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課題・解決手段

本発明は、内燃機関(1)と、内燃機関(1)にトルクを加えることができる少なくとも1つの電動機械(3)と、内燃機関(1)の無負荷動作時、電動機械(3)が駆動トルク又は制動トルクを加えることにより無負荷回転数の変化に対抗するように電動機械(3)を制御する制御装置(21)とを有する、特に自動車の駆動システムに関する。本発明は、これに対応する方法にも関する。

概要

背景

概要

本発明は、内燃機関(1)と、内燃機関(1)にトルクを加えることができる少なくとも1つの電動機械(3)と、内燃機関(1)の無負荷動作時、電動機械(3)が駆動トルク又は制動トルクを加えることにより無負荷回転数の変化に対抗するように電動機械(3)を制御する制御装置(21)とを有する、特に自動車の駆動システムに関する。本発明は、これに対応する方法にも関する。

目的

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2件
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4件

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請求項1

内燃機関(1)と;−内燃機関(1)にトルクを加えることができる少なくとも1つの電動機械(3)と;−内燃機関(1)の無負荷動作時に、駆動トルク又は制動トルクを加えることにより無負荷回転数の変化に対抗するように電動機械(3)を制御する制御装置(21)とを具備する特に自動車の駆動システム

請求項2

制御装置(21)は、電動機械(3)が負荷の結合又は解除に基づく無負荷回転数の減少又は増加に対抗するように構成されている請求項1記載の駆動システム。

請求項3

制御は外乱によって起こされる調整である請求項2記載の駆動システム。

請求項4

負荷が外乱となる請求項3記載の駆動システム。

請求項5

無負荷動作時、内燃機関(1)は最適の点火時点で動作される請求項1から4のいずれか1項に記載の駆動システム。

請求項6

内燃機関(1)自体も無負荷回転数の変化に対抗する請求項1から5のいずれか1項に記載の駆動システム。

請求項7

電動機械(3)は無負荷回転数の変化に内燃機関(1)より速く対抗する請求項4記載の駆動システム。

請求項8

無負荷回転数の変化に、まず、主に電動機械(3)が対抗し、次に内燃機関(1)が対抗する請求項4又は5記載の駆動システム。

請求項9

電動機械(3)及び/又は内燃機関(1)の制御装置(21,23)は、内燃機関(1)の回転数を検出することができるセンサ(22)から情報を得る請求項1から8のいずれか1項に記載の駆動システム。

請求項10

電動機械(3)及び/又は内燃機関(1)の制御装置(21,23)は、負荷の変化を検出することができるセンサから情報を得る請求項1から9のいずれか1項に記載の駆動システム。

請求項11

−内燃機関(1)と;−内燃機関(1)に制動トルク及び駆動トルクを加えることができる少なくとも1つの三相交流電動機(3)と;−車上回路網と比較して高い電圧レベルを有する中間回路を含み、内燃機関(1)に給電する逆変換装置(11)と;−内燃機関(1)の無負荷動作時、機械的負荷が結合された場合に内燃機関(1)のトルクを適切に増加させると共に、この内燃機関の作用が有効になるまで、電動機械(3)が一時的に小さな制動トルク又は駆動トルクを加えて、無負荷回転数がほぼ一定のままであるように電動機械(3)を制御する制御装置(21)とを具備する請求項1から10のいずれか1項に記載の駆動システム。

請求項12

中間回路の高い電圧レベルにあるエネルギー蓄積部(12,19)を少なくとも1つ有する請求項11記載の駆動システム。

請求項13

少なくとも1つの消費装置(16)は中間回路から高い電圧レベルの電気エネルギーを供給され、無負荷回転数を一定に保持するために電動機械(3)が一時的により少ない電気エネルギーしか供給しないか又は電気エネルギーを全く供給しない場合、この消費装置(16)は少なくとも部分的に高い電圧レベルにあるエネルギー蓄積部(12,19)から供給され、且つ無負荷を一定に保持するために電動機械(3)の駆動作用が一時的に働いている場合、電動機械(3)は少なくとも部分的に高い電圧レベルにあるエネルギー蓄積部(12,19)から供給される請求項12記載の駆動システム。

請求項14

内燃機関(1)と、内燃機関(1)にトルクを加えることができる少なくとも1つの電動機械(3)とを含む、特に請求項1から13のいずれか1項に記載の駆動システムにおける無負荷回転数の変化に対抗する方法において、a)内燃機関(1)の無負荷回転数及び/又はその変化を検出する過程と;b)電動機械(3)が無負荷回転数の変化に対抗するように電動機械(3)を制御する過程とから成る方法。

請求項15

無負荷回転数が減少したとき、電動機械(3)は駆動トルクを加え、その駆動トルクは、場合によっては既に作用している駆動トルク又は制動トルクに重ね合わされ、それにより、駆動トルクを増加させるか又は制動トルクを減少させるか、あるいは駆動トルクに移行させる請求項14記載の方法。

請求項16

無負荷回転数が増加したとき、電動機械(3)は制動トルクを加えるか、場合によっては既に作用している制動トルクを増加させるか又は駆動トルクを減少させるか、あるいは制動トルクに移行させる請求項14又は15記載の方法。

