(57)【要約】    【課題】  スロットル開度に基づいて制御される内燃機関の可変動弁機構で、スロットル開度の振動の影響を受けることなく安定し、かつ、応答性を確保した制御を行えるようにする。    【解決手段】機関バルブ（吸気弁等）を所望の応答特性（規範応答）で最終目標の制御軸作動角に到達するように可変動弁機構を制御する装置において、２次振動系で表される可変動弁機構の振動数ωを、スロットル開度の変化量｜ΔＴＶＯ｜が小さい領域では小さい値とし、｜ΔＴＶＯ｜が大きい領域では大きい値とすることにより、スロットル開度が微振動した場合でも、時定数が大きくなるので作動角および可変動弁機構駆動用の電動モータの電流指令値の振動を防止して安定した制御を行え、かつ、スロットル開度が大きく変化したときには、時定数が小さくなるので良好な応答性を確保できる。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブスプリングに連繋したリンク機構を、前記バルブスプリングの反力に抗して電動モータを駆動して機関バルブのリフト特性を可変制御し、かつ、吸気系のスロットル開度に応じてリフト特性の最終的な目標変位を設定し、設定された規範応答で前記目標変位に到達するようにフィードバック制御する内燃機関における可変動弁機構の制御装置において、
スロットル開度の変化量に基づいて、前記規範応答の時定数を可変に設定することを特徴とする可変動弁機構の制御装置。
【請求項２】
前記スロットル開度の変化量が大きいときは、前記規範応答の時定数を小さくし、前記スロットル開度の変化量が小さいときは、前記規範応答の時定数を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項３】
前記リフト特性変位と該変位に保持する電動モータの保持電流の特性にも基づいて、前記規範応答の時定数を可変に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項４】
前記リフト特性変位の変化量に対して電動モータの保持電流変化量が大きい領域で、スロットル開度の変化量が小さいときに、前記規範応答の時定数を大きくすることを特徴とする請求項３に記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項５】
前記規範応答の時定数は、２次振動系で表される可変動弁機構の振動数によって設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項６】
前記規範応答に応じて、電動モータ通電電流のフィードフォワード補償分が設定されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項７】
前記規範応答に応じて、リフト特性の過渡的な目標変位が設定されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の可変動弁機構の制御装置。
【請求項８】
前記可変動弁機構は、
機関の回転に連動して回転する駆動軸と、
前記駆動軸の外周に相対回転可能に外嵌し、前記機関バルブを開閉駆動する揺動カムと、
前記駆動軸の外周に偏心して固定された偏心カムと、
前記偏心カムの外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンクと、
前記駆動軸と略平行に延びる制御軸と、
前記制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、
前記制御カムの外周に相対回転可能に外嵌し、その一端で前記リング状リンクと連携されたロッカアームと、
前記ロッカアームの他端と前記揺動カムとを連携するロッド状リンクと、を有し、
前記アクチュエータが前記制御軸を回転させることにより、前記ロッカアームの揺動中心位置が変化して前記リフト特性が変化することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の可変動弁機構の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸・排気弁のリフト特性（作動角、リフト量）を連続的に可変制御可能な可変動弁機構、その他アクチュエータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、機関低速低負荷時における燃費の改善や安定した運転性並びに高速高負荷時における吸気の充填効率の向上による十分な出力を確保する等のために、吸・排気弁のリフト特性を機関運転状態に応じて変えることができる可変動弁機構が提案されている。
