JP6207801B2

JP6207801B2 - 電磁弁

Info

Publication number: JP6207801B2
Application number: JP2017534086A
Authority: JP
Inventors: 義典伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2035-08-13
Also published as: US10550953B2; DE112015006805T5; CN107850231B; US20180292013A1; WO2017026069A1; JPWO2017026069A1; CN107850231A

Description

この発明は、ターボチャージャのエアバイパスバルブなどに用いられる電磁弁に関するものである。

ターボチャージャ付きエンジンでは、コンプレッサの上流側と下流側とを接続するエアバイパス通路にエアバイパスバルブが設置され、このエアバイパスバルブによりエアバイパス通路を開けてコンプレッサの下流側の過給気を上流側に戻している。このエアバイパスバルブとしては、例えば、弁体を電磁力で駆動させる電磁弁が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１５２８８５号公報

上記特許文献１に記載された電磁弁において、シリンダ内のピストンに設けられたピストン凹設溝には、シールリングであるピストンリングが装着されている。ピストンと共にピストンリングが往復移動する際、常に、ピストンリングの外縁部とシリンダの内周面とが接触して擦れるため、摺動抵抗となる。

このように、シール部材と、このシール部材が電磁弁作動時に摺動する相手側の摺動部材とが、電磁弁作動時に常に接触していると、摺動抵抗により応答性が劣化するという課題があった。また、シール部材と摺動部材とが接触する接触面が磨耗しやすいという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、電磁弁の応答性を向上させること、およびシール部材と摺動部材とが接触する接触面の磨耗量を低減することを目的とする。

この発明に係る電磁弁は、開口部を有するケースと、開口部からケースに出入りする方向に往復移動する弁体と、弁体に形成され、ケースの内側と外側とに連通する連通穴と、弁体を往復移動方向の一方側へ移動させる電磁力を発生させるソレノイド部と、弁体を往復移動方向の他方側へ移動させる付勢力を発生させるスプリングと、ケースの内周面に固定され、少なくとも弁体が往復移動範囲の両端にあるときケースと弁体の側面との隙間を塞ぐシールリングと、弁体の側面に形成され、弁体が往復移動範囲内にあるときシールリングとの間に隙間を生じさせる凹部とを備えるものである。

この発明によれば、弁体の側面に凹部を形成するようにしたので、弁体作動時に凹部とシールリングとの間に生じる隙間を通って、ケース内側の流体がケース外側へ抜けるため、弁体を閉じる方向の荷重が低下し、弁体が開きやすくなり、応答性を向上させることができる。また、弁体側面とシールリングとの接触面が少なくなるため、磨耗量を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る電磁弁の構成例を示す断面図である。実施の形態１に係る電磁弁を適用したターボチャージャ付きエンジンの構成を示す図であり、アクセルＯＮ時の状態を示す。実施の形態１に係る電磁弁を適用したターボチャージャ付きエンジンの構成を示す図であり、アクセルＯＦＦ時の状態を示す。実施の形態１に係る電磁弁の作動方法を説明する図であり、図４（ａ）は全閉状態、図４（ｂ）は全開状態を示す。実施の形態１において弁体側面に形成した凹部による効果を説明する図であり、図５（ａ）は実施の形態１に係る電磁弁の拡大図、図５（ｂ）は実施の形態１の理解を助けるための参考例の拡大図である。実施の形態１に係る電磁弁のシールリングとその周辺部の拡大図であり、図６（ａ）は全閉時、図６（ｂ）は開閉中、図６（ｃ）は全開時の状態を示す。実施の形態１において、弁体のストロークの変化に応じたソレノイド部の電磁力の変動を示すグラフである。実施の形態１に係る電磁弁のシールリングの変形例を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電磁弁１００の構成例を示す断面図である。この電磁弁１００は、筒状のケース１の外周面にブラケット２が溶接で取り付けられている。また、このケース１の一方の開口部１ａから内部へ、シールリング３、ホルダ４、プレート５、Ｏリング６、コイルＡＳＳＹ７、Ｏリング８、およびコア９がこの順で挿入され、この開口部１ａがかしめられている。これにより、内部部品がケース１に保持され、ケース１の一方の開口部１ａが閉じた状態になる。また、ケース１のもう一方の開口部１ｂには、内側へ突出する形状の突出部１ｃが形成されている。断面が略Ｖ字形をしているシールリング３は、この突出部１ｃに設置され、ホルダ４により保持されている。

