JP3986212B2 - Variable valve control device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸・排気弁のリフト量(制御軸の作動角)を機関運転状態に応じて可変にできる内燃機関の可変動弁装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、機関低速低負荷時における燃費の改善や安定した運転性並びに高速高負荷時における吸気の充填効率の向上による十分な出力を確保する等のために、吸気・排気弁の開閉時期とバルブリフト量を機関運転状態に応じて可変制御する可変動弁装置は従来から種々提供されており、その一例として特開昭55−137305号公報等に記載されているものが知られている。
【0003】
図22に基づきその概略を説明すれば、シリンダヘッド1のアッパデッキの略中央近傍上方位置にカム軸2が設けられていると共に、該カム軸2の外周にカム2aが一体に設けられている。また、カム軸2の側部には制御軸3が平行に配置されており、この制御軸3に偏心カム4を介してロッカアーム5が揺動自在に軸支されている。
【0004】
一方、シリンダヘッド1に摺動自在に設けられた吸気弁6の上端部には、バルブリフター7を介して揺動カム8が配置されている。この揺動カム8は、バルブリフター7の上方にカム軸2と並行に配置された支軸9に揺動自在に軸支され、下端のカム面8aがバルブリフター7の上面に当接している。また、前記ロッカアーム5は、一端部5aがカム2aの外周面に当接していると共に、他端部5bが揺動カム8の上端面8bに当接して、カム2aのリフトを揺動カム8及びバルブリフター7を介して吸気弁6に伝達するようになっている。そして、この吸気弁6は、バルブスプリング6aにより閉弁方向に付勢されている。
【0005】
また、前記制御軸3は、図23に示すように、DCサーボモータ等の電磁アクチュエータにより、減速ギアを介して所定角度範囲で回転駆動されて、偏心カム4の回動位置を制御し、これによってロッカアーム5の揺動支点を変化させるようになっている。
【0006】
そして、図22において、偏心カム4が正逆の所定回動位置に制御されるとロッカアーム5の揺動支点が変化して、他端部5bの揺動カム8の上端面8bに対する当接位置が図中上下方向に変化し、これによって揺動カム8のカム面8aのバルブリフター7上面に対する当接位置の変化に伴い、揺動カム8の揺動軌跡が変化することにより、吸気弁6の開閉時期とバルブリフト量を制御軸3の作動角の変化に伴って可変制御するようになっている。なお、図中の符号10は、揺動カム8の上端面8bを常時ロッカアーム5の他端部5bに弾接付勢するスプリングを示す。
【0007】
また、上記のように、吸気弁6の開閉時期及びバルブリフト量を、ロッカアーム5の揺動支点を変化させることによって可変に制御する構成の可変動弁装置においては、一般的に、図10のシステム図に示すように、前記揺動支点を変化させるための制御軸3の作動角をポテンショメータ等の作動角センサによって検出し、この検出された作動角信号に基づき、制御装置では、位置サーボコントローラ(線形コントローラ)において、検出された作動角信号と目標制御軸作動角とを比較し、差が零になるように、PWM(パルスワイズモジュレーション)出力設定手段を介してDCサーボモータに駆動電流を出力することにより、制御軸3の作動角を目標のバルブ特性に対応する目標制御軸作動角に一致させるようなフィードバック制御が行われるようになっていた。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来装置では、上述のように、位置サーボコントローラにおいて、目標制御軸作動角と検出作動角の情報のみを基に、フィードバックバック制御を行うようにしたものであったため、以下に述べるような問題点があった。
【0009】
即ち、上述のように、制御軸3に偏心カム4を介してロッカアーム5が揺動自在に軸支され、このロッカアーム5は、一端部5aがカム2aの外周面に当接していると共に、他端部5bが揺動カム8の上端面8bに当接して、カム2aのリフトを揺動カム8及びバルブリフター7を介して吸気弁6に伝達するようになっていることから、バルブスプリング6aの反力等に起因する反力トルクが、バルブリフター7、揺動カム8およびロッカアーム5を介して制御軸3に外乱として伝達される。
【0010】
そして、制御軸作動角のフィードバック制御において、作動角をベースとした制御は、制御遅れが大きいため、作動角が所定角度位置に保持された状態にある定位置制御中において、図12に示すように、前記反力トルクに基づく制御偏差が発生するもので、特に、エンジン回転数が高回転数において反力トルクに基づく制御偏差が顕著に現れ、このため、可変動弁装置としての制御精度が損なわれ、十分なエンジン出力の向上効果や、燃費低減効果が得られなくなる。
【0011】
本発明は、上述の従来の問題点に着目してなされたもので、制御軸作動角の定位置制御中において、カムやロッカアーム等を通じて制御軸に伝わるバルブスプリング反力等に起因する非線形特性である反力トルク(エンジン回転数、作動角毎に変動)に基づいて発生する作動角変動を抑制することで、制御精度の低下を防止し、これにより、十分なエンジン出力向上効果および燃費低減効果が得られる内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明請求項1記載の内燃機関の可変動弁制御装置では、カム軸と略平行に配設された制御軸と、該制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、該制御カムに揺動自在に軸支されたロッカアームと、前記カム軸の回転に応じて前記ロッカアームの一端部を揺動駆動する揺動駆動手段と、前記ロッカアームの他端部に連係して揺動して機関弁を開作動させる揺動カムと、前記機関弁を閉じる方向に付勢するバルブスプリングと、前記制御軸を目標制御軸作動角に回転駆動する電磁アクチュエータと、を備えた内燃機関の可変動弁装置の制御装置であって、前記制御軸の出力作動角を検出する作動角検出手段と、機関の運転状態に応じた目標制御軸作動角を演算する目標作動角演算手段と、前記出力作動角に基づいて前記目標制御軸作動角となるように前記制御軸を回転駆動させるべく前記電磁アクチュエータへの駆動電流をフィードバック制御する制御軸作動角制御手段と、を設け、前記制御軸作動角制御手段には、前記目標制御軸作動角に対して、前記制御軸の作動応答特性を考慮した出力作動角をモデル化した規範モデル特性を作用させて規範モデルを演算する規範モデル演算手段と、前記目標制御軸作動角に対して、前記規範モデル特性と、前記可変動弁装置の前記目標制御軸作動角に応じた制御電流に対する作動角の伝達特性である可変動弁伝達特性の逆特性と、を作用して第1電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段と、前記規範モデルと前記出力制御軸作動角との偏差から前記カム軸の回転数に応じた反力トルクの周波数帯の成分を除去する第2電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段と、前記第1電流制御量と前記第2電流制御量とを加算したものを、駆動電流として出力する出力設定手段と、を設けた手段とした。
