JP2002309973A

JP2002309973A - 内燃機関の電磁式弁駆動装置

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Publication number: JP2002309973A
Application number: JP2001118676A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Nomura; 重夫野村; Yurio Nomura; 由利夫野村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2002-10-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、サイクル間での急激な変動および
離脱後に発生する外乱を吸収して精度良く着座速度を制
御することが可能な内燃機関の電磁式弁駆動装置を提供
することを目的とする。【解決手段】ステップＳ１１０にて、検出されたバル
ブ速度が最大速度であるかを判定する。検出された速度
が最大速度であると判定されステップＳ１２０にて、最
大速度が検出されてから初回の演算タイミングであると
判定された場合には、ステップＳ１６０にて、検出され
た最大速度に応じた燃焼残圧等の外乱に応じた目標速度
軌道を再設定する。一方、ステップＳ１３０にて、初回
の演算タイミングではないと判定されると、再設定され
た目標速度軌道とバルブ速度とのエネルギ偏差に応じ
て、基本通電量に対する電流補正を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電磁式弁駆動装置に
関し、特に弁の開閉時における駆動制御に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、内燃機関の吸排気弁としては、
クランク軸の回転に基づいて駆動されるカム軸によるも
のが一般的である。そして、内燃機関の高性能化を図る
という観点から、運転状態に応じて最適な弁開閉時期に
制御することを目的として動弁系の可変機構が種々実用
化されつつあり、２段切り替え式（ＯＮ／ＯＦＦ制御
式）のものを始めとして連続可変式のものも開発されて
いる。これら可変機構には、カム軸の回転位相をずらす
ものや、カム軸に複数のプロファイルを備えるもの等が
ある。

【０００３】しかしながら、上述のようなカム軸により
駆動される吸排気弁では、弁リフト、弁開期間および弁
開閉時期の全てを独立かつ任意に設定することは不可能
である。そこで、近年においては、内燃機関に対する更
なる高性能化の要求に応えるべく、運転状態に応じてそ
れらのパラメータを理想的な値に設定可能な電磁駆動式
動弁系に関する研究が活発化してきている。

【０００４】例えば、特開昭５９−２１３９１３号公報
は、一対のばねによる付勢力により弁体を中立位置に弾
性的に支持するとともに、弁体と連結したプランジャに
電磁力を作用させることにより、弁体を中立位置から全
開方向または全閉方向へと移動させる構造の電磁駆動弁
について開示している。このようにプランジャを質量と
して含むばね−質量系（ｓｐｒｉｎｇ−ｍａｓｓｓｙ
ｓｔｅｍ）を構成する電磁駆動弁は、消費電力が少ない
という点で優れている。

【０００５】ばね質量系を構成する電磁駆動弁において
は、プランジャに作用する力は、電磁力とばねによる付
勢力とであるが、この電磁力は、プランジャと電磁力を
発生させる電磁石との間の距離が小さくなるにつれて付
勢力に比して急激に増大する。従って、他の電磁駆動弁
にも共通することであるが、プランジャが電磁石に吸着
すなわち着座せしめられるときの衝撃を低減するための
制御（着座制御）が必要となる。

【０００６】この着座制御としては、従来より、例えば
ＵＳ５７４２４６７特許に開示されるように、電磁コイ
ルに所定の電流を流す通電時期を正確に制御することを
目的として、フライバック電圧（電流）に基づいて電磁
コイルに吸引されていたアーマチャがアーマチャを吸引
していた電磁コイル側のコアから離れる時期（実離脱時
期）を判別して制御に用いる方法が考案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この場合、
徐々に変化する変動における補正は可能であるが、サイ
クル間での急激な変動および離脱後に発生する外乱によ
る影響を吸収できず、着座速度のばらつきを起こしてし
まう。ばらつきが生じることにより着座時の電磁力が過
剰となる場合には打音の増大を招いてしまう。一方、ば
らつきにより電磁力が不足する場合にはアーマチャを吸
引できない状態、所謂キャッチミスをする虞がある。

【０００８】また、同様に着座速度のばらつきは吸入空
気量にも影響するため、吸入空気量のばらつきによって
エミッションが悪化してしまう虞がある。

【０００９】本発明は、上述の課題に鑑見てなされたも
のであり、サイクル間での急激な変動および離脱後に発
生する外乱を吸収して精度良く着座速度を制御すること
が可能な内燃機関の電磁式弁駆動装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、バルブと一体に閉弁方向または開弁方向に移動する
ロッドと、該ロッド周りに一体に設けられるアーマチャ
と、上記バルブを閉弁方向に付勢する閉弁側のばねおよ
び開弁方向に付勢する開弁側のばねと、上記アーマチャ
の一方の端面側に所定間隔をおいて設けられ上記アーマ
チャを吸引して上記バルブの閉弁を保持する閉弁用のソ
レノイドと、上記アーマチャの他方の端面側に所定間隔
をおいて設けられ上記アーマチャを吸収して上記バルブ
の開弁を保持する開弁用ソレノイドと、前記開弁用のソ
レノイドおよび前記閉弁用のソレノイドを基本通電制御
する基本通電制御手段とを備える電磁式弁駆動装置にお
いて、アーマチャの速度を検出する速度検出手段と、速
度検出手段により検出されるアーマチャの速度又は、ア
ーマチャの所定の目標速度と速度検出手段により検出さ
れるアーマチャの実速度との偏差に基づいて、燃焼残圧
などのアーマチャに対する外乱を推定する外乱推定手段
と、外乱推定手段により推定される燃焼残圧などの外乱
に基づいて目標速度を再設定する目標速度再設定手段
と、前記目標速度再設定手段により再設定される目標速
度に基づいて前記基本通電制御手段による前記ソレノイ
ドへの基本通電量を補正する第１の補正手段とを備え
る。

