JP6300877B2 - ガス用減圧弁 - Google Patents

Description

本発明は、ガス用減圧弁に関し、特に、自動車のガス燃料供給に利用される減圧弁に関する。

特許文献１は自動車用ガス燃料供給システムを開示する。このガス燃料供給システムでは、ガス燃料は、高圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のタンク圧で一次減圧弁に供給され、一次減圧弁で中間圧（１ＭＰａ〜３ＭＰａ）に減圧され、さらに二次減圧弁でインジェクターの供給圧（３００ｋＰａ〜１．２ＭＰａ）に制御される。二次減圧弁で利用される電磁ソレノイドには高圧のタンク圧ではなく減圧された中間圧が作用することから、電磁ソレノイドの駆動力は小さくて済む。したがって、電磁ソレノイドの小型化は実現される。

独国特許出願公開第１０２００８０３４５８１号明細書

特許文献１では、一次減圧弁の弁座を通過したガスは、弁体内の通路を通り下流側の機器（インジェクター）へと導かれる。弁体はハウジングのガイド孔内をシール部材を介して摺動する。弁体内部は、弁座と弁体との間で冷却されたガスが下流側機器へと流れるメイン通路となっているため、弁体とともにシール部材は冷却される。その結果、シール部材のシール性の低下が懸念される。シール部材は外部に連通するばね室と高圧室とをシールするものであるので、この部分のシール性低下は外部リークを引き起こし深刻である。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、減圧弁の温度低下に基づく不具合を抑制することができるガス用減圧弁を提供することを目的とする。

本発明の第１側面によれば、ボディ内に形成された高圧室と、前記高圧室内に収容される弁体と、前記弁体が着座可能な弁座と、前記弁座で前記高圧室に開口する一端を有し、他端側でインジェクターへと連通する通路と、前記弁体に結合されて、前記ボディ内に区画されるピストン室に収容され、前記ピストン室を前記高圧室側のばね室と前記高圧室と反対側の圧力作用室とに隔てるピストンとを備え、前記弁座は、外側に前記高圧室が隣接するとともに内側に前記通路が隣接し、前記弁体内には、前記通路と前記圧力作用室とを接続する接続通路が形成され、前記ボディ内には、前記通路と同軸に前記高圧室に開口して前記高圧室に前記ばね室を接続し、前記ばね室と前記高圧室との間で前記弁体の移動を案内するガイド孔が形成され、前記ピストンに連結されて前記弁体を開き方向に付勢するばねを前記ばね室内に設け、前記ガイド孔と前記弁体との間に、前記高圧室と前記ばね室との間をシールするシール部材を配置するガス用減圧弁は提供される。

第１側面によれば、高圧室の高圧ガスは減圧弁の弁座および弁体の間を通って通路に流入する。ガイド孔は、通路から遠ざかる方向に高圧室から延びる。したがって、通路のガスの冷却効果はガイド孔まで伝わりにくい。シール部材では通路のガスの冷却効果に基づく温度低下は抑制されることができる。こうしてシール部材の機能低下は防止される。確実なシールは実現される。その一方で、シール部材が温度低下に曝されると、シール部材の機能低下は懸念される。

本発明の一実施形態に係るガス燃料供給システムの構成を概略的に示す概念図である。 減圧弁ユニットの構成を概略的に示す拡大垂直断面図である。 図２の３−３線に沿った水平断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るガス燃料供給システムの構成を概略的に示す。ガス燃料供給システム１１は、自動車の車体に搭載されて、車載のエンジン１２に接続される。エンジン１２は、供給されるガス燃料の流量（圧力）に応じた回転数で駆動力を生成する。エンジン１２の駆動力は、車体に回転自在に支持されて地面を転がる車輪に伝達される。エンジン１２の回転数は例えば運転席に設置されるアクセルペダルの操作に応じて制御される。エンジン１２にはラジエーター１３が接続される。エンジン１２およびラジエーター１３の間で冷却水は循環する。ラジエーター１３は冷却水の放熱を通じてエンジン１２の冷却に寄与する。

