JP2013036749A

JP2013036749A - 電磁駆動式制御弁の故障診断装置

Info

Publication number: JP2013036749A
Application number: JP2011170370A
Authority: JP
Inventors: Atsuyuki Harai; 惇行原井
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-21

Abstract

【課題】電磁駆動力によって可動する可動部材の動きを簡素な構成で直接検出し、異常発生を確実に診断する。
【解決手段】ステップモータのモータ軸６５の下端部に作動検出軸６７を連設し、作動検出軸６７の下端部にスプリングによって付勢されたバルブ軸５３の上端部を当接させる。また、作動検出軸６７の軸方向の規定位置に作動検出軸６７の外周面から径方向に突出する複数の爪状の突起部材６８を配設し、電磁駆動部の下部にモータ軸６５の進退動作に応じて作動検出軸６７の各位置の突起部材６８と接触する突起部材６９を固設する。モータ軸６５の可動範囲の最小位置或いは最大位置への移動に伴って突起部材６８，６９が接触して振動若しくは音が発生するため、この振動若しくは音をセンサ７０で検出することにより、軸体（可動部材）の動きを簡素な構成で直接検出して異常発生を確実に診断することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電磁駆動部で発生する駆動力によって開閉される開閉弁を有する電磁駆動式制御弁の故障診断装置に関する。

一般に、自動車等の制御システムで用いられる各種制御弁は、ソレノイドやモータ等の電磁駆動力を用いて駆動されるものが多く、例えば、エンジンの排気環流制御弁（ＥＧＲバルブ）やスロットル弁を、ステップモータを組み込んだ電磁駆動式制御弁として構成している。

このような制御弁では、ステップモータ等に与える駆動指令値によって所望の弁開度を得ることができるため、オープンループで制御することが一般的である。従って、制御弁に故障が発生するとシステムの動作が不安定となって原因究明に時間がかかるため、制御弁自体の故障診断が必須となっている。

例えば、特許文献１には、ステップモータを用いたＥＧＲバルブの脱調に関する故障診断に関して、ステップモータと弁を弾性的に連結し、ステップモータを閉弁方向に駆動し、弁が弁シートに着座した後、その弾性連結によりさらにステップモータをストッパーまで回転させ、ステップモータがストッパーに当接したかどうかをステップモータのコイル内の逆起電力から判別することで、ステップモータの脱調等の故障発生を検出する技術が開示されている。

特開平８−２４８１０５号公報

しかしながら、特許文献１では、ステップモータのコイル端子電圧から故障診断を行うようにしており、電磁駆動力によって可動する可動部材の動きを直接検出していないため、ノイズの影響等により誤診断が発生する可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電磁駆動力によって可動する可動部材の動きを簡素な構成で直接検出し、異常発生を確実に診断することのできる電磁駆動式制御弁の故障診断装置を提供することを目的としている。

本発明による電磁駆動式制御弁の故障診断装置は、電磁駆動部で発生する駆動力によって進退動作する軸体と、この軸体の進退動作に応じて開閉される開閉弁とを有する電磁駆動式制御弁の故障診断装置であって、前記軸体の規定位置に設けられ、前記軸体から径方向に突出する第１の突起部材と、前記第１の突起部材と接触可能に前記電磁駆動部に固設される第２の突起部材と、前記第２の突起部材に連設され、前記第１の突起部材と前記第２の突起部材との接触によって発生する振動若しくは音を検知するセンサと、前記電磁駆動部に駆動信号を与えて前記軸体を進退動作させ、前記駆動信号に基づく前記軸体の進退位置と前記センサからの信号とに基づいて前記電磁駆動式制御弁の故障を診断する故障診断部とを有している。

本発明によれば、電磁駆動力によって可動する可動部材の動きを簡素な構成で直接検出することができ、異常発生を確実に診断することができる。

エンジン制御系の全体構成図ＥＧＲバルブの構成図モータ軸及びバルブ軸周辺の拡大図故障診断ルーチンのフローチャート

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下では、電磁駆動式制御弁の例として、図１に示すエンジン１の排気系に備えられる排気環流制御弁（ＥＧＲ制御弁）１６を示し、このＥＧＲ制御弁１６に対する故障診断について説明する。図１において、エンジン１は、シリンダヘッド２に各気筒の吸気ポート或いは気筒内に燃料を噴射するインジェクタ３０と、気筒内の混合気に火花放電して燃焼させる点火プラグ３１とを配設した４気筒エンジンを例示している。

