JP4108931B2 - 電気機械式調整機器の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特に内燃機関の制御のために設けられている、電気機械式調整機器の制御のための装置に関する。
【０００２】
例えばドイツ連邦共和国特許出願 DE 195 26 683 A1 明細書から公知の調整機器は、ガス交換バルブとして構成されている調整部材と調整駆動部とを有している。この調整駆動部は、２つの電磁石を有しており、それらの間でそれぞれ戻し手段の応力に抗してアーマチュアプレートがコイル電流の遮断によって保持側の電磁石に向けて可動であり、さらにコイル電流の投入によって吸引側電磁石に向けて可動となっている。それぞれの吸引側電磁石のコイル電流は、所定の吸引値により、所定の期間の間一定に保持され、その後でヒステリシスを有する２点制御によってホールド値に制御される。
【０００３】
益々厳しくなる自動車騒音の法定限界値と、エンジン音の静寂性に対する要求とで調整機器に対する統一規格としては、調整機器による騒音は自ずと僅かであることが前提とされる。その他にも統一規格として調整機器の長寿命が保証されなければならない。
【０００４】
本発明の課題は、電気機械式調整機器の制御のための装置において、アーマチュアプレートの電磁石への当接の際の騒音発生が最小であり、かつ調整機器の長寿命も同時に保証されるように改善を行うことである。
【０００５】
前記課題は請求項１の特徴部分に記載の本発明によって解決される。本発明の有利な構成例は従属請求項に記載されている。
【０００６】
電流の通流されるコイル（これにはアーマチュアの可動プレートが対応付けされている）のもとでは、非飽和磁気回路のもとに無視できる漂遊流のもとでコイルを流れる電流Ｉと、空隙長さｌと、アーマチュアの速度ｖとの間で一義的な関係が成り立つ。残りの磁気回路に対する空隙の支配的磁気抵抗のもとでは以下の関係式が成り立つ。
【０００７】
【数１】

【０００８】
この場合前記Ａは、電磁石のコアの当接面（そこにアーマチュアプレートが当接する）であり、
前記Ｎは、コイルの巻回数、
前記Ｐ_v,elは、電気的な損失電力、
前記μ0は、空気の透磁性である。
【０００９】
本発明は次のような考察に基づいている。すなわち電気的な損失電力Ｐ_v,elと電流Ｉの商が僅かである場合には、前記式（Ｇ１）の第１の被加数が前記式（Ｇ１）の第２の被加数に対して無視できることである。この電気的な損失電力Ｐ_v,elと電流Ｉの商は、コイルがフリーランニング動作モードにある場合にはほぼゼロとなる。それによりこのケースでは近似的に前記関係式（Ｇ１）から以下の関係式が得られる。
【００１０】
【数２】

【００１１】
それにより電流の時間導関数dI/dtとコイルを流れる電流Ｉに依存して、ゼロの空隙長さｌのもとでほぼ速度ｖゼロのソフトな衝突が、そのつどアーマチュアの目下の位置を検出する位置センサの設置を必要とすることなく達成される。また調整機器は、コアに対するアーマチュアプレートのそのつどのソフトな衝突によって極僅かな機械的負担しか求められないので自ずと長寿用が保証される。
【００１２】
制御器の調整信号は、コイルがフリーランニング動作モードの場合に求められる。このフリーランニング動作モードでは、コイルが出力調整器のフリーランニング回路を介して短絡される。このフリーランニングモードではコイルを流れる電流Ｉの測定がほぼ損失なしで実施可能である。それにより前記関係式（Ｇ２）によって与えられる関係式（Ｇ１）の近似が高精度を有するようになる。
【００１３】
