JP4900230B2 - バタフライ弁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関の動作に伴う流体が流れる流体通路に設けられたバタフライ弁の制御を行うバタフライ弁制御装置の技術分野に関する。

この種の装置が制御するバタフライ弁（即ちバタフライバルブ）は、例えば内燃機関の吸気通路の途中に配置され、内燃機関の燃焼室側へ空気が吸入される吸気タイミングや吸気量を制御する吸気制御弁として設けられる。例えば特許文献１では、吸気制御弁としてのバタフライ弁を、略９０度揺動型のロータリーソレノイドアクチュエータを用いて駆動する技術が開示されている。

一方、例えば特許文献２では、吸気制御弁としてロータリーバルブを用いて、このロータリーバルブをエンジンのクランクシャフトの回転に連動して回転させる技術が開示されている。

特開平６−５８１９２号公報 実開平３−１７１４１号公報

しかしながら、例えば特許文献１に開示された技術では、略９０度に限られた揺動角度範囲でしかバタフライ弁が動作しないため、バラフライ弁の軸受部に偏磨耗が生じてしまったり、吸気通路における不感帯部分にデポジットが堆積してしまったりするおそれがあるという技術的問題点がある。更には、バタフライ弁の弁体の一の面と他の面とで、内燃機関の燃焼室側に向く回数に偏りがあるため、バタフライ弁の弁体に、その一の面と他の面とで非対称な熱負荷がかかったり、非対称な変形が生じたり、デポジットが非対称に付着したりするおそれがあるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、バタフライ弁の耐久性を向上させることができ、バタフライ弁を安定して動作させることが可能なバタフライ弁制御装置を提供することを課題とする。

本発明のバタフライ弁制御装置は上記課題を解決するために、流体通路の途中に設けられた板状の弁体を弁軸の回りに回動させることにより前記流体通路の開閉状態を変化させて前記流体通路を流れる流体の流量を調節するバタフライ弁の制御を行うバタフライ弁制御装置であって、前記バタフライ弁の使用状況を検出する検出手段と、前記弁体を前記弁軸の回りに回動させる回動角度範囲を、前記開閉状態が互いに同じとなる互いに異なる角度を夫々含む互いに異なる複数の所定角度範囲間で、前記検出された使用状況に応じて選択的に切り替える切替手段とを備える。

本発明のバタフライ弁制御装置によれば、その動作時には、バタフライ弁の弁体を弁軸の回りに回動させる回動角度範囲が、切替手段によって、互いに異なる複数の所定角度範囲間で選択的に切り替えられる。この際、切替手段は、検出手段によって検出されたバタフライ弁の使用状況に応じて回動角度範囲を切り替える。ここで、複数の所定角度範囲は、例えば、開閉状態が全閉となる弁体の一の角度位置を０度として一の回動方向に沿って、０度（即ち、開閉状態が全閉となる一の角度位置）から９０度（即ち、開閉状態が全開となる一の角度位置）までの第１の所定角度範囲と、９０度から１８０度（即ち、開閉状態が全閉となる他の角度位置）までの第２の所定角度範囲と、１８０度から２７０度（即ち、開閉状態が全開となる他の角度位置）までの第３の所定角度範囲と、２７０度から３６０度（言い換えれば０度）までの第４の所定角度範囲との４つの所定角度範囲として予め定められる。複数の所定角度範囲は、開閉状態が互いに同じとなる互いに異なる角度を夫々含む。上述の例では、０度及び１８０度は、開閉状態がいずれも全閉で互いに同じとなる互いに異なる角度であり、９０度及び２７０度は、開閉状態がいずれも全開で互いに異なる角度である。即ち、上述の例では、開閉状態が互いに同じとなる互いに異なる角度は、弁軸の回りに一の回転方向に沿って互いに１８０度だけずれた角度となる。また、バタフライ弁の使用状況は、例えば複数の所定角度範囲の各々でバタフライ弁の弁体が回動された回数、期間等、典型的には、複数の所定角度範囲の各々での弁体の使用頻度或いは動作頻度を意味する。

