Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für eine Fluidpumpe (eine Ölpumpe oder eine Wasserpumpe) eines Motors.

Im Allgemeinen werden eine Schmiervorrichtung und eine Kühlvorrichtung mit einem Motor geliefert. Die Schmiervorrichtung ist eine Vorrichtung zum Verringern des Reibungswiderstandes unter Verwendung von Öl für jeden Abschnitt des Motors. Die Schmiervorrichtung verwendet eine Ölpumpe, die mit einer Kurbelwelle des Motors gekoppelt ist, um Öl einem Schmierdurchgang zuzuführen. Die Kühlvorrichtung ist eine Vorrichtung zum Halten der Temperatur, bei der der Motor mit Stabilität weiterhin rotieren kann. Die Kühlvorrichtung führt Kühlwasser einem Durchgang zu, der in einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf des Motors angeordnet ist, um zu verhindern, dass sich der Motor überhitzt. Die Kühlvorrichtung verwendet eine Wasserpumpe, die mit der Kurbelwelle des Motors gekoppelt ist, um das Kühlwasser zu zirkulieren. Diese Vorrichtungen sind zum Halten des Motors im normalen Betriebszustand erforderlich. Diese Vorrichtungen haben einen Effekt der Verbesserung des Motorwirkungsgrades, d. h. des Kraftstoffwirkungsgrades.

Es besteht ein Problem bei einem Verfahren zum Antreiben solcher Fluidpumpen (Ölpumpe und Wasserpumpe) in der Schmiervorrichtung und der Kühlvorrichtung. Da diese Pumpen mit der Kurbelwelle des Motors verbunden sind, wird eine Antriebskraft gemäß der Motorrotation zu diesen Pumpen geliefert. Die Rotationsgeschwindigkeit jeder Pumpe wird entsprechend der Motordrehzahl bestimmt. Die Abgabe- bzw. Auslasskapazität der Pumpe nimmt zu, wenn die Drehzahl des Motors zunimmt. Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, ist die Auslasskapazität der Pumpe klein. Eine solche kleine Auslasskapazität kann den Kraftstoffwirkungsgrad verringern, insbesondere in dem Motor mit einem variablen Ventilantriebsmechanismus und/oder einem Mechanismus mit variablem Kompressionsverhältnis, da das Reaktionsvermögen dieser Mechanismen sich verschlechtern kann, wenn die Motordrehzahl niedrig ist. Wenn die Pumpe so konfiguriert ist, dass sie eine ausreichende Pumpenausgabe erzeugt, wenn die Motordrehzahl niedrig ist, ist die Arbeit durch die Pumpe unter der Bedingung, unter der die Motordrehzahl hoch ist und die Motorlast niedrig ist, übermäßig. Eine solche redundante Arbeit durch die Pumpe verringert den gesamten Motorwirkungsgrad.

Wie in 11 gezeigt, ist es bevorzugt, dass ideale Öldruckcharakteristiken einer Ölpumpe (durch durchgezogene Linien gezeigt) einen ausreichenden hohen Öldruck erzeugen, um eine Anforderung eines hydraulischen Systems zu erfüllen, wenn die Motordrehzahl niedrig ist, und einen ausreichenden niedrigen Öldruck zu erzeugen, der für die Bedingung geeignet ist, unter der die Motordrehzahl hoch ist und die Motorlast niedrig ist, im Vergleich zu den Charakteristiken einer herkömmlichen Pumpe (durch gestrichelte Linie gezeigt). Folglich besteht ein Bedarf für eine Fluidpumpe, die in der Lage ist, eine gewünschte Ausgabe unabhängig von der Motordrehzahl zu erzeugen.

Als eine der Lösungen zum Erfüllen eines solchen Bedarfs gibt es eine elektrisch angetriebene Pumpe. Die elektrisch angetriebene Pumpe kann die Rotation der Pumpe unabhängig von der Motorrotation steuern, da sie die Antriebskraft eines Motors zum Rotieren der Pumpe verwendet. Es gibt zwei Arten der elektrisch angetriebenen Pumpe. Eine ist ein Bürstenmotor und die andere ist ein bürstenloser Motor.

Obwohl die elektrisch angetriebene Pumpe eine Durchflussrate der Pumpe unabhängig von der Motordrehzahl steuern kann, bestehen einige Probleme. Wenn ein Bürstenmotor verwendet wird, ist seine Zuverlässigkeit gering, da er für Alterung und einen Ausfall auf Grund von Verschleiß der Bürste anfällig ist. Wenn eine bürstenlose Pumpe verwendet wird, ist eine PDU (Leistungsverteilungseinheit) zum Steuern des Magnetfeldes durch Drei-Phasen-Leitungen erforderlich, was das Gewicht des Pumpensystems erhöht und daher den Kraftstoffwirkungsgrad verringert.

Folglich besteht ein Bedarf an einer Pumpe, die ideale Öldruckcharakteristiken, wie in 11 gezeigt (im Fall einer Ölpumpe), und andere ideale Charakteristiken hinsichtlich der Rotationsgeschwindigkeit und der Wassertemperatur (im Fall einer Wasserpumpe) erfüllt, während eine hohe Zuverlässigkeit und ein hoher Kraftstoffwirkungsgrad implementiert werden.

Andererseits ist eine Gleitbetriebsartsteuerung auf dem Gebiet der Motorsteuerung bekannt. Die Gleitbetriebsartsteuerung ist in der Lage, die Charakteristiken einzustellen, denen eine gesteuerte Variable folgt, die auf einen gewünschten Wert konvergiert (siehe japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2003-155938). Die Gleitbetriebsartsteuerung kann redundante Arbeit verringern und den Kraftstoffwirkungsgrad verbessern.

