JP2005351275A - カムシャフト用の調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】調整装置を、種々異なる動作状況でも高い制御品質が可能であるように構成することである。
【解決手段】制御器（６，７）はデータメモリ（２９）と接続されており、該データメモリには制御器（６，７）の伝達関数に対する制御器係数がファイルされており、データメモリ（２９）は少なくとも２つのメモリ領域を有し、当該メモリ領域には種々異なる制御器係数集合がファイルされており、制御回路（５）は動作モード切替装置（２８）によって選択的にまたは交互にデータメモリ領域と接続され、該当するデータメモリ領域にそれぞれファイルされた制御器係数集合が制御の際に使用され、動作モード切替装置（２８）とは調整装置および／または往復動内燃機関の動作状態を検出するための装置（３０）が接続されており、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合は動作状態に依存する。
【選択図】図２

Description

本発明は、往復動内燃機関のカムシャフトの、クランクシャフトに対する回転位置を調整するための装置に関するものであり、この装置は回転位置を調整するための調整素子を有し、この調整素子は少なくとも１つの制御器を有する制御回路に接続されている。

相互に噛合する２つのヘリカルギヤ歯車を備えた調整素子を装備した調整装置はＤＥ４４０８４２５Ａ１から公知である。歯車の一方はカムシャフトと接続しており、他方はチェーンを介してクランクシャフトにより駆動される。歯車は流体力学機構によって軸方向に相互にスライドされ、これによりヘリカルギヤであるからクランクシャフトとカムシャフトとの間に相対回転が生じる。流体力学機構は調整信号により駆動制御され、この調整信号は制御回路によって形成される。流体力学機構は３つの値のそれぞれ１つにより駆動制御することができる。すなわち、カムシャフトを内燃機関の入口弁が早期に開放する方向に調整するための進角値、カムシャフトを入口弁が遅れて開放する方向に調整するための遅角値、現在の実際角度位置を保持するための保持値である。制御回路は制御プログラムを処理し、この制御プログラムでは各プログラム実行の際に、後続のプログラム実行の開始までに存在することとなる調整速度が推定される。この推定値と、カムシャフト制御部が保持値から調整信号（進角値または遅角値）に切り替わった後に有する既知の時間特性から、調整角が推定される。そして調整信号が次のプログラム実行の開始時に保持値に切り替わることとなる場合には、カムシャフトの角度位置がこの調整値にさらに変化することとなる。調整角に対する推定値とカムシャフトの目標角度位置との差が公差バンド内にある場合、進角値または遅角値から保持値に切り替わる。後続のプログラム実行の介しまでに推定的に存在する調整速度は現在の調整速度から、１次の伝達関数と最終調整速度を適用して推定される。最終調整速度は所定の前提の下で適合される。刊行物の開示によればこのことにより、現在の調整に対する推定値を、流体力学機構の動作パラメータ、例えば液圧流体の粘度が熱等により変化した場合でも非常に精確に検出することができる。しかしながら、制御回路の制御品質はとりわけ種々異なる動作状態において改善の余地がある。例えば所定の動作状況では制御すべき信号の過励振が発生することがある。
ＤＥ４４０８４２５Ａ１

本発明の課題は、冒頭に述べた形式の調整装置を、種々異なる動作状況でも高い制御品質が可能であるように構成することである。

この課題は、制御器がデータメモリと接続されており、このデータメモリには制御器の伝達関数に対する制御器係数がファイルされており、データメモリは少なくとも２つのメモリ領域を有し、これらのメモリ領域には制御器係数の異なる集合がファイルされており、制御回路は動作モード切替装置によって選択的に、または交互にデータメモリ領域の一方に接続され、該当するデータメモリ領域にそれぞれファイルされている制御器係数集合が制御の際に使用され、動作モード切替装置とは、調整装置および／または往復動内燃機関の動作状態を検出するための装置が接続されており、制御の際にそれぞれ使用される制御器計数集合は動作状態に依存するように構成して解決される。

