JP2004500505A

JP2004500505A - 空気を除去できる燃料戻し再循環弁

Info

Publication number: JP2004500505A
Application number: JP2001540037A
Authority: JP
Inventors: クローゼン，マイケル・デイ; ナイト，ステイーブン・アール
Original assignee: パーカー−ハニフイン・コーポレーシヨン
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2004-01-08
Also published as: WO2001038718A1; CA2386935C; CA2386935A1

Abstract

燃料供給通路（３２）および燃料戻し通路（３８）を備えた弁本体（３０）を有する内燃機関（１８）の燃料システム（１０）の再循環弁（２６）。燃料戻し通路（３８）内には空気分離チャンバ（４３）および絞りオリフィス（４４）が設けられている。空気分離チャンバ（４３）内の加熱された過剰燃料は、圧力弁（５４）によって、燃料供給通路（２２）内の燃料と一緒に再循環される。再循環弁（２６）はまた、戻り空気をタンク（１２）に導き、空気がエンジン（１８）に導かれることを防止する。燃料温度が所定温度以上に上昇すると、圧力弁（５４）はサーマルアクチュエータ（８０）により閉状態に維持される。通常の作動状態では燃料が容易にタンク（１２）に戻ることができるように、燃料戻し出口ポート（４２）には逃し弁（９０）を設けることができる。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、広くは内燃機関（エンジン）の燃料システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
内燃機関の殆どの燃料システムは、燃料源を収容するタンクと、燃料をエネルギに変換するエンジンと、該エンジンに悪影響を与える虞れのある粒子および汚染物質を分離するための、タンクとエンジンとの間に配置されるフィルタとを有している。或るエンジン例えばディーゼルエンジンでは、低温作動時に、フィルタが燃料によりロウ状化されまたは塞栓されることがある。これは良く知られた問題であり、この問題を解決する試みとして多くの装置が開発されている。例えば、フィルタハウジングの内部にヒータを設けて、燃料がフィルタを通るときに燃料および濾材を加熱できるものがある（例えば、Ｒｉｃｈａｒｄの米国特許第４，０９１，２６５号明細書参照）。
【０００３】
フィルタヒータの代わりに、またはフィルタヒータに加えて使用できる他の技術は、エンジンからの過剰燃料を使用することである。エンジン内で燃焼されない過剰燃料は、通常、再循環されてタンクに戻される。燃料はエンジンを通るときに暖められるので、燃料をフィルタに戻すことによりフィルタを暖めることができる。従来技術では、低温作動状態で開き、過剰燃料の少なくとも一部を再びフィルタエレメントに戻す簡単な弁を設けることが考えられている。次にこの弁は、エンジンが暖められると閉じて、全ての過剰燃料をタンクに戻す。この従来技術は、フィルタのロウ状化（ｗａｘｉｎｇ）および塞栓の問題を幾分軽減できるが、また、エンジンから戻された全ての過剰空気を再循環させることも考えている。エンジンは、特にその始動時に空気を供給し、この空気は、燃料と一緒にフィルタを通ってエンジンに簡単にフィードバックされる。しかしながら、燃料と一緒に空気が再循環されると、効率の見地から好ましくない効果がエンジンの燃焼特性に生じる。
【０００４】
（発明の開示）
