JP2003314232A - 電磁駆動弁の初期駆動が位相制御された内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の電磁駆動弁の初期駆動をより少な
い電力消費の下により高い確実性にてしかも最終段階に
てアーマチュアがよりソフトに電磁コイル或はコア上に
着座するよう制御する。 【解決手段】 弁体、第一および第二の電磁駆動手段、
第一および第二のばねを有する電磁駆動弁と、第一およ
び第二の電磁駆動手段に対する通電を制御して電磁駆動
弁の開閉を制御する弁開閉制御手段とを有する内燃機関
に於いて、弁開閉制御手段は、電磁駆動弁を停止状態か
ら作動状態にもたらす初期駆動時に、電磁コイルに対す
る励磁電流の供給を、アーマチュアが当該電磁コイルへ
向かう運動を開始してから所定の位相遷移を経て開始す
るよう制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸気ポートあるい
は排気ポートの開閉を制御する電磁駆動弁を有する内燃
機関に係り、特に電磁駆動弁の作動開始時に行われる初
期駆動に関する改良に係わる。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の吸気ポートあるいは排気ポー
トの開閉を電磁駆動弁により制御することは古くから考
えられている。内燃機関の吸気弁や排気弁には、弁を開
く時期、開いた弁を開状態に維持する期間、弁を閉じる
時期、閉じた弁を閉状態に維持する期間のそれぞれにつ
いて個別の要請がある。弁体と、弁体を開弁位置へ向け
て選択的に付勢する第一の電磁駆動手段と、弁体を閉弁
位置へ向けて選択的に付勢する第二の電磁駆動手段と、
弁体を開弁位置より離れる方向に付勢する第一のばね
と、弁体を閉弁位置より離れる方向に付勢する第二のば
ねとを有する構造の電磁駆動弁は、開弁時期、開弁期
間、閉弁時期、閉弁期間を個別に制御できることから、
この構造のものが内燃機関の吸気弁および排気弁として
多く使用されている。

【０００３】上記の如き基本構造を有する電磁駆動弁に
於いては、非作動時には弁体と連結されてこれを駆動す
る電磁駆動手段のアーマチュアがこれら第一および第二
の電磁駆動手段の電磁コイルのいずれからも隔たった中
立位置にあって、電磁コイルが発生する磁力に感応しに
くい状態にあるので、電磁駆動弁の作動開始に当たって
は、第一および第二の電磁コイルに、弁体とアーマチュ
アよりなる運動体の質量と第一および第二のばねとが構
成する振動系の固有振動に同期したパルス電流を供給
し、かかる振動系の共振を利用してアーマチュアの変位
を増大させ、アーマチュアを第一または第二の電磁コイ
ルに吸着された状態にもたらす初期駆動が行われる。か
かる初期駆動については、例えばアーマチュアと弁体よ
りなる運動体の固有振動数が弁軸の支持部に於ける摩擦
抵抗によって変化する等の種々の問題があり、これらの
問題に対処することが、特開2000-304154、特開2001-32
9815、特開平10-288014等に於いて提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く第一および
第二の電磁駆動手段の電磁コイルに、弁体とアーマチュ
アよりなる運動体の質量と第一および第二のばねとが構
成する振動系の固有振動に同期したパルス電流を供給
し、該振動系の共振を利用してアーマチュアの変位を増
大させ、これを第一または第二の電磁コイルに吸着され
た状態にもたらす初期駆動については、それを如何にし
て、より少ない電力消費の下に、より高い確実性にて実
現し、しかも最終段階にてアーマチュアをよりソフトに
電磁コイル或は電磁コアに着座せしめるよう達成するか
が絶えざる課題である。

【０００５】本発明は、内燃機関の吸気弁または排気弁
として電磁駆動弁を用いる場合の上記の課題に対処し、
これをより一層高度に達成することができるよう電磁駆
動弁の作動制御に関し改良された内燃機関を提供するこ
とを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するも
のとして、本発明は、弁体、前記弁体を開弁位置へ向け
て選択的に付勢する第一の電磁駆動手段、前記弁体を閉
弁位置へ向けて選択的に付勢する第二の電磁駆動手段、
前記弁体を開弁位置より離れる方向に付勢する第一のば
ね、および前記弁体を閉弁位置より離れる方向に付勢す
る第二のばねを有する電磁駆動弁と、前記電磁駆動弁の
前記第一および第二の電磁駆動手段に対する通電を制御
することにより前記電磁駆動弁の開閉を制御する弁開閉
制御手段とを有する内燃機関にして、前記弁開閉制御手
段は、前記電磁駆動弁を停止状態から作動状態にもたら
す初期駆動時に、前記第一および第二の電磁駆動手段の
少なくとも一方の電磁コイルに対する励磁電流の供給
を、アーマチュアが当該電磁コイルへ向かう運動を開始
してから所定の位相遷移を経て開始するよう制御する機
能を有していることを特徴とする内燃機関を提案するも
のである。