電流の時間導関数ｄＩ／ｄｔとコイルを流れる電流Ｉとの所望の比からの偏差のもとでは、フリーランニングモードにおいて偏差の極性に依存してアクチュエータコイルへの時限的電気エネルギの導入かまたはアクチュエータコイルからの時限的導出がなされる。これに対してはフリーランニング動作モードが解除され、コイルが供給電圧に印加され（エネルギ導入ないし供給）または蓄積エネルギが供給電圧へ導出される（エネルギ導出）。
【００１４】
実施例
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。この場合、
図１は、内燃機関の調整機器の配置構成を示した図であり、
図２は、制御装置内に排泄されている制御器と、対応する出力調整要素のブロック回路図であり、
図３は、制御器の論理ユニットによって処理されるプログラムのフローチャートであり、
図４は、制御器の第２実施例であり、
図５は、図４による制御器の論理ユニットのブロック回路図であり、
図６ａ〜ｃは、コイルを流れる電流Ｉと、コイルの位置Ｘと、アーマチュアプレートの速度Ｖの信号経過が時間軸ｔに亘ってプロットされている信号経過図である。また全図を通して同じ構造や機能の構成要素には同じ符号が用いられている。
【００１５】
調整機器１（図１）は、調整駆動部１１と調整部材１２を含んでおり、この調整部材１２は例えばガス交換バルブとして構成されており、シャフト１２１と皿部を有している。調整駆動部１１は、ケーシング１１１を有しており、その中に第１の電磁石と第２の電磁石が設けられている。第１の電磁石は第１のコア１１２を有しており、該第１のコアに環状ナットと第１のコイル１１３が埋め込まれている。第２の電磁石は、第２のコア１１４を有しており、該第２のコアにはさらなる別の環状ナットと第２のコイル１１５が埋め込まれている。アーマチュアが設けられており、そのアーマチュアプレート１１６は、ケーシング１１１内で第１のコア１１２と第２のコア１１４の間に可動に配置されている。アーマチュアはさらにアーマチュアシャフト１１７を含んでおり、該アーマチュアシャフト１１７は、前記第１のコアと第２のコアの孔部を通って引き出されバルブのシャフト１２１と機械的に連結可能である。第１のスプリング１１８ａと第２のスプリング１１８ｂは、アーマチュアプレート１１６を所定の静止位置にバイアスしている。
【００１６】
調整機器１は、シリンダヘッド２１と剛性結合されている。このシリンダヘッド２１には吸気管２２と、ピストン２４を備えたシリンダ２３が対応付けされている。ピストン２４は、連接棒２５を介してクランク軸に結合されている。制御装置３が設けられており、該制御装置３は、センサからの信号を検出し調整信号を生成する。この調整信号に依存して調整機器１の第１または第２のコイル１１３，１１５が出力調整器５ａ，５ｂによって制御される。センサは第１の電流計４ａもしくは第２の電流計４ｂとして構成されており、第１の電流計４ａは、第１のコイル１１３を流れる電流を検出するかまたは出力調整器５ａ内の電流を検出し、第２の電流計４ｂは、第２のコイル１１５を流れる電流かまたは出力調整器５ｂ内の電流を検出する。前述したセンサの他にさらに別のセンサが設けられていてもよい。
【００１７】
図２には、本発明の理解に必要な制御装置３の主要部が示されている。制御器３ａが設けられており、この制御器３ａはコイル１１３（これは電流計４ａによって検出される）を流れる電流Ｉに依存して出力調整器５ａのための調整信号を生成している。
【００１８】
微分器３１では電流Ｉが微分されている。分周器３２では電流Ｉと電流Ｉの時間導関数ｄＩ／ｄｔの商が求められる。比較器３３が設けられており、その入力量は、所定の第１の閾値ＳＷ１と分周器３２の出力量である。この比較器３３の出力信号ＫＳは分周器３２の出力量よりも所定の第１の閾値ＳＷ１が小さい場合にはハイレベルＨとなる。その他の場合にはコンパレータ３３の出力信号はローレベルとなる。
【００１９】