請求項17

目標無負荷回転数及び/又は目標無負荷回転数の変化を検出する過程と;−現在無負荷回転数及び/又はその変化を検出する過程と;−負荷状態及び/又は負荷変化捕捉/検出する過程と;−目標無負荷回転数と現在無負荷回転数とを比較する過程と;−無負荷回転数が減少した場合に、内燃機関(1)により発生されるトルクが増加し且つ無負荷回転数が増加した場合には内燃機関(1)により発生されるトルクは減少するようにして、内燃機関(1)が無負荷回転数に対抗するように、内燃機関(1)をも制御する過程のうち少なくとも1つを更に含む請求項14から16のいずれか1項に記載の方法。

請求項18

請求項2から13の特徴の1つ又は2つ以上を有する請求項14から17のいずれか1項に記載の方法。

0001

特に乗り物の駆動システム及び駆動システムにおける
無負荷回転数の変化に対抗する方法
本発明は、特に乗り物の駆動システム及び駆動システムにおける無負荷回転数
の変化に対抗する方法に関する。

0002

自動車の駆動システムにおいては、走行動作中、内燃機関からエンジン軸に加
えられたトルククラッチを介して伝動軸に伝達され、更に伝動装置を介して最
駆動軸に伝達される。

0003

これに対し、無負荷運転時には、駆動経路のトルクの伝達は、たとえば、クラ
ッチを開放するか又は伝動装置を解放することにより遮断される。この場合、内
機関は乗り物を駆動する働きはせず、それに課される摩擦という役割を果たす
と共に、ポンプサーボ駆動装置及び発電機のような、エンジン軸と結合する機
械的又は電気的補助装置を駆動するだけで良い。

0004

燃料消費量、有害物質の排出及び騒音の発生を少なく保持するためには、無負
回転数をできる限り少なくすべきである。しかし、無負荷回転数は所定の回転
数(いわゆる臨界回転数)まで減少することしかできない。この回転数を下回る
と、一時的に蓄積された運動回転エネルギー圧縮ストロークに必要な圧縮及び
加速の動作を引き起こすには不十分な量になってしまうので、内燃機関は十分に
回転しなくなるか又は停止したままになる。従って、広い意味では、無負荷動作
は、内燃機関が全く乗り物駆動機能を果たさず且つ臨界回転数に近いできる限り
少ない回転数で回転しているような駆動システムの動作状態であると理解される

0005

無負荷回転数の制御は、従来の駆動システムにおいては、特に、供給される空
気の量及び/又は空気・燃料比及び/又は点火時点の変化を経て実行される。こ
の場合、無負荷回転数は、その時点で現れている動作条件並びに補助装置負荷
変動とは無関係に、臨界回転数を上回ってある安全余裕を示す所定の目標値(い
わゆる目標無負荷回転数)をとるべきである。従来の無負荷制御装置では、無負
荷回転数を目標値に非常に正確に一定保持することは全く保証されていないので
、所定の安全余裕は、無負荷運転時に負荷変動に全く期待されない場合に初めて
必要になるであろう。負荷の変動がなくとも現れるこの回転数の変化に対して、
臨界回転数を下回る事態を回避するためには、先にこの所定の安全余裕を設定し
なければならない。そこで、負荷変動の影響が問題になる。

0006

この明細書全体を通して、「制御」という概念は、広い意味では、上位概念で
いう「制御」の概念(狭い意味で、すなわち、開いた作用連鎖におけるある量の
変容)と、「調整」(別の所定の量との比較に基づくある量の変容)とを含むも
のと理解されることに注意すべきである。そこから派生する「制御する」、「制
御装置」などの概念についても同じことがいえる。

0007

従来の無負荷回転数制御は基本的には機能するが、特に、次のような欠点を有
する。

0008

空気の量又は空気−燃料比(いわゆる注入操作)に基づく制御は相対的にゆっ
くりとしている。すなわち、偏差が生じてから、目標無負荷回転数に再び到達す
るまでに、相対的に長い時間がかかる。ところが、無負荷回転数の変化に迅速に
対抗できるようにするために(特に、臨界回転数を下回るのを回避するために)
は、内燃機関のトルクを非常に急速に増加させることができなければならない。

0009

従って、従来の技術では、より迅速に目標回転数適応させる特別の制御方法
が提案されているが、これは、たとえば、いわゆる外乱導入に基づくものである
(外乱は、たとえば、大型の消費装置である)。それにもかかわらず、このよう
な注入操作による制御は、臨界回転数に対する安全余裕を相対的に大きくとるこ
とを要求し、そのため、無負荷回転数は相対的に多くなる。

0010

点火時点の調整に基づく(いわゆる点火操作)制御装置によれば、目標無負荷
回転数に非常に迅速に適応することができる。これは、点火時点が遅くなれば、
トルクは小さくなり、点火時点が早くなれば、トルクは大きくなるということに
基づく方法である。従って、無負荷運転時には、点火時点を「遅い」に設定する
。そこで、回転数が減少したときに「遅い」から「早い」に設定すると、迅速に
トルクを増加させることができ、特に臨界回転数を下回るという事態を回避する
ことができる。

