(57)【要約】  電気機械式位相調整装置を用いてカムシャフトとクランクシャフト）との間の相対回転角（Φ）を制御する方法において、高速かつ精確な制御特性を得るために、相対回転角（Φ）を制御する第１制御ループに従属する、調整速度（Ω）を制御するための第２制御ループにて、目標調整速度（ΩＳＯＬＬ）と、少なくとも１つの測定量から計算した実際調整速度（ΩＩＳＴ）との間の調整速度制御偏差を計算する。調整速度制御偏差（ΔΩ）に依存し、回転角制御器（２３）に従属する調整速度制御器（２６）を用いて出力量を計算し、電気機械式アクチュエータ（１４）を用いた相対回転角（Φ）の調整にこの出力量を使用する。調整速度（Ω）の制御により、相対回転角（Φ）を高速かつ精確に調整することができる。さらに本発明では、相対回転角（Φ）を制御する位相制御装置が提供される。
2007530846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械式位相調整装置（１１）を用いてカムシャフト（１２）とクランクシャフト（５）との間の相対回転角（Φ）を制御する方法において、
該方法は、
−  第１制御ループにて、調整すべき目標回転角（ΦＳＯＬＬ）と、求めた実際回転角（ΦＩＳＴ）との間の回転角制御偏差（ΔΦ）を計算するステップと、
−  回転角制御器（２３）を用いて回転角制御偏差（ΔΦ）に依存する目標調整速度（ΩＳＯＬＬ）を計算するステップと、
−  第1制御ループに従属する第２制御ループにて、目標調整速度（ΩＳＯＬＬ）と、少なくとも１つの測定量から計算した実際調整速度（ΩＩＳＴ）との間の調整速度制御偏差（ΔΩ）を計算するステップと、
−  回転角制御器（２３）に従属する調整速度制御器（２６）を用いて調整速度制御偏差（ΔΩ）に依存する出力量を計算するステップと、
−  電気機械式アクチュエータ（１４）を用いて、先行するステップにて計算した量に依存し、回転角（Φ）を調整するステップを有することを特徴とする、
気機械式位相調整装置（１１）を用いてカムシャフト（１２）とクランクシャフト（５）との間の相対回転角（Φ）を制御する方法。
【請求項２】
前記実際調整速度（ΩＩＳＴ）を、少なくとも、前記アクチュエータ（１４）の回転数（ΩＳ）、ドライブシャフトまたは当該ドライブシャフトに結合されたシャフトの上位回転数（ΩＵＥ）から計算する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記上位回転数（ΩＵＥ）を少なくともクランクシャフト（５）の回転数（ΩＫ）から計算する、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記実際調整速度（ΩＩＳＴ）を観察モデル（２８）にて計算する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記の調整速度制御器（２６）の出力量は、前記のアクチュエータ（１４）の目標電流（ＩＳＯＬＬ）である、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
−  前記のアクチュエータ（１４）の目標電流（ＩＳＯＬＬ）と、測定した実際電流（ＩＩＳＴ）との間の電流制御偏差（ΔＩ）を、第２制御ループに従属する第３の制御ループにて計算するステップと、
−  回転角（Φ）を調整する前に前記の調整速度制御器（２６）に従属する電流制御器（３０）を用い、前記電流制御偏差（ΔＩ）に依存する操作量を計算する、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記目標電流（ＩＳＯＬＬ）を、最大電流値（ＩＭＡＸ）に制限する、
請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
カムシャフト（１２）とクランクシャフト（５）との間の相対回転角（Φ）を制御する位相調整装置（１１）おいて、
該装置は、
−  第１制御ループにて、調整すべき目標回転角（ΦＳＯＬＬ）と、求めた実際回転角（ΦＩＳＴ）との間の回転角制御偏差（ΔΦ）を計算する第１計算モジュール（２２）と、
−  回転角制御偏差（ΔΦ）に依存する目標調整速度（ΩＳＯＬＬ）を計算する回転角制御器（２３）と、
−  第1制御ループに従属する第２制御ループにて、目標調整速度（ΩＳＯＬＬ）と、少なくとも１つの測定量から計算した実際調整速度（ΩＩＳＴ）との間の調整速度制御偏差（ΔΩ）を計算する第２計算モジュール（２４）と、
−  回転角速度制御偏差（ΔΩ）に依存する出力量を計算する、回転角制御器（２３）に従属した調整速度制御器（２６）と、
