JP3752391B2 - Electronically controlled throttle device - Google Patents

Description

【００１３】
で、Ｅ＝１３Ｖとして計算したとき、Ｎ及び／又はＪはｔが８０ｍｓ以下となる範囲内の値をもつようにしたものである。
このとき、Ｎ及び／又はＪは式（数１）を減速比Ｎで微分した値が正である範囲内の値をもつようにすると良い。
また上記目的を達成するために、モータと、このモータの回転を減速する減速機構と、この減速機構に接続されたスロットルバルブとを有し、前記モータを駆動して前記スロットルバルブの開度を調節する電子制御スロットル装置において、次式、
【００１４】
【数１】

【００１５】
で求まる時間ｔが８０ｍｓ以下になるように、各パラメータを定めたものである。
このとき、各パラメータは温度１２０℃での値を用いるとよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係る電子制御スロットル装置の一実施例の水平断面図を示す。また、図１のバルブシャフトの軸方向から見たギヤ部（ギヤ配置）を図８に示す。
【００１９】
この電子制御スロットル装置は、空気通路とモータを内包するスロットルボディ１０１と、回転力を発生するモータ１０７と、モータの出力軸であるモータ軸１０５と、モータ軸１０５に締結されているモータギヤ１０６と、モータギヤと噛み合う中間ギヤ大１０４ａと、中間ギヤ大１０４ａと同軸上にあり締結されている中間ギヤ小１０４ｂと、中間ギヤ小１０４ｂと噛み合うバルブギヤ１０３と、バルブギヤ１０３が締結されているバルブシャフト１０８と、バルブシャフト１０８にネジ止めされているスロットルバルブ１０２、リターンスプリング１１１とデフォルトスプリング１１２を用いるデフォルト機構によって構成されている。
【００２０】
性能を決定する仕様パラメータとしては、次のようなものがある。モータに関しては、トルク定数，逆起電圧定数、インダクタンス、抵抗、印可電圧がある。機構系に関しては、慣性モーメント、減速比（ギヤ比）、リターンスプリングのプリロードトルクがある。
【００２１】
また、スロットルバルブの位置を検出するスロットルポジションセンサ１１０がデフォルト機構とスロットルバルブ１０２の間に取り付けられている。
【００２２】
モータの回転を減速させるため、モータギヤ１０６は、これと噛み合う、中間ギヤ大１０４ａよりピッチ円径が小さくする必要がある。中間ギヤ小１０４ｂは、これと噛み合う、バルブギヤ１０３よりピッチ円径が小さくする必要がある。スロットルバルブ１０２の動作角度は、せいぜい９０度であるので、バルブギヤ１０３は９０度回転すれば十分であり、扇型の形状をしている。
【００２３】
中間ギヤ大１０４ａおよび中間ギヤ小１０４ｂは、一つの部材にそれぞれの歯溝を形成することにより構成されている。中間ギヤの中心には穴が開けられており、そこにスロットルボディ１０１に圧入されている中間ギヤシャフト１０９を通している。図示はされていないが、フリクション低減のためと、中間ギヤのガタを減らすために、中間ギヤと中間ギヤシャフト１０９の間には、ドライベアリングを挿入している。
【００２４】
モータ１０７には、モータ軸１０５に垂直なフランジが設けられ、スロットルボディ１０１に２本のねじで締結されている。本実施例では、モータ軸１０５が少しでも短くなるように、中間ギヤ大１０４ａが中間ギヤシャフト１０９のスロットルボディ１０１側に配置してある。このレイアウトにより、モータ軸１０５の剛性が増加する分、モータ軸１０５を細くすることができ、慣性モーメントを小さくすることができる。これにより応答の高速化に寄与する。
【００２５】
図２にデフォルト機構の原理を示す。この図では、説明を容易にするために、回転運動を直線運動に換えてある。レバー２０４は、スロットルシャフト１０８に結合されており、モータ１０７によって駆動される。紙面上、レバー２０４が左に動くとスロットルバルブは開方向に動作する。デフォルト機構は、モータ１０７が力を発生しないときに、スロットルバルブ１０２を設定された位置（デフォルト位置と呼ぶ）に開いておく機構で、１対のばねを利用している。デフォルト位置は、車両が暴走しないでかつエンジン始動が行えるスロットル位置に設定する。リターンスプリング１１１は、部材２０３とスロットルシャフト１０８によって動作するレバー２０４に取り付けられている。デフォルトスプリング２０２は、部材２０３とボディ２０５に取り付けられている。
【００２６】
モータ１０７が力を発生しないときは、レバー２０４は、リターンスプリング２０１によって部材２０３に押し付けられ接触しており、デフォルトスプリング２０２によって部材２０３がデフォルト位置に固定される。レバー２０４がデフォルト位置以上では、部材２０３は、ボディ２０５に当り停止し、レバー２０４にはリターンスプリング２０１（１１１）によってスロットルバルブを閉じる方向に働く力を受ける。レバー２０４がデフォルト位置以下では、レバー２０４と部材２０３を介して、デフォルトスプリング２０２（１１２）の力を受ける。
【００２７】
以上のようなデフォルト機構が、バルブシャフト１０８に与えるトルクを図３に示す。リターンスプリング１１１とデフォルトスプリング１１２にはプリロード（ばねの与圧）が与えられている。プリロードの大きさには最適値があり、大きすぎるとスロットルバルブの開閉動作の応答時間が長くなる原因になり、小さすぎると、空気抵抗や回動部の摩擦により、スロットルバルブ１０２がデフォルト位置まで戻らなくなる。デフォルト位置までバルブ１０２を確実に戻すには、リターンスプリング１１１のプリロードは重要であり、３０〜４０ｋｇｆｍｍ必要である。
【００２８】
本実施例の電子制御スロットル装置の動作を説明する。
【００２９】
モータ１０７によってバルブシャフト１０２にデフォルト機構のばねの力以上の力が与えられると、モータ軸１０５が回転し、これにつれて、モータギヤ１０６、中間ギヤ大１０４ａが回転する。モータギヤ１０６の歯数は、中間ギヤ大１０４ａの歯数より少ないため、減速される。中間ギヤ小１０４ｂは中間ギヤ大１０４ａとともに回転し、さらにトルクをバルブギヤ１０３に伝達する。中間ギヤ小１０４ｂとバルブギヤ１０３のピッチ円径は、中間ギヤ小１０４ｂの方が小さく設定してあるので、さらに減速される。モータ１０７の回転は、２段階に減速され、バルブシャフト１０８に伝えられる。
【００３０】
図６に本発明の電子制御スロットルバルブを用いたＤＩエンジンの実施例を示す。電子制御スロットル６１は、ＤＩエンジン６２の吸気側上流に、吸気管６７を介して接続される。電子制御スロットル６１は、モータ１０７に信号を送り駆動する制御ユニット６３にスロットルハーネス６６により接続される。
【００３１】
制御ユニット６３は、エンジンからの情報をエンジンハーネス６４や、車両の他部からの情報をハーネス６５を介して受け取り、スロットルバルブ１０２の目標位置を決定する。また、制御ユニット６３は、スロットルバルブ１０２の位置を検出するスロットルポジションセンサ１１０の信号も受け取り、この信号を用いてスロットルバルブの位置が目標位置に近づくように制御する。
【００３２】
制御ユニット６３の内部には、モータ１０７の供給電力を調整する駆動回路６８が組み込まれている。本実施例の駆動回路６８は、モータ１０７の電源をパルス状にオンオフして、その長さよりモータの発生力を決めるＰＷＭ方式が使われている。パルス状にオンオフするには、電気素子としてトランジスタやＦＥＴ等が用いられており、このトランジスタには許容電流値が定められている。この許容電流値以上の電流が流れるとトランジスタやＦＥＴ等の電気素子は、故障する可能性がある。
【００３３】
本実施例のモータ１０７と減速機構のギヤ比の仕様を表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
本仕様を用いることにより、応答時間を十分短くする、逆起電圧により過大な電流が回路に流れないようにする、といった課題を解決することができる。以降、これらの仕様について説明する。
【００３６】
モータに電圧を供給し回転させると、モータはその発電作用により、加えた電圧とは逆向きの電圧を発生する。この電圧が逆起電圧であり、モータの回転数に比例する。電子制御スロットルに用いるモータは、目標位置になるように制御されるので、目標位置に近づくと減速のためにモータが回転している方向とは逆向きの電圧が印加される。このときに、逆起電圧と印加電圧があいまって過電流となるような大きな電流が流れる可能性が生じる。
【００３７】
一例として図１４にスロットルバルブをステップ動作させた状態を示す。
【００３８】
図９にモータ１０７の駆動回路６８と、図１０にモータ１０７の回転している方向と逆向きに電圧をかけたときの電圧及び電流の状態を示す。Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４は、電気素子で、実施例ではＦＥＴ（フィールドイフェクトトランジスタ）であり、モータ１０７への電源をオンオフする。Ｍ１とＭ４をオン（Ｍ２とＭ３はオフ）にすることによりモータ１０７が正転し、Ｍ２とＭ３をオン（Ｍ１とＭ４はオフ）にして逆転する。ここで逆転しているときには、モータ１０７の逆起電圧はＡ側が＋になる向きに発生する。次に、急激にモータ１０７の回転を減速するため、図１０に示すように正転側（Ｍ１とＭ４をオン）に電圧をかける。すると、逆起電圧Ｖｍと、印加電圧Ｖｂの方向が合致し、電流ｉｍが流れる。電流ｉｍは、印加電圧Ｖｂによって流れる電流よりも、逆起電圧Ｖｍが加わる分だけ大きな電流になる。この電流が電気素子（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）の許容電流値より大きな電流（過電流）であれば、電気素子（図１０ではＭ４とＭ１）を損傷してしまう可能性がある。
【００３９】
本実施例では、モータ１０７の抵抗を適切に設定することにより、逆起電圧によりモータ１０７の駆動回路６８に過電流が流れないようにしてある。その結果、モータ１０７および駆動回路６８に流れる電流を、電気素子（駆動回路素子）の許容電流値以下に設定することができる。
【００４０】
具体的には、評価式（数２）に従ってモータ１０７の抵抗Ｒｍを定める。数２は、逆起電圧Ｖｍと印加電圧Ｖｂの和よりモータ１０７にかかる電圧を求め、電気素子の許容電流で除することで、許容電流値以下となるモータ１０７の抵抗Ｒｍを求める式である。
【００４１】
ここで、モータの抵抗Ｒｍとは、図９に示すＡＢ間の抵抗であり、モータ１０７のターミナル間の抵抗である。この抵抗はアーマチュア抵抗はもちろん、ノイズフィルタとして用いられるチョークコイルの抵抗やブラシ接続用の配線抵抗も含まれる。また、この抵抗は、電流又は電圧が０Ｈｚよりも大きな周波数を持つときはインピーダンスで定義される。
【００４２】
実際の抵抗の測定は、自動車搭載状態のモータの駆動電圧、すなわち、本実施例では１３Ｖの電圧をモータに印可し、モータがストールしたときの電流値からオームの法則を使用して抵抗を求める。
【００４３】
評価式（数２）は、モータ１０７のあるべき抵抗を示しており、右辺が左辺より大きいと、モータの抵抗Ｒｍが不足し駆動回路６８の許容電流値をオーバーする。ただし、本評価式はモータ１０７の逆起電圧定数が温度によって変化するので、電気抵抗Ｒｍが小さくなる−３０℃における値で評価する。さらに低温で評価しても良いが、実際は自動車の使用環境として、低温側は−３０℃で評価すれば良い。よって評価式（数２）は、―３０℃におけるモータ特性を使う。またバルブ１０２の動作速度は、ＤＩエンジンに適用するため、バルブの動作角度π／２[rad]（９０°）を８０ｍｓで動作させる速度（１８７．５ｒｐｍ）と定義して評価する。
【００４４】
本実施例のギヤの減速比は１０．２８、−３０℃における誘起電圧定数は３．９２Ｖ／ｋｒｐｍである。印加電圧は、自動車の電源系統が発生する１３Ｖで評価する。通常、自動車の電源系統は、１２．７〜１２．８Ｖに制御されているが、スタート時やバッテリ消耗時には１０Ｖ以下になる場合もある。また、電圧制御装置の不具合により１６Ｖ以上、上昇する事もあるが、ここでは、通常見られる電圧に近い１３Ｖで評価する。本実施例で用いたモータ１０７の駆動回路６８の電気素子の許容電流値は２０Ａである。評価式（数２）より、モータ１０７の抵抗Ｒｍは、１．０３Ω以上あれば良いことがわかる。製造誤差により、モータ１０７の抵抗は５％減、誘起電圧定数は１０％増になる可能性があるので、さらに望ましくはこれらを考慮して計算するとよい。すると、誘起電圧定数は４．３１Ｖ／ｋｒｐｍであり、抵抗は１．１２Ω以上になる。
【００４５】
そこで、本実施例では、余裕を持って１．２９Ωに抵抗を設定してある。
【００４６】
【数２】