よって、切替手段によって、回動角度範囲を、例えば、バタフライ弁の使用状況が複数の所定角度範囲で均等に近づくように、複数の所定角度範囲間で切り替えることができる。従って、バタフライ弁の弁体を弁軸の回りに全体として均等に回動させることができる。このため、バラフライ弁の軸受部に偏磨耗が生じてしまうことを低減或いは防止できる。更に、流体通路における不感帯部分にデポジットが堆積してしまうことを低減或いは防止できる。加えて、バタフライ弁の弁体に、その一の面と他の面とで非対称な熱負荷がかかったり、非対称な変形が生じたり、デポジットが非対称に付着したりすることを低減或いは防止できる。

これらの結果、本発明のバタフライ弁制御装置によれば、バタフライ弁の耐久性を向上させることができ、バタフライ弁を安定して動作させることが可能となる。

本発明のバタフライ弁制御装置の一態様では、前記検出手段は、前記使用状況として、前記複数の所定角度範囲の各々で前記弁体が回動された回数を検出し、前記切替手段は、前記回動角度範囲を、前記検出された回数が前記複数の所定角度範囲で均等に近づくように、切り替える。

この態様によれば、弁体を複数の所定角度範囲の各々で互いに殆ど等しい回数だけ回動させることができる。即ち、バタフライ弁を複数の所定角度範囲間で殆ど均等に動作させることが可能となる。よって、バラフライ弁の軸受部に偏磨耗が生じてしまうことなどをより確実に低減或いは防止でき、バタフライ弁の耐久性をより確実に向上させることができる。

本発明のバタフライ弁制御装置の他の態様では、前記検出手段は、前記使用状況として、前記複数の所定角度範囲の各々で前記弁体が回動された期間を検出し、前記切替手段は、前記回動角度範囲を、前記検出された期間が前記複数の所定角度範囲で均等に近づくように、切り替える。

この態様によれば、弁体を複数の所定角度範囲の各々で互いに殆ど等しい期間だけ回動させることができる。即ち、バタフライ弁を複数の所定角度範囲間で殆ど均等に動作させることが可能となる。よって、バラフライ弁の軸受部に偏磨耗が生じてしまうことなどをより確実に低減或いは防止でき、バタフライ弁の耐久性をより確実に向上させることができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。尚、以下の実施形態では、本発明のバラフライ弁制御装置を内燃機関に適用した場合を例として説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るバタフライ弁制御装置について、図１から図６を参照して説明する。

先ず、第１実施形態に係るバタフライ弁制御装置が適用された内燃機関の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、第１実施形態に係るバタフライ弁制御装置が適用された内燃機関を示す模式図である。

図１において、内燃機関１は、車両に走行用動力源として搭載されるエンジンであり、吸気（即ち、外界から導かれる空気である吸入空気）を内燃機関１（より具体的には、その燃焼室）まで導く吸気管２０を備えている。

吸気管２０の内部には、本発明に係る「バタフライ弁」の一例としての吸気制御弁１００が設けられている。吸気制御弁１００は、図示しないアクチュエータを備えており、このアクチュエータによって板状の弁体１１０が弁軸１２０を中心に回動することができるように構成されている。吸気制御弁１００は、その弁体１１０を弁軸１２０の回りに回動させることにより吸気管２０の開閉状態を変化させて吸気管２０を流れる吸気の流量を調節することができる。

吸気制御弁１００を含む内燃機関１の各部の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５００によって制御される。ＥＣＵ５００は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を備えた周知のコンピュータであり、各種センサから入力される信号に基づいて内燃機関１の運転状態を取得して点火時期、燃料噴射量等の各種パラメータが適正に制御されるように所定の処理を実行する。

本実施形態に係るバタフライ弁制御装置は、ＥＣＵ５００の一部として実現されている。本実施形態に係るバタフライ弁制御装置は、ＥＣＵ５００の一部として構成される使用状況検出部５１０及び作動領域切替部５２０を備えている。

使用状況検出部５１０は、本発明に係る「検出手段」の一例であり、吸気制御弁１００の使用状況を検出可能に構成されている。ここで、吸気制御弁１００の使用状況には、後述する４つの作動領域（即ち、弁体１１０が弁軸１２０の回りを回動する回動角度範囲）の各々で吸気制御弁１００の弁体１１０が回動された回数が含まれる。使用状況検出部５１０は、弁体１１０が各作動領域において回動された回数を例えばメモリ等の記憶手段に記憶可能に構成されており、後述する作動領域切替部５２０によって作動領域が選択的に切り替えられる際、前記回動された回数を検出する。

