JP2001003773A

JP2001003773A - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP2001003773A
Application number: JP11174955A
Authority: JP
Inventors: Naoki Okamoto; 直樹岡本
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2001-01-09
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP4027536B2

Abstract

(57)【要約】【課題】制御軸作動角制御において、カムやロッカアー
ム等を通じて制御軸に伝わるバルブスプリング反力等に
起因する非線形特性である反力トルク（エンジン回転
数、作動角毎に変動）にも対応することで安定した応答
特性が得られ、制御性の向上が図れる内燃機関の可変動
弁装置の提供。【解決手段】作動角センサ１０２で検出された制御軸１
６の検出作動角θ信号に基づいて制御軸１６を機関の運
転状態に応じた目標制御軸作動角位置に回転駆動させる
べくフィードバック制御する線形コントローラＦ／Ｂ．
Ｃの他に、バルブスプリング３３の反力等に起因してカ
ム軸１３側からの入力される非線形特性である反力トル
クによる制御軸１６の作動角変動分を修正すべくエンジ
ン回転数Ｎおよび制御軸１６の検出作動角θに応じてフ
ィードフォワード制御する非線形コントローラＦ／Ｆ．
Ｃを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸・排
気弁のリフト量（制御軸の作動角）を機関運転状態に応
じて可変にできる内燃機関の可変動弁装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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、吸気・排気弁の開閉時期とバルブリフト量
を機関運転状態に応じて可変制御する可変動弁装置は従
来から種々提供されており、その一例として特開昭５５
−１３７３０５号公報等に記載されているものが知られ
ている。

【０００３】図２１に基づきその概略を説明すれば、シ
リンダヘッド１のアッパデッキの略中央近傍上方位置に
カム軸２が設けられていると共に、該カム軸２の外周に
カム２ａが一体に設けられている。また、カム軸２の側
部には制御軸３が平行に配置されており、この制御軸３
に偏心カム４を介してロッカアーム５が揺動自在に軸支
されている。

【０００４】一方、シリンダヘッド１に摺動自在に設け
られた吸気弁６の上端部には、バルブリフター７を介し
て揺動カム８が配置されている。この揺動カム８は、バ
ルブリフター７の上方にカム軸２と並行に配置された支
軸９に揺動自在に軸支され、下端のカム面８ａがバルブ
リフター７の上面に当接している。また、前記ロッカア
ーム５は、一端部５ａがカム２ａの外周面に当接してい
ると共に、他端部５ｂが揺動カム８の上端面８ｂに当接
して、カム２ａのリフトを揺動カム８及びバルブリフタ
ー７を介して吸気弁６に伝達するようになっている。そ
して、この吸気弁６は、バルブスプリング６ａにより閉
弁方向に付勢されている。

【０００５】また、前記制御軸３は、図２２に示すよう
に、ＤＣサーボモータ等の電磁アクチュエータにより、
減速ギアを介して所定角度範囲で回転駆動されて、偏心
カム４の回動位置を制御し、これによってロッカアーム
５の揺動支点を変化させるようになっている。

【０００６】そして、図２１において、偏心カム４が正
逆の所定回動位置に制御されるとロッカアーム５の揺動
支点が変化して、他端部５ｂの揺動カム８の上端面８ｂ
に対する当接位置が図中上下方向に変化し、これによっ
て揺動カム８のカム面８ａのバルブリフター７上面に対
する当接位置の変化に伴い、揺動カム８の揺動軌跡が変
化することにより、吸気弁６の開閉時期とバルブリフト
量を制御軸３の作動角の変化に伴って可変制御するよう
になっている。なお、図中の符号１０は、揺動カム８の
上端面８ｂを常時ロッカアーム５の他端部５ｂに弾接付
勢するスプリングを示す。

【０００７】また、上記のように、吸気弁６の開閉時期
及びバルブリフト量を、ロッカアーム５の揺動支点を変
化させることによって可変に制御する構成の可変動弁装
置においては、一般的に、図１０のシステム図に示すよ
うに、前記揺動支点を変化させるための制御軸３の作動
角をポテンショメータ等の作動角センサによって検出
し、この検出された作動角信号に基づき、制御装置で
は、位置サーボコントローラ（線形コントローラ）にお
いて、検出された作動角信号と目標制御軸作動角とを比
較し、差が零になるように、ＰＷＭ（パルスワイズモジ
ュレーション）出力設定手段を介してＤＣサーボモータ
に駆動電流を出力することにより、制御軸３の作動角を
目標のバルブ特性に対応する目標制御軸作動角に一致さ
せるようなフィードバック制御が行われるようになって
いた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来装置では、目標制御軸作動角と検出作動角の情報を
基にＤＣサーボモータに出力する電流を決める位置サー
ボコントローラが、線形特性であるため、以下に述べる
ような問題点があった。即ち、上述のように、制御軸３
に偏心カム４を介してロッカアーム５が揺動自在に軸支
され、このロッカアーム５は、一端部５ａがカム２ａの
外周面に当接していると共に、他端部５ｂが揺動カム８
の上端面８ｂに当接して、カム２ａのリフトを揺動カム
８及びバルブリフター７を介して吸気弁６に伝達するよ
うになっていることから、バルブスプリング６ａの反力
等に起因する反力トルクが、揺動カム８およびロッカア
ーム５を介して制御軸３に外乱として伝達される。そし
て、この反力トルクは、エンジン回転数、作動角毎に変
動するため、制御軸３に伝達される反力トルクは非線形
特性となる。従って、前述のように、位置サーボコント
ローラが、線形特性であるため、揺動カム８やロッカア
ーム５等を通じて制御軸３に伝わるバルブスプリング６
ａの反力等に起因する非線形な反力トルク入力（エンジ
ン回転数、作動角毎に変動）には対応することができ
ず、エンジン回転数が変化すると、制御応答特性も変化
してしまい、一定の制御応答特性が得られない。

