JP2010511839A - 電気機械的カムシャフト移相装置のための制御構造 - Google Patents

Abstract

カムシャフト移相装置（３０）は、入力軸（１６）、出力軸（１４）、及び入出力軸（１６，１４）間の位相角を調整するための制御軸（３４）を持つ同軸上に配置された３軸歯車システムを含む。制御構造は、トルクベース制御構造である。歯車システムの動的応答及び出力軸（１４）に関係するカムシャフト（１２）の望ましい位相角は、受信信号に基づきトルクコマンドを作る制御器（４０）により制御され調整される。これらの信号は、以下に限られないが、カムシャフト位相角誤差信号、トルク荷重、及び／又はカムシャフト（１２）の角度位置信号、及び入出力軸（１６，１４）間の相対速度信号を含む。トルクコマンドは、電気機械（３２）によりカムシャフト移相装置（３０）の制御軸（３４）に作用する電磁気トルクに変換される。トルクコマンドは、システムトルク中の既知の外乱を補償する前送り部分と、未知の外乱を補償する帰還部分との２つの部分を含む。

Description

本発明は一般に、内燃機関に使用するためのカムシャフト調整機構に関し、特に、電気機械的カムシャフト移相装置のための制御構造に関する。

カムシャフト移相装置は、燃料消費及び排気の質を改良するという恩恵のためバルブタイミングを変えるためにガソリンエンジンにおいてより頻繁に使われる。多くのタイプのカムシャフト移相装置が存在する。油圧調整器は、多くの現行適用例において共通に見られる。油圧調整器にとっての大きな挑戦は、低速運転時の回転速度を改良し、正確なカムシャフト角度位置を維持し、及び運転温度範囲を広げることが含まれる。加えて、高汚染物質排出を減らすために、エンジン始動前又は始動中にカム位相角を調整する事が非常に望ましい。これは、エンジン始動に先だって又は始動中にカムシャフト移相装置が制御される事を要求する。これらの挑戦は、電気機械的カムシャフト移相装置によってのみ適えられる。

共に係属し、ここに参照される２００７年９月１８日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８７５５（連続カムシャフト移相装置）において電気機械的カムシャフト移相装置（eＣＰＳ）は開示される。eＣＰＳ装置は、３軸歯車ユニットと電気機械を含む。エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）からの需要に従い、電気機械は、望ましい性能目的を達成するため、自然運転モード、電動機モード、発電モードの３つの利用可能モードの内の１つで運転される。本発明は、これらの運転モードを実現するためeＣＰＳ装置に具体的手段を提供する制御構造を開示する。他の類似の電気機械的カムシャフト移相装置の運転を調整するために開示された制御構造を付加的に適用できる。

ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８７５５

簡単に言うと、本開示は一般に、電気機械的カムシャフト移相装置のための制御構造を提供し、特に、自動ロック機構付き電気機械的カムシャフト移相装置のための制御構造を提供する。

本開示の１実施例において、カムシャフト移相装置は、入力軸、出力軸、及び入出力軸間の位相角を調整するための制御軸を持つ同軸上に配置された３軸歯車システムを含む。制御構造は、トルクベース制御構造である。歯車システムの動的応答及びカムシャフトの望ましい位相角は、受信信号に基づきトルクコマンドを作る制御器（又は補償器）により制御され調整される。これらの信号は、以下に限られないが、カムシャフト位相角誤差信号（基準値からのカム移相偏角）、トルク荷重、及び／又はカムシャフトの角度位置信号、及び入出力軸間の相対速度信号を含む。トルクコマンド（例えば電圧信号）は、電気機械によりカムシャフト移相装置の制御軸に作用する電磁気トルクに変換される。トルクコマンドは、システムトルク中の既知の外乱を補償する前送り部分と、未知の外乱を片付け、基準値変化を追跡する帰還部分との２つの部分を含む。選択的に、自動ロック機構が作動状態であると決定されるとき、制御器は、エネルギー節約のためトルクコマンドを切るためのオンオフスイッチを含むことができる。

