JP3870177B2 - 電気流体圧制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、電気流体圧制御弁に関するものであり、特に平衡型ポペットを備えた電気流体圧制御弁に関する。

燃料の経済性を改善する努力において、自動車の製造業者は、全てのエンジンシリンダによって発生される全出力を必要としない場合に選択したエンジンシリンダを止めるシステムを開発してきた。例えば、キャディラックは４、６及び８シリンダ動作に切り替える「Ｖ−８−６−４エンジン」を製作した。止めるシリンダの選択は、非作動モードにおいて一様な点火順序を保つのが望ましいエンジン点火順序によって決められる。シリンダを非作動にする幾つかのモードが可能である。バンクモードにおいては、Ｖ型エンジンの同じバンクにおける多シリンダは同時に作動されるが、各シリンダはシリンダ制御モードににおいて独立して作動される。所与シリンダはそのシリンダに対する吸気弁の動作を制御することによって作動されたり非作動にされる。一つ又は複数の吸気弁を止めることによって、空気・燃料混合物はそのシリンダには入らず、従って燃焼は生じない。

あるエンジン構造では、空気・燃料混合物をシリンダに供給する多吸気弁が使用されている。燃料の保護は、所与シリンダに対する異なる数の吸気弁の動作を選択的に切り替えることによっても達成され得る。

エンジンの吸気弁の動作は、吸気弁アクチュエータへの加圧エンジンオイルの流れを調整するソレノイド弁によって制御される。ソレノイド弁が付勢されると、加圧エンジンオイルはワークポートから供給されて吸気弁リフターの内側のばね偏倚ロックピンを作動させ、シリンダ吸気弁からカム軸を有効に分離する。ソレノイド弁が消勢されると、弁のワークポートは、吸気弁アクチュエータへの圧力を除去するエンジンオイル受け皿に接続され、その結果、吸気弁を作動するようにロックピンはばね偏倚されることになる。

１エンジンサイクル以下においてエンジンの吸気弁のスイッチングを制御するのが望ましい。従って、ソレノイド弁は、エンジンシリンダ弁の適時の非作動及び再作動を保証するために、非常に迅速に応答しなければならない。従って、ソレノイド弁は可能な限り小さな力を発生するように要求され、それにより動作時間を最短化することが望ましい。

本発明の電気流体圧制御弁は、公称圧力をもつエンジンオイルの流れを制御するように設けられる。この制御弁は、一端に出口ポートを形成する中心ボアを備えた管状弁本体を有する。入口ポート及びワークポートは、管状弁本体を通って横方向にのび、中心ボアと連通している。第１のバルブシートは入口ポートとワークポートとの間において管状弁本体に配置され、また第２のバルブシートはワークポートと出口ポートとの間に配置される。

ポペットは弁本体のボア内に受けられ、ポペットが第１のバルブシートと係合する第１の位置とポペットが第２のバルブシートと係合する第２の位置との間で動くことができる。ノッチは、入口ポートに隣接したポペットの部分に形成され、入口ポート内のオイルの圧力がノッチ表面に作用するようにされている。ノッチは第１の端表面を備え、この第１の端表面上には入口ポートの圧力が作用して第１のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第１の力を発生する。ノッチの第２の端表面上には入口ポートの圧力が作用して第２のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第２の力を発生する。第１のバルブシートと係合するようにポペットを偏倚させるばね力を発生するばねが設けられる。

弁のアクチュエータはソレノイドコイルを備え、このソレノイドコイルに電流を流すことによりアーマチュアを動かしてポペットと係合させる。この作用によって、ポペットは、第１のバルブシートとの係合から離れそして第２のバルブシートと係合する方向に動く。

ポペットにおけるノッチの第１の端表面及び第２の端表面は、これらの表面上に作用する入口ポートにおける公称圧力がばね力にほぼ対抗する正味の力をポペットに作用させるように構成される。この力の平衡により、アクチュエータとして第１及び第２のバルブシート間でポペットを動かすのに比較的小さな力を発生できれば良いので比較的小さなアクチュエータを使用できる。