【００１１】これにより、アーマチャの所定の目標速度
と実速度とから燃焼残圧等の影響を算出することがで
き、その後の目標速度をアーマチャに対する燃焼残圧等
の影響を考慮した目標速度に設定することができる。故
に、サイクル間での急激な変化および離脱後に発生する
外乱による影響を吸収でき、着座速度のばらつき、着座
時の電磁力が過剰であれば打音の増大を防止することが
できるので、吸入空気量のばらつきによるエミッション
の悪化、また、電磁力の不足によるキャッチミスを防止
することができる。なお、目標速度再設定手段による目
標速度は、アーマチャがソレノイドに吸着されるまでの
速度軌道を演算やマップ等により設定しても良い。

【００１２】さらに、請求項２の発明のように、外乱推
定手段は、位置検出手段により検出されるアーマチャの
位置が前記アーマチャが摺動運動可能な範囲の略中間位
置付近での目標速度と速度検出手段により検出されるア
ーマチャとの速度に基づいて燃焼残圧などの外乱を推定
すると良い。

【００１３】通常、アーマチャの通電制御は、ソレノイ
ドへ通電することによりアーマチャを制御することがで
きる電磁力が成長する位置にアーマチャが到達してから
開始される。すなわち、アーマチャとソレノイドとのギ
ャップ長を考慮して通電制御が開始されるため、アーマ
チャの位置が略中間位置付近まではアーマチャを吸着す
るために出力される電磁力による影響を受けることがな
い。このため、略中間位置付近での目標速度と実速度と
の偏差は、燃焼残圧等の外乱のみによる影響であるとす
ることができる。

【００１４】これにより、外乱の推定は、略中間位置付
近での目標速度と実速度との偏差に基づいて推定するこ
とができる。また、外乱の推定は、略中間位置付近まで
の偏差の積分値によって推定されても良い。さらに、精
度良く外乱の推定を行うために、アーマチャの最大速度
と最大速度位置での目標速度との偏差に基づいて推定さ
れても良い。

【００１５】請求項３の発明によれば、第１の通電補正
手段は、再設定された目標速度と速度検出手段により検
出されるアーマチャの速度との偏差に基づいて基本通電
制御手段によるソレノイドへの基本通電量を補正する。

【００１６】これにより、再設定された目標速度とアー
マチャの速度との偏差に基づいて、精度良くソレノイド
への通電量を補正することができるので、着座速度のば
らつき、打音の増大を防止することができる。故に、吸
入空気量のばらつきによるエミッションの悪化、また、
電磁力の不足によるキャッチミスを防止することができ
る。

【００１７】また、請求項４の発明のように、目標速度
再設定手段により設定された目標速度と速度検出手段に
より検出されるアーマチャの速度とのエネルギ偏差に基
づいて、前記エネルギ偏差に相当する電磁力を算出する
補償電磁力算出手段を備え、通電補正手段は、補償電磁
力算出手段により算出される電磁力に基づいて基本通電
制御手段による前記ソレノイドへの基本通電量を補正す
ると良い。

【００１８】これにより、再設定された目標速度とアー
マチャの速度とのエネルギ偏差に基づいて、目標速度へ
追従するように基本通電量を補正するので、アーマチャ
の速度をさらに精度良く目標速度へ追従させることがで
きる。

【００１９】また、このとき、請求項５の発明のよう
に、補償電磁力算出手段により算出される電磁力を発生
させるのに必要な補償電流を算出する補償電流算出手段
を備え、補償電流算出手段により算出される補償電流
は、電磁力の特性を考慮した物理モデルにより求められ
る。これにより、電流と電磁力との関係を精度良く推定
することができるので、基本通電量の補正により精度良
く目標速度へアーマチャの速度を追従させることができ
る。

【００２０】さらに、請求項６の発明のように、補償電
流と電磁力との特性をマップ化することにより精度良い
電磁力と電流との関係を推定できると共に、コンピュー
タの演算処理を軽減することができる。

【００２１】請求項７の発明によれば、前記アーマチャ
の位置が前記ソレノイド付近になったときには、前記目
標速度再設定手段により設定された目標速度と前記速度
検出手段により検出される前記アーマチャの速度との偏
差に基づくゲインを設定して前記ソレノイドへの基本通
電量を補正する第２の通電補正手段を備える。

【００２２】アーマチャの位置がソレノイド付近、すな
わち、ギャップ長が小さくなるアーマチャ位置では、電
磁力が急成長するために小さな通電量で大きな電磁力が
発生することとなる。そこで、上述のようにアーマチャ
の目標速度と実速度との偏差に応じてゲインを設定し、
設定されたゲインを用いてソレノイドへの基本通電量を
補正することで着座速度制御の微調整を実施することが
できる。

【００２３】すなわち、燃焼残圧等の外乱が検出される
と、外乱に応じた目標速度を設定する。そして、アーマ
チャ位置が電磁力が急成長する位置よりも前では、第１
の通電補正手段によりアーマチャの速度が外乱に応じた
目標速度に追従するようにアーマチャを通電制御し、電
磁力が急成長する位置以降では、ハンチング等が生じな
いようにアーマチャの速度を微調整するための第２の通
電補正手段により制御する。

【００２４】請求項８の発明では、前記電磁式弁駆動装
置は、内燃機関の吸気弁および／または排気弁に設けら
れると良い。

【００２５】これにより、吸気弁、若しくは排気弁で
は、吸入空気圧の変動や燃焼残圧の変動による外乱が生
じても、バルブの着座速度を精度良く制御することがで
きる。

【００２６】

【実施の形態】＜第１の実施の形態＞図１は、本発明の
電磁式弁駆動装置の一実施の形態を示したものであり、
以下、これに基づいて説明する。公知のエンジンヘッド
２０には吸気口２１が設けられており、この吸気口２１
を開閉する吸気弁としてのバルブ１が配設されている。
バルブ１は、吸気口２１端に形成されるバルブシート１
ａと弁部を構成して排気口２１を閉鎖する弁体２２とそ
の上方に延びるステム２３とからなり、ステム２３は、
エンジンヘッド２０に圧入固定されたバルブガイド２内
に上下方向に摺動自在に挿通保持されている。