【０００７】前記弁開閉制御手段は、アーマチュアの振
幅の増大に連れて前記所定の位相遷移を大きくするよう
になっていてよい。この場合、位相遷移は励磁電流の供
給を遅らせる遅れ時間として管理され、アーマチュアの
振幅の増大に応じて遅れ時間が大きくされてよく、或は
また、位相遷移は励磁電流のパルス幅として管理され、
アーマチュアの振幅の増大に応じてパルス幅が小さくさ
れてもよい。

【０００８】また、前記弁開閉制御手段は、前記電磁コ
イルに対する励磁電流の供給をアーマチュアが当該電磁
コイルへ向かう運動を開始してから所定の位相遷移を経
て開始する制御を、アーマチュアの振幅が所定値以上に
増大してから開始するようになっていてよい。

【０００９】更にまた、前記弁開閉制御手段は、前記電
磁コイルに対する励磁電流の供給をアーマチュアが当該
電磁コイルへ向かう運動を開始してから所定の位相遷移
を経て開始する制御を、前記第一および第二の電磁駆動
手段の両方について行ない、前記第一および第二の電磁
コイルへの通電を交互に切り換える度に、前記所定の位
相遷移を、その時のアーマチュアの振幅の増大に応じて
増大させるようになっていてよい。

【００１０】

【発明の作用及び効果】上記の如く、弁体、前記弁体を
開弁位置へ向けて選択的に付勢する第一の電磁駆動手
段、前記弁体を閉弁位置へ向けて選択的に付勢する第二
の電磁駆動手段、前記弁体を開弁位置より離れる方向に
付勢する第一のばね、前記弁体を閉弁位置より離れる方
向に付勢する第二のばねを有している電磁駆動弁に於い
ては、アーマチュアがその振動位相のうち例えば第一の
電磁コイルへ向かう位相にあるときには、その当初、ア
ーマチュアは第一の電磁コイルに対しその位相中で最も
隔たった位置にある。この場合、初期駆動の初期であっ
てアーマチュアが第一および第二の電磁コイルの間の中
央近くに位置している間は、第一または第二の電磁コイ
ルに対するアーマチュアの隔たりはいずれも弁リフトの
半分程度に留まるが、アーマチュアの振幅が次第に増大
してくると、その往復位相の各々の開始点に於けるアー
マチュアのそれより目指すべき電磁コイルからの隔たり
は振幅の増大に応じて増大する。しかし、電磁的吸引力
は通常距離の２乗に反比例して弱くなるので、アーマチ
ュアの振幅が増大してくると、その位相に於けるパルス
通電の初期の部分はアーマチュアが当該電磁コイルより
大きく隔たった状態にあるときに行われ、それがアーマ
チュアの加速に寄与する効果は、次第に低下してくる。

【００１１】この点に於いて、本発明により、上記の如
く、電磁コイルに対する励磁電流の供給を、アーマチュ
アが当該電磁コイルへ向かう運動を開始してから所定の
位相遷移を経て開始するようにすれば、アーマチュアの
振動振幅が大きくなってきても、その振動位相中のアー
マチュアが電磁コイルより大きく隔たっている部分での
効率の悪い電磁コイルの作動を避け、アーマチュアの電
磁駆動をそれが効率よく行われる部分にてのみ行い、そ
のことによってアーマチュアが第一または第二の何れか
の電磁コイルに吸着された状態を達成するまでの時間が
多少長くなっても、電磁駆動弁の初期駆動に要する電力
消費を低減することができる。

【００１２】また、上記の如く電磁コイルに対する励磁
電流の供給を、アーマチュアが当該電磁コイルへ向かう
運動を開始してから所定の位相遷移を経て開始するよう
制御することが行われれば、前期の所定位相遷移を適宜
に制御することにより、アーマチュアに対する電磁駆動
力の制御に時間的要素を組み込むことができ、初期駆動
の終端においてアーマチュアが電磁コイル或はコアに激
しく衝突して弾けるような事態の発生を回避し、初期駆
動の終端においてアーマチュアを電磁コイルまたは電磁
コアにソフトランディングさせることができる。

