JP4475127B2 - 内燃機関の吸気制御用弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御用弁装置に関する。

弁軸に固定された弁体を回動させて吸気通路を流れる吸気流量を制御することにより、内燃機関の燃焼室に送り込む吸気量を制御する吸気制御用弁装置が知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照。）。
特許文献１に記載の内燃機関用吸気制御装置では、弁軸の一端部に弁体が固定され、他端部にバルブギヤ（回動部材）が固定されている。回動部材には外周突起部が設けられており、弁体の開度が最小になる最小位置で外周突起部がストッパ（規制部材）に当接して回動部材の回動を規制している。特許文献１に記載の内燃機関用吸気制御装置では、回動部材と小径ギヤ（伝達部材）とが噛み合う点が駆動力点である。

特許文献２に記載の吸気制御用弁装置では、部分歯車（回動部材）に設けられている永久磁石が弁体の最小位置で固定側の永久磁石（規制部材）に吸着して回動部材の回動を規制している。特許文献２に記載の吸気制御用弁装置では、回動部材と平歯車（伝達部材）とが噛み合う点が駆動力点である。

特開２００２−３７１８６６号公報 特開２００２−２８５８５２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関用吸気制御装置によると、駆動力点と規制部材との距離は、弁軸の軸線と規制部材との距離より長い。駆動力点と規制部材との距離が弁軸の軸線と規制部材との距離より長いと、弁軸に加わる力は、駆動力点に加わる力より大きくなる。具体的に説明すると、駆動力点を力点、規制部材を支点、軸線を作用点、力点と支点との距離をＬ１、作用点と支点との距離をＬ２、力点に加わる力をＦ１、作用点に加わる力をＦ２として梃子の原理を適用すると、Ｆ２＝Ｌ１／Ｌ２×Ｆ１の関係が成り立つ。また、力点と支点との距離Ｌ１は、作用点と支点との距離Ｌ２より長いので、Ｌ１＞Ｌ２の関係が成り立つ。従って、Ｆ２はＦ１より大きい力であることが判る。すなわち、弁軸には駆動力点に加わる力より大きい力が加わる。弁軸に大きな力が加わると、弁軸が傾き易い。弁軸が傾くと弁体が吸気通路の壁面に圧接し、それにより弁体が回動不能になる所謂食い付きが起きることにより、作動不良が起きる可能性がある。

特許文献２に記載の吸気制御用弁装置も同様であり、駆動力点と規制部材との距離は、弁軸の軸線と規制部材との距離より長いので、食い付きによる作動不良が起きる可能性がある。
本発明は、かかる事情に鑑みて創作されたものであって、弁体の食い付きによる作動不良を防止する内燃機関の吸気制御用弁装置を提供することを目的とする。

請求項１〜４に記載の発明によると、規制部材は駆動力点と弁軸の軸線との中間点に設けられるか、または中間点と駆動力点との間に設けられるので、駆動力点と規制部材との距離は、弁軸の軸線と規制部材との距離と等しいかまたはそれより短い。駆動力点と規制部材との距離が、弁軸の軸線と規制部材との距離と等しいかまたはそれより短いと、弁軸に加わる力は、駆動力点に加わる力と等しいかまたはそれより小さくなる。具体的に説明すると、力点と支点との距離Ｌ１は、作用点と支点との距離Ｌ２と等しいかまたはそれより短くなるので、Ｌ１≦Ｌ２の関係が成り立つ。従って、前述したＦ２＝Ｌ１／Ｌ２×Ｆ１の関係式から、Ｆ２はＦ１と等しいかまたはそれより小さい力であることが判る。すなわち、弁軸には駆動力点に加わる力と等しいかまたはそれより小さい力が加わる。弁軸に加わる力が駆動力点に加わる力と等しいかまたはそれより小さければ、駆動力点に加わる力より大きい力が加わる場合に比べ、弁軸は傾き難くなる。従って、食い付きによる作動不良を低減できる。
また、請求項１〜４に記載の発明の弁体は、弁体の開度が最小になる最小位置において、弁体の他端と吸気通路の壁面との距離は、一端と吸気通路の壁面との距離より長い。従って、例え弁軸が傾くとしても、他端が吸気通路の壁面に近づく側に傾くようにすれば、一端が吸気通路の壁面に近づく側に傾く場合に比べ、弁体が食い付き難くなる。

