、本ルーチンを終了する。

ステップ３では、第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接しているか否かを判定する。第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接していなければステップ７に進み、ステップ７において、アクチュエータ２４により駆動軸２２を低圧縮比側へ回動させる。ステップ３とステップ７の繰り返しにより、アクチュエータ２４は、第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接するまで駆動される。第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接したか否かの判定は、例えば、電動モータ２６の電流変化などにより行うことができる。第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接したらステップ４に進む。

ステップ４では、実圧縮比センサ４２の検出値が、低圧縮比側の正常値（下限圧縮比に対応する基準値）よりも低圧縮比側の値となっているかを判定する。第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接しているので、相対回転などの異常がなければ、下限圧縮比に対応した駆動軸２２の回動位置が実圧縮比センサ４２の検出値として出力される。一方、第１のアーム３０に対し駆動軸２２が低圧縮比側に相対回転している場合には、実圧縮比センサ４２の検出値が低圧縮比側の値となる。実圧縮比センサ４２の検出値が低圧縮比側の値となっている場合は、ステップ５に進み、低圧縮比側ストッパ５０の判定値を「Ｃ」と設定して、ステップ６に進む。

ステップ６では、アクチュエータ２４の駆動を停止し、本ルーチンを終了する。コントロールシャフト１８ひいては第１のアーム３０は、筒内圧荷重によって常に低圧縮比側に付勢されているため、基本的に、駆動軸２２が低圧縮比側にずれることはない。したがって、低圧縮比側にずれた検出値が出力された場合には、この異常値がコントローラ４０の異常に起因するものとして、アクチュエータ２４を停止する。

さらに、ステップ４において、実圧縮比センサ４２の検出値が低圧縮比側の値となっていない場合は、ステップ８に進む。ステップ８では、実圧縮比センサ４２の検出値が、正常値よりも高圧縮比側の値となっているかを判定する。実圧縮比センサ４２の検出値が高圧縮比側の値となっている場合は、ステップ９に進み、低圧縮比側ストッパ５０の判定値を「Ｂ」と設定して、本ルーチンを終了する。

また、ステップ８において、実圧縮比センサ４２の検出値が高圧縮比側の値となっていない場合はステップ１０に進み、低圧縮比側の判定値を「Ａ」（正常）と設定して、本ルーチンを終了する。

次に、図４を参照して、高圧縮比側ストッパ６０を用いた、駆動軸２２の相対回転の診断について説明する。この高圧縮比側ストッパ６０を用いた診断は、内燃機関１の停止処理の際に実行される。

ステップ１０１において、内燃機関の運転状態を読み込み、ステップ１０２に進み、内燃機関の停止要求があるかを判定する。停止要求がある場合は、ステップ１０３に進み、停止要求がない場合は、本ルーチンを終了する。

ステップ１０３では、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｂ」である（低圧縮比側ストッパ５０への当接時の検出値が高圧縮比側にずれている）か否かを判定する。判定値が「Ｂ」であればステップ１０４に進み、判定値が「Ｂ」でなければ本ルーチンを終了する。

ステップ１０４では、凸部６２が高圧縮比側ストッパ６０に当接しているか否かを判定する。凸部６２が高圧縮比側ストッパ６０に当接していなければ、ステップ１０７に進み、アクチュエータ２４により駆動軸２２を高圧縮比側に駆動する。ステップ１０４とステップ１０７の繰り返しにより、アクチュエータ２４は、凸部６２が高圧縮比側ストッパ６０に当接するまで駆動される。凸部６２が高圧縮比側ストッパ６０に当接したら、ステップ１０５に進む。

ステップ１０５では、実圧縮比センサ４２の検出値が、高圧縮比側の正常値（上限圧縮比に対応する基準値）となっているか否かを判定する。実圧縮比センサ４２の検出値が、正常値となっていれば、ステップ１０６に進み、高圧縮比側ストッパ６０の判定値を「ａ」（正常）と設定して、本ルーチンを終了する。但し、ここでは、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｂ」（高圧縮比側へのずれ）であるので、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ａ」である場合とは、コントロールシャフト１８等に異物の噛み込み等が生じて圧縮比の範囲が制限されている場合である（後述する図５のＳ４参照）。