ガス燃料供給システム１１はインジェクター２１および減圧弁ユニット（ガス用減圧弁）２２を備える。インジェクター２１は個々にエンジン１２の各気筒に結合される。インジェクター２１には共通に分配管２３を介して減圧弁ユニット２２が接続される。ガス燃料は分配管２３から個々のインジェクター２１に分配される。

ガス燃料供給システム１１はガス燃料タンク２４を備える。ガス燃料タンク２４は減圧弁ユニット２２に接続される。ガス燃料タンク２４にはタンク圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のガス燃料が貯蔵される。タンク圧のガス燃料は減圧弁ユニット２２でインジェクター２１の供給圧まで減圧される。

ガス燃料タンク２４には逆止弁２５を介して充填口２６が接続される。充填口２６は車体の外側からアクセス可能に配置される。充填口２６からガス燃料タンク２４にガス燃料は充填されることができる。充填口２６は車体の表面を構成するリッドで覆われればよい。

自動車はＥＣＵ（電子制御ユニット）２７を備える。ＥＣＵ２７には、車輪の回転速度を検出し、検出値を特定する車速信号を出力する車速センサー２８と、エンジン１２の回転数を検出し、検出値を特定する回転数信号を出力する回転数センサー２９と、アクセルペダルの操作量すなわち開度を検出し、検出値を特定する開度信号を出力する開度センサー３１と、分配管２３に接続されて分配管圧を検出し、検出値を特定する分配管圧信号を出力する第１圧力センサー３２と、減圧弁ユニット２２に接続されてタンク圧を検出し、検出値を特定するタンク圧信号を出力する第２圧力センサー３３とが接続される。ＥＣＵ２７は、車速信号、回転数信号、開度信号およびタンク圧信号に基づき、車速、エンジンの回転数、アクセル開度およびタンク圧等からインジェクター２１の噴射圧を算出し、算出された噴射圧に向けて減圧弁ユニット２２の動作をフィードバック制御する制御信号を生成する。

図２に示されるように、減圧弁ユニット２２はボディ（ユニット本体）３５を備える。ボディ３５には一次減圧弁３６および二次減圧弁３７が組み込まれる。一次減圧弁３６は、弁座（以下「第１弁座」）３８と、当該第１弁座３８に向き合わせられる弁体（以下「第１弁体」）３９とを備える。二次減圧弁３７は、弁座（以下「第２弁座」）４１と、当該第２弁座４１に向き合わせられる弁体（以下「第２弁体」）４２とを備える。ボディ３５には、第１弁座３８で開口する一端と、第２弁座４１で開口する他端とを有する通路４３が区画される。通路４３は一端から他端まで線形に延びる。

ボディ３５は、接合面４５ａ、４５ｂで相互に結合される一次減圧弁ボディ（第１ボディ）３５ａおよび二次減圧弁ボディ（第２ボディ）３５ｂを備える。接合面４５ａ、４５ｂは通路４３の軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面ＶＬ内に広がる。接合面４５ａ、４５ｂで第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂには軸心Ｘｉｓに同軸に凹凸形状が形成される。第１ボディ３５ａの凸形状４６は第２ボディ３５ｂの凹形状４７にはめ込まれる。こうした凹凸形状の嵌め合いに応じて第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂの間で接合面４５ａ、４５ｂに沿って相対的な変位（滑り）は防止される。接合面４５ａ、４５ｂで通路４３は第１ボディ３５ａ側と第２ボディ３５ｂ側とに分割される。

第１ボディ３５ａには第１弁座３８を収容する高圧室４８が区画される。高圧室４８は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱空間を形成する。高圧室４８には燃料入口４９が接続される。燃料入口４９は、軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。燃料入口４９にガス燃料タンク２４から延びる配管５１は接続される。こうして高圧室４８には高圧ガスが導入される。

高圧室４８にはセンサー口５２が接続される。センサー口５２は、軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。センサー口５２には第２圧力センサー３３が挿入される。第２圧力センサー３３には高圧室４８からタンク圧が作用する。

第１弁体３９には、第１弁座３８に対して離隔接近する方向に第１弁体３９を駆動する第１駆動力発生部５３が連結される。第１駆動力発生部５３は、第１弁体３９に結合されるピストン５４を有する。ピストン５４は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱体で形成される。ピストン５４は、第１ボディ３５ａ内に区画されるピストン室５５に収容される。ピストン５４は高圧室４８側のばね室５６と反対側の圧力作用室５７とにピストン室５５を隔てる。

