JP4524697B2

JP4524697B2 - 内燃機関の弁駆動システム

Info

Publication number: JP4524697B2
Application number: JP2007262188A
Authority: JP
Inventors: 俊昭浅田; 修一江崎; 公壽辻; 康日下; 顕二片岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP2008019875A

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁又は排気弁を駆動する弁駆動システムに関する。

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。しかし、近年では電動モータによって吸気弁や排気弁を駆動することが試みられている。例えば特許文献１には、カム軸をモータで駆動して吸気弁を開閉させる弁駆動装置が開示されている。また、ＥＧＲ用の弁を対象としたものであるが、バルブステムに設けたねじ機構を利用してモータの回転を弁の直線的な開閉運動に変換する弁駆動装置も知られている（特許文献２参照）。

特開平８−１７７５３６号公報特開平１０−７３１７８号公報

モータの回転をねじ機構によって弁の開閉運動に変換する装置は、弁を開閉させるために必要なモータの回転量が大きくて効率が悪いため、弁を高速かつ周期的に動作させる必要がある吸気弁や排気弁の駆動装置としては不向きである。

一方、カム軸をモータで回転させる場合には吸気弁や排気弁を効率よく駆動することができる。しかし、車両の動力源として一般に使用される多気筒の内燃機関では、一列に並んだ複数の気筒間でカム軸が共用されている。このような共用されたカム軸をモータで駆動するだけでは、カム軸の動作の変化がそのカム軸によって駆動されるすべの吸気弁や排気弁の動作特性に影響する。従って、モータを制御することによって得られる動作特性の自由度はそれほど高くない。

そこで、本発明は、複数の気筒を有する内燃機関の吸気弁又は排気弁をモータにて効率よく開閉させることができ、かつ、各弁の動作特性に関する自由度を従来よりも高めることができる内燃機関の弁駆動システムを提供することを目的とする。

本発明の弁駆動システムは、複数の気筒を有する内燃機関に適用され、各気筒に設けられた吸気用又は排気用の弁を駆動するための内燃機関の弁駆動システムであって、前記内燃機関の互いに異なる気筒の前記弁をそれぞれ駆動するように設けられ、回転運動を発生する駆動源としての電動モータ、及び前記電動モータの回転運動をカムを利用して駆動対象の弁の開閉運動に変換し伝達する動力伝達機構をそれぞれ備えた複数の弁駆動装置と、前記複数の弁駆動装置のそれぞれの前記電動モータの動作を前記内燃機関の運転状態に応じて制御し、かつその制御を行う場合に前記内燃機関の運転状態の変化に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測し、その予測結果を考慮して前記電動モータの制御量を設定するモータ制御手段と、を備え、前記モータ制御手段は、前記カムの回転に対して作用するフリクショントルクを前記内燃機関のクランク角毎に算出し、当該算出後の前記フリクショントルクと、前記内燃機関の回転数の変化の前記予測結果とに基づいて、前記電動モータの前記制御量を設定する、ことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この発明の弁駆動システムによれば、複数の弁駆動装置を設けたことにより、複数の気筒の吸気弁又は排気弁のそれぞれに対して内燃機関の運転状態に応じた適切な動作特性を与えることができる。

また、内燃機関の回転数が急に変化するような場合に、その変化を見込んで電動モータの制御量を増減させることにより、内燃機関の回転数の変化に対するカムの回転速度の応答性を高めることができる。さらに、フリクショントルクの増減に対応して電動モータの出力トルクが過不足なく制御できる。

なお、本発明の弁駆動システムにおいては、複数の弁駆動装置のそれぞれが互いに異なる気筒の吸気弁又は排気弁を駆動すればよい。従って、前記弁駆動装置が気筒毎に独立して設けられていてもよいし、各気筒の吸気弁及び排気弁に対してそれぞれ独立して弁駆動装置が設けられてもよい。その一方、一部又は全部の弁駆動装置が互いに異なる二以上の気筒の吸気弁又は排気弁を駆動してもよい。特に、吸気弁の開いている期間、又は排気弁の開いている期間が重ならない気筒間であれば、それらの気筒の吸気弁又は排気弁を共通の電動モータにて駆動したとしても、各気筒の吸気弁又は排気弁の動作特性を共通の電動モータにて駆動される吸気弁又は排気弁の動作に影響されることなく変化させることができる。

前記モータ制御手段は、前記弁の最大リフト量に基づいて所定のベースフリクショントルクに対する前記フリクショントルクの変動量のピーク値及び前記ピーク値が与えられる前記内燃機関のクランク角の最大リフト位置からのずれ量をそれぞれ取得し、取得されたこれらの情報と現在のクランク角とに基づいて前記カムフリクションを算出してもよい（請求項２）。また、前記モータ制御手段は、前記フリクショントルクを目標空燃比と現在の空燃比とのずれが解消するように変更してもよい（請求項３）。

内燃機関の回転数の変化は、その変化に関係するパラメータに基づいて予測できる。例えば、前記モータ制御手段は、アクセル開度に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測してもよいし（請求項４）、前記モータ制御手段は、前記内燃機関の出力を変速するトランスミッションのシフト位置に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測してもよい（請求項６）。

内燃機関の回転数の変化をアクセル開度に基づいて予測する場合、アクセル開度の急増に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正してもよい（請求項５）。アクセル開度の増加により内燃機関の回転数は増加するが、仮にその増加に対して制御量を補正しなければ要求カム角に対して実カム角は遅れを伴う。例えば、内燃機関の回転数に基づいて電動モータの出力トルクをフィードバック制御するだけではこのようなカム角のずれが生じる可能性がある。この態様によれば、アクセル開度の急増に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正されるため、要求カム角と実カム角とをほぼ一致させてカムの応答性を改善できる。

内燃機関の回転数の変化をシフト位置に基づいて予測する場合、トランスミッションに対するシフトダウン要求に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正してもよい（請求項７）。シフトダウンの実行により内燃機関の回転数は増加するが、仮にシフトダウンに対して制御量を補正しなければ要求カム角に対して実カム角に応答遅れが生じる。この態様によれば、シフトダウン要求に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正するため、シフトダウン実行時にも要求カム角と実カム角とをほぼ一致させてカムの応答性を改善できる。

なお、本発明においてフリクショントルクとは、電動モータから吸気弁又は排気弁に至るまでの機械的構成に基づいてカムの駆動源に負荷される回転抵抗を意味する。駆動源から吸気弁又は排気弁に至るまでの機構内にて発生する摩擦力はフリクショントルクを正方向に増加させ、吸気弁及び排気弁を閉方向に押し戻すばね手段（弁スプリング）の反発力はフリクショントルクを負方向に増加させる。電動モータの制御に際してはフリクショントルクに抗してカムを回転させるために必要なトルクを出力させる必要があり、電動モータの制御は、その出力トルクと関連付けられた制御変数（パラメータ）の増減によって実現される。本発明における電動モータの制御量の設定及び調整はこうした制御変数の設定及び調整を意味するものである。

前記フリクショントルクが負の値になる場合に、前記カム側の回転運動で前記電動モータを駆動して当該電動モータにより発電を行ってもよい（請求項８）。この場合には弁駆動システムの効率を高め、カムの駆動に必要なバッテリの容量を減少させたり、車両に発電機として搭載されたオルタネーターの発電能力をより小さく設定することができる。

前記電動モータの回転位置を検出するモータ回転位置検出手段が該電動モータに付設され、前記モータ制御手段は、前記電動モータの回転位置の検出結果に基づいて前記カムの回転位置を特定するカム位置特定手段を備えてもよい（請求項９）。モータの回転位置からカム位置を推定することにより、カム位置の検出のために別途センサ類を設ける必要がなくなる。

