JP4987729B2 - 電子制御式の電気機械バルブ - Google Patents

Description

本発明は電子制御式の電気機械バルブに関し、より詳しくは、このようなバルブを備えた燃料システムの蒸気管理ユニットに関する。

電子制御式バルブが良く知られており、自動車及び航空機のエンジン及び燃料システムの蒸気管理等の幾つかの技術分野でしばしば使用されている。このようなバルブは、通常、２つ又は３つのポートを有している。よりコンパクトで簡単な設計にするため、このようなバルブが少なくとも１つの共通ポートを有する場合、２つの別々の２ポートバルブの代わりに、３ポートバルブが有利に使用される。しかしながら、このような３ポートバルブは、通常、３ポートのうちの２つのポートが通じている２つの位置しか有していない。

例えば、米国特許第６，３８２，１９１号（特許文献１）は、通常の作動時及び充填中（給油中）のタンク通気のために燃料タンクとキャニスタとだけに連結されるか、キャニスタに吸着された燃料蒸気をパージして燃焼させるためにキャニスタとエンジンとだけに連結される電子制御式バルブ組立体を有する燃料タンク圧力制御システムを開示する。キャニスタがエンジンに連結されているときに燃料タンクとキャニスタとの間の連通を閉鎖するこのシステムは、過剰にリッチな空気／燃料混合気がエンジンに流入することを防止し、従って未燃焼の炭化水素を抑制する。この燃料タンク圧力制御システムに使用されるバルブ組立体は、２つの別々の２ポートバルブから構成されるか、単一の３ポートバルブから構成されるかのいずれかである。２つの別々の２ポートバルブを選択すれば、パージ流量の選択的且つ斬新的な制御が得られ、タンク通気バルブの簡単なオン／オフが行えるという利点がある。普通の単一の３ポートバルブを選択すれば、かかる特徴を得られないが、よりコンパクトで簡単な設計になるという利点がある。

米国特許第６，３８２，１９１号

従って本発明の目的は、通常の作動中及び充填中におけるタンク通気制御、及びキャニスタのパージ（即ち、回収した燃料蒸気のキャニスタからエンジンへの流入）の制御が可能な電子制御式の電気機械バルブであって、コンパクトで簡単な設計であると同時に、中間的なパージ流量を得るための少なくとも１つの中間位置を有することを可能にする電子制御式の電気機械バルブを提供することにある。

従って、本発明は、流体が流れる少なくとも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ある少なくとも３つの異なる安定位置と、を有する電子制御式の電気機械バルブであって、少なくとも３つのボアを有する静止した外側ハウジングと、外側ハウジングの主軸線に沿って並進し、且つ、外側ハウジングのボアと一緒に少なくとも３つのポートを構成するボアを有する並進内側セクションと電子制御装置によって制御され、且つ、並進内側セクションをその軸線に沿って並進させることによって電気機械バルブを１つの位置から他の位置に切換えることができる電気作動システムと、を有する電気機械バルブに関する。

この一体形バルブは、簡単でコンパクトなシステムを可能にする軸線方向に設計されるるのがよい。また、この一体形バルブは、３ポートのうちの２つのポートを完全に連結する２つの伝統的な位置だけでなく、例えば３ポートのうちの２つのポート間の部分的な連通のみを可能にする、少なくとも１つの追加の位置を可能にする。

この一体形バルブの他の長所は、より低いコスト、より静粛な製品、及びデジタル制御性能である。

より低いコストに関して、この一体形バルブは、２つの別々のバルブ及びそれと関連した配管系に置き換わり、それにより、全部品点数を減少させ、この一体形バルブが使用されるシステムのコストを低減する。

より静粛な製品に関して、より小さい音は、リニアソレノイドアクチュエータを有するバルブのように、流量を制御するのにパルス幅変調を使用する必要がないバルブによって得られるが、リニアソレノイドアクチュエータは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に従って流量の制限を変化させるために、バルブの開閉を繰り返し、それにより、しばしば好ましくないノイズが生じさせる。