【００１３】上記の如く電磁駆動弁を停止状態から作動
状態にもたらす初期駆動時に、第一および第二の電磁駆
動手段の少なくとも一方の電磁コイルに対する励磁電流
の供給を、アーマチュアが当該電磁コイルへ向かう運動
を開始してから所定の位相遷移を経て開始するよう制御
するに当って、アーマチュアの振幅の増大に連れて前記
所定の位相遷移を大きくしたり、制御開始をアーマチュ
アの振幅が所定値以上に増大してからにしたり、それを
第一および第二の電磁駆動手段の両方について行い、前
記所定の位相遷移を、第一および第二の電磁コイルへの
通電が交互に切り換えられる度に、その時のアーマチュ
アの振幅の増大に応じて増大することにより得られる格
別の作用効果は、以下の実施例ついての説明より明らか
となるであろう。

【００１４】

【発明の実施の形態】添付の図１は本発明による作動制
御の対象となる電磁駆動弁の一例を幾分解図的に示す縦
断面図である。電磁駆動弁は、図示の要領にて内燃機関
の吸気ポート或いは排気ポートを開閉する吸気弁或いは
排気弁を構成する。

【００１５】図１に於いて、電磁駆動弁は周知の構造の
内燃機関Ｅの吸気または排気用のポート部に装着された
状態にて示されている。図に於いて、１０にて全体的に
示された弁ハウジングは、弁軸ガイド部１２、下部ばね
ハウジング部１４、下部電磁コア１６、上部電磁コア１
８、コア組立てハウジング部２０、上部ばねハウジング
部２２よりなっており、その内部を通って弁軸２４を摺
動可能に案内している。弁軸の先端部には、内燃機関Ｅ
の吸気ポートまたは排気ポート２６を開閉する弁ディス
ク２８が設けられている。弁ディスク２８が弁軸２４に
より支持された弁要素をここでは弁体と称する。弁軸２
４には、下部電磁コア１６と上部電磁コア１８の間に位
置するアーマチュア３０、下部ばね座３２、上部ばね座
３４が固定されている。

【００１６】下部電磁コア１６および上部電磁コア１８
には、それぞれの円環状溝部に下部電磁コイル３６およ
び上部電磁コイル３８が設けられている。上部ばねハウ
ジング部２２の上端には環状の蓋板４０が装着されてい
る。下部ばねハウジング部１４と下部ばね座３２の間に
は下部コイルばね４２が、また上部ばね座３４と蓋板４
０の間には上部コイルばね４４が装着されている。下部
電磁コイル３６および上部電磁コイル３８の励磁（通
電）はマイクロコンピュータによる制御演算機能を備え
た弁開閉制御手段４６により以下に説明される要領にて
制御される。弁軸２４と弁ディスク２８を主要部とする
弁体とアーマチュア３０よりなる弁の運動体の動きは、
半導体レーザを用いた距離センサ４８により上部ばね座
３４上に装着された反射板５０の変位を検出することに
より検出され、その情報が弁開閉制御手段４６に送られ
るようになっている。

【００１７】下部コイルばね４２および上部コイルばね
４４のばね力は、内燃機関が停止しているとき、アーマ
チュア３０が弁ディスク２８その他の弁運動体に作用す
る重力と下部コイルばね４２および上部コイルばね４４
のばね力の釣合の下に、図示の如く下部電磁コア１６と
上部電磁コア１８より等距離隔たった中間位置にあるよ
う設定されており、このとき弁ディスク２８は吸気ポー
トまたは排気ポート２６を全閉状態と全開状態の間の中
間の状態にしている。

【００１８】図２は、図１に例示された如き基本構造を
有する電磁駆動弁を用いた内燃機関の運転開始に当っ
て、電磁駆動弁が本発明により初期駆動される要領を、
上部電磁コイル３８の励磁通電（上励磁）、下部電磁コ
イル３６の励磁通電（下励磁）、弁ディスク２８および
アーマチュア３０の変位（弁変位）として例示す線図で
ある。弁開閉制御装置４６による弁の初期駆動の作動制
御が時点０にて開始されると、上部電磁コイルから始ま
って、上部電磁コイルと下部電磁コイルに交互に、アー
マチュアと弁体とからなる運動体の質量と上下のばねと
により構成される振動系の固有振動に同期した固有振動
周期の半分の持続時間のパルス電流が図にてパルス
（１）、（２）、（３）．．．として示されている如き
オンオフ経過にて供給される。これによってアーマチュ
アと弁体よりなる運動体は、励磁力の反転に共振しつつ
その振幅を次第に増大させる。