前記電動モータと前記カムとの間の減速比をＮ：Ｍとした場合において、Ｎ＞Ｍ、かつＮ、Ｍは１以外に公約数を持たない整数であるときに、Ｎを６以下に設定することが望ましい（請求項１０）。このような設定であれば、カムの初期位置の検出が容易であり、検出誤差を抑えることができる。

前記モータ制御手段は、前記内燃機関が所定の状態にあるときに前記電動モータを所定の条件に従って回転させ、その回転中に前記カムのフリクショントルクの変化に相関して出現する前記電動モータの駆動状態の変化に基づいて前記カムの回転位置を把握する初期化手段を備えてもよい（請求項１１）。カムのフリクショントルクはカムによる吸気弁又は排気弁の開閉状態と相関し、一般には吸気弁又は排気弁のリフト量が最大となるカム位置の付近でフリクショントルクは反転する。その一方で、フリクショントルクは電動モータの駆動状態に影響を与える。例えば、電動モータの出力トルクを一定に維持すれば、フリクショントルクの増加に伴ってモータの回転速度が低下し、フリクショントルクの減少に伴ってモータの回転速度が増加する。電動モータの回転速度を一定に維持すれば、フリクショントルクの増加に伴ってモータの出力トルクが増加し、フリクショントルクの減少に伴ってモータの出力トルクは減少する。このような相関関係を利用すればモータの駆動状態を監視するだけでカムの位置を特定することができる。なお、吸気弁又は排気弁の開き始め、あるいは閉じ終わり時の回転数変化あるいは電動モータの出力トルクの変化が所定の状態になることを利用し、そのような変化が発生した時点をもってカムの位置を特定してもよい。この場合においてはカムの位置を特定するために要する駆動電力が低減できる。また、内燃機関の停止時に行う場合には、吸気弁又は排気弁とピストンとの干渉を回避することもできる。

前記初期化手段は、前記内燃機関の停止時に前記電動モータを回転させて前記カムの回転位置を把握するとともに、把握したカムの回転位置を示す情報を前記内燃機関の停止期間中も記憶保持が可能な記憶装置に記憶させ、前記モータ制御手段は、前記内燃機関の次回の始動時に、前記記憶装置が記憶する前記情報に基づいて前記カムの回転位置を特定して前記電動モータの制御を開始してもよい（請求項１２）。この場合には、内燃機関の始動時にカムの回転位置を把握すべく初期化手段による処理を行う必要がない。従って、内燃機関の迅速な始動が可能となる。

前記モータ制御手段は、前記内燃機関の停止中の所定時期において前記弁がその軸線回りに回転するように前記電動モータを駆動する弁回転実行手段を備えてもよい（請求項１３）。この場合には弁を回転させることにより、弁やそのシート（弁座）に付着したカーボンを擦り落とすことができる。ロッカーアーム等の駆動部材に対する弁の接触位置を弁の軸線回りに変化させて弁の偏摩耗を防ぐこともできる。

前記モータ制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記電動モータの駆動モードを、前記電動モータを正転方向にのみ駆動する正転モードと、前記電動モータを正逆転させる正逆転モードとの間で切り替えるモード切替手段を備えていてもよい（請求項１４）。この場合には、低回転低負荷時にカムを正逆転させてリフト量を制限し、高回転高負荷時にはカムを正転させてカム軸等の慣性により高速かつ小さいトルクでカムを回転駆動する等、カムの駆動状態を適宜に使い分けることができる。

前記モータ制御手段は、前記駆動対象の弁の作用角、リフト特性、又は最大リフト量の少なくともいずれか一つの動作特性が変化するように、前記電動モータの動作を前記内燃機関の運転状態に応じて制御することができる（請求項１５）。この場合には、開閉タイミングのみを変化させる従来の弁駆動装置と比較して吸気弁や排気弁の動作をより柔軟に変化させることができる。なお、吸気弁又は排気弁が開いている間の電動モータの回転速度を増減させたならば作用角が変化し、その回転速度の変化、つまり加速度を変化させたならばリフト特性が変化する。リフト特性は、吸気弁又は排気弁のリフト量とクランク角との対応関係に関する特性として把握されるものである。リフト量に関しては、吸気弁又は排気弁のリフト量が最大となる最大リフト位置に達するよりも早い段階でカムの回転方向を切り替えてカムを逆転させるように制御することにより、吸気弁又は排気弁のリフト量を最大リフト量よりも小さく制限することができる。

以上に説明したように、本発明の弁駆動システムによれば、複数の弁駆動装置を設けたことにより、複数の気筒の吸気弁又は排気弁のそれぞれに対して内燃機関の運転状態に応じた適切な動作特性を与えることができる。特に、電動モータの動作制御により、吸気弁又は排気弁の作用角、リフト特性又は最大リフト量の少なくともいずれか一つを変化させた場合には、開閉タイミングのみを変化させる従来の弁駆動装置と比較して吸気弁や排気弁の動作をより柔軟に変化させることができる。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弁駆動システムが組み込まれた内燃機関１を示している。内燃機関１は、複数（図では４つ）のシリンダ（気筒）２…２が一方向に並べられ、各シリンダ２にピストン３が上下動自在に装着された多気筒直列式ガソリンエンジンとして構成されている。各シリンダ２の上方には２本の吸気弁４及び２本の排気弁５がそれぞれ設けられており、これらの吸気弁４及び排気弁５がピストン３の上下動に連動して弁駆動システム１０にて開閉駆動されることにより、シリンダ２への吸気及びシリンダ２からの排気が行われる。

弁駆動システム１０は、各シリンダ２の吸気側に１つずつ設けられた弁駆動装置１１Ａ…１１Ａと、各シリンダ２の排気側に１つずつ設けられた弁駆動装置１１Ｂ…１１Ｂとを備えている。これらの弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂはいずれもカムを利用して吸気弁４又は排気弁５を駆動するものである。弁駆動装置１１Ａの構成は互いに等しく、また弁駆動装置１１Ｂの構成は互いに等しい。図２は一つのシリンダ２に対応付けて設けられた吸気用及び排気用の弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂを示している。なお、弁駆動装置１１Ａ、１１Ｂは互いに類似した構成を有しており、まず吸気側の弁駆動装置１１Ａについて説明する。

吸気側の弁駆動装置１１Ａは、駆動源としての電動モータ（以下、モータと略称することがある。）１２と、モータ１２の回転運動を吸気弁４の直線的な開閉運動に変換する動力伝達機構１３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回転位置検出手段が内蔵されている。

動力伝達機構１３は、一本のカム軸１４Ａと、モータ１２の回転運動をカム軸１４Ａに伝達するギア列１５と、吸気弁４を駆動するロッカーアーム１６と、カム軸１４Ａとロッカーアーム１６との間に介在される弁特性調整機構１７とを備えている。カム軸１４Ａはシリンダ２毎に独立して設けられている。言い換えれば、シリンダ２毎にカム軸１４Ａは分かれている。ギア列１５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１８の回転を中間ギア１９を介してカム軸１４Ａと一体のカム駆動ギア２０に伝達することにより、モータ１２に同期してカム軸１４Ａを回転させる。

図３及び図４にも示したように、カム軸１４Ａには単一のカム２１Ａが一体に回転可能に設けられている。カム２１Ａはカム軸１４Ａと同軸のベース円の一部を膨らませた板カムの一種として形成されている。全ての弁駆動装置１１Ａの間でカム２１Ａのプロファイル（外周の輪郭）は互いに等しい。カム２１Ａ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。

ロッカーアーム１６は支軸２２を中心として揺動可能に設けられている。吸気弁４は弁スプリング２３によってロッカーアーム１６側に付勢され、それにより吸気ポートのバルブシート（不図示）に吸気弁４が密着して吸気ポートが閉じられる。ロッカーアーム１６の他端部はアジャスター２４と接している。アジャスター２４がロッカーアーム１６の他端部を押し上げることにより、ロッカーアーム１６はその一端部が吸気弁４の上端部と接触した状態に保たれる。