この種可変動弁機構の制御として、特許文献１に示されるものでは、最終目標となる到達変位（到達作動角）に、所望の応答特性（規範応答）で到達するようにフィードバック制御している。
【特許文献１】特開２００１−３７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この種の可変動弁機構で応答性の良い制御を行うため、機関負荷パラメータとしてスロットル開度を用いて前記到達変位である入力指令値を算出しているが、この場合、ドライバのアクセル操作等により、入力指令値が微少振動し、制御量である実作動角が振動する。
また、入力指令値が振動することで、可変動弁機構を駆動する電動モータへの電流指令値が振動するため、消費電流が大きくなり、燃費が悪化する。
【０００４】
単純に一律のフィルタ処理を行った場合には、上記問題は解決されるものの、スロットル開度が大きく変化した場合に応答遅れを生じてしまい、良好な機関性能を維持できなくなる。
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、スロットル開度の微少振動による実作動角の振動および電動モータ電流指令値の振動を防止し、安定した制御を行え、燃費の悪化を防止すると共に、良好な応答性を確保できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明は、規範応答で到達作動角に到達するようにフィードバック制御される可変動弁機構の制御装置において、スロットル開度の変化量に基づいて、前記規範応答の時定数を可変に設定する構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
かかる構成とすれば、ドライバのアクセル操作等によってスロットル開度が振動した場合でも、スロットル開度変化量に応じて規範応答の時定数が設定されることにより、入力指令値の振動を防止でき、もって、実作動角の振動および電動モータ電流指令値の振動が防止され、安定した制御を行えると共に燃費の悪化を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１〜図３は、本発明に係る内燃機関の可変動弁機構を、吸気弁側に適用した実施形態を示している。なお、図１では排気弁側（図１の下側）の構成を図示省略している。
シリンダヘッド１０の上部には、全気筒にわたって連続した駆動軸１１が設けられている。この駆動軸１１は、図外の一端にスプロケットが取り付けられ、タイミングチェーン等を介して機関のクランクシャフトに連動して回転する。
【０００８】
この駆動軸１１の外周には、吸気弁（又は排気弁）１９を駆動する揺動カム１８の円筒状の軸受部１８ａが相対回転可能に外嵌している。この揺動カム１８は、先端部（カムノーズ）１８ｂを有する薄板状をなし、その外周に、吸気弁１９の上端に設けられた伝達部材としてのバルブリフタ１９ａの上面１９ｂに摺接するカム面１８ｃが形成されている。
また、駆動軸１１の外周にはリング状の偏心カム１２が圧入等により固定されている。この偏心カム１２の中心（軸心）Ｃ２は、駆動軸１１の中心（軸心）Ｃ１に対して所定量偏心している。この偏心カム１２の外周には、リング状リンク１３の基部１３ａがベアリング等を介して相対回転可能に外嵌している。なお、揺動カム１８の揺動中心（軸心）は、駆動軸１１の中心Ｃ１と一致している。
【０００９】
駆動軸１１の斜め上方には、制御軸１４が駆動軸１１と略平行に気筒列方向に延設されている。この制御軸１４は、後述する駆動部２０により機関の運転状態に応じて所定の回転範囲で回転，保持される。
制御軸１４の外周には、リング状の制御カム１５が圧入等により固定されている。制御カム１５の中心（軸心）Ｃ４は、制御軸１４の中心（軸心）Ｃ３に対して所定量偏心している。この制御カム１５の外周には、ロッカアーム１６の円筒状の中央基部が相対回転可能に外嵌している。このロッカアーム１６の一端部１６ａと、リング状リンク１３の小径な先端部１３ｂとは、両者１６ａ，１３ｂを挿通する第１ピン２９ａを介して相対回転可能に連結されている。
【００１０】
また、ロッカアーム１６の他端部１６ｂと揺動カム１８とは、ロッド状リンク１７によって連携されている。より具体的には、ロッカアーム１６の他端部１６ｂと、ロッド状リンク１７の一端部１７ａとは、両者１６ｂ，１７ａを挿通する第２ピン２９ｂを介して相対回転可能に連結されている。また、ロッド状リンク１７の他端部１７ｂと揺動カム１８とは、両者１７ｂ，１８を挿通する第３ピン２９ｃを介して相対回転可能に連結されている。
【００１１】
次に、制御軸１４を回動，保持する駆動部２０の構成を説明する。