論理ユニット３４が設けられており、該論理ユニット３４は、比較器３３の出力信号ＫＳと、発振器３５のクロック信号ＴＳ、及びさらなる動作パラメータに依存して出力調整器５ａの制御信号を生成する。この論理ユニット３４の構造はさらに以下の明細書で図３に基づいて説明する。
【００２０】
出力調整器５ａは、第１のトランジスタＴ１を有している。そのゲート端子は、論理ユニット３４の出力側と導電的に接続されている。この出力調整器５ａは、第２のトランジスタＴ２を有しており、そのゲート端子は論理ユニット３４と導電的に接続されている。第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２が設けられている。さらに抵抗Ｒが、第２のトランジスタＴ２のソース出力側と基準電位との間に配設されている。抵抗Ｒは、電流計４ａのための測定抵抗として用いられる。
【００２１】
第１のトランジスタＴ１のゲート端子にハイレベルＨの電流が印加された場合には、この第１のトランジスタはドレインからソースまでが導通される。さらに第２のトランジスタＴ２のゲート側端子にハイレベルＨの電流が印加された場合には、第２のトランジスタＴ２も導通する。第２のコイルにおいては、供給電圧Ｕ_Vが抵抗Ｒの電圧降下分だけ低下する。コイル１１３を流れる電流Ｉは、その後上昇する。
【００２２】
続いて第１のトランジスタＴ１のゲート側端子にローレベルの電流が供給された場合には、トランジスタＴ１が遮断されダイオードＤ２がフリーランニング状態で導通する。コイル１１３における電圧降下は、ダイオードＤ２とトランジスタＴ２の貫流電圧と抵抗Ｒにおける電圧降下によって定まる（例えば全体で２Ｖ）。従ってコイル１１３を流れる電流Ｉは、低減する。
【００２３】
第１のトランジスタＴ１のゲート側端子のレベルも、第２のトランジスタＴ２のゲート側端子のレベルもハイからローへ切換わる場合には、第１のダイオードＤ１も第２のダイオードＤ２も導通し、第１のコイルを流れる電流は非常に迅速に低減する(アンコミュテーション“abkommutierung”の実施)。出力調整器５ｂは、出力調整器５ａに類似して構成されている。
【００２４】
図３には、論理ユニット３４で処理されるプログラムのフローチャートが示されている。この場合このプログラムが配線論理制御形態で実現されているのかまたはマイクロコントローラによって処理されるのかは重要ではない。
【００２５】
ステップＳ１でこのプログラムが開始される。ステップＳ２では、コイルを流れる電流の定電流設定が行われる。すなわち電流が、所定の第１の期間ないし持続時間ＴＤ１の間第１の吸引値に制御される。それに対してヒステリシスを有する２点制御器が用いられる。
【００２６】
引続きステップＳ４では第１のトランジスタＴ１が遮断され、第２のトランジスタＴ２がスイッチオンされる。それによりコイルがフリーランニング動作モードで作動する。ステップＳ５では所定の第２の期間ないし持続時間ＴＤ２の間待機する。ステップＳ６では、コイル１１３を流れる電流Ｉがフリーランニングモードで最小限界電流Ｉ_Grenzを下回っているか否かが問合せされる。下回っていない場合には、ステップＳ７において第１の比較器３３の制御信号ＫＳがレベルＨであるか否かが問合せされる。レベルＨである場合には、アーマチュアが過度に速くそして第１及び第２のトランジスタＴ１，Ｔ２がステップＳ８において遮断される。すなわち“オフ”におかれ、エネルギが導出される。ステップＳ７の条件が満たされていない場合には、アーマチュアは過度に遅くそして第１及び第２のトランジスタＴ１，Ｔ２がステップＳ９において投入、すなわち“スイッチオン”され、それによってエネルギが供給される。ステップＳ９では、所定の第３の期間ないし持続時間ＴＤ３の間待機され、ステップＳ１０においては所定の第４の期間ないし持続時間ＴＤ４の間待機される。ステップＳ９とステップＳ１０の待機期間中は、トランジスタＴ１，Ｔ２の制御が不変のまま維持される。続いて当該プログラムがステップＳ４から続けられる。