0011

しかし、点火時点が遅いときには、点火時点が早いときと比較して、内燃機関
運転効率は低くなる。従って、点火操作による無負荷回転数制御の場合、燃料
消費量は相対的に多くなる。

0012

欧州特許第0743211A2号は、ハイブリッド自動車における内燃機関の
停止プロセスに関する。

0013

ドイツ特許第3442112C2号は、乗り物の最終駆動装置により二次装置
を駆動することを目的とするスラスト遮断時の伝動装置のブリッジングに関する

0014

ドイツ特許第4325505A1号及びドイツ特許第4108751C2号は
、無負荷回転数の一定保持に寄与するために、負荷導入の場合により小さい制動
トルクを発生する乗り物の照明装置の制御モードに関する。

0015

本発明の目的は、先に述べた従来の無負荷制御装置の問題点を解決することで
ある。この目的は、装置に関して請求項1の対象により達成され、方法に関して
は請求項14の対象により達成される。これによれば、特に乗り物の駆動システ
ムは、内燃機関と、内燃機関にトルクを加えることができる少なくとも1つの電
動機械と、内燃機関の無負荷動作時、電動機械駆動トルク又は制動トルクを加
えることにより無負荷回転数の変化に対抗するように電動機械を制御する少なく
とも1つの制御装置とを含む。内燃機関と、内燃機関にトルクを加えることがで
きる少なくとも1つの電動機械とを有する駆動システムにおける無負荷回転数の
変化に対抗する方法は、
a) 無負荷回転数及び/又はその変化を検出する過程と;
b) 電動機械が無負荷回転数の変化に対抗するように、電気機械を制御する過程
とを含む。

0016

電動機械は、特に、無負荷回転数が減少したときに駆動トルクを加えるように
制御され、この駆動トルクは、場合によって、既に加えられていた制動トルクに
重ね合わされる(たとえば、制御トルクに追加される)。たとえば、電動機械は
発電機として働くことができる。そこで、無負荷回転数が減少したとき、発生し
ている発電機の制動トルクを減少させるか、又は駆動トルクにより補充する。こ
れに相応して、無負荷回転数が増加したときには、電動機械は特に制動トルクを
加えるか、又は制動トルクを増加させるか、駆動トルクを減少させるか、あるい
は制動トルクに移行させる(請求項12)。

0017

尚、本発明は、ピストン内燃機関の場合にガス力及び物体力に起因してほぼ周
期的にクランク軸の回転に対する調波振動として現れる回転の不均一を減少させ
ることを目指してはいない。たとえば、四気筒直列エンジンにおいては、物体力
によって、二倍回転周波数回転不均一、従って、600min-1の無負荷回転
数に対しては20s-1の周波数の回転不均一がもたらされる。そのような回転不
均一を電動機械を利用して能動的に減衰する方法は、たとえば、ドイツ特許第4
423577C2号及びドイツ特許第4015701号から知られている。

0018

従って、この明細書で「回転数」というときは、このような回転の不均一に関
して平均化した(又は別の方法により回転の不均一を除去した)回転数値である
と理解する。本発明においては、無負荷運転時にこの平均回転数の目標回転数か
らの偏差を減少させることになる。

0019

この駆動システムは乗用車両、特に路上車両、又は船舶鉄道車両などにも所
属するのが好ましい。内燃機関は乗り物の駆動装置として機能するのが好ましい
。これは、特に、内部での燃焼を伴うピストンエンジン、特にガソリンエンジン
又はディーゼルエンジンである。電動機械は、特に、電動機として、また、場合
によっては発電機として動作可能である回転機械である。これは、たとえば、整
流機械(「直流機械」)又は回転臨界機械(「交流機械」)である。

0020

回転磁界機械とは、一整流機械とは異なり一好ましくは360℃の全面にわた
回転磁界が発生する特に整流子のない機械である。この機械は、たとえば、か
ご形誘導子を有する非同期機、又は突磁極を有する回転子を伴う同期機として構
成できる。非同期機のかご形誘導子は、たとえば、軸方向のかご形ロッドを有す
中空かご形回転子であっても良い。非同期機の別の構成では、回転子は、スリ
プリングを介して外部で短絡できる巻線を有する。同期機の回転子の突磁極は
、たとえば、永久磁石、又はスリップリングを介して励磁電流を供給できる電磁
石により実現される。

0021

電動機械はピニオンVベルトなどを介して間接的にエンジン軸と結合できる
。しかし、機械の一部、特にその回転子は直接にエンジン軸に当接し、場合によ
ってはエンジン軸に対して回転不能なようにエンジン軸と結合されていると有利
である。回転子は、たとえば、伝動装置に至る軸に当接するか、又は内燃機関の
反対側でそこで隠れ状態で終わっている軸基端部に当接できる。別の部分、特に
固定子は、回転不能な部分、たとえば、エンジンハウジングトランスミッショ
ハウジング又は車体と回転不能なように結合しているか、又は取り外し自在に
結合可能である。

0022

無負荷制御に関する本発明による機能の外に、電動機械は1つ又は複数の補助
機能を有していると有利である。たとえば、電動機械は内燃機関のスタータとし
て、車上回路網への給電のための発電機として、乗り物の追加駆動モータとして
、乗り物のモータとして及び/又は回転の不均一を減少させるための能動減衰装
置として働く。

