JP5590075B2

JP5590075B2 - エンジン渦流発生装置

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Publication number: JP5590075B2
Application number: JP2012147844A
Authority: JP
Inventors: 秀樹林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2032-06-29
Also published as: JP2014009645A; US9228547B2; CN103511061A; CN103511061B; US20140000545A1

Description

本発明は、エンジン（燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関）の運転状態に応じて気筒内（シリンダ内）に渦流（タンブル流、スワール流等）を生じさせるエンジン渦流発生装置に関する。

〔従来技術〕
エンジン渦流発生装置の渦流発生バルブとして、全開時の圧力損失を抑える目的で、バタフライバルブではなく、回動軸が弁体の端に設けられる片持ちバルブ（ヒンジ型バルブ）や、回動軸が弁体から離れた位置に配置されるロータリバルブを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

〔従来技術の問題点〕
しかし、弁体の中央部に回動軸を配置したバタフライバルブとは異なり、片持ちバルブやロータリバルブは、吸気通路（吸気ポート、インマニポート等）を流れる吸気による回動トルク（以下、吸気負荷トルクＡと称す）を受ける。
具体的な一例として、片持ちバルブの場合、吸気負荷トルクＡは、全閉時（開度０％）に最大になり、全開時（開度１００％）に最小になる（図２参照）。

このように、渦流発生バルブが吸気流によって大きな吸気負荷トルクＡを受けるため、電動アクチュエータを無通電にした状態では、開度保持が困難になる。

特に、近年では、エンジンの多様な運転変化に適した渦流を得るために、渦流発生バルブを中間開度に設定する要求が増加している。
中間開度ではメカストッパを用いて渦流発生バルブの開度を保持することができない。このため、電動アクチュエータを無通電の状態で中間開度に保持することは、さらに困難になる。

特許第４５５６８６４号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、渦流発生バルブが吸気負荷トルクＡを受けても、電動アクチュエータの無通電状態で開度保持が可能なエンジン渦流発生装置の提供にある。

本発明は、渦流発生バルブに与えられる吸気負荷トルクＡを、キャンセルスプリングによるキャンセルトルクＣによって抑えるため、渦流発生バルブまたは電動アクチュエータと固定部材との間に設けられ、吸気負荷トルクＡとは逆方向の回動トルクを渦流発生バルブに与えるキャンセルスプリングを備え、「渦流発生バルブに作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」を「モータ逆駆動トルクＢ」より小さくすべく、吸気負荷トルクＡ、モータ逆駆動トルクＢ、およびキャンセルトルクＣが、Ａ−Ｂ＜Ｃ＜Ｂの関係を満足するようにしている。
これにより、電動アクチュエータの無通電状態で、渦流発生バルブが吸気負荷トルクＡを受けても、渦流発生バルブの開度保持が可能になる。

具体的には、例え中間開度であっても、電動アクチュエータの無通電状態による開度保持が可能になる。
また、電動アクチュエータの無通電状態で開度保持が可能になるため、動作頻度が抑えられて耐久性を向上できるとともに、電力消費を抑えることができる。
さらに、電動モータから渦流発生バルブに至る内部ガタをキャンセルスプリングによって消すことができる。

片持ちバルブを用いたエンジン渦流発生装置の要部説明図である（実施例１）。片持ちバルブを用いた場合における吸気負荷トルクＡと開度の関係を示す説明図である（実施例１）。片持ちバルブを用いた場合における吸気負荷トルクＡ、モータ逆駆動トルクＢ、キャンセルトルクＣの説明図である（実施例１）。ロータリバルブを用いたエンジン渦流発生装置の要部説明図である（実施例２）。ロータリバルブを用いた場合における吸気負荷トルクＡと開度の関係を示す説明図である（実施例２）。ロータリバルブを用いた場合における吸気負荷トルクＡ、モータ逆駆動トルクＢ、キャンセルトルクＣの説明図である（実施例２）。

図面を参照して「発明を実施するための形態」を説明する。
エンジン渦流発生装置は、
・吸気通路１（吸気ポート、インマニポート等）内に配置されてエンジンの気筒内に渦流を生じさせる渦流発生バルブ２（ＴＣＶ、ＳＣＶ等）と、
・この渦流発生バルブ２を駆動する電動アクチュエータと、
を備えて構成される。

