JP2015059551A - 内燃機関の排気ガス再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲバルブ１３の開閉作動を早期に開始させることが出来る排気ガス再循環装置を提供する。【解決手段】ＥＧＲ装置５は、ＥＧＲ通路１１を形成するハウジング１２と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ１３と、モータ１８を動力源としてＥＧＲバルブ１３を駆動するバルブ駆動手段と、ＥＧＲバルブ１３を閉弁方向へ付勢するスプリング１４等より構成される。ＥＧＲバルブ１３の開度を制御するＥＣＵは、エンジンの始動直後にモータ１８に所定の電力を供給してＥＧＲバルブ１３を全閉位置に保持し、モータ１８へ所定の電力を供給してから規定時間経過後にＥＧＲバルブ１３の開閉作動を開始する。これにより、低温環境下でもモータ１８が発熱して雰囲気温度が次第に上昇するため、モータ１８のコギングトルクが早期にスプリング１４のトルクを下回る。その結果、ＥＧＲバルブ１３の開閉作動を早期に開始できる。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関より排出される排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流させる排気ガス再循環装置に関する。

従来技術として、例えば、特許文献１に開示された排気ガス再循環装置がある。
この排気ガス再循環装置は、ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲバルブと、モータを動力源としてＥＧＲバルブを駆動するバルブ駆動手段と、ＥＧＲバルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、モータへの供給電力を制御するモータ制御手段等より構成される。なお、バルブ駆動手段は、モータの駆動トルクを増幅してＥＧＲバルブに伝達するギヤトレイン（歯車列）である。
ところで、モータへの電力供給が何らかの不具合により断たれるフェール時には、スプリングのトルクでＥＧＲバルブが全閉位置へ自戻りする必要がある。
スプリングのトルクに抵抗する要因としてモータのコギングトルクがあるが、このコギングトルクは低温になるほど大きくなる。従って、低温でもＥＧＲバルブの自戻り性を確保するためには、モータのコギングトルクに打ち勝つようにスプリングのトルクを大きくする必要がある。

特開２００７−２８５１２３号公報

ところが、スプリングのトルクが大きくなると、ＥＧＲバルブを開閉駆動する時のモータ負荷が増えるため、設定できるスプリングのトルクには制約がある。このため、低温環境下でエンジンを始動した場合、モータの雰囲気温度が高くなってコギングトルクがスプリングのトルクを下回るまでは、ＥＧＲバルブの作動を開始させることが出来ないという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ＥＧＲバルブの開閉作動を早期に開始させることが出来る内燃機関の排気ガス再循環装置を提供することにある。

本発明は、内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気の一部（ＥＧＲガスと呼ぶ）を還流させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブと、界磁に永久磁石を使用するモータと、このモータの駆動トルクを増幅してＥＧＲバルブに伝達するギヤトレインと、ＥＧＲバルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、ＥＧＲバルブを所定の開度に駆動するためにモータへの供給電力を制御するＥＧＲ制御手段とを備える内燃機関の排気ガス再循環装置において、内燃機関の運転状態に応じてＥＧＲバルブの開閉動作を制御することをバルブ開度制御と呼ぶ時に、ＥＧＲ制御手段は、内燃機関の始動直後にモータに所定の電力を供給してＥＧＲバルブを全閉位置に保持し、規定時間経過後にバルブ開度制御を開始することを特徴とする。

請求項１に係る本発明は、内燃機関の始動直後にモータに所定の電力を供給することでモータが発熱するため、低温環境下でもモータの雰囲気温度が上昇してモータのコギングトルクが低下する。よって、モータのコギングトルクが早期にスプリングのトルクを下回るため、ＥＧＲバルブの開閉作動（バルブ開度制御）を早期に開始することが可能である。なお、モータに所定の電力が供給されている間は、ＥＧＲバルブが全閉位置に保持されているので、通常のバルブ開度制御が開始されるまでは、ＥＧＲガスが吸気通路へ還流することはない。