【０００９】本発明は、上述の従来の問題点に着目して
なされたもので、制御軸作動角制御において、カムやロ
ッカアーム等を通じて制御軸に伝わるバルブスプリング
反力等に起因する非線形特性である反力トルク（エンジ
ン回転数、作動角毎に変動）にも対応することで安定し
た制御応答特性が得られ、制御性の向上が図れる内燃機
関の可変動弁装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、カム軸と略平行に配設された制御軸と、該制御軸の
外周に偏心して固定された制御カムと、該制御カムに揺
動自在に軸支されたロッカアームと、前記カム軸の回転
に応じて前記ロッカアームの一端部を揺動駆動する揺動
駆動手段と、前記ロッカアームの他端部に連係して揺動
して機関弁を開作動させる揺動カムと、前記機関弁を閉
じる方向に付勢するバルブスプリングと、前記制御軸の
作動角を検出する作動角検出手段と、前記制御軸を目標
制御軸作動角に回転駆動する電磁アクチュエータと、前
記作動角検出手段で検出された制御軸の作動角信号に基
づいて前記制御軸を機関の運転状態に応じた目標制御軸
作動角位置に回転駆動させるべくフィードバック制御す
る線形特性制御手段と、前記機関弁側からの非線形特性
入力による制御軸の作動角変動分を修正すべくフィード
フォワード制御する非線形特性制御手段と、を備えてい
る手段とした。

【００１１】請求項２記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置において、
前記非線形特性制御手段が、前記線形特性制御手段とは
分離独立した状態で設けられている手段とした。

【００１２】請求項３記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置
において、機関の回転数を検出する機関回転数検出手段
と、前記機関回転数検出手段で検出された機関回転数と
前記作動角検出手段で検出された制御軸作動角から前記
反力トルクを求めるマップとを備え、前記非線形制御部
が、前記マップに基づいて前記機関弁側からの非線形特
性入力による制御軸の作動角変動を修正すべくフィード
フォワード制御が行われるように構成されている手段と
した。

【００１３】請求項４記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動
弁装置において、前記目標制御軸作動角と制御軸作動角
検出手段で検出された制御軸作動角との制御偏差が大き
い時は小さな積分動作で制御偏差が小さい時は大きな積
分動作となる非線形ゲイン積分補償手段を備えている手
段とした。

【００１４】

【作用】本発明請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置
では、上述のように構成されるため、線形特性制御手段
では、作動角検出手段で検出された制御軸の作動角信号
に基づいて制御軸を機関の運転状態に応じた目標制御軸
作動角位置に回転駆動させるべくフィードバック制御が
行われる。

【００１５】一方、非線形特性制御部では、機関弁側か
らの非線形特性入力による制御軸の作動角変動分を修正
すべくフィードフォワード制御が行われるもので、これ
により、制御軸作動角制御において、機関弁側から制御
軸に伝わるバルブスプリング反力等に起因する非線形特
性である反力トルク（エンジン回転数、作動角毎に変
動）にも対応し、安定した制御応答特性が得られ、制御
性の向上が図れる。

【００１６】請求項２記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置において、
前記非線形特性制御手段が、前記線形特性制御手段とは
分離独立した状態で設けられることで、フィードバック
制御が行われる線形特性制御手段の設計が容易になり、
また、規範モデルを導入した設計が可能となるから、よ
り安定した制御応答特性が得られるようになる。

【００１７】請求項３記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置
において、非線形特性制御手段では、機関回転数検出手
段で検出された機関回転数と作動角検出手段で検出され
た制御軸作動角から反力トルクを求めるマップに基づい
てフィードフォワード制御が行われるもので、このよう
にマップを備えたことで、制御を簡略化することができ
るようになる。

