JP4813107B2 - 排気ガス再循環制御弁装置 - Google Patents

Description

この発明は弁の開閉がステッパモータの駆動により行われる制御弁装置、特にエンジンの排気ガスを再度エンジンの燃焼室に戻して排ガスに含まれる窒素酸化物濃度を低減するエンジンシステムに搭載される排気ガス再循環制御弁装置（以下、ＥＧＲ弁と略称する）に関するものである。

この種の排気ガス再循環制御弁装置は、制御手段からの駆動指令によりステッパモータを駆動するときは、ステッパモータのモータ軸を予めイニシャライズ動作（初期位置決め）をすることが必要である。このイニシャライズ動作を確実に行うためには、特許文献１に示されているように、ステッパモータのモータ軸がモータエンドとなるステップ数（例えば５２）以上のステップ数（例えば６０）がステッパモータに与えられるようになっている。そして、このイニシャライズ動作過程中にステッパモータのロータの回転に同期してモータ軸の軸部位置決め部がロータ位置決め部に繰り返し衝突して作動音を発生させる。

そこで、特許文献２に示されるものは、ステッパモータを駆動させて弁駆動を行ったときは、その駆動時におけるステップ数を検出して記憶し、イニシャライズ動作時には記憶しているステップ数だけ閉弁動作を行い、不必要なステップ数によるイニシャライズ動作を無くし、このイニシャライズ動作が迅速に完了するようにしている。

ＰＣＴ／ＷＯ９９／４３０７２ 特公平５−５４３号公報

従来のＥＧＲ弁は以上のように構成されているので、走行中に制御手段の電源電圧が瞬断したり、電源が一時遮断された場合は、供給されたステップ数による目標値での停止ができず、目標値を超えて停止する場合がある。また、保持時での電源供給カットでは停止位置の保持ができないため、供給され記憶されたステップ数による位置とは異なる位置で停止する場合がある。従って、記憶しているステップ数で開弁する位置より大きく開弁している場合は、記憶したステップ数でイニシャライズ動作を行っても弁は全閉位置まで移動しない、このような場合、イニシャライズ動作は正確に行われないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためなされたもので、イニシャライズ動作時における音発生を低減するとともに、イニシャライズ動作を迅速且つ正確に行うことができる制御弁装置を提供することを目的とする。

この発明に係る排気ガス再循環制御弁装置は、流入通路及び流出通路を有するハウジングと、流入通路と流出通路との間に設けられた弁座と、この弁座に当接する弁が一端部に固定された弁軸と、弁を弁座に押圧するように弁軸を付勢する押圧手段と、押圧手段の押圧力に逆らって弁軸を押圧するステッパモータのモータ軸と、ステッパモータを制御する制御手段を備え、この制御手段は車速がある設定値以下か以上か、エンジン回転数等の運転条件に基づいてイニシャライズ動作がエンジン始動モードかそれ以外のモードかを判定するモード判定手段と、エンジン始動モードの判定信号を受けることにより、最大ステップ数より少ないステップ数を出力する第１のステップ数出力手段と、エンジン始動モード以外の判定信号を受けることにより、最大ステップ数またはそれ以上のステップ数を出力する第２のステップ数出力手段と、目標開度設定手段から目標開度を設定する信号を受けるとともに、第１のステップ数出力手段、第２のステップ数出力手段から受けたステップ数のモータ駆動信号を発生してステッパモータを駆動するモータ駆動信号発生手段を有することを特徴とする。

この発明によれば、エンジンがエンジン始動モード時であれば、最大ステップ数（弁を全開位置から全閉位置まで駆動させるためにモータに供給するステップ数）より少ないステップ数でステッパモータをイニシャライズ動作させるように構成したので、イニシャライズ動作を短時間に行うことができるとともに、ステッパモータの動作ステップ数が少ないため、モータ軸の軸部位置決め部がロータ位置決め部との衝突回数も少なく、その衝突に伴う音発生も少なくなる効果がある。また、エンジン始動モード以外の時は最大ステップ数またはそれ以上のステップ数で前記ステッパモータをイニシャライズ動作させるように構成したので、電源が一時遮断されて目標値での停止ができず、目標値を超えて停止する場合においても、確実に全閉位置までイニシャライズ動作することができるという効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を図面について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の制御弁装置としてのＥＧＲ弁を示す縦断面図である。このＥＧＲ弁は弁本体1と、この弁本体1の上部に取り付けられたステッパモータ２とを備えている。弁本体1は、排気ガス流入通路３及び排気ガス流出通路４を有するハウジング５と、排気ガス流入通路３と排気ガス流出通路４との間に設けられた弁座６と、 この弁座６に当接する弁７と、この弁７が一端部に固定された弁軸８と、ハウジング５と弁軸８との間に設けられ該弁軸を摺動自在に支持した軸受９と、この弁軸８の他端部に固定されたばね受１０とハウジング５とばね受１０との間に圧縮して設けられたコイルばね１１とを備えている。