ここで、駆動力点と弁軸との間に規制部材があると、弁体が最小位置まで回動されて規制部材に当接したとき、規制部材が支点となり、作用点である弁軸には弁軸と規制部材と駆動力点とを結ぶ直線に対して弁体の開方向に９０度ずれた向きの力が作用する。従って、軸線方向から見たとき、軸線を示す中心点を通り流れ方向に垂直な仮想平面を示す直線を中心点で分け、弁体の開度が最小となる最小位置に弁体があるとき弁体の一端が近い方の直線を基準線とすると、駆動力点と中心点とを結ぶ線分と基準線とのなす角度は、弁体の開方向に０度から１８０度までの角度範囲にあれば、弁軸には当該基準線を基準として弁体の開方向に９０度から２７０度までの角度範囲の力が作用する。すなわち弁軸には、弁体の一端を吸気通路の壁面から離間させる向きの力、あるいは弁体の一端と吸気通路の壁面との距離が維持される向きの力が作用する。逆にいうと、他端が吸気通路の壁面に近づく向きの力が作用する。よって請求項１〜４に記載の発明によると、弁体が食い付く可能性をより低減でき、作動不良をより起き難くできる。

請求項２に記載の発明によると、駆動力点と規制部材とが弁軸の軸線に垂直な同一平面上にある。駆動力点と規制部材とが弁軸の軸線に垂直な同一平面上にないと、弁体の最小位置において規制部材が支点となって弁軸が傾き、食い付きが起きる可能性がある。駆動力点と規制部材とが同一平面上にあると、弁軸の傾きを低減でき、食い付きによる作動不良をより低減できる。

請求項４に記載の発明によると、弁体の最小位置は仮想平面から所定角度ずれているので、最小位置において弁体の一端を吸気通路の壁面から遠ざけることができる。これにより食い付きを更に低減できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図２は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸気制御用弁装置１を示す模式図である。吸気制御用弁装置１は、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン負荷、水温などの内燃機関の運転条件に応じて吸気通路１０を流れる吸気流量を調整するものである。

吸気制御用弁装置１は、内燃機関への吸気通路１０を形成するスロットルボディ１１に回動可能に軸支されている弁軸１２、吸気通路１０を開閉する弁体１３、出力ギヤ１９、駆動モータ２０、減速機構部２１、駆動モータ２０や減速機構部２１を収容するハウジング１５（図４参照）などを備えている。
図３は、スロットルボディ１１の断面の模式図である。スロットルボディ１１は、吸入空気（以下「吸気」という）を導入する吸気通路１０を有している。図３において矢印Ａは吸気の流れ方向を示している。吸気通路１０の吸気の流れ方向Ａに垂直な断面は、図２に示すようにほぼ円形である。

図２に示すように、弁軸１２の一端部は吸気通路１０を流れる吸気の流れ方向Ａに垂直な姿勢で吸気通路１０に収容されている。
弁体１３は、弁軸１２の一端部に相対回転不能に固定されている。弁体１３は弁軸１２によって回動されることにより吸気通路１０を流れる吸気流量を制御し、開度が最小になる最小位置では内燃機関の吸気ポート付近に吸気偏流を生じさせ、燃焼室内にスワール流やタンブル流などの吸気下流を発生させる。図２および図３は開度が最小になる最小位置にある弁体１３を示している。

弁体１３は、弁軸１２を挟んで一方の側１３ａが半円形状であり、他方の側１３ｂが弁軸１２を長軸とする楕円形状である。弁体１３の一方の側１３ａは、弁軸１２の軸線に垂直な方向の長さが他方の側１３ｂより長い。すなわち弁体１３は、弁軸１２の軸線に垂直な方向の長さが弁軸１２を挟んで非対称である。以降の説明では長さが長い一方の側１３ａの先端ことを一端５０といい、長さが短い他方の側１３ｂの先端ことを他端５１というものとする。図３に示すように、一端５０と吸気通路１０の壁面との距離は、他端５１と吸気通路１０の壁面との距離より短い。他端５１と吸気通路１０の壁面までの距離は、内燃機関の始動時の吸気流量を確保するため、最小位置において吸気通路１０の断面の概ね１／４〜１／２程度が開放される程度に離間している。

図２に示すアクチュエータとしての駆動モータ２０は、ＤＣモータ等の正転／逆転駆動が可能なモータであり、アクセルセンサ、回転数センサ等の信号によりコンピュータで制御された駆動電流によって回動する。
減速機構部２１は、駆動モータ２０の出力シャフト２２に固定されたウォームギヤ２２、ウォームギヤ２２に噛み合うヘリカルギヤ２３、ヘリカルギヤ２３と同軸上に配置されたピニオンギヤ２４、シャフト２６（図４参照）、ヘリカルギヤ２３とピニオンギヤ２４との間に配置される衝撃吸収部材２５とで構成されており、駆動モータ２０からの動力を減速する。

