JP2012530234A - 流体付勢式流体制御バルブ - Google Patents

Abstract

ソレノイドボディ（１８）、励磁可能なコイル（２２）及びコイルに隣接して配置されたアーマチュア（２８）を備えている流体制御バルブ（１０）を提供する。アーマチュアからバルブステム（４８）が延びている。コイルは、アーマチュアとバルブステムを第１位置から第２位置へ移動させるように励磁可能である。バルブボディ、アーマチュア及びバルブステムは、付勢するスプリングを必要とすることなくアーマチュアを作動させるように、アーマチュアとバルブステムを加圧流体によって第１位置に付勢させるように構成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ソレノイドバルブのような電気作動式流体制御機構に関するものである。

流体制御システム用のソレノイド制御バルブは、エンジンバルブシステムのリフターやラッシュアジャスターの切換操作をするラッチピンを切り換えるために使用することができる加圧下のオイルを制御するために使用される。バルブリフターはエンジンの構成部材であり、エンジンの排気バルブ及び吸気バルブの開閉を制御する。また、ラッシュアジャスターは、エンジンの排気バルブ及び吸気バルブの動作を停止させるために使用することができる。エンジンバルブは、エンジンに要求される動力が低下した場合に、エンジンにおけるいくつかのシリンダーの動作を停止させるために、選択的に動作停止またはロックアウトさせることができる。シリンダーの動作を停止させることによって、エンジンの燃料効率を改善することができる。

ソレノイド制御バルブの動作を停止させるエンジンは、エンジンの効率を最大限とするために最小限の応答時間で作動させなければならない。バルブ応答時間には、バルブ動作応答時間とバルブ動作停止応答時間が含まれる。ソレノイド制御バルブは、コイルを作動させることによって制御バルブステムを移動させる磁力をアーマチュアに作用させて、一般的にスプリングによって提供される付勢力に対抗してアーマチュアを移動させる。アーマチュア及び続いて制御バルブステムに作用させるソレノイドの磁力は、応答時間を減少させるために最大限にすべきである。コイルによって作用される磁力は、コイルのサイズを大きくすることにより増加させることができる。しかしながら、コストと重量軽減を考慮すると、コイルのサイズは制限される傾向にある。動作停止応答時間は、逆に、バルブを閉鎖するスプリングの付勢力によって影響を受け、スプリングの力はバルブが開放される前に克服する必要がある。殆どの適用例では応答時間の遅れは、可変バルブ作動システムにおいて最小限であるが、バルブの動作及び動作停止のための限定された時間ウインドウはクリティカルであり（臨界または境界がある）、最小限にしなければならない。

ソレノイドボディ、励磁可能なコイル及びコイルに隣接して配置されたアーマチュアを有する流体制御バルブが提供される。バルブステムはアーマチュアから延びている。コイルは、アーマチュアとバルブステムを第１位置から第２位置へ移動させるように励磁可能である。第１位置は励磁されていない閉位置であり、また、第２位置は励磁されている開位置である。バルブボディ、アーマチュア及びバルブステムは、アーマチュアとバルブステムが、付勢するスプリングを具備することなく、加圧流体によって第１位置に付勢されてアーマチュアを作動させるように構成されている。このように、アーマチュアは、正味の流体の力がバルブを閉鎖するために貢献して、比較的迅速なバルブ動作応答時間を提供するように構成されている。付勢するスプリングを使用しない場合、コスト及び組立時間と同様に応答時間も最小化される。さらに、スプリングの付勢力を克服する必要がないので、ソレノイドはより弱くすることができ、その結果、より安価にすることができる。

一つの実施の態様では、アーマチュア及びバルブステムには、第１ポペットと第２ポペットが含まれており、また、バルブボディには、第１シート、第２シート及び第１シートと第２シートとの間の制御チャンバを備えた供給チャンバが形成されている。第１位置では、第１ポペットは第１シートに着座されるように構成され、かつ、第２ポペットは第２シートから離されて、第１シートを通過する加圧流体の流れを阻止すると共に第２シートを通過する制御チャンバからの流体を排出するように構成されている。第２位置では、第１ポペットは第１シートから離されるように構成され、かつ、第２ポペットは第２シートに着座して、供給チャンバから制御チャンバへの加圧流体の流れを許容すると共に、制御チャンバから排出チャンバへの流れを阻止するように構成されている。

