KR20040049251A

KR20040049251A - 내연기관의 밸브 구동시스템 및 밸브 구동장치

Info

Publication number: KR20040049251A
Application number: KR1020030062395A
Authority: KR
Inventors: 아사다도시아끼; 에자끼슈이찌; 쯔지기미또시; 구사까야스시; 가따오까겐지
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2003-09-06
Publication date: 2004-06-11
Also published as: EP1925787A3; JP2004183612A; EP1426568B1; US7047922B2; CN101113679A; CN1317495C; DE60319495T2; EP1925787A2; US20060112919A1; KR100682775B1; DE60331795D1; CN100577992C; EP1426568A1; CN1508415A; US7111599B2; JP4082197B2; EP1925787B1; DE60319495D1; US20040107928A1

Abstract

복수개의 기통을 구비한 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 모터로 효율적으로 개폐시킬 수 있는 밸브 구동시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 복수개의 실린더 (2) 를 구비한 내연기관 (1) 에 적용되는 밸브 구동시스템 (10) 은 각 실린더 (2) 에 설치된 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 를 구동시킨다. 밸브 구동시스템 (10) 은 내연기관 (1) 의 서로 다른 실린더 (2) 의 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 를 각각 구동시키도록 설치되고, 회전 운동을 발생시키는 구동원으로서의 전동 모터 (12) 및 전동 모터 (12) 의 회전 운동을 구동 대상인 밸브 (4, 5) 의 개폐 운동으로 변환시켜 전달하는 동력 전달기구 (13) 를 각각 구비한 복수개의 밸브 구동장치 (11A, 11B) 및, 복수개의 밸브 구동장치 각각의 전동 모터 (12) 의 동작을 내연기관 (1) 의 운동 상태에 따라 제어하는 모터 제어장치 (40) 를 추가로 구비하고 있다.

Description

내연기관의 밸브 구동시스템 및 밸브 구동장치{VALVE DRIVE SYSTEM AND VALVE DRIVE APPARATUS OF INTERNATIONAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 구동시키는 밸브 구동시스템 및 이 시스템을 구성하는 밸브 구동장치에 관한 것이다.

일반적인 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브는 내연기관의 크랭크축으로부터 취출된 동력에 의해 개폐 구동되고 있다. 그러나, 최근에는 전동 모터에 의해 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 구동시키는 것이 시도되고 있다. 예컨대 특허 문헌 1 (일본 공개특허공보 평8-177536호) 에는, 캠축을 모터로 구동시켜 흡기 밸브를 개폐시키는 밸브 구동장치가 개시되어 있다. 또한, EGR용 밸브를 대상으로 한 것인데, 밸브 스템에 설치된 나사 기구를 이용하여 모터의 회전을 밸브의 직선적인 개폐 운동으로 변환시키는 밸브 구동장치도 알려져 있다 (특허 문헌 2 (일본 공개특허공보 평10-73178호) 참조).

모터의 회전을 나사 기구로 밸브의 개폐 운동으로 변환시키는 장치는 밸브를 개폐시키기 위해 필요한 모터의 회전량이 커서 효율이 나쁘기 때문에, 밸브를 고속으로 주기적으로 작동시킬 필요가 있는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 구동장치로는 부적합하다.

한편, 캠축을 모터로 회전시키는 경우에는 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 효율적으로 구동시킬 수 있다. 그러나, 차량의 동력원으로 일반적으로 사용되는 다기통의 내연기관에서는 일렬로 배열된 복수개의 기통 사이에 캠축이 공용되고 있다. 이와 같이 공용된 캠축을 모터로 구동시키는 것만으로는 캠축의 동작 변화가 그 캠축에 의해 구동되는 모든 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작 특성에 영향을 미친다. 따라서, 모터를 제어함으로써 얻어지는 동작 특성의 자유도는 그다지 높지 않다.

그래서, 본 발명은 복수개의 기통을 구비한 내연기관의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 모터로 효율적으로 개폐시킬 수 있으며, 각 밸브의 동작 특성에 관한 자유도를 종래보다 높일 수 있는 내연기관의 밸브 구동시스템 및 이 시스템에 사용되는 밸브 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 밸브 구동시스템의 요부를 나타내는 사시도이다.

도 2는 하나의 기통에 대응하여 설치된 밸브 구동장치의 구성을 나타내는 사시도이다.

도 3은 밸브 구동장치의 다른 방향에서 본 사시도이다.

도 4는 밸브 구동장치의 또 다른 방향에서 본 사시도이다.

도 5는 밸브 특성 조정기구의 사시도이다.

도 6은 밸브 특성 조정기구를 일부 파단하여 나타내는 사시도이다.

도 7은 도 2의 제어장치가 실행하는 모터 구동 제어 루틴의 순서를 나타내는 흐름도이다.

도 8은 크랭크각, 밸브 리프트, 캠 프릭션 토크 및 모터 구동 전류의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 9는 밸브의 최대 리프트량과 크랭크각 및 캠 프릭션 토크의 대응 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 10은 캠각과 모터각의 대응 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 11은 도 2의 제어장치가 실행하는 캠 위치 초기화 루틴의 순서를 나타내는 흐름도이다.

도 12는 모터 속도, 캠 프릭션 토크 및 모터 출력 토크의 상관 관계의 일례를 나타내는 도면이다.

도 13은 캠 프릭션 토크가 마이너스가 되는 예를 나타내는 도면이다.

도 14는 캠 구동용 모터로 회생 발전을 행하기 위한 구성을 나타내는 도면이다.

도 15는 본 발명의 제 2 실시형태에서 내연기관의 회전수 변화를 예측하여 모터의 출력 토크를 제어하기 위한 제어계의 블럭도이다.

도 16은 도 15의 제어계에 의해 실현되는 제어의 일례를 나타내는 도면이다.

도 17은 도 15의 제어계에 의해 실현되는 제어의 다른 에를 나타내는 도면이다.

도 18은 본 발명의 제 3 실시형태에서 모터의 구동 모드를 정전 모드와 정/역전 모드 사이에서 전환하기 위한 조건을 나타내는 도면이다.

도 19는 정전 모드 및 정/역전 모드 각각에서의 크랭크각과 밸브 리프트 및 모터 회전수의 대응 관계를 나타내는 도면이다.

도 20은 구동 모터의 설정을 위해 제어장치가 실행하는 구동 모드 판별 루틴을 나타내는 도면이다.

도 21은 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 클리닝을 실시하기 위한 제어장치가 실행하는 클리닝 제어 루틴의 순서를 나타내는 도면이다.

도 22는 흡기 밸브를 고속으로 작동시켜 클리닝을 실시하는 모습을 나타내는 도면이다.

도 23은 클리닝 제어를 실행한 경우 (a) 와 실행하지 않은 경우 (b) 의 스템 상단부의 마모 상황을 대비하여 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

1: 내연기관

2: 실린더 (기통)

4: 흡기 밸브

5: 배기 밸브

10: 밸브 구동시스템

11A, 11B: 밸브 구동장치

12: 전동 모터

13: 동력 전달기구

15: 기어열

21A, 21B: 캠

23: 밸브 스프링

40: 모터 제어장치 (모터 제어수단, 이상 판별수단, 캠 위치 특정수단, 초기화 수단, 밸브 회전 실행수단, 리프트량 제한수단, 모드 전환수단)

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명의 밸브 구동시스템은, 복수개의 기통을 구비한 내연기관에 적용되며 각 기통에 설치된 흡기용 또는 배기용 밸브를 구동시키기 위한 내연기관의 밸브 구동시스템으로서, 상기 내연기관의 서로 다른 기통의 상기 밸브를 각각 구동시키도록 설치되고, 회전 운동을 발생시키는 구동원으로서의 전동 모터 및 상기 전동 모터의 회전 운동을 구동 대상인 밸브의 개폐 운동으로 변환시켜 전달하는 동력 전달기구를 각각 구비한 복수개의 밸브 구동장치 및, 상기 복수개의 밸브 구동장치 각각의 상기 전동 모터의 동작을 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 제어하는 모터 제어수단을 구비함으로써, 상기 기술한 과제를 해결한다 (청구항 1).

본 발명의 밸브 구동시스템에 의하면, 복수개의 밸브 구동장치를 설치함으로써, 복수개의 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브 각각에 대하여 내연기관의 운전 상태에 따른 적절한 동작 특성을 부여할 수 있다. 또, 본 발명의 밸브 구동시스템에서는, 복수개의 밸브 구동장치 각각이 서로 다른 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 구동시키면 된다. 따라서, 상기 밸브 구동장치가 기통마다 독립적으로 설치될 수도 있고, 각 기통의 흡기 밸브 및 배기 밸브에 대하여 각각 독립적으로 밸브 구동장치가 설치될 수도 있다. 한편, 일부 또는 전부의 밸브 구동장치가 서로 다른 2 이상의 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 구동시킬 수도 있다. 특히, 흡기 밸브가 개방되어 있는 기간 또는 배기 밸브가 개방되어 있는 기간이 중복되지 않는 기통 사이라면, 이들 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 공통된 전동 모터로 구동시켰다 하더라도, 각 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작 특성을 공통된 전동 모터에 의해 구동되는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작에 영향 받지 않고 변화시킬 수 있다.

본 발명의 밸브 구동시스템에서, 상기 모터 제어수단은 상기 구동 대상인 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나의 동작 특성이 변화하도록 상기 전동 모터의 동작을 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 제어할 수 있다 (청구항 2). 이 경우에는, 개폐 타이밍만을 변화시키는 종래의 밸브 구동장치와 비교하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작을 보다 유연하게 변화시킬 수 있다. 또, 흡기 밸브 또는 배기 밸브가 개방되어 있는 동안의 전동 모터의 회전 속도를 증감시킨다면 작용각이 변화하고, 그 회전 속도의 변화 즉 가속도를 변화시킨다면 리트프 특성이 변화한다. 리프트 특성은 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 리프트량과 크랭크각의 대응 관계에 관한 특성으로 파악되는 것이다. 리트프량에 관해서는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 리프트량이 최대가 되는 최대 리프트위치에 도달하는 것보다 빠른 단계에서 캠의 회전 방향을 전환하여 캠을 역전시키도록 제어함으로써, 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 리프트량을 최대 리프트량보다 작게 제한할 수 있다.

본 발명의 밸브 구동시스템에서, 동력 전달기구는 캠이나 링크를 이용하여 전동 모터의 회전 운동을 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개폐 운동으로 변환시킬 수 있다. 모터의 회전 운동을 캠이나 링크를 통해 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개폐 운동으로 변환시키면, 나사 기구를 이용하는 경우와 비교하여 모터의 회전량에 대한 밸브의 운동량 비율을 크게 취할 수 있다. 요컨대, 나사 기구에 의한 경우에는, 나사를 최소한 몇회 이상 회전시키지 않으면 밸브를 충분히 개폐시킬 수 없지만, 캠 또는 링크를 이용한 경우에는, 모터의 1 회전에 의해 운동의 1 주기가 완결되므로, 모터를 최대한 1 회전시키는 것만으로 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 소정의 개폐 동작을 부여할 수 있다. 따라서, 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 효율적으로 구동시킬 수 있다.