本発明の電気流体圧制御弁の別の特徴は、プラスチックの構成要素を使用できしかもこれらの構成要素を超音波溶着して弁の組立てを容易にできるという弁要素の独特の構成にある。

図１及び図２を参照すると、電気流体圧制御弁１０はマニホルド１２における開口１４内に装着され、エンジンの弁アクチュエータ（図示せず）の接続される制御通路１８への加圧流体の流れ及び制御通路１８からの加圧流体の流れを制御するようにされている。マニホルド１２は供給通路１６を備え、この供給通路１６は、ポンプ（図示せず）から開口１４へ通常一定の公称圧力でエンジンオイルを移送する。制御通路１８はまたマニホルド１２を通って開口１４の側部へ開放している。開口１４の内方端部は出口ポート１９を形成し、出口ポート１９は、流体系のタンクに通じる戻り通路２０に連通している。

電気流体圧制御弁１０は、マニホルド１２の開口１４内へのびる弁本体２２を有している。弁本体２２は、細長い管状部２１と環状端部キャップ２３を備え、これら両部材はプラスチックで構成されている。環状端部キャップは、管状部内に弁ポペット２８及び戻しばね２７を挿置した後、管状部２１の内端部に超音波溶着される。弁本体２２の二つのプラスチック部材間の超音波溶着により、堅固で流体密な接合が得られる。超音波溶着法は 比較的容易に実施でき、それにより弁構成要素の多量生産が容易となる。

管状弁本体２２はそれを通ってのびる中心ボア２４を有し、中心ボア２４は、それぞれマニホルドの通路１６、１８を中心ボア２４に接続する横方向入口ポート２３及び横方向ワークポート２５を備えている。弁本体２２における入口ポート２３及びワークポート２５は図２に示すように一般的には矩形である。矩形のポート開口を用いることにより、開口の所与軸線方向長さに対して最大の流れ面積及び従って所与寸法の弁本体に対して最適な流量が得られる。

弁本体２２の周囲には多数のシーリングリング２６が設けられ、これらのシーリングリング２６は開口１４の壁と係合して弁本体とマニホルド１２との間の流体の通過を阻止する。プラスチック製の弁ポペット２８は弁本体２２の中心ボア２４内に摺動可能に受けられている。ポペット２８は弁本体２２から外方へのびる突起部４２を備えている。ポペット２８の突起部４２のまわりには低摩擦シーリングリング４４が設けられ、供給通路１６を通って供給される汚れた流体内の破片が挟まり得る狭い隙間嵌合を避けながらこれらの構成要素間の流体の漏れを阻止する。

ポペット２８はそれの移動の一端において、入口ポート２３とワークポート２５の間に配置された第１のバルブシート３０と係合し、そして移動の他端においては、ポペット２８はワークポート２５と出口ポート１９の間に配置された第２のバルブシート３２に当接する。戻しばね２７は、弁本体２２に対してしかも第２のバルブシート３２との係合から離れる方向にポペット２８を偏倚させる。戻しばね２７は、供給通路１６及び入口ポート２３内の公称流体圧による力の１５０％以下及び好ましくはほぼ１２０％又はそれ以下の力を弁ポペットに作用させる。言い換えれば、戻しばね２７は、ポペットを第１のバルブシート３０と係合させる。

弁ポペット２８は外部環状ノッチ３４を備え、この外部環状ノッチ３４は、説明するように弁ポペット２８が第１のバルブシート３０から分離される際に、入口ポート２３とワークポート２５の間に流体の流れる通路を提供する。第１の表面３６はワークポート２５に近い環状ノッチ３４の一端に配置され、また第２の表面３８はポペットのノッチ３４の他端に配置されている。入口ポート２３における圧力はこれら表面３６、３８の両方に作用する。第１の表面３６の面積は第２の表面３８の面積より大きく、それにより二つの表面３６、３８に作用する加圧流体１６の力に僅かな不平衡が生じる。その結果、正味の力は、戻しばね２７の力に抗して第２のバルブシート３２に向かって弁ポペット２８を動かす方向に生じる。