弁特性調整機構１７は、カム２１Ａの回転運動をロッカーアーム１６に揺動運動として伝達する仲介手段として機能するとともに、カム２１Ａの回転運動とロッカーアーム１６の揺動運動との相関関係を変更することにより吸気弁４のリフト量及び作用角を変化させるリフト量及び作用角変更手段としても機能する。

図５に示すように、弁特性調整機構１７は、支持軸３０と、その支持軸３０の中心部を貫いて配置された操作軸３１と、支持軸３０上に配置された第１リング３２と、その両側に配置された２つの第２リング３３，３３とを備えている。支持軸３０は内燃機関１のシリンダヘッド等に固定的に取り付けられる。操作軸３１は、不図示のアクチュエータにより支持軸３０に対して軸線方向（図６のＲ方向及びＦ方向）に往復駆動される。第１リング３２及び第２リング３３は支持軸３０に対して軸線方向にスライド可能かつ周方向に揺動可能に支持されている。第１リング３２の外周にはローラフォロア３４が回転自在に取り付けられ、第２リング３３の外周にはノーズ３５が形成されている。

図６に示すように、支持軸３０の外周にはスライダ３６が設けられている。スライダ３６は、その周方向に延びる長孔３６ｃが操作軸３１に取り付けられたピン３７と噛み合うことにより、支持軸３０に対して操作軸３１と一体に軸線方向にスライド可能である。なお、支持軸３０にはピン３７の軸線方向の移動を許容する軸線方向の長孔（不図示）が形成されている。スライダ３６の外周には第１のヘリカルスプライン３６ａと、これを挟むように配置された第２のヘリカルスプライン３６ｂ，３６ｂとが一体に設けられている。第２のヘリカルスプライン３６ｂの捻れ方向は第１のヘリカルスプライン３６ａの捻れ方向に対して逆方向である。一方、第１リング３２の内周には第１のヘリカルスプライン３６ａと噛み合うヘリカルスプライン３２ａが形成され、第２リング３３の内周には第２のヘリカルスプライン３６ｂと噛み合うヘリカルスプライン３３ａが形成されている。

図４から明らかなように、弁特性調整機構１７は、そのローラフォロア３４がカム２１Ａに、ノーズ３５が各吸気弁４に対応するロッカーアーム１６の一端部にそれぞれ対向するようにして内燃機関１に取り付けられる。カム２１Ａの回転に伴ってローラフォロア３４がノーズ部２１ａと接触して押し下げられると、ローラフォロア３４を支持する第１リング３２が支持軸３０上で回転し、その回転運動がスライダ３６を介して第２リング３３に伝達されて第２リング３３が第１リング３２と同一方向に回転する。これらの第２リング３２の回転によりノーズ３５がロッカーアーム１６の一端部を押し下げ、それにより吸気弁４が弁スプリング２３に抗して下方に変位して吸気ポートが開かれる。ノーズ部２１ａがローラフォロア３４を乗り越えると弁スプリング２３の力で吸気弁４が押し上げられて吸気ポートが閉じる。このようにしてカム軸１４Ａの回転運動が吸気弁４の開閉運動に変換される。

さらに、弁特性調整機構１７においては、操作軸３１を軸線方向に変位させて図６に矢印Ｒ、Ｆで示したようにスライダ３６を支持軸３０に対してスライドさせると、第１リング３２と第２リング３３とが周方向に関して互いに逆方向に回転する。スライダ３６を矢印Ｆ方向に移動させたときは第１リング３２が矢印Ｐ方向に、第２リング３３が矢印Ｑ方向にそれぞれ回転してローラフォロア３４とノーズ３５との周方向の間隔が増加する。一方、スライダ３６を矢印Ｒ方向に移動させたときは第１リング３２が矢印Ｑ方向に、第２リング３３が矢印Ｐ方向にそれぞれ回転してローラフォロア３４とノーズ３５との周方向の間隔が減少する。ローラフォロア３４とノーズ３５との間隔が増加するほどノーズ３５がロッカーアーム１６を押し下げる量は増加し、これに伴って吸気弁４のリフト量及び作用角も増加する。従って、図６の矢印Ｆ方向に操作軸３１を操作するほど吸気弁４のリフト量及び作用角が増加することになる。

以上のように構成された弁駆動装置１１Ａによれば、モータ１２によりカム軸１４Ａを、内燃機関１のクランク軸の回転速度の半分の速度（以下、これを基本速度と呼ぶ。）で一方向に連続的に駆動することにより、クランク軸からの動力で弁を駆動する一般的な機械式弁駆動装置と同様に、クランク軸の回転に同期して吸気弁４を開閉駆動することができる。また、弁特性調整機構１７により吸気弁４のリフト量及び作用角を変化させることもできる。さらに、弁駆動装置１１Ａによれば、モータ１２によるカム軸１４Ａの回転駆動の速度を基本速度から変化させることにより、クランク軸の位相とカム軸１４Ａの位相との相対関係を変化させて吸気弁４の動作特性（開弁タイミング、閉弁タイミング、リフト特性、作用角、最大リフト量）を様々に変化させることができる。

一方、図２に示すように、排気弁５側の弁駆動装置１１Ｂでは、弁駆動装置１１Ａと異なって、カム軸１４Ｂに２つのカム２１Ｂが設けられ、弁特性調整機構１７が省略され、２つのカム２１Ｂがロッカーアーム１６をそれぞれ直接駆動している。弁駆動装置１１Ｂのこれら以外の部分は弁駆動装置１１Ａと共通であり、それらの共通部分の説明は省略する。カム２１Ｂのプロファイルはカム２１Ａと同様に全周に亘って凸曲面で構成されている。排気弁５に関しても、弁駆動装置１１Ｂのモータ１２によるカム軸１４Ｂの駆動速度を種々変化させることにより、排気弁５の動作特性を様々に変化させることができる。

図２に示すように、弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂのモータ１２の動作特性を制御するため、弁駆動システム１０にはモータ制御装置４０が設けられている。モータ制御装置４０はマイクロプロセッサ、及びその主記憶装置としてのＲＡＭ、ＲＯＭを備えたコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶された弁制御プログラムに従って各電動モータ１２の動作を制御する。なお、図２では一つのシリンダ２の弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂを示しているが、モータ制御装置４０は他のシリンダ２の弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂに対しても共用される。

モータ制御装置４０には、電動モータ１２の制御に必要な情報の入力手段として、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４１、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４２、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４３、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４４、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４５がそれぞれ接続されている。なお、電動モータ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の出力信号もモータ制御装置４０に入力される。

次に、モータ制御装置４０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２の吸気弁４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４を駆動するモータ１２の制御についても同様である。排気弁５を駆動するモータ１２についても同様である。

図７は、モータ制御装置４０が内燃機関１の運転状態に応じてモータ１２の出力トルクを変化させるために一定周期で繰り返し実行するモータ駆動制御ルーチンを示している。図７のモータ駆動制御ルーチンを実行することにより、モータ制御装置４０はモータ制御手段として機能する。このモータ駆動制御ルーチンにおいて、モータ制御装置４０はまずステップＳ１にてカム２１Ａの回転位置を例えばモータ１２の位置検出センサと、ギア列１５の減速比とに基づいて検出する。このステップＳ１ではモータ制御装置４０がカム位置特定手段として機能する。

次に、ステップＳ２において吸気弁４の動作内容を決定するために必要な内燃機関１の運転状態を検出する。例えば、内燃機関１の回転数（回転速度）、負荷率等を上述したセンサ４１〜４５の出力信号に基づいて検出する。続くステップＳ３では、内燃機関１の運転状態の検出結果に基づいて吸気弁４の動作内容を決定する。例えば、現時点の運転状態に対応して吸気弁４に与えるべきリフト量、カム軸１４Ａの位相、回転数等のパラメータを決定する。

