JP2002129988A - 吸気絞り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動モータを備えた吸気絞り弁を常開としつ
つ、弁軸回転角の分解能を向上させると共に簡素な構成
で小型化できる吸気絞り装置を提供する。 【解決手段】 弁軸１２を夫々開弁方向、閉弁方向に付
勢する第１、第２のリターンスプリング３１、３２を用
いるので、夫々の付勢力を変えることで要求吸気流量に
応じた中間開度位置θＮで常開となる吸気絞り弁を提供
できる。しかも、第１、第２のリタンスプリング３１、
３２のばね定数Ｋ１、Ｋ２が互いに異なるので、弁軸に
付勢して発生しうるトルク特性Ｔｒの傾きが２ステージ
ある２段特性にすることができる。これにより、２段特
性のうち、ばね定数Ｋ１（弁軸回転角θに対するトルク
変化量）を大きくすることで、駆動トルクＴｒに対する
回転角のばらつきΔθ１を小さくできるので、弁軸１２
の回転角θの分解能が向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸気絞り装置に関
し、特に自動車等のディーゼルエンジンの吸気絞り装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの吸気通路を開閉す
る吸気絞り弁と、この吸気絞り弁を駆動する駆動モータ
と、この駆動モータを制御する制御手段（以下、ＥＣＵ
と呼ぶ）とを備えた吸気絞り装置が知られている。

【０００３】ディーゼルエンジンは圧縮した高温空気中
に燃料を噴射して自己着火させるものであるので、エン
ジンを確実に停止（特に、燃料遮断後、エンジン振動を
防止しつつ停止）させたい場合のみ、燃料と空気の両方
を遮断することが望ましい。このため、この吸気絞り装
置は、吸気絞弁を駆動する駆動モータ、或いは制御系が
故障したときでも通常運転が可能なように、吸気絞り弁
の弁軸には、この弁軸を開弁方向に付勢するリターンス
プリングを設けることで常開の吸気絞り弁としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来構成では、
駆動モータを大型化することなく、駆動モータのトルク
特性にリターンスプリングのトルク特性を釣合わせるた
めに、リターンスプリングのばね定数を小さく設定して
いる。このため、両トルク特性の釣り合い点が定まら
ず、駆動モータを制御するＥＣＵのフィードバック制御
が困難になる場合がある。

【０００５】この対策として、吸気絞り弁の弁軸と駆動
モータとの間に、減速装置を設けることで、駆動モータ
による弁軸回転角の分解能を向上させて、フィードバッ
ク制御性を向上させるものがある。しかしながら、減速
装置を搭載すると、構成が複雑となり装置の体格が大型
化してしまう問題がある。

【０００６】また、近年車両居住性向上の観点からエン
ジンルームの高密度化要求が高まっており、吸気絞り装
置に減速装置を搭載する空間を確保することが難しい場
合がある。勿論、吸気絞り装置自体の小型化要求があ
る。

【０００７】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたものであり、したがって、その目的は、駆動モータ
により駆動される吸気絞り弁を常開としつつ、弁軸回転
角の分解能を向上させると共に簡素な構成で小型化でき
る吸気絞り装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１によれ
ば、吸気通路を開閉する吸気絞り弁、吸気絞り弁の弁軸
を駆動する駆動モータ、および駆動モータを制御する制
御手段とを備えた吸気絞り装置において、駆動軸の一端
には、互いにばね定数が異なる第１、第２のリターンス
プリングが配設されており、第１のリターンスプリング
は弁軸を開弁方向に、第２のリターンスプリングは弁軸
を閉弁方向に回転させるように付勢している。このた
め、弁軸をそれぞれ開弁方向、閉弁方向に付勢する第
１、第２のリターンスプリングを用いるので、駆動モー
タが非作動時の吸気絞り弁の弁開度位置を、付勢力を変
えることにより全開から全閉までの任意の中間開度位置
に設定できる。このため、要求吸気流量に応じた弁開度
位置で常開となる吸気絞り弁を提供できる。

【０００９】しかも、第１、第２のリターンスプリング
は、互いに異なるばね定数を有するので、両リターンス
プリングが弁軸に付勢して発生しうるトルク特性を、弁
軸回転角に対するトルク特性の傾きが２ステージある２
段特性とすることができる。この２段特性のうち、トル
ク特性の傾きが大きい（弁軸回転角に対するトルク変化
量が大きい）方においては、駆動トルクに対する回転角
のばらつきを小さくできるので、弁軸回転角の分解能が
向上できる。これにより、フィードバック制御による弁
軸回転角を制御する場合、制御性の向上が可能である。