【0015】
【作用】
本発明の内燃機関の可変動弁装置では、上述のように構成されるため、制御軸作動角制御手段では、作動角検出手段で検出された制御軸の作動角信号に基づいて、目標作動角演算手段で演算された機関の運転状態に応じた目標制御軸作動角に回転駆動させるべく電磁アクチュエータへの駆動電流のフィードバック制御が行われる。
【0016】
そして、制御軸作動角制御手段に備えた規範モデル演算手段では、目標制御軸作動角に対して、制御軸の作動応答特性を考慮した出力作動角をモデル化した規範モデル特性を作用させて規範モデルを演算し、第1電流制御量演算手段では、目標制御軸作動角に対して、前記規範モデル特性と、前記可変動弁装置の前記目標制御軸作動角に応じた制御電流に対する作動角の伝達特性である可変動弁伝達特性の逆特性と、を作用して第1電流制御量の演算が行われる一方、第2電流制御量演算手段では、前記規範モデルと前記出力制御軸作動角との偏差から前記カム軸の回転数に応じた反力トルクの周波数帯の成分を除去する第2電流制御量の演算が行われ、続く出力設定手段では、第1電流制御量と第2電流制御量とを加算したものを、電磁アクチュエータに対する駆動電流として出力されるもので、前記第1電流制御量演算手段においては、制御応答特性を確保するように作用し、かつ、第2電流制御量演算手段においては、制御軸作動角の定位置制御中において、カムやロッカアーム等を通じて制御軸に伝わるバルブスプリング反力等に起因する非線形特性である反力トルク(エンジン回転数、作動角毎に変動)に基づいて発生する作動角変動を抑制するように作用する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1〜図3は、本発明の実施の形態における内燃機関(エンジン)の可変動弁装置を示すものであり、1気筒あたり2つ備えられる吸気弁の可変動弁機構VEL(以下、VEL機構という)として以下に説明する。但し、機関弁を吸気弁に限定するものではなく、また、吸気弁の数を限定するものでないことは明らかである。
【0018】
図1〜図3に示す可変動弁装置は、シリンダヘッド11にバルブガイド(図示省略)を介して摺動自在に設けられた一対の吸気弁12,12と、シリンダヘッド11上部のカム軸受14に回転自在に支持された中空状のカム軸13と、該カム軸13に、圧入等により固設された回転カムである2つの偏心カム15,15と、前記カム軸13の上方位置に同じカム軸受14に回転自在に支持された制御軸16と、該制御軸16に制御カム17を介して揺動自在に支持された一対のロッカアーム18,18と、各吸気弁12,12の上端部にバルブリフター19,19を介して配置された一対のそれぞれ独立した揺動カム20,20と、各吸気弁12,12を閉弁方向に付勢するバルブスプリング33,33とを備えている。
【0019】
また、前記偏心カム15,15とロッカアーム18,18とはリンクアーム25,25によって連係される一方、ロッカアーム18,18と揺動カム20,20とはリンク部材26,26によって連係されている。
前記カム軸13は、機関前後方向(シリンダ列方向)に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた従動スプロケット(図示省略)や該従動スプロケットに巻装されたタイミングチェーン等を介して機関のクランク軸から回転力が伝達される。
【0020】
前記カム軸受14は、シリンダヘッド11の上端部に設けられてカム軸13の上部を支持するメインブラケット14aと、該メインブラケット14aの上端部に設けられて制御軸16を回転自在に支持するサブブラケット14bとを有し、両ブラケット14a,14bが一対のボルト14c,14cによって上方から共締め固定されている。
【0021】
前記両偏心カム15は、図4にも示すように、略リング状を呈し、小径なカム本体15aと、該カム本体15aの外端面に一体に設けられたフランジ部15bとからなり、内部軸方向にカム軸挿通孔15cが貫通形成されていると共に、カム本体15aの軸心Xがカム軸13の軸心Yから径方向へ所定量だけ偏心している。
【0022】
また、この各偏心カム15は、カム軸13に対し前記両バルブリフター19,19に干渉しない両外側にカム軸挿通孔15cを介して圧入固定されていると共に、両方のカム本体15a,15aの外周面15d,15dが同一のカムプロフィールに形成されている。
【0023】
前記各ロッカアーム18は、図3に示すように、平面からみて略クランク状に折曲形成され、中央に有する基部18aが制御カム17に回転自在に支持されている。また、各基部18aの各外端部に突設された一端部18bには、リンクアーム25の先端部と連結するピン21が圧入されるピン孔18dが貫通形成されている一方、各筒状基部18aの各内端部に夫々突設された他端部18cには、各リンク部材26の後述する一端部26aと連結するピン28が圧入されるピン孔18eが形成されている。
【0024】
前記各制御カム17は、夫々円筒状を呈し、制御軸16外周に固定されていると共に、図1に示すように軸心P1位置が制御軸16の軸心P2からαだけ偏心している。
【0025】
前記揺動カム20は、図1及び図6,図7に示すように略横U字形状を呈し、略円環状の基端部22にカム軸13が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔22aが貫通形成されていると共に、ロッカアーム18の他端部18c側に位置する端部23にピン孔23aが貫通形成されている。
【0026】
また、揺動カム20の下面には、基端部22側の基円面24aと該基円面24aから端部23端縁側に円弧状に延びるカム面24bとが形成されており、該基円面24aとカム面24bとが、揺動カム20の揺動位置に応じて各バルブリフター19の上面所定位置に当接するようになっている。