一方、本件出願人は、エンジンからの暖かい燃料を再循環させて、コールドスタート時のフィルタのロウ状化および塞栓の問題を少なくとも軽減させる燃料システムであって、コールドスタート時には暖かい燃料のみがフィルタに戻され、全ての空気はタンクに戻されるように燃料と空気とを区別できる燃料システムに対する要望が当業界に存在すると考えている。
【０００５】
低温作動時には、加熱された過剰燃料をフィルタに戻しかつエンジンからの全ての空気を直接タンクに戻す構成の新規でユニークな燃料システムの弁が提供される。
【０００６】
本発明によれば、再循環弁は本体を有し、該本体は、タンクから燃料を受けてフィルタおよび次にエンジンに導く燃料供給通路と、エンジンから過剰燃料および空気を受け入れる燃料戻し通路とを備えている。燃料戻し通路は、拡大空気分離チャンバと、燃料戻し出口ポートへの空気分離チャンバの下流側端部に設けられた固定オリフィスとを有している。このオリフィスは絞られた直径を有し、従って、空気を出口ポートに導き、次にタンクへと戻すことができるが、燃料がチャンバに入ると圧力降下を引き起こす。
【０００７】
空気分離チャンバと燃料供給通路とを相互連結する弁通路内には圧力弁が配置されている。圧力弁は、弁シールを備えたばね付勢型弁ヘッドを有している。圧力弁は、空気分離チャンバ内に空気のみが存在するときは常時閉状態にあり、空気が燃料供給通路内の燃料に連通することを防止する。燃料が空気分離チャンバに入ると、該チャンバ内の圧力が増大して圧力弁を開状態に移動させる。圧力弁が開状態にあるとき、空気分離チャンバ内の暖かい過剰燃料は、燃料供給通路に流入し、次にフィルタに戻され、ここでフィルタを暖めてそのロウ状化および塞栓を防止する。空気分離チャンバの上部にはオリフィスが設けられており、このため、空気はタンクに直接流れ続けることができると同時に、チャンバの下部の燃料は圧力弁を通ってエンジンに再循環される。
【０００８】
また、サーマルアクチュエータには、燃料供給通路を通る燃料が所定温度（例えば、エンジンのウォーミングアップ後の温度）になると圧力弁を閉状態に維持する圧力弁を設けることができる。圧力弁が閉状態にあるときは、全ての過剰燃料および空気がオリフィスを通ってタンクに導かれる。
【０００９】
別の構成として、固定オリフィスの代わりに、燃料戻し出口ポート内に逃し弁を設けることができる。逃し弁は絞りオリフィスを備えた弁ヘッドを有し、該弁ヘッドは、空気分離チャンバへの開口にばね付勢されている。逃し弁のオリフィスは固定オリフィスと同じ態様で機能し、チャンバ内の空気をタンクに戻し、かつ燃料がチャンバ内に存在するときに圧力降下を引き起こす。エンジンがウォーミングアップされてサーマルアクチュエータにより圧力弁が閉じられると、逃し弁が開いて、過剰燃料を最小の圧力降下で容易にタンクに戻すことができる。
【００１０】
一方、前述のように、本発明は、空気と燃料とを有効に区別し、低温作動時に、加熱された過剰燃料を燃料システムを通して再循環させることによりフィルタの塞栓およびロウ状化を防止でき、かつエンジンからの全ての空気を直接タンクに戻すことができる新規でユニークな再循環弁を提供する。再循環弁は構造が簡単であり、かつエンジンに再循環弁されて戻される空気を皆無にすることはないまでも、有効に低減すべく作動する。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、添付図面に概略的に例示されている。
【００１２】
