JP2010216483A - 耐凍結性配量弁 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス後処理システムすなわちエグソーストシステムに適した自動車の耐凍結性配量弁を提供する。
【解決手段】耐凍結性配量弁は磁石部と液圧部を備えている。磁石部はバネにより予緊張されたアンカーを有する。液圧部は液体を収容しかつ搬送するための環状空域を有する。全く同様に液圧部は弁座内に指向しているタペットを有する。その際弁座はタペットの反対側にノズル開口部を備えている。非通電状態で、タペットは環状空域を開口部（ノズル開口部）の方向でブロックする。アンカーへの凍結圧力が、凝固している液体により十分な力を発生させるまでこのことは通用する。負荷軽減運動により、凍結膨張空域が形成されるまで力は逆に作用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の構造、特に商用車において使用できる耐凍結性配量弁に関する。耐凍結性配量弁は特に排気ガス後処理システムすなわちエグゾ−ストシステムに適している。

穏健な雰囲気領域あるいはそれどころか極寒領域で使用しなければならない自動車、特に商用車は、０℃未満の温度を無事に克服できるように設計されていなければならない。このことは一般に適した材質を選択することにより可能である。温度が極端に低下する場合、救済的に以前から付加的な熱源を使用する。

自動車、特にディーゼル商用車からの排気ガス中の酸化窒素（ＮＯｘ）を削減するために、自動車製造業者は３２．５％の尿素水溶液（ＨＷＬ）を使用することを通知した。水溶液中の水分割合が高いので、圧力下で作動中にある溶液はわずかなマイナス摂氏温度でもって早くも凍結する。

すでに数年前から専門家は尿素水溶液の凍結に対処できるような思想を考えている。解決策は圧縮空気を用いて自動車のスイッチを切る際にＨＷＬを全て取り出すことにある。こシステムは圧縮空気発生器が車内にあるときにだけ機能する。大型の商用車の場合、標準的に空気圧発生器が使用される。ディーゼルモータを備えた小型の商用車と乗用車の場合、個別の空気供給システムはまったく使用されていない。

特許文献１から制御装置を費用のかかるアルゴリズムを用いてプログラムしなければならず、従って凍結に基づく不完全な挙動が確認できることがわかる。

特許文献２は還元剤の凍結を阻止するために、電気的加熱装置を備えた連結ラインを備えることを提案している。このことに関連して誤った方法をとっていることが、特許文献３からわかる。そこでは熱の発生必要量が還元剤リザーブタンクに関してだけは１キロワットを上回ることがわかる。従ってさらにこの文献から熱交換器を取り付けることができることがわかる。熱交換器は特許文献４によれば−１１℃より低い温度の場合でも凍結を防ぐ。それどころかさらに自動車製造元の要求は進む。自動車製造元は弁それ自体が−４０℃の周囲温度の際に完璧に作動することを要求している。従って特許文献５にあるように、様々でかつ制御可能な作動モードを備えた個別の可逆弁を取り付けることを考慮しなければならない。さらに特許文献６は凍結防止剤による障害を指摘している。従って様々な容積が作動できる。

これらの解決策には全て、凍結の危険に対処するために付加的な処置をとらねばならないことが共通である。排気ガスラインが７００℃を超えることがある高い温度である場合に、十分機能し、かつ同時に耐凍結性である耐凍結性配量弁を有することが望ましい。周囲温度が−４０℃の場合ですら、ＨＷＬが液体の形態で存在する限り配量弁は作動することができる。この際配量弁が取付けられているシステム全体がエネルギーを有益に使用できるように設計されねばならない。
独国特許出願公開第１０２５６１６９号明細書（TOYOTA MOTOR CORPORATION LTD） 独国特許出願公開第１０１３９１３９号明細書（ROBERT BOSCH GMBH） 独国特許出願公開第１９９３５９２０号明細書（SIEMENS AG） 独国特許出願公開第１０１３９１４２号明細書（ROBERT BOSCH GMBH） 独国特許出願公開第４４３２５７７号明細書（SIEMENS AG） 独国特許出願公開第４４３２５７６号明細書（SIEMENS AG）