有利にはこのことにより、調整装置および／または内燃機関の種々異なる動作状況に対して、制御器を異なる制御器係数により駆動することができ、これにより制御器の伝達関数をそれぞれの動作状況に適合し、それぞれ可及的に高い制御品質を達成することができる。このような非線形制御器によって、調整素子を制御すべき信号中のノイズを、固定の制御器係数を有する制御器と比較してより迅速に、かつ過励振を十分に抑圧して補償することができる。制御器係数を変化させるパラメータは測定量とすることができる。またはこの測定量から適切なアルゴリズムを介して、システムパラメータ、例えば電気抵抗、温度係数等を使用して導出することができる。

動作モード切替装置によって制御回路の構造が切り替え可能であると有利である。この場合、制御器はさらに良好に調整装置および／または内燃機関の種々異なる動作状況に適業することができる。

有利には制御回路の第１動作モードでは調整モータのロータ回転数が制御され、第２動作モードではカムシャフトとクランクシャフトとの間のずれ角が制御されるように構成される。ここで第１動作モードは、クランクシャフト回転数に対する測定信号がまだ存在しない場合、または測定信号に比較的大きなノイズが伴われている場合、内燃機関の始動フェーズ中に適用するのが有利である。内燃機関の回転数が所定の限界値を越えると直ちに、すなわち始動フェーズが終了すると直ちに、第２動作モードに切り替わり、ずれ角を制御する。

本発明の有利な実施形態では、制御回路は動作モード切替装置によって第３動作モードと第４動作モードとの間で切り替え可能であり、制御回路は第３動作モードではマルチポイント制御器として動作し、第４動作モードでは連続的な調整信号を出力するように構成されている。

本発明の有利な実施形態では、調整装置は調整歯車装置を有し、この調整歯車装置はクランクシャフトに固定された駆動シャフトと、カムシャフトに固定された駆動シャフトと、調整シャフトとを有する３軸歯車装置として構成されている。ここで調整素子としては調整モータが設けられており、調整モータは調整シャフトと駆動接続している。ここで調整モータはＥＣモータとすることができる。位相角速度θを目標値θTgtに制御するため、有利にはクランクシャフトの回転数ωCnkと調整モータのロータ回転数ωEmがセンサによって測定される。このようにして求められた測定信号と、調整歯車装置の既知の変速比ｉgとから信号処理装置を用いて、調整モータのロータ回転数に対する目標値ωEm,Tgt＝（ωCnk−ｉgθTgt）／２が計算される。クランクシャフトの回転数ωCnkは有利には誘導性センサによって測定される。このセンサは、クランクシャフトの例えばフライホイールに配置されたリングギヤの歯が通過するのを検出する。調整モータのロータ回転数ωEmは有利にはＥＣモータのステータに配置された磁界センサによって測定される。この磁界センサは、ＥＣモータの永久磁石ロータの周囲に配置された磁気セグメントの通過を検出する。

動作状態検出装置が内燃機関および／または調整モータの温度測定信号に対する入力端を有し、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合がこの測定信号に依存するように構成されていると有利である。このことにより制御回路を、調整歯車装置の温度に依存する歯車装置オイルの粘度および／または調整モータ巻線の温度に依存する電気抵抗に適合することができる。内燃機関の温度は、例えば機関オイル温度計および／または冷却水温度計により測定することができる。

本発明の有利な構成では、動作状態検出装置が、カムシャフトとクランクシャフトとの間のずれ角に対する測定信号および／または目標値信号に対する入力端を有し、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合がこの信号および／またはこの信号の時間的変化に依存するように構成されている。調整可能な位相角領域がストッパにより制限されている調整装置の場合、ストッパの領域で制御器係数集合を次のように調整することができる。すなわち制御が比較的緩慢に制御偏差に応答し、これにより過励振とストッパの損傷の危険が確実に回避されるように調整することができる。これに対して、ストッパに対して十分な間隔が存在する個所では、制御器係数を、制御偏差が可及的迅速に補償されるよう調整することができる。