ステッパモータ２は、モータケース２０と、このモータケース２０に固定されたモータ蓋２１と、モータケース２０内に設けられ軸受２７で回転自在に支持されたロータ２８と、このロータ２８の外側に設けられ該ロータを回転させるステ一夕３２とを備えている。

ロータ２８は、モータ蓋２１に固定された軸受２２と、この軸受２２により軸部２４が軸線方向に摺動自在に支持されているとともに雄ねじ部２５を有するモータ軸２３と、雄ねじ部２５に蝶合した雌ねじ部２６と、この雌ねじ部２６の外側に設けられＳ極のマグネットとＮ極のマグネットとが交互に配列されて円筒状のマグネット部３０とを備えている。

図２に示すようにモータ軸２３の軸部２４は断面が欠円形状であり、モータ軸２３は軸線方向のみ移動できるようになっている。また、図３に示すようにその軸部２４の上部には凸状の軸部位置決め部２９が形成されている。雌ねじ部２６の下端部の内周面には軸部位置決め部２９と当接するロータ位置決め部３１が一対に形成されている。

図４はステッパモータ２のステップ数（通電パターンの切り替え数）とＥＧＲ弁を流れる流量との関係を示しており、この図からステップ数と流量とは比例関係にあることが分かる。図５はステッパモータの一部を切り欠いて示した斜視図、図６はステッパモータの内部の説明図である。

上記ロータ位置決め部３１が軸部位置決め部２９に当接することでモータ軸２３の上限位置が規制されている。つまり、雌ねじ部２６の回動に伴い該雌ねじ部と螺合したモータ軸２３が上動し、ロータ位置決め部３１が軸部位置決め部２９に当接した後は、雌ねじ部２６は回動できず（モータ軸２３は軸受２２により軸線方向にしか移動できず、回勤しない）、それ以降は モータ軸２３が上方向に移動できないようになっている。

前記ステ一夕３２は、上側コイル４１とこの上側コイルの下側に設けられた下側コイル４２と、上側コイル４１の上面に取り付けられた第1相ステ一夕部４３と、上側コイル４１の下面に取り付けられた第２相ステ一夕部４４と、下側コイル４２の上面に取り付けられた第３相ステ一夕部４５と、下側コイル４２の下面に取り付けられた第４相ステ一夕部４６とを備えている。

各相ステ一夕部４３，４４，４５，４６の形状は環状であり、またそれぞれの内周部にはコイル４１，４２側に折曲された爪部４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａが形成されている。第1相ステ一夕部４３の爪部４３ａは第２相ステ一夕部４４の爪部４４ａと噛み合うように配設されており、第３相ステ一夕部４５の爪部４５ａは第４相ステ一夕部４６の爪部４６ａと噛み合うように配設されている。

上記構成のＥＧＲ弁では、上側コイル部４１、下側コイル部４２に通電することで、各相のステ一夕部４３，４４，４５，４６には磁極が発生し、爪部４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａにはステ一夕部４３，４４，４５，４６と同極の磁極が生じる。上側コイル部４１では電流方向が切り替えられ、同様に下側コイル部４２に通電する電流の方向も切り替えられ、４つの電流方向の通電パターンに切り替えられることで、各相のステ一夕部４３，４４，４５，４６にはその都度発生する磁極が切り替わるようになっている。

そして、爪部４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａで生じた磁界の中で、マグネット部３０との間で作用する磁力が釣り合う位置まで、マグネット部３０及び雌ねじ部２６は回動し、その位置で保持される。また、上記通電パターンの切り替え（ステップ）順序を逆にすることで、マグネット部３０及び雌ねじ部２６は逆回動する。マグネット部３０及び雌ねじ部２６の回動に伴い、雌ねじ部２６に螺合した雄ねじ部２５も回動し、モータ軸２３は軸線方向に移動する。

上述したＥＧＲ弁においては、上述したステッパモータの動作によりモータ軸２３が下方向に移動したときには、モータ軸２３は途中からは圧縮コイルばね１１の弾性力に逆らって、弁軸８の頂部を押圧して弁軸８を下動させ、弁７を弁座６から離間させることにより、流入通路３と流出通路４とは連通し、排気ガスは流入通路３から流出通路４に流れる。

また、マグネット部３０及び雌ねじ部２６を逆回動させることにより、モータ軸２３が軸線上方向に移動し、弁軸８も圧縮コイルばね１１の弾性力によりその頂部が軸部２４に当接しながら上動する。そして、弁７が弁座６に当接することで弁本体１は閉じ、流入通路３と流出通路４とは遮断されて排気ガスは流れない。さらに、マグネット部３０及び雌ねじ部２６を逆回動し続けると、モータ軸２３はさらに上動し、軸部２４は弁軸８から離間する。