【００４７】
以上の方法は、８０ｍｓで動作する場合であったが、より精度よく抵抗Ｒｍを設定するには、後述する数３の評価式で応答時間ｔを評価し（ただし、モータ１０７の特性は後述する１２０℃における値ではなく、−３０℃を用いる）、応答時間ｔをバルブ１０２が動作する速度として定義して、評価式（数１）で抵抗Ｒｍを求める方法もある。すると、８０ｍｓより大幅に速い応答時間（評価時間ｔ）を持つ電子制御スロットルであっても、電気素子の損傷を防ぐことができる。しかしながら、上記のように−３０℃で評価した抵抗Ｒｍを使用すると、場合によっては、モータ１０７に流れる電流量が減りすぎ、モータ１０７の力（トルク）が出なくなる。応答時間ｔも悪化する。また、数３は、制御系は考慮しておらず、早く動作させようとするほど、制御系の遅れは無視できなくなる。
【００４８】
そこで、さらに好ましくは、常温（２０℃）におけるモータ特性をつかって、数３より応答時間（評価時間ｔ）を求め、これを用いて数２により２０℃で必要な抵抗Ｒｍを決めるとよい。本実施例に適用すると、数３をプロットした図５より応答時間ｔは０．０４［ｓ］（３７５ｒｐｍ）であるから、抵抗Ｒｍは、２０℃で１．３５Ω以上あればよいことがわかる。さらに、これに量産の誤差（誘起電圧定数１０％増、抵抗５％減）を考えると、１．４９Ω以上あれば良い。本実施例では、さらに安全代をとり、２０℃で１．６１Ωに設定してある。
【００４９】
以上のように電気抵抗Ｒｍを定めることにより、モータ１０７とその駆動回路６８に流れる電流を規定することができ、複雑な電気回路や制御を用いずとも、駆動回路６８の電気素子の損傷の可能性を低減することができる。
【００５０】
数２を満足するようにして、電気素子の損傷を防ぐ別の手段もある。これには、
図６に示すようなシステムを用いる。制御回路６３は、設定したスロットルバルブ１０２の目標開度の変化率からモータ１０７の速度を逆算し、モータ１０７に与える印加電圧を、数２が成立する範囲で可変にする方法である。モータ１０７の速度が速いときには、モータ１０７を減速するときの印加電圧を少なくし、逆起電圧Ｖｍと印加電圧Ｖｂの両者による電流を減らせば良い。あるいは、別の手段としてはＡ−Ｂ間の電圧（モータの逆起電圧）を監視し、印加電圧との和をとり、ターミナル間抵抗で除した結果が、電気素子の許容電流値以上では、モータの減速を行うのに電圧を印加しないようにする方法もある。また、逆起電圧Ｖｍ及び印加電圧Ｖｂを検出して、これらの和をターミナル間抵抗Ｒｍで除した値が電気素子の許容電流値以上になる前に、モータ１０７の減速のための電圧の印加を中止し、再び電圧を印加するスイッチング動作を行うと良い。
【００５１】
上記２つの手段は、簡単な回路で実現でき、モータの抵抗Ｒｍを大きくする必要が無いため、モータのコイルの発熱（ジュール熱）を低減することができ、許容電流に近い電流を常に用いることができるようになるため、応答時間の短縮をすることができるようになる。
【００５２】
本実施例のギヤ比は１０．２８である。本ギヤ比を使用したことにより、デフォルト機構のばね力やモータの性能のバラツキや、スロットルバルブへの付着物による負荷トルクの変化といった要因によって左右されず、安定的に応答性を確保することができ、同時に高速に動作可能なギヤ比になる。
【００５３】
なお、ギヤ比１０．２８は、モータギヤ１０６、中間ギヤ大１０４ａ、中間ギヤ小１０４ｂ、バルブギヤ１０３（各図１参照）の歯数によって決定されている。実施例の各ギヤの歯数は、モータギヤ：２１、中間ギヤ大の歯数：６５、中間ギヤ小：２２、バルブギヤ：７３（全周）、である。本発明を実施するにあたって、必ずしもこの歯数を用いなくてもよい。ギヤの歯数は、ギヤのモジュールやギヤとギヤの軸間距離に依存し、これらは寸法の制約を受ける。そのため、必ずしも目標とギヤ比が得られるとは限らない。実施例で意味する１０．２８とは、ギヤの枚数が一枚程度変った９．８０〜１０．７８の範囲を示す。
【００５４】
電子制御スロットルでは、ギヤの減速比を小さく選ぶと、モータの力に対してデフォルト機構のばね力が大きくなるので、モータの力に対して応答時間の変化が過敏になり安定した動作が難しくなる。また、モータより見たスロットルバルブの慣性モーメントが大きくなるので、応答は悪くなる。
【００５５】
逆に、ギヤの減速比が大きいと、高速な応答性を確保するには、モータを早く回転させなければならず、モータを加速させるための時間が多大にかかるようになり、応答時間が遅くなり、ＤＩエンジンにとって好ましくない。
【００５６】
図１１に、電子制御スロットルの動作モデルを示す。モータがトルクＴｍを発生すると、ギヤが回転し、モータの回転をギヤの減速比Ｎだけ減速し、ばね負荷Ｔｓがかかったスロットルを回動する。数３に、図１１の運動方程式を示す。数３の第１式は機械系の、第２式はモータの発生トルク、第３式はモータの電気的な特性を表している。これらの式によると、慣性モーメントＪ、インダクタンスＬ、電気抵抗Ｒｍ、ばね力Ｔｓは小さい方が早く動作し、一方、トルク定数Ｋｍや誘起電圧定数Ｋｅ、ギヤ比Ｎには最適値があることがわかる。
【００５７】
【数３】

