JP2002004896A - 電磁駆動弁の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンの吸・排気弁として使用される電磁駆
動弁の制御精度を向上する。 【解決手段】オブザーバで推定した電磁石の可動子の実
速度と目標速度との偏差に基づいて電磁力の指令値を算
出するものにおいて、電磁石の通電開始時に、偏差の積
分項に、筒内圧に比例的な通電電流が得られるように初
期値ｓ０を与える構成とした。これにより、筒内圧に抗
した駆動力が得られ可動子及び弁体を、確実かつ滑らか
に目標位置に停止制御させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの燃焼室
を開閉する吸・排気弁として用いられる電磁駆動弁の制
御装置に関し、特に、筒内圧の影響を考慮して性能改善
を図った制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用エンジンの吸排気弁の駆動方式に
おいて、従来のカムにより弁体を駆動するカム駆動方式
に代えて、電磁力により弁体を駆動する電磁駆動弁が提
案されている。この電磁駆動弁によれば、弁体駆動用の
カム機構が不要となることに加えて、エンジンの動作状
態に応じて吸・排気弁の開閉時期を容易に最適化するこ
とができ、エンジンの出力向上及び燃費の向上を図るこ
とができる。

【０００３】このような電磁駆動弁の従来技術として
は、特開平１０−２０５３１４号公報記載の「ガス交換
弁の電磁弁駆動部を制御する方法」（以下、第１従来技
術）、特開平１０−２２０６２２号公報記載の「幅の狭
い構造の電磁式アクチュエータ」（以下、第２従来技
術）が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種の電磁駆動弁の
制御装置においては、電磁駆動弁を確実に作動させるに
は、弁体を移動して目標位置に停止させる制御に必要な
電流を、制御開始時（可動部がバネの力で移動して、吸
引側電磁石に発生する吸引電磁力が有効となる付近から
電流を通電する時）から電磁石に通電する必要がある。

【０００５】しかしながら、エンジンのシリンダ内部に
は筒内圧が発生し、該筒内圧の大きさに応じて制御に必
要な電磁力若しくは電流が異なってくるが、従来、該筒
内圧の影響を考慮した制御が行なわれていなかったた
め、良好な制御を行なうことができなかった。このた
め、筒内圧に対して通電制御量が小さすぎる場合は目標
位置に停止させることができず、また、筒内圧に対して
通電制御量が大きすぎる場合は着座時の衝撃が大きすぎ
たり、目標停止位置に停止できなくなるなどの問題が生
じる。

【０００６】本発明は、このような従来の課題に着目し
てなされたもので、筒内圧の大きさによらず、良好な制
御が行なわれるようにした電磁駆動弁の制御装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、電磁石と、弾性体と、前記電磁石の発生する
電磁力と前記弾性体の発生するバネ力とにより駆動され
る可動子と、該可動子により駆動されてエンジンの燃焼
室を開閉する弁体とを備えた電磁駆動弁に対して、前記
可動子若しくは弁体である可動部の位置及び速度を検出
し、該検出した可動部の位置及び速度に基づいて前記電
磁石への通電電流を制御する電磁駆動弁の制御装置であ
って、前記エンジンの筒内圧を検出し、該筒内圧の大き
さを考慮して前記電磁石の通電制御量を算出することを
特徴とする。

【０００８】請求項１に係る発明によると、弁体の駆動
初期は前記可動部が弾性体のバネ力で移動し、吸引側電
磁石の電磁力が有効となる付近から該電磁石へ電流の通
電が開始される。

【０００９】ここで、前記電磁石の通電制御量は、可動
部の位置に応じた目標速度が得られるように算出される
が、筒内圧が大きいときには、該筒内圧に抗して弁体を
駆動するのに必要な駆動力が大きく、筒内圧が小さいと
きには、必要な駆動力は小さくて済む。

【００１０】そこで、前記筒内圧の大きさを考慮して通
電制御量を算出することにより、筒内圧の大きさによら
ず所望の目標速度を得るように制御することができる。
また、請求項２に係る発明は、前記通電制御量は、積分
要素を含んで算出され、前記筒内圧の大きさを考慮して
前記積分要素の初期値を設定することを特徴とする。

【００１１】請求項２に係る発明によると、実質的に
は、制御開始時の通電制御量が最も大きく影響するの
で、積分要素の初期値を筒内圧の大きさを考慮して設定
することにより、通電開始から応答遅れなく適切な通電
制御量を得て可動部の目標位置への移動を確保すること
ができ、かつ、積分要素の初期値の設定のみで、目標位
置への制御終了まで筒内圧の大きさに応じた通電制御量
を得ることができる。