コイルＡＳＳＹ７は、ボビン１０にコイル１１を巻回した後、コイル１１とターミナル１２とをヒュージングにより接続し、これらボビン１０、コイル１１およびターミナル１２を外装樹脂７ａで被覆し、成形することにより構成されている。また、外装樹脂７ａを成形することにより、車両側と接続するコネクタ７ｂが形成されている。コイル１１、コア９およびプランジャ１６は、ソレノイド部２９を構成している。

ケース１の開口部１ａがかしめられた後、このケース１の開口部１ｂから内部へ、パイプ１３、スプリング１４、およびバルブＡＳＳＹ１５がこの順で挿入される。バルブＡＳＳＹ１５は、プランジャ１６の一端部にスプリング１７、弁体１８およびワッシャ１９がこの順で挿入され、プランジャ１６の一端部の先端がかしめられることにより保持されている。

その後、ケース１の外周に、車両側との気密性を確保するＯリング２０が装着されて、電磁弁１００の完成となる。全ての部品の組み立てが完了した電磁弁１００は、ブラケット２のネジ穴２ａに通した後記のネジ３０で車両側へ取り付けられる。また、Ｏリング２０により、電磁弁１００と車両側との気密性が確保される。また、車両側のコネクタと電磁弁１００のコネクタ７ｂとが接続される。

これにより、円筒状のケース１の一方の開口部１ａが、プレート５などにより閉鎖され、内部空間２２が形成される。ケース１の内部空間２２と外部空間２３とを仕切る弁体１８には、この内部空間２２と外部空間２３とを連通するための連通穴２１が形成されている。また、弁体１８の、シールリング３に向き合う側面には、凹部２４が形成されている。この凹部２４は、弁体１８の側面全周にわたって連続したリング形状であってもよいし、とぎれとぎれの断続的な形状であってもよい。

次に、図２および図３を参照して、本実施の形態１に係る電磁弁１００の使用例を説明する。
図２および図３に示すターボチャージャ付きエンジンにおいて、ターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０１ａの上流側と下流側を接続するエアバイパス通路１０８に、図１で示した電磁弁１００を取り付け、この電磁弁１００を電制式エアバイパスバルブとして使用する。以下では、図１で示した電磁弁１００をエアバイパスバルブ１００と称す。

図２に示すアクセルＯＮ時は、吸気通路１０３のスロットルバルブ１０４が開いており、ターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０１ａで圧縮された空気（以下、過給気）がインタクーラ１０５を流れてエンジン１０２に運ばれる。この際、エアバイパスバルブ１００は閉弁されている。
このコンプレッサ１０１ａの同軸上にタービン１０１ｂが取り付けられており、エンジン１０２の排気ガスが排気通路１０６を流れてタービン１０１ｂを回転させることにより、コンプレッサ１０１ａも回転する。また、排気通路１０６には、排気ガスの圧力を調整するウェイストゲートバルブ１０７が設置されている。

図３に示すアクセルＯＦＦ時は、スロットルバルブ１０４が閉じ、過給気が吸気通路１０３に溜まる。過給気が溜まると、ターボチャージャ１０１、エンジン１０２、および吸気通路１０３の配管などの破損の可能性があるため、エアバイパスバルブ１００を開弁してエアバイパス通路１０８を連通し、過給気をコンプレッサ１０１ａの下流側から上流側へ逃がす。

