JP2011074913A - カム反作用力を用いるカムシャフト移相制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確なカムシャフト角度位置を維持すること及び動作温度を拡張すること、および、環境汚染物質の放出を減らすためにエンジン始動前または始動中にカム位相角を調節する必要がある。
【解決手段】セルフロック機構を有する電気・機械的なカムシャフト移相装置３０のための制御方法を提供する。この制御方法は、電気・機械的なカムシャフト移相装置３０の摩擦性セルフロックの特徴と連係してカムシャフト１２反作用トルクを活用することにより、制御構造を簡単化しかつ関連した電気マシーンに要求される作動トルクを軽減し、その結果、電気マシーンのサイズを小さくする。
【選択図】図１

Description

本願は、２００９年９月３０日出願米国仮出願第６１/２４７，２２９号に対する優先権を主張し、その全開示は参照により本願に組み入れられる。

本願は、２００７年９月１８日出願のＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８７５５でありＷＯ２００８／０３６６５０Ａ１として公表されている米国国内段階としての２００９年３月１８日出願米国出願第１２／４４１，８４１号に関係する。

本願は、２００７年１２月４日出願のＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２４８２２でありＷＯ２００８／０７００６６Ａ１として公表されている米国国内段階としての、２００９年６月５日出願米国出願第１２／５１７，９２０号に関係する。

本願は、２００７年１０月９日出願米国仮出願第６０／９７８，５６８号に関係する。

本願は、２００８年１２月１１日出願米国仮出願第６１／１２１，６９４号に関係する。

本発明は、一般的に内燃機関に用いるためのカムシャフト調整機構に関し、特に、カム反作用トルクを利用して電気・機械的カムシャフト移相装置を制御する制御構造に関する。

カムシャフト移相装置は、ガソリンエンジンにさらにしばしば用いられ、燃料経済と排出ガス品質を改善するためにバルブタイミングを変える。カムシャフト移相装置には多くの種類がある。カムシャフト移相装置が一般に知られた現在の応用である。これらの液圧カムシャフト移相器に対する主たる挑戦には、低速動作におけて要求されるスルーレート（ｓｌｅｗ ｒａｔｅ）を得ること、正確なカムシャフト角度位置を維持すること及び動作温度を拡張することが含まれる。環境汚染物質の放出を減らすためにエンジン始動前または始動中にカム位相角を調節することが大いに望まれる。このために、カムシャフト移相装置をエンジン始動前または始動中に制御する必要がある。これらの困難点は電気・機械的カムシャフト移相装置により克服することができる。

特許協力条約出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７８７５５には、電気・機械的カムシャフト移相装置（ｅＣＰＳ）が開示されている。その装置は３シャフト・ギアユニットと電気マシーン（electric machine）を備えている。入力シャフトと出力シャフトと制御シャフトとを備えた３シャフト・ギアユニットは、摩擦性セルフロック機構を特徴とする。出力シャフトは、制御シャフトにトルクが加わっていなければ入力シャフトへロックされる。エンジンＥＣＵから命令を受けたとき制御シャフトに連結された電気マシーンは、所望の性能対象を達成するように３つのモードで動作できる。その３モードは、電気マシーンが制御シャフトにトルクを課さない中性モード、電気マシーンが制御シャフトに駆動トルクを課すモータリングモード（motoring mode）及び電気マシーンが制御シャフトにブレーキトルクを課す生成モードを含む。

同様に、特許協力条約出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２４８２２には、電気・機械的カムシャフト移相装置のための制御構造が開示されている。その制御構造は、フィードフォワードループとフィードバックループの両方を用い電気マシーン用の制御信号を発生し、このようにして３つの異なる動作モードを実現するためｅＣＰＳのための具体的手段を提供している。

簡単に述べると、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方法と、特にセルフロック機構付きの電気・機械的カムシャフト移相装置のための制御方法を提供する。この制御方法は、ｅＣＰＳ摩擦性セルフロック特徴と連係してカムシャフト反作用トルクを活用して、制御構造を簡単化し、電気マシーンに要求される作動トルクを減らしその結果、電気マシーンのサイズを減らす。

