(57)【要約】  ここに記載されているのは、クランクシャフトを備えかつ回転振動を伴う内燃機関を有するアクティブ回転振動減衰器を有するパワートレインと、アクティブ回転振動減衰を実行する方法である。このパワートレインは、回転振動減衰器（２）と、電気機械（５）とを有しており、上記の回転振動減衰器（２）は、クランクシャフトに作用結合されておりかつ回転振動の振動分離が少ない少なくとも１つの動作点を有しており、クランクシャフトに対応付けられている１次側振動質量体（３）と、この１次側振動質量体（３）に対向し、ばね装置（６）の作用に反し、相対的かつ制限的に回転可能な、変速器の変速器入力シャフト（９）に対応付けられている振動質量体（４）とを有しており、上記の電気機械（５）は、変速器入力シャフト（９）と作用結合された回転質量体および制御ユニットを有している。上記のばね装置（６）は、線形に形成されたばねから構成されており、上記の電気機械の回転質量体は、２次側振動質量体（４）として形成されており、電気機械は、制御装置により、少なくとも１つの動作点において発生する回転振動を伴う障害トルクを補償する補償トルクに制御可能である。
2014521540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトを備えかつ回転振動を伴う内燃機関を有するパワートレイン（１）であって、
前記パワートレインは、回転振動減衰器（２）と、電気機械（５）とを有しており、
前記クランクシャフトに作用結合されておりかつ前記回転振動の振動分離が弱い少なくとも１つの動作点を有する前記回転振動減衰器（２）は、
前記クランクシャフトに対応付けられている１次側振動質量体（３）と、
当該１次側振動質量体（３）に対向し、ばね装置（６）の作用に反し、相対的かつ制限的に回転可能な、変速器（１０）の変速器入力シャフト（９）に対応付けられている振動質量体（４）とを有しており、
前記電気機械（５）は、前記変速器入力シャフト（９）と作用結合された回転質量体および制御ユニットを有する、パワートレイン（１）において、
前記ばね装置（６）は、殊に周囲に分散されたコイルスプリング（８）のような線形に形成されたばねから構成されており、
前記電気機械（５）の前記回転質量体は、２次側振動質量体（４）として形成されており、
前記電気機械（５）は、前記制御装置により、少なくとも１つの動作点において発生する回転振動を伴う障害トルク（Ｔdyn）を補償する補償トルク（Ｔharm）に制御可能である、
ことを特徴とするパワートレイン（１）。
【請求項２】
請求項１に記載のパワートレイン（１）において、
前記回転振動減衰器（２）に対して並列および／または直列に少なくとも１つの別の減衰部材が設けられている、
ことを特徴とするパワートレイン（１）。
【請求項３】
請求項１に記載したパワートレインにおけるアクティブ回転振動減衰を実行する方法において、
前記少なくとも１つの動作点における複数のパラメタに基づき、前記回転振動減衰器（２）の後段の前記パワートレイン（１）の障害トルク（Ｔdyn）を求め、補償トルク（Ｔharm）を求め、前記電気機械（５）に前記補償トルク（Ｔharm）を印加する、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、
前記２次側振動質量体（４）の回転特性値を制御するＰ制御器を用いて前記補償トルク（Ｔharm）を制御する，
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の方法において、
少なくとも１つのセンサを用いて得た少なくとも１つのパラメタに依存して、前記障害トルク（Ｔdyn）を表すトルク振幅特性マップおよびトルク相特性マップを前記制御ユニットに記憶する、
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項３から５までのいずれか１項に記載の方法において、
前記内燃機関の上死点の検出器を用いてまたは別の既知のセンサデータから前記障害トルク（Ｔdyn）の位相経過を求める、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項３から６までのいずれか１項に記載の方法において、
少なくとも１つの動作点は、前記内燃機関のアイドリングであり、
制御器によって前記クランクシャフトの平均アイドリング回転数を維持するために前記補償トルク（Ｔharm）を制御することにより、前記電気機械（５）を用いて前記内燃機関のアイドリング制御を行う、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項３から７までのいずれか１項に記載の方法において、