さらに、ステップ１０５において、実圧縮比センサ４２の検出値が、正常値でなければ、ステップ１０８に進み、高圧縮比側ストッパ６０の判定値を「ｂ」と設定して、ステップ１０９に進む。ステップ１０９では、第１のアーム３０が低圧縮比側ストッパ５０に当接するまでアクチュエータ２４を低圧縮比側に駆動して、ステップ１１０に進む。ステップ１１０において、実圧縮比センサ４２の検出値を低圧縮比側ストッパにおける正常な値に校正して、本ルーチンを終了する。低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｂ」であり、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ｂ」である場合とは、第１のアーム３０に対して駆動軸２２が高圧縮比側に相対回転している場合である（図５のＳ２参照）。相対回転が生じている場合には、センサ検出値と実圧縮比に差が生じているので、この分を校正することで、以後の正確な制御が可能となる。

このように、本実施例では、低圧縮比側ストッパ５０および高圧縮比側ストッパ６０の双方による規制位置まで、第１のアーム３０およびコントロールシャフト１８をそれぞれ移動させ、低圧縮比側および高圧縮比側の各々の規制位置での実圧縮比センサ４２の検出値を判定することにより、駆動軸２２の相対回転の有無を診断できると同時に、この相対回転と、圧縮比の範囲が制限されている他の異常とを判別することができる。

図５は、実際の圧縮比に対する実圧縮比センサ４２の出力Ｓの特性を示すグラフである。

グラフ中、特性Ｓ１は、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ａ」であり、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ａ」である正常な場合を示しており、下限圧縮比ε_Lに対する実圧縮比センサ４２の検出値Ｓ_Lは、基準値Ｓ_L0となり、上限圧縮比ε_Hに対する検出値Ｓ_Hは、基準値Ｓ_H0となる。

特性Ｓ２は、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｂ」であり、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ｂ」である場合を示しており、下限圧縮比ε_Lに対する検出値Ｓ_Lおよび上限圧縮比ε_Hに対する検出値Ｓ_Hは、基準値Ｓ_L0および基準値Ｓ_H0よりもそれぞれ高い値となっている。これは、第１のアーム３０に対して駆動軸２２が高圧縮比側に相対回転していることを示している。この場合には、実圧縮比センサ４２の検出値Ｓ_Lを正常な値Ｓ_L0に校正する。なお、相対回転が生じている場合でも、圧縮比変化の範囲は変わらないので、相対回転分を校正することにより、全圧縮比範囲での正常な検出が可能となる。

特性Ｓ３は、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｃ」であり、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ｃ」である場合を示しており、下限圧縮比ε_Lに対する検出値Ｓ_Lおよび上限圧縮比ε_Hに対する検出値Ｓ_Hは、基準値Ｓ_L0および基準値Ｓ_H0よりもそれぞれ低い値となっている。前述したように、筒内圧荷重により、このような方向の相対回転は生じないことから、この場合は、何らかの異常と判定する（ステップ６）。

特性Ｓ４は、低圧縮比側ストッパ５０の判定値が「Ｂ」であり、高圧縮比側ストッパ６０の判定値が「ａ」である場合を示しており、下限圧縮比ε_Lに対する検出値Ｓ_Lが基準値Ｓ_L0よりも高くなっているのに対し、上限圧縮比ε_Hに対する検出値Ｓ_Hは、基準値Ｓ_H0となっている。これは、コントロールシャフト１８等に異物の噛み込み等が生じ、図示するように、実圧縮比の範囲が制限されていることを示している。したがって、この場合は、センサ出力値の校正は行わず、例えば、フェールセーフモードに移行する。

