(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関への吸入空気経路を形成するハウジングと、
該ハウジング内に回転自在に配設された駆動軸と、
該駆動軸に固定され前記吸入空気経路の一部を開閉することを可能にする可変吸気絞り弁と、
前記駆動軸を正逆回転可能に駆動する駆動装置と、
該駆動装置を制御する駆動制御装置とを備え、
前記駆動制御装置は、
前記可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時には、前記可変吸気絞り弁が対応する方向に回転して開状態又は閉状態にした後、開状態又は閉状態に保持するために小さなトルクで随時回転する保持動作を行うように前記駆動装置を制御し、
前記保持動作が所定時間以上続いた時には、前記駆動装置が小さなトルクで前記保持動作と逆方向に短時間回転するように逆回転制御し、
前記逆回転時のトルクは、そのトルクが印加されても前記可変吸気絞り弁が動かない程度に設定されていることを特徴とする内燃機関用渦流発生装置。
【請求項２】
内燃機関への吸入空気経路を形成するハウジングと、
該ハウジング内に回転自在に配設された駆動軸と、
該駆動軸に固定され前記吸入空気経路の一部を開閉することを可能にする可変吸気絞り弁と、
前記駆動軸を正逆回転可能に駆動する駆動装置と、
該駆動装置を制御する駆動制御装置とを備え、
前記駆動制御装置は、
前記可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時には、前記可変吸気絞り弁が対応する方向に回転して開状態又は閉状態にした後、開状態又は閉状態に保持するために小さなトルクで随時回転する保持動作を行うように前記駆動装置を制御し、
前記保持動作が所定時間以上続いた時には、前記駆動装置が小さなトルクで前記保持動作と逆方向に短時間回転するように逆回転制御し、
前記可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時に、前記駆動装置のトルクは、開始直後は大きく、開状態又は閉状態に近づくに従って小さくなることを特徴とする内燃機関用渦流発生装置。
【請求項３】
前記可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時に、前記駆動装置のトルクは、開始直後は大きく、開状態又は閉状態に近づくに従って小さくなることを特徴とする特徴とする請求項１に記載の内燃機関用渦流発生装置。
【請求項４】
前記駆動制御装置は、前記駆動装置のトルクを、所定のデューティサイクル信号のデューティ比を変化させることにより制御し、前記保持動作時の前記デューティサイクル信号の個数をカウントして、該カウント数が所定数になった時に前記逆回転制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関用渦流発生装置。
【請求項５】
前記駆動装置は、出力軸に固定されたウォームギアを有し、前記駆動軸は前記ウォームギアと噛み合うヘリカルギアを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関用渦流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における吸入空気に渦流を発生させる内燃機関用渦流発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内に混合気のスワール流やタンブル流などの渦流を発生させて燃焼効率を向上するための渦流発生装置が、例えば、特開平１１−２４７６６１号公報に開示されている。特開平１１−２４７６６１号公報に開示されている装置では、可変吸気絞り弁により吸入通路の一部を閉じて、片側通気状態を形成することで渦流を発生させている。
【０００３】
更に、当出願人は、特願平２０００−６２１２６号で、特開平１１−２４７６６１号公報に開示されている装置を一層改良し、バックファイヤ等に起因する異常圧力が加わっても弁体が損傷することがない構成を開示している。
上記の内燃機関用渦流発生装置では、駆動モータの回転軸と弁体の駆動軸との間をウォームギアとヘリカルギアで接続し、弁体を全開及び全閉位置で保持する場合には、ウォームギアのセルフロック効果を利用して保持されるようにしている。すなわち、弁体の駆動軸に回転力を加えてヘリカルギアを回転しようとしても、ウォームギアを回転する力は働かないので、弁体の駆動軸の回転位置が保持される。
【０００４】
