(57)【要約】【課題】  モータにより弁の動作を適切に制御して性能向上を図ることが可能な内燃機関の動弁装置を提供する。【解決手段】  モータ１２の回転運動をカム２１により直線運動に変換し、その直線運動によりシリンダ１の吸気弁２又は排気弁３を開閉駆動する内燃機関の動弁装置１１Ａ、１１Ｂにおいて、弁２、３のリフト中にカム２１の回転方向を切り替える揺動駆動モードにてモータ１２を動作させることが可能なモータ制御装置３０を設ける。モータ制御装置３０は、揺動駆動モードにて弁２、３のリフト開始前にカム２１が回転を開始するようにモータ１２の動作を制御する。【選択図】      図６
2005171937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置において、
前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替える揺動駆動モードにて前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記揺動駆動モードにて前記弁のリフト開始前に前記カムが回転を開始するように前記電動機の動作を制御する揺動制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
【請求項２】
前記揺動制御手段は、前記弁のリフト開始時における前記カムの回転速度が、前記内燃機関の機関出力軸の回転速度を吸気行程の開始から排気行程の終了までの間の当該機関出力軸の回転数で除して得られる基本速度よりも高速となるように前記揺動駆動モードにおける前記カムの回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
【請求項３】
前記揺動制御手段は、前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替えた後は、次回のリフト中の切り替え時まで前記カムを同一方向に回転させることにより、前記カムのノーズに対する両側を交互に使用して前記弁をリフトさせることを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
【請求項４】
電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置において、
前記カムを一方向に連続的に回転させる正転駆動モードにて前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記正転駆動モードにて前記弁のリフト開始前に前記カムの回転数を変化させて前記弁の作用角を変化させる正転制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
【請求項５】
前記正転制御手段は、前記弁のリフト開始前において、前記内燃機関の機関出力軸の回転速度を吸気行程の開始から排気行程の終了までの間の当該機関出力軸の回転数で除して得られる基本速度と異なる所定速度まで前記カムの回転速度を変化させ、前記弁のリフト中は前記カムを前記所定速度で回転させることを特徴とする請求項４に記載の動弁装置。
【請求項６】
電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置において、
前記カムを一方向に連続的に回転させる正転駆動モード及び前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替える揺動駆動モードのそれぞれで前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記揺動駆動モードと前記正転駆動モードとの切替時に、前記弁のリフト量を積分して得られる時間面積が前記モードの切替の前後で略一致するように前記揺動駆動モード又は前記正転駆動モードの少なくともいずれか一方における前記電動機の動作を制御する切替制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
【請求項７】
前記切替制御手段は、前記揺動駆動モードにおける前記弁の最大リフト量が前記モードの切替時に近いほど増加するように前記揺動駆動モードの前記電動機の動作を制御することを特徴とする請求項６に記載の動弁装置。
【請求項８】
前記切替制御手段は、前記最大リフト量の増加に伴って前記内燃機関のスロットル弁の開度が減少するように該スロットル弁の開度を制御することを特徴とする請求項７に記載の動弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁を駆動する動弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の内燃機関の吸気弁及び排気弁は、内燃機関のクランク軸から取り出された動力によって開閉駆動されている。近年では電動機によって吸気弁や排気弁を開閉駆動することが試みられている。例えば、カム軸をステッピングモータで回転駆動して吸気弁を開閉させる動弁装置が提案されている（特許文献１）。その他に、本発明に関する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【特許文献１】特開平８−１７７５３６号公報