전동 모터의 회전을 캠에 의해 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개폐 운동으로 변환시키는 밸브 구동시스템 (청구항 3) 은 또한 다음과 같은 태양을 포함할 수 있다.

상기 모터 제어수단은 상기 캠의 회전에 대하여 작용하는 프릭션 토크의 변화를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정할 수도 있다 (청구항 4). 캠 프릭션 토크를 고려하지 않고 전동 모터의 동작을 제어한 경우에는, 캠 프릭션 토크의 영향에 의해 모터의 회전 속도가 제어의 목표값에서 변동하고, 이로 인해 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작 특성이 제어 목표에서 벗어나 내연기관 (1) 의 운전 상태에 영향을 미친다. 예컨대, 연비 악화, 성능 저하, 배기 이미션의 악화 등이 발생할 우려가 있다. 전동 모터의 제어가 불안정해질 우려가 있다. 이들 문제점은 캠 프릭션 토크를 고려하여 전동 모터의 제어량을 조정함으로써 해소할 수 있다. 또, 본 발명에서 프릭션 토크란 전동 모터로부터 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 이르기까지의 기계적 구성에 의거하여 캠의 구동원에 부하되는 회전 저항을 의미한다. 구동원으로부터 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 이르기까지의 기구 내에서 발생되는 마찰력은 프릭션 토크를 플러스 방향으로 증가시키고, 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 폐쇄 방향으로 복귀시키는 스프링수단 (밸브 스프링) 의 반발력은 프릭션 토크를 마이너스 방향으로 증가시킨다. 전동 모터를 제어할 때에는 프릭션 토크에 대항하여 캠을 회전시키기 위해 필요한 토크를 출력시킬 필요가 있고, 전동 모터의 제어는 그 출력 토크와 관련지워진 제어 변수 (파라미터) 의 증감에 따라 실현된다. 본 발명에서 전동 모터의 제어량의 설정 및 조정은 이러한 제어 변수의 설정 및 조정을 의미하는 것이다.

상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 흡기 또는 배기의 특성에 관한 제어 상태를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정할 수도 있다 (청구항 5). 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작이 제어 목표에서 벗어나 있으면, 내연기관의 흡기 특성이나 배기 특성이 목표대로 제어할 수 없어, 연비 악화, 성능 저하, 배기 이미션의 저하 등과 같은 문제점이 발생한다. 반면에, 흡기 또는 배기의 특성에 관한 제어 상태를 고려하여 제어 상태가 목표에서 벗어나 있으면, 그 편차가 감소하도록 전동 모터의 제어량을 조정하면 그와 같은 문제점은 해소할 수 있다.

흡기 또는 배기의 특성으로는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작 특성과 상관되는 여러가지 상태가 고려될 수도 있다. 예컨대, 통내 흡입 공기량, 통내 압력, 내부 EGR량, 배기 온도, 공연비 등이 흡기 또는 배기의 특성으로 고려될 수도 있다. 공연비의 제어 상태가 고려되는 경우에, 상기 모터 제어수단은 상기 공연비가 소정 목표값으로 제어되도록 상기 모터의 제어량을 보정하는 것이 바람직하다 (청구항 6). 이와 같은 제어를 행하면, 공연비의 편차를 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작 특성의 보정에 의해 해소되어, 연비 향상, 출력 증가, 배기 이미션의 개선 등과 같은 좋은 결과를 가져올 수 있다.

또한, 밸브 구동시스템에서는, 상기 내연기관의 흡기 또는 배기의 특성에 관한 제어 상태를 고려함에 따라, 부여된 상기 전동 모터의 제어량에 대한 보정량에 의거하여 밸브 구동시스템의 이상 유무를 판별하는 이상 판별수단을 구비할 수도 있다 (청구항 7). 밸브 구동시스템 내에서 어떠한 이상이 발생한 경우에는 전동 모터의 제어량의 절대값이 과대 또는 과소로 되거나 또는 제어량의 변화량이 과잉으로 된다. 그래서, 전동 모터의 제어량에 관한 보정량을 감시하면, 이상 검출용 센서를 이용하지 않고 밸브 구동시스템에 이상이 발생하고 있는지의 여부를 판별할 수 있다.

상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 운전 상태의 변화에 따라 상기 내연기관의 회전수 변화를 예측하고, 그 예측 결과를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정할 수도 있다 (청구항 8). 이 경우에는, 내연기관의 회전수가 갑자기변화하는 경우에, 그 변화를 예상하고 전동 모터의 제어량을 증감시킴으로써, 내연기관의 회전수 변화에 대응하는 캠의 회전 속도의 응답성을 높일 수 있다.

상기 캠의 프릭션 토크가 마이너스 값이 되는 경우에, 상기 캠측의 회전 운동으로 상기 전동 모터를 구동시켜 이 전동 모터에 의해 발전을 행할 수도 있다 (청구항 9). 이 경우에는, 밸브 구동시스템의 효율을 높여 캠의 구동에 필요한 배터리의 용량을 저감시키거나 차량에 발전기로 탑재된 올터네이터의 발전 능력을 보다 작게 설정할 수 있다.

상기 전동 모터의 회전 위치를 검출하는 모터 회전 위치 검출수단이 이 전동 모터에 부설되고, 상기 모터 제어수단은 상기 전동 모터의 회전 위치의 검출 결과에 따라 상기 캠의 회전 위치를 특정하는 캠 위치 특정수단을 구비할 수도 있다 (청구항 10). 모터의 회전 위치로부터 캠 위치를 추정함으로써, 캠 위치의 검출을 위해 별도로 센서류를 설치할 필요가 없어진다.

상기 전동 모터와 상기 캠 사이의 감속비를 N:M (단, N＞M이고, N, M은 1 이외에 공약수를 갖지 않는 정수) 으로 했을 때에, N을 6 이하로 설정하는 것이 바람직하다 (청구항 11). 이와 같은 설정이라면 캠의 초기 위치를 검출하기 쉬워 검출 오차를 억제할 수 있다.

상기 모터 제어수단은 상기 내연기관이 소정 상태에 있을 때에 상기 전동 모터를 소정 조건에 따라 회전시키고, 그 회전 중에 상기 캠의 프릭션 토크의 변화에 상관하여 출현하는 상기 전동 모터의 구동 상태의 변화에 따라 상기 캠의 회전 위치를 파악하는 초기화 수단을 구비할 수도 있다 (청구항 12). 캠의 프릭션 토크는 캠에 의한 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 개폐 상태와 상관하고, 일반적으로는 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 리프트량이 최대가 되는 캠 위치 부근에서 프릭션 토크는 반전된다. 한편, 프릭션 토크는 전동 모터의 구동 상태에 영향을 미친다. 예컨대, 전동 모터의 출력 토크를 일정하게 유지하면, 프릭션 토크의 증가에 따라 모터의 회전 속도가 저하되고, 프릭션 토크의 감소에 따라 모터의 회전 속도가 증가한다. 전동 모터의 회전 속도를 일정하게 유지하면, 프릭션 토크의 증가에 따라 모터의 출력 토크가 증가하고, 프릭션 토크의 감소에 따라 모터의 출력 토크는 감소한다. 이와 같은 상관 관계를 이용하면 모터의 구동 상태를 감시하는 것만으로 캠의 위치를 특정할 수 있다. 또, 흡기 밸브 또는 배기 밸브가 개방되기 시작하거나 또는 완전히 폐쇄될 때의 회전수 변화 또는 전동 모터의 출력 토크의 변화가 소정 상태로 되는 것을 이용하여 그와 같은 변화가 발생한 시점에서 캠의 위치를 특정할 수도 있다. 이 경우에는 캠의 위치를 특정하기 위해서 필요한 구동 전력을 저감시킬 수 있다. 또, 내연기관의 정지시에 행하는 경우에는, 흡기 밸브 또는 배기 밸브와 피스톤의 간섭을 회피할 수도 있다.

상기 초기화 수단은 상기 내연기관의 정지시에 상기 전동 모터를 회전시켜 상기 캠의 회전 위치를 파악하는 동시에, 파악한 캠의 회전 위치를 나타내는 정보를 상기 내연기관의 정지 기간 중에도 기억을 유지할 수 있는 기억장치에 기억시키고, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 다음 회의 시동시에 상기 기억장치가 기억하는 상기 정보에 따라 상기 캠의 회전 위치를 특정하여 상기 전동 모터의 제어를 개시할 수도 있다 (청구항 13). 이 경우에는, 내연기관의 시동시에 캠의회전 위치를 파악하기 위해 초기화 수단으로 처리할 필요가 없다. 따라서, 내연기관의 신속한 시동이 가능해진다.

상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 정지 중의 소정 시기에 상기 밸브가 그 축선 주위로 회전하도록 상기 전동 모터를 구동시키는 밸브 회전 실행수단을 구비할 수도 있다 (청구항 14). 이 경우에는 밸브를 회전시킴으로써, 밸브나 그 시트 (밸브 시트) 에 부착된 카본을 비벼서 제거할 수 있다. 로커 아암 등의 구동부재에 대한 밸브의 접촉 위치를 밸브의 축선 주위로 변화시켜 밸브의 편마모를 방지할 수도 있다.

상기 모터 제어수단은 상기 밸브의 리프트량이 상기 캠을 1 회전시켰을 때에 얻어지는 최대 리프트량보다 작은 소정 값으로 제한되도록 상기 전동 모터를 정/역전 구동시키는 리프트량 제어수단을 구비할 수도 있다 (청구항 15). 이 경우에는, 캠을 정/역전시킴으로써, 캠에 의해 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 부여할 수 있는 최대 리프트량보다 리프트량을 작게 제한하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브를 개폐시킬 수 있다. 따라서, 고회전 고부하시의 흡입 공기량에 맞춰 설계된 캠이라도 흡입 공기량이 작아서 충분한 저회전 저부하의 운전 상태에 대응할 수 있게 된다. 또, 캠을 정/역전시키는 경우의 회전 각도는 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 부여하는 리프트량에 따라 증감시키면 된다.

상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 상기 전동 모터의 구동 모드를 상기 전동 모터를 정전 방향으로만 구동시키는 정전 모드와 상기 전동 모터를 정/역전시키는 정/역전 모드 사이에서 전환하는 모드 전환수단을 구비할 수도 있다 (청구항 16). 이 경우에는, 저회전 저부하시에 캠을 정/역전시켜 리프트량을 제한하고, 고회전 고부하시에는 캠을 정전시켜 캠축 등의 관성에 따라 고속이며 작은 토크로 캠을 회전 구동시킬 때에 캠의 구동 상태를 적절하게 분별하여 사용할 수 있다.