これらのあるいはその他の長所は、請求項１に従う本発明による耐凍結性配量弁により実現される。有利な実施形態は従属請求項の中に見出せる。

耐凍結性配量弁は電気的に制御できねばならない。これにより自動車制御装置あるいは特に排気ガスライン担当の制御装置は、ＨＷＬの量を正確に配量する。さらに本発明は配量すべき他の液体をも使用することができる。従って本発明の側面は他の液体においても明らかにされる。通常の作動において、すなわち排気ガスラインを含めて、エグゾ−スト管と壷状部がモーターの余熱により加熱されていると、凍結の危険を特別に考慮する必要は全くない。この時自動車がもはや動かないと危険である。考慮されるべき各々の状態において、制御信号、従って流れは弁によりまったく送られない。配量弁内のタペットは、ＨＷＬが送られるべき開口部を閉鎖する。温度を例えば７００℃からＨＷＬ（約−１１℃）未満の温度まで低下させると配量弁は約９〜１１％であるＨＷＬの膨張により、寿命に悪い影響を及ぼされることがある。凍結力は受動的システムでは負荷軽減運動に変換されるので有利に利用することができる。負荷軽減運動により凍結膨張空域が与えられる。負荷軽減運動が制御されて作用することが可能である。負荷軽減運動はタペットを移動させることにより凍結膨張空域を与えるように、アンカーに関節的かあるいは直接作用する。弁の内部において、凍結膨張空域が特定されていなければならない。これは様々な位置にあってもよい。従って凍結膨張空域の実施形態には、タペットを弁座から外すことにより生じる領域がある。しかしながらさらに特殊な環状空域領域、あるいは液体のための負荷軽減運動によりまず開放される空域が設けられていてもよい。凍結膨張空域内の圧力が十分大きいと、結果として生じる力は逆に向いたバネ力を上回る。それによりアンカーはバネ力に抗して移動でき、タペットは弁座から外れる。

さらに本発明は、配量弁内にある液体量が最小量まで削減されることを特徴とする。上手な弁の設計により、タペットは排気ガスライン内への液体のさらなる搬送のために規定されている空域の一部、すなわち環状空域を満たし、液体を収容する空域は最小化される。さらに不必要な空洞部は充填物、スリーブ、軸受及び他の閉鎖構成部品により満たされている。環状空域の最小化は凍結のしやすさの視点から絶えずさらに推し進めなければならない。しかしながら最小化は配量されるべき材料、すなわち液体の流れを遮ってはならない。言い換えると、圧力低下は顕著であってはならない。圧力低下は配量弁の定格圧力の５％よりも大きいと顕著である。その上さらに圧力低下は配量弁の定格圧力の１％未満であるのが好ましい。絶対値で５バールの定格圧力の場合、環状空域全体に沿っての圧力低下は２５０ミリバールを越えていてはならず、好ましくは５０ミリバール未満であるべきであるのが典型的ある。

その他の有利な実施形態において、配量弁にはさらに可塑性の膨張面がある。このような膨張面は弾性の底部あるいは薄膜であってもよい。凍結圧力により、弾性の底部あるいは薄膜の領域内には凍結膨張空域が存在する。例えばＨＷＬのような
液体が溶解すると、弾性の底部あるいは薄膜は元の位置に再度移動する。元の位置は作動位置である。

さらに耐凍結性配量弁の相当数の実施形態における他方の有利な側面によれば、意図的なアンダーカットは回避される。アンダーカットは配量弁内では回避されている。なぜならアンダーカットの領域内では、整向されていない状態で破壊に至ることがある力が凍結圧力により生じることがあるからである。タペットを流れていない状態で遮断位置で保持するバネは、その支持領域内においてアンダーカットが不必要であるように支持されている。アンダーカットを回避することにより、凍結する液体は防げない。