次に、図４を参照して、エアバイパスバルブ１００、つまり本実施の形態１に係る電磁弁１００の作動方法を説明する。
図４に示すように、エアバイパスバルブ１００は、車両側のエアバイパス通路１０８の配管に、ネジ３０で取り付けられている。また、エアバイパスバルブ１００のコネクタ７ｂに車両側の電源１０９が接続されている。エアバイパス通路１０８は、配管内の一部が弁座１０８ａになっている。なお、図４（ａ）はエアバイパスバルブ１００の全閉状態を示し、図４（ｂ）はエアバイパスバルブ１００の全開状態を示す。

電源１０９のＯＦＦ時は、図４（ａ）に示すように、バルブＡＳＳＹ１５がスプリング１４に付勢されて弁体１８が弁座１０８ａに押し付けられた状態に保持され、エアバイパス通路１０８が閉鎖される。
ちなみに、スプリング１７は、プランジャ１６と弁体１８のがたつきを防止するために、弁体１８をワッシャ１９に押し付けた状態に保持するための部材である。

電源１０９のＯＮ時は、図４（ｂ）に示すように、ターミナル１２を通じてコイル１１に電流が流れ、コイルＡＳＳＹ７内が電磁石となって電磁力が生じ、プランジャ１６がコア９側へ吸引される。パイプ１３に案内されながらプランジャ１６がコア９側へ移動することで、このプランジャ１６に取り付けられているバルブＡＳＳＹ１５が作動し、弁体１８が弁座１０８ａから離れ、過給気をコンプレッサ１０１ａの上流側へ逃がす。
このように、弁体１８が、開口部１ｂからケース１に出入りする方向に往復移動することによって、エアバイパス通路１０８を開閉する。

弁体１８が往復移動範囲の両端にあるとき、すなわちエアバイパスバルブ１００の全閉時および全開時、過給気は、連通穴２１を通って内部空間２２へ入り、シールリング３を押す。これにより、シールリング３がケース１の内周面と弁体１８の側面とに隙間なく接触し、ケース１と弁体１８の隙間からの空気洩れを防止する。

図５は、実施の形態１において弁体１８の側面に形成した凹部２４による効果を説明する図であり、図５（ａ）は実施の形態１に係るエアバイパスバルブ１００のシールリング３とその周辺部の拡大図、図５（ｂ）は実施の形態１の理解を助けるための参考例の拡大図である。図５（ｂ）に示す参考例は、弁体１８に凹部２４が形成されていないこと以外、実施の形態１のエアバイパスバルブ１００と同じ構造である。
図６は、実施の形態１に係るエアバイパスバルブ１００のうち、シールリング３とその周辺部を拡大した図であり、図６（ａ）は弁体１８の全閉時、図６（ｂ）は開閉中、図６（ｃ）は全開時の状態を示す。

本実施の形態１に係るエアバイパスバルブ１００も、参考例のエアバイパスバルブ１００も、圧力バランス構造を有している。
図５（ｂ）の参考例において、弁体１８とシールリング３は、往復移動する弁体１８の位置によらず常に接触しているため、内部空間２２と外部空間２３の圧力が均等になり、弁体１８の外部空間２３側の下面の受圧面積と、弁体１８の内部空間２２側の上面の受圧面積とは、常に変わらない。よって、弁体１８を弁座１０８ａに押し付けているスプリング１４の付勢力より、ソレノイド部２９の電磁力のほうが大きくなると、弁体１８が開弁方向に移動する。反対に、スプリング１４の付勢力よりソレノイド部２９の電磁力のほうが小さくなると、弁体１８が閉弁方向に移動する。

これに対し、本実施の形態１に係るエアバイパスバルブ１００においては、図６（ａ）と図６（ｃ）に示すように弁体１８が往復移動範囲の両端にあるときは弁体１８とシールリング３とが常に接触しているが、図５（ａ）と図６（ｂ）に示すように弁体１８が開弁方向または閉弁方向に移動し、この弁体１８が往復移動範囲の両端以外、つまり往復移動範囲内にあるときは、凹部２４がシールリング３に対向する位置において弁体１８とシールリング３とが接触せず、凹部２４による隙間ができる。この隙間を通じて、内部空間２２から外部空間２３へと空気が抜けるため、内部空間２２の圧力が低下し、弁体１８を閉弁する方向の荷重が低下する。よって、弁体１８を開弁する方向への荷重が相対的に大きくなり、弁体１８が開弁しやすくなり、応答性が向上する。