しかし、内燃機関用渦流発生装置はエンジンの部分に設けられるためエンジンの振動を受けたり、更に吸気される空気の脈動による振動などに起因して、弁体の駆動軸の回転位置が変化する。そこで、実用上は、駆動装置に可逆回転のモータを使用して、弁体の駆動軸を全開及び全閉位置に回転させた後もモータを低トルクで駆動して、弁体の駆動軸を確実に全開及び全閉位置に保持する保持動作を行う必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえ低トルクで駆動するといっても、これ以上回転できない全開及び全閉位置で更に回転する力を加えるため、ウォームギアがヘリカルギアにねじ込まれる現象が生じ、最悪の場合には弁体の駆動軸が回転しなくなるロック状態になる場合があり得る。そのため、保持動作を行う場合もロック状態が発生しない内燃機関用渦流発生装置が要望されている。
【０００６】
上記の特願平２０００−６２１２６号は、全閉位置や全開位置になる時の衝撃荷重を緩和する衝撃吸収部材を設けてねじ締め状態にならないようにする構成を開示している。この構成であれば、保持動作を行う場合にロック状態になる可能性は低減される。
本発明は、保持動作に伴うロック状態発生を防止する更に別の解決策を提供することを目的とし、具体的には弁体の駆動軸を駆動するモータの駆動制御を改良して、保持動作を行う場合もロック状態が発生しない内燃機関用渦流発生装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１によれば、可変吸気絞り弁の駆動軸を駆動する駆動装置を制御する駆動制御装置は、保持動作が所定時間以上続いた時には、駆動装置が小さなトルクで保持動作と逆方向に短時間回転するように制御し、逆回転時のトルクは、そのトルクが印加されても可変吸気絞り弁が動かない程度に設定されていることで、ウォームギアがヘリカルギアにねじ込まれてロック状態になるのを防止できる。保持動作中連続して一方向に力が加わるとロック状態になり易いが、途中に一度でも逆方向の力が働くと、連続して印加される力が一旦解除されるのでロック状態にならない。これにより、保持動作が確実に行えるようなトルクを印加することが可能になり、安定した可変吸気絞り弁の制御が可能になる上、逆回転時のトルクを可変吸気絞り弁が動かないように設定することで、逆回転時にも実際には弁体が全開位置又は全閉位置から回転せず、所望の状態をそのまま維持することができる。
【０００８】
本発明の請求項２によれば、可変吸気絞り弁の駆動軸を駆動する駆動装置を制御する駆動制御装置は、保持動作が所定時間以上続いた時には、駆動装置が小さなトルクで保持動作と逆方向に短時間回転するように制御し、可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時に、前記駆動装置のトルクは、開始直後は大きく、開状態又は閉状態に近づくに従って小さくなることで、ウォームギアがヘリカルギアにねじ込まれてロック状態になるのを防止できる。保持動作中連続して一方向に力が加わるとロック状態になり易いが、途中に一度でも逆方向の力が働くと、連続して印加される力が一旦解除されるのでロック状態にならない。これにより、保持動作が確実に行えるようなトルクを印加することが可能になり、安定した可変吸気絞り弁の制御が可能になる上、可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時に、駆動装置のトルクを、開始直後は大きく、開状態又は閉状態に近づくに従って小さくすることで、弁体が開状態又は閉状態に固定される瞬間の衝撃荷重を緩和でき、この瞬間にねじ込まれてロック状態になるのを防止できる。
本発明の請求項３によれば、可変吸気絞り弁を開状態又は閉状態にする時に、駆動装置のトルクを、開始直後は大きく、開状態又は閉状態に近づくに従って小さくすることで、弁体が開状態又は閉状態に固定される瞬間の衝撃荷重を緩和でき、この瞬間にねじ込まれてロック状態になるのを防止できる。
【０００９】
本発明の請求項４によれば、駆動制御装置は、駆動装置のトルクを、所定のデューティサイクル信号のデューティ比を変化させることにより制御し、保持動作時のデューティサイクル信号の個数をカウントして、カウント数が所定数になった時に逆回転制御を行うことにより、逆回転制御を保持動作の制御と関連させて簡単な構成で行える。
【００１０】