続くステップＳ４では、カムフリクショントルクの推定値ＴＦを下式（１）により求める。なお、モータギア１８から吸気弁４又は排気弁５に至るまでの機械的構成に基づいてモータ１２に負荷される回転抵抗をここではカムフリクショントルクと呼ぶ。

ＴＦ（θ＋θ３）＝Ｔｆ＋ｆ１（Ｔｆ１，θmax−θ１，θ＋θ３）＋ｆ２（
Ｔｆ２，θmax＋θ２，θ＋θ３） ……（１）
ここで、Ｔｆはベースフリクショントルク、ｆ１は弁スプリング２３によるカム２１Ａの押し戻し作用によって発生するカムフリクショントルクの変動成分を記述する多項式近似関数、ｆ２は弁スプリング２３によるカム２１Ａの押し出し作用によって発生するカムフリクショントルクの変動成分を記述する多項式近似関数、θは制御実行時におけるクランク角、θ３はモータ１２に応じて定まる時定数である。以下、図８及び図９を参照して（１）式を説明する。

図８はクランク角θと、バルブリフト（吸気弁４のリフト量）、カムフリクショントルクＴＦ（θ）及びモータ１２の駆動電流Ｉ（θ）との対応関係を示している。但し、カムフリクションＴＦは正方向、つまりカム２１Ａの回転に対して抵抗となる方向を図８の下方向に対応付けて示している。また、図８ではバルブリフト量を大小２段階に変化させたときのカムフリクショントルクＴＦ及びモータ１２の駆動電流Ｉを示している。すなわち、バルブリフト量が大きい場合を太線で、バルブリフト量が大きい場合を細線でそれぞれ示している。

図８から明らかなように、（１）式の第１項のベースフリクショントルクＴｆは正方向に作用し、その値はクランク角θに拘わりなく一定である。つまり、ベースフリクショントルクＴｆはカム２１Ａを回転させる際にモータ１２に負荷される基本的な回転抵抗を示している。次に、図８の横軸上の適当な位置に基準位置をとり、その基準位置からクランク角θがθmaxだけ進んだ位置（以下、これを最大リフト位置と呼ぶ。）でバルブリフトが最大値を取るとした場合、カムフリクショントルクＴＦ（θ）は最大リフト位置θmaxに達する前の吸気弁４が開かれる過程でベースフリクショントルクＴｆよりも正方向に増加してピークを示し、吸気弁４が閉じられる過程でベースフリクショントルクＴｆよりも負方向に減少する。このようなフリクショントルクＴＦ（θ）の変化は、カム２１Ａが弁スプリング２３に抗して吸気弁４を開く際には弁スプリング２３の反発力がカム２１Ａをその回転方向と反対方向に押し戻すように作用し、弁スプリング２３の反発力がピークを超えた後は弁スプリング２３の反発力がカム２１Ａを回転方向に押し出すように作用することに起因する。

任意のクランク角θに対応するカムフリクショントルクＴＦのベースフリクショントルクＴｆからの変動量は厳密には弁駆動装置１１Ａの構成から力学的に又は機構学的に演算することができる。しかしながら、クランク角θとカムフリクショントルクＴＦの変動量との相関関係は、ベースフリクショントルクＴｆに対するカムフリクショントルクの変動量のピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２、及びそれらのピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２が与えられるクランク角θの最大リフト位置θmaxからのずれ量θ１，θ２を変数とする関数によって近似的に表現することができる。上述した（１）式の第２項ｆ１、ｆ２はそのような観点から求めた近似関数である。モータ制御装置４０のＲＯＭにはそれらの近似関数を特定する情報が記録されている。

最大リフト位置θmaxは図７のステップＳ３の処理において決定される。また、図９に示すように吸気弁４の最大リフト量とベースフリクショントルクＴｆ、ピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２、クランク角ずれ量θ１，θ２との間には相関関係があり、これらの関係は予めモータ制御装置４０のＲＯＭにマップ形式で記録されている。従って、ステップＳ４の処理において、モータ制御装置４０はまずＲＯＭ内のマップを参照して現在の最大リフト量に対応したベースフリクショントルクＴｆ、ピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２、クランク角ずれ量θ１，θ２を取得し、それらの値と、クランク角センサ４５の出力に基づいて特定した現在のクランク角θとを（１）式に代入してカムフリクショントルクＴＦを求めることになる。但し、後述するステップＳ１０又はＳ１１にてこれらの値が補正された場合にはその補正が反映されてカムフリクショントルクＴＦが求められる。

但し、モータ１２には応答遅れがあり、その応答遅れがクランク角θにして時定数θ３で与えられている場合には、現在のクランク角θよりも時定数θ３だけクランク角θが進んだときのカムフリクショントルクＴＦを現時点で求めておく必要がある。そのため、（１）式の第２項及び第３項はそれぞれクランク角θに対して時定数θ３が加算されている。なお、多項式近似関数ｆ１，ｆ２に代え、物理モデルによってカムフリクショントルクの変動成分を求めるようにしてもよい。

図７に戻って説明を続ける。カムフリクショントルクＴＦの算出後はステップＳ５に進み、カムフリクショントルクＴＦ（θ＋θ３）に所定のゲインαを乗じて現時点で与えるべきモータ１２の駆動電流Ｉ（θ）を求める。続くステップＳ６においてモータ１２に対する駆動電流Ｉ（θ）に設定してモータ１２の駆動を実行する。図８から明らかなように、ステップＳ６にて与えられるモータ駆動電流Ｉ（θ）には、カムフリクショントルクＴＦ（θ）の変化がモータ時定数θ３だけ早められて反映される。従って、カムフリクショントルクＴＦ（θ）がベースフリクショントルクＴｆよりも大きくなるとき（図８の下側に変化するとき）にはそれに合わせてモータ１２の出力トルクも増加し、カムフリクショントルクＴＦ（θ）がベースフリクショントルクＴｆよりも小さくなるとき（図８の上側に変化するとき）にはそれに合わせてモータ１２の出力トルクも減少する。これにより、モータ１２の出力トルクが過不足なく制御される。

モータ１２の駆動を実行した後はステップＳ７に進み、現在の駆動電流Ｉ（θ）と標準的な駆動電流Ｉ（θ）との差が所定の閾値λ内か否かを判断する。標準的な駆動電流Ｉ（θ）とはステップＳ１０又はステップＳ１１による補正を考慮せずに求められる駆動電流である。ステップＳ７で閾値λ内と判断したときはステップＳ８に進み、Ａ／Ｆセンサ４１が検出した空燃比（測定Ａ／Ｆ）から目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）を減算した値が所定の閾値β以下か否か判断する。ここで目標Ａ／Ｆは内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比の目標値である。吸気弁４の動弁特性は内燃機関の運転状態に応じて適宜に設定されているので（ステップＳ３参照）、結局、目標Ａ／Ｆは吸気弁４の動作状態が適正に制御されていれば得られるであろう空燃比に相当する。

測定Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆよりも閾値βを超えて増加してステップＳ８の条件が否定された場合、すなわち目標空燃比に対して実際の空燃比がリッチ側に閾値βよりも大きくずれているときはステップＳ１０へ進み、（１）式に代入するクランク角ずれ量θ１、θ２、及びカムフリクショントルクの変動量のピーク値Ｔｆ１、Ｔｆ２の少なくともいずれか一つのパラメータを図９のマップによって特定される値から空燃比の差に対応した量だけ減少させる。なお、ピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２の減少は、これらの値をベースフリクショントルクＴｆに近付けるように変化させることを意味する。このような変化により吸気弁４は相対的に閉じる方向に、つまりリフト量が小さくなる方向に制御される。従って、ステップＳ１０では、吸気弁４のリフト量を減らして吸入空気量を相対的に減少させることにより、測定Ａ／Ｆと目標Ａ／Ｆとのずれの解消を図っている。