エンジン１の吸気系の構成として、各気筒の吸気ポートに連通するブランチ部を有する吸気マニホルド３がシリンダヘッド２に連設され、吸気マニホルド３の各ブランチが集合する吸気通路４に、スロットル弁５が介装されている。スロットル弁５は、電子制御装置（ＥＣＵ）１００からの制御信号によってスロットル開度を制御するアクチュエータ６に連設されている。

更に、スロットル弁５の上流側に、インタークーラ７が介装され、インタークーラ７の上流側に、ターボ過給機８のコンプレッサ８ａが介装され、コンプレッサ８ａ上流側に、エアクリーナ９が介装されている。エアクリーナ９の下流側には吸入空気量センサ１０が介装されている。

一方、エンジン１の排気系の構成としては、各気筒の排気ポートに連通するブランチ部を有する排気マニホルド１１がシリンダヘッド２に連設され、排気マニホルド１１の各ブランチが集合する排気通路１２に、ターボ過給機８のタービン８ｂが介装されている。ターボ過給機８は、例えば、周知の可変ノズル式ターボ過給機（Variable Geometory Turbosupercharger：ＶＧＴ）であり、タービン８ｂの周囲に設けられた可変ノズルのベーンに、ＥＣＵ１００からの制御信号によってベーン開度を制御するアクチュエータ１３がリンク機構（図示せず）を介して連設されている。

タービン８ｂの上流側の排気通路１２は、排気ガス還流（ＥＧＲ）通路１４を介してスロットル弁５下流側の吸気通路４にバイパス接続されている。ＥＧＲ通路１４には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１５と、ＥＣＵ１００からの制御信号によってＥＧＲ通路１４からのＥＧＲ量を制御するＥＧＲ制御弁１６とが介装されている。更に、タービン８ｂ下流側の排気通路１２には、タービン８ｂを通過した排気を浄化する触媒コンバータ２０が介装されている。触媒コンバータ２０の上流側には、空燃比センサ２１が臨まされている。

次に、ＥＣＵ１００を中心とする電子制御系について説明する。
ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを備えて構成される電子制御装置であり、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路、各種駆動回路等を備えている。

ＥＣＵ１００には、上述の吸入空気量センサ１０、空燃比センサ２１、その他、クランク軸の回転位置を検出するクランク角センサやアクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ等の図示しない各種センサ・スイッチ類が入力インターフェースを介して接続されている。また、ＥＣＵ１００には、出力インターフェースを介して、インジェクタ３０、点火プラグ３１に火花放電を発生させるための高電圧を誘起する点火コイル（図示せず）、スロットル弁５を開閉駆動するアクチュエータ６、ターボ過給機８のアクチュエータ１３、ＥＧＲ制御弁１６等の各種アクチュエータ類が接続されている。

尚、ＥＣＵ１００は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続されており、変速機を制御するトランスミッションＥＣＵ、ブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の車内ネットワークに接続される他のＥＣＵからの各種制御情報を車内ネットワークを介して受信すると共に、他のＥＣＵへの制御情報を車内ネットワークに送出する。

ＥＣＵ１００は、上述の各種センサ・スイッチ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、各種アクチュエータ類を駆動し、燃料噴射制御、点火時期制御、過給圧制御、ＥＧＲ制御等の各種エンジン制御を実行する。また、ＥＣＵ１００は、自己診断機能を備えており、この自己診断機能により、ＥＧＲ制御弁１６を初めとするアクチュエータ類の故障やセンサ類に対する故障診断を行う。

ＥＧＲ制御弁１６に対する故障診断では、バルブの固着や電磁駆動系の異常による作動不良を診断する。ＥＧＲ制御弁１６は、本実施の形態においては、ステップモータ（リニアステップモータ）によってバルブが開閉駆動される制御弁として構成されており、ステップモータの故障による作動不良やバルブ固着等の異常を、ＥＣＵ１００の自己診断によって検出する。