【００５８】
本実施例の場合のギヤ比は、安定した動作と高速性を兼ね備えるように選択されている。これには、評価式（数４）を用いる。数４は、影響の小さいインダクタンスＬや、モータの過渡応答を無視し、モータの発生トルクが最大付近にあるとして、数２を２回積分して求めた近似を行った理論式である。本式は、機械系を扱った近似式であり、実際の制御を行ったときの応答時間ではないが、機械系が早く動くほど、制御による応答も速くすることができるので、実際に制御したときのの応答時間の評価指標とすることができる。
【００５９】
数４は、全閉から全開まで動作する動作角度をπ／２［rad］として、動作時間tを評価する。モータは、高温になるほど発生する力が小さくなるので、評価式（数４）にはモータが、雰囲気温１２０℃で十分長い間放置され、温度が定常状態に達した時の特性を用いる。評価式（数４）のＪは、モータやギヤの慣性モーメントをバルブシャフト周りの慣性モーメントに置き換えた慣性モーメントＪを使用する。印加電圧は、バッテリ電圧の１３Ｖで評価する。
【００６０】
【数４】

【００６１】
高速で動作させるには、評価式（数４）のｔが０．０８［ｓ］以下になることが望ましい。通常は、モータの特性は自由に変えることができないため、モータの仕様は決定した後により簡単に変更できる減速比を変更する。図５（ａ）に実施例のモータ特性を評価式（数４）に代入した結果を示す。応答時間を実現するのに望ましい減速比の範囲は、２．５〜３２であることがわかる。減速比２．５以下では、リターンスプリングの力Ｔｓが大きくなるため、動作できない。減速比が小さい領域（勾配が負の領域：２．５〜５）の範囲は、減速比に対する、応答時間ｔの感度が高い。言い換えると、減速比が少しでも変化すると応答時間が大幅に変わる。これは、負荷に対しても同じ事がいえ、負荷が少しでも変わると評価時間ｔが大幅に変わることを意味する。図５の破線は、１２０℃のとき、量産誤差によりトルク定数、誘起電圧定数が１０％、モータの抵抗が５％変化したときの評価時間ｔの最良値と最悪値を示す。これをみても、減速比が小さい領域では、評価時間ｔが大きく変わることがわかる。
【００６２】
図５（ｂ）に、減速比が３と１０の時の温度に対する応答性の変化を示す。減速比１０では、減速比３のときより変化が少ない、すなわち温度に対する感度が低い。感度が低い方が、制御を行うのが容易であるためギヤ比が大きい方が良い。したがって、ギヤ比１０の方が、特性として優れている。ところで、温度により変化するのは、モータのトルク定数や抵抗であり、温度が高いとモータの発生トルクは小さくなり、低いと発生トルクが増加する。温度は、モータのトルクの変化と考えても良い。ギヤ比が小さいと、モータのトルク変化（温度の変化）に対し、応答時間の変化が大きいともいえる。また、別の見方をすると、ギヤ比が小さいことは、スロットルシャフトのトルクが小さいことになっており、負荷の変動に対して応答時間が敏感であるともいえる。そのため、やはりギヤ比が大きい方が、応答時間が安定しており、制御を行う上で都合がよい。図５（ｂ）では、代表的なギヤ比として３と１０を選んだが、ギヤ比３は、図５（ａ）のプロットした線の勾配が負（−）の領域、ギヤ比１０は、正（＋）の領域にある。ギヤ比３のように応答時間が温度により大きく変化する傾向は、勾配が負（−）の領域で見られる。したがって、ギヤ比を決定する際には、より温度に対してより安定している図５（ａ）の正（＋）の領域を選択することがのぞましい。
【００６３】
本実施例でも実線の勾配が正（＋）の領域であるギヤ比を選択している。これは、この領域では負荷変動やモータの特性の変化に対する評価時間ｔの変化が少ないため、より安定した状態を維持することができるためである。
【００６４】
このように減速比を選ぶことによってＤＩエンジンに適用したときに、燃焼状態を切り替えてもエンジンの出力変動が小さくなるような高速な応答性を確保することができる。
【００６５】
図７に、本発明に係る電子制御スロットルを用いて、ＤＩエンジンの燃焼状態を切り替えたときに発生するトルクの変動を示す。切替え時間が８０ｍｓ以下であると、本発明の電子制御スロットルを用いることにより切り替え時のトルクの変動が小さくなることがわかる。
【００６６】
以下に理由を述べる。
【００６７】
本実施例の電子制御スロットルは、図６の６１に示すように、エンジン６２の吸気管の上流に位置している。そのため、スロットルバルブを急激に動作させても、スロットルバルブ下流からエンジンまでの配管の容積により、実際のエンジンの吸入空気流量には遅れが生じる。例えば、スロットルバルブを全開にした状態から、瞬時（１０ｍｓ）に全閉にしても、配管に存在する空気のために瞬時にエンジンの吸入空気流量はゼロにならず、徐々に減少する。図１３に、目標とするエンジン吸入空気流量を１００％とし、それに到達するまでの空気流量をしめす。遅れ時間τは、配管の容積（スロットルバルブからエンジンまでの容積［Ｌ］）Ｖｍａｎとエンジン排気量Ｖｄ［Ｌ］の比と、回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］に依存し、（数５）により簡易的に計算できる。
【００６８】
【数５】
τ＝１２０・Ｖｍａｎ／（Ｖｄ・Ｎｅ） …（数５）
ここで、Ｖｍａｎとエンジン排気量Ｖｄの比は、一般に０．８程度〜１．５程度である。スロットルバルブの応答時間と比較するため、図１３の破線に示すように、時定数τをエンジン吸入空気流量が６３％に達する時間と考え、１００％に達するのにかかる時間を計算する。結果を表２にまとめる。ＤＩエンジンの燃焼状態の切替えはエンジン回転数２０００〜３０００ｒｐｍ程度で行われる。この範囲内で空気が目標流量に到達するのに必要な最小時間は、５１ｍｓ（３０００ｒｐｍ、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比０．８）、最大は１４３ｍｓ（２０００ｒｐｍ、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比１．５）である。しかしながら、３０００ｒｐｍで燃焼状態が切り替わる事はまれであり、また、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比も１より大きい事が多い。従って、スロットルの応答時間は１００ｍｓ程度以下であれば、２０００ｒｐｍ程度の回転数で燃焼状態が切り替わるＤＩエンジンに好適である。よりのぞましくは、子制御スロットルは、応答時間８０ｍｓ以下となるようにするとほぼすべてＤＩエンジンに適用できる。本実施例で用いたエンジン構成では、Ｖｍａｎ／Ｖｄ比は１程度であった。切替えエンジン回転数は２５００ｒｐｍ程度である。本発明の電子制御スロットルを用いると、切替え時間が８０ｍｓ以下であるため、空気の応答時間に対し速いかもしくはほぼ等しいので、高速にエンジンに吸入される空気流量を制御する事ができ、そのため、図７にしめすように切り替え時のトルクの変動が小さくなる。
【００６９】
また電子制御スロットル固有の他の課題として、スロットルバルブが汚れの堆積（ガム状の物質）による固渋（はりつき）をひき剥がせられなければならないというものもある。特に、ドライバの踏力を伝えるアクセルワイヤで直接スロットルバルブを、駆動しない本実施例のような場合、モータの力のみによって固渋に対抗しなければならない。固渋力の大きさは使用環境により、さまざまであるが、１１０ｋｇｆｍｍ以上のトルクをスロットルバルブが固定されているシャフトにかけられれば、固渋に対して有効である。
【００７０】
デフォルト位置において、リターンスプリングのプリロードトルク以上に発生し得る力を余裕トルクと呼ぶ。余裕トルクを計算するには、モータがバルブシャフトに与えるトルクとリターンスプリングのプリロードトルクの差である。固渋の原因となるガム上の物質は、温度が高いと柔らかくなる。一方で、モータの最大発生トルクは、低温になればなるほど大きくなるので、余裕トルクの大きさは、常温（２０℃）で評価するのが良い。また、固渋は、長時間駐車等の後に発生することが予想されることから、バッテリ電圧も下がっていることも予想される。したがって、評価するときの印加電圧は余裕を持って１０Ｖとして考える。
【００７１】
本実施例のモータの最大トルクは２１．９［ｋｇｆｍｍ］（Ｅ＝１０Ｖ）、ギヤ比１０．２８なので、スロットルシャフトにかかるモータトルクは必要とする余裕トルク１１０ｋｇｆｍｍを７９ｋｇｆｍｍ、上回っている。実施例は十分、余裕トルクを確保している。このため、実施例は固渋（スロットルバルブの固着）に対して強く、信頼性が高い。
【００７２】
上述の本発明に係る実施例によれば、ＤＩエンジンの均一混合燃焼と層状燃焼を切り替えるときにも、スロットルバルブを高速に動作できるのでトルクの変動を小さくすることができるようになる。また、高速に動作させても、過電流を防止することができるため、特別な電気回路をもちいなくても駆動回路の電気素子の焼損がおこらず、フェールセーフ性が向上する効果が達成される。
【００７３】
本実施例では、印可電圧１３Ｖで評価したが、これに限らず他の電圧で評価してもよい。
【００７４】
図１５に、ギヤ比が１０前後（９．８〜１０．８）で、応答時間８０ｍｓ、許容電流２０Ａ、さらに余裕トルクを１１０ｋｇｆｍｍとしたときのモータのトルク定数Ｋｔ、誘起電圧定数Ｋｔとモータ抵抗Ｒｍの関係を示す。等価慣性モーメントは、0.0013（ｋｇｍ＾２）である。
【００７５】
図１５の実線Ａは、応答時間が８０ｍｓとなる限界であり、実線Ａより下側のＫｔとＲｍが望ましい。実線Ｃは、許容電流以下となる線であり、実線Ｃより上側であることが望ましい。
【００７６】
したがって、実線Ａと実線Ｃに挟まれた領域のＫｔ、Ｒｍを選択することが望ましい。望ましい領域は、点線で囲まれた領域である。数値を挙げるとモータ抵抗Ｒｍは、１．０〜２．５Ω、トルク定数は０．０２５〜０．０４Ｎｍ／Ａの範囲であることが望ましい。トルク定数を０．０４以上にすることは可能であるが、モータの磁石の強化が必要であり、コストアップや装置の大型化につながるため、０．０４以下が望ましい。逆に０．０２５以下であると、実線ＡとＣが近接しているため、製造誤差を小さくしなければならず、コストアップにつながる。
【００７７】
より望ましくは、スロットルバルブの固渋（固着、しぶり）に対しても十分な余裕トルクを持つ事である。余裕トルクの限界を表す線を記号Ｂで表す。余裕トルクを確保するには、実線Ｂより下の抵抗とトルク定数が必要である。実線Ｂは、実線Ａより下側であるため、実線Ｂと実線Ｃの間がより望ましい領域である。
【００７８】
この領域に入るように、実施例ではトルク定数がトルク定数を０．０３〜０．０３５Ｎｍ／Ａ、抵抗は１．２９〜２．２４Ωとして選んだ。このような領域を選ぶことにより、余裕トルク、応答時間、許容電流を満足する電子制御スロットル装置を得る事ができる。
【００７９】
さらに望ましくは、製造公差を考え、２０℃で、トルク定数が３．５４±０．３５ｋｇｆｍｍ／Ａ（±１０％）、抵抗１．６１±０．０８Ω（±５％）のモータを持ち、減速比１０．２７（９．８０〜１０．７８）の電子制御スロットルである。また、減速比１０．２７（９．８０〜１０．７８）であって、リターンスプリングのプリロードトルクが３６（３０〜４０）ｋｇｆｍｍの電子制御スロットルであると、モータがフェールしても、スロットル弁が所定の開度まで自動的に戻り、より安全である。
【００８０】
【発明の効果】
本発明により、ギヤ比及び慣性モーメントの関係が、通常のスロットルバルブの開閉動作に、またフェールセーフに伴うバルブ動作にも、適切に維持されるので、速やかに動作することができる、信頼性の高い電子制御スロットル装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の電子制御スロットルの一例を示す図。
【図２】 デフォルト機構の原理図。
【図３】 バルブシャフトにおけるばねトルクをあらわした図。
【図４】 ＤＩエンジンにおける電子制御スロットルのスロットルバルブの動作を示す図。
【図５】 評価時間ｔと減速比Ｎの関係を示した図。
【図６】 電子制御スロットルを用いたＤＩエンジンを示す図。
【図７】 ＤＩエンジンの燃焼状態を切替え時に発生するトルク変動を示す図。
【図８】 実施例のギヤとモータの配置を示す図。
【図９】 モータの駆動回路を示す図。
【図１０】 モータの回転している方向と逆向きに電圧をかけたときの駆動回路の状態を示す図。
【図１１】 電子制御スロットルの動作モデル。
【図１２】 エンジンの運転状態と燃焼状態を表す図。
【図１３】 エンジンの吸入空気流量の遅れを示す図。
【図１４】 電子制御スロットルのモータの電流と逆起電力を示す図。
【図１５】 電子制御スロットルのモータの仕様を示す図。
【符号の説明】
１０１…スロットルボディ、１０２…バルブ、１０３…バルブギヤ、１０４ａ…中間ギヤ小、１０４ｂ…中間ギヤ大、１０５…モータ軸、１０６…モータギヤ、１０７…モータ、１１０…スロットルポジションセンサ、１１１、２０１…リターンスプリング、１１２、２０２…デフォルトスプリング、２０４…レバー、６１…電子制御スロットル、６２…ＤＩエンジン、６３…制御ユニット、６８…駆動回路、Ｒｍ…モータ抵抗、θｖ…バルブ速度、Ｅ…電圧、Ｉlim…許容電流、Ｋｅ…誘起電圧定数、Ｎ…ギヤの減速比、θｍ…モータ速度、Ｋｍ…トルク定数、Ｊ…バルブシャフト周りを基準とした慣性モーメント。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronically controlled throttle device that is used in an internal combustion engine and adjusts an air flow rate.
[0002]
[Prior art]