본 발명의 밸브 구동장치는 회전 운동을 발생시키는 구동원으로서의 전동 모터, 상기 전동 모터의 회전 운동을 구동 대상인 밸브의 개폐 운동으로 변환시켜 전달하는 동력 전달기구 및, 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 상기 구동 대상인 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나의 동작 특성이 변화하도록 상기 전동 모터의 동작을 제어하는 모터 제어수단을 구비함으로써, 상기 기술한 과제를 해결한다 (청구항 17). 이와 같은 밸브 구동장치에 의하면, 전동 모터의 동작 제어에 의해 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나를 변화시킬 수 있으므로, 개폐 타이밍만을 변화시키는 종래의 밸브 구동장치와 비교하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작을 보다 유연하게 변화시킬 수 있다. 또, 본 발명의 밸브 구동장치는 상기 기술한 캠을 이용하는 밸브 구동시스템의 각종 바람직한 태양을 포함할 수 있다.

발명의 실시형태

[제 1 실시형태]

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 밸브 구동시스템이 설치된 내연기관 (1) 을 나타내고 있다. 내연기관 (1) 은 복수개 (도면에서는 4개) 의 실린더 (기통: 2‥‥2) 가 한 방향으로 배열되어 있고, 각 실린더 (2) 에 피스톤 (3) 이 자유롭게 상하 운동할 수 있게 장착된 다기통 직렬식 가솔린 엔진으로 구성되어 있다. 각 실린더 (2) 의 상측에는 2개의 흡기 밸브 (4) 및 2개의 배기 밸브 (5) 가 각각 설치되어 있고, 이들 흡기 밸브 (4) 및 배기 밸브 (5) 가 피스톤 (3) 의 상하 운동에 연동되어 밸브 구동시스템 (10) 에 의해 개폐 구동됨으로써, 실린더 (2) 로의 흡기 및 실린더 (2) 로부터의 배기가 행해진다.

밸브 구동시스템 (10) 은 각 실린더 (2) 의 흡기측에 하나씩 설치된 밸브 구동장치 (11A‥‥11A) 와 각 실린더 (2) 의 배기측에 하나씩 설치된 밸브 구동장치 (11B‥‥11B) 를 구비하고 있다. 이들 밸브 구동장치 (11A, 11B) 는 모두 캠을 이용하여 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 를 구동시키는 것이다. 밸브 구동장치 (11A) 의 구성은 서로 동등하고, 밸브 구동장치 (11B) 의 구성 역시 서로 동등하다. 도 2는 하나의 실린더 (2) 에 대응하여 설치된 흡기용 및 배기용 밸브 구동장치 (11A, 11B) 를 나타내고 있다. 또, 밸브 구동장치 (11A, 11B) 는 서로 유사한 구성을 갖고 있으며, 먼저 흡기측 밸브 구동장치 (11A) 에 대해서 설명한다.

흡기측 밸브 구동장치 (11A) 는 구동원으로서의 전동 모터 (이하, 모터라고 함: 12) 와 모터 (12) 의 회전 운동을 흡기 밸브 (4) 의 직선적인 개폐 운동으로 변환시키는 동력 전달기구 (13) 를 구비하고 있다. 모터 (12) 에는 회전 속도를 제어할 수 있는 DC 브러시리스 모터 등이 사용된다. 모터 (12) 에는 그 회전 위치를 검출하기 위한 레졸바, 로터리 인코더 등의 회전 위치 검출수단이 내장되어 있다.

동력 전달기구 (13) 는 하나의 캠축 (14A), 모터 (12) 의 회전 운동을 캠축 (14A) 에 전달하는 기어열 (15), 흡기 밸브 (4) 를 구동시키는 로커 아암 (16) 및, 캠축 (14A) 과 로커 아암 (16) 사이에 개재된 밸브 특성 조정기구 (17) 를 구비하고 있다. 캠축 (14A) 은 실린더 (2) 마다 독립적으로 설치되어 있다. 바꿔 말하면, 실린더 (2) 마다 캠축 (14A) 은 나뉘어져 있다. 기어열 (15) 은, 모터 (12) 의 출력축 (도시 생략) 에 장착된 모터 기어 (18) 의 회전을 중간 기어 (19) 를 통해 캠축 (14A) 과 일체로 된 캠 구동 기어 (20) 에 전달함으로써 모터 (12) 에 동기하여 캠축 (14A) 을 회전시킨다.

도 3 및 도 4에도 나타낸 바와 같이 캠축 (14A) 에는 단일한 캠 (21A) 이 일체로 회전할 수 있게 설치되어 있다. 캠 (21A) 은 캠축 (14A) 과 동축인 베이스 원의 일부를 팽창시킨 판 캠의 1 종류로서 형성되어 있다. 모든 밸브 구동장치 (11A) 사이에서 캠 (21A) 의 프로파일 (외부 둘레의 윤곽) 은 서로 동등하다. 캠 (21A) 의 프로파일은 그 전체 둘레에 걸쳐 마이너스 곡률이 발생하지 않도록, 즉 반경 방향 외측으로 볼록 곡면을 그리도록 설정되어 있다.

로커 아암 (16) 은 지지축 (22) 을 중심으로 요동할 수 있게 설치되어 있다. 흡기 밸브 (4) 는 밸브 스프링 (23) 에 의해 로커 아암 (16) 측으로 탄성 지지되고, 그럼으로써 흡기 포트의 밸브 시트 (도시 생략) 에 흡기 밸브 (4) 가 밀착되어 흡기 포트가 폐쇄된다. 로커 아암 (16) 의 타단부는 어저스터 (24) 와 접하고 있다. 어저스터 (24) 가 로커 아암 (16) 의 타단부를 밀어 올림으로써, 로커 아암 (16) 은 그 일단부가 흡기 밸브 (4) 의 상단부와 접촉된 상태로 유지된다.

밸브 특성 조정기구 (17) 는 캠 (21A) 의 회전 운동을 로커 아암 (16) 에 요동 운동으로 전달하는 중개수단으로서 기능하는 동시에, 캠 (21A) 의 회전 운동과 로커 아암 (16) 의 요동 운동의 상관 관계를 변경함으로써, 흡기 밸브 (4) 의 리프트량 및 작용각을 변화시키는 리프트량 및 작용각 변경수단으로서도 기능한다.

도 5에 나타낸 바와 같이 밸브 특성 조정기구 (17) 는 지지축 (30), 이 지지축 (30) 의 중심부를 관통하여 배치된 조작축 (31), 지지축 (30) 상에 배치된 제 1 링 (32) 및, 그 양측에 배치된 2개의 제 2 링 (33, 33) 을 구비하고 있다. 지지축 (30) 은 내연기관 (1) 의 실린더 헤드 등에 고정적으로 장착된다. 조작축 (31) 은 액추에이터 (도시 생략) 에 의해 지지축 (30) 에 대하여 축선 방향 (도 6의 R 방향 및 F 방향) 으로 왕복 구동된다. 제 1 링 (32) 및 제 2 링 (33) 은 지지축 (30) 에 대하여 축선 방향으로 슬라이딩할 수 있으며 둘레 방향으로 요동할 수 있게 지지되고 있다. 제 1 링 (32) 의 외부 둘레에는 롤러 종동절 (34) 이 자유롭게 회전할 수 있게 장착되고, 제 2 링 (33) 의 외부 둘레에는 노즈 (35) 가 형성되어 있다.

도 6에 나타낸 바와 같이 지지축 (30) 의 외부 둘레에는 슬라이더 (36) 가 설치되어 있다. 슬라이더 (36) 는 그 둘레 방향으로 연장된 긴 구멍 (36c) 이 조작축 (31) 에 장착된 핀 (37) 과 맞물림으로써, 지지축 (30) 에 대하여 조작축 (31) 과 일체로 축선 방향으로 슬라이딩할 수 있다. 또, 지지축 (30) 에는 핀 (37) 의 축선 방향의 이동을 허용하는 축선 방향의 긴 구멍 (도시 생략) 이 형성되어 있다. 슬라이더 (36) 의 외부 둘레에는 제 1 헬리컬 스플라인 (36a) 과 이것이 사이에 오도록 배치된 제 2 헬리컬 스플라인 (36b, 36b) 이 일체로 형성되어 있다. 제 2 헬리컬 스플라인 (36b) 의 트위스트 방향은 제 1 헬리컬 스플라인 (36a) 의 트위스트 방향에 대하여 반대 방향이다. 한편, 제 1 링 (32) 의 내부 둘레에는 제 1 헬리컬 스플라인 (36a) 과 맞물리는 헬리컬 스플라인 (32a) 이 형성되고, 제 2 링 (33) 의 내부 둘레에는 제 2 헬리컬 스플라인 (36b) 과 맞물리는 헬리컬 스플라인 (33a) 이 형성되어 있다.

도 4에서 알 수 있듯이 밸브 특성 조정기구 (17) 는 그 롤러 종동절 (34) 이 캠 (21A) 에, 노즈 (35) 가 각 흡기 밸브 (4) 에 대응하는 로커 아암 (16) 의 일단부에 각각 대향하도록 하여 내연기관 (1) 에 장착된다. 캠 (21A) 의 회전에 의해 롤러 종동절 (34) 이 노즈부 (21a) 와 접촉되어 밀려 내려가면, 롤러 종동절 (34) 을 지지하는 제 1 링 (32) 이 지지축 (30) 상에서 회전하고, 그 회전 운동이 슬라이더 (36) 를 통해 제 2 링 (33) 에 전달되어 제 2 링 (33) 이 제 1 링 (32) 과 동일한 방향으로 회전한다. 이들 제 2 링 (33) 의 회전에 의해 노즈 (35) 가 로커 아암 (16) 의 일단부를 밀어 내리고, 그럼으로써 흡기 밸브 (4) 가 밸브 스프링 (23) 에 대항하여 하측으로 변위되어 흡기 포트가 개방된다. 노즈부 (21a) 가 롤러 종동절 (34) 을 넘어가면 밸브 스프링 (23) 의 힘에 의해 흡기 밸브 (4) 가 밀어 올려져 흡기 포트가 폐쇄된다. 이와 같이 해서 캠축 (14A) 의 회전 운동이 흡기 밸브 (4) 의 개폐 운동으로 변환된다.

