JP2004270696A - 燃料の揮発性部分を吸気管に配量供給する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁式キャニスターパージバルブと制御回路を備える燃料の揮発性成分を配量供給する装置をさらに改良し、より正確に配量でき、向上したパージ能力を有する装置を提供する。
【解決手段】 本発明の装置は、燃料の揮発性成分を、特に自動車の内燃機関の吸気管に配量して供給する装置であって、パルス幅変調方式の比例動作で制御可能な１つの電磁的キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備え、この制御回路を利用して、キャニスターパージバルブのコイルに流れる電流に対する外部からの擾乱を補償するための調整を行うものにおいて、（１）バルブを通過するマスフロー及び／又は体積流、（２）バルブの弁座とバルブのシールエレメントとの間隔、（３）体積流中の炭化水素（CHx）の割合の少なくとも１つを検知する装置を有し、マスフロー、体積流、弁座とシールエレメントとの間隔、体積流中の炭化水素の割合のうちの少なくとも１つに応じて、コイルに流れる電流を調整することができることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料の揮発性成分を、特に自動車の内燃機関の吸気管、インテークパイプに配量供給する装置に関する。より詳細には、本発明は、パルス幅変調方式の比例動作によって制御される１つの電磁式キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備え、この制御回路を利用して、キャニスターパージバルブのコイル電流に対する外部からの擾乱を補償するための調整を行うことができる装置に関する。

自動車の燃料タンク内にある蒸発したガス状の燃料を捕捉して貯蔵し、最終的に自動車の内燃機関の吸気管、インテークパイプに計り分けて、供給すること、配量供給することが知られている。蒸発したガス状の燃料を捕捉、貯蔵する装置として、通常は活性炭キャニスターが使用されている。活性炭が、蒸発したガス状の燃料を捕捉（吸収）し、その後、対応する通気を行うことにより、捕捉されたガス状の燃料を再び放出する。従って走行時の動作では、エンジンに、活性炭キャニスターを介して外気が吸い込まれ、この外気が燃料又はガス状の燃料を取り込んでエンジンに供給される。この空気-燃料混合物の配量は、いわゆるパージバルブを経由して行われる。通常、パージバルブは、磁気コイルと、シールエレメント付きのアーマチャーと、シーリングシート又は弁座と、回復ばね又はリセットばね（閉鎖ばね）とを備えている電磁式に駆動されるバルブである。アーマチャーは、通電状態においてコイルの磁力により、閉鎖ばねのばね力に抗して、シールエレメントを弁座から引き離し、これにより吐出口が開放される。ここで、バルブは開放位置にある。通電されていない状態では、シールエレメントは閉鎖ばねによって弁座に押し付けられ、バルブは閉鎖位置にある。

キャニスターパージバルブの制御はエンジン制御システムを介して行われ、この制御システムでは、内燃機関の負荷状態に応じて、そのときどきで配量可能な空気-燃料マスフローの最大値を求め、対応する制御信号に変換する。そのときキャニスターパージバルブは、通常は同期（パルス幅変調）制御され、エンジン制御システムが、そのときどきで設定されているオン／オフ比に応じて、さまざまな配量で空気-燃料混合物を供給する。この場合、オン／オフ比とは、一周期の時間に対して、バルブが開いている時間の比、すなわちバルブが開いている時間とバルブが閉じている時間を合計した一周期の全時間に対するバルブが開いている時間の比を意味する。

磁石アーマチャーがシールエレメントとともに開放位置と閉鎖位置の間を振動運動することによって、さまざまな不利益がもたらされる。これを避けるため、同期されたキャニスターパージバルブをいわゆる比例動作によって動作させることが公知である（例えば特許文献１参照）。この場合、タイミング周波数又はクロックレイトは、バルブが、励起される振動に追従することができず、その代わりにその時々の平均コイル電流に対応する位置にバルブがとどまるような高さの周波数が選択される。