作動領域切替部５２０は、本発明に係る「切替手段」の一例であり、吸気制御弁１００の弁体１１０の作動領域を、使用状況検出部５１０によって検出された使用状況に応じて、後述する４つの作動領域間で切り替える。

次に、本実施形態に係るバタフライ弁制御装置による吸気制御弁の制御について、図２から図６を参照して説明する。

先ず、本実施形態に係る吸気制御弁の４つの作動領域について、図２から図５を参照して説明する。ここに図２から図５は、本実施形態に係る吸気制御弁の４つの作動領域を示す模式図であり、図２は、第１の作動領域（０度から９０度まで）を示し、図３は、第２の作動領域（９０度から１８０度まで）を示し、図４は、第３の作動領域（１８０度から２７０度まで）を示し、図５は、第４の作動領域（２７０度から３６０度まで）を示している。尚、図２から図５では、開閉状態が全開となる場合の弁体１１０を実線で示し、開閉状態が全閉となる場合の弁体１１０を一点鎖線で示している。

図２から図５において、吸気制御弁１００は、その弁体１１０が弁軸１２０を中心に回動する作動領域（或いは回動角度範囲）が、作動領域切替部５２０によって４つの作動領域Ａ１〜Ａ４間で選択的に切り替えられるように構成されている。

図２に示すように、第１の作動領域Ａ１は、開閉状態が全閉となり且つ弁体１１０の面１１２が内燃機関１（図１参照）の燃焼室側に向く弁体１１０の角度位置である０度から開閉状態が全開となり且つ弁体１１０の面１１２が図２中で下側に向く弁体１１０の角度位置である９０度まで弁体１１０が弁軸１２０の回りに回動する回動角度範囲として設定されている。弁体１１０が第１の作動領域Ａ１で作動（即ち、回動）する際（言い換えれば、弁体１１０が０度から９０度までの第１の回動角度範囲で作動する際）には、弁体１１０の端部は、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ１近傍を通過する。尚、弁箱１５０は、吸気管２０の一部として形成されていてもよいし、吸気管２０とは別体として形成されていてもよい。

図３に示すように、第２の作動領域Ａ２は、開閉状態が全開となり且つ弁体１１０の面１１１が図３中で上側に向く弁体１１０の角度位置である９０度から開閉状態が全閉となり且つ弁体１１０の面１１１が内燃機関１の燃焼室側に向く弁体１１０の角度位置である１８０度まで弁体１１０が弁軸１２０の回りを回動する回動角度範囲として設定されている。弁体１１０が第２の作動領域Ａ２で作動する際（言い換えれば、弁体１１０が９０度から１８０度までの第２の回動角度範囲で作動する際）には、弁体１１０の端部は、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ２近傍を通過する。

図４に示すように、第３の作動領域Ａ３は、開閉状態が全閉となり且つ弁体１１０の面１１１が内燃機関１の燃焼室側に向く弁体１１０の角度位置である１８０度から開閉状態が全開となり且つ弁体１１０の面１１１が図４中で下側に向く弁体１１０の角度位置である２７０度まで弁体１１０が弁軸１２０の回りに回動する回動角度範囲として設定されている。弁体１１０が第３の作動領域Ａ３で作動する際（言い換えれば、弁体１１０が１８０度から２７０度までの第３の回動角度範囲で作動する際）には、弁体１１０の端部は、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ１近傍を通過する。

図５に示すように、第４の作動領域Ａ４は、開閉状態が全開となり且つ弁体１１０の面１１２が図５中で上側に向く弁体１１０の角度位置である２７０度から開閉状態が全閉となり且つ弁体１１０の面１１２が内燃機関１の燃焼室側に向く弁体１１０の角度位置である３６０度（即ち、０度）まで弁体１１０が弁軸１２０の回りに回動する回動角度範囲として設定されている。弁体１１０が第４の作動領域Ａ４で作動する際（言い換えれば、弁体１１０が２７０度から３６０度までの第４の回動角度範囲で作動する際）には、弁体１１０の端部は、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ２近傍を通過する。