【００１８】請求項４記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動
弁装置において、非線形ゲイン積分補償手段では、前記
目標制御軸作動角と制御軸作動角検出手段で検出された
制御軸作動角との制御偏差が大きい時は個体差等による
影響が生じにくいため、小さな積分動作を行うと共に、
制御偏差が小さい時は個体差等による影響が生じ易いた
め、大きな積分動作を行うもので、これにより、目標制
御軸作動角への制御においてオーバシュートを防止しつ
つ、機構における静摩擦や動摩擦等の非線形要素、エン
ジンの経年変化、個体差による特性のばらつき等によっ
て発生する残留偏差を修正することができるようにな
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。（発明の実施の形態１）図１〜図３は、本発明の実施の
形態１における内燃機関（エンジン）の可変動弁装置を
示すものであり、１気筒あたり２つ備えられる吸気弁の
可変動弁機構ＶＥＬ（以下、ＶＥＬ機構という）として
以下に説明する。但し、機関弁を吸気弁に限定するもの
ではなく、また、吸気弁の数を限定するものでないこと
は明らかである。

【００２０】図１〜図３に示す可変動弁装置は、シリン
ダヘッド１１にバルブガイド（図示省略）を介して摺動
自在に設けられた一対の吸気弁１２，１２と、シリンダ
ヘッド１１上部のカム軸受１４に回転自在に支持された
中空状のカム軸１３と、該カム軸１３に、圧入等により
固設された回転カムである２つの偏心カム１５，１５
と、前記カム軸１３の上方位置に同じカム軸受１４に回
転自在に支持された制御軸１６と、該制御軸１６に制御
カム１７を介して揺動自在に支持された一対のロッカア
ーム１８，１８と、各吸気弁１２，１２の上端部にバル
ブリフター１９，１９を介して配置された一対のそれぞ
れ独立した揺動カム２０，２０と、各吸気弁１２，１２
を閉弁方向に付勢するバルブスプリング３３，３３とを
備えている。

【００２１】また、前記偏心カム１５，１５とロッカア
ーム１８，１８とはリンクアーム２５，２５によって連
係される一方、ロッカアーム１８，１８と揺動カム２
０，２０とはリンク部材２６，２６によって連係されて
いる。前記カム軸１３は、機関前後方向（シリンダ列方
向）に沿って配置されていると共に、一端部に設けられ
た従動スプロケット（図示省略）や該従動スプロケット
に巻装されたタイミングチェーン等を介して機関のクラ
ンク軸から回転力が伝達される。

【００２２】前記カム軸受１４は、シリンダヘッド１１
の上端部に設けられてカム軸１３の上部を支持するメイ
ンブラケット１４ａと、該メインブラケット１４ａの上
端部に設けられて制御軸１６を回転自在に支持するサブ
ブラケット１４ｂとを有し、両ブラケット１４ａ，１４
ｂが一対のボルト１４ｃ，１４ｃによって上方から共締
め固定されている。

【００２３】前記両偏心カム１５は、図４にも示すよう
に、略リング状を呈し、小径なカム本体１５ａと、該カ
ム本体１５ａの外端面に一体に設けられたフランジ部１
５ｂとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔１５ｃが貫
通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘがカ
ム軸１３の軸心Ｙから径方向へ所定量だけ偏心してい
る。

【００２４】また、この各偏心カム１５は、カム軸１３
に対し前記両バルブリフター１９，１９に干渉しない両
外側にカム軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されている
と共に、両方のカム本体１５ａ，１５ａの外周面１５
ｄ，１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されてい
る。

【００２５】前記各ロッカアーム１８は、図３に示すよ
うに、平面からみて略クランク状に折曲形成され、中央
に有する基部１８ａが制御カム１７に回転自在に支持さ
れている。また、各基部１８ａの各外端部に突設された
一端部１８ｂには、リンクアーム２５の先端部と連結す
るピン２１が圧入されるピン孔１８ｄが貫通形成されて
いる一方、各筒状基部１８ａの各内端部に夫々突設され
た他端部１８ｃには、各リンク部材２６の後述する一端
部２６ａと連結するピン２８が圧入されるピン孔１８ｅ
が形成されている。

【００２６】前記各制御カム１７は、夫々円筒状を呈
し、制御軸１６外周に固定されていると共に、図１に示
すように軸心Ｐ１位置が制御軸１６の軸心Ｐ２からαだ
け偏心している。

【００２７】前記揺動カム２０は、図１及び図６，図７
に示すように略横Ｕ字形状を呈し、略円環状の基端部２
２にカム軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持
孔２２ａが貫通形成されていると共に、ロッカアーム１
８の他端部１８ｃ側に位置する端部２３にピン孔２３ａ
が貫通形成されている。

【００２８】また、揺動カム２０の下面には、基端部２
２側の基円面２４ａと該基円面２４ａから端部２３端縁
側に円弧状に延びるカム面２４ｂとが形成されており、
該基円面２４ａとカム面２４ｂとが、揺動カム２０の揺
動位置に応じて各バルブリフター１９の上面所定位置に
当接するようになっている。