そして、この実施形態のエンジン渦流発生装置は、渦流発生バルブ２に与えられる吸気負荷トルクＡを、キャンセルスプリング３によるキャンセルトルクＣによって抑えるものであり、渦流発生バルブ２が開度変化しても「渦流発生バルブ２に作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」を「モータ逆駆動トルクＢ」より小さくする。

具体的に、
・吸気の流れが渦流発生バルブ２に与える回動トルクを吸気負荷トルクＡ、
・渦流発生バルブ２に回動トルクを与えて停止中の電動アクチュエータの電動モータを回すのに必要な回動トルクをモータ逆駆動トルクＢ、
・キャンセルスプリング３が渦流発生バルブ２に与える回動トルクをキャンセルトルクＣ、
の関係は、
Ａ−Ｂ＜Ｃ＜Ｂ
に設けられるものである。

以下において本発明が適用された具体的な一例（実施例）を図面を参照して説明する。実施例は具体的な一例を開示するものであって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。
なお、以下の実施例において、上記［発明を実施するための形態］と同一符号は、同一機能物を示すものである。

［実施例１］
図１〜図３を参照して実施例１を説明する。
タンブル流発生装置（エンジン渦流発生装置の一例）は、車両走行用として車両に搭載されたエンジンの運転状態（エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン暖気状態など）に応じて、エンジンの気筒内に適したタンブル流を生じさせる装置であり、
・エンジンの気筒内に渦流を生じさせるＴＣＶ２と、
・このＴＣＶ２の開度変更を行う電動アクチュエータと、
・ＴＣＶ２の開度を検出する開度センサと、
・この電動アクチュエータを通電制御するＥＣＵとを備える。

ＴＣＶ２は、タンブル流コントロールバルブの略であり、渦流発生バルブの一例である。このＴＣＶ２は、各燃焼室に通じるそれぞれの吸気通路１（具体的には、シリンダヘッドに形成される吸気ポート、または吸気ポートに接続されるインテークマニホールドの吸気下流側、あるいは吸気ポートとインテークマニホールドの間に配置された通路部材など）の内部に配置されて吸気の偏りを生じさせる偏流発生バルブである。

ＴＣＶ２は、
・吸気通路１の一部（例えば、上部等）を少しだけ開口させた閉塞状態である全閉（開度０％）と、
・吸気通路１を最大に開いた全開（開度１００％）と、
の間で開度変化可能な弁体であり、固定部材（例えばバルブハウジング）に対して軸受を介し回転自在に支持された回動軸４（シャフト）にネジ、カシメ、圧入等の固定技術を用いて固定されたものである。

この実施例における具体的なＴＣＶ２は、図１に示すように、片持ちバルブである。
片持ちバルブは、板状を呈する弁体の端に回動軸４が設けられたヒンジ型バルブ（ドア型バルブ）であり、回動軸４が吸気通路１の壁面に配置されるため、全開時の圧力損失を抑えることができる。

電動アクチュエータは、少なくとも、通電により回転トルクを発生する電動モータを用いるものであり、この実施例では電動モータの回転トルクを増幅して回動軸４に伝達する減速機を備えて構成される。

この実施例の電動モータは、通電方向が切り替わることで回転方向が切り替わるとともに、通電量に応じた回転トルクを発生するＤＣモータである。
この実施例の減速機は、複数のギヤの組み合わせによって電動モータの出力トルク（回転トルク）を増幅して回動軸４に伝えるものであり、減速機の最終ギヤがＴＣＶ２の回動軸４に結合されるものである。

具体的な減速機は、
・電動モータと一体に回転するモータギヤと、
・このモータギヤによって回転駆動される中間ギヤと、
・この中間ギヤによって回転駆動される最終ギヤと、
を備えて構成される。

例えば、モータギヤは、電動モータのロータ軸に固定された小径のウォームギヤである。
中間ギヤは、大径のヘリカルギヤと小径のスパーギヤが同芯で設けられた２重歯車であり、固定部材（バルブハウジング等）により支持される支持軸によって回転自在に支持される。そして、ヘリカルギヤがモータギヤと常に噛合し、スパーギヤが最終ギヤと常に噛合する。なお、ヘリカルギヤとスパーギヤの間に、振動吸収用のクッション材（ゴム材）が介在されるものであっても良い。
最終ギヤは、ＴＣＶ２の回動軸４の端部に固定される大径の外歯歯車であり、モータギヤ（ウォームギヤ）→ヘリカルギヤ→スパーギヤ→最終ギヤの順で減速により増幅された回転トルクがＴＣＶ２に伝達される。

