(57)【要約】    【課題】  内燃機関における可変動弁機構を、モデル化して制御精度を向上する。    【解決手段】可変動弁機構のモデルを、可変される機関バルブの作動角θCS毎に、駆動電流ｉCS／制御軸作動角θCSとして算出したバネ定数Ｋ（θCS）を用いて推定し、該モデルを用いて該可変動弁機構をフィードバック制御する構成とした。【選択図】  図８
2006200403.tif 000002
【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アクチュエ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、該リフト特性の変位と駆動力との関係が非線形な特性を有する内燃機関における可変動弁機構の制御装置であって、前記可変動弁機構のモデルを、可変されるリフト特性毎に駆動力／変位として算出したバネ定数を用いて推定し、該モデルを用いて該可変動弁機構を制御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】
前記モデル化される可変動弁機構の動作特性は、静特性と動特性とを含んで構成され、静特性を、前記バネ定数およびエンジン回転速度に基づいて推定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】
前記可変動弁機構の動作特性モデルを、下式として推定した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。
【数１】
2006200403.tif 000007
ただし、Ｊ：可変動弁機構の慣性モーメント
Ｄ：同上装置の粘性抵抗
ＫT：アクチュエータのトルク定数
Ｋ（θcs）：バネ定数
θcs：可変動弁機構で制御される機関バルブの作動角の代表値
【請求項４】
前記バネ定数は、リフト特性であるバルブリフト量を増加させる場合と、減少させる場合とで異なることを特徴とする請求項１〜請求項３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５】
前記アクチュエータは、電動モータであり、前記駆動力を該電動モータの通電電流によって制御す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５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７】
バネに連繋したリンク機構を、前記バネの付勢力に抗して駆動し、かつ、変位と駆動力との関係が非線形な特性を有するアクチュエータの制御装置であって、該アクチュエータの動作特性モデルを、変位毎に駆動力／変位として算出したバネ定数を用いて推定し、該モデルを用いてアクチュエータを制御することを特徴とするアクチュエータの制御装置。
【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。
この種の可変動弁機構として、特許文献１に示されるものでは、バルブスプリングの反力によって可変動弁機構の制御軸に作用する非線形特性の反力トルクを外乱として推定して制御を行っている。
【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】
上記特許文献１では、フィードバック制御系の安定性と反力トルクとの関係が明らかにできず、また、フィードバック制御系に対するバラツキ、経年変化の影響を容易に扱えない。
また、安定性解析では、制御対象の伝達関数とフィードバック補償器の伝達関数とを掛け合わせた一巡伝達関数が必要であるが、上記特許文献１では、反力トルクを外乱として推定し、制御対象（可変動弁機構）のモデルに反力トルク作用を組み込んでいないので、正しくモデル化されていない制御対象の伝達関数を用いて上記のように一巡伝達関数を求めても、安定性解析を正しく行うことができない。
【０００４】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、可変動弁機構をモデル化して高精度な制御を行え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、該リフト特性の変位と駆動力との関係が非線形な特性を有する可変動弁機構の動作特性モデルを、可変されるリフト特性の変位（作動角、リフト量）毎に駆動力／変位として算出したバネ定数を用いて推定し、該モデルを用いて可変動弁機構を制御する構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
かかる構成とすれば、可変動弁機構を、上記のようにリフト特性毎に算出したバネ定数を用いてモデル化することにより、バルブ特性の可変範囲の全域に亘って、バルブスプリングからの反力に応じた特性を正確に表したモデルを設計することができるので、パラメータ変動や外乱の影響を受けにくく、かつ、設計者が希望するリフト特性の応答が得られる。
【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】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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、作動角θに対して非線形な特性を有する。
【００１７】
図７は、制御軸の作動角θcs（吸気弁のリフト量、作動角と相関）と駆動電流ｉcs（トルクＴ１に比例）との関係を示す。
ここで、本発明では、上記非線形な制御軸作動角θcs−駆動電流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。
【００１８】
Ａ（θcs）＝ｉcs／θcs・・・(1)
Ｋ（θcs）＝Ａ（θcs）・ＫT・・・(2)
ただし、ＫT：ＤＣモータのトルク定数
図７の特性から(1)式より制御軸作動角θcsに対する駆動電流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制御軸作動角と駆動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。
【００１９】
本制御システムは、図１０に示すように、大きく分けて動特性補償部１０１と、応答性補償部１０２と、制御対象である可変動弁機構１０３とから構成される。
可変動弁機構１０３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）。
【００２０】
【数１】
2006200403.tif 000003
【００２１】
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。
まず、動特性補償部１０１について説明すると、動特性補償部１０１はいわゆるフィードフォワード補償器である。
【００２２】