動作状態検出装置はまた、調整モータのロータ回転数、カムシャフト回転数および／またはクランクシャフト回転数を表す信号に対する入力端を有し、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合がこれらの測定信号に依存するように構成されている。これらの測定信号のそれぞれ２つ、例えばロータ回転数とクランクシャフト回転数、並びに調整歯車装置の既知の歯車装置変速比から、カムシャフトとクランクシャフトとの間のずれ角（位相角）を検出することができ、制御器係数をこのずれ角に依存して調整することができる。

動作状態検出装置が、比較的早期の時点で制御器により検出された、調整モータの調整量に対する値を中間記憶するためにメモリを有し、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合がこの値に依存するように構成されていると有利である。このことによりとりわけ調整速度が小さい場合にヒステリシスを設け、制御器の出力におけるノイズを低減することができる。

本発明の有利な実施形態では、制御回路はとりわけ調整モータの巻線電流および／または巻線電圧に対する少なくとも１つの制限装置を有する。データメモリにはこの制限装置に対する限界値がファイルされたメモリスペースが設けられており、制限装置は動作モード切替装置によって選択的にまたは交互に次のようにメモリスペースの１つに接続される。すなわち該当するメモリスペースにそれぞれファイルされた少なくとも１つの限界値が制限を行う場合に使用されるように接続される。従って制限装置に対する限界値は、調整装置および／または往復動内燃機関の動作状態に依存して調整することができる。このようにして例えばストッパの領域では巻線電流および／または巻線電圧に対する限界値、すなわち調整モータの出力を値的に、ストッパから遠く離れた個所の場合よりも小さく選択することができる。これにより場合により制御器の入力信号に測定エラーが発生した場合でも、ストッパの損傷が確実に回避される。

制御回路が、予制御装置と接続された少なくとも１つの入力端子を予制御信号のために有し、有利には調整歯車装置の駆動軸の回転数を表す予制御信号に対する入力端子、調整モータの平均負荷トルクを表す予制御信号に対する入力端子、および／または調整モータ巻線内で永久磁石ロータの回転により誘導される電圧（ＥＭＫ）を表す予制御信号に対する入力端子が設けられている。この場合、調整装置によって高速で安定した制御が可能となり、制御回路は予制御により補償されない、被制御信号と目標値との間の偏差だけを調整する。

有利にはデータメモリは少なくとも２つのメモリ領域を有し、これらのメモリ領域には予制御装置に対する予制御係数の異なる集合がファイルされており、予制御装置は動作モード切替装置によって選択的にまたは交互にこのデータメモリ領域の１つに接続することができ、該当するデータメモリ領域にそれぞれファイルされた予制御係数集合が、少なくとも１つの予制御信号の発生の際に使用される。このようにして予制御の伝達関数も、調整装置および／または内燃機関の種々異なる動作状態に適合することができ、このことは制御品質をさらに改善する。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図面に詳細に示されていない往復動内燃機関の、カムシャフトのクランクシャフトに対するずれ角を調整する調整装置は調整歯車装置を有し、この調整歯車装置はクランクシャフトに固定された駆動軸、カムシャフトに固定された駆動軸、および調整軸を備える３軸歯車装置として構成されている。調整歯車装置は遊星歯車装置とすることができ、有利にはプラネタリギヤである。

駆動軸は回動不能にカムシャフト歯車１と接続しており、カムシャフト歯車はそれ自体公知のようにチェーンまたは歯付きベルトを介して、内燃機関のクランクシャフトに回動不能に配置されたクランクシャフト歯車と駆動接続している。駆動軸は、図１に部分的に示されたカムシャフト２と回動不能に接続されている。調整軸は調整素子と回動不能に接続されており、この調整素子は図１では調整装置の裏側に配置されている。調整素子としては調整モータ（ＥＣモータ）が設けられており、このモータはカムシャフト歯車１のハブに組み込まれている。

