JP4348689B2

JP4348689B2 - 電子制御絞り弁装置

Info

Publication number: JP4348689B2
Application number: JP2004065031A
Authority: JP
Inventors: 義晴中
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikki Co Ltd
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP2005256608A

Description

本発明は車両用のエンジンの吸気系に設置される絞り弁を電子式制御システムによって開閉動作させるものにおいて、電子式制御システムに絞り弁の開閉動作を不可能とする異常や故障が発生したとき、車両の停止または暴走を防止し安全を図る手段を具えた電子制御絞り弁装置に関するものである。

エンジンの制御を高精密に行なうため、絞り弁を運転者のアクセル操作によって機械的に開閉動作させる代わりに、電子式制御システムを用いて電子的に開閉動作させる技術は広く知られており、この制御システムは絞り弁を目標開度位置に開閉動作させるアクチュエータ、アクセル操作量と絞り弁位置とに基いてアクチュエータに所要の駆動信号を送るコントロールユニットを含んでいる。

ここで、前記の制御システムに異常や故障を生じたとき、車両が走行不能となったり暴走したりする事態を生じることを避けるため、アクチュエータにステッピングモータを用いたものについて一つの励磁巻線に異常を生じたとき正常なもう一つの励磁巻線を使用して絞り弁を一定の小開度に保持させること（特許文献１参照）、コントロールユニットについて絞り弁の開度信号記憶部に異常を生じたときアクセル操作量に応じた代替開度信号を算出してアクチュエータに出力すること、或いはコントロールユニットやアクチュエータに異常を生じたとき補助コントロールユニットを用いてアクチュエータを作動させること（特許文献２参照）、が提案されている。

しかしながら、前者はステッピングモータの二つの励磁巻線の一方に異常を生じたときというきわめて特異な場合における対策手段であり、しかも一定の低速走行に固定されるため事故を回避できない事態を生じるという心配がある。これに対して、後者は電子制御による開閉動作を継続して任意速度で走行を継続できる利点を有しているが、このものはコントロールユニットに異常を生じたとき或いはアクチュエータに生じた異常が電子制御可能な程度という著しく限定された場合での対応手段である。従って、絞り弁の電子制御による開閉動作を不能とするコントロールユニットの異常やアクチュエータの故障のいずれを生じたときもこれらに対応できるものではない。更に、例えばアクチュエータの軸受や減速歯車などの機械要素部分が破損したときは絞り弁が破損発生時の開度位置に固定され、開度位置によっては車両を暴走させる心配があるが、前記提案のものでは対応不可能である。
特開平６−２１３０１２号公報特開平６−１３７２０６号公報

本発明は前述の問題を解決することを課題としてなされたものであって、電子式制御システムに異常や故障を生じて絞り弁を電子的に開閉動作することができなくなったとき、絞り弁を機械的に開閉動作させ車両を安全に走行させることができる手段を具えた電子制御絞り弁装置を提供することを目的とする。

本発明はコントロールユニットとアクチュエータとを含んでおり、運転者のアクセル操作量に応じてコントロールユニットが発する指令により絞り弁を目標開度位置に開閉動作させるようにアクチュエータが作動する電子制御絞り弁装置を次のようにすることによって前述の問題点を解決させることとした。

即ち、本発明に係る電子制御絞り弁装置はコントロールユニットが出力するアクセル操作量に応じた指令により作動するアクチュエータ、絞り弁軸上で回転自由なアクチュエータレバー、絞り弁軸に一体回転且つ軸線方向可動な絞り弁軸レバーを含み、アクチュエータの回転をアクチュエータレバー、絞り弁軸レバーを経て絞り弁軸に伝達し絞り弁を開閉可動させる電子式開閉手段と；補助アクチュエータを有し、アクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとの連動を解除する分離機構、および絞り弁を機械的に開閉動作させる操作機構を含む切替え手段とを具えている。そして、切替え手段はコントロールユニットおよびアクチュエータを含む電子式制御システムに異常や故障を生じたとき、補助アクチュエータを作動させることにより分離機構がアクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとの連動を解除し、続いて操作機構が補助アクチュエータの作動量に応じて絞り弁を開閉動作させるものとした。

電子式制御システムの異常や故障として、第一にアクチュエータの制御を不能とするようなコントロールユニットの異常または故障、アクチュエータの断線や焼付きなどの故障が例示され、このような場合は絞り弁の開閉制御が不可能となる。第二にアクチュエータの軸受や減速歯車など機械要素部分の破損が例示され、このような場合は絞り弁が破損発生時の開度位置に固定され開閉不能となるので車両が暴走するおそれがある。

