JP2004028108A

JP2004028108A - 内燃機関の絞り弁制御装置

Info

Publication number: JP2004028108A
Application number: JP2003314892A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sasaki; 佐々木　靖; Sadayuki Aoki; 青木　定之; Yasuhiro Kamimura; 上村　康宏
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】
　本発明の目的は、車載用の内燃機関における絞弁制御装置に係り、特に、モータ等のアクチュエータにより絞弁をフィードバック制御するときの、高速応答性，高精度制御性を向上させることにある。
【解決手段】
　アクチュエータにより絞弁をフィードバック制御する駆動系における、減速歯車を軽量部材，低摺動抵抗部材とする。
【効果】
　ＩＳＣ(アイドルスピードコントロール），ＦＩＣ(ファーストアイドルコントロール），ＡＳＣＤ（オートスピードコントロールデバイス）等の機能を制御する時の高速応答性，高精度制御性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

　本発明は、絞り弁開閉操作用のアクチュエータと、絞り弁の制御位置を検出する検出手段と、その検出手段の出力と絞り弁の制御目標開度を比較判断して絞り弁開度をフィードバック制御する駆動ユニットを備え、絞り弁の開度を高速，高精度に制御することが出来るようにした車載用の内燃機関における絞り弁制御装置に係り、特に自動車用のエンジンに好適な内燃機関の絞り弁制御装置に関する。

　近年、例えば自動車など、車輌用内燃機関の絞り弁（スロットルバルブ）制御方式として、従来のアクセルペダル操作による直接的な絞り弁の操作に代えて、アクセルペダルの操作量をセンサにより電気信号として取り込み、所定の演算処理を施してから電動機等からなるアクチュエータに供給し、このアクチュエータにより絞り弁を開閉制御する、いわゆる電子スロットル方式の絞り弁制御装置が注目されるようになり、エンジンの高出力化等自動車の高性能化に際して有効なトラクションコントロールなどの各種のエンジン制御に適用されるようになっている（従来技術：特開平3−50338号公報）。

　このエンジン制御に適用可能な機能として代表的なものに、ＩＳＣ（アイドルスピードコントロール），ＦＩＣ（ファーストアイドルコントロール）機能の様な絞り弁低開度制御機能、さらにＡＳＣＤ（定速走行制御機能）等がある。

特開平3−50338号公報

　上記従来技術は、減速機として、減速歯車を用いているが、通常、歯車の材料は、例えば、焼結材のような金属材を用いることが多い。

　この場合、減速歯車は金属材であることから、軽量部材とは異なり重く、また歯車の摺動部には特に摺動抵抗を低減する構成をとっていないものが主流であった。

　車載用の内燃機関における絞り弁制御装置電子スロットル方式の絞り弁制御装置は、絞り弁開閉操作用のアクチュエータと、絞り弁の制御位置を検出する検出手段と、その検出手段の出力と絞り弁の制御目標開度を比較判断して絞り弁開度をフィードバック制御する駆動ユニットにより、絞り弁の開度を高速，高精度に制御することを目的としているが、アクチュエータにより駆動される減速歯車系のイナーシャが大きい為、制御時の駆動立上りが遅くなったり、駆動時の摺動抵抗が大きく高速制御性に欠けることがあり、また、機械的なヒステリシスが残ることから、制御精度が安定しないことが多かった。すなわち、絞弁を高速，高精度に制御することが難しいという問題があった。

　本発明の目的は、電子スロットル方式の絞り弁制御装置において、アクチュエータにより駆動される減速歯車系の軽量化、及び摺動抵抗の低減化を計り、絞り弁の開度を高速，高精度に制御することができる内燃機関の絞り弁制御装置を提供することにある。

　電子スロットル方式の絞り弁制御装置は、絞り弁の実開度を表すスロットルポジションセンサの出力電圧と目標開度との比較判断により、駆動信号がモータに伝送され、これにより、絞り弁のフィードバック制御が成立している。

　制御応答性は、主に、絞弁を制御するアクチュエータの性能，減速機の選定，減速機を含めた駆動系の摺動抵抗低減策選定により決まる。また、制御精度は、主に、駆動ユニット内に備えたマイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換処理能力，減速機を含めた駆動系の機械的なヒステリシスの低減策選定により決まる。

　従って、上記目的は、減速機である減速歯車に軽量部材及び低摺動抵抗部材を用いることにより、高速制御及び高精度制御を達成することができる。

　電子スロットル方式の絞り弁制御装置において、アクチュエータにより駆動される減速歯車系の軽量化及び摺動抵抗の低減化を計る方法は、減速歯車をプラスチック材の様な軽量部材，低摺動抵抗部材とする方法、あるいは、減速歯車を金属材にフッ素コーティングを施した様な低摺動抵抗部材とする方法等により可能となる。