0023

電動機械は、それにより発生されるトルクが内燃機関のトルクと比較して小さ
くなるように構成できる。多くの補助機能に関しては、大きなトルク、たとえば
、乗り物の駆動時に電動機械を相当に大きく支援するか又は乗り物のみを駆動で
きるような大きさのトルクであるのが有利である。電動機械の給電は逆変換装置
を介して行われるのが好ましい。この装置は磁界を得るのに必要な、周波数、振
幅及び/又は位相を選択可能である電圧及び/又は電流(所定の限界内)を発生
することができる。

0024

電動機械の制御は、基本的には、狭い意味での制御(開いた作用連鎖)により
、たとえば、負荷導入時(たとえば、内燃機関と結合する空調装置の圧縮機がオ
ンされたとき)に電動機械が量及び時間的経過に関してあらかじめ定められた支
援トルクを発生することによって実行できる。

0025

あるいは、調整により制御を実行しても良い。たとえば、センサで無負荷回転
数を捕捉し、そのデータを、ここでは調整装置の形態をとる制御装置に供給する
。この装置は、電動機械が駆動(又は場合によっては制動)トルクを加えること
により無負荷回転数の変化に対抗し、そこで、回転数を目標値にほぼ又は正確に
保持するように、目標無負荷回転数値との比較に基づいて逆変換装置を制御する
。調整装置は、たとえば、P特性PI特性又はPID特性を有することができ
る。

0026

調整装置は、たとえば、負荷変化などの外乱が調整装置の入力端子又は出力端
子に導入される外乱の導入を伴い、負荷の変化が回転数の変化として現れる前に
、電動機械のトルクへの作用を引き起こすようにすると有利である。たとえば、
空調装置の圧縮機などの大型の機械的消費装置のオンオフに対して、対応する
信号を調整装置に印加することができ、そこで、直接に電動機械を始動して、顕
著な回転数の変化が現れる前に期待される負荷の変化を補正する。

0027

電動機械により加えられるトルクは、無負荷運転の制御が遅延なく、無駄な時
間を生じずに行われるように、迅速且つ正確に調整できる。本発明によれば、無
負荷回転数は、従来のゆっくりした制御(たとえば、注入操作を伴う制御)と比
べて、全く大きく減少しないか、又は少なくとも従来ほど大きくは減少しない。
従って、内燃機関の目標無負荷回転数を低く設定しても、臨界回転数を下回ると
いう事態を防止することができる。

0028

従来の迅速な制御(たとえば、点火操作を伴う制御)と比較して、本発明によ
れば、最適の点火時点調整を伴う無負荷運転を行うことができる。

0029

本発明は次のような利点を有する。本発明は、
−燃料消費量の減少;
排気ガス放出の減少;及び
騒音発生の低減
を可能にする。従って、環境保護に有用であり且つ乏しい資源を利用しているこ
とを考えても有意義である。

0030

先に既に述べた通り、制御装置は、負荷の導入又は遮断に起因する無負荷回転
数の増減に対抗するように構成されているのが好ましい(請求項2)。

0031

すなわち、駆動内燃機関は、無負荷運転中、特に、駆動ストランドの一部に加
えて、たとえば、サーボ駆動装置、ポンプ及び更に他の補助装置や他の電気消費
装置に給電する発電機などの複数の補助装置を駆動する。従って、そのような負
荷のエンジン軸との結合は、たとえば、機械的にエンジン軸に結合される発電機
中間接続の下で、たとえば、機械的又は電気的に成立できる。負荷の変化は、
駆動又は給電すべき負荷の数の変化及び/又はそのトルクの変化によって引き起
こされる。この大きさの増加を負荷の導入といい、減少を負荷の遮断という。負
荷の導入は、たとえば、機械的に駆動される空調用圧縮機又は電気ヒータが始動
したとき、又は(解放されていた)伝動装置のクラッチが入ったときに起こり、
一方、負荷の遮断はこれらの装置がオフされたとき及びクラッチが外れたときに
起こる。負荷の変化は急激に大きな値をとることもあり、そのような場合には、
突然、回転数を大きく変化させる。電動機械の反応は非常に迅速であるので、本
発明によれば、負荷導入時に臨界回転数を下回るおそれなく、目標無負荷回転数
を低く設定することができる。

0032

先に述べた通り、制御装置は外乱によって始動される調整装置として構成され
ているのが特に好ましく、その場合、外乱は特に1つ又は複数の負荷である(請
求項3)。

0033

電動機械による操作は従来の点火操作を余分なものにするので、無負荷運転中
、内燃機関は実質的に絶えず最適の点火時点で動作されると有利である(ただし
ガソリン機関に限る)(請求項4)。一般に、点火時点としては、効率を高め
且つ内燃機関の熱応力を低く抑えるためには相対的に早くすべきであろうし、そ
の一方で、排気ガスの放出を少なくするためには相対的に遅くすべきであろう。
これ以外に回転数及び負荷によって左右されるこれらの値の最適の妥協点が「最
適点火時点」となる。これは、従来であれば、モータにおいて、負荷の変化を受
けなかったときに適切な動作状態で設定されるであろう値である。