前に述べたように、ポペットの戻しばね２７は、供給通路１６内の公称圧力によって弁ポペット１６に働く正味の力の１５０％以下、好ましくはほぼ１２０％又はそれ以下の力を弁ポペット２８に働かせる。加圧流体による力とばねによる力との間のこの関係は三つの利点をもたらす。第１に、弁１０は、供給通路１６における公称圧力が戻しばね２７による力とほぼ平衡するように構成される。従ってソレノイドアクチュエータ４０は比較的小さな力で弁を作動できる。第２に、供給通路１６における圧力が大きくなりすぎると、弁１０は自動的に開放し、説明するように供給通路１６とタンク戻り通路２０との間に直接的に通路を設けることによりその圧力を解放する。しかし、供給圧力があまりにも極端（例えば公称供給圧力の二倍以上）になると、弁ポペット２０は第２のバルブシート３２に対して駆動され、それによりその解放通路を閉じる。第３に、第１のバルブシート３０及び第２のバルブシート３２の直径は、戻しばね２７及びソレノイドアクチュエータ４０が打ち勝たなければならない比較的大きな圧力を発生することなしに流体圧系統で必要な流量をもたらすように寸法決めされ得る。好ましい実施の形態では、第１のバルブシート３０及び第２のバルブシート３２の接触面積は等しい。この後者の特徴によって、電気流体圧制御弁１０は顧客の使用する特殊なマニホルド１２に関係なく製造中にテストすることができる。従って、最終顧客が弁を使用するシステムの特殊な動作特性を知ることなしに、弁は製造され、テストされ得る。このことはまた、弁を適切に機能させるのにマニホルドに臨界的な特徴は必要でないことを意味している。

ソレノイドアクチュエータ４０は、マニホルドの開口１４から突出する弁本体２２の端部に取り付けられている。ソレノイドアクチュエータ４０はソレノイドコイル４６を有し、ソレノイドコイル４６はボビン４８に巻回されている。強磁性磁極片５０は、ボビン４８内にのびる円筒状部分及びボビンと弁本体２２の露出端部との間に配置されるフランジを備えている。金属ハウジング５２は弁ボビン及び磁極片５０を包囲し、そしてソレノイドアクチュエータ４０をそれに固定するため弁本体２２の露出縁部の周りにクリップされた多数のタブ５４を備えている（図３も参照）。

プラスチック製の外側包囲体５６はハウジング５２のまわりに成形され、そして電気流体圧制御弁１０を作動する電子回路にソレノイドコイル４６を接続する電気コネクタ５８を備えている。外側包囲体５６は端部フランジ５７を備え、この端部フランジ５７はＯリング５９を介してマニホルド１２の外面に対してシールされている。従って、外部から包囲体５６とマニホルドとの間に水が浸入し、そこから弁の電気的構成要素に達して電気的ショートを発生するのが防止される。

さらに図１を参照すると、ボビン４８及び金属ハウジング５２のキャップ部分６２内には強磁性材料のアーマチュア６０が摺動可能に設けられている。アーマチュア６０は、ソレノイドコイル４６に電流を流すことにより生じた磁場に応じてボビン内を長手方向に摺動する。ボビン４８内の薄いステンレス鋼管６１はアーマチュアの動きを案内する。コネクタ５８を介して供給される電気によってソレノイドコイル４６が付勢されると、合成電磁場はアーマチュア６０を弁ポペット２８に対して強制する。アーマチュア６０からの力は戻しばねの力に打ち勝ち、それにより、弁ポペット２８は第１のバルブシート３０から離れ、第２のバルブシート３２に向って押し進められる。