好ましい実施例と同様に本記述において説明された前述の機能及び利点は、以下の付随図面と関係する記述を読むことからより明らかとなるであろう。

明細書の部分を形成する付随図面において、
本発明の電気機械的カム移相装置を制御するための好ましい制御構造のブロック図を示す。 電気機械的カム移相装置の断面図である。 図１の制御構造の入出力ダイアグラムである。 本発明の電気機械的カム移相装置を制御するための代替的制御構造のブロック図を示す。 対応する参照番号は、図面の数個の図を通して対応する部分を示す。図面は本開示で説明される概念を示すためで原寸に比例していない事は理解されるべきである。

以下の詳細の記述は、本発明を例によって示し、制限を目的としては示さない。この記述は、当業者が本開示を為し使えるようにし、本開示を実行する最良モードであると今信じられているものを含み、本開示の数個の実施例、改造物、変形、代替物、及び使用を記述する。

図面、特に図１に焦点を合わせて、電気機械的カム移相装置を制御するための好ましい制御構造を一般的に示す。図１に示されるシステムは、エンジン１０、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２０、移相装置３０、及び制御器（又は補償器）４０を含む。移相装置３０は、図２に描かれるような、３つの同軸上に配置された回転自在軸を有する３軸、ポジティブ(positive)差動歯車駆動である。入力軸１６は、スプロケット１８とチェーン駆動（図示されず）を通じてエンジンクランクシャフトに結合される。出力軸１４は、エンジンカムシャフト１２に結合される。制御軸３４は、電気機械３２の回転子に結合される。

移相装置は、組み込み式摩擦自動ロック機構を有し、それは出力軸１４が入力軸１６とロックする事を可能にし、それ故１：１速度比で２軸間にトルクを伝達する事を可能にする。この条件下、入力軸１６及び出力軸１４間に位相シフトは存在しない。入力軸１６と出力軸１４との間の摩擦ロックは、適切なトルクを制御軸３４に加えることによってのみロックを外すことができる。要求されるトルクは、電気機械３２により受け取られたトルクコマンドに応答する制御軸３４に結合された電気機械３２により作られる。移相装置のロックが外されるとき、入出力軸速間に僅かな差が存在する可能性がある。これは出力軸１４に結合されたカムシャフトに入力軸１６に対する角度位置のシフトを許す。

制御器（又は補償器）４０はトルクコマンドを作り、それは、制御器（又は補償器）４０により受け取られた情報に基づき、電圧信号又は如何なる他の適切な信号の形態でも存在しうる。受け取られた情報は、以下に限られないが、カムシャフト位相シフト設定点（基準）、又は実際の測定されたカムシャフト位相シフト及び／又は１以上の角度位置センサー信号から計算されたカムシャフト位相シフトを含むことができる。実際のカム位相シフト角は、差動（誤差）信号を作るために、基準値と比較される。差動又は誤差信号は、その後帰還トルク（トルク調整）コマンドを作るためにＰＩＤ補償器４２に通信される。この帰還トルクコマンドは今度は、ＰＩＤ補償器４２の入力への誤差信号を減らすためにカム位相角を制御及び調整するため電気機械に命令するため使われる。そうする中において、望まれるカム位相角は達成される。トルクベース制御構造について、ＰＩＤ補償器は主に比例―微分制御器（ＰＤ）である。

エンジン適用において、制御システムへの外乱があり得る。弁リフトイベントの間軸トルクは、カム位相角の関数として変化する。基準入力に対するシステム応答を改良し、及び外乱を同一確認し及び／又は拒否するためのシステムの能力を改良するために、如何なる知られた外乱をも補償するための前送りスキームを使うことはしばしば望ましい。故に、制御器（又は補償器）４０は、システム内の予想されるトルク外乱を処理し計算するため前送りブランチ（又はユニット）４４を更に含むことができる。結果の信号はＰＩＤ制御器の出力信号に前送り供給され、組み合わされ、トルクコマンド信号を形成する。又前送りトルクとして言及される予想トルク外乱は、２つの成分、Ｔ_{rq_static}とＴ_{rq_friction}とから決定される。Ｔ_{rq_friction}は、電流カムシャフトトルク荷重についての摩擦トルクを克服するのに必要な成分を表すが、Ｔ_{rq_static}は、３軸歯車駆動の摩擦のない静的平衡状態から計算される。Ｔ_{rq_friction}の符号は、制御軸３４と入力軸１６（出力軸１４）との間の相対速度によって決定される。図２に示される移相装置の開示された構成について、前送りトルクは次式のように計算される。

