JP3932602B2 - アイドル回転速度制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのアイドル運転時における吸入空気流量を調節してアイドル回転数を制御するアイドル回転速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特公平５−３４５１８号公報に開示された電磁式アクチュエータがある。このアクチュエータは、吸気管のスロットルバルブをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路に設けられた開口部を開閉するロータリバルブと、このロータリバルブを駆動する駆動装置とを備える。図１３に示す様に、ロータリバルブ１００は、ベアリング２００、２１０によって回転自在に支持された回転軸３００と一体に回転可能に設けられ、ハウジング４００に形成された開口部４１０を閉塞可能な閉塞面１１０を有し、この閉塞面１１０がハウジング４００の壁面４２０に沿って移動（回転）することにより、開口部４１０との相対位置が変化して開口部４１０の開口面積を可変する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のアクチュエータでは、ハウジング４００の壁面４２０とバルブ１００の閉塞面１１０とのクリアランスが一定であり、且つそのクリアランスが小さい（例えば７０μ）ため、エンジンで発生した煤や摩耗粉等（以下デポと言う）がエンジンからの吹き返しによってバルブ１００の閉塞面１１０に付着した場合に以下の問題を生じる。
閉塞面１００に多量のデポが付着した状態で極低温始動すると、デポの粘性が高いため、バルブ１００の作動に支障を来す恐れがあった。
また、デポが多量に付着した状態で長期間放置されると、デポが酸化促進されて固着しやすくなり、その結果、バルブ１００が作動できなくなる可能性がある。また、ハウジング４００の壁面４２０とバルブ１００の閉塞面１１０とのクリアランスが一定であるため、そのクリアランスに異物等を噛み込むと、異物の逃げ場がなく、バルブ１００がロックしてしまう。
【０００４】
更に、上記アクチュエータの構造では、ハウジング４００の壁面４２０とバルブ１００の閉塞面１１０とのクリアランスが各部品精度の組み合わせによって決まるため、必ず一定のクリアランスを確保できるとは言えない。つまり、各部品精度のバラツキによってクリアランスが変動するため、弁洩れを（クリアランスより空気が洩れて流れること）低減することが困難である。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、エンジン運転時とエンジン停止時とでクリアランスを可変することにより、弁体の作動不良及び異物の噛み込み防止を図ったアイドル回転速度制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明によれば、エンジン運転時には、弁体に作用する吸気管負圧が弁体移動手段の発生する力に打ち勝つことにより、弁体をクリアランスが小さくなる方向へ変位させることができ、エンジン停止時には、吸気管負圧が無くなるため、弁体移動手段の発生する力によって弁体をクリアランスが大きくなる方向へ変位させることができる。この結果、デポの付着による弁体の作動不良、及び異物の噛み込みを防止できる。すなわち、エンジン運転時に弁体の閉塞面にデポが付着しても、エンジン停止時にクリアランスを大きくすることにより、開口部が形成された壁面からデポが離れる（あるいは、壁面にデポが付着しても、そのデポが閉塞面から離れる）ため、デポの粘性が高くなる極低温始動時でも弁体がロックすることはない。また、長期間の放置によってデポが閉塞面に固着しても、それによって弁体がロックすることもない。更に、本発明では、弁体がクリアランス方向に変位可能であるため、エンジン運転時にクリアランスに異物が侵入しても、クリアランスが大きくなる方向へ弁体が変位することによって異物の逃げ場を確保できる。従って、異物の噛み込みにより弁体がロックすることもない。
