JP2006266143A - スロットル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン運転中であってもリターンスプリングの異常が判明したら、直ちに、スロットル開度が安定するように処置できるスロットル装置を提供することにある。
【解決手段】スロットル装置の制御手段は、スロットル開度の制御に用いる指令値の算出に関し、リターンスプリングの作動が正常である時に適用する正常処理モードと、リターンスプリングの作動が異常である時に適用する異常処理モードとを有し、リターンスプリングの作動状態に応じて、正常処理モードと異常処理モードとを使い分ける。これにより、制御手段は、エンジン運転中にリターンスプリングの異常が判明したら、正常処理モードから異常処理モードに切り替えて指令値を算出することができる。この結果、リターンスプリングの異常が判明したら、直ちに、この異常を反映した指令値を算出することができるので、スロットル開度も直ちに安定させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に吸入される空気量（吸気量）を調節するスロットル装置に関する。

〔従来の技術〕
従来から、スロットル装置は、エンジンの吸気通路に配設され、回動することで吸気量を調節する弁体と、給電を受けて作動することで、弁体に吸気量が小さくなる方向（閉弁側）にトルクを与えるアクチュエータと、弁体に吸気量が大きくなる方向（開弁側）にトルクを与えるリターンスプリングと、エンジンの状態に応じた吸気が行われるように、アクチュエータへの給電量に相当する指令値を算出して出力する制御手段と、指令値の入力を受け、所定の電源からアクチュエータに指令値に応じた給電を行わせる給電手段とを備える。これにより、スロットル装置は、弁体の回動位置を調節することで吸気通路の開度（スロットル開度）を制御し、エンジンの状態に応じた吸気を行う。

〔従来技術の不具合〕
しかし、このようなスロットル装置では、リターンスプリングが折損等により正常に作動しなくなると、スロットル開度の制御に対する信頼性が低下する。特に、リターンスプリングが弁体に与えるトルク（スプリングトルク）が小さくなる方向に損傷すると、例えば、図５に示すように、目標スロットル開度を初期値Ｓｃから最終値Ｓｄに変更したときの弁体の動作が急激になる。この結果、実線Ｃ１に示すように、スロットル開度が最終値Ｓｄに対し過剰に上下変動するため、リターンスプリングの作動が正常であるときに目標スロットル開度を初期値Ｓｃから最終値Ｓｄに変更したとき（実線Ｃ２参照）よりも、最終値Ｓｄに安定するまでに要する時間が長くなる。

なお、リターンスプリングの異常が判明した場合には、イグニッションオフ時にスロットル開度を所定値以下にするスロットル装置が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、次回のエンジン始動時にエンジン回転数が上昇しすぎることを抑え、エンジン始動時におけるスロットル開度が安定するのに要する時間を低減するものである。しかし、この技術では、エンジンの運転中に、リターンスプリングの異常が判明しても、直ちに処置をとることができず、スロットル開度が不安定な状態で運転が続けられてしまう。
特開平１１−１０７７８５号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、エンジン運転中であってもリターンスプリングの異常が判明したら、直ちに、スロットル開度が安定するように処置をとることができるスロットル装置を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載のスロットル装置は、エンジンの吸気通路に配設され、回動することで吸気量を調節する弁体と、給電を受けて作動することで、弁体に吸気量が小さくなる方向にトルクを与えるアクチュエータと、弁体に吸気量が大きくなる方向にトルクを与えるリターンスプリングと、エンジンの状態に応じた吸気が行われるように、アクチュエータへの給電量に相当する指令値を算出して出力する制御手段と、指令値の入力を受け、所定の電源からアクチュエータに指令値に応じた給電を行わせる給電手段とを備える。そして、制御手段は、リターンスプリングの作動が正常である時に、指令値の算出に適用する正常処理モードと、リターンスプリングの作動が異常である時に、指令値の算出に適用する異常処理モードとを有し、リターンスプリングの作動状態に応じて、正常処理モードと異常処理モードとを使い分ける。

これにより、制御手段は、エンジン運転中にリターンスプリングの異常が判明したら、正常処理モードから異常処理モードに切り替えて指令値を算出することができる。ここで、正常処理モードとは、指令値を算出する際に用いる数式、マップおよびプログラム等に含まれる各種の制御パラメータ（例えば、ＰＩＤ制御におけるＰ値、Ｉ値、Ｄ値）を、リターンスプリングの作動が正常であるとして設定したものである。これに対し、異常処理モードとは、上記の制御パラメータを、リターンスプリングの作動が異常であるとして設定したものである。