回動部材としての出力ギヤ１９は、弁軸１２の吸気通路１０に収容されていない他端部に弁軸１２に対して相対回転不能に固定されている。
次に、出力ギヤ１９および減速機構部２１の構成について説明する。
図４は、吸気制御用弁装置１の出力ギヤ１９および減速機構部２１周辺の断面図である。

ヘリカルギヤ２３とピニオンギヤ２４とは、ウォームギヤ２２の軸に垂直に配置されたシャフト２６に回動自在に支持されている。ピニオンギヤ２４は特許請求の範囲に記載の伝達部材に相当する。衝撃吸収部材２５は、ヘリカルギヤ２３とピニオンギヤ２４との間に、ヘリカルギヤ２３およびピニオンギヤ２４と一体となって回動可能に配置されている。衝撃吸収部材２５は略円筒状である。トルクの伝達が衝撃的に作用してしまう場合、例えば最小位置に弁体１３が固定される瞬間において、衝撃吸収部材２５が変形する捩れ作用により、ウォームギヤ２２に伝達される衝撃荷重を緩和させて、ウォームギヤ２２のねじ締め状態が発生することを防止する。弁体１３の開閉動作中は、駆動モータ２０の回転トルクが衝撃吸収部材２５を捩れ作用により撓ませているため、その反力によりギヤのバックラッシュを詰めた状態とすることができる。

出力ギヤ１９は部分歯車であり、回動中心に有底の軸穴２７が形成されている。出力ギヤ１９は軸穴２７に弁軸１２の他端部が圧入されることによって弁軸１２に固定されており、ハウジング１５に圧入されたリテーナ２８により弁軸１２の軸方向の移動が規制されている。図５（Ａ）に示す出力ギヤ１９は軸線１２ａ方向から見たときの出力ギヤ１９を模式的に示しており、図５（Ａ）に示すように出力ギヤ１９は周方向の一部の角度範囲にのみ歯が形成されている。一部の角度範囲とは、具体的には弁体１３の最小位置（閉姿勢）と開度が最大になる最大位置（開姿勢）との角度差分またはそれより僅かに広い角度差分に相当する角度範囲である。図４において出力ギヤ１９とピニオンギヤ２４とが噛み合う位置２９は、ピニオンギヤ２４から出力ギヤ１９に回動駆動力が伝達される駆動力点である。駆動力点２９は弁軸１２の軸線１２ａから離間した位置にある。

出力ギヤ１９には、軸線１２ａから離間した位置に、軸線１２ａに平行な方向に凹む穴３０が形成されている。図５（Ａ）に示すように穴３０は軸線１２ａの周方向に長い穴である。
図４に示す規制部材としてのストッパ３１は、一端がハウジング１５に固定されており、他端側が出力ギヤ１９の穴３０に収容されている。ストッパ３１は、弁体１３の最小位置で穴３０の閉方向後端側の内壁に当接して出力ギヤ１９の閉方向の回動を規制する。なお、ストッパ３１は、閉方向の回動の規制に加え、弁体１３の最大位置で穴３０の開方向後端側の内壁に当接して出力ギヤの開方向の回動を規制するようにしてもよい。
図４に示すように、ストッパ３１は、駆動力点２９と弁軸１２の軸線１２ａとの中間点と、駆動力点２９との間に設けられている。従って、駆動力点２９とストッパ３１との距離は、弁軸１２の軸線１２ａとストッパ３１との距離より短い。この結果、ストッパ３１を支点として弁軸１２に作用する力は駆動力点２９に加わる力より小さくなるので、弁軸１２の傾きを低減でき、食い付きが起き難くなる。

図４に示すように、駆動力点２９とストッパ３１とは、弁軸１２の軸線１２ａに垂直な同一平面上にある。具体的に説明すると、軸線１２ａ方向に延びる穴３０の底面は駆動力点２９まで達しており、ストッパ３１は穴３０のほぼ底面まで達している。このため、駆動力点２９とストッパ３１とはそれぞれ一部が弁軸１２の軸線１２ａに垂直な同一平面３２上にある。これにより、弁軸１２の傾きをより低減できる。

