(57)【要約】【課題】テーパ状のカム面を有するカムシャフトを軸線方向に移動させ、機関弁のリフト量及び開弁期間を同時に変化させる可変動弁系において、所望のリフト量及び開弁期間を実現可能とする制御装置を提供する。【解決手段】駆動装置５によってテーパ状のカム面を有するカムシャフト１を軸線方向に移動させて、機関弁８の開弁期間及び最大リフト量を同時に大きく又は小さく変化させることを可能とする可変動弁系の制御装置であって、機関弁の開弁中においてカムシャフトに作用する軸線方向の反力を算出し、反力が発生している時にだけ反力を相殺するように、カムシャフトへ反対方向の押圧力を作用させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動装置によってテーパ状のカム面を有するカムシャフトを軸線方向に移動させて、機関弁の開弁期間及び最大リフト量を同時に大きく又は小さく変化させることを可能とする可変動弁系の制御装置であって、前記機関弁の開弁中において前記カムシャフトに作用する軸線方向の反力を算出し、前記反力が発生している時にだけ前記反力を相殺するように、前記カムシャフトへ反対方向の押圧力を作用させることを特徴とする可変動弁系の制御装置。
【請求項２】
応答遅れを考慮して前記駆動装置が前記押圧力を前記カムシャフトへ作用させることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁系の制御装置。
【請求項３】
前記応答遅れは前記駆動装置をモデル化して算出されることを特徴とする請求項２に記載の可変動弁系の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における可変動弁系の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変動弁装置として、テーパ状のカム表面を有するカムシャフトを軸線方向に移動させることにより、機関弁（吸気弁又は排気弁）の開弁期間及び最大リフト量を同時に大きく又は小さく変化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この可変動弁装置において、所望の開弁期間及び最大リフト量を実現するためには、対応する設定移動量だけカムシャフトを移動させることとなるが、実際に機関弁を開弁させると、バルブスプリングの反力がテーパ状のカム表面に作用してカムシャフトには軸線方向の反力が発生するために、特に最大リフト時には、カムシャフトは押し戻されて意図する位置で機関弁がカム面と接触せず、所望の開弁期間は実現されても、実際の最大リフト量は所望最大リフト量より小さくなってしまう。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１５８１０号公報（段落番号００４３−００７６、
図１及び２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
これを防止するために、例えば、最大リフト時においてカムシャフトが押し戻されることを考慮して機関弁が意図する位置でカム面と接触するように、カムシャフトの設定移動量を予め増大させることが考えられる。しかしながら、これでは、開弁開始時において機関弁は意図する位置でカム面と接触せず、意図するより以前に開弁が開始され、開弁期間が長くなってしまう。
【０００６】
従って、本発明の目的は、テーパ状のカム面を有するカムシャフトを軸線方向に移動させ、機関弁のリフト量及び開弁期間を同時に変化させる可変動弁系において、所望のリフト量及び開弁期間を実現可能とする制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の可変動弁系の制御装置は、駆動装置によってテーパ状のカム面を有するカムシャフトを軸線方向に移動させて、機関弁の開弁期間及び最大リフト量を同時に大きく又は小さく変化させることを可能とする可変動弁系の制御装置であって、前記機関弁の開弁中において前記カムシャフトに作用する軸線方向の反力を算出し、前記反力が発生している時にだけ前記反力を相殺するように、前記カムシャフトへ反対方向の押圧力を作用させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の可変動弁系の制御装置は、請求項１に記載の可変動弁系の制御装置において、応答遅れを考慮して前記駆動装置が前記押圧力を前記カムシャフトへ作用させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の可変動弁系の制御装置は、請求項２に記載の可変動弁系の制御装置において、前記応答遅れは前記駆動装置をモデル化して算出されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による内燃機関の可変動弁装置を示す概略断面図である。同図において、１は吸気弁又は排気弁（機関弁）用のカムシャフトであり、カムシャフト１には、機関弁の数に相当する数の軸線方向に傾斜するテーパ状のカム面を有するカム２が配置されている。カムシャフト１の図示されていない一方の端部は、クランクシャフト（図示せず）にタイミングベルト等を介して連結され、それにより、カムシャフト１はクランクシャフトにより回転駆動される。また、カムシャフト１の図示された他方の端部は、ベアリング等を介してボールネジ３に取り付けられ、それにより、カムシャフト１はボールネジ３対して軸線方向には不動であるが回転可能に支持されている。