このため、異常処理モードを適用して算出された指令値は、リターンスプリングの異常を反映した値となる。この結果、リターンスプリングの異常が判明したら、直ちに、この異常を反映した指令値を算出することができるので、スロットル開度も直ちに安定させることができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載のスロットル装置によれば、リターンスプリングの作動が異常である時とは、リターンスプリングにより弁体に与えられるトルクがゼロの時である。
リターンスプリングが折損等により正常に作動しなくなると、スプリングトルクが、当初予定されていた値より小さくなる。よって、スプリングトルクがゼロであるときに正常処理モードを適用すると、スロットル開度は、目標スロットル開度に対し最も過剰に上下変動し、目標スロットル開度に安定するまでに要する時間が最も長くなると考えられる。そこで、このような最も悪い制御状態を想定して（つまり、スプリングトルクがゼロであることを想定して）、異常処理モードを設定しておけば、異常のレベルに応じた制御が可能になる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載のスロットル装置によれば、エンジンは、ディーゼルエンジンである。
ディーゼルエンジンのスロットル装置では、何らかの異常が発生しても、アクチュエータへの給電を停止し、スロットル開度を全開にすることで運転を続行することができる。しかし、吸気量が多くなると排気ガスの温度が低下するため、排気ガスを浄化する触媒の温度も低下する。このため、触媒が活性化せず排気ガスの浄化が不十分になるため、結果的に、燃料の噴射量を抑えて出力制限を行う必要が生じる。
これに対し、異常処理モードを設定しておけば、リターンスプリングに異常が発生しても、異常処理モードを適用することで、エンジンの状態に応じたスロットル開度の制御を行うことができる。このため、触媒活性化のために出力制限を行う必要がなく、通常の噴射制御を行うことができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載のスロットル装置の制御手段は、正常処理モードから異常処理モードに切り替える際に、給電手段に出力する指令値を、正常処理モードで算出された指令値から、異常処理モードで算出された指令値まで、段階的に増減する。
これにより、正常処理モードから異常処理モードへの切り替りに伴う指令値の急激な変更を防止して、スロットル開度をより早期に安定させることができる。また、リターンスプリングの異常の程度に応じて指令値を決定することもできる。

最良の形態１のスロットル装置は、エンジンの吸気通路に配設され、回動することで吸気量を調節する弁体と、給電を受けて作動することで、弁体に吸気量が小さくなる方向にトルクを与えるアクチュエータと、弁体に吸気量が大きくなる方向にトルクを与えるリターンスプリングと、エンジンの状態に応じた吸気が行われるように、アクチュエータへの給電量に相当する指令値を算出して出力する制御手段と、指令値の入力を受け、所定の電源からアクチュエータに指令値に応じた給電を行わせる給電手段とを備えたスロットル装置であり、制御手段は、リターンスプリングの作動が正常である時に、指令値の算出に適用する正常処理モードと、リターンスプリングの作動が異常である時に、指令値の算出に適用する異常処理モードとを有し、リターンスプリングの作動状態に応じて、正常処理モードと異常処理モードとを使い分ける。

また、リターンスプリングの作動が異常である時とは、リターンスプリングにより弁体に与えられるトルクがゼロの時である。また、最良の形態１のスロットル装置が適用されるエンジンは、ディーゼルエンジンである。

〔実施例１の構成〕
実施例１のスロットル装置１の構成を、図１を用いて説明する。
スロットル装置１は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンと呼ぶ：図示せず）の燃焼室に吸入される空気量（吸気量）を調節するものである。

スロットル装置１は、図１に示すように、エンジンの吸気通路２に配設され、回動することで吸気量を調節する弁体３と、給電を受けて作動することで、弁体３に吸気量が小さくなる方向（閉弁側）にトルクを与えるアクチュエータ４と、弁体３に吸気量が大きくなる方向（開弁側）にトルクを与えるリターンスプリング５と、エンジンの状態に応じた吸気が行われるように、アクチュエータ４への給電量に相当する指令値を算出して出力する制御手段６と、指令値の入力を受け、所定の電源（図示せず：以下、単に電源と呼ぶ）からアクチュエータ４に指令値に応じた給電を行わせる給電手段７とを備える。