弁体１８を開弁する方向への荷重は、凹部２４とシールリング３の隙間の大きさによって調整可能である。
なお、シールリング３は、フッ素樹脂などの可撓性をもつ素材で構成されている。このシールリング３は、連通穴２１を通って外部空間２３から内部空間２２へ流れこんだ過給気に押されて、弁体１８の側面に接触する程度に撓む一方、弁体１８の凹部２４へ入り込んで凹部２４の底面に接触するほど大きくは撓まず、隙間が残る程度に撓むものとする。

また、本実施の形態１に係るエアバイパスバルブ１００は、図５（ａ）に示すように弁体１８の側面に凹部２４が形成されているため、図５（ｂ）の参考例に比べて、弁体１８とシールリング３との接触面が少なくなり、弁体１８とシールリング３の磨耗量が低下する。

次に、ソレノイド部２９の電磁力の特性について説明する。
図７は、弁体１８のストロークの変化に応じたソレノイド部２９の電磁力の変動を示すグラフである。弁体１８が全閉する位置にあるとき、図４（ａ）に示すようにプランジャ１６とコア９との間のエアギャップが大きいため、ソレノイド部２９に発生する電磁力は小さい。弁体１８が全閉位置から全開位置へ向けて移動するにつれ、プランジャ１６がコア９へ近づくため、電磁力が大きくなっていくが、プランジャ１６がコア９の内部へ入り始めるとプランジャ１６からコア９へ向かって移動方向の力だけでなく移動方向に直交する方向の力も働くため、一時的に電磁力が弱まり、電磁力落ち込みポイントとなる。その後プランジャ１６がコア９の内部へ進むにつれ、移動方向においてプランジャ１６とコア９との間のエアギャップが小さくなっていき、大きい電磁力が発生する。

従来は、弁体１８が開弁方向に移動するときに電磁力が一時的に弱まっても十分な開弁力を確保するために、コイル１１を大型化して、大きい電磁力を発生させていた。これに対し、本実施の形態１においては、弁体１８の側面のうち、ソレノイド部２９の電磁力が一時的に弱まる位置に弁体１８があるときにシールリング３に対向する面に、凹部２４を形成しておくことにより、電磁力が弱まるときに凹部２４とシールリング３との隙間を通じて内部空間２２から外部空間２３へと空気が抜け、弁体１８を閉じる方向の荷重が低下する。これにより、弱い電磁力でも弁体１８を開弁することができるようになり、従来のようにコイル１１を大型化する必要がないため、エアバイパスバルブ１００の小型化が可能となる。

なお、実施の形態１では、断面が略Ｖ字形をしているシールリング３を例示したが、この形状に限定されるものではない。例えば、図８（ａ）に示すような断面が略Ｌ字形をしているシールリング３を使用してもよいし、図８（ｂ）に示すようなプレート状のシールリング３を使用してもよい。

また、実施の形態１では、筒状の弁体１８を例示したが、この形状に限定されるものではなく、板状などの形状であってもよい。また、電磁弁１００をエアバイパスバルブ１００として使用する例を説明したが、他の用途に使用してもよい。