【特許文献２】特開昭５９−６８５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電動機を用いた弁駆動では、内燃機関のクランク軸の回転速度や回転方向とは切り離してカムを駆動することができるので制御の自由度が高く、従来の機械的な動弁装置では不可能であった様々な動弁特性を実現し得る。しかしながら、応答性の改善といった性能向上に適した具体的な制御方法についてはこれまで明らかにされていない。
【０００４】
そこで、本発明は、電動機により弁の動作を適切に制御して性能向上を図ることが可能な内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の動弁装置は、電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置であって、前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替える揺動駆動モードにて前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記揺動駆動モードにて前記弁のリフト開始前に前記カムが回転を開始するように前記電動機の動作を制御する揺動制御手段を備えている（請求項１）。
【０００６】
この動弁装置によれば、弁のリフト開始位置から電動機を回転させる場合と比較してリフト開始時におけるカムの初速度が高くなり、その結果、弁のリフト速度が高くなって吸気弁のリフト量が早期に上昇する。これにより弁のリフト量を積分して得られる時間面積が増加し、吸気又は排気の効率を高めることができる。
【０００７】
第１の動弁装置において、前記揺動制御手段は、前記弁のリフト開始時における前記カムの回転速度が、前記内燃機関の機関出力軸の回転速度を吸気行程の開始から排気行程の終了までの間の当該機関出力軸の回転数で除して得られる基本速度よりも高速となるように前記揺動駆動モードにおける前記カムの回転速度を制御してもよい（請求項２）。この態様によれば、カムを同一方向へ一定速度で回転させて弁を駆動する場合と比較して、リフト開始時のカムの初速度をより高速に設定できる。これにより、弁が開く際のリフト速度を十分に大きくして上述した時間面積をさらに拡大することができる。
【０００８】
第１の動弁装置において、前記揺動制御手段は、前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替えた後は、次回のリフト中の切り替え時まで前記カムを同一方向に回転させることにより、前記カムのノーズに対する両側を交互に使用して前記弁をリフトさせてもよい（請求項３）。このようにカムを動作させた場合には、カム及びモータの回転方向の切り替え頻度を減らし、回転の停止や回転方向の切り替えに起因する動弁系の各種の部品に対する油膜の乱れを抑え、潤滑性能を向上させることができる。それにより、動弁系部品の摩擦抵抗を抑え、電動機をより小さい負荷で駆動でき、定格トルクが小さいコンパクトな電動機を使用できる。カムの偏摩耗も防止される。
【０００９】
本発明の第２の動弁装置は、電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置であって、前記カムを一方向に連続的に回転させる正転駆動モードにて前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記正転駆動モードにて前記弁のリフト開始前に前記カムの回転数を変化させて前記弁の作用角を変化させる正転制御手段を備えている（請求項４）。この動弁装置によれば、リフト開始時にカムに様々な速度を与えることにより、作用角を拡大又は縮小して内燃機関の吸気又は排気特性を様々に変化させることができる。
【００１０】
第２の動弁装置の前記正転制御手段は、前記弁のリフト開始前において、前記内燃機関の機関出力軸の回転速度を吸気行程の開始から排気行程の終了までの当該機関出力軸の回転数で除して得られる基本速度と異なる所定速度まで前記カムの回転速度を変化させ、前記弁のリフト中は前記カムを前記所定速度で回転させてもよい（請求項５）。
【００１１】
カムを一方向に高速で回転させた場合、弁のリフト中は慣性の影響でカムの回転速度を十分に変化させることができないおそれがある。そのような場合、リフト開始前に所定速度までカムを加速又は減速させておき、リフト中は所定速度でカムを回転させることにより、目標とする作用角を確実に実現することができる。
【００１２】
本発明の第３の動弁装置は、電動機の回転運動をカムにより直線運動に変換し、その直線運動により気筒の弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置であって、前記カムを一方向に連続的に回転させる正転駆動モード及び前記弁のリフト中に前記カムの回転方向を切り替える揺動駆動モードのそれぞれで前記電動機を動作させることが可能な電動機制御手段を具備し、前記電動機制御手段は、前記揺動駆動モードと前記正転駆動モードとの切替時に、前記弁のリフト量を積分して得られる時間面積が前記モードの切替の前後で略一致するように前記揺動駆動モード又は前記正転駆動モードの少なくともいずれか一方における前記電動機の動作を制御する切替制御手段を備えている（請求項６）。
【００１３】
この動弁装置によれば、時間面積を略一致させた状態でカムの駆動モードを揺動駆動モードと正転駆動モードとの間で切り替えているので、切り替えの前後で吸気又は排気効率の変化を防止し、円滑なモード切替を実現してドライバビリティの悪化を防ぐことができる。