【００２７】バルブガイド２上方のエンジンヘッド２０
内には、ステム２３の上端部に設けたスプリングストッ
パ２４との間に、閉弁側のばねとしてロアスプリング１
０が配設されており、バルブ１を閉弁方向（図の上方）
に付勢している。エンジンヘッド２０の上面には上端が
カバー部材１１により閉鎖され下端が開口するハウジン
グ２５が固定され、ステム２３の上端部は、ハウジング
２５内に摺動自在に収容される可動子３の下端部に当接
している。可動子３の外周には、バルブ１を開弁作動
し、その状態を保持する開弁用のソレノイドたるロアコ
イル７が配設されている。

【００２８】可動子３の上端部外周には、磁性体よりな
るプランジャ１９が固定してあり、プランジャ１９の下
面は、所定間隔をおいてロアコイル７とロアコア６とが
配設される。スペーサ８は、プランジャ１９を上下方向
に摺動可能に保持する部材である。プランジャ１９に対
してロアコア６とロアコイル７と対象側には、バルブ１
を閉弁側に作動し、その状態を保持するための閉弁用ソ
レノイドたるアッパコイル５とアッパコア４とが配設さ
れる。プランジャ１９の上方には、ステム２３と可動子
３との延長上に可動子２６が配設される。可動子２６は
カバー部材１１により上下方向に摺動可能に保持されて
おり、その上端部はスプリングストッパ２７に当接され
る。

【００２９】カバー部材１１の上端は、バルブ１を開弁
方向に付勢するアッパスプリング９の下端を収容するよ
うに構成されており、アッパスプリング９はカバー部材
１１とハウジング２７とにより収容される。ここで、両
スプリング８，９のばね力は等しく設定されており、ア
ッパコイル５，ロアコイル７に通電しない図示の状態に
おいて、プランジャ１９は、両コイル５，７の略中間位
置で静止している。

【００３０】アッパコイル５，ロアコイル７いずれか一
方に通電すると、プランジャ１９が上方または下方に吸
引駆動され、これに伴ってバルブ１が閉弁または開弁す
る。

【００３１】プランジャ１９の外周には、筒状ハウジン
グ２５内周面に沿って筒状のスペーサ８が配設され、ス
ペーサ８により、プランジャ１９と両コア４，６との間
隔が設定され、プランジャ１９のストローク長すなわち
バルブリフト量を調整している。

【００３２】筒状ハウジング２５の下端には、バルブ２
の位置を検出するためのバルブ位置検出センサ１２が設
けてある。バルブ位置検出センサ１２付近の可動子３に
は弁体方向に従って可動子の径が小さくなるように構成
されており、バルブ位置検出センサ１２は、可動子３と
の距離に応じて出力値を出力するように構成される。バ
ルブ位置検出センサ１２は、可動子３が閉弁方向に行く
に従って大きな値を出力し、開弁方向に行くに従って小
さな値を出力する。このときのバルブ位置検出センサ１
２の出力に応じてバルブ１の位置を検出している。ま
た、バルブ位置検出センサ１２には図示しない微分回路
が設けられており、バルブ位置検出センサ１２により出
力される出力値を微分することによりバルブ１の速度を
検出するようにしている。

【００３３】つぎに、両コイル５，７への通電制御を行
う回路構成を１３乃至１８のブロック図を用いて概要を
説明する。振動発信器１５は一定の周波数の波形を出力
する回路であり、制御回路１３は、命令入力１４からの
命令に従って振動発信器１５の波形に対するスレッショ
ルドを設定する。スイッチ１６は、振動発信器１５の波
形が制御回路１５が設定したスレッショルドよりも大き
な場合にオン信号を出力するように構成される。一方、
１８は、エネルギ源としての例えば、バッテリであり、
バッテリ１８からの電圧を増幅器１７により増幅させ
る。そして、増幅器により増幅された電圧をスイッチ１
６のオン信号が出力されたときに、どちらかのコイル
５，７に通電するように構成される。

【００３４】図１に示す非通電状態では、両スプリング
９，１０の力がほぼ等しいため、プランジャ１９は、両
コイル５，７の中間位置にある。ここから、エンジン始
動前に、一旦すべてのバルブ２を閉とする起動制御をす
る必要がある。起動制御は、このシステムの可動部の質
量とばねで決まるばね−質量系の固有振動を利用し、ア
ッパコイル５，ロアコイル７とへ固有振動に相当する共
振周波数にて、交互に通電することによりなされる。し
ばらく起動制御を行うとバルブ１が振動をはじめ、振幅
が大きくなっていく。やがて両コイル５，７間の距離で
規定される最大リフ位置まで作動するようになる。ここ
で、アッパコイル５にプランジャ１９が吸引された状態
で保持することで、バルブ１の閉状態が保持でき、起動
制御が終了する。

【００３５】その後、エンジンを始動し、アッパコイル
５，ロアコイル７への通電量をエンジンからの各センサ
出力を基にエンジンの吸気弁および排気弁を任意のタイ
ミングで開閉制御する。

【００３６】ところで、バルブ１の開閉制御に際して
は、バルブ１もしくは、プランジャ１９の着座制御が重
要となる。すなわち、着座速度が大きすぎると、アッパ
コア４，ロアコア６およびバルブシート１ａとの衝突に
より、大きな打音が発生するばかりでなく、上記部材の
変形を促してしまう。そのため、着座速度を小さくなる
ように制御することが重要である。なお、着座時の目標
速度としては、例えば０．０４ｍ／ｓ程度が好ましい。

【００３７】本実施の形態では、説明の便宜上、バルブ
１を電磁駆動排気バルブであるとして、このバルブ１が
開く際の制御について記述する。ここで、リフト位置の
定義を行なう。バルブ位置検出センサ１２が検出するリ
フト位置は、バルブ１が閉じている状態（以下、基準位
置と称する。）からの移動距離であり、中間位置はバル
ブが閉じた状態と開いた状態との中間位置のことであ
り、最大リフト位置はバルブ１が開いた状態のことであ
る。また、バルブ１が閉じている状態から最大リフト位
置に到達するまでを着座制御の１サイクルと称し、バル
ブが最大リフト位置に到達することを以下単に着座と言
う。

