JP5626137B2 - 内燃機関のスロットル駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブをモータによって駆動する内燃機関のスロットル駆動装置に関する。

上述した内燃機関のスロットル駆動装置の一例として、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載された装置は、アクセルペダルセンサによって検出されるアクセルペダルの踏込量に応じてスロットルバルブの目標開度を定め、スロットル開度センサによって検出されるスロットルバルブの検出開度が目標開度となるように、スロットルバルブと減速ギヤを介して連結されたモータをデューティ信号によりフィードバック制御する。

この特許文献１の装置では、スロットル開度を検出するために、２つのスロットル開度センサを並列に設けた二重系のセンサシステムを採用している。このような二重系のセンサシステムにおいて、例えば、スロットルバルブのフィードバック制御（ＰＩＤ制御）に用いている方のスロットル開度センサに異常が発生し、その出力値が目標開度よりも閉側にずれると、その偏差をなくそうとして、スロットルバルブに連結されたＤＣモータが開側に駆動される。

ここで、ＤＣモータを駆動するためのデューティ信号のデューティ比は、通常、０％〜１０％程度であるが、上述したように、ＰＩＤ制御に用いるスロットル開度センサに異常が生じると、その出力値が目標開度に追従しないため、デューティ比が通常よりも大きくなる。そこで、特許文献１の装置では、２つのスロットル開度センサの出力差と、ＤＣモータを駆動するためのデューティ信号とを監視することで、ＰＩＤ制御に用いているスロットル開度センサに異常が生じたことを検知する。そして、この場合、ＰＩＤ制御に用いるスロットル開度センサを、異常が発生したスロットル開度センサではない、残りのスロットル開度センサに切り替える。このようにして、正常なスロットル開度センサを用いて、正常なＰＩＤ制御を継続して実行できるようにしている。

特開平８−３１２４３５号公報

ここで、上述した特許文献１の装置では、２つのスロットル開度センサの出力差が所定値以上となり、かつデューティ比が最大値付近となっている状態が、所定時間継続した場合に、ＰＩＤ制御に用いるスロットル開度センサに異常が発生したと判定している。

このように、スロットル開度センサに異常が発生したとき、その異常を判定するまでには所定の時間を要する。このため、この異常判定を行っている間、さらに、ＰＩＤ制御に用いるスロットル開度センサを正常なスロットル開度センサに切り替えて、新たにＰＩＤ制御が開始されるまでの間は、スロットルバルブが開側に駆動され続けて、全開位置まで達してしまい、エンジンの出力が増加してしまうという問題が生じる。

また、スロットル開度センサ以外の、例えば制御回路としてのＥＣＵや、ＤＣモータを駆動するためのモータ駆動回路に、スロットルバルブを開側に駆動し続けるような異常が生じた場合にも、同様の問題が生じる。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、スロットルバルブが開側に駆動され続けて、全開位置に達するような異常が生じた場合であっても、エンジン出力を抑制することが可能な内燃機関のスロットル駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の内燃機関のスロットル駆動装置は、内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブをモータによって駆動するものであって、
スロットルバルブの全開側の開度を制限する全開ストッパを有し、当該全開ストッパの位置を、スロットルバルブが吸気管を全開とする開度を越えて、再び吸気管の流路を絞る開度となって、内燃機関の出力を抑制する位置に設定するとともに、
スロットルバルブが、全開ストッパに当接する異常の発生を検出する異常検出手段と、
異常検出手段によって、異常の発生が検出されたとき、スロットルバルブを全閉側に駆動するとともに、スロットルバルブが吸気管を全開とする開度位置を通過し、全閉位置に達するまでに必要な所定期間、内燃機関に対して、燃料噴射カット及び点火カットの少なくとも一方を実行するフェールセーフ手段と、を備えることを特徴とする。

このような構成を採用したことにより、センサや制御回路などに、スロットルバルブが開側に駆動され続けて、全開位置に達するような異常が生じた場合であっても、その全開位置は、スロットルバルブが吸気管の流路を絞る開度となる位置に設定されているので、内燃機関（エンジン）の出力を抑制することができる。

さらに、請求項１に記載の内燃機関のスロットル駆動装置は、スロットルバルブが全開ストッパに当接する異常の発生を検出する異常検出手段と、異常検出手段によって異常の発生が検出されたとき、スロットルバルブを全閉側に駆動するとともに、スロットルバルブが前記吸気管を全開とする開度位置を通過し、全閉位置に達するまでに必要な所定期間、内燃機関に対して、燃料噴射カット及び点火カットの少なくとも一方を実行するフェールセーフ手段と、を備えている。これにより、全開ストッパによって開度が制限されているスロットルバルブを、全閉側に駆動するフェールセーフ処理の実行期間中に、スロットルバルブの開度が、吸気管を全開とする開度となっても、エンジン出力が増加してしまうことを確実に防止することができる。