또한, 밸브 특성 조정기구 (17) 에서는 조작축 (31) 을 축선 방향으로 변위시켜 도 6에 화살표시 R, F로 표시한 바와 같이 슬라이더 (36) 를 지지축 (30) 에대하여 슬라이딩시키면, 제 1 링 (32) 과 제 2 링 (33) 이 둘레 방향에 대해 서로 반대 방향으로 회전한다. 슬라이더 (36) 를 화살표시 F 방향으로 이동시켰을 때에는, 제 1 링 (32) 이 화살표시 P 방향으로, 제 2 링 (33) 이 화살표시 Q 방향으로 각각 회전하여 롤러 종동절 (34) 과 노즈 (35) 의 둘레 방향의 간격이 증가한다. 한편, 슬라이더 (36) 를 화살표시 R 방향으로 이동시켰을 때에는, 제 1 링 (32) 이 화살표시 Q 방향으로, 제 2 링 (33) 이 화살표시 P 방향으로 각각 회전하여 롤러 종동절 (34) 과 노즈 (35) 의 둘레 방향의 간격이 감소한다. 롤러 종동절 (34) 과 노즈 (35) 의 간격이 증가할수록 노즈 (35) 가 로커 아암 (16) 을 밀어 내리는 양은 증가하고, 이에 따라 흡기 밸브 (4) 의 리프트량 및 작용각도 증가한다. 따라서, 도 6의 화살표시 F 방향으로 조작축 (31) 을 조작할수록 흡기 밸브 (4) 의 리프트량 및 작용각이 증가하게 된다.

이상과 같이 구성된 밸브 구동장치 (11A) 에 의하면, 모터 (12) 에 의해 캠축 (14A) 을 내연기관 (1) 의 크랭크축의 회전 속도의 절반 속도 (이하, 이를 기본 속도라고 함) 로 한 방향으로 연속적으로 구동시킴으로써, 크랭크축으로부터의 동력으로 밸브를 구동시키는 일반적인 기계식 밸브 구동장치와 동일하게, 크랭크축의 회전에 동기하여 흡기 밸브 (4) 를 개폐 구동시킬 수 있다. 또, 밸브 특성 조정기구 (17) 에 의해 흡기 밸브 (4) 의 리프트량 및 작용각을 변화시킬 수도 있다. 또한, 밸브 구동장치 (11A) 에 의하면, 모터 (12) 에 의한 캠축 (14A) 의 회전 구동 속도를 기본 속도에서 변화시킴으로써, 크랭크축의 위상과 캠축 (14A) 의 위상의 상대 관계를 변화시켜 흡기 밸브 (4) 의 동작 특성 (밸브 개방 타이밍, 밸브 폐쇄 타이밍, 리프트 특성, 작용각, 최대 리프트량) 을 여러가지로 변화시킬 수 있다

한편, 도 2에 나타낸 바와 같이 배기 밸브 (5) 의 밸브 구동장치 (11B) 에서는 밸브 구동장치 (11A) 와 달리 캠축 (14B) 에 2개의 캠 (21B) 이 설치되어 있고, 밸브 특성 조정기구 (17) 가 생략되어 있어 2개의 캠 (21B) 이 로커 아암 (16) 을 각각 직접 구동시킨다. 밸브 구동장치 (11B) 의 이들 이외의 부분은 밸브 구동장치 (11A) 와 공통되고, 이들 공통 부분의 설명은 생략한다. 캠 (21B) 의 프로파일은 캠 (21A) 과 동일하게 전체 둘레에 걸쳐 볼록 곡면으로 구성되어 있다. 배기 밸브 (5) 에 관해서도 밸브 구동장치 (11B) 의 모터 (12) 에 의한 캠축 (14B) 의 구동 속도를 여러가지 변화시킴으로써, 배기 밸브 (5) 의 동작 특성을 여러가지로 변화시킬 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이 밸브 구동장치 (11A, 11B) 의 모터 (12) 의 동작 특성을 제어하기 위해 밸브 구동시스템 (10) 에는 모터 제어장치 (40) 가 설치되어 있다. 모터 제어장치 (40) 는 마이크로 프로세서 및 그 주기억장치로서의 RAM, ROM을 구비한 컴퓨터로 구성되어 있고, ROM에 기억된 밸브 제어 프로그램에 따라 각 전동 모터 (12) 의 동작을 제어한다. 또, 도 2에서는 하나의 실린더 (2) 의 밸브 구동장치 (11A, 11B) 를 나타내고 있는데, 모터 제어장치 (40) 는 다른 실린더 (2) 의 밸브 구동장치 (11A, 11B) 에 대해서도 공용된다.

모터 제어장치 (40) 에는 전동 모터 (12) 의 제어에 필요한 정보의 입력수단으로서, 배기 가스의 공연비에 대응한 신호를 출력하는 A/F 센서 (41), 흡입 공기량을 조정하는 스로틀 밸브의 개방도에 대응한 신호를 출력하는 스로틀 개방도 센서 (42), 액셀 페달의 개방도에 대응한 신호를 출력하는 액셀 개방도 센서 (43), 흡입 공기량에 대응한 신호를 출력하는 에어 플로 미터 (44), 크랭크축의 각도에 대응한 신호를 출력하는 크랭크각 센서 (45) 가 각각 접속되어 있다. 또, 전동 모터 (12) 의 제어에는, 이들 센서에 의한 실측값 대신에 소정의 함수식이나 맵으로부터 구한 값을 사용할 수도 있다. 또, 모터 (12) 에 내장된 위치 검출 센서의 출력 신호도 모터 제어장치 (40) 에 입력된다.

다음으로, 모터 제어장치 (40) 에 의한 모터 (12) 의 제어에 대해서 설명한다. 또, 다음에서는 하나의 실린더 (2) 의 흡기 밸브 (4) 를 구동시키기 위한 모터 (12) 의 제어에 대해서 설명하는데, 다른 흡기 밸브 (4) 를 구동시키는 모터 (12) 의 제어에 대해서도 동일하다. 배기 밸브 (5) 를 구동시키는 모터 (12) 에 대해서도 동일하다.

도 7은 모터 제어장치 (40) 가 내관기관 (1) 의 운전 상태에 따라 모터 (12) 의 출력 토크를 변화시키기 위해서 일정 주기로 반복 실행하는 모터 구동 제어 루틴을 나타내고 있다. 도 7의 모터 구동 제어 루틴을 실행함으로써, 모터 제어장치 (40) 는 모터 제어수단으로서 기능한다. 이 모터 구동 제어 루틴에서 모터 제어장치 (40) 는 먼저 단계 S1에서 캠 (21A) 의 회전 위치를 예컨대 모터 (12) 의 위치 검출 센서와 기어열 (15) 의 감속비에 의거하여 검출한다. 이 단계 S1에서는 모터 제어장치 (40) 가 캠 위치 특정수단으로서 기능한다.

다음으로, 단계 S2에서 흡기 밸브 (4) 의 동작 내용을 결정하기 위해서 필요한 내연기관 (1) 의 운전 상태를 검출한다. 예컨대, 내연기관 (1) 의 회전수 (회전 속도), 부하율 등을 상기 기술한 센서 (41∼45) 의 출력 신호에 따라 검출한다. 다음 단계 S3에서는 내연기관 (1) 의 운전 상태의 검출 결과에 따라 흡기 밸브 (4) 의 동작 내용을 결정한다. 예컨대, 현 시점의 운전 상태에 대응하여 흡기 밸브 (4) 에 부여하는 리프트량, 캠축 (14A) 의 위상, 회전수 등의 파라미터를 결정한다.

다음 단계 S4에서는 캠 프릭션 토크의 추정값 TF를 다음 수학식 1에 의해 구한다. 또, 모터 기어 (18) 로부터 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 에 이를 때까지의 기계적 구성에 따라 모터 (12) 에 부하되는 회전 저항을 여기서는 캠 프릭션 토크라고 한다.

TF (θ+θ3) =Tf+f1 (Tf1, θmax-θ1, θ+θ3) +f2 (Tf2, θmax+θ2, θ+θ3) … (1)

여기서, Tf는 베이스 프릭션 토크, f1은 밸브 스프링 (23) 에 의한 캠 (21A) 의 복귀작용에 의해 발생되는 캠 프릭션 토크의 변동 성분을 기술하는 다항식 근사 함수, f2는 밸브 스프링 (23) 에 의한 캠 (21A) 의 가압 작용에 의해 발생되는 캠 프릭션 토크의 변동 성분을 기술하는 다항식 근사 함수, θ는 제어 실행시의 크랭크각, θ3은 모터 (12) 에 따라 정해지는 시정수이다. 다음에, 도 8 및 도 9를 참조하여 수학식 1을 설명한다.

도 8은 크랭크각 θ와 밸브 리프트 (흡기 밸브 (4) 의 리프트량), 캠 프릭션 토크 TF (θ) 및 모터 (12) 의 구동 전류 I (θ) 의 대응 관계를 나타내고 있다.단, 캠 프릭션 토크 TF는 플러스 방향, 즉 캠 (21A) 의 회전에 대하여 저항이 되는 방향을 도 8의 아래 방향에 대응시켜 나타내고 있다. 또, 도 8에서는 밸브 리프트량을 대소 2 단계로 변화시켰을 때의 캠 프릭션 토크 TF 및 모터 (12) 의 구동 전류 I를 나타내고 있다. 즉, 밸브 리프트량이 큰 경우를 굵은 선으로, 밸브 리프트량이 작은 경우를 가는 선으로 각각 나타내고 있다.

도 8에서 알 수 있듯이 수학식 1의 제 1 항의 베이스 프릭션 토크 Tf는 플러스 방향으로 작용하고, 그 값은 크랭크각 θ에 상관없이 일정하다. 즉, 베이스 프릭션 토크 Tf는 캠 (21A) 을 회전시킬 때에 모터 (12) 에 부하되는 기본적인 회전 저항을 나타내고 있다. 다음으로, 도 8의 횡축 상의 적당한 위치에 기준 위치를 정하고, 그 기준 위치로부터 크랭크각 θ가 θmax만큼 진행된 위치 (이하, 이를 최대 리프트 위치라고 함) 에서 밸브 리프트가 최대값을 취한 경우, 캠 프릭션 토크 TF (θ) 는 최대 리프트 위치 θmax에 도달하기 전의 흡기 밸브 (4) 가 개방되는 과정에서 베이스 프릭션 토크 Tf보다 플러스 방향으로 증가하여 피크를 나타내고, 흡기 밸브 (4) 가 폐쇄되는 과정에서 베이스 프릭션 토크 Tf보다 마이너스 방향으로 감소한다. 이와 같은 캠 프릭션 토크 TF (θ) 의 변화는, 캠 (21A) 이 밸브 스프링 (23) 에 대항하여 흡기 밸브 (4) 를 개방할 때에는 밸브 스프링 (23) 의 반발력이 캠 (21A) 을 그 회전 방향과 반대 방향으로 복귀시키도록 작용하고, 밸브 스프링 (23) 의 반발력이 피크를 넘은 후에는 밸브 스프링 (23) 의 반발력이 캠 (21A) 을 회전 방향으로 가압하도록 작용하는 데에서 기인한다.