【0027】
すなわち、図5に示すバルブリフト特性からみると、図1に示すように基円面24aの所定角度範囲θ1がべースサークル区間になり、カム面24bの前記べースサークル区間θ1から所定角度範囲θ2がいわゆるランプ区間となり、さらにカム面24bのランプ区間θ2から所定角度範囲θ3がリフト区間になるように設定されている。
【0028】
また、前記リンクアーム25は、比較的大径な円環状の基部25aと、該基部25aの外周面所定位置に突設された突出端25bとを備え、基部25aの中央位置には、前記偏心カム15のカム本体15aの外周面に回転自在に嵌合する嵌合穴25cが形成されている一方、突出端25bには、前記ピン21が回転自在に挿通するピン孔25dが貫通形成されている。
なお、前記リンクアーム25と偏心カム15とによって揺動駆動手段が構成される。
【0029】
さらに、前記リンク部材26は、図1にも示すように所定長さの直線状に形成され、円形状の両端部26a,26bには前記ロッカアーム18の他端部18cと揺動カム20の端部23の各ピン孔18d,23aに圧入した各ピン28,29の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔26c,26dが貫通形成されている。なお、各ピン21,28,29の一端部には、リンクアーム25やリンク部材26の軸方向の移動を規制するスナップリング30,31,32が設けられている。
【0030】
前記制御軸16は、一端部に設けられた電磁アクチュエータを構成するDCサーボモータ101によって所定回転角度範囲内で回転駆動されるようになっており、図9に示すように、前記DCサーボモータ101は、制御軸作動角制御手段としての制御装置CPUからの駆動電流によって制御されるようになっている。前記制御装置CPUは、機関(エンジン)回転数を検出する機関(エンジン)回転数センサ103、機関(エンジン)の負荷を検出する機関(エンジン)負荷センサ104等の各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を検出して、該検出された機関運転状態に応じて目標のバルブ特性を決定し、該目標のバルブ特性に対応する角度位置に制御軸16を駆動すべく、作動角センサ102で検出された制御軸実作動角に基づき、前記DCサーボモータ101に駆動信号(駆動電流)を出力する。なお、制御装置CPUの構成内容については、後述する。
【0031】
以下、上記可変動弁装置の作用を説明すれば、まず、機関の低速低負荷時には、制御装置CPUからの制御信号(駆動電流)によってDCサーボモータ101が一方に回転駆動される。このため、制御カム17は、軸心P1が図6A,Bに示すように制御軸16の軸心P2から左上方の回動位置に保持され、厚肉部17aがカム軸13から上方向に離間移動する。このため、ロッカアーム18は、全体がカム軸13に対して上方向へ移動し、これにより、各揺動カム20は、リンク部材26を介して端部23が強制的に若干引き上げられて全体が左方向へ回動する。
【0032】
従って、図6A,Bに示すように偏心カム15が回転してリンクアーム25を介してロッカアーム18の一端部18bを押し上げると、そのリフト量がリンク部材26を介して揺動カム20及びバルブリフター19に伝達されるが、そのリフト量L1は図6Bに示すように比較的小さくなる。
【0033】
よって、かかる低速低負荷域では、図8の破線で示すようにバルブリフト量が小さくなると共に、各吸気弁12の開時期が遅くなり(作動角が小さくなり)、排気弁とのバルブオーバラップが小さくなる。このため、燃費の向上と機関の安定した回転が得られる。
【0034】
一方、機関の高速高負荷時に移行した揚合は、制御装置CPUからの制御信号によってDCサーボモータ101が反対方向に回転駆動される。従って、図7A,Bに示すように制御軸16が、制御カム17を図6に示す位置から時計方向に回転させ、軸心P1(厚肉部17a)を下方向へ移動させる。このため、ロッカアーム18は、今度は全体がカム軸13方向(下方向)に移動して、他端部18cが揺動カム20の上端部23をリンク部材26を介して下方へ押圧して該揺動カム20全体を所定量だけ時計方向へ回動させる。
【0035】
従って、揺動カム20のバルブリフター19上面に対する下面の当接位置が図7A,Bに示すように左方向位置に移動する。このため、図7に示すように偏心カム15が回転してロッカアーム18の一端部18bをリンクアーム25を介して押し上げると、バルブリフター19に対するそのリフト量L2は図7Bに示すように大きくなる。
【0036】
よって、かかる高速高負荷域では、カムリフト特性が低速低負荷域に比較して大きくなり、図8に実線で示すようにバルブリフト量(作動角)も大きくなると共に、各吸気弁12の開時期が早く、閉時期が遅くなる。この結果、吸気充填効率が向上し、十分な出力が確保できる。
【0037】
ところで、上記可変動弁装置においては、目標のバルブ特性に対応する角度位置に制御軸16を駆動し、実際のバルブ特性を前記目標のバルブ特性に制御するが、前記制御軸16の駆動精度や、前記制御軸16の角度位置とバルブ特性との関係にばらつきがあると、目標のバルブ特性に精度よく実際のバルブ特性を制御することができなくなる。
【0038】
そこで、従来例として示したように、図10のシステム図、および、図11のブロック図に示すように、前記揺動支点を変化させるための制御軸3の作動角(回転位置)をポテンショメータ等の作動角センサによって検出し、この検出された作動角信号に基づき、制御装置に備えた位置サーボコントローラ(線形コントローラ)において、検出結果としての作動角と目標制御軸作動角とを比較し、制御軸3の作動角(回転位置)を目標のバルブ特性に対応する目標制御軸作動角(回転位置)となるようにDCサーボモータに対する駆動制御信号を、作動角をベースとしてフィードバック制御するようになっている。なお、前記DCサーボモータと制御軸3との間には減速ギアが介装されている。
【0039】
ところが、可変動弁装置においては、図1に示すように、ロッカアーム18,18と揺動カム20,20とはリンク部材26,26によって連係されていることから、図11のVEL機構ブロック図に示すように、各バルブスプリング33,33の反力や燃焼圧力等に起因する機関側からの反力トルクが、バルブリフター19、揺動カム20,20、リンク部材26,26およびロッカアーム18を介し、DCサーボモータ101の発生トルクが伝達される機械機構の制御軸16に伝達される。
【0040】