0034

電動機械と制御装置との組合わせは、内燃機関の動作パラメータ注入又は点
火など)を調整する従来の無負荷調整装置に完全に代わるものとして使用できる
。電動機械による車両バッテリー放電又は過剰充電を回避するために、電動機
械の作用が時間の経過と共に消滅するように、内燃機関の動作パラメータをゆっ
くりと調整すると有利である。突然の負荷変化の後の短時間の制御プロセスは、
電動機械と制御装置との組み合わせのみにより確定される。

0035

他の有利な構成においては、これとは異なり、内燃機関も短時間制御プロセス
に組み込まれており、内燃機関は−その1つ又は複数の動作パラメータが制御装
置により変更されることによって−無負荷回転数の変化にそれ自体で対抗する(
請求項6)。

0036

制御装置は、たとえば、「供給空気量」、「燃料−空気比」及び/又は「点火
時点」といった動作パラメータを変化させることができる(この場合、初めに挙
げた2つのパラメータを介する操作が好ましい)。

0037

ここで、電動機械は内燃機関より速く無負荷回転数の変化に反応すると特に有
利である(請求項7)。これにより、無負荷回転数の変化に、まず、主に電動機
械が対抗し、次に、主に内燃機関が対抗できる(請求項8)。この二段階制御の
利点は、第1に、内燃機関により発生されるトルクが(たとえば、注入操作を経
て)ごくゆっくりと変化されることになるために、内燃機関は常に最適の点火時
点で動作できることである。第2に、電動機械は無負荷制御によってごく短時間
しか作動されず、その後は迅速に再び別の役割(たとえば、電気的消費装置の給
電)を果たす。

0038

電動機械及び/又は内燃機関の、好ましくは調整に基づく制御においては、制
御装置は、内燃機関の回転数又はそれを取り出すことができる値を捕捉するセン
サから情報を獲得する(請求項9)。好ましい形で外乱を導入するために、電動
機械/又は内燃機関の制御に際しては、更に、負荷の変化を捕捉する1つ又は複
数のセンサからも情報を獲得する(請求項10)。これは、たとえば、大型の消
費装置のオン/オフに関する制御信号であると考えることができる。

0039

特に有利な構成は、内燃機関と、内燃機関に制動トルク及び駆動トルクを加え
ることができる少なくとも1つの電気三相交流機と、車上回路網に対してより高
電圧レベルを有する中間回路を有し、電動機関に給電する逆変換装置と、内燃
機関の無負荷動作中に機械的負荷が導入されたとき、一方では、それに対応して
内燃機関のトルクを増加させ(たとえば、注入操作)、他方では、この内燃機関
の作用が有効になるまで、電動機械が一時的により少ない制動トルクを加えるか
又は駆動トルクを加えて、それにより、無負荷回転数がほぼ一定のままであるよ
うに、電動機械を制御する制御装置とを含む(請求項11)。有利な発展形態
おいては、システムは、中間回路の高い電圧レベルにある少なくとも1つのエネ
ルギー蓄積部を有する(請求項12)。

0040

少なくとも1つの消費装置(特に高出力消費装置)は中間回路から高い電圧レ
ベル電気エネルギーを供給されると有利である。無負荷を一定に保持するため
に、電動機械が一時的により少ない電気エネルギーを供給するか又は電気エネル
ギーを全く供給していないとき、この消費装置は少なくとも部分的に高い電圧レ
ベルにあるエネルギー蓄積部から給電されると有利である。無負荷の一定保持を
目的として電動機械が一時的に駆動作用を行っている場合、電動機械は少なくと
も部分的に高い電圧レベルにあるエネルギー蓄積部から給電されると有利である
(請求項13)。

0041

また、駆動システムにおける無負荷回転数の変化に対抗する方法も有益であり
、この方法は、付加的に、
−目標無負荷回転数及び/又はその変化を検出する過程と;
−現在無負荷回転数及び/又はその変化を検出する過程と;
負荷状態及び/又は負荷変化を検出する過程と;
−目標無負荷回転数と、現在無負荷回転数とを比較する過程と;
−無負荷回転数が減少したとき、内燃機関により発生されるトルクが増加し、無

0042

負荷回転数が増加したときには、内燃機関により発生されるトルクは減少する

0043

ようにして、無負荷回転数の変化に対抗するように、内燃機関も制御する過程
の少なくとも1つを有する(請求項14)。

0044

次に、実施形態及び添付の概略図に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
図面中:

0045

図1は、駆動システムの最も重要な機能ブロックの概略図;

0046

図2は、駆動システムの一定の縮尺には基づかない概略図;

0047

図3は、駆動システムの機能状態を例示する概略図;

0048

図4bは、駆動システムの負荷運転時の目標無負荷回転数、臨界回転数、現在
最小無負荷回転数及び現在最大無負荷回転数を例示する概略図;これに対し、図
4aは、従来の技術の駆動システムの場合の対応する値を示す図;