正確に制御されているキャニスターパージバルブは、製造公差、老化、車載回路の変動又は車載回路の不安定性、例えばコイルの自然発熱による温度の変動によって、その特性曲線として比較的大きな公差幅を持つ（動作時間に依存するマスフロー）。これは次の結果をもたらす。すなわち、キャニスターパージバルブを介するマスフローが大きくなりすぎるのを確実に防止するために、パージ能力に余力があっても、キャニスターパージバルブを介する流れを完全には利用しない。しかし他方では、排ガス指針の厳格化が目前に控えており、これによってパージ能力の向上が否応なしに求められる。しかしパージ能力の向上の達成はきわめて難しく、応用上、非常に大きな手間暇をかけてやっと達成されるものである。すなわち、パージ能力を最大に維持するには、非常に手間のかかる処理アルゴリズムの設計が必要とされる。

バルブの配量の正確さに対して、車載電源及び温度の変動から生じる妨害的な影響を補償するために、例えば上記特許文献１では、非常に複雑な制御回路が設けられている。これは、そのときどきの時点のコイル電流をそれぞれ求め、デジタル化し、エンジン制御システム内にあるマイクロプロセッサーに導くものである。このマイクロプロセッサーは、複雑なアルゴリズムによって、この信号やそのほかの入力量から、最後にコイルに流す電流に対する制御信号を求める。
国際出願公開第WO99/06893号公報

本発明は、冒頭に挙げた形式の、電磁式キャニスターパージバルブと制御回路を備える燃料の揮発性成分を配量供給する装置をさらに改良し、より正確に配量でき、向上したパージ能力を有する装置の提供を課題とする。

上記課題は、請求項１のすべての特徴を持つ装置によって解決される。すなわち上記課題は、燃料の揮発性成分を、特に自動車の内燃機関の吸気管に配量して供給する装置であって、パルス幅変調方式の比例動作で制御可能な１つの電磁的キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備え、この制御回路を利用して、キャニスターパージバルブのコイルに流れる電流に対する外部からの擾乱を補償するための調整を行うものにおいて、（１）バルブを通過するマスフロー及び／又は体積流、（２）バルブの弁座とバルブのシールエレメントとの間隔、（３）体積流中の炭化水素（CHx）の割合の少なくとも１つを検知する装置を有し、マスフロー、体積流、弁座とシールエレメントとの間隔、体積流中の炭化水素の割合のうちの少なくとも１つに応じて、コイルに流れる電流を調整することができる装置によって解決される。本発明の有利な発展形を従属請求項に記載する。

本発明は、特に自動車の内燃機関の吸気管、インテークパイプに、燃料の揮発性成分を配量供給、計り分けて供給する装置に関する。この装置は、パルス幅変調方式の比例動作で制御可能な１つの電磁的キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備えている。この制御回路を利用して、キャニスターパージバルブのコイルに対して供給される電流への外部からの擾乱を補償する調整を行うことができる。（１）バルブを通過するマスフロー及び／又は体積流、（２）バルブの弁座、バルブシートとバルブのシールエレメントとの間隔、（３）体積流中の炭化水素（CHx）の割合のうちの少なくとも１つを検知する装置を設けることができる。このとき上記の各量の少なくとも１つに依存して、コイルに供給する電流、コイル電流を調整することができる。

本発明による解決法には、車載回路の変動、不安定性、又は温度の変動によりもたらされる動作を妨害する影響のみならず、その他の原因による悪影響をも信頼性をもって除去可能であるという利点がある。原則として、マスフローの、又は体積流自体の中の炭化水素（CHx）の割合を直接測定することによって、あるいは開口部ギャップの大きさによって、例えばコイルや磁気回路における公差、摩擦、シールエレメントの取付状態、シールの磨耗、弁座におけるシールエレメントの膨潤、接着、粘着といった、動作を妨害するほとんどすべての二次的な影響を信頼性をもって排除することができる。

マスフローを、又は体積流中のCHxの割合を検知するセンサーは公知であり文献に記載されている。しかし本発明の１つの好ましい実施形態では、ギャップ高さ、すなわち弁座、バルブシートとシールエレメントの間隔を、流量の尺度として援用する。これは製造技術的に簡単に実現できるからである。