上記実施例によれば、第１のアーム３０と駆動軸２２との相対回転を許容して、連係機構の各部位に過剰な負荷が掛かるのを防ぐとともに、この相対回転を確実に検出することができる。さらに、低圧縮比側ストッパ５０および高圧縮比側ストッパ６０を用いて相対回転の診断を行うことにより、上記相対回転（図５の特性Ｓ２）と、圧縮比の範囲が制限されている他の異常（図５の特性Ｓ４）とを判別することができる。

低圧縮比側ストッパ５０を用いた診断では、ノッキングのリスクが少なくなる。特に、冷機始動後の触媒暖機運転中に上記の診断を行うことにより、診断に伴う燃費の悪化を最小限にすることができる。また、高圧縮比側ストッパ６０は、一般に高精度に製造されるので、高圧縮比側ストッパ６０を用いた診断を行うことにより、診断の精度を向上させることができる。高圧縮比側ストッパ６０を用いた診断は、ノッキングのリスクがあるが、本実施例では、内燃機関１の停止後に診断を行うため、特に問題とはならない。

なお、本実施例では、低圧縮比側ストッパ５０を用いた相対回転の診断（図３）と、高圧縮比側ストッパ６０を用いた相対回転の診断（図４）とを並行して行っているが、いずれかの診断だけを行うようにしてもよい。その場合、異常が検出されたときには、アクチュエータ２４を停止して、ルーチンを終了する。

また、本実施例では、低圧縮比側の判定値が正常（「Ａ」）のときは、相対回転が生じていないものとみなして、高圧縮比側ストッパ６０を用いた相対回転の診断を省略しているが、より確実に相対回転を診断するために、高圧縮比側ストッパ６０を用いた診断を併せて行うようにしてもよい。

また、本実施例では、低圧縮比側の判定値が「Ｃ」のときは何らかの異常が生じていると判定したが、低圧縮比側に相対回転が生じていると判定してもよい。

Claims (7)

1. アクチュエータにより回動される圧縮比制御部材の回動位置に応じて内燃機関の機械的圧縮比が変化する可変圧縮比機構と、
   上記アクチュエータの駆動軸に嵌合したアームを含み、上記駆動軸の回動動作を上記圧縮比制御部材の回動動作として伝達する機械的連係機構と、
   圧縮比に相当するパラメータとして上記駆動軸の回動位置を検出するセンサと、
   上限もしくは下限の圧縮比に対応する位置において、上記圧縮比制御部材もしくは上記連係機構の動きを規制する少なくとも１つのストッパと、
   を備えた可変圧縮比内燃機関であって、
   上記圧縮比制御部材もしくは上記連係機構が上記ストッパにより規制されている状態における上記センサの検出値に基づいて、上記アームと上記駆動軸との嵌合部の相対回転の有無を診断するコントローラを備える、可変圧縮比内燃機関。
2. 上記ストッパは、下限の圧縮比に対応する位置に設けられており、
   上記コントローラは、上記ストッパによる規制位置まで上記圧縮比制御部材および上記連係機構を移動させて上記の診断を行う、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 上記コントローラは、冷機始動後の触媒暖機運転中に上記の診断を行う、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 上記ストッパは、上限の圧縮比に対応する位置に設けられており、
   上記コントローラは、上記ストッパによる規制位置まで上記圧縮比制御部材および上記連係機構を移動させて上記の診断を行う、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 上記コントローラは、内燃機関の運転停止後に、上記の移動および上記の診断を行う、請求項４に記載の可変圧縮比内燃機関。
6. 上限および下限の圧縮比に対応する位置に上記ストッパがそれぞれ設けられており、
   上記コントローラは、各々のストッパによる規制位置まで上記圧縮比制御部材および上記連係機構をそれぞれ移動させ、各々の位置での上記センサの検出値に基づいて、上記相対回転と他の異常とを判別する、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
7. 上記コントローラは、上記相対回転と判別したときに上記センサの検出値の校正を許可する、請求項６に記載の圧縮比式内燃機関。

Images