JP7260894B2 - 内燃機関の電子制御スロットル装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関（エンジン）のスロットル装置、特にモーターなどの電動アクチュエーターによってスロットル弁（絞り弁）を駆動する電子制御スロットル装置に関するものである。

従来、例えばモーターなどの電動アクチュエーターにより内燃機関のスロットル弁を制御する電子制御スロットル装置が知られている。

ところで、この種の電子制御スロットル装置は、基本的にリターンスプリングが備えられたスロットル弁をスロットルセンサからの開度信号を基にＥＣＵからの制御信号に基づいて電動アクチュエーターを駆動して開弁することによりエンジンへの吸気を制御するものである。

従って、走行中に電動アクチュエーターへの電力供給が不作偽に遮断されるとスロットル弁はリターンスプリングの作用力で全閉位置に戻されてしまい、急激な減速後、走行不能に陥いることになる。エンジン停止時にスロットル弁が全閉状態のまま長期間放置されると吸気管内の燃焼生成物（タールやカーボン）が絞り弁と吸気管内壁との間に付着して両者が接着され、電動アクチュエーターの起動トルクでは開弁できなくなってしまう、という事態となり、電動アクチュエーターでスロットル弁を制御する電子制御スロットル装置では、このアクチュエーターが故障した時の安全保障（リンプホーム）が重大な課題であった。

この問題を解決するために、例えば特開２００３－３７０００２号公報（特許文献１）などに電動アクチュエーターが故障してスロットル弁がリターンスプリングの作用力で全閉方向に回動された時、スロットル弁が全閉になるのを阻止する保障ストッパを設けたものが提示されているが、これらの保障ストッパは、モーター駆動制御によりリターンスプリングの力を抑制するようにゆっくりと全開位置に戻すものであり、各種のセンサや電子機器が必要であるとともに複雑な制御が必要で且つモーター駆動電源が余分に消費されるとの問題があった。

この点について、例えば特開２００２－２５６８９４号公報（特許文献２）などに、内燃機関用の吸入空気量を制御する電子制御スロットルにおいて、スロットル部にスロットルを戻すリターンスプリングとスロットル全閉から自走可能な開度（デフォルト開度）に戻すデフォルトスプリングの２種のスプリングを備えた電子制御スロットル装置が知られている。

ところが、前記従来のデフォルトスプリングを使用する電子制御スロットル装置においては、スロットル弁の閉成時にリターンスプリングによる共振により、隣接する線同士の摩耗やガイドの摩耗が発生し、損傷するという問題があった。

そのため、リターンスプリングにおけるガイドのクリアランスを可能な限り狭くして振幅を抑制する手段や線間クリアランスを多くとり、スラスト荷重を高く設定したばね定数の高い圧縮スプリングにより共振点の重なりをなくす手段などが講じられているが、前記従来のリターンスプリングによる共振の防止手段は設計や組み立てが困難であるか高価なスプリングが必要であるという課題があった。

一方、例えば高加給エンジンなどではスロットルボディに支持される部分にスロットルシャフトのシール性を担保するために耐圧（高強度）シール部材を用いることが要求されるが、その場合には図６に示すように、シール部材を用いない場合や現行の通常強度のシール部材の場合に比べて開閉時に大きな摩擦力が働くことになり、バルブ開閉ヒステリシス増加に伴い開方向ではモーターの寿命の低下が生じ、閉方向では戻り速度の遅延が生じるという問題があり、一方、シール部材の摩擦力が低下すると高加給エンジンではシール性の悪化により耐久性が劣るという問題があり、特に、前記リターンスプリングとしてばね定数の高いものを使用するとスロットルシャフトは更に大きなトルクを必要とするので耐久性が更に低下することになる。