本開示のカムシャフト移相装置は、入力シャフト、出力シャフト及び入力シャフトと出力シャフト間位相角を調整するための制御シャフトを有する同軸配置の3シャフト・ギアシステムを含む。入力シャフトはエンジンクランクシャフトと結合され、出力シャフトはカムシャフトと結合され、かつ制御シャフトは電気マシーンの回転機と結合されている。制御方法は、いわゆるトルク・時間に基づく制御構造から展開されている。システムの動的応答、従ってカムシャフトの所望の位相角は制御器によって制御されかつ維持される。その制御器は受信信号に基づき一定振幅と可変幅をもつトルク命令を発生する。その受信信号は、基準値からのカム位相ずれ角の偏移として定義されるカムシャフト位相角の誤差を含む。そのトルク命令（例えば電圧信号）は次いで電気マシーンによって、カムシャフト移相装置の制御シャフトに加えられる電気・機械的トルクに変換される。トルク印加の時間長はトルク命令のパルス幅によって決まる。

本開示の1つの実施例では、トルク命令は連続的にまたは段階的にカムシャフト速度に基づき振幅が変更可能な指定の定数であってもよい。

本開示の1つの実施例では、トルク命令は、制御シャフトで反射されるカムシャフト反作用トルクの振幅よりも小さくてよい。

本開示の1つの実施例では、制御器は、セルフロック機構が働いていると判別されるときエネルギ節約のためトルク命令をオフにするオンオフスイッチを含む。

本好適実施例のみならず、本開示に記述した上記特徴及び利点は、添付図面に関して以下の記述を読むことからさらに明白になるであろう。

添付図面において：
電気・機械的カム移相装置を制御するための本開示の制御構造を模式的に例示する。 本開示の入力シャフト、出力シャフト、制御シャフト及び3個の同軸シャフト・ギアシステム間の相互連結を例示する。 3個の同軸シャフト・ギアシステム付き電気・機械的カム移相装置の断面図を例示する。 入力シャフトに対する出力シャフトのトルク、角移相速度及びシフト角度のプロットを例示する。 電気・機械的カム移相装置を制御するための本開示の代替制御構造を模式的に例示する。

図面の数枚の図を通して対応参照数字は対応部品を示す。図面は本開示に陳述の概念を例示するためのものであって、規模即ちスケールに対するものではないことを理解されたい。

本発明の実施例を詳細に説明する前に、本発明はその応用において、以下の説明または図面に例示の構成の詳細と部品の配置に限定されないことを理解されたい。

次の詳細な説明は発明を例による例示であって、限定による例示ではない。この説明は、当業者が本開示をなしかつ使用することを可能にし、また数個の実施例、適応例、変更例、代替例及び本開示の用途を記述し、本開示を実施する最良形態であると現に信じられるものを含む。

図、特に図1を開くと、電気・機械的カム移相装置を制御するための制御構造が図示されている。図1に図示のシステムは、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40を備えている。その移相装置30は、図２と図３に図示のような3個の同軸配置の回転可能シャフトを有する3−シャフト・ギアシステムを含む。移相装置30に対する入力シャフト16は、スプロケット18とチェインドライブ（図示せず）を介してエンジンカムシャフト12に連結されている。移相装置30の出力シャフト1４は、エンジンカムシャフト１２に連結されている。移相装置30の制御シャフト34は電気マシーン３２の回転子31に結合されている。

移相装置30は、内臓の摩擦セルフロック機構を有し、その機構は出力シャフト14をして入力シャフト16をロックアップ即ち動かなくさせ、従って制御シャフト34にトルクがかかっていないと1対1の速度比を持つ2つのシャフト間にトルクを伝達させる。このような状態の下では、入力シャフト16と出力シャフト14との間には位相ずれは全くない。入力シャフト16と出力シャフト14との間の摩擦ロックは、適切なトルクを制御シャフト34に加えることによってアンロック即ちロック解除ができるのみだ。

動作中、出力シャフト14から入力シャフト１６をアンロックするに要するトルクは、制御器40から電気マシーンが受けたトルク命令に応答して制御シャフト34に結合された電気マシーンによって発生される。移相装置30がアンロックされるときは、入力シャフト16と出力シャフト14の速度間に僅かな差があってもよい。このことによって、出力シャフト14に連結されたカムシャフト12は、入力シャフト16に関しては角度位置を移動することができる。

