JP4652340B2 - 電子制御式電気機械バルブ - Google Patents

Description

本出願は、２００３年１２月１５日に出願した米国特許出願第６０／５２９,１０５号の優先権を主張する。
本発明は、電子制御式電気機械バルブに関し、またそのようなバルブを含む燃料システム蒸気管理ユニットに関する。

電子制御式バルブはよく知られており、自動車及び航空機エンジン並びに燃料システム蒸気管理のような幾つかの技術領域においてしばしば使用される。そのようなバルブは通常、２つ又は３つのポートを有する。少なくとも１つのポートを共有した２つの別個の２ポートバルブの代わりに３ポートバルブを使用して、一層小型かつ単純な設計にするのが有利である。しかしながら、そのようなバルブは通常、ただ２つの位置（それらの各々は、３つのポートのうちの２つを接続する）しか持たない。

例えば、米国特許第６，３８２，１９１号には、燃料タンクとキャニスタとのみを接続する（通常運転及び燃料補給時におけるタンク通気のために）か又はキャニスタとエンジンとのみを接続する（キャニスタに吸着された燃料蒸気をパージ及び燃焼させるために）かのいずれかを行うことができる電子制御式バルブ組立体を含む燃料タンク圧力制御システムが開示されている。キャニスタがエンジンに接続されている時に燃料タンクとキャニスタとの間の連通を閉じるこのシステムは、過度に濃厚な空気／燃料混合気がエンジンに流入するのを防止し、従って未燃炭化水素を防止する。このシステム内で使用されるバルブ組立体は、２つの別個の２ポートバルブで構成するか又はただ１つの単一３ポートバルブで構成するかのいずれかとすることができる。２つの別個の２ポートバルブを選択することにより、単純にタンク通気バルブを開閉させながら、パージ流を選択的かつ漸増的に制御することができるという利点が得られる。普通の単一３ポートバルブの選択は、上記の特徴を可能にしないが、より小型かつより単純な設計の利点をもたらす。

従って、本発明の目的は、通常運転及び燃料補給時におけるタンク通気の制御とキャニスタパージ（つまり、回収燃料蒸気のキャニスタからエンジン内への流入）の制御とを行うことができ、かつ中間パージ流を許すための少なくとも１つの中間位置を可能にしながら小型かつ単純な設計をもたらす電子制御式電気機械バルブを提供することである。

従って、本発明は、流体が流れることができる少なくとも３つのポートと少なくとも２つのポートが流体連通状態になる少なくとも３つの異なる安定位置とを有する電子制御式電気機械バルブに関し、本バルブは、
・少なくとも３つのボアを含む固定外側ハウジングと、
・軸線の周りで回転し、ハウジングのボアと共に該バルブの少なくとも３つのポートを形成する適当なボアを含む回転内側セクションと、
・電子制御装置によって制御され、内側セクションをその軸線の周りで回転させることによって該バルブを１つの位置から別の位置に切り換えることができる電気作動システムと、を備えている。

この統合型バルブは、単純かつ小型のシステムを可能にするラジアル方式として設計される。さらに、本バルブは、３つのポートのうちの２つのポートを各々完全に接続する２つの通常の位置を可能にするだけでなく、例えば３つのポートのうちの２つのポート間の部分連通のみを可能にする少なくとも１つの付加的位置も可能にする。

この統合型バルブのその他の利点として、
・「より低いコスト」−２つの別個のバルブ及びそれに関連した配管システムと置き換わるこのバルブは、その中で使用するシステムの全部品数を減少させ、従ってコストを低下させることと、
・「より静粛な製品」−線形ソレノイドアクチュエータ（このアクチュエータは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって流れ制限を変えるためにバルブの開閉をサイクル作動させ、このことがしばしば望ましくないノイズを生じる）を備えたバルブの場合のようなパルス幅変調を使用して流体流を制御する必要がないバルブにより、ノイズがより少なくなること−と、
・「デジタル制御性」−大抵の場合、デジタル制御式構成要素は、マイクロプロセッサに統合することが一層容易であることとが、がある。