【００１４】
第３の動弁装置において、前記切替制御手段は、前記揺動駆動モードにおける前記弁の最大リフト量が前記モードの切替時に近いほど増加するように前記揺動駆動モードの前記電動機の動作を制御してもよい（請求項７）。正転駆動モードでは最大リフト量が一定であるが、揺動駆動モードではカムの回転角度を変化させることにより弁の最大リフト量を変化させることができる。しかも、カムの回転速度を変化させることにより作用角も任意に設定することができる。従って、正転駆動モードと比較して弁の時間面積を比較的容易に調整して正転駆動モードにおける時間面積と一致させることができる。
【００１５】
さらに、前記切替制御手段は、前記最大リフト量の増加に伴って前記内燃機関のスロットル弁の開度が減少するように該スロットル弁の開度を制御する（請求項８）。最大リフト量を増加させて時間面積を増加させた場合、それを補うようにスロットル弁の開度を減少させることにより吸気又は排気の効率の変化を抑えることができる。特に吸気弁を駆動する場合においては、揺動駆動モードにおいて最大リフト量を小さく制限しつつスロットル弁の開度を増加させることにより、吸気のポンピングロスを抑えられる利点がある。
【発明の効果】
【００１６】
以上に説明したように、本発明の第１の動弁装置によれば、揺動駆動モードにて弁のリフト開始前にカムの回転を開始させることにより、リフト開始時におけるカムの初速度を上昇させて揺動駆動モードにおける弁の時間面積を十分に確保できる。また、第２の動弁装置によれば、正転駆動モードにおいてリフト開始前にカムの回転速度を変化させることにより弁の作用角を目的に応じて適宜に増加又は減少させることができる。さらに、第３３の動弁装置によれば、カムの駆動モードの切替時における吸気又は排気効率の変化を抑えて駆動モードの切り替えを円滑に行い、ドライバビリティの悪化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明の動弁装置の一形態を示している。図１の動弁装置１１Ａ、１１Ｂは４サイクルの多気筒レシプロ式内燃機関に組み込まれる。内燃機関の一つのシリンダ１には、シリンダ１を開閉する弁手段として、吸気弁２及び排気弁３が２本ずつ設けられており、２本の吸気弁（弁手段）２は共通の動弁装置１１Ａにて駆動され、排気弁（弁手段）３は別の動弁装置１１Ｂにてそれぞれ開閉駆動される。図示を省略した他のシリンダに関しても同様に吸気弁及び排気弁が互いに異なる動弁装置１１Ａ、１１Ｂにて開閉駆動される。吸気側の動弁装置１１Ａと排気側の動弁装置１１Ｂとは基本的に同一の構成を有しており、以下では吸気側の動弁装置１１Ａについて説明する。
【００１８】
吸気側の動弁装置１１Ａは、駆動源としての電動機（以下、モータと呼ぶ。）１２と、モータ１２の回転運動を伝達する伝達機構としてのギア列１３と、ギア列１３から伝達された回転運動を吸気弁２の直線的な開閉運動に変換するカム機構１４とを備えている。モータ１２には、回転速度の制御が可能なＤＣブラシレスモータ等が使用される。モータ１２には、その回転位置を検出するためのレゾルバ、ロータリエンコーダ等の位置検出センサ１２ａが内蔵されている。ギア列１３は、モータ１２の出力軸（不図示）に取り付けられたモータギア１５の回転を中間ギア１６を介してカム駆動ギア１７に伝達する。ギア列１３はモータギア１５とカム駆動ギア１７とが互いに等しい速度で回転するように構成されてもよいし、モータギア１５に対してカム駆動ギア１７を増速又は減速させるように構成されてもよい。
【００１９】
図２にも示したように、カム機構１４は、カム駆動ギア１７と同軸かつ一体回転可能に設けられたカム軸２０と、カム軸２０に一体回転可能に設けられた二つのカム２１と、各カム２１に対応してロッカーアーム軸２３の回りに揺動可能に支持された一対のロッカーアーム２４とを備えている。カム２１はカム軸２０と同軸の円弧状のベース円２１ｂの一部を半径方向外側に向かって膨らませてノーズ２１ａを形成した板カムの一種として形成されている。カム２１のプロファイルはその全周に亘って負の曲率が生じないように、つまり半径方向外側に向かって凸曲面を描くように設定されている。
【００２０】
各カム２１はロッカーアーム２４の一端部２４ａと対向する。各吸気弁２はバルブスプリング２８の圧縮反力によってロッカーアーム２４側に付勢され、それらにより吸気ポートのバルブシート（不図示）に吸気弁２が密着して吸気ポートが閉じられる。ロッカーアーム２４の他端部２４ｂはアジャスター２９と接している。アジャスター２９がロッカーアーム２４の他端部２４ｂを押し上げることにより、ロッカーアーム２４はその一端部２４ａが吸気弁２の上端部と接触した状態に保たれる。
【００２１】
以上のカム機構１４においては、モータ１２の回転運動がギア列１３を介してカム軸２０に伝達されると、カム軸２０と一体にカム２１が回転し、ノーズ２１ａがロッカーアーム２４を乗り越える間にロッカーアーム２４がロッカーアーム軸２３の回りに一定範囲で揺動する。これにより、ロッカーアーム２４の一端部２４ａが押し下げられ、吸気弁２がバルブスプリング２８に抗して開閉駆動される。
【００２２】