前記少なくとも１つの動作点は、発生する脈動振動または負荷変動振動であり、
制御器により、前記２次側振動質量体（４）の回転均一性を補償するために前記補償トルク（Ｔharm）を制御する、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項３から８までのいずれか１項に記載の方法において、
前記の少なくとも１つの動作点は、全負荷または部分負荷であり、
制御器により、前記２次側振動質量体（４）の回転均一性の補償するために前記補償トルク（Ｔharm）を制御する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項３から９までのいずれか１項に記載の方法において、
前記動作点は、前記内燃機関の始動であり、
制御器により、１次側および２次側の振動質量体（３，４）間の差分回転数をゼロに制御する、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトを備えかつ回転振動を伴う内燃機関を有するアクティブ回転振動減衰器を有するパワートレインと、アクティブ回転振動減衰を行う方法に関しており、このパワートレインは、回転振動減衰器と、電気機械とを有しており、上記の回転振動減衰器は、クランクシャフトに作用結合されておりかつ回転振動の振動分離が少ない少なくとも１つの動作点を有しており、クランクシャフトに対応付けられている１次側振動質量体と、この１次側振動質量体に対向し、ばね装置の作用に反し、相対的かつ制限的に回転可能な、変速器の変速器入力シャフトに対応付けられている振動質量体とを有しており、上記の電気機械は、上記の変速器入力シャフトと作用結合された回転質量体および制御ユニットを有している。
【０００２】
内燃機関は、燃焼のために設けられた、シリンダまたは燃焼室の燃焼空間における燃料の、クランクシャフトの回転角にわたって不連続な燃焼に起因して、不均一な回転トルクが発生する。これによって発生する回転振動は、よく知られているように、クラッチプレート減衰器のような回転振動減衰器、分割されたはずみ車およびこれに類するもの、および／または吸振器またはこれに類するものなどによって分離される。このような振動の分離は、部分的にしか行われない。消去されなかった残りの振動は、ドライブトレイン固有振動数と共振し、この共振は、パワートレインのマイナスのノイズ特性に結び付き、および／または使用されるコンポーネントの寿命にマイナスの影響を与える。分離度をさらに改善するためには技術的な煩雑さが増してしまうため、回転振動減衰器および／または回転振動緩衝器などの使用すべき分離装置は、設置スペースおよび／またはコスト上の理由からつねに使用することはできないのである。例えば、回転振動減衰器では、ただ１つの減衰段の使用される弧状ばねに加えて、別の複数の減衰段、回転振動減衰器に付加的に同調させた回転振動緩衝器およびこれに類似するものが必要になり得る。さらにドライバが介入することにより、例えばアクセルペダル位置を相応に変更することにより、パワートレインに衝撃が引き起こされることがあり、これらの衝撃は脈動振動または負荷変化振動に結び付き得るのである。
【０００３】
ハイブリッド式パワートレインは、内燃機関の他に電気機械を有しており、この電気機械は、パワートレイン全体またはその一部を駆動し、惰行運転時には回生動作を行い、また内燃機関を始動することができる。DE 195 32 129 A1からは電気機械が公知であり、ここではこの電気機械を用いて、内燃機関の回転トルクピークに対して相補的な反トルクを接続することにより、内燃機関の回転振動を補償しようとしている。これに上記の回転振動の周波数領域に相応して電気機械に接続されている鉛蓄電池のような蓄電池に一時的に蓄積されまた取り出されるエネルギ量は、極めて大きな、蓄電池に有害な充放電電流に結び付くのである。
【０００４】
したがって本発明の課題は、ハイブリッド式パワートレイン用の装置および方法を提案して、この装置により、わずかな技術的コストで内燃機関の回転振動の分離を改善できるようにすることである。
【０００５】
この課題は、クランクシャフトを備えかつ回転振動を伴う内燃機関を有するパワートレインによって解決され、このパワートレインは、回転振動減衰器と、電気機械とを有しており、クランクシャフトに作用結合されておりかつ回転振動の振動分離が少ない少なくとも１つの動作点を有する上記の回転振動減衰器は、クランクシャフトに対応付けられている１次側振動質量体と、この１次側振動質量体に対向し、ばね装置の作用に反し、相対的かつ制限的に回転可能な、変速器の変速器入力シャフトに対応付けられている振動質量体とを有しており、上記の電気機械は、変速器入力シャフトと作用結合された回転質量体および制御ユニットを有している。上記のばね装置は、殊に周囲に分散されたコイルスプリングのような線形に形成されたばねから構成されており、上記の電気機械の回転質量体は、２次側振動質量体として形成されており、電気機械は、制御装置により、少なくとも１つの動作点において発生する回転振動を伴う障害トルクを補償する補償トルクに制御可能である。