弁体３は、回転軸１０を中心として対称的に広がる略円板状のバタフライ弁である。また、弁体３は、回転軸方向にシャフト１１が設けられ、アクチュエータ４の出力軸（図示せず）に接続されている。これにより、弁体３は、アクチュエータ４から閉弁側にトルクを与えられる。なお、シャフト１１には、弁体３の回動位置、つまり吸気通路２の開度（以下、スロットル開度と呼ぶ）を検出するスロットル開度センサ１２が装着されている。

アクチュエータ４は、周知の構造を有する電動モータ（以下、アクチュエータ４を電動モータ４とする）であり、電源から給電を受けることで作動してトルクを発生させ、出力軸を介して弁体３に伝達する。
リターンスプリング５は、電動モータ４の反対側のシャフト１１に設けられたレバー１３に、一端が取り付けられ、常時、弁体３に対し開弁側にトルクが作用するようにセットされている。

これにより、電動モータ４は、給電を受けて作動することで、リターンスプリング５が弁体３に与えるトルク（スプリングトルク）に抗して、閉弁側に弁体３を回動さる。また、電動モータ４への給電が停止されると、スプリングトルクにより、弁体３は開弁側に回動する。

制御手段６は、制御処理および演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭおよびバックアップＲＡＭ等の記憶手段、入力回路、出力回路等により構成される周知構造の電子制御装置（ＥＣＵ）である（以下、制御手段６をＥＣＵ６とする）。

そして、ＥＣＵ６は、エンジン回転数を検出する回転数センサ１４、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、スロットル開度センサ１２等の各種センサから入力される検出値に基づいて、各種の指令値を算出し指令信号として各種の駆動回路に出力する。

例えば、ＥＣＵ６は、回転数センサ１４およびアクセル開度センサ１５等からの検出値に基づいて、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ（図示せず）を駆動するための指令値を算出する。すなわち、ＥＣＵ６は、回転数センサ１４およびアクセル開度センサ１５等からの検出値に基づいて、噴射を開始する時期（噴射開始時期）、および目標噴射量を算出し、さらに、この目標噴射量に基づいて噴射を持続する期間（噴射期間）を算出する。そして、ＥＣＵ６は、噴射開始時期および噴射期間を指令値とし、これらの指令値に基づいて指令信号を合成し、インジェクタに給電するための駆動回路（インジェクタ駆動回路）に出力する。

この指令信号の入力を受けて、インジェクタ駆動回路は、電源からインジェクタのアクチュエータに指令値に応じた給電を行わせる。これにより、インジェクタは、算出された噴射開始時期に略一致する時期に噴射を開始し、目標噴射量に略一致した量の燃料を噴射するように駆動される。以上のようにして噴射制御が行われ、インジェクタは、エンジンの状態に応じた噴射を行うことができる。

また、ＥＣＵ６は、回転数センサ１４、アクセル開度センサ１５およびスロットル開度センサ１２等からの検出値に基づいて、電動モータ４を駆動するための指令値を算出する。すなわち、ＥＣＵ６は、回転数センサ１４およびアクセル開度センサ１５等からの検出値に基づいて、目標スロットル開度を算出する。さらに、ＥＣＵ６は、目標スロットル開度とスロットル開度センサ１２からの検出値との差分を用いてＰＩＤ演算を行い、電動モータ４への給電量を算出するとともに、この給電量に対応するデューティ比を指令値として算出する。そして、ＥＣＵ６は、この指令値に基づくパルス信号を指令信号として、給電手段７としてのモータ駆動回路に出力する（以下、給電手段７をモータ駆動回路７とする）。

モータ駆動回路７は、上記のように、パルス信号の入力を受けることで、指令値であるデューティ比の入力を受けるとともに、このデューティ比に応じた大きさの電流を電源から電動モータ４に通電させる。すなわち、モータ駆動回路７は、電源から電動モータ４への通電をオンオフするスイッチング素子（図示せず）を有する。そして、入力されるパルス信号に応じて、このスイッチング素子が作動、非作動を繰り返すことで、ＰＩＤ演算で算出された給電量に応じた通電が行われ、弁体３は、スロットル開度が目標スロットル開度に略一致するまで回動する。以上のようにして、スロットル開度が制御され、スロットル装置１は、エンジンの状態に応じた吸気を行うことができる。

〔実施例１の特徴〕
実施例１のスロットル装置１の特徴を説明する。
実施例１のＥＣＵ６は、スロットル開度の制御に用いる指令値の算出に関し、リターンスプリング５の作動が正常である時に適用する正常処理モードと、リターンスプリング５の作動が異常である時に適用する異常処理モードとを有する。そして、ＥＣＵ６は、リターンスプリング５の作動状態に応じて、正常処理モードと異常処理モードとを使い分ける。