【００１１】
ボールネジ３は大径ギヤ４の内歯に噛合し、大径ギヤ４の外歯にはモータ５の駆動軸５ａに取り付けられた小径ギヤ６が噛合している。このような構成により、制御装置２０によってモータ５を駆動すれば、小径ギヤ６によって大径ギヤ４が回転駆動される。ボールネジ３は、大径ギヤ４に対して回転しないように支持されているために、大径ギヤ４の回転に伴ってカムシャフト１と共にカムシャフト１の軸線方向に移動する。７はカムシャフト１の軸線方向の移動量を検出するための検出装置である。
【００１２】
機関弁として、例えば、吸気弁８は、開弁期間及び最大リフト量を制御して吸入空気量を制御することが望まれている。吸気弁８のバルブリフタ９には揺動子１０が設けられ、バルブスプリング１１によって揺動子１０がカム２に常に当接するようになっている。
【００１３】
それにより、カムシャフト１を前述したように軸線方向（図１において右方向）に移動させることにより、揺動子１０とテーパ状のカム面との当接位置が変化し、吸気弁８の開弁期間が長くなると共に最大リフト量も大きくなる。逆に、カムシャフト１を反対方向（図１において左方向）へ移動させると、図１に示すようになって、吸気弁８の開弁期間が短くなると共に最大リフト量も小さくなる。
【００１４】
こうして、必要吸気量が少ない時には吸気弁８の開弁期間を短くすると共に最大リフト量を小さくし、必要吸気量が多くなるほど吸気弁８の開弁期間を長くすると共に最大リフト量も大きくされ、スロットル弁（図示せず）を全開してポンピング損失を発生させることなく、所望量の吸気を気筒内へ供給することが可能となる。
【００１５】
吸気弁８において、所望の開弁期間及び所望の最大リフト量を実現するためには、検出装置７によりカムシャフト１の移動量を監視して、対応する設定移動量だけカムシャフト１を移動させることとなるが、実際に吸気弁８を開弁させると、バルブスプリング１１の反力がテーパ状のカム表面に作用してカムシャフト１には軸線方向の反力が発生するために、特に最大リフト時には、カムシャフト１は押し戻されて意図する位置で吸気弁８がカム面と接触せず、所望の開弁期間は実現されても、実際の最大リフト量は所望最大リフト量より小さくなってしまう。
【００１６】
これを防止するために、例えば、最大リフト時においてカムシャフト１が押し戻されることを考慮して、この時に吸気弁８が意図する位置でカム面と接触するように、カムシャフト１の設定移動量を予め増大させることが考えられる。しかしながら、これでは、開弁開始時において機関弁は意図する位置でカム面と接触せず、意図するより以前に吸気弁８の開弁が開始され、開弁期間が長くなってしまう。
【００１７】
図２は、バルブスプリング１１によって発生するカムシャフト１を押し戻そうとする軸線方向の反力の大きさを示すタイムチャートである。点線は、吸気弁８の開弁期間が短く、吸気弁８の最大リフト量が小さい場合を示している。この場合において、反力は、吸気弁８の開弁開始と共に発生して、吸気弁８のリフト量の増加に伴って増加し、吸気弁８の最大リフト時に最大となり、吸気弁８のリフト量の減少に伴って減少し、吸気弁８の閉弁と同時に無くなる。同様な反力が、他気筒の吸気弁の開弁に際して順次発生する。
【００１８】
図２における実線は、吸気弁８の開弁期間が長く、吸気弁８の最大リフト量が大きい場合を示している。この場合においても、軸線方向の反力は、前述同様に発生するが、開弁期間が長くて吸気弁８が閉弁される以前に他気筒の吸気弁８が開弁することとなるために、カムシャフト１に作用する反力が無くなることはない。また、反力は、前述したように、バルブスプリング１１の変位量、すなわち、吸気弁８のリフト量に比例して大きくなるために、この場合においては、最大リフト量が大きくされている分、大きな反力が発生している。
【００１９】
このように、吸気弁８の開弁中には、カムシャフト１を押し戻すように、吸気弁８のリフト量に応じた反力が発生することとなる。もちろん、図２に実線で示すように、二つの気筒において同時に吸気弁８が開弁している間は、それぞれのバルブスプリング１１により吸気弁８のリフト量に応じた反力が同時にカムシャフト１に発生する。
【００２０】
可変動弁装置による吸気弁８の開閉制御では、吸気弁８を意図する開弁時期から意図する開弁期間及び意図する最大リフト量で開弁させるものであり、すなわち、吸気弁８のリフト量に応じたクランク角度に対する前述の反力の大きさは、予め推定可能である。それにより、クランク角度に対する反力の大きさに合わせて、これを相殺するようにカムシャフト１へ反対方向の押圧力を作用させれば、カムシャフト１が押し戻されることを防止することができる。すなわち、図２は、バルブスプリング１１によりカムシャフト１へ作用する反力の大きさを示したが、これと同じ押圧力をモータ５によってカムシャフト１へ反対方向に作用させれば良いこととなる。
【００２１】