次に、弁軸１２、駆動力点２９およびストッパ３１の位置について説明する。
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、弁軸１２の軸線１２ａ方向から見たときの弁軸１２、駆動力点２９およびストッパ３１の位置の一例を示す模式図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は最小位置にある弁体１３を示しており、本実施形態では弁体１３と吸気通路１０の内壁面とのクリアランスを確保するため図示するように最小位置が僅かに開方向Ｙに傾いている。なお、最小位置は必ずしも傾いている必要はない。駆動力点２９は、弁軸１２の軸線１２ａを中心点とし、仮想平面４０を０度として、弁体１３の開方向であるＹ方向に０度から１８０度までの角度範囲に設けられている。

ここで仮想平面４０について図３に基づいて説明する。図３において、軸線１２ａから吸気通路１０の壁面まで流れ方向Ａに垂直に延びる仮想平面としては、仮想平面４０と仮想平面４１とがある。弁体１３が最小位置になるとき、弁体１３の一端５０は仮想平面４０に近づく。従って仮想平面４０は、弁体１３が最小位置になるとき弁体１３の一端５０が近づいてくる方の仮想平面である。

駆動力点２９を設ける角度位置は、仮想平面４０を０度として弁体１３の開方向に０度から１８０度までの角度範囲内であればどの角度位置であってもよい。例えば図５（Ｂ）に示すような位置に駆動力点２９が位置するようにピニオンギヤ２４やストッパ３１を配置してもよい。
ストッパ３１は駆動力点２９と弁軸１２との間に設けられているため、軸線１２ａ方向から見ると、駆動力点２９、ストッパ３１および軸線１２ａは図５（Ａ）や図５（Ｂ）に示すように一直線上に並ぶ。より具体的にいうと、駆動力点２９、ストッパ３１の当接面であって穴３０の閉方向後端側の壁面に当接する当接面、および軸線１２ａが一直線上に並ぶ。駆動力点２９、ストッパ３１の当接面、および弁軸１２の軸線１２ａがこの順で直線上に並んでいると、弁体１３が最小位置になったとき、弁軸１２には当該直線に対して弁体１３の開方向に９０度ずれた方向の力が作用する。図５（Ｂ）で具体的に説明すると、図５（Ｂ）では駆動力点２９、ストッパ３１の当接面、および弁軸１２の軸線１２ａは直線４４上に並んでいる。弁体１３を最小位置にするときピニオンギヤ２４は図５（Ｂ）に示すＸ方向に回転し、出力ギヤ１９はＺ方向に回転する。このとき出力ギヤ１９は駆動力点２９でピニオンギヤ２４からＰ方向の力を受けている。ストッパ３１は軸線１２ａと駆動力点２９との間にあるので、弁体１３が最小位置になると駆動力点２９に加わるＰ方向の力は、ストッパ３１が支点となって弁軸１２にＲ方向の力として作用する。Ｒ方向は、図５（Ｂ）から明らかなように直線４４に対してＹ方向（開方向）に９０度ずれた方向の力である。

次に、弁体１３の最小位置において食い付きを防止する作動について説明する。
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、弁体１３の最小位置において食い付きを防止する作動を説明するための模式図である。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）において弁体１３は最小位置にあり、矢印Ｙで示す方向が開方向であるとする。

図１（Ａ）に示すように、仮想平面４０を０度として駆動力点２９を０度の位置に設けた場合、弁軸１２には反時計回りに９０度方向の力Ｐ１が作用する。９０度方向の力Ｐ１は吸気の流れ方向Ａに平行な力であり、弁体１３の一端５０と吸気通路１０の壁面との距離が維持される方向の力なので、弁体１３の一端５０は吸気通路１０の壁面に近づかない。従って、一端５０が吸気通路１０の壁面に食い付き難くなり、作動不良を起き難くできる。

図１（Ｂ）に示すように、仮想平面４０を０度としてＹ方向に１８０度の位置に駆動力点２９を設けた場合、弁軸１２には２７０度方向の力Ｐ２が作用する。２７０度方向の力Ｐ２は吸気の流れ方向Ａに平行な力であり、弁体１３の一端５０と吸気通路１０の壁面との距離が維持される方向の力なので、一端５０が吸気通路１０の壁面に食い付き難くなり、作動不良を起き難くできる。