−  回転角（Φ）を調整する電気機械式アクチュエータ（１４）とを有することを特徴とする、
カムシャフト（１２）とクランクシャフト（５）との間の相対回転角（Φ）を制御する位相調整装置（１１）。
【請求項９】
−  前記のアクチュエータ（１４）の目標電流（ＩＳＯＬＬ）と、測定した実際電流（ＩＩＳＴ）との間の電流制御偏差（ΔＩ）を第２の制御ループに従属する第３の制御ループにて計算する第３計算モジュール（２９）と、
−  回転角（Φ）を調整する前に前記電流制御偏差（ΔＩ）に依存する操作量を計算する、前記の調整速度制御器（２６）に従属した電流制御器（３０）とを有する、
請求項８に記載の位相調整装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータ（１４）は直流モータである、
請求項８または９に記載の位相調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械式位相調整装置を用いて、内燃機関におけるカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を制御する方法に関する。
【０００２】
上記の形式の電気機械式位相調整装置は、DE 100 38 354 A1またはDE 102 22 475 A1から公知である。このような位相調整装置は、内燃機関のカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角の調整に使用される。この回転角を調整することによって、インレットまたはアウトレットバルブの開放時間を狙いどおりに制御することができる。このことは、内燃機関を作動させる際に燃料消費および有害物質放出の点から見て有利であることが判明している。
【０００３】
DE 102 59 134 A1からは上記のような電気機械式位相調整装置に対する回転角カスケード制御（Verdrehwinkel-Kaskadenregelung）が公知であり、この回転角カスケード制御では、下位の制御ループ（unterlagerte Regelkreis）の制御量として、アクチュエータ回転数が使用される。このような回転角カスケード制御における欠点は、このアクチュエータ回転数が、回転角の時間変化から偏差してしまい、ひいては回転角  カスケード制御が、制御特性を悪くなってしまうことである。
【０００４】
このことから出発して、本発明の課題は、電気機械式位相調整装置を用いて、内燃機関におけるカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を高速かつ精確に制御する方法を提供することである。
【０００５】
上記の課題は、本発明により、請求項１の特徴部分に記載された特徴的構成を有する方法によって解決される。本発明の核心を成しているのは、まず、通例簡単に測定できる少なくとも１つの測定量から、以下では調整速度（Verstellgeschwindigkeit）と称する回転角の時間変化を計算し、これを制御量として使用することである。少なくとも１つの測定量から計算したこの実際調整速度は、目標調整速度と比較され、ここから得られる調整速度制御偏差を調整速度制御器に供給する。ここでこの制御器は、目標調整速度を設定する調整速度制御器に従属する。通例簡単に測定可能な少なくとも１つの測定量から上記の調整速度を計算することによって、煩雑かつコストのかかる直接的な測定は不要である。同時にこの方法では、制御量として回転角の時間変化を直接使用することができる。このことは、回転角の迅速かつ精確な調整特性に結びつく。
【０００６】
実際調整速度を請求項２にしたがって計算する場合、実際調整速度の計算に、位相調整装置の上位になる内燃機関の回転数が、算入されるため、外乱として作用する内燃機関の動作点変化は、遅延なく、また精確に補正されるか、または相対回転角の調整と同時に発生する内燃機関の動作点変化が、相対回転角の調整に使用される。
【０００７】
請求項３による上位回転数の計算は、簡単に行うことができる。それはこの上位回転数は、クランク軸の回転数の半分として得られるからである。
【０００８】
請求項４による観察モデルにおける計算により、実際調整速度の極めて正確な決定が可能である。それは、実際調整速度の計算における不精確さは、観察モデルにおいて補正されるからである。
【０００９】
請求項５による目標電流により、電流制御器を従属させることが可能である。
【００１０】