本発明によるバルブは、どのような材料（又は材料の組合せ）で作られたものであっても良い。本バルブは、その一部又は全体を金属及び／又はプラスチックで作ることができる。本バルブは、ポリアセタールを含むのが好ましく、またそれをポリエチレン燃料タンクに溶接によって固定するつもりの場合には、該バルブの表面の少なくとも一部はポリエチレンを含むことができる。それに代えて、本バルブは、燃料送給ユニットのフランジに対して機械的に（釘、ねじ等によって）固定することができる。

本発明によるバルブは、固定外側ハウジングと内側回転セクションとを有する。内側回転セクションは、全体的にほぼ円筒形状であり、この円筒体の軸線は、この部品の回転軸線に一致している。固定外側ハウジングの形状は、あまり重要ではないが、これもまた全体的にほぼ円筒状である。「ほぼ円筒状」というのは、全体的に円筒状形態の外側に延びる部分及び／又は付属部分（ハウジングの場合には、例えば電気的及び流体的結合部のような）をも含めて、その大部分が円筒状であることを意味する。

固定外側ハウジングは、流体が流れることができる少なくとも３つの開口（又はボア）を含み、これらの開口（又はボア）は、内側回転セクション内の適当なボアと共に、それらを通して流体がバルブに流入し又はバルブから流出することができる少なくとも３つのポート又は通路を形成する。幾つかの実施形態によると、バルブは、一層の流体連通を可能にする第４のポート及び場合によっては第５のポートを含むことができる。その場合、バルブの幾つかの位置において、２つよりも多くのポートが、流体連通状態になることができる。

上記のボア及びポートは、ハウジング及び内側セクション内においてあらゆる形状及び位置を有することができる。これらの形状及び位置は、それに対してポートが接続されることになる流体管路の形状及び位置にほぼ適合する。

本発明によるバルブは、少なくとも３つの安定位置、すなわち、少なくとも２つのポートが流体連通状態になり、またそれに対してバルブが、電子制御装置によって制御されている電気作動システムに応答して１つの位置から別の位置に切り換わる別々の位置を有する。これら３つの位置は、それらのうちの２つの位置が少なくとも２つのポート間の完全流体連通を可能にし、また第３の位置が２つのポート間の部分流体連通のみを可能にするようになっているのが有利である。また、２つの所定のポート間に１つよりも多い部分流を許すための１つよりも多くの中間位置を設けることもできるであろう。これに加えて、本バルブはさらに、そこでは上記の３つのポートのいずれもが流体連通状態にならず、また電力喪失の場合にシステムが密閉されることを保証することができる適当なデフォルト機構（例えば、スプリングのような）によって保持される付加的閉鎖位置を含むことができる。

本発明の１つの実施形態では、電気作動システムは、外側固定ハウジング上に固定された少なくとも３つのコイルと、内側回転セクション上に固定された少なくとも１つの磁石とを含み、それらのコイルは、発電機に結合され、この発電機は、電子制御装置からの信号に応答してそれらコイルを励磁し、つまり電流を発生しかつそれらコイルを通して該電流を流すことができる。その場合、バルブの各位置は、励磁されかつそれに対して磁石を吸引する所定のコイルと関係付けられる。幾つかの場合には、バルブに結合される流体管路の形状寸法及び／又は位置に応じて、１つのバルブ位置から他のバルブ位置へのより迅速な切り換えを可能にするために、またエンジンとキャニスタとの間の部分連通を許す所望の数の位置を可能にするように少なくとも２つの磁石を使用することが有利であることになる。本発明の別の実施形態によると、電気作動システムは、バルブの上に配置された別個のアクチュエータ（モータ）を含み、このアクチュエータ（モータ）は、電子制御装置からの信号に応答して、バルブの内側セクションを回転させかつ該内側セクションを所定の位置に置く。この場合、バルブ体上に多数の位置フィードバックセンサを有することが必要となることになる。これらのセンサを使用して、外側固定部材に対する内側回転部材の位置を決定する。

そのようなセンサの使用は、部品が外的な原因（上に説明したような）によって回転した場合に重要であるが、前に説明したコイルシステムを備えている場合には、部品の配向が記憶されない電源故障の場合にも重要である。