ここで、設計者が希望する作動角の応答（減衰比ζ、振動数ω）が次式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。
【００２３】
【数２】
2006200403.tif 000004
【００２４】
入力値かつ最終目標値である到達作動角θCSTに対し、実制御軸作動角θCSが前記動特性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１０１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１０１は、２次／２次フィルタで構成される。
【００２５】
【数３】
2006200403.tif 000005
【００２６】
次に、応答性補償部１０２について説明する。この応答性補償部１０２は、目標作動角演算器１０２ａと動特性出力補償器１０２ｂとから構成される。
目標作動補償器１０２ａは到達作動角θCSTを入力とし、設計者が希望する作動角の応答である目標制御軸作動角θCSMを(6)式に基づき演算する。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】
2006200403.tif 000006
【００２８】
(6)式のζとωは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１０２ｂ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、(7)式の偏差量θERRから算出する。
θERR＝θCSM−θCS・・・(7)
積分特性を有するフィルタの例として(8)式があげられる。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(9)式から算出する。
【００２９】
ＧFB(s)＝（Ｐｓ＋Ｉ）／ｓ・・・(8)
ｉCSFB＝（Ｐｓ＋Ｉ）／ｓ・θERR・・・(9)
動特性出力補償補正値ｉCFSBに基づき、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。
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。
【００３０】
なお、例えば、本発明のように定義したバネ定数を用いず、図７で示される非線形特性に対し、作動角の小さな線形性を有した領域と、それ以上の非線形性を有した領域をさらに駆動電流が最大点を含んで増減する領域、それ以降の曲線状に減少する領域など複数に分割してそれぞれ異なるモデルを設計してモデルを切り換えながら制御することなども考えられるが、極めて複雑化するだけで、切り換え点での連続性を持たせることも難しく、精度も上がらないことは明らかである。
【００３１】
また、図１１に示すように、可変動弁機構の作動角が動き始めるのに必要な電流は、エンジン回転速度Ｎｅ毎に異なる。そこで、第２の実施形態では、エンジン回転速度Ｎｅを基に図１２に示すマップからオフセット電流ofset＿ｉを表引き演算し、次式(11)のように、電流指令値ｉCSCに加える。これにより、制御精度がより向上する。
ｉCSC＝ｉCSFB＋ｉCSFF＋ofset＿ｉ・・・(11)
また、可変動弁機構の制御軸作動角θCSと駆動電流ｉCSの関係は、摩擦等により、図１３に示すように、制御軸作動角θCSが増大するときは、減少するときより同一制御軸作動角θCSの駆動電流ｉCSが大きくなるヒステリシスを有し、かつ、エンジン回転速度Ｎｅが大きいほどヒス幅が増大する特性を有することが実験的に確認された。
【００３２】
そこで、第３の実施形態ではバネ定数Ｋ(θCS)を制御軸作動角θCS、エンジン回転速度Ｎｅ、作動角変化方向毎に(2)式を用いて算出し、図１４に示すような作動角−バネ定数マップを作成し、該マップを参照してバネ定数Ｋ(θCS)を表引き演算する。本実施形態では、(10)式より、電流指令値ｉCSCを算出する。このようにすれば、作動角変化方向によらず、高精度な制御を行える。
図１５、図１６は、本発明の制御システムを用いて、到達作動角θCSTをステップ的に変化させたときの制御軸作動角θCSの応答を示す。
図１５では、規範応答と作動角が一致しており良好な応答である。図１６は、外乱に対しオーバーシュートすることなく目標値に収束している。
また、上記可変動弁機構の他、バネに連繋したリンク機構を、前記バネの付勢力に抗して駆動し、かつ、変位と駆動力との関係が非線形な特性を有するアクチュエータの制御装置に対しても、可変動弁機構と同様のモデル化を行って制御することができる。すなわち、前記非線形特性を有するアクチュエータの動作特性モデルを、変位毎に駆動力／変位として算出したバネ定数を用いて推定し、該モデルを用いてアクチュエータを制御することができ、可変動弁機構に適用した場合と同様の効果が得られる。
【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駆動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制御ブロック図。
【図１１】上記可変動弁機構におけるエンジン回転速度変化によるオフセット電流の相違を示す図。
【図１２】第２実施形態で用いるオフセット電流の特性マップ。
【図１３】上記可変動弁機構の作動角、エンジン回転速度、作動角変化方向と駆動電流の関係を示す図。
【図１４】第３実施形態で用いるバネ定数の特性マップ。本発明の実施形態における可変動弁機構のシステム構成図。
【図１５】本発明に係る制御装置を用いたときのステップ応答を示す図。
【図１６】同じく、本発明に係る制御装置を用いたときの外乱を生じたときのステップ応答を示す図。
【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
１０１    動特性補償部
１０２    応答性補正部
１０３    可変動弁機構
【図１】
2006200403.tif 000008
【図２】
2006200403.tif 000009
【図３】
2006200403.tif 000010
【図４】
2006200403.tif 000011
【図５】
2006200403.tif 000012
【図６】
2006200403.tif 000013
【図７】
2006200403.tif 000014
【図８】
2006200403.tif 000015
【図９】
2006200403.tif 000016
【図１０】
2006200403.tif 000017
【図１１】
2006200403.tif 000018
【図１２】
2006200403.tif 000019
【図１３】
2006200403.tif 000020
【図１４】
2006200403.tif 000021
【図１５】
2006200403.tif 000022
【図１６】
2006200403.tif 000023