本発明の実施形態による内燃機関のスロットル駆動装置の全体構成を示す概略図である。 図１の内燃機関のスロットル駆動装置の要部構成を示すブロック図である。 従来の全開ストッパの設置位置を示す説明図である。 実施形態における全開ストッパの設置位置を示す説明図である スロットルバルブの開度をフィードバック制御するための制御処理を示すフローチャートである。 異常発生時の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態による内燃機関のスロットル駆動装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態による内燃機関のスロットル駆動装置の全体構成を示す概略図である。また、図２は、内燃機関のスロットル駆動装置の要部構成を示すブロック図である。

図１及び図２において、２は吸気管であり、内燃機関１の各燃焼室に空気を供給するためのものである。吸気管２の途中には、スロットルバルブ３が設けられており、このスロットルバルブ３の開度により、内燃機関１の各燃焼室に供給される空気量が調節される。このスロットルバルブ３に対しては、スロットル開度を検出する２つのスロットル開度センサ４Ａ，４Ｂが設けられている。このように、本実施形態においては、スロットル開度センサとして、２つのスロットル開度センサ４Ａ，４Ｂからなる二重系のセンサシステムを採用している。また、図示していないが、吸気管２には、吸気管２内を流れる空気量を検出するエアフローメータが設けられている。このエアフローメータによる検出信号は、後述するＥＣＵ１０に入力される。

５はアクセルペダルであり、このアクセルペダル５にはペダル踏込量を検出するアクセルペダルセンサ６が設けられている。なお、アクセルペダルセンサ６としても、二重系のセンサシステムを採用しても良い。

７は、スロットルバルブ３の全開開度を規制する全開ストッパである。この全開ストッパ７は、スロットルバルブ３の開度が所定の全開開度に達したときに、後述するスロットルギヤ１３と係合して、スロットルバルブ３の開度を制限するものである。また、図１、図２には示していないが、スロットルバルブ３の全閉位置を規制する全閉ストッパも設けられている。なお、全開ストッパ７は、スロットルギヤ１３と係合するもの以外に、スロットルギヤ１３とスロットルバルブ３とを連結する回転軸や、スロットルバルブ３などと係合して、スロットルバルブ３の全開開度を制限するものであっても良い。

ここで、本実施形態においては、上述した全開ストッパ７により制限するスロットルバルブ３の全開開度を従来とは異ならせている。

すなわち、従来は、図３に示すように、スロットルバルブ３が吸気管２を全開とする開度に対応する位置に、全開ストッパ７が設けられていた。しかしながら、この場合、センサ４Ａ，４ＢやＥＣＵ１０などに、スロットルバルブ３が開側に駆動され続けて、全開位置に達するような異常が生じると、その異常を検出してフェールセーフ処理の実行を開始するまでの間、吸気管２が最大に開かれて、エンジン出力が増加してしまうという問題が生じる。

それに対して、本実施形態では、図４に示すように、全開ストッパ７の位置が、スロットルバルブ３が吸気管２を全開とする開度を越えて、再び吸気管２の流路を絞る開度となる位置に設定されている。このため、スロットルバルブ３が開側に駆動され続けて、全開位置に達するような異常が生じた場合であっても、従来装置においてフェールセーフ処理が開始されるまでの時間よりも短い時間で、エンジン出力の増加が終了し、その後、エンジン出力の抑制を図ることが可能になる。

１２は、スロットルバルブ３を回転駆動するアクチュエータとしてのＤＣモータである。このＤＣモータ１２は、双方向回転型の直流モータであり、モータ駆動回路１１により電流が通電されて回転する。モータ駆動回路１１は、後述するＥＣＵ１０から出力されるモータ駆動信号（デューティ信号）に応じた電流をＤＣモータ１２に通電する。

ただし、後述するように、スロットルバルブ３は、常時、リターンスプリング１４による付勢力を受けており、スロットルバルブ３の開度を維持するだけでも、そのリターンスプリング１４による付勢力に見合うだけの電流（保持デューティ信号）をＤＣモータ１２に通電する必要がある。そのため、ＤＣモータ１２の通電がオフされたり、保持デューティ信号よりも小さいデューティ比のデューティ信号が与えられたりした場合には、ＤＣモータ１２は、スロットルバルブ３が閉側に向かうように回転する。