そして、制御軸作動角のフィードバック制御において、作動角をベースとした制御は、制御遅れが大きいため、作動角が所定角度位置に保持された状態にある定位置制御中において、図12に示すように、前記反力トルクに基づく制御偏差が発生するもので、特に、エンジン回転数が高回転数において反力トルクに基づく制御偏差が顕著に現れ、このため、可変動弁装置としての制御精度が損なわれ、十分なエンジン出力の向上効果や、燃費低減効果が得られなくなる。
【0041】
そこで、この発明の実施の形態の可変動弁装置では、VEL機構におけるDCサーボモータ101にモータ駆動信号を出力する制御装置CPUの内容として、目標作動角より制御軸16の作動角制御応答特性を考慮した規範モデルに基づいて電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段B4の他に、制御作動角の規範モデルと前記作動角センサ102で検出された制御軸作動角との偏差から制御軸16に対し機関側からの反力トルクの影響を除去する電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段B7を備えたものであり、以下、その制御内容を図13のシステムブロック図に基づいて説明する。
【0042】
即ち、この制御装置CPUには、エンジン回転数センサ103からの信号に基づきエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段B1と、エンジン負荷センサ104からの信号に基づきエンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段B2と、エンジン回転数検出手段B1で検出されたエンジン回転数と、エンジン負荷検出手段B2で検出されたエンジン負荷から目標制御軸作動角を決定する目標作動角演算手段B3と、目標作動角より制御軸16の作動角制御応答特性を考慮した規範モデルに基づいて電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段B4と、目標作動角演算手段B3で決定された目標制御軸作動角に基づき規範モデル出力を演算する規範モデル演算手段B5と、作動角センサ102からの信号に基づき制御軸16の実作動角を検出する作動角検出手段B6と、前記規範モデル演算手段で演算された規範モデルと前記作動角検出手段B6で検出された制御軸16の実作動角との偏差により反力トルクの影響を除去する電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段B7と、該第2電流制御量演算手段B7で演算された電流制御量と、前記第1電流制御量演算手段B4で演算された電流制御量との合算値をモータ駆動信号に変換するPWM出力設定手段B8とで構成され、このモータ駆動信号が、VEL機構におけるDCサーボモータ101に出力されるようになっている。
【0043】
さらに詳述すると、前記目標作動角演算手段B3から第1電流制御量演算B4を経由して制御軸16の作動角に至る信号の流れは、図14のブロック図に示すようになる(なお、PWM出力設定手段B8はゲイン1で応答遅れのない演算であり、信号の流れとして無視できるため、ここでは省略している)。
【0044】
ここで、第1電流制御量演算B4を[規範モデル/VEL機構伝達特性]と定義すると、信号の流れは、図15(イ)のブロック図に示すようになり、目標制御軸作動角(入力)に対する作動角(出力)の応答は、VEL機構伝達特性とVEL機構とがキャンセルされる結果、図15(ロ)のブロック図に示すように、規範モデルと一致する。従って、所望の制御軸作動角制御応答特性になるように規範モデルを設定すればよく、この発明の実施の形態では、図16に示すような規範モデルに設定されている。
【0045】
次に、反力トルク(外乱)抑制を考慮した第2電流制御量演算手段B7についてであるが、目標制御軸作動角からこの第2電流制御量演算手段B7を経由して制御軸16の作動角に至る信号の流れは、図17のブロック図に示すようになる。そして、このブロックの中で、反力トルクが入力される場所は、図18のブロック図に示すように、第2電流制御量演算手段B7とVEL機構との間になると仮定することができる。
【0046】
そこで、この発明の目的が、定常制御時(制御軸作動角の定位置制御時)における反力トルク(外乱)を抑制するものであるため、規範モデル演算手段B5と第1電流制御量演算B4からの出力を零として、反力トルクから制御軸16の作動角に至るまでの信号の流れを表すと、図19のブロック図に示すようになる。
【0047】
ここで、反力トルクの周波数は、カム軸13の回転に同期しており、既知であるため、図20に示すように、反力トルクから作動角の周波数応答で反力トルクの発生周波数帯の入出力ゲインのみを落とすように第2電流制御量演算手段B7の伝達特性を設定してやることにより、反力トルクが作動角へ及ぼす影響(変動)をなくすことができることになる。
【0048】
そこで、図19のブロック図をブロック線図で表すと、図21に示すようになり、この図において、外乱入力をu、出力をY、VEL機構の伝達関数(前向き)をG、第2電流制御量演算手段B7の伝達関数(後向き)をCとすると、
Y=(u−YC)G=uG−YGC
Y/u=G−GC(Y/u)
となるから、u、Y間の伝達特性は、
Y/u=G/(1+GC)
となる。
従って、外乱入力uによる出力Yへの影響は、G/(1+GC)の伝達特性で抑えられることになる。
【0049】
以上のように、この発明の実施の形態の制御装置CPUでは、目標作動角より制御軸16の作動角制御応答特性を考慮した規範モデルに基づいて電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段B4の他に、目標制御軸作動角と制御軸16の実作動角との偏差により反力トルクの影響を除去する電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段B7を備え、該第2電流制御量演算手段B7で演算された電流制御量と、前記第1電流制御量演算手段B4で演算された電流制御量との合算値に基づいてVEL機構におけるDCサーボモータ101の駆動制御を行うようにしたことで、制御軸作動角の定位置制御中において、揺動カム20やロッカアーム18等を通じて機関側から制御軸16に伝わるバルブスプリング反力等に起因する非線形特性である反力トルク(エンジン回転数、作動角毎に変動)に基づいて発生する作動角変動を抑制することができ、これにより、制御精度の低下が防止され、十分なエンジン出力向上効果および燃費低減効果が得られるようになるという効果が得られる。