【００１０】さらに、減速装置を用いることなく、リタ
ーンスプリングの特性を２段特性にするだけで、弁軸回
転角の分解能を向上させうるので、簡素な構成で小型化
できる吸気絞り弁、言い換えると簡素な構成で小型化で
きる吸気絞り装置を提供可能である。

【００１１】したがって、要求吸気流量に応じた弁開度
位置で常開となる吸気絞り弁を提供しつつ、弁軸回転角
の分解能を向上させると共に、簡素な構成で小型化が可
能である。

【００１２】上記第１、第２のリターンスプリングが弁
軸に付勢し発生しうるトルク特性は、請求項２に記載の
ように、所定の中間開度位置にて零となるものであっ
て、この中間開度位置から弁軸を閉弁方向に回転する側
のばね定数は、弁軸を開弁方向に回転する側のばね定数
に比べて大きくなっていることが望ましい。これによ
り、この中間開度位置で常開となる吸気絞り弁を提供で
きる。しかも、本実施形態で説明するように燃料遮断
後、吸気流量を絞ることでエンジン振動を防止したい場
合に、閉弁方向に回転させる側のばね定数を大きく、す
なわち弁軸回転角に対するトルク変化量を大きくするこ
とができるので、弁軸回転角の分解能が向上でき、吸気
流量を精度よく制御できる。

【００１３】本発明の請求項３によれば、第１、第２の
リターンスプリングを、弁軸上に軸方向に直列に配置す
ることができる。

【００１４】本発明の請求項４によれば、吸気絞り弁の
弁軸開度と吸気流量の特性において、全閉位置から常開
角度位置となる中間開度位置までの範囲では回転角度に
対する流量変化量が大きく、この中間開度位置から全開
位置までの範囲では回転角度に対する流量変化量が徐々
に小さくなっていくような吸気絞り装置に好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の吸気絞り装置をデ
ィーゼルエンジンの吸気絞り装置に適用し、具体化した
実施形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の実
施形態の吸気絞り装置の構成を表す部分断面図である。
図２は、図１中の吸気絞り弁において、弁軸に付勢する
リターンスプリングの弁軸開度に対して発生しうるトル
ク特性を表す図であって、駆動モータの駆動トルクとの
釣り合い関係を説明する特性図である。図３は、図１中
の吸気絞り弁の弁軸開度と吸気流量との関係を表す特性
図である。

【００１６】図１に示すように、吸気絞り装置１は、吸
気絞り弁１０と、吸気絞り弁１０の弁軸１２を駆動する
駆動モータ２０と、駆動モータ２０を制御する制御手段
５０とを含んで構成されている。

【００１７】（吸気絞り弁の構造）吸気絞り弁１０は、
弁ハウジング１１と、弁ハウジング１１に回転自在に配
設された弁軸１２と、この弁軸１２に固定され、弁ハウ
ジング１１内に形成された吸気通路１１ａを開閉して、
この吸気通路１１ａの開口面積を可変にする弁体１３と
を含んで構成されている。

【００１８】弁ハウジング１１は、図１に示す如く、前
後に略円筒状をなしており、内部に吸気通路１１ａを形
成している。この弁ハウジング１１の左右壁１１ｂ１、
１１ｂ２は、弁軸１２を回転自在に支承している。この
弁軸１２を支承する一方の壁１１ｂ１には、弁軸１２を
駆動する駆動モータが固定され、他方の壁１１ｂ２に
は、弁軸１２を回転方向に付勢する付勢手段３０が設け
られている。

【００１９】なお、弁軸１２を回転方向に付勢する付勢
手段３０の詳細については後述する。

【００２０】弁軸１２は、図１に示すように、吸気絞り
弁１０と駆動モータ２０の共通軸となっている。なお、
この弁軸１２は、駆動モータ２０の回転軸により吸気絞
り弁１０の弁体１３を回転させる構成であればよく、回
転軸とを一体的に係合するものでもよい。

【００２１】以下、本実施形態では、弁軸１２は吸気絞
り弁１０と駆動モータ２０の共通軸にて説明する。この
弁軸１２を回転自在に保持する駆動モータ２０と弁ハウ
ジング１１の両端には、弁軸１２を回転自在に保持する
軸受部材１９、２９が設けられているので、弁軸１２自
体を回転させるときに生じる弁軸トルクを略零とするこ
とが可能である。

【００２２】弁体１３は、弁ハウジング１１内の吸気通
路１１ａを弁軸１２の回転により開閉し、全閉から全開
位置まで吸気通路１１ａの開口面積を可変とすることが
できる周知の弁体形状を有する。