Ferner ist eine Steuerung unter Verwendung eines Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus (&Dgr;-&Sgr;-Modulationsalgorithmus) bekannt. Ein solcher Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus kann eine sehr genaue Steuerung ungeachtet von Schwankungen in den Betriebseigenschaften eines gesteuerten Objekts implementieren, solange das gesteuerte Objekt eine Fähigkeit zum Erzeugen einer geeigneten Ausgabe in Reaktion auf eine Ein/Aus-Steuereingabe hat (siehe japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2003-195908).

DE 1653599, EP 0492141 und DE 3622335 offenbaren alle eine Antriebseinheit für eine Hilfseinheit, wobei der Antriebsmotor und die Hilfseinheit über einen Planetengetriebe-Mechanismus gekoppelt sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Fluidpumpensystem mit variabler Kapazität gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Steuern einer Rotationsgeschwindigkeit eines Fluidpumpensystems gemäß Anspruch 13 geschaffen. Gemäß Anspruch 1 umfasst die Fluidpumpe einen Planetengetriebe-Mechanismus mit einem ersten Zahnrad, einem zweiten Zahnrad und einem dritten Zahnrad. Das zweite Zahnrad ist mit einer Kurbelwelle des Motors verbunden und überträgt eine Rotationskraft der Kurbelwelle. Das dritte Zahnrad ist mit der Fluidpumpe verbunden. Die Fluidpumpe umfasst ferner ein Bremsmittel, das mit dem ersten Zahnrad verbunden ist. Das Bremsmittel erzeugt eine Bremskraft am ersten Zahnrad. Die Fluidpumpe umfasst ferner eine Einweg-Kupplung, die zwischen dem zweiten Zahnrad und dem dritten Zahnrad vorgesehen ist. Das Bremsmittel steuert eine Rotationsgeschwindigkeit des ersten Zahnrades, so dass eine Rotationsgeschwindigkeit der Fluidpumpe unabhängig von einer Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle des Motors gesteuert werden kann. Die Einweg-Kupplung wirkt, um eine relative Rotation des dritten Zahnrades in Bezug auf das zweite Zahnrad zu ermöglichen, um in einer Richtung zu rotieren, in der die Kurbelwelle rotiert, und wirkt zum Verhindern der relativen Rotation von einer Rotation in einer Richtung, die zu der Richtung entgegengesetzt ist, in der die Kurbelwelle rotiert.

Die Arbeit der Fluidpumpe verändert sich häufig eher in Abhängigkeit von der Motorlast als in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Arbeit der Fluidpumpe unabhängig von der Motordrehzahl gesteuert werden. Wenn sich der Motor in einem Zustand befindet, in dem die angeforderte Arbeit der Fluidpumpe klein ist, kann die Arbeit der Pumpe tatsächlich ungeachtet der Motordrehzahl verringert werden, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern. Da die Pumpe nicht elektrisch angetrieben wird, ist der Wirkungsgrad der Umsetzung der Motorarbeit in die Pumpenarbeit hoch, wodurch der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erste Zahnrad ein Hohlrad, das zweite Zahnrad umfasst mehrere Planetenräder und das dritte Zahnrad umfasst ein Sonnenrad. Gemäß dieser Struktur kann, wenn die angeforderte Arbeit der Pumpe zunimmt, die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe durch Aufbringen der Bremskraft auf das Hohlrad erhöht werden, was die Größe der Pumpe und die Reibung der Pumpe verringert. Da das Gewicht der Pumpe verringert werden kann und der Antriebswirkungsgrad verbessert wird, wird der Kraftstoffwirkungsgrad weiter verbessert.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bremsmittel einen Hysterese-Materialabschnitt, der vorgesehen ist, um gemäß dem ersten Zahnrad zu rotieren, und einen Elektromagneten zum Erzeugen eines Magnetfeldes durch den Hysterese-Materialabschnitt. Die Bremskraft wird durch Einstellen des Magnetfeldes erhöht oder verringert. Da das Bremsmittel in einer kontaktlosen Weise konfiguriert ist, kann folglich verhindert werden, dass sich die Leistung der Bremse auf Grund eines Verschleißes der Pumpe verschlechtert. Da der Wirkungsgrad der Erzeugung der Bremskraft hoch ist, sind Verluste der elektrischen Leistung niedrig, wodurch der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bremskraft so bestimmt, dass ein Sensorausgangssignal, das von einem Sensor erfasst wird, der in der Fluidpumpe vorgesehen ist, auf einen gewünschten Wert konvergiert. Der gewünschte Wert wird gemäß einer Betriebsbedingung des Motors festgelegt. Selbst wenn die Charakteristiken der in Reaktion auf die Steuereingabe erzeugten Bremskraft auf Grund von Schwankungen, Alterung und Wärmeerzeugung des Bremsmittels variieren, kann folglich die erforderliche Pumpenarbeit erreicht werden.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bremskraft durch eine Reaktionszuordnungssteuerung mit 2 Freiheitsgraden bestimmt. Da die Reaktionszuordnungssteuerung mit 2 Freiheitsgraden verhindern kann, dass die Arbeit (die Rotationsgeschwindigkeit) der Pumpe den gewünschten Wert überschreitet, kann eine redundante Arbeit, die durch eine solche Überschreitung verursacht wird, verringert werden, wodurch der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bremskraft durch eine gesteuerte Variable gesteuert, die durch einen eines Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus (&Dgr;-&Sgr;-Modulationsalgorithmus), eines Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus (&Sgr;-&Dgr;-Modulationsalgorithmus) und eines Delta-Modulationsalgorithmus (&Dgr;-Modulationsalgorithmus) moduliert wird. Selbst wenn das Bremsmittel Hysterese-Charakteristiken aufweist oder eine Schwierigkeit beim Erzeugen einer kleinen Menge der Bremskraft aufweist, kann die erforderliche Pumpenarbeit genau erreicht werden. Die Verringerung des Kraftstoffwirkungsgrades und die Variation der Pumpenarbeit, die auf Grund der redundanten Arbeit der Pumpe verursacht werden können, können verhindert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fluidpumpe eine Ölpumpe. Der Sensor ist ein Öldrucksensor zum Erfassen eines Öldrucks der Ölpumpe. Alternativ ist der Sensor ein Rotationsgeschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Rotationsgeschwindigkeit der Ölpumpe. Da ein ausreichender Öldruck durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit der Ölpumpe erzeugt werden kann, selbst wenn die Motordrehzahl niedrig ist, kann das Reaktionsvermögen der Ölhydraulikvorrichtungen aufrechterhalten werden. Der Betriebszustand des Motors kann optimiert werden, um den Kraftstoffwirkungsgrad zu verbessern.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fluidpumpe eine Wasserpumpe. Der Sensor ist ein Wassertemperatursensor zum Erfassen einer Wassertemperatur der Wasserpumpe. Alternativ ist der Sensor ein Rotationsgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit der Wasserpumpe. Da die Arbeit der Pumpe durch Verlangsamen der Wasserpumpe, wenn sich der Motor in einem Zustand mit niedriger Last befindet, wo die Notwendigkeit für die Kühlung des Motors gering ist, verringert werden kann, wird der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert.