これらの異常や故障は周知の異常検知、故障診断、フェイルセーフ、異常発生報知の各手段を適宣に利用または応用することによって容易に知ることができる。また、切替え手段の補助アクチュエータの作動は、前記の異常や故障の発生を検知したときコントロールユニットが指令を発することにより自動的に、または運転者が報知を受けて指令を発することにより人為的に行なわせることができる。

本発明に係る電子制御絞り弁装置は、電子式制御システムが正常なときはアクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとが結合してアクチュエータにより絞り弁を電子的に開閉動作させているが、電子式制御システムに異常や故障が発生したときは補助アクチュエータを作動させることによって絞り弁軸レバーをアクチュエータレバーから分離し、続いて絞り弁軸レバーを介して絞り弁軸を回転させ絞り弁を機械的に開閉動作させるものとしており、補助アクチュエータを作動させるという単一操作で絞り弁を電子制御系から切り離して機械的に開閉動作することができる。

本発明の一つの実施の形態では、切替え手段が絞り弁軸上で回転自由であって補助アクチュエータにより回転させられる回転部材、および絞り弁軸と一体に軸線方向可動であって回転不可とされた従動部材を具えており、補助アクチュエータは先ず回転部材を回転させて従動部材と絞り弁軸レバーとを軸線方向へ移動させることによりアクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離し、次に絞り弁軸レバーを回転させて絞り弁を開閉動作させるものとしている。また、アクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離したとき、絞り弁戻しばねが絞り弁を閉弁位置とし、次に絞り弁軸レバーが絞り弁開弁位置における位相から回転させられて絞り弁を開かせるものとされている。更に、補助アクチュエータと回転部材、絞り弁軸レバーとの間に中間レバーを設け、中間レバーが補助アクチュエータの作動前期段階で回転部材を回転させてアクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離し、作動後期段階で絞り弁軸レバーを回転させて絞り弁を開閉動作させるものとしている。これらにより、絞り弁の電子的な開閉動作から機械的な開閉動作への切替えを円滑に行なうことができる。

本発明の別の実施の形態では、絞り弁軸レバーの回転による絞り弁の最大開度位置を全開と小開度との間で可調節としている。これにより、車両の走行を設定した最大速度以内で安全に継続させることができる。

以上のように、本発明によると絞り弁の開閉を不可能とする異常や故障が電子式制御システムに発生したとき、その発生個所を問わず補助アクチュエータを作動させるという単一の操作で絞り弁を電子制御系から切り離して機械的な開閉動作に切替え、車両を安全に走行させることができるものである。

以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明すると、吸気路２を横断してスロットルボディ１に回転可能に支持した絞り弁軸３の一方の端部に絞り弁レバー５が取り付けられ、ねじりコイルばねからなる絞り弁戻しばね６がこの絞り弁レバー５に係合して絞り弁４を閉じる方向の回転力を絞り弁軸３に付勢している。また、絞り弁軸３の軸端に絞り弁位置センサ７が設けられている。

絞り弁軸３のもう一方の端部にはアクチュエータレバー１４および回転部材２１が回転自由に嵌装支持されているとともに、絞り弁軸レバー１６がキイ結合部１７により一体回転且つ軸線方向可動に嵌装されている。また、回転部材２１に向かい合わせて従動部材２２が絞り弁軸レバー１６に回転自由に取り付けられ、この従動部材２２はスロットルボディ１に植設した回り止めピン２３を挿通させて回転不可としている。

スロットルボディ１またはエンジン周辺の適宣個所に設けた図示しない取付台にアクチュエータ８および補助アクチュエータ２５が設置されている。アクチュエータ８は直流モータであって、アクセルペダル９の踏込み量を検知するアクセル位置センサ１０が検出したアクセル操作量、および絞り弁位置センサ７が検出した絞り弁位置に基いてコントロールユニット１１が出力する駆動信号により、絞り弁４を目標開度位置に開閉動作させるものであり、これらはよく知られた電子式制御システムを構成している。