上記のバルブは、エンジン（より具体的には、内燃機関）の燃料システム蒸気管理ユニット内で使用する時、特に上述の米国特許に記載されているのと同様なユニット内で使用する場合に良好な結果をもたらす。その場合、バルブの１つの位置は、燃料タンクと蒸気回収システムとの間の完全な流れ連通を保証し、また他の２つの位置は、この蒸気回収システムとエンジンとの間のそれぞれ完全連通及び部分連通を保証する。蒸気回収システムは一般的に、チャコールキャニスタであり、このチャコールキャニスタは、蒸気通気管路を通してのタンクからの炭化水素を吸着して、炭化水素を大気中に送出することなくタンクを通気する（燃料補給を含む通常運転時に）ことを可能にする。キャニスタ内に捕捉された炭化水素は、エンジンの回転速度に応じかつ本発明によるバルブで調量された量で、燃焼のためにエンジンに周期的に送られる。この量は、エンジンのスイッチが切られている時（及び燃料タンクとキャニスタとのみが全連通している時）のゼロから、エンジンがアイドリング速度で回転している時（及びキャニスタとエンジンとのみが部分連通している時）の中間量を経て、エンジンが通常速度で回転している時（及びキャニスタとエンジンとのみが全連通している時）の最大量になる。

燃料システム蒸気管理ユニットにしばしば見られる付加的な特徴は、燃料タンクと燃料充填パイプとの間の蒸気連通である。多くの場合、この蒸気連通は、３つの機能を果たす。第1に、この蒸気連通は、燃料タンク内の蒸気が燃料充填パイプ内に再循環されて再び液化され、従って燃料補給時の蒸気発生を最少化することを可能にする。第２に、この蒸気連通は、漏れ検出診断時におけるタンクと燃料充填パイプとの間の連通路として働く。最後に、衝突状態の際に、衝突時に生じたあらゆる圧力を超過圧力バルブを介して解放するために、給油口キャップがしばしば利用される。この理由のためにも、燃料タンクと燃料充填パイプとの間の開放連通が必要である。本発明によるバルブの使用は、上記のバルブが燃料充填パイプまで延びる蒸気再循環管路に接続される少なくとも付加的なポートを備えている場合には、この問題をも解決することができる。

しかしながら、最近では、燃料補給時に燃料充填パイプに流入する蒸気の量を制御し、従って大気中に逸出する量を最少化するために、蒸気再循環管路の寸法を制限することが押し進められている。このことは、燃料補給機能と圧力解放機能との間で矛盾を引き起こす。従って、今日では、一般的に大径の蒸気再循環管路（燃料充填パイプへの無制限の蒸気再循環のための）と燃料補給時における蒸気再循環流を制限するための小径の蒸気再循環管路との両方を有することが好ましい。それに代えて、蒸気再循環管路はただ１つだけであるが、蒸気再循環管路に対するアクセスは、大径のポートを通してか又は小径のポートを通してかのいずれかで可能にすることもできる。従って、好ましい実施形態では、それぞれ燃料タンク、キャニスタ、エンジン、蒸気再循環管路への大径の通路、及び同じ（又は別の）蒸気再循環管路への小径の通路に接続するための少なくとも５つのポートを含む上記のようなバルブが使用され、流体連通状態にするこれらポートの管理は、電子的制御装置によって行われる。しかしながら、通気機能と蒸気再循環機能とを分離するように燃料タンクに接続される少なくとも２つのポートを有すること、つまり１つのポートがキャニスタとの流体連通を確立するためのものでありまた他のポートが燃料充填パイプとの流体連通を確立するためのものであるのが有利であることになる。そのようなバルブでは、バルブの幾つかの位置において、２つよりも多くのポートが流体連通状態になることになる。

図１〜図９により、本発明の幾つかの好ましい実施形態を一層詳しく説明する。図１〜図４は、燃料補給及び通常運転時に燃料タンクを通気するため並びにキャニスタをパージするための両方のために燃料システム蒸気管理ユニット内で使用することができる二重機能３ポートバルブに関する。図５は、このバルブを使用した蒸気管理システム全体を示す。図６〜図８は、通気及び燃料補給に加えて蒸気再循環機能をも保証する３機能６ポートバルブに関する。図９は、このバルブを使用した蒸気管理システム全体を示す。

