JP2000073873A - 排気ガス還流制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】排気ガス還流制御弁を駆動するステップモータ
の０点校正時の機械的な音を、運転者には聞こえにくく
する排気ガス還流制御装置を提供する。 【解決手段】排気管２４の排気ガスを吸入管９の吸入空
気に還流する還流管路２５と、還流管路２５に設けられ
開口面積を制御する排気ガス還流制御弁２１と、排気ガ
ス還流制御弁２１を駆動するステップモータ２２を含む
ステップモータ駆動部２３と、ステップモータ駆動部２
３の動作を制御するコントロールユニット１５とを有す
る排気ガス還流制御装置において、ステップモータ駆動
部２５は、コントロールユニット１５からの制御信号に
基づき、ステップモータ２２のロータ位置の０点校正を
エンジン始動直後に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス還流制御
装置に係り、特にステップモータ式の排気ガス還流制御
弁を備えた排気ガス還流制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の発明では、特開平７−２５９６１
７号公報に記載されているように、ステップモータのイ
ニシャライズ、すなわち調整弁を駆動するためのステッ
プモータの認識位置と実際のステップモータ位置を一致
させる０点校正を、キースイッチのオフ時に実行してい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、上記従来
技術は、キースイッチオフのエンジン停止時に、ステッ
プモータの駆動位置の０点校正を行うため、０点校正時
の機械的な音が運転者に聞こえ易いという欠点があっ
た。

【０００４】本発明の目的は、排気ガス還流制御弁を駆
動するステップモータの０点校正時の機械的な音を、運
転者には聞こえにくくする排気ガス還流制御装置を提供
することにある

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における排気ガス還流制御装置の特徴とする
ところは、排気ガス還流制御弁を駆動するステップモー
タ駆動部が、コントロールユニットからの制御信号に基
づき、ステップモータのロータ位置の０点校正をエンジ
ン始動直後に行うことにある。

【０００６】具体的には本発明は次に掲げる装置を提供
する。

【０００７】本発明は、排気管の排気ガスを吸入管の吸
入空気に還流する還流管路と、該還流管路に設けられ前
記還流管路の開口面積を制御する排気ガス還流制御弁
と、該排気ガス還流制御弁を駆動するステップモータを
含むステップモータ駆動部と、該ステップモータ駆動部
の動作を制御するコントロールユニットとを有し、前記
ステップモータ駆動部は、前記コントロールユニットか
らの制御信号に基づき、前記ステップモータのロータ位
置の０点校正をエンジン始動直後に行うことを特徴とす
る排気ガス還流制御装置を提供する。

【０００８】好ましくは、前記０点校正は、エンジンが
自力で運転維持できる回転数以上となったときに行な
う。

【０００９】好ましくは、前記ステップモータのアイド
ル時のステップ位置を１相励磁位置とする。

【００１０】好ましくは、前記ステップモータのアイド
ル時のステップ位置が２相励磁位置であるとき、前記２
相励磁位置を半ステップ開側の１相励磁位置に変更す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態例に
係る排気ガス還流制御装置を、図を用いて説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施の形態例に係る排
気ガス還流制御装置が適用されたエンジンシステムの一
例を示すものである。図１においてエンジン８が吸入す
べき空気はエアクリーナ１の入口部２から取り入れら
れ、吸入空気量を制御する絞弁５を設置した絞弁ボディ
６を通り、コレクタ７に入る。

【００１３】ここで、絞弁５は、これを駆動するモータ
１０と連結しており、モータ１０を駆動することにより
絞弁５を操作して、吸入空気量を制御できるようになっ
ている。コレクタ７に至った吸入空気はエンジンの各シ
リンダ８に接続された各吸気管９に分配され、シリンダ
８内に導かれる。

【００１４】一方、ガソリンなどの燃料は、燃料タンク
１１から燃料ポンプ１２により吸引、加圧された上で燃
料噴射弁１３、燃圧レギュレータ１４が配管されている
燃料系に供給される。そして、この燃料は燃圧レギュレ
ータ１４により所定の圧力に調圧され、それぞれのシリ
ンダ８に燃料噴射口を開口している燃料噴射弁１３から
シリンダ８内に噴射される。