図１（Ｃ）に示すように、０度より大きく１８０度未満の角度範囲５１に駆動力点２９を設けた場合、弁軸１２には９０度より大きく２７０度未満の角度範囲５２の方向の力が作用する。９０度より大きく２７０度未満の角度の力は、弁体１３の一端５０を吸気通路１０の壁面から離間させる向きの力として作用するので、一端５０が吸気通路１０の壁面に食い付き難くなる。ただし、その力は逆に弁体１３の他端５１を吸気通路１０の壁面に近づける力としても作用する。しかしながら、他端５１は吸気通路１０の壁面までに距離があるので、他端５１が食い付くことはない。従って、作動不良を起き難くできる。

以上説明した本発明の一実施形態に係る吸気制御用弁装置１によると、ストッパ３１は駆動力点２９と弁軸１２の軸線１２ａとの中間点、または中間点と駆動力点２９との間に設けられるので、弁軸１２に作用する力を小さくでき、弁体１３の食い付きを低減できる。また、弁軸１２には弁体１３の他端５１が吸気通路１０の壁面に近づく向きの力が作用する。他端５１と吸気通路１０との距離は相対的に長いので、他端５１が吸気通路１０の壁面に近づく向きに力が作用するようにすることにより、弁体１３の食い付きをより低減できる。よって吸気制御用弁装置１によると、弁体１３の食い付きによる作動不良を防止できる。
また、吸気制御用弁装置１によると、最小位置で出力ギヤ１９の捻れが無くなり、出力ギヤ１９の信頼性が向上するという効果もある。

なお、本実施形態では回動部材としての出力ギヤ１９は部分歯車であり、伝達部材としてのピニオンギヤ２４は平歯車であるが、回動部材および伝達部材は例えばローラでもよい。また、例えば回動部材を歯車とし、伝達部材を回動部材と噛み合う直線状のラックとしてもよい。
また、本実施形態では弁体１３が弁軸１２の軸線１２ａを挟んで非対称である場合を例に説明したが、弁体は非対称でなくてもよい。その場合は、吸気通路が軸線１２ａを挟んで非対称であることにより、弁体の一端と吸気通路の壁面までの距離が、弁体の他端と吸気通路の壁面までの距離より短くなる。

本発明の一実施形態に係る駆動力点の位置を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る吸気制御用弁装置の模式図。 本発明の一実施形態に係る弁体の模式図。 本発明の一実施形態に係る吸気制御用弁装置の断面図。 本発明の一実施形態に係る吸気制御用弁装置の模式図。

符号の説明

１ 吸気制御用弁装置、１２ 弁軸、１２ａ 軸線、１３ 弁体、１９ 出力ギヤ（回動部材）、２０ 駆動モータ（アクチュエータ）、２４ ピニオンギヤ（伝達部材）、２９ 駆動力点、３１ ストッパ（規制部材）、４０ 仮想平面、５０ 一端、５１ 他端

Claims (4)

1. 吸気通路を形成するボディに回動可能に軸支され、一端部が前記吸気通路に吸気の流れ方向に垂直な姿勢で収容されている弁軸と、
   前記一端部に固定され前記吸気通路を流れる吸気流量を制御する弁体であって、前記弁体の開度が最小になる最小位置において、前記弁軸の軸線に垂直な方向の前記弁体の一端と前記吸気通路の壁面との距離が、前記弁体の他端と前記吸気通路の壁面との距離より短い弁体と、
   前記弁軸の前記吸気通路に収容されていない他端部に固定される回動部材と、
   前記弁軸から離間した駆動力点で前記回動部材にアクチュエータの回動駆動力を伝達する伝達部材と、
   前記弁体の前記最小位置で前記回動部材に当接して前記回動部材の回動を規制する規制部材とを備え、
   前記規制部材は前記駆動力点と前記軸線との中間点に設けられるか、または前記中間点と前記駆動力点との間に設けられ、
   前記軸線方向から見たとき、前記軸線を示す中心点を通り前記流れ方向に垂直な仮想平面を示す直線を前記中心点で分け、前記弁体の開度が最小となる最小位置に前記弁体があるとき前記弁体の前記一端が近い方の前記直線を基準線とすると、前記駆動力点と前記中心点とを結ぶ線分と前記基準線とのなす角度は、前記弁体の開方向に０度から１８０度までの角度範囲内であることを特徴とする内燃機関の吸気制御用弁装置。
2. 前記駆動力点と前記規制部材とは前記軸線に垂直な同一平面上にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御用弁装置。
3. 前記回動部材および前記伝達部材は歯車であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸気制御用弁装置。
4. 前記弁体は、前記最小位置が前記仮想平面から所定角度ずれていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の内燃機関の吸気制御用弁装置。
   

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