0049

図5は、無負荷回転数の変化に対抗する方法の流れ図。

0050

図1に示す自動車、たとえば、乗用車の駆動システムは内燃機関1と、電動機
械3と、回転数センサ22と、調整装置24と、無負荷回転数目標値設定装置
5とを有する。無負荷回転数目標値設定装置は、一定の無負荷回転数目標値を調
整装置24に供給する。調整装置は回転数センサ22により測定された現在値
この無負荷回転数と比較し、2つの値が互いに異なる場合、現在無負荷回転数を
目標値に移行させるトルクを発生させるために、電動機械3を始動する。この比
較に使用される現在値については、内燃機関1のガス力及び物体力によって起こ
る内燃機関1の回転の不均一は考慮されないが、たとえば、ガス力や物体力の寄
与量を適切に平均化又はフィルタリングすることにより、これは可能である。目
標値は、たとえば、内燃機関1の温度などの動作条件に応じて変化することがあ
り、そのような変化の時定数は典型的な無負荷回転数の変化と比較して大きい。
ここでは、この意味で「一定目標値」という概念を理解すべきである。調整装置
24の入力端子に印加されるもう1つの信号は、機械的消費装置14又はその他
の負荷のオン/オフ状態を指示する。この外乱の導入は、負荷変化が回転数の変
化として現れる前に、電動機械3の適切な操作を可能にする。すなわち、電動機
械3は、無負荷回転数制御回路調整要素として機能するのである。

0051

図2に示す駆動システムの内燃機関1は、たとえば、四気筒ガソリン機関であ
る。この内燃機関はエンジン軸2にトルクを加える。たとえば、空調装置の圧縮
器及び/又はサーボ駆動装置のポンプなどの消費装置14は、エンジン軸2と機
械的に結合している。

0052

この場合には非同期構成又は同期構成の三相回転磁界形電動機である電動機械
3は固定子4と、回転子5とを含む。固定子4は内燃機関又はクラッチハウジ
グ(図示せず)に対して回転不能なように支持されている。回転子5はエンジン
軸2上にあり、エンジン軸に対しては回転不能なようにエンジン軸と結合されて
いるか又は結合可能である。電動機械3はエンジン及び発電機として動作可能で
あり、従って、エンジン軸2に駆動トルクと、制動トルクを加えることができる
走行運転中、エンジン軸2からクラッチ6を介してトルクが伝動軸7に伝達さ
れ、更に伝動装置8を介して駆動軸9及び駆動歯車10に伝達される。無負荷運
転時には、これとは逆に遮断が行われる。すなわち、エンジン軸2はクラッチ6
によって伝動軸7から外れ、従って、伝動装置は解放された状態となる。すなわ
ち、伝動軸7は駆動軸9から外れている。クラッチ6と伝動装置8は摩擦クラッ
チ及び変速装置であっても良く、あるいは、たとえば、自動クラッチ又は変速
置、自動又は無段階伝動装置を伴う変換クラッチであっても良い。

0053

先に述べた通り、電動機械は無負荷回転数制御回路の調整要素として機能する
。(回転の不均一に関して平均された)内燃機関1の無負荷回転数が目標値より
少なくなると、電動機械は駆動トルクを加えるか、又は場合によっては既に電動
機械により発生されている制動トルクに駆動トルクを重ね合わせる(従って、制
動は弱くなる)。同様に、無負荷回転数が目標値を越えるほど多くなると、電動
機械は制動トルクを加えるか、又は場合によっては既に電動機械により発生され
ているトルクに制動トルクを重ね合わせる。このように、電気機械は無負荷回転
数の増減に対抗し、無負荷回転数を目標値に保持する。

0054

電動機械3が駆動トルクを発生する場合、これはエンジンとして機能する。こ
の場合に必要とされる電気エネルギーは、まず、逆変換装置11の中間回路蓄積
部19から取り出せる(この蓄積部としては、第1に、たとえば、平滑コンデン
サが考えられる)。電気エネルギーがさらに継続して必要になると、第1のエネ
ルギー蓄積部12から電気エネルギーを取り出し、これが不十分であれば、場合
によっては第2のエネルギー蓄積部13から電気エネルギーを取り出し、逆変換
装置11を介してこれを使用できるようにする。エネルギー蓄積部12,13は
、それぞれ、バッテリーはずみ車コンデンサ又はそれらの組み合わせとして
構成できる。ここでは、第1のエネルギー蓄積部12はコンデンサであり、第2
のエネルギー蓄積部13はバッテリーである。中間回路は、低圧車上回路網(た
とえば、12V)に対して高い電圧(たとえば、36V)を有する。蓄積部19
及び12は中間回路の高い電圧レベルにあり、蓄積部13は低圧車上回路網の低
いレベルにある。

0055

これに対し、制動トルクを発生するとき、電動機械3は発電機として機能する
。この場合に発生される電気エネルギーを中間回路レベルのエネルギー蓄積部1
2に蓄積でき、必要に応じて蓄積部13にも追加蓄積し、別の目的のために再利
用(すなわち、回生)することができる。