【００１９】この場合、図示の例では、パルス電流
（６）程度までは、それが固有振動周期の半分に当たる
各位相幅の最初からかけられても、その時アーマチュア
はまだ休止時中立位置の近傍であり、それを今から吸引
しようとする電磁コイルよりさして大きく隔たってはい
ない。しかし、パルス電流（７）程度になると、その位
相の始点ａに於いては、アーマチュアはそれを今から吸
引しようとする上部電磁コイルに対しかなり隔たった位
置にきており、その隔置距離の増大に応じてアーマチュ
アに対する上部電磁コイルの磁気的吸引効果は低下して
くる。

【００２０】そこで、このとき、本発明によれば、距離
センサ４８にて検出された弁の位相位置に関する情報に
基づく弁開閉制御手段４６の制御判断により、パルス電
流（７）の通電開始を点ｂの位相位置まで遅らせること
が行われる。このような判断を行うために、弁開閉制御
手段４６には、例えば図３に示されている如き振幅の絶
対値に対応して上記の位相遅れを求めるマップが組み込
まれていてよく、これによって点ａにおける振幅Ａaが
所定のしきい値Ａs以上に増大したときには、それに対
応してパルス電流の供給開始を遅らせる位相遅れの値Ｄ
aを求めるようになっていてよい。同様にして、パルス
電流（８）の通電開始位相位置は、点ｃに於ける振幅に
基づき、点ｃの位相位置より点ｄの位相位置まで遅らさ
れる。以下、パルス電流（８）〜（１３）に於いても、
パルス電流の通電開始の位相位置はそれぞれ正規の周期
開始位置より点ｅ．ｆ，ｇ，ｈ，ｉにて示されている位
相位置まで遅らされる。

【００２１】尚、パルス電流の通電開始の位相位置を正
規の各周期開始位置より点ｂ，ｄ，ｅ，．．．の如く遅
らせることは、そのことによってパルス電流のパルス幅
を縮小することに相当するので、制御の態様としては、
図３の如く振幅の絶対値に対応して位相遅れを求めるマ
ップに代えて、図４に示す如く振幅の絶対値に対応して
パルス幅を求め、パルス通電の幅を目標値とする制御が
行われてもよい。この場合にも、パルス幅の縮小はアー
マチュアの振幅が所定のしきい値Ａs以上に増大したと
き行なわれることとされてよい。

【００２２】図示の例に於いては、初期駆動の終端にお
けるパルス電流（１３）およびそれより一つ前のパルス
電流（１２）の通電開始位相位置は，それぞれ点ｉおよ
びｈにて示されている如く正規の周期開始点より半周期
以上にわたって大きく遅らされており、これによって初
期駆動の最終段階に於いてアーマチュアに及ぼされる電
磁駆動力は、アーマチュアが電磁コイルにかなり近づい
てから発生される。このようにアーマチュアがそれに吸
引力を及ぼす電磁コイルにかなり近づいてから該電磁コ
イルに対するパルス電流の供給が開始されるようにする
ことにより、通電はその当初からアーマチュアの駆動に
高い効率にて寄与し、電磁駆動弁の初期駆動に要する電
力消費が節減されると同時に、アーマチュアが振動の最
後に第一または第二の電磁コイル或いは電磁コア上に当
接して着座するとき、それがソフトに行われ、アーマチ
ュアが電磁コイルや電磁コアに激しく衝突することによ
る振動や騒音の発生が回避される。

【００２３】図２の弁変位を示す線図に於いて、破線は
パルス電流の通電が従来通り正規の周期開始位相位置に
て開始された場合の弁変位を示している。この場合に
は、初期駆動は例えばパルス電流（１１）にて終了す
る。これと比較すれば、本発明を適用することにより、
更にパルス電流（１２）および（１３）を要することに
なるが、それでも尚図の解図的表示からも理解される通
り、本発明により節約される電力量、即ちパルス電流
（７）〜（１１）に於ける白抜き部分の面積よりパルス
電流（１２)および（１３）の面積を差し引いた差は明
らかに正であり、こうして本発明により初期駆動に要す
る電力消費が節約される。

【００２４】また、パルス電流の通電が従来通り正規の
周期開始位置にて開始された場合には、アーマチュアの
振幅が増大してからも各パルス電流毎に強力な加速力が
これに付与されたので、アーマチュアはその振動の終点
ｊ或いは更にそのひとつ手前の頂点ｋにて、電磁コイル
または電磁コアに激しく衝突し、振動や騒音を発生する
恐れがある。これに対し、本発明によれば、アーマチュ
アの振幅の増大の度合いに応じてパルス電流の通電開始
位相位置を適度に遅らせ、アーマチュアに付与する加速
力を適度に低減することによりアーマチュアをその振動
の終端にて電磁コイルまたは電磁コア上にソフトに着座
させることができる。