開度センサは、回動軸４の回転角度を検出することでＴＣＶ２の開度を検出するポジションセンサであり、回動軸４の回転角度（ＴＣＶ２の開度）に応じた開度信号をＥＣＵに出力する。
開度センサの具体的な一例は、２つの部材の相対回転を非接触で検出する磁気型センサであり、
・回動軸４と一体に回動する磁束発生部と、
・例えば減速機等を収容するハウジングの開口部を閉塞するカバーに設けられて磁束発生部より与えられる磁束変化を検出する磁気検出部（ホールＩＣ等）と、
で構成される。

ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略）は、エンジンの運転状態（アクセルなど乗員の操作量を含む）に応じてエンジン制御を行なうものであり、ＴＣＶ２の開度制御（即ち、電動モータの通電制御）もＥＣＵによって行なわれる。
ＥＣＵは、エンジンの運転状態に応じた各種の演算を行なう電子制御部の他に、この電子制御部で算出された制御信号に基づいて電動モータに駆動電圧を与えるドライブユニット（ＥＤＵ）を備える。

具体的にＥＣＵは、演算処理を行なうＣＰＵ、各種プログラムの記憶やセンサデータ等の保存を行なうメモリ（記憶手段）などを含んで構成される周知のマイクロコンピュータを用いた制御回路であり、エンジンの運転状態に応じてＴＣＶ２の開度制御（電動モータの通電制御）を行なうプログラム（ＴＣＶ制御プログラム）が搭載されている。

このＴＣＶ制御プログラムは、エンジンの運転状態に応じたＴＣＶ２の目標開度を求め、開度センサが検出するＴＣＶ２の検出開度（実開度）と、ＥＣＵが求めた目標開度とが一致するように、電動モータを通電制御するものであり、実開度が目標開度と一致したら、次に目標開度が変化するまでの間、電動アクチュエータを無通電の状態にして、ＴＣＶ２の開度を保持するように設けられている。
即ち、全閉、全開、中間開度のいずれの開度であっても、電動アクチュエータを無通電の状態でＴＣＶ２の開度保持を行うものである。

具体的に、電動アクチュエータが無通電の時、ＴＣＶ２に回動トルクを与えて、ＴＣＶ２から減速機を介して電動モータを回すには、モータ逆駆動トルクＢが必要になる。
モータ逆駆動トルクＢは、
（ｉ）電動モータのコギングトルクに減速機の減速比をかけたディテントトルク、
（ｉｉ）減速機の出力側（即ち、ＴＣＶ２側）からモータギヤ（ウォームギヤ）を回すのに必要なトルク、
の一方であり、以下では、モータ逆駆動トルクＢがディテントトルクの例を説明する。

ここで、ディテントトルクを説明する。
この実施例の電動モータは、永久磁石を用いたＤＣモータであり、ロータが永久磁石の磁気吸引力によるコギングトルクを受ける。このため、ロータ軸を回すには、コギングトルクより大きな回動トルクをロータ軸に加える必要がある。

また、この実施例では、上述したように、電動モータとＴＣＶ２との間に減速機が介在される。このため、ＴＣＶ２に回動トルクを付与して電動モータを回すには、上述したコギングトルクに、減速機の減速比をかけた回動トルク（即ち、ディテントトルク）が必要になる。
このように、ディテントトルクは、電動モータのコギングトルクに減速機の減速比をかけた値として求められる。

一方、この実施例のＴＣＶ２は、図１に示すように、片持ちバルブであるため、吸気通路１を流れる吸気による吸気負荷トルクＡを受ける。
この実施例のように、ＴＣＶ２が片持ちバルブの場合、図２に示すように、吸気負荷トルクＡは、全閉時（開度０％）に最大になり、全開時（開度１００％）に最小になる。

このように、ＴＣＶ２が吸気通路１を流れる吸気流によって大きな吸気負荷トルクＡを受ける。
このため、図３（ａ）に示すように、ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡが、上述したモータ逆駆動トルクＢ（ディテントトルク）より大きくなると（Ａ＞Ｂ）、電動アクチュエータの無通電状態では、ＴＣＶ２の開度保持ができなくなる。