デジタル制御性能に関して、デジタル制御される構成要素は、殆どの場合、マイクロプロセッサに集積することが容易である。

本発明による電気機械バルブは、任意の材料又は材料の任意の組合せで作られる。電気機械バルブは、部分的又は全体的に金属及び／又はプラスチックで作られる。電気機械バルブは、好ましくは、ポリアセタールを含み、ポリエチレン燃料タンクに溶着によって固定される場合、バルブの表面の少なくとも一部分にポリエチレンを有する。変形例として、電気機械バルブは、燃料送出ユニットのフランジに釘、ねじ等を介して機械的に固定されてもよい。

本発明による電気機械バルブは、静止した外側ハウジングと、並進する内側セクションとを有している。並進内側セクションは、実質的に円筒形のものであり、円筒の軸線は、並進内側セクションの軸線とほぼ一致する。静止した外側ハウジングの形状は、厳格ではないが、実質的に円筒形である。「実質的に円筒形である」とは、静止した外側ハウジングの大部分が円筒形であることを意味し、このことは、部分及び／又は付属物（例えば、ハウジングの場合の電気接続部及び流体接続部）が概略的な円筒形態の外側に延びることを排除するものではない。

静止した外側ハウジングは、流体が流れることが可能な少なくとも４つの開口（即ちボア）を有し、これらの開口は、並進内側セクションのボアと共に、少なくとも３つのポート即ち通路を構成し、流体はこれらのポートを通ってバルブに流入したりバルブから流出したりする。幾つかの実施形態によれば、バルブは、より多くの流体連通の可能性を与える第４のポート及び更に第５のポートを有していてもよい。この場合、バルブの１つ又はいくつかの位置では、３つ以上のポートが流体連通状態になる。

上記ボア及びポートは、外側ハウジング及び内側セクション内で任意の形状及び位置を有する。これらの形状及び位置は、ポートが連結される流体ラインの形状及び位置にほぼ適合される。

本発明による電気機械バルブは、少なくとも３つの安定位置、即ち、不連続位置を有し、これらの位置の各々において、少なくとも２つのポートが流体連通し、電気機械バルブは、電子制御装置によって制御される電気作動システムに応答して、これらの位置を互いに切換える。これらの３つの位置について、２つの位置は、少なくとも２つのポート間の完全な流体連通を可能にし、第３の位置は、２つのポート間の部分的な流体連通のみを可能にすることが有利である。２つの所定のポート間における２つ以上の部分的な流れを可能にする２つ以上の中間位置を設けてもよい。また、電気機械バルブは、上述した３つのポートのいずれも流体連通していない追加の閉位置を有していてもよく、この閉位置は、電力が供給されない場合にシステムをシールすることを確保できる適当な初期状態機構（例えば、スプリング）によって保持される。

本発明の一実施形態では、電気作動システムは、静止した外側ハウジングに固定された少なくとも２つのコイルと、並進内側セクションに固定された少なくとも１つの磁石とを有し、コイルは、電力発生器に接続され、この電力発生器は、電子制御装置からの信号に応答して、コイルを付勢し、即ち、電流を発生させて電流をコイルの中を通して循環させることができる。この場合、電気機械バルブの各位置と、付勢されて磁石を引きつけるコイルとが関連している。或る場合には、電気機械バルブに連結される流体ラインの幾何学的形状及び／又は位置に応じて、少なくとも２つの磁石を使用して、１つのバルブ位置から他のバルブ位置に並びにエンジンとキャニスタとの間の部分的な連通を可能にする所望の数の位置に迅速に切換えられるようにすることが有利である。本発明の他の実施形態によれば、電気作動システムは、電気機械バルブの端部に配置された別のアクチュエータ（モータ）を有し、別のアクチュエータは、電子制御装置からの信号に応答して、電気機械バルブの内側セクションを並進させてそれを所定の位置に配置する。モータ式駆動部の一実施形態は、並進軸線に沿って電気機械バルブの中に挿入されたリードねじに取付けられたサーボモータ又はステッピングモータを有している。リードネジに螺合するナットが並進内側部材又はセクションに取付けられ、その結果、サーボモータ又はステッピングモータの回転により並進内側部材又はセクションをコンポーネント又は外側ハウジング内で並進させる。この場合、モータ式駆動部は、多数の位置フィードバックセンサを電気機械バルブ本体に有していることが必要である。多数の位置フィードバックセンサは、静止した外側部材に対する並進内側部材又はセクションの位置を決定するのに使用される。