最初に添付図面の図１を参照すると、内燃機関（エンジン）の燃料システムの全体が参照番号１０で示されている。燃料システム１０は燃料タンク１２を有し、該燃料タンク１２は、燃料供給ライン１４を介して燃料をエンジン１８に供給する。エンジン１８は自動車用内燃機関が好ましいが、本発明はあらゆる用途の内燃機関に適用できる。タンクとエンジンとの間には、燃料中の粒子および汚染物質を分離するための燃料フィルタ２０が配置されている。燃料フィルタは、例えば米国特許第４，０９１，２６５号に開示されたフィルタのように、特定用途に適したあらゆるフィルタを使用できる。エンジンで燃焼されない過剰燃料は、戻しライン１４によりタンク１２に再循環されて戻される。戻しライン２４と供給ライン１４との間には燃料再循環弁（その全体を参照番号２６で示す）が介在されており、所定温度の熱い過剰燃料の少なくとも一部を供給ライン１４に再循環して戻す。これにより、熱い過剰燃料によって燃料フィルタ２０が暖められ、低温状態での始動時の塞栓およびロウ状化を防止するか少なくとも軽減できる。
【００１３】
ここで図２を参照すると、再循環弁２６は、燃料供給通路３２を備えたワンピース弁本体３０を有している。燃料供給通路３２は、燃料タンクからの燃料を受け入れる燃料供給入口ポート３４と、燃料をエンジンに導く燃料供給出口ポート３６とを有している。本体３０は更に燃料戻し通路３８を有し、該燃料戻し通路３８は、エンジン１８からの過剰燃料を受け入れる燃料戻し入口ポート４０と、燃料タンク１２に流体的に連結される燃料戻し出口ポート４２とを備えている。燃料戻し通路３８は参照番号４３で示す拡大空気分離チャンバを有し、ポート４０、４２が空気分離チャンバ４３の上部に連結されている。チャンバ４３と燃料戻し出口ポート４２との間には、絞りオリフィス４４が設けられている。
【００１４】
チャンバ４３と燃料供給通路３２とは、弁通路４８により相互連結されている。弁通路４８は、チャンバ４３の下部に開口している小径部分４９と、燃料供給通路３２に開口している大径部分５０とを有している。小径部分４９と大径部分５０との間には環状肩部５１が形成されている。再循環弁２６は、全体を参照番号５４で示す圧力弁を有している。この圧力弁５４は、燃料戻し入口ポート４０を介して受け入れられた、加熱された過剰燃料の、燃料供給通路３２への再循環を制御する。またここで図３を参照すると、圧力弁５４は中空弁ヘッド５６を有し、該弁ヘッド５６には環状弾性ガスケット５８が取り付けられている。ガスケット５８は、弁ヘッド５６の円筒状本体部分５９上にぴったりと受け入れられ、かつ下方環状フランジ６０と、ヘッド５６の反対側端部の上方環状フランジ６２との間に保持される。
【００１５】
圧力弁５４は更に中空サーマル弁本体６６を有し、該サーマル弁本体６６は、外側の環状下方ばねストッパ部分６８および内側の環状下方ばねストッパ部分７０を備えている。本体６６は更に、内側の環状下方ばねストッパ部分７０から軸線方向上方に突出している中央円筒状支柱７２を有している。
【００１６】
弁ヘッド５６およびサーマル弁本体６６の各々は、プラスチックのような適当な材料からワンピース（一部材）で形成するのが好ましい。
【００１７】
サーマル弁本体６６の中央支柱７２の回りには圧力調整ばね７４が受け入れられており、該圧力調整ばね７４は、下方ばねストッパ７０と弁ヘッド５６の下方環状フランジ６０との間に延びている（図２参照）。中央支柱７２の回りにはサーマルアクチュエータ戻しばね７６も受け入れられており、該サーマルアクチュエータ戻しばね７６は、外側ばねストッパ６８と弁通路４９の肩部５１との間に延びている（図２参照）。
【００１８】