　従って、絞弁をアクチュエータにより駆動制御する場合の高速制御性及び高精度制御性を確保することができる。

　本発明によれば、電子スロットル方式の絞り弁制御装置において、アクチュエータにより駆動される減速歯車系の軽量化、及び摺動抵抗の低減化を計ることができるので、絞り弁の開度を高速，高精度に制御することができる内燃機関の絞り弁制御装置を提供することができる。

　以下、本発明による内燃機関の絞り弁制御装置について、実施例により詳細に説明する。

　図１は、本発明による内燃機関の絞り弁制御装置の構成図を示している。

　１０１は、絞り弁開閉操作用のアクチュエータで、絞り弁の開閉駆動部材１０３と、アクチュエータ１０１からの駆動力を開閉駆動部材１０３に伝達する減速機１０２と、絞り弁の開閉駆動部材１０３の制御位置を検出する検出手段１０４と、その検出手段１０４の出力と絞り弁の制御目標開度を比較判断して絞り弁開度をフィードバック制御する駆動ユニット１０５により構成されている。

　ここで、減速機１０２の仕様選定において、軽量部材，低摺動抵抗部材を用いることで、絞弁開閉駆動部材１０３をアクチュエータ１０１により駆動制御する場合の高速制御性及び高精度制御性を確保することができる。

　次に、図２乃至図４における具体的な実施例により詳細に説明する。

　１は絞り弁で、この絞り弁１は、支持体（スロットルボディ）２に回動自在に支承されている絞り弁軸３に固定されている。

　４は、コントロールユニット、６は、絞り弁開度制御用のアクチュエータとなるモータで、コントロールユニット４には、エンジンの運転状態を示す種々の情報に基づいて設定された絞弁目標開度信号５が入力され、それにより、モータ６へ駆動信号７を伝送する。

　次に、８は、電磁クラッチで、コントロールユニット４からの励磁信号９により動作し、絞り弁軸３とモータ６の間での駆動力の伝達切離しを制御する駆動力結合切離し手段を構成する。

　この電磁クラッチ８のクラッチ板付入力側ギア８ａは、モータ軸６ａに回動自在に構成されているが、励磁信号９により電磁クラッチ８が励磁された時には、モータ軸６ａと一体で回動するように構成されている。そして、このギア８ａに噛み合っている減速機10ａ，絞り弁軸３に固定されている減速機１０ｂを介してモータ６からの駆動力が絞り弁軸３に伝達されるようになっている。

　次に、１１は、スプリング駆動力伝達機構で、絞り弁軸３に取り付けられた制御レバー１１ａと、アクセルワイヤ１５を介してアクセルペダル１４に連結されたスロットルレバー１１ｂ、それに２個のロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄで構成されている。そして、スロットルレバー１１ｂと制御レバー１１ａは、これら２個のロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄにより係合されている。

　一方、スロットルレバー１１ｂには、レバー１２を介してリターンスプリング１３が設けてあり、これにより、絞り弁１を閉じ方向に付勢されている。

　次に、１６は、スロットルポジションセンサで、絞り弁１の実開度を検出する検出手段となり、１７はアクセルポジションセンサで、スロットルレバー１１ｂの操作位置を検出する検出手段となる。

　また、スロットルレバー１１ｂは、全開ストッパ１８，全閉ストッパ１９と係合して絞り弁１の回動範囲を規定する働きをも果たしている。尚、この図２では、全開ストッパ
１８，全閉ストッパ１９は表れていない。

　次に、２０，２１はスプリング受けで、樹脂材のような摩擦係数の小さい材料で作られ、ロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄをこれらのスプリング受け２０，２１上に設けることにより、これらの摺動抵抗を少なくする働きをする。

　また、２２はアクセルポジションセンサ軸で、これは、センサハウジング２３に回動自在に挿入保持され、これにレバー２４が取り付けられている。そして、このレバー２４は、スロットルレバー１１ｂと、接合ピン２４ａにより係合されているので、スロットルレバー１１ｂの回動に伴って一緒に回動し、スロットルレバー１１ｂの回動をアクセルポジションセンサ１７へ伝えることができる。