このようなセンサの使用は、部品が上述した外部動力源ではなく更に前に説明したコイルシステムを用いて並進させられる場合にも有用であるが、電源が供給されない場合、部品の配向を再現できなくなる。

上述したバルブは、エンジン（詳細には内燃機関）の燃料システムの蒸気管理ユニットに使用される場合、特に、上述した米国特許に記載された蒸気管理ユニットと同様の蒸気管理ユニットに使用される場合に良い結果が得られる。この場合、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体連通を確保し、他の２つの位置はそれぞれ、蒸気回収システムとエンジンとの間の完全な流体連通及び部分的な流体連通を確保する。更に、バルブは、燃料システムを隔絶させることにより、蒸気の発生を制限することを可能にする。蒸気回収システムは、一般的には、チャコールキャニスタであり、チャコールキャニスタは、燃料タンクから蒸気通気ラインの中に移動した炭化水素を吸着して、充填時を含む通常の作動中、炭化水素を大気中に送出することなしに燃料タンクを通気させることを可能にする。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基づき且つ本発明によるバルブを用いて計量された量で、燃焼のためにエンジンに周期的に戻される。この量は、エンジンスイッチが切られているとき、及び、燃料タンクとキャニスタとだけが完全に連通しているときのゼロから、エンジンが通常速度で回転しているとき、及び、キャニスタとエンジンとだけが完全に連通しているときの最大量に至るまで、エンジンがアイドル回転速度で回転しているとき、及び、キャニスタとエンジンとだけが部分的に連通しているときの中間量を経て変化する。

燃料システムの蒸気管理ユニットにしばしば存在する他の特徴は、燃料タンクと充填管との間の蒸気連通である。この蒸気連通は、多くの場合、３つの機能に役立つ。第１に、蒸気連通により、燃料タンク内の蒸気を充填管内に再循環させ且つ再液化させ、充填時の蒸気発生を最小にすることが可能である。第２に、蒸気連通により、漏洩検出診断中の燃料タンクと充填管との間の連通通路として役立つ。最後に、衝突状況において、充填部キャップは、しばしば、衝撃時に生じた任意の圧力を逃しバルブを介して緩和するために便りにされている。このためにも、燃料タンクと充填管との間を開放連通状態にしておく必要がある。本発明によるバルブが、充填管まで延びる蒸気再循環ラインに連結すべき少なくとも１つの追加のポートを有していれば、本発明によるバルブを使用することにより、この問題を首尾良く解決できる。

しかしながら、最近、充填時に充填管に流入する蒸気の量を制御し、かくして、大気中に逃げる蒸気の量を最小にするために、蒸気再循環ラインの寸法を制限することが推進されている。これにより、充填機能と圧力緩和機能との間に矛盾を生じさせる。従って、今日では、充填管への蒸気の再循環を妨げないようにする大径の蒸気再循環ラインと、充填中の蒸気再循環流れを制限する小径の蒸気再循環ラインの両方が設けられることが一般的に好ましい。変形例として、１つのみの蒸気再循環ラインが設けられ、蒸気再循環ラインへのアクセスが、大径ポート又は小径ポートのいずれかを通して行われてもよい。従って、好ましい実施形態では、少なくとも４つのポートを有する上述したバルブが使用され、少なくとも４つのポートはそれぞれ、燃料タンク、キャニスタ、エンジン、蒸気再循環ラインへの大径の通路及び蒸気再循環ライン（又は他の蒸気再循環ライン）への小径の通路に連結され、どのポートを流体連通させるべきかの管理は、電子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ために、燃料タンクに連結される少なくとも２つのポートを有することが有利であり、即ち、一方のポートは、キャニスタとの流体連通を確立するためのものであり、他方のポートは、充填管との流体連通を確立するためのものである。このようなバルブにおいて、バルブのいくつかの位置で、３つ以上のポートが流体連通していてもよい。