【００２７】
ステップＳ６においてコイルを流れる電流が最小限界電流Ｉ_Grenzよりも小さい場合には、ステップＳ１１とＳ１２において、電流が所定の第５の期間ないし持続時間ＴＤ５の間、比較的高めの保持電流に設定される。それによりアーマチュアの確実な吸引が保証される。ステップＳ１３ではコイルを流れる電流が低めの保持電流に設定される。
【００２８】
当該プログラムは、ステップＳ１４で終了する。
【００２９】
図４には、制御器３ａの第２実施形態が示されている。図２のものとの違いは、第２の比較器３６が設けられている点であり、その出力信号は、所定の第２の閾値ＳＷ２と分周器３２の出力値に依存している。この実施形態に対応する論理ユニット３４の形態は、図５に示されている。
【００３０】
Ｄフリップフロップ３４１は、発振器３５のクロック信号ＴＳと比較器３３の出力信号に依存してＱ出力側からその出力信号を発する。さらなるＤフリップフロップ３４２が設けられている。そのＱ出力側からの出力信号は、発振器３５のクロック信号ＴＳと第２の比較器３６の出力信号に依存している。ＮＯＴゲート３４３の入力側は発振器３５と導電的に接続されており、出力側はＡＮＤゲート３４４の入力側の１つと導電的に接続されている。このＡＮＤゲート３４４の第２の入力側は、第２のＤフリップフロップ３４２の出力側と導電的に接続されている。
【００３１】
第１のＤフリップフロップ３４１の出力側は、第２のＮＯＴゲート３４５の入力側に接続されている。この第２のＮＯＴゲート３４５の出力側も発振器３５のようにＯＲゲート３４６と導電的に接続されている。ＡＮＤゲート３４４とＯＲゲート３４６の出力側は、第１のトランジスタＴ１のゲートないし第２のトランジスタＴ２のゲートに接続されている。場合によってはＡＮＤゲート３４４の出力側とＯＲゲート３４６の出力側の間で第１のトランジスタＴ１ないし第２のトランジスタＴ２のゲートにさらにそれぞれ１つのドライバが配設されてもよい。
【００３２】
図５による論理ユニット３４の構成によって、出力調整器はクロック信号ＴＳのレベルがハイレベルである場合には常にフリーランニング動作モードで作動する。クロック信号ＴＳがローレベルであるならば、３点制御が行われる。つまりトランジスタＴ１が遮断され第２のトランジスタＴ２がスイッチオンされるフリーランニングモードか、又は２つのトランジスタの導通モード（エネルギ供給）、もしくは２つのトランジスタ遮断モード（エネルギ導出モード）である。
【００３３】
第１及び第２の閾値ＳＷ１，ＳＷ２の代わりに、１つだけの閾値が設けられてもよい。また付加的に第１の比較器３３と第２の比較器３６のそれぞれの入力側にて所定の値が加算もしくは減算されてもよい。
【００３４】
図６のａには第１のコイル１１３を流れる電流の時間経過が時間軸ｔに亘ってプロットされている。図６のｂには、アーマチュアプレート１１６の位置Ｘが時間軸ｔに亘ってプロットされている。図６のｃにはアーマチュアプレート１１６の速度ｖが時間軸ｔに亘ってプロットされている。時点ｔ_0Aからアーマチュアプレート１１６がその開放位置Ｏ（すなわちその第２の電磁石との当接位置）からその閉鎖位置Ｃ（すなわち第１の電磁石との当接位置）に向けて振動を開始する。コイル１１３を流れる電流の第１の吸引値Ｉ＿Ｆ１は予め定められる。
【００３５】
第１のコイル１１３を流れる電流は、所定の第１の期間ＴＤ１の間（例えば２ｍｓ）、第１の吸引値Ｉ＿Ｆ１から設定される。時点ｔ₀からは第１のコイル１１３を流れる電流の制御が制御器３ａによって行われる。
【００３６】