図２及び図４において、第１の作動領域Ａ１及び第３の作動領域Ａ３は、弁体１１０の端部が不感帯Ｄ１近傍を通過する点で同じであり、第１の作動領域Ａ１では開閉状態が全閉となる際に板状の弁体１１０の２つの面１１１及び１１２のうち面１１２が内燃機関１の燃焼室側に向くのに対して、第３の作動領域Ａ３では開閉状態が全閉となる際に板状の弁体１１０の２つの面１１１及び１１２のうち面１１１が内燃機関１の燃焼室側に向く点で異なる。

図３及び図５において、第２の作動領域Ａ２及び第４の作動領域Ａ４は、弁体１１０の端部が不感帯Ｄ２近傍を通過する点で同じであり、第２の作動領域Ａ２では開閉状態が全閉となる際に板状の弁体１１０の２つの面１１１及び１１２のうち面１１１が内燃機関１の燃焼室側に向くのに対して、第４の作動領域Ａ４では開閉状態が全閉となる際に板状の弁体１１０の２つの面１１１及び１１２のうち面１１２が内燃機関１の燃焼室側に向く点で異なる。

次に、本実施形態に係るバタフライ弁制御装置による吸気制御弁の制御の流れについて、図２から図５に加えて、図６を参照して説明する。ここに図６は、本実施形態に係るバタフライ弁制御装置による吸気制御弁の制御の流れを示すフローチャートである。

図６において、先ず、ＥＣＵ５００は、吸気制御弁１００の開閉動作の要求があるか否かを内燃機関１の運転状態に応じて判定する（ステップＳ１１０）。

吸気制御弁１００の開閉動作の要求があると判定された場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５００は、吸気制御弁１００の開閉動作の制御を行う。即ち、ＥＣＵ５００は、吸気制御弁１００を、例えば、弁体１１０が図２を参照して上述した第１の作動領域Ａ１で作動するように制御する。この際、ＥＣＵ５００の使用状況検出部５１０は、第１の作動領域Ａ１で作動した回数を加算してメモリ等の記憶手段に記憶する。

一方、吸気制御弁１００の開閉動作が要求されていないと判定された場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、吸気制御弁１００の開閉動作が要求されるまで待つ。

次に、ＥＣＵ５００は、作動領域を変更すべき条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１３０）。より具体的には、先ず、ＥＣＵ５００の使用状況検出部５１０が、吸気制御弁１００の開閉動作の結果、これまでに図２から図５を参照して上述した４つの作動領域Ａ１〜Ａ４の各々で吸気制御弁１００の弁体１１０が回動された回数を例えばメモリ等の記憶手段から検出する。続いて、検出された各作動領域での回数に基づいて、吸気制御弁１００の開閉動作の制御を行う際の作動領域を現在設定されている作動領域から他の作動領域へ切り替えるべき条件が成立したか否かが判定される。例えば、第１の作動領域Ａ１で弁体１１０が回動された回数が、所定回数以上となったか否かが判定される。

作動領域を変更すべき条件が成立したと判定された場合には（ステップＳ１３０：ＹＹｅｓ）、ＥＣＵ５００の作動領域切替部５２０は、作動領域を更新する（ステップＳ１４０）。即ち、例えば、第１の作動領域Ａ１で弁体１１０が回動された回数が、所定回数以上となったと判定された場合には、作動領域切替部５２０は、次に吸気制御弁１００の開閉動作の制御を行う際の作動領域を、第１の作動領域Ａ１とは異なる例えば第２の作動領域Ａ２に切り替える。これにより、次に吸気制御弁１００の開閉動作の要求があると判定された場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５００は、吸気制御弁１００を、例えば、弁体１１０が第２の作動領域Ａ２で作動するように制御する（ステップＳ１２０）。

一方、作動領域を変更すべき条件が成立しないと判定された場合には（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、ＥＣＵ５００の作動領域切替部５２０は、作動領域を継続する（ステップＳ１５０）。即ち、例えば、第１の作動領域Ａ１で弁体１１０が回動された回数が、所定回数以上とならないと判定された場合には、次に吸気制御弁１００の開閉動作の制御を行う際の作動領域を、第１の作動領域Ａ１のまま継続或いは維持する（即ち、切り替えない）。これにより、次に吸気制御弁１００の開閉動作の要求があると判定された場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５００は、吸気制御弁１００を、再び、例えば、弁体１１０が第１の作動領域Ａ１で作動するように制御する（ステップＳ１２０）。