【００３８】なお、速度検出手段としてのバルブの実速
度を検出する手段としてはバルブ位置検出センサ１２の
出力値を微分回路等に入力し、算出する手段で良く、従
来より知られる方法で良い。

【００３９】電磁駆動バルブにおいては、ばね−質量系
のエネルギーを一定にし、さらに着座時の速度を所望の
速度とするべく電磁力により制御を行なう。ところが、
１サイクルの制御期間中にばね−質量系は、様々な外力
を受ける。例えば、外力は、ばねの中心ずれが原因とな
って可動子３がバルブガイド２等に押さえつけられるこ
とにより発生する粘性力や、可動子３の摺動時に発生す
る摩擦力などである。

【００４０】特に、電磁駆動排気バルブの場合には、燃
焼室内の燃焼残圧による外力が粘性力や摩擦力による外
力に比して、ばね−質量系のエネルギーを一定に保つた
めに行われる電磁力の制御に対して大きな影響を与える
という問題がある。より詳細には電磁駆動排気バルブの
開弁時の燃焼残圧が前回の１サイクルと今回の１サイク
ル間（以下、単にサイクル間と称する。）で５ｋＰａ変
動しても、バルブ１をキャッチミスする虞がある。

【００４１】そこで、本実施の形態では、サイクル間で
燃焼残圧が変動してもバルブの着座速度を精度良く制御
することを目的とする。

【００４２】まず、それぞれのサイクル毎に精度良い燃
焼残圧を検出するための燃焼残圧検出手法について説明
する。図４に示す図は、バルブ１のリフト位置に対する
バルブ速度軌道を示している。リフト位置が０ｍｍから
４ｍｍ程度までの速度軌道によれば、燃焼残圧が０ｋＰ
ａの速度軌道に比して、燃焼残圧が２００ｋＰａ，４０
０ｋＰａと大きくなるほど、バルブ１の速度軌道が小さ
くなることが分かる。

【００４３】実際の運転中の着座制御においては、燃焼
圧力が分からないためにこの速度軌道に着目し、この速
度軌跡に基づいて燃焼残圧を推定する。図４のそれぞれ
の燃焼残圧に応じた速度軌跡に着目すると、リフト位置
が中間位置となる約４ｍｍの位置では、バルブ１の速度
が最大速度となっている。この最大速度と燃焼圧力との
関係を図示すると、図５に示されるような関係になる。
この図では、燃焼残圧が大きいほど、バルブ１の最大速
度が小さくなることを示しており、燃焼残圧は、バルブ
１の最大速度を検出することで推定可能となる。（ま
た、燃焼残圧の推定は、最大速度を検出することに限ら
ず速度の積分値を検出することにより燃焼残圧を推定す
るようにしても良い。）そこで、バルブ１の位置が中間位置のときのバルブ速度
を検出することにより燃焼残圧が推定できることから、
この燃焼残圧に応じたバルブ１の目標速度を再設定す
る。目標速度の設定では、燃焼残圧を考慮する前の目標
軌道を補正する方法と、燃焼残圧に応じた目標速度軌道
を設定する手法の２つが挙げられる。一つ目は、図５に
より推定される最大速度に応じた燃焼残圧に基づいて燃
焼残圧を考慮する前の目標軌道を補正する手法。そし
て、二つ目は、運転状態と燃焼残圧とに応じて、マップ
や演算によりバルブが着座するまでの目標速度を設定す
る手法である。（なお、目標速度の設定は、最大速度に
応じて設定する手法であれば、これに限るものではな
い。）このような手法により目標速度を設定すると、目標速度
に基づいて実際のバルブ速度が制御される。このバルブ
速度の制御について図３を用いて制御概要を説明する。
図３は、リフト位置が中間位置（４ｍｍ）から最大リフ
ト位置（８ｍｍ）までのが示されており、リフト位置に
対するバルブの目標速度軌道と実際のバルブ速度とを示
している。また、図中のポイントＸ（Ｔ_k-1），Ｘ
（Ｔ_k），…Ｘ（Ｔ_k+2）は、制御装置１３の演算タイミ
ングに対応したバルブ位置を示しており、演算タイミン
グは約１００μｓｅｃ程度である。本実施の形態では、
制御装置１３が行なう制御として２つの制御パターンを
実施している。一つには、外乱吸収モード、もう一つ
は、ソフトランディングモードである。

【００４４】ソフトランディングモードは次のような理
由から行われる制御である。リフト位置が最大リフト位
置付近になると、プランジャ１９とロアコイル７とのギ
ャップ長が小さくなるために電磁力が急成長する。ギャ
ップ長が小さいために電磁力が急成長すると、実際のバ
ルブ速度を目標速度に追従させるためにフィードバック
制御を実施てもハンチング等が生じ易くなる。このた
め、着座制御を実施する上では、ハンチング等が発生す
ることから制御性が悪化する以前にバルブ速度が目標速
度となることが望ましい。すなわち、ソフトランディン
グモードは、リフト位置が最大リフト位置付近で行われ
る制御であり、バルブ速度の微調整を行うための制御で
ある。

【００４５】従って、図３に示すように外乱吸収モード
によって実際のバルブ速度を目標速度軌道へ追従させ
て、その後、リフト位置が最大リフト位置付近にて、実
際のバルブ速度を目標速度軌道に維持するためのソフト
ランディングモードを実施する。まず、ソフトランディ
ングモードが実施される前の外乱吸収モードについて図
２の制御ブロック図を用いて説明する。外乱吸収モード
は、リフト位置検出センサ１２により検出されるリフト
位置信号とエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ｔｈｗ
とが入力される。入力されたリフト位置信号は、１００
の速度演算ブロックに入力される。速度演算ブロック１
００では、リフト位置信号に基づいてバルブ１の実際の
速度Ｖｐが演算される。演算された実際のバルブ速度Ｖ
ｐは１２０の運動エネルギ演算ブロックと１１０の外乱
推定ブロックとに入力される。