付加的な膨張空域は、例えば配量されるべき液体の一様な分配に対して配置されたノズル板が、膨張能力を備えていて、かつノズル開口部から外れることができることにより形成することができる。

バネが液体内にあるのは選択的である。

特殊なシール装置と特殊なリングを用いて、液体に対する配量弁内の領域はシールされ、従って配量弁内にある液体の量は減少する。

他の有利な側面によれば、配量弁は導管が伸縮可能なチューブを経由してスリーブ内へ達するように形成されていてもよい。導管のスリーブ外側はリブが設けられていてもよい。スリーブ外側を介して伸縮可能なチューブがずらされる。スリーブ外側にリブを設けることにより、環境はＨＷＬに対してシールされる。ＨＷＬが導管あるいはスリーブ内で凍結すると、伸縮可能なチューブは付加的な補整空域を形成する。一方ではチューブそれ自体が膨張してもよい。他方ではチューブはスリーブ外側の幾つかのリブから容易に外れ、それにもかかわらずスリーブ外側の残りのリブによりシールするように保持される。

配量弁にあって、その他のアウトプットがあってもよい。アウトプットは二つの機能を引受ける。配量弁は作動状態において耐熱性でなければならず、内部のＨＷＬは過熱してはならない（９０℃よりも低い規定温度を維持しなければならない）ので、付加的な液体により液圧部分分のノズルネック部を冷却することは、過熱の場合には必要不可欠なこともある。このために液圧部分分を流れる一定したＨＷＬの循環においてノズルネック部は冷却される。液体を冷却する場合、付加的なアウトプットは、配量弁を無圧力で切換えかつ付加的な補整空域を同様に形成するという機能を引受ける。

止め板、スリーブアンカーあるいは環状アンカーと一緒にタペットを成形することにより、凍結圧力のための大きな面が形成される。この大きな面はそれ以外に最小にある液体の凍結圧力の力を、バネに抗して作用可能な大きな力に変換する。