【０００６】
上記の電気機械によって内燃機関の複数の回転振動に相応して正または負の補償トルクをパワートレインに伝達することにより、この電気機械を用いてアクティブ回転振動減衰器を上記のように組み合わせることにより、この回転振動減衰器を簡単に形成することができ、またアクティブ回転振動減衰器の上記の複数の要求に最適化することができる。ここで２つの振動質量体の間で周囲方向に作用するばね装置は、線形に形成される短い複数のコイルスプリングによって実施することができ、これらのコイルスプリングは、高回転数時においても弧状ばねに比べて摩擦トルクが小さく、また簡単に作製可能である。殊に低回転時および電気機械による内燃機関の始動中、電気機械を用いたアクティブ回転振動減衰器によって弧状ばねから構成される装置の複数の利点を、補償することができる。
【０００７】
上記の２次振動質量体は有利には１部材または複数部材で電気機械のロータに組み込むかまたはこれに接続されるため、取付スペースの点で有利であり、またはパワートレインの構造が簡素になる。この電気機械において電流が流れるコイル部分はロータ内またはステータ内に設けることができる。電気機械は有利にはブラシレスの電子制御可能な電気モータであり、その回転数および励磁角は、組み込まれたインクリメント変位式またはインクリメント角度センサによって検出することができる。
【０００８】
上記のアクティブ回転振動補償は有利には、例えば少なくとも１つの動作点におけるセンサデータに基づいてまたはこれらから導出した量から得られるパラメタに基づいてパワートレインの障害トルクを回転振動減衰器の前後で求めることによって補償トルクが求められることによって行われ、上記の電気機械にこの補償トルクが加えられる。
【０００９】
上記の電気機械は、電気エネルギ用の蓄積器に電気接続されており、この蓄積器は、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池などの蓄電池、gold capsコンデンサのような電力用コンデンサおよび／またはこれに類するものである。アクティブ回転振動減衰に必要な機械エネルギは、内燃機関の時間的な回転トルク特性とは逆に、相補的に電気エネルギ蓄積器に供給されるかないしはここから取り出される。したがって簡略化されかつ電気機械に前置接続される回転振動減衰器を介して伝達される残りの回転振動成分は減衰され、ここで提案されるパワートレインを有する自動車用の電気蓄積器は、充放電電流によって過負荷が加えられることはない。
【００１０】
付加的には上記の提案したパワートレインにおいて、上記の回転振動減衰器に並列および／または直列に少なくとも１つの別の減衰部材を設けることができる。例えば、回転振動減衰器の１次側または有利には２次側に、例えば遠心力振り子の形態の回転数適合式回転振動緩衝器のような回転振動緩衝器を有効に接続することができる。
【００１１】
回転振動減衰器の後段にまだ加わっている、すなわちこの回転振動減衰器によって補償されていない障害トルクは、例えば、少なくともセンサによって得たパラメタに依存して、この障害トルクを表す特性マップ、例えばトルク振幅特性マップおよびトルク位相特性マップの形態で上記の制御ユニットに記憶することができる。これらの特性マップは、例えば経験的または上記のハイブリッド式パワートレインの相応のシミュレーションによって作成することができ、また実際のパワートレインの場合によって生じる変化に持続的に適合させることができる。上記のトルク振幅特性マップは、利用可能な複数のセンサおよびそれらのデータのタイプおよび品質に依存して、要求される分離度に依存して、例えば、電気機械を用いたアクティブ回転振動減衰による残りの障害トルクの完全または一部だけの所望の回転振動分離に依存して、パワートレインまたはその選択された部材の温度、製造公差などに依存して構成される。これらのトルク振幅特性マップは、例えば、所望の分離度に依存して、パワートレインの変速器に入れられるパワートレイン共振の状態に作用する変速段に依存して、内燃機関の作用トルクなどの正味トルク、温度、製造公差などに依存して構成される。上記の特性マップは、電気機械のフィードフォワード部に組み込むことができるため、例えば、上記の時間変化する障害トルクを少なくとも部分的に位相選択的に補償する補償トルクは、電気機械の残りの実際の複数の機能に重畳される。これらの機能は、例えば内燃機械の始動機能、内燃機関の動作時の発電機能、トラクションモードにおける内燃機関のサポート機能、惰走モード（回生）における発電機能、内燃機関停止時の駆動機能などである。