【００２９】すなわち、図５に示すバルブリフト特性か
らみると、図１に示すように基円面２４ａの所定角度範
囲θ１がべースサークル区間になり、カム面２４ｂの前
記べースサークル区間θ１から所定角度範囲θ２がいわ
ゆるランプ区間となり、さらにカム面２４ｂのランプ区
間θ２から所定角度範囲θ３がリフト区間になるように
設定されている。

【００３０】また、前記リンクアーム２５は、比較的大
径な円環状の基部２５ａと、該基部２５ａの外周面所定
位置に突設された突出端２５ｂとを備え、基部２５ａの
中央位置には、前記偏心カム１５のカム本体１５ａの外
周面に回転自在に嵌合する嵌合穴２５ｃが形成されてい
る一方、突出端２５ｂには、前記ピン２１が回転自在に
挿通するピン孔２５ｄが貫通形成されている。なお、前
記リンクアーム２５と偏心カム１５とによって揺動駆動
手段が構成される。

【００３１】さらに、前記リンク部材２６は、図１にも
示すように所定長さの直線状に形成され、円形状の両端
部２６ａ，２６ｂには前記ロッカアーム１８の他端部１
８ｃと揺動カム２０の端部２３の各ピン孔１８ｄ，２３
ａに圧入した各ピン２８，２９の端部が回転自在に挿通
するピン挿通孔２６ｃ，２６ｄが貫通形成されている。
なお、各ピン２１，２８，２９の一端部には、リンクア
ーム２５やリンク部材２６の軸方向の移動を規制するス
ナップリング３０，３１，３２が設けられている。

【００３２】前記制御軸１６は、一端部に設けられた電
磁アクチュエータを構成するＤＣサーボモータ１０１に
よって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっ
ており、図９に示すように、前記ＤＣサーボモータ１０
１は、制御手段としての制御装置ＣＰＵからの制御信号
によって制御されるようになっている。前記制御装置Ｃ
ＰＵは、クランク角センサ１０３，エアフローメータ１
０４，水温センサ１０５，機関（エンジン）回転数セン
サ１０６等の各種のセンサからの検出信号に基づいて現
在の機関運転状態を検出して、該検出された機関運転状
態に応じて目標のバルブ特性を決定し、該目標のバルブ
特性に対応する角度位置に制御軸１６を駆動すべく、前
記ＤＣサーボモータ１０１に駆動信号（駆動電流）を出
力する。

【００３３】以下、上記可変動弁装置の作用を説明すれ
ば、まず、機関の低速低負荷時には、制御装置ＣＰＵか
らの制御信号によってＤＣサーボモータ１０１が一方に
回転駆動される。このため、制御カム１７は、軸心Ｐ１
が図６Ａ，Ｂに示すように制御軸１６の軸心Ｐ２から左
上方の回動位置に保持され、厚肉部１７ａがカム軸１３
から上方向に離間移動する。このため、ロッカアーム１
８は、全体がカム軸１３に対して上方向へ移動し、これ
により、各揺動カム２０は、リンク部材２６を介して端
部２３が強制的に若干引き上げられて全体が左方向へ回
動する。

【００３４】従って、図６Ａ，Ｂに示すように偏心カム
１５が回転してリンクアーム２５を介してロッカアーム
１８の一端部１８ｂを押し上げると、そのリフト量がリ
ンク部材２６を介して揺動カム２０及びバルブリフター
１９に伝達されるが、そのリフト量Ｌ１は図６Ｂに示す
ように比較的小さくなる。

【００３５】よって、かかる低速低負荷域では、図８の
破線で示すようにバルブリフト量が小さくなると共に、
各吸気弁１２の開時期が遅くなり（作動角が小さくな
り）、排気弁とのバルブオーバラップが小さくなる。こ
のため、燃費の向上と機関の安定した回転が得られる。

【００３６】一方、機関の高速高負荷時に移行した揚合
は、制御装置ＣＰＵからの制御信号によってＤＣサーボ
モータ１０１が反対方向に回転駆動される。従って、図
７Ａ，Ｂに示すように制御軸１６が、制御カム１７を図
６に示す位置から時計方向に回転させ、軸心Ｐ１（厚肉
部１７ａ）を下方向へ移動させる。このため、ロッカア
ーム１８は、今度は全体がカム軸１３方向（下方向）に
移動して、他端部１８ｃが揺動カム２０の上端部２３を
リンク部材２６を介して下方へ押圧して該揺動カム２０
全体を所定量だけ時計方向へ回動させる。

【００３７】従って、揺動カム２０のバルブリフター１
９上面に対する下面の当接位置が図７Ａ，Ｂに示すよう
に左方向位置に移動する。このため、図７に示すように
偏心カム１５が回転してロッカアーム１８の一端部１８
ｂをリンクアーム２５を介して押し上げると、バルブリ
フター１９に対するそのリフト量Ｌ２は図７Ｂに示すよ
うに大きくなる。