圧力弁５４は更に、中空サーマル弁本体６６内に受け入れられるサーマルアクチュエータ８０を有している。サーマルアクチュエータ８０は、弁本体３０から燃料供給通路３２内に突出している円筒状フランジ８３に固定される円筒状ベース８１を有している（図２）。環状フランジ８４がベース８１を包囲しており、環状フランジ８４は、アクチュエータ８０がサーマル弁本体６６の小さい円筒状チャンバ内に適正に配置されることを可能にする。サーマルアクチュエータ８０は更に中央支柱８５を有している。この中央支柱８５は、ベース８１に露出される周囲温度が所定レベル以下であるときは、アクチュエータ８０の円筒状本体８６内に常時引っ込められているが、ベース８１に露出される周囲温度がこのような所定レベルより高くなると、本体８６から外方に突出する。サーマルアクチュエータ８０の作動は、当業者には良く知られている．サーマルアクチュエータ８０は、Ｃａｌｔｈｅｒｍ社から部品番号ＣＴ５０３２−０２Ｍとして市販されているものが好ましい。この形式のサーマルアクチュエータは、一般に、自動車のクーラントサーモスタットに使用されている。本発明には他の形式のサーマルアクチュエータを使用することもでき、そのような他のサーマルアクチュエータとして、露出される温度に基いて或る状態から他の状態に「フリップ」するバイメタル製ドーム状ディスクがある。そのような他の適当なアクチュエータは、当業者に良く知られている。
【００１９】
図２から理解されようが、圧力弁５４が組み立てられると、サーマルアクチュエータ８０はサーマル弁本体６６内にぴったりと嵌合され、該サーマル弁本体６６の円筒状支柱７２は弁ヘッド６６の中空円筒状本体５９内にぴったり受け入れられる。
【００２０】
サーマルアクチュエータ８０がフランジ８３に固定されると、サーマルアクチュエータ戻しばね７６がサーマル弁本体６６を肩部５１から離れるように下方に押圧し、これによりサーマル弁本体６６は、釣合いのとれた非コック位置に維持される。圧力調整ばね７４は、弁ヘッド５６を肩部５１に向けて上方に押圧し、これによりガスケット５８が肩部５１に対してシールされる。これにより、肩部５１はまた、圧力弁５４の弁座を形成する。
【００２１】
図２は、周囲温度および燃料が比較的低い温度にある、エンジンのコールドスタートまたは低温作動状態を示す。燃料は燃料タンク１２から吸引され、燃料供給通路３２を通ってフィルタ２０に導かれ、次にエンジン１８へと導かれる。サーマルアクチュエータ８０のベース８１は燃料に露出されており、サーマルアクチュエータ８０は非作動状態すなわち引っ込み状態に維持されている。エンジンが作動すると、過剰空気（一般には、２ｐｓｉ以下の圧力）が、燃料戻し入口ポート４０を通って空気分離チャンバ４３内に受け入れられる。圧力弁５４は、圧力調整ばね７４のばね定数により、圧力弁５４が閉状態を維持するように設定されている。空気は、絞りオリフィス５４および燃料戻し出口ポート４０を通って、直接燃料タンク１２に戻される。一方、圧力弁５４は空気がエンジンに再循環されることを防止し、エンジンの効率を維持する。
【００２２】
加熱された過剰燃料もエンジンから燃料戻し入口ポート４０に供給されるので、燃料も空気分離チャンバ４３内に流入する。燃料の上昇した圧力（この圧力は、一般に２ｐｓｉを超える圧力である）によって、圧力弁５４は図４に示すような開状態に移動される。この開状態では、シール５８が肩部５１から離れる方向に移動され、チャンバ４３内の燃料は弁通路４８を通って燃料供給通路３２へと流れることができる。図４から理解されようが、弁ヘッド５６は、圧力調整ばね７４を圧縮して、サーマル弁本体６６の円筒状支柱７２の回りで下方に移動する。図４の開状態では、加熱された過剰燃料は、燃料供給通路３２に戻されてフィルタ２０に流入し、これにより、フィルタのロウ状化および塞栓を防止するか少なくとも軽減する。一般に燃料はチャンバ４３の底にあるので、空気が燃料の上にあれば、空気が通路４８に流入してエンジンに戻されることが防止される。
【００２３】
燃料の温度が上昇するとサーマルアクチュエータ弁８０が作動され、図５に示すように、支柱８５が本体８６から外方に突出する。支柱８５は、円筒状支柱７２従ってサーマル弁本体６６を弁通路４９内で上方に押しやる。この作用によりサーマルアクチュエータ戻しばね７６が圧縮され、弁ヘッド５６には圧力調整ばね７４を介して上向きの付加力が作用して、シール５８が弁通路４９の肩部５１に対してシールされる。これにより、エンジンが暖められると、空気および過剰燃料の両者がオリフィス４４を通ってタンク１２に戻される。