カムシャフトとクランクシャフトとの間のねじれ角を制限するために調整装置はストッパを有し、このストッパは駆動軸と固定的に結合されたストッパエレメント３と対向ストッパエレメント４により形成されている。対向ストッパエレメント４はカムシャフト２に固定的に結合しており、使用位置でストッパエレメント３と共働作用する。

ねじれ角を制御するために調整モータが図２に概略的に示した制御回路５に接続されている。制御回路５は２つのカスケード接続された制御器、すなわち回転数制御器６とこれに前置された位相制御器７を有する。

位相制御器７の入力端子は、制御偏差を検出するための第１の装置９の出力端子と接続されている。この第１の装置９は、カムシャフトのクランクシャフトに対する調整角の実際値信号εと目標値信号εTgtとの制御偏差を検出する。図２から位相制御器７は２つの信号処理装置１０，２２を有することが分かる。２つの信号処理装置の入力端はそれぞれ制御偏差を検出するための装置９の出力端子７と接続されている。第１信号処理装置１０は第１制御器係数Ｋ1を備える第１伝達関数を有し、第２信号処理装置１１は第２制御器係数Ｋ2を備える第２伝達関数を有する。第１信号処理装置１０の出力端は第１加算装置１３の第１入力端と接続されており、第２信号処理装置１１の出力端は積分装置１２を介して第１加算装置１３の第２入力端と接続されている。

第１加算装置１３の出力端は第２加算装置１４の第１入力端と接続されている。クランクシャフト回転数信号ωCnkに対する入力端子１５は予制御装置１６を介して第２加算装置１４の第２入力端と接続されている。第１予制御装置１６は、予制御係数Ｖ1を備える第１予制御伝達関数を有している。

第２加算装置１４の出力端は第１制限装置１７を介して、調整モータの回転数目標値信号ωTgtに対する出力端子と接続されている。第１制限装置１７は出力信号を所定の値領域に制限する。

回転数目標値信号ωTgtは、制御偏差を検出するための第２の装置１８の第１入力端に印加される。この第２の装置１８は、調整モータの回転数に対する回転数目標値信号ωTgtと実際値信号ωEmとの制御偏差を検出する。

回転数制御器６は２つの信号処理装置１９，２０を有し、これらの入力端はそれぞれ制御偏差を検出するための第２の装置１８の出力端子２１と接続されている。第３信号処理装置１９は第３制御器係数Ｋ3を備える第３伝達関数を有し、第４信号処理装置２０は第４制御器係数Ｋ4を備える第４伝達関数を有する。だい３信号処理装置１９の出力端は第３加算装置２２の第１入力端と接続されており、第４信号処理装置２０の出力端は第２積分装置２３を介して第３加算装置２２の第２入力端と接続されている。

第３加算装置２２の出力端は第４加算装置２４の第１入力端と接続されている。調整モータ負荷信号ＭLoadに対する入力端子２５は第２予制御装置２６を介して第４加算装置２４の第２入力端と接続されている。第２予制御装置２６は、第２予制御係数Ｖ2を備える第２予制御伝達関数を有する。

第４加算装置２４の出力端は第２制限装置２７を介して、図面に図示しない調整モータに対する制御装置の入力端子と接続されている。第２制限装置２７は調整モータに出力される巻線電圧ＵAを所定の値領域に制限する。

図２から分かるように、回転数制御器６および位相制御器７は、動作モード切替装置２８を介してデータメモリ２９と接続されている。このデータメモリは複数のデータメモリ領域を有し、それらにはそれぞれ制御器係数集合がファイルされている。この制御器係数集合は、第１制御器係数Ｋ1、第２制御器係数Ｋ2、第３制御器係数Ｋ3、第４制御器係数Ｋ4を含む。データメモリ２９にはさらに複数のデータメモリ領域が設けられており、これらにはそれぞれ予制御係数集合がファイルされており、この予制御係数集合は第１予制御係数Ｖ1と第２予制御係数Ｖ2を含む。