임의의 크랭크각 θ에 대응하는 캠 프릭션 토크 TF의 베이스 프릭션 토크 Tf로부터의 변동량은 엄밀하게는 밸브 구동장치 (11A) 의 구성으로부터 역학적으로 또는 기구학적으로 연산할 수 있다. 그러나, 크랭크각 θ와 캠 프릭션 토크 TF의 변동량의 상관 관계는 베이스 프릭션 토크 Tf에 대한 캠 프릭션 토크의 변동량의 피크값 Tf1, Tf2 및 이들 피크값 Tf1, Tf2가 부여되는 크랭크각 θ의 최대 리프트 위치 θmax로부터의 편차량 θ1, θ2를 변수로 하는 함수에 의해 근사적으로 표현할 수 있다. 상기 기술한 수학식 1의 제 2 항 f1, f2는 그와 같은 관점에서 구한 근사 함수이다. 모터 제어장치 (40) 의 ROM에는 이들 근사 함수를 특정하는 정보가 기록되어 있다.

최대 리프트 위치 θmax는 도 7의 단계 S3의 처리에서 결정된다. 또, 도 9에 나타낸 바와 같이 흡기 밸브 (4) 의 최대 리프트량과 베이스 프릭션 토크 Tf, 피크값 Tf1, Tf2, 크랭크각 편차량 θ1, θ2 사이에는 상관 관계가 있고, 이들 관계는 미리 모터 제어장치 (40) 의 ROM에 맵 형식으로 기록되어 있다. 따라서, 단계 S4의 처리에서 모터 제어장치 (40) 는 먼저 ROM 내의 맵을 참조하여 현재의 최대 리프트량에 대응한 베이스 프릭션 토크 Tf, 피크값 Tf1, Tf2, 크랭크각 편차량 θ1, θ2를 취득하고, 이들 값과 크랭크각 센서 (45) 의 출력에 의거하여 특정한 현재의 크랭크각 θ를 수학식 1에 대입하여 캠 프릭션 토크 TF를 구하게 된다. 단, 후술하는 단계 S10 또는 S11에서 이들 값이 보정된 경우에는, 그 보정이 반영되어 캠 프릭션 토크 TF가 구해진다.

단, 모터 (12) 에는 응답이 지연되고, 그 응답 지연이 크랭크각 θ로 하여 시정수 θ3으로 부여되어 있는 경우에는, 현재의 크랭크각 θ보다 시정수 θ3만큼크랭크각 θ가 진행되었을 때의 캠 프릭션 토크 TF를 현 시점에서 구해 둘 필요가 있다. 이로 인해 수학식 1의 제 2 항 및 제 3 항은 각각 크랭크각 θ에 대하여 시정수 θ3이 가산되어 있다. 또, 다항식 근사 함수 f1, f2 대신에 물리 모델에 의해 캠 프릭션 토크의 변동 성분을 구하도록 할 수도 있다.

도 7로 되돌아가 설명을 계속한다. 캠 프릭션 토크 TF의 산출 후에는 단계 S5로 진행되고, 캠 프릭션 토크 TF (θ+θ3) 에 소정 게인 α를 곱해서 현 시점에서 부여하는 모터 (12) 의 구동 전류Ⅰ(θ) 를 구한다. 다음 단계 S6에서 모터 (12) 에 대한 구동 전류Ⅰ(θ) 로 설정하여 모터 (12) 의 구동을 실행한다. 도 8에서 알 수 있듯이 단계 S6에서 부여되는 모터 구동 전류Ⅰ(θ) 에는 캠 프릭션 토크 TF (θ) 의 변화가 모터 시정수 θ3만큼 빨라져 반영된다. 따라서, 캠 프릭션 토크 TF (θ) 가 베이스 프릭션 토크 Tf보다 커질 때 (도 8의 하측으로 변화할 때) 에는 그것에 맞춰 모터 (12) 의 출력 토크도 증가하고, 캠 프릭션 토크 TF (θ) 가 베이스 프릭션 토크 Tf보다 작아질 때 (도 8의 상측으로 변화할 때) 에는 그것에 맞춰 모터 (12) 의 출력 토크도 감소한다. 그럼으로써, 모터 (12) 의 출력 토크가 과부족없이 제어된다.

모터 (12) 의 구동을 실행한 후에는 단계 S7로 진행되어, 현재의 구동 전류Ⅰ(θ) 와 표준적인 구동 전류Ⅰ(θ) 의 차이가 소정의 임계값 λ 내인지의 여부를 판단한다. 표준적인 구동 전류Ⅰ(θ) 란 단계 S10 또는 단계 S11에 의한 보정을 고려하지 않고 구해지는 구동 전류이다. 단계 S7에서 임계값 λ 내라고 판단했을 때에는 단계 S8로 진행되어, A/F 센서 (41) 가 검출한 공연비 (측정 A/F)로부터 목표 공연비 (목표 A/F) 를 감산한 값이 소정의 임계값 β 이하인지의 여부를 판단한다. 여기서, 목표 A/F는 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 설정되는 공연비의 목표값이다. 흡기 밸브 (4) 의 밸브 동작 특성은 내연기관의 운전 상태에 따라 적절하게 설정되어 있으므로 (단계 S3 참조), 결국 목표 A/F는 흡기 밸브 (4) 의 동작 상태가 적정하게 제어되어 있으면 얻어지는 공연비에 상당한다.

측정 A/F가 목표 A/F보다 임계값 β를 초과해서 증가하여 단계 S8의 조건이 부정된 경우, 즉 목표 공연비에 대하여 실제 공연비가 리치측으로 임계값 β보다 크게 벗어나 있을 때에는 단계 S10으로 진행되어, 수학식 1에 대입하는 크랭크각 편차량 θ1, θ2 및 캠 프릭션 토크의 변동량의 피크값 Tf1, Tf2 중 적어도 어느 하나의 파라미터를 도 9의 맵에 의해 특정되는 값으로부터 공연비의 차이에 대응한 양만큼 감소시킨다. 또, 피크값 Tf1, Tf2의 감소는 이들 값을 베이스 프릭션 토크 Tf에 가까워지도록 변화시키는 것을 의미한다. 이와 같은 변화에 의해 흡기 밸브 (4) 는 상대적으로 폐쇄되는 방향으로, 즉 리프트량이 작아지는 방향으로 제어된다. 따라서, 단계 S10에서는 흡기 밸브 (4) 의 리프트량을 줄여 흡입 공기량을 상대적으로 감소시킴으로써, 측정 A/F와 목표 A/F의 편차를 해소시킨다.

한편, 단계 S8의 조건이 긍정된 경우에는 단계 S9로 진행되어, 목표 A/F에서 측정 A/F를 뺀 값이 소정의 임계값 ν 이하인지를 판단한다. 단계 S9의 조건이 긍정된 경우에는, 금회의 모터 구동 제어 루틴을 종료한다. 한편, 측정 A/F가 목표 A/F보다 임계값 ν을 초과해서 감소하여 단계 S9의 조건이 부정된 경우, 즉 목표 공연비에 대하여 실제의 공연비가 린측으로 임계값 ν보다 크게 벗어나 있을때에는 단계 S11로 진행되어, 수학식 1에 대입하는 크랭크각 편차량 θ1, θ2 및 캠 프릭션 토크의 변동량의 피크값 Tf1, Tf2 중 적어도 어느 하나의 파라미터를 도 9의 맵에 의해 특정되는 값으로부터 공연비의 차이에 대응한 양만큼 증가시킨다. 또, 피크값 Tf1, Tf2의 증가는 이들 값을 베이스 프릭션 토크 Tf에서 멀어지도록 변화시키는 것을 의미한다. 이와 같은 변화에 의해 흡기 밸브 (4) 는 상대적으로 개방되는 방향으로, 즉 리프트량이 커지는 방향으로 제어된다. 따라서, 단계 S11에서는 흡기 밸브 (4) 의 리프트량을 늘려 흡입 공기량을 증가시킴으로써, 측정 A/F와 목표 A/F의 편차를 해소시킨다.

단계 S10 또는 S11에서 변수 θ1, θ2, Tf1 또는 Tf2를 보정한 후에는 단계 S12로 진행된다. 단계 S12에서는 파라미터의 증감량이 임계값 ψ보다 큰지의 여부를 판단한다. 그리고, 임계값 ψ 이내일 때에는 단계 S4로 되돌아가 캠 프릭션 토크 TF를 연산한다. 이 때, 변수 θ1, θ2, Tf1 또는 Tf2 중 단계 S10 또는 S11에서 보정된 것에 대해서는 보정 후의 값을 이용한다.

한편, 단계 S12에서 증감량이 임계값 ψ보다 큰 것으로 판단한 경우에는 밸브 구동장치 (11A) 의 이상으로 간주하며 단계 S13으로 진행되어 밸브 구동장치 (11A) 의 이상을 운전자에게 알리기 위해 소정의 경고를 행한다. 예컨대, 차량의 계기반 상의 경고등을 점등 또는 점멸시킨다. 그리고, 단계 S15로 진행되어, 소정의 퇴피 주행 처리를 개시하여 모터 구동 제어 루틴을 종료한다. 또, 단계 S7에서 구동 전류Ⅰ(θ) 의 차이가 임계값 λ를 초과했을 때에는 모터 (12) 의 이상으로 간주하며 단계 S14로 진행되어 모터 (12) 의 이상을 운전자에게 알리기 위해 소정의 경고를 행한다. 예컨대, 차량의 계기반 상의 경고등을 점등 또는 점멸시킨다. 그리고, 단계 S15로 진행된다.

이상과 같은 실시형태에 의하면, 캠 프릭션 토크의 증감에 대응하여 모터 (12) 의 출력 토크가 과부족없이 제어되므로, 캠 프릭션 토크의 변동의 영향에 의한 캠 (14A) 의 회전 속도의 편차를 억제하고, 캠 (21A) 의 동작 특성을 목표값에 대하여 고정밀도로 제어할 수 있다. 그래서, 내연기관 (1) 의 연비나 동력 성능이 향상되어 배기 이미션의 악화를 방지할 수 있다.

또, 공연비의 편차를 특정하고, 그 편차가 보정되도록 모터 (12) 의 출력 토크를 제어하고 있으므로, 제어의 목표값에만 의존하지 않고 밸브 구동장치 (11A) 의 실제 상태에 따라 모터 (12) 의 출력 토크를 적정하게 제어할 수 있다. 예컨대, 밸브 구동장치 (11A) 의 개체 차이나 시간 경과에 따른 변화에 의해, 도 8의 근사 함수 f1, f2나 도 9의 맵의 설정시란 밸브 구동장치 (11A) 의 상태가 상이한 경우에는 그 상이함이 공연비의 편차로 출현한다. 따라서, 공연비의 편차를 보정하도록 모터 (12) 의 구동 전류를 제어하면, 결과적으로 밸브 구동장치 (11A) 의 상태를 바르게 반영하여 흡기 밸브 (4) 의 동작 특성을 적정하게 제어할 수 있게 된다. 이와 같이 해서 보정된 모터 (12) 의 구동 전류는 흡기 밸브 (4) 의 리프트량과 위상을 바르게 반영하고 있으므로, 보정 후의 모터 (12) 의 구동 전류에 의거하여 실린더 (2) 내로의 흡입 공기량을 바르게 산출할 수도 있다.