　そして、このとき、このアクセルポジションセンサ軸２２には、リターンスプリング
１３が設けてあることにより、回動伝達系に存在する遊びを無くすようになっている。

　また、スロットルポジションセンサ１６の出力電圧２５は、図４に示すようにコントロールユニット４に入力され、絞り弁１の実開度を表す出力電圧値２５と目標開度５との比較判断により駆動信号７がモータ６に伝送され、これにより絞り弁１のフィードバック制御が成立している。

　そして、モータ６による制御が中断しているときは、基本的には、スロットルポジションセンサ１６の出力電圧２５とアクセルポジションセンサ１７の出力電圧２６との間には、ある一定の相関があり、これらをコントロールユニット４に取り込み、比較判断して正常の動作をしているか否かのフェイルセイフ制御が成立している。

　但し、ここで説明したフェイルセイフ制御ロジックは一例にすぎず、これにかぎられるものではない。

　図３は、スプリング駆動力伝達機構１１を図２のＰから見た図で、絞り弁１は絞り弁軸３に固定され、制御レバー１１ａも絞り弁軸３に固定されており、従って、絞り弁１と一体となって回動する。

　一方、スロットルレバー１１ｂは絞り弁軸３に対して回動自在に支承されておりロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄは、スプリング受け２０，２１上に、互いに逆方向の付勢力をもたせて組み付けられており、これにより、これらスプリング１１ｃ，
１１ｄは、スロットルレバー１１ｂに対して相互に反対方向の変位を受けるように配置され、且つそれぞれが予応力を与えられるように構成されていることになる。

　また、アクセルワイヤ１５はスロットルレバー１１ｂのワイヤガイド溝１５ａを通って、玉掛け部１１ｅでスロットルレバー１１ｂに固定され、アクセルペダル１４の操作により、リターンスプリング１３の付勢力に対して、絞り弁１を矢印θ_A 方向に回転させることができるように構成されている。

　次に、これら図２，図３に示した実施例の動作について、以下、図４の構成概念図により説明する。

　この図４は、理解を容易にするため、図２の実施例における回転動作を左右方向の直線移動で表し、図２と同じ部分、もしくは同等の部分には同じ符号を付したものである。

　図４において、いま、運転者が、図示してないキースイッチをＯＮにすると、これと同時に励磁信号９が電磁クラッチ８に伝送され、電磁クラッチ８はＯＮ状態となり、これで通常制御状態での準備完了となり、コントロールユニット４からモータ６へ駆動信号７が伝送されて、絞り弁１が開閉制御されることになる。

　このとき、絞り弁軸３に取り付けられている制御レバー１１ａは、モータ６の回転により、絞り弁１と一体になって、図中に破線で示すように移動（回転）する。この制御レバー１１ａの移動（回転）により発生するスロットルレバー１１ｂとの相対変位は、ロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄの一方の伸びと他方の縮み（図２では、一方の巻き緩みと、他方の巻き締まりとなる）により吸収され、この結果、アクセルペダル１４の踏み込み量に応じて与えられているスロットルレバー１１ｂの操作位置にかかわらず、これと独立に、モータ６による絞り弁１の開閉制御が可能になり、電子スロットルモードとしての動作がえられることになる。

　次に、いま、何らかの理由により、モータ駆動系に故障等の異常が発生したとする。すると、コントロールユニット４に内蔵されている異常判断機能の働きにより、まず、電磁クラッチ８の励磁が停止され、この電磁クラッチ８がＯＦＦ状態にされ、次に絞り弁軸３はモータ６から切り離され、フリーになる。

　しかして、このとき、スロットルレバー１１ｂと制御レバー１１ａとの間に相対変位が生じていたとすると、ロストモーション用のスプリング１１ｃとロストモーション用のスプリング１１ｄの付勢荷重に差が生じているので、この付勢荷重の差がバランスする位置、つまり相対変位差をゼロとする位置まで、これらのスプリング１１ｃ，１１ｄの働きにより制御レバー１１ａが移動（回転）され、この結果、絞り弁１もアクセルペダル１４の操作位置に適合した開度に移動（回転）させられてしまうことになる。

　そして、この結果、絞り弁軸３は、制御レバー１１ａとロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄ、それにスロットルレバー１１ｂを介してアクセルペダル１４にだけ結合された状態になり、ここでアクセルペダル１４の操作で絞り弁１を駆動させるための準備が完了されることになる。

　それからは、アクセルペダル１４を踏み込むことにより、リターンスプリング１３の復帰力に抗してスロットルレバー１１ｂは回転され、このスロットルレバー１１ｂの移動
(回転)に応じて、制御レバー１１ａにはロストモーション用のスプリング１１ｃ，１１ｄの荷重がバランスするような力が作用するので、制御レバー１１ａはスロットルレバー
１１ｂに追従して、それと同位相での移動（回転）を行い、絞り弁１の開度制御が得られ、リンプホーム機能を達成することができるのである。

