JP2015092072A - 電子スロットル - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン２の吸気圧を検出する圧力センサ８を故障検出用の回転角センサ７の代用として利用することにより電子スロットル１のコストダウンを実現する。【解決手段】電子スロットル１に搭載される回転角センサ７および圧力センサ８の各検出値を取り込むＥＣＵ２９は、回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障しているか否かを判定するセンサ異常判定処理を実行する。具体的には、回転角センサ７の検出値の傾向と圧力センサ８の検出値の傾向とが一致しない状態が一定時間（例えば２００〜２５０ｍｓ）以上経過した場合に、回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障していると判定する。これにより、故障検出用に使用される回転角センサ７を圧力センサ８で代用できるため、回転角センサ７を従来の二つから一つに減らすことができ、コスト低減に寄与する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転角センサによって検出されるスロットルバルブの実開度が目標スロットル開度と一致するようにモータへの駆動電力をフィードバック制御する電子スロットルに関する。

従来、スロットルバルブをモータによって駆動する電子スロットルにおいて、スロットルバルブの実開度を検出する回転角センサの故障検出を行う方法が知られている。例えば、特許文献１では、二つの回転角センサの検出値の偏差ΔＶを基準値ΔＶ０と比較し、偏差ΔＶが基準値ΔＶ０より大きい状態（ΔＶ＞ΔＶ０）が一定時間以上経過した場合に異常と判定している。

特開平６−４２９０７号公報

ところが、上記の故障検出では、スロットルバルブの実開度を検出するために使用する回転角センサとは別に、故障検出用の回転角センサを必要とする。つまり、回転角センサを二つ使用する必要があるため、電子スロットルのコストが高くなる。
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、内燃機関の吸気圧力を検出する圧力センサを故障検出用の回転角センサの代用として利用することにより電子スロットルのコストダウンを実現することにある。

本発明は、内燃機関の吸気通路に配設されて吸気通路の一部を成すスロットル通路を形成するスロットルボディと、スロットル通路の開口面積を増減して内燃機関の吸気量を調整するスロットルバルブと、このスロットルバルブの実開度を検出する回転角センサと、この回転角センサによって検出されるスロットルバルブの実開度が目標スロットル開度と一致するようにスロットルバルブを駆動するためのトルクを発生するモータとを備える電子スロットルであって、スロットルバルブより下流側の圧力を検出する圧力センサと、回転角センサと圧力センサとで互いの検出値の傾向が一致しない状態が一定時間以上経過した場合に、回転角センサの検出値と圧力センサの検出値とのどちらか一方が異常であると判定するセンサ異常判定手段とを有することを特徴とする。

上記の構成によれば、故障検出用の回転角センサを圧力センサで代用できるため、回転角センサを従来の二つから一つに減らすことができ、電子スロットルのコスト低減に寄与する。なお、回転角センサと圧力センサとで互いの検出値の傾向が一致しない状態とは、以下の（１）〜（３）の場合がある。
（１）回転角センサの検出値が増加しているにも係らず、圧力センサの検出値が変化していない、あるいは減少している。
（２）回転角センサの検出値が変化していないにも係らず、圧力センサの検出値が増加あるいは減少している。
（３）回転角センサの検出値が減少しているにも係らず、圧力センサの検出値が変化していない、あるいは増加している。

実施例１に係る電子スロットルの断面図（図３のＩ−Ｉ断面図）である。 実施例１に係るエンジンの吸気系構成図である。 実施例１に係る電子スロットルのカバーを外した状態を示す平面図である。 実施例１に係る電子スロットルの側面図である。 実施例１に係る回転角センサの特性図である。 実施例１に係る圧力センサの特性図である。 実施例１に係る回転角センサと圧力センサの検出値の傾向を一覧表示した判定表の図面である。 実施例２に係る電子スロットルの断面図である。 実施例２に係るエンジンの吸気系構成図である。 実施例２に係る演算回路を搭載したカバーの平面図である。 実施例３に係るエンジンの吸気系構成図である。 実施例３に係る演算回路を搭載したカバーの平面図である。 実施例３に係る電子スロットルの断面図（図１４のＸIII−ＸIII断面図）である。 実施例３に係る電子スロットルのカバーを外した状態を示す平面図である。

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〕
電子スロットル１は、図１、図２に示すように、エンジン２の吸気通路３に配設されるスロットルボディ４と、エンジン２の吸気量を調整するスロットルバルブ５と、このスロットルバルブ５を駆動するためのトルクを発生するモータ６と、スロットルバルブ５の開度（以下、実スロットル開度と言う）を検出する回転角センサ７と、エンジン２の吸気圧を検出する圧力センサ８等を備える。
スロットルボディ４は、吸気通路３に連通するスロットル通路９を形成し、このスロットル通路９の上流端がエアホース等を介してエアクリーナ１０の出口に接続され、スロットル通路９の下流端がサージタンク１１の入口に接続される。