또한, 상기 기술한 실시형태에 의하면, 모터 (12) 의 구동 전류가 표준적인 구동 전류에 대하여 현저히 크거나 또는 작게 설정된 경우에는 모터 (12) 의 이상으로 판단하고 (단계 S7→S14), 공연비의 편차에 대응한 파라미터의 보정량 (증감량) 이 허용 수준을 초과해서 큰 경우에는 밸브 구동장치의 이상으로 판단함 (단계 S12→S13) 으로써, 모터 제어장치 (40) 를 이상 판별수단으로서 기능시킨다. 모터 (12) 의 구동 전류가 표준 구동 전류와 비교하여 과대 또는 과소이면 모터 (12) 가 정상적으로 작동하지 않을 가능성이 높고, 구동 전류가 정상이어도 공연비의 편차를 해소하기 위해서 필요한 보정량이 플러스 방향 또는 마이너스 방향으로 과도하게 큰 경우에는 밸브 구동장치 (11A) 의 어느 하나에 이상이 발생하여 흡기 밸브 (4) 가 바르게 구동되지 않을 가능성이 높기 때문에, 본 실시형태에 의하면 밸브 구동시스템 (10) 의 이상을 적절하게 판별할 수 있다. 이와 같이 모터 (12) 의 구동 전류의 보정량에 의거하여 모터 (12) 및 밸브 구동장치 (11A) 의 이상을 판단하고 있으므로, 이상 진단을 위해 밸브 구동장치 (11A) 의 작동 상태를 모니터하는 센서를 별도로 설치할 필요가 없어 비용 증가를 방지할 수 있다.

단계 S8∼11의 모터 출력 토크의 보정 및 단계 S7 또는 S12에 의한 이상 유무의 판별은 프릭션 토크의 추정에 의거한 모터 출력 토크의 피드 포워드 제어에 고유한 것이 아니라, 모터 (12) 에 관한 여러가지 제어에 대하여 조합하여 실행해도 된다. 예컨대, 크랭크축의 회전수에 의거한 모터 (12) 의 출력 토크의 피드백 제어에 대해서도 도 7의 예와 동일하게 출력 토크의 보정이나 이상 판별을 행할 수 있다.

상기 기술한 실시형태에서, 단계 S10 또는 S11에서 구한 증감량은 캠 프릭션 토크 TF의 보정량으로 모터 제어장치 (40) 내의 기억장치에 기억시키는 것이 바람직하다. 이 경우의 기억장치는 차량의 배터리에 의해 백업된 백업 RAM 또는 기억 유지용 전원의 공급을 필요로 하지 않는 갱신이 가능한 플래시 ROM과 같은 비휘발성 메모리로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 기억장치를 이용하면, 이그니션 스위치가 오프되어 내연기관 (1) 이 정지한 후에도 보정량을 유지하므로, 다음 회의 내연기관 (1) 의 시동시부터 그 기억된 보정량을 참조하여 캠 프릭션 토크 TF를 적정하게 산출할 수 있다.

상기 기술한 캠 프릭션 토크의 예측에 의거한 모터 출력 토크의 피드 포워드 제어는 모터 출력 토크에 관한 다른 제어와 병행하여 실행되거나 단독으로 실행될 수도 있다. 예컨대, 크랭크각 센서 (45) 가 검출한 크랭크각에 의거한 캠각의 피드백 제어와 상기 기술한 캠 프릭션 토크의 피드 포워드 제어를 병행하여 실시할 수도 있다.

본 실시형태의 밸브 구동시스템 (10) 은 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 흡기 밸브 (4) 및 배기 밸브 (5) 의 동작을 제어하기 위한 상기 기술한 기본적 구성 이외에 몇가지 특징을 갖고 있다. 다음에, 순서대로 설명한다. 또, 다음에 설명하는 흡기측의 밸브 구동장치 (11A) 의 각종 기구 또는 구조는 특별히 언급되지 않은 한 배기측의 밸브 구동장치 (11B) 에도 설치되어 밸브 구동장치 (11A) 와 동일한 작용 효과를 발휘하는 것이다.

(캠의 위치 검출에 대해서)

본 실시형태의 밸브 구동시스템 (10) 에서는 모터 (12) 의 회전 위치 검출수단을 이용하여 캠 (21A) 의 위치를 특정하고 있다 (도 7의 단계 S1 참조). 그회전 위치 검출수단에는 바람직하게는 1극 쌍의 자극 센서가 사용된다. 자극 센서는 출력축 주위에 S극과 N극이 동일수씩 배치되고, S극→N극→S극의 순서 또는 N극→S극→N극의 순서대로 출력축이 회전하는 동안에 0°∼360°의 회전 신호를 출력하도록 구성되어 있다. 통상적인 모터에서 자극 센서의 자극 수는 모터 (12) 의 자극 수에 합쳐져 있다. 예컨대, 모터 (12) 가 4극 쌍 (S극과 N극에서 1 쌍) 이면 자극 센서는 4극 쌍이 되고, 모터 (12) 가 8극 쌍이면 전자 센서도 8극 쌍인 것이 사용된다. 그러나, 본 실시형태에서는 모터 (12) 의 극 수에 상관없이 1극 쌍의 자극 센서를 모터 (12) 의 위치 검출 센서로서 사용한다. 이와 같이 하면, 모터 (12) 의 출력축의 회전 위치와 위치 검출 센서의 출력 신호가 1:1에 대응하므로, 모터 (12) 의 회전 위치를 쉽게 산출할 수 있다는 이점이 있다. 특히, 모터 (12) 와 캠축 (14A) 사이의 속도비가 1:1일 때에는, 모터 (12) 의 회전 위치와 캠 (21A) 의 회전 위치가 1:1에 대응하므로, 모터 (12) 의 회전 위치가 그대로 캠 (21A) 의 회전 위치를 표시하게 되어 적합하다.

한편, 기어열 (15) 의 경우 등에 따라 모터 (12) 로부터 캠축 (14A) 까지의 감속비를 1:1로 설정할 수 없는 경우에는, 모터 (12) 의 회전 위치가 캠 (21A) 의 어느 회전 위치에 대응하는지를 일의적으로 결정할 수 없으므로, 양자의 대응 관계를 특정하는 초기화 조작을 행하지 않으면 캠 (21A) 의 회전 위치를 제어할 수 없다. 초기화 조작은 실제로 캠 (21A) 을 구동시켜 소정의 캠각이 모터 (12) 의 어느 회전 위치에 대응지워져 있는지를 검출함으로써 행할 수 있는데, 모터 (12) 로부터 캠 (21A) 까지의 감속비가 N:M (단, N＞M이고, N, M은 1 이외에 공약수를갖지 않는 정수) 일 때에 캠각 0∼360°중 특정한 캠각에 대응하는 모터 (12) 의 회전 위치 (모터각) 는 캠각 0∼360°사이에서 N 지점에, 즉 360/N°마다 존재한다. 예컨대, 도 10에 나타낸 바와 같이 감속비가 N:M=5:3으로 설정되어 있는 경우에는, 모터 (12) 가 5 회전하는 동안에 캠 (21A) 은 3 회전하기 때문에 캠 (21A) 이 1 회전하는 동안의 5 군데 위치 (도면에 검은 원으로 나타냄) 중 어느 한 위치가 캠각의 0°에 대응한다. 따라서, N이 작을수록 캠 위치는 검출하기 쉬워진다. 오검출에 대한 여유면에서 특정한 캠각에 대응하는 모터각을 60°마다 또는 그 이상의 각도마다 설정하면 N은 6 이하가 바람직한 범위가 된다.

(캠의 초기화 조작에 대해서)

다음으로, 캠 위치에 관한 초기화 조작에 대해서 설명한다. 도 11은 모터 제어장치 (40) 가 캠 위치를 초기화하기 위해서 실행하는 캠 위치 초기화 루틴을 나타내고 있다. 도 11의 캠 위치 초기화 루틴을 실행함으로써, 모터 제어장치 (40) 는 초기화 수단으로서 기능한다. 이 루틴에서 모터 제어장치 (40) 는 먼저 단계 S21에서 모터 (12) 를 기동시켜 캠 (21A) 을 회전시킨다. 이 때, 회전 위치 센서로부터의 위치 신호 등을 이용하여 모터 (12) 의 회전 속도를 피드백하고 회전 속도가 일정해지도록 모터 (12) 의 출력 토크를 제어한다. 출력 토크는 구동 전류의 증감에 따라 제어된다. 다음 단계 S22에서는 피드백 제어된 구동 전류를 이용하여 캠 프릭션 토크를 검출한다. 다음 단계 S23에서는 캠 (21A) 의 1 회전에 상당하는 만큼 모터 (12) 가 회전했는지의 여부를 판별하고, 미완료라면 단계 S22로 되돌아간다. 캠 (21A) 이 1 회전했다면 단계 S24에서 캠을 정지시켜 단계 S25로 진행된다.

단계 S25에서는 캠 프릭션 토크의 검출 결과에 따라 캠 (21A) 의 위치와 모터 (12) 의 회전 위치의 대응 관계를 특정한다. 즉, 도 12 (a) 에 나타낸 바와 같이 모터 속도가 일정하면 캠 프릭션 토크와 모터 출력 토크 사이에는 상관 관계가 있고, 캠 (21A) 이 흡기 밸브 (4) 를 개방하기 시작하는 위치 Pa에서부터 캠 프릭션 토크가 증가하면 출력 토크도 증가하고, 캠 (21A) 의 노즈부 (21a) 가 흡기 밸브 (4) 의 연장선 상에 도달하는 위치 Pb에서 캠 프릭션 토크 및 모터 출력 토크가 반전되고, 흡기 밸브 (4) 가 완전히 폐쇄되어 캠 (21A) 이 떨어진 위치 Pc에서 캠 프릭션 토크 및 모터 출력 토크가 각각의 베이스값에 수렴된다. 단, 실제로는 도 8에 나타낸 바와 같이 모터 시정수의 영향이 있지만, 도 12에서는 모터 (12) 의 시정수를 무시하였다.

이와 같은 캠 프릭션 토크와 모터 출력 토크의 관계를 이용하면, 캠의 위치 Pa, Pb 또는 Pc 중 적어도 어느 하나를 판별하여, 그 판별된 위치와 모터 (12) 의 회전 위치의 대응 관계를 파악할 수 있다. 그리고, 이 대응 관계를 이용하여 현재의 캠 위치 (캠각) 를 도 11의 단계 S25에서 특정한다. 다음 단계 S26에서는 초기화 조작에 의해 특정된 캠 위치의 정보를 기억시키고, 그 다음에 초기화 조작 루틴을 종료한다.