このように本実施形態では特に、作動領域を変更すべき条件が成立したか否かが判定され（ステップＳ１３０）、その判定結果に応じて、吸気制御弁１００の作動領域が、図２から図５を参照して上述した４つの作動領域間で切り替えられる（ステップＳ１４０）。よって、吸気制御弁１００の弁体１１０を弁軸１２０の回りに全体として均等に回動させることができる。即ち、吸気制御弁１００を４つの作動領域Ａ１〜Ａ４の各々ｄで殆ど同じ回数だけ作動させることができる。従って、吸気制御弁１００の軸受部に偏磨耗が生じてしまうことを低減できる。

更に、本実施形態によれば、吸気制御弁１００の作動領域が、図２から図５を参照して上述した４つの作動領域間で切り替えられるので、弁体１１０の端部が、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ１及びＤ２の各々の近傍を通過する回数の差を小さくすることができる。よって、吸気制御弁１００の弁箱１５０の内表面における不感帯Ｄ１及びＤ２にデポジットが堆積してしまうことを低減できる。

加えて、本実施形態によれば、吸気制御弁１００の作動領域が、図２から図５を参照して上述した４つの作動領域間で切り替えられるので、弁体１１０の面１１１及び１１２の各々が内燃機関１の燃焼室側へ向く回数の差を小さくすることができる。よって、吸気制御弁１００の弁体１１０に、その一の面１１１と他の面１１２とで非対称な熱負荷がかかったり、非対称な変形が生じたり、デポジットが非対称に付着したりすることを低減できる。

これらの結果、本実施形態に係るバタフライ弁制御装置によれば、吸気制御弁１００の耐久性を向上させることができ、吸気制御弁１００を安定して動作させることが可能となる。

尚、本実施形態では、作動領域を変更すべき条件として、現在設定されている作動領域で弁体１１０が回動された回数が、所定回数以上となったか否かが判定されるように構成したが、この条件に加えて或いは代えて、現在設定されている作動領域で弁体１１０が回動された期間が、所定期間以上となったか否かが判定されるように構成してもよい。この場合にも、吸気制御弁１００を４つの作動領域Ａ１〜Ａ４で殆ど均等に動作させることが可能となる。よって、吸気制御弁１００の軸受部に偏磨耗が生じてしまうことなどを低減でき、吸気制御弁１００の耐久性を向上させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うバタフライ弁制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

第１実施形態に係るバタフライ弁制御装置が適用された内燃機関を示す模式図である。 第１実施形態に係る吸気制御弁の第１の作動領域を示す模式図である。 第１実施形態に係る吸気制御弁の第２の作動領域を示す模式図である。 第１実施形態に係る吸気制御弁の第３の作動領域を示す模式図である。 第１実施形態に係る吸気制御弁の第４の作動領域を示す模式図である。 第１実施形態に係るバタフライ弁制御装置による吸気制御弁の制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１…内燃機関、２０…吸気管、１００…吸気制御弁、１１０…弁体、１２０…弁軸、５００…ＥＣＵ、５１０…使用状況検出部、５２０…作動領域切替部

Claims (3)

1. 流体通路の途中に設けられた板状の弁体を弁軸の回りに回動させることにより前記流体通路の開閉状態を変化させて前記流体通路を流れる流体の流量を調節するバタフライ弁の制御を行うバタフライ弁制御装置であって、
   前記バタフライ弁の使用状況を検出する検出手段と、
   前記弁体を前記弁軸の回りに回動させる回動角度範囲を、前記開閉状態が互いに同じとなる互いに異なる角度を夫々含む互いに異なる複数の所定角度範囲間で、前記検出された使用状況に応じて選択的に切り替える切替手段と
   を備えることを特徴とするバタフライ弁制御装置。
2. 前記検出手段は、前記使用状況として、前記複数の所定角度範囲の各々で前記弁体が回動された回数を検出し、
   前記切替手段は、前記回動角度範囲を、前記検出された回数が前記複数の所定角度範囲で均等に近づくように、切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ弁制御装置。
3. 前記検出手段は、前記使用状況として、前記複数の所定角度範囲の各々で前記弁体が回動された期間を検出し、
   前記切替手段は、前記回動角度範囲を、前記検出された期間が前記複数の所定角度範囲で均等に近づくように、切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載のバタフライ弁制御装置。

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