そこで、この実施例では、図１に示すように、吸気負荷トルクＡとは逆方向のキャンセルトルクＣをＴＣＶ２に与えるキャンセルスプリング３を設けている。即ち、この実施例のキャンセルスプリング３は、ＴＣＶ２に対して閉弁方向（吸気負荷トルクＡとは逆方向）の付勢力を与えるように設けられている。

キャンセルスプリング３は、渦巻バネ、コイルバネ、板バネなど、スプリングの種類を問うものではない。また、キャンセルスプリング３の一端は固定部材（バルブハウジング等）に支持されるものであり、キャンセルスプリング３の他端は図１に示すように直接ＴＣＶ２に結合されるものであっても良いし、回動軸４に結合されるものであっても良いし、減速機の最終ギヤに結合されるものであっても良い。即ち、キャンセルスプリング３は、吸気負荷トルクＡとは逆方向のキャンセルトルクＣをＴＣＶ２に与えるバネ部材であれば構成はいかなるものであっても良い。

キャンセルスプリング３は、図３（ｂ）に示すように、ＴＣＶ２の全開度範囲（０％〜１００％）において「ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」を「モータ逆駆動トルクＢ」より小さくするように設定されている。

具体的に、吸気負荷トルクＡ、モータ逆駆動トルクＢ、キャンセルトルクＣの関係が、Ａ−Ｂ＜Ｃ＜Ｂ
を満足するように設けられるものであり、ＴＣＶ２の全開度範囲（０％〜１００％）において「ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」が「モータ逆駆動トルクＢ」より小さく設定される。

これにより、電動アクチュエータの無通電状態で、ＴＣＶ２が吸気負荷トルクＡを受けても、ＴＣＶ２の開度を保持できる。
即ち、ＴＣＶ２が全閉、全開、中間開度のいずれの開度であっても、電動アクチュエータの無通電状態で、ＴＣＶ２の開度を保持できる。

具体的な一例として、この実施例では、電動モータにおけるコギングトルクの発生間隔（角度）と減速機の減速比の関係により、ＴＣＶ２の「開度１°づつ」に対して「１箇所づつ」のディテントトルクによるＴＣＶ２の停止位置が設定されている。
一方、ＥＣＵのＴＣＶ制御プログラムは、エンジンの運転状態に応じてＴＣＶ２を１°単位の目標開度（ディテントトルクによるＴＣＶ２の停止位置）に設定するものであり、実開度が目標開度と一致したら、次に目標開度が変化するまでの間、電動アクチュエータを無通電にして、ＴＣＶ２の開度を保持するように設けられている。
この構成により、この実施例では、ＴＣＶ２の全閉〜全開の全開度範囲において、ＴＣＶ２の開度を１°毎の中間開度に設定できるとともに、電動アクチュエータを無通電の状態にして、ＴＣＶ２の開度を１°毎で保持することができる。もちろん、この数値は一例であり、適宜変更可能なものである。

また、この実施例では、電動アクチュエータの無通電状態で開度保持が可能になるため、電動アクチュエータの動作頻度が抑えられる。その結果、電動アクチュエータの耐久性を向上できるとともに、電動アクチュエータの電力消費を抑えることができる。
さらに、電動モータからＴＣＶ２に至る内部ガタをキャンセルスプリング３によって消すことができ、ガタの振動による摩耗や異音の発生を防ぐことができる。

［実施例２］
図４〜図６を参照して実施例２を説明する。なお、以下の実施例２において上記実施例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
この実施例２のＴＣＶ２は、図４に示すように、回動軸４が弁体から離れた位置に配置されたロータリバルブである。
この実施例２のように、ＴＣＶ２がロータリバルブの場合、図５に示すように、吸気負荷トルクＡは、全閉時（開度０％）に最小になり、全開時（開度１００％）に最大になる。

このように、ＴＣＶ２がロータリバルブであっても、吸気通路１を流れる吸気流によって大きな吸気負荷トルクＡを受ける。
このため、図６（ａ）に示すように、ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡが、上述したモータ逆駆動トルクＢ（ディテントトルク）より大きくなると（Ａ＞Ｂ）、電動アクチュエータの無通電状態では、開度保持が困難になる。