スロットルバルブ５は、スクリュ１２によりシャフト１３に固定されてスロットル通路９の内部に配置され、スロットル通路９を全閉するバルブ全閉位置（図３に一点鎖線Ａで示す位置）とスロットル通路９を全開するバルブ全開位置（図３に一点鎖線Ｂで示す位置）との間でシャフト１３と一体に回転可能である。
シャフト１３は、スロットル通路９を径方向に挿通して配置され、転がり軸受１４と滑り軸受１５とを介してスロットルボディ４に回転自在に支持されている。

モータ６は、例えば、入力電流に対して出力トルクが直線的に変化する周知の直流モータであり、スロットルボディ４に形成されるモータ室１６に収容される。
モータ６の出力トルクは、以下に説明するギヤトレインにより増幅されてシャフト１３に伝達される。
ギヤトレインは、図３に示すように、モータ６の出力軸６ａに取り付けられるモータギヤ１７と、シャフト１３の一方の端部に取り付けられるバルブギヤ１８と、モータギヤ１７の回転をバルブギヤ１８に伝達する中間ギヤ１９、２０とで構成される。なお、図３はカバー２３を外した状態を示している。

中間ギヤ１９、２０は、モータギヤ１７に噛み合う大径ギヤ１９と、バルブギヤ１８に噛み合う小径ギヤ２０とを有し、両ギヤ１９、２０が同一軸心上に一体に形成されて共通の中間シャフト２１に回転自在に支持されている。
このギヤトレインは、スロットルボディ４の一端側に形成されるギヤ室２２に配置され、樹脂製のカバー２３によって覆われている。
カバー２３は、図１に示すように、スロットルボディ４の一端側の端面にシール部品２４を介して組み付けられ、スロットルボディ４にスクリュ２５（図４参照）を締め付けて固定される。

回転角センサ７は、例えば、バルブギヤ１９の内周に取り付けられる永久磁石２６と、この永久磁石２６の内側に非接触に配置されるホールＩＣ２７とで構成され、図５に示すように、実スロットル開度の変化に対してホールＩＣ２７の出力（電圧）がリニアに変化する。ホールＩＣ２７は、磁束密度に応じたアナログ電圧を出力するホール素子と、このホール素子の出力を増幅する増幅回路およびホール素子の温度特性を補償する温度補償回路等をワンチップに集積して構成され、カバー２３に保持されている。

圧力センサ８は、例えば、ピエゾ抵抗効果（圧力が加わると電気抵抗が変化する性質）を利用して圧力を検出する半導体圧力センサであり、図６に示すように、圧力の変化に対して出力（電圧）がリニアに変化する。この圧力センサ８は、図1に示すように、スロットルボディ４に形成される圧力導入路２８の内部に挿入され、その圧力導入路２８を通じてスロットルバルブ５の下流側よりスロットル通路９内の圧力を検出する。なお、スロットルバルブ５の下流側とは、スロットルバルブ５がスロットル通路９を全閉するバルブ全閉位置より下流側を言う。
圧力導入路２８は、ギヤ室２２とスロットル通路９との間をシャフト１３の軸心方向と平行にスロットルボディ４を貫通して形成され、一端がギトレインの可動範囲から外れた位置でギヤ室２２に開口し、他端がバルブ全閉位置より下流側のスロットル通路９内に開口している。

回転角センサ７で検出される実スロットル開度および圧力センサ８で検出されるエンジン２の吸気圧は、それぞれアナログ電圧に変換されてＥＣＵ２９（図２参照）へ出力される。
ＥＣＵ２９は、回転角センサ７と圧力センサ８の各検出値およびエンジン２に吸入される空気の温度を基にスロットルバルブ５を通過する空気流量を算出し、この空気流量を基に実スロット開度が目標スロットル開度と一致するようにモータ６への駆動電流をフィードバック制御すると共に、インジェクタ３０の燃料噴射時期と噴射量の制御および点火プラグ３１の点火時期制御を実施する。
なお、スロットルバルブ５を通過する空気流量とは、スロットルバルブ５の開度に応じてスロットル通路９を流れる空気の流量、すなわちエンジン２が吸入する吸気量である。また、エンジン２に吸入される空気の温度は、ホールＩＣ２７の温度補償回路に使用されるダイオードを利用して検出できる。