【００２３】（駆動モータの構造）駆動モータ２０は、
吸気絞り弁１０の弁体１３を回転させ、吸気通路１１ａ
の開口面積を制御手段５０により可変に制御できればよ
く、この駆動モータとしては、図１に示すトルクモータ
以外に、ステップモータもしくはＤＣモータ等でもよ
い。

【００２４】以下、本発明の実施形態に適用したトルク
モータにて説明する。この駆動モータ２０は、弁ハウジ
ング１１に保持され、弁軸１２の外周に配置されている
ステータ部２１と、弁軸１２の端部１２ａに固定され、
ステータ２１の軸方向近傍に配置されたロータ２２とを
含んで構成されている。ステータ２１は、複数のコイル
２１ａ（本実施形態では、４個のコイル）を有し、図１
に示すように、等間隔に環状配置されている。また、ロ
ータ２２は、ステータ２１との間に、円環状の磁石を有
している。

【００２５】なお、駆動モータ２０を制御手段５０を用
いてフィードバック制御するため、駆動モータ２０の端
部には、図１に示すように、弁軸１２の回転角（弁軸開
度位置）を検出する回転角度センサ４０を備えているこ
とが望ましい。これにより、駆動モータ２０に通電して
回転角を見込み制御することなく、弁軸１２の回転角を
絶対的位置で制御できる。

【００２６】（制御手段の構成）駆動モータ２０の回転
角をフィードバック制御できる電子制御装置であればよ
く、この制御手段（以下、ＥＣＵと呼ぶ）５０は、図示
しないＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭ等を中心にマイク
ロコンピュータとして構成されている。また、このＥＣ
Ｕ５０は、前述の回転角度センサ４０の検出信号、アク
セル開度の信号９１、バッテリ電圧の電圧値を表す信号
９２等が入力されている。また、ＥＣＵ５０は、ディー
ゼルエンジンの運転状態に応じて吸気絞り弁１０の弁軸
１２の開度を変えて吸気流量を制御するように、駆動モ
ータ２０に駆動信号を送信して駆動モータ２０の弁軸１
２の開度を制御する。

【００２７】上述した構成を有する吸気絞り装置１は、
車両等の搭載状態において、吸気上流側のエアフィルタ
２００を介して吸入された空気は、吸気絞り弁１０の弁
ハウジング１１内に形成された吸気通路１１ａに導入さ
れる。この導入された吸気は、駆動モータ２０により開
口面積を可変にする弁体１３の弁軸開度位置に応じて吸
気流量が調量される。この調量された吸気は、吸気絞り
弁１０の後流側に気密に配置されたエンジン３００に導
出され、燃料噴射弁（図示せず）から供給された燃料と
燃焼室内で混合されて圧縮着火される。

【００２８】ここで、本発明の実施形態の特徴である弁
軸１２を回転方向に付勢する付勢手段３０の詳細につい
て以下説明する。

【００２９】付勢手段３０は、図１に示すように、弁軸
１２を開弁方向に付勢する第１のリターンスプリング３
１と、弁軸１２を閉弁方向に付勢する第２のリターンス
プリング３２とを含んで構成されている。

【００３０】第１のリターンスプリング３１は、巻回部
３１ａと両端部３１ｂ、３１ｃからなり、一方の端部３
１ｂは弁ハウジング１１の壁１１ｂ２に係止され、他方
の端部３１ｃは、図１に示す如く、弁軸１２にナット８
０等の固定部材により固定された円筒部３３に係止され
ている。また、第２のリターンスプリング３２は、巻回
部３２ａと両端部３２ｂ、３２ｃからなり、一方の端部
３２ｂは円筒部３３に係止され、他方の端部３２ｃは、
第１、第２のリターンスプリング３１、３２を挟み込む
ように弁ハウジング１１の壁１１ｂ２に固定されるカバ
ー３４に係止されている。なお、第１、第２のリターン
スプリング３１、３２を収容する壁１１ｂ２とカバー３
４、および円筒部３３には、内部にそれぞれの円筒外周
面１１ｂ２Ｃ、３３Ｃ₁、３３Ｃ₂、３４Ｃを形成され、
第１、第２のリターンスプリング３１、３２を回転可能
に嵌挿する。

【００３１】この付勢手段３０が弁軸１２を付勢し発生
しうるトルク特性、すなわち第１、第２のリターンスプ
リング３１、３２が弁軸１２を付勢し発生しうるトルク
特性は、以下図２に示すトルク特性を有する。

