JP2005351276A - カムシャフトに用いられる調節装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い耐用年数もしくは寿命が可能となるようにする。
【解決手段】調節モータが、調整回路６に接続されており、該調整回路６が、回動角の位相速度を調整するために形成されているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、往復動内燃機関のクランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回転角位置のための調節装置であって、調節伝動装置が設けられており、該調節伝動装置が、クランクシャフトに対して回転数一定の駆動軸と、カムシャフトに固定された被駆動軸と、調節モータのロータに相対回動不能に結合された調節軸とを備えた３軸伝動装置として形成されており、当該調節装置が、カムシャフトとクランクシャフトとの間の回動角を制限するためのストッパを有している形式のものに関する。

調節伝動装置としての周転円運動伝動装置と、調節モータとしてのＥＣモータとを備えた、冒頭で述べた形式の調節装置は、実際の使用から知られている。この装置はカムシャフト歯車を有している。このカムシャフト歯車は駆動チェーンを介して、内燃機関のクランクシャフトに相対回動不能に配置された歯車に駆動結合されている。この場合、カムシャフト歯車は回動可能にカムシャフトに支承されていて、調節伝動装置の駆動軸に相対回動不能に結合されている。調節伝動装置の被駆動軸はカムシャフトに相対回動不能に配置されており、調節軸は調節モータのロータに駆動結合されている。調節モータのステータは往復動内燃機関の機関ブロックに固く螺合されている。駆動軸の固定時には、調節軸と被駆動軸との間に、調節伝動装置によって設定された伝動装置変速比、いわゆる「固定伝動装置変速比」が付与される。調節軸が回転する場合には、カムシャフト歯車に対して相対的な調節軸の回転方向に応じて、駆動軸と被駆動軸との間で伝動装置変速比が増減する。これによって、クランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回転角位置の変化が生ぜしめられる。カムシャフト調節装置によって、カムシャフト調節装置なしの相応の往復動内燃機関に比べて、内燃機関のより良好なシリンダ充填が可能となる。これによって、燃料を節約することができ、有害物質排出を低減することができ、かつ／または内燃機関の出口管路を高めることができる。

調節装置における万が一の妨害事例の発生時でも、内燃機関の機関機能を維持することができるように、クランクシャフトに対して回転数一定の駆動軸に当接エレメントが結合されている。この当接エレメントは使用位置で、カムシャフトに固定された対応当接エレメントと協働する。ストッパによって、クランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回動角が、実際に有利な値範囲に制限される。当接・対応当接エレメントは、１つの対応当接エレメントが当接エレメントに対して位置決めされている場合に、規定された位相位置が得られるように配置されている。調節モータは制御装置に接続されている。この制御装置は、規定された状況、たとえば内燃機関の始動後に当接エレメントを１つの対応当接エレメントに対して位置決めし、これによって、位相補償調整が実施される。この場合、調節モータは最終段を介してパルス幅変調されて、設定されたパルス・休止比で制御される。しかし、このことは、調節モータが、付与されたバッテリ電圧およびモータ温度に応じて異なって通電され、したがって、異なるトルクおよび回転数を達成するという欠点を有している。したがって、対応当接エレメントに対する当接エレメントの位置決め時に、当接エレメントおよび／または対応当接エレメントの摩耗または損傷すら生ぜしめられ得る。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の調節装置を改良して、高い耐用年数もしくは寿命が可能となるようにすることである。

この課題を解決するために本発明の構成では、調節モータが、調整回路に接続されており、該調整回路が、回動角の位相速度を調整するために形成されているようにした。

これによって、有利には、回動角の位相速度が調節モータのその都度の運転条件と無関係であり、これによって、クランクシャフトに対して回転数一定の駆動軸に結合された当接エレメントが常にほぼ同じ速度で、調節伝動装置の、カムシャフトに固定された被駆動軸に結合された対応当接エレメントに対して位置決めされる。この場合、位相速度は、有利には、ストッパが確実に損傷されない最大の回動速度に相当している。