　図５は、この実施例における制御可能領域を示したもので、モータ６による絞り弁１の開度制御領域は、全域にわたっての開閉制御が可能である。また、リンプホームモード時でも、従来技術と同様で、アクセルペダル操作にそのまま追従した制御になることが判る。

　従って、この実施例によれば、異常発生時には、モータ６が絞り弁軸３から切り離されてアクセルペダルによる開度制御下に自動的に移行すると共に、絞り弁１の開度も、自動的にアクセルペダルの操作位置に対応した状態でアクセルペダルによる開度制御下に置かれることになり、リンプホーム機能が与えられると共に、このときには、絞り弁はアクセルペダル操作位置まで戻されるので、リンプホーム状態での暴走等の重大事故発生は確実に抑えられ、完全なフェイルセイフ機能と高信頼性を達成することができる。

　図６は、この実施例におけるスプリング駆動力伝達機構１１の、モータ６による制御時と、アクセルペダル１４の操作による制御時での動作を示す概略図で、横軸は絞り弁１の開度ＴＶＯを、縦軸はロストモーション用スプリング１１ｃ，１１ｄの付勢トルクＴを示している。

　図中で、点Ｏは、中立（初期）状態を表し、ここはアクセルペダルの操作位置に一致した絞り弁開度ＴＶＯにあるものとする。

　まず、モータ６により、絞り弁１を角度θ_M ｄｅｇだけ、開き方向に制御している状態を考えると、一方のロストモーション用スプリング１１ｃは巻き込まれる方向に偏角し、他方のロストモーション用スプリング１１ｄは、緩む方向に偏角することになり、従って、この図６に示すＯ−Ａ″特性がスプリング１１ｃの付勢トルクＴ特性を示し、Ｏ−Ｂ″特性がスプリング１１ｄの付勢トルクＴ特性を示すことになる。そして、ここで、Ａ″−Ｂ″の絶対値が、モータ６の発生すべき必要トルクを表すこととなる。

　なお、これは、絞り弁１を開き方向に制御をしている場合についての説明であるが、閉じ方向に制御している場合も同様である。

　次に、この図６において、Ｏ点からスプリング駆動力伝達機構１１によるリンプホーム機構が作動した場合を考える。

　アクセルペダル１４の操作により、スロットルレバー１１ｂが角度θ_A ｄｅｇだけ開き方向に回動したとすると、スプリング１１ｃ，１１ｄの付勢トルクＴは、それぞれがバランスする方向に相対移動させられる。この結果、制御レバー１１ａはスロットルレバー
１１ｂの回動に伴って同一方向に追従し、図６上では、Ｏ点からＯ′点に移動することになり、絞り弁１は、同じ角度θ_A ｄｅｇ、開き方向に回動し、この結果、モータ６を含む駆動系に異常が発生した場合でも、確実にリンプホーム機構が成立することになる。

　通常、この実施例の様に、アクセルペダル１４側にクラッチなどを設けないと、モータ６などのアクチュエータにより絞り弁１の制御がなされたとき、アクセルペダル１４にキックバック現象が現れる。

　然し乍ら、この実施例では、ロストモーション用のスプリングとして、２個のスプリング１１ｃ，１１ｄを用い、これらの付勢トルクが反対になるようにして組み立ててあり、この結果、この実施例によれば、これらのスプリング１１ｃ，１１ｄの絞り弁軸３に対する付勢トルク定数を同一にとることにより、各々の合成トルクをフラット化し、図６の特性Ｏ−Ｃを得ることができ、従って、この実施例によれば、キックバック現象を無くすことが出来るという効果がある。

　この様な電子スロットル方式の絞り弁制御装置により、ＩＳＣ（アイドルスピードコントロール），ＦＩＣ（ファーストアイドルコントロール）機能あるいはＡＳＣＤ（オートスピードコントロールデバイス）機能等を成立させるには、制御時の高速応答性及び高精度制御を施すことが必須となっている。

　そこで、本発明において、高速応答性及び高精度制御を施した実施例を以下に説明する。

　図２において、モータ６による駆動系は、主に、モータ６，電磁クラッチ８のクラッチ板付入力側ギア８ａ，減速歯車１０ａ，１０ｂ，絞弁軸３，絞弁１である。モータ６の駆動により絞弁１をフィードバック位置制御する場合には、これら駆動系を起動することができる起動トルクを、モータ６は、発生することが必要である。また、これら駆動系にフリクション（摺動抵抗）が存在すると、さらに大なる起動トルクを、モータ６は、発生することが必要である。