【００１５】また、空気流量計３からは吸気流量を表わ
す信号が出力され、コントロールユニット１５に入力さ
れるようになっている。

【００１６】さらに、絞弁ボディ６には絞弁５の開度を
検出するスロットルセンサ１８が取り付けられており、
その出力もコントロールユニット１５に入力されるよう
になっている。

【００１７】次に、１６はクランク角センサであり、カ
ム軸によって回転駆動され、クランク軸の回転位置を表
わす信号を出力する。この信号もコントロールユニット
１５に入力されるようになっている。

【００１８】２０は、排気管２４に設けられたA/Fセン
サで、排気ガスの成分から実運転空燃比を検出、出力し
て、その信号は同じくコントロールユニット１５に入力
されるようになっている。

【００１９】コントロールユニット１５は、エンジンの
運転状態を検出する各種のセンサなどからの信号を入力
として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結
果として算定された各種の制御信号を出力し、上記した
燃料噴射弁１３や点火コイル１７や絞弁５操作のモータ
１０に所定の制御信号を出力し、燃料供給制御、点火時
期制御、吸入空気量制御、排気ガス還流量制御を実行す
る。

【００２０】このようなエンジンにおいて、燃焼の温度
を低下させることで窒素酸化物の生成を抑制させる排気
ガス還流（以下、ＥＧＲと略す）を付加する手法がよく
用いられる。すなわち、排気ガスを再び吸入空気に還流
することで不活性ガスの濃度を高め、燃焼温度を低くす
る手段である。

【００２１】図１において、排気管２４の排気ガスをコ
レクタ７の吸入空気に還流する還流管路２５の途中に還
流管路２５の開口面積を制御するＥＧＲ制御弁２１を設
ける。ＥＧＲ制御弁２１は、ステップモータ２２を含む
ステップモータ駆動部２３により駆動される。

【００２２】コントロールユニット１５は、上記と同じ
ように、ＥＧＲ制御弁２１を駆動するステップモータ駆
動部２３に所定の制御信号を出力し、ＥＧＲ量制御を実
行する。

【００２３】また、コントロールユニット１５は、例え
ば、ステップモータ２２に外力が加わり、ステップモー
タ２２のロータの位置がずれたとき、ロータを元の位置
に戻す０点校正の制御信号をステップモータ駆動部２３
に出力し、０点校正を実行させる。

【００２４】ＥＧＲ付加時のエンジン性能の一例を図２
に示す。横軸のＥＧＲ率は吸入空気量に対するＥＧＲガ
ス量の比であり、値が大きい程大量のＥＧＲガスが還流
していることを示す。ＥＧＲ率が高くなるにつれ燃焼の
温度が低下するので、排気ガス中の窒素酸化物の濃度は
単調に下がる。その一方で燃焼の速度が下がってくるた
め健全な燃焼が行われなくなる傾向となる。

【００２５】この現象はある程度のＥＧＲ率までは大き
く顕現化はせず、所定のＥＧＲ率以上で急激に燃焼安定
性が悪化する。このため、安定した燃焼状態と低い窒素
酸化物濃度を得たい場合には精密なＥＧＲ率の制御が必
要となる。

【００２６】ＥＧＲは、排気管から吸気管へ通路を設け
て還流させることが一般的であり、吸気管と排気管の圧
力差はエンジンの運転条件によりさまざまに変化する。
かかる環境のもとでＥＧＲ率を精密に制御するには、Ｅ
ＧＲガス量を計量する計量部を設け、ＥＧＲガス量をエ
ンジンの運転条件に応じて精密に計量することが必要と
なる。

【００２７】さらにＥＧＲガス量を精密に計量するため
には、還流管路２５の開口面積を正確に制御することが
必要である。この開口面積の制御において、ステップモ
ータ２２で駆動されるＥＧＲ制御弁２１を設け、ステッ
プモータ２２の精密なストローク制御性を利用し開口面
積を制御することが一般に行われている。