Bevorzugte Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines Getriebemechanismus für eine Ölpumpe mit variabler Kapazität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt schematisch eine beispielhafte Struktur einer Einweg-Kupplung.

3 zeigt das Übertragungsverhalten eines Getriebemechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

4 zeigt schematisch Betriebscharakteristiken einer Ölpumpe mit variabler Kapazität.

5 ist ein Blockdiagramm, das einen Öldruckrückkopplungstyp eines Ölpumpensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

6 ist ein Blockdiagramm, das einen Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Rückkopplungstyp eines Ölpumpensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

7 zeigt einen Steuerablauf eines Ölpumpensystems mit variabler Kapazität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

8 ist ein Blockdiagramm, das einen Wassertemperatur-Rückkopplungstyp eines Wasserpumpensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

9 ist ein Blockdiagramm, das einen Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Rückkopplungstyp eines Wasserpumpensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

10 zeigt einen Steuerablauf eines Wasserpumpensystems mit variabler Kapazität gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

11 zeigt schematisch ideale Charakteristiken des Öldrucks einer Ölpumpe.

Mit Bezug auf die Zeichnungen werden spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Ölpumpe mit variabler Kapazität, die in der Lage ist, die Rotationsgeschwindigkeit der Ölpumpe in Bezug auf die Drehzahl des Motors durch Anordnen eines Getriebemechanismus 10 zwischen einer Kurbelwelle des Motors und der Ölpumpe variabel zu steuern, geschaffen. Wie in 1 gezeigt, umfasst der Getriebemechanismus einen Planetengetriebe-Mechanismus 12, eine Hysterese-Bremse 14 und eine Einweg-Kupplung 16.

Der Planetengetriebe-Mechanismus 12 umfasst ein Sonnenrad 18, ein Hohlrad 20 und mehrere Planetenräder 22. Das Sonnenrad 18 ist mit der Ölpumpe verbunden. Die Planetenräder sind mit der Kurbelwelle über einen Träger 24 verbunden. Die Einweg-Kupplung 16 ist zwischen dem Sonnenrad 18 und dem Träger 24 vorgesehen. Die Einweg-Kupplung 16 wirkt so, dass die Richtung einer relativen Rotation des Sonnenrades 18 in Bezug auf den Träger 24 auf die Richtung begrenzt wird, in der der Träger 24rotiert, d. h. die Richtung, in der die Kurbelwelle rotiert.

Die Hysterese-Bremse 14 ist mit der äußeren Seite des Hohlrades 20 verbunden. Die Hysterese-Bremse 14 besitzt einen Hysterese-Materialabschnitt 28 am Rahmen des Hohlrades, so dass die Bremse 14 gemäß der Rotation des Hohlrades 20 rotiert. Die Hysterese-Bremse 14 besitzt ferner einen Elektromagneten 30, der den Hysterese-Materialabschnitt 28 umgibt. Eine Bremskraft wird durch ein Magnetfeld vom Elektromagneten 30 erzeugt. Die Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades 20 kann durch die Bremse 14 innerhalb eines Bereichs vom Stoppen bis zu einer Rotationsgeschwindigkeit gleich der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 24 (d. h. der Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle) eingestellt werden.

2 zeigt eine beispielhafte Struktur der Einweg-Kupplung 16. Wie in 2(a) gezeigt, werden, wenn ein äußerer Ring 34 (der mit dem Träger 24 verbunden ist) versucht, in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn zu rotieren, Rollen 32 in Eingriffsabschnitten, die auf der Nockenoberfläche des äußeren Rings vorgesehen sind, durch die Wirkung einer Feder aufgenommen. Folglich wird eine Welle 36 (die mit dem Sonnenrad 18 verbunden ist) durch die Keilwirkung zwischen der Nockenoberfläche des äußeren Rings und der Welle 36 angetrieben.

Wie in 2(b) gezeigt, rotiert andererseits, wenn die Welle 36 (das Sonnenrad 18) schneller rotiert als der äußere Ring 34 (der Träger 24), der äußere Ring 34 (der Träger 24) relativ in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf die Welle 36 (das Sonnenrad 18). Die Rollen 32 lösen sich von der Nockenoberfläche des äußeren Rings. Folglich rotiert die Welle 36 (das Sonnenrad 18) frei in Bezug auf den äußeren Ring 34 (den Träger 24).