【0050】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、具体的な構成はこの発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても本発明に含まれる。
【0051】
例えば、発明の実施の形態では、機関弁として吸気弁を例にとったが、排気弁についても適用することができる。
また、本発明が適用される可変動弁機構としては、この発明の実施の形態で例示した構造のものに限定されるものではなく、従来例に示した構造のものや、その他の可変動弁機構にも全て本発明を適用することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上詳細に説明してきたように、本発明請求項1記載の内燃機関の可変動弁制御装置では、上述のように、制御軸の出力作動角を検出する作動角検出手段と、機関の運転状態に応じた目標制御軸作動角を演算する目標作動角演算手段と、前記出力作動角に基づいて前記目標制御軸作動角となるように前記制御軸を回転駆動させるべく前記電磁アクチュエータへの駆動電流をフィードバック制御する制御軸作動角制御手段と、を設け、前記制御軸作動角制御手段には、前記目標制御軸作動角に対して、前記制御軸の作動応答特性を考慮した出力作動角をモデル化した規範モデル特性を作用させて規範モデルを演算する規範モデル演算手段と、前記目標制御軸作動角に対して、前記規範モデル特性と、前記可変動弁装置の前記目標制御軸作動角に応じた制御電流に対する作動角の伝達特性である可変動弁伝達特性の逆特性と、を作用して第1電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段と、前記規範モデルと前記出力制御軸作動角との偏差から前記カム軸の回転数に応じた反力トルクの周波数帯の成分を除去する第2電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段と前記第1電流制御量と前記第2電流制御量とを加算したものを、前記電磁アクチュエータに対する駆動電流として出力する出力設定手段と、を設けた手段としたことで、制御軸作動角の定位置制御中において、カムやロッカアーム等を通じて制御軸に伝わるバルブスプリング反力等に起因する非線形特性である反力トルク(エンジン回転数、作動角毎に変動)に基づいて発生する作動角変動を抑制することができ、これにより、制御精度の低下が防止され、十分なエンジン出力向上効果および燃費低減効果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における内燃期間の可変動弁装置を示す断面図(図2のA−A線断面図)。
【図2】上記可変動弁装置の側面図。
【図3】上記可変動弁装置の平面図。
【図4】上記可変動弁装置に使用される偏心カムを示す斜視図。
【図5】上記可変動弁装置における揺動カムの基端面とカム面に対応したバルブリフト特性図。
【図6】上記可変動弁装置の低速低負荷時の作用を示す断面図(図2のB−B線断面図)。
【図7】上記可変動弁装置の高速高負荷時の作用を示す断面図(図2のB−B線断面図)。
【図8】上記可変動弁装置のバルブタイミングとバルブリフトの特性図。
【図9】上記可変動弁装置の作動角制御システムを示すブロック図。
【図10】従来例の可変動弁装置の作動角制御回路の内容を示すシステム図。
【図11】従来例の可変動弁装置の作動角制御回路の内容を示すブロック図。
【図12】上記可変動弁装置における制御軸作動角変動を示すタイムチャート。
【図13】上記可変動弁装置のシステムブロック図。
【図14】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第1電流制御量演算手段を経由する信号経路を示すブロック図。
【図15】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第1電流制御量演算手段を経由する信号経路の応答特性を示すブロック図。
【図16】上記第1電流制御量演算手段で用いられる規範モデルを示すタイムチャート。
【図17】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第2電流制御量演算手段を経由する信号経路を示すブロック図。
【図18】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第2電流制御量演算手段を経由する信号経路における外乱入力状態を示すブロック図。
【図19】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第2電流制御量演算手段を経由する信号経路における反力トルクから作動角に至るまでの信号の流れを示すブロック図。
【図20】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第2電流制御量演算手段における周波数に対する入出力ゲイン特性図。
【図21】上記可変動弁装置のシステムブロック図のうち、第2電流制御量演算手段を経由する信号経路における反力トルクから作動角に至るまでの信号の流れを示すブロック線図。
【図22】従来例の可変動弁装置を示す断面図。
【図23】従来例の可変動弁装置の作動角制御システムを示すブロック図。
【符号の説明】
12 吸気弁(機関弁)
13 カム軸
15 偏心カム(揺動駆動手段)
16 制御軸
17 制御カム
18 ロッカアーム
20 揺動カム
25 リンクアーム(揺動駆動手段)
33 バルブスプリング
CPU 制御装置(制御軸作動角制御手段)
101 DCサーボモータ(電磁アクチュェータ)
102 作動角センサ(作動角検出手段)
103 エンジン回転数センサ(機関回転数検出手段)
104 エンジン負荷センサ(機関負荷検出手段)
B4 第1電流制御量演算手段
B7 第2電流制御量演算手段
B8 出力設定手段(PWM出力設定手段)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine that can vary a lift amount (an operating angle of a control shaft) of an intake / exhaust valve of the internal combustion engine according to an engine operating state.