図１に示すように、制御軸１４は、シリンダヘッド１０に固定されるケース２２内まで延びており、その一端にウォームホイール２１が固定されている。ケース２２には、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５０からの制御信号により駆動される電動モータ（ＤＣモータ）２６が取り付けられており、この電動モータ２６の出力軸２６ａは、ローラベアリング２５を介してケース２２内に回転可能に延在している。この出力軸２６ａに、ウォームホイール２１と噛合するウォームギヤ２４が固定されている。なお、ウォームギヤ２４とウォームホイール２１の間でモータトルクを増大させるために、ギヤ比を適宜に大きく設定してある。また、ケース２２には、制御軸１４（ウォームホイール２１）の回転角度を検出する回転角センサ２３が取り付けられており、この回転角センサ２３の出力は、前記ＥＣＵ５０に入力され、該回転角センサ２３で検出された制御軸１４の回転角、すなわち吸気弁１９の作動角（リフト量）検出値に基づいて、電動モータ２６がフィードバック制御される。
【００１２】
このような構成により、機関の回転に連動して駆動軸１１が回転すると、偏心カム１２を介してリング状リンク１３が並進移動し、これに応じてロッカアーム１６が制御カム１５の中心Ｃ４を揺動中心として揺動し、かつ、ロッド状リンク１７を介して揺動カム１８が揺動する。このとき、揺動カム１８のカム面１８ｃが、吸気弁１９の上端に設けられた伝達部材としてのバルブリフタ１９ａの上面に摺接し、バルブリフタ１９ａを図外のバルブスプリングの反力に抗して押圧することにより、吸気弁１９が機関の回転に連動して開閉作動する。
【００１３】
また、機関の運転状態に応じて電動モータ２６の出力軸２６ａが回転駆動されると、ウォームギヤ２４，ウォームホイール２１を介して制御軸１４が回転して、ロッカアーム１６の揺動中心となる制御カム１５の中心Ｃ４の位置が変化し、吸気弁１９のリフト特性が連続的に変化する。より具体的には、制御軸１４の作動角が大側に回動され、制御カム１５の中心Ｃ４と駆動軸１１の中心Ｃ１との距離を近づけるほど、リフト特性の変位であるバルブリフト量及び作動角が大きくなる。
【００１４】
また、ドライバによって操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ５１が設けられ、その検出信号が前記ＥＣＵ５０に入力される。そして、該検出されたアクセル開度に基づいて、前記機関の吸気マニホールド５２に介装されたスロットル弁５３が、スロットルアクチュエータ５４で駆動されて、目標開度に制御される。
前記スロットル弁５３には、スロットル開度を検出するスロットルセンサ５５が装着され、その検出信号が前記ＥＣＵ５０に入力される。そして、該検出されたスロットル開度ＴＶＯおよび機関回転速度Ｎｅに基づいて、後述するように前記可変動弁機構により制御される吸気弁１９の最終目標である到達作動角が設定される。
【００１５】
次に、同上可変動弁機構の動作特性を、考察する。
図４，５を参照して、ロッカアーム１６の他端部１６ｂには、吸気弁１９のバルブスプリング反力等によって生じる反力Ｆ１が、揺動カム１８，ロッド状リンク１７，第２ピン２９ｂ等を介して作用する。また、ロッカアーム１６の一端部１６ａには、反作用として発生する反力Ｆ２が、偏心カム１２，リング状リンク１３，第１ピン２９ａ等を介して作用する。従って、ロッカアーム１６の揺動中心Ｃ４には、実質的に反力Ｆ１，Ｆ２の合成反力Ｆ３が作用する。
【００１６】
これにより、制御軸１４には、制御軸１４の中心Ｃ３から合成反力Ｆ３の方向線までの腕長さｒ１と合成反力Ｆ３との積であるトルクＴ１が作用する。従って、駆動部２０が制御軸１４を所定の角度に保持するためには、少なくとも上記のトルクＴ１に釣り合う逆向きのトルクを必要とする。
制御軸１４が所定の回転角度に保持された状態では、図４に示すように、揺動カム１８が最も高リフト側へ押し下げられたとき、すなわち図４の反時計方向に最も揺動したときに、合成反力Ｆ３が最大となる。このときの合成反力Ｆ３の方向は、駆動軸１１の中心Ｃ１と制御軸１４の中心Ｃ３とを結ぶ第１の線Ｌ１と略平行となる。
【００１７】
ここで、図６に示すように、合成反力Ｆ３は、リフト量（作動角）の増大に応じて増大する[図（Ａ）：最小作動角、（Ｂ）：中間位置、（Ｃ）：最大作動角]が、腕長さｒ１は、偏心カム１２の回転にしたがって、最小作動角から中間位置までは増大するが、その後は、減少する。したがって、合成反力Ｆ３と腕長さｒ１との積であるトルクＴ１は、制御軸作動角θに対して非線形な特性を有する。
【００１８】
図７は、制御軸１４の作動角θcsと、当該制御軸作動角θcsに保持するのに必要な前記電動モータ２６の駆動電流（以下保持電流という）ｉcs（トルクＴ１に比例）との関係を示す。