【００３８】よって、かかる高速高負荷域では、カムリ
フト特性が低速低負荷域に比較して大きくなり、図８に
実線で示すようにバルブリフト量（作動角）も大きくな
ると共に、各吸気弁１２の開時期が早く、閉時期が遅く
なる。この結果、吸気充填効率が向上し、十分な出力が
確保できる。

【００３９】ところで、上記可変動弁装置においては、
目標のバルブ特性に対応する角度位置に制御軸１６を駆
動し、実際のバルブ特性を前記目標のバルブ特性に制御
するが、前記制御軸１６の駆動精度や、前記制御軸１６
の角度位置とバルブ特性との関係にばらつきがあると、
目標のバルブ特性に精度よく実際のバルブ特性を制御す
ることができなくなる。

【００４０】そこで、従来例として示したように、図１
０のシステム図、および、図１１のブロック図に示すよ
うに、前記揺動支点を変化させるための制御軸３の作動
角（回転位置）をポテンショメータ等の作動角センサに
よって検出し、この検出された作動角信号に基づき、制
御装置に備えた位置サーボコントローラ（線形コントロ
ーラ）において、検出結果としての作動角と目標制御軸
作動角とを比較し、制御軸３の作動角（回転位置）を目
標のバルブ特性に対応する目標制御軸作動角（回転位
置）となるようにＤＣサーボモータに対する駆動制御信
号をフィードバック制御するようになっている。なお、
前記ＤＣサーボモータと制御軸３との間には減速ギアが
介装されている。

【００４１】ところが、可変動弁装置においては、従来
例においても述べたように、ロッカアーム１８，１８と
揺動カム２０，２０とはリンク部材２６，２６によって
連係されていることから、図１２のＶＥＬ機構ブロック
図に示すように、各バルブスプリング３３，３３の反力
や燃焼圧等に起因する反力トルクが、バルブリフター１
９、揺動カム２０，２０、リンク部材２６，２６および
ロッカアーム１８，１８を介し、ＤＣサーボモータ１０
１の制御軸１６に伝達される。そして、この反力トルク
は、エンジン（機関）回転数、作動角毎に変動するた
め、制御軸１６に伝達される反力トルクは非線形的特性
となる。従って、前述のように、位置サーボコントロー
ラ（線形コントローラ）が、線形特性であるため、バル
ブリフター１９、揺動カム２０，２０、リンク部材２
６，２６およびロッカアーム５を介して制御軸１６に伝
わるバルブスプリング３３，３３の反力等に起因する非
線形な反力トルク（エンジン回転数、作動角毎に変動）
には対応することができず、機関（エンジン）回転数が
変化すると、制御応答特性も変化してしまい、一定の制
御応答特性が得られない。

【００４２】そこで、この発明の実施の形態１の可変動
弁装置では、図１２のシステム図および図１３のシステ
ムブロック図に示すように、ＶＥＬ機構におけるＤＣサ
ーボモータ１０１にモータ駆動信号を出力する制御装置
ＣＰＵには、線形特性制御手段を構成する線形コントロ
ーラ（ＰＤコントローラ）Ｆ／Ｂ．Ｃの他に、非線形な
反力トルクに対応するための非線形特性制御手段を構成
する非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃを備え、両コントロ
ーラの出力の和を、ＰＷＭ出力設定手段ＰＷＭにおいて
モータ駆動信号に変換し、ＶＥＬ機構におけるＤＣサー
ボモータ１０１に出力するようになっている。

【００４３】まず、前記線形コントローラ（ＰＤコント
ローラ）Ｆ／Ｂ．Ｃの部分について説明すると、制御軸
１６（バルブスプリング３３）からの反力トルクを外乱
と見做し、それを除いたものを制御対象としてシステム
を考えると、図１４の線形部システムブロック図のよう
になる。なお、ｒは目標制御軸作動角、ｕはモータ駆動
電流、ｙは実際の制御軸作動角、Ｐは比例分ゲイン、Ｚ
^-1は一回前の「Ｚ^-1」ブロックへの入力データ、Δｔは
サンプリング時間、Ｄｉは微分分ゲイン、Ｋｍはモータ
トルク定数、Ｔはモータトルク、Ｊは慣性モーメント、
Ｄは粘性（回転）抵抗係数を示す。また、ＤＣサーボモ
ータ１０１の電気的応答は、機械系に比べ十分速いので
省略する。

【００４４】このシステム（非線形反力トルクのない場
合）の制御対象（ＶＥＬ機構）は次式で表現できる。

【数１】この式をラプラス変換すると、 J θ(s)s²+D θ(s)s=Km・I(s) となる。よって、伝達関数は、 Gm(s)=θ(s)/I(s)=(1/s)・{(Km/J)/(s+(D/J))} （積分
＋１次遅れ）である。