【００２４】
空気分離チャンバ４３のサイズは、過剰燃料を収集し、該燃料を圧力弁４４を通して再循環させることができ、かつ全ての戻り空気を絞りオリフィス４４を通して直接燃料タンクに戻すことができる大きさに定められる。空気分離チャンバ４３のサイズ、絞りオリフィス４４のサイズ、および圧力調整ばね７４のばね力は、特定用途に基いて容易に決定できる。
【００２５】
一方、前述のように、内燃機関の燃料システムでの燃料の再循環を制御する装置が提供される。この装置は、過剰燃料から空気を有効に分離させ、フィルタを加熱してコールドスタート作動時のフィルタのロウ状化および塞栓を防止するのに過剰燃料を使用すると同時に、全ての空気を燃料タンクに戻してエンジンの効率を低下させないようにするものである。
【００２６】
固定オリフィス４４と同じ結果を得るため、並びに暖かい状態での作動時にタンクに戻る過剰燃料の圧力降下を緩和するため、別の構成として図６に示すような逃し弁（全体を参照番号９０で示す）を設けることができる。この構成では、逃し弁９０は、中央の絞りオリフィス９３を備えた環状弾性シール９２を有している。逃しばね９６が、チャンバ４３への開口９８を包囲する環状フランジ９７に対してシール９２を常時押圧している。逃しばね９６は、圧力弁５４が作動しているときには逃し弁９０が閉状態を維持するように、圧力調整ばね７４より僅かに大きいばね力を有することが好ましい。低温始動時に空気分離チャンバ４３内に空気が存在すると、ばね９６はシール９２を開口９８に当接した状態に維持し、これにより空気は、固定オリフィス４４に関して前述したのと同じ態様で、逃し弁９０の絞りオリフィス９３を通過する。燃料温度が上昇しかつサーマルアクチュエータ８０が作動して圧力弁５４を閉状態に押しやると、空気分離チャンバ４３内の燃料の圧力が逃しばね９６の力に打ち勝ち、シール９２が開口９８から離れる方向に移動する。これにより燃料は、燃料戻し出口ポート４２を通って容易にタンクへと流れることができる。従って、通常の（暖かい）作動温度のときに再循環弁を通る燃料の圧力降下は最小になる。
【００２７】
逃しばね９６のばね力も、特定用途に基いて容易に決定できる。図６に示す圧力逃し弁の他の作動特性は、図２〜図５に関連して前述した作動特性と同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の原理に従って構成された再循環弁を備えた内燃機関の燃料システムを示す概略図である。
【図２】
本発明の原理に従って構成された再循環弁の側断面図であり、再循環弁が閉状態にあるところを示すものである。
【図３】
再循環弁の圧力弁を示す分解図である。
【図４】
再循環弁の一部の拡大側断面図であり、再循環弁が開状態にあるところを示すものである。
【図５】
図２と同様な再循環弁の側断面図であり、弁のサーマルアクチュエータが作動状態にあるところを示すものである。
【図６】
再循環弁の他の実施形態を示す側断面図である。

Claims

燃料タンク（１２）からエンジン（１８）への燃料の再循環を制御するための再循環弁（２６）であって、エンジン（１８）から空気も供給される再循環弁（２６）において、
タンク（１２）からの燃料を受け入れる燃料供給入口ポート（３４）と、燃料をエンジン（１８）に導く燃料供給出口ポート（３６）と、エンジン（１８）からの過剰燃料および空気を受け入れる燃料戻し入口ポート（４０）と、タンク（１２）に流体的に連結された燃料戻し出口ポート（４０）と、前記燃料供給入口ポート（３４）と燃料供給出口ポート（３６）とを相互連結する燃料供給通路（５２）と、燃料戻し入口ポート（４０）と燃料戻し出口ポート（４２）とを相互連結する燃料戻し通路とを備えた弁本体（３０）と、