前に述べたように、ポペットの表面３６、３８に作用する供給通路１６内の圧力の力は、戻しばね２７によって弁ポペット２８に働く力と実質的に等しい正味の力を発生する。その結果、ソレノイドアクチュエータ４０は、ポペット２８を第１のバルブシート３０から離れ、第２のバルブシート３２に向って動かすために比較的小さな付加的な力を加えて、弁の入口ポート２３とワークポート２５との間に流体通路を形成する必要がある。この圧力の平衡により、比較的小さなソレノイドコイル４６を使用することができ、従ってアクチュエータ４０のサイズを小さくできる。

ポペット２８の独特の構成により圧力解放機能が得られる。供給通路１６内の圧力が公称動作圧力の１２０％以上に上昇すると、ポペットにおける合成力は戻しばね２７による抗力に打ち勝つ。この状態で、ポペット２８は第２のバルブシート３２に係合するのには十分に距離ではないが第１のバルブシート３０から離れて僅かに動く。この状態において、入口ポート２３からバルブシート３０、３２の各々を通って出口ポート１９への通路が形成される。これにより供給通路１６内の過剰圧力はタンク戻り通路２０へ解放される。この過剰圧力が相当に低減すると、戻しばね２７の力により弁ポペット２８は再び第１のバルブシート３０に押圧され、該解放通路を閉じる。

本発明による電気流体圧制御弁の断面図である。 電気流体圧制御弁の側面図である。 電気流体圧制御弁におけるハウジングの斜視図である。

符号の説明

１０：電気流体圧制御弁
１２：マニホルド
１４：開口
１６：供給通路
１８：制御通路
１９：出口ポート
２０：戻り通路
２１：管状部
２２：弁本体
２３：環状端部キャップ
２３：入口ポート
２４：中心ボア
２５：ワークポート
２６：シーリングリング
２７：戻しばね
２８：弁ポペット
３０：第１のバルブシート
３２：第２のバルブシート
３４：外部環状ノッチ
３６：第１の表面
３８：第２の表面
４０：ソレノイドアクチュエータ
４２：突起部
４４：低摩擦シーリングリング
４６：ソレノイドコイル
４８：ボビン
５０：強磁性磁極片
５２：金属ハウジング
５４：タブ
５６：外側包囲体
５７：端部フランジ
５８：コネクタ
５９：Ｏリング
６０：アーマチュア
６１：薄いステンレス鋼管
６２：キャップ部分

Claims (19)