ところで、制御手段としてのエンジン コントロール ユニット（以下、ＥＣＵと略称する）からの命令通りにステッパモータ２を駆動させるためには、ステッパモータ２のモータ軸２３を予めイニシャライズ動作する必要がある。

このイニシャライズ動作を確実に行うために、従来は前記特許公報１に記述されているように、如何なる開弁位置で停止しても必ず全閉位置までイニシャライズ動作が行われるように、最大ステップ数またはそれ以上のステップ数をステッパモータ２に与えられるようになっている。そして、モータ軸２３の軸部２４が弁軸８の頂部から所定の距離離間し、モータ軸２３がモータエンドの位置に達した後、さらに上側コイル４１、下側コイル４２に通電して各相のステ一夕部４３，４４，４５，４６に磁極が生じ、マグネット部３０及び雌ねじ部２６が回動してモータ軸２３が上方向に移動しようとしても、ロータ位置決め部３１が軸部２４の軸部位置決め部２９に当接しており、マグネット部３０及び雌ねじ部２６はそれ以上回動せず、モータ軸２３がモータエンドの位置に達した後は、それ以降、雌ねじ２６側には移動しない。

ここで、モータ軸２３がモータエンドに達した後のマグネット部３０の動きを図７に基づき説明する。 図７（ａ）ないし図７（ｄ）はモータ軸２３を雌ねじ部２６側に移動させるときの各ステ一夕部４３，４４，４５，４６の励磁変化を示しており、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）及び図７（d）の順序で各ステ一夕部４３，４４，４５，４６は励磁変化し、図７（ｄ）の後は図７（ａ）に戻る。図７（ａ）ではモータエンドにモータ軸２３が達した瞬間の各ステ一夕部４３，４４，４５，４６の励磁状態及びマグネット部３０の位置を示す。

図７（b）は、1ステップだけマグネット部３０に矢印Ａの方向に回動力を与えるように各ステ一夕部４３，４４，４５，４６を励磁させた状態を示す。マグネット部３０にはＡ方向に力が作用するが、ロータ位置決め部３１が細部位置決め部２９に当接してマグネット部３０は回動できない。

図７（ｃ）はさらに、1ステップだけマグネット部３０に矢印Ａ方向に回動力を与えるように各ステ一夕部４３，４４，４５，４６を励磁させた状態を示す。マグネット部３０にはさらにＡ方向に力が作用するが、ロータ位置決め部３１が軸部位置決め部２９に当接してマグネット部３０は回動できない。

図７（ｄ）はさらに、1ステップだけ各ステータ部４３，４４，４５，４６を励磁させた状態を示す。この状態のときには、ステ一夕部４３，４４，４５，４６とマグネット部３０との間に作用する磁気力により、マグネット部３０は矢印Ｂの方向に1ステップ分回動して安定する。

さらに、1ステップ分矢印Ａ方向にロータ２８を回動させる方向にステッパモータ２を励磁させたときには、各ステ一夕部４３，４４，４５，４６の励磁状態及びマグネット部３０の位置は図７（a）に示すようになり、マグネット部３０は軸部位置決め部２９に衝突する方向に移動する。以降、イニシャライズ動作過程では以上の動作が繰り返され、イニシャライズ動作終了時には、ステ一夕部４３，４４，４５，４６の励磁状態が図７（a）に示す状態でモータ軸２３はモータエンドに位置する。

ＥＧＲ弁は上記のように構成されており、イニシャライズ動作過程中、図７（d）に示した状態から図７（ａ）に示した状態にマグネット部３０が移る際に、マグネット部３０と同期して回動する雌ねじ部２６のロータ位置決め部３１が軸部位置決め部２９に衝突し、音が発生する。特に、ステッパモータ２のイニシャライズ動作はエンジンの運転を停止させた直後、 もしくは次回の運転直前の静寂な時に行われるため、衝突音が車内の運転手および同乗者に聞こえることがある。

図８は上記ステッパモータ２を駆動するＥＣＵ５０を示すブロック図であり、図示しないセンサにより検出した各種エンジン状態検出結果を入力し目標開度を設定する目標開度設定手段５１、エンジンのクランキング時等の条件に基づいてイニシャライズ動作の要否を判定するイニシャライズ動作の要否判定手段５２、例えば車速が５Ｋｍ以下か５Ｋｍ以上か、エンジン回転数等の運転条件に基づいてイニシャライズ動作がエンジン始動モードかそれ以外のモードかを判定するモード判定手段５３、このモード判定手段５３からエンジン始動モードの判定信号を受けることにより、最大ステップ数より少ないステップ数を出力する第１のステップ数出力手段５４、モード判定手段５３からエンジン始動モード以外の判定信号を受けることにより、最大ステップ数またはそれ以上のステップ数を出力する第２のステップ数出力手段５５、目標開度設定手段５１から目標開度を設定する信号を受けて対応するモータ駆動信号を発生するとともに、第１、第２のステップ数出力手段５４、５５から受けたステップ数のモータ駆動信号を発生するモータ駆動信号発生手段５６とを有する。