Die Rotationsgeschwindigkeit der Ölpumpe wird durch Kombinieren der Operationen der Einweg-Kupplung 16 und der Hysterese-Bremse 14 gesteuert. 3 zeigt eine Beziehung unter der Rotationsgeschwindigkeit NR des Hohlrades, die durch die Hysterese-Bremse 14 gesteuert wird, der Rotationsgeschwindigkeit NC des Trägers, der mit der Kurbelwelle verbunden ist, und der Rotationsgeschwindigkeit NS des Sonnenrades, das mit der Ölpumpe verbunden ist.

Wie in 3(a) gezeigt, rotieren, wenn die Hysterese-Bremse 14 nicht betätigt wird, der Träger 24, das Hohlrad 22 und das Sonnenrad 18 als ein Stück gemäß der Rotation der Kurbelwelle des Motors. In diesem Fall versucht NS auf Grund der Antriebsreibung der Ölpumpe, niedriger zu sein als NC. Da jedoch die Einweg-Kupplung 16 die relative Rotation des Sonnenrades begrenzt, wie vorstehend beschrieben, kann NS nicht niedriger sein als NC. Daher wird die Rotationsgeschwindigkeit NS gleich NC. Folglich rotiert der Planetengetriebe-Mechanismus 12 als ein Stück gemäß der Kurbelwelle. Die Rotationsgeschwindigkeit NOP der Ölpumpe ist gleich der Motordrehzahl NE.

Wenn die Hysterese-Bremse 14 betätigt wird, wird die Rotation des Hohlrades 20 durch die Hysterese-Bremse 14 eingeschränkt. Der Träger 24 rotiert gemäß der Kurbelwelle des Motors. Die Planetenräder 22 rotieren gemäß einer Differenz zwischen der Rotationsgeschwindigkeit des Hohlrades 20 und der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 24. Das Sonnenrad 18 überträgt eine Summe der Rotationsgeschwindigkeit der Planetenräder 22 und der Rotationsgeschwindigkeit des Trägers 24 auf die Ölpumpe. Dieser Fall ist in 2(b) gezeigt. NR befindet sich in einem verringerten Zustand in Bezug auf NC auf Grund der Bremskraft. NS rotiert relativ in der Richtung im Uhrzeigersinn in Bezug auf NC. Die Einweg-Kupplung 16 geht in einen Freilaufzustand und NS ist schneller als NC. Folglich nimmt die Rotationsgeschwindigkeit NOP der Ölpumpe in Bezug auf die Motordrehzahl NE zu.

Wenn eine Reibungskupplung verwendet wird, treten gewöhnlich Alterung und Ausfall auf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können, da die Bremskraft durch die Hysterese-Bremse 14 erzeugt wird, eine solche Alterung und ein solcher Ausfall verhindert werden. Da die für die Bremsenergie (Arbeit) erforderliche elektrische Leistung auf etwa 1/100 verringert werden kann, kann ferner das Getriebe gemäß der Erfindung eine Verringerung des Kraftstoffwirkungsgrades unterdrücken. Folglich kann die Pumpe mit variabler Kapazität den Kraftstoffwirkungsgrad verbessern.

Die Bremskraft kann durch einen Motor erzeugt werden. Die elektrische Leistung, die für eine Bremse erforderlich ist, die durch den Motor angetrieben wird, ist jedoch größer als für die obige Hysterese-Bremse erforderlich. Daher kann die Erzeugung der Bremskraft durch einen Motor den vorstehend beschriebenen Effekt hinsichtlich des Kraftstoffwirkungsgrades, der durch die Ölpumpe mit variabler Kapazität erreicht wird, aufheben. Wenn ein Bürstenmotor verwendet wird, kann ferner ein Ausfall auf Grund von Verschleiß der Bürste auftreten. Wenn ein bürstenloser Motor verwendet wird, ist eine PDU (Leistungsverteilungseinheit) erforderlich, die das Gewicht des Pumpensystems erhöhen und den Kraftstoffwirkungsgrad verringern kann.

4 zeigt Betriebscharakteristiken der Ölpumpe mit variabler Kapazität. 4(a) zeigt Charakteristiken des Öldrucks in Bezug auf die Motordrehzahl. 4(b) zeigt Charakteristiken der Rotationsgeschwindigkeit der Ölpumpe in Bezug auf die Motordrehzahl. 4(c) zeigt die an die Hysterese-Bremse angelegte Spannung in Bezug auf die Motordrehzahl. Mit Bezug auf eine gestrichelte Linie 31 von 4(a) sind die Charakteristiken des Öldrucks, wenn der Planetengetriebe-Mechanismus 12 als ein Stück gemäß der Kurbelwelle rotiert (mit anderen Worten, wenn die Bremse 14 nicht betätigt wird), gezeigt. Die Charakteristiken des Öldrucks, wie durch die Linie 31 gezeigt, werden so hergestellt, dass der Öldruck, der erforderlich ist, wenn die Motorlast niedrig ist, erfüllt wird. Wenn jedoch die Motordrehzahl niedrig ist und wenn die Motorlast hoch ist, ist ein höherer Öldruck erforderlich. Daher wird der Öldruck durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe durch die Steuerung durch die Hysterese-Bremse 14 erhöht, wie durch Linien 32 und 33 gezeigt.

Mit Bezug auf die Charakteristiken der Pumpenrotationsgeschwindigkeit, wird, wenn die Motordrehzahl niedrig ist, eine erforderliche Pumpenrotationsgeschwindigkeit erzeugt. Wenn die Motorlast hoch ist, wird eine hohe Pumpenrotationsgeschwindigkeit erzeugt. Die so erzeugte Pumpenrotationsgeschwindigkeit ist größer als die Motordrehzahl.