図１に、第１の実施形態によるバルブの基本的な構成要素を示す。これらの構成要素には、固定外側ハウジング１と、軸線９の周りで回転する内側回転セクション２とが含まれる。固定外側ハウジングは、３つのポートを有する。大きなポート３は、蒸気回収キャニスタと流体接続状態になっている。バルブの側部から出るポート４は、エンジン吸気マニフォルドと流体接続状態になっている。バルブの底部から出るポート５は、流体貯蔵タンクと流体接続状態になった液体蒸気分離器と流体接続状態になっている。回転内側セクション２内には可動流体通路６が含まれ、可動流体通路６は、３つのボア（カット部の両端部の符号６’で示すボアとこのカット部に対して垂直なカット部内の符号６”で示すボアと）を有する。

図１に示す位置において、可動通路６は、エンジン吸気マニフォルドと燃料システム蒸気管理ユニットの蒸気回収キャニスタとの間で流体連通を形成する。３つのコイル７のうちの第１のコイルを励磁しかつこのコイルに２つの固定磁石８のうちの１つ（このコイルに隣接する磁石）を吸引することによって、回転内側セクション２は、この配向に位置決めされる。

図２は、ポートのいずれの間も流体連通状態になっていない閉鎖位置にあるバルブを示す。この位置は、電力喪失の場合にシステムが密閉されることを保証するスプリング（図示せず）によって保持される。さらに、この位置は、燃料が蒸気回収キャニスタを汚染するのを防止するために走行中に使用されることになる。

図３は、蒸気回収キャニスタと燃料貯蔵タンクとの間に流体連通が存在するように位置決めされたバルブを示す。この位置は、図１におけるのと同様に取り巻き配置したコイルを励磁しかつこのコイルに隣接する磁石を吸引することによって保持される。

図４は、蒸気回収キャニスタとエンジン吸気マニフォルドとの間に制限した流体連通が存在するように位置決めされたバルブを示す。この場合もまた、この位置は、取り巻き配置したコイルを励磁しかつこのコイルに隣接する磁石を吸引することによって保持される。

図５は、図１〜図４に示すバルブ９と、燃料貯蔵タンク１０と、エンジン吸気マニフォルド１１と、蒸気回収キャニスタ１２と、流体連通管路１３と、液体／蒸気弁別器１４を介したバルブ９と燃料貯蔵タンク１０との間の流体連通とを含む蒸気管理システム全体の概略図を示す。さらに、電気通信線を符号１５で示している。この通信線は、バルブ位置を指定する信号をエンジン制御モジュールから受けるために使用することができ、これらの信号は次に、バルブ上の一体形信号調整器によって処理される。符号１５で示した通信線はまた、バルブ機能を適正に行わせるように適切なコイルを励磁するための多数の電源及び接地とで構成することもできる。通信線１５の第３のシナリオは、通信線を別個の燃料システムプロセッサに接続することになるような場合である。エンジン減速時における逆流の可能性を排除するためには、エンジン吸気マニフォルドとバルブとの間に一方向逆止バルブ（図示せず）を必要とすることになる。

図６〜図８に示す第２の実施形態のバルブもまた、第１の実施形態の位置と同様な４つの位置を有し、そのうちの３つの位置を示している。このバルブは、図１〜図４のバルブの要素と同様な同一の符号を付した要素（しかし、それらの全てを図示してはいない）を含み、それらに加えて付加的要素、すなわち蒸気再循環管路への１つの大径ポート１０と、蒸気再循環管路への１つの小径ポート１１と、燃料タンクへの１つの付加的ポート１２とを含み、またこのバルブは、燃料タンクポート１２を蒸気再循環ポート１０、１１のいずれかに接続するための付加的可動通路１３を含む。

図６は、蒸気回収キャニスタと燃料貯蔵タンクとの間に流体連通が存在するように位置決めされたバルブを示す。この位置は、コイルを励磁しかつそのコイルに隣接する磁石（コイル及び磁石は両方とも図示せず）を吸引することによって保持される。この位置においては、蒸気再循環管路は、燃料補給時に燃料充填パイプに再導入される蒸気の量を制御するためにタンクと燃料充填パイプとの間で制限連通状態になる。

図７は、「閉鎖位置」にあるバルブを示しており、この場合、閉鎖位置というのは、燃料タンク、キャニスタ及びエンジン吸気マニフォルド間に何らの流体連通もない状態になっていることを意味する。しかしながら、この位置においては、漏れ診断又は衝突状態を見越して、燃料タンクと燃料充填パイプとの間に大径の蒸気再循環管路を介した完全連通が存在する。この位置は、電力喪失の場合にシステムが密閉されることを保証するスプリング（図示せず）によって保持される。さらに、この位置は、燃料が蒸気回収キャニスタを汚染するのを防止するために、走行中に使用されることになる。