【００２５】以上に於いては本発明を一つの実施例につ
いて詳細に説明したが、これらの実施例について本発明
の範囲内にて種々の修正が可能であることは当業者にと
って明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内燃機関において作動制御の対象
となる電磁駆動弁の一例を幾分解図的に示す縦断面図。

【図２】内燃機関の運転開始に当って、電磁駆動弁が、
本発明に従った初期駆動より、開閉の中間にある停止状
態より完全に閉じた状態にもたらされる要領の一例を示
す線図。

【図３】電磁コイルへのパルス電流の通電開始を遅らせ
る位相遅れをアーマチュアの振幅の絶対値対応して設定
する要領の一例を示すマップ。

【図４】電磁コイルへ供給されるパルス電流のパルス幅
をアーマチュアの振幅の絶対値対応して設定する要領の
一例を示すマップ。

【符号の説明】

１０…弁ハウジング １２…弁軸ガイド部 １４…下部ばねハウジング部 １６…下部電磁コア １８…上部電磁コア ２０…コア組立てハウジング部 ２２…上部ばねハウジング部 ２４…弁軸２４ ２６…吸気ポートまたは排気ポート２６ ２８…弁ディスク ３０…アーマチュア ３２…下部ばね座 ３４…上部ばね座 ３６…下部電磁コイル ３８…上部電磁コイル ４０…蓋板 ４２…下部コイルばね ４４…上部コイルばね ４６…弁開閉制御手段 ４８…距離センサ ５０…反射板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G018 AB09 CA12 EA22 FA01 GA02 GA37 3G092 AA11 DA01 DA02 DA07 DF05 EA17 EC08 FA11 FA24 HA13X 3H106 DA07 DA23 DB02 DB14 DB26 DB32 DC02 DD03 EE05 EE22 FA04 KK17

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁体、前記弁体を開弁位置へ向けて選択的
   に付勢する第一の電磁駆動手段、前記弁体を閉弁位置へ
   向けて選択的に付勢する第二の電磁駆動手段、前記弁体
   を開弁位置より離れる方向に付勢する第一のばね、およ
   び前記弁体を閉弁位置より離れる方向に付勢する第二の
   ばねを有する電磁駆動弁と、前記電磁駆動弁の前記第一
   および第二の電磁駆動手段に対する通電を制御すること
   により前記電磁駆動弁の開閉を制御する弁開閉制御手段
   とを有する内燃機関にして、前記弁開閉制御手段は、前
   記電磁駆動弁を停止状態から作動状態にもたらす初期駆
   動時に、前記第一および第二の電磁駆動手段の少なくと
   も一方の電磁コイルに対する励磁電流の供給を、アーマ
   チュアが当該電磁コイルへ向かう運動を開始してから所
   定の位相遷移を経て開始するよう制御する機能を有して
   いることを特徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】前記弁開閉制御手段は、アーマチュアの振
   幅の増大に連れて前記所定の位相遷移を大きくするよう
   になっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機
   関。
3. 【請求項３】前記位相遷移は励磁電流の供給を遅らせる
   遅れ時間として管理され、アーマチュアの振幅の増大に
   応じて前記遅れ時間が大きくされることを特徴とする請
   求項２に記載の内燃機関。
4. 【請求項４】前記位相遷移は励磁電流のパルス幅として
   管理され、アーマチュアの振幅の増大に応じて前記パル
   ス幅が小さくされることを特徴とする請求項２に記載の
   内燃機関。
5. 【請求項５】前記弁開閉制御手段は、前記電磁コイルに
   対する励磁電流の供給をアーマチュアが当該電磁コイル
   へ向かう運動を開始してから所定の位相遷移を経て開始
   する制御を、アーマチュアの振幅が所定値以上に増大し
   てから開始するようになっていることを特徴とする請求
   項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 【請求項６】前記弁開閉制御手段は、前記電磁コイルに
   対する励磁電流の供給をアーマチュアが当該電磁コイル
   へ向かう運動を開始してから所定の位相遷移を経て開始
   する制御を、前記第一および第二の電磁コイルへの通電
   を交互に切り換える度に、前記第一および第二の電磁駆
   動手段の両方について行ない、前記所定の位相遷移を、
   その時のアーマチュアの振幅の増大に応じて増大するよ
   うになっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   かに記載の内燃機関。