一方、エンジン運転時には、クリアランスを小さくすることにより弁洩れを低減できる。
【０００７】
（請求項２の手段）
開口部は、空気の流れ方向に対し斜めに開口しており、弁体は、回転軸と一体に軸方向へ移動可能に設けられ、且つ閉塞面が開口部と平行を成す様に傾斜して設けられている。この場合、弁体を軸方向へ移動させることにより、弁体の閉塞面と開口部が形成された壁面との間のクリアランスを変更することができる。
そこで、エンジン運転時には、閉塞面に作用する吸気管負圧の軸方向分力が弁体移動手段の発生する力に打ち勝って弁体を回転軸と一体にクリアランスが小さくなる方向へ移動させ、エンジン停止時には、弁体移動手段の発生する力により回転軸と弁体とをクリアランスが大きくなる方向へ移動させる。これにより、デポの付着による弁体の作動不良、及び異物の噛み込みを防止できる。
【０００８】
（請求項３の手段）
弁体移動手段は、回転軸に設けられた永久磁石と、この永久磁石の外周に配置された磁性材料とから成り、永久磁石と磁性材料とが径方向に対向する位置まで回転軸が移動した時にクリアランスが最大となる。
この場合、エンジン運転時には、クリアランスを小さくする方向へ弁体を移動させる力（弁体の閉塞面に作用する吸気管負圧の軸方向分力）の方が、クリアランスを大きくする方向へ弁体を移動させる力（磁性材料に作用する永久磁石の磁力）より大きいため、回転軸と共に弁体が軸方向へ移動してクリアランスを小さくすることができる。この時、回転軸に設けられた永久磁石は、磁性材料と径方向に対向する位置から軸方向へ所定量だけずれている。
エンジンが停止すると、吸気管負圧が無くなるため、磁性材料に作用する永久磁石の磁力によって磁性材料と永久磁石とが径方向に対向する位置まで回転軸が移動することにより、クリアランスが最大となる。
なお、回転軸に磁性材料を設け、この磁性材料の外周に永久磁石を配置しても同様の効果を得ることができる。
【０００９】
（請求項４の手段）
弁体移動手段は、回転軸を軸方向へ押圧するスプリングである。この場合、回転軸を押圧するスプリングの押圧力は、エンジン運転時に弁体の閉塞面に作用する吸気管負圧の軸方向分力より小さい値に設定されている。従って、エンジン運転時には、弁体の閉塞面に作用する吸気管負圧の軸方向分力がスプリングの押圧力に打ち勝つため、クリアランスが小さくなる方向へ弁体を移動させることができる。また、エンジンが停止して吸気管負圧が無くなると、スプリングの押圧力によって回転軸が押圧されることにより、回転軸と弁体とが軸方向へ移動してクリアランスが大きくなる。
【００１０】
（請求項５の手段）
弁体の軸方向の位置を調整する位置調整手段を有している。この場合、位置調整手段によって弁体の軸方向位置を調整することにより、クリアランスを微調整することができる。これにより、装置を構成する各部品の精度にバラツキが生じても、エンジン運転時のクリアランスを一定に保つことができるため、容易に弁洩れを低減することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はアイドル回転速度制御装置１の断面図である。
本実施例のアイドル回転速度制御装置１は、エンジンのアイドル運転時に吸気管２（図２参照）のスロットルバルブ３をバイパスする空気量を調節するものであり、バイパス通路４を形成するハウジング５、バイパス通路４の通路面積を可変する弁体６、この弁体６を支持する駆動軸７（本発明の回転軸）、及び駆動軸７を回転駆動する電磁コイル装置８（本発明の駆動手段）等より構成される。
【００１２】