本発明の有利な構成では、調節軸と被駆動軸との間に駆動軸の固定時に固定伝動装置変速比が付与されるようになっており、当該調節装置が、クランクシャフト回転数信号を送出するための装置と、調節モータのロータ回転数ω_Ｅｍに対する回転数信号を送出するための装置とを有しており、両装置が、信号処理装置に接続されており、該信号処理装置が、ロータ回転数に対する目標値信号をクランクシャフト回転数信号と、固定伝動装置変速比と、位相速度に対する目標値とから発生させるために形成されており、目標値信号が、調整回路のロータ回転数目標値入力部に接続されている。位相速度νは、公式：
ν＝（ω_Ｃｎｋ−２・ω_Ｅｍ）／ｉ_ｇ
により規定することができる。この場合、ω_Ｃｎｋはクランクシャフトの回転数を意味しており、ω_Ｅｍは調節モータのロータ回転数を意味しており、ｉ_ｇは固定伝動装置変速比を意味している。所望の位相速度ν_Ｔｇｔから、各時点で、このために必要な目標速度：
ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}＝（ω_Ｃｎｋ−ｉ_ｇ・ν_Ｔｇｔ）／２
が算出される。したがって、カムシャフトの回転角位置のための調節装置を備えた往復動内燃機関において大抵いずれにせよ既存の、クランクシャフト回転数と調節モータのロータ回転数とを測定するためのセンサを、位相速度の調整のために一緒に使用することができる。

本発明の有利な構成では、調整回路が、運転モード切換スイッチによって少なくとも第１の運転モードと第２の運転モードとの間で切換可能であり、第１の運転モードで回動角の位相速度が調整されるようになっており、第２の運転モードで調節モータのロータ回転数が調整されるようになっている。この場合、第２の運転モードは、クランクシャフトで、たとえばフライホイールに配置されたリングギヤの歯を検出する誘導式のセンサによってクランクシャフト回転数を測定する内燃機関において、センサがまだリングギヤの歯を認識せず、かつ／またはクランクシャフト回転数に対する測定信号が、クランクシャフトの僅かな回転数に基づきまだ比較的激しく妨害されている限り、内燃機関の始動過程時に使用することができる。

調整回路が、運転モード切換スイッチによって少なくとも１つの別の運転モードに切換可能であり、該運転モードで調節モータのロータ回転数が、第２の運転モードの調整パラメータと異なる少なくとも１つの調整パラメータによって調整されるようになっていると有利である。これによって、調節モータのロータ回転数を調整するための調整パラメータを調節モータのその都度の運転状態に適合させることができ、これによって、ロータ回転数を調節装置の運転条件と十分に無関係にかつ特に調節伝動装置の伝動装置オイルの温度と十分に無関係に調整することができる。

本発明の有利な構成では、調節モータが電動モータであり、調整回路が、運転モード切換スイッチによって少なくとも１つの運転モードに切換可能であり、該運転モードで調節モータの運転電圧および／または運転電流が調整されるようになっている。この場合、調整は、調節モータのその都度の運転条件に一層良好に適合させることができる。

本発明の有利な構成では、運転モード切換スイッチが、往復動内燃機関の運転状態に関連した運転状態信号に対する少なくとも１つの入力部を有しており、該入力部が、往復動内燃機関の運転状態を確認するための装置に接続されており、調整回路の運転モードが、少なくとも１つの運転状態信号に関連して調整されるように、運転モード切換スイッチが形成されている。この場合、調整回路の運転モードは、たとえば内燃機関の運転温度に関連して調整することができる。この場合、調節モータの運転温度ひいてはモータ巻線の電気的な抵抗および調節伝動装置の伝動装置オイル温度が内燃機関の運転温度に関連していることから出発される。

調整回路が、調節モータのトルクに対する制限装置を有しており、該制限装置が、有利には、調節軸の調節時に生ぜしめられるトルク値に調和されており、これによって、トルクの制限が、１つのストッパに対する位置決め時にしか生ぜしめられないようになっていると有利である。この手段によって、調節軸がストッパに対して位置決めされている場合に、調節モータの出力消費ひいては加熱が制限される。この場合、さらに、自動車内に組み付けられた内燃機関では、自動車のバッテリも損傷されない。トルクの制限は、たとえば調節モータのバッテリ電流および／またはバッテリ電圧が、設定された最大値に制限されるように行われ得る。

