JP2014101839A - インテークスロットルバルブ及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時などの、内燃機関のインテークスロットルバルブの急閉弁時における故障を防止できるインテークスロットルバルブ及び内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関４０の吸気通路４１に嵌め込まれる筐体１１に回転可能に弁軸１２を支持し、この弁軸１２に固定された弁体１３で筐体１１内の通路を開閉し、弁軸１２に固定された従動回転体１４を回転駆動装置１７で回転駆動すると共に、従動回転体１４に弁体１３を開弁する方向に付勢する弾性体１８を備え、従動回転体１４と回転駆動装置１７との間の動力伝達機構として、回転駆動装置１７の回転運動Ｒ１を直線往復運動Ｌに変えるクランク機構１９と、直線往復運動Ｌを弁軸１２の回転運動Ｒ２に変えるラックとピニオンの機構２０を設けて構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時などの、内燃機関のインテークスロットルバルブの急閉弁時における故障を防止できるインテークスロットルバルブ及び内燃機関に関する。

一般に、内燃機関において、シリンダ内で燃料を燃焼するためには、酸素（空気）が必要となる。これは、燃焼が酸素による燃料の高度の発熱性の酸化反応であるためである。特に、内燃機関の場合は、シリンダ内に導入される燃料と酸素の割合により、排ガス性能や出力といった機関性能に大きな影響を与える為に、燃料噴射量の制御、吸入空気量（新気量）の制御が重要になる。

この吸入空気量の制御を行う要素のひとつに、例えば、エンジンに吸気するスロットルの弁装置に関して、モーターにより中間減速ギヤ（大径ギヤと小径ギヤ）を介して回転させられる回転体と、回転角を戻す回転体を付勢するリターンスプリングとを備え、弁棒を回転させて弁体を開閉させる弁装置（例えば、特許文献１参照）で構成されるようなインテークスロットルバルブ（吸気弁）がある。

図７に示すように、このようなインテークスロットルバルブ１Ｘを使用している内燃機関４０においては、吸気通路４１にエアクリーナ３４と過給器３５のコンプレッサ３５ａとインタークーラー３６とインテークスロットルバルブ１Ｘが配置され、排気通路４２に、過給器３５のタービン３５ｂと図示しない排気ガス処理装置などが配置されている。また、さらに、ＥＧＲ（排気再循環）のために、タービン３５ｂの上流側の排気通路４２とインテークスロットルバルブ１Ｘの下流側の吸気通路４１とを連結するＥＧＲ通路４３が設けられている。このＥＧＲ通路４３には、ＥＧＲクーラー３７とＥＧＲバルブ３８が設けられている。

そして、燃料噴射量の多い負荷の高いエンジン運転条件の場合では、シリンダ内に燃料噴射量に見合うだけの多量の吸入空気（新気）を導入するために、インテークスロットルバルブ１Ｘの弁開度を全開（１００％開度）にするが、燃料噴射量が少ない負荷の低いエンジン運転条件の場合では、燃料噴射量に対して吸入空気が必要以上に導入されて、燃焼が悪化する場合がある。

シリンダ内には少なくとも、その容積分の空気量が導入できるため、無過給の場合の最少吸入空気量であっても燃料噴射量に対して過剰な空気量が導入されるときがある。このような場合に対して、インテークスロットルバルブ１Ｘの弁開度を小さくして絞り、ＥＧＲガスをより多量に導入することで、シリンダ内に導入する吸入空気を少なくする手法がある。

このようにシリンダ内に導入する吸入空気量やＥＧＲガス量を制御する役割のあるインテークスロットルバルブ１Ｘであるが、内燃機関４０の運転条件は時々刻々と変化するため、それに応じた迅速な開閉弁制御が必要になる。

特に、内燃機関４０を搭載した自動車の減速時にはインテークスロットルバルブ１Ｘの弁開度を急速に小さくして急閉弁することが必要になるが、このときに、インテークスロットルバルブ１Ｘが故障する場合があり、この場合にシリンダ内に吸入空気を導入できずに、内燃機関４０を運転することができなくなるときがある。

