JPH084632A - 流量制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡素なシステム構成で流量制御弁に異常が生じ
たとき、正確に異常を検出し、的確な動作で流量制御弁
を閉弁させエンジンの運転不調を回避する。 【構成】流量制御弁を通過する流量を検出するセンサ，
スプリングが内蔵された流量制御弁から構成され、前記
流量制御弁の異常時において、前記スプリングの作用に
よりバルブ開弁方向には動作せず、バルブ閉弁方向には
スプリング力との併用により動作可能な流量制御弁を有
する流量制御装置。 【効果】流体制御用の制御弁異常が発生したときに、正
確に異常を検出でき、的確な動作で流量制御弁を閉弁す
ることができ、エンジンの運転性不調を回避することが
できる。また、回避制御の制御弁全閉駆動にスプリング
力を助勢することにより、制御装置の回路構成を簡素化
でき、コスト低減に寄与できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁式流量制御弁を用
いた流量制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン制御に関する流体パラメータの
制御装置としては、アイドル回転数を一定に維持させる
ために吸気の補助空気量を制御するＩＳＣ制御装置，吸
気管への排気ガス還流量を制御するＥＧＲ制御装置，キ
ャニスタパージ量を制御するエバポ制御装置などがあ
る。

【０００３】これら流量制御装置が故障した場合、アイ
ドル回転数の異常上昇，燃焼不安定によるサージングの
発生，空燃比異常（オーバーリッチまたはオーバーリー
ン）などによるエンジン不調が発生する。

【０００４】特に近年の排気規制や燃費規制に対応する
ために、大量ＥＧＲや大量エバポパージが行われてきて
おり、制御装置の故障は即エンジンストールにつなが
り、運転者に不快感を与えるばかりでなく、非常に危険
である。

【０００５】従来より一般に、上記の様な故障発生時の
回避制御（フェールセーフ機能）を設け、故障を検知し
たときカット弁を用い制御系を全閉に制御し（ＥＧＲ通
路を遮断）、運転時の安全性を確保していることが知ら
れている。

【０００６】制御装置に電磁弁を用いた場合（カット弁
を用いない場合）の回避制御従来技術は、コイルの断線
判定手段および２系統の流量制御弁駆動回路を備え、こ
の断線判定手段により断線したことを検知すると、別系
統の駆動回路に切り替え、全閉制御を可能とする流量制
御装置が考案されている。

【０００７】この種の装置として関連するものには、例
えば特開平4−301170 号公報が挙げられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、制御
装置が異常になったときのフェールセーフ機能として、
通常制御とは別系統の制御手段を備えなければならず、
回路構成や制御ロジックが複雑（製造コストの増大）に
なる問題が有った。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、流量制御弁
に内蔵されているスプリングの設定荷重（スプリング
力）を、流量制御弁が所定の推力を発生しなくなったと
きに弁開度演算手段が演算したバルブ開度に流量制御弁
の開度を維持できなくなるスプリング力にすることで流
量制御装置の異常を正確に検知し、流量制御弁を全閉に
する必要が生じたときにはバルブ閉弁方向に作用するス
プリング力とコイルの閉弁方向推力を併用することによ
り上記課題が解決される。

【００１０】

【作用】本発明によれば、流体制御用の制御弁異常が発
生したときに、正確に異常を検出でき、的確な動作で流
量制御弁を閉弁することができ、エンジンの運転性不調
を回避することができる。

【００１１】また、回避制御の制御弁全閉駆動にスプリ
ング力を助勢することにより、制御装置の回路構成を簡
素化でき、コスト低減に寄与できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例となる排気ガス還流
装置について添付の図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１３】図１は本発明の排気ガス還流装置の制御シ
ステムに関する全体構成の一例を示す。