流体制御バルブは、エンジンが停止されると共にコイルが励磁されていない場合に、アーマチュアが第２位置に落下するように、エンジンに装着することができ、それによって、第１ポペットをシートから離れるように移動させて、供給チャンバを制御チャンバに開口させることができる。このように、アーマチュアは、エンジンが停止されると共にコイルが励磁されていない場合には、重力により、エンジンが作動されると共にコイルが励磁されている位置と同じ位置にある。その後、コイルが励磁されないままで、エンジンが再始動された場合には、空気は、供給チャンバから制御チャンバに排出され、さらに、第２ポペットに作用する加圧されたオイルによってアーマチュアとバルブステムが移動された場合に、排出される。システムにおいて空気を排出することにより、さらに制御されたバルブの応答をより迅速にすることができる。

フラックス通路を形成するように選択的に動作可能な電磁アクチュエータ、加圧下の流体が選択的に流れることが許容されるシートを有するバルブボディ及び電磁フラックスによって第１の方向に選択的に移動されるアーマチュアを備えた流体制御回路が提供される。アーマチュアには、シートを通過する流体の流れが実質的に阻止される閉位置から、シートを通過する流体の流れが許容される開位置まで、シートに対して第１の方向に移動されるポペットが形成されており、アーマチュアは、加圧下の流体の動作によって閉位置に付勢される。

本発明の上述した特徴と利点並びに他の特徴と利点は、添付した図面と関連させた、以下の本発明を実施するためのベストモードの詳細な説明から容易に明らかになる。

図１は、ソレノイドバルブの斜視図である。

図２は、図１に示されたソレノイドバルブの分解斜視図である。

図３は、第１の閉位置で非励磁位置のバルブを示す図１の切断線３−３の平面に沿う断面図である。

図３は、第２の開位置で励磁位置のバルブを示す図３と同様の部分断面図である。

図１を参照すると、例えば、内燃機関エンジンまたはディーゼルエンジンのリフターの動作を停止させるために、または、デュアルリフトシステムを作動させるために使用されるソレノイドバルブ１０が示されている。また、ソレノイドバルブ１０は、電磁アクチュエータとしても参照される。ソレノイドバルブ１０はエンジン１２に装着される。ソレノイドバルブ１０には、ソレノイド部１６とバルブボディ１８が含まれる。

図２及び図３を参照すると、ソレノイドバルブ１０は、ソレノイドバルブ１０を駆動するコイル２２を収容するソレノイド缶２０を含むように図示されている。磁極片２４はソレノイド缶２０の中に組み付けられる。磁極片２４はコイル２２のフラックス（磁束）の通路（磁路）の一部を形成する。フラックスコレクタ挿入体２６はソレノイド缶２０内に配置され、コイル２０の磁路の一部を形成する。

アーマチュア２８は励磁されたコイル２２によって形成されたフラックスで作動され、ソレノイドバルブ１０を図３に示す常閉位置から図４に示す開位置に変位させる。磁極片２４の径方向に延在する面３１とアーマチュア２８の径方向に延在する面３３との間にエアーギャップ３０が提供される。このエアーギャップ３０は、アーマチュア２８に対して磁極片２４を調整することにより調整することができる。図２に示すように、アーマチュア２８を軸方向に横断して加圧下のオイルを流すことが容易となるように、アーマチュア２８にリリーフ溝３４が形成されている。また、リリーフ溝３４は導管としても参照される。代わりに、アーマチュア２８を横断して加圧オイルを流すように、アーマチュア２８に隣接するバルブボディ１８に導管を形成することができる。フラックスコレクタ挿入体２６は、コイル２２及びバルブボディ１８に隣接させて、一部品で成形されたボディまたは複数部品で成形されたボディ４０に挿入することができる。