JP-A-8-177534 discloses a throttle body, a throttle valve (throttle valve) attached via a rotatable shaft in the intake passage of the throttle body, and for changing the flow rate of air flowing through the intake passage, A throttle control device having an actuator that rotationally drives the throttle valve via a plurality of gears and a rotation angle detection means that detects the rotation angle of the throttle valve is disclosed.
In this apparatus, as a plurality of gears, a first gear fixed to a valve shaft of a throttle valve, a third gear fixed to a rotating shaft of a motor that is an actuator, and a first gear and a second gear. Is provided with a second gear, so that the gear ratio can be increased and the opening degree of the throttle valve can be controlled more finely.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional device, consideration is given to increase the gear ratio so that the throttle valve opening control can be performed more finely. However, in order to obtain the required throttle valve operating speed, the motor characteristics, the motor to the throttle valve There is no guideline on how to determine a reduction ratio or the like when transmitting torque to the motor.
[0004]
In the above-described conventional apparatus, the throttle valve is opened and closed by a motor. If the operation at this time does not respond quickly to the operation of the driver who is the operator, the driver must You will be confused by the gap between changes in driving conditions. However, in an electronically controlled throttle device, it is necessary to provide an urging means for urging the throttle valve to quickly return to a predetermined opening in the event of a failure in consideration of fail-safe. For this reason, the operating speed of the throttle valve cannot be simply increased, and it is necessary to appropriately set the urging force of the urging means, the performance of the motor, and the reduction ratio of the speed reduction mechanism from the motor to the throttle valve.
[0005]
Further, when considering application to a DI (Direct Injection) engine in which fuel is sprayed directly into a combustion chamber, the following problems occur.
[0006]
A conventional port injection engine that injects fuel into an intake pipe is operated near the theoretical air-fuel ratio (14.7). In contrast, the DI engine is operated with a wide air-fuel ratio ranging from the stoichiometric air-fuel ratio (14.7) to the ultra-lean air-fuel ratio (40 or more). At this time, the air-fuel mixture is ignited in a uniform state near the stoichiometric air-fuel ratio, so it is called homogeneous mixed combustion. At air-fuel ratios higher than that, it is called stratified combustion because the air-fuel mixture is formed in layers and burned. . In the DI engine, fuel is injected directly into the cylinder, so that stratified combustion is easy to achieve. FIG. 12 shows the combustion state in the engine operating region. The region where the stratified combustion is performed is a region where the engine speed is 2000 to 3000 rpm or less.
[0007]
In order to realize these combustion states, the position (opening degree) of the throttle valve needs to be set to a position that is more open than the uniform mixed combustion state in the stratified combustion state. Therefore, when shifting from the stratified combustion state to the uniform mixed combustion state, it is necessary to return the throttle valve in the closing direction. FIG. 4 shows the relationship between the depression amount when the driver gradually depresses the accelerator and the operation (opening degree) of the throttle valve with respect to the depression amount.
[0008]
As shown in FIG. 4, it can be seen that in the stratified combustion state, the throttle valve is largely open, and when switching to uniform mixed combustion, the throttle valve is temporarily moved in the closing direction. If the time for this switching operation is long, the switching of the combustion state does not go smoothly, and the output changes suddenly. As a result, a “shock” of switching is transmitted to the vehicle occupant, which deteriorates operability and ride comfort.
[0009]
In addition, when the throttle valve is operated at a high speed in order to reduce the switching shock, the motor for driving the throttle valve needs to be operated at a high speed. At this time, the back electromotive force when the brake is applied to the speed of the throttle valve is increased by the amount of operation at high speed. For this reason, there is a possibility that a large current exceeding the allowable current value of the motor drive circuit element flows in the motor drive circuit. In this case, it is sufficient that an electric element having a large allowable current value can be used in the motor drive circuit. However, an electric element having the required allowable current value does not always exist, and even if it exists, the cost increases, and the automobile It is not suitable for mounting. As another means for suppressing the current flowing in the motor drive circuit within the allowable current value, a current limiting circuit may be added, but this also leads to an increase in cost. Furthermore, when the current limiting circuit fails, the current flowing through the motor drive circuit may not be able to be suppressed within the allowable current value, and it cannot be said that the fail-safe property is sufficient.
[0010]
An object of the present invention is to provide a highly reliable electronically controlled throttle device that can perform normal opening / closing operation and valve operation for fail-safe operation in an appropriate time.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an electronically controlled throttle device according to the present invention comprises a motor, a speed reduction mechanism for reducing the rotation of the motor, and a throttle valve connected to the speed reduction mechanism, and drives the motor. In the electronically controlled throttle device that adjusts the opening degree of the throttle valve, the operating time t of the throttle valve is expressed by
[0012]
[Expression 1]