特開２００３－３７０００２号公報 特開２００２－２５６８９４号公報

本発明は、前記従来のスロットルボディに軸支されているスロットルバルブを有するスロットルシャフトの基端部に前記スロットルボディに配置した電動アクチュエーターからの前記スロットルバルブを開く方向に駆動力を伝達するためのスロットルギアを固定するとともに前記スロットルシャフトの前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間にデフォルト時に前記スロットルボディに係止して回転を規制されるジョイントレバーを軸線方向に対して所定範囲で回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置し、前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間に前記電動アクチュエーターからの駆動力を切断した際に前記スロットルバルブをデフォルト位置に戻すためのリターンスプリングを連結するとともに前記ジョイントレバーと前記スロットルギアとの間にジョイントレバースプリングを連結した内燃機関の電子制御スロットル装置において、使用するシール部材のシール性能に適したばね定数のリターンスプリングを用いることを可能として高耐圧シールを用いた場合にもモーターの寿命の低下を増大することを防止するとともにリターンスプリングの共振による摩耗を低減することにより損傷を防止することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた本発明である内燃機関の電子制御スロットル装置は、
スロットルボディと、前記スロットルボディに軸支された、スロットルバルブを有するスロットルシャフトと、前記スロットルシャフトの基端部に固定された、前記スロットルボディに配置した電動アクチュエーターからの前記スロットルバルブを開く方向の駆動力を前記スロットルシャフトに伝達するためのスロットルギアと、前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間に、前記スロットルギアと別体であり、軸線方向に対して所定範囲で回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置された、デフォルト時に前記スロットルボディに係止して回転を規制されるジョイントレバーと、前記スロットルシャフトと前記スロットルボディとの間に配置されたシール部材と、前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間に連結された、前記電動アクチュエーターからの駆動力を切断した際に前記スロットルバルブをデフォルト位置に戻すためのリターンスプリングと、前記ジョイントレバーと前記スロットルギアとの間に連結された、ジョイントレバースプリングと、を備えた内燃機関の電子制御スロットル装置において、
前記リターンスプリングが前記ジョイントレバースプリングの外周に配置されており、且つ前記ジョイントレバースプリングのスラスト方向の荷重が前記リターンスプリングのスラスト方向の荷重よりも大きく設定されていることを特徴とする。

本発明によると、ばね定数の低いリターンスプリングを設定することができるのでスロットルシャフトに掛かるトルクの上昇を防止することができる。

また、前記ジョイントレバースプリングのスラスト方向の荷重が前記リターンスプリングのスラスト方向の荷重よりも大きく設定されていることにより前記ジョイントレバーが前記ジョイントレバースプリングの反発力により前記スロットルボディに形成されるスロットルシャフトの軸受に押しつけられてスラスト位置を規制されていることによりリターンスプリングの作動時（戻し時）に生じる共振を抑制する。

特に、本発明において、前記リターンスプリングは、組み付け時に密着巻きまたはスロットルの回転動作に従って密着巻きになるように設定され、作動とともに前記ジョイントレバーが可動することにより、リターンスプリングの戻り作動時に生じる共振を吸収して確実に抑制することができる。

本発明によると、リターンスプリングのばね定数をシール部材の摩擦に合わせて最適な設計とすることを可能とし、スロットル弁の開方向への抵抗を減らしてモーターの寿命を増大するとともにスロットル弁の閉方向への戻りを確実として戻り不良を防止し、更に、閉成時において生じるリターンスプリングの共振を抑制することができる。

本発明の好ましい実施の形態における分解した状態を示す斜視図。 図１に示した実施の形態の縦断面図。 図１に示した実施の形態の横断面図。 図１に示した実施の形態におけるデフォルト位置とバルブ全開位置との正面図および前記それぞれの位置のリターンスプリング、ジョイントレバー、ジョイントスプリングの状態を示す説明図。 図１に示した実施の形態についてのバルブ開度とスロットルシャフトのトルクとの関係図。 従来例におけるバルブ開度とスロットルシャフトのトルクとの関係図。

図１乃至図３は本発明の好ましい実施の形態を示すものであり、アルミニウムなどの軽合金により鋳造されたスロットルボディ１には円筒形で内燃機関（エンジン）の吸気管（図示せず）へ接続される吸気通路１１が貫通して形成されているとともに前記吸気通路１１に内接して吸気を開閉する円形のスロットル弁２を止めねじ３１，３１により固着されているスロットルシャフト３が吸気通路１１の中心軸線Ｃに直交して軸着されている。