【００１２】
電気機械の後段における完全な振動分離は、上記の障害トルクが、上記の回転振動減衰器の後、電気機械によって導入される補償トルクによって正確に逆相で補償されることによって行うことができる。ここでは、例えば、ロータの角加速度、ひいては回転振動減衰器の出力、ひいては変速器の入力をゼロに制御することができる。しかしながら有利であることが判明したのは、電気機械の後の上記の残余励振を正確に制御するのではなく、簡単かつロバストな制御の意味において単に、障害とならない残りの回転振動部分との部分的な分離だけを行うことである。
【００１３】
補償トルクの制御は、２次側振動質量体の角度、角速度ないしは回転数または有利には角加速度などの回転特性値を制御するＰ制御器を用いて行うことができる。ここではアクティブ回転振動減衰器の複数の動作点に依存して相異なる制御コンセプトを使用することができる。例えば、電気機械による内燃機関の始動中、簡単なＰ制御器により、１次側および２次側振動質量体のシャフト間の回転数差分に制御することができる。この際には回転振動減衰器の摩擦を低減して、場合によっては存在する共振経過を補償することができる。
【００１４】
択一的または付加的には、上記の少なくとも１つの動作点は、内燃機関のアイドリングとすることができ、内燃機関のアイドリング制御は電気機械を用い、Ｐ制御器、有利にはＰＩ制御器により、上記の補償トルクが、クランクシャフトの平均アイドリング回転数を維持するように制御されることによって行われる。ここでは内燃機関の制御装置における内燃機関のアイドリング制御部を省略することができる。なぜならば内燃機関は、電気機械によって加えられる補償トルクによって静穏化されるからである。
【００１５】
さらに択一的または付加的に上記の少なくとも１つの動作点は、例えばドライバによってアクセルペダルが操作されることによって引き起こされて発生する脈動振動または負荷変動振動とすることができ、制御器、有利にはＰＤ制御器は、２次側振動質量体の回転均一性を補償するように上記の補償トルクを制御することができる。すでに上で説明したように、回転振動減衰器の後段に残存している回転振動の補償は、相応する特性マップを用いてアクティブに行うことができる。ここでは、例えばロータ回転数特性値に基づいて２次側振動質量体の回転数の回転不均一性を最小化するため、Ｐ制御器を使用することができる。
【００１６】
回転振動減衰器の後段に発生する回転振動の制御およびアクティブな補償は、有利にはすでにパワートレインに存在する複数のセンサのセンサ信号を評価することによって行われる。例えば、回転振動減衰器の後の障害トルクならびに上記の減衰器の切削トルクは、１次および２次側振動質量体の質量体の回転特性値と、内燃機関の制御装置から例えばＣＡＮバスを介して利用可能な内燃機関の機関トルクとから計算され、および／または、これに相応する仕方で求めることができる。ここでは１次側振動質量体に対するクランクシャフトの回転特性値および２次側振動質量体に対するロータの回転特性値は、複数のセンサによって得ることができる。同様に１次側振動質量体と２次側振動質量体との間の差分回転数は上記の複数のセンサから導出可能である。複数の試験によって示されたのはクランクシャフトの位相を求めるための十分に精度の高い信号が、内燃機関の１つまたは複数のシリンダの上死点の検出器から得られることである。ロータの角度は、電気機械を整流するためのセンサの質的なサンプリングから十分な精度で得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】アクティブ回転振動減衰を行うハイブリッド式パワートレインを示す概略図である。
【図２】図１のパワートレインの振動モデルを示す図である。
【００１８】
図１および２に基づき、本発明を詳しく説明する。
【００１９】
図１には、回転振動減衰器２を有するハイブリッド式パワートレイン１が略示されており、この回転振動減衰器の１次側振動質量体３は、図示しない内燃機関のクランクシャフトに接続されており、かつ、このクランクシャフトによって駆動される。２次側振動質量体４は同時に電気機械５のロータであり、これによってこの電気機械は回転振動減衰器２の出力部に作用を及ぼすように配置されている。回転振動減衰器２の振動質量体３，４は互いに、ばね装置６および摩擦装置７の作用に抗して相対的に回転可能に配置されている。特性曲線の形態で表されるコイルスプリング８は、短くかつ線形に構成されており、また、周囲にわたって配置されている。コイルスプリング８が短くかつ線形に構成されていることにより、摩擦装置７の摩擦トルクは有利にも小さい。２次側振動質量体４の形態した回転振動減衰器２の出力部分は、摩擦および回転伸縮性を有する変速器入力シャフト９を介して振動技術的に変速器１０に結合されている。変速器１０それ自体は、その固定部を介して、殊に回転伸縮性および摩擦伸縮性を有する１つまたは複数の駆動シャフト１２を介して振動技術的に車両ボディ１１に結合されている。これにより、パワートレイン振動によって励振され、ひいては車両のノイズ負荷および機械的な負荷およびそのコンポーネントに作用し得る固有振動数を有する振動系が構成されるのである。