【００１２】また、請求項３に係る発明は、前記算出さ
れる通電制御量は、電磁石へ通電される電流値であるこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項３に係る発明によると、電磁石に通
電される電流値が、通電制御量として算出され、該算出
値となるように電流値が制御される。

【００１４】また、請求項４に係る発明は、前記算出さ
れる通電制御量は、電磁石に発生する電磁力であり、発
生する電磁力が算出された電磁力となるように、電磁石
へ通電される電流値を制御することを特徴とする。

【００１５】請求項４に係る発明によると、電磁石に発
生する電流値が、通電制御量として算出され、該算出さ
れた電磁力が発生するように電流値が制御される。

【００１６】また、請求項５に係る発明は、前記可動部
の速度は、該可動部の位置と、該位置及び通電電流値か
ら推定した電磁力とに基づいて推定して検出されること
を特徴とする。

【００１７】請求項５に係る発明によると、検出された
可動部の位置と制御される通電電流値から電磁力を推定
し、該可動部位置と電磁力とに基づいて可動部の速度が
推定される。

【００１８】これにより、速度を直接検出するセンサが
不要となる。また、請求項６に係る発明は、前記エンジ
ンの筒内圧は、エンジンの運転状態に基づいて推定して
検出されることを特徴とする。

【００１９】請求項６に係る発明によると、エンジンの
負荷、回転速度などの運転状態に基づいてエンジンの筒
内圧が推定して検出される。これにより、筒内圧を検出
するセンサが不要となる。

【００２０】また、請求項７に係る発明は、エンジンの
排気弁の開弁時の制御に適用されることを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、排気弁の開弁時に筒内圧
に抗した駆動力が要求されるので、本発明を適用する効
果が大きい。

【００２１】

【発明の実施形態】次に図面を参照して、本発明の実施
形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電磁駆動
弁の制御装置を車両用エンジンに適用した全体構成を示
す図である。

【００２２】同図に示すように、エンジンのシリンダ５
１の上部に固定されたシリンダヘッド５２には、吸気弁
または排気弁となる弁体５４（図１では単一の弁体のみ
を示す）が設けられている。弁体５４の上方に伸延する
弁軸５４ａの上部には、スプリングリテーナ５５が固定
され、該スプリングリテーナ５５とシリンダヘッド５２
との間には弁体５４を閉弁側に付勢するコイルスプリン
グ５６が設けられている。

【００２３】またシリンダヘッド５２の上部には電磁駆
動弁のケースとなるハウジング６０が立設されている。
該ハウジング６０の内部には、閉弁側電磁石１１と、開
弁側電磁石１２とが所定の間隔をあけて上下に対向する
位置に固定されている。これら閉弁側電磁石１１と開弁
側電磁石１２との間には、軟磁性体の可動子（アーマチ
ュア）５７が可動子軸部材５７ａにより上下に滑動可能
に支持されている。

【００２４】閉弁側電磁石１１より上方の位置には、可
動子軸部材５７ａにスプリングリテーナ５８が固定さ
れ、ハウジング６０の頂壁内面とスプリングリテーナ５
８との間には、可動子５７を開弁側に付勢するコイルス
プリング５９が設けられている。

【００２５】またハウジング６０の頂壁には、可動子の
位置を検出し位置信号を出力するレーザー変位計等で構
成される可動子位置センサ２が設けられ、該位置信号
は、電磁駆動弁の制御装置１に出力される。

【００２６】また、閉弁側電磁石１１と開弁側電磁石１
２に流れる電流を検出する電流センサ３が設けられる。
さらに制御装置１は、エンジン制御ＥＣＵ８から開弁指
令／閉弁指令が伝達され、制御装置１は閉弁側電磁石電
流制御部９及び開弁側電磁石電流制御部１０に対して電
流目標値を出力するようになっている。

【００２７】閉弁側電磁石電流制御部９及び開弁側電磁
石電流制御部１０は、それぞれ入力された電流目標値に
応じたＰＷＭ制御により電源部１３から各電磁石１１，
１２へ電流を供給することにより電磁力を制御できるよ
うになっている。