이상과 같은 처리에 의하면, 모터 출력 토크의 변화에서 캠 위치를 특정할 수 있으므로, 캠 위치를 검출하기 위한 센서를 별도로 설치할 필요가 없다는 이점이 있다. 단, 본 발명은 모터 출력 토크에 의거한 캠 위치의 특정에 한정되지않는다. 예컨대, 도 12 (b) 에 나타낸 바와 같이 모터 출력 토크를 일정하게 유지하여 캠 (21A) 을 회전시켰을 때에는 모터 (12) 의 회전 속도가 캠 프릭션 토크에 따라 변동한다. 따라서, 모터 (12) 의 회전 위치 센서로부터의 신호를 이용하여 모터 속도 또는 가속도를 취득하여, 그 속도 또는 가속도의 변화에서 캠 위치를 특정할 수도 있다. 어쨌든 캠 프릭션 토크의 변화와 상관 관계를 갖는 각종 물리량을 감시하면 캠 위치는 특정할 수 있다.

상기 기술한 캠 위치 초기화 루틴은 내연기관 (1) 의 시동시 또는 정지시에 행할 수 있다. 구체적으로는 이그니션 스위치가 온으로 된 경우에 크랭킹 동작에 앞서 캠 위치 초기화 루틴을 실행하거나 또는 이그니션 스위치가 오프되어 내연기관 (1) 의 정지가 확인된 경우에 모터 제어장치 (40) 에 대한 전원 공급의 차단에 앞서 캠 위치 초기화 루틴을 실행한다. 이그니션 스위치가 온일 때에 초기화를 행한 경우, 얻어진 캠 위치의 정보는 모터 제어장치 (40) 를 참조할 수 있는 한 각종 기억장치에 기억해도 된다. 한편, 이그니션 스위치가 오프일 때에 초기화를 행한 경우에는, 얻어진 캠 위치의 정보를 차량의 배터리에 의해 백업된 백업 RAM 또는 기억 유지용 전원 공급을 필요로 하지 않는 갱신이 가능한 플래시 ROM과 같은 비휘발성 메모리에 기억시킨다. 이와 같은 기억장치를 이용하면, 내연기관 (1) 의 시동시에 초기화를 필요로 하지 않고, 기억된 캠 위치를 이용하여 바로 캠 (21A) 의 제어를 개시할 수 있다.

또한, 캠 위치 초기화 루틴의 실행 시기는 이그니션 스위치가 온 또는 오프인 직후에 한정되지 않고, 내연기관 (1) 의 운전에 영향을 미치지 않는 상태라면필요에 따라 적절하게 행해도 된다. 예컨대, 아이들링 스톱의 실행 중에 캠 위치 초기화 루틴을 실행하거나, 감속 등에 일부의 실린더에서 연소를 휴지시키는 이른바 기통 감소 운전의 실행 중에는 휴지 기통 (연소를 정지시킨 실린더) 에 대응하는 캠 (21A) 에 대해 캠 초기화 루틴을 실행할 수도 있다.

(캠 회전을 이용한 발전에 대해서)

상기 기술한 도 8에서는 캠 프릭션 토크 TF (θ) 가 항상 0 보다 커서 모터 (12) 에는 캠 (21A) 의 1 회전을 통해 구동 전류가 공급되고 있다. 그러나, 밸브 스프링 (23) 이 캠 (21A) 을 가압하는 힘의 크기와 베이스 프릭션 토크 Tf의 대소 관계에 따라서는, 예컨대 도 13에 나타낸 바와 같이 캠 프릭션 토크 TF가 마이너스가 되어 밸브 스프링 (23) 의 반발력에 의해 모터 (12) 의 출력축이 회전 구동되는 경우가 있다. 이와 같은 상태가 발생할 때에는, 도 14에도 나타낸 바와 같이 모터 (모터제너레이터라고 함: 12) 에서 발전되어 얻어진 전력을 인버터회로 (50) 를 통해 배터리 (51) 에 충전시킴으로써, 캠 (21A) 의 회전에 적정한 부하를 가하도록 할 수도 있다.

[제 2 실시형태]

다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 상기 기술한 제 1 실시형태에서는 캠 프릭션 토크를 예측하여 모터 (12) 의 출력 토크를 제어했는데, 이 실시형태에서는 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 내연기관 (1) 의 회전수 (회전 속도) 의 변화를 예측하고, 그 예측 결과에 따라 모터 (12) 의 출력 토크를 제어하고 있다. 또, 밸브 구동장치 (11A, 11B) 의 기계적 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.

도 15는 본 발명의 제 2 실시형태의 모터 제어장치 (40) 에 실장된 제어계의 블럭선도이다. 이 구성은 CPU와 소프트웨어의 조합에 의해 실현되거나 하드웨어 회로에 의해 실현될 수도 있다. 이 실시형태에서는 크랭크각 센서 (45) 가 검출한 크랭크각 및 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 요구되는 밸브 타이밍 (요구 밸브 타이밍) 에 의거하여 제어 목표값으로서의 요구 캠이 연산된다. 그 요구 캠각과 입력 정보로서 부여되는 실제의 캠각 (실제 캠각) 의 편차가 취득되고, 그 편차에 따라 모터 (12) 의 출력 토크가 PID 제어된다.

또, 도 15의 제어계에서는 내연기관 (1) 의 회전수 변화에 관계된 몇가지 파라미터 (예컨대, 여기서 감시되는 파라미터로는 액셀 개방도, 흡입 공기량, 연료 분사량) 가 감시되고, 이들 파라미터에 대응하는 출력 토크의 보정량이 소정의 맵을 이용하여 구해진다. 차량에 자동 변속기가 설치되어 있는 경우에는 시프트 위치가 파라미터로서 감시될 수도 있다. 시프트 위치는 트랜스미션의 시프트선도를 참조함으로써 취득할 수 있다. 각 파라미터와 보정량의 대응 관계는 벤치 적합 시험이나 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 취득하면 된다.

그리고, PID 제어에 의해 얻어진 출력 토크에 맵에 의거하여 얻어진 출력 토크의 보정량이 가산된 값이 요구 토크로서 출력된다. 모터 제어장치 (40) 는 그 요구 토크에 의거하여 모터 (12) 의 구동 전류를 제어한다.

이상과 같은 실시형태에서는, 내연기관 (1) 의 회전수 변화가 액셀 개방도 등을 통해 이른바 간접적으로 예측되고, 그 예측된 결과에 따라 맵으로부터 모터출력 토크의 보정량이 부여됨으로써, 모터 (12) 의 출력 토크가 피드 포워드 제어된다. 따라서, 내연기관 (1) 의 회전수 변화에 대한 캠의 구동 속도의 응답성을 개선할 수 있다.

도 16은 액셀 개방도에 따라 회전수 변화를 예측했을 때의 캠 출력 토크의 피드 포워드 제어의 예를 나타내고 있다. 또, 도면에서 피드 포워드 토크란 도 15의 제어계에서 맵으로부터 특정된 출력 토크의 보정량을 의미하고, 요구 토크 그 자체는 아니다. 도 16의 예에서는 액셀 개방도의 급증에 대응하여 일정 기간 A만큼 피드 포워드 토크가 소정량만큼 증가하고 있다. 액셀 개방도의 증가에 따라 내연기관 (1) 의 회전수는 증가하지만, 만약 피드 포워드 토크를 부여하지 않으면 상기 도면에 실선으로 나타낸 요구 캠각에 대하여 상기 도면에 이점 쇄선으로 나타낸 바와 같이 실제 캠각은 지연을 수반한다. 예컨대, 내연기관 (1) 의 회전수에 의거하여 모터 (12) 의 출력 토크를 피드백 제어하는 것만으로는 이와 같은 캠각의 어긋남이 발생될 가능성이 있다. 그러나, 피드 포워드 토크를 부여한 경우에는, 요구 캠각과 실제 캠각을 거의 일치시켜 캠의 응답성을 개선할 수 있다.

도 17은 시프트 위치에 의거하여 회전수 변화를 예측했을 때의 캠 출력 토크의 피드 포워드 제어의 예를 나타내고 있다. 이 예에서는 트랜스미션의 시프트선도에 의거하여 시프트다운 요구가 부여되는 경우에서, 그 요구에 대응하여 일정기간 B만큼 피드 포워드 토크가 소정량만큼 증가하고 있다. 시프트다운의 실행에 의해 내연기관 (1) 의 회전수는 증가하지만, 만약 피드 포워드 토크를 부여하지 않으면 상기 도면에 실선으로 나타낸 요구 캠각에 대해 상기 도면에 이점쇄선으로나타낸 바와 같이 실제 캠각에 응답이 지연된다. 그러나, 피드 포워드 토크를 부여한 경우에는, 시프트다운 실행시에도 요구 캠각과 실제 캠각을 거의 일치시켜 캠의 응답성을 개선할 수 있다.

이상 이외에도, 내연기관 (1) 의 회전수 변화에 상관하는 각종 파라미터를 참조하여 회전수 변화를 예측해도 된다. 또, 회전수 변화의 예측에 의거하는 모터 출력 토크의 피드 포워드 제어는 모터 출력 토크에 관한 다른 제어와 병행하여 실행되거나 단독으로 실행될 수도 있다. 예컨대, 크랭크각 센서 (45) 가 검출한 크랭크각에 의거하는 캠각의 피드백 제어 및 제 1 실시형태에서의 캠 프릭션 토크의 예측에 의거하는 피드 포워드 제어 중 적어도 어느 한쪽과 제 2 실시형태에서의 피드 포워드 제어를 병행하여 실시할 수도 있다.

[제 3 실시형태]

다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태를 설명한다. 본 실시형태는 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 각 밸브 구동장치 (11A, 11B) 의 모터 (12) 의 구동 모드를 정전 모드와 정/역전 모드 사이에서 전환하는 것이다. 또, 정전 모드란 모터 (12) 를 일정 방향 (정전 방향) 으로 연속적으로 회전시키는 모드, 정/역전 모드란 모터 (12) 의 회전 방향을 정전 방향 및 역전 방향 사이에서 적당히 전환하는 모드이다. 밸브 구동장치 (11A, 11B) 의 기계적 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.

도 18은 모터 (12) 의 구동 모드에 관한 전환 조건의 일례를 나타낸다. 이 예에서는 내연기관 (1) 의 회전수와 부하에 의거하여 모터 구동 모드가 전환되고, 고회전 고부하시에는 정전 모드, 저회전 저부하시에는 정/역전 모드가 적용된다. 정/역전 모드에서는 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 가 개방되는 도중의 임의의 위치에서 모터 (12) 의 회전 방향을 전환함으로써, 캠 (21A, 21B) 을 최대 리프트 위치, 즉 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 에 최대 리프트량이 부여되는 위치에 도달하기 전에 흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 를 폐쇄할 수 있다.