【００３２】図２に示す特性図は、横軸は弁軸１２の弁
軸開度θを表し、縦軸は付勢手段３０の第１、第２のリ
ターンスプリング３１、３２が、弁軸開度θに応じて弁
軸１２に付与するトルクＴｒを表す。ここで、このトル
ク特性Ｔｒは、図２に示す如く、２重線で示され、リタ
ーンスプリング構造に起因するヒステリシスの幅を表
す。なお、トルク特性は、弁軸１２を開弁方向に回転さ
せるトルクを正とし、弁軸１２を閉弁方向に回転させる
トルクを負として表す。

【００３３】図２に示すように、弁軸１２を開弁方向に
付勢する第１のリターンスプリング３１のトルク特性Ｔ
ｒ１と、開弁方向に付勢する第２のリターンスプリング
３２のトルク特性Ｔｒ２とは、所定の中間開度位置θＮ
にてトルクが零となるように、第１、第２のリターンス
プリング３１、３２のそれぞれの付勢力を設定してい
る。また、第１のリターンスプリング３１のばね定数Ｋ
１は、第２のリターンスプリング３２のばね定数Ｋ２に
比べて大きく設定されている。言い換えると、所定の中
間開度位置θＮから弁軸１２を閉弁方向に回転する側の
ばね定数Ｋ１は、弁軸１２を閉弁方向に回転する側のば
ね定数Ｋ２に比べて大きくなっている。

【００３４】次に、本発明の吸気絞り装置の作用を以下
説明する。前述で吸気絞り装置１の吸気流量を調量する
動作については説明したので、ここでは、上述による構
成にした付勢手段３０に係る作用を説明する。

【００３５】付勢手段３０である第１、第２のリターン
スプリング３１、３２は、異なるばね定数であって、第
１のリターンスプリング３１のばね定数Ｋ１は、第２の
リターンスプリング３２のばね定数Ｋ２に比べて大きく
設定されているので、図２に示す所定の中間開度位置θ
Ｎから弁軸１２を閉弁方向に回転する側において、弁軸
１２の回転角に対する分解能の向上が可能である。

【００３６】すなわち、図４に示す従来構成の弁軸１２
を開弁方向に付勢するリターンスプリングのトルク特性
に比べて、異なるばね定数の第１、第２のリターンスプ
リングを用いるので、中間開度位置θＮから弁軸１２を
閉弁方向に回転する側においてばね定数Ｋ１（言換える
と弁軸開度θに対するトルク変化量）を大きくする、所
謂トルク特性の傾きが２ステージである２段特性にでき
る。これにより、本実施形態では図２に示すように駆動
モータ２０の弁軸１２を閉弁方向に回転させる閉じトル
クＴｍＣによる回転角差Δθ２を、図４に示す従来構成
による回転角差Δθ１に比べて、小さくできる（Δθ１
＞Δθ２）ので、駆動モータ２０の閉じトルクに対し
て、弁軸１２の回転角のばらつきを小さくできる。これ
により、フィードバック制御による弁軸回転角θの制御
を行う場合、制御性の向上が可能である。すなわち、Ｅ
ＣＵ５０において、この弁軸１２の弁軸角は、回転角度
センサ４０にて検出した弁軸開度位置θに応じてフィー
ドバック制御されるので、ＥＣＵ５０は、アクセル開度
の検出信号９１等を受信することで、エンジンの運転状
態を判断し、エンジン運転状態に応じた吸気流量を制御
することが可能である。このため、エンジンを停止させ
るとき、燃料噴射弁からの燃料供給を遮断後、吸気絞り
装置１の吸気流量を絞ることでエンジン振動の防止をし
たい場合等に好適である。

【００３７】また、従来構成と同様に、中間開度位置θ
Ｎで弁体１３を常開にでき、しかも、第１、第２のリタ
ーンスプリング３１、３２のそれぞれの付勢力を設定す
ることで、常開となる所定の中間開度位置θＮを任意の
弁軸開度θに設定可能である。そこで、要求吸気流量に
応じた弁軸開度θで常開となる吸気絞り弁１０を備えた
吸気絞り装置１を提供できる。

【００３８】さらに、弁軸１２の回転角の分解能を向上
させる手段として吸気絞り弁１０を駆動する駆動モータ
２０に減速装置を搭載することが考えられるが、減速装
置を吸気絞り装置１に搭載すると、装置の体格が大きく
なってしまう。これに対して本実施形態では、付勢手段
３０のトルク特性Ｔｒを２段特性とするだけで弁軸１２
の回転角の分解能を向上させることが可能であるので、
減速装置を搭載する場合に比べて、吸気絞り装置１の構
成が簡素な構成となり、小型化が可能である。

【００３９】（変形例）変形例の吸気絞り装置として、
図３に示すような弁軸開度θと吸気流量ＡＦの関係を有
する吸気絞り弁１０を吸気絞り装置１に用いれば、好適
である。