Mit Bezug auf die Charakteristiken der an die Hysterese-Bremse angelegten Spannung ist unter der Bedingung, unter der die Motordrehzahl niedrig ist, und der Bedingung, unter der die Motorlast hoch ist (diese Bedingungen erfordern einen höheren Öldruck), die an die Bremse 14 angelegte Spannung höher als erforderlich, wenn die Motorlast niedrig ist.

Folglich kann eine Ölpumpe mit variabler Kapazität und mit einem Getriebemechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die idealen Charakteristiken des Öldrucks erreichen, wie in 11 gezeigt.

Ein Ölpumpensteuersystem unter Verwendung einer Ölpumpe mit variabler Kapazität, wie vorstehend beschrieben, wird beschrieben. Eine Rückkopplungssteuerung auf der Basis eines tatsächlichen Werts, der von einem Sensor erfasst wird, der in der Ölpumpe vorgesehen ist, und eines gewünschten Werts wird typischerweise durchgeführt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Öldrucksteuerung oder eine Pumpenrotationsgeschwindigkeitssteuerung implementiert.

Ein gewünschter Wert für den Öldruck entsprechend der Motordrehzahl kann mit Bezug auf die idealen Öldruckcharakteristiken, wie in 11 oder 4(a) gezeigt, bestimmt werden. Unter Verwendung dieses gewünschten Werts kann eine Rückkopplungssteuerung für die Ölpumpe durchgeführt werden.

Wenn eine herkömmliche PID-Steuereinheit als Rückkopplungssteuereinheit verwendet wird, können Schwankungen des Fehlers zwischen dem gewünschten Wert und dem tatsächlichen Wert für den Öldruck groß sein, da die PID-Steuerung eine Tendenz hat, zu verursachen, dass der gesteuerte Wert (der Öldruck) überschwingt. Andererseits ändern sich Betriebscharakteristiken der Hysterese-Bremse gemäß der Temperatur. Wenn die Hysterese-Bremse kontinuierlich verwendet wird, kann die Bremsfähigkeit abnehmen und der tatsächliche Öldruck kann nicht genau dem gewünschten Wert folgen. Daher besteht ein Bedarf für eine Steuereinheit, die schnell bewirkt, dass der Fehler konvergiert, ohne zu verursachen, dass der tatsächliche Öldruck den gewünschten Wert überschreitet.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, um den Öldruck genauer zu steuern, um das Reaktionsvermögen der Ölpumpe zu stabilisieren, ein Öldruckrückkopplungstyp eines Ölpumpensteuersystems, wie in 5 gezeigt, konfiguriert. Der Öldruck Poil, der von einem Öldrucksensor 50 erfasst wird, wird so gesteuert, dass er auf einen gewünschten Öldruckwert Poil_cmd konvergiert.

Eine Steuereinheit 46 umfasst eine Gleitbetriebsart-Steuereinheit mit 2 Freiheitsgraden (nachstehend als "SMC mit 2 Freiheitsgraden" bezeichnet) 42 und einen Delta-Sigma-Modulator (&Dgr;-&Sgr;-Modulator) 44. Gemäß der SMC mit 2 Freiheitsgraden können die Charakteristiken, dass der Fehler konvergiert, und die Charakteristiken, dass der Fehler einem gewünschten Wert folgt, separat gesteuert werden. Da die SMC mit 2 Freiheitsgraden das Verhalten des Fehlers so spezifizieren kann, dass der Fehler sich allmählich dem gewünschten Wert nähert, kann das Überschwingen des Fehlers verhindert werden. Die Gleitbetriebsartsteuerung ist eine Art der Reaktionszuordnungssteuerung.

Die Delta-Sigma-Modulation kann die Ausgabe des gesteuerten Objekts ungeachtet der Reaktionscharakteristiken des gesteuerten Objekts genau steuern, solange das gesteuerte Objekt eine Fähigkeit zum Rekonstruieren von Ein/Aus-Eingaben hat. Die Delta-Sigma-Modulation kann eine genaue Bremssteuerung ungeachtet von Schwankungen in der Reaktion der Bremse implementieren.

Ein Steuerverfahren gemäß dieser Ausführungsform wird nun beschrieben. Zuerst werden ein Lastparameter auf der Basis einer Einlassluftmenge Gcyl des Motors, der typischerweise von einem Luftdurchflussmesser des Motors erfasst wird, und die Motordrehzahl Ne, die typischerweise von einem Sensor erfasst wird, der im Motor vorgesehen ist, in eine Einheit 40 zum Berechnen des gewünschten Werts eingegeben. Der gewünschte Öldruckwert Poil_cmd wird auf der Basis dieser eingegebenen Werte bestimmt. Dieser gewünschte Öldruckwert Poil_cmd und der Öldruck Poil, der vom Öldrucksensor 50 erfasst wird, der in der Ölpumpe 48 vorgesehen ist, werden in die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden eingegeben.

Die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden berechnet einen Referenzeingang Rop, so dass der Öldrucksensorausgang Poil auf den gewünschten Öldruckwert Poil_cmd konvergiert. Die Details der Berechnung werden beschrieben.