0056

電動機械3は無負荷回転数制御の調整要素としての役割に加えて、次のような
機能を更に有する:第1に、内燃機関1の始動装置として働き、それにより、自
動車に従来特別に設けられていた起動モータの代わりとなる。その一方で、走行
運転中及び−調整の役割に加えて可能であれば−無負荷運転中に、発電機として
機能する。従って、自動車に従来設けられていた特別の発電機に代わって用いら
れることになる。電動機械3による給電が全くないか又は減少したとき、すなわ
ち、機械3が無負荷回転数を一定に保持するために制動又は駆動を弱めたとき、
電気的消費装置16はそのエネルギーの少なくとも一部を高い電圧レベルのエネ
ルギー蓄積部12に依存し、電気的消費装置17は低い電圧レベルのエネルギー
蓄積部13から取り出す。そこで、低い電圧を供給される消費装置17は、たと
えば、照明器具電子機器などの低出力の装置であり、高い電圧を供給される消
費装置16は、たとえば、電気ヒータなどの高出力の装置である。更に、電気機
械は自動車の駆動と制動にも寄与し、従って、「ブースタ」及び「リターダ」と
して機能することができる。駆動作用に際しては、電気機械3は高い中間回路レ
ベルにあるエネルギー蓄積部12から給電を受ける。

0057

クロック周波数が高いとき、逆変換装置11は電気機械3の固定子巻線に、機
械のインダクタンスの影響を受けて振幅、周波数及び位相を自在に選択できるほ
正弦波形三相電流を形成するパルス幅変調正弦評価電圧パルスを供給する。
これにより、「回転数」及び「トルク」を自在に設定可能な状況で、電動機械3
の四象限駆動が可能である。

0058

電圧パルスは適切な出力半導体スイッチ(たとえば、電界効果トランジスタ
はIGBT)を利用して発生される。

0059

逆変換装置11は電圧中間回路逆変換装置であり、概して3つの構造、すなわ
ち、直流電圧低レベル(ここでは12V)からより高い中間回路レベル(ここ
では36V)に逆方向に変換する直流電圧変換器18(入力ブロック)と、ここ
では1つのコンデンサ又は並列に接続された複数のコンデンサの配列である電気
中間回路蓄積部19と、中間回路直流電圧から振幅、周波数及び位相が可変であ
る(クロッキング三相交流電圧を発生できるか、又は−電動機械3が発電機と
して動作しているときに−そのような任意の交流電圧を中間回路直流電圧に変換
することができる機械逆変換装置20(出力ブロック)とを含む。

0060

中間回路蓄積部19を除き、第1のエネルギー蓄積部12及び電気高出力消費
装置17は中間回路と接続し、その高い電圧レベルにある。

0061

制御手段21は、各々の時点でその半導体スイッチを適切に制御することによ
り、電気機械3から供給すべき加速トルク又は制動トルクを生じさせるために、
逆変換装置11により発生すべき交流電圧がどのような振幅、周波数及び位相を
有するべきかを逆変換装置11に提示する。

0062

無負荷制御に関するトルクのデータを、制御手段21は内燃機関制御装置23
から得る。この制御装置23は回転数センサ22−ここでは増分発生器又は回転
変換器(いわゆるリゾルバ)−と結合しており、目標値設定装置(図示せず)を
含む。装置は回転数測定から回転の不均一に関して平均化された現在回転数値を
検出し、その値を目標値と比較し、それらの値に差がある場合、対応する制御信
号を制御手段21に印加する。すなわち、この場合、制御装置は特に図1の調整
装置24と目標値設定装置25の機能を統合したものである。他の(図示されて
いない)実施形態では、制御手段21と制御装置23の機能を1つの装置に統合
している。

0063

制御手段21はさらに別の制御装置と通信する:たとえば、エネルギー消費
御装置(図示せず)は、エネルギー蓄積部16,17を充電するために必要な電
気エネルギーの量を指示し、そこで、制御手段21は電気機械3の適切な発電機
機能を始動させることができる。更に、内燃機関制御装置23はスタータ機能、
ブースト機能及びリターダ機能に関わるデータを与える。

0064

加えて、内燃機関制御装置23の目的は、供給される空気量(運転者からペダ
ル位置によりあらかじめ設定されていないならば)、空気数、点火時点、噴射
点、弁の開閉などに従って内燃機関1の燃料消費、排気ガス組成、トルク及び回
転数を制御することである。無負荷制御が電動機械3の操作のみならず充填の操
作にも基づいている実施形態においては、現在無負荷回転数が目標回転数と異な
るとき、制御装置23は、電動機械を制御する他に、空気量及び/又は燃料量
適切に変化させ始める。これは電動機械の制御と同時に実行されても良いし、遅
延して実行されても良い。

0065

電動機械3及び内燃機関1から成るシステム全体の制御は、外部から、ペダル
の位置や、ブレーキ操作クラッチ操作及びトランスミッション操作を経て、さ
らに、クランク軸回転数クランク軸角度内燃機関温度)、ノッキング、測定
ラムダ値などにより実行される。

0066

無負荷回転数調整装置24はP特性又はPI特性を有しているのが好ましい。
この装置は、回転数の目標値からの顕著な偏差が明示される前に回転数の変化に
応答するために、D特性をも有するのが好ましい(合わせて、たとえば、PID
)。付加的に注入を操作する場合には、回転数変化の後、若干の時間をおいて電
動機械3の操作に戻ることができる。そのようにすると、注入の操作の結果とし
て、それだけで内燃機関1が目標回転数を保持することができるからである。外
乱が結合したときの無負荷制御(図2には図示せず)においては、電動機械3の
操作をさらに迅速にすることができる。