ここで、ＥＧＲ制御弁１６の具体的な構成について説明する。図２に示すように、ＥＧＲ制御弁１６は、ＥＧＲ流量を制御する開閉弁としてのバルブ５１を収納するケース部５０と、バルブ５１を開閉動作させる電磁駆動部６０とから構成されている。バルブ５１は、ケース部５０の内部通路に形成された弁座５０ａに当接・離間してＥＧＲ通路１４を開閉するバルブ本体５２と、バルブ本体５２から延出されて電磁駆動部６０の下部に配設されたスプリング６１に係合され、バルブ本体５２を閉弁方向に付勢するバルブ軸５３とを備えて構成されている。

電磁駆動部６０は、ステップモータ６２を主として構成されている。ステップモータ６２は、本実施の形態においては、ステータ６３、ロータ６４、モータ軸６５を有し、ロータ６４とモータ軸６５との間にすべりねじ（ボールねじ）６６を設けてロータ６４の回転をモータ軸６５の進退動作に変換するリニアステップモータである。このステップモータ６２のモータ軸６５には、太径の作動検出軸６７が一体的に連設され、モータ軸６５と作動検出軸６７とが電磁駆動力によって進退動作する軸体（可動部材）を構成している。

作動検出軸６７は、詳細には、図３の拡大図に示すように、モータ軸６５の下端部に一体的に連設され、作動検出軸６７の下端部に、スプリング６１によって付勢されたバルブ軸５３の上端部が当接される。また、作動検出軸６７の軸方向の規定位置には、モータ軸６５の進退動作位置を検出するため、作動検出軸６７の外周面から径方向に突出する複数の爪状の突起部材６８が第１の突起部材として配設されている。

本実施の形態においては、バルブ５１の全開位置、全閉位置、全開と全閉との間の略中間の各位置に対応して、作動検出軸６７の上部、下部、中間の位置の３カ所に突起部材６８が固設されている。バルブ全開、全閉、中間の各位置に対応して設けられる突起部材６８の数は、例えば、３個，３個，２個である。

また、作動検出軸６７の各位置の突起部材６８に対応して、電磁駆動部６０の下部には、モータ軸６５の進退動作に応じて作動検出軸６７の各位置の突起部材６８と接触する突起部材６９が第２の突起部材として固設されている。電磁駆動部６０下部に固設される突起部材６９は、作動検出軸６７の突起部材６８と同様の爪状の部材であり、この突起部材６９に振動若しくは音を検出するセンサ７０が連設されている。

このような構成によるＥＧＲ制御弁１６は、ステップモータ６２の駆動ステップ数に応じてモータ軸６５が進退動作することで、バルブ５１のバルブ本体５２がスプリング６１の付勢力に抗して弁座５０ａから離間して開弁し、また、バルブ本体５２がスプリング６１の付勢力によって弁座５０ａに押圧されて閉弁する。ここで、モータ軸６５の実可動範囲は、バルブ本体５２の全閉位置から全開位置までの作動範囲に対して所定の余裕を持たせた範囲に設定されている。

すなわち、ステップモータ６２のステップ数をバルブ全閉位置に対応するステップ数よりも小さいステップ数としてモータ軸６５を実可動範囲の最小位置に移動させると、モータ軸６５に連設される作動検出軸６７とバルブ軸５３とが離間し、バルブ本体５２がスプリング６１の付勢力によって弁座５０ａに押圧されて閉弁する。一方、ステップモータ６２のステップ数をバルブ全開位置に対応するステップ数よりも大きいステップ数としてモータ軸６５を実可動範囲の最大位置に移動させると、作動検出軸６７がスプリング６１の付勢力に抗してバルブ軸５３を開弁方向に押圧し、バルブ本体５２が弁座５０ａから離間して全開位置に達した後も、所定量だけ開弁方向に移動される。

このとき、モータ軸６５の可動範囲の最小位置或いは最大位置への移動に伴って、作動検出軸６７の突起部材６８と電磁駆動部６０内に固設される突起部材６９とが接触し、振動若しくは音が発生する。従って、この振動若しくは音をセンサ７０で検出することにより、ステップモータ６２は正常に動いていると判断することができる。

例えば、ステップモータ６２のステップ数が０〜５０ステップのとき、モータ軸６５の実可動範囲が最小位置〜最大位置となり、バルブ本体５２の作動範囲（全閉位置〜全開位置）で使用するステップ数を３〜４７とすると、バルブ全閉時にステップ数「０」の信号を与えると、作動検出軸６７下部の突起部材６８と電磁駆動部６０下部の突起部材６９とが接触し、バルブ全閉ステップ数とモータ軸６５が最小位置となるステップ数との差分の振動若しくは音が発生する。