【００４６】まず、外乱推定ブロック１１０では、バル
ブ速度の最高速度から燃焼残圧を推定する。ここで、前
述したように燃焼残圧に応じた目標速度軌道を設定する
ので、１３０の目標エネルギ算出ブロックは、目標速度
軌道とリフト位置とからばね−質量系の目標運動エネル
ギＥｍを算出する。すなわち、外乱推定ブロック１１０
は、バルブ速度の最高速度に基づいて外乱が推定される
と、その後は実行されない処理である。一方、１２０の
運動エネルギ算出ブロックでは入力される実際のバルブ
速度Ｖｐから実際の運動エネルギＥｐを算出する。

【００４７】目標速度軌道が設定されてからの処理で
は、目標速度軌道から求まる目標運動エネルギＥｍと実
運動エネルギＥｐとを算出する。そして、目標運動エネ
ルギＥｍと実運動エネルギＥｐとが算出されると、１４
０のエネルギ偏差算出ブロックでは、（１）式にしたが
って目標速度軌道に対する実際のバルブ速度Ｖｐのエネ
ルギ偏差を算出する。

【００４８】ここで、速度Ｖｍ（Ｔｋ）は目標速度軌道から求められ
る時刻Ｔｋでの速度である。このようにして算出される
エネルギ偏差ΔＥ（Ｔｋ）は、燃焼残圧や前回までの通
電制御では、補償することができなかったエネルギの不
足分である。このため、実バルブ速度Ｖｍを目標速度軌
道のＶｐに追従させるためには、次回以降のソレノイド
への通電により、ばね−質量系にエネルギ偏差ΔＥ（Ｔ
ｋ）分を補償する電磁力を算出する必要がある。

【００４９】目標速度軌道へバルブ速度を追従させるた
めに必要な不足分のエネルギを補償するための電磁力
は、（２）式に従って算出される。

【００５０】 ΔＥ（Ｔ_k）は、（１）式により算出されたエネルギで
あり、ｄｘは演算周期でのバルブの移動距離である。補
償分の電磁力ΔＦ_e（Ｔ_k）はこのようにして算出され
る。エネルギー偏差ΔＥ（Ｔ_k）が算出されると、次
に、１６０の補正電流算出ブロックにて補正電流を算出
する。補正電流は、１７０の電流フィードフォワード
（以下、Ｆ／Ｆと称する。）ブロックにて決定される基
本電流マップの電流値を補正するための電流である。電
流Ｆ／Ｆブロック１７０では、エンジン回転速度Ｎｅと
スロットル開度Ｔｈｗとから設定される電流Ｆ／Ｆ用の
基本通電マップにより、ソレノイドへ通電する電流値を
設定する。

【００５１】以下では、補正電流算出ブロック１６０で
の補正電流を算出する処理について図７を用いて説明す
る。図７はバルブ位置Ｘ（Ｔ_k+1）に応じた通電電流に
対して発生する電磁力を示している。電流値ｉ_m ⁰（Ｔ
_k+1）は、基本電流マップにより設定される目標電流値
である。位置Ｘ（Ｔ_k+1）でのこの目標電流値に対応し
た電磁力は、図に示す通り目標電磁力Ｆ_em ⁰（Ｔ_k+1）と
なる。この目標電磁力Ｆ _em ⁰（Ｔ_k+1）に（２）式で算出
される補償分の電磁力ΔＦ_e（Ｔ_k）を加えた最終電磁力
が、制御装置１３の次回の演算タイミングでの目標値と
なる。この目標値に対応した電流値は、図に示すように
最終電流値ｉ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）となる。

【００５２】ここで、図７の対応関係は、実際には、ソ
レノイドへ通電する電流値とその状態、アーマチャとコ
アとのギャップ長等により決定される。このため、電磁
力の応答遅れ等を考慮した電磁力の物理モデルを設定す
る必要があり、また、制御装置１３の演算処理速度等を
考慮すると高応答フィードバックに対応できる簡素性を
持ち、精度の高い物理モデルが必要となる。

【００５３】以下では、電磁力の物理モデルについて図
８乃至図１１を用いて説明する。図８は、１ｍｓｅｃ所
定電圧を与えたときに、ソレノイドに発生する電流値の
変化をバルブ位置Ｘ（Ｔ_k）毎に示した図である。ま
た、図９は、このときのバルブ位置Ｘ（Ｔ_k）毎の電磁
力である。この２つの電流と電磁力との関係から電磁力
等の応答遅れを考慮した電流−電磁力の近似物理モデル
を図１０と図１１とに示す。図１０は、電流増加時の電
磁力をバルブ位置Ｘ（Ｔ_k）毎に示すマップであり、図
１１は、電流減少時の電磁力をバルブ位置Ｘ（Ｔ_k）毎
に示すマップである。

【００５４】このような電磁力の近似物理モデルを使用
して、補正電流算出ブロック１６０と電流Ｆ／Ｆブロッ
クとから最終電流値ｉ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）を決定する。そし
て、指示電流算出ブロック３００にて、最終電流値ｉ_m
⁰⁰（Ｔ_k+1）を出力するために電圧のＰＷＭ率を３１０
のエンジンドライブユニット等に出力する。

【００５５】つぎに、ソフトランディングモードの説明
を行なう。前述した通り、ソフトランディングモード
は、バルブ位置Ｘ（Ｔ_k）が着座直前で行われる制御で
ある。本実施の形態では、ソフトランディングモード
は、例えばバルブ着座前６．５ｍｍで実施される。ま
ず、外乱推定ブロック１１０により設定される目標速度
軌道から、２００の目標速度算出ブロック手段では、バ
ルブ位置Ｘ（Ｔ_k）に応じた目標速度Ｖ_mを算出する。そ
して、速度演算ブロック１００で算出されたバルブの実
速度Ｖ_pと目標速度Ｖ_mとに基づいて、２１０の速度偏差
演算ブロックにて、速度偏差ΔＶ（＝目標速度Ｖ_m−実
速度Ｖ_p）を算出する。