ここで、上記非線形な制御軸作動角θcs−保持電流ｉcs特性に対し、制御軸作動角θcs毎のバネ定数Ｋ（θcs）を下式のように定義して算出し、該バネ定数Ｋ（θcs）を用いて制御対象である可変動弁機構の動作特性をモデル化しつつ制御軸作動角θcsの位置決め制御を行う。
【００１９】
Ａ（θcs）＝ｉcs／θcs・・・(1)
Ｋ（θcs）＝Ａ（θcs）・ＫT・・・(2)
ただし、ＫT：電動モータ２６のトルク定数
図７の特性から(1)式より制御軸作動角θcsに対する保持電流ｉcsの係数Ａ（θcs）を算出し、該Ａ（θcs）に基づいて(2)式によりバネ定数Ｋ（θcs）を算出する（図８参照）。該算出されたバネ定数Ｋ（θcs）を制御軸作動角θcs毎に割り付けて図９に示す作動角−バネ定数マップを作成する。上記のように、バネ定数を定義することで、非線形特性を有する作動角と保持電流とを連続的かつ一義的な関数として設定でき、可変動弁機構を後述するようにモデル化することが可能となる。
【００２０】
本制御システムは、図１０の制御ブロック図に示すように、大きく分けてθCST演算器１０１と、本発明に係る規範応答時定数演算器１０２と、動特性補償部１０３と、応答性補償部１０４と、制御対象である可変動弁機構１０５とから構成される。
可変動弁機構１０５の伝達特性ＧP(s)は、動特性と静特性の積として、次式に示すような０次／２次で表すことができる（下式右辺の左側の項が動特性、右側の項が静特性）。
【００２１】
【数１】
2006200401.tif 000003
ただし、Ｊ：可変動弁機構の慣性モーメント
Ｄ：同上機構の粘性抵抗
以上のことを踏まえて、図１０に示した本制御システムの各要素について説明する。
【００２２】
θCST演算器１０１は、上述したようにスロットル開度ＴＶＯおよび機関回転速度Ｎｅに基づいて、吸気弁１９の最終目標である到達作動角θCSTを入力指令値として演算する。
次に、規範応答時定数演算器１０２について説明する。
本実施形態では、設計者が希望する作動角の応答である規範応答（減衰比ζ、振動数ω）の時定数として、上記２次振動系で表される可変動弁機構の振動数ωによって設定する。
【００２３】
具体的には、スロットル開度ＴＶＯの変化量｜ΔＴＶＯ｜に基づいて、図１１に示すマップを参照して振動数ωを設定する。
ここで、前記変化量｜ΔＴＶＯ｜が大きいときは、振動数ωが大きい値に設定され、これにより、前記規範応答の時定数が小さくなって応答が早められる。一方、前記変化量｜ΔＴＶＯ｜が小さくなるほど振動数ωが小さい値に設定され、これにより、前記規範応答の時定数が大きくなって応答が遅くなる。
【００２４】
規範応答時定数演算器１０２は、上記規範応答を、前記到達作動角θCSTの演算に用いられるスロットル開度ＴＶＯの変化量ΔＴＶＯに基づいて、可変に設定するものである。ここで、規範応答が次式(4)に示す目標作動角演算器１０２ａの伝達特性ＧT(s)で与えられるとする。
【００２５】
【数２】
2006200401.tif 000004
次に、動特性補償部１０３について説明する。動特性補償部１０３は、いわゆるフィードフォワード補償器であり、前記のように変化量｜ΔＴＶＯ｜に応じて可変に設定された振動数ωを用いて、上記(4)式で規範応答ＧT(s)を設定し、到達作動角θCSTに対し、前記規範応答ＧT(s)で追従するように、ＧFF(s)＝ＧT(s)／ＧP(s)の関係から求めた動特性補償部１０３の伝達関数ＧFF(s)により、次式(5)により、駆動電流のフィードフォワード分である動特性補償出力ｉCSFFを算出する。つまり、動特性補償部１０３は、２次／２次フィルタで構成される。
【００２６】
【数３】
2006200401.tif 000005
次に、応答性補償部１０４について説明する。この応答性補償部１０４は、目標作動角演算器１０４ａと動特性出力補償器１０４ｂとから構成される。
目標作動補償器１０４ａは、前記到達作動角θCSTと、スロットル開度変化量｜ΔＴＶＯ｜に応じて可変に設定された振動数ωと、を用いて、規範応答に対応する目標制御軸作動角θCSMを、次式(6)に基づき演算する。目標制御軸作動角θCSMは、制御軸作動角θCSが最終的な到達作動角θCSTに至るまでの過渡的な作動角である。
【００２７】
【数４】
2006200401.tif 000006
なお、(6)式のζも設計者が希望する作動角応答に応じて設定する。
動特性出力補償器１０４ｂでは、積分特性を有し、制御対象のパラメータ変化に対して安定性が補償されているフィルタを用いて動特性補償出力補正値ｉCSFBを、次式(7)に示す偏差量θERRから算出する。
【００２８】
θERR＝θCSM−θCS・・・(7)
積分特性を有するフィルタの例として次式(8)があげられる。比例ゲインＰおよび積分ゲインＩは、安定性が補償されているゲインである。
この場合、動特性出力補償値ｉCSFBは次式(9)から算出する。