図１〜図５を参照して、本発明の幾つかの好ましい実施形態をより詳細に説明する。

図１は、上記本発明の一実施形態において用いられるバルブ（図５において参照番号１０が示すバルブ）を示す。内側部材１は、外側ハウジング２の中をアクチュエータを介して並進移動し、このアクチュエータは、限定するわけではないが、外側ハウジング２の端部に取付けられたソレノイド又はステッピングモータ（図示せず）等である。外側ハウジング２は、４つのポートを有している。第１のポート３は、燃料タンクに流体連通している。第２のポート４は、蒸気貯蔵キャニスタに流体連通している。第３のポート５は、蒸気再循環ラインを介して充填部ヘッドに流体連通している。第４のポート６は、エンジン吸気マニホルドに流体連通している。

図２は、蒸気回収キャニスタと燃料貯蔵タンクとが流体連通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（図示せず）を付勢し且つそれに隣接した磁石（図示せず）を引きつけることによって保持される。この位置では、充填中に充填管に再導入される蒸気の量を制御するために、蒸気再循環ラインは、燃料貯蔵タンクと充填管との間を制限的に連通させる。

図３は、「閉位置」にあるバルブを示し、この場合の閉位置は、燃料タンクと、キャニスタと、エンジン吸気マニホルドとの間の流体連通がなされないままであることを意味する。しかしながら、この位置では、漏洩診断又は衝突状況を予測して、燃料タンクと充填管とが大径の蒸気再循環ラインを介して完全に連通している。この位置は、電力が供給されない時にシステムをシールすることを確保するため、スプリング（図示せず）によって保持される。また、この位置は、運転中、燃料が蒸気回収キャニスタを汚染することを防止するのに使用される。

図４は、蒸気回収キャニスタとエンジン吸気マニホルドとが流体連通するように位置決めされたバルブを示す。この位置では、燃料タンクと充填管との間には流体連通が全くなされていない。この位置は、所与の時点でエンジンが取扱うことができるパージ蒸気の量を調節するため、少なくとも１つの中間位置を与える少なくとも１つの追加のコイルを、第１の実施形態に示したように用いることによって変えることができる。

図５は、蒸気管理システムの全体を示す概略図である。蒸気管理システムは、図２乃至図４に示すバルブ１０と、燃料貯蔵タンク２０と、エンジン吸気マニホルド３０と、蒸気回収キャニスタ４０と、流体連通ライン５０とを有し、バルブ１０と燃料貯蔵タンク２０との間の流体連通は、液体／蒸気ディスクリミネータ６０を介してなされる。バルブ位置に基いて、燃料貯蔵タンク２０及び充填管９０と選択的に流体連通される蒸気再循環ライン８０が示されている。更に、電子通信ラインが参照番号７０で示されている。この電子通信ライン７０は、バルブ位置を特定するエンジン制御モジュールからの信号を受けるのに使用され、この信号は、次にバルブに設けられた集積信号コンディショナによって処理される。図示の電子通信ライン７０は、バルブ機能を適正にするように適当なコイルを付勢するために、多数の電源及び１つの接地部（アース）から構成されてもよい。電子通信ライン７０の第３のシナリオは、それを別の燃料システムプロセッサに接続することである。エンジン減速時の逆流の可能性をなくすために、エンジン吸気マニホルドとバルブとの間にワンウェイ逆止弁を設ける必要があることに留意すべきである。