回転数制御器６と位相制御器７は動作モード切替装置２８によって選択的または交互にデータメモリ領域の１つと接続される。そして接続されたデータメモリ領域にそれぞれファイルされている制御器係数集合が制御の際に、および／または接続されたデータメモリ領域にそれぞれファイルされた予制御係数集合が予制御の際に使用される。

図２にから分かるように、動作モード切替装置２８およびデータメモリ２９とは、調整装置および往復動内燃機関の動作状態を検出するための装置３０が接続されており、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合および／または予制御の際にそれぞれ使用される予制御係数集合は動作状態に依存する。動作状態検出装置３０は複数の入力端を有し、これらはクランクシャフト回転数を測定するためのセンサ、内燃機関のオイル温度を測定するためのセンサ、調整モータの回転数を測定するためのセンサ、第２制限装置２７の出力端、および内燃機関の機関制御部の出力端子と接続されており、この機関制御部の出力端子には内燃機関の動作モード（機関スタート／ストップ、通常動作、非常動作）に対する信号が印加される。動作状態検出装置３０は比較装置を有し、比較装置は入力端にそれぞれ印加される信号を所定の値領域と比較する。この比較結果に依存してそれぞれの動作状態が検出され、それぞれ使用すべき制御器係数集合および予制御係数集合の選択が制御される。

動作モード切替装置２８によって、制御回路の構造を切り替えることもできる。制御回路の第１動作モードでは制御器係数Ｋ1、Ｋ2と予制御係数Ｖ1は値０を有し、制御器係数Ｋ3、Ｋ4と予制御係数Ｖ2がゼロでない値を有する。この場合、制御回路９５は調整モータのロータ回転数だけを制御する。この動作モードは有利には内燃機関の始動フェーズ中に使用される。

制御回路の第２動作モードではすべての制御器係数Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3、Ｋ4および予制御係数Ｖ1、Ｖ2がゼロに等しくなく、従って制御回路５はカムシャフト２とクランクシャフトとのねじれ角、およびロータ回転数を制御する。第２動作モードは、内燃機関の回転数が所定の最小値を上回る場合に使用される。

往復動内燃機関のカムシャフトのクランクシャフトに対するねじれ角を調整するための調整装置の斜視図である。 調整装置の制御回路の信号流線図である。

符号の説明

１ カムシャフト歯車
２ カムシャフト
３ ストッパエレメント
４ 対向ストッパエレメント
５ 制御回路
６ 回転数制御器
７ 位相制御器
８ 出力端子
９ 制御偏差を検出するための第１の装置
１０ 第１信号処理装置
１１ 第２信号処理装置
１２ 第１積分装置
１３ 第１加算装置
１４ 第２加算装置
１５ クランクシャフト回転数ωCnkに対する入力端子
１６ 第１予制御装置
１７ 第１制限装置
１８ 制御偏差を検出するための第２の装置
１９ 第３信号処理装置
２０ 第４信号処理装置
２１ 出力端子
２２ 第３加算装置
２３ 第２積分装置
２４ 第４加算装置
２５ 調整モータ負荷信号ＭLoadに対する入力端子
２６ 第２予制御装置
２７ 第２制限装置
２８ 動作モード切替装置
２９ データメモリ
３０ 動作状態検出装置

Claims (12)