第１弁体３９には、着座時に通路４３内の空間と圧力作用室５７とを相互に接続する接続通路５８が形成される。こうして圧力作用室５７には通路４３内の圧力が導入される。通路４３内の圧力はピストン５４の受圧面５４ａに作用する。したがって、ピストン５４は、受圧面５４ａに圧力を受けて閉じ方向に第１弁体３９を駆動する。

ばね室５６には弦巻ばね５９が収容される。弦巻ばね５９はばね室５６の壁面とピストン５４との間に配置される。こうして弦巻ばね５９は、ピストン５４に連結されて開き方向に第１弁体３９を駆動する弾性力を発揮する。受圧面５４ａに作用する圧力に基づく閉じ方向の力と、弦巻ばね５９の弾性力との大小関係に応じてピストン５４は軸心Ｘｉｓの方向に変位する。ピストン５４の変位は一次減圧弁３６の開度を決定する。

第１ボディ３５ａにはピストン室５５に高圧室４８を接続するガイド孔６１が区画される。ガイド孔６１は軸心Ｘｉｓに同軸の細長い円柱空間を形成する。ガイド孔６１には第１弁体３９が案内される。ガイド孔６１は軸心Ｘｉｓの方向に第１弁体３９の移動を案内する。

ガイド孔６１内には、高圧室４８およびばね室５６の間をシールするシール部材６２が配置される。ここでは、シール部材６２は第１弁体３９に装着されてガイド孔６１の内壁面に密着する。高圧室４８は第１弁座３８からシール部材６２を遠ざける。ばね室５６は、第１ボディ３５ａに形成される貫通孔６３で外部空間に接続され、その結果、ばね室５６内は大気圧に維持される。

第２ボディ３５ｂには第２弁座４１を収容する低圧室６４が区画される。低圧室６４は軸心Ｘｉｓに同軸の円柱空間を形成する。低圧室６４には燃料出口６５が接続される。燃料出口６５は、軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。燃料出口６５に、分配管２３に向かって延びる配管６６は接続される。こうして低圧室６４から低圧のガス燃料は排出される。

第２弁体４２には、第２弁座４１に対して離隔接近する方向に第２弁体４２を駆動する第２駆動発生部ＳＤが連結される。第２駆動力発生部ＳＤは、電磁力に基づき第２弁体４２を駆動する電磁ソレノイド６７で構成される。電磁ソレノイド６７は、第２弁体４２に結合される可動コア６８と、可動コア６８を囲む固定コア６９とを備える。可動コア６８は磁性材で形成される。固定コア６９は、コイル７０に供給される電流に応じて磁力を生成する。

低圧室６４の反対側で第２弁体４２と第２ボディ３５ｂとの間には均等圧生成室７１が形成される。第２弁体４２には、低圧室６４と均等圧生成室７１とを相互に接続する接続通路７２が形成される。こうして均等圧生成室７１には低圧室６４の圧力が作用する。均等圧生成室７１にはばね７３が収容される。ばね７３は均等圧生成室７１の壁面と第２弁体４２との間に配置される。ばね７３は、第２弁体４２に連結されて閉じ方向に第２弁体４２を付勢する弾性力を発揮する。その結果、可動コア６８の移動量はコイル７０に供給される電流値に基づき設定されることができる。

ボディ３５内には通路４３を横切る仮想平面ＶＬに沿って加熱媒体７４が配置される。ここでは、加熱媒体７４にはエンジン１２の冷却水が利用される。冷却水の利用にあたって第１ボディ３５ａの接合面４５ａおよび第２ボディ３５ｂの接合面４５ｂにはそれぞれ溝７５、７６が形成される。第２ボディ３５ｂで溝７６には入口通路７７および出口通路７８が接続される。入口通路７７および出口通路７８はそれぞれ軸心Ｘｉｓに直交する仮想平面内に中心軸線を有する円柱空間で形成される。入口通路７７にはエンジン１２から延びる冷却水配管７９が接続され、出口通路７８にはラジエーター１３に向かって延びる冷却水配管８１が接続される。図３に示されるように、冷却水は仮想平面ＶＬ上に円または円弧を描くように配置される。