一方、ステップＳ８の条件が肯定された場合にはステップＳ９へ進み、目標Ａ／Ｆから測定Ａ／Ｆを引き算した値が所定の閾値γ以下か否か判断する。ステップＳ９の条件が肯定された場合には今回のモータ駆動制御ルーチンを終える。一方、測定Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆよりも閾値γを超えて減少してステップＳ９の条件が否定された場合、すなわち目標空燃比に対して実際の空燃比がリーン側に閾値γよりも大きくずれているときはステップＳ１１へ進み、（１）式に代入するクランク角ずれ量θ１、θ２、及びカムフリクショントルクの変動量のピーク値Ｔｆ１、Ｔｆ２の少なくともいずれか一つのパラメータを図９のマップによって特定される値から空燃比の差に対応した量だけ増加させる。なお、ピーク値Ｔｆ１，Ｔｆ２の増加は、これらの値をベースフリクショントルクＴｆから遠ざけるように変化させることを意味する。このような変化により吸気弁４は相対的に開く方向に、つまりリフト量が大きくなる方向に制御される。従って、ステップＳ１１では、吸気弁４のリフト量を増やして吸入空気量を相対的に増加させることにより、測定Ａ／Ｆと目標Ａ／Ｆとのずれの解消を図っている。

ステップＳ１０又はＳ１１にて変数θ１、θ２、Ｔｆ１又はＴｆ２を補正した後はステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２ではパラメータの増減量が閾値Ψよりも大きいか否かを判断する。そして、閾値Ψ以内のときはステップＳ４へ戻りカムフリクショントルクＴＦを演算する。このとき、変数θ１、θ２、Ｔｆ１及びＴｆ２のうちステップＳ１０又はＳ１１にて補正されたものについては補正後の値を利用する。

一方、ステップＳ１２にて増減量が閾値Ψよりも大きいと判断した場合には弁駆動装置１１Ａの異常とみなし、ステップＳ１３に進んで弁駆動装置１１Ａの異常を運転者に知らしめるべく所定の警告を行う。例えば車両の計器盤上の警告灯を点灯又は点滅させる。そして、ステップＳ１５に進み、所定の退避走行処理を開始してモータ駆動制御ルーチンを終える。また、ステップＳ７にて駆動電流Ｉ（θ）の差が閾値λを超えたときはモータ１２の異常とみなし、ステップＳ１４に進んでモータ１２の異常を運転者に知らしめるべく所定の警告を行う。例えば車両の計器盤上の警告灯を点灯又は点滅させる。そして、ステップＳ１５に進む。

以上の実施形態によれば、カムフリクショントルクの増減に対応してモータ１２の出力トルクが過不足なく制御されるので、カムフリクショントルクの変動の影響によるカム軸１４Ａの回転速度のばらつきを抑え、カム２１Ａの動作特性を目標値に対して精度良く制御することができる。そのため、内燃機関１の燃費や動力性能が向上し、排気エミッションの悪化が防がれる。

また、空燃比のずれを特定し、そのずれが補正されるようにモータ１２の出力トルクを制御しているので、制御の目標値のみに依存することなく弁駆動装置１１Ａの実際の状態に応じてモータ１２の出力トルクを適正に制御することができる。例えば、弁駆動装置１１Ａの個体差や経年変化により、図８の近似関数ｆ１，ｆ２や図９のマップの設定時とは弁駆動装置１１Ａの状態が相違している場合には、その相違が空燃比のずれとして出現する。従って、空燃比のずれを補正するようにモータ１２の駆動電流を制御すれば、結果として、弁駆動装置１１Ａの状態を正しく反映して吸気弁４の動作特性を適正に制御できることになる。このようにして補正されたモータ１２の駆動電流は吸気弁４のリフト量と位相とを正しく反映しているので、補正後のモータ１２の駆動電流に基づいてシリンダ２内への吸入空気量を正しく算出することもできる。

さらに、上述の実施形態によれば、モータ１２の駆動電流が標準的な駆動電流に対して著しく大きく又は小さく設定された場合にはモータ１２の異常と判断し（ステップＳ７→Ｓ１４）、空燃比のずれに対応したパラメータの補正量（増減量）が許容レベルを超えて大きいときは弁駆動装置の異常と判断する（ステップＳ１２→Ｓ１３）ことにより、モータ制御装置４０を異常判別手段として機能させている。モータ１２の駆動電流が標準駆動電流と比して過大又は過小であればモータ１２が正常に動作していない可能性が高く、駆動電流が正常であっても、空燃比のずれを解消するために必要な補正量が正方向又は負方向に過度に大きいときは弁駆動装置１１Ａのいずれかに異常が生じて吸気弁４が正しく駆動されていない可能性が高いため、本実施形態によれば弁駆動システム１０の異常を適切に判別できる。このようにモータ１２の駆動電流の補正量に基づいてモータ１２及び弁駆動装置１１Ａの異常を判断しているので、異常診断のために弁駆動装置１１Ａの作動状態をモニタするセンサを別に設ける必要がなくコスト増を防止できる。

ステップＳ８〜１１のモータ出力トルクの補正、及びステップＳ７又はＳ１２による異常の有無の判別はフリクショントルクの推定に基づくモータ出力トルクのフィードフォワード制御に固有のものではなく、モータ１２に関する様々な制御に対して組み合わせて実行してよい。例えば、クランク軸の回転数に基づくモータ１２の出力トルクのフィードバック制御に対しても、図７の例と同様に出力トルクの補正や異常判別を行うことができる。

上述の実施形態において、ステップＳ１０又はＳ１１にて求めた増減量はフリクショントルクＴＦの補正量としてモータ制御装置４０内の記憶装置に記憶させることが望ましい。この場合の記憶装置は、車両のバッテリによってバックアップされたバックアップＲＡＭ、又は記憶保持用の電源の供給を必要としない書換え可能なフラッシュＲＯＭのような不揮発性メモリとすることが望ましい。このような記憶装置を利用すれば、イグニッションスイッチがオフされて内燃機関１が停止した後も補正量を保持し、次回の内燃機関１の始動時からその記憶された補正値を参照してカムフリクショントルクＴＦを適正に算出することができる。

上述したカムフリクショントルクの予測に基づくモータ出力トルクのフィードフォワード制御は、モータ出力トルクに関する他の制御と並行して実行されてもよいし、単独で実行されてもよい。例えば、クランク角センサ４５が検出したクランク角に基づくカム角のフィードバック制御と上述したカムフリクショントルクのフィードフォワード制御とを並行して実施してもよい。

本実施形態の弁駆動システム１０は、内燃機関１の運転状態に応じて吸気弁４及び排気弁５の動作を制御するための上述した基本的構成の他に幾つかの特徴を有している。以下順に説明する。なお、以下に説明する吸気側の弁駆動装置１１Ａの各種の機構又は構造は、特に断りのない限り排気側の弁駆動装置１１Ｂにも設けられて弁駆動装置１１Ａと同様の作用効果を奏するものである。

（カムの位置検出について）
本実施形態の弁駆動システム１０では、モータ１２の回転位置検出手段を利用してカム２１Ａの位置を特定している（図７のステップＳ１参照）。その回転位置検出手段には好適には一極対の磁極センサが使用される。磁極センサは、出力軸の周囲にＳ極とＮ極とが同数ずつ配置され、Ｓ極→Ｎ極→Ｓ極の順、又はＮ極→Ｓ極→Ｎ極の順に出力軸が回転する間に０°〜３６０°の回転信号を出力するように構成されている。通常のモータにおいて磁極センサの磁極数はモータ１２の磁極数に合わせられている。例えば、モータ１２が４極対（Ｓ極とＮ極で一対）であれば磁極センサは４極対となり、モータ１２が８極対であれば磁極センサも８極対のものが使用される。しかしながら、本実施形態ではモータ１２の極数に拘わりなく一極対の磁極センサをモータ１２の位置検出センサとして使用する。このようにすれば、モータ１２の出力軸の回転位置と位置検出センサの出力信号とが１：１に対応するのでモータ１２の回転位置の割り出しを容易に行える利点がある。特にモータ１２とカム軸１４Ａとの間の速度比が１：１であるときはモータ１２の回転位置とカム２１Ａの回転位置とが１：１に対応するので、モータ１２の回転位置がそのままカム２１Ａの回転位置を表すこととなって好都合である。