本発明の有利な構成では、当該調節装置が、当接認識装置を有しており、該当接認識装置が、位相速度信号に対する第１の入力部と、制限装置に接続された、トルク制限信号に対する第２の入力部とを有しており、調節モータのトルクの制限時にかつ位相速度の同時の減少時に１つのストッパに対するカムシャフトの位置決めが検出されるように、当接認識装置が形成されている。この当接認識装置によって、簡単にストッパに対する調節軸の位置決めを検出しかつストッパに対応配置された既知の基準位置によって位相補償調整を実施することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

全体的に符号１で示した、往復動内燃機関（図示せず）のクランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回転角位置のための調節装置は、調節伝動装置を有している。この調節伝動装置は、クランクシャフトに対して回転数一定のもしくはコンスタントな回転数比を有する駆動軸と、カムシャフトに固定された被駆動軸と、調節軸とを備えた３軸伝動装置として形成されている。調節伝動装置は周転円運動伝動装置、有利には遊星機構伝動装置であってよい。

駆動軸はカムシャフト歯車２に相対回動不能に結合されている。このカムシャフト歯車２は、自体公知の形式で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相対回動不能に配置されたクランクシャフト歯車に駆動結合されている。被駆動軸はカムシャフト３に相対回動不能に結合されている。このカムシャフト３は、図１には部分的にしか示していない。調節軸は調節モータのロータに相対回動不能に結合されている。調節モータは、図１では、調節装置１の裏側に配置されている。調節伝動装置はカムシャフト歯車２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回動角もしくは角度ずれを制限するためには、調節装置がストッパを有している。このストッパは、駆動軸に固く結合された当接エレメント４と、対応当接エレメント５とによって形成されている。この対応当接エレメント５はカムシャフト３に固く結合されていて、使用位置で当接エレメント４と協働する。

調節モータとしてＥＣモータが設けられている。このＥＣモータは、回動角の位相速度を調整するために、図２に概略的に示した調整回路６に接続されている。この調整回路６は、往復動内燃機関の通常の運転において、位相速度が一方の対応当接エレメント５に対する当接エレメント４の位置決め時にその都度調整され、これによって、ストッパが確実に損傷されないように設計されている。

位相速度を調整するためには、クランクシャフトの回転数ω_Ｃｎｋと調節モータのロータ回転数ω_Ｅｍとがセンサによって測定される。このように検出された測定信号と、調節伝動装置の既知の固定伝動装置変速比もしくは単純歯車列速度比ｉ_ｇとから、信号処理装置７によって、調節モータのロータ回転数に対する目標値ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}：すなわち、
ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}＝（ω_Ｃｎｋ−ｉ_ｇ・ν_Ｔｇｔ）／２
が算出される。

クランクシャフトの回転数ω_Ｃｎｋは、有利には誘導式のセンサによって測定される。このセンサは、クランクシャフトで、たとえばフライホイールに配置されたリングギヤの歯の通過を検出する。調節モータのロータ回転数ω_Ｅｍ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面に配置された磁石セグメントの通過を検出する。

図２に認めることができるように、信号処理装置７はロータ回転数目標値信号ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}に対する出力部８を有している。この出力部８は調整器１０のロータ回転数目標値入力部９に接続されている。さらに、調整器１０は、ＥＣモータの磁界センサに接続された実際値入力部１１を有している。この実際値入力部１１には、調節モータの回転数測定信号ω_{Ｅｍ，Ａｃｔ}が供給される。調整器１０では、ロータ回転数目標値信号ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}と回転数測定信号ω_{Ｅｍ，Ａｃｔ}とによって調整偏差が形成される。この調整偏差に関連して、調節モータの巻線電流に対する信号Ｉ_Ｃｔｒｌが形成され、これによって、調節モータへの相応の巻線電流の送出時に調整偏差が減少させられる。巻線電流に対する信号Ｉ_Ｃｔｒｌは電流制限装置１２によって、許容可能な値範囲に制限される。

電流制限装置１２の出力部はＩ／Ｕコンバータ１３の入力部に接続されている。このＩ／Ｕコンバータ１３は、制限された巻線電流信号を、調節モータの巻線に印加したい電圧に対する相応の信号に変換する。この電圧は電圧制限装置１４によって、許容可能な値範囲に制限され、その後、最終段（図示せず）を介して調節モータの巻線に印加される。