動弁機構１１Ａには、トルク低減機構４０が設けられている。トルク低減機構４０は、バルブスプリング２８が吸気弁２を閉方向に押し戻す力に基づいてカム機構１４に作用するトルク（バルブスプリングトルクと呼ぶ。）を低減するために設けられている。トルク低減機構４０は、カム軸２０と一体に回転可能な反位相カム４１と、その反位相カム４１と対向して配置されたトルク付加装置４２とを備えている。反位相カム４１にはバルブスプリングトルクに基づいた形状のカム面が形成されており、このカム面にトルク付加装置４２からバルブスプリングトルクと逆位相で相補的な力が付加されることで、カム機構１４に作用するバルブスプリングトルクが相殺される。
【００２３】
図１に示すように、動弁装置１１Ａ、１１Ｂのモータ１２の動作は電動機制御手段としてのモータ制御装置３０により制御される。モータ制御装置３０は、マイクロプロセッサとその動作に必要な主記憶装置等の周辺部品とを備えたコンピュータユニットである。モータ制御装置３０はそのＲＯＭに記憶された弁制御プログラムに従って各モータ１２の動作を制御する。なお、図１では一つのシリンダ１の動弁装置１１Ａ、１１Ｂを示しているが、モータ制御装置３０は他のシリンダ１の動弁装置１１Ａ、１１Ｂに対しても共用されてもよい。シリンダ１毎又は動弁装置毎にモータ制御装置３０が設けられてもよい。モータ制御装置３０は動弁装置１１Ａ、１１Ｂの制御専用に設けられてもよいし、他の用途と併用されてもよい。例えば、内燃機関の燃料噴射量を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）をモータ制御装置として兼用してもよい。
【００２４】
モータ制御装置３０には、情報入力手段として、排気ガスの空燃比に対応した信号を出力するＡ／Ｆセンサ３１、吸入空気量を調整するスロットルバルブの開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサ３２、アクセルペダルの開度に対応した信号を出力するアクセル開度センサ３３、吸入空気量に対応した信号を出力するエアフローメータ３４、クランク軸の角度に対応した信号を出力するクランク角センサ３５等が接続されている。なお、モータ１２の制御には、これらのセンサによる実測値に代えて所定の関数式やマップから求めた値を使用してもよい。また、モータ１２に内蔵された位置検出センサ１２ａの出力信号もモータ制御装置３０に入力される。
【００２５】
次に、モータ制御装置３０によるモータ１２の制御について説明する。なお、以下では、一つのシリンダ１の吸気弁２を駆動するためのモータ１２の制御について説明するが、他の吸気弁２を駆動するモータ１２の制御についても同様である。図３はモータ１２の出力トルクを制御するためにモータ制御装置３０が実行するモータ制御ルーチンを示している。このモータ制御ルーチンにおいて、モータ制御装置３０はまずステップＳ１で各センサ３１〜３５の出力を参照して内燃機関の運転状態を判別し、続くステップＳ２で吸気弁２に対するカム２１の駆動モードを判別する。
【００２６】
カム２１の駆動モードには、モータ１２を一方向に連続回転させて図４（ａ）に示すようにカム２１を最大リフト位置、すなわちカム２１のノーズ２１ａが相手側の部品（この場合はロッカーアーム２４）と接する位置を超えて正転方向（図中の矢印方向）に連続的に回転させる正転駆動モードと、吸気弁２のリフト途中（シリンダ１を開く途中）にモータ１２の回転方向を切り替えて図４（ｂ）に示すようにカム２１を往復運動させる揺動駆動モードとがある。なお、揺動駆動モードにおけるカム２１の回転方向の切り替えはカム２１が正転駆動モードにおける最大リフト位置に達する前に行われる。
【００２７】
また、カム２１の駆動モードは、例えば図５に示したように内燃機関の回転数と出力トルクとに関連付けて使い分けられる。図５では基本的に低回転領域で揺動駆動モードが選択され、高回転領域で正転駆動モードが選択されるが、両モードの境界の回転数は内燃機関の出力トルクが高い程低回転側に偏るように調整されている。図３のステップＳ２では、クランク角センサ３５の出力から機関回転数を割り出すとともに、スロットル開度センサ３２が検出するスロットル開度やエアフローメータ３４が検出する吸入空気量に基づいて出力トルクを推定し、得られた機関回転数及び出力トルクに対応するモードを図５のマップ（実際にはＲＯＭに格納されたマップのデータ）から判別すればよい。
【００２８】
ステップＳ２で駆動モードを判別した後はステップＳ３へ進み、内燃機関の運転状態及びカム２１の駆動モードに応じたモータ出力トルクを演算する。例えば、内燃機関の運転状態から、吸気弁２に与えるべき動弁特性（位相及び作用角）を決定し、その決定された動弁特性を実現するために必要なモータ１２の出力トルクを演算する。ステップＳ３において、吸気弁２の動弁特性やモータ１２の出力トルクは適当な期間を対象として定めてよい。例えば、内燃機関における吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程を図３の制御ルーチンの演算周期に対応させ、その演算周期毎に動弁特性及び出力トルクを決定すればよい。この場合、図３の制御ルーチンを繰り返し実行することにより、４行程が完了する毎にモータ１２に対する出力トルクが内燃機関の運転状態に応じて更新される。
【００２９】