【００４５】また、線形コントローラＦ／Ｂ．Ｃを連続
時間表現に書き直し、求めた伝達関数を用いて前記図１
４のブロック図を書き直すと、図１５のようになる。よ
って、目標制御軸作動角信号ｒから実際の制御軸作動角
信号ｙまでの伝達関数G(s)は、次式のようになる。 G(s)=Di(Km/J){s+(P/Di)}/{s(s+(D/J))+Di(Km/J)(s+(P/
Di))} また、D/J=P/Di とおくと、 G(s)=Di(Km/J)/{s+Di(Km/J)}=1/{(J/DiKm)s+1} となり、１次のローパスフィルタの形となる。

【００４６】ここで、伝達関数：Gr(s)=1/(Trs+1) ＜
Tr：時定数＞という１次の規範モデルとなるローパスフィルタを導入
し時定数Trを目標応答時定数と考え、Tr＝J/（DiKm) と
すると、システムの応答は、Gr(s) と同じ一次遅れとな
るはずである。よって、比例分ゲインP 、微分分ゲイン
Diはそれぞれ次式により算出される。 P =D/J・Di=D/(TrKm) Di=J/(TrKm)

【００４７】次に、前記非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃ
の部分について説明する。図１６は、線形コントローラ
Ｆ／Ｂ．Ｃの部分に非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃおよ
び外乱（非線形トルク）入力の部分が付加されたシステ
ムを考えた場合を示すもので、Ｂ１が線形コントローラ
Ｆ／Ｂ．Ｃを含む線形部、Ｂ２が外乱（非線形トルク）
入力部、Ｂ３が非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃ部を示
す。

【００４８】前記外乱（非線形反力トルク）入力部Ｂ２
は、エンジン回転数Ｎおよび制御軸１６の検出作動角θ
に応じて制御対象となるＶＥＬ機構に入力される外乱ト
ルク（非線形反力トルク）の内容を示すもので、この外
乱トルクTd分は、エンジン回転数Ｎおよび制御軸１６の
検出作動角θから、所定のマップｆにより求めることが
でき、この外乱トルクTd分が、変換式（１／Km）により
変換された外乱トルクTd相当分の電流Itd として制御対
象であるＤＣサーボモータ１０１に入力されると考え
る。

【００４９】そこで、非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃ部
Ｂ３において、この外乱トルクTd相当分の電流Itd と同
一の補正制御電流uff を前記線形コントローラＦ／Ｂ．
Ｃからの出力電流ufb に減算した電流ｕを出力すること
により、前記外乱トルクTd相当分の電流Itd がキャンセ
ルされた状態の電流を実入力電流ｕ’として制御対象に
出力することができる。なお、この非線形コントローラ
Ｆ／Ｆ．Ｃ部Ｂ３には、図１７に示すように、エンジン
回転数Ｎと制御軸作動角（検出作動角）θより参照され
るマップ（ｆ（θ、Ｎ））を備え、このマップは、予め
実験で計測された非線形な外乱トルクTdを打ち消すよう
な外乱トルクTdの値が設定されており、このマップで得
られた外乱トルクTdを変換式（１／Km）により補正制御
電流uffに変換された状態で出力されるようになってい
る。

【００５０】以上のように、この発明の実施の形態１の
内燃機関の可変動弁装置では、作動角センサ１０２で検
出された制御軸１６の検出作動角θ信号に基づいて制御
軸１６を機関の運転状態に応じた目標制御軸作動角位置
に回転駆動させるべくフィードバック制御する線形コン
トローラＦ／Ｂ．Ｃの他に、バルブスプリング３３の反
力等に起因してカム軸１３側からの非線形特性入力によ
る制御軸１６の作動角変動分を修正すべくエンジン回転
数Ｎおよび制御軸１６の検出作動角θに応じてフィード
フォワード制御する非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃを備
えた構成としたことで、制御軸１６の作動角制御におい
て、カム軸１３やロッカアーム１８等を通じて制御軸１
６に伝わるバルブスプリング３３の反力に起因する非線
形特性である反力トルク（エンジン回転数Ｎ、作動角θ
毎に変動）をキャンセルすることで安定した制御応答特
性が得られ、これにより、制御性の向上が図れるように
なるという効果が得られる。

【００５１】また、非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃを、
線形コントローラＦ／Ｂ．Ｃとは分離独立した状態で設
けた構成としたことで、フィードバック制御が行われる
線形コントローラＦ／Ｂ．Ｃの設計が容易になり、ま
た、前述のように、規範モデルを導入した設計が可能と
なるから、より安定した制御応答特性が得られるように
なるという効果が得られる。

【００５２】また、非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃで
は、エンジン回転数センサ１０６で検出されたエンジン
回転数Ｎと作動角センサ１０２で検出された制御軸１６
の作動角θから外乱トルクTdを求めるマップに基づいて
フィードフォワード制御が行われるようにしたことで、
制御を簡略化することができるようになる。