請求項６による、調整速度制御器に従属する電流制御器により、遅延なしにかつ精確にアクチュエータの電流に外乱を調整することができ、ひいてはアクチュエータの駆動トルクに調整することができる。外乱は、例えば、アクチュエータの抵抗の温度依存性によって発生し得る。
【００１１】
請求項７による目標電流の制限により、アクチュエータを過負荷から効果的に保護することができる。
【００１２】
本発明の別の課題は、内燃機関におけるカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を迅速かつ精確に制御する方法を実施する位相調整装置を提供することである。
【００１３】
この課題は、本発明により、請求項８の特徴部分に記載された特徴的構成を有する位相調整装置によって解決される。本発明の位相調整装置の利点は、カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を制御する本発明の方法に関連して上で説明した利点に相応する。
【００１４】
請求項９による発展形態により、請求項６に関連して述べた利点が得られる。
【００１５】
請求項１０による直流電動機により、上記の制御器の簡単な設計および調整が可能になる。
【００１６】
以下では本発明を実施例に基づき、図面に関連して詳しく説明する。ここで、
図１は、位相調整装置を有する内燃機関の基本図を示しており、
図２は、位相調整装置を用いてカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を制御する第１実施例の方法の概略図を示しており、
図３は、相対回転角を制御する第２実施例の方法の概略図を示しており、
図４は、相対回転角を制御する第３実施例の方法の概略図を示しており、
図５は、相対回転角を制御する第４実施例に方法の概略図を示している。
【００１７】
図１には公知のように構成された内燃機関１が示されている。内燃機関１には列に配置された複数のシリンダ２が含まれており、これらのシリンダにおいて１つずつのピストン３がガイドされる。各ピストン３はコネクティングロッド４により、クランクシャフト５に接続されている。ここでクランクシャフト５は、クランクシャフト回転軸６の周りに旋回可能に配置されている。クランクシャフト５の第１の端部には、クランクシャフトセンサ７が配置されており、これは、クランクシャフト５の回転数ΩＫおよび回転角ΦＫを測定するために使用される。クランクシャフト５の第２の端部にはクランクシャフトプーリ８が配置されており、これは、コッグドベルト９を介してカムシャフトプーリ１０を駆動する。カムシャフトプーリ１０は、電気機械式位相調整装置１１およびカムシャフト１２に結合されている。
【００１８】
位相調整装置１１には、スワッシュプレート伝動装置（Taumelscheibegetriebe）１３と、直流モータの形態のアクチュエータ１４とが含まれており、ここでスワッシュプレート伝動装置１３は、カムシャフト１２の回転角ΦＮが調整可能であるように、直流モータ１４、カムシャフトプーリ１０およびカムシャフト１２に接続されている。スワッシュプレート伝動装置１３の詳細な構造についてはDE 100 38 354 A1およびDE 102 22 475 A1を参照されたい。
【００１９】
ここでは間隔を置いて配置された複数のカム１５がカムシャフト１２に沿い、固定されている。これらはカムは１つずつのバルブ１６を操作してシリンダ２にガスを出し入れする。カムシャフト１２の、カムシャフトプーリ１０とは反対側の端部にはカムシャフトセンサ１７が配置されており、これはカムシャフト１２の回転角ΦＮと回転数ΩＮを測定するために使用される。
【００２０】
位相調整装置１１にはさらに、制御および調整ユニット１８が含まれており、このユニットは、測定データを伝送するためにクランクシャフトセンサ７、カムシャフトセンサ１７、第１アクチュエータセンサ１９および第２アクチュエータセンサ２０に接続されている。第１アクチュエータセンサ１９は、直流モータ１４の回転角ΦＳおよび回転数ΩＳを測定するために使用され、第２アクチュエータ２０は、直流モータ１４の電機子電流ＩＳを測定するために使用される。直流モータ１４を駆動制御するため、制御および調整ユニット１８は、図示しないパワーエレクトロニクス回路に接続されており、このパワーエレクトロニクス回路により、直流モータ１４が作動される。直流モータ１４および駆動制御されるカムシャフトプーリ１０により、スワッシュプレート伝動装置１３を介し、カムシャフト回転軸２１の周りでカムシャフト１２が回転する。
【００２１】