次に減圧弁ユニット２２の動作を説明する。一次減圧弁３６では、圧力作用室５７内の圧力が高まってピストン５４の駆動力が弦巻ばね５９の弾性力を上回ると、第１弁体３９は第１弁座３８に着座する。中間圧の通路４３は高圧室４８から分離される。したがって、インジェクター２１からエンジン１２へ燃料が噴射されると、通路４３内の圧力は低下していく。その結果、弦巻ばね５９の付勢力がピストン５４の駆動力を上回ると、第１弁体３９は第１弁座３８から離れる。通路４３には高圧室４８から圧力が導入される。通路４３内の圧力は高まっていく。これに伴って圧力作用室５７内の圧力は高まっていく。再びピストン５４の駆動力が弦巻ばね５９の付勢力を上回る。こうした動作が繰り返される結果、通路４３内の圧力は目標値に維持されることができる。

二次減圧弁３７では電磁ソレノイド６７の働きで開度が決定される。電磁ソレノイド６７の電流値はＥＣＵ２７から供給される制御信号で特定される。電磁ソレノイド６７の作用に応じて第２弁体４２は第２弁座４１に近づいたり第２弁座４２から遠ざかったりする。第２弁体４２および第２弁座４１の距離に応じて低圧室６４内の圧力は決定される。こうして電磁ソレノイド６７の制御に基づきインジェクター２１の供給圧は調整される。このガス燃料供給システム１１では、ガス燃料は、高圧（１０ＭＰａ〜３０ＭＰａ）のタンク圧で一次減圧弁３６に供給され、一次減圧弁３６で中間圧（１ＭＰａ〜３ＭＰａ）に減圧され、さらに二次減圧弁３７でインジェクター２１の供給圧（３００ｋＰａ〜１．２ＭＰａ）に制御される。一次減圧弁３６では、受圧面で圧力を受けて第１弁体３９を駆動する機械式の第１駆動力発生部５３が用いられ、二次減圧弁３７では、電磁力に基づき第２弁体４２を駆動する電磁ソレノイド６７が用いられる。二次減圧弁３７で利用される電磁ソレノイド６７には高圧のタンク圧ではなく減圧された中間圧が作用することから、電磁ソレノイド６７の駆動力は小さくて済む。したがって、電磁ソレノイド６７の小型化は実現される。

加熱媒体７４の熱エネルギーはボディ３５を伝って効率的に一次減圧弁３６の第１弁座３８および第１弁体３９並びに二次減圧弁３７の第２弁座４１および第２弁体４２を加熱する。したがって、弁座３８、４１および弁体３９、４２の凍結は回避されることができる。弁体３９、４２の着座性能は良好に維持され、弁座３８、４１に対して弁体３９、４２の固着は防止されることができる。特に、大きい減圧による冷却に曝される一次減圧弁３６が効率的に加温されることから、減圧弁ユニット２２全体の温度低下も効果的に回避されることができる。

加熱媒体７４の配置にあたってボディ３５は一次減圧弁３６の第１ボディ３５ａおよび二次減圧弁３７の第２ボディ３５ｂに分割される。第１ボディ３５ａの接合面４５ａおよび第２ボディ３５ｂの接合面４５ｂに溝７５、７６が形成され、当該溝７５、７６内に加熱媒体７４は配置される。こうした構造によれば、第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂに対して溝７５、７６の加工は簡単に実現されることができる。したがって、ボディ３５内に加熱媒体７４は簡単に導入され（配置され）ることができる。しかも、加熱媒体７４は、高い熱伝導性を有する金属性の第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂにそれぞれ直接に接触することから、加熱媒体７４の熱エネルギーは効率的に第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂに伝達され、第１ボディ３５ａおよび第２ボディ３５ｂから効率的に弁座３８、４１に伝わる。弁座３８、４１の温度低下は効果的に防止されることができる。