調整回路は運転モード切換スイッチ１５によって第１の運転モードと第２の運転モードとの間で切換可能である。第１の運転モードでは、回動角の位相速度が調整され、第２の運転モードでは、調節モータのロータ回転数が調整される。運転モード切換スイッチ１５は、往復動内燃機関の運転状態に関連した運転状態信号に対する入力部１６を有している。運転モード切換スイッチ１５は、調整回路の運転モードが運転状態信号に関連して調整されるように形成されている。調節モータのロータ回転数が調整される第２の運転モードは、クランクシャフト回転数に対する測定信号がまだ付与されていないかまたはまだ比較的大きな妨害を付随している場合の内燃機関の始動段階の間に使用される。内燃機関の回転数が、設定された限界値を上回るやいなや、回動角の位相速度を調整するために、第１の運転モードへの切換が行われる。

図３〜図７には、位相角に対する実際値信号（図３参照）、調節伝動装置の３つの軸の回転数に対する信号（図４および図５参照）、巻線電流に対する信号（図６参照）および巻線電圧（図７参照）が、当接走行に対する１つの例につきグラフで示してある。図３に認めることができるように、当接走行の開始前（ｔ≦０．７ｓ）の位相角は約２８０゜のクランク角である（図３参照）。この場合、調節モータのロータ回転数と、カムシャフトの回転数と、調節モータの駆動軸の回転数とは、約２５００ｒｐｍである。

当接走行時には、３００゜のクランク角の目標位相速度が要求される。この所望の位相速度から、調節モータのロータ回転数ω_{Ｅｍ，Ｔｇｔ}に対する目標値が検出され、調節モータが相応に通電される。図４に示した破線に明確に認めることができるように、調節モータのロータ回転数はｔ＝０．７ｓ以降上昇している。これによって、カムシャフト３は、もはやカムシャフト歯車２の回転数で回転せず、図５に破線で示した、より僅かな回転数で回転する。これによって、ｔ＝０．７ｓの場合の２８０゜のクランク角の目下の位相角が、ｔ≧０．７４７ｓの場合の約２９０゜のクランク角に高められる。

ストッパへの到達時には、位相角はもはや十分に減少させられ得ない。したがって、調節モータのロータ回転数（図４に示した破線参照）が、ｔ≧０．７５３ｓの場合の約２５００ｒｐｍに戻される。この場合、調節モータの電流消費量ひいてはトルクは制限される。

このことを可能にするためには、調節装置１が当接認識装置１７を有している。この当接認識装置１７は、位相速度信号に対する第１の入力部と、電圧制限装置１４に接続された、トルク制限信号に対する第２の入力部とを有している。当接認識装置は、調節モータのトルクもしくは巻線電圧の制限時にかつ位相速度の同時の減少時に１つのストッパに対するカムシャフト３の位置決めが検出されるように形成されている。

図２に認めることができるように、当接認識装置１７は、対応当接エレメント５に対する当接エレメント４の位置決めの間の調節モータの電流消費量を減少させるために、電流制限装置１２に接続されている。

さらに付言しておくと、調整回路６と、運転モード切換スイッチ１５と、当接認識装置１７とは、コンピュータプログラムの形でマイクロコントローラに付与されていてもよい。

往復動内燃機関のクランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回転角位置を調節するための調節装置を示す図である。 カムシャフトとクランクシャフトとの間の回動角の位相速度を調整しならびに調節装置の電動式の調節モータの回転数を調整するための調整回路を示す図である。 位相角の経過のグラフであり、この場合、横座標には、時間が秒で示してあり、縦座標には、位相角がクランク角で示してある。 調節モータの回転数に対する目標値信号および実際値信号の経過のグラフであり、この場合、横座標には、時間が秒で示してあり、縦座標には、回転数が１分あたりの回転数で示してある。 調節装置の調節伝動装置の入力軸の回転数の経過（実線）およびカムシャフト回転数の経過（破線）のグラフであり、この場合、横座標には、時間が秒で示してあり、縦座標には、回転数が１分あたりの回転数で示してある。 調節モータの巻線電流のグラフであり、この場合、横座標には、時間が秒で示してあり、縦座標には、電流強さがアンペアで示してある。 調節モータの巻線電圧のグラフであり、この場合、横座標には、時間が秒で示してあり、縦座標には、電圧がボルトで示してある。