【００５３】（発明の実施の形態２）次に、本発明の実
施の形態２の内燃機関の可変動弁装置について説明す
る。なお、この発明の実施の形態２の説明にあたって
は、前記発明の実施の形態１と同様の構成部分はその図
示および説明を省略し、もしくは、同一の符号を付けて
その説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

【００５４】この発明の実施の形態２の内燃機関の可変
動弁装置は、前記発明の実施の形態１の内燃機関の可変
動弁装置に、非線形型ゲイン積分器Ｂ４を付加したもの
で、あり、この非線形型ゲイン積分器Ｂ４の内容を、図
１８のシステムブロック図に基づいて説明する。

【００５５】一般に、非線形コントローラＦ／Ｆ．Ｃ
は、機械機構のパラメータ、非線形反力トルクを基に制
御定数が設定されるが、これらの値はＶＥＬ機構におけ
る静摩擦や動摩擦等の非線形要素、エンジンの経年変
化、個体差による特性のばらつき等があるため、機械的
純粋な特性しか設定してない前述の制御では、目標制御
軸作動角に対する実制御軸作動角に差が生じることにな
る。そこで、この発明の実施の形態２では、この残留偏
差を修正するために非線形ゲイン積分器Ｂ４を追加した
構成としたものである。

【００５６】即ち、通常の積分補償器における積分演算
式は、次式のようになるが、

【数２】このまま使用すると、制御偏差ｅが大きく、個体差等に
よる影響が少ない部分で余分な積分動作を行うため、図
１９に示すように、目標制御軸作動角に対する実制御軸
作動角の応答でオーバシュートが発生してしまい、元々
の制御応答特性を損ねてしまう可能性がある。

【００５７】そこで、この非線形ゲイン積分器Ｂ４で
は、制御偏差ｅが大きいうちは個体差等による影響が生
じにくいため、あまり積分動作を行わず、制御偏差ｅが
小さくなると個体差等による影響が大きくなるため、積
分動作が有効となるように、積分ゲインの値を、積分ゲイン／ｅ（制御偏差）² と設定することにより、積分演算式を、

【数３】とした。

【００５８】また、前記積分ゲインと制御偏差ｅの除算
は、制御偏差ｅの絶対値がある設定値以上（｜ｅ｜≧設
定値）の時のみ実行され、０からある設定値以内（｜ｅ
｜＜設定値）の場合には、除算を実行せずに０を出力す
るように構成されている。

【００５９】その結果、この発明の実施の形態２では、
図２０に示すように、目標制御軸作動角への制御におい
てオーバシュートを防止しつつ、機構における静摩擦や
動摩擦等の非線形要素、エンジンの経年変化、個体差に
よる特性のばらつき等によって発生する残留偏差を修正
することができるようになるという効果が得られる。

【００６０】以上、本発明の実施の形態を説明してきた
が、具体的な構成はこれら発明の実施の形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におけ
る設計変更等があっても本発明に含まれる。

【００６１】例えば、発明の実施の形態では、機関弁と
して吸気弁を例にとったが、排気弁についても適用する
ことができる。また、本発明が適用される可変動弁機構
としては、この発明の実施の形態で例示した構造のもの
に限定されるものではなく、従来例に示した構造のもの
や、その他の可変動弁機構にも全て本発明を適用するこ
とができる。

【００６２】

【発明の効果】以上詳細に説明してきたように、本発明
請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置では、上述のよ
うに、作動角検出手段で検出された制御軸の作動角信号
に基づいて前記制御軸を機関の運転状態に応じた目標制
御軸作動角位置に回転駆動させるべくフィードバック制
御する線形特性制御手段と、前記機関弁側からの非線形
特性入力による制御軸の作動角変動分を修正すべくフィ
ードフォワード制御する非線形特性制御手段と、を備え
ている構成としたことで、制御軸作動角制御において、
カム軸側から制御軸に伝わるバルブスプリング反力等に
起因する非線形特性である反力トルク（エンジン回転
数、作動角毎に変動）にも対応し、安定した応答特性が
得られ、制御性の向上が図れるようになるという効果が
得られる。

【００６３】請求項２記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置において、
前記非線形特性制御手段が、前記線形特性制御手段とは
分離独立した状態で設けられている構成としたことで、
フィードバック制御が行われる線形特性制御手段の設計
が容易になり、また、規範モデルを導入した設計が可能
となるから、より安定した応答特性が得られるようにな
る。

【００６４】請求項３記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置
において、機関の回転数を検出する機関回転数検出手段
と、前記機関回転数検出手段で検出された機関回転数と
前記作動角検出手段で検出された制御軸作動角から前記
反力トルクを求めるマップとを備え、前記非線形制御部
が、前記マップに基づいて前記機関弁側からの非線形特
性入力による制御軸の作動角変動を修正すべくフィード
フォワード制御が行われるように構成されたことで、制
御を簡略化することができるようになる。