【００２８】ステップモータ２２の動作を概念的に説明
する図を図３に示す。ステップモータ２２は、円周周り
にＮＳ極交互に帯磁した永久磁石ロータ５１と、それを
囲む２層の周状電磁コイル５２からなる。図３は、永久
磁石５１を説明の便宜上ＮＳの一組のみを記し、永久磁
石と電磁コイルの周の一部を平面に投影して示してい
る。

【００２９】ここで、電磁コイル５２を図３（ａ）のよ
うに励磁すると、永久磁石５１との力バランスにより図
のような位置に安定する。次に下側電磁コイルの相を図
の（ｂ）のように通電方向を逆にすることによりＮ，Ｓ
極を逆にすると、その隣の図のような位置に安定する。
すなわち永久磁石５１は図の同差分変位したこととな
る。

【００３０】この動作を繰り返すことにより、ステップ
モータ２２は、相対的に正確な周方向操作量を実現でき
る。これを直線運動に変換すると、相対的に正確な位置
制御が行える。また、図３（ｃ）のように２つの励磁相
の１つのみ、この場合は（ｂ）の状態に続き上側の層の
みを励磁すると２相を励磁切替したときの半分の操作量
を実現することができる。これにより、操作量の制御精
度を２倍にすることができる。

【００３１】ここで、前述したように、ステップモータ
２２に外力が加わり、外力が磁力による保持力に打ち勝
ったとき、例えば図３（ａ）のＡ位置にある永久磁石ロ
ータ５１は、図の右から左のＢ方向に動き、そこでＡ位
置と同様の磁力のバランスが安定するＢ位置に移動す
る。このように外力によって永久磁石ロータ５１は励磁
相変化１周期分の位置おきの磁力バランスが安定な位置
まで移動する。

【００３２】本現象は、永久磁石ロータ５１の位置を検
出するセンサなしには、ステップモータ駆動部２３はそ
の発生を検知することができない。これを脱調と称す。

【００３３】脱調した場合にはステップモータ２２を用
いての開口面積制御精度が悪化する不都合が生じる。

【００３４】そこで、永久磁石ロータ５１の位置を検出
するセンサを設定することなしに、ステップモータ駆動
部２３の永久磁石ロータ５１位置認識位置と実際の永久
磁石ロータ５１位置を一致させる方法として、永久磁石
ロータ５１の０点校正が挙げられる。

【００３５】０点校正の校正方法を、以下に説明する。
図４は、ステップモータ駆動部２３が、永久磁石ロータ
５１をストッパ−６位置から機械的制限のストッパ位置
に向け所定周期で駆動させたときの挙動である。機械的
制限は例えば永久磁石ロータ５１のそれ以上の移動を止
めるストッパである。図４の太線に示すように、前述の
励磁相切替を所定時間毎に繰り返すことにより、ストッ
パ−５，−４，のような磁力の安定する所定間隔の位置
へと永久磁石ロータ５１が移動を行なう。

【００３６】ここで、永久磁石ロータ５１位置がストッ
パ位置になったとき更に駆動を行なうと、永久磁石ロー
タ５１の位置は、前述の脱調の部分で説明したように最
寄りの磁力のバランスの安定する位置、すなわちストッ
パ−３位置へと移動する。更に駆動を続けると図のよう
に同じ動作を繰り返す。

【００３７】同様な駆動を行なったときのステップモー
タ駆動部２３のステップ位置認識値と永久磁石ロータ５
１の実際のステップ位置の関係を図６に示す。図６は、
例えば前述の外力により、ステップモータ駆動部２３の
ステップ位置認識値と永久磁石ロータ５１の実際のステ
ップ位置がずれている場合を示す。ストッパ位置の方向
への駆動を位置認識ずれが考えられる回数分繰り返し、
ストッパ位置で停止すると位置認識ずれはなくなる。