アクチュエータ８の回転は減速歯車１２を経て原動レバー１３に伝達され、原動レバー１３とアクチュエータレバー１４とに両端をそれぞれ回転自由に結合した長さ可調整のリンク部材１５を介してアクチュエータレバー１４に伝えられる。アクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６とには、曲げ成形による係合突起１４Ａ，１６Ａが設けられている。これらは互いに隣接していて、アクチュエータ８によりアクチュエータレバー１４が回転させられて突起１４Ａが突起１６Ａを押すことにより絞り弁軸レバー１６を回転し絞り弁４に開き方向の動作を行なわせる。また、絞り弁戻しばね６により絞り弁軸３と一体に絞り弁軸レバー１６を回転し、絞り弁４に閉じ方向の動作を行なわせるとともに突起１６Ａが突起１４Ａを押してアクチュエータ８を初期位置に戻す。

以上により絞り弁４の電子的な開閉動作が行なわれるものであり、アクチュエータ８、コントロールユニット１１、アクチュエータレバー１４および絞り弁軸レバー１６は電子式開閉手段Ａを構成している。

次に、回転部材２１と従動部材２２とは絞り弁軸３を中心とする円上に山型のカム２１Ａ，２２Ａを互いに向かい合わせて有しており、これらのカム２１Ａ，２２Ａは互いに重なり合っている。また、絞り弁軸レバー１６には突起１６Ａを突起１４Ａに隣接して重ね合わせる方向に働く押ばね２４が作用させてある。

補助アクチュエータ２５は流体圧シリンダであって、ピストン２７から延びるピストンロッド２８の先端はスロットルボディ１に突設した支軸３１に回転自由に嵌装した中間レバー３２に補助ツド３３を介して結合されている。シリンダブロック２６内部のピストンロッド２８側にはピストンばね２９が作用させてあり、反対側のシリンダ室３０には作動流体の給排路３４が接続されている。給排路３４は作動流体給排手段である方向切換弁３５によって圧力源３６およびドレーン３７のいずれかと接続され、シリンダ室３０に圧力源３６の作動流体を送入することによってピストン２７がピストンロッド２８を押し出す方向へ移動し、作動流体を排出することによってピストン２７がピストンロッド２８を引き込む方向へ移動する。これにより、中間レバー３２は或る角度範囲内で往復回転することとなる。

中間レバー３２と回転部材２１とはこれらに両端をそれぞれ回転自由に結合したリンク部材３８によって結合されており、また中間レバー３２は絞り弁軸レバー１６に向かい合わせてねじ杆からなり突出長可調整の押し部材３９を具えている。

前述の補助アクチュエータ２５、中間レバー３２、リンク部材３８、回転部材２１、従動部材２２はアクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６との連動を解除する分離機構Ｂ１を構成している。また、補助アクチュエータ２５、中間レバー３２、押し部材３９、絞り弁軸レバー１６は絞り弁４を機械的に開閉動作させる操作機構Ｂ２を構成し、これらの分離機構Ｂ１、操作機構Ｂ２は絞り弁４を電子的な開閉動作から機械的な開閉動作に切替える切替え手段Ｂを構成する。

このような構成とした本実施の形態は、電子式制御システムが正常なときはコントロールユニット１１が出力する駆動信号により駆動されるアクチュエータ８の回転を減速歯車１２、原動レバー１３、リンク部材１５を経てアクチュエータレバー１４に伝達し、絞り弁軸レバー１６をアクチュエータレバー１４で押して絞り弁４に開き方向の動作を行なわせ、また絞り弁戻しばね６により絞り弁４に閉じ方向の動作を行なわせるとともに絞り弁軸レバー１６がアクチュエータレバー１４を押してアクチュエータ８を初期位置に戻す。

図２は絞り弁４が全閉位置、即ちアイドル開度位置のときの状態を示し、図３は絞り弁４が全開位置のときの状態を示しており、アクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６とは一体回転し、回転部材２１は停止している。

電子式制御システムに異常または故障が生じて絞り弁４が開閉制御不能となったり一定開度位置に固定されたとき、これらをコントロールユニット１１が検知して機械的な開閉動作に切替える。この切替えは自動的に行なわれるか、または異常発生の報知を受けた運転者の手動で行なわれるものであり、補助アクチュエータ２５を作動させるという単一操作で切替えおよびその後の絞り弁４の開閉動作が行なわれる。

即ち、方向切換弁３５を操作して圧力源３６の作動流体をシリンダ室３０に導入することにより、ピストン２７がピストンロッド２８、補助ロッド３３を介して中間レバー３２を回転させ、中間レバー３２がリンク部材３８を介して回転部材２１を回転させる。これにより、カム２１Ａがカム２２Ａを押して押ばね２４を圧縮しながら従動部材２２を絞り弁軸３の軸線方向へ移動させ、これと一体に移動する絞り弁軸レバー１６の突起１６Ａとアクチュエータレバー１４の突起１４Ａとの係合が外れ、絞り弁軸レバー１６がアクチュエータレバー１４から切り離される。