従って本発明による装置は、この好ましい実施形態において、シールエレメントと弁座の間隔を検知する装置を備える。この装置は、電気的、光学的及び／又は磁気的な効果を利用してシールエレメントと弁座との間隔を検知するものである。従って本発明が提案するすべての解決法に共通なのは、物理的な場、例えば電場又は磁場又は「光の場」を生成し、これらの場の時間的及び／又は空間的な変化を検知するためのセンサー装置（例えば容量性センサー又は誘導型センサー、ホールセンサー、光センサー）を設けることである。これらの時間的及び／又は空間的な変化は、シールエレメントの位置が変化することによって生じるが、これは、場を生じる装置と対応するセンサーとが、シールエレメントの位置が変化することに応じて、相互に相対的に運動するという方法によりもたらされる。場を生じる装置が、シールエレメントに固定して結合され、シールエレメントの位置の変化に追随し、一方センサー装置はバルブのハウジングに固定されていることが好ましい。

本発明の１つの特に好ましい実施形態では、ギャップの高さ、幅を検知する装置が、１つの軟磁性エレメントと、電気的導線ループを持つ少なくとも１つのセンサーエレメントとを備えている。これらのエレメントを装置として組み上げるに当たっては、弁座に対するシールエレメントの位置が相対的に変化することに応じて、軟磁性エレメントによって生じた磁束が、少なくとも１つの導線ループによって変化し、電気的制御信号に変換可能な測定量を生じるように配置されている。

この場合、磁性エレメントがシールエレメントと固定して結合され、センサーエレメントがバルブのハウジングに固定されていることが好ましい。

本発明のもう１つの好ましい実施形態では、１つの永久磁石エレメントが、シールエレメントと固定して結合されているタペットのシールエレメントとは反対側の末端に配置されている。この場合には、タペット全体を永久磁石材料から形成することもできる。この実施形態の場合には、ホールセンサー、磁気抵抗素子又は磁気抵抗センサーをセンサーエレメントとして利用することが有利である。

タペットとして、少なくとも該当する末端が強磁性材料からなるもの、例えばプラスチックに結合、組み合わされているフェライトからなるものを使用することができる。しかしこの場合には、場の変化を検知するために、誘導型センサー、例えば空心の誘導コイルが利用される。

本発明のもう１つの好ましい実施形態では、シールエレメントと弁座の間隔を検知する装置が、１つの光学的信号を生成する装置と、少なくとも１つの光センサーとを備えている。この場合、弁座に対するシールエレメントの相対的な位置の変化に応じて、光学的信号の変化を生じる複数の手段を設けることができる。これにより、電気的制御信号に変換可能な測定量が生成される。これらの手段は光を反射する面を持ち、この反射面がシールエレメントと固定して結合され、またこの反射面で光学的信号が反射可能であることが好ましい。構造を単純にするため、この実施形態においても上述のタペットを使用することができる。

本発明のもう１つの好ましい実施形態では、上述のものと同様に、シールエレメントがタペットに固定して結合されている。このタペットは、少なくともそのシールエレメントと反対側末端が光を減衰させる材料から形成され、またこの末端を、シールエレメントの位置変化に応じて、１つの光源と１つの光センサーユニットから形成されている光の壁、光束に侵入させることができる。

上述の実施形態の場合、光センサーとして、例えばホトダイオード及び／又はホトトランジスターを使用することができる。

上述の光学的方法は、電気的又は電磁的効果に基づく方法と比べて、非常に安価であるという利点がある。一方欠点は、光学的方法を使用できるのは周囲温度が85℃までの場合に限られることと、汚れによって、動作が妨害される危険が非常に大きいことである。

「電磁的方法」の中ではセンサーエレメントとしてホールセンサーを使用することが好ましい。ホールセンサは確かに高価であるが、安定したシステムを形成することができる。

下記に一例として、本発明の装置を使用してシールエレメントと弁座の間隔を制御する１つの方法を述べる。その方法は、
エンジン制御システムがマスフローに関する要求目標値を発するステップ、
バルブ制御ユニットがその要求目標値から、それに付随するシールギャップ数値（表参照）を算出するステップ、
算出されたギャップが、位置制御回路の設定ギャップ目標値として利用され、この設定ギャップ目標値を、上記で説明した測定値の検知器の１つが検知した数値と比較するステップ、
この比較数値を、例えばPID-制御を実施するレギュレーターに導くステップからなる。

このレギュレーターからの出力は、次のような機能段階を実施する。すなわち電磁的アクチュエーターのコイルにある電流が流れ、この電流は電磁的な力の作用を介してさらにある力を発生し、この力は内蔵されたバネに抗して働いて、アーマチャーと結合されているシールエレメントを、要求された目標ギャップ位置に移動させる。