図において仮に構造的な相違がわずかにあったとしても、類似の構造部材は同じ参照符号を付してある。

図１は配量弁１を開示している。配量弁１は液圧部分分３と磁石部５を備えている。磁石部５はコイル７を備え、このコイルは多数の巻線を有しかつコイル担持体９上に設けられている。コイル担持体の角隅部には、例えばシールリングであってもよいシール部材４９が設けられている。シール部材４９は極鉄心６１の周囲のマグネットケーシング１１に対してコイル担持体をシールする。配量弁は全体的に回転対称に構成されている。その中央には孔が設けられている。孔の中ではタペット１７が作動している。孔に関して残った空域は環状空域１９である。タペットの一部はスリーブ状アンカー１３‘であるアンカーにより囲まれている。その一方の端部において、弁座２１内に達するタペット１７は端部に丸みを付されている。他方の端部においてタペット１７はアンカースリーブ５１内に達している。弁座２１はノズル開口部２５も備えている端部片２３の一部である。選択的に端部片２３にはノズル板２７が設けられていてもよい。ノズル板２７は漏斗状のノズル開口部２５によって、及びノズル７３によってすでに噴霧された液体の滴をより微細化する。ＨＷＬは圧力をかけずに廃ガスライン内に投入される。従って液体をなおさらに噴霧することが必要である。端部片２３の近くには液体空域が最小化される軸受５７が設けられている。軸受５７はタペット１７を案内する。スリーブ５９により、液体空域はさらに最小化される。他方の側には意図的な補整空域が設けられている。例えば開口部４５、すなわち第二開口部は圧力解放のために、かつ凍結状態においては例えば選択的に配置できる膨張チューブ内における補整空域への出口として使用される。リング４７は多数の課題を引受けており、このリングは直接の磁束を遮断することにより磁束を迂回させ、かつ導管もしくは環状空域１９をコイル担持体に対してシールする。バネ１５が引っ掛かる突起４３により、アンダーカットは回避される。突起４３はバネ１５はしっかり引っ掛かるが導管３５内での液体の影響を全く受けない程度に大きい。バネ１５の他方の端部において、バネはスリーブアンカー１３’であるアンカー１３に対して押圧する。ノズルネック部６７にはネジ込み用ボスが設けられている。スリーブ３７はもみの木形状を有するそのノズル外側部３９により、弾性チューブを収容するために設けられているだけではなく、同時にコイル７をスリーブアンカー１３’上へ磁気的に閉鎖するための極鉄心６１でもある。通電していない状態において、このことは電流がコイル７の中を全く流れない状態であり、バネ１５はスリーブアンカー１３’をタペット１７を介して弁座２１に対して押圧する。導管３５内の液体が凍結することにより、バネが液体の膨張状態において動きを妨げられない限り、バネ１５のプリロードは永続的に存在する。アンカースリーブ５１を介してタペット１７は、非通電状態でバネ１５のバネ力により端部片２３の弁座２１に対して押圧する。この実施例において全体的に５〜１０ｍｍの大きさの環状空域は、最少量の液体を収容するにすぎない。この最少量の液体が凍結すると、液体は変形した薄膜３３あるいは底面部３３‘に対して押圧される。同様に液体は弾性チューブ内で押圧することができる。この場合に発生する内圧から、対応する面に生じる力が上回ると、タペット１７はバネ力に抗して移動し、タペット１７は弁座２１から外れる。これにより補整空域は開放される。第一補整空域２９と第二補整空域３１はこの実施例に設けられている。さらに開口部４５が設けられている。導管３５及び弁座２１内に配置された補整空域２９と３１内では、凍結する液体は回避される。磁石ケーシング１１はその両端部において折り曲げられ、かつ極鉄心６１と液圧部分材３をリング４７に抗して押圧する。リング４７が示す磁気的方向転換機構は、弁の部分をどちらもシールし、かつ場合によっては溶接される。弁ケーシング６９は、例えば自動車の排気の吸収ユニットに相応して、内側あるいは外側への隆起部により輪郭に応じて成形されている。

導管３５の軸方向導管接続部を備えた図１による配量弁１とは対照的に、図２による配量弁１は側方の接続部を備えている。対応する温度勾配でもって、弁の後方部分において、バネ１５とコイル７並びに導管３５に関してそれ程耐熱性ではない材質を使用せざるを得ないことを配慮するために、配量弁はどちらも長い弁頚部とノズル頚部６７を有する。同様に配量弁１は液圧部分分１３と磁石部分５とを有する。バネ１５は一方の側では磁石ケーシング１１に対して支持されており、他方の側においては扁平アンカーであるアンカー１３に支持されている。磁石ケーシング１１内にはコイル７が配置されている。丸みを付された先端部分を介して弁座２１内に達するタペット１７上で、その他方の端部にはスリーブ５１が焼嵌めされている。端部片２３内の弁座２１はノズル開口部２５に達し、このノズル開口部は液体を分配するための選択的なノズル板２７によりカバーされている。配量弁１は二つの補整空域２９と３１を備え、かつ他の選択的出口４５を有する。第一補整空域２９は薄膜３３により区画されている。第一補整空域２９は薄膜３３の補助により補整空域の機能を担っている。第一補整空域２９に相対する側には空洞部５５が設けられている。薄膜３３は溶接箇所により、あるいは密な溶接ビードにより弁ケーシング６９及びタペット１７と連結している。この場合金属薄膜である。スリーブ側３９を有するスリーブ３７内の導管３５を経由して、液体が弾性チューブ製の配量弁に分配される。さらにチューブの代わりに、わずかに有利な実施例においては、金属製のパイプも設けられている。しかしながらこれにより他の補整空域はなくなる。導管３５内にある液体は環状空域１９を経由してタペット１７に沿って弁座２１まで流れる。コイル７が通電されていると、アンカー１３はコイル７に引き寄せられる。配量弁１が開放した状態で、空洞部５５は縮小するかあるいはなくなる。バネ１５はアンカー１３により圧縮される。自動車の運転の終了時に、コイル７が非通電状態で接続される。タペット１７は弁座２１上に降下する。補整空域３１内にある液体はノズル板２７を介して自動車の排気ガスライン内に分配される。配量弁１を対応して冷却する際にだけ液体が環状空域１９内で凍結すると、凍結した液体は薄膜３３に抗して押圧される。凍結圧縮の力は、円盤７１を介してアンカー１３に伝えられる。アンカー１３はバネ１５に抗して押圧する。スリーブ５１を介してタペット１７は弁座２１から離間する。これにより補整空域３１は開放される。薄膜３３により拡張可能な他の補整空域２９は、凍結している液体を膨張させるためのさらなる空域を形成する。さらに開口部４５は、必ずしも必要ではないが、補整空域を形成する。液圧部分３は磁石部５に比べて幅が狭い。液圧部分３は耐熱材料から製造されていなければならないので、高価な材料はできるだけ少なく使用する傾向がある。軸受５７は環状空域１９内にある可能な限りの液体量を区画する。軸受はピンあるいは場合によっては孔を備えたタペットを案内する。