このとき、絞り弁軸レバー１６がどの位相であっても絞り弁戻しばね６によって絞り弁４は全閉位置に戻される。一方、補助アクチュエータ２５のピストン２７はストロークの途中であり、作動流体をシリンダ室３０に継続して送入することにより、中間レバー３２が更に回転して押し部材３９が絞り弁軸レバー１６の突起１６Ａを押し、絞り弁４を開き方向に動作させる。本実施の形態ではピストン２７が最大限にストロークしたとき絞り弁４が小開度に開かれ、車両を低速度で走行させるようにしており、回転部材２１がピストン２７の絞り弁４開きはじめから開き終わりまで回転させられる間、絞り弁軸レバー１６がアクチュエータレバー１４から切り離されているようにカム２１Ａ，２２Ａが作られている。

図４は絞り弁軸レバー１６がアクチュエータレバー１４から切り離されたときの状態を示しており、その状態で絞り弁４が全閉位置のときおよび設定最大開度位置のときは図５および図６にそれぞれ示されている。方向切換弁３５を操作してシリンダ室３０からの作動流体の排出量、或いは作動流体のシリンダ室３０にへの送入量を調節することにより、絞り弁４を図５と図６との間で任意の開度とし、車両を任意の低速度で走行させることができる。

図７はアクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６との連動を解除する分離機構Ｂ１の異なる実施の形態を示し、回転部材２１にローラまたはボールからなる回転自由なころがり部材２１Ｂを設置し、従動部材２２に設けたカム２２Ｂをころがり部材２１Ｂに接触させて回転部材２１の回転に伴いころがり部材２１Ｂがカム２２Ｂを押して従動部材２２と絞り弁軸レバー１６とを絞り弁軸３の軸線方向へ移動させ、突起１４Ａ，１６Ａを切り離すようにしたものである。

この実施の形態によると、回転部材２１を回転させたとき小さい摩擦抵抗で従動部材２２を押して移動させることができる、という利点がある。尚、ころがり部材２１Ｂを従動部材２２に設置し、カムを回転部材２１に設けても同じである。

図１乃至図６で説明した実施の形態において流体圧シリンダとした補助アクチュエータ２５を作動する作動流体の圧力源３５として、車両ブレーキ用圧力空気、エンジン潤滑油、別途に準備したポンプで発生させた圧力空気または圧力油が例示され、これらのいずれかを使用する。

ここで、本発明では補助アクチュエータとして流体圧シリンダに限らず電動モータを使用することができる。即ち、電動モータとしてリニアモータを使用した場合は、その可動子をピストンロッド２８に代えるかまたは可動子をピストンロッド２８と結合する。電動モータとして正逆回転可能な回転モータを使用した場合は、図８（Ａ）に示すように回転モータである補助アクチュエータ４１の出力軸４２をシリンダブロック４６に螺装したねじ杆４３にスプライン結合などにより一体回転可能に結合し、ねじ杆４３の先端をピストン４７に接触させて回転モータの正転時にピストン４８が中間レバー３２を経てアクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６との切り離しおよび絞り弁４の開き動作を行なわせ、逆転時にピストンばね４９が絞り弁４の閉じ動作を行なわせるものとする。或いは、図８（Ｂ）に示すように出力軸４２にカム４４を固着してピストン４７に接触させ、回転モータである補助アクチュエータ４１の正転時にカム４４がピストン４７を押してアクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６との切り離しおよび絞り弁４の開き動作を行なわせ、逆転時にピストンばね４９が絞り弁４の閉じ動作を行なわせるものとする。

或いはまた、前述のような補助アクチュエータ２５，４１を用いることなく、運転者が中間レバー３２、リンク部材３８、回転部材２１のいずれかを手動で操作することによってもアクチュエータレバー１４と絞り弁軸レバー１６との切り離しおよび絞り弁４の開閉を行なわせることができる。この場合、前記各部材を運転席で操作容易な場所に露出させるか、またはこれらに運転席で手に持つことができるレバーやハンドルを設けることが、手動操作を容易に行なわせるうえで有利である。