更に詳細に説明すると、前記スロットルシャフト３は先端部３２が前記吸気通路１１の壁面に形成した軸孔１２に軸受１３を介して支持されているとともに基端部３３が、前記吸気通路１１の軸受１３に対向する側（例えば前面側）に配置された円柱形のシール部材４およびベアリングである軸受５を介して軸支されて前記吸気通路１１に気密状態で且つ円滑に回転可能に支持されている。

また、前記スロットルボディ１の前記吸気通路１１の下方に形成したケース１４にはモーターである電動アクチュエーター６が前面に形成した収納凹部１５に回転軸６１を露出させた状態で収納されている。

更に、前記スロットルシャフト３のスロットルボディ１の前面凹部１５に露出している基端部３３には、減速ギア６２を介して前記電動アクチュエーター６の回転軸６１に固着した回転ギア６３に噛合する円弧板状のギア部７１を有するスロットルギア７が固着されているとともに前記軸受５とスロットルギア７との間に外形が薄型の円筒形を呈するジョイントレバー８が軸線方向に移動可能に嵌挿されている。

尚、前記ジョイントレバー８はスロットル弁２の開度がデフォルト位置において前記スロットルボディ１の収納凹部１５内に形成された係止突起１６に係止してそれ以上の閉方向の回転が規制される係止突片８１が形成されている。

加えて、前記スロットルシャフト３の基端部３３のスロットルギア７の外周囲には、前記スロットルボディ１の前面凹部１５と前記ジョイントレバー８との間にリターンスプリング９が連結されているとともに、前記ジョイントレバー８とスロットルギア７との間にジョイントレバースプリング１０が連結されている。

特に、本実施の形態では前記ジョイントレバースプリング１０は前記スロットルギア７のスロットルボディ１側に形成された凹部７２に埋没、配置されている。

また、本実施の形態では、ばね定数の違いによりジョイントレバースプリング１０のスラスト方向の荷重がリターンスプリング９のスラスト方向の荷重よりも大きく設定されており、更に、前記リターンスプリング９は、組み付け時に密着巻き（或いは微少のクリアランス）またはスロットルシャフト３の回転動作に従って密着巻き（或いは微少のクリアランス）になるように設定され、前記回転動作によりジョイントレバー８が可動するように設定されている。

以上の構成を有する本実施の形態は、図３および図４に示すように、前記ジョイントレバー８の係止突片８１がスロットルボディ１の係止突起１６に係止してスロットル弁２の開度が例えばアイドリング時のようなデフォルト位置ではリターンスプリング９は密着或いは微少クリアランス状態にある。また、ジョイントレバースプリング１０は初期セット時の付勢力を発揮する長さ状態にあり、そのリターンスプリング９よりも大きく設定されているスラスト方向の荷重よりジョイントレバー８は軸受５側に押圧された状態に位置する。

そして、前記デフォルト位置から運転者による操作に基づくスロットル弁２の開方向へのスロットル信号が発せられると、前記電動アクチュエーター６が駆動して回転軸６１からの駆動力が減速ギア６２を介してスロットルギア７に伝動されてスロットルシャフト３がスロットル弁２を全開する方向に回転する。

このとき、前記スロットルボディ１とジョイントレバー８との間に設置されているリターンスプリング９は、ジョイントレバー８の回転に伴って巻き数を増加するとともに密着高さが増加して反転方向の付勢力を発揮する。

そのため、リターンスプリング９のスラスト方向の荷重が増加するとともにスロットル弁２を閉じる方向にスロットルシャフト３を回転させるように付勢力を発揮させることになり、そのリターンスプリング９によって、前記ジョイントレバー８はジョイントレバースプリング１０のスラスト方向の荷重に抗して縮設することで前記軸受５から離れてスロットルシャフト３の基端方向に移動する。