エンジン10におけるバルブばねからカムシャフトに対する反作用トルクの周期性は、電気マシーン32により制御シャフト34に発生するように要求される作動トルクを減らすためにセルフロック機構からの摩擦トルクの抵抗性と連係して、利用することができる。

図4をみると、Ｔ_Ｃはカムシャフト反作用トルクを表し、Ｔ_Ｅは実効電気マシーン作動トルクを表し、かつＴ_Ｒは実効抵抗性トルクを表すことがわかろう。「実効」の語句はトルク値がその原点から変換され、かつカムシャフト上で見られるかまたは測定されることを意味する。最大摩擦抵抗性トルクは合理的にはＴ_Ｒｍａｘ＝ｑＴ_Ｃと表され、ここでｑ＞1、ギア列がセルフロック特徴を有するものに対する。反作用トルクＴ_Ｃの変化が図4に図示の方形波に追随し、かつ作動方向がトルクと速度に対し正方向であると仮定する。作動トルクを軽減するにあたり摩擦抵抗トルクを活用するため、
［数１］ Ｔ_Ｅ＜Ｔ_Ｃ
と設定し、かつｑは次式を満たすように選択する。
［数２］ Ｔ_Ｅ ＞（q-1）Ｔ_Ｃ

このようにして、反作用トルクＴ_Ｃが作動トルクＴ_Ｅと整列していると次式を得る。
［数３］ Ｔ_Ｅ＋Ｔ_Ｃ ＞ qＴ_Ｃ＝Ｔ_Ｒｍａｘ
Ｔ_Ｅ＋Ｔ_ＣはＴ_Ｒｍａｘを克服して、ギア列をアンロックしかつ入力シャフト１６に関し出力シャフト１４を加速する。従って、出力シャフト１４は正方向に位相角を移し始める。反作用トルクＴ_Ｃが方向を変えるとそのトルクは作動トルクＴ_Ｅに対抗して働く。
［数４］ Ｔ_Ｅ<Ｔ_Ｃ<Ｔ_Ｃ+Ｔ_Ｒｍａｘ
であるから、Ｔ_Ｃ+Ｔ_ＲｍａｘはＴ_Ｅを引き継ぎ、かつ出力シャフト１４が入力シャフト１６と同一速度に達するまで入力シャフト１６に関し出力シャフト１４をスロウーダウンする。減速度中、出力シャフト１４は、入力シャフト１６に関し、位相差がゼロになるまで正方向に段階的に調整し続ける。この位相差ゼロ時点で抵抗性トルクＴ_Ｒは方向を反転し、Ｔ_Ｅを助けて作動トルクＴ_Ｅと反作用トルクＴ_Ｃ間の平衡を維持する即ち、次式を維持する。
［数５］ Ｔ_Ｅ＋Ｔ_Ｒ＝Ｔ_Ｃ

出力シャフト１４は、反作用トルクＴ_Ｃが次のサイクル中に再び正になるまで、入力シャフト１６に関して位相を変えない。図４は入力シャフト１６に対する、トルクと位相角シフト速度と出力シャフト１４のシフト角度を例示している。作動中反作用トルクＴ_Ｃの各サイクルに対して3つのレジーム即ち定型が識別される。これらのレジームはそれぞれ加速度レジーム、減速度レジーム及びドエル（dwell）レジームと称される。サイクルあたりの位相角シフトは作動トルクＴ_Ｅの振幅とともに変わり、作動中にシフトした累積位相角は作動トルクＴ_Ｅの振幅と期間との両方の関数である。このことによって、トルク・時間に基づく制御構造の基礎をつくっている。

実際のアプリケーションにおいて、反作用トルクＴ_Ｃの変化は理想的方形波フォームに追従しない。また、ドエルレジームと加速度レジーム間と加速度レジームと減速度レジーム間の遷移は反作用トルクＴ_Ｃのゼロクロス点と一致しないかもしれない。しかしながら、このことはトルク・時間に基づく制御構造を変えない。