本実施の形態においては、作動検出軸６７下部の３個の突起部材６８と電磁駆動部６０の突起部材６９とが接触し、３ステップ分の振動若しくは音が発生する。従って、３ステップ分の振動若しくは音を感知できれば、ステップモータ６２は正常に動いていると診断することができる。

同様の診断を、バルブ中間位置、全開位置側でも行うことにより、バルブ全閉位置〜全開位置間でステップモータ６２が正常に動いていると判断することができる。一方、バルブ全閉〜全開側で突起部材６８，６９の接触による振動若しくは音を検知できない場合には、バルブ本体５２の弁座５０ａへの固着、バルブ軸５３のスティック、ステップモータ６２自体の故障によるモータ軸６５の作動不良等を診断することができる。

尚、本実施の形態においては、突起部材６８を作動検出軸６７に設けているが、作動検出軸６７を用いることなく、モータ軸６５に突起部材６８を直接設けるようにしても良い。すなわち、突起部材６８は電磁駆動力によって進退動作する軸体に設ければ良く、ＥＧＲ制御弁１６をソレノイド式の制御弁で構成し、突起部材６８を設けたプランジャを、デューティ駆動や電流制御等によって進退動作させるようにしても良い。

以上のＥＧＲ制御弁１６に対する故障診断は、具体的には、ＥＣＵ１００で実行されるソフトウエア処理によって実行される。以下、ＥＣＵ１００で実行されるＥＧＲ制御弁１６の故障診断ルーチンについて、図４のフローチャートを用いて説明する。

尚、本故障診断ルーチンは、エンジン運転中のＥＧＲ制御に影響を与えないよう、例えばエンジン停止時に実行され、作動検出軸６７の突起部材６８と電磁駆動部６０内の突起部材６９との接触によって発生する振動をセンサ７０で検出して故障診断を行うものとする。但し、エンジン運転中のＥＧＲ実施領域においても、作動検出軸６７の中間位置の突起部材６８と電磁駆動部６０の突起部材６９との接触による振動をセンサ７０で検出することにより、故障診断が可能である。

この故障診断ルーチンでは、先ず、最初のステップＳ１において、診断開始処理を実行する。この診断開始処理は、エンジン停止に伴ってバルブ全閉状態にあるＥＧＲ制御弁１６に対して、先ず、バルブ５１の開き側の動作を確認するための処理である。この開き側の動作確認の処理は、具体的には、ステップモータ６２のモータ軸６５がバルブ全開位置まで移動するステップ数を与える制御指令を出力する。

次いで、ステップＳ２へ進み、センサ７０からの信号を読み込み、バルブ全閉位置から全開位置の間で振動を検知したか否かを調べる。その結果、ステップＳ２において振動を検知していない場合には、ステップＳ２からステップＳ１３へジャンプし、ステップモータ６２の脱調や作動不良（モータ軸６５のスティック等）、バルブ５１の固着（バルブ本体５２の弁座５０ａへの固着、バルブ軸５３のスティック）等の異常が発生したと診断する。そして、ステップＳ１６で異常発生を報知するチェックランプを点灯して本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ２において振動を検知している場合には、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、ステップモータ６２のモータ軸６５がバルブ全開側の最大可動位置（モータ最大可動位置）まで移動するステップ数を与える制御指令を出力する。そして、ステップＳ４でバルブ全開位置からモータ最大可動位置までのステップ数分の振動がセンサ７０で検知されているか否かを調べる。

ステップＳ４において、バルブ全開位置からモータ最大可動位置までのステップ数分の振動がセンサ７０で検知されていない場合、ステップＳ１４へジャンプして、ステップモータ６２の脱調や作動不良、バルブ５１の固着等の異常が発生したと診断し、上述のステップＳ１６でチェックランプを点灯して本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ４において振動が検知されている場合には、ステップＳ４からステップＳ５へ進んでＥＧＲ制御弁１６の開き側の作動は正常であると診断する。

ＥＧＲ制御弁１６の開き側の作動は正常であると診断されると、次にステップＳ６へ進み、バルブ閉じ側の動作を確認するため、ステップモータ６２のモータ軸６５がバルブ全閉位置まで移動するステップ数を与える制御指令を出力する。そして、ステップＳ７でバルブ全開位置から全閉位置までの間で振動を検知したか否かを調べる。