[0013]
When N is calculated as E = 13 V, N and / or J have values within a range where t is 80 ms or less.
At this time, it is preferable that N and / or J have a value within a range in which the value obtained by differentiating the expression (Equation 1) by the reduction ratio N is positive.
In order to achieve the above object, a motor, a speed reduction mechanism for reducing the rotation of the motor, and a throttle valve connected to the speed reduction mechanism are provided, and the opening of the throttle valve is controlled by driving the motor. In the electronically controlled throttle device to adjust,
[0014]
[Expression 1]

[0015]
Each parameter is determined so that the time t obtained in (1) is 80 ms or less.
  At this time, each parameter should be a value at a temperature of 120 ° C..
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a horizontal sectional view of an embodiment of an electronically controlled throttle device according to the present invention. Moreover, the gear part (gear arrangement | positioning) seen from the axial direction of the valve shaft of FIG. 1 is shown in FIG.
[0019]
This electronically controlled throttle device includes an air passage and a throttle body 101 that contains a motor, a motor 107 that generates a rotational force, a motor shaft 105 that is an output shaft of the motor, and a motor gear 106 that is fastened to the motor shaft 105. An intermediate gear large 104a meshing with the motor gear, an intermediate gear small 104b coaxially fastened with the intermediate gear large 104a, a valve gear 103 meshing with the intermediate gear small 104b, and a valve shaft 108 with which the valve gear 103 is fastened The throttle valve 102 is screwed to the valve shaft 108, and a default mechanism using a return spring 111 and a default spring 112 is used.
[0020]
The specification parameters that determine the performance include the following. Regarding motors, there are torque constants, counter electromotive voltage constants, inductances, resistances, and applied voltages. Regarding the mechanical system, there are moment of inertia, reduction ratio (gear ratio), and return spring preload torque.
[0021]
A throttle position sensor 110 that detects the position of the throttle valve is attached between the default mechanism and the throttle valve 102.
[0022]
In order to decelerate the rotation of the motor, the motor gear 106 needs to have a smaller pitch circle diameter than the intermediate gear size 104a that meshes with the motor gear 106. The intermediate gear small 104b needs to have a smaller pitch circle diameter than the valve gear 103 which meshes with the intermediate gear small 104b. Since the operating angle of the throttle valve 102 is at most 90 degrees, it is sufficient that the valve gear 103 rotates by 90 degrees, and has a fan-shaped shape.
[0023]
The intermediate gear large 104a and the intermediate gear small 104b are configured by forming respective tooth spaces in one member. A hole is formed in the center of the intermediate gear, and the intermediate gear shaft 109 that is press-fitted into the throttle body 101 passes through the hole. Although not shown, a dry bearing is inserted between the intermediate gear and the intermediate gear shaft 109 in order to reduce friction and to reduce backlash of the intermediate gear.
[0024]
The motor 107 is provided with a flange perpendicular to the motor shaft 105 and is fastened to the throttle body 101 with two screws. In the present embodiment, the intermediate gear large 104a is disposed on the throttle body 101 side of the intermediate gear shaft 109 so that the motor shaft 105 is as short as possible. With this layout, the motor shaft 105 can be made thinner and the moment of inertia can be reduced as the rigidity of the motor shaft 105 increases. This contributes to faster response.
[0025]
FIG. 2 shows the principle of the default mechanism. In this figure, for easy explanation, the rotational motion is replaced with a linear motion. The lever 204 is coupled to the throttle shaft 108 and is driven by the motor 107. When the lever 204 moves to the left on the paper, the throttle valve moves in the opening direction. The default mechanism is a mechanism that opens the throttle valve 102 to a set position (referred to as a default position) when the motor 107 does not generate a force, and uses a pair of springs. The default position is set to a throttle position at which the vehicle can start without running away. The return spring 111 is attached to a lever 204 that is operated by the member 203 and the throttle shaft 108. The default spring 202 is attached to the member 203 and the body 205.
[0026]
When the motor 107 does not generate a force, the lever 204 is pressed against and brought into contact with the member 203 by the return spring 201, and the member 203 is fixed at the default position by the default spring 202. When the lever 204 is above the default position, the member 203 hits the body 205 and stops, and the lever 204 receives a force acting in the direction of closing the throttle valve by the return spring 201 (111). When the lever 204 is below the default position, the force of the default spring 202 (112) is received through the lever 204 and the member 203.
[0027]
The torque applied to the valve shaft 108 by the above default mechanism is shown in FIG. A preload (spring pressure) is applied to the return spring 111 and the default spring 112. There is an optimum value for the size of the preload, and if it is too large, the response time of the opening / closing operation of the throttle valve will become long. If it is too small, the throttle valve 102 will reach the default position due to air resistance or friction of the rotating part. It will not return. In order to reliably return the valve 102 to the default position, preloading of the return spring 111 is important and requires 30 to 40 kgfmm.
[0028]
The operation of the electronically controlled throttle device of this embodiment will be described.
[0029]
When a force greater than the spring force of the default mechanism is applied to the valve shaft 102 by the motor 107, the motor shaft 105 rotates, and the motor gear 106 and the intermediate gear size 104a rotate accordingly. Since the number of teeth of the motor gear 106 is less than the number of teeth of the large intermediate gear 104a, the motor gear 106 is decelerated. The intermediate gear small 104 b rotates together with the intermediate gear large 104 a and further transmits torque to the valve gear 103. The pitch circle diameter of the intermediate gear small 104b and the valve gear 103 is further reduced because the intermediate gear small 104b is set smaller. The rotation of the motor 107 is decelerated in two stages and transmitted to the valve shaft 108.
[0030]
FIG. 6 shows an embodiment of a DI engine using the electronically controlled throttle valve of the present invention. The electronic control throttle 61 is connected to the intake side upstream of the DI engine 62 via an intake pipe 67. The electronic control throttle 61 is connected by a throttle harness 66 to a control unit 63 that sends a signal to the motor 107 and drives it.
[0031]
The control unit 63 receives information from the engine via the engine harness 64 and information from the other part of the vehicle via the harness 65, and determines the target position of the throttle valve 102. The control unit 63 also receives a signal from a throttle position sensor 110 that detects the position of the throttle valve 102, and controls the position of the throttle valve to approach the target position using this signal.
[0032]
A drive circuit 68 that adjusts the power supplied to the motor 107 is incorporated in the control unit 63. The drive circuit 68 of this embodiment uses a PWM method in which the power of the motor 107 is turned on and off in a pulsed manner, and the generated force of the motor is determined from the length. In order to turn on and off in a pulsed manner, a transistor, FET, or the like is used as an electric element, and an allowable current value is determined for this transistor. If a current exceeding the allowable current value flows, an electric element such as a transistor or FET may break down.
[0033]
Table 1 shows the specifications of the gear ratio between the motor 107 and the speed reduction mechanism of this embodiment.
[0034]
[Table 1]