本開示のトルク・時間に基づく制御構造を実施するために、制御器４０は、電圧信号であってよいトルク命令を、エンジンECU２０とカムシャフト角度センサから受信した情報に基づいて発生する。受信情報は、限定はされないが、カムシャフト移相角設定点（基準）と、角度位置センサ信号から測定されかつまたは計算された実際のカムシャフト移相角を含む。実際のカムシャフト移相角は基準値と比較され差（誤差）信号を発生する。その差信号即ち誤差信号はそこで補償器に供給され、Ｔ_Ｅに対する選択値を超えない限定振幅を持つトルク命令を発生する。この値は最大反作用トルクＴ_Ｃより低くてよいが、最大摩擦トルクと最大反作用トルク間差分より高い必要がある。アプリケーションによっては、選択された作動トルクＴ_Ｅの振幅はエンジン速度または他の条件に適合するように調整されてもよい。作動トルク命令の期間は制御器４０のタイミングロジックによって制御されかつ誤差信号に基づいている。

制御器４０により発生されたトルク命令は次いで、制御器４０に送られた誤差信号を減らすためカムシャフト角を制御しかつ調整するための電気マシーンに命令するために用いられる。そのようにするうちに所望のカムシャフト位相シフトが達成される。

希望すれば、トルク・時間に基づく制御器４０が図５に図示されるようにさらにPID補償器４２を備えてよい。その補償器は主として、比例及び微分制御器(PD)であってよい。加えて、図５にさらに図示されるように、制御器４０はさらに、予測トルク擾乱を処理かつ計算するためのフィード・フォワード・ブランチ（即ち処理器）４４を備えてよい。その結果生じる信号はフィード・フォワードされ、PID 制御器の出力信号と組み合わせられ、電気マシーン３２の動作を制御するトルク命令信号のベースを形成する。

上述したように移相装置３０はセルフロック機構を特徴としているので、実際のカム位相ずれ角が所望値（基準値または設定点）に近接しているときエネルギ節約のため制御器４０と電気マシーン３２をオフにすることが可能である。このことは例えば、制御器４０から信号を、ゼロトルク出力を命令する電気マシーン３２へ送ることによって行われる。

基準入力におけるインパルスの効果（突然変化）を軽減するように、PID補償器４２の微分部をフィードバック経路に移すこともまた可能である。

当業者ならば、本開示の制御システムは、モデル予測制御器（MPC）のような代替制御則を用いて他のタイプの補償器でもって実行しPID補償器４２に代えてよいことが認識されよう。

本発明は、本トルク・時間に基づく制御構造から導入できる他の実施例を含むことが可能である。

本開示の範囲を逸脱することなく上記構成にさまざまな変更がなし得るから、上記説明または添付図面に包含されるすべての事項は、例示として解釈され、限定的に解釈されないことを意図する。

１０ エンジン
１２ カムシャフト
１４ 出力シャフト
１６ 入力シャフト
２０ エンジン制御ユニット
３０ 移相装置
３２ 電気マシーン
３４ 制御シャフト
４０ 制御器
４２ PID
４４ フィードフォワードブランチ（処理器）

Claims (14)