本発明の請求項５によれば、駆動装置は、出力軸に固定されたウォームギアを有し、駆動軸はウォームギアと噛み合うヘリカルギアを有するように構成することにより、ウォームギアのセルフロック効果を利用でき、本発明を効果的に適用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下,本発明の内燃機関における渦流発生装置に具体化した実施形態を図面に従って説明する。
図１は、内燃機関吸入装置の一部で、本発明の渦流発生装置１の概略を示す構成図である。渦流発生装置１は、減速構造を備えた駆動装置２と、片側通気状態を形成する可変吸気絞り弁４ａを備えた吸入管（以下、可変吸気絞り弁部と呼ぶ）４等を含んで構成されている。
【００１２】
可変吸気絞り弁部４は、吸入空気を導入するハウジング４１と、開口面積を調整する回動自在な可変吸気絞り弁４ａを備えている。ハウジング４１には、吸入空気を導入する空気通路４１ａと、途中に、導入された吸入空気を空気経路４１ｂと４１ｃとに分ける隔壁４１Ｈが設けられている。空気経路４１ｂは、可変吸気絞り弁４ａによって開口面積を調整されるようになっている。
【００１３】
可変吸気絞り弁４ａは、ハウジング４１内に回動可能に支持される弁軸（以下、駆動軸）４２と、この駆動軸４２と共に回動して空気経路４１ｂを流れる吸入空気を調量する弁体４３とから構成されている。駆動軸４２は、減速構造を備えた駆動装置２により回動される。なお、図１に示す状態は、可変吸気絞り弁４ａが全開の状態である。全閉状態は、弁体４３を図１中の二点鎖線で示す位置に回動した状態であり、弁体４３の先端がハウジング４１の一部に押し当てられて、それ以上は回転しないようになっている。なお全開状態においては、図示していないが駆動軸又はそれに固定された部材がハウジング４１の一部に押し当てられて、それ以上は回転しないようになっている。また、後述する弁体の形状は、例えば、駆動軸を挟んで一方の側４３ａが半円形状で、他方の側４３ｂが駆動軸４２を長軸とする楕円形状をなしている。
【００１４】
渦流発生装置１は、車両への搭載状態において、吸入空気の上流側は、スロットルバルブ２００と気密に結合され、また吸入空気の下流側は、図示しない燃焼室を有する内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）３００と気密に連通している。なお、吸入空気の流れは矢印Ａで示され、矢印α、および矢印βで示すように分かれて流れる。また、駆動装置２は、例えば、アクセルセンサ６１、回転数センサ６２等の信号によりコンピュータ６０で制御された駆動信号によって、弁体４３と共に回転する駆動軸４２を回動させる。これにより、弁体４３を図１中の二点鎖線で示す位置に回動させて空気通路４１ｂを全閉させることで、矢印αだけの偏った空気の流れを形成し、片側通気状態の吸入空気を燃焼室に送り込むことによって、燃焼室内に混合気のスワール流やタンブル流を発生させる。
【００１５】
図２は、本発明の実施形態である駆動装置２の構成を示す図であり、以下図２を参照して、構成を説明する。図２に示すように、駆動装置２は、駆動モータＭと、減速機構部と、ケーシング２１とを備えている。駆動モータＭはＤＣモータ等の正逆駆動が可能なモータである。ケーシング２１は、駆動モータＭと減速機構部を保持しており、図示していないフランジ部を締結部材により可変吸気絞り弁部４に固定することにより、一体に組み立てられる。
【００１６】
減速機構部は、駆動モータＭの出力軸２２に固定されたウォームギア２３と、可変吸気絞り弁（バルブ）４ａの駆動軸４２の先端に固定されウォームギア２３と噛み合うヘリカルギア２４とを備えている。ウォームギア２３とヘリカルギア２４を使用しているため、駆動モータＭの出力軸２２の回転は減速して駆動軸４２に伝達されて駆動軸を回転させるが、駆動軸４２に回転する力を加えてもウォームギア２３は回転しないので駆動軸４２は回動しない。すなわち、駆動モータＭを駆動しない限り、ウォームギア２３のセルフロック効果が働き、弁体４３は回転しない。ただし、渦流発生装置１は、エンジンの部分に設けられるためエンジンの振動を受けたり、更に吸気される空気の脈動による振動などに起因して、弁体４３、駆動軸４２、及び駆動装置２などが振動するため、ウォームギア２３のセルフロック効果だけでは全閉状態又は全開状態を維持できない。そこで、本発明の駆動装置２では弁体４３が全開及び全閉位置に回転させた後もモータを低トルクで駆動して、弁体の駆動軸を確実に全開及び全閉位置に保持する保持動作を行う。
【００１７】