[0035]
By using this specification, it is possible to solve problems such as sufficiently shortening the response time and preventing an excessive current from flowing in the circuit due to the counter electromotive voltage. Hereinafter, these specifications will be described.
[0036]
When a voltage is supplied to the motor and rotated, the motor generates a voltage in a direction opposite to the applied voltage due to its power generation action. This voltage is a counter electromotive voltage and is proportional to the rotation speed of the motor. Since the motor used for the electronically controlled throttle is controlled so as to reach the target position, when approaching the target position, a voltage in the direction opposite to the direction in which the motor is rotating is applied for deceleration. At this time, there is a possibility that a large current flows as an overcurrent due to a combination of the back electromotive voltage and the applied voltage.
[0037]
As an example, FIG. 14 shows a state in which the throttle valve is stepped.
[0038]
FIG. 9 shows the drive circuit 68 of the motor 107, and FIG. 10 shows the voltage and current states when a voltage is applied in the direction opposite to the direction in which the motor 107 rotates. M1, M2, M3, and M4 are electric elements, which are FETs (field effect transistors) in the embodiment, and turn on / off the power to the motor 107. When M1 and M4 are turned on (M2 and M3 are turned off), the motor 107 rotates in the forward direction, and M2 and M3 are turned on (M1 and M4 are turned off) and reversely rotated. Here, during reverse rotation, the back electromotive voltage of the motor 107 is generated in a direction in which the A side becomes +. Next, in order to rapidly decelerate the rotation of the motor 107, a voltage is applied to the forward rotation side (M1 and M4 are turned on) as shown in FIG. Then, the direction of the counter electromotive voltage Vm matches the direction of the applied voltage Vb, and the current im flows. The current im is larger than the current flowing by the applied voltage Vb by the amount of the counter electromotive voltage Vm. If this current is a current (overcurrent) larger than the allowable current value of the electric elements (M1, M2, M3, M4), the electric elements (M4 and M1 in FIG. 10) may be damaged.
[0039]
In this embodiment, by setting the resistance of the motor 107 appropriately, an overcurrent does not flow to the drive circuit 68 of the motor 107 due to the counter electromotive voltage. As a result, the current flowing through the motor 107 and the drive circuit 68 can be set to be equal to or less than the allowable current value of the electric element (drive circuit element).
[0040]
Specifically, the resistance Rm of the motor 107 is determined according to the evaluation formula (Equation 2). Equation 2 is an expression for obtaining the resistance Rm of the motor 107 that is equal to or less than the allowable current value by calculating the voltage applied to the motor 107 from the sum of the back electromotive voltage Vm and the applied voltage Vb and dividing by the allowable current of the electric element. .
[0041]
Here, the resistance Rm of the motor is a resistance between AB shown in FIG. 9 and a resistance between terminals of the motor 107. This resistance includes not only an armature resistance but also a resistance of a choke coil used as a noise filter and a wiring resistance for brush connection. This resistance is defined by impedance when the current or voltage has a frequency greater than 0 Hz.
[0042]
The actual resistance is measured by applying a driving voltage of the motor mounted on the automobile, that is, a voltage of 13 V in this embodiment to the motor, and obtaining the resistance from the current value when the motor is stalled using Ohm's law. .
[0043]
The evaluation formula (Equation 2) indicates the resistance that the motor 107 should be. When the right side is larger than the left side, the resistance Rm of the motor is insufficient and the allowable current value of the drive circuit 68 is exceeded. However, in this evaluation formula, since the back electromotive force constant of the motor 107 changes with temperature, the evaluation is made at a value at −30 ° C. where the electric resistance Rm becomes small. Although evaluation may be performed at a lower temperature, in actuality, it may be evaluated at −30 ° C. on the low temperature side as an environment in which the automobile is used. Therefore, the evaluation formula (Equation 2) uses the motor characteristics at −30 ° C. The operating speed of the valve 102 is evaluated by defining the operating angle π / 2 [rad] (90 °) of the valve as 80 ms (187.5 rpm) for application to the DI engine.
[0044]
The reduction ratio of the gear of this embodiment is 10.28, and the induced voltage constant at −30 ° C. is 3.92 V / krpm. The applied voltage is evaluated at 13 V generated by the automobile power supply system. Normally, the power supply system of an automobile is controlled to 12.7 to 12.8V, but may be 10V or less when starting or when the battery is exhausted. Moreover, although it may increase 16V or more by the malfunction of a voltage control apparatus, it evaluates at 13V close | similar to the voltage normally seen here. The allowable current value of the electric element of the drive circuit 68 of the motor 107 used in this embodiment is 20A. From the evaluation formula (Equation 2), it can be seen that the resistance Rm of the motor 107 may be 1.03Ω or more. Since the resistance of the motor 107 may be reduced by 5% and the induced voltage constant may be increased by 10% due to a manufacturing error, it is more preferable to calculate in consideration of these. Then, the induced voltage constant is 4.31 V / krpm, and the resistance is 1.12Ω or more.
[0045]
Therefore, in this embodiment, the resistance is set to 1.29Ω with a margin.
[0046]
[Expression 2]