また、ＥＣＵ２９は、エンジン運転中に回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障しているか否かを検出するためのセンサ異常判定処理を実行する。
回転角センサ７が正常に機能している時は、例えば、実スロットル開度が増加すると回転角センサ７の出力電圧が増加する。この時、圧力センサ８が正常であれば、実スロットル開度の増加により吸気量が増大するため、圧力センサ８の出力電圧も増加する。また、実スロットル開度が減少すると回転角センサ７の出力電圧が減少し、圧力センサ８の出力電圧も減少する。つまり、回転角センサ７と圧力センサ８がどちらも正常に機能している時は、回転角センサ７の検出値の傾向と圧力センサ８の検出値の傾向とが一致する。言い換えると、回転角センサ７と圧力センサ８とで互いの検出値の傾向が一致しない時は、回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障していると判断できる。

ＥＣＵ２９のセンサ異常判定処理は、上記の認識に基づき、回転角センサ７の検出値の傾向と圧力センサ８の検出値の傾向とが一致しない状態が一定時間（例えば２００〜２５０ｍｓ）以上経過した場合に、回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障していると判定する。
回転角センサ７と圧力センサ８の検出値の傾向が一致する状態と一致しない状態とを図７の判定表に一覧表示する。この判定表では、回転角センサ７と圧力センサ８の検出値の傾向が一致する状態をＯＫ、一致しない状態をＮＧと表記し、回転角センサ７および圧力センサ８の検出値の傾向を矢印の向きで表示している。

回転角センサ７と圧力センサ８の検出値の傾向が一致しない状態（ＮＧ）には、以下の（１）〜（３）がある。
（１）回転角センサ７の出力電圧が増加しているにも係らず、圧力センサ８の出力電圧が変化していない、あるいは減少している。
（２）回転角センサ７の出力電圧が変化していないにも係らず、圧力センサ８の出力電圧が増加あるいは減少している。
（３）回転角センサ７の出力電圧が減少しているにも係らず、圧力センサ８の出力電圧が変化していない、あるいは増加している。

〔実施例１の作用および効果〕
実施例１の電子スロットル１では、従来の故障検出用に使用される回転角センサ７を圧力センサ８で代用できるため、回転角センサ７を二つから一つに減らすことができ、コスト低減に寄与する。また、圧力センサ８をスロットルボディ４に組み込んでいるので、回転角センサ７の検出値が変化するタイミングと圧力センサ８の検出値が変化するタイミングとのタイムラグが非常に小さくなる。このため、故障検出用の回転角センサ７を圧力センサ８で代用した場合でも二つの回転角センサ７を使用する従来技術と同等のセンサ異常検出が可能となる。

また、センサ異常判定処理でＮＧと判定された場合は、回転角センサ７の検出値と圧力センサ８の検出値とのどちらか一方が異常である、つまり回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障していると判断できる。この場合、ＥＣＵ２９は、回転角センサ７と圧力センサ８のどちらか一方が故障していることを運転者に警報することができ、異常情報（異常コード等）を記憶することもできる。

さらに、実施例１の電子スロットル１は、シャフト１３に対しスロットルバルブ５の閉方向にバネ力を与えるリターンスプリング３２と、スロットルバルブ５の全閉位置から所定の開度（デフォルト開度と呼ぶ）に向けてバネ力を与えるデフォルトスプリング３３とを有している。この二つのスプリング３２、３３は、モータ６が非通電の状態でスロットルバルブ５をデフォルト開度に保持することができる。これにより、センサ異常判定処理でＮＧと判定された場合は、モータ６への通電を停止して、二つのスプリング３２、３３のバネ力によりスロットルバルブ５をデフォルト開度に保持することで退避走行を可能にできる。

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、詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
実施例２に示す電子スロットル１は、スロットルバルブ５を通過する空気流量（吸気量）を演算するための演算回路３４（図９参照）を搭載している。
演算回路３４は、例えば半導体チップに形成され、その半導体チップを回路基板３５に実装して構成される。回路基板３５は、図８に示すように、ビス３６等によりカバー２３の表面側（外側）に固定され、カバー２３に埋設される内部配線（図示せず）の一端側に接続ピン３７を介して接続される。内部配線の他端側には、回転角センサ７、圧力センサ８、および吸入空気の温度を検出する温度センサ３８（図９参照）の各端子が接続される。なお、温度センサ３８は、実施例１で説明したように、ホールＩＣ２７の温度補償回路に使用されるダイオードで代用できる。