本発明では、例えば老化過程を補償するため、ギャップがちょうど開く位置を自動的に見つけるもう１つの機能を備えている。この位置は表の数値（上記参照）のゼロ（０）に相当する。このために、バルブに通電しない状態として、センサー数値を測定する。次にバルブに通電して、ふたたびセンサー数値を測定する。この数値は最大ストロークに相当する。従って本発明によって１つの位置決めアルゴリズムが可能となり、このアルゴリズムによって、ゼロ点設定と、バルブが閉鎖したときと全開放時の校正とを、全寿命期間にわたって動的に行うことができる（風袋機能、零点補償機能）。

そのほか製造時の特性曲線の補正が可能である。

燃料の揮発性成分を、特に自動車の内燃機関の吸気管に配量して供給する装置であって、パルス幅変調方式の比例動作で制御可能な１つの電磁的キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備え、この制御回路を利用して、前記キャニスターパージバルブのコイルに流れる電流に対する外部からの擾乱を補償するための調整を行うものにおいて、（１）バルブを通過するマスフロー及び／又は体積流、（２）バルブの弁座とバルブのシールエレメントとの間隔、（３）体積流中の炭化水素（CHx）の割合の少なくとも１つを検知する装置を有し、マスフロー、体積流、弁座とシールエレメントとの間隔、体積流中の炭化水素の割合のうちの少なくとも１つに応じて、コイルに流れる電流を調整することができる装置に関する。この構成によって、電磁式キャニスターパージバルブと制御回路を備える燃料の揮発性成分を配量供給する従来公知の装置をさらに改良することができ、それによって、より正確に配量でき、かつ向上したパージ能力を有する装置を提供することが可能となる。

さらに添付の図面を参照して、下記に本発明をより詳しく説明する。

図１〜４の各図とも、本発明の位置制御機能を有する装置の概略的な縦断面図を示す。これらの図は、装置の部分を示している。図１〜４はそれぞれコイル２を有するキャニスターパージバルブ１を示す。本発明による好ましい実施形態では、コイル２にタペット３が配置され、このタペットはバルブのシールエレメント４に固定して結合されている。図１ではタペット３が、そのシールエレメントと反対側の末端に、光を反射する面５を有する。光線はこの面に導かれて反射され、バルブのハウジングに設けられている光センサー６で検知される。この反射面５は、シールエレメント４の位置の変化に伴って動くので、反射される信号は、シールエレメント４又はタペット３の位置の変化に応じて変化し、これによってギャップの幅、高さが測定される。

図２に示す実施形態のタペット３は、光を透過しない材料から作られ、タペット３が、光源７とセンサー８とが形成する光の壁、光束に侵入するように構成されている。シールエレメント４又はタペット３の位置の変化に応じて、タペット３が光の壁を遮る度合いが変化し、それによってバルブのハウジングに設けられているセンサー８にあたる光線の強さが減少、増加する。

図３ａ及びｂは２つの誘導型の実施形態を示す。図３ａの実施形態では、タペット３を強磁性材料から形成し、又は例えばプラスチックに強磁性材料を含ませた材料から形成している。タペット３に対応するハウジング上に、空芯コイルが配置されている。シールエレメント４又はタペット３の位置が変化するに伴い、空芯コイルに侵入するタペット３の量が変化し、これによってバルブの弁座とバルブのシールエレメントの間隙、ギャップの幅が測定される。図３ｂの実施形態では、空芯コイルの代わりに、従来公知のインダクタが使用されている。タペットとインダクタの間の距離が変化することによって、ギャップの幅が測定される。

図４はホールセンサー９と永久磁石10を利用する実施形態を示す。この実施形態では、タペット３のシールエレメント４とは反対側の端部に永久磁石10を配置し、それに対応するハウジング上にセンサーとしてホールセンサー９を設けている。永久磁石10とホールセンサ９の間の距離に応じて、ギャップの幅が測定される。

本発明による光学的位置制御機能を備える装置を示す図である。 本発明による光学的位置制御機能を備える別の装置を示す図である。 本発明による誘導型の位置制御機能を備える装置を示す図である。 本発明による誘導型の位置制御機能を備える別の装置を示す図である。 本発明によるホールセンサーと永久磁石を備える装置を示す図である。