実施例１に係るＥＧＲ装置の断面図である。 実施例１に係るギヤトレインの配置を示すＥＧＲ装置の平面図である。 ＥＧＲバルブの開度をＥＣＵによりフィードバック制御する構成図である。 排気ガス再循環装置のシステム図である。 実施例１の作動説明に係るタイムチャートである。 実施例３に係るＥＧＲ装置の断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
排気ガス再循環装置は、図４に示すように、エンジン１の燃焼室１ａより排出される排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流させるシステムであり、エンジン１の排気通路２と吸気通路３とを連通する排ガス還流通路４にＥＧＲ装置５を備える。
吸気通路３の上流端には、空気をろ過するエアクリーナ６が配設される。エアクリーナ６の出口には、吸気量を測定するエアフロメータ７が取り付けられ、エアフロメータ７の下流側に吸気量を調整するスロットルバルブ８が配設される。
スロットルバルブ８より下流側にはサージタンク９が設けられ、このサージタンク９に排ガス還流通路４の下流端が接続されている。また、排ガス還流通路４には、ＥＧＲ装置５より上流側（排気通路２側）にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１０が取り付けられている。

ＥＧＲ装置５は、図１に示すように、ＥＧＲ通路１１を形成するハウジング１２と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ１３と、このＥＧＲバルブ１３を駆動するバルブ駆動手段（後述する）と、ＥＧＲバルブ１３を閉弁方向へ付勢するスプリング１４と、ＥＧＲバルブ１３の開度を検出する回転角センサ（後述する）等を備える。なお、閉弁方向とは、ＥＧＲ通路１１の開口面積が小さくなる方向を言う。
ハウジング１２は、ＥＧＲ通路１１の上流端が排気側の排ガス還流通路４に接続され、ＥＧＲ通路１１の下流端が吸気側の排ガス還流通路４に接続される。
ＥＧＲバルブ１３は、軸受１５を介してハウジング１２に回転自在に支持されるバルブシャフト１６と、このバルブシャフト１６の一方の端部に取り付けられる円板状の弁体１７とを有し、弁体１７がバルブシャフト１６と一体に回転してＥＧＲ通路１１の開口面積を可変する。

バルブ駆動手段は、電力の供給を受けてトルクを発生するモータ１８と、このモータ１８の駆動トルクを増幅してバルブシャフト１６に伝達するギヤトレイン（歯車列）とで構成される。
モータ１８は、例えば、界磁に永久磁石を用いた直流モータであり、ハウジング１２に形成されるモータ室１９に収容される。
ギヤトレインは、図１、図２に示すように、モータ１８の出力軸１８ａに取り付けられるモータギヤ２０と、バルブシャフト１６の他方の端部に取り付けられるバルブギヤ２１と、モータギヤ２０の回転をバルブギヤ２１に伝達する中間ギヤとで構成される。
中間ギヤは、モータギヤ２０に噛み合う大径ギヤ２２と、バルブギヤ２１に噛み合う小径ギヤ２３とで構成され、両ギヤ２２、２３が同一軸心上に一体に形成されて、共通の中間シャフト２４に回転自在に支持されている。

上記のギヤトレインは、ハウジング１２の端面に開口するギヤ室２５に配置され、センサカバー２６によって覆われている。なお、図２は、ギヤ室２５に配置されるギヤトレインをセンサカバー２６の無い状態（センサカバー２６を外した状態）で図示している。
センサカバー２６は、例えば樹脂成型品であり、ギヤ室２５が開口するハウジング１２の端面にシール部品２７（図１参照）を介して組み付けられ、スクリュ等の締め付けによりハウジング１２に固定される。

スプリング１４は、エンジン停止時、すなわち、モータ１８への電力供給が停止している時にＥＧＲバルブ１３を全閉位置へ付勢する。また、エンジン１の運転中において、何らかの不具合によりモータ１８への電力供給が遮断されると、スプリング１４のトルクによってＥＧＲバルブ１３を全閉位置へ戻すことができる。なお、ＥＧＲバルブ１３の全閉位置とは、ＥＧＲ通路１１の開口面積が最小となるＥＧＲバルブ１３の開度を言う。
回転角センサは、例えば、バルブギヤ２１の内周に取り付けられた永久磁石２８の内側にホールＩＣ２９を配置して構成される。ホールＩＣ２９は、バルブギヤ２１と共に永久磁石２８が回転することで、ホール素子を貫く磁束密度に比例した電気信号（電圧）をＥＣＵ３０（図３参照）へ出力する。