従来のインテークスロットルバルブ１Ｘは、その弁開度の調整を、ステップモーター等の回転駆動装置の回転角を制御することで行ってきた。例えば、図８〜図１０に示すような従来技術におけるインテークスロットルバルブ１Ｘでは、モーター１７の回転軸１６に固定された駆動歯車１５と、弁軸１２に固定された従動歯車１４が直接噛み合っており、そのため、モーター１７の回転軸１６の回転により、駆動歯車１５の回転動力が、従動歯車１４に直接伝達されることで、弁軸１２が回転し、この弁軸１２に固定されている弁体１３を回転させて、インテークスロットルバルブ１Ｘの開閉動作を行う。

これにより、図８の全開状態から、図９の中間開度状態を経て、図１０の全閉状態にしたり、逆に、図１０の全閉状態から、図９の中間開度状態を経て、図８の全開状態にする。なお、インテークスロットルバルブ１Ｘの閉弁時には、インテークスロットルバルブ１Ｘの弁軸１２に設けた弁体１３を開弁方向に付勢する閉用スプリング１８の弾性力を利用している。

しかし、車両が急停止する場合等、急速にインテークスロットルバルブ１Ｘの弁開度を小さくして絞り、全閉（０％開度）とするときに、モーター１７の回転軸１６の回転速度と比例する弁体１３の弁軸１２の回転速度、即ち、閉弁動作の速度が一定で同じであるので、インテークスロットルバルブ１Ｘが急速に全開から全閉になるときに、モーター１７が急停止をするが、そのときの閉用スプリング１８の反力との関係で、モーター１７側の駆動歯車１５と弁体１３側の従動歯車１４とが噛み込み歯車が損傷する。この損傷部分Ｔを図１０に示す。

例えば、モーター１７側の駆動歯車１５のピッチ円の半径をｒ１、弁体１３側の従動歯車１４のピッチ円の半径をｒ２とすると、従動歯車１４の回転角速度ω２は、駆動歯車１５の回転角速度ω１で、ω２＝（ｒ１／ｒ２）×ω１と表され、大きな回転角速度となる。

つまり、インテークスロットルバルブ１Ｘを急閉弁することで、閉用スプリング１８の反力が、一気にモーター１７の回転軸１６に設けた駆動歯車１５の当たり面に加わり、歯車の歯の部分が破損して噛み込んでしまうという問題がある。

特開２００９−２１６２２９号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時などの内燃機関のインテークスロットルバルブの急閉弁時における故障を防止できるインテークスロットルバルブ及び内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明によるインテークスロットルバルブは、内燃機関の吸気通路に嵌め込まれる筐体と、この筐体に回転可能に支持された弁軸と、この弁軸に固定され、前記筐体内の通路を開閉する弁体と、前記弁軸に固定された従動回転体と、この従動回転体を回転駆動するための回転駆動装置と、前記従動回転体に前記弁体を開弁する方向に付勢する弾性体を備え、前記従動回転体と前記回転駆動装置との間の動力伝達機構として、前記回転駆動装置の回転運動を直線往復運動に変えるクランク機構と、前記直線往復運動を前記弁軸の回転運動に変えるラックとピニオンの機構を備えて構成される。

この構成によれば、回転運動の間に直線往復運動を入れて、従動回転体と駆動回転体が直接接しないようにすることで、インテークスロットルバルブの急閉弁時における両方の回転体の歯車部分の破損とそれに起因する噛み込みを防止することができる。

また、回転運動の間に入れる直線往復運動に関連して、クランク機構とラックとピニオンの機構を組み合わせることにより、インテークスロットルバルブの全開弁から全閉弁に要する動作時間を従来技術のインテークスロットルバルブの動作時間よりも長くすること無く、同じ動作時間を維持しつつ、全開弁状態近傍及び全閉弁状態近傍における、駆動回転体の回転角速度に対する従動回転体の回転角速度を小さくすることができるので、インテークスロットルバルブの急閉弁時における、従動回転体に作用する力を小さくすることができる。