尚、本実施の形態では絞り弁４の機械的な開閉動作を小開度内で行なわせるものとしたが、カム２１Ａ，２２Ａ，２２Ｂの形状や補助アクチュエータ２５，４１の最大ストロークまたは最大回転数を適宣に設定することにより最大開弁位置を任意に設定することができ、例えば閉弁位置と全開位置との間で任意に開閉動作を行なわせることができる。また、補助アクチュエータ２５，４１によって絞り弁４の開閉を行なう場合、運転者の手動操作で方向切換弁３５による流体圧シリンダへの作動流体の供給・排出を制御し、または電動モータの正方向または逆方向のストロークや回転数を制御することにによって任意の開度、即ち車両を任意の走行速度とすることができる。或いは、運転者のアクセルペダル９の踏込み量を検出したアクセル位置センサ１０の信号に応じて補助アクチュエータ２５，４１を作動させることによっても絞り弁４を任意の開度とすることができる。

本発明の実施の形態を示す電子制御が行なわれているときの縦断面図。絞り弁全閉位置における図１の各レバーの位置関係を説明する図。絞り弁全開位置における図１の各レバーの位置関係を説明する図。図１の実施の形態において絞り弁が機械的に開閉動作されているときの縦断面部分図。絞り弁全閉位置における図４の各レバーの位置関係を説明する図。絞り弁設定最大開度位置における図４の各レバーの位置関係を説明する図。分離機構の異なる実施の形態を示す正面部分図。補助アクチュエータの異なる実施の形態を示す縦断面図。

符号の説明

３絞り弁軸、４絞り弁、８アクチュエータ、９アクセルペダル、１０アクセル位置センサ、１１コントロールユニット、１４アクチュエータレバー、１６絞り弁軸レバー、２１回転部材、２２従動部材、２５，４１補助アクチュエータ、Ａ電子式開閉手段、Ｂ切替え手段、Ｂ１分離機構、Ｂ２操作機構

Claims

コントロールユニットが出力するアクセル操作量に応じた指令により作動するアクチュエータ、絞り弁軸上で回転自由なアクチュエータレバー、前記絞り弁軸に一体回転且つ軸線方向可動な絞り弁軸レバーを含み、前記アクチュエータの回転を前記アクチュエータレバー、絞り弁軸レバーを経て前記絞り弁軸に伝達し絞り弁を開閉可動させる電子式開閉手段と、
補助アクチュエータを有し、前記アクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとの連動を解除する分離機構、および前記絞り弁を機械的に開閉動作させる操作機構を含むとともに前記絞り弁軸上で回転自由な回転部材、および前記絞り弁軸レバーと一体に軸線方向可動であって回転不可とされた従動部材を具えており、前記補助アクチュエータは先ず前記回転部材を回転させて前記従動部材と絞り弁軸レバーとを軸線方向へ移動させることにより前記アクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離し、次に前記絞り弁軸レバーを回転させて前記絞り弁を開閉動作させる切替え手段と、
を具え、前記切替え手段は前記コントロールユニットおよびアクチュエータを含む電子式制御システムに異常や故障を生じたとき、前記補助アクチュエータを作動させることにより前記分離機構が前記アクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとの連動を解除し、続いて前記操作機構が前記補助アクチュエータの作動量に応じて前記絞り弁を開閉動作させる、
ものとしたことを特徴とする電子制御絞り弁装置。
前記アクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離したとき、絞り弁戻しばねが前記絞り弁を閉弁位置とし、次に前記絞り弁軸レバーが絞り弁閉弁位置における位相から回転させられて前記絞り弁を開かせるものとされている請求項１に記載した電子制御絞り弁装置。
前記補助アクチュエータと回転部材、絞り弁軸レバーとの間に中間レバーが設けられ、前記中間レバーは前記補助アクチュエータの作動前期段階で前記回転部材を回転させて前記アクチュエータレバーから絞り弁軸レバーを切り離し、作動後期段階で前記絞り弁軸レバーを回転させて絞り弁を開閉動作させるものとされている請求項１または２に記載した電子制御絞り弁装置。
前記絞り弁軸レバーの回転による前記絞り弁の機械的な開閉動作の最大開弁位置が全開と小開度との間で任意に設定されたものである請求項１，２または３に記載した電子制御絞り弁装置。
前記分離機構が前記アクチュエータレバーと絞り弁軸レバーとの連動を解除し、続いて前記操作機構が前記絞り弁を開閉動作させることを、前記補助アクチュエータに代えて手動操作で行なうものとされている請求項１，２，３または４に記載した電子制御絞り弁装置。