ＧFB(s)＝（Ｐｓ＋Ｉ）／ｓ・・・(8)
ｉCSFB＝（Ｐｓ＋Ｉ）／ｓ・θERR・・・(9)
動特性出力補償補正値ｉCFSBおよび前記動特性補償出力ｉCSFFを用いて、電流指令値ｉCSCは、(10)式より算出される。
【００２９】
ｉCSC＝ｉCSFB＋ｉCSFF・・・(10)
このように作動角毎に算出したバネ定数を用いて可変動弁機構のモデルを推定し、該モデルを用いて電流指令値ｉCSCを算出して制御することにより、パラメータ変動や外乱の影響を受けにくく、かつ、設計者が希望する作動角応答が得られる。
そして、本発明に係る構成として、スロットル開度変化量に応じて規範応答の時定数を変え、該変化量が小さいときには前記可変動弁機構の振動数ωを小さい値に設定して時定数を大きくすることにより、スロットル開度が略一定であるが、アクセル操作によって微振動しているような場合に、可変動弁機構で制御される機関バルブ（本実施形態では吸気弁１９）の作動角の振動を抑えることができると共に、電動モータ２６の電流指令値の振動を防止でき、安定した制御を行え、燃費の悪化を防止できる。
【００３０】
また、スロットル開度変化量が大きいときには、可変動弁機構の振動数ωを大きい値に設定して規範応答の時定数を小さくすることにより、速やかに作動角を変化させて良好な応答性を確保できる。
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、上記スロットル開度変化量に応じて時定数を変更することに加えて、可変動弁機構の作動角−保持電流特性によっても時定数を変更する構成としたものである。
【００３１】
図１２は、第２の実施形態の制御ブロック図を示す。
具体的には、規範応答時定数設定器１０２’は、第１の実施形態同様に図１１のマップを参照して得られた可変動弁機構の振動数ωを基本値ωBとして設定した後、図１３に示すマップを参照して補正係数Ｇを得、次式(11)に示すように、前記基本値ωBに該補正係数Ｇを乗じて最終的な振動数ωとして設定する。
【００３２】
ω＝Ｇ・ωB・・・(11)
ここで、前記補正係数Ｇは、制御軸作動角θCSの変化量Δ｜θCS｜に対して電動モータ２６の保持電流ｉCSの変化量Δ｜ｉCS｜が小さい領域では大きい値に設定され、Δ｜θCS｜に対してΔ｜ｉCS｜が大きい領域では小さい値に設定されている。
このようにすれば、スロットル開度の変化量｜ΔＴＶＯ｜が小さいときでも、特に、Δ｜ｉCS｜／Δ｜θCS｜が大きい図１３のＡ，Ｃ領域では、補正係数Ｇが小さいので、振動数ωが小さくなって規範応答の時定数が大きくなり、作動角および電流指令値の振動が抑制される。一方、Δ｜ｉCS｜／Δ｜θCS｜が小さく応答が重視される図１３のＢ領域では、補正係数Ｇが大きいので振動数ωは比較的大きい値に維持されて、良好な応答を確保できる。すなわち、作動角および電流指令値の振動を抑制しつつ作動角毎に最大限の応答速度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る可変動弁機構の平面図。
【図２】同上可変動弁機構の要部断面図。
【図３】上記可変動弁機構の駆動部を示す構成図。
【図４】上記可変動弁機構の作用を説明するための図。
【図５】上記可変動弁機構の制御軸及び制御カムを示す構成図。
【図６】上記制御軸の各回転角における作用を説明するための図。
【図７】上記可変動弁機構の作動角と保持電流の関係を示す図。
【図８】上記可変動弁機構のバネ定数の算出を説明するための図。
【図９】バネ定数の基本的な特性マップ。
【図１０】上記可変動弁機構の制御装置における第１の実施形態の制御ブロック図。
【図１１】第１の実施形態における可変動弁機構の振動数ωの設定マップ。
【図１２】上記可変動弁機構の制御装置における第２の実施形態の制御ブロック図。
【図１３】第２実施形態における可変動弁機構の振動数補正係数の設定マップ。
【符号の説明】
【００３４】
１１    駆動軸、
１２    偏心カム
１３    リング状リンク
１４    制御軸
１５    制御カム
１６    ロッカアーム
１７    ロッド状リンク
１８    揺動カム
１９    吸気弁
２０    駆動部
５０    ＥＣＵ
５１    アクセル開度センサ
５２    吸気マニホールド
５３    スロットル弁
５４    スロットルアクチュエータ
５５    スロットルセンサ
１０１    θCST演算器
１０２、１０２’    規範応答時定数演算器
１０３    動特性補償部
１０４    応答性補正部
１０５    可変動弁機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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