[0047]
The above method is a case where the operation is performed at 80 ms. However, in order to set the resistance Rm with higher accuracy, the response time t is evaluated by an evaluation formula of Formula 3 described later (however, the characteristics of the motor 107 will be described later). There is also a method in which the response time t is defined as the speed at which the valve 102 operates, and the resistance Rm is obtained by the evaluation formula (Equation 1), using −30 ° C. instead of the value at 120 ° C. Then, even with an electronically controlled throttle having a response time (evaluation time t) much faster than 80 ms, damage to the electric elements can be prevented. However, when the resistance Rm evaluated at −30 ° C. as described above is used, in some cases, the amount of current flowing through the motor 107 is excessively reduced, and the force (torque) of the motor 107 is not generated. The response time t is also deteriorated. In addition, the control system is not taken into consideration in Equation 3, and the delay in the control system cannot be ignored as the operation becomes faster.
[0048]
Therefore, more preferably, the response time (evaluation time t) is obtained from Equation 3 using the motor characteristics at room temperature (20 ° C.), and the necessary resistance Rm at 20 ° C. is determined from Equation 2 using this. When applied to the present embodiment, the response time t is 0.04 [s] (375 rpm) from FIG. 5 in which Equation 3 is plotted, and thus it is understood that the resistance Rm should be 1.35Ω or more at 20 ° C. Furthermore, considering an error in mass production (induction voltage constant 10% increase, resistance 5% decrease), it should be 1.49Ω or more. In this embodiment, the safety allowance is further set to 1.61Ω at 20 ° C.
[0049]
By determining the electrical resistance Rm as described above, the current flowing through the motor 107 and its drive circuit 68 can be defined, and the electrical elements of the drive circuit 68 can be damaged without using a complicated electrical circuit or control. Can be reduced.
[0050]
There is another means for preventing the electrical element from being damaged by satisfying Equation (2). This includes
A system as shown in FIG. 6 is used. The control circuit 63 is a method in which the speed of the motor 107 is calculated backward from the set rate of change of the target opening of the throttle valve 102, and the applied voltage applied to the motor 107 is made variable within a range where Formula 2 is satisfied. When the speed of the motor 107 is high, the applied voltage when the motor 107 is decelerated is reduced, and the current due to both the back electromotive voltage Vm and the applied voltage Vb may be reduced. Alternatively, as another means, the voltage between A and B (back electromotive voltage of the motor) is monitored, the sum with the applied voltage, and the result divided by the resistance between the terminals is equal to or greater than the allowable current value of the electric element, There is also a method in which no voltage is applied to decelerate the motor. Further, the back electromotive voltage Vm and the applied voltage Vb are detected, and before the value obtained by dividing the sum by the inter-terminal resistance Rm becomes equal to or greater than the allowable current value of the electric element, the application of the voltage for decelerating the motor 107 is applied. It is good to stop the operation and perform the switching operation to apply the voltage again.
[0051]
The above two means can be realized with a simple circuit, and it is not necessary to increase the resistance Rm of the motor. Therefore, heat generation (joule heat) of the motor coil can be reduced, and a current close to the allowable current is always used. Response time can be shortened.
[0052]
The gear ratio of the present embodiment is 10.28. By using this gear ratio, stable response can be ensured regardless of factors such as variations in the spring force of the default mechanism, motor performance, and changes in load torque due to deposits on the throttle valve. It is possible to achieve a gear ratio capable of operating at high speed at the same time.
[0053]
The gear ratio 10.28 is determined by the number of teeth of the motor gear 106, the intermediate gear large 104a, the intermediate gear small 104b, and the valve gear 103 (see FIG. 1). The number of teeth of each gear of the example is: motor gear: 21, intermediate gear large number of teeth: 65, intermediate gear small: 22, valve gear: 73 (entire circumference). In carrying out the present invention, the number of teeth is not necessarily used. The number of gear teeth depends on the gear module and the distance between the shafts of the gear and the gear, and these are subject to dimensional constraints. Therefore, the target and gear ratio are not always obtained. 10.28 as used in the examples refers to a range of 9.80 to 10.78 in which the number of gears has changed by about one.
[0054]
With an electronically controlled throttle, if the gear reduction ratio is selected to be small, the spring force of the default mechanism increases with respect to the motor force, making the response time change sensitive to the motor force and making stable operation difficult. . Further, since the inertia moment of the throttle valve as viewed from the motor is increased, the response is deteriorated.
[0055]
On the other hand, if the gear reduction ratio is large, to ensure high-speed response, the motor must be rotated quickly, and it takes a lot of time to accelerate the motor, resulting in a slow response time. This is not preferable for the DI engine.
[0056]
FIG. 11 shows an operation model of the electronically controlled throttle. When the motor generates torque Tm, the gear rotates, the rotation of the motor is reduced by the gear reduction ratio N, and the throttle loaded with the spring load Ts is rotated. Equation 3 shows the equation of motion shown in FIG. The first expression of Equation 3 represents the mechanical system, the second expression represents the generated torque of the motor, and the third expression represents the electrical characteristics of the motor. According to these equations, the smaller the moment of inertia J, the inductance L, the electric resistance Rm, and the spring force Ts, the faster the operation, while the torque constant Km, the induced voltage constant Ke, and the gear ratio N have optimum values. Recognize.
[0057]
[Equation 3]

[0058]
The gear ratio in this embodiment is selected so as to have both stable operation and high speed. For this, an evaluation formula (Equation 4) is used. Equation 4 is an theoretical formula obtained by performing approximation obtained by integrating Equation 2 twice, assuming that the inductance L having a small influence and the transient response of the motor are ignored and the generated torque of the motor is in the vicinity of the maximum. This equation is an approximate expression that deals with the mechanical system, and is not the response time when actual control is performed, but the faster the mechanical system moves, the faster the response by control, so the actual control was performed. It can be used as an evaluation index of response time.
[0059]
Equation 4 evaluates the operating time t, where the operating angle for operating from fully closed to fully open is π / 2 [rad]. Since the motor generates less force as the temperature rises, the evaluation formula (Equation 4) uses the characteristics when the motor is left at an ambient temperature of 120 ° C. for a sufficiently long time and the temperature reaches a steady state. J in the evaluation formula (Equation 4) uses the moment of inertia J obtained by replacing the moment of inertia of the motor or gear with the moment of inertia around the valve shaft. The applied voltage is evaluated at a battery voltage of 13V.
[0060]
[Expression 4]