一方、ギア列１５の都合等によりモータ１２からカム軸１４Ａまでの減速比が１：１に設定できない場合には、モータ１２の回転位置がカム２１Ａのどの回転位置に対応するかを一義的に決めることができないので、両者の対応関係を特定する初期化操作を行わないとカム２１Ａの回転位置を制御することができない。初期化操作は実際にカム２１Ａを駆動して所定のカム角がモータ１２のどの回転位置に対応付けられているかを検出することによって行うことができるが、モータ１２からカム２１Ａまでの減速比がＮ：Ｍ（但し、Ｎ＞Ｍ、かつＮ，Ｍは１以外に公約数を持たない整数）のときにカム角０〜３６０°のうち特定のカム角に対応するモータ１２の回転位置（モータ角）はカム角０〜３６０°の間においてＮ箇所に、つまり３６０／Ｎ°毎に存在する。例えば、図１０に示すように減速比がＮ：Ｍ＝５：３に設定されている場合には、モータ１２が５回転する間にカム２１Ａは３回転するから、カム２１Ａが一回転する間の５箇所の位置（図に黒丸で示す。）のいずれか１つの位置がカム角の０°に対応する。従って、Ｎが小さい程、カム位置の検出は容易となる。誤検出に対する余裕からみて、特定のカム角に対応するモータ角を６０°毎又はそれ以上の角度毎に設定するとすれば、Ｎは６以下が好適範囲となる。

（カムの初期化操作について）
次に、カム位置に関する初期化操作について説明する。図１１はモータ制御装置４０がカム位置を初期化するために実行するカム位置初期化ルーチンを示している。図１１のカム位置初期化ルーチンを実行することによりモータ制御装置４０は初期化手段として機能する。このルーチンにおいて、モータ制御装置４０はまずステップＳ２１でモータ１２を起動してカム２１Ａを回転させる。このとき、回転位置センサからの位置信号等を利用してモータ１２の回転速度をフィードバックし、回転速度が一定となるようにモータ１２の出力トルクを制御する。出力トルクは駆動電流の増減によって制御される。続くステップＳ２２では、フィードバック制御された駆動電流を利用してカムフリクショントルクを検出する。次のステップＳ２３ではカム２１Ａの一回転に相当するだけモータ１２が回転したか否かを判別し、未了であればステップＳ２２へ戻る。カム２１Ａが一回転したならばステップＳ２４でカムを停止させてステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２５では、カムフリクショントルクの検出結果に基づいてカム２１Ａの位置とモータ１２の回転位置との対応関係を特定する。すなわち、図１２（ａ）に示すようにモータ速度が一定であればカムフリクショントルクとモータ出力トルクとの間には相関関係があり、カム２１Ａが吸気弁４を開き始める位置Ｐａからカムフリクショントルクが増加すると出力トルクも増加し、カム２１Ａのノーズ部２１ａが吸気弁４の延長線上に達する位置Ｐｂにてカムフリクショントルク及びモータ出力トルクが反転し、吸気弁４が完全に閉じてカム２１Ａが離れる位置Ｐｃにてカムフリクショントルク及びモータ出力トルクがそれぞれのベース値に収束する。但し、実際には図８に示したようにモータ時定数の影響があるが、図１２ではモータ１２の時定数を無視した。

このようなカムフリクショントルクとモータ出力トルクとの関係を利用すれば、カムの位置Ｐａ、Ｐｂ又はＰｃの少なくともいずれか１つを判別し、その判別した位置とモータ１２の回転位置との対応関係を把握することができる。そして、この対応関係を利用して、現在のカム位置（カム角）を図１１のステップＳ２５で特定する。続くステップＳ２６では、初期化操作によって特定されたカム位置の情報を記憶し、その後に初期化操作ルーチンを終える。

以上の処理によれば、モータ出力トルクの変化からカム位置を特定することができるので、カム位置を検出するためのセンサを別に設ける必要がないという利点がある。但し、本発明はモータ出力トルクに基づくカム位置の特定に限定されない。例えば、図１２（ｂ）に示すようにモータ出力トルクを一定に保持してカム２１Ａを回転させたときはモータ１２の回転速度がカムフリクショントルクに応じて変動する。従って、モータ１２の回転位置センサからの信号を利用してモータ速度又は加速度を取得し、その速度又は加速度の変化からカム位置を特定してもよい。いずれにせよ、カムフリクショントルクの変化と相関関係を有する各種の物理量を監視すればカム位置は特定できる。

上述したカム位置初期化ルーチンは、内燃機関１の始動時又は停止時に行うことができる。具体的には、イグニッションスイッチがオンされた場合に、クランキング動作に先立ってカム位置初期化ルーチンを実行するか、又はイグニッションスイッチがオフされて内燃機関１の停止が確認された場合にモータ制御装置４０に対する電源供給の遮断に先立ってカム位置初期化ルーチンを実行する。イグニッションスイッチのオン時に初期化を行った場合、得られたカム位置の情報はモータ制御装置４０が参照可能である限り、各種の記憶装置に記憶してよい。一方、イグニッションスイッチのオフ時に初期化を行った場合には、得られたカム位置の情報を車両のバッテリによってバックアップされたバックアップＲＡＭ、又は記憶保持用の電源の供給を必要としない書換え可能なフラッシュＲＯＭのような不揮発性メモリに記憶する。このような記憶装置を利用すれば、内燃機関１の始動時において初期化を不要とし、記憶されたカム位置を利用して直ちにカム２１Ａの制御を開始することができる。

さらに、カム位置初期化ルーチンの実行時期はイグニッションスイッチのオン又はオフの直後に限定されず、内燃機関１の運転に影響を与えない状態であれば必要に応じて適宜に行ってよい。例えば、アイドリングストップの実行中にカム位置初期化ルーチンを実行してもよいし、減速等に一部のシリンダにて燃焼を休止するいわゆる減筒運転の実行中には、休止気筒（燃焼を停止したシリンダ）に対応するカム２１Ａに関してカム初期化ルーチンを実行してもよい。

（カム回転を利用した発電について）
上述した図８においては、カムフリクショントルクＴＦ（θ）が常に０よりも大きく、モータ１２にはカム２１Ａの一回転を通じて駆動電流が供給されている。しかしながら、弁スプリング２３がカム２１Ａを押し出す力の大きさと、ベースフリクショントルクＴｆとの大小関係によっては、例えば図１３に示すようにカムフリクショントルクＴＦが負となり、弁スプリング２３の反発力によってモータ１２の出力軸が回転駆動されることがある。このような状態が生じるときは、図１４にも示したようにモータ（モータジェネレータと呼ばれることもある。）１２にて発電し、得られた電力をインバータ回路５０を介してバッテリ５１に充電することにより、カム２１Ａの回転に適正な負荷を加えるようにしてもよい。

［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態を説明する。上述した第１の実施形態ではカムフリクショントルクを予測してモータ１２の出力トルクを制御したが、この実施形態では内燃機関１の運転状態に基づいて内燃機関１の回転数（回転速度）の変化を予測し、その予測結果に応じてモータ１２の出力トルクを制御している。なお、弁駆動装置１１Ａ、１１Ｂの機械的構成は第１の実施形態と同様である。