図３には本発明による配量弁１の他の実施形態を開示してある。配量弁１の全体は液圧部分３と磁石部５から出発しているが、図２と１による配量弁に比べて短いのが典型的である。しかしながらそれと引替えにこの配量弁は幅が広い。弁部の幾何学構造は要求に合っている。同様に配量弁は若干の例外に至るまで回転対称に構成されている。アンカー１３“はタペットアンカーであり、このタペットアンカーはタペット１７内に達しておりかつアンカー孔５３を有する。タペットアンカー１３”の一方の側にはバネ１５が作用しており、このバネは壷状シール部６３に向かい合って支持されている。壷状シール部６３は空洞部５５を備え、この空洞部は空域２９からの容積のための膨張空域を提供しなければならない。導管３５はタペット１７に側方で通じており、このタペットは内側空域１９によりその一部が取囲まれている。タペット１７は端部片２３の弁座２１内に達している。端部片２３はこの実施例ではノズル板なしで設けられている。さらにノズル開口部２５の領域内の補整空域３１は、図１と２による配量弁に比べて小さい。軸受５７は環状空域１９内と導管３５内にある最大量の液体を区画している。コイル７が通電されていると、アンカー１３は磁場によりバネ１５のバネ力に抗して極鉄心６１への方向に移動する。これによりタペット１７は弁座２１から離間する。非通電の状態でタペット１７は弁座２１に向かって降下する。液体が導管３５あるいは環状空域１９内で凍結すると、凍結した液体はタペットアンカー１３“に抗して押圧され、タペットアンカー１３“はバネ１５に抗して移動する。これにより領域２９内のＨＷＬは弾性底部３３への方向に押し退けられる。バネ１５は圧縮される。タペット１７は弁座２１から離間する。液体は補整空域３１内へ回避することができる。補整空域が十分でないと、付加的な補整空域をバネ１５の領域の底部３３を介してもたらすことができる。磁石ケーシング１１は同時に弁ケーシングである。同様に第一補整空域２９である空洞部はアンカー孔５３を介して導管３５及び環状空域１９と流体をもって接続している。アンカー１３は液体により両側で担持されているかあるいは取囲まれている。

図４においては、今ある液体の量をさらに削減できるような、別の代替え的な可能性が示してある。完全に取囲む環状空域１９をタペット１７全体に沿って有する代わりに、タペット１７は開口部６５ａ，６５ｂ，６５ｃ及び６５ｄを分割して備えている。ノズル頚部６７の残余容積は中実材料から成る。このとき離芯して配置されている開口部６５ａ，６５ｂ，６５ｃ及び６５ｄ内の最小限にある液体だけが凍結可能であるにすぎない。さらにノズル頚部６７の中実材料はノズル頚部６７の強度に役立つ。示したノズル頚部は図１による弁と同様に図２による弁ならびに図３による弁においても配置されていてもよい。ただその都度ノズル頚部は対応して適合させねばならない。