【００６５】請求項４記載の内燃機関の可変動弁装置で
は、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動
弁装置において、前記目標制御軸作動角と制御軸作動角
検出手段で検出された制御軸作動角との制御偏差が大き
い時は小さな積分動作となり、偏差が小さい時は大きな
積分動作となる非線形ゲイン積分補償手段を備えている
構成としたことで、目標制御軸作動角への制御において
オーバシュートを防止しつつ、機構における静摩擦や動
摩擦等の非線形要素、エンジンの経年変化、個体差によ
る特性のばらつき等によって発生する残留偏差を修正す
ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における可変動弁装置を
示す断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）。

【図２】上記可変動弁装置の側面図。

【図３】上記可変動弁装置の平面図。

【図４】上記可変動弁装置に使用される偏心カムを示す
斜視図。

【図５】上記可変動弁装置における揺動カムの基端面と
カム面に対応したバルブリフト特性図。

【図６】上記可変動弁装置の低速低負荷時の作用を示す
断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）。

【図７】上記可変動弁装置の高速高負荷時の作用を示す
断面図（図２のＢ−Ｂ線断面図）。

【図８】上記可変動弁装置のバルブタイミングとバルブ
リフトの特性図。

【図９】上記可変動弁装置の作動角制御システムを示す
ブロック図。

【図１０】従来例の可変動弁装置の作動角制御回路の内
容を示すシステム図。

【図１１】従来例の可変動弁装置の作動角制御回路の内
容を示すブロック図。

【図１２】発明の実施の形態１の可変動弁装置における
ＶＥＬ機構のブロック図。

【図１３】上記可変動弁装置のシステムブロック図。

【図１４】上記可変動弁装置の線形コントローラ部のシ
ステムブロック図。

【図１５】上記可変動弁装置の線形コントローラ部のシ
ステムブロック図。

【図１６】上記可変動弁装置の線形コントローラ部に非
線形コントローラ部を付加したシステムブロック図。

【図１７】上記可変動弁装置において用いられるマッ
プ。

【図１８】発明の実施の形態２の可変動弁装置のシステ
ムブロック図。

【図１９】従来例の可変動弁装置における作動角制御状
態を示すタイムチャート。

【図２０】発明の実施の形態２の可変動弁装置における
作動角制御状態を示すタイムチャート。

【図２１】従来例の可変動弁装置を示す断面図。

【図２２】従来例の可変動弁装置の作動角制御システム
を示すブロック図。

【符号の説明】

１２吸気弁（機関弁）１３カム軸１５偏心カム（揺動駆動手段）１６制御軸１７制御カム１８ロッカアーム２０揺動カム２５リンクアーム（揺動駆動手段）３３バルブスプリングＣＰＵ制御装置（線形特性制御手段，非線形特性制御
手段，非線形ゲイン積分保証手段）１０１ＤＣサーボモータ（電磁アクチュェータ）１０２作動角センサ（作動角検出手段）１０６エンジン回転数センサ（機関回転数検出手段）

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カム軸と略平行に配設された制御軸と、該制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、該制御カムに揺動自在に軸支されたロッカアームと、前記カム軸の回転に応じて前記ロッカアームの一端部を
揺動駆動する揺動駆動手段と、前記ロッカアームの他端部に連係して揺動して機関弁を
開作動させる揺動カムと、前記機関弁を閉じる方向に付勢するバルブスプリング
と、前記制御軸の作動角を検出する作動角検出手段と、前記制御軸を目標制御軸作動角に回転駆動する電磁アク
チュエータと、前記作動角検出手段で検出された制御軸の作動角信号に
基づいて前記制御軸を機関の運転状態に応じた目標制御
軸作動角位置に回転駆動させるべくフィードバック制御
する線形特性制御手段と、前記機関弁側からの非線形特性入力による制御軸の作動
角変動分を修正すべくフィードフォワード制御する非線
形特性制御手段と、を備えていることを特徴とする内燃
機関の可変動弁装置。
【請求項２】前記非線形特性制御手段が、前記線形特性
制御手段とは分離独立した状態で設けられていることを
特徴とする請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項３】機関の回転数を検出する機関回転数検出手
段と、前記機関回転数検出手段で検出された機関回転数
と前記作動角検出手段で検出された制御軸作動角から前
記反力トルクを求めるマップとを備え、前記非線形制御手段が、前記マップに基づいて前記機関
弁側からの非線形特性入力による制御軸の作動角変動を
修正すべくフィードフォワード制御が行われるように構
成されていることを特徴とする請求項１または２に記載
の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項４】前記目標制御軸作動角と制御軸作動角検出
手段で検出された制御軸作動角との制御偏差が大きい時
は小さな積分動作で制御偏差が小さい時は大きな積分動
作となる非線形ゲイン積分補償手段を備えていることを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の
可変動弁装置。