ＥＣＵ３０は、図３に示すように、アクセル開度やエンジン回転数等から把握されるエンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ１３の目標開度を演算し、回転角センサによって検出されるＥＧＲバルブ１３の実開度が目標開度と一致するようにモータ１８への供給電力をフィードバック制御する。
以下、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ１３の実開度を目標開度と一致させるための制御をバルブ開度制御と呼ぶ。

上記のＥＣＵ３０は、本発明のＥＧＲ制御手段として機能する。
すなわち、ＥＣＵ３０（ＥＧＲ制御手段）は、図５に示すように、エンジン１の始動直後（時刻ｔ０）にモータ１８に所定の電力を供給してＥＧＲバルブ１３を全閉位置に保持し、モータ１８へ所定の電力を供給してから規定時間経過後（時刻ｔ１）にバルブ開度制御を開始する。以下、モータ１８に所定の電力を供給してＥＧＲバルブ１３を全閉位置に保持する制御をバルブ全閉制御と呼ぶ。また、モータ１８へ所定の電力を供給してからバルブ開度制御を開始するまでの「規定時間」は、例えば、想定される最低の低温環境下において、モータ１８の雰囲気温度が規定値を超えるまでの時間によって設定できる。

〔実施例１の作用および効果〕
実施例１では、エンジン１の始動直後にＥＣＵ３０がバルブ全閉制御を行う。つまり、エンジン１の始動直後にモータ１８に所定の電力を供給してＥＧＲバルブ１３を全閉位置に保持するので、通常のバルブ開度制御を開始する前にモータ１８が発熱する。これにより、図５に示すように、低温環境下でもモータ１８の雰囲気温度が次第に上昇し、それに連れてモータ１８のコギングトルクが低下する。その結果、モータ１８のコギングトルクが早期にスプリング１４のトルクを下回るため、ＥＧＲバルブ１３の開閉作動（バルブ開度制御）を早期に開始することが可能である。すなわち、低温環境下でエンジン１を始動した場合でも、エンジン１の始動直後にバルブ全閉制御を行うことで、モータ１８のコギングトルクがスプリング１４のトルクを下回るまでの時間を短くできる。よって、エンジン１の始動直後にバルブ全閉制御を実施しない従来のＥＧＲ制御と比較して、早期にバルブ開度制御を開始することができる。

また、モータ１８に所定の電力が供給されている間は、ＥＧＲバルブ１３が全閉位置に保持されているので、通常のバルブ開度制御が開始されるまでは、ＥＧＲガスが吸気通路３へ還流することはない。
なお、スプリング１４のトルクによって保持されるＥＧＲバルブ１３の全閉位置（メカ的な全閉位置と呼ぶ）と、ＥＣＵ３０のバルブ全閉制御によって保持されるＥＧＲバルブ１３の全閉位置（制御上の全閉位置と呼ぶ）とは、必ずしも一致する必要はない。つまり、メカ的な全閉位置と制御上の全閉位置とを意図的にずらすことも出来る。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
この実施例２は、図４に示すように、ＥＣＵ３０（ＥＧＲ制御手段）がエアフロメータ６に取り付けられる吸気温センサ３１の検出値からモータ１８の雰囲気温度を推定し、その温度が予め設定された閾値を超えた時点でバルブ開度制御を開始する事例である。

上記の実施例１では、ＥＣＵ３０がバルブ全閉制御を実施してからバルブ開度制御を開始するまでの「規定時間」を一律に設定している。これに対し、実施例２では、ＥＣＵ３０がバルブ全閉制御を実施してから吸気温センサ３１の検出値が閾値を超えるまでの時間を「規定時間」と読み替えることができる。よって、「規定時間」は一律ではなく、吸気温センサ３１の検出値によって変動する。この場合、吸気温センサ３１の検出値が閾値を超えた時点でモータ１８の雰囲気温度が規定値を超えたと判断できるので、バルブ開度制御をより早期に開始することが可能である。