本発明による配量弁は弾性チューブと連結しているのが好ましく、この弾性チューブにより液体は配量弁に送られる。弁座は自動車の排気ガスライン内に達している。ディーゼルモータで駆動される自動車の場合、３２．５％の尿素水溶液が弁により送られる。しかしながら凍結に使用できる弁は、その他の液体も配量弁により送ることができるように開発されているのが有利である。従って全く同様に良好に、水あるいは塩水も、もしくはディーゼル軽油も配量弁により送ることができる。

配量弁は一方の側面では７００℃以上に達することがある周囲の状況において機能し、他方の側面では−４０℃位の低温の場合にも致命的な損傷を一切被らないことを特徴とする。このことについては弁内部空間の液体量が最小限にされることが役立っている。さらにただ選択された構成部品だけが液体により湿潤されているにすぎない。システム全体は凍結状態において受動的に機能している。システムは凍結の際にも自己負担を和らげる。システムは付加的なエネルギー源を一切必要としない。液体湿潤空域と液体含有空域は、アンダーカット言い換えれば干渉構造部（Storkontur）もなく設計された。たとえ弁が前もって包括された特徴の一方あるいは他方を備えていても、この包括された特徴は本発明の保護範囲に属する。

第一実施例を示す図である。 第二実施例を示す図である。 第三実施例を示す図である。 図１あるいは２による実施例をノズル頚部で切断した断面を示す図である。

１ 配量弁
３ 液圧部
５ 磁石部
７ （巻線）コイル
９ コイル担持体
１１ 磁石ケーシング
１３ 扁平アンカーとしてのアンカー
１３‘ スリーブアンカーとしてのアンカー
１３“ タペットアンカーとしてのアンカー
１５ バネ（圧縮コイルバネ）
１７ タペット
１９ 環状空域
２１ 弁座
２３ 端部片
２５ ノズル開口部
２７ （選択的）ノズル板
２９ （凍結膨張空域の一部としての）第一補整空域
３１ （凍結膨張空域の一部としての）第二補整空域
３３ 薄膜
３３‘ 弾性底面部
３５ 導管
３７ スリーブ
３９ 外側スリーブ
４１ 溶接点
４３ 突起
４５ （第二）開口部
４７ リング
４９ Ｏリングとしてのシール部材
５１ アンカースリーブ
５３ アンカー孔
５５ 空洞部
５７ 軸受
５９ スリーブ
６１ 極鉄心
６３ 壷状シール部
６５ 環状空域開口部（６５ａ，６５ｂ，６５ｃ，６５ｄ）
６７ ノズル頚部
６９ 弁ケーシング
７１ 円盤
７３ ノズル

Claims (2)

1. 排気ガス洗浄システムに用いられる耐凍結性配量弁（1）であって、
   磁石部（５）と液圧部（３）とを備え、
   磁石部（５）がバネ（１５）により予緊張されたアンカー（１３，１３’，１３”）を有し、液圧部（３）が液体を収容しかつさらに先へ送るための環状空域（１９）と弁座（２１）内に指向しているタペット（１７）とを有しており、
   その際弁座（２１）がノズル開口部（２５）を有している耐凍結性配量弁において、
   配量弁（1）が凍結する際それ自体、受動的に負荷が解除されるように構成されていること、
   ノズル開口部（２５）に隣接して第二出口部（４５）が開口部として設けられていること、および
   配量弁（１）の液体入口で可撓なチューブが差し込んであり、この可撓なチューブを通って流体的連結状態で液体が配量弁（１）に送られ、したがって排気ガス洗浄システムが
   自動車の排気ガスエグゾースト装置と流体的連結状態にあることを特徴とする耐凍結性配量弁。
2. 弁座（２１）がノズル板によりカバーされていることを特徴とする請求項１に記載の耐凍結性配量弁。