[0061]
In order to operate at high speed, it is desirable that t in the evaluation formula (Equation 4) is 0.08 [s] or less. Usually, since the motor characteristics cannot be freely changed, the reduction ratio that can be changed more easily after the specification of the motor is determined is changed. FIG. 5A shows the result of substituting the motor characteristics of the embodiment into the evaluation formula (Equation 4). It can be seen that the range of the reduction ratio desirable for realizing the response time is 2.5 to 32. If the reduction ratio is 2.5 or less, the return spring force Ts increases, and the operation cannot be performed. The sensitivity of the response time t with respect to the reduction ratio is high in the range where the reduction ratio is small (region where the gradient is negative: 2.5 to 5). In other words, if the reduction ratio changes even a little, the response time changes significantly. This means that the same applies to the load, but if the load changes even a little, the evaluation time t changes significantly. The broken line in FIG. 5 indicates the best value and the worst value of the evaluation time t when the torque constant and the induced voltage constant are changed by 10% and the motor resistance is changed by 5% at 120 ° C. due to mass production error. Even if this is seen, it turns out that the evaluation time t changes a lot in the region where the reduction ratio is small.
[0062]
FIG. 5B shows a change in responsiveness to temperature when the reduction ratio is 3 and 10. FIG. In the reduction ratio 10, the change is smaller than in the reduction ratio 3, that is, the sensitivity to temperature is low. The lower the sensitivity, the easier it is to perform the control, so the higher the gear ratio is better. Therefore, the gear ratio 10 is superior as a characteristic. By the way, the torque constant and resistance of the motor change depending on the temperature. When the temperature is high, the generated torque of the motor becomes small, and when the temperature is low, the generated torque increases. The temperature may be considered as a change in the torque of the motor. If the gear ratio is small, it can be said that the response time changes greatly with respect to the motor torque change (temperature change). From another point of view, a small gear ratio means that the torque of the throttle shaft is small, and it can be said that the response time is sensitive to load fluctuations. For this reason, a larger gear ratio is advantageous in terms of control because the response time is stable. In FIG. 5B, 3 and 10 are selected as representative gear ratios. However, the gear ratio 3 is a region where the slope of the plotted line in FIG. 5A is negative (−), and the gear ratio 10 is positive. It is in the (+) area. The tendency for the response time to change greatly with temperature as in the gear ratio 3 is seen in the region where the gradient is negative (−). Therefore, when determining the gear ratio, it is preferable to select the positive (+) region of FIG. 5A, which is more stable with respect to temperature.
[0063]
Also in this embodiment, the gear ratio in which the slope of the solid line is a positive (+) region is selected. This is because in this region, since the change in the evaluation time t with respect to the load fluctuation and the change in the motor characteristics is small, a more stable state can be maintained.
[0064]
By selecting the reduction ratio in this way, when applied to a DI engine, it is possible to ensure high-speed response that reduces engine output fluctuations even when the combustion state is switched.
[0065]
FIG. 7 shows torque fluctuations that occur when the combustion state of the DI engine is switched using the electronically controlled throttle according to the present invention. It can be seen that when the switching time is 80 ms or less, the torque fluctuation at the time of switching is reduced by using the electronic control throttle of the present invention.
[0066]
The reason is described below.
[0067]
The electronically controlled throttle of this embodiment is located upstream of the intake pipe of the engine 62, as shown at 61 in FIG. Therefore, even if the throttle valve is suddenly operated, the actual intake air flow rate of the engine is delayed due to the volume of the pipe from the throttle valve downstream to the engine. For example, even if the throttle valve is fully opened and then fully closed instantaneously (10 ms), the intake air flow rate of the engine does not instantaneously become zero due to the air present in the pipe, and gradually decreases. FIG. 13 shows the target engine intake air flow rate as 100%, and the air flow rate until reaching the target. The delay time τ depends on the ratio of the volume of the pipe (volume from the throttle valve to the engine [L]) Vman and the engine displacement Vd [L] and the rotational speed Ne [rpm]. Can be calculated.
[0068]
[Equation 5]
τ = 120 · Vman / (Vd · Ne) (Equation 5)
Here, the ratio of Vman and engine displacement Vd is generally about 0.8 to 1.5. In order to compare with the response time of the throttle valve, as shown by the broken line in FIG. 13, the time constant τ is considered as the time when the engine intake air flow rate reaches 63%, and the time required to reach 100% is calculated. The results are summarized in Table 2. Switching of the combustion state of the DI engine is performed at an engine speed of about 2000 to 3000 rpm. The minimum time required for air to reach the target flow rate within this range is 51 ms (3000 rpm, Vman / Vd ratio 0.8), and the maximum is 143 ms (2000 rpm, Vman / Vd ratio 1.5). However, the combustion state rarely switches at 3000 rpm, and the Vman / Vd ratio is often larger than 1. Therefore, if the response time of the throttle is about 100 ms or less, it is suitable for a DI engine whose combustion state is switched at a rotational speed of about 2000 rpm. More preferably, the child control throttle can be applied almost to the DI engine if the response time is 80 ms or less. In the engine configuration used in this example, the Vman / Vd ratio was about 1. The switching engine speed is about 2500 rpm. When the electronically controlled throttle of the present invention is used, since the switching time is 80 ms or less, the flow rate of air sucked into the engine can be controlled at high speed because it is fast or nearly equal to the air response time. As shown in FIG. 7, the torque fluctuation at the time of switching becomes small.
[0069]
Another problem inherent to electronically controlled throttles is that the throttle valve must be able to remove the astringency caused by dirt accumulation (gum-like substance). In particular, in the case of the present embodiment in which the throttle valve is not directly driven by the accelerator wire that transmits the pedaling force of the driver, it is necessary to counter the firmness only by the power of the motor. The magnitude of the firm astringency varies depending on the use environment. However, if a torque of 110 kgfmm or more is applied to the shaft to which the throttle valve is fixed, it is effective for the firm astringency.
[0070]
In the default position, a force that can be generated more than the preload torque of the return spring is called a surplus torque. To calculate the surplus torque, it is the difference between the torque applied by the motor to the valve shaft and the preload torque of the return spring. The substance on the gum that causes astringency becomes softer at higher temperatures. On the other hand, since the maximum generated torque of the motor increases as the temperature becomes lower, it is better to evaluate the magnitude of the surplus torque at room temperature (20 ° C.). In addition, since it is expected that solid astringency will occur after parking for a long time, the battery voltage is also expected to drop. Therefore, the applied voltage at the time of evaluation is considered as 10 V with a margin.
[0071]
Since the maximum torque of the motor of this embodiment is 21.9 [kgfmm] (E = 10V) and the gear ratio is 10.28, the motor torque applied to the throttle shaft exceeds the required margin torque 110 kgfmm by 79 kgfmm. In the embodiment, sufficient torque is secured. For this reason, the embodiment is strong against astringency (throttle valve sticking) and has high reliability.
[0072]
According to the above-described embodiment of the present invention, even when switching between uniform mixed combustion and stratified combustion of the DI engine, the throttle valve can be operated at high speed, so that fluctuations in torque can be reduced. In addition, since overcurrent can be prevented even when operated at high speed, the electric elements of the drive circuit are not burned out without using a special electric circuit, and the effect of improving fail-safety is achieved. .
[0073]
In this embodiment, the evaluation is performed with the applied voltage of 13 V, but the present invention is not limited to this and may be evaluated with another voltage.
[0074]
FIG. 15 shows the motor torque constant Kt, induced voltage constant Kt and motor resistance when the gear ratio is around 10 (9.8 to 10.8), the response time is 80 ms, the allowable current is 20 A, and the surplus torque is 110 kgfmm. The relationship of Rm is shown. The equivalent moment of inertia is 0.0013 (kgm ^ 2).
[0075]
The solid line A in FIG. 15 is the limit that the response time is 80 ms, and Kt and Rm below the solid line A are desirable. The solid line C is a line that is equal to or lower than the allowable current, and is preferably above the solid line C.
[0076]
Therefore, it is desirable to select Kt and Rm in the region sandwiched between the solid line A and the solid line C. A desirable region is a region surrounded by a dotted line. As numerical values, it is desirable that the motor resistance Rm is in the range of 1.0 to 2.5Ω and the torque constant is in the range of 0.025 to 0.04 Nm / A. Although it is possible to make the torque constant 0.04 or more, it is necessary to reinforce the magnet of the motor, which leads to cost increase and enlargement of the apparatus, so 0.04 or less is desirable. On the other hand, if it is 0.025 or less, the solid lines A and C are close to each other, so that the manufacturing error must be reduced, leading to an increase in cost.
[0077]
More desirably, it has a sufficient margin torque even with respect to the firmness (adherence, sticking) of the throttle valve. A line representing the limit of the surplus torque is represented by symbol B. In order to secure a surplus torque, a resistance and a torque constant below the solid line B are required. Since the solid line B is below the solid line A, the area between the solid line B and the solid line C is a more desirable region.
[0078]
In this embodiment, the torque constant is selected as 0.03 to 0.035 Nm / A and the resistance is 1.29 to 2.24Ω so as to fall within this region. By selecting such a region, it is possible to obtain an electronically controlled throttle device that satisfies the margin torque, response time, and allowable current.
[0079]
More preferably, considering the manufacturing tolerance, the motor has a torque constant of 3.54 ± 0.35 kgfmm / A (± 10%) and resistance of 1.61 ± 0.08Ω (± 5%) at 20 ° C. This is an electronically controlled throttle with a ratio of 10.27 (9.80 to 10.78). Further, when the reduction ratio is 10.27 (9.80 to 10.78) and the preload torque of the return spring is 36 (30 to 40) kgfmm, even if the motor fails, the throttle valve Automatically returns to a predetermined opening, which is safer.
[0080]
【The invention's effect】
According to the present invention, the relationship between the gear ratio and the moment of inertia is appropriately maintained in the normal opening / closing operation of the throttle valve and also in the valve operation accompanying the fail-safe operation. A high electronic control throttle device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of an electronically controlled throttle according to the present invention.
FIG. 2 is a principle diagram of a default mechanism.
FIG. 3 is a diagram showing spring torque in a valve shaft.
FIG. 4 is a diagram showing the operation of a throttle valve of an electronically controlled throttle in a DI engine.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an evaluation time t and a reduction ratio N.
FIG. 6 is a diagram showing a DI engine using an electronically controlled throttle.
FIG. 7 is a diagram showing torque fluctuation that occurs when the combustion state of the DI engine is switched.
FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement of gears and motors according to an embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a motor drive circuit.
FIG. 10 is a diagram showing a state of a drive circuit when a voltage is applied in the direction opposite to the direction of rotation of the motor.
FIG. 11 is an operation model of an electronically controlled throttle.
FIG. 12 is a diagram showing an operating state and a combustion state of the engine.
FIG. 13 is a diagram showing a delay in the intake air flow rate of the engine.
FIG. 14 is a diagram showing a motor current and back electromotive force of an electronically controlled throttle.
FIG. 15 is a diagram showing the specifications of a motor of an electronically controlled throttle.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Throttle body, 102 ... Valve, 103 ... Valve gear, 104a ... Small intermediate gear, 104b ... Large intermediate gear, 105 ... Motor shaft, 106 ... Motor gear, 107 ... Motor, 110 ... Throttle position sensor, 111, 201 ... Return spring 112, 202 ... Default spring, 204 ... Lever, 61 ... Electronically controlled throttle, 62 ... DI engine, 63 ... Control unit, 68 ... Drive circuit, Rm ... Motor resistance, θv ... Valve speed, E ... Voltage, Ilim ... Allowable Current, Ke: Induced voltage constant, N: Gear reduction ratio, θm: Motor speed, Km: Torque constant, J: Moment of inertia based on the valve shaft.

Claims (4)

A motor; a speed reduction mechanism for reducing the rotation of the motor; a throttle valve connected to the speed reduction mechanism; and an urging means for applying a force in a direction to return the throttle valve to an initial position. In the electronically controlled throttle device that adjusts the opening of the throttle valve,
Throttle valve operating time t

Thus, when calculated as E = 13V, N and / or J has a value within a range where t is 80 ms or less. In an electronically controlled throttle device that has a motor, a speed reduction mechanism that reduces the rotation of the motor, and a throttle valve connected to the speed reduction mechanism, and that drives the motor to adjust the opening of the throttle valve.
The following formula,

An electronically controlled throttle device characterized in that each parameter is determined so that a time t obtained by the above is 80 ms or less.   2. The electronic control throttle device according to claim 1, wherein N and / or J has a value within a range in which a value obtained by differentiating the equation by a reduction ratio N is positive.   The electronically controlled throttle device according to claim 2, wherein the parameter is a value at a temperature of 120 ° C.

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