符号の説明

１ キャニスターパージバルブ
２ コイル
３ タペット
４ シールエレメント
５ 光反射面
６ 光センサー
７ 光源
８ センサー
９ ホールセンサー
１０ 永久磁石

Claims (12)

1. 燃料の揮発性成分を、特に自動車の内燃機関の吸気管に配量して供給する装置であって、パルス幅変調方式の比例動作で制御可能な１つの電磁的キャニスターパージバルブと、１つの制御回路とを備え、この制御回路を利用して、前記キャニスターパージバルブのコイルに流れる電流に対する外部からの擾乱を補償するための調整を行うものにおいて、
   （１）前記バルブを通過するマスフロー及び／又は体積流、（２）前記バルブの弁座と前記バルブのシールエレメントとの間隔、（３）体積流中の炭化水素（CHx）の割合の少なくとも１つを検知する装置を有し、前記マスフロー、前記体積流、前記弁座と前記シールエレメントとの間隔、前記体積流中の炭化水素の割合のうちの少なくとも１つに応じて、前記コイルに流れる電流を調整することができる装置。
2. 前記弁座と前記シールエレメントとの間隔に応じて、前記コイルに流れる電流を調整することができる装置において、
   前記間隔を検知する装置が、強磁性エレメントと、少なくとも１つの電気的導線ループを有するセンサーエレメントを備え、前記間隔を検知する装置が、前記弁座に対する前記シールエレメントの位置の相対的変化に応じて、前記強磁性エレメントから生じた磁束が前記少なくとも１つの導線ループによって変化し、電気的制御信号に変換可能な測定量を生じるように配置されて構成されている請求項１記載の装置。
3. 前記強磁性エレメントが前記シールエレメントに固定して結合され、前記センサーエレメントが前記バルブのハウジングに固定されている請求項２に記載の装置。
4. 前記強磁性エレメントが、前記シールエレメントに固定して結合されているタペットの前記シールエレメントとは反対側の末端に配置されているか、又は強磁性材料からなるタペットより形成されている請求項３に記載の装置。
5. 前記強磁性材料がプラスチックと組み合わされているフェライトを含む請求項４に記載の装置。
6. 前記弁座と前記シールエレメントとの間隔に応じて、前記コイルに流れる電流を調整することができる装置において、
   前記間隔を検知する装置が、永久磁石エレメントと磁場センサーとを備え、前記間隔を検知する装置が、前記弁座に対する前記シールエレメントの位置の相対的変化に応じて、電気的制御信号に変換可能な測定量を前記センサー内に生じるように配置されて構成されている請求項１記載の装置。
7. 前記磁場センサーが、ホールセンサー、磁気抵抗素子又は磁気抵抗センサーである請求項６に記載の装置。
8. 前記永久磁石エレメントが、前記シールエレメントに固定して結合されているタペットの前記シールエレメントとは反対側の末端に配置され、前記センサーが前記バルブのハウジングに固定されている請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記弁座と前記シールエレメントとの間隔に応じて、前記コイルに流れる電流を調整することができる装置において、
   前記間隔を検知する装置が、１つの光学的信号を生じる装置と、少なくとも１つの光センサーとを備え、かつ前記弁座に対する前記シールエレメントの位置の相対的変化に応じて、前記光学的信号に変化を生じさせる手段を備え、これによって電気的制御信号に変換可能な測定量が生成される請求項１に記載の装置。
10. 前記光学的信号に変化を生じさせる手段が、前記シールエレメントに固定して結合されている光の反射面を、好ましくは前記シールエレメントに固定して結合されているタペットの前記シールエレメントとは反対側の末端に配置されている光の反射面を備え、この反射面で前記光学的信号が反射される請求項９に記載の装置。
11. 前記シールエレメントが前記タペットと固定して結合され、前記タペットの少なくとも前記シールエレメントとは反対側の末端が光を透過しない材料から形成され、この末端が、前記シールエレメントの位置の変化に応じて、前記光学的信号を生じる装置と前記光センサーとが形成する光の壁に侵入する請求項９に記載の装置。
12. 前記制御回路が１つの位置決めアルゴリズムを含み、これによってゼロ点設定と、バルブの閉鎖時及び／又は全開放時の校正とが、全寿命期間を通じて動的に行われる請求項１に記載の装置。

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