更に、後述する制御を行なうためには、駆動軸４２（弁体４３）の回転位置を検出することが必要である。この回転位置を検出するもっとも簡単な方法は、後述する駆動モータＭのデューティパルス数をカウントする方法であり、本実施例でもこの方法で駆動軸４２の回転位置を検出する。しかし、他にも各種の方法があり、例えば図２に示すように、ハウジング２１に駆動軸４２の回転位置を検出する検出器２７を設け、検出器２７の検出信号を回転位置検出回路２８で処理することにより駆動軸４２の回転位置、すなわち弁体４３の回転位置を検出してもよい。回転位置のどのような情報を検出するかは、後述するモータＭの駆動シーケンスによるが、例えば、弁体４３が全開位置と全閉位置にあることを検出できればよい場合や、ある程度以上の分解能で回転位置が検出できる必要がある場合などがある。なお、駆動シーケンスによっては、弁体の回転位置を検出する必要のない場合もあり得る。
【００１８】
次に、駆動モータＭの駆動信号発生部について説明する。上記のように、駆動モータＭは、ＤＣモータ等の正逆駆動が可能なモータであり、更に駆動電流又は駆動電圧などを制御することにより回転トルク（回転速度）が変えられるようになっている。
図３の（Ａ）は、駆動モータＭの駆動信号発生部の概略構成を示す図である。図示のように、発振回路２５で発生された発振信号がモータ駆動信号生成回路２６に入力され、モータ駆動信号生成回路２６はコンピュータ６０からの制御データに応じてモータＭを駆動する信号を生成して印加する。モータ駆動信号生成回路２６は、正逆方向の制御と共に、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行い、回転トルクを変化させる。ＤＣモータの正逆制御とＰＷＭ制御を行う制御回路については広く知られているので、ここでは詳しい説明は省略するが、ここでは後の説明のために、モータ駆動信号生成回路２６において図３の（Ｂ）に示すような駆動信号が生成されて駆動モータＭに印加されるものとする。すなわち、弁体４３を全開状態にする方向を正回転方向としてプラスの駆動信号が生成され、弁体４３を全閉状態にする方向を逆回転方向としてマイナスの駆動信号が生成されるとする。また、駆動信号は、所定のデューティサイクルのパルス信号でオンデューティの割合（デューティ比）に応じて平均出力が変化し、それに応じてモータの回転トルクが変化する。従って、図３の（Ｂ）のような駆動信号であれば、前半部分は全開状態にする信号で、初めは大きなトルクで徐々にトルクが小さくなり、後半部分は全閉状態にする信号で、同様に初めは大きなトルクで徐々にトルクが小さくなる。
【００１９】
図４は、本発明の実施形態である駆動装置２の駆動シーケンスを示す図であり、（Ａ）は全閉状態から全開状態に変化し、全開状態を保持する時の駆動信号を、（Ｂ）は全開状態から全閉状態に変化し、全閉状態を保持する時の駆動信号を示す。図４（Ａ）に示すように、全閉状態を保持している時から全開状態に変化する時には、初めはデューティ比の大きなプラスのパルス信号を生成して大きなトルクで駆動モータＭを回転する。これにより弁体（バルブ）４３は急速に正回転を始める。続いてプラスのパルス信号が生成されるが、デューティ比は徐々に小さくなるので、弁体４３の回転速度は徐々に遅くなるが、弁体４３は全開状態になる。この時、弁体４３はハウジング４１の一部に当たってそれ以上は回転できない状態になり回転を停止するが、この時のパルス信号のデューティ比は小さいので駆動モータＭのトルクは小さく、弁体４３がハウジング４１の一部に突き当たっても損傷することはない。
【００２０】
弁体４３が全開状態になった後は、デューティ比の小さなプラスのパルス信号ＰＨＰを生成する。これにより、弁体４３を正回転方向に回転する力が働くがそれ以上は回転できず、更に正回転方向に回転する力が働くので弁体４３が逆回転方向に回転することもないので、全開状態が安定して保持される。
そして、全開保持動作が所定時間継続した時には、デューティ比の小さなマイナスのパルス信号ＰＧＰを生成する。これにより、駆動モータＭを逆回転させるトルクが発生する逆通電制御が行われるが、パルス信号ＰＧＰのデューティ比は、弁体４３が実際には逆回転しないような非常に小さな値に設定されている。従って、弁体４３が全開状態から回転することはない。ここでは、所定個数のパルス信号ＰＨＰが生成された後パルス信号ＰＧＰを生成する。
【００２１】
保持動作におけるパルス信号ＰＨＰのデューティ比は、弁体４３が逆回転方向に回転することのないできるだけ小さなデューティ比に設定されるが、全開状態が長時間保持される時には何度もプラスのパルス信号ＰＨＰが生成されて正回転方向に回転する力が働くので、ヘリカルギアがウォームギアにねじ込まれ、最悪の場合にはロック状態になる場合があり得る。しかし、本発明では、所定数のパルス信号ＰＨＰが生成されると一旦逆方向のパルス信号ＰＧＰを生成して逆回転方向に小さなトルクが発生される逆通電制御が行われるので、長時間は同一方向に力が加わらず、ロック状態にならない。