カバー２３の表面側には、図１０に示すように、回路基板３５の周囲を円形に囲む外周壁３９が立設され、その外周壁３９の内側にエポキシ樹脂等の封止材４０が充填されて回路基板３５を保護している。
回路基板３５にはピン端子（図示せず）が接続され、このピン端子がカバー２３と一体に設けられるコネクタ４１の端子（図示せず）と電気的に接続されている。コネクタ４１の端子には、ＥＣＵ２９との間を繋ぐ配線コードが接続され、演算回路３４で演算された吸気量が電気信号に変換されてＥＣＵ２９へ出力される。

以下、演算回路３４による吸気量の演算方法を説明する。
スロットル通路９を流れる吸入空気の流量（吸気量）と流速との関係は、下記（１）式で表すことが出来る。
Ｑ＝Ｃ×Ａ×Ｖ ……………………………………………………（１）
Ｑ：吸気量、Ｃ：流出係数、Ａ：スロットル通路９の開口面積、Ｖ：スロットルバルブ５を通過する吸入空気の流速である。流出係数Ｃは、予め電子スロットル単体で実スロットル開度と流量との関係を測定した結果より算出して設定する。
スロットル通路９の開口面積Ａは、回転角センサ７で検出される実スロットル開度によって幾何学的に求めることができる。

また、ベルヌーイの定理より流速Ｖを下記（２）式で表すことができる。
Ｖ＝（２×ΔＰ÷ρ）^２ …………………………………………（２）
ΔＰ：スロットルバルブ５の前後差圧、ρ：空気密度である。
上記ΔＰは、スロットルバルブ５の下流側圧力と上流側圧力との圧力差であり、下流側圧力は圧力センサ８の検出値を取り込み、上流側圧力は大気圧とする。
また、温度ｔ[℃]における空気密度ρ[ｋｇ／ｍ^３]は、大気圧をＰ[ａｔｍ]とすると、下記（３）式で表すことが出来る。
ρ＝１．２９３×Ｐ／（１＋０．００３６７ｔ） ……………（３）
すなわち、空気密度ρは温度によって変動するため、吸入空気の温度を温度センサ３８で検出し、その検出温度に応じて空気密度を補正することで、温度変化に対応して流速Ｖを求めることができる。

この実施例２に示す電子スロットル１は、エンジン２の吸気量を演算するための演算回路３４を搭載しているので、回転角センサ７、圧力センサ８、および温度センサ３８とＥＣＵ２９とを個別に配線で接続する必要がない。つまり、電子スロットル１のコネクタ端子とＥＣＵ２９との間を１本の配線で接続するだけで良い。このため、回転角センサ７、圧力センサ８、および温度センサ３８をＥＣＵ２９と個別に配線で接続する場合と比較して配線数を少なくできる。その結果、コストの削減が可能であり、且つ、コネクタ等による接続作業に掛かる煩わしさを軽減できるメリットを有する。
また、センサ類を電子スロットル１に集約しているので、電子スロットル１の搭載制約が損なわれることはない。よって、電子スロットル１に近接するＰＣＶ（ブローバイガス還元装置）などのパイプ接続場所を損なうこともない。

〔実施例３〕
この実施例３に示す電子スロットル１は、図１１に示すように、実施例２の構成に加えて、スロットルバルブ５より上流側の圧力を検出する大気圧センサ４２を搭載する。
大気圧センサ４２は、図１２に示すように、カバー２３の内側でギヤトレインの可動範囲から外れた位置に搭載され、スロットルボディ４に形成される圧力導入路４３を通じてスロットルバルブ５の上流側よりスロットル通路９内の圧力を検出する。なお、スロットルバルブ５の上流側とは、スロットルバルブ５がスロットル通路９を全閉するバルブ全閉位置より上流側を言う。

圧力導入路４３は、図１３、図１４に示すように、ギヤ室２２とスロットル通路９との間をシャフト１３の軸心方向と平行にスロットルボディ４を貫通して形成され、一端がギトレインの可動範囲から外れた位置でギヤ室２２に開口し、他端がバルブ全閉位置より上流側のスロットル通路９内に開口している。
この実施例３では、スロットルバルブ５より上流側の圧力を固定値（大気圧）とすることなく、大気圧センサ４２によって検出するので、スロットルバルブ５の前後差圧を精度良く求めることができる。その結果、演算回路３４による吸気量の演算精度が向上するため、より高精度な燃料噴射制御が可能となり、燃費の向上に寄与する。