【００３８】ここで、０点校正中は、永久磁石ロータ５
１はストッパ位置に固定されるため本来の駆動動作を行
うことができない。また、０点校正動作は機械的にスト
ッパに永久磁石ロータ５１を衝突させるため音が発生す
る。したがって、ステップモータ２２で駆動されるＥＧ
Ｒ制御弁２１では０点校正を実行できる条件に、音が発
生しない制限を設ける必要がある。

【００３９】具体的には、０点校正音はエンジンの作動
音に紛らせることで運転者に対し聞こえにくくすること
ができる。また、エンジン始動直後はエンジンの状態が
安定していないためＥＧＲを付加することは一般に考え
にくい。これらのことから、エンジン始動直後に０点校
正を行うことで０点校正の持つ欠点が克服できる。

【００４０】また、制御仕様として始動直後を定義する
と、エンジンの回転数に着目した場合、始動前はエンジ
ン回転数は自力で回転維持できない回転数であり、始動
が成功したときはエンジンは自力回転を維持できる以上
の回転数に変化する。このときはエンジンの作動音は期
待できる環境にある。

【００４１】また、始動に失敗し、エンストに至った場
合は自力で回転維持できない回転数となる。この場合に
は０点校正音が聞こえるので０点校正は行なわない方が
良い。よって、エンジン回転数で０点校正実行可否を判
定するには、回転数が自力で持続できる値以上であるか
を条件とすることで適正に判定できる。

【００４２】以上の制御の１実施の形態例をフローチャ
ートで表したものを図８に示す。図８のような制御を所
定時間ごとに繰り返すことにより所望の制御を行うこと
ができる。また、さらにスタータ作動の条件を付加すれ
ば、スタータ作動は運転者の明確な始動意志であるの
で、より正確な判定が行える。

【００４３】一方、ＥＧＲの付加条件としては前述のよ
うに燃焼が安定しているときにＥＧＲを付加したい。し
たがって、アイドル時のようにＥＧＲの外乱により燃焼
状態の変化が生じやすい条件ではＥＧＲを付加しないよ
うにする。ＥＧＲを付加しないときは、ＥＧＲ還流通路
の開口面積を全閉とすることとなる。

【００４４】また、前述の０点校正のストッパは同じく
全閉位置に設けるのが合理的である。なぜならば、０点
校正中はＥＧＲ付加の必要はなく、またＥＧＲを付加す
ると燃焼の成立性上危険だからである。

【００４５】さらに、ＥＧＲ制御弁の構成上、ストッパ
位置と開口面積の開き始める位置とを合わせることは部
品精度を要求し、また必ずしも一致させる必要はない。
したがって、図６に示すように、ストッパ位置と開口面
積の開き始める位置とをずらして設定するのが良い。さ
らにストッパ位置は０点校正時に、確実な位置精度を要
求するため制御力の強い２相励磁位置とするのが良い。

【００４６】以上のことから、アイドル時のようなＥＧ
Ｒを付加しない条件では、ストッパ位置は２相励磁状態
にある。ここで、２相を励磁するためには２相とも電磁
コイルに通電することが必要になるため、消費電力は１
相励磁時の２倍となる。

【００４７】一方、発電を行うオルタネータの発電能力
は、図５に示すように、回転数に依存するため、アイド
ル時には発電能力が不足する場合がある。また、図７に
示すように、ＥＧＲ開口面積が開き始めるまで制御位置
にオフセットを持たせた構造とすれば、アイドル時に２
相励磁位置の隣の１相励磁位置に制御してもＥＧＲが付
加されることはなく、かつ消費電力を低減できる。

【００４８】ここで、ＥＧＲ付加なしに限らず、ＥＧＲ
付加状態でも条件が許せば１相励磁位置にＥＧＲ制御弁
を駆動することで消費電力低減が計れる。たとえば、筒
内燃料噴射においてアイドル時に成層運転を行うような
場合、目標のＥＧＲ率を得るためのＥＧＲ制御弁操作位
置が２相励磁位置であるとき、これを１相励磁位置とす
ることは目標のＥＧＲ率とは異なったＥＧＲ率を与える
こととなる。