バルブ１６の開き時間を変更するため、カムシャフト１２とクランクシャフト５との間の相対回転角Φを定める。これはΦ＝ΦＮ−ΦＫと計算される。調整速度Ωは、相対調整角Φの時間変化として°／秒の単位で定められる。例えば、調整速度Ωは、クランクシャフト５に関連しており、°クランクシャフト／秒の単位を有する。カムシャフトプーリ１０の回転数を以下では上位回転数（Ueberlagerungsdrehzahl）ΩＵＥと称する。クランクシャフト５とカムシャフトプーリ１０との間はコッグドベルト９によって固定して結合されているため、上位回転数は
ΩＵＥ ＝ ΩＫ／２
となる。位相調整装置１１の定常動作では、すなわち、相対回転角Φに変化が発生しない場合にはスワッシュプレート伝動装置１３の構造に起因して、直流モータ１４は、つねに上位回転数ΩＵＥ ＝ ΩＫ／２で回転し、これによってカムシャフト１２とクランクシャフト５との間の相対回転角Φは一定のままである。相対回転角Φを変更したい場合、直流モータ１４は回転方向に応じて、上位回転数ΩＵＥ ＝ ΩＫ／２よりも高速または低速に回転しなければならない。回転角Φの変化によって、バルブ１６の開き時間が変化し、これによって内燃機関１の動作特性が変化するのである。
【００２２】
以下では図２に関連して、位相調整装置１１の制御および調整ユニット１８に実現されている、相対回転角Φの制御方法を第１実施例にしたがって一層詳しく説明する。第１計算モジュール２２ではまず、調整すべき目標回転角ΦＳＯＬＬと、求めた実際回転角ΦＩＳＴとの間の回転角制御偏差ΔΦが計算される。回転角制御偏差ΔΦは、続いて回転角制御器２３に供給され、ここで回転角制御偏差ΔΦに依存する目標調整速度ΩＳＯＬＬが計算される。目標回転角ΦＳＯＬＬは、図示しない上位のエンジン制御部によってあらかじめ設定される。実際回転角ΦＩＳＴは、例えばDE 102 36 507Aから公知のように直接の測定によって求めることができるか、または例えばクランクシャフト５の回転角ΦＫ、カムシャフト１２の回転角ΦＮおよび直流モータ１４の回転角ΦＳなどの既存の測定量から計算することができる。実際回転角ΦＩＳＴの測定または計算が理想的に行われれば、これは相対回転角Φに等しい。
【００２３】
第２計算モジュール２４ではさらに目標調整速度ΩＳＯＬＬと、計算した実際調整速度ΩＩＳＴとの間の調整速度制御偏差ΔΩが計算される。実際調整速度ΩＩＳＴを計算するため、調整速度計算モジュール２５が設けられており、このモジュールでは、実際調整速度ΩＩＳＴが、直流モータ１４の測定した回転数ΩＳおよびカムシャフトプーリ１０の上位回転数ΩＵＥ＝ΩＫ／２に依存して計算される。実際調整速度ΩＩＳＴの計算が理想的に行われれば、これは調整速度Ωに等しい。調整速度制御偏差ΔΩは、回転角度制御器２３に従属する調整速度制御器２６に供給され、この調整速度制御器では、調整速度制御偏差ΔΩに依存する出力量が計算されて出力される。調整速度制御器２６のこの出力量は、直流モータ１４に電流を流す電圧に対する目標値であり、これは直流モータ１４の図示しないパワーエレクトロニクス回路によって調整される。調整速度制御器２６の出力量に依存して直流モータ１４は、調整すべき目標回転角ΦＳＯＬＬに到達しかつ調整角制御偏差ΔΦがゼロになるまで、スワッシュプレート伝動装置１３を介して回転角Φを調整する。回転角制御器２３は、回転角Φを制御する第１制御ループの一部であり、調整速度制御器２６は、調整速度Ωを制御する第２制御ループの一部である。ここで第２制御ループは、第１の制御ループにカスケード状に従属している。
【００２４】
調整速度Ωを制御することによって一方では、制御に対して外乱として作用する上位回転数ΩＵＥ（図２のスワッシュプレート伝動装置１３における矢印）の変化、すなわち、内燃機関の動作点の変化を遅延なしにかつ精確に、調整速度Ωを制御する従属の制御ループにおいて補正することができる。また他方では、上位回転数ΩＵＥの変化を、相対回転角Φの調整と同時に行われる動作点の変化の際に使用して、高速に調整することができる。これが可能であるのは、上位回転数ΩＵＥが実際調整速度ΩＩＳＴの計算に参入されるからである。調整速度Ωが直接制御されることによって、さらに可能になるのは、回転角度制御器２３および調整速度制御器２６に対して線形の制御器構造を使用することができることであり、これによって制御器２３，２６の設計およびバラメタ設定（Parametrierung）が簡単に可能になる。付加的に制御および調整ユニット１８における計算コストが少なく維持される。線形の制御器構造を適用することにより、制御器２３，２６のパラメタ設定を行う既知の手法を適用することができる。調整速度Ωの従属的な制御により、わずかのオーバシュートおよび極めて安定した制御精度で、回転角Φの制御を高速に定常化させることができる。付加的には制御器２３，２６の調整すべきパラメタの数を見通することができるため、制御器２３，２６のパラメタ設定は、ユーザにとってわかりやすく、ひいては簡単に行うことができるのである。