そこで、この実施例では、図４に示すように、吸気負荷トルクＡとは逆方向のキャンセルトルクＣをＴＣＶ２に与えるキャンセルスプリング３を設けている。即ち、この実施例のキャンセルスプリング３は、ＴＣＶ２に対して開弁方向（吸気負荷トルクＡとは逆方向）の付勢力を与えるように設けられている。
このキャンセルスプリング３は、図６（ｂ）に示すように、ＴＣＶ２の全開度範囲（０％〜１００％）において「ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」を「モータ逆駆動トルクＢ」より小さくするように設定されている。

具体的に、実施例１と同様、吸気負荷トルクＡ、モータ逆駆動トルクＢ、キャンセルトルクＣの関係が、
Ａ−Ｂ＜Ｃ＜Ｂ
を満足するように設けられて、ＴＣＶ２の全開度範囲（０％〜１００％）において「ＴＣＶ２に作用する吸気負荷トルクＡとキャンセルトルクＣの合力Ｄ」が「モータ逆駆動トルクＢ」より小さく設定される。

このように、ＴＣＶ２としてロータリバルブを用いる場合であっても、電動アクチュエータの無通電状態で、ＴＣＶ２の開度を保持することができ、実施例１と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例では、タンブル流のコントロールを行なうＴＣＶ２に本発明を適用したが、スワール流のコントロールを行なうＳＣＶに本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、モータ逆駆動トルクＢとしてディテントトルクを例に示したが、ディテントトルクとは異なる「減速機の出力側から電動モータを回すのに必要なトルク」により電動アクチュエータの無通電状態で渦流発生バルブ（実施例ではＴＣＶ２）の開度を保持するものに本発明を適用しても良い。
具体的な一例として、電動モータが永久磁石を用いたＤＣモータでなくても良い。また、減速機を用いないものであっても良い。

本発明は、点火プラグを用いるエンジン（ガソリンエンジン）に適用するものであっても良いし、圧縮着火のディーゼルエンジンに適用するものであっても良い。

１吸気通路
２ＴＣＶ（渦流発生バルブ）
３キャンセルスプリング

Claims

固定部材に回転自在に支持される回動軸（４）を有し、吸気通路（１）内に配置されてエンジンの気筒内に渦流を生じさせる渦流発生バルブ（２）と、
前記回動軸（４）を駆動する電動モータを有し、通電時に前記渦流発生バルブ（２）に回動トルクを与える電動アクチュエータと、
を備えるエンジン渦流発生装置において、
吸気の流れが前記渦流発生バルブ（２）に与える回動トルクを吸気負荷トルクＡとし、
前記渦流発生バルブ（２）に回動トルクを与えて無通電時における前記電動モータを回すのに必要な回動トルクをモータ逆駆動トルクＢとした場合、
前記渦流発生バルブ（２）または前記電動アクチュエータと前記固定部材との間に設けられ、前記吸気負荷トルクＡとは逆方向の回動トルクを前記渦流発生バルブ（２）に与えるキャンセルスプリング（３）を備えており、
このキャンセルスプリング（３）が前記渦流発生バルブ（２）に与える回動トルクをキャンセルトルクＣとした場合、このキャンセルトルクＣを用いて、前記渦流発生バルブ（２）に作用する前記吸気負荷トルクＡと前記キャンセルトルクＣの合力Ｄを、前記モータ逆駆動トルクＢより小さくすべく、
前記吸気負荷トルクＡ、前記モータ逆駆動トルクＢ、および前記キャンセルトルクＣが、
Ａ−Ｂ＜Ｃ＜Ｂ
の関係を満足していることを特徴とするエンジン渦流発生装置。
請求項１に記載のエンジン渦流発生装置において、
前記電動アクチュエータは、前記電動モータの回転出力を減速する減速機を備え、
前記モータ逆駆動トルクＢは、
前記電動モータのコギングトルクに前記減速機の減速比をかけたディテントトルク、
または、前記減速機の出力側から前記電動モータを回すのに必要なトルク、
のいずれか大きい方であることを特徴とするエンジン渦流発生装置。
請求項１または請求項２に記載のエンジン渦流発生装置において、
前記渦流発生バルブ（２）は、前記回動軸（４）が弁体の端に設けられた片持ちバルブであることを特徴とするエンジン渦流発生装置。
請求項１または請求項２に記載のエンジン渦流発生装置において、
前記渦流発生バルブ（２）は、前記回動軸（４）が弁体から離れた位置に配置されたロータリバルブであることを特徴とするエンジン渦流発生装置。