1. 往復動内燃機関のカムシャフト（２）の、クランクシャフトに対する回転位置を調整するための装置であって、回転位置を調整するための調整素子を有し、該調整素子は少なくとも１つの制御器（６，７）を備える制御回路に接続されている形式の調整装置において、
   制御器（６，７）はデータメモリ（２９）と接続されており、該データメモリには制御器（６，７）の伝達関数に対する制御器係数がファイルされており、
   データメモリ（２９）は少なくとも２つのメモリ領域を有し、当該メモリ領域には種々異なる制御器係数集合がファイルされており、
   制御回路（５）は動作モード切替装置（２８）によって選択的にまたは交互にデータメモリ領域と接続され、該当するデータメモリ領域にそれぞれファイルされた制御器係数集合が制御の際に使用され、
   動作モード切替装置（２８）とは調整装置および／または往復動内燃機関の動作状態を検出するための装置（３０）が接続されており、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合は動作状態に依存する、
   ことを特徴とする調整装置。
2. 請求項１記載の調整装置において、動作モード切替装置（２８）によって制御回路（５）の構造が切り替え可能である。
3. 請求項１または２記載の調整装置において、制御回路（５）の第１動作モードでは調整モータのロータ回転数が制御され、第２動作モードではカムシャフト（２）とクランクシャフトとのねじれ角が制御されるように構成されている。
4. 請求項１から３までのいずれか１項記載の調整装置において、動作モード切替装置（２８）によって制御回路（５）は第３動作モードと第４動作モードとの間で切り替え可能であり、
   制御回路（５）は第３動作モードではマルチポイント制御器として構成されており、第４動作モードでは連続的調整信号を出力するように構成されている。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の調整装置において、調整装置は調整歯車装置を有し、該調整歯車装置はクランクシャフトに固定された駆動軸、カムシャフトに固定された駆動軸、および調整軸を備える３軸歯車装置として構成されており、
   調整素子として調整モータが設けられており、該調整モータは調整軸と駆動接続している。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の調整装置において、動作状態を検出するための装置（３０）は、内燃機関および／または調整モータの温度測定信号に対する少なくとも１つの入力端を有し、
   動作状態を検出するための装置（３０）は、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合が前記測定信号に依存するように構成されている。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の調整装置において、動作状態を検出するための装置（３０）は、カムシャフトとクランクシャフトとのねじれ角に対する測定信号および／または目標値信号に対する少なくとも１つの入力端を有し、
   動作状態を検出するための装置（３０）は、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合が前記信号および／または前記信号の時間的変化に依存するように構成されている。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の調整装置において、動作状態を検出するための装置（３０）は、調整モータのロータ回転数、カムシャフト回転数および・またはクランクシャフト回転数を表す信号に対する少なくとも１つの入力端を有し、
   動作状態を検出するための装置（３０）は、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合が前記信号に依存するように構成されている。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の調整装置において、動作状態を検出するための装置（３０）は、比較的早期の時点で制御器により検出された、調整モータの調整量の少なくとも１つの値を中間記憶するためのメモリを有し、
   動作状態を検出するための装置（３０）は、制御の際にそれぞれ使用される制御器係数集合が前記値に依存するように構成されている。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の調整装置において、制御回路（５）は、とりわけ調整モータの巻線電流および／または巻線電圧に対する制限装置（１７，２７）を有し、
    データメモリ（２９）にはメモリスペースが設けられており、該メモリスペースに制限装置（１７，２７）に対する限界値がファイルされており、
    制限装置（１７，２７）は動作モード切替装置（２８）によって選択的にまたは交互に前記メモリスペースに接続され、該当するメモリスペースにそれぞれファイルされている限界値が制限の際に使用される。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の調整装置において、制御回路（５）は、少なくとも１つの予制御装置（１６，２６）と接続された少なくとも１つの入力端子（１５，２５）を予制御信号に対して有しており、
    有利には調整歯車装置の駆動軸の回転数を表す予制御信号に対する入力端子（１５）、調整モータの平均負荷トルクを表す予制御信号に対する入力端子（２５）、および／または永久磁石ロータの回転により調整モータの巻線内に誘導される電圧（ＥＭＫ）を表す予制御信号に対する入力端子が設けられている。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の調整装置において、データメモリは少なくとも２つのメモリ領域を有し、当該メモリ領域には予制御装置に対する予制御係数の種々異なる集合がファイルされており、
    予制御装置は動作モード切替装置（２８）によって選択的にまたは交互に前記データメモリ領域の１つと接続され、
    該当するデータメモリ領域にそれぞれファイルされている予制御係数集合が、少なくとも１つの予制御信号の発生の際に使用される。

Images