【００１４】吸入空気と燃料の混合気は吸気管４４を通
り、シリンダ４７内で燃焼し排気管４５へ排気ガスとな
って排出される。この際、排気ガスの一部は流量制御弁
であるＥＧＲバルブ４１を通り吸気管４４へ還流され、
前記排出ガスに含まれるNOxの低減、或いは、エンジン
４６の燃料消費率向上などの効果をもたらす。

【００１５】ここで、ＥＧＲバルブ４１の制御量はエン
ジン４６の運転状態を表すパラメータであるエンジン回
転数，エンジン水温，吸入空気量，スロットル開度等の
情報をコントロールユニット４０に取り込みエンジン４
６の運転状態に対応した制御量を演算し、ＥＧＲバルブ
４１に出力信号を送信する。

【００１６】排気ガスの還流量（すなわちＥＧＲ量）
は、吸気管４４に取り付けられたブースト圧センサ（吸
気管内圧センサ）４３、または、ＥＧＲ配管４８に取り
付けられた温度センサ４２ａ，流量センサ４２ｂ等によ
って検知することが可能となる。

【００１７】ＥＧＲバルブの電気的結線状態は、コント
ロールユニット４０からＥＧＲバルブに出力する出力信
号の結線異常（断線，短絡，ノイズ混入等）を監視す
る。

【００１８】図２は本発明にステッパモータ式ＥＧＲを
用いた排気ガス還流装置の制御方法概要の一例である。

【００１９】コントロールユニット４０はエンジン回転
数や吸入空気量を各種センサ５０から取り込み、目標Ｅ
ＧＲ量を目標ＥＧＲ量演算手段５１により演算する。

【００２０】ここで、エンジン水温，スロットル開度等
を各種センサ５０より取り込み運転状態検出手段５３の
検出値に基づき車両運転状態や車両負荷状態を判別す
る。判別された車両の運転状態や、負荷状態に応じてＥ
ＧＲの導通，遮断（又は減量）を制御する。

【００２１】また、各種センサ５０にてコントロールユ
ニット４０に取り込まれたスロットル開度とエンジン回
転数等により吸気管４４内の圧力を補正値演算手段５２
で推定し、この推定値とブースト圧センサ４３による実
圧力との相関で、前記目標ＥＧＲ量演算手段５１により
演算された目標ＥＧＲ量に対し補正をかける。

【００２２】補正された目標ＥＧＲ量は目標ステップ数
変換手段５５により目標ＥＧＲ量に相当する目標ステッ
プ数へ変換する。

【００２３】更に、目標ステップ数に応じてＥＧＲバル
ブ４１を制御するためにステッパモータ駆動パルス出力
手段５７により、所定の励磁パターンに沿って出力信号
が出力される。

【００２４】以上が、基本的な排気ガス還流装置の制御
方法の一例であり、次に本排気ガス還流装置の異常判定
時制御方法について述べる。

【００２５】補正値演算手段５２で演算された目標ＥＧ
Ｒ量（又はこれに対応するパラメータ）は、各種センサ
５０よりコントロールユニット４０に取り込み実ＥＧＲ
量推定手段５４にて求まる実ＥＧＲ量（又はこれに対応
するパラメータ）を比較しＥＧＲバルブの制御状態を異
常判定手段５６により判別する。

【００２６】ＥＧＲバルブのコイル断線やノイズ混入等
の電気的な異常判別は、ＥＧＲバルブへの出力信号をコ
ントロールユニット４０に再入力し、結線状態判別手段
５８で行われる。

【００２７】判別結果が正常である場合には、目標ステ
ップ数変換手段５５で変換された目標ステップ数がその
ままステッパモータ駆動パルス出力手段５７へ入力され
る。一方、判定結果が異常である場合には目標ステップ
数変換手段５５により変換された目標ステップ数に関係
無く、目標ステップ数を０又はそれに近い値（すなわち
全閉）に設定しＥＧＲバルブ４１を閉弁させる。