【００５６】ソフトランディングモードでは、この速度
偏差ΔＶに応じたフィードバック電流を算出する。速度
偏差ΔＶに応じたフィードバックゲインを設定するため
の図を図６に示す。図６によれば、速度偏差Δが大きい
ほどゲインを大きく設定し、速度偏差が負の値では、ゲ
インを負の値に切り換える。このようにして、ゲインを
設定するので、速度偏差ΔＶに応じたバルブ速度の制御
を実施することができる。（３）式に、速度偏差ΔＶに
応じたバルブ制御の電流を算出するための演算式を示
す。電流値ｉ_m ⁰（Ｔ_k）は、基本電流マップにより設定され
る目標電流値である。このようにして、リフト位置が最
大リフト位置付近になると、バルブ速度の微調整を行う
ためのソフトランディングモード制御を実施して目標速
度軌道へ維持させる制御を実施する。故に精度良い着座
制御を可能としている。

【００５７】つぎに、上述の制御内容を示す図１２のフ
ローチャートを用いて本実施の形態の制御を説明する。
図１２のフローチャートは、１００μｓｅｃ毎に起動さ
れるプログラムである。まず、ステップＳ１００では、
基準位置からのリフト位置が所定位置１に到達したか否
かが判定される。ここで、バルブ位置が所定位置に到達
していないと判定されると、そのまま本ルーチンを終了
する。一方、バルブ位置が所定位置に到達したと判定さ
れると、ステップＳ１１０以降の処理を実行する。

【００５８】ステップＳ１１０では、バルブの実速度Ｖ
_mが最大速度に達したか否かを判定する。判定方法とし
ては、例えば、前回の実速度Ｖ_mと今回の実速度Ｖ_mとを
比較して前回値よりも今回値の方が小さい場合に、最大
速度であると判定しても良いし、これに限られるもので
はない。バルブの最大速度が検出されなければ、ステッ
プＳ１５０にて、図２の電流Ｆ／Ｆブロック１７０にて
設定される基本通電量マップにより電流値を設定して本
ルーチンを終了する。

【００５９】一方、最大速度が検出されると、ステップ
Ｓ１２０では、最大速度を検出後、１回目の演算タイミ
ングであるか否かを判定する。１回目の演算タイミング
である場合には、ステップＳ１６０に進み、検出された
最大速度から図５に示されるマップにより筒内圧を算出
し、筒内圧に応じた目標速度軌道のマップを選択する。
このようにして、最大速度検出後に筒内圧に応じた目標
速度軌道のマップが選択されると、これ以降では、ステ
ップＳ１３０の処理を繰り返し実施する。ステップＳ１
３０では、所定位置２に到達したか否かが判定される。

【００６０】所定位置２に到達していなければ、ステッ
プＳ１７０へ進み、外乱吸収モード制御を実施して本ル
ーチンを終了する。外乱吸収モード制御についての説明
は、前述した通りであるので、ここでは省略する。一
方、所定位置２に到達した場合には、ステップＳ１４０
へ進み、最大リフト位置に到達したか否かが判定され
る。最大リフト位置に到達していなければ、ステップＳ
１８０へ進み、ソフトランディングモードを実施して本
ルーチンを終了する。一方、最大リフトに到達した場合
には、そのまま本ルーチンを終了する。

【００６１】つぎに、外乱吸収モード制御とソフトラン
ディングモード制御とを実施した場合のタイミングチャ
ートについて、図１３を用いて説明する。図１３の
（ａ）では、バルブ速度とリフト位置との関係が示して
ある。リフト位置が図中の所定位置Ａとなると、図１３
（ｂ）に示すように基本電流マップにより電流指示電圧
をソレノイドへ印加して、所望の電流を出力する。基本
電流マップによる制御は、図中のＢ点まで実施される。

【００６２】その後、図中のＢ点に到達するとバルブ速
度の最大速度が検出される。Ｂ点は約４ｍｍ付近であ
り、この点にてバルブ速度の最大値が検出される。最大
速度が検出されると、筒内圧力などの外乱を推定して、
外乱に応じた目標速度軌道を選択する。そして、図中の
Ｂ点以降では、外乱吸収モードが開始される。外乱吸収
モードでは、目標速度軌道と実速度とから算出されるエ
ネルギ偏差に基づいて、エネルギ偏差に相当する電磁力
を基本電流マップにより発生される電磁力に加えて出力
することで、バルブ速度を目標速度軌道に追従させる。

【００６３】図中のＣ点では、バルブ位置が約６．５ｍ
ｍを示しており、このＣ点で外乱吸収モードから、バル
ブ速度を微調整するためのソフトランディングモードに
切り替える。その後、バルブが着座したことを検知した
ら、バルブのキャッチミスを防止するために保持電流を
出力する。

【００６４】以上のように、本実施の形態では、バルブ
の最大速度を検出して、検出された最大速度に基づいて
外乱を推定することで、外乱に応じた目標速度軌道を精
度良く設定することができる。そして、目標速度軌道に
対して外乱吸収モード制御とソフトランディングモード
制御とを実施することでバルブが着座するまでに精度良
くバルブ速度を目標速度軌道に追従させることができ
る。

【００６５】本実施の形態において、基本通電制御手段
は図１２のフローチャートのステップＳ１５０に、位置
検出手段は位置センサ１２に、速度検出手段は位置セン
サ１２からの出力を微分回路等に入力することでバルブ
速度を検出する手段に、外乱推定手段は図５に、目標速
度再設定手段は図１２のフローチャートのステップＳ１
６０に、第１の通電補正手段は外乱吸収モードに、第２
の通電補正手段はソフトランディングモードに、補償電
磁力算出手段は（２）式に、補償電流算出手段は図７
に、それぞれ相当し、機能する。

【００６６】＜第２の実施の形態＞第１の実施の形態で
は、バルブの目標速度軌道から設定される目標速度と実
速度とのエネルギ偏差を、次回の演算タイミングにて電
磁力を印加することで目標速度軌道にバルブ速度が追従
するように制御した。本実施の形態では、外乱吸収モー
ドの演算方法を異なる方法で実施する。以下、図１４の
フローチャートを用いて、詳細に説明する。