符号の説明

１ 調節装置、 ２ カムシャフト歯車、 ３ カムシャフト、 ４ 当接エレメント、 ５ 対応当接エレメント、 ６ 調整回路、 ７ 信号処理装置、 ８ 出力部、 ９ ロータ回転数目標値入力部、 １０ 調整器、 １１ 実際値入力部、 １２ 電流制限装置、 １３ Ｉ／Ｕコンバータ、 １４ 電圧制限装置、 １５ 運転モード切換スイッチ、 １６ 入力部、 １７ 当接認識装置

Claims (8)

1. 往復動内燃機関のクランクシャフトに対して相対的なカムシャフト（３）の回転角位置のための調節装置（１）であって、調節伝動装置が設けられており、該調節伝動装置が、クランクシャフトに対して回転数一定の駆動軸と、カムシャフトに固定された被駆動軸と、調節モータのロータに相対回動不能に結合された調節軸とを備えた３軸伝動装置として形成されており、当該調節装置が、カムシャフトとクランクシャフトとの間の回動角を制限するためのストッパを有している形式のものにおいて、調節モータが、調整回路（６）に接続されており、該調整回路（６）が、回動角の位相速度を調整するために形成されていることを特徴とする、往復動内燃機関のクランクシャフトに対して相対的なカムシャフトの回転角位置のための調節装置。
2. 調節軸と被駆動軸との間に駆動軸の固定時に固定伝動装置変速比が付与されるようになっており、当該調節装置（１）が、クランクシャフト回転数信号を送出するための装置と、調節モータのロータ回転数ω_Ｅｍに対する回転数信号を送出するための装置とを有しており、両装置が、信号処理装置（７）に接続されており、該信号処理装置（７）が、ロータ回転数に対する目標値信号をクランクシャフト回転数信号と、固定伝動装置変速比と、位相速度に対する目標値とから発生させるために形成されており、目標値信号が、調整回路（６）のロータ回転数目標値入力部（９）に接続されている、請求項１記載の調節装置。
3. 調整回路（６）が、運転モード切換スイッチ（１５）によって少なくとも第１の運転モードと第２の運転モードとの間で切換可能であり、第１の運転モードで回動角の位相速度が調整されるようになっており、第２の運転モードで調節モータのロータ回転数が調整されるようになっている、請求項１または２記載の調節装置。
4. 調整回路（６）が、運転モード切換スイッチ（１５）によって少なくとも１つの別の運転モードに切換可能であり、該運転モードで調節モータのロータ回転数が、第２の運転モードの調整パラメータと異なる少なくとも１つの調整パラメータによって調整されるようになっている、請求項１から３までのいずれか１項記載の調節装置。
5. 調節モータが電動モータであり、調整回路が、運転モード切換スイッチ（１５）によって少なくとも１つの運転モードに切換可能であり、該運転モードで調節モータの運転電圧および／または運転電流が調整されるようになっている、請求項１から４までのいずれか１項記載の調節装置。
6. 運転モード切換スイッチ（１５）が、往復動内燃機関の運転状態に関連した運転状態信号に対する少なくとも１つの入力部（１６）を有しており、該入力部が、往復動内燃機関の運転状態を確認するための装置に接続されており、調整回路の運転モードが、少なくとも１つの運転状態信号に関連して調整されるように、運転モード切換スイッチ（１５）が形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の調節装置。
7. 調整回路（６）が、調節モータのトルクに対する制限装置（１２，１４）を有しており、該制限装置（１２，１４）が、有利には、調節軸の調節時に生ぜしめられるトルク値に調和されており、これによって、トルクの制限が、１つのストッパに対する位置決め時にしか生ぜしめられないようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の調節装置。
8. 当該調節装置（１）が、当接認識装置（１７）を有しており、該当接認識装置（１７）が、位相速度信号に対する第１の入力部と、制限装置（１２，１４）に接続された、トルク制限信号に対する第２の入力部とを有しており、調節モータのトルクの制限時にかつ位相速度の同時の減少時に１つのストッパに対する位置決めが検出されるように、当接認識装置（１７）が形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の調節装置。

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