吸気弁２の動弁特性からモータ１２の出力トルクは次のように求めることができる。吸気弁２に与えるべき動弁特性が定まれば、その動弁特性に従ってクランク角と吸気弁２のリフト量との関係が一義的に定まり、そのリフト量を微分すれば吸気弁２に与えるべきリフト速度とクランク角との対応関係が求められる。吸気弁２のリフト速度はカム２１のカムプロファイルに基づいてカム軸２０の回転速度に置き換えることができるので、吸気弁２の動弁特性が決まればそれに基づいてカム軸２０に与えるべき回転速度とクランク角との対応関係も一義的に定められる。但し、吸気弁２のリフト速度とカム軸２０の回転速度との対応関係はカム２１の駆動モードによって異なるが、詳細は後述する。
【００３０】
以上のようにして得られた回転速度を微分してモータ１２がカム軸２０に与えるべき加速度を求め、そのような加速度を得るために必要なモータ１２の出力トルクを演算すればよい。なお、吸気弁２に同期して往復運動する各種の動弁系部品（ロッカーアーム２４等）から負荷される慣性トルクを考慮してモータ１２の出力トルクを定めたならば、制御精度が向上して好ましい。慣性トルクは吸気弁２のリフト速度、加速度が上昇する高回転時にその影響が大きくなるため、特に高回転時に選択される正転駆動モードにおいてこのトルクの影響を考慮することが望ましい。反対に、低回転時に選択される揺動駆動モードでは慣性トルクを無視してモータ１２の出力トルクを定めてもよい。
【００３１】
図３のステップＳ３においてモータ１２の出力トルクを演算した後はステップＳ４へ進み、演算されたトルクをモータ１２の駆動回路（不図示）に対してトルク指令値として出力する。その出力後は一旦ルーチンを終え、次回の演算周期の開始を待って図３のルーチンを再開する。モータ制御装置３０からトルク指令を受け取った駆動回路はそのトルク指令に従って次回の駆動周期でモータ１２に供給すべき電流を制御する。これにより、内燃機関の運転状態に適した特性で吸気弁２が開閉駆動される。
【００３２】
次に、図６〜図１６を参照して、動弁装置１１Ａによるカム２１の動作制御に関する種々の形態を説明する。図６は正転駆動モード及び揺動駆動モードのそれぞれにおけるクランク角θ、吸気弁２のリフト量ｙ、カム２１の回転速度（回転数と呼ぶことがある。）Ｎｃ、及びモータ１２の出力トルクＴｍとの対応関係を示している。リフト量ｙは上側ほど開方向に増加することを示す。カム回転数はカム回転数Ｎｃ＝０の位置よりも上側ほど回転数が正転方向に増加する。トルクＴｍは横軸がトルクＴｍ＝０に対応し、上側ほどトルクＴｍが正転方向に増加する。
【００３３】
（正転駆動モードにおける基本的制御）
図６に示した正転駆動モードでは、カム２１をクランク軸の回転数（クランク回転数と呼ぶ。）の１／２の回転速度（これを基本速度と呼ぶ。）Ｎｂで回転させている。この際、カム２１はモータ１２によって駆動されるが、カム２１に作用するバルブスプリングトルクがトルク低減機構４０によって相殺されるので、モータ１２の出力トルクＴｍはほぼ０になる。このようにして得られる吸気弁２のリフト量ｙの変化は、例えばクランク軸とカム軸２０とを減速比１／２の伝達機構を介して機械的に駆動した場合に得られるリフト量の変化に等しい。
【００３４】
（揺動駆動モードにおける制御）
一方、揺動駆動モードにおいては、リフト開始位置Ｐｓよりも前の段階からカム２１の回転を開始し、リフト開始位置Ｐｓでは基本速度Ｎｂまでカム２１の回転数Ｎｃを上昇させている。言い換えれば、リフト開始位置Ｐｓにおけるカム２１の初速度が基本速度Ｎｂと一致するようにリフト開始前からカム２１の駆動を開始している。その後、暫く基本速度Ｎｂでカム２１を正転させ、最大リフト位置Ｐｐよりも早い第１切替位置Ｐａでカム２１の回転数Ｎｃを減少させ、最大リフト位置Ｐｐにてカム２１を回転数Ｎｃ＝０の一旦停止状態とした後は、カム２１の回転方向を逆転方向に切り替えて回転速度を徐々に増加させている。そして、カム２１の逆転方向への回転数が基本速度Ｎｂに達した第２切替位置Ｐｂからリフト終了位置Ｐｅまでカム２１を逆転方向に基本速度Ｎｂで回転させ、リフト終了位置Ｐｅでカム２１の減速を開始してその後にカム２１を停止させている。このような動作をカム２１に与えることにより、カム２１のリフト開始位置Ｐｓから切替位置Ｐａまでの間、切替位置Ｐｂからリフト終了位置Ｐｅまでの間は、クランク角とリフト量との対応関係を正転駆動モードにおけるそれと一致させることができる。図６の揺動駆動モードでは、カム２１が低速で駆動されるために慣性トルクを無視してもよく、その場合のモータ２１の出力トルクはカム２１を加速する間はクランク角に比例して増加し、カム２１を減速する間はクランク角に比例して減少するような波形を描く。
【００３５】
図６の揺動駆動モードにおいては、最大リフト位置Ｐｐに達するよりも前にカム２１の減速を開始しているため、最大リフト位置Ｐｐにおける吸気弁２のリフト量が正転駆動モードにおけるそれよりも幾らか小さくなる。但し、リフト量の差Δｙは、図６に想像線で示した比較例、すなわちリフト開始位置Ｐｓからカム２１の駆動を開始し、リフト終了位置Ｐｅにてカム２１を停止させる制御を行った例に対して小さくなる。しかも、比較例との対比において、吸気弁２のリフト量の特性図が最大リフト位置Ｐｐを境として左右に広がり、その結果として吸気弁２のリフト動作に関する時間面積が増加している。このため、最大リフト量が正転駆動モード時よりも減少しているにも拘わらず、時間面積を十分に確保してシリンダ１への吸気の充填効率の悪化を防止することができる。なお、時間面積はクランク角を示す横軸と、リフト量の変化を示す曲線とに囲まれた範囲の面積であり、リフト量を積分することによって与えられる。