Die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden führt eine Tiefpassfilterung am gewünschten Öldruckwert Poil_cmd unter Verwendung eines gewünschten Werts gemäß dem Reaktionszuordnungsparameter pole_f_op durch, wie in Gleichung (1) gezeigt. Durch diesen Prozess wird die Wellenform des gewünschten Werts, die typischerweise eine Stufe aufweist, geglättet. Folglich wird die Wellenform des gewünschten Werts in eine Kurve umgesetzt, die sich allmählich dem gewünschten Wert nähert. Poil_cmd_f(m) = –pole_f_op·Poil_cmd_f(m – 1) + (1 + pole_f_op)Poil_cmd(m)(1)

Poil_cmd_f stellt einen gewünschten Wert nach dem Filterprozess dar und "m" stellt eine Steuerzeit dar. In dieser Ausführungsform ist ein Steuerzyklus der SMC mit 2 Freiheitsgraden 50 Millisekunden. Der Reaktionszuordnungsparameter wird so gesetzt, dass -1 < pole_f_op < 0 erfüllt ist.

Wie in Gleichung (1) zu sehen ist, ist die Bahn des gewünschten Werts Poil_cmd_f nach dem Filterprozess durch den Reaktionszuordnungsparameter pole_f_op definiert. Die Geschwindigkeit, mit der der Steuerausgang Poil dem gewünschten Wert Poil_cmd folgt, kann in Abhängigkeit davon festgelegt werden, welche Form die Bahn für den gewünschten Wert annimmt. Die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden berechnet den Referenzeingang Rop so, dass der Öldrucksensorausgang Poil auf den so festgelegten gewünschten Öldruckwert Poil_cmd_f konvergiert.

Ein Fehler E_op zwischen dem Öldrucksensorausgang Poil und dem gewünschten Wert Poil_cmd_f wird bestimmt, wie in der Gleichung (2) gezeigt. E_op(m) = Poil(m) – Poil_cmd_f(m)(2)

Eine Schaltfunktion &sgr; ist definiert, wie in der Gleichung (3) gezeigt. Die Schaltfunktion &sgr; definiert ein Konvergenzverhalten des Fehlers. Pole_op ist ein eine Störung unterdrückender Reaktionszuordnungsparameter. Der Reaktionszuordnungsparameter Pole_op legt die Konvergenzgeschwindigkeit des Fehlers E_op fest, wenn eine Störung aufgebracht wird. Der Reaktionszuordnungsparameter pole_op wird so festgelegt, dass 1 < pole_op < 0 erfüllt ist. &sgr;_op(m) = E_op(m) + pole_f·E_op(m – 1)(3)

Der Referenzeingang Rop wird berechnet, wie in der Gleichung (4) gezeigt. Krch_op und Kadp_op sind Rückkopplungsverstärkungen. Der erste Term auf der rechten Seite der Gleichung (4) gibt einen Proportionalterm an und der zweite Term gibt einen Integralterm an. Folglich zeigt die Gleichung (4) die Berechnung der Rückkopplungsmenge gemäß der PI-Steuerung, wobei die Schaltfunktion &sgr; als ihr Eingang verwendet wird.

Der Referenzeingang Rop wird in den Delta-Sigma-Modulator 44 eingegeben. Der Delta-Sigma-Modulator 44 empfängt den Referenzeingang Rop von der SMC mit 2 Freiheitsgraden als Eingang und wendet einen Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus auf den Referenzeingang Rop an, um einen Steuereingang Uop zu berechnen. Details der Berechnung werden beschrieben.

Wie in der Gleichung (5) gezeigt, wird der Referenzeingang Rop durch eine Begrenzungsfunktion lim_op innerhalb eines Bereichs von einem unteren Grenzwert Rop_min bis zu einem oberen Grenzwert Rop_max begrenzt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der untere Grenzwert Rop_min auf 2[v] gesetzt und der obere Grenzwert Rop_max wird auf 8[v] gesetzt. Nach dem Begrenzungsprozess wird ein Versatzwert rop_oft, der zum Berechnen des Steuereingangs Uop verwendet werden soll, subtrahiert, wie in der Gleichung (6) gezeigt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Versatzwert rop_oft auf 5[v] gesetzt. "n" stellt eine Steuerzeit dar. In dieser Ausführungsform ist ein Steuerzyklus der Steuerung durch den Delta-Sigma-Modulator 5 Millisekunden. r1_op(n) = lim_op(Rop(m))(5) r2_op(n) = r1_op(n) – rop_oft(6)

Wie in der Gleichung (7) gezeigt, wird dann ein Fehler &dgr;_op(n) zwischen dem Signal r2_op(n), das durch den obigen Versatzprozess erhalten wird, und dem vorherigen Wert Uop'(n – 1) für das Modulationssignal berechnet. Wie in der Gleichung (8) gezeigt, wird das Fehlersignal &dgr;_op(n) zum vorherigen Wert &lgr;_op(n – 1) für das Integral des Fehlers addiert, um den aktuellen Wert &lgr;_op(n) für das Integral des Fehlers zu bestimmen. &dgr;_op(n) = r2_op(n) – Uop'(n – 1)(7) &lgr;_op(n) = &lgr;_op(n – 1) + &dgr;_op(n)(8)

Wie in der Gleichung (9) gezeigt, wird eine binäre nichtlineare Funktion Fnl_op auf das Integral des Fehlers &lgr;_op(n) angewendet, so dass das Integral des Fehlers in einen binären Wert umgesetzt wird. Insbesondere wenn das Integral des Fehlers &lgr;_op(n) gleich oder größer als Null ist, gibt die binäre nichtlineare Funktion Fnl_op das Modulationssignal Uop'(n) mit einem Wert von +R aus. Wenn das Integral &lgr;_op(n) geringer ist als Null, gibt die binäre nicht-lineare Funktion Fnl_op das Modulationssignal mit einem Wert von –R aus. Hier ist R ein vorbestimmter Wert, der größer ist als der maximale Absolutwert von r2_op. Wenn das Integral &lgr;_op(n) Null ist, kann alternativ ein Wert von Null als Modulationssignal ausgegeben werden. Wie in der Gleichung (10) gezeigt, wird der Versatzprozess auf das Modulationssignal Uop'(n) angewendet, um den Steuereingang Uop(n) zu bestimmen. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der so durch die Delta-Sigma-Modulation erzeugte Steuereingang einen Wert von entweder 5 + R[v] oder 5 – R[v]. Uop'(n) = Fnl_op(&lgr;_op(n))(9) Uop(n) = Uop'(n) + rop_oft(10)