[0002]
[Prior art]
As is well known, the intake / exhaust valve opening / closing timing is used to improve fuel efficiency at low engine speeds and low loads, to ensure stable operation, and to ensure sufficient output by improving intake charge efficiency at high speeds and high loads. Various variable valve operating devices that variably control the valve lift amount according to the engine operating state have been conventionally provided. For example, those described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-137305 are known. .
[0003]
The outline will be described with reference to FIG. 22. A cam shaft 2 is provided at a position near the upper center of the upper deck of the
[0004]
On the other hand, a swing cam 8 is disposed at the upper end of an intake valve 6 slidably provided on the
[0005]
Further, as shown in FIG. 23, the
[0006]
In FIG. 22, when the eccentric cam 4 is controlled to a predetermined forward / reverse rotation position, the rocking fulcrum of the
[0007]
Further, as described above, in the variable valve operating apparatus configured to variably control the opening / closing timing and the valve lift amount of the intake valve 6 by changing the rocking fulcrum of the
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional apparatus, as described above, the position servo controller performs the feedback back control based only on the information on the target control shaft operating angle and the detected operating angle, and will be described below. There was a problem like this.
[0009]
That is, as described above, the
[0010]
In the feedback control of the control shaft operating angle, since the control based on the operating angle has a large control delay, during the fixed position control in which the operating angle is held at a predetermined angular position, as shown in FIG. In addition, a control deviation based on the reaction force torque is generated, and particularly when the engine speed is high, the control deviation based on the reaction force torque appears remarkably. It is damaged, and sufficient engine output improvement effect and fuel consumption reduction effect cannot be obtained.
[0011]
The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and has a non-linear characteristic caused by a valve spring reaction force transmitted to the control shaft through a cam, a rocker arm, etc. during the fixed position control of the control shaft operating angle. By suppressing the operating angle fluctuation that occurs based on a certain reaction force torque (engine speed, fluctuation for each operating angle), the control accuracy is prevented from being lowered, thereby achieving a sufficient engine output improvement effect and fuel consumption reduction effect. It is an object of the present invention to provide a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine that provides the above.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, in the variable valve control apparatus for an internal combustion engine according to
[0015]
[Action]
Since the variable valve operating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is configured as described above, the control shaft operating angle control means has a target operating angle based on the operating angle signal of the control shaft detected by the operating angle detecting means. Feedback control of the drive current to the electromagnetic actuator is performed in order to rotationally drive the target control shaft operating angle corresponding to the engine operating state calculated by the calculation means.
[0016]
In the reference model calculation means provided in the control shaft operating angle control means, the reference model characteristic obtained by modeling the output operating angle in consideration of the operation response characteristic of the control shaft is applied to the target control shaft operating angle. calculates the model, the first current control amount calculation means, the target control shaft operating angle, and the reference model characteristics, the operating angle to the control current corresponding to the target control shaft operating angle of the variable valve device Conversely characteristics and, while the operation of the first current control amount acts to be performed, in the second current control amount calculation means, the reference model and the previous SL output control shaft operating angle of the variable valve transmission characteristic which is a transfer characteristic operation of the second current control quantity you remove components in the frequency band of the reaction force torque corresponding to the rotational speed of the camshaft is made from a difference between, in the subsequent output setting means, first current control amount and the second a material obtained by adding the current control amount, electromagnetic a Intended to be outputted as a drive current to Chueta, wherein in the first current control amount calculation means, act to ensure the control response characteristic, and, in the second current control amount calculation means, the control shaft operating angle During fixed position control, the operating angle fluctuation generated based on the reaction force torque (variation at each engine speed and operating angle), which is a non-linear characteristic caused by the valve spring reaction force transmitted to the control shaft through cams, rocker arms, etc. Acts to suppress.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
1 to 3 show a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine (engine) according to an embodiment of the present invention, and two variable valve operating mechanisms VEL (hereinafter referred to as VEL mechanisms) of two intake valves provided per cylinder. Will be described below. However, it is obvious that the engine valve is not limited to the intake valve, and the number of intake valves is not limited.
[0018]
1 to 3 includes a pair of
[0019]
The
The
[0020]
The
[0021]
As shown in FIG. 4, both the
[0022]
The
[0023]
As shown in FIG. 3, each of the
[0024]
Each of the
[0025]
As shown in FIGS. 1, 6, and 7, the rocking
[0026]
Further, a base circle surface 24a on the
[0027]
That is, when viewed from the valve lift characteristics shown in FIG. 5, as shown in FIG. 1, the predetermined angle range θ1 of the base circle surface 24a is a base circle section, and the predetermined angle range θ2 is from the base circle section θ1 of the
[0028]
The
The
[0029]
Further, as shown in FIG. 1, the
[0030]
The
[0031]
Hereinafter, the operation of the variable valve system will be described. First, when the engine is running at a low speed and a low load, the
[0032]
6A and 6B, when the
[0033]
Therefore, in such a low-speed and low-load region, as shown by the broken line in FIG. 8, the valve lift amount is reduced, the opening timing of each
[0034]
On the other hand, when the engine shifts to a high speed and a high load, the
[0035]
Therefore, the contact position of the lower surface of the
[0036]
Therefore, in such a high-speed and high-load region, the cam lift characteristic is larger than that in the low-speed and low-load region, the valve lift amount (operating angle) is increased as shown by the solid line in FIG. Is early and the closing time is delayed. As a result, the intake charging efficiency is improved and a sufficient output can be secured.