バルブボディ１８には、供給チャンバとしても参照されるオイル吸入チャンバ４１が形成されており、このチャンバ内にアーマチュア２８が配置され、最初に、加圧下のオイルを受け入れる。バルブボディには、また、制御チャンバとしても参照される中間チャンバ４２が形成されている。複数のＯ‐リング溝４３がバルブボディ１８の外面に形成されており、それぞれのＯ−リング溝に複数のシール４４が収容される。シール４４は、バルブ部分１８とエンジン１２との間のシールを確立する。成形されたボディ４０には、ソレノイド部１６内に延在する内側のコイル収容部４６すなわちボビンが形成されている。コイル２２は部分的にしか示されていないが、当然に、コイル２２はコイル収容部４６に充満されている。ボディ４０は、図示されているように、一体の樹脂成形部品として形成するか、または、部品として一体に組み付けることができるように形成することができる。

バルブステム４８は、アーマチュア２８の開口５２内に収容される部分５０を有している。制御バルブステム４８の位置は、ステム４８とアーマチュア２８との間で螺合または圧入することによって、アーマチュア２８に対して調整することができる。以下にさらに詳細に説明されるように、アーマチュア２８には、バルブシート５６に対して移動されるポペット５４が含まれる。制御バルブステム４８の一端に排出ポペット６０が形成され、バルブシート６２に対して移動して、排出ポート７０を開閉する。

バルブボディ１８に形成されたオイル吸入チャンバ４１に圧力Ｐ_１を供給するために、エンジン１２に供給通路６４が形成されている。通常、制御圧力Ｐ_２に維持される制御通路６８がエンジン１２に形成されている。また、エンジン１２に形成された排出通路７１は排出ポート７０と連通され、「Ｐ_０」として参照することができる大気圧に接続されている。中間チャンバ４２は、排出ポート７０が開放された場合に圧力Ｐ_０になる。

図４を参照すると、ソレノイドバルブ１０は開位置で示されている。コイル２２は、アーマチュア２８をコイル２２に向けて反応させるように励磁されている。ポペット５４は、バルブシート５６を開放して、オイル吸入チャンバ４１から中間チャンバ４２に圧力Ｐ_１を供給し、また、排出ポペット６０はシート６２に着座して排出ポート７０を閉鎖する。

図２〜４を参照すると、バルブボディ１８には、オイル吸入チャンバ４１とバルブシート５６に連通する供給通路６４からの圧力下のオイルを受け入れる供給開口６３が含まれる。バルブシート５６が開放されると、吸入チャンバ４１は中間チャンバ４２に連通される。圧力下のオイルは、制御ポートとしても参照される出口開口６６を介して制御通路６８に供給される。排出ポート７０はバルブボディ４０の内側端部に用意されている。排出ポート７０は排出通路７１に連通している。

作動中、バルブ１０は、通常、図３に示されるように閉鎖されており、コイル２２を励磁することによって、図４に示されるように開位置に変位される。コイル２２は励磁されている場合に、磁極片２４とアーマチュア２８との間に形成されたエアーギャップ３０を減少させる。アーマチュア２８は、コイル２２により形成された電磁フラックスによって、磁極片２４に向かうように変位される。チャンバ４１内のオイルは、リリーフ溝３４を介してギャップ３０に連通される。

図３に示される常閉位置では、ポペット５４はバルブシート５６を閉鎖して、圧力Ｐ_１のオイル吸入チャンバ４１を圧力Ｐ_２の中間チャンバ４２から分離している。オイル吸入チャンバ４１内の加圧下のオイルは、ポペット５４をバルブシート５６に対して付勢している。ギャップ３０において、アーマチュア２８の面３３のより大きい表面の領域に圧力Ｐ_１が作用して、一方向（すなわち、ポペット５４をシート５６に着座させる方向）に付勢力を供給すると同時に、圧力Ｐ_１の加圧流体は、チャンバ４１内のアーマチュアのより小さい表面の領域７３に反対方向に作用するため、圧力Ｐ_１によって影響を受けるアーマチュア２８の領域によりアーマチュアを閉位置に付勢する。ポペット５４に作用する付勢力は、スプリングの必要性を除外することを目的とするものである。或いは、ポペット５４に作用する付勢力を増加させるためにスプリング（図示省略）を組み込むこともできる。