このＥＣＵ５０は上記の構成であるから、自動的にイニシャライズ動作が必要か、また、エンジン始動モードであるかそれ以外のモードであるかを判断して、イニシャライズ動作に適切なステップ数を決定することができる。従って、特許文献２に示された従来装置で必要とされていたステップ数積算手段、その積算したステップ数を記憶するメモリ手段、このメモリ手段から読み出したステップ数に基づきイニシャライズ動作のステップ数を演算するステップ数演算手段等を不要とすることができる。

上記の構成であるから、目標開度設定手段５１は入力した各種エンジン状態検出結果に基づいて弁７の目標開度設定を行い、この目標開度が得られる指令を出力する。モータ駆動信号発生手段５６は目標開度設定手段５１から与えられた指令に基づき目標開度が得られるモータ駆動信号をステッパモータ２に入力し、このモータ駆動信号を受けて作動したステッパモータ２の雌ねじ部２６の回転によって、雄ねじ２５も回動し、モータ軸２３を軸線方向に移動させる。この軸線方向に移動したモータ軸２３はその移動途中から圧縮コイルばね１１の弾性に逆らって、弁軸８を移動させ、弁７を弁座６から離間させて流入通路３と流出通路４とを連通させ、排気ガスを流入通路３から流出通路４へ流す。

一方、イニシャライズ動作時にエンジン始動モードの判定信号に基づき、第１のステップ数出力手段５４から最大ステップ数より少ないステップ数の指令を受けたモータ駆動信号発生装置５６は、その指令に対応するモータ駆動信号をステッパモータ２に入力し、少ないステップ数で迅速にイニシャライズ動作を完了する。この結果、ロータ位置決め部３１が軸部位置決め部２９に衝突する回数も少なく、音の発生数も少なくなるという効果がある。

また、エンジン始動モード以外の判定信号に基づき、第２のステップ数出力手段５５から受けた最大ステップ数またはそれ以上のステップ数に対応するモータ駆動信号をステッパモータ２に入力することにより、弁７が全開位置にあったとしても確実に全閉位置まで移動させるイニシャライズ動作を行うことができる。この結果、走行中に制御手段の電源電圧の瞬断、電源が一時遮断された後の制御復活時等のイニシャライズ動作であっても、イニシャライズ動作完了時には弁７を全閉状態にすることができるという効果が得られる。

この発明の制御弁装置としてのＥＧＲ弁を示す縦断面図である。 図1のII−II線に沿う断面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 制御弁装置のステップ数と流量との関係を示す特性図である。 ステッパモータの一部を切り欠いて示した斜視図である。 ステッパモータの内部の説明図である。 モータ軸がモータエンドに達した後のマグネット部の動きを説明する図である。 ＥＣＵの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 弁本体、２ ステッパモータ、３ 流入通路、４ 流出通路、５ ハウジング、６ 弁座、７ 弁、８ 弁軸、１１ コイルばね（押圧手段）、２３ モータ軸、５０ ＥＣＵ（制御手段）。

Claims (1)

1. 流入通路及び流出通路を有するハウジングと、前記流入通路と前記流出通路との間に設けられた弁座と、この弁座に当接する弁が一端部に固定された弁軸と、前記弁を前記弁座に押圧するように前記弁軸を付勢する押圧手段と、前記押圧手段の押圧力に逆らって前記弁軸を押圧するステッパモータのモータ軸と、前記ステッパモータを制御する制御手段を備え、この制御手段は車速がある設定値以下か以上か、エンジン回転数等の運転条件に基づいてイニシャライズ動作がエンジン始動モードかそれ以外のモードかを判定するモード判定手段と、エンジン始動モードの判定信号を受けることにより、最大ステップ数より少ないステップ数を出力する第１のステップ数出力手段と、エンジン始動モード以外の判定信号を受けることにより、最大ステップ数またはそれ以上のステップ数を出力する第２のステップ数出力手段と、目標開度設定手段から目標開度を設定する信号を受けるとともに、前記第１のステップ数出力手段、前記第２のステップ数出力手段から受けたステップ数のモータ駆動信号を発生して前記ステッパモータを駆動するモータ駆動信号発生手段を有することを特徴とする排気ガス再循環制御弁装置。

Images