【００２８】次に、電磁駆動弁および電磁駆動弁の制御
装置の動作の概要を説明する。可動子５７はコイルスプ
リング５６，５９に懸吊されており、閉弁側電磁石１１
および開弁側電磁石１２が通電していないとき、閉弁側
電磁石１１と開弁側電磁石１２の概略中央に位置するよ
うに、それぞれのコイルスプリング５６，５９の寸法、
バネ係数、バネ粘性係数等が初期設定されている。

【００２９】ここで、コイルスプリング５６，５９と、
弁５４双び可動子５７を含む可動部とで構成されるバネ
・マス系の固有振動数ｆｏは、合成バネ係数をＫ、合計
慣性質量をｍとすると、ｆｏ＝２π√（Ｋ／ｍ）である
ことが知られている。

【００３０】さてエンジン始動前の初期動作において、
上記固有振動数ｆｏに対応する周期で閉弁側電磁石１１
と開弁側電磁石１２に交互に通電する。そして、可動部
を共振させることにより徐々に可動部の振幅を増大さ
せ、初期動作の最終段階で、例えば閉弁側電磁石１１に
可動子が吸着され、この吸着状態が保持される。

【００３１】次に、エンジンの始動時または通常の稼働
時には、例えば弁を開く時はまず閉弁側電磁石１１の電
流が切られ、可動部はコイルスプリングのバネ力により
下方に移動を開始する。摩擦力などによるエネルギー損
失のため、バネ力だけで弁全開位置まで可動子５７を移
動させることはできない。そこで、可動子５７が開弁側
電磁石１２に十分近づき、電磁力が有効となる位置で開
弁側電磁石１２が通電され、可動子５７の運動を助勢す
る。

【００３２】開弁側電磁石１２の電流が制御された結果
（開弁側電磁石１２の電磁力が制御された結果）、可動
子５７と開弁側電磁石１２は所定の速度以下（例えば
０．１［ｍ／ｓ］以下）で当接し、そこで可動部が停止
する。もしくは、可動部の速度は開弁側電磁石１２と可
動子５７とのギャップが例えば数百ミクロンになる位置
で停止する。

【００３３】弁を閉じるときは開弁側電磁石１２の電流
は切られる。可動子５７と弁体５４はコイルスプリング
５９およびコイルスプリング５６の力により上方へ移動
するが、摩擦力などによるエネルギー損失のため、バネ
力だけで閉弁位置まで可動子５７を移動させることはで
きない。そこで、可動子５７が閉弁側電磁石１１に十分
近づき、電磁力が有効となる位置で閉弁側電磁石１１が
通電され、可動子５７の運動を助勢する。まず、弁が閉
位置となり、一体化して移動していた弁体５４と可動子
５７が分離する。可動子５７は電磁力に助勢されてその
まま閉弁側電磁石１１に接近する。制御装置は弁５４と
弁座５２ａとが激突（大きな速度での衝突）することが
ないよう、また、可動子５７と電磁石１１，１２とが激
突することがないよう可動部位置センサ２が可動部の運
動を検出し、閉弁側電磁石電流制御部９により閉弁側電
磁石１１の電流を調節する。

【００３４】このとき弁と弁座５２ａ、もしくは可動子
５７と閉弁側電磁石１１とが当接する速度を所定値以下
になるよう可動部の速度を制御し、あるいは、可動子５
７と閉弁側電磁石１１とのギャップが数百ミクロン以下
となったとき、可動子５７が停止するように制御するこ
とにより、騒音を抑制乃至防止するとともに、電磁駆動
弁の寿命を増大させる。

【００３５】そして、本発明では、筒内圧を検出しつ
つ、該筒内圧の大きさを考慮して吸引側電磁石の通電制
御量を制御する。実際に筒内圧が問題となるのは、該筒
内圧が大きい状態での排気弁開弁時であるので、該排気
弁開弁時に適用した実施の形態を説明する。

【００３６】まず、本実施の形態における電磁石の通電
制御を、図２に示したブロック図を参照しつつ図３に示
したフローチャートにしたがって説明する。まず、エン
ジンの運転状態に基づいて、筒内圧Ｐｅを検出する（Ｓ
１）。該筒内圧は筒内圧センサを設けて検出してもよい
が、エンジンの運転状態に基づいて検出することができ
る。具体的には、エンジン回転速度Ｎｅと負荷（スロッ
トル開度、燃料噴射量Ｔｐ等）とに基づいて、基本とな
る筒内圧を図４に示したようなマップからの検索などに
より求める。しかし、排気弁開弁時の筒内圧は、図５に
示すように、排気弁が開かれるタイミングによって変化
するので、該開弁タイミングに基づいて前記マップ検索
された基本筒内圧を補正して求める。筒内圧をＰ、筒内
の体積をＶとすると、ＰＶ＝一定であり、前記マップか
らの検索値を下死点での筒内圧Ｐａ、筒内の体積をＶａ
とし、クランク角センサにより開弁時のピストンの位置
を検出して筒内の体積Ｖｅを求めると、開弁時の筒内圧
Ｐｅは、次式のように算出される。