時点ｔ_0Bから時点ｔ₁までは、コイル１１３はフリーランニング動作モードで作動される。この場合コイル１１３を通って流れる電流が検出され、電流の時間導関数が求められる。時点ｔ₁では、フリーランニング中に求められた電流Ｉと時間導関数ｄｉ／ｄｔの比が所定の第１の閾値ＳＷ１よりも大きい。それに従って第１のトランジスタＴ１も第２のトランジスタＴ２も遮断され、電流が急激に低下する。
【００３７】
時点ｔ２からは第１のコイル１１３が再びフリーランニング動作モードで駆動され、電流Ｉとその時間導関数ｄｉ/ｄｔが求められる。時点ｔ₃では、フリーランニング中に求められた電流Ｉの時間導関数と電流の比が所定の閾値ＳＷ１よりも小さい。それに従って第１のトランジスタＴ１も第２のトランジスタＴ２も導電的に切換えられ、コイルを流れる電流は時点ｔ₄まで上昇する。
【００３８】
時点ｔ₄から時点ｔ₅まではコイルは再びフリーランニング動作モードで作動する。時点ｔ₅からｔ₆まではトランジスタＴ１，Ｔ２の両方が遮断され、再びアンコミュテーションが行われる。時点ｔ₆から時点ｔ₇まではコイルが再びフリーランニング動作モードで作動する。時点ｔ₇から時点ｔ₈までは第１及び第２のトランジスタＴ１，Ｔ２が導通的に切換えられ、電流が時点ｔ₈まで上昇する。時点ｔ₈から時点ｔ₉まではコイルが再びフリーランニング動作モードで作動する。時点ｔ₉から時点ｔ₁₀までは再びアンコミュテーションが行われる。時点ｔ₁₀から時点ｔ₁₁まではコイルがフリーランニング動作モードで作動する。時点ｔ₁₁ではコイルを流れる電流Ｉがフリーランニングモードでコイルを流れる電流の限界値よりも小さい。この限界値は、フリーランニングモードにおいて第１のコイルにアーマチュアプレートが当接した際の試みにより求められた電流値である。この限界値は、固定的に設定された値であってもよいし、作動パラメータに依存して特性マップから求められたものであってもよい。
【００３９】
時点ｔ₁₁から時点ｔ₁₂では、コイルを流れる電流の目標値として、比較的高めのホールド値が設定され、図には示されていない制御器によって調整される。それによりアーマチュアプレートの確実な吸引が保証され、アーマチュアプレートの衝突が減衰される。
【００４０】
この比較的高めのホールド値は有利には、予め設定された期間の間設定され、コイルを流れる電流は時点ｔ₁₂から時点ｔ₁₃までの間、図には示されていない制御器によって保持値Ｉ＿_Hに制御される。
【００４１】
アーマチュアプレート１１６の速度Ｖ経過から明らかなことは、アーマチュアプレートがほぼ速度ゼロでもって第１の電磁石に当接することである。
【００４２】
本発明は、前述してきた実施例に限定されるものではない。例えば調整部材は、燃料噴射弁として構成されていてもよい。また各コイル毎にそれぞれ固有の制御器が設けられていてもよい。また電流Ｉの時間導関数と電流Ｉの商が所定の閾値を下回った場合に、コイル（１１３）を流れる電流が所定の閾値に高まるまで、コイルにエネルギが供給されてもよいし、商が所定の閾値を上回った場合に、コイル（１１３）を流れる電流が所定の閾値に低減するまで、コイルからエネルギが導出されてもよい。代替的にコイル１１３へのエネルギ供給またはコイル１１３からのエネルギ導出は、コイル１１３にて降下した電圧のレベルの変化によって行われてもよいし、あるいはコイル１１３の所定の電圧への切換えが行われてもよい。この電圧は供給電圧とは異なるものである。これらのコイルは、それぞれ所定のエネルギを供給または導出され得る。有利には、そのつどの供給ないし導出されるエネルギが監視者によって評価される。監視者はこのエネルギを例えば第１又は第２の閾値と、電流Ｉの導関数と電流Ｉとの商からの偏差に依存して評価する。
【００４３】
比較器の入力側に印加される第１及び第２の閾値は、選択的にシリンダ２３内の圧力などの特性量や、内燃機関ないし調整機器のさらなる作動パラメータに依存していてもよい。