ハウジング５は、例えば合成樹脂やアルミニウム等の非磁性材料により形成されて吸気管２に取り付けられ、螺子（図示しない）を締め付けて固定されている。バイパス通路４は、図２に示す様に、一端が吸気管２のスロットルバルブ３より空気上流側に開口し、他端が吸気管２のスロットルバルブ３より空気下流側に開口してスロットルバルブ３をバイパスしている。また、バイパス通路４の途中には、弁体６を収容する円筒状のバルブ室９が設けられ、そのバルブ室９の壁面９ａに開口部１０が形成されている。但し、この開口部１０は、図１に示す様に、空気の流れ方向に対して斜めに開口している。
【００１３】
弁体６は、駆動軸７に支持されて駆動軸７と一体に回転可能に設けられたロータリバルブであり、図１に示す様に、駆動軸７に固定された２枚の支持板６ａ、６ｂと、この２枚の支持板６ａ、６ｂ間に設けられた閉塞板６ｃとから成り、この閉塞板６ｃによって開口部１０の開口面積を可変する。閉塞板６ｃは、開口部１０を全面的に閉塞できる大きさの表面積を有し、且つ開口部１０が形成されたバルブ室９の壁面９ａと閉塞板６ｃとの間のクリアランスＣ（図３参照）が一定となる様に（開口部１０と平行を成す様に）、駆動軸７に対し傾斜して設けられている。また、閉塞板６ｃの表面は、図５に示す様に、円周に沿った凸曲面（円弧面）に形成されている。
【００１４】
駆動軸７は、ハウジング５に固定された２個のボールベアリング１１、１２を介して回転自在に支持され、その２個のボールベアリング１１、１２間に弁体６が取り付けられている。この駆動軸７は、ボールベアリング１１、１２のアキシャル隙間分だけ軸方向に移動可能であり、駆動軸７の一端側に設けられたスクリュ１３によって軸方向の位置を調節することができる。スクリュ１３は、駆動軸７との間にボール１４とワッシャ１５を介して配置され、ハウジング５に形成された雌螺子部に螺着されている。
また、一方のボールベアリング１２より外側（図１の左側）へ突出する駆動軸７の他端部には、円筒形状の永久磁石１６が嵌め合わされて駆動軸７と一体に回転する様に設けられている。この永久磁石１６は、径方向の一方がＮ極、他方がＳ極となる様に着磁されている（図１及び図４参照）。
【００１５】
電磁コイル装置８は、磁性材料から成る断面円形のピン１７、このピン１７の外周に巻装されたコイル１８、ピン１７とともに磁気回路を形成する磁性体のコア１９、及びこれらをモールドする樹脂カバー２０とから成り、図示しない螺子の締め付けによりハウジング５に固定されている。
コイル１８は、図示しないエンジン制御装置（以下ＥＣＵと言う）を通じて通電制御される。但し、コイル１８への励磁電流は、図６に示す様に、オープンデューティとクローズデューティとの比率によって決定され、そのデューティ比に応じてコイル１８を流れる電流の大きさ及び向きが変化する（後述する）。
【００１６】
コア１９は、図４に示す様に、ピン１７の両端面に接続される断面略コの字形状に設けられて、ピン１７と平行を成す部分に開口穴２１が形成され、この開口穴２１の内周に永久磁石１６を具備した駆動軸７の他端部が挿通される。開口穴２１は、永久磁石１６の外径より若干大きな内径を有し、且つ磁束が通過する方向（図４の左右方向）の両側にそれぞれ半円状に窪むディテント溝２２が形成されている。
なお、永久磁石１６の軸方向長さとコア１９の軸方向長さ（図１の左右方向の幅）とは略同じ寸法に設定されている。
【００１７】
この電磁コイル装置８は、ＥＣＵを通じてコイル１８に供給される励磁電流が制御されることにより、磁気回路（１７、１９）を流れる磁束の量及び向きが変化し、その磁束により永久磁石１６に回転力を付与して駆動軸７を回転駆動することができる。
ここで、磁気回路を通る磁束と永久磁石１６との関係について説明する。
コイル１８に励磁電流が供給されていない時は、図７（ａ）に示す様に、永久磁石１６の磁気によって発生する磁束ループが開口穴２１の周囲に形成される。但し、永久磁石１６は、Ｎ及びＳの各磁極とコア１９との間隔が最も小さくなる位置に静止する。
一方、上記のデューティ比に基づいてコイル１８に励磁電流が供給されると、磁気回路を通る磁束ループが形成される。この時、コア１９を通る磁束は、コア１９に開口穴２１が形成されて磁束の通路断面積が小さくなっているため、この部分を通る磁束が飽和して、磁束の一部が永久磁石１６を通るようになる。