【００３６】
図７はリフト開始位置Ｐｓから第１切替位置Ｐａまで、及び第２切替位置Ｐｂからリフト終了位置Ｐｅまで、カム２１をそれぞれ基本速度Ｎｂよりも高い一定速度で駆動する例である。比較のため、図６の揺動駆動モードにおける波形を想像線で示している。図６の揺動駆動モードではカム２１の最高速度を基本速度Ｎｂとしているので、作用角（位置Ｐｓ〜Ｐｅ間のクランク角）が一定であれば、正転駆動モード時と比較して最大リフト量が小さくなる。しかし、図７の例によれば吸気弁２のリフト速度が図６の正転駆動モード時におけるそれよりも高くなり、揺動駆動モードにおける作用角を正転駆動モードの作用角と一致させつつ最大リフト量を正転駆動モード時のそれと一致させることができる。なお、図７のリフト開始位置Ｐｓから最大リフト位置Ｐｐまでの間において、カム２１の回転数を示す線図と基本速度との間に生じる二つのハッチング領域Ａ１、Ａ２の面積が互いに等しくなり、かつ、最大リフト位置Ｐｐからリフト終了位置Ｐｅまでの間において、カム２１の回転数を示す線図と基本速度（但し、逆転方向）との間に生じる二つのハッチング領域Ａ３、Ａ４の面積が互いに等しくなるようにカム２１の回転数を設定すれば、吸気弁２のリフト量に関する時間面積を正転駆動モード時におけるそれと完全に一致させることができる。
【００３７】
図８は、図６及び図７にそれぞれ示した揺動駆動モード時のカム制御を行った場合に得られる吸気弁２の最大リフト量と機関回転数との対応関係を、図６に想像線で示した比較例の場合とともに示した線図である。図８から明らかなように、揺動駆動モードでは機関回転数がある限度を超えて上昇すると制御の応答性が不足して最大リフト量が急激に低下する傾向が見られるが、図６及び図７の例によれば比較例よりもその低下傾向を緩和でき、特に図７の制御を行えば揺動駆動モードをより高回転域に適応させることができる。図６又は図７のようにカム２１を制御することにより、モータ制御装置３０は本発明の揺動制御手段として機能する。
【００３８】
（正転駆動モードにおける制御）
次に、図９を参照して正転駆動モードにおけるカム２１の制御を説明する。図６の正転駆動モードではカム２１を基本速度にて連続的に駆動しているが、リフト途中にカム２１の速度を変化させることにより吸気弁２の作用角を適宜に変化させることができる。図９の例ではリフト開始位置Ｐｓよりも早期にカム２１の加速を開始してリフト開始位置Ｐｓのカム２１の初速度を基本速度Ｎｂと一致させ、その後のリフト途中もカム２１が基本速度Ｎｂよりも高い所定速度に達するまで加速を続け、その後は所定速度でカム２１を定速回転させ、最大リフトが得られた後の適当な時期にカム２１を減速することにより、吸気弁２のリフト終了位置Ｐｅを図６に示した基本的な制御例（図中に想像線で示す。）の場合よりも早い位置に移動させている。これにより、図６の場合と比較して作用角が減少する。吸気弁２のリフト途中に基本速度Ｎｂよりも高速でカム２１を正転させているため、リフト終了位置Ｐｅから次のリフト開始位置Ｐｓまでの間は基本速度よりも低い速度でカム２１を駆動する必要がある。但し、この間はベース円２１ｂがロッカーアーム２４上を滑るか又はベース円２１ｂがロッカーアーム２４から離れているので、基本速度よりも低速でカム２１を駆動しても吸気弁２の動作には何ら影響が生じない。この際、モータ１２にはカム２１の加減速時にトルクが要求されるので、モータ１２の出力トルクは、図９に示したような波形になる。
【００３９】
図１０は、正転駆動モードにおけるカム２１の制御の他の例を示す。なお、図１０の想像線は図６における正転駆動モードの例である。図１０の制御では、カム２１の加速をリフト開始位置Ｐｓまでに完了し、リフト開始位置Ｐｓにおけるカム２１の初速度を基本速度Ｎｂよりも高い所定速度に一致させている。また、リフト開始位置Ｐｓからリフト終了位置Ｐｅまではカム２１が所定速度に維持され、カム２１の減速はリフト終了位置Ｐｅから開始される。図９のように吸気弁２のリフト途中にカム２１を加速又は減速する場合には、動弁系部品の慣性の影響で応答性が損なわれるのでカム２１の速度の変化量をあまり大きく取ることができず、吸気弁２の作用角の調整が比較的狭い範囲に制限される。しかし、図１０のようにカム２１のベース円２１ｂがロッカーアーム２４と対向している間に限ってカム２１の加速及び減速を行い、リフト中はカム２１を一定速度で駆動するようにすれば、慣性の影響を抑え、吸気弁２の作用角をより広い範囲で調整できるようになる。
【００４０】
以上説明したように、図９又は図１０の如くモータ１２を制御することにより、モータ制御装置３０は本発明の正転制御手段として機能する。但し、本発明の正転制御手段は、作用角を減少させるようにカム２１を動作させるものに限らない。リフト開始前にカム２１を減速し、リフト終了後にカム２１を加速すれば、図６の場合と比較して作用角を拡大することができる。また、図９及び図１０では最大リフト位置Ｐｐを挟んでカム２１のリフト量を対称的に変化させているが、これに限らず例えば図１１に示すように、最大リフト位置Ｐｐを挟んで前後で非対称にカム２１の速度を変化させることにより、最大リフト位置Ｐｐに対して吸気弁２のリフト量を非対称に変化させることもできる。ちなみに、図１１の例では吸気弁２が開く過程のカム２１の回転速度を吸気弁２が閉じる過程のカム２１の回転速度よりも高く設定することにより、吸気弁２を高速で開動作させる一方で、閉じ動作は比較的低速で行うようなリフト特性を与えている。