その結果、従動回転体若しくは駆動回転体又はラックとピニオン等の部品の破損とそれに起因する噛み込みを防止でき、インテークスロットルバルブの故障を防止できる。従って、自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時における、自動車の内燃機関の突発的な故障の発生の減少に貢献することができる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記のインテークスロットルバルブを備えて構成される。この構成によれば、上記インテークスロットルバルブと同様の作用効果を奏することができる。

本発明のインテークスロットルバルブ及び内燃機関によれば、自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時などの、内燃機関のインテークスロットルバルブの急閉弁時における故障を防止できる。

本発明の実施の形態のインテークスロットルバルブの構成を示した模式図である。 図１のＳ部分を弁軸の方向から見た図であり、インテークスロットルバルブの全開状態を示す図である。 図１のＳ部分を弁軸の方向から見た図であり、インテークスロットルバルブの中間開度状態を示す図である。 図１のＳ部分を弁軸の方向から見た図であり、インテークスロットルバルブの全閉状態を示す図である。 本発明の実施の形態のインテークスロットルバルブの閉動作中における駆動歯車と従動歯車の角速度の相違を説明するための図である。 本発明の実施例と従来例の駆動歯車の回転角と従動歯車の回転角の関係を示す図である。 インテークスロットルバルブを含む内燃機関の構成図の一例を示す模式的な図である。 従来技術のインテークスロットルバルブの動力伝達機構における全開状態を示す図である。 従来技術のインテークスロットルバルブの動力伝達機構における中間開度状態を示す図である。 従来技術のインテークスロットルバルブの動力伝達機構における全閉状態を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のインテークスロットルバルブ及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。図７に示すように、本発明に係る実施の形態のインテークスロットルバルブ１は、吸入空気量を制御する装置であり、エンジン（内燃機関）４０の吸気通路４１に配置されている。

そして、図１に示すように、自動車の運転手がアクセルペダル３３を踏んだときに、その踏み込み度合をアクセルワークユニット３２で検出し、その検出信号をＥＣＵ３１に出力し、この検出信号を入力したＥＣＵ３１が、インテークスロットルバルブ１の弁解度が、この検出信号に応じた弁開度になるように、インテークスロットルバルブ１の弁体１３を回転させるモーター（回転駆動装置）１７を制御する。この弁体１３の弁開度をスロットルポジションセンサ３０が検出し、その検出信号をＥＣＵ３１に出力する。

図１に示すように、このインテークスロットルバルブ１は、エンジン４０の吸気通路４１に嵌め込まれるケース（筐体）１１と、このケース１１に回転可能に支持された弁軸１２と、弁軸１２に固定され、ケース１１内の吸入空気Ａが通過する通路を開閉する弁体１３と、弁軸１２に固定された従動歯車（従動回転体）１４と、従動歯車１４を回転駆動するためのモーター１７（例えば、ステップモーター等）と、従動歯車１４に弁体１３を開弁する方向に付勢する閉用スプリング１８を備えて構成される。

また、図２〜図４に示すように、従動歯車１４とモーター１７との間の動力伝達機構として、モーター１７の回転運動Ｒ１を直線往復運動Ｌに変えるクランク機構１９と、この直線往復運動Ｌを弁軸１２の回転運動Ｒ２に変えるラックとピニオンの機構２０を備えて構成される。これらの構成部品は、ハウジング２１に収納される。

このクランク機構１９とラックとピニオンの機構２０とは連結されており、クランク機構１９は、第１リンクバー（第１連結棒）１９ａと、第１ヒンジ１９ｂと、第２リンクバー（第２連結棒）１９ｃと、第２ヒンジ１９ｄとからなり、ラックとピニオンの機構２０は、ガイドレール２０ａと、スライド部材２０ｂと、スライド部材２０ｂに設けられた直線状の歯形（ラック）２０ｃと、従動回転体１４に設けられた歯車状の歯形（ピニオン）２０ｄとから構成されている。