[0037]
By the way, in the variable valve system, the
[0038]
Therefore, as shown in the prior art, as shown in the system diagram of FIG. 10 and the block diagram of FIG. 11, the operating angle (rotational position) of the
[0039]
However, in the variable valve apparatus, as shown in FIG. 1, since the
[0040]
In the feedback control of the control shaft operating angle, since the control based on the operating angle has a large control delay, during the fixed position control in which the operating angle is held at a predetermined angular position, as shown in FIG. In addition, a control deviation based on the reaction force torque is generated, and particularly when the engine speed is high, the control deviation based on the reaction force torque appears remarkably. It is damaged, and sufficient engine output improvement effect and fuel consumption reduction effect cannot be obtained.
[0041]
Therefore, in the variable valve operating apparatus according to the embodiment of the present invention, the operation angle control response characteristic of the
[0042]
That is, the control device CPU includes an engine speed detection means B1 for detecting the engine speed based on a signal from the
[0043]
More specifically, the signal flow from the target operating angle calculation means B3 to the operating angle of the
[0044]
Here, if the first current control amount calculation B4 is defined as [reference model / VEL mechanism transfer characteristic], the signal flow is as shown in the block diagram of FIG. As shown in the block diagram of FIG. 15B, the response of the operating angle (output) with respect to () agrees with the reference model as a result of cancellation of the VEL mechanism transmission characteristic and the VEL mechanism. Therefore, the reference model may be set so as to obtain a desired control shaft operating angle control response characteristic. In the embodiment of the present invention, the reference model is set as shown in FIG.
[0045]
Next, regarding the second current control amount calculation means B7 in consideration of suppression of reaction force torque (disturbance), the operation of the
[0046]
Therefore, the object of the present invention is to suppress the reaction force torque (disturbance) during steady control (during fixed position control of the control shaft operating angle), and therefore, the norm model calculation means B5 and the first current control amount calculation B4. The signal flow from the reaction force torque to the operating angle of the
[0047]
Here, the frequency of the reaction force torque is synchronized with the rotation of the
[0048]
Therefore, the block diagram of FIG. 19 is represented by a block diagram as shown in FIG. 21, in which the disturbance input is u, the output is Y, the transfer function (forward) of the VEL mechanism is G, the second current If the transfer function (backward) of the control amount calculation means B7 is C,
Y = (u-YC) G = uG-YGC
Y / u = G-GC (Y / u)
Therefore, the transfer characteristic between u and Y is
Y / u = G / (1 + GC)
It becomes.
Therefore, the influence on the output Y by the disturbance input u is suppressed by the transfer characteristic of G / (1 + GC).
[0049]
As described above, in the control device CPU according to the embodiment of the present invention, the first current control amount calculation that calculates the current control amount based on the norm model considering the operation angle control response characteristic of the
[0050]
Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. Included in the invention.
[0051]
For example, in the embodiment of the invention, the intake valve is taken as an example of the engine valve, but the present invention can also be applied to an exhaust valve.
In addition, the variable valve mechanism to which the present invention is applied is not limited to the structure illustrated in the embodiment of the present invention, but the structure shown in the conventional example and other variable valve mechanisms. The present invention can be applied to all mechanisms.
[0052]
【The invention's effect】
As has been described above in detail, in the variable valve control apparatus for an internal combustion engine of the present invention according to claim 1, wherein, as described above, the operation angle detecting means for detecting an output operating angle of the control shaft, the operation of the institutional a target operating angle calculation means for calculating a target control shaft operating angle in accordance with the state, to the electromagnetic actuator to the control shaft is rotated so that the front Symbol goals control shaft operating angle based on the output operating angle a control shaft operating angle control means for the driving current for feedback control, the provided of, wherein the control shaft operating angle control means, an output operation of the relative target control shaft operating angle, taking into account the operation response of the control shaft Reference model calculation means for calculating a reference model by applying a reference model characteristic obtained by modeling an angle; the reference model characteristic for the target control shaft operating angle ; and the target control shaft operation of the variable valve gear In the corner And inverse characteristics of the variable valve transmission characteristic which is a transfer characteristic of the operating angle for Flip control current, a first current control amount calculation means for calculating a first current control quantity to act, the reference model and the previous SL output the second current control amount calculation means and the first current control for calculating a second current control quantity you remove components in the frequency band of the reaction force torque corresponding to the rotational speed of the camshaft from the deviation between the control shaft operating angle The output setting means for outputting the sum of the amount and the second current control amount as a drive current for the electromagnetic actuator is provided, so that the cam can be controlled during the fixed position control of the control shaft operating angle. It is possible to suppress operating angle fluctuations that occur based on reaction torque (variation at each engine speed and operating angle), which is a non-linear characteristic caused by valve spring reaction force transmitted to the control shaft through a rocker arm, etc. More, reduction in control accuracy is prevented, so that sufficient engine output improvement and fuel consumption reduction effect is obtained.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2) showing a variable valve operating apparatus during an internal combustion period according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of the variable valve device.
FIG. 3 is a plan view of the variable valve operating device.
FIG. 4 is a perspective view showing an eccentric cam used in the variable valve operating apparatus.