【００４９】しかし、成層燃焼の安定性が、図９に示す
ように、ＥＧＲ率に対し鈍感であれば、１相励磁位置に
操作位置を改めることはエンジン性能上の不都合は事実
上生じない。この際、半ステップ開側に目標励磁位置を
改めることはＥＧＲ率を増すことを意味し、窒素酸化物
排出量低減の意味で望ましい。

【００５０】このような制御のフローチャートを図１０
に示す。たとえば、アイドル状態であれば、均質燃焼の
ときは燃焼安定性確保からＥＧＲを付加せず、成層燃焼
のときは先に述べたようにＥＧＲ率に対し鈍感であるの
で、成層、均質いずれの状態にあってもＥＧＲのステッ
プモータ２２を１相励磁位置とすることで、燃焼上の不
都合を生じることなく消費電力低減が計れる。

【００５１】すなわち、先に述べた０点校正条件かをス
テップ１０１で判定し、０点校正条件にあるときはステ
ップ１０３に進み０点校正を実行する。そうでないとき
は、ステップ１０２へ進みアイドル条件にあるかを判定
し、アイドル条件にあるときはステップ１０４で１相励
磁目標位置を与え、ステップ１０５でステップモータの
駆動を行う。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、排気ガス還流制御弁を
駆動するステップモータの０点校正をエンジン始動後に
行うことにより、運転者に０点校正時の音を聞こえにく
くすることができ、運転者に安心感を与えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態例に係る排気ガス還流制
御装置が適用されたエンジンシステムの構成図である。

【図２】ＥＧＲ付加時のエンジン性能の一例を示す図で
ある。

【図３】図１のステップモータの動作を概念的に説明す
る図である。

【図４】０点校正の校正方法を説明する図である。

【図５】エンジン発電機の性能特性を示す図である。

【図６】ステップ位置認識値とロータの実際のステップ
位置との関係を示す図である。

【図７】ＥＧＲ制御バルブの性能特性を示す図である。

【図８】０点校正の動作処理のフローチャート図であ
る。

【図９】エンジンの特性を表わす図である。

【図１０】ステップモータ駆動部の制御処理のフローチ
ャート図である。

【符号の説明】

７…コレクタ、８…シリンダ、９…吸気管、１５…コン
トロールユニット、２１…ＥＧＲ制御弁、２２ステップ
モータ、２３ステップモータ駆動部、２４排気管、２５
還流管路、５１…永久磁石ロータ、５２…電磁コイル

フロントページの続き (72)発明者 吉田 義幸 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 志賀 義宏 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G062 BA04 BA06 BA08 CA00 CA03 DA02 DA08 EA11 GA01 GA04 GA06 GA17 GA21 3G084 BA03 BA04 BA05 BA09 BA13 BA17 BA20 CA00 CA03 DA39 EA09 EA12 EB11 EC07 FA07 FA10 FA13 FA18 FA26 FA29 FA33 FA35 FA36 FA37 FA38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気管の排気ガスを吸入管の吸入空気に還
   流する還流管路と、該還流管路に設けられ前記還流管路
   の開口面積を制御する排気ガス還流制御弁と、該排気ガ
   ス還流制御弁を駆動するステップモータを含むステップ
   モータ駆動部と、該ステップモータ駆動部の動作を制御
   するコントロールユニットとを有し、前記ステップモー
   タ駆動部は、前記コントロールユニットからの制御信号
   に基づき、前記ステップモータのロータ位置の０点校正
   をエンジン始動直後に行うことを特徴とする排気ガス還
   流制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記０点校正は、エン
   ジンが自力で運転維持できる回転数以上となったときに
   行なうことを特徴とする排気ガス還流制御装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記ステップモータの
   アイドル時のステップ位置を１相励磁位置とすることを
   特徴とする排気ガス還流制御装置。
4. 【請求項４】請求項１において、前記ステップモータの
   アイドル時のステップ位置が２相励磁位置であるとき、
   前記２相励磁位置を半ステップ開側の１相励磁位置に変
   更することを特徴とする排気ガス還流制御装置。