Die vorstehend beschriebene Steuereinheit umfasst einen Modulator, der den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet. Alternativ kann der Modulator so konfiguriert sein, dass er einen Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus (&Sgr;-&Dgr;-Modulationsalgorithmus) oder einen Delta-Modulationsalgorithmus (&Dgr;-Modulationsalgorithmus) verwendet. Die in solchen Algorithmen verwendeten folgenden Gleichungen sind zu den Gleichungen (5) bis (10), die in der obigen Delta-Sigma-Modulation verwendet werden, ähnlich. Im Folgenden stellt &lgr; das Integral dar und &dgr; stellt die Subtraktion dar.

Gleichungen, die im Sigma-Delta-Modulator durchgeführt werden, sind in den Gleichungen (11) bis (17) gezeigt. r1_op(n) = lim_op(Rop(m))(11) r2_op(n) = r1_op(n) – rop_oft(12) &lgr;r_op(n) = &lgr;r_op(n – 1) + r2_op(n)(13) &lgr;u_op(n) = &lgr;u_op(n – 1) + Uop'(n – 1)(14) &dgr;ru_op(n) = &lgr;r_op(n) – &lgr;u_op(n)(15) Uop'(n) = Fnl_op(&dgr;ru_op(n))(16) Uop(n) = Uop'(n) + rop_oft(17)

Gleichungen, die im Delta-Modulator durchgeführt werden, sind in den Gleichungen (18) bis (23) gezeigt. r1_op(n) = lim_op(Rop(m))(18) r2_op(n) = r1_op(n) – rop_oft(19) &lgr;u_op(n) = &lgr;u_op(n – 1) + Uop'(n – 1)(20) &dgr;ru_op(n) = r2_op(n) – &lgr;u_op(n)(21) Uop'(n) = Fnl_op(&dgr;ru_op(n))(22) Uop(n) = Uop'(n) + rop_oft(23)

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Rückkopplungssteuerung der Ölpumpe mit variabler Kapazität unter Verwendung eines Pumpenrotationsgeschwindigkeitssensors implementiert. Eine gewünschte Pumpenrotationsgeschwindigkeit entsprechend der Motordrehzahl kann aus den Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Charakteristiken, wie in 4(b) gezeigt, hergestellt werden.

6 zeigt eine Struktur eines Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Rückkopplungstyps eines Ölpumpensteuersystems. Eine Pumpenrotationsgeschwindigkeit Nop, die von einem Pumpenrotationsgeschwindigkeitssensor 52 erfasst wird, wird so gesteuert, dass sie auf eine gewünschte Rotationsgeschwindigkeit Nop_cmd entsprechend der Motordrehzahl und der Lastbedingung des Motors konvergiert. Die Steuereinheit umfasst eine SMC mit 2 Freiheitsgraden und einen Delta-Sigma-Modulator (&Dgr;-&Sgr;-Modulator) in ähnlicher Weise zu jenen des Öldruckrückkopplungstyps des Ölpumpensteuersystems, wie vorstehend beschrieben.

Ein Steuerverfahren dieser Ausführungsform wird beschrieben. Da das Steuerverfahren zum Steuerverfahren im vorstehend beschriebenen Öldruckrückkopplungstyp des Ölpumpensystems ähnlich ist, werden nur Unterschiede beschrieben.

Die Einheit 40 zum Berechnen des gewünschten Werts bestimmt einen gewünschten Pumpenrotationsgeschwindigkeitswert Nop_cmd auf der Basis des Motorlastparameters (typischerweise Einlassluftmenge Gcyl) und der Motordrehzahl. Der gewünschte Rotationsgeschwindigkeitswert Nop cmd und die Pumpenrotationsgeschwindigkeit Nop, die vom Pumpenrotationsgeschwindigkeitssensor 52 erfasst wird, der in der Ölpumpe 48 vorgesehen ist, werden in die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden eingegeben.

Die SMC 42 mit 2 Freiheitsgraden berechnet einen Referenzeingang Rop, der verwendet werden soll, um zu bewirken, dass der Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Sensorausgang Nop auf den gewünschten Pumpenrotationsgeschwindigkeitswert Nop_cmd konvergiert. Gleichungen, die in der Berechnung durchgeführt werden, werden gezeigt. Da die Berechnung zu den Gleichungen (1) bis (4) ähnlich ist, werden Details hinsichtlich der Berechnung nicht beschrieben. Variablen und Funktionen, die in den Gleichungen verwendet werden, sind zu den in den Gleichungen (1) bis (4) verwendeten ähnlich. Hinsichtlich derselben Variablen und Funktionen wie jenen in den Gleichungen (1) bis (4) wird ein Anführungszeichen (1) hinzugefügt. Nop_cmd_f(m) = –pole'_f_op·Nop_cmd_f(m – 1) + (I + pole'_f_op)Nop_cmd(m)(24) E'_op(m) = Nop(m) – Nop_cmd_f(m)(25) &sgr;'_op(m) = E'_op(m) + pole'_f·E'_op(m – 1)(26)

Folglich wird der Referenzeingang Rop' in den Delta-Sigma-Modulator 44 eingegeben.