減圧弁ユニット２２では通路４３は仮想平面ＶＬの垂直方向に線形に延びる。一次減圧弁３６および二次減圧弁３７の間で通路４３はできる限り短縮されることができる。したがって、加熱媒体７４は２つの弁座３８、４１および弁体３９、４１にできる限り近づけられることができる。効率的な加熱は実現される。減圧弁ユニット２２では一次減圧弁３６で減圧されたガス燃料は二次減圧弁３７で再び減圧される。したがって、通路４３は中間圧通路として機能する。中間圧通路およびそこを流通するガス燃料は効果的に加温されることができる。しかも、通路構成が簡単で、同時に減圧弁ユニット２２全体の小型化は実現される。

減圧弁ユニット２２では、一次減圧弁３６の第１弁体３９、二次減圧弁３７の第２弁体４２および通路４３は軸心Ｘｉｓ上で同軸に配置される。弁体３９、４２および通路４３の軸心Ｘｉｓに向かって狭小な範囲に減圧弁ユニット２２の構成要素は詰め込まれることができる。軸心Ｘｉｓに向かってサイズは縮小される。

図３に示されるように、接合面４５ａ、４５ｂの溝７５、７６は通路４３に同軸に円弧を描くように配置される。溝７５、７６の両端に入口通路７７および出口通路７８は接続される。ここでは、できる限り入口通路７７および出口通路７８は軸心Ｘｉｓ回りの円周方向に相互に接近して配置される。したがって、通路４３は加熱媒体７４で囲まれる。こうして加熱媒体７４の内側の領域は効果的に保温されることができる。加熱媒体７４は通路４３の周囲に満遍なく配置され、通路４３は効果的に加温されることができる。

高圧室４８の高圧ガスは一次減圧弁３６の第１弁座３８および第１弁体３９の間を通って中間圧の通路４３に流入する。ガイド孔６１は、通路４３から遠ざかる方向に高圧室４８から延びる。したがって、中間圧ガスの冷却効果はガイド孔６１まで伝わりにくい。シール部材６２では中間圧ガスの冷却効果に基づく温度低下は抑制されることができる。こうしてシール部材６２の機能低下は防止される。確実なシールは実現される。その一方で、シール部材が温度低下に曝されると、シール部材の機能低下は懸念される。

なお、加熱媒体にはエンジン１２の冷却水のほかエンジンオイルその他の加熱流体が用いられてもよく、電気ヒーターその他の加熱器が用いられてもよい。

２１…インジェクター、２２…ガス用減圧弁（減圧弁ユニット）、３５ａ…ボディ（第１ボディ）、３８…弁座（第１弁座）、３９…弁体（第１弁体）、４３…通路、４８…高圧室、５４…ピストン、５５…ピストン室、５６…ばね室、５７…圧力作用室、５８…接続通路、５９…ばね（弦巻ばね）、６１…ガイド孔、６２…シール部材。

Claims (1)

1. ボディ（３５ａ）内に形成された高圧室（４８）と、
   前記高圧室（４８）内に収容される弁体（３９）と、
   前記弁体（３９）が着座可能な弁座（３８）と、
   前記弁座（３８）で前記高圧室（４８）に開口する一端を有し、他端側でインジェクター（２１）へと連通する通路（４３）と、
   前記弁体（３９）に結合されて、前記ボディ（３５ａ）内に区画されるピストン室（５５）に収容され、前記ピストン室（５５）を前記高圧室側のばね室（５６）と前記高圧室と反対側の圧力作用室（５７）とに隔てるピストン（５４）とを備え、
   前記弁座（３８）は、外側に前記高圧室（４８）が隣接するとともに内側に前記通路（４３）が隣接し、
   前記弁体（３９）内には、前記通路（４３）と前記圧力作用室（５７）とを接続する接続通路（５８）が形成され、
   前記ボディ（３５ａ）内には、前記通路（４３）と同軸に前記高圧室（４８）に開口して前記高圧室（４８）に前記ばね室（５６）を接続し、前記ばね室（５６）と前記高圧室（４８）との間で前記弁体（３９）の移動を案内するガイド孔（６１）が形成され、
   前記ピストン（５４）に連結されて前記弁体（３９）を開き方向に付勢するばね（５９）を前記ばね室（５６）内に設け、
   前記ガイド孔（６１）と前記弁体（３９）との間に、前記高圧室（４８）と前記ばね室（５６）との間をシールするシール部材（６２）を配置する
   ことを特徴とするガス用減圧弁。

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