正常処理モードとは、スロットル開度の制御において指令値を算出する際に用いる数式、マップおよびプログラム等に含まれる各種の制御パラメータ（例えば、ＰＩＤ制御におけるＰ値、Ｉ値、Ｄ値）を、リターンスプリング５の作動が正常である、として設定したものである。ここで、「リターンスプリング５の作動が正常である」とは、スプリングトルクが、図２の実線Ａ１に示すように、製造時に設定されたトルク特性と略一致するようにスロットル開度に応じて変化することを意味する。

異常処理モードとは、上記の制御パラメータを、リターンスプリング５の作動が異常であるとして設定したものである。本実施例では、「リターンスプリング５の作動が異常である時」とは、実線Ａ２のように、トルク特性がゼロに固定されているような時を想定している。すなわち、スプリングトルクがスロットル開度に応じて変化せず常にゼロである時である。つまり、異常処理モードは、リターンスプリング５の折損等により、スプリングトルクが弁体３に全く作用しなくなった状態を想定して設定されている。

異常処理モードの制御パラメータは、スプリングトルクが作用しないことで弁体３の動作が急激になるのを防止するため、弁体３の動作が緩慢になるように設定されている。つまり、スプリングトルクが作用しない状態で、正常処理モードの制御パラメータを用いて目標スロットル開度を初期値Ｓａから最終値Ｓｂに変更すると弁体３の動作が急激になり、図３の実線Ｂ１に示すように、スロットル開度が最終値Ｓｂに対し過剰に上下変動する。これに対し、弁体３の動作が緩慢になるように設定された異常処理モードの制御パラメータを用いれば、実線Ｂ２に示すように、スロットル開度は、過剰な上下変動がなくなり早期に最終値Ｓｂに安定する。

〔実施例１の制御方法〕
実施例１のスロットル装置１による制御方法を、図４に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１で、回転数センサ１４およびアクセル開度センサ１５等からの検出値に基づいて、目標スロットル開度を算出する。また、ステップＳ２で、スロットル開度センサ１２から検出値を取得する。そして、ステップＳ３で、目標スロットル開度とスロットル開度センサ１２から取得した検出値との偏差を算出する。

次に、ステップＳ４で、リターンスプリング５に異常が発生しているか否かを判定する。この判定は、周知のダイアグロジックを用いて実行することができる。そして、異常が発生していると判定したら（ＹＥＳ）、ステップＳ５へ進み、異常が発生していないと判定したら（ＮＯ）、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ５では、異常処理モードを適用して電動モータ４への給電量、およびこの給電量に対応するデューティ比を算出する。ステップＳ６では、正常処理モードを適用して電動モータ４への給電量、およびこの給電量に対応するデューティ比を算出する。そして、ステップＳ７で、ステップＳ５またはステップＳ６で算出されたデューティ比に基づくパルス信号を指令信号として出力する。

〔実施例１の効果〕
実施例１のスロットル装置１のＥＣＵ６は、スロットル開度の制御に用いる指令値の算出に関し、リターンスプリング５の作動が正常である時に適用する正常処理モードと、リターンスプリング５の作動が異常である時に適用する異常処理モードとを有する。そして、ＥＣＵ６は、リターンスプリング５の作動状態に応じて、正常処理モードと異常処理モードとを使い分ける。
これにより、ＥＣＵ６は、エンジン運転中にリターンスプリング５の異常が判明したら、スロットル開度の制御に用いる指令値の算出について、正常処理モードから異常処理モードに切り替えることができる。このため、ＥＣＵ６は、リターンスプリング５の異常が判明したら、直ちに、この異常を反映した指令値を算出することができるので、スロットル開度も直ちに安定させることができる。

また、スロットル装置１によれば、リターンスプリング５の作動が異常である時とは、スプリングトルクがゼロの時である。
リターンスプリング５が折損等により正常に作動しなくなると、スプリングトルクが、当初予定されていた値より小さくなる。よって、スプリングトルクがゼロであるときに正常処理モードを適用すると、目標スロットル開度に対する過剰な上下変動が最も大きくなり、スロットル開度が安定するまでに要する時間が最も長くなると考えられる。そこで、このような最も悪い制御状態を想定して（つまり、スプリングトルクがゼロであることを想定して）、異常処理モードを設定しておけば、異常のレベルに応じた制御が可能になる。