そして、再び運転者による走行停止操作などに基づいてスロットル弁２を前記デフォルト位置へ戻すように前記電動アクチュエーター６に送信されると、前記電動アクチュエーター６からの駆動力が切断されてリターンスプリング９が延長した状態から元の密着巻の状態に復帰する際の戻り力により前記スロットル弁２がデフォルト位置に閉じる方向にスロットルシャフト３を回転させるが、本実施の形態ではリターンスプリング９は適切な低荷重で前記ジョイントレバースプリング１０のスラスト方向の荷重力により前記ジョイントレバー８が元のように前記リターンスプリング９を密着させることからリターンスプリング９の共振による損傷を防止することができる。

また、本実施の形態では、ジョイントレバースプリング１０をスロットルギア７に形成した凹部７２に収容するとともにそのスロットルギア７の外周囲にリターンスプリング９の軸線方向の長さが短縮されたことから小型化を図ることが可能で且つ、リターンスプリング９としてよりばね定数の低いものを使用することも可能である。

そして、本実施の形態はリターンスプリング９としてばね定数の低いものを用いているので図５に示すように前記図６の従来例に比べてシール部材４として耐圧性の高いものを用いた場合にも、シール部材４を開方向のトルクの上昇ならびに閉方向のトルクの低下が生じない、即ち、スロットル弁２の開方向へのスロットルシャフト３のトルクに伴う電動アクチュエーター６の電流増加による電動アクチュエーター６の寿命の低下、スロットル弁２の閉方向（戻り方向）への速度の遅延や戻り不良を生じないような条件に合致するようにシール部材４を最適化して設定することができる。

１ スロットルボディ、２ スロットル弁、３ スロットルシャフト、４ シール部材、５ 軸受、６ 電動アクチュエーター、７ スロットルギア、８ ジョイントレバー、９ リターンスプリング、１０ ジョイントレバースプリング、１１ 吸気通路、１２ 軸孔、１３ 軸受、１４ ケース、１５ 収納凹部、１６ 係止突起、３１ 止めねじ、３２ 先端部、３３ 基端部、６１ 回転軸、６２ 減速ギア、６３ 回転ギア、７１ ギア部、７２ 凹部、８１ 係止突片、Ｃ 吸気通路の中心軸線

Claims (2)

1. スロットルボディと、
   前記スロットルボディに軸支された、スロットルバルブを有するスロットルシャフトと、
   前記スロットルシャフトの基端部に固定された、前記スロットルボディに配置した電動アクチュエーターからの前記スロットルバルブを開く方向の駆動力を前記スロットルシャフトに伝達するためのスロットルギアと、
   前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間に、前記スロットルギアと別体であり、軸線方向に対して所定範囲で回転可能に且つ軸線方向に移動可能に配置された、デフォルト時に前記スロットルボディに係止して回転を規制されるジョイントレバーと、
   前記スロットルシャフトと前記スロットルボディとの間に配置されたシール部材と、
   前記スロットルギアと前記スロットルボディとの間に連結された、前記電動アクチュエーターからの駆動力を切断した際に前記スロットルバルブをデフォルト位置に戻すためのリターンスプリングと、
   前記ジョイントレバーと前記スロットルギアとの間に連結された、ジョイントレバースプリングと、を備えた内燃機関の電子制御スロットル装置において、
   前記リターンスプリングが前記ジョイントレバースプリングの外周に配置されており、且つ前記ジョイントレバースプリングのスラスト方向の荷重が前記リターンスプリングのスラスト方向の荷重よりも大きく設定されていることを特徴とする内燃機関の電子制御スロットル装置。
2. 前記リターンスプリングは、組み付け時に密着巻きまたはスロットルの回転動作に従って密着巻きになるように設定され、前記リターンスプリングの回転時に前記リターンスプリングのスラスト方向の荷重が前記ジョイントレバースプリングのスラスト方向の荷重よりも大きくなることで前記ジョイントレバーが前記スロットルギアに向けて前記軸線方向に移動することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の電子制御スロットル装置。

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