なお、ＤＣモータ１２には、通電電流を検出する電流センサが設けられており、その電流センサによる検出信号もＥＣＵ１０に入力される。

１３はスロットルバルブ３に連結されたスロットルギヤであり、１５はＤＣモータ１２に連結されたモータギヤである。これらスロットルギヤ１３及びモータギヤ１５は減速ギヤとしての役割を果たすもので、ＤＣモータ１２の回転を減速して、スロットルバルブ３に伝える。また、１４はスロットルバルブ３を全閉ストッパにより規定される全閉位置に向けて常時付勢するリターンスプリングである。このリターンスプリング１４により、スロットルバルブ３は、ＤＣモータ１２への通電が行われていないときには、全閉位置に戻される。

１０はＥＣＵ（Electronic Control Unit:電子制御装置）であり、ＥＣＵ１０にはスロットル開度センサ４Ａ，４Ｂからのスロットル開度信号ＴＨＡ、ＴＨＢ及びアクセルペダルセンサ６からのアクセル開度信号Ａｐが入力される。ＥＣＵ１０は、これらのセンサ信号に基づいて、スロットルバルブ３の開度が目標開度となるようにフィードバック制御（ＰＩＤ制御）を行う。さらに、ＥＣＵ１０は、スロットルバルブ３が開側に駆動され続けて、全開位置に達するような異常が生じた場合に、スロットルバルブ３を強制的に閉側に向けて駆動するフェールセーフ処理を実行する。

ここで、ＥＣＵ１０によって実行されるスロットルバルブ３の開度のフィードバック制御に関して、図５のフローチャートを参照しつつ説明する。本実施形態では、２つのスロットル開度センサ４Ａ，４Ｂのうち、スロットル開度センサ４Ａからのスロットル開度信号ＴＨＡを用いてフィードバック制御を行う。なお、スロットル開度センサ４Ｂによるスロットル開度信号ＴＨＢは、主として、スロットル開度センサ４Ａに異常が生じていないか判定するために使用される。

ステップＳ２００では、図２に示すように、アクセルペダルセンサ６からのアクセル開度信号Ａｐ及びスロットル開度センサ４Ａからのスロットル開度信号ＴＨＡが、ＥＣＵ１０内のＡ／Ｄ変換器１０ａにてＡ／Ｄ変換された後に、ＥＣＵ１０内に取り込まれる。

続くステップＳ２１０では、ＥＣＵ１０は、アクセルペダルセンサ６からのアクセル開度信号Ａｐに基づいてスロットル開度指令値（目標開度）θｃｍｄを算出する。そして、ステップＳ２２０において、スロットル開度指令値θｃｍｄとＡ／Ｄ変換されたスロットル開度信号θＡとの偏差が０以上であるか否かを判定する。０以上であれば、ステップＳ２３０にて、デューティ比が増加されたデューティ信号が算出され、０未満であれば、ステップＳ２４０にてデューティ比が減少されたデューティ信号が算出される。なお、デューティ比は、スロットル開度指令値θｃｍｄとスロットル開度信号θＡとの偏差と、所定のＰ項ゲインＫｐ、Ｉ項ゲインＴｉ、Ｄ項ゲインＴｄとに基づいて算出される。

そして、ＥＣＵ１０は、モータ駆動回路１１に対して、算出したデューティ比を有するモータ駆動信号を出力する。モータ駆動回路１１は、そのモータ駆動信号に応じた電流をＤＣモータ１２に通電する。この結果、スロットル開度指令値θｃｍｄと、スロットル開度信号θＡとの偏差が解消されるように制御対象としてのＤＣモータ１２が回転駆動される。なお、スロットルバルブ３の開度をフィードバック制御する際、ＰＩＤ制御に代えて、ＰＩ制御、ＰＤ制御などを採用しても良い。

ここで、例えば、上述したフィードバック制御の実行中に、スロットル開度センサ４Ａが、グランド電位や低電位に短絡して、その出力値であるスロットル開度信号θＡが、スロットル開度指令値θｃｍｄよりも小さい値で固着する異常が発生したとする。この場合、スロットル開度指令値θｃｍｄと、スロットル開度信号θＡとの偏差が解消されないため、算出されるデューティ比が増加することになる。そのため、スロットルバルブ３が開側に向けて駆動され、やがて、スロットルバルブ３は、全開ストッパ７によって制限される全開開度に達する。このような場合でも、本実施形態によれば、上述したように、全開ストッパ７の位置が、スロットルバルブ３が吸気管２を全開とする開度を越えて、再び吸気管２の流路を絞る開度となる位置に設定されているので、エンジン出力の抑制を図ることができる。