【００４１】
（モード切替時における制御）
次に、図１２〜図１４を参照して正転駆動モードと揺動駆動モードとを切り替える際のカム２１の好ましい制御について説明する。以下に述べる制御を行うことにより、モータ制御装置３０は本発明の切替制御手段として機能する。上述した図５では内燃機関の回転数と出力トルクとによって正転駆動モード又は揺動駆動モードのいずれかを選択するようにした。しかし、両モードでは吸気弁２に与えられるリフト特性（特に最大リフト量）が異なるため、カム２１の駆動モードが切り替わる際にその影響で吸気量が断続的に変化してドライバビリティに影響が生じるおそれがある。そこで、図１２に示したようにカム２１の制御を揺動駆動モードから正転駆動モードへ切り替える際に、吸気弁２の時間面積（バルブ時間面積）を徐々に増加させるとともにスロットル量を徐々に減少させ（区間Ｂ１）、バルブ時間面積を正転駆動モードにおけるそれと一致させ（区間Ｂ２）、その後に正転駆動モードへの切り替えを実行する（区間Ｂ３）。具体的には次のような制御が好ましい。
【００４２】
揺動駆動モードにおいて実現可能な最大リフト量を与えたときのリフト特性が図１３に想像線で示す通りであった場合、揺動駆動モードが選択された場合には、まず同図に実線で示すような最大リフト量を小さく制限したリフト特性が得られるようにカム２１を揺動させる。この場合、吸気弁２の時間面積が減少するため、モータ制御装置３０からスロットル弁３６（図１参照）に対して開指令を与えてスロットル弁３６の開度を増加させる。これにより、スロットル弁３６を小開度に制御した場合の吸気のポンピングロスが低減される。なお、モータ制御装置３０によるスロットル弁３６の制御は、スロットル開度を制御する他のコンピュータが存在する場合にはそのコンピュータに対してスロットル開度を増加させる指示を与えることにより実現すればよい。
【００４３】
上記のようにリフト量を制限した状態から正転駆動モードへと制御が切り替わる際には、図１３に想像線で示すリフト特性に向かって徐々にリフト量を増加させ、それにより図１２に示すようにバルブ時間面積を徐々に増加させる。この操作に同期してスロットル弁３６の開度（スロットル量）を減少させて吸気量の変化を抑える。そして、図１４に示すように揺動駆動モードにおける吸気弁２の時間面積を正転駆動モードにおけるそれと一致させ、その後に正転駆動モードへの切り替えを実行する。このような制御によれば、吸気量を不連続に変化させることなくカム２１の駆動モードを切り替えることができる。なお、上記では揺動駆動モードから正転駆動モードへの切り替えを例に挙げたが、正転駆動モードから揺動駆動モードへの切替時には上記と逆の制御、すなわちバルブ時間面積を一致させた状態で駆動モードを切り替え、その後に揺動駆動モードにおけるリフト量を徐々に減少させつつスロットル弁３６の開度を増加させればよい。
【００４４】
以上では、揺動駆動モードにおいてリフト量を意図的に小さく制御しているが、正転駆動モードにおいては、図９及び図１０に示したように作用角を小さく制御することにより同様にバルブ時間面積を小さく抑え、それと引き替えにスロットル弁３６の開度を増加させてポンピングロスの低減を図ることもできる。例えば、図１５に示したように、正転駆動モードが適用される領域内で揺動駆動モードが適用される領域と隣接する位置に、作用角を小さく制御する正転小作用角制御領域が設定されたマップを図５に代えて用いてもよい。この場合にも、図１６に示すように、揺動駆動モードから正転駆動モードへと切り替える際には、まず揺動駆動モードにてバルブ時間面積が徐々に増加するようにリフト量を変化させるとともにスロットル弁３６の開度（スロットル量）を徐々に減少させ（区間Ｂ１）、バルブ時間面積を正転駆動モードにおけるそれと一致させ（区間Ｂ２）、その後に正転駆動モード（但し、正転小作用角制御領域）への切り替えを実行する（区間Ｂ４）。
【００４５】
なお、正転小作用角制御領域を挟む場合には、図１７に示したように区間Ｂ２において、揺動駆動モードにおける最大リフト量を正転小作用角制御領域におけるそれよりも小さく抑える一方で、揺動駆動モードにおける作用角を正転小作用角制御領域におけるそれよりも拡大することにより、両者のバルブ時間面積を一致させることになる。この場合、揺動駆動モードにおける最大リフト位置Ｐｐと正転小作用角領域における最大リフト位置Ｐｐとを一致させることが望ましい。
【００４６】
正転小作用角領域を設ける場合において、図１７に示すようにモード切換時におけるバルブ時間面積を一致させ得る限りは、揺動駆動モードにおけるリフト量の増加とスロット量の低減とは必ずしも実行する必要はない。しかしながら、正転駆動モードにおいて実現可能な作用角の範囲には、応答性の観点から内燃機関の回転数に応じた下限値が存在する。こうした下限値の存在により正転小作用角領域におけるバルブ時間面積にも下限があり、揺動駆動モードにおけるリフト量の設定によっては、リフト量を変更することなく時間面積を一致させることが不可能なことがある。このような場合には図１６の区間Ｂ１における制御が必須となる。
【００４７】
（揺動駆動モードにおけるカムの動作の他の例）