第１リンクバー１９ａは、モーター１７の回転軸１６に固定され、回転軸１６の回転とともに回転し、この第１リンクバー１９ａと第１ヒンジ１９ｂを介して連結されている第２リンクバー１９ｃを第２ヒンジ１９ｄ周りに回転させる。

この第１リンクバー１９ａと第２リンクバー１９ｃの回転により、モーター１７の回転軸１６と第２ヒンジ１９ｄとの間の距離Ｌｓが変化し、この距離Ｌｓの変化に伴って、ガイドレール２０ａによって直線往復運動Ｌするように案内され、かつ、第２ヒンジ１９ｄが固定されているスライド部材２０ｂが直線往復運動Ｌをする。これにより、回転運動Ｒ１が直線往復運動Ｌに変換される。

さらに、このスライド部材２０ｂの直線往復運動Ｌが、スライド部材２０ｂの直線状の歯形２０ｃと歯車状の歯形２０ｄとの噛み合わせにより、弁軸１２の回転運動Ｒ２に変換される。この弁軸１２の回転により、弁軸１２に固定された弁体１３が回転し、この弁体１３がケース１１の吸入空気Ａの通路を開閉し、インテークスロットルバルブ１は開閉される。

図２〜図４に示すような構成の場合は、インテークスロットルバルブ１が図２に示すような全開状態では、第１リンクバー１９ａと第２リンクバー１９ｃは直線状となり、距離Ｌｓは最大となっている。次に、モーター１７が回転すると、第１リンクバー１９ａが第１ヒンジ１９ｂを介して第２リンクバー１９ｃを引っ張り、第２リンクバー１９ｃを第２ヒンジ１９ｄ周りに回転させて、図３に示すような半分閉（半分開）状態になる。さらにモーター１７が回転すると、さらに、第１リンクバー１９ａが第１ヒンジ１９ｂを介して第２リンクバー１９ｃを引っ張り、第２リンクバー１９ｃを第２ヒンジ１９ｄ周りに回転させて、図４に示すように、第１リンクバー１９ａと第２リンクバー１９ｃは直線状となり、距離Ｌｓは最小となり、全閉状態になる。この全開時の最大距離Ｌｓｍａｘと全閉時のでは距離Ｌｓｍｉｎとの差は、第１ヒンジ１９ｂの回転直径Ｄ１となる。

この構成における、第１ヒンジ１９ｂの回転半径をｒ１とし、従動回転体１４の歯車状の歯形（ピニオン）２０ｄの噛み合い部分の回転半径をｒ２とすると、モーター１７の回転軸１６の回転Ｒ１の回転角度θ１（ラジアン）と、歯車状の歯形（ピニオン）２０ｄを備えた従動回転体１４の回転Ｒ２の回転角度θ２（ラジアン）との関係は、「ΔＬｓ＝（１−ｃｏｓ（θ１））×ｒ１」「ΔＬｓ＝２π×ｒ２×（θ２／２π）＝ｒ２×θ２」となり、「θ２＝（１−ｃｏｓ（θ１））×ｒ１／ｒ２」となるので、「ｒ１／ｒ２＝π／２」とすると、図５に示すようになる。

この図５から分かるように、モーター１７の回転軸１６の回転角θ１と従動回転体１４の回転角θ２の相関関係は、従来技術の歯車で動力伝達される従来例（点線）の場合には線形となるが、本発明の実施例（実線）では非線形となり、特に、従動回転体１４の全開近傍（θ２＝９０度近傍）と全閉近傍（θ２＝０度近傍）においては、回転角θ１の変位量（回転角速度ω１）に対する回転角θ２の変位量（回転角速度ω２）が小さくなる。
また、実施例も従来例も、全閉時の回転角度θ１（＝０度）に対する回転角度θ２（＝０度）と、全開時の回転角度θ１（＝１８０度）に対する回転角度θ２（＝９０度）となっており、インテークスロットルバルブ１の全開弁から全閉弁に要する動作時間（応答時間）は従来技術と同じ動作時間となる。