以上より、実施の形態１に係る電磁弁１００は、開口部１ｂを有するケース１と、開口部１ｂからケース１に出入りする方向に往復移動する弁体１８と、弁体１８に形成されてケース１の内側の内部空間２２と外側の外部空間２３とに連通する連通穴２１と、弁体１８を往復移動方向の一方側へ移動させる電磁力を発生させるソレノイド部２９と、弁体１８を往復移動方向の他方側へ移動させる付勢力を発生させるスプリング１４と、ケース１の内周面に固定され、少なくとも弁体１８が往復移動範囲の両端にあるときケース１と弁体１８の側面との隙間を塞ぐシールリング３と、弁体１８の側面に形成され、弁体１８が往復移動範囲内にあるときシールリング３との間に隙間を生じさせる凹部２４とを備える構成である。この構成により、電磁弁１００の作動時に凹部２４とシールリング３との間に生じる隙間を通って、内部空間２２の流体が外部空間２３へ抜けるため、弁体１８を閉じる方向の荷重が低下し、弁体１８が開きやすくなり、応答性を向上させることができる。また、弁体１８の側面とシールリング３との接触面が少なくなるため、弁体１８の側面とシールリング３の磨耗量を低減することができる。

また、実施の形態１によれば、凹部２４は、弁体１８の側面のうち、ソレノイド部２９の電磁力が一時的に弱まる位置に弁体１８があるときにシールリング３に対向する面に形成されている。そのため、電磁力が一時的に弱まっても弁体１８を開弁することができる。よって、ソレノイド部２９のコイル１１を大型化する必要がなく、電磁弁１００の小型化が可能である。

また、実施の形態１によれば、電磁弁１００を、ターボチャージャ１０１のコンプレッサ１０１ａの上流側と下流側とを接続するエアバイパス通路１０８に設置される、コンプレッサ１０１ａの下流側の過給気を上流側に戻すエアバイパスバルブ１００として用いる構成にした。そのため、エアバイパス通路１０８を迅速に開いてコンプレッサ１０１ａ下流側の圧力を速やかに解放することができる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、または実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る電磁弁は、応答性を向上させるようにしたので、ターボチャージャのエアバイパスバルブなどに用いるのに適している。

１ケース、１ａ，１ｂ開口部、１ｃ突出部、２ブラケット、２ａネジ穴、３シールリング、４ホルダ、５プレート、６Ｏリング、７コイルＡＳＳＹ、７ａ外装樹脂、７ｂコネクタ、８Ｏリング、９コア、１０ボビン、１１コイル、１２ターミナル、１３パイプ、１４スプリング、１５バルブＡＳＳＹ、１６プランジャ、１７スプリング、１８弁体、１９ワッシャ、２０Ｏリング、２１連通穴、２２内部空間、２３外部空間、２４凹部、２９ソレノイド部、３０ネジ、１００エアバイパスバルブ（電磁弁）、１０１ターボチャージャ、１０１ａコンプレッサ、１０１ｂタービン、１０２エンジン、１０３吸気通路、１０４スロットルバルブ、１０５インタクーラ、１０６排気通路、１０７ウェイストゲートバルブ、１０８エアバイパス通路、１０８ａ弁座、１０９電源。

Claims

開口部を有するケースと、
前記開口部から前記ケースに出入りする方向に往復移動する弁体と、
前記弁体に形成され、前記ケースの内側と外側とに連通する連通穴と、
前記弁体を往復移動方向の一方側へ移動させる電磁力を発生させるソレノイド部と、
前記弁体を往復移動方向の他方側へ移動させる付勢力を発生させるスプリングと、
前記ケースの内周面に固定され、少なくとも前記弁体が往復移動範囲の両端にあるとき前記ケースと前記弁体の側面との隙間を塞ぐシールリングと、
前記弁体の側面に形成され、前記弁体が往復移動範囲内にあるとき前記シールリングとの間に隙間を生じさせる凹部とを備える電磁弁。
前記凹部は、前記弁体の側面のうち、前記ソレノイド部の電磁力が一時的に弱まる位置に前記弁体があるときに前記シールリングに対向する面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁弁。
ターボチャージャのコンプレッサの上流側と下流側とを接続するエアバイパス通路に設置され、前記コンプレッサの下流側の過給気を上流側に戻すエアバイパスバルブとして用いられることを特徴とする請求項１記載の電磁弁。