図８は、蒸気回収キャニスタとエンジン吸気マニフォルドとの間に流体連通が存在するように位置決めされたバルブを示す。この位置においては、燃料タンクと燃料充填パイプとの間に何らの流体連通も存在しない。この位置は、エンジンが所定の時点において処理することができるパージ蒸気の量を調節するために変える（第１の実施形態において示したのと全く同様に、少なくとも１つの中間位置を形成する少なくとも付加的コイルの使用によって）ことができる。

図９は、図６〜図８に示すバルブ１と、燃料貯蔵タンク２と、エンジン吸気マニフォルド３と、蒸気回収キャニスタ４と、流体連通管路５と、液体／蒸気弁別器６を介して形成されるバルブ１と燃料貯蔵タンク２との間の流体連通とを含む蒸気管理システム全体の概略図を示す。蒸気再循環管路８は、バルブ位置に基づいて燃料貯蔵タンク２及び燃料充填パイプ９と選択的に蒸気連通状態になるように示している。さらに、電気通信線を符号７で示している。この通信線は、バルブ位置を指定する信号をエンジン制御モジュールから受けるために使用することができ、これらの信号は次に、バルブ上の一体形信号調整器によって処理される。符号７で示した通信線はまた、バルブ機能を適正に行わせるように適切なコイルを励磁するための多数の電源及び接地とで構成することもできる。通信線７の第３のシナリオは、通信線を別個の燃料システムプロセッサに接続することになるような場合である。エンジン減速時における逆流の可能性を排除するためには、エンジン吸気マニフォルドとバルブとの間に一方向逆止バルブを必要とすることになることに注目されたい。

Claims (8)

1. 流体が流れることができる少なくとも３つのポートと、少なくとも２つの前記ポートが流体連通状態になる少なくとも３つの異なる安定位置とを有する電子制御式電気機械バルブであって、１つの前記位置が、燃料タンクと蒸気回収システムとの間を全開状態にすることを保証し、別の２つの前記位置が、前記蒸気回収システムと前記エンジンとの間をそれぞれ全開状態及び部分開状態にすることを保証する電子制御式電気機械バルブを備える内燃エンジンのための燃料システム蒸気管理ユニットにおいて、
   前記バルブは、
   −少なくとも３つのボアを含む固定外側ハウジングと、
   −軸線の周りに回転し、前記ハウジングのボアと共に前記バルブの少なくとも３つのポートを形成する適当なボアを備える回転内側セクションと、
   −電子制御装置によって制御され、前記内側セクションをその軸線の周りに回転させることによって前記バルブを１つの位置から別の位置に切り換えることができる電気作動システムと、
   を備えていることを特徴とする燃料システム蒸気管理ユニット。
2. 前記３つのポートのいずれもが流体連通状態にならず、また電力喪失の場合に前記システムが密閉されることを保証することができる適当なデフォルト機構によって保持される付加的閉鎖位置を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
3. 前記電気作動システムが、前記外側固定ハウジングに固定された少なくとも３つのコイルと前記内側回転セクションに固定された少なくとも１つの磁石とを備え、前記コイルが発電機に結合され、前記発電機が、前記電子制御装置からの信号に応答して前記コイルを励磁して、つまり電流を発生しかつ前記コイルを通して該電流を流して、前記バルブの各位置が、励磁されかつ前記磁石を引き付ける所定のコイルと関係付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
4. 前記電気作動システムが、少なくとも２つの磁石を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
5. 前記電気作動システムが、前記バルブの上に配置されたモータを含み、該モータが、前記電子制御装置からの信号に応答して前記バルブの内側セクションを回転させかつ前記内側セクションを所定の位置に位置付けることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
6. 前記バルブが、燃料充填パイプに延びる蒸気再循環管路に接続された少なくとも付加的ポートを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
7. 前記バルブが、それぞれ燃料タンク、キャニスタ、エンジン、前記蒸気再循環管路への大径通路、及び前記（又は別の）蒸気再循環管路への小径通路に接続するための少なくとも５つのポートを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。
8. 燃料タンクに接続された第２のポートを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料システム蒸気管理ユニット。

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