図３は、モータ５の電圧印加から実際に駆動軸５ａが所望角度Ｘだけ回転するまでの応答遅れを示すモデルである。ここで、Ｅは印加電圧、Ｒはモータ抵抗、Ｌはモータインダクタンス、Ｄはモータ粘性、Ｊはイナーシャ、Ｔはモータトルク、Ｉはモータ電流、Ｋｉはモータトルク定数、τは外乱トルク、ωはモータ角速度、Ｘはモータ回転角、Ｋｇはモータ逆起電力定数、Ｅｇはモータ逆起電力である。モータ５へ電圧を印加して実際に所望値の電流が流れるまで、また、発生したトルクＴによって駆動軸５ａが実際に所望角速度で回転するまで、また、所望角速度ωで回転した駆動軸５ａが実際に所望角度回転するまでに、それぞれ応答遅れが発生する。
【００２２】
吸入空気量を変化させるために、吸気弁８の開弁期間及び最大リフト量を変更することが要求された時には、制御装置２０によって、先ず、そのための設定移動量（例えば、吸気弁８の開弁期間を最短として吸気弁８の最大リフト量を最小とする時には、基準設定移動量としてゼロが設定されている。）がマップ（図示せず）等を使用して算出され、次いで、この設定移動量を実現するために、現在のカムシャフト１の移動量を考慮して、大径ギヤ４の所望回転角が算出され、さらに、小径ギヤ６の所望回転角、すなわち、モータ５の駆動軸５ａの所望回転角Ｘが算出される。こうして、所望回転角Ｘが算出されれば、図３に示すモデルに従って、制御装置２０により必要な電圧Ｅがモータ５へ印加されることとなる。
【００２３】
このように、吸気弁８の開弁期間及び最大リフト量を変更することが要求されてモータ５への必要電圧Ｅが算出されると直ぐにモータ５は駆動されて、小径ギヤ６、大径ギヤ４、及び、ボールネジ３等の機械系における応答遅れの後、カムシャフト１の設定移動量が実現され、吸気弁８の開弁に備えられる。
【００２４】
制御装置２０は、このような実際的にカムシャフト１を移動させる時だけでなく、前述したように、吸気弁８の開弁中にカムシャフト１に発生する反力を相殺するためにモータ５においてトルクＴを発生する。前述したように、吸気弁８を開弁させた際にカムシャフト１に発生するクランク角度毎の軸線方向の反力は、吸気弁８の開弁パターン（開弁開始時期、開弁期間、及び、リフト量）が定まった時点で推定可能である。すなわち、吸入空気量に基づき吸気弁８の開弁パターンが定まって、これを実現するための所望移動量だけカムシャフト１が移動さされば、次いで実際に吸気弁８が開弁される際にカムシャフト１に作用する反力は、図２に示すグラフのように、クランク角度毎の反力として推定することができる。
【００２５】
このクランク角度毎の反力を相殺するクランク角度毎の押圧力をクランク角センサ（図示せず）の出力に基づきボールネジ３によってカムシャフト１に作用させるようにすれば良く、そのためには、ボールネジ３に作用させるクランク角度毎の必要トルクが算出される。次いで、このために必要な大径ギヤ４に作用させるクランク角度毎の必要トルクが算出され、次いで、このために必要な小径ギヤ６のクランク角度毎の発生トルク、すなわち、クランク角度毎のモータ５における発生トルクＴが算出される。
【００２６】
こうして、吸気弁８の開弁中にカムシャフト１に発生する反力を相殺するためのモータ５におけるクランク角度毎の発生トルクＴを吸気弁８の実際の開弁以前に算出するようにすれば、これを実現するために、モータ５への電圧印加から実際に所望トルクＴが発生するまでの前述した応答遅れを考慮して、必要な電圧波形をモータ５へ印加すれば良い。
【００２７】
尚、各吸気弁８のバルブスプリング１１によってカムシャフト１に作用する反力を完全に相殺するためには、図２に示す発生反力の波形とモータ５における発生トルクの波形とにおいて、位相をゼロとして周期を一致させることが必要である。こうして、反力を相殺すれば、設定移動量とされたカムシャフト１は、吸気弁の開弁中においても軸線方向には不動となる。
【００２８】
本実施形態において、機関弁として主に吸気弁８に関して説明したが、もちろん、排気弁において前述同様なカムを使用して開弁期間及び最大リフトが制御される場合には、カムシャフトへ同様な反力が作用するために、所望の開弁期間及び所望の最大リフト量を実現するためには、やはり、クランク角度毎に変化する反力を前述同様に相殺することが必要となる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明による可変動弁系の制御装置は、機関弁の開弁中においてテーパ状のカム面を有するカムシャフトに作用する軸線方向の反力を算出し、この反力が発生している時にだけ反力を相殺するように、カムシャフトへ反対方向の押圧力を作用させるようになっているために、機関弁の開弁中において作用する反力によってカムシャフトが押し戻されることはなく、テーパ状のカム面によって機関弁の所望リフト量及び所望開弁期間を確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変動弁装置を示す概略断面図である。
【図２】機関弁の開弁によってカムシャフトに作用する軸線方向の反力を示すタイムチャートである。
【図３】モータにおける電圧印加から実際に駆動軸が所望角度だけ回転するまでの応答遅れを示すモデルである。
【符号の説明】
１…カムシャフト
２…カム
３…ボールネジ
５…モータ
８…吸気弁
１１…バルブスプリング
２０…制御装置
【図１】
2004116365.tif 000003
【図２】
2004116365.tif 000004
【図３】
2004116365.tif 000005