Der Delta-Sigma-Modulator 44 empfängt den Referenzeingang Rop' von der SMC mit 2 Freiheitsgraden als Eingang, um einen Steuereingang Uop durch Anwenden des Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus auf den Referenzeingang zu berechnen. Da die Berechnung zum Bestimmen des Referenzeingangs zu den Gleichungen (5) bis (10) ähnlich ist, werden Details hinsichtlich der Berechnung nicht beschrieben.

Das System gemäß dieser Ausführungsform umfasst einen Modulator, der den Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus verwendet. Alternativ kann der Modulator so konfiguriert sein, dass er den Sigma-Delta-Modulationsalgorithmus (&Sgr;-&Dgr;-Modulationsalgorithmus), wie in Gleichung (11) bis (17) gezeigt, oder den Delta-Modulationsalgorithmus (&Dgr;-Modulationsalgorithmus), wie in den Gleichungen (18) bis (23) gezeigt, verwendet.

7 zeigt einen Steuerablauf für das vorstehend beschriebene Ölpumpensteuersystem. Der Steuerablauf besitzt zwei Operationsstufen. In Schritt S100 wird der gewünschte Öldruckwert oder der gewünschte Pumpenrotationsgeschwindigkeitswert auf der Basis der Motordrehzahl und des Lastparameters bestimmt. In Schritt S102 wird die Berechnung der Gleitbetriebsartsteuerung mit 2 Freiheitsgraden durchgeführt, um den Referenzeingang zu berechnen. Die Berechnung ist in den Gleichungen (1) bis (4) oder in den Gleichungen (24) bis (27) gezeigt. Die Operation von Schritt S100 und Schritt S102 in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird alle 50 Millisekunden ausgeführt. Als nächstes wird auf der Basis des berechneten Referenzeingangs der Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus in Schritt S104 durchgeführt, um den Steuereingang zu berechnen. Die Operation von Schritt S104 wird alle 5 Millisekunden ausgeführt.

Der Getriebemechanismus 10 für die Ölpumpe mit variabler Kapazität, wie in 1 gezeigt, kann zum Implementieren einer Wasserpumpe 56 mit variabler Kapazität verwendet werden, indem die mit dem Sonnenrad 18 verbundene Ölpumpe gegen die Wasserpumpe ausgetauscht wird. Ein Steuersystem für die Wasserpumpe ist ähnlich zum Steuersystem für die Ölpupe. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Wassertemperatursteuerung oder eine Pumpenrotationsgeschwindigkeitssteuerung implementiert.

8 zeigt einen Wassertemperatur-Rückkopplungstyp eines Wasserpumpensteuersystems. Eine Steuereinheit 46 umfasst eine Gleitbetriebsart-Steuereinheit 42 mit 2 Freiheitsgraden und einen Delta-Sigma-Modulator (&Dgr;-&Sgr;-Modulator) 44 in einer ähnlichen Weise zum Ölpumpensystem, wie vorstehend beschrieben. Ein Wassertemperatursensor 54 ist in der Wasserpumpe vorgesehen. Eine Kühlwassertemperatur Tw, die ein Ausgang des Sensors 54 ist, und ein gewünschter Wassertemperaturwert Tw_cmd, der durch die Einheit 40 zum Berechnen des gewünschten Werts bestimmt wird, werden in die Steuereinheit 46 eingegeben. Details der Gleichungen, die von der Gleitbetriebsart-Steuereinheit mit 2 Freiheitsgraden zum Berechnen des Referenzeingangs Rwp durchgeführt werden, werden ausgelassen, da sie in ähnlicher Weise zu den Gleichungen (1) bis (4) dargestellt sind, außer dass die in den Gleichungen verwendeten Symbole anders sind. Ebenso werden die Details der vom Delta-Sigma-Modulator zum Berechnen des Steuereingangs Uwp aus dem Referenzeingang Rwp durchgeführten Gleichungen ausgelassen, da sie zu den Gleichungen (5) bis (10) ähnlich sind.

9 zeigt einen Pumpenrotationsgeschwindigkeits-Rückkopplungstyp eines Wasserpumpensteuersystems. Ein Pumpenrotationssensor 52 ist in der Wasserpumpe vorgesehen. Eine Wasserpumpen-Rotationsgeschwindigkeit Nwp, die ein Ausgang des Sensors 52 ist, und ein gewünschter Rotationsgeschwindigkeitswert Nwp_cmd, der durch die Einheit 40 zum Berechnen des gewünschten Werts bestimmt wird, werden in die Steuereinheit 46 eingegeben. Die Berechnung durch die Steuereinheit wird in einer ähnlichen Weise zum Wassertemperatur-Rückkopplungstyp des Wasserpumpensteuersystems durchgeführt.

10 ist ein Steuerablauf für das vorstehend beschriebene Wasserpumpensteuersystem. Der Steuerablauf besitzt zwei Operationsstufen. In Schritt S200 wird der gewünschte Wassertemperaturwert oder der gewünschte Pumpenrotationsgeschwindigkeitswert auf der Basis der Motordrehzahl und des Lastparameters bestimmt. In Schritt S202 wird die Berechnung der Gleitbetriebsartsteuerung mit 2 Freiheitsgraden durchgeführt, um den Referenzeingang zu berechnen. Die Berechnung wird durchgeführt, wie in den Gleichungen (1) bis (4) oder in den Gleichungen (24) bis (27) gezeigt. Die Operation von Schritt S200 und Schritt S202 wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung alle 50 Millisekunden ausgeführt. Als nächstes wird auf der Basis des berechneten Referenzeingangs der Delta-Sigma-Modulationsalgorithmus in Schritt S204 durchgeführt, um den Steuereingang zu berechnen. Die Operation von Schritt S204 wird alle 5 Millisekunden ausgeführt.

Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese speziellen Ausführungsformen begrenzt.