【００２８】図３は排気ガス還流装置における流量制御
弁の一例であるステッパモータ式ＥＧＲバルブを示す。

【００２９】ステッパモータ１０は、ボビン１１に巻か
れたコイル１２ａ，１２ｂ及びボビン１１の外周に形成
される歯部１３ａ，１３ｂによりステータ部１４を構成
し、マグネットホルダ１５及びマグネットホルダ１５の
外周に固定されたマグネット１７と２組のベアリング１
８ａ，１８ｂ，マグネットホルダ１５内部に形成された
めねじ１６によってロータ部１９を構成する。ステータ
部１４は、冷却水の循環が可能なように設けられた冷却
水循環パイプ２４を有する軸受ハウジング２３にモータ
結合ねじ２５により結合される。マグネットホルダ１５
上部に結合されたベアリング１８ａはベアリング予圧ば
ね２０により予圧され、下部のベアリング１８ｂは、軸
受ハウジング２３により保持される。ロータ部１９の回
転運動を出力軸２１の直線運動に変換するためにマグネ
ットホルダ１５の内部にめねじ１６，出力軸２１には、
おねじ２２が形成される。出力軸２１は、軸受ハウジン
グ２３に結合され、出力軸２１の回転を抑制するよう貫
通面が半月形となった軸ブッシュ２６を貫通する。弁軸
３６の一方は軸継ぎ手３０により出力軸２１に連結さ
れ、一方はガスシール３３，空気の通過を許容するよう
に空間３５を有するモータホルダ３４を貫通し弁座２を
開閉可能なバルブ１に結合されスプリング３１ａ，３１
ｂによりバルブ閉弁方向に力が作用する。弁座２を有し
流路を形成するボディ３は、軸受ハウジング２３に結合
されたモータホルダ３４にボディ結合ねじ５により結合
される。

【００３０】コイル１２ａ，１２ｂに電気パルス信号を
励磁することによりマグネット１７が誘導回転しロータ
部１９が回転することになる。この回転はおねじ２２
と、めねじ１６によって出力軸２１の直線運動に変換さ
れ軸継ぎ手３０を介し弁軸３６の直線運動となり弁軸３
６に固定されたバルブ１の直線運動に変換されバルブ１
と弁座２の空間により循環通路６を通過する排気ガスの
流量が制御される。

【００３１】ここでバルブ１の閉弁方向に作用するスプ
リング３１ａ，３１ｂは、コイル１２に電気パルス信号
を励磁することにより発生する推力がない状態で全閉可
能な荷重に設定すると前記荷重を強くしなければなら
ず、前記荷重に対する前記推力が低下するので流量制御
装置の正常時に於いても雰囲気温度，振動等の外乱によ
って所定の流量制御弁制御量から実制御量が逸脱しやす
く、また流量制御弁駆動周波数を上げても同様に逸脱し
やすくなるため、必ずしも前記推力無しで全閉となる荷
重に設定しなくても良い。むしろ、しない方が良い。

【００３２】図４はＥＧＲバルブの構成要素であるバル
ブに作用するスプリング力とステッパモータ推力の関係
を示す。

【００３３】ステッパモータ推進力Ｐ１はバルブ閉弁方
向に力が作用するスプリング力無しにステッパモータ推
力のみで閉弁可能な最小の力であり、スプリング力Ｐ２
は、ステッパモータ推力無しにスプリング力のみで閉弁
可能な最小の力である。また、直線Ｐ′はステッパモー
タ推力とスプリング力が釣り合う状態でありバルブを開
弁させるためには、直線Ｐ′より一定の余裕代を見込ん
だスプリング力に勝るステッパモータ推力（すなわちＸ
方向の領域）に設計しなければならない。交点ａと交点
ｄとを結ぶ線分Ｐ″はステッパモータ推力及びスプリン
グ力の併用により閉弁可能な最小の力を示すものであ
る。