FIG. 5 is a valve lift characteristic diagram corresponding to the base end surface of the swing cam and the cam surface in the variable valve device.
6 is a cross-sectional view (cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2) showing the operation of the variable valve device at low speed and low load.
7 is a cross-sectional view showing the operation of the variable valve device at high speed and high load (cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2).
FIG. 8 is a characteristic diagram of valve timing and valve lift of the variable valve device.
FIG. 9 is a block diagram showing an operating angle control system of the variable valve operating apparatus.
FIG. 10 is a system diagram showing the contents of an operating angle control circuit of a variable valve device of a conventional example.
FIG. 11 is a block diagram showing the contents of an operating angle control circuit of a conventional variable valve operating apparatus.
FIG. 12 is a time chart showing control shaft operating angle fluctuations in the variable valve operating apparatus.
FIG. 13 is a system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 14 is a block diagram showing a signal path passing through first current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 15 is a block diagram showing response characteristics of a signal path passing through first current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 16 is a time chart showing a reference model used in the first current control amount calculation means.
FIG. 17 is a block diagram showing a signal path passing through a second current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 18 is a block diagram showing a disturbance input state in a signal path passing through a second current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 19 is a block diagram showing a signal flow from a reaction force torque to an operating angle in a signal path passing through a second current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 20 is an input / output gain characteristic diagram with respect to frequency in the second current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 21 is a block diagram showing a signal flow from a reaction force torque to an operating angle in a signal path passing through a second current control amount calculation means in the system block diagram of the variable valve operating apparatus.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a conventional variable valve operating apparatus.
FIG. 23 is a block diagram showing an operating angle control system for a variable valve operating apparatus according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
12 Intake valve (engine valve)
13
16
33 Valve spring CPU control device (control shaft operating angle control means)
101 DC servo motor (electromagnetic actuator)
102 Working angle sensor (working angle detection means)
103 engine speed sensor (engine speed detection means)
104 Engine load sensor (engine load detection means)
B4 First current control amount calculation means B7 Second current control amount calculation means B8 Output setting means (PWM output setting means)
Claims (1)
該制御軸の外周に偏心して固定された制御カムと、
該制御カムに揺動自在に軸支されたロッカアームと、
前記カム軸の回転に応じて前記ロッカアームの一端部を揺動駆動する揺動駆動手段と、
前記ロッカアームの他端部に連係して揺動して機関弁を開作動させる揺動カムと、
前記機関弁を閉じる方向に付勢するバルブスプリングと、
前記制御軸を目標制御軸作動角に回転駆動する電磁アクチュエータと、
を備えた内燃機関の可変動弁装置の制御装置であって、
前記制御軸の出力作動角を検出する作動角検出手段と、
機関の運転状態に応じた目標制御軸作動角を演算する目標作動角演算手段と、
前記出力作動角に基づいて前記目標制御軸作動角となるように前記制御軸を回転駆動させるべく前記電磁アクチュエータへの駆動電流をフィードバック制御する制御軸作動角制御手段と、
を設け、
前記制御軸作動角制御手段には、
前記目標制御軸作動角に対して、前記制御軸の作動応答特性を考慮した出力作動角をモデル化した規範モデル特性を作用させて規範モデルを演算する規範モデル演算手段と、
前記目標制御軸作動角に対して、前記規範モデル特性と、前記可変動弁装置の前記目標制御軸作動角に応じた制御電流に対する作動角の伝達特性である可変動弁伝達特性の逆特性と、を作用して第1電流制御量を演算する第1電流制御量演算手段と、
前記規範モデルと前記出力制御軸作動角との偏差から前記カム軸の回転数に応じた反力トルクの周波数帯の成分を除去する第2電流制御量を演算する第2電流制御量演算手段と、
前記第1電流制御量と前記第2電流制御量とを加算したものを、前記電磁アクチュエータに対する駆動電流として出力する出力設定手段と、
を設けた特徴とする内燃機関の可変動弁制御装置。A control shaft disposed substantially parallel to the cam shaft;
A control cam eccentrically fixed to the outer periphery of the control shaft;
A rocker arm pivotally supported by the control cam;
Oscillating drive means for oscillating and driving one end of the rocker arm according to the rotation of the camshaft;
A swing cam that swings in conjunction with the other end of the rocker arm and opens the engine valve;
A valve spring that urges the engine valve in a closing direction;
An electromagnetic actuator that rotationally drives the control axis to a target control axis operating angle;
A control device for a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine comprising:
An operating angle detecting means for detecting an output operating angle of the control shaft;
Target operating angle calculating means for calculating a target control shaft operating angle according to the operating state of the engine;
Control shaft operating angle control means for feedback controlling a drive current to the electromagnetic actuator so as to rotationally drive the control shaft so as to be the target control shaft operating angle based on the output operating angle;
Provided,
In the control shaft operating angle control means,
A reference model calculation means for calculating a reference model by operating a reference model characteristic obtained by modeling an output operation angle in consideration of an operation response characteristic of the control axis with respect to the target control axis operation angle;
With respect to the target control shaft operating angle, the reference model characteristics, and a reverse characteristic of a variable valve transmission characteristic that is a transmission characteristic of an operating angle with respect to a control current according to the target control shaft operating angle of the variable valve operating device, , A first current control amount calculating means for calculating the first current control amount;
The second current control amount calculation for calculating a second current control quantity you remove components in the frequency band of the reaction force torque corresponding to the rotational speed of the cam shaft from the reference model and the deviation between the previous SL output control shaft operating angle Means,
Output setting means for outputting a sum of the first current control amount and the second current control amount as a drive current for the electromagnetic actuator;
The variable valve control apparatus for an internal combustion engine and features provided.
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