そして、スロットルバルブ３が全開位置に達するような異常状態が発生した場合、本実施形態では、その異常状態の発生を検出した時点で、スロットルバルブ３を閉側に向けて駆動するフェールセーフ処理を行う。図６のフローチャートには、異常状態の発生を検出するとともに、フェールセーフ処理を行なうための処理手順が示されている。以下、図６のフローチャートに示す処理手順について説明する。なお、図６のフローチャートに示す処理は、所定の時間間隔で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ３００では、スロットル開度センサ４Ａ、４Ｂからのスロットル開度信号ＴＨＡ、ＴＨＢを、Ａ／Ｄ変換器１０ａにてＡ／Ｄ変換した後に取り込む。

続くステップＳ３１０では、スロットル開度センサ４Ｂからのスロットル開度信号θＢからスロットル開度センサ４Ａからのスロットル開度信号θＡを減算した結果が、所定量αよりも大きいか否かを判定する。このとき、所定量αよりも大きいと判定されると、ステップＳ３２０の処理に進み、所定量αよりも大きくはないと判定されるとステップＳ３４０の処理に進む。

ステップＳ３２０では、モータ駆動信号のデューティ比が、所定値β（例えば９０％）よりも大きくなっているか否かを判定する。この判定処理において、デューティ比が所定値βより大きいと判定されると、ステップＳ３３０の処理に進み、所定値β以下であると判定されると、ステップＳ３４０の処理に進む。

ここで、本実施形態のスロットル駆動装置においては、上述したように、スロットルバルブ３の開度が、スロットル開度センサ４Ａによって検出されるスロットル開度信号ＴＨＡ（θＡ）に基づいて、フィードバック制御される。このため、スロットル開度信号ＴＨＡが、何らかの異常により、スロットル開度指令値θｃｍｄよりも小さい値に固着してしまうと、フィードバック制御を行ってもスロットル開度指令値θｃｍｄとの間の偏差が解消されない状態となる。その結果、モータ駆動信号のデューティ比が増加して、いずれスロットルバルブ３が全開ストッパに達することになる。ステップＳ３１０及びＳ３２０の処理は、このような異常の発生を検知するためのものである。

ステップＳ３１０及びＳ３２０の処理により異常の発生が検知されると、ステップＳ３３０において、異常カウンタＡのカウントアップを行う。この異常カウンタＡは、ステップＳ３１０及びＳ３２０により判定される異常状態の継続時間をカウントするためのものである。従って、ステップＳ３１０及びＳ３２０の処理により異常の発生が検知されない場合には、ステップＳ３４０において、異常カウンタＡのカウント値がクリアされる。

ステップＳ３５０では、異常カウンタＡのカウント値が、所定時間γ以上であるか否かを判定する。異常カウンタＡのカウント値が所定時間γ以上と判定されると、確かに、スロットルバルブ３が全開位置に達するような異常状態が発生したものと考えられる。そのため、ステップＳ３６０の処理に進んで、モータ駆動信号のデューティ比を０％とすることにより、ＤＣモータ１２への通電を停止する。これにより、スロットルバルブ３が、リターンスプリング１４の付勢力により、全開ストッパ７によって規定される全開位置から、全閉側に向かって駆動されるフェールセーフ処理が実行される。

ここで、本実施形態によるスロットル駆動装置では、全開ストッパ７によって規定されるスロットルバルブ３の全開位置が、吸気管２を全開とする開度を越えて、再び吸気管２の流路を絞る開度となる位置に設定されている。このため、上述したフェールセーフ処理を実行すると、スロットルバルブ３の駆動途中で、吸気管２の流路面積が最大値まで増加し、その後、最小値まで減少することになる。従って、何ら対策を講じなければ、フェールセーフ処理中にエンジンの出力が増加するという事態を招く。

そこで、本実施形態では、全開ストッパ７によって開度が制限されたスロットルバルブ３を、全閉側に駆動するフェールセーフ処理を実行する際に、燃料噴射カット点火カットの少なくとも一方を実行することとした。これにより、たとえスロットルバルブ３の開度が、吸気管２を全開とする開度となっても、エンジン出力が増加してしまうことを防止することができる。