図１５は本発明の第２の実施形態におけるモータ制御装置４０に実装される制御系のブロック線図である。この構成はＣＰＵとソフトウエアとの組み合わせによって実現されてもよいし、ハードウエア回路によって実現されてもよい。この実施形態では、クランク角センサ４５が検出したクランク角、及び内燃機関１の運転状態に応じて要求されるバルブタイミング（要求バルブタイミング）に基づいて、制御目標値としての要求カム角が演算される。その要求カム角と、入力情報として与えられる実際のカム角（実カム角）との偏差が取得され、その偏差に基づいてモータ１２の出力トルクがＰＩＤ制御される。

また、図１５の制御系では内燃機関１の回転数の変化に関係する幾つかのパラメータ（例えば、ここで監視されるパラメータとしては、アクセル開度、吸入空気量、燃料噴射量）が監視され、それらのパラメータに対応する出力トルクの補正量が所定のマップを利用して求められる。車両に自動変速機が設けられている場合にはシフト位置がパラメータとして監視されてもよい。シフト位置はトランスミッションのシフト線図を参照することによって取得できる。各パラメータと補正量との対応関係はベンチ適合試験やコンピュータシミュレーションによって取得すればよい。

そして、ＰＩＤ制御によって得られた出力トルクに、マップに基づいて得られた出力トルクの補正量が加算された値が要求トルクとして出力される。モータ制御装置４０はその要求トルクに基づいてモータ１２の駆動電流を制御する。

以上の実施形態においては、内燃機関１の回転数の変化がアクセル開度等を介していわば間接的に予測され、その予測された結果に応じてマップからモータ出力トルクの補正量が与えられることにより、モータ１２の出力トルクがフィードフォワード制御されることになる。従って、内燃機関１の回転数の変化に対するカムの駆動速度の応答性を改善できる。

図１６は、アクセル開度に基づいて回転数の変化を予測した際のカム出力トルクのフィードフォワード制御の例を示している。なお、図中においてフィードフォワードトルクとは、図１５の制御系においてマップから特定した出力トルクの補正量を意味し、要求トルクそのものではない。図１６の例ではアクセル開度の急増に対応して一定期間Ａだけフィードフォワードトルクが所定量だけ増加している。アクセル開度の増加により内燃機関１の回転数は増加するが、仮にフィードフォワードトルクを与えなければ同図に実線で示す要求カム角に対して同図に二点鎖線で示すように実カム角は遅れを伴う。例えば、内燃機関１の回転数に基づいてモータ１２の出力トルクをフィードバック制御するだけではこのようなカム角のずれが生じる可能性がある。しかしながら、フィードフォワードトルクを与えた場合には要求カム角と実カム角とをほぼ一致させてカムの応答性を改善できる。

図１７は、シフト位置に基づいて回転数の変化を予測した際のカム出力トルクのフィードフォワード制御の例を示している。この例では、トランスミッションのシフト線図に基づいてシフトダウン要求が与えられる場合において、その要求に対応して一定期間Ｂだけフィードフォワードトルクが所定量だけ増加している。シフトダウンの実行により内燃機関１の回転数は増加するが、仮にフィードフォワードトルクを与えなければ同図に実線で示す要求カム角に対して同図に二点鎖線で示すように実カム角に応答遅れが生じる。しかしながら、フィードフォワードトルクを与えた場合にはシフトダウン実行時にも要求カム角と実カム角とをほぼ一致させてカムの応答性を改善できる。

以上の他にも、内燃機関１の回転数の変化に相関する各種のパラメータを参照して回転数の変化を予測してよい。なお、回転数変化の予測に基づくモータ出力トルクのフィードフォワード制御は、モータ出力トルクに関する他の制御と並行して実行されてもよいし、単独で実行されてもよい。例えば、クランク角センサ４５が検出したクランク角に基づくカム角のフィードバック制御、及び第１の実施形態におけるカムフリクショントルクの予測に基づくフィードフォワード制御との少なくともいずれか一方と第２の実施形態におけるフィードフォワード制御とを並行して実施してもよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態は、内燃機関１の運転状態に応じて各弁駆動装置１１Ａ，１１Ｂのモータ１２の駆動モードを正転モードと正逆転モードとの間で切り替えるものである。なお、正転モードとはモータ１２を一定方向（正転方向）に連続的に回転させるモード、正逆転モードとはモータ１２の回転方向を正転方向及び逆転方向の間で適宜に切り替えるモードである。弁駆動装置１１Ａ、１１Ｂの機械的構成は第１の実施形態と同様である。

図１８はモータ１２の駆動モードに関する切り替え条件の一例を示す。この例では、内燃機関１の回転数と負荷とに基づいてモータ駆動モードが切り替えられ、高回転高負荷時には正転モード、低回転低負荷時には正逆転モードが適用される。正逆転モードでは吸気弁４又は排気弁５が開く途中の任意の位置でモータ１２の回転方向を切り替えることにより、カム２１Ａ，２１Ｂを最大リフト位置、つまり、吸気弁４又は排気弁５に最大リフト量が与えられる位置に達する前に吸気弁４又は排気弁５を閉じることができる。

すなわち、図１９に示すように、モータ１２を正転モードで回転させたときの最大リフト量がＬａのとき、正逆転モードでカム２１Ａ，２１Ｂが最大リフト位置θmaxに達する前にモータ１２を一旦停止させ、その後に逆転させた場合には、吸気弁４及び排気弁５の最大リフト量をより少ないＬｂに制限することができる。これにより、吸入空気量の過剰な増加を防止することができる。また、始動時に正逆転モードを選択して、応答性に優れたデコンプ機能（吸気弁４又は排気弁５を開けて圧縮圧力を下げる機能）を実現することもできる。一方、高負荷高回転時に正転モードを適用すれば、カム２１Ａ，２１Ｂやギア列１５等の慣性を利用して比較的小さなトルクでカム２１Ａ，２１Ｂを高速で回転させることができる。

なお、正逆転モードにおけるリフト量Ｌｂは内燃機関１の運転状態に応じて適宜に変更してもよい。リフト量Ｌｂを可変とするには、モータ制御装置４０により、リフト量Ｌｂに応じてカム２１Ａの回転角度を増減させればよい。

図２０は、モータ制御装置４０がモータ１２の駆動モードを切り替えるために内燃機関１の運転中に適宜の周期で繰り返し実行する駆動モード判別ルーチンを示している。この駆動モード判別ルーチンをモータ制御装置４０が実行することにより、モータ制御装置４０はリフト量制御手段及びモード切替手段として機能する。

図２０の駆動モード判別ルーチンにおいて、モータ制御装置４０はステップＳ３１で内燃機関１の回転数及び負荷を取得し、続くステップＳ３２で図１８に示した条件に従って現在の内燃機関１の運転状態が正転モードを選択する領域にあるか否かを判断する。そして、その判断結果に応じて正転モード又は正逆転モードを選択し（ステップＳ３３又はＳ３４）、その後に駆動モード判別ルーチンを終える。

なお、駆動モードの判別においては、機関回転数と機関負荷に限らず、内燃機関１の運転状態に相関する各種のパラメータを参照してよい。また、正転モード及び正逆転モードの切替条件も図１８の例に限らず適宜に変更してよい。正転モードにおけるモータ１２の出力トルクの制御には上述した第１及び第２の実施形態のフィードフォワード制御を使用することができる。

［第４の実施形態］
次に本発明の第４の実施形態を説明する。本実施形態は、内燃機関１の停止中の所定時期に図２１のクリーニング制御ルーチンをモータ制御装置４０に実行させることにより、モータ制御装置４０を弁回転実行手段として機能させるものである。なお、弁駆動装置１１Ａ、１１Ｂの機械的構成は第１の実施形態と同様である。