充填時及び通常の作動時の燃料タンクの通気、キャニスタのパージ及び蒸気再循環機能を遂行する燃料システム蒸気管理ユニットに使用できる３機能４ポートバルブ（１０）を示す図であり、本発明の一実施形態において用いられるバルブ（１０）を示している。 充填時及び通常の作動時の燃料タンクの通気、キャニスタのパージ及び蒸気再循環機能を遂行する燃料システム蒸気管理ユニットに使用できる３機能４ポートバルブ（１０）を示す図であり、蒸気回収キャニスタと燃料貯蔵タンクとが流体連通するように位置決めされたバルブを示している。 充填時及び通常の作動時の燃料タンクの通気、キャニスタのパージ及び蒸気再循環機能を遂行する燃料システム蒸気管理ユニットに使用できる３機能４ポートバルブ（１０）を示す図であり、「閉位置」にあるバルブを示している。 充填時及び通常の作動時の燃料タンクの通気、キャニスタのパージ及び蒸気再循環機能を遂行する燃料システム蒸気管理ユニットに使用できる３機能４ポートバルブ（１０）を示す図であり、蒸気回収キャニスタとエンジン吸気マニホルドとが流体連通するように位置決めされたバルブを示している。 図１〜図４のバルブ（１０）を用いた蒸気管理システムの全体概略図である。

Claims (7)

1. 電子制御式の電気機械バルブ（１０）を有する、内燃機関用の燃料システムの蒸気管理ユニットであって、
   前記電気機械バルブ（１０）は、流体が流れる少なくとも３つのポート（３、４、６）と、少なくとも２つのポートが流体連通状態にある少なくとも３つの異なる安定位置と、を有しており、前記電気機械バルブ（１０）の前記安定位置のうちの１つの位置は、燃料タンク（２０）と蒸気回収システム（４０）との間の完全な流体連通状態を確保し、他の２つの位置のうちの一方の位置は、前記蒸気回収システム（４０）とエンジン（３０）との間の完全な連通状態を確保し、前記他の２つの位置のうちの他方の位置は、前記蒸気回収システム（４０）とエンジン（３０）との間の部分的な連通状態を確保し、
   前記電気機械バルブ（１０）は、
   少なくとも３つのボアを有する静止した外側ハウジング（２）と、
   前記外側ハウジング（２）の主軸線に沿って並進し、且つ、前記外側ハウジング（２）のボアと一緒に前記少なくとも３つのポートを構成するボアを有する並進内側セクション（１）と、
   電子制御装置によって制御され、且つ、前記並進内側セクション（１）をその軸線に沿って並進させることによって前記電気機械バルブ（１０）を１つの位置から他の位置に切換えることができる電気作動システムと、を有する、蒸気管理ユニット。
2. 前記電気機械バルブ（１０）は、更に、前記少なくとも３つのポート（３、４、６）のいずれもが流体連通していない閉位置を有し、
   前記閉位置は、電力が供給されない場合にシステムをシールすることを確保できる適当な初期設定機構によって保持される、請求項１に記載の蒸気管理ユニット。
3. 前記電気作動システムは、静止した前記外側ハウジング（２）に固定された少なくとも２つのコイルと、前記並進内側セクション（１）に固定された少なくとも１つの磁石と、を有し、
   前記コイルは、電力発生器に接続され、この電力発生器は、前記電子制御装置からの信号に応答して、前記コイルを付勢させることができ、即ち、電流を発生させ且つ電流をコイルの中を通して循環させることができ、
   前記電気機械バルブ（１０）の各位置と、付勢されて磁石を引きつける所定のコイルとが関連する、請求項１又は２に記載の蒸気管理ユニット。
4. 前記電気作動システムは、少なくとも２つの磁石を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気管理ユニット。
5. 前記電気作動システムは、前記電気機械バルブ（１０）のいずれかの端部に配置されたモータを有し、このモータは、前記電子制御装置からの信号に応答して、前記電気機械バルブ（１０）の前記並進内側セクション（１）を並進させ且つそれを所定の位置に配置する、請求項１又は２に記載の蒸気管理ユニット。
6. 前記電気機械バルブ（１０）は、充填管（９０）まで延びる蒸気再循環ライン（８０）に連結された少なくとも１つの追加のポート（５）を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の蒸気管理ユニット。
7. 前記電気機械バルブ（１０）は、少なくとも４つのポート（３、４、５、６）を有し、これらの４つのポート（３、４、５、６）はそれぞれ、燃料タンク（２０）、キャニスタ（４０）、エンジン（３０）、蒸気再循環ライン（８０）の通路に連結される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の蒸気管理ユニット。

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