【００２５】
以下では、図３を参照して、制御および調整ユニット１８に実現され、回転角Φを制御する方法を第２実施例にしたがって説明する。第１実施例との実質的な違いは、調整速度制御器２６の出力量および直流モータ１４の回転数ΩＳが外乱補償部２７に供給され、ここで直流モータ１４の回転数ΩＳに依存する、直流モータ１４の自己誘導電圧が補償されることである。外乱補償部２７の出力量は、自己誘導電圧に依存して補償された、直流モータ１４に電流を流す電圧に対する目標値であり、この目標値は、パワーエレクトロニクス回路に供給され、この回路によって直流モータ１４において調整される。外乱補償部２７によって、回転角を制御するダイナミック特性を改善することができる。
【００２６】
以下では図４を参照して、制御および調整ユニット１８に実現され、回転角Φを制御する方法を第３実施例にしたがって説明する。第１および第２実施例との実質的な違いは、実際調整速度ΩＩＳＴが観察モデル２８で計算されることである。観察モデル２８では位相調整装置１１が少なくとも部分的にモデル化される。ここでは位相調整装置１１のモデル化された状態量、例えば実際調整速度ΩＩＳＴは、観察モデル２８の調整により、実際回転速ＩＳＴを用いてつねに補正される。観察モデル２８の調整によって防止されるのは、計算した実際調整速度ΩＩＳＴが、統合化されたシステム特性によって、真の調整速度Ωからドリフトしてずれることである。実際調整速度ΩＩＳＴは観察モデル２８において極めて精確に計算することが可能である。
【００２７】
以下では図５を参照して、制御および調整ユニット１８に実現され、回転角Φを制御する方法を第４実施例にしたがって説明する。前の実施例との実質的の違いは、調整速度制御器２６の出力量が、直流モータ１４の目標電流ＩＳＯＬＬとして解釈され、第３の計算モジュール２９においてまず、直流モータ１４の目標電流ＩＳＯＬＬと、測定した実際電流ＩＩＳＴとの間の制御偏差ΔＩが計算されることである。引き続き、調整速度制御器２６に従属する電流制御器３０において、電流制御偏差ΔＩに依存する、回転角Φを調整するための調整量が計算される。直流モータ１４の実際電流ＩＩＳＴの測定は、第２のアクチュエータセンサ２０によって行われる。実際電流ＩＩＳＴの測定が理想的に行われる場合、これは、直流モータ１４の電機子電流ＩＳに等しい。直流モータ１４の実際電流ＩＩＳＴを制御することによって、第１および第２制御ループに第３の制御ループが従属する。直流モータ１４の実際電流ＩＩＳＴを制御することによって、電機子電流ＩＳへの外乱、ひいては直流モータ１４の駆動トルクに遅延なくかつ精確に対して調整することができる。さらに電流制御器３０には電流制限部が設けられており、これは目標電流ＩＳＯＬＬを最大電流値ＩＭＡＸに制限することに使用され，これによって電機子電流ＩＳも制限される。この電流制限部により、直流モータ１４が過負荷から保護される。外乱補償部２７および観察モデル２８は、第４実施例による回転角Φを制御する方法と組み合わせることができる。
【００２８】
本発明の方法により、直流モータ１４の定格電力が５０Ｗの場合、２，５°クランクシャフト以下の最大許容オーバシュートで、９００°クランクシャフト／秒までの瞬時の調整速度Ωが可能になる。相対回転角Φの定常的な精度は、±１°クランクシャフト以下である。さらに本発明の方法により、外乱、例えば、外乱として作用するクランクシャフト５の回転数ΩKの変化を極めて良好に補正することができる。さらに電流制御器３０が設けられる場合、外乱が、直流モータ１４の電機子電流ＩＳに遅延なくかつ精確に調整される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】位相調整装置を有する内燃機関の基本図である。
【図２】位相調整装置を用いてカムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転角を制御する第１実施例の方法の概略図である。
【図３】相対回転角を制御する第２実施例の方法の概略図である。
【図４】相対回転角を制御する第３実施例の方法の概略図である。
【図５】相対回転角を制御する第４実施例の方法の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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