【００６７】図１４のフローチャートは、第１の実施の
形態における図１２のステップＳ１７０の処理、すなわ
ち、外乱吸収モードのサブルーチンである。図１２のス
テップＳ１７０の処理が実施されると、まず、図１４の
ステップＳ２００にて、バルブの目標速度軌道から決ま
る目標速度Ｖｐが呼び出される。同様にしてバルブの実
速度Ｖｍが検出され、ステップＳ２１０へ進む。ステッ
プＳ２１０では、ステップＳ２００にて検出される目標
速度Ｖｐと実速度Ｖｍとに基づいて、第１の実施の形態
の（１）式にしたがってエネルギ偏差ΔＥを演算する。

【００６８】そして、ステップＳ２２０では、第１の実
施の形態の（２）式にしたがって補正分の電磁力ΔＦ_e
（Ｔ_k）を演算する。この補正分の電磁力ΔＦ_e（Ｔ_k）
は、第１の実施の形態で詳述したので説明を省略する。
つぎに、ステップＳ２３０では、１回目先のリフト位置
Ｘ（Ｔ_k+1）を、ステップＳ２４０では、２回目先のリ
フト位置Ｘ（Ｔ_k+2）を演算する。それぞれ、（４）
式、（５）式従って演算する。ここで、ｄＸは、（６）式にて｛Ｘ（Ｔ_k+1）−Ｘ
（Ｔ_k）｝の代用として用いられる。すなわち、次回と次々回の演算タイミングＴ_k+1，Ｔ_k+2
でのバルブ位置Ｘ（Ｔ _k+1），Ｘ（Ｔ_k+2）は、（４）
式，（５）式を用いて推定される。そして、（４）式，
（５）式で推定されるバルブ位置Ｘ（Ｔ_k+1），Ｘ（Ｔ
_k+2）に基づいて図１５に示される基本電流マップか
ら、バルブ位置Ｘ（Ｔ_k+1），Ｘ（Ｔ_k+2）での基本電流
ｉ_m ⁰（Ｔ_k+1），ｉ_m ⁰（Ｔ_k+2）をステップＳ２５０，ス
テップＳ２６０にて推定する。

【００６９】そして、それぞれの基本電流ｉ
_m ⁰（Ｔ_k+1），ｉ_m ⁰（Ｔ_k+2）を推定すると、つぎに、ス
テップＳ２７０にて、基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ_k+1），ｉ
_m ⁰（Ｔ_k+2）のどちらが大きいかを判定する。基本電流
ｉ_m ⁰（Ｔ_k+1），ｉ_m ⁰（Ｔ_k+2）の大小を判定する理由
は、第１の実施の形態と同様に電磁力モデルを利用する
ためであり、第１の実施の形態では電流増加時と減少時
とに分類して電流に応じた電磁力を推定する。

【００７０】ステップＳ２７０にて基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ
_k+2）が基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ_k+1）より大きいと判定される
と、ステップＳ２８０へ進む。ステップＳ２８０では、
第１の実施の形態の図１０に示した電流増加時の電流−
電磁力マップを用いて、バルブ位置Ｘ（Ｔ_k+1）での電
磁力Ｆｅ_m ⁰（Ｔ_k+1）を推定し、ステップＳ３００へ進
む。一方、基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ_k+2）が基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ
_k+1）よりも小さいと判定されると、ステップＳ２９０
へ進む。ステップＳ２９０では、図１１に示した電流減
少時の電流−電磁力マップを用いて、バルブ位置Ｘ（Ｔ
_k+1）での電磁力Ｆｅ_m ⁰（Ｔ_k+1）を推定し、ステップＳ
３００へ進む。

【００７１】ステップＳ３００では、図７に示すよう
に、ステップＳ２８０、若しくはステップＳ２９０にて
算出された電磁力Ｆｅ_m ⁰（Ｔ_k+1）に、ステップＳ２２
０にて算出された補償分の電磁力ΔＦ_e（Ｔ_k）を加算し
て、目標電磁力Ｆｅ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）を推定する。そして、
ステップＳ３１０にて、目標電磁力Ｆｅ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）に
応じた電流ｉ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）を図７に従って算出する。つ
ぎに、ステップＳ３２０にて、電流補正量Δｉ_mを電流
ｉ_m ⁰⁰（Ｔ_k+1）と基本電流ｉ_m ⁰（Ｔ_k+1）との偏差から
算出する。電流補正量Δｉ_mは、補償分の電磁力ΔＦ
_e（Ｔ_k）を出力するために必要な電流補正量である。

【００７２】そして、最終的な指示電流値として最終指
示電流ｉ_m（Ｔ_k+1）を演算により求める。演算は、基本
電流値ｉ_m ⁰（Ｔ_k+2）に電流補正量Δｉ_mを加えることに
より、最終指示電流ｉ_m（Ｔ_k+1）を算出する。

【００７３】以上のように、本実施の形態では次回の演
算タイミングでの基本電流から電磁力を推定すること
で、２回目の演算タイミングでの電磁力の制御に反映さ
せる。このことで、制御装置１３の演算負荷を軽減する
ことができる。

【００７４】本実施の形態において、第１の通電補正手
段は外乱吸収モードに、補償電磁力算出手段は図１４の
フローチャートのステップＳ２２０に、補償電流算出手
段は図１４のフローチャートのステップＳ３２０に、そ
れぞれ相当し、機能する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概略構成図。

【図２】本発明の外乱吸収モードとソフトランディング
モードを示すブロック図。

【図３】第１の実施の形態において、基準速度にバルブ
速度を追従させるために外乱吸収モードとソフトランデ
ィングモードとにより制御した図。

【図４】筒内圧とバルブ速度との関係を示す図。

【図５】筒内圧とバルブの最大速度との関係を示す図。

【図６】バルブの目標速度と実速度との偏差に応じてゲ
インを設定するための図。

【図７】位置Ｘ（Ｔ_k+1）での電磁力と電流との関係を
示し、目標速度と実速度とのエネルギ偏差に対応した電
磁力による補正後の電磁力に対応した電流値を算出する
ことを説明する図。