【００１８】
例えば、デューティ比が５０％より高くなると、図７（ｂ）に示す様に、磁気回路に一方向の磁束ループが形成され、一方のディテント溝２２ａの側部にＳ極、他方のディテント溝２２ｂの側部にＮ極が形成される。これにより、永久磁石１６は、自身を通る磁束の量に応じて左回転する。
デューティ比が５０％より低くなると、図７（ｃ）に示す様に、磁気回路に他方向の磁束ループが形成されると、一方のディテント溝２２ａの側部にＮ極、他方のディテント溝２２ｂの側部にＳ極が形成されるため、永久磁石１６は、自身を通る磁束の量に応じて右回転する。
また、デューティ比が５０％の時は、交互に磁束の向きが変化するため、結果的にコイル１８に励磁電流が供給されていない場合と同様に、永久磁石１６は、Ｎ及びＳの各磁極とコア１９との間隔が最も小さくなる位置に静止する。
【００１９】
次に、コイル１８へ供給される励磁電流と弁体６の回転角度及び開口部１０を通過する空気流量との関係について説明する。
コイル１８へ供給される励磁電流は、図８に示す様に、デューティ比に応じて決定される。即ち、開口部１０を開く方向へ弁体６を回転させる時の電流値は、図６のＬｏ時間に相当するオープンデューティで決定され、開口部１０を閉じる方向へ弁体６を回転させる時の電流値は、図６のＨｉ時間に相当するクローズデューティで決定される。
【００２０】
また、コイル１８へ供給される励磁電流と弁体６の回転角度との関係では、図９に示す様に、電流値＝０を基準として、オープンデューティで得られる電流値に応じて開口部１０を開く方向へ弁体６が回転し、最大電流（＋０．３Ａ）の時に基準位置から約３５度回転する。この時、弁体６は、開口部１０を１００％開口する（図５（ｃ）参照）。
一方、クローズデューティで得られる電流値に応じて開口部１０を閉じる方向へ弁体６が回転し、最小電流（−０．３Ａ）の時に基準位置から約３５度回転する。この時、弁体６は、既に開口部１０を１００％閉じている（図５（ａ）参照）。
【００２１】
更に、弁体６の回転角度と空気流量との関係では、図１０に示す様に、弁体６の回転角度＝０の時に開口部１０を通過する空気流量が最大流量の１／３となり、弁体６が開口部１０を開く方向へ３５度回転した時に最大流量が得られる様に設定されている。即ち、弁体６は、開口部１０を約２／３閉じた位置が回転角度＝０となる様に設定されている。
以上の関係を総合すると、図１１に示す様に、デューティ比と空気流量との関係が成立する。
【００２２】
次に、本実施例の作動を説明する。
ａ）エンジン停止時
エンジンが停止している場合は、当然ながらアイドル回転速度を制御する必要がないため、コイル１８へ励磁電流が与えられることはない。
この場合、駆動軸７に具備された永久磁石１６は、コア１９との間に働く吸引力（永久磁石１６の磁力）により、周方向では、図４に示す様に各磁極Ｎ、Ｓが最もコア１９に近接し、且つ軸方向では、図３に示す様にコア１９と永久磁石１６とが一致した状態（コア１９と永久磁石１６が軸方向にずれていない）となる。この時、駆動軸７は、前述のアキシャル隙間分だけ図１の左側へ移動した状態となる。また、弁体６は、図５（ｂ）に示す様に、閉塞板６ｃが開口部１０を約２／３閉じた状態となり、且つ駆動軸７と共に図１の左側へ移動することにより、閉塞板６ｃとバルブ室９の壁面９ａとのクリアランスＣが広がった状態となっている。
【００２３】
ｂ）エンジン運転時（非アイドル運転時）
エンジンへの吸入空気量はスロットルバルブ３の開度によって決定されるため、開口部１０を全閉する様に弁体６が回転駆動される（図５（ａ）参照）。この場合、吸気管負圧が弁体６の閉塞板６ｃに作用し、その吸気管負圧の軸方向分力がコア１９と永久磁石１６との間に働く吸引力より大きいため、駆動軸７は弁体６と共に図１の右側へ移動する。その結果、弁体６の閉塞板６ｃとバルブ室９の壁面９ａとの間のクリアランスＣが小さくなる。