具体的には、まず、ステップＳ３７０において、異常カウンタＢのカウントアップを行う。なお、この異常カウンタＢは、異常カウンタＡのカウント値が所定時間γに達するまでは、ステップＳ３８０において、そのカウント値がクリアされる。従って、この異常カウンタＢは、ステップＳ３６０にてフェールセール処理が開始された後の経過時間をカウントすることになる。

続くステップＳ３９０では、異常カウンタＢによりカウントされる経過時間が、５００ｍｓより短いか否かを判定する。この５００ｍｓという時間は、スロットルバルブ３が、全開ストッパ７によって規制された全開位置から、全閉位置に達するまでに要する時間を考慮して決定されたものである。異常カウンタＢによりカウントされる経過時間が５００ｍｓより短いと判定されると、ステップＳ４００において、燃料噴射カット及び点火カットの少なくとも一方が実行される。これにより、フェールセーフ処理により、スロットルバルブ３が全開位置から全閉位置まで駆動される間に、エンジン出力が増加してしまうことを防止することができる。

このようにして、スロットルバルブ３が全閉位置まで駆動された後は、従来と同様に、フィードバック制御に用いるスロットル開度センサを切り替えて、正常なスロットル開度センサ４Ｂによって検出されるスロットル開度に基づき、図５に示すフィードバック制御を継続する。

また、スロットル開度センサ４Ａではなく、ＥＣＵ１０からの出力や、モータ駆動回路１１に異常が発生して、スロットルバルブ３が全開位置に達するような異常が生じた場合には、ＥＣＵ１０は、スロットル開度センサ４Ａ，４Ｂによって検出されるスロットル開度から、異常の発生を検知することができる。この場合、ＥＣＵ１０は、モータ駆動信号のデューティ比を０にしたり、モータ駆動回路１１への電源供給を停止したりすることにより、スロットルバルブ３を全閉位置に駆動するフェールセーフ処理を実行する。この際、ステップＳ４００の処理と同様に、燃料噴射カット及び点火カットの少なくとも一方を実行して、エンジン出力の増加を防止する。その後、ＥＣＵ１０は、最低限の退避走行が行いえる程度にエンジン出力を抑制するように、エンジンの運転状態を制御する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々、変形して実施することが可能である。

例えば、上述した実施形態では、スロットル開度センサとして、２つのスロットル開度センサ４Ａ，４Ｂからなる二重系のセンサシステムを採用したが、１つのスロットル開度センサだけでスロットルバルブ３の開度を検出するようにしても良い。

１つのスロットル開度センサだけを用いる場合に、そのスロットル開度センサの出力値が、スロットル開度指令値θｃｍｄよりも小さい値で固着した異常を検出するには、１つのスロットル開度センサの出力値の変化が所定値以下であり、ほとんど変化していないにもかかわらず、モータ駆動信号のデューティ比が所定量βより大きい状態が所定時間継続したことを条件とすれば良い。

また、上述した実施形態では、フェールセーフ処理により、スロットルバルブ３が全開位置から全閉位置まで駆動される間中、燃料噴射カット及び／又は点火カットを行ってエンジン出力の増加を防止している。しかしながら、エンジン出力の増加を抑制するという観点から、全開位置にあるスロットルバルブ３の駆動を開始してから、少なくともスロットルバルブ３が吸気管２を全開とする開度位置を通過し終えるまでの期間に相当する時間だけ、燃料噴射カット及び／又は点火カットを行うようにしても良い。

１ 内燃機関
３ スロットルバルブ
４Ａ，４Ｂ スロットル開度センサ
５ アクセルペダル
６ アクセルペダルセンサ
７ 全開ストッパ
１０ ＥＣＵ（電子制御装置）
１０ａ Ａ／Ｄ変換器
１２ ＤＣモータ

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブをモータによって駆動する内燃機関のスロットル駆動装置において、
   前記スロットルバルブの全開側の開度を制限する全開ストッパを設け、当該全開ストッパの位置を、前記スロットルバルブが前記吸気管を全開とする開度を越えて、再び前記吸気管の流路を絞る開度となって、前記内燃機関の出力を抑制する位置に設定するとともに、
   前記スロットルバルブが、前記全開ストッパに当接する異常の発生を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段によって、前記異常の発生が検出されたとき、前記スロットルバルブを全閉側に駆動するとともに、前記スロットルバルブが前記吸気管を全開とする開度位置を通過し、全閉位置に達するまでに必要な所定期間、前記内燃機関に対して、燃料噴射カット及び点火カットの少なくとも一方を実行するフェールセーフ手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のスロットル駆動装置。

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