【００２２】
図４（Ｂ）に示すように、全開状態を保持している時から全閉状態に変化する時も同様であり、初めはデューティ比の大きなマイナスのパルス信号を生成し、デューティ比は徐々に小さくしていく。これにより弁体４３は急速に逆回転を始め、全閉状態になる前にはトルクが小さくなり、弁体４３はハウジング４１の一部に小さな力で突き当たって全閉状態になる。全閉状態になった後の全閉保持動作では、デューティ比の小さなマイナスのパルス信号ＮＨＰが生成され、更に所定個数のパルス信号ＮＨＰが生成された後はパルス信号ＮＧＰが生成される。これにより、弁体４３は安定して全閉状態に保持されると共に、ヘリカルギアがウォームギアにねじ込まれてロック状態になることもない。
【００２３】
図５は、本発明の実施形態における全開状態へ変化する時のコンピュータ６０の制御処理を示すフローチャートである。バルブ全開制御１００を開始すると、ステップ１０１で図４に示すような全開動作を行う。ここで、デューティ比をどのように変化させるかは、実際の装置の特性に基づいてあらかじめ決定されているものとする。ステップ１０２で、デューティパルス数をカウントして生成した回転位置を示す信号からバルブが全開状態になったかを判定し、全開状態になっていない時には更に全開駆動制御を続ける。従って、ここではバルブが全開状態であるか全閉状態であるかが検出できればよい。
【００２４】
全開状態になった時には、ステップ１０３で、図４に示すような保持制御を行う。更に、ステップ１０４で、保持制御ベースサイクル（ここではパルス信号ＰＨＰ）をカウントする。ステップ１０５で、カウント数が規定回数になったかを判定し、規定回数に達していなければステップ１０６で保持制御を続行するか判定し、続行の時にはステップ１０３に戻る。ステップ１０５で、カウント数が規定回数に達した時にはステップ１０７でパルス信号ＰＧＰを印加する逆通電制御を行い、カウント数をリセットした後ステップ１０３に戻る。
【００２５】
ステップ１０６で保持制御を終了して全閉状態に変化させる時には、バルブ全閉制御１０８を開始する。バルブ全閉制御１０８も極性が逆なだけで、ほぼ同じ内容であるので、ここでは説明を省略する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、各種の変形例が可能である。例えば、デューティパルス数をカウントしたり図２の回転位置検出回路２８を使用して全開又は全閉状態だけでなくバルブの途中の回転位置も検出可能にし、図４の全開制御又は全閉制御におけるパルス信号のデューティ比をバルブの回転位置に応じて決定すれば、弁体がハウジングの一部に当たる時の速度を確実に小さくなるように制御可能で且つ高速の回転動作が可能であるように構成できる。更に、上記の実施の形態では、逆通電制御のタイミングを保持制御ベースサイクルをカウントして行ったが、コンピュータに設けられているタイマ機能を利用して逆通電制御のタイミングを決定してもよい。更に、本発明は前述の特願平２０００−６２１２６号に開示された衝撃吸収部材や圧力逃がし手段を有する構成と組み合わせて使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の渦流発生装置の概略を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態である駆動装置２の構成を示す図である。
【図３】図３は、駆動モータの駆動部の概略構成及び駆動信号を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態の駆動信号を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…渦流発生装置
２…（減速機構を備えた）駆動装置
４…可変吸気絞り弁部
４ａ…可変吸気絞り弁
２３…ウォームギア
２３…ヘリカルギア
４１…ハウジング
４２…駆動軸
４３…弁体
【図１】
0003724378.tif 000002
【図２】
0003724378.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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