【図８】ギャップ長毎に所定の電圧を印加したときに、
電流の時間変化を示す図。

【図９】ギャップ長毎に所定の電圧を印加したときに発
生する電磁力の時間変化を示す図。

【図１０】ギャップ長毎に電流増加時の電流−電磁力の
特性を示す図。

【図１１】ギャップ長毎に電流減少時の電流−電磁力の
特性を示す図。

【図１２】本発明の制御を示すフローチャート。

【図１３】本発明の制御を適用したときのタイムチャー
ト。

【図１４】第２の実施の形態における外乱吸収モードの
フローチャート。

【図１５】本発明のリフト位置に応じたソレノイドへの
通電量を設定する基本電流マップ図。

【符号の説明】

１…バルブ、１a…バルブシート、２…バルブガイド、３…可動子、４…アッパコア、５…アッパコイル、６…ロアコア、７…ロアコイル、８…スペーサ、９…アッパスプリング、１０…ロアスプリング、１１…ハウジング、１２…センサ、１３…制御装置、１４…命令入力、１５…振動発信器、１６…スイッチ、１７…増幅器、１８…エネルギ源、１９…プランジャ、２０…エンジンヘッド、２１…吸気口、２２…弁体、２３…ステム、２４…スプリングストッパ、２５…筒状ハウジング、２６…可動子、２７…スプリングストッパ、２８…ハウジング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｆ 7/18 Ｈ０１Ｆ 7/16 ＲＦターム(参考） 3G018 AB09 AB16 BA38 CA12 DA41 DA45 DA70 EA02 EA11 EA18 EA19 EA20 EA22 EA24 EA26 EA31 EA35 FA01 FA06 FA07 GA02 GA03 GA14 GA18 GA36 GA38 3G092 AA01 AA11 AB02 BB06 DA03 DA07 DF05 DG09 EA01 EA11 EC02 EC09 FA06 FA09 FA11 FA12 HA01Z HA03Z HA13Z HB01Z HC01Z 3G301 HA01 HA02 HA19 JA03 JA20 LC01 NB20 NC02 ND02 PE10Z 5E048 AB01 AD07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バルブと一体に閉弁方向または開弁方向
に移動するロッドと、該ロッド周りに一体に設けられる
アーマチャと、前記バルブを閉弁方向に付勢する閉弁側
のばねおよび開弁方向に付勢する開弁側のばねと、前記
アーマチャの一方の端面側に所定間隔をおいて設けられ
前記アーマチャを吸引して前記バルブの閉弁を保持する
閉弁用のソレノイドと、前記アーマチャの他方の端面側
に所定間隔をおいて設けられ前記アーマチャを吸収して
前記バルブの開弁を保持する開弁用ソレノイドと、前記
開弁用のソレノイドおよび前記閉弁用のソレノイドを基
本通電制御する基本通電制御手段とを備える電磁式弁駆
動装置において、前記アーマチャの速度を検出する速度検出手段と、前記速度検出手段により検出される前記アーマチャの速
度又は、前記アーマチャの所定の目標速度と、前記アー
マチャの実速度との偏差に基づいて、燃焼残圧などの前
記アーマチャに対する外乱を推定する外乱推定手段と、前記外乱推定手段により推定される燃焼残圧などの外乱
に基づいて前記目標速度を再設定する目標速度再設定手
段と、前記目標速度再設定手段により再設定される目標速度に
基づいて前記基本通電制御手段による前記ソレノイドへ
の基本通電量を補正する第１の通電補正手段とを備える
ことを特徴とする内燃機関の電磁式弁駆動装置。
【請求項２】前記アーマチャの位置を検出する位置検
出手段を備え、前記外乱推定手段は、前記位置検出手段により検出され
る前記アーマチャの位置が前記アーマチャが摺動運動可
能な範囲の略中間位置付近での前記目標速度と前記速度
検出手段により検出される前記アーマチャとの速度に基
づいて前記燃焼残圧などの外乱を推定することを特徴と
する請求項１に記載の内燃機関の電磁式弁駆動装置。
【請求項３】前記第１の通電補正手段は、前記目標速
度再設定手段により設定された目標速度と前記速度検出
手段により検出される前記アーマチャの速度との偏差に
基づいて前記基本通電制御手段による前記ソレノイドへ
の基本通電量を補正することを備えることを特徴とする
請求項１または請求項２のいずれか一方に記載の内燃機
関の電磁式弁駆動装置。
【請求項４】前記目標速度再設定手段により設定され
た目標速度と前記速度検出手段により検出される前記ア
ーマチャの速度とのエネルギ偏差に基づいて、前記エネ
ルギ偏差に相当する電磁力を算出する補償電磁力算出手
段を備え、前記通電補正手段は、前記補償電磁力算出手段により算
出される電磁力に基づいて前記基本通電制御手段による
前記ソレノイドへの基本通電量を補正することを特徴と
する請求項３に記載の内燃機関の電磁式弁駆動装置。
【請求項５】前記補償電磁力算出手段により算出され
る電磁力を発生させるのに必要な補償電流を算出する補
償電流算出手段を備え、前記補償電流算出手段により算出される補償電流は、電
磁力の特性を考慮した物理モデルにより求められること
を特徴とする請求項４に記載の内燃機関の電磁式弁駆動
装置。
【請求項６】前記補償電流と前記電磁力との特性をマ
ップ化することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関
の電磁式弁駆動装置。
【請求項７】前記アーマチャの位置が前記ソレノイド
付近になったときには、前記目標速度再設定手段により
設定された目標速度と前記速度検出手段により検出され
る前記アーマチャの速度との偏差に基づくゲインを設定
して前記ソレノイドへの基本通電量を補正する第２の通
電補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求
項６のいずれか一つに記載の内燃機関の電磁式弁駆動装
置。
【請求項８】前記電磁式弁駆動装置は、内燃機関の吸
気弁および／または排気弁に設けられることを特徴とす
る請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載の内燃機
関の電磁式弁駆動装置。