【００４０】すなわち、所定の中間開度位置θＮから弁
軸１２を開弁方向に回転する側のばね定数Ｋ１に比べ
て、弁軸１２を閉弁方向に回転する側のばね定数Ｋ２が
小さい付勢手段３０を備えた吸気絞り装置である本実施
形態において、図３に示すように、中間開度位置θＮよ
り高開度側は、弁軸開度θに対する吸気流量ＡＦの変化
量が小さくなっていくので、回転角差ΔθＡＦに対して
吸気流量差ΔＡＦのばらつきを小さくすることが可能で
ある。

【００４１】このため、上述のような弁軸開度θと吸気
流量ＡＦの関係を有する吸気絞り弁１０を備えた吸気絞
り装置１をＥＧＲを採用するディーゼルエンジンに用い
れば、吸気絞り装置１の吸気流量を絞ることで大量ＥＧ
Ｒを精度よく制御することが可能である。

【００４２】なお、本実施形態では、付勢手段３０とし
て弁軸１２の軸方向に直列に並んだ第１、第２のリター
ンスプリング３１、３２の構成で説明したが、トルク特
性Ｔｒの傾きが２ステージである２段特性を有するもの
であればよく、異なるばね定数の第１、第２のリターン
スプリング３１、３２を弁軸１２に対して径方向に並べ
てもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の吸気絞り装置の構成を表す
部分断面図である。

【図２】図１中の吸気絞り弁において、弁軸に付勢する
リターンスプリングの弁軸開度に対して発生しうるトル
ク特性を表す図であって、駆動モータの駆動トルクとの
釣り合い関係を説明する特性図である。

【図３】図１中の吸気絞り弁の弁軸開度と吸気流量との
関係を表す特性図である。

【図４】従来構成の吸気絞り装置に用いる吸気絞り弁に
おいて、弁軸に付勢するリターンスプリングの弁軸開度
に対して発生しうるトルク特性を表す図であって、駆動
モータの駆動トルクとの釣り合い関係を説明する特性図
である。

【符号の説明】

１ 吸気絞り装置 １０ 吸気絞り弁 １１ 弁ハウジング １１ａ 吸気通路 １２ 弁軸 １３ 弁体 ２０ 駆動モータ ３０ 付勢手段 ３１、３２ 第１、第２のリターンスプリング ３３ 円筒部 ３４ カバー ４０ 回転角度センサ ５０ 制御手段（ＥＣＵ） Ｔｒ、（Ｔｒ１、Ｔｒ２） 付勢手段３０が弁軸１２に
付勢し発生しうるトルク（第１のリターンスプリングの
トルク、第２のリターンスプリングのトルク） θ 弁軸開度（回転角） Δθ 回転角差 θＮ 所定の中間開度位置（吸気絞り弁の弁体が常開と
なる弁軸開度位置） ΔＡＦ 、ΔθＡＦ 吸気流量差、吸気流量差に対応す
る回転角差

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気通路を開閉する吸気絞り弁と、該吸
   気絞り弁の弁軸を駆動する駆動モータと、該駆動モータ
   を制御する制御手段とを備えた吸気絞り装置において、 前記駆動軸の一端には、互いにばね定数が異なる第１、
   第２のリターンスプリングが配設されており、前記第１
   のリターンスプリングは前記弁軸を開弁方向に、前記第
   ２のリターンスプリングは前記弁軸を閉弁方向に回転さ
   せるように付勢していることを特徴とする吸気絞り装
   置。
2. 【請求項２】 前記第１、第２のリターンスプリングが
   前記弁軸に付勢し発生しうるトルク特性は、所定の中間
   開度位置にて零となるものであって、 該中間開度位置から前記弁軸を閉弁方向に回転する側の
   ばね定数は、前記中間開度位置から前記弁軸を開弁方向
   に回転する側のばね定数に比べて大きくなっていること
   を特徴とする請求項１に記載の吸気絞り装置。
3. 【請求項３】 前記第１、第２のリターンスプリング
   は、軸方向に直列に配置されていることを特徴とする請
   求項１または請求項２に記載の吸気絞り装置。
4. 【請求項４】 前記吸気絞り弁の弁軸開度と吸気流量の
   特性は、全閉から全開方向に前記弁軸を回転するとき、
   全閉位置から前記中間開度位置までは、回転角度に対す
   る前記流量の変化量が大きく、前記中間開度位置から全
   開位置までは、回転角度に対する前記流量の変化量が小
   さくなっていくことを特徴とする請求項２または請求項
   ３に記載の吸気絞り装置。