즉, 도 19에 나타낸 바와 같이 모터 (12) 를 정전 모드로 회전시켰을 때의 최대 리프트량이 La일 때, 정/역전 모드에서 캠 (21A, 21B) 이 최대 리프트 위치 θmax에 도달하기 전에 모터 (12) 를 일단 정지시키고, 그 다음에 역전시킨 경우에는 흡기 밸브 (4) 및 배기 밸브 (5) 의 최대 리프트량을 보다 적은 Lb로 제한할 수 있다. 그럼으로써, 흡입 공기량의 과잉 증가를 방지할 수 있다. 또, 시동시에 정/역전 모드를 선택하여 응답성이 우수한 감압장치 기능 (흡기 밸브 (4) 또는 배기 밸브 (5) 를 개방하여 압축 압력을 낮추는 기능) 을 실현할 수도 있다. 한편, 고부하 고회전시에 정전 모드를 적용하면, 캠 (21A, 21B) 이나 기어열 (15) 등의 관성을 이용하여 비교적 작은 토크로 캠 (21A, 21B) 을 고속으로 회전시킬 수 있다.

또, 정/역전 모드에서의 리프트량 Lb는 내연기관 (1) 의 운전 상태에 따라 적당히 변경할 수도 있다. 리프트량 Lb를 가변으로 하기 위해서는, 모터 제어장치 (40) 에 의해 리프트량 Lb에 따라 캠 (21A) 의 회전 각도를 증감시키면 된다.

도 20은 모터 제어장치 (40) 가 모터 (12) 의 구동 모드를 전환하기 위해 내연기관 (1) 의 운전 중에 적당한 주기로 반복 실행하는 구동 모드 판별 루틴을 나타내고 있다. 이 구동 모드 판별 루틴을 모터 제어장치 (40) 가 실행함으로써, 모터 제어장치 (40) 는 리프트량 제어수단 및 모드 전환수단으로서 기능한다.

도 20의 구동 모드 판별 루틴에서, 모터 제어장치 (40) 는 단계 S31에서 내연기관 (1) 의 회전수 및 부하를 취득하고, 다음 단계 S32에서 도 18에 나타낸 조건에 따라 현재의 내연기관 (1) 의 운전 상태가 정전 모드를 선택하는 영역에 있는지의 여부를 판단한다. 그리고, 그 판단 결과에 따라 정전 모드 또는 정/역전 모드를 선택하고 (단계 S33 또는 S34), 그 다음에 구동 모드 판별 루틴을 종료한다.

또, 구동 모드의 판별에서는, 기관 회전수와 기관 부하에 한정되지 않고,내연기관 (1) 의 운전 상태에 상관하는 각종 파라미터를 참조해도 된다. 또한, 정전 모드 및 정/역전 모드의 전환 조건도 도 18의 예에 한정되지 않고 적당히 변경해도 된다. 정전 모드에서의 모터 (12) 의 출력 토크의 제어에는 상기 서술한 제 1 및 제 2 실시형태의 피드 포워드 제어를 사용할 수 있다.

[제 4 실시형태]

다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태를 설명한다. 본 실시형태는 내연기관 (1) 의 정지 중의 소정 시기에 도 21의 클리닝 제어 루틴을 모터 제어장치 (40) 에 실행시킴으로써, 모터 제어장치 (40) 를 밸브회전실행수단으로서 기능시키는 것이다. 또, 밸브 구동장치 (11A, 11B) 의 기계적 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.

도 21의 클리닝 제어 루틴에서, 모터 제어장치 (40) 는 단계 S41에서 모터 (12) 의 고속 회전을 개시시키고, 단계 S42에서 모터 (12) 의 회전 개시로부터 소정 시간이 경과했는지의 여부를 판단한다. 그리고, 소정 시간이 경과하면 단계 S43으로 진행되어 모터 (12) 를 정지시킨다.

이상과 같이 내연기관 (1) 의 정지 중에 모터 (12) 를 고속 회전시키면, 도 22에 나타낸 바와 같이 흡기 밸브 (4) 가 고속으로 개폐되며, 밸브 스프링 (23) 의 서징 현상에 의해 흡기 밸브 (4) 에 대한 밸브 스프링 (23) 의 부하가 경감되어 흡기 밸브 (4) 가 스템 (4a) 의 축선 주위로 회전한다. 그럼으로써, 흡기 밸브 (4) 와 밸브시트 (60) 사이에 부착된 카본이 제거된다. 또, 흡기 밸브 (4) 의 회전에 따라 스템 상단부 (4b) 의 로커 아암 (16) 에 대한 접촉 부분이 둘레 방향으로 어긋나 있으므로, 도 23 (a) 에 해칭영역으로 나타낸 바와 같이 스템 상단부 (4b) 가 둘레 방향에 관해 거의 균일하게 마모된다. 덧붙여 말하면, 스템 (4a) 이 회전하지 않으면 스템 상단부 (4b) 의 특정 부분만이 로커 아암 (16) 과 접촉하고, 도 23 (b) 에 해칭영역으로 나타낸 바와 같이 스템 상단부 (4b) 의 편마모가 생긴다. 또, 이상에서는 흡기 밸브 (4) 의 경우를 예로 들었는데, 배기 밸브 (5) 에 대해서도 동일하게 도 21의 클리닝 제어 루틴이 실행된다.

도 21의 클리닝 제어 루틴의 실행 시기는 이그니션 키가 빠지거나 하여 내연기관 (1) 의 장기간의 정지를 예상할 수 있는 경우가 바람직하다. 단, 내연기관 (1) 이 정지할 때마다 도 21의 클리닝 제어 루틴을 실행할 필요는 없고, 흡기 밸브 (4) 및 배기 밸브 (5) 에 대한 카본의 부착 상황, 흡기 밸브 (4) 나 배기 밸브 (5) 의 스템의 마모의 진행 상황에 따라 적당히 실행 시기를 정하면 된다.

이상으로 설명한 바와 같이 본 발명의 밸브 구동시스템에 의하면, 복수개의 밸브 구동장치를 설치함으로써, 복수개의 기통의 흡기 밸브 또는 배기 밸브 각각에 대하여 내연기관의 운전 상태에 따른 적절한 동작 특성을 부여할 수 있다. 특히, 전동 모터의 동작 제어에 의해 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나를 변화시킨 경우에는, 개폐 타이밍만을 변화시키는 종래의 밸브 구동장치와 비교하여 흡기 밸브 또는 배기 밸브의 동작을 보다 유연하게 변화시킬 수 있다.

Claims

복수개의 기통을 구비한 내연기관에 적용되며 각 기통에 설치된 흡기용 또는 배기용 밸브를 구동시키기 위한 내연기관의 밸브 구동시스템으로서,

상기 내연기관의 서로 다른 기통의 상기 밸브를 각각 구동시키도록 설치되고, 회전 운동을 발생시키는 구동원으로서의 전동 모터 및 상기 전동 모터의 회전 운동을 구동 대상인 밸브의 개폐 운동으로 변환시켜 전달하는 동력 전달기구를 각각 구비한 복수개의 밸브 구동장치와,

상기 복수개의 밸브 구동장치 각각의 상기 전동 모터의 동작을 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 제어하는 모터 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브 구동시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 구동 대상인 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나의 동작 특성이 변화하도록 상기 전동 모터의 동작을 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 동력 전달 기구는 캠을 이용하여 상기 전동 모터의 회전 운동을 상기 개폐 운동으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 캠의 회전에 대하여 작용하는 프릭션 토크의 변화를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 흡기 또는 배기의 특성에 관한 제어 상태를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 상기 특성으로서 공연비에 관한 제어 상태를 고려하여 상기 공연비가 소정 목표값으로 제어되도록 상기 모터의 제어량을 보정하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 내연기관의 흡기 또는 배기의 특성에 관한 제어 상태를 고려함에 따라, 부여된 상기 전동 모터의 제어량에 대한 보정량에 의거하여 밸브 구동시스템의 이상 유무를 판별하는 이상 판별수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 운전 상태의 변화에 의거하여 상기 내연기관의 회전수 변화를 예측하고, 그 예측 결과를 고려하여 상기 전동 모터의 제어량을 설정하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캠의 회전에 대하여 작용하는 프릭션 토크가 마이너스 값이 되는 경우에, 상기 캠측의 회전 운동으로 상기 전동 모터를 구동시켜 이 전동 모터에 의해 발전을 행하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전동 모터의 회전 위치를 검출하는 모터 회전 위치 검출수단이 이 전동 모터에 부설되고, 상기 모터 제어수단은 상기 전동 모터의 회전 위치의 검출 결과에 의거하여 상기 캠의 회전 위치를 특정하는 캠 위치 특정수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 전동 모터와 상기 캠 사이의 감속비를 N:M (단, N＞M이고, N, M은 1 이외에 공약수를 갖지 않는 정수) 으로 했을 때에, N을 6 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관이 소정 상태에 있을 때에 상기 전동 모터를 소정 조건에 따라 회전시키고, 그 회전 중에 상기 캠의 프릭션 토크의 변화에 상관하여 출현하는 상기 전동 모터의 구동 상태의 변화에 따라 상기 캠의 회전 위치를 파악하는 초기화 수단을구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 초기화 수단은 상기 내연기관의 정지시에 상기 전동 모터를 회전시켜 상기 캠의 회전 위치를 파악하는 동시에, 파악한 캠의 회전 위치를 나타내는 정보를 상기 내연기관의 정지 기간 중에도 기억을 유지할 수 있는 기억장치에 기억시키고, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 다음 회의 시동시에 상기 기억장치가 기억하는 상기 정보에 의거하여 상기 캠의 회전 위치를 특정하여 상기 전동 모터의 제어를 개시하는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 정지 중의 소정 시기에 상기 밸브가 그 축선 주위로 회전하도록 상기 전동 모터를 구동시키는 밸브 회전 실행수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 밸브의 리프트량이 상기 캠을 1 회전시켰을 때에 얻어지는 최대 리프트량보다 작은 소정 값으로 제한되도록 상기 전동 모터를 정/역전 구동시키는 리프트량 제어수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 모터 제어수단은 상기 내연기관의 운전 상태에 따라 상기 전동 모터의 구동 모드를 상기 전동 모터를 정전 방향으로만 구동시키는 정전모드와 상기 전동 모터를 정/역전시키는 정/역전 모드 사이에서 전환하는 모드 전환수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 구동시스템.
회전 운동을 발생시키는 구동원으로서의 전동 모터,

상기 전동 모터의 회전 운동을 구동 대상인 밸브의 개폐 운동으로 변환시켜 전달하는 동력 전달기구와,

상기 내연기관의 운전 상태에 따라 상기 구동 대상인 밸브의 작용각, 리프트 특성 또는 최대 리프트량 중 적어도 어느 하나의 동작 특성이 변화하도록 상기 전동 모터의 동작을 제어하는 모터 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브 구동장치.