ステップＳ７で振動を検知していない場合、ステップＳ１５へジャンプしてステップモータ６２のモータ軸６５が固着する等の異常が発生したと診断し、上述のステップＳ１６でチェックランプを点灯して本ルーチンを終了する。一方、ステップＳ７で振動を検知している場合には、ステップＳ７からステップＳ８へ進んで、ステップモータ６２のモータ軸６５がバルブ全閉側の最小可動位置（モータ最小可動位置）まで移動するステップ数を与える制御指令を出力し、ステップＳ９で、バルブ全閉位置からモータ最小可動位置までのステップ数分の振動がセンサ７０で検知されているか否かを調べる。

ステップＳ９において振動検知なしの場合、上述のステップＳ１５での異常判定及びステップＳ１６のチェックランプ点灯を経て本ルーチンを終了し、振動検知ありの場合、ステップＳ９からステップＳ１０へ進んでＥＧＲ制御弁１６の閉じ側の作動は正常であると診断する。そして、ステップＳ１１で、ＥＧＲ制御弁１６は、開き側及び閉じ側の作動が共に正常であり、異常無しと診断し、ステップＳ１２でステップモータ６２にバルブ全閉位置とするステップ数を与える制御指令を出力してＥＧＲ制御弁１６に対する診断終了の処理を行い、本ルーチンを終了する。

このように本実施の形態においては、電磁駆動力によって進退動する軸体に設けた第１の突起部材と固定側の第２の突起部材とが機械的に接触して発生する振動若しくは音を検知して制御弁の故障診断を行うため、簡素な構成で軸体の実際の動きを確実に検出することができ、異常発生を確実且つ正確に診断することができる。

この場合、電磁駆動力によって進退動する軸体の動きを、光センサや磁気センサによって検出することも可能であるが、排気ガスや油による汚れによる影響、ノイズの影響を受けて、位置を誤検出する虞がある。これに対して、本実施の形態では、第１，第２の突起部材の機械的な接触による振動若しくは音を検知するため、排気ガスや油による汚れによる影響、ノイズの影響を受けることなく、確実に異常を検出することができる。

１６ＥＧＲ制御弁
５０ａ弁座
５１バルブ
５２バルブ本体
５３バルブ軸
６０電磁駆動部
６２ステップモータ
６５モータ軸
６７作動検出軸
６８第１の突起部材
６９第２の突起部材
７０センサ
１００電子制御装置

Claims

電磁駆動部で発生する駆動力によって進退動作する軸体と、この軸体の進退動作に応じて開閉される開閉弁とを有する電磁駆動式制御弁の故障診断装置であって、
前記軸体の規定位置に設けられ、前記軸体から径方向に突出する第１の突起部材と、
前記第１の突起部材と接触可能に前記電磁駆動部に固設される第２の突起部材と、
前記第２の突起部材に連設され、前記第１の突起部材と前記第２の突起部材との接触によって発生する振動若しくは音を検知するセンサと、
前記電磁駆動部に駆動信号を与えて前記軸体を進退動作させ、前記駆動信号に基づく前記軸体の進退位置と前記センサからの信号とに基づいて前記電磁駆動式制御弁の故障を診断する故障診断部と
を有することを特徴とする電磁駆動式制御弁の診断装置。
前記第１の突起部材が設けられる前記軸体の規定位置を、前記開閉弁の全開位置に対応する位置及び前記開閉弁の全閉位置に対応する位置として、
前記故障診断部は、前記各対応位置における前記センサの信号に基づいて故障診断を行うことを特徴とする請求項１記載の電磁駆動式制御弁の診断装置。
前記第１の突起部材が設けられる前記軸体の規定位置を、前記開閉弁の全開位置に対応する位置、前記開閉弁の全閉位置に対応する位置、前記開閉弁の全開位置と全閉位置との間の中間位置に対応する位置として、
前記故障診断部は、前記各対応位置における前記センサの信号に基づいて故障診断を行うことを特徴とする請求項１記載の電磁駆動式制御弁の診断装置。
前記電磁駆動部を、ステップモータで構成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の電磁駆動式制御弁の故障診断装置。