図２１のクリーニング制御ルーチンにおいて、モータ制御装置４０はステップＳ４１でモータ１２の高速回転を開始させ、ステップＳ４２でモータ１２の回転開始から所定時間が経過したか否かを判断する。そして、所定時間が経過するとステップＳ４３へ進み、モータ１２を停止させる。

以上のように、内燃機関１の停止中にモータ１２を高速回転させると、図２２に示すように吸気弁４が高速で開閉され、弁スプリング２３のサージング現象によって吸気弁４に対する弁スプリング２３の負荷が軽減されて吸気弁４がステム４ａの軸線の回りに回転する。これにより、吸気弁４とバルブシート６０との間に付着したカーボンが除去される。また、吸気弁４の回転に伴って、ステム上端部４ｂのロッカーアーム１６に対する接触部分が周方向にずれるため、図２３（ａ）にハッチング領域で示すようにステム上端部４ｂが周方向に関してほぼ均一の摩耗するようになる。ちなみに、ステム４ａが回転しなければステム上端部４ｂの特定部分のみがロッカーアーム１６と接触し、図２３（ｂ）にハッチング領域で示すようにステム上端部４ｂの偏摩耗が生じる。なお、以上では吸気弁４の場合を例にしたが、排気弁５に関しても同様に図２１のクリーニング制御ルーチンが実行される。

図２１のクリーニング制御ルーチンの実行時期は、イグニッションキーが抜かれる等して内燃機関１の長期間の停止が見込める場合が好適である。但し、内燃機関１が停止する毎に図２１のクリーニング制御ルーチンを実行する必要はなく、吸気弁４及び排気弁５に対するカーボンの付着状況、吸気弁４や排気弁５のステムの摩耗の進行状況に応じて適宜に実行時期を定めてよい。

本発明の第１の実施形態に係る弁駆動システムの要部を示す斜視図。一つの気筒に対応して設けられた弁駆動装置の構成を示す斜視図。弁駆動装置の別方向からの斜視図。弁駆動装置のさらに別の方向からの斜視図。弁特性調整機構の斜視図。弁特性調整機構を一部破断して示す斜視図。図２の制御装置が実行するモータ駆動制御ルーチンの手順を示すフローチャート。クランク角と、バルブリフト、カムフリクショントルク及びモータ駆動電流との関係の一例を示す図。バルブの最大リフト量とクランク角及びカムフリクショントルクとの対応関係の一例を示す図。カム角とモータ角との対応関係の一例を示す図。図２の制御装置が実行するカム位置初期化ルーチンの手順を示すフローチャート。モータ速度、カムフリクショントルク及びモータ出力トルクの相関関係の一例を示す図。カムフリクショントルクが負となる例を示す図。カム駆動用のモータにて回生発電を行うための構成を示す図。本発明の第２の実施形態において、内燃機関の回転数の変化を予測してモータの出力トルクを制御するための制御系のブロック図。図１５の制御系によって実現される制御の一例を示す図。図１５の制御系によって実現される制御の他の例を示す図。本発明の第３の実施形態において、モータの駆動モードを正転モードと正逆転モードとの間で切り替えるための条件を示す図。。正転モード及び正逆転モードのそれぞれにおけるクランク角と、バルブリフト及びモータ回転数との対応関係を示す図。駆動モードの設定のために制御装置が実行する駆動モード判別ルーチンを示す図。吸気弁又は排気弁のクリーニングを実施するために制御装置が実行するクリーニング制御ルーチンの手順を示すフローチャート。吸気弁を高速で動作させてクリーニングを行う様子を示す図。クリーニング制御を実行した場合（ａ）と、実行しなかった場合（ｂ）とのステム上端部の摩耗状況を対比して示す図。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ（気筒）
４吸気弁
５排気弁
１０弁駆動システム
１１Ａ，１１Ｂ弁駆動装置
１２電動モータ
１３動力伝達機構
１５ギア列
２１Ａ，２１Ｂカム
２３弁スプリング
４０モータ制御装置（モータ制御手段、異常判別手段、カム位置特定手段、初期化手段、弁回転実行手段、リフト量制御手段、モード切替手段）

Claims

複数の気筒を有する内燃機関に適用され、各気筒に設けられた吸気用又は排気用の弁を駆動するための内燃機関の弁駆動システムであって、
前記内燃機関の互いに異なる気筒の前記弁をそれぞれ駆動するように設けられ、回転運動を発生する駆動源としての電動モータ、及び前記電動モータの回転運動をカムを利用して駆動対象の弁の開閉運動に変換し伝達する動力伝達機構をそれぞれ備えた複数の弁駆動装置と、前記複数の弁駆動装置のそれぞれの前記電動モータの動作を前記内燃機関の運転状態に応じて制御し、かつその制御を行う場合に前記内燃機関の運転状態の変化に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測し、その予測結果を考慮して前記電動モータの制御量を設定するモータ制御手段と、を備え、
前記モータ制御手段は、前記カムの回転に対して作用するフリクショントルクを前記内燃機関のクランク角毎に算出し、当該算出後の前記フリクショントルクと、前記内燃機関の回転数の変化の前記予測結果とに基づいて、前記電動モータの前記制御量を設定する、ことを特徴とすることを特徴とする内燃機関の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記弁の最大リフト量に基づいて所定のベースフリクショントルクに対する前記フリクショントルクの変動量のピーク値及び前記ピーク値が与えられる前記内燃機関のクランク角の最大リフト位置からのずれ量をそれぞれ取得し、取得されたこれらの情報と現在のクランク角とに基づいて前記カムフリクションを算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記フリクショントルクを目標空燃比と現在の空燃比とのずれが解消するように変更する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、アクセル開度に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記アクセル開度の急増に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正する、ことを特徴とする請求項４に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記内燃機関の出力を変速するトランスミッションのシフト位置に基づいて前記内燃機関の回転数の変化を予測する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記トランスミッションに対するシフトダウン要求に対応して一定期間だけ前記制御量を増量補正する、ことを特徴とする請求項６に記載の弁駆動システム。
前記フリクショントルクが負の値になる場合に、前記カム側の回転運動で前記電動モータを駆動して当該電動モータにより発電を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
前記電動モータの回転位置を検出するモータ回転位置検出手段が該電動モータに付設され、前記モータ制御手段は、前記電動モータの回転位置の検出結果に基づいて前記カムの回転位置を特定するカム位置特定手段を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
前記電動モータと前記カムとの間の減速比をＮ：Ｍとした場合において、Ｎ＞Ｍ、かつＮ、Ｍは１以外に公約数を持たない整数であるときに、Ｎを６以下に設定することを特徴とする請求項９に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記内燃機関が所定の状態にあるときに前記電動モータを所定の条件に従って回転させ、その回転中に前記カムのフリクショントルクの変化に相関して出現する前記電動モータの駆動状態の変化に基づいて前記カムの回転位置を把握する初期化手段を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の弁駆動システム。
前記初期化手段は、前記内燃機関の停止時に前記電動モータを回転させて前記カムの回転位置を把握するとともに、把握したカムの回転位置を示す情報を前記内燃機関の停止期間中も記憶保持が可能な記憶装置に記憶させ、前記モータ制御手段は、前記内燃機関の次回の始動時に、前記記憶装置が記憶する前記情報に基づいて前記カムの回転位置を特定して前記電動モータの制御を開始することを特徴とする請求項１１に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記内燃機関の停止中の所定時期において前記弁がその軸線回りに回転するように前記電動モータを駆動する弁回転実行手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記電動モータの駆動モードを、前記電動モータを正転方向にのみ駆動する正転モードと、前記電動モータを正逆転させる正逆転モードとの間で切り替えるモード切替手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の弁駆動システム。
前記モータ制御手段は、前記駆動対象の弁の作用角、リフト特性、又は最大リフト量の少なくともいずれか一つの動作特性が変化するように、前記電動モータの動作を前記内燃機関の運転状態に応じて制御することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の弁駆動システム。