1. カムシャフト移相装置であって、
   エンジンから駆動トルクを受ける入力シャフトと、前記駆動トルクをカムシャフトに伝達する出力シャフトと、前記入力シャフトと前記出力シャフト間の位相角を調整するように構成された制御シャフトとを有する、同軸配置された３シャフト・ギアシステムと；
   前記制御シャフトに作動的に結合された制御器であって、少なくとも１つの入力信号に応答してトルク命令を発生し、トルクの電磁ソースから前記制御シャフトに送られる作動トルクを調節して前記出力シャフトに対する前記入力シャフトの位相角をロックする前記制御シャフト上の摩擦トルクを克服する、前記制御器を備え；
   前記カムシャフトで反射される実効作動トルクが、前記カムシャフトからの前記出力シャフトへの最大反作用トルクよりも小さいが、前記カムシャフトから見た、前記最大反作用トルクと最大実効摩擦トルク間差より大きくなるように、前記発生トルク命令が、前記トルクの電磁ソースから前記制御シャフトに送られる作動トルクを調節するように選択されることを特徴とする前記カムシャフト移相装置。
2. 前記制御器はトルク・時間に基づく制御構造である請求項１のカムシャフト移相装置。
3. 前記少なくとも１つの入力信号は１組の入力信号から選択され、該１組の入力信号は、カムシャフト位相角差（誤差）信号と、エンジン速度信号と、トルク負荷信号と、前記カムシャフトの角度位置信号と、前記入力及び出力シャフト間の相対速度信号を、限定的ではなく含む、請求項１のカムシャフト移相装置。
4. 前記トルク電磁ソースは、前記制御器からのトルク命令によって調節される電気マシーンであって、前記制御シャフトに前記作動トルクを加えるように構成された前記電気マシーンである、請求項１のカムシャフト移相装置。
5. 前記トルク命令は、システムトルクにおける予測擾乱を補償するためのフィードフォワード成分を含む、請求項１のカムシャフト移相装置。
6. 前記トルク命令は、前記入力信号のインパルス（突然変化）を補償するためのフィードバック成分を含む、請求項１のカムシャフト移相装置。
7. 前記制御シャフトは、トルクの電磁ソースから任意の作動トルクがないと前記摩擦トルク付の前記入力シャフトと前記出力シャフトを位相ロックするように構成された摩擦セルフロック機構を含み、該機構が前記入力シャフトから前記出力シャフトへ前記駆動トルクを伝達し、前記摩擦セルフロック機構に前記作動トルクを加えると、前記出力シャフトに対して前記入力シャフトの前記位相角を選択的にアンロックする、請求項１のカムシャフト移相装置。
8. 前記制御器は、前記少なくとも１つの入力信号に応答してトルク調整信号を発生するPID補償器を含み、該PID補償器が比例及び微分制御器から成り、
   前記制御器はさらに、前記トルク調整信号を受信し、かつ前記トルク命令を発生して前記トルク電磁ソースから制御シャフトに送られる作動トルクを調節するための信号振幅及びタイミングの制御ロジックを含む、請求項１のカムシャフト移相装置。
9. 前記制御器はさらに、フィードフォワード処理ブランチを含み、該フィードフォワード処理ブランチは、予測トルク擾乱を評価し、かつ前記振幅及びタイミング制御ロジックによってトルク命令を発生する前に前記トルク調節信号と組み合わせるためのフィードフォワード信号成分を発生するように構成されている、請求項８のカムシャフト移相装置。
10. 前記反作用トルクは周期的であり、かつ前記トルク命令の振幅は、単一の反作用トルクサイクル中前記入力シャフトと前記出力シャフト間の前記位相角への調節を調整する、請求項１のカムシャフト移相装置。
11. 前記トルク命令の期間は、前記入力シャフトと前記出力シャフト間の前記位相角への全調節を調整する、請求項１のカムシャフト移相装置。
12. 前記位相角調節は、前記実効作動トルクと、前記最大実効摩擦トルクを超える前記反作用トルクとの組み合わせに応答して加速し、
    前記位相角調節は、前記反作用トルクと前記最大実効摩擦トルクとの組み合わせよりも小さい前記実効作動トルクに応答して減速し、かつ、
    前記実効作動トルクと、前記反作用トルクに等しい前記実効摩擦トルクとの組み合わせに応答して、前記位相角調節が不変のまま（ドエル）である、請求項１のカムシャフト移相装置。
13. 駆動トルクを受けるための入力シャフトと、駆動トルクを伝達する出力シャフトと、入力シャフトと出力シャフト間位相角を調節するための摩擦でロックされる制御シャフトとを有するカムシャフト移相装置を介して駆動されるカムシャフトに対するカムシャフト位相角の、トルク・時間により制御される変更のための方法において、
    調節されたカムシャフトから見た実効作動トルクがカムシャフトから出力シャフト上の最大周期的反作用トルクより小さく、しかも前記最大周期的反作用トルクと制御シャフトをロックする最大実効摩擦トルク間差よりも大きくなるように、入力シャフトと出力シャフト間位相角調整を可能化するため摩擦性ロックトルクを克服するように制御シャフトに加えられた作動トルクを調節することを含む前記変更方法。
14. 限定されないが、カムシャフト位相角誤差信号と、トルク負荷信号と、カムシャフトの角度位置信号と入力シャフトと出力シャフト間の相対的速度信号とを含む一組の入力信号から選択される少なくとも１つの入力信号に、制御シャフトに加えられた作動トルクを調節する前記ステップが応答する、トルク・時間により制御される、カムシャフト位相角変更のための請求項１３の方法。

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