【００２０】
例えば２つまたは３つのシリンダを備えたエンジンのように殊に大きく減衰すべき回転振動を有する内燃機関を備えたハイブリッド式パワートレイン１において取付スペースを少なく、かつ、回転振動減衰器２の機械的な複雑さをばね装置６の形態において簡単に構成できるようにするため、回転振動減衰器２によって取り除かれない、２次側の振動質量体４において加わる別の残余振動が、動的かつ回転角に依存する障害トルクの形態で電気機械５を用いたアクティブな回転振動減衰器によって行われる。
【００２１】
このために図２からパワートレイン１の回転トルク経過が得られる。回転振動減衰器２の後段に残っている回転振動を補償するための有利な制御ストラテジは、発生する残りのトルクの総和に対する電気機械５の補償トルクＴharmの関係を用いて計算され、ここでこれら残りのトルクは、１次側振動質量体３の入力部における減衰器トルクＴdampと、２次側振動質量体４の質量慣性モーメントＪsecと、時間区間ｄｔにおけるその回転角変化ｄωから、上記の２次側振動質量体４の動的トルクに相応する障害トルクＴdynと、変速器入力シャフト９における駆動トルクＴipsにより、式
Ｔdyn ＝ Ｊsec＊ｄω／ｄｔ
にしたがって求められる。ここで質量慣性トルクＪsecは、２次側振動質量体４の質量慣性トルクおよび電気機械５のロータの質量慣性トルクから得られる。
【００２２】
全体トルクＴsum
Ｔsum＝Ｔharm＋Ｔdamp＋Ｔips−Ｔdyn
の式を解いた後、上記の補償トルクは、
Ｔharm＝−Ｔdamp−Ｔips＋Ｔdyn
となる。
【００２３】
ここでは補償トルクＴharmは、上記のクランクシャフトの回転角φMotorに依存して形成される電気機械５の障害トルクＴdynに対して位相選択的に上記の２次側振動質量体４に加えられる。全体トルクＴsumの上記の時間経過は求めることができないため、回転数、加速度、トルクなどの既知のパラメタまたはセンサデータから求めることが可能なパラメタに依存して構成される位相選択的な特性マップを使用する。有利には１つまたは複数の検出器の複数の信号を使用して、上記の内燃機関の１つまたは複数のシリンダの上死点を代表的なパラメタとして求める。上記のクランクシャフトおよび電気機械５のロータの差分角を求めるため、電気機械５のインクリメント角度センサのようなセンサを利用する。このセンサは、電気機械５の転流のためロータの回転角を検出するために設けられている。
【００２４】
ここで判明したのは、パワートレイン１の実際の周囲環境において、殊に４シリンダエンジンの、アクティブな回転振動減衰に対して１０°未満、有利には６°未満の時間的な遅延によって生じる回転角度偏差が有利なことである。このことが意味するのは、１０°ないしは６°の角度移動内の障害トルクＴdynに、２次側振動質量体４に対する補償トルクＴharmの位相選択的な応答を加えるべきであることである。したがって４つのシリンダを備えたエンジンおよび２に等しい振動次数の減衰の例では、クランクシャフトの３０００回／分の回転数において１０ｋＨｚのサンプリング周波数が有利であることが示された。これは、３．６°の位相角に相当する。
【符号の説明】
【００２５】
１  パワートレイン、  ２  回転振動減衰器、  ３  振動質量体、  ４  振動質量体、  ５  電気機械、  ６  ばね装置、  ７  摩擦装置、  ８  コイルスプリング、  ９  変速器入力シャフト、  １０  変速器、  １１  車両ボディ、  １２  駆動シャフト、  Ｔdamp  減衰器トルク、  Ｔharm  補償トルク、  Ｔips  被駆動側トルク、  Ｔsum  合計トルク、  φMotor  回転角
【図１】
2014521540.tif 000003
【図２】
2014521540.tif 000004
【国際調査報告】
2014521540.tif 000005
2014521540.tif 000006
2014521540.tif 000007
2014521540.tif 000008
2014521540.tif 000009
2014521540.tif 000010