【００２４】
ｃ）エンジン運転時（アイドル運転時）
この場合、アイドル運転時に要求される空気量に対応して弁体６の開度が制御される。つまり、要求される空気量に応じてコイル１８へ供給される励磁電流のデューティ比が求められ、そのデューティ比に応じて弁体６が所定角度だけ回転する。なお、空気量に対応する励磁電流のデューティ比は、エンジンに結合されている補機類（例えばエアコンのコンプレッサ）の負荷状態、エンジンの冷却水温等を検出するセンサ類からの検出信号に基づいてＥＣＵで演算される。例えば、エアコンがオン状態となってエンジン負荷が大きい場合は、バイパス空気量が増大される様に決定される。
このアイドル運転時においても、吸気管負圧が弁体６の閉塞板６ｃに作用し、その吸気管負圧の軸方向分力によって駆動軸７が弁体６と共に図１の右側へ移動する。その結果、弁体６の閉塞板６ｃとバルブ室９の壁面９ａとの間のクリアランスＣが小さくなる。
【００２５】
（本実施例の効果）
本実施例では、駆動軸７を軸方向に移動させることにより、開口部１０が形成されたバルブ室９の壁面９ａと弁体６の閉塞板６ｃとの間のクリアランスＣを変えることができる。つまり、エンジン運転時には、閉塞板６ｃに作用する吸気管負圧によってクリアランスＣを小さくでき、エンジン停止時には吸気管負圧が無くなることでクリアランスＣを大きくすることができる。この結果、エンジン運転時に弁体６の閉塞板６ｃにデポが付着しても、エンジン停止時にクリアランスＣを大きくすることによって、開口部１０が形成されたバルブ室９の壁面９ａからデポが離れる（あるいは、壁面９ａにデポが付着しても、そのデポが閉塞板６ｃから離れる）ため、デポの粘性が高くなる極低温始動時でも弁体６がロックすることはない。
【００２６】
また、長期間の放置によってデポが閉塞板６ｃに固着しても、それによって弁体６がロックすることもない。更に、本実施例では、弁体６が駆動軸７と一体にクリアランスＣの大小方向へ移動できるため、エンジン運転時に弁体６の閉塞板６ｃとバルブ室９の壁面９ａとの間に異物が侵入しても、クリアランスＣが大きくなる方向へ弁体６が変位することによって異物の逃げ場を確保できる。従って、異物の噛み込みにより弁体６がロックすることもない。
更に、スクリュ１３によって駆動軸７の軸方向の位置を調整することにより、クリアランスＣを微調整することができる。これにより、装置を構成する各部品の精度にバラツキが生じても、エンジン運転時のクリアランスＣを一定に保つことができるため、容易に弁洩れを低減することができる。
【００２７】
（第２実施例）
本実施例では、図１２に示す様に、駆動軸７のスラスト位置を調整するスクリュ１３とワッシャ１５との間にスプリング２３が介在されて、常時駆動軸７を軸方向に付勢している。つまり、エンジンが停止した時には、駆動軸７をスプリング２３のバネ力によってクリアランスＣが大きくなる方向（図１２の左方向）へ移動させることができる。
なお、第１実施例では、電磁コイル装置８により駆動軸７を回転駆動しているが、この電磁コイル装置８に限定する必要はない。即ち、永久磁石１６とコア１９との間に働く吸引力を利用しなくてもスプリング２３のバネ力で駆動軸７を移動させる（クリアランスＣが大きくなる方向へ）ことができるため、電磁コイル装置８以外の駆動手段を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジン運転時のアイドル回転速度制御装置の断面図である。
【図２】バイパス通路を示す模式図である。
【図３】エンジン停止時のアイドル回転速度制御装置の断面図である。
【図４】電磁コイル装置の断面図である。
【図５】弁体の作動状態を示す断面図である。
【図６】デューティ信号と電流値との関係を示す図である。
【図７】電磁コイル装置の作動状態を説明する図である。
【図８】デューティ比と電流値との関係を示すグラフである。
【図９】電流値と弁体の回転角度との関係を示すグラフである。