〔変形例〕
実施例１では、圧力センサ８を電子スロットル１に搭載しているが、電子スロットル１より下流側の吸気通路３（例えばサージタンク１１、吸気マニホールド等）に取り付けることもできる。この場合、圧力センサ８を新たに設置する必要はなく、既存の吸気圧センサを使用することができる。
実施例２では、温度センサ３８をホールＩＣ２７に内蔵されたダイオードで兼用しているが、温度センサ３８をダイオードとは別に設けても良い。
実施例２、３で説明した演算回路３４を有する回路基板３５は、カバー２３の表面側ではなく、カバー２３の内側に配置することもできる。この場合、回路基板３５の周囲を囲む外周壁３９をカバー２３に設ける必要はなく、さらに、回路基板３５を保護するための封止材４０も不要である。

１ 電子スロットル
２ エンジン（内燃機関）
３ 吸気通路
４ スロットルボディ
５ スロットルバルブ
６ モータ
７ 回転角センサ
８ 圧力センサ
９ スロットル通路
２９ ＥＣＵ（センサ異常判定手段）

Claims (9)

1. 内燃機関（２）の吸気通路（３）に配設されて前記吸気通路（３）の一部を成すスロットル通路（９）を形成するスロットルボディ（４）と、
   前記スロットル通路（９）の開口面積を増減して前記内燃機関（２）の吸気量を調整するスロットルバルブ（５）と、
   このスロットルバルブ（５）の実開度を検出する回転角センサ（７）と、
   この回転角センサ（７）によって検出される前記スロットルバルブ（５）の実開度が目標スロットル開度と一致するように前記スロットルバルブ（５）を駆動するためのトルクを発生するモータ（６）とを備える電子スロットル（１）であって、
   前記スロットルバルブ（５）より下流側の圧力を検出する圧力センサ（８）と、
   前記回転角センサ（７）と前記圧力センサ（８）とで互いの検出値の傾向が一致しない状態が一定時間以上経過した場合に、前記回転角センサ（７）の検出値と前記圧力センサ（８）の検出値とのどちらか一方が異常であると判定するセンサ異常判定手段（２９）とを有することを特徴とする電子スロットル。
2. 請求項１に記載した電子スロットル（１）において、
   前記圧力センサ（８）は、前記スロットルボディ（４）に搭載されて前記スロットル通路（９）内の圧力を検出することを特徴とする電子スロットル。
3. 請求項１に記載した電子スロットル（１）において、
   前記圧力センサ（８）は、前記スロットルボディ（４）より下流側の前記吸気通路（３）に取り付けられる既存の吸気圧センサであることを特徴とする電子スロットル。
4. 請求項２または３に記載した電子スロットル（１）において、
   前記スロットル通路（９）を流れる吸入空気の温度を検出する温度センサ（３８）と、
   前記回転角センサ（７）、前記圧力センサ（８）、および前記温度センサ（３８）で検出される各センサ情報を基に前記内燃機関（２）の吸気量を演算する演算回路（３４）とを搭載することを特徴とする電子スロットル。
5. 請求項４に記載した電子スロットル（１）において、
   前記演算回路（３４）は、前記回転角センサ（７）で検出される前記スロットルバルブ
   （５）の実開度より前記スロットル通路（９）の開口面積を求め、前記スロットルバルブ
   （５）の上流側と下流側の前後差圧と空気密度より前記スロットル通路（９）を流れる吸
   入空気の流速を算出し、前記スロットル通路（９）の開口面積と前記吸入空気の流速とを
   基に前記内燃機関（２）の吸気量を演算することを特徴とする電子スロットル。
6. 請求項５に記載した電子スロットル（１）において、
   前記演算回路（３４）は、前記スロットルバルブ（５）より上流側の圧力を大気圧として取り込み、この大気圧と前記圧力センサ（８）で検出される圧力との差を前記スロットルバルブ（５）の前後差圧として算出することを特徴とする電子スロットル。
7. 請求項５に記載した電子スロットル（１）において、
   前記スロットル通路（９）内でスロットルバルブ（５）より上流側の圧力を検出する大気圧センサ（４２）を搭載し、
   前記演算回路（３４）は、前記大気圧センサ（４２）で検出される圧力と前記圧力センサ（８）で検出される圧力との差を前記スロットルバルブ（５）の前後差圧として算出することを特徴とする電子スロットル。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載した電子スロットル（１）において、
   前記演算回路（３４）は、前記スロットル通路（９）を流れる吸入空気の流速を算出する際に、前記温度センサ（３８）で検出される温度に応じて前記空気密度を補正することを特徴とする電子スロットル。
9. 請求項４〜８のいずれか一項に記載した電子スロットル（１）において、
   前記回転角センサ（７）は、磁束密度に応じた電気信号を出力するホール素子と、このホール素子の温度特性を補償するダイオードとを有し、このダイオードを前記温度センサ（３８）として兼用することを特徴とする電子スロットル。

Images