【００４４】
また代替的に電流Ｉの導関数も比較器によって、電流Ｉ及び/又はさらなる作動パラメータに依存する閾値と比較されてもよい。
【００４５】
同様に前述した手段の任意の組合わせが行われてもよい。
【００４６】
制御器３ａは、安定型、時間離散型、Ｐ、ＰＩ、ＰＤ、ＰＩＤあるいはその他の公知の制御器として構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関の調整機器の配置構成を示した図である。
【図２】 制御装置内に排泄されている制御器と、対応する出力調整要素のブロック回路図である。
【図３】 制御器の論理ユニットによって処理されるプログラムのフローチャートである。
【図４】 制御器の第２実施例である。
【図５】 図４による制御器の論理ユニットのブロック回路図である。
【図６】 ａ〜ｃは、コイルを流れる電流Ｉと、コイルの位置Ｘと、アーマチュアプレートの速度Ｖの信号経過が時間軸ｔに亘ってプロットされている信号経過図である。

Claims (10)

1. 調整部材（１２）と調整駆動部（１１）を有している電気機械式調整機器の制御のための装置において、
   コイル（１１３）と可動アーマチュアと該アーマチュアに機械的に結合されている戻し手段とを有している電磁石と、
   制御器（３ａ）が設けられており、該制御器はコイル（１１３）に流れる電流に依存して出力調整器（５ａ，５ｂ）のための調整信号を生成し、
   フリーランニング動作モードにおいてアーマチュアの移動期間中に生成される調整信号が、コイル（１１３）を流れる電流と該電流の時間導関数に依存していることを特徴とする装置。
2. 前記調整信号は、アーマチュアがその移動終了までに所定の持続時間（ＴＤ１）よりも長く移動した場合に、フリーランニング動作モードで作動しているコイル（１１３）を流れる電流とその時間導関数に依存している、請求項１記載の装置。
3. フリーランニング動作モード中に、コイルにおける電位差が、出力調整器の導通モードの電子構成素子と抵抗Ｒにおける電位差によって与えられる、請求項１または２記載の装置。
4. 前記調整信号は、コイル（１１３）を流れる電流とその時間導関数の商に依存している、請求項１から３いずれか１項記載の装置。
5. 前記商が所定の閾値を下回っている場合には、コイルにエネルギが供給され、前記商が所定の閾値を上回っている場合には、コイルからエネルギが導出される、請求項４記載の装置。
6. 前記商が所定の閾値を下回っている場合には、コイルに所定の持続時間（ＴＤ２）の間エネルギが供給され、前記商が所定の閾値を上回っている場合には、コイルからエネルギが所定の持続時間（ＴＤ３）の間導出される、請求項４または５記載の装置。
7. 前記商が所定の閾値を下回っている場合には、コイル（１１３）を流れる電流が所定のさらなる閾値分だけ高まるまで、コイル（１１３）にエネルギが供給され、前記商が所定の閾値を上回っている場合には、コイル（１１３）を流れる電流が所定のさらなる閾値分だけ低減するまで、コイル（１１３）からエネルギが導出される、請求項４または５記載の装置。
8. 前記制御器（３ａ）は、２点制御器として構成されている、請求項１から７いずれか１項記載の装置。
9. 前記制御器（３ａ）は、３点制御器として構成されている、請求項１から７いずれか１項記載の装置。
10. 前記調整駆動部は、さらなるコイル（１１５）を備えたさらなる電磁石と、さらなる戻し手段を有しており、さらに前記さらなるコイル（１１５）を流れる電流を制御するさらなる制御器が設けられている、請求項１から９いずれか１項記載の装置。

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