前記燃料供給通路（３２）と燃料戻し通路（３８）との間の弁通路（４８）内に配置された圧力弁（５４）とを有し、該圧力弁（５４）は、燃料戻し通路（３８）内に燃料が存在しないときは常時閉状態にありかつ燃料戻し通路（３８）内の燃料圧力に応答して開状態に移動して、燃料戻し通路（３８）内の燃料が燃料供給通路（５０）に流れることを可能にし、圧力弁（５４）は燃料戻し通路（３８）内の空気が燃料供給通路（３２）内の燃料に連通することを防止することを特徴とする再循環弁。
前記圧力弁（５４）は、該圧力弁が閉状態にあるときに、弁通路（４８）内の弁座（５１）に対してシールされた関係をなすようにばね（７６）により押圧され、かつ圧力弁（５４）が開状態にあるときに、弁座（５１）から離れる方向に移動できる弁シール（５８）を有することを特徴とする請求項１記載の再循環弁。
前記燃料供給通路（３２）内の燃料温度に応答するサーマルアクチュエータ（３０）を更に有し、該サーマルアクチュエータ（８０）は、燃料供給通路（３２）内の燃料温度が所定レベル以上であるときには圧力弁（５４）を閉状態に維持することを特徴とする請求項１または２記載の再循環弁。
前記サーマルアクチュエータ（８０）を受け入れるサーマル弁本体（６６）を更に有し、該サーマル弁本体（６６）は環状下方ばねストッパ（６８）を備え、前記弁シール（５８）とサーマル弁本体（６６）の下方ばねストッパ（６８）との間に延びている圧力弁の第１ばね（７４）を更に有し、サーマルアクチュエータ（８０）は、燃料温度が所定レベル以上であるときに、サーマル弁本体（６６）従って下方ばねストッパ（６８）を弁シール（５８）の方向に移動させて圧力弁（５４）を閉状態に押圧し、弁通路（４８）内の弁座（５１）とサーマル弁本体（６６）の下方ばねストッパ（６８）との間に延びている付加ばね（７６）を更に有し、該付加ばね（７６）はサーマル弁本体（６６）を弁シール（５８）から離れる方向に押圧することを特徴とする請求項３記載の再循環弁。
弁ヘッド（５６）は中空円筒状本体（５９）を有し、サーマル弁本体（６６）はまた、弁ヘッド（５６）の中空円筒状本体（７２）の内部に配置される円筒状本体（７２）を備えていることを特徴とする請求項４記載の再循環弁。
前記弁シール（５８）は弁ヘッド（５６）をぴったり包囲する環状形状を有し、弁ヘッド（５６）は、弁シール（５８）を弁ヘッド（５６）上に保持するための１対の外方突出フランジ（６０、６２）を備え、下方のフランジ（６０）は第１ばね（７４）の上方ばねストッパを形成していることを特徴とする請求項５記載の再循環弁。
前記弁本体は燃料戻し通路（３８）内の空気分離チャンバ（４３）を更に有し、該空気分離チャンバ（４３）は、燃料がチャンバ（４３）の下方部分に集合しかつ空気がチャンバ（４３）の上方部分に集合するような寸法を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の再循環弁。
前記弁本体（３０）は、空気分離チャンバ（４３）と燃料戻し出口ポート（４２）との間の絞りオリフィス（４４）を更に有し、該絞りオリフィス（４４）は、燃料が空気分離チャンバ（４３）に入るとがチャンバ（４３）内の圧力を増大させることを特徴とする請求項７記載の再循環弁。
前記燃料戻し入口ポート（４０）および燃料戻し出口ポート（４３）はチャンバ（４３）の上部に開口していることを特徴とする請求項７または８記載の再循環弁。
前記燃料戻し出口ポート（４２）内の逃し弁（９０）を更に有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の再循環弁。