1. 一端に出口ポートを形成する中心ボアを備え、中心ボアと連通して横方向にのびるワークポート及び入口ポートを備え、さらに入口ポートとワークポートとの間の第１のバルブシート及びワークポートと出口ポートとの間の第２のバルブシートを備えた管状弁本体と；
   弁本体の中心ボア内に受けられ、中心ボア内で第１のバルブシートと係合する位置と第２のバルブシートと係合する位置との間で摺動でき、また入口ポートに連通するノッチを備えたポペットであって、ノッチの第１の端表面上に入口ポートの圧力が作用して第１のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第１の力を発生し、ノッチの第２の端表面上に入口ポートの圧力が作用して第２のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第２の力を発生するポペットと；
   第１のバルブシートと係合するようにポペットを偏倚させるばね力を発生するばねと；
   ポペットと係合するアーマチュアを内部に受けるソレノイドコイルを備え、ソレノイドコイルに電流を印加することによりポペットを第１のバルブシートとの係合から離れしかも第２のバルブシートと係合する方向に動かすアクチュエータとを有する公称圧力をもつ流体の流れを制御する電気流体圧制御弁において、
   第１の端表面及び第２の端表面上に作用する入口ポートにおける公称圧力がばね力にほぼ対抗する正味の力をポペットに作用させることを特徴とする電気流体圧制御弁。
2. ばね力が、第１の端表面及び第２の端表面に作用する入口ポートにおける公称圧力によって生じる正味の力の１５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
3. ばね力が、第１の端表面及び第２の端表面に作用する入口ポートにおける公称圧力によって生じる正味の力の１２０％以下であるか又は１２０％に等しいことを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
4. ノッチの第１の端表面の面積がノッチの第２の端表面の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
5. 入口ポートにおける圧力がばねの力を予め決めた量以下超える正味の力を発生してポペットに作用させる時には、ポペットが入口ポート、ワークポート及び出口ポートの間の流体通路を開放することを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
6. 入口ポートにおける圧力がばねの力を予め決めた量以上超える正味の力を発生してポペットに作用させる時には、ポペットが第２のバルブシートと係合することを特徴とする請求項５に記載の電気流体圧制御弁。
7. 入口ポート及びワークポートが弁本体を通る複数の矩形開口から成ることを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
8. 弁本体が、管状部分及び出口ポートを内部にもつ端部キャップを備え、端部キャップが流体密接続により管状部分の端部に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
9. 管状部分及び端部キャップがプラスチックで形成され、そして超音波溶着により互いに溶着されることを特徴とする請求項８に記載の電気流体圧制御弁。
10. ポペットがプラスチックで形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
11. 磁気的に伝導性の材料から成り、内部にソレノイドコイルを受けるカップ型形状をもつハウジングをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の電気流体圧制御弁。
12. ハウジングが、そこから突出しかつそこにアクチュエータを固定するように弁本体の部分のまわりにひだを付けた多数のタブを設けた開放端部を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の電気流体圧制御弁。
13. ハウジングの外側に成形したプラスチック包囲体をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の電気流体圧制御弁。
14. プラスチック管状部分及びプラスチック管状部分の一端に密封接続されたプラスチック端部キャップを備えた弁本体を有し、プラスチック管状部分が中心ボアを備え、また入口ポート及びワークポートが中心ボアに開放し、端部キャップが中心ボアに連通する出口ポートを備えた弁本体であって、入口ポートとワークポートとの間の第１のバルブシート及びワークポートと出口ポートとの間の第２のバルブシートを備えた弁本体と；
    弁本体の中心ボア内に受けられ、第１のバルブシートと係合する第１の位置と第２のバルブシートと係合する第２の位置との間で摺動でき、また入口ポートに連通するノッチを備えたポペットであって、ノッチの第１の端表面上に入口ポートの圧力が作用して第１のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第１の力を発生し、ノッチの第２の端表面上に入口ポートの圧力が作用して第２のバルブシートと係合するようにポペットを動かす第２の力を発生するポペットと；
    第１のバルブシートに向かってポペットを偏倚させるばね力を発生するばねと；
    ポペットと係合するアーマチュアを内部に受けるソレノイドコイルを備え、ソレノイドコイルに電流を印加することによりポペットを第１のバルブシートとの係合から離れしかも第２のバルブシートと係合する方向に動かすアクチュエータとを有する公称圧力をもつ流体の流れを制御する電気流体圧制御弁において、
    第１の端表面及び第２の端表面上に作用する入口ポートにおける公称圧力がばね力にほぼ対抗する正味の力をポペットに作用させることを特徴とする電気流体圧制御弁。
15. ばね力が、第１の端表面及び第２の端表面に作用する入口ポートにおける公称圧力によって生じる正味の力の１５０％以下であることを特徴とする請求項１４に記載の電気流体圧制御弁。
16. ばね力が、第１の端表面及び第２の端表面に作用する入口ポートにおける公称圧力によって生じる正味の力の１２０％以下であるか又は１２０％に等しいことを特徴とする請求項１４に記載の電気流体圧制御弁。
17. ノッチの第１の端表面の面積がノッチの第２の端表面の面積より大きいことを特徴とする請求項１４に記載の電気流体圧制御弁。
18. 管状部分及び端部キャップが超音波溶着により互いに溶着されることを特徴とする請求項８に記載の電気流体圧制御弁。
19. 入口ポート及びワークポートが複数の矩形開口から成ることを特徴とする請求項１４に記載の電気流体圧制御弁。

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