Ｔ_ffwd＝Ｔ_{rq_static}＋Ｔ_{rq_friction}＝（１−ＳＲ₀）・Ｔ_cam＋ｓｇn（ｖ）・ｆ（Ｔ_cam）

Ｔ_camは、カムシャフトトルク荷重で、カム位相角の関数で分析式により又は参照テーブルにより表現できる。関数ｆ（Ｔ_cam）が摩擦トルクＴ_{rq_friction}の大きさを表すが、値ｓｇn（ｖ）は、制御軸３４と入力軸１６との間の相対速ｖの符号を表す。

ＳＲ₀は、次式により与えられる、入力軸１６に対する出力軸１４の基底速度比である。

Ｎは下付文字S1,S2,P1及びP2で歯車の歯の数を示し、各々入力軸１６に結合された第１太陽歯車３１、出力軸１４に結合された第２太陽歯車３３、第１太陽歯車３１に係合する第１遊星歯車３５、及び第２太陽歯車３３に係合する第２遊星歯車３７を表す。図２に示されるように、第１及び第２遊星歯車３５、３７は、制御軸３４により支持され、制御軸３４と共に回転する共通遊星アセンブリー３９と共に一体的に形成され、維持される。

前述の通り、移相装置は、自動ロック機構を特徴とするので、実際のカム位相シフト角が望ましい値（基準値又は設定点）の近傍に有るとき、エネルギー節約のため制御器及び電気機械のスイッチを切ることは可能である。これは例えば、０トルクを電気機械に命令する事によって為される。図３は、シミュレーションでの制御器４０の代替的実施を示し、そこでは電源オンロジック及び電源スイッチが別のブロックに示される。

選択的に、ＰＩＤ補償器の微分部分を、基準入力中のインパルス(impulse)（急激な変化）の効果を減少させるために帰還路に移動できる。図４は、この選択的構成に対応する制御構造を示す。

ＰＩＤ補償器４２を置き換えるためにモデル予測制御器（ＭＰＣ）のような代替的制御法則を持った他のタイプの補償器を使うことも又可能であり、本発明は、電流トルクベース制御構造から導かれる他の実施例を含むことができる。

それらのプロセスを実践するためコンピューターで実施されるプロセス及び装置の形で部分的に本開示を具体化できる。フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ―ＲＯＭ，ハードドライブ、又は他のコンピューター読取可能保存媒体のような有形的表現媒体に具体化された命令を含むコンピュータープログラムコードの形で部分的に本開示を又具体化でき、コンピューター、マイクロプロセッサー又は論理回路のような電子装置によりコンピュータープログラムコードが読み込まれ、実行される時、その装置は、本開示を実践するための装置となる。

例えば保存媒体に保存され、コンピューターにより読み込まれ及び／又は実行され、又は電線若しくはケーブル、光ファイバー、若しくは電磁放射を介するような伝送媒体で伝送されるコンピュータープログラムコードの形で部分的に本開示を又具体化でき、コンピューターによりコンピュータープログラムコードが読み込まれ、実行される時、その装置は、本開示を実践するための装置となる。一般目的マイクロプロセッサーにおいて実施されるとき、コンピュータープログラムコードセグメントは、特定の論理回路を作るためマイクロプロセッサーを構成する。

本開示の範囲を逸脱する事無しに上記構成において種々の変更をなしえるので、上記記述に含まれた又は付属図面に示された全ての事は、説明のためであって特許請求の範囲を制限する意味ではない事が意図される。

Claims (12)