図１８及び図１９は揺動駆動モードにおけるカム２１の他の駆動方法を示している。上述した各形態では、図４（ｂ）に示したように揺動駆動モードにおいてカム２１をその一周よりも狭い範囲で往復回転させることにより、図４（ｂ）にハッチングを付して示すようにカム２１のノーズ２１ａから一方の側の範囲２１ｃのみを使用している。これに対して、図１８（ａ）〜（ｃ）に示した駆動方法では、カム２１のノーズ２１ａの両側が交互に使用されるようにカム２１を動作させている。すなわち、図１８（ａ）に示すようにカム２１を正転方向（＋方向）へ回転させてノーズ２１ａの片側の範囲２１ｃを使用して吸気弁２をリフトさせた後、カム２１を逆転方向（−方向）に駆動して吸気弁２を閉動作させ、その後もカム２１を止めることなく図１８（ｂ）に示すように逆転方向へ継続して駆動する。そして、吸気弁２の次回の開閉時期にはカム２１を逆転させたままノーズ２１ａの反対側の範囲２１ｄを使用して吸気弁２をリフトさせ、その後にカム２１を正転方向へ戻して吸気弁２を閉じる。この後、カム２１を正転方向へ続けて駆動させる。以上の動作を繰り返すことにより、カム２１のノーズ２１ａの両側の範囲２１ｃ、２１ｄを交互に使用して吸気弁２を開閉させることができる。
【００４８】
図１９は、上記のようにカム２１を駆動する場合のクランク角θ、吸気弁２のリフト量ｙ、カム２１の回転数Ｎｃ、及びモータ１２のトルクＴｍの対応関係を示している。この例から明らかなように、カム２１のノーズ２１ａに対する両側２１ｃ、２１ｄを交互に使用する駆動方法によれば、吸気弁２の最大リフト位置Ｐｐを除いてカム２１が常に回転しており、モータ１２を停止させる頻度が少ない。従って、カム２１の停止に起因するカム機構１４の油膜切れを防止し、カム機構１４の各部における潤滑性能を向上させることができる。また、潤滑性能の向上によって摩擦抵抗が減少し、モータ１２をより小さい負荷で駆動することができる。さらに、モータ１２の停止頻度が減少するため、モータ１２が出力すべき実効トルクが小さくて足り、より小型のモータを選択することが可能となる。さらにカム２１の両側２１ｃ、２１ｄが等しく利用されて、偏摩耗が防がれる利点もある。
【００４９】
以上の実施の形態では、吸気弁２の制御について説明したが、本発明は排気弁３の制御にも適用できる。本発明は吸気行程の開始から排気行程の終了までの間に機関出力軸としてのクランク軸が２回転する４サイクル式の内燃機関に限らず、機関出力軸が一回転する間に吸気から排気までを完了する２サイクル式の内燃機関にも適用可能である。この場合、カムの基本速度は機関出力軸の回転速度と一致する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の動弁装置の概略構成を示す斜視図。
【図２】図１のカム機構の詳細を示す図。
【図３】図１のモータ制御装置が実行するモータ制御ルーチンの概要を示すフローチャート。
【図４】正転駆動モード（ａ）、及び揺動駆動モード（ｂ）におけるカムの動作を示す図。
【図５】カムの各駆動モードの適用領域を示す図。
【図６】正転駆動モード及び揺動駆動モードにおけるクランク角、吸気弁のリフト量、カムの回転数、及びモータの出力トルクの対応関係を示す図。
【図７】揺動駆動モードにおけるカム制御の他の例を示す図。
【図８】図６及び図７の揺動駆動モードによって得られる最大リフト量の限界を内燃機関の回転数と対応付けて示した図。
【図９】正転駆動モードにおけるクランク角、吸気弁のリフト量、カムの回転数、及びモータの出力トルクの対応関係の他の例を示す図。
【図１０】図９に対して作用角がさらに減少するようにカムを動作させた例を示す図。
【図１１】最大リフト位置を挟んで非対称にカムの速度を設定した例を示す図。
【図１２】揺動駆動モードと正転駆動モードとの切替時における吸気弁の時間面積、カムの駆動モード及びスロットル量の対応関係を示す図。
【図１３】図１２の区間Ｂ１におけるクランク角、吸気弁のリフト量、カム回転数及びモータの出力トルクの対応関係を示す図。
【図１４】図１２の区間Ｂ２におけるクランク角、吸気弁のリフト量、カム回転数及びモータの出力トルクの対応関係を示す図。
【図１５】正転駆動モードが適用される領域内で揺動駆動モードが適用される領域と隣接する位置に、作用角を小さく制御する正転小作用角制御領域が設定された例を示す図。
【図１６】図１５のように正転小作用角制御領域を設ける場合における揺動駆動モードと正転駆動モードとの切替時の吸気弁の時間面積、カムの駆動モード及びスロットル量の対応関係の他の例を示す図。
【図１７】図１６の区間Ｂ２におけるクランク角、吸気弁のリフト量、カム回転数及びモータの出力トルクの対応関係を示す図。
【図１８】揺動駆動モードにおいて吸気弁の停止中に継続してカムを駆動する様子を示した図。
【図１９】図１８の駆動方法を適用した場合の吸気弁のクランク角、リフト量、カム回転数及びモータの出力トルクの対応関係を示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１  シリンダ
２  吸気弁
３  排気弁
１１Ａ、１１Ｂ  動弁装置
１２  モータ（電動機）
２０  カム軸
２１  カム
２１ａ  カムのノーズ
２１ｂ  カムのベース円
２４  ロッカーアーム
２８  バルブスプリング
３０  モータ制御装置
３６  スロットル弁
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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