従って、全開弁から全閉弁に要する動作時間を維持したまま、全閉近傍及び全開近傍における、モーター１７の回転角θ１の変位の変化量（回転角速度ω１）に対する弁軸１２の回転角θ２の変位の変化量（回転角速度ω２）を小さくすることができる。

言い換えれば、θ２＝０度のときに弁体１３が全閉状態に、θ２＝９０度のときに弁体１３が全開状態になるが、そのときのθ１の変位の変化量に比べて、θ２の変位の変化量が小さいことから、回転角速度ω２を低くすることができるので、弁体１３を急速に全開から全閉にするときに発生し易い歯車部分２０ｃ、２０ｄの損傷と噛み込みを防止できる。

なお、クランク機構１９の各構成部品の第１ヒンジ１９ｂの半径ｒ１と、従動回転体１４の歯車状の歯形（ピニオン）２０ｄの噛み合い部分の回転半径ｒ２と、全閉時及び全開時のモーター１７の回転軸の回転角度θ１については、図２〜図５に一例を示したが、これに限定されることなく、実験やシミュレーション計算などにより、最適な数値を選択することが好ましい。

また、本発明に係る実施の形態の内燃機関４０は、上記の構成のインテークスロットルバルブ１を備えて構成される。

そして、上記の構成のインテークスロットルバルブ１及び内燃機関４０によれば、インテークスロットルバルブ１が全開から全閉になるときの応答速度を低下させることなく、全閉近傍の回転各速度を遅らせることができるので、インテークスロットルバルブ１の急閉弁時における部品に掛かる力、特に閉用スプリング１８の反力を小さくすることができる。そのため、自動車の運転状況が急激に変化する時、例えば、自動車が急停止する時などの、内燃機関のインテークスロットルバルブ１の急閉弁時における、部品の破損と噛み込みを防止でき、自動車の突発的な故障の発生の減少に貢献することができる。

１、１Ｘ インテークスロットルバルブ
１１ ケース（筐体）
１２ 弁軸
１３ 弁体
１４ 従動回転体、従動歯車
１５ 駆動歯車
１６ 回転軸
１７ モーター（回転駆動装置）
１８ 閉用スプリング（弾性体）
１９ クランク機構
１９ａ 第１リンクバー（第１連結棒）
１９ｂ 第１ヒンジ
１９ｃ 第２リンクバー（第２連結棒）
１９ｄ 第２ヒンジ
２０ ラックとピニオンの機構
２０ａ ガイドレール
２０ｂ スライド部材
２０ｃ 直線状の歯形（ラック）
２０ｄ 歯車状の歯形（ピニオン）
２１ ハウジング
３１ ＥＣＵ
４０ エンジン（内燃機関）
Ａ 吸入空気
Ｄ１ 第１ヒンジの回転直径
Ｇ 排気ガス
Ｌ 直線往復運動
Ｌｓ モーターの回転軸と第２ヒンジとの間の距離
Ｒ１ モーターの回転軸の回転運動
Ｒ２ 弁軸の回転運動
ｒ１ 第１ヒンジの回転半径
ｒ２ 歯車状の歯形(ラック)の回転半径
Ｔ 従動歯車と駆動歯車の損傷部
θ１ モーターの回転軸の回転角
θ２ 弁軸の回転角
ω１ モーターの回転軸の回転角速度
ω２ 弁軸の回転角速度

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気通路に嵌め込まれる筐体と、この筐体に回転可能に支持された弁軸と、この弁軸に固定され、前記筐体内の通路を開閉する弁体と、前記弁軸に固定された従動回転体と、この従動回転体を回転駆動するための回転駆動装置と、前記従動回転体に前記弁体を開弁する方向に付勢する弾性体を備え、
   前記従動回転体と前記回転駆動装置との間の動力伝達機構として、前記回転駆動装置の回転運動を直線往復運動に変えるクランク機構と、前記直線往復運動を前記弁軸の回転運動に変えるラックとピニオンの機構を備えたインテークスロットルバルブ。
2. 請求項１に記載のインテークスロットルバルブを備えた内燃機関。

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