図４に示されるように、コイル２２が励磁されると、磁極片２４とフラックスコレクタ挿入体２６を通過するフラックスにより、アーマチュア２８は磁極片２４に向けて引き寄せられる。磁極片２４に対してアーマチュア２８の向きを対面させることにより、アーマチュア２８をより大きな磁力に急激に追従させる。アーマチュア２８を変位させることにより、ポペット５４をバルブシート５６に対して開放して、それによって、オイル吸入チャンバ４１からの圧力Ｐ_１を中間チャンバ４２に供給する。中間チャンバ４２は、通常、圧力Ｐ_２に維持されているが、ポペット５４がバルブシート５６を開放し、かつ、ポペット６０が排出ポート７０を閉鎖するようにバルブシート６２を閉鎖した場合に、圧力Ｐ_１に増大される。このように、圧力Ｐ_１は、アーマチュア２８の面３３の表面の領域とポペット６０の表面の領域（追加領域）７２に一方向に作用すると共に、環状の表面の領域７３とポペット５４の表面の領域７４に反対方向に作用する。表面の領域３３に影響を及ぼす圧力は、表面の領域７３と表面の領域７４を組み合わせた圧力と等しいので、正味圧力は表面の領域７２に及ぼされる。この圧力の変化により、エンジンバルブシステムに供給される流体圧力はＰ_１に増大される。エンジンバルブシステムに供給される圧力がＰ_１に変化すると、選択されたエンジンバルブが、ラッチピン、ラッシュアジャスターまたは他の制御された装置（図示省略）によって動作を停止され、それによって、エンジンの選択されたシリンダーの動作を停止することができる。

フラックスによる力（すなわち、アーマチュア２８を磁極片２４に向けて引き寄せる正味の力）が除去され、コイル２２が実質的に励磁されていない場合、表面の領域３３上の正味の流体圧力により、アーマチュア２８は、図３の常閉の非励磁位置に駆動される。このように、アーマチュア２８は、排出ポート７０に排出するチャンバ４２を備えて、正味の流体圧力（すなわち、面７２に作用する正味の下向きの力）がバルブ１０の閉鎖に貢献して、それによって、励磁位置から非励磁位置まで比較的迅速なバルブ動作応答時間を提供するように構成されている。

バルブ１０は、エアーパージ機能とセルフクリーニング機能を備えている。特に、アーマチュア２８は、バイパスチャネルとしても参照されるバイパススロット５３を備えており、バルブ１０が閉鎖された場合に、限定された量のオイルをシート５４をバイパスさせて、チャンバ４１からチャンバ４２に移動させる。或いは、バイパススロットは、シートに隣接するボディ１８に備えることもできる。また、スロット５３は、ごみ（汚れ）の粒子をオイルと一緒にチャンバ４１から排出させて、バルブの「セルフクリーニング」機能として機能する。さらに、空気をスロット５３を介してチャンバ４１からパージ（排出）して、コイル２２が励磁されている場合に、図４の励磁位置へのバルブ１０の移動に対抗するように作用するエアークッションを防止する。これにより、非励磁位置から励磁位置への移行を迅速にさせる。

バルブ１０に供給される流体圧力がなく、かつ、コイル２２が励磁されていないようなエンジン１２が停止している場合、エンジン１２に装着されているバルブ１０が磁極片２４の上方にアーマチュア２８を備えている（すなわち、図３及び図４に示された図面とは上下逆に）と仮定すると、アーマチュア２８は、重力により、（コイルが励磁されていないにもかかわらず）図４の励磁位置に落下する。エンジンが始動された場合、加圧されたオイルが供給通路に到達して、オイルよりも前に空気を、供給チャンバ４１から制御チャンバ４２に押し出して、オイルはチャンバ４１とギャップ３０内に進入するように開放されているシートを通過して、アーマチュア２８を図３の閉鎖された非励磁位置に付勢する。空気は、ポペット６２が着座されないので、チャンバ４２から排出ポート７０に追い出される。

本発明を実施するための最適な実施の形態が詳細に説明されているが、本発明に関連する当業者であれば、添付した請求の範囲内にある発明を実施するための種々の他のデザインや実施の形態を認識するであろう。

Claims (18)