　一方、駆動系に機械的なヒステリシスが存在すると、モータ６の駆動により絞弁１をフィードバック位置制御する場合には、制御精度を上げることがかなり難しいこととなる。

　そこで、本発明の実施例として、電磁クラッチ８のクラッチ板付入力側ギア８ａ，減速歯車１０ａ，１０ｂの構成部品をプラスチック材で代表される軽量部材，低摺動抵抗部材とすることで、駆動時の回転イナーシャを小さくでき、かつ、これら構成部品の軸受との摺動抵抗を小さくすることができるので、従って、高速応答性及び高精度制御を可能とする良好な方法である。

　また、この場合、電磁クラッチ８のクラッチ板付入力側ギア８ａ，減速歯車１０ａ，
１０ｂが回動する時の音は、金属材と金属材の回動音と異なり、かなり低減することができ、回動音を低減する良好な方法である。

　一方、本発明のその他の実施例として、電磁クラッチ８のクラッチ板付入力側ギア８ａ，減速歯車１０ａ，１０ｂの構成部品を、金属材としながらも、フッ素材で代表される低摺動抵抗部材をコーティングすることで、これら構成部品の軸受との摺動抵抗を小さくすることができるので、従って、高精度制御を可能とする良好な方法である。

本発明による内燃機関の絞り弁制御装置の構成図である。本発明による内燃機関の絞り弁制御装置の実施例を示す断面展開図である。本発明による内燃機関の絞り弁制御装置の実施例を示す側面図である。本発明の実施例の原理を示す構成概念図である。本発明による制御可能領域を表す特性図である。本発明の実施例におけるスプリング駆動力伝達機構の特性図である。

符号の説明

　１…絞り弁、２…支持体（スロットルボディ）、３…絞り弁軸、４…コントロールユニット、５…目標開度信号、６…モータ、７…駆動信号、８…電磁クラッチ、８ａ…クラッチ板付入力側ギア、９…励磁信号、１０ａ，１０ｂ…減速機、１１…スプリング駆動力伝達機構、１１ａ…制御レバー、１１ｂ…スロットルレバー、１１ｃ，１１ｄ…ロストモーション用のスプリング、１１ｅ…玉掛け部、１２，２４…レバー、１３…リターンスプリング、１４…アクセルペダル、１５…アクセルワイヤ、１６…スロットルポジションセンサ、１７…アクセルポジションセンサ、１８…全開ストッパ、１９…全閉ストッパ、２０，２１…スプリング受け、２２…アクセルポジションセンサ軸、２３…センサハウジング、２４ａ…接合ピン、２５，２６…出力電圧、１０１…アクチュエータ、１０２…減速機、１０３…絞弁開閉駆動部材、１０４…位置制御検出手段、１０５…駆動ユニット。

Claims

　絞り弁開閉操作用のアクチュエータと、絞り弁の開閉駆動部材と、アクチュエータからの駆動力を開閉駆動部材に伝達する減速機と、絞り弁の制御位置を検出する検出手段と、その検出手段の出力と絞り弁の制御目標開度を比較判断して絞り弁開度をフィードバック制御する駆動ユニットを備えた内燃機関の絞り弁制御装置において、減速機として軽量部材を用いたことを特徴とする内燃機関の絞り弁制御装置。
　絞り弁開閉操作用のアクチュエータと、絞り弁の開閉駆動部材と、アクチュエータからの駆動力を開閉駆動部材に伝達する減速機と、絞り弁の制御位置を検出する検出手段と、その検出手段の出力と絞り弁の制御目標開度を比較判断して絞り弁開度をフィードバック制御する駆動ユニットを備えた内燃機関の絞り弁制御装置において、減速機として、軽量かつ低摺動抵抗部材を用いたことを特徴とする内燃機関の絞り弁制御装置。
　請求項１又は２記載において、減速機の軽量部材または低摺動抵抗部材として、プラスチック部材を用いたことを特徴とする内燃機関の絞り弁制御装置。
　請求項２記載において、減速機の低摺動抵抗部材として、金属材にフッ素コーティングを施した部材を用いたことを特徴とする内燃機関の絞り弁制御装置。
　請求項３の記載において、減速機の部材としてフッ素樹脂を用いたことを特徴とする内燃機関の絞り弁制御装置。