〔実施例３〕
この実施例３は、図６に示すように、ＥＧＲ装置５のハウジング１２に形成されるモータ室１９に温度センサ３２を配置し、その温度センサ３２の検出温度が閾値を超えた時点でバルブ開度制御を開始する事例である。
この実施例３においても、実施例２と同様に、ＥＣＵ３０がバルブ全閉制御を実施してからバルブ開度制御を開始するまでの「規定時間」は一律ではなく、温度センサ３２の検出温度によって変動する。
また、温度センサ３２をモータ室１９に配置しているので、モータ１８の雰囲気温度を温度センサ３２によって直接検出できる。このため、吸気温度とモータ１８の雰囲気温度とのずれを考慮する必要はなく、温度センサ３２の検出温度が閾値を超えた時点で早期にバルブ開度制御を開始することができる。

〔変形例〕
実施例１では、ＥＧＲバルブ１３を駆動する動力源として永久磁石を界磁に使用する直流モータ１８を記載したが、直流モータ１８に限定する必要はなく、例えば、界磁（回転子）に永久磁石を有する交流モータあるいはステッピングモータ等を使用することもできる。つまり、非励磁状態（電機子巻線に電流を流さない状態）でロータを回した時に、磁気吸引力であるコギングトルクが発生する永久磁石モータであれば良い。
実施例２に記載した吸気温センサ３１は、必ずしもエアフロメータ６に取り付ける必要はなく、エアフロメータ６とは別に吸気通路３に設置することもできる。

１ エンジン（内燃機関）
２ 排気通路
３ 吸気通路
１１ ＥＧＲ通路
１３ ＥＧＲバルブ
１４ スプリング
１８ モータ
１９ モータ室
２０ モータギヤ（ギヤトレイン）
２１ バルブギヤ（ギヤトレイン）
２２ 大径ギヤ（ギヤトレイン）
２３ 小径ギヤ（ギヤトレイン）
３０ ＥＣＵ（ＥＧＲ制御手段）
３１ 吸気温センサ
３２ 温度センサ

Claims (3)

1. 内燃機関（１）の排気通路（２）から吸気通路（３）へ排気の一部（ＥＧＲガスと呼ぶ）を還流させるＥＧＲ通路（１１）と、
   このＥＧＲ通路（１１）を流れるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ（１３）と、
   界磁に永久磁石を使用するモータ（１８）と、
   このモータ（１８）の駆動トルクを増幅して前記ＥＧＲバルブ（１３）に伝達するギヤトレイン（２０、２１、２２、２３）と、
   前記ＥＧＲバルブ（１３）を閉弁方向に付勢するスプリング（１４）と、
   前記ＥＧＲバルブ（１３）を所定の開度に駆動するために前記モータ（１８）への供給電力を制御するＥＧＲ制御手段（３０）とを備える内燃機関の排気ガス再循環装置において、
   前記内燃機関（１）の運転状態に応じて前記ＥＧＲバルブ（１３）の開閉動作を制御することをバルブ開度制御と呼ぶ時に、
   前記ＥＧＲ制御手段（３０）は、前記内燃機関（１）の始動直後に前記モータ（１８）に所定の電力を供給して前記ＥＧＲバルブ（１３）を全閉位置に保持し、規定時間経過後に前記バルブ開度制御を開始することを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
2. 請求項１に記載した内燃機関の排気ガス再循環装置において、
   前記ＥＧＲ制御手段（３０）は、前記吸気通路（３）を流れる吸気の温度を検出する吸気温センサ（３１）の検出値から前記モータ（１８）の雰囲気温度を推定し、その温度が閾値を超えた時点で前記バルブ開度制御を開始することを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。
3. 請求項１に記載した内燃機関の排気ガス再循環装置において、
   前記モータ（１８）を収容するモータ室（１９）の内部に温度センサ（３２）を配置し、
   前記ＥＧＲ制御手段（３０）は、前記温度センサ（３２）で検出される温度が閾値を超えた時点で前記バルブ開度制御を開始することを特徴とする内燃機関の排気ガス再循環装置。

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