1. ソレノイドボディ（１８）と、
   選択的に励磁可能なコイル（２２）と、
   前記コイルに隣接して配置され、アーマチュアから延在するバルブステム（４８）を有するアーマチュア（２８）と、を備え、
   前記コイルは、前記アーマチュアと前記バルブステムを第１位置から第２位置へ移動させるように励磁可能である流体制御バルブ（１０）であって、
   前記バルブボディ、前記アーマチュア及び前記バルブステムは、前記アーマチュアと前記バルブステムが、加圧流体によって前記第１位置に付勢されるように構成されていることを特徴とする流体制御バルブ。
2. 前記流体制御バルブは、前記アーマチュアと前記バルブステムを前記第１位置に付勢するスプリングを具備しないことを特徴とする請求項１に記載の流体制御バルブ。
3. 前記アーマチュア及び前記バルブステムには、第１ポペット（５４）と第２ポペット（６０）が含まれており、
   前記バルブボディには、第１シート（５６）、第２シート（６２）及び第１シートと第２シートとの間の制御チャンバ（４２）を備えた供給チャンバ（４１）が形成されており、
   前記第１位置において、前記第１ポペットは前記第１シートに着座されるように構成され、かつ、前記第２ポペットは、前記第２シートから離されて、前記第１シートを通過する加圧流体の流れを阻止すると共に前記第２シートを通過する前記制御チャンバからの流体を排出するように構成されており、
   前記第２位置において、前記第１ポペットは前記第１シートから離されるように構成され、かつ、前記第２ポペットは、前記第２シートに着座して、前記供給チャンバから前記制御チャンバへの加圧流体の流れを許容すると共に、前記制御チャンバから排出ポートへの流れを阻止するように構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の流体制御バルブ。
4. 前記流体制御バルブは、エンジンと組み合わせて使用され、前記エンジンが停止されると共に、前記コイルが励磁されていない場合に、前記アーマチュアが前記第２位置に落下するように、前記エンジンに装着されており、それによって、前記第１ポペットを前記シートから離れるように移動させて、前記供給チャンバを前記制御チャンバに開口させて、空気を、前記供給チャンバから前記制御チャンバに排出し、かつ、前記エンジンが再始動され、前記アーマチュアと前記バルブステムが前記第１位置に移動された場合に、さらに、空気を前記排出ポートに排出する、ことを特徴とする請求項３に記載の流体制御バルブ。
5. 前記アーマチュアは、該アーマチュアが前記第２位置から前記第１位置に移行する場合に、前記第２ポペットの追加領域が加圧流体にさらされ、それによって、前記アーマチュアを前記第１位置に付勢するように構成されている、ことを特徴とする請求項４に記載の流体制御バルブ。
6. 前記バルブボディ及び前記第１ポペットの一方は、前記第１シートでバイパスチャネル（５３）を形成して、前記バルブが前記第１位置にある場合に、前記バイパスチャネルを介して、前記供給チャンバから前記制御チャンバに空気を流出させる、ことを特徴とする請求項４に記載の流体制御バルブ。
7. さらに、磁極片と前記アーマチュアとの間にギャップ（３０）を定めるように配置された磁極片（２４）を含んでおり、前記アーマチュアは、前記ギャップと、前記磁極片及び前記ギャップと反対側の前記アーマチュアの側部との間で加圧流体のルートを定めるように構成されており、前記ギャップで加圧流体にさらされる前記アーマチュアの第１の領域は、前記ギャップと反対側の前記アーマチュアの側部で加圧流体にさらされる前記アーマチュアの第２の領域よりも大きくされており、それによって、前記アーマチュアは流体によって前記磁極片から離れるように付勢される、ことを特徴とする請求項１に記載の流体制御バルブ。
8. 前記バルブを第１位置に付勢する流体の力にさらされる領域は、前記バルブが前記第２位置から前記第１位置に移行するにつれて増大し、かつ、前記アーマチュアと前記磁極片との間の前記ギャップも増大する、ことを特徴とする請求項７に記載の流体制御バルブ。
9. フラックス通路を形成するように選択的に動作可能な電磁アクチュエータ（１０）であって、該電磁アクチュエータは、加圧下の流体が選択的に流れることが許容されるシート（５６）を有するバルブボディ（１８）と、前記電磁フラックスによって第１の方向に選択的に移動されるアーマチュア（２８）と、を含んでおり、