また、スロットル装置１が適用されるエンジンは、ディーゼルエンジンである。
ディーゼルエンジンのスロットル装置１では、何らかの異常が発生しても、電動モータ４への給電を停止し、スロットル開度を最大にすることで運転を続行することができる。しかし、吸気量が多くなると排気ガスの温度が低下するため、排気ガスを浄化する触媒の温度も低下する。このため、触媒が活性化せず排気ガスの浄化が不十分になるため、結果的に、燃料の噴射量を抑えて出力制限を行う必要がある。
これに対し、異常処理モードを設定しておけば、リターンスプリング５に異常が発生しても、異常処理モードを適用することで、エンジンの状態に応じたスロットル開度の制御を行うことができる。このため、触媒活性化のために出力制限を行う必要がなく、通常の噴射制御を行うことができる。

〔変形例〕
本実施例のスロットル装置１では、「リターンスプリング５の作動が異常である時」を、スプリングトルクが弁体３に全く作用しなくなった状態である、と想定して異常処理モードを設定していたが、このような形態に限定されない。例えば、「リターンスプリング５の作動が異常である時」を、「リターンスプリング５により弁体３に与えられるトルクが正常時の５０％である時」等としてもよく、正常時のトルクに対する異常時のトルクの割合は任意に設定することができる。

本実施例のスロットル装置１は、リターンスプリング５に異常が発生していると判定したら、ただちに異常処理モードを適用し異常処理モードに基づき算出した指令値をモータ駆動回路７に出力したが、正常処理モードから異常処理モードに切り替える際に、正常処理モードで算出された指令値から、異常処理モードで算出された指令値まで、出力される指令値を段階的に増減してもよい。例えば、本実施例のフローチャートにおけるステップＳ５で、前回処理で正常処理モードを用いて算出されたデューティ比から、今回処理で異常処理モードを適用して算出されたデューティ比への変更幅を縮小するように、デューティ比を再算出してもよい。

このように、変更幅を縮小等することで、正常処理モードから異常処理モードへの切り替りに伴う指令値の急激な変更を防止して、開度制御をより早期に安定させることができる。また、リターンスプリング５の異常の程度に応じて指令値を再算出することもできる。

本実施例のスロットル装置１は、ディーゼルエンジンへの吸気量調節に適用されたが、ガソリンエンジンへの吸気量調節にも適用することができる。

スロットル装置の構成図である（実施例）。 スプリングトルクとスロットル開度との相関を示すトルク特性図である（実施例）。 スロットル開度の目標スロットル開度に対する追随性を示すタイムチャートである（実施例）。 スロットル装置による処理を示すフローチャートである（実施例）。 スロットル開度の目標スロットル開度に対する追随性を示すタイムチャートである（従来例）。

符号の説明

１ スロットル装置
２ 吸気通路
３ 弁体
４ 電動モータ（アクチュエータ）
５ リターンスプリング
６ ＥＣＵ（制御手段）
７ モータ駆動回路（給電手段）

Claims (4)

1. エンジンの吸気通路に配設され、回動することで吸気量を調節する弁体と、
   給電を受けて作動することで、前記弁体に吸気量が小さくなる方向にトルクを与えるアクチュエータと、
   前記弁体に吸気量が大きくなる方向にトルクを与えるリターンスプリングと、
   前記エンジンの状態に応じた吸気が行われるように、前記アクチュエータへの給電量に相当する指令値を算出して出力する制御手段と、
   前記指令値の入力を受け、所定の電源から前記アクチュエータに前記指令値に応じた給電を行わせる給電手段とを備えたスロットル装置において、
   前記制御手段は、前記リターンスプリングの作動が正常である時に、前記指令値の算出に適用する正常処理モードと、前記リターンスプリングの作動が異常である時に、前記指令値の算出に適用する異常処理モードとを有し、前記リターンスプリングの作動状態に応じて、前記正常処理モードと前記異常処理モードとを使い分けることを特徴とするスロットル装置。
2. 請求項１に記載のスロットル装置において、
   前記リターンスプリングの作動が異常である時とは、前記リターンスプリングにより前記弁体に与えられるトルクがゼロの時であることを特徴とするスロットル装置。
3. 請求項１に記載のスロットル装置において、
   前記エンジンは、ディーゼルエンジンであることを特徴とするスロットル装置。
4. 請求項１に記載のスロットル装置において、
   前記制御手段は、前記正常処理モードから前記異常処理モードに切り替える際に、前記給電手段に出力する指令値を、前記正常処理モードで算出された指令値から、前記異常処理モードで算出された指令値まで、段階的に増減することを特徴とするスロットル装置。

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