1. 入力軸、出力軸、及び前記入力軸と前記出力軸との間の位相角を調整するように構成された制御軸を有する同軸上に配置された３軸歯車システム；
   前記制御軸に動作可能に結合され、前記出力軸に対する前記入力軸の位相角のロックを外すために前記制御軸に対し適用電磁トルク源を調整するため少なくとも１つの入力信号に応答する制御器
   を含むカムシャフト移相装置。
2. 前記制御器は、トルクベース制御構造で動作する請求項１のカムシャフト移相装置。
3. 前記制御器は、前記少なくとも１つの複数の入力信号に応答して前記適用電磁トルク源に対しトルクコマンドを作るように構成された請求項１のカムシャフト移相装置。
4. 前記少なくとも１つの入力信号は、以下に限られないが、カムシャフト位相角誤差信号、トルク荷重信号、カムシャフトの角度位置信号、及び前記入出力軸間の相対速度信号を含む入力信号のセットから選ばれた請求項１のカムシャフト移相装置。
5. 前記適用電磁トルク源は、前記制御軸に前記電磁トルクを作用させるように構成され、前記制御器からのトルクコマンドにより調整された電気機械である請求項１のカムシャフト移相装置。
6. 前記トルクコマンドは、少なくともシステムトルク中の既知の外乱を補償する前送り成分と、少なくとも未知の外乱を補償し、基準入力を追跡する帰還成分とを含む請求項５のカムシャフト移相装置。
7. 前記トルクコマンドの前記前送り成分は、
   Ｔ_ffwd＝Ｔ_{rq_static}＋Ｔ_{rq_friction}＝（１−ＳＲ₀）・Ｔ_cam＋ｓｇn（ｖ）・ｆ（Ｔ_cam）
   
   のように計算され：
   ここで、Ｔ_{rq_static}は、前記移相装置の摩擦のない静的平衡状態に基づく制御軸に反映されたトルク荷重であり；
   Ｔ_{rq_friction}は、電流制御軸トルク荷重に対応する摩擦トルクを克服するのに必要な力であり；
   ＳＲ₀は、前記入力軸に対する前記出力軸の基底速度比であり；
   Ｔ_camは、カムシャフトトルク荷重であり；
   ｓｇn（ｖ）は、前記制御軸と前記入力軸との間の相対速ｖの符号を表し；及び
   ｆ（Ｔ_cam）は前記摩擦トルクＴ_{rq_friction}の大きさを表す
   請求項６のカムシャフト移相装置。
8. ＳＲ₀は、
   
   

   

   
   に従い計算され、
   Ｎは、各々前記入力軸に結合された第１太陽歯車、前記出力軸に結合された第２太陽歯車、前記第１太陽歯車に係合する第１遊星歯車、及び前記第２太陽歯車に係合する第２遊星歯車を表す下付文字S1,S2,P1及びP2で歯車の歯の数を示し；及び
   前記第１及び第２遊星歯車は、前記制御軸に結合された共通遊星キャリア(carrier)と一体である
   請求項７のカムシャフト移相装置。
9. 前記３軸歯車システムは、前記入力軸及び前記出力軸を位相ロックするように構成され、前記入力軸から前記出力軸へトルクを伝える摩擦自動ロック機構を含み；及び
   前記摩擦自動ロック機構の前記制御軸へのトルクの適用は、選択的に前記出力軸に対する前記入力軸の位相角のロックを解除する
   請求項１のカムシャフト移相装置。
10. 前記入力軸及び前記出力軸が前記制御軸により摩擦で位相ロックされ、同軸上に配置された入力軸、出力軸、及び制御軸を含むカムシャフト移相装置を通じて駆動されるカムシャフトのカムシャフト位相角を変更する方法であって、
    前記出力軸位相から前記入力軸位相のロックを解除する、前記制御軸へ加えられたトルクを調整するステップ
    を含む方法。
11. 前記制御軸へ加えられた前記トルクを調整する前記ステップは、以下に限られないが、カムシャフト位相角誤差信号、トルク荷重信号、カムシャフトの角度位置信号、及び前記入出力軸間の相対速度信号を含む入力信号のセットから選ばれた少なくとも１つの入力信号に応答するカムシャフト位相角を変更するための請求項１０の方法。
12. 前記制御軸へ加えられた前記トルクを調整する前記ステップは、前記制御軸に前記電磁トルクを作用させるように構成された電気機械の制御を含むカムシャフト位相角を変更するための請求項１０の方法。

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