   前記アーマチュアには、前記シートを通過する流体の流れが実質的に阻止される閉位置から、前記シートを通過する流体の流れが許容される開位置まで、前記シートに対して第１の方向に移動されるポペット（５４）が形成され、また、前記アーマチュアは、加圧下の流体の動作によって閉位置に付勢されている、ことを特徴とする流体制御回路。
10. 前記ポペットは第１ポペットであり、前記バルブボディには第２シート（６２）が形成されており、前記アーマチュアには、前記第２シートを通過する流体の流れが許容される第１位置から、前記第２シートを通過する流体の流れが阻止される第２位置まで、前記第２シートに対して第１の方向に前記アーマチュアと共に移動される第２ポペット（６０）を形成するバルブステム（４８）が連結されており、また、前記第２ポペットは、前記アーマチュアが加圧下の流体によって閉位置に向けて付勢されている場合に、第１位置に向けて付勢されている、ことを特徴とする請求項９に記載の流体制御回路。
11. 前記第１ポペット及び前記第２ポペットは、バルブステムによって一定の間隔の関係に保持されていることを特徴とする請求項１０に記載の流体制御回路。
12. 前記電磁アクチュエータは、フラックスを形成するように励磁可能なコイル（２２）を含むソレノイドバルブであることを特徴とする請求項９に記載の流体制御回路。
13. 前記バルブボディには、供給ポート（６３）を介して加圧流体が供給される第１チャンバ（４１）が形成され、さらに、前記バルブボディには、排出ポート（７０）に流体を排出する第２チャンバ（４２）が形成されており、また、第２チャンバは、シートを通過する流体の流れが許容される場合に、第１チャンバと流体連通されることを特徴とする請求項９に記載の流体制御回路。
14. 前記アーマチュアは、前記閉位置と前記開位置との間で、前記排出ポートに対して第１の方向に前記アーマチュアと共に移動される第２ポペット（６０）を形成するバルブステム（４８）に連結されており、前記第２ポペットが前記排出ポートを閉鎖する場合に、前記第１ポペットは開であり、かつ、前記第２ポペットが前記排出ポートを開放している場合には、前記第１ポペットは閉である、ことを特徴とする請求項１３に記載の流体制御回路。
15. 励磁可能なコイル（２２）及びアーマチュア（２８）と、
    バルブシート（５６）、排出シート（６２）、供給ポート（６３）、制御ポート（６６）及び排出ポート（７０）が形成されたバルブボディ（１８）と、を含んでおり、
    ここで、前記アーマチュアは、前記コイルが励磁されていない場合に、前記バルブシートを通って前記供給ポートから前記制御ポートに流れる加圧流体を阻止するように、バルブシートに着座される第１ポペット（５４）を含むと共に、前記アーマチュアは、励磁されたコイルによって形成された磁力によって、第１ポペットがバルブシートから離されるように移動され、かつ、供給ポートから制御ポートへの流体の流れを許容するように、バルブボディ内で変位され、また、
    前記アーマチュアに組み付けられて、前記コイルが励磁されていない場合に、前記制御ポートから前記排出ポートへの流体の流れを許容するように、前記排出シートから離され、かつ、前記コイルが励磁されている場合に、前記制御ポートから前記排出ポートへの流体の流れを阻止するように前記排出シートに着座される排出ポペット（６０）を有するバルブステム（４８）を含むことを特徴とする流体制御バルブ。
16. 前記アーマチュアは、該アーマチュアが、前記コイルが励磁されている前記第２位置から前記コイルが励磁されていない前記第１位置に移行する場合に、前記第２ポペットの追加領域が加圧流体にさらされ、それによって、前記アーマチュアを前記第１位置に付勢するように構成されている、ことを特徴とする請求項１５に記載の流体制御バルブ。
17. 前記バルブボディと前記第１ポペットの一方は、前記第１シートでバイパスチャネル（５３）を形成して、前記バルブが、前記コイルが励磁されていない前記第１位置にある場合に、前記バイパスチャネルを介して前記供給チャンバから前記制御チャンバに空気を流出させる、ことを特徴とする請求項１５に記載の流体制御バルブ。
18. 前記バルブを第１位置に付勢する流体の力にさらされる前記排出ポペットの領域は、前記バルブが、前記コイルが励磁されている前記第２位置から前記第１位置に移行するにつれて増大し、かつ、前記アーマチュアと前記磁極片との間の前記ギャップも増大する、ことを特徴とする請求項１７に記載の流体制御バルブ。

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