0067

本発明による駆動システムの機能状態の1例を図3に示す。図3には、現在無
負荷回転数n、目標無負荷回転数n0、電動機械によりエンジン軸に加えられる
トルクME及び内燃機関によりエンジン軸に加えられるトルクMVをそれぞれ時間
tの関数として示す。電動機械は、まず、たとえば、電気エネルギーを発生する
ための発電機機能を得るという意味で、制動トルクME0を加える。

0068

時点t1では、ここではt1の時点で衝撃を伴う衝撃関数の形態をとる機械的消
費装置14の負荷導入が現れる。従って、エンジン軸2に加わる対抗トルクは大
きくなり、初めに、無負荷回転数nは目標無負荷回転数n0より少なくなる。電
動機械は、−時点t2においてようやく不可避の遅延が起こるために−無負荷回
転数nが再び目標無負荷回転数n0に到達するまで、電動機械から加えられる制
動トルクをここではME0からME1に減少させる。この期間中、高出力消費装置1
6は少なくとも部分的に高い中間回路レベルにある蓄積部12によりエネルギー
を供給される。駆動作用時には、蓄積部12も電動機械に給電する。

0069

時点t3においては、それまでに内燃機関1が発生するトルクを注入の操作に
よって(ここではMV0からMV1へ)相応して増加させているので、電動機械3は
その制動トルクを再び(ここではME0まで)増加させることができる。この遷移
過程の間、無負荷回転数は実質的に目標値にとどまっている;そこで、電動機械
は再び多くの電気エネルギーを発生することができる。

0070

図4aには、従来の無負荷制御の場合の(回転の不均一に関して平均化された
)無負荷回転数n’と、駆動システムの目標無負荷回転数n0’と、下回っては
ならない内燃機関の臨界回転数nkritとをそれぞれ時間の関数として示す。基本
的には、−注入又は点火の操作を利用する無負荷回転数の制御が相対的に不正確
であるために−負荷の変化がない状態であっても、目標無負荷回転数n0と無負
荷回転数n’との偏差が相対的に大きくなる可能性があり、そのため、無負荷回
転数n’はn’minとn’maxとの間の範囲に含まれることになる。制御が相対的
にゆっくりであるため、注入の操作の場合、負荷の増加(ここでは時点t1’)
に相対的に遅れて(ここでは時点t2’)ようやく対抗することしかできない。
そのため、無負荷回転数は大きく減少してしまうおそれがある。臨界回転数nkr
itを下回らないためには、a)量a’の不正確な制御と、b)量b’の緩慢な制
御が行われているという理由により、目標無負荷回転数n0’を臨界回転数nkri
tより高く設定しなければならない。すなわち、臨界回転数nkritより合わせ
a’+b’の量だけ高く設定しなければならないのである。

0071

本発明の場合、関係は著しく好転する。図4bには、図4aに対応して、無負
荷回転数n”、目標無負荷回転数n0”並びに内燃機関の臨界回転数nkritを示
す。電動機械3を利用して無負荷回転数の制御は著しく正確になるので、目標無
負荷回転数n0”と無負荷回転数n”との偏差は相対的にごく小さくなり、n”m
inとn”maxとの幅は著しく狭くなる。増加(ここでは時点t1”)の制御が著し
く迅速であるため、相対的に早い時点(ここでは時点t2”)でこれに対抗する
ことができる。そこで、無負荷回転数n”の偏差は著しく少なくなる。臨界の無
負荷回転数nkritを下回らないために、目標無負荷回転数n0”を臨界回転数nk
ritより量a”+b”だけ高く設定すれば良い。総じて、目標無負荷回転数n0”
を従来の駆動システムの場合と比較して著しく小さく、すなわち、臨界回転数n
kritに著しく近い値に設定することが可能である。

0072

図5に示す方法においては、まず、一定の目標無負荷回転数n0'''を捕捉/検
出する。この回転数は、たとえば、使用されるエンジンの型などの一定パラメー
タと、たとえば、目標無負荷回転数n0'''に影響を及ぼす内燃機関温度などの可
変パラメータとから得られる。次に、無負荷回転数n'''を直接に又は間接的に
捕捉/検出する。これは特に実質的に瞬時の無負荷回転数である。この方法によ
れば、たとえば、瞬時無負荷回転数と、これに影響を及ぼす付加的な量とから実
際の無負荷回転数ではなく、期待される無負荷回転数が検出されるように、外乱
の結合を実現することができる。無負荷回転数n'''(これは実際の無負荷回転
数又は期待される無負荷回転数である)を目標無負荷回転数n0'''と比較する。
無負荷回転数n'''の値が目標無負荷回転数n0'''より大きくなると、
電動機械は相対制動トルクを発生する。たとえば、電動機械はその駆動トルクを
減少させるか、又は制動トルクを増加させる。更に、たとえば、注入への操作に
より、内燃機関により発生されるトルクを減少させることができる。これに相応
して、無負荷回転数n'''の値が目標無負荷回転数n0'''を下回った場合には、
これとは逆のことが当てはまる

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