【００３７】Ｐｅ＝Ｐａ・Ｖａ／Ｖｅ 可動子５７の位置（吸引側電磁石とのギャップ）ｚを、
前記可動子位置センサ２により検出する（Ｓ２）。

【００３８】吸引側電磁石に通電される実電流ｉ（に電
磁コイル巻数ｎを乗じた値）と前記可動子５７の位置ｚ
とに基づいて、これらに基づいて作成された電磁力マッ
プからの検索などにより、可動子に作用する電磁力ｆｓ
を推定する（Ｓ３）。

【００３９】前記可動子５７の位置ｚと推定された電磁
力ｆｓとに基づいて、オブザーバにより可動子５７の速
度ｖなどを推定する（Ｓ４）。前記可動子５７の位置ｚ
が制御開始位置ｚｃに達するまでは、吸引側電磁石の通
電を開始せず、カウンタＣＯＵＴを０にセットしておく
（Ｓ５）。

【００４０】吸引側電磁石の通電を開始する位置ｚｃに
達したときに前記カウンタＣＯＵＴをカウントアップし
（Ｓ６）、吸引側電磁石の通電制御を開始する。前記カ
ウンタＣＯＵＴの値が１のとき、つまり、制御開始位置
ｚｃに達した直後は、通電制御量の算出における積分要
素に、前記筒内圧Ｐａを考慮して設定された初期値ｓ０
を代入する（Ｓ７→Ｓ８）。該初期値ｓ０の算出方法に
ついては後述する。

【００４１】吸引側電磁石の通電制御は以下のように実
行される。まず、前記可動子の位置ｚに応じた目標速度
ｒを以下のように設定する。即ち、図６に示すように、
可動子５７がコイルスプリング５６，５９の付勢力によ
って前記制御開始位置ｚｃまで移動した後、該制御開始
位置ｚｃから可動子５７の移動速度が略一定の減速度で
徐々に減速されながら吸引側電磁石に吸引されて目標位
置ｚｒに達するように目標速度ｒの軌道を設定する（Ｓ
９）。

【００４２】そして、可動子を前記目標速度ｒに制御す
るための通電制御量を以下のようにして算出する（Ｓ１
０）。まず、前記設定された目標速度ｒと前記オブザー
バで推定された実速度ｖとの偏差（ｒ−ｖ）に基づいて
電磁力指令値ｆａを次式により算出する。

【００４３】 ｆａ＝Ｋｖ（ｒ−ｖ）＋ＫｉΣ（ｒ−ｖ）…（１） Ｋｖ：比例ゲイン、Ｋｉ：積分ゲイン 算出された電磁力指令値ｆａと前記可動子５７の位置ｚ
とに基づいて、これらに基づいて作成されたアンペアタ
ーンマップからの検索などにより、電磁石のアンペアタ
ーン指令値を算出する。

【００４４】前記算出したアンペアターン指令値をコイ
ル巻数ｎで除算して、電流指令値ｉａを算出する。電流
制御回路により、前記算出した目標電流ｉａと前記実電
流ｉとを比較しつつ設定した制御電圧ｅを制御対象であ
る吸引側電磁石に出力する（Ｓ１１）。

【００４５】該制御電圧ｅと可動子５７の動きにより吸
引側電磁石に生じる逆起電力の影響により、電磁石に通
電される実電流ｉが決定する。そして、可動子５７の位
置ｚと、実電流ｉとにより決定される電磁石の電磁力
ｆ'が可動子５７に作用し、該電磁力ｆ'とコイルスプリ
ング５６，５９の付勢力とによって、可動子５７及びこ
れに連係する弁体５４が駆動される。

【００４６】かかる通電制御において、制御開始時は、
前記（１）式における積分要素Σ（ｒ−ｖ）の初期値と
して前記初期値ｓ０を代入して算出される。ここで、前
記初期値ｓ０の算出方法について、図７を参照して説明
する。開弁時の筒内圧Ｐｅに比例した電流指令値が出力
されるように、積分要素の初期値ｓ０を設定するので、
まず、筒内圧Ｐｅに対して制御で必要な電流値を実験に
より求め、筒内圧と通電電流との関係を比例近似して作
成されたマップから必要な通電電流ｉｅを求める。