【００３４】以上のことからスプリング力とステッパモ
ータの推力は、交点ａ，ｂ，ｃで囲まれる範囲内に設定
しなければならず、これにより確実な開閉弁動作を可能
にする。

【００３５】ここで、ＥＧＲバルブ４１の異常により推
力が低下した場合、ステッパモータ推力は直線Ｐ′より
低いＹ方向の領域（但し線分Ｐ″よりも大）に移行して
しまうことになる。このことは前述した様に、ＥＧＲバ
ルブ開弁不可能を意味し、ＥＧＲガスは流れなくなり、
ＥＧＲ流量パラメータを検出する温度センサ４２ａ，流
量センサ４２ｂ，ブースト圧センサ４３の出力は変化し
なくなるので、EGRバルブ異常検出を可能にする。

【００３６】図５，図６はそれぞれステッパモータ式Ｅ
ＧＲバルブのユニポーラ駆動に於ける結線状態と励磁パ
ターンを示す。

【００３７】図５において端子，はバッテリに接続
されており、端子，，，電位をコントロールユ
ニット４０内の駆動パルス出力手段５７でアース短絡す
ることにより、図６の様な励磁パターンを発生可能とし
ている。

【００３８】図７は、図５に示される結線状態のステッ
パモータ式ＥＧＲバルブを図６の励磁パターンに沿って
励磁したときのロータ部とステータ部の相対関係を示も
のである。なお、図７中にて、ＮはＮ極、ＳはＳ極を示
す。

【００３９】図７中の上から下（（ａ）から（ｄ））へ
の励磁パターン変化は、ＥＧＲバルブの開弁動作であ
り、逆に下から上（（ｄ）から（ａ））が閉弁動作を示
しており、励磁パターンの変化により１ステップずつ開
度が変化する。各（ａ）から（ｄ）状態に於いて、上
段，中段は図３中のＥＧＲバルブ４１のステータ（コイ
ル）部１４，下段はロータ部１９に対応する。

【００４０】ここで、ＥＧＲバルブ４１の何れかのステ
ータ（コイル）部１４が断線した場合を考慮すると、上
記に示した規則的な１ステップ毎の駆動は実行されない
ことになる。ただし、スプリング力が閉弁方向に付勢し
ているために、開弁駆動は不可能であるが、閉弁駆動は
スプリング力の助けを受けることにより可能である。図
８は図２における異常判定手段のフローの一例を示す。

【００４１】ＥＧＲバルブは断線，加熱，電圧低下，駆
動周波数の高周波数化等により所定の推力を発生しなく
なりスプリング力との釣り合いから閉弁はするが開弁は
しなくなる（すなわち図４のＰ″よりも大きいＹ方向の
状態のことを言う。）。

【００４２】よって異常判定は、ステップ６０にてＥＧ
Ｒバルブ駆動方向が開弁方向で行うことにより達成可能
となる。

【００４３】ステップ６１は、ＥＧＲの流量，温度，圧
力等から推定される実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量の比較に
よる異常判定手段であり、異常時にはＥＧＲバルブをス
テップ６２にて閉弁駆動する。

【００４４】なお、以上述べた本実施例は、ＥＧＲ制御
のみならず、ＩＳＣ制御やエバポ制御等への応用も可能
である。

【００４５】

【発明の効果】本発明では流量制御弁に内蔵されるスプ
リング力を利用することで流量制御弁の異常時には前記
流量制御弁のバルブは開弁方向には動作しないが閉弁方
向には動作させることが可能となり目標流量又は目標流
量パラメータと実流量又は実流量パラメータを比較する
ことにより異常判定が可能となる。

【００４６】また、異常時にはフェールセーフ機能とし
てスプリング力と流量制御弁の推力を併用し閉弁させる
ことで、通常制御とは別系統の制御手段を備える必要が
なくなり回路構成や制御ロジックの簡素化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガス還流装置の制御システムに関
する全体構成の一例を示す。