【図１０】弁体の回転角度と空気流量との関係を示すグラフである。
【図１１】デューティ比と空気流量との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２実施例を示すアイドル回転速度制御装置の断面図である。
【図１３】従来のアイドル回転速度制御装置の断面図である。
【符号の説明】
Ｃ クリアランス
１ アイドル回転速度制御装置
２ 吸気管
３ スロットルバルブ
４ バイパス通路
６ 弁体
６ｃ 閉塞板（閉塞面）
７ 駆動軸（回転軸）
８ 電磁コイル装置（駆動手段）
９ａ バルブ室の壁面（開口部が形成された壁面）
１０ 開口部
１３ スクリュ（位置調整手段）
１６ 永久磁石（弁体移動手段）
１９ コア（磁性材料／弁体移動手段）
２３ スプリング（弁体移動手段）

Claims (5)

1. スロットルバルブをバイパスして吸気管に連通するバイパス通路と、
   このバイパス通路中に設けられた開口部と、
   この開口部が形成された壁面に沿って変位可能に設けられた閉塞面を有し、この閉塞面の位置に応じて前記開口部の開口面積を可変する弁体とを備え、
   この弁体により前記開口部の開口面積を可変して前記バイパス通路を流れる空気流量を制御するアイドル回転速度制御装置であって、
   前記弁体は、前記開口部が形成された壁面と前記閉塞面との間のクリアランス方向に変位可能に設けられ、
   前記クリアランスが大きくなる方向へ前記弁体を移動させる力を発生する弁体移動手段を備え、
   エンジン運転時には、前記弁体に作用する吸気管負圧が前記弁体移動手段の発生する力に打ち勝つことにより、前記弁体を前記クリアランスが小さくなる方向へ変位させ、
   エンジン停止時には、前記弁体移動手段の発生する力によって前記弁体を前記クリアランスが大きくなる方向へ変位させることを特徴とするアイドル回転速度制御装置。
2. スロットルバルブをバイパスして吸気管に連通するバイパス通路と、
   このバイパス通路中に設けられた開口部と、
   この開口部が形成された壁面に沿って回転可能に設けられた閉塞面を有し、この閉塞面の位置に応じて前記開口部の開口面積を可変する弁体と、
   この弁体を回転可能に支持する回転軸と、
   この回転軸を回転駆動する駆動手段とを備え、
   前記弁体により前記開口部の開口面積を可変して前記バイパス通路を流れる空気流量を制御するアイドル回転速度制御装置であって、
   前記開口部は、空気の流れ方向に対し斜めに開口しており、
   前記弁体は、前記回転軸と一体に軸方向へ移動可能に設けられ、且つ前記閉塞面が前記開口部と平行を成す様に傾斜して設けられ、
   前記開口部が形成された壁面と前記閉塞面との間のクリアランスが大きくなる方向へ前記回転軸と前記弁体とを移動させる力を発生する弁体移動手段を備え、
   エンジン運転時には、前記閉塞面に作用する吸気管負圧の軸方向分力が前記弁体移動手段の発生する力に打ち勝って前記弁体を前記回転軸と一体に前記クリアランスが小さくなる方向へ移動させ、
   エンジン停止時には、前記弁体移動手段の発生する力により前記回転軸と前記弁体とを前記クリアランスが大きくなる方向へ移動させることを特徴とするアイドル回転速度制御装置。
3. 前記弁体移動手段は、前記回転軸に設けられた永久磁石と、この永久磁石の外周に配置された磁性材料とから成り、前記永久磁石と前記磁性材料とが径方向に対向する位置まで前記回転軸が移動した時に前記クリアランスが最大となることを特徴とする請求項２に記載したアイドル回転速度制御装置。
4. 前記弁体移動手段は、前記回転軸を軸方向へ押圧するスプリングであることを特徴とする請求項２に記載したアイドル回転速度制御装置。
5. 前記弁体の軸方向の位置を調整する位置調整手段を有することを特徴とする請求項１〜４に記載した何れかのアイドル回転速度制御装置。

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