【００４７】前記通電電流ｉｅと制御開始位置ｚ０とに
基づいて電磁力マップから発生電磁力ｆｅが決定する。
したがって、前記（１）式により、次式が成立する。

【００４８】 ｆｅ＝Ｋｖ（ｒ−ｖ）＋Ｋｉ・ｓ０ →ｓ０＝｛ｆｅ−Ｋｖ（ｒ−ｖ）｝／Ｋｉ…（２） このようにして算出される積分要素の初期値ｓ０を制御
開始時に与えておくことにより、図８に示すように、開
弁時に筒内圧に比例する所望の電流ｉｅが瞬時に通電さ
れ、弁体を筒内圧に抗して目標速度ｒで移動させて、確
実かつ滑らかに目標位置に停止させることができる。

【００４９】前記オブザーバは、以下のように設計さ
れ、図９に示すように構成される。可動部（可動子及び
弁体）の質量をｍ、電磁力をｆ、可動子の推定位置をＺ
[（中立位置からの距離）とする。前記電磁石とのギャ
ップｚは、ｚ＝ｚｏ−Ｚ（ｚｏは可動子の全ストローク
量）として求められる。]として、運動方程式を立てる
と以下のようになる。

【００５０】

【数１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される電磁駆動弁の構成を示す概
念図。

【図２】電磁駆動弁の制御装置の実施の形態の構成を示
すブロック図。

【図３】実施の形態における制御のフローチャート。

【図４】エンジン回転速度と負荷に対する筒内圧の関係
を示す図。

【図５】排気弁開弁タイミングと筒内圧との関係を示す
図。

【図６】可動子の目標速度の生成方法を示す図。

【図７】筒内圧に応じた積分要素の初期値を得るための
図。

【図８】実施の形態における各部の状態を示す図。

【図９】オブザーバの構成を示す図。

【符号の説明】 １ 制御装置 ２ 可動子位置センサ ３ 可動子位置検出部 ４ 可動子速度検出部 ９ 閉弁側電磁石電流制御部 10 開弁側電磁石電流制御部 11 閉弁側電磁石 12 開弁側電磁石

フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G092 AA11 DA07 DF05 DG09 EA11 EA14 FA11 GA05 GA06 HA06Z HA11Z HB01Z HC01Z HE01Z HE03Z 5H004 GA05 GA16 GB12 HA07 HB07 JB22 KA42 KA44 KB02 KB04 KC55 LA12

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁石と、弾性体と、前記電磁石の発生す
   る電磁力と前記弾性体の発生するバネ力とにより駆動さ
   れる可動子と、該可動子により駆動されてエンジンの燃
   焼室を開閉する弁体とを備えた電磁駆動弁に対して、前
   記可動子若しくは弁体である可動部の位置及び速度を検
   出し、該検出した可動部の位置及び速度に基づいて前記
   電磁石への通電電流を制御する電磁駆動弁の制御装置で
   あって、 前記エンジンの筒内圧を検出し、該筒内圧の大きさを考
   慮して前記電磁石の通電制御量を算出することを特徴と
   する電磁駆動弁の制御装置。
2. 【請求項２】前記通電制御量は、積分要素を含んで算出
   され、前記筒内圧の大きさを考慮して前記積分要素の初
   期値を設定することを特徴とする請求項１に記載の電磁
   駆動弁の制御装置。
3. 【請求項３】前記算出される通電制御量は、電磁石へ通
   電される電流値であることを特徴とする請求項１又は請
   求項２に記載の電磁駆動弁の制御装置。
4. 【請求項４】前記算出される通電制御量は、電磁石に発
   生する電磁力であり、発生する電磁力が算出された電磁
   力となるように、電磁石へ通電される電流値を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁駆
   動弁の制御装置。
5. 【請求項５】前記可動部の速度は、該可動部の位置と、
   該位置及び通電電流値から推定した電磁力とに基づいて
   推定して検出されることを特徴とする請求項１〜請求項
   ４のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の制御装置。
6. 【請求項６】前記エンジンの筒内圧は、エンジンの運転
   状態に基づいて推定して検出されることを特徴とする請
   求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の電磁駆動弁の
   制御装置。
7. 【請求項７】エンジンの排気弁の開弁時の制御に適用さ
   れることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１
   つに記載の電磁駆動弁の制御装置。