【図２】本発明の排気ガス還流装置の制御方法概要の一
例を示す。

【図３】排気ガス還流装置に於ける流量制御弁の一例で
あるステッパモータ式ＥＧＲバルブを示す。

【図４】ＥＧＲバルブの構成要素であるバルブに作用す
るスプリング力とステッパモータ推力の関係を示す。

【図５】ステッパモータ式ＥＧＲバルブの結線図を示
す。

【図６】ステッパモータ式ＥＧＲバルブの励磁パターン
を示す。

【図７】図５に示される結線状態のステッパモータ式Ｅ
ＧＲバルブを図６の励磁パターンに沿って励磁したとき
のロータ部とステータ部の相対関係を示す。

【図８】図２における異常判定手段のフローの一例を示
す。

【符号の説明】 １…バルブ、３…ボディ、１０…ステッパモータ、１２
ａ，１２ｂ…コイル、１４…ステータ部、１６…めね
じ、１７…マグネット、１９…ロータ部、２２…おね
じ、３１ａ，３１ｂ…スプリング、３６…弁軸、４０…
コントロールユニット、４１…ＥＧＲバルブ、４２ａ…
温度センサ、４２ｂ…流量センサ、４３…ブースト圧セ
ンサ、４４…吸気管、４５…排気管、４６…エンジン、
４７…シリンダ、４８…ＥＧＲ配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ１６Ｋ 31/06 ３８５ Ａ 0817−3Ｋ (72)発明者 佐藤 正博 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 藤下 政克 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 ▲高▼橋 浩美 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 渡▲邉▼ 洋一 茨城県勝田市大字高場字鹿島谷津2477番地 ３ 日立オートモティブエンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 菅波 正幸 茨城県勝田市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所自動車機器事業部内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの運転パラメータに応じてエンジ
   ン制御にかかわる流体の制御パラメータを演算する弁開
   度演算手段，前記弁開度演算手段の制御パラメータに応
   じた出力信号により制御量の調整を行う流量制御弁から
   構成されるエンジンの流量制御装置に於いて、前記流量
   制御弁にはバルブに閉弁方向へ力が作用するスプリング
   が組み込まれており、前記流量制御弁のコイルが所定の
   推力を発生しなくなったときに、閉弁方向に駆動すると
   きには前記スプリングの力と前記流量制御弁の閉弁方向
   の推力との併用により閉弁を可能とすることを特徴とす
   る流量制御装置。
2. 【請求項２】前記流量制御弁の閉弁方向に力が作用する
   スプリング力は、前記流量制御弁が所定の推力を発生し
   なくなったときに、弁開度演算手段が出力した制御量に
   前記流量制御弁の制御量を維持できなくなる荷重に設定
   することを特徴とする請求項１の流量制御装置。
3. 【請求項３】前記流量制御弁の閉弁方向に力が作用する
   スプリング力は、前記流量制御弁への出力信号が無い状
   態に於いて、必ずしも全閉となる荷重に設定していない
   ことを特徴とする請求項１の流量制御装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３に於いて、前記流体
   の流量パラメータとして、流体温度，流体圧力，流体流
   量の内少なくとも何れか１つに対して設定された所定の
   値と実際の測定値を比較することにより、流量制御弁が
   所定の推力を発生しなくなったことを検出する判定手段
   を備えたことを特徴とする流体制御装置。
5. 【請求項５】請求項１，２または３に於いて、流体の流
   量パラメータに応じて設定された所定の流量制御弁バル
   ブ開度と実際の流量制御弁バルブ開度を比較することに
   より、前記流量制御弁が所定の推力を発生しなくなった
   ことを検出する判定手段を備えたことを特徴とする流体
   制御装置。
6. 【請求項６】請求項１，２または３に於いて、前記流量
   制御弁の電気的作動状態を監視することにより、前記流
   量制御弁が所定の推力を発生しなくなったことを検出す
   る判定手段を備えたことを特徴とする流体制御装置。