(57)【要約】【課題】噴射弁が開閉する際にも燃料ポンプの出口通路の下流にある燃料系統の部分における圧力レベルを安定して維持する機構を提供する。【解決手段】フロー制御弁は、シリンダ噴射弁の開閉時に燃料線の圧力を安定したレベルに維持するためエンジンのガソリン直噴システムに用いるようにされる。弁要素は、弁を通る燃料の流れを制御するため、バルブシートに向かってかつバルブシートから離れる方向に動く。燃料供給線からの高圧は、弁要素を迅速に開放するのに役立つ不平衡な力を発生するように構成される弁の表面に作用する。電磁アクチュエータは、軟磁性複合材料から成り、弁の性能を妨げ得る渦電流を低減する構成要素を備えている。電磁アクチュエータは、燃料が構成要素の動きを妨げないようにシールされる。弁を作動するのに低インピーダンスコイルも使用される。【選択図】　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端部及び第２端部をもつ開口と、開口の第１端部に連通した出口通路と、第１端部及び第２端部の間で開口に連通した入口通路とを備えた本体を有する自動車の燃料噴射システム用制御弁において、
開口内に挿入し、一端部にバルブシートをもつボア及び入口通路とボアとの間に流体路を形成する入口ポートを備えた弁ステムと；
弁ステムのボア内に設けられ、バルブシートと選択的に係合して入口通路と出口通路との間の流体の流れを制御する弁要素と；
電気コイル及び電気コイルの発生した電磁場によって駆動されるアーマチュアを備え、アーマチュアが電磁場に応じてバルブシートに向かって弁要素を動かすように作動的に結合され、また電気コイルが３．０ｍＨ以下のインダクタンス及び１．０オーム以下の抵抗をもつソレノイドアクチュエータと；
弁ステムと弁要素との間に設けられ、アーマチュアが乾燥状態に留まりアーマチュアの運動に流体が影響を及ぼさないようにボア内の流体がソレノイドアクチュエータに流れるのを阻止するシールと；
を有することを特徴とする自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項２】
軟磁性複合材料から成り、電磁コイルの巻かれる磁極片をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項３】
アーマチュアが磁極片に隣接した磁気的に伝導性のディスクであることを特徴とする請求項２に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項４】
電磁コイルのインダクタンスが２．５ｍＨであり、また抵抗が０．２オームであることを特徴とする請求項１に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項５】
弁要素が、入口ポートと連通する外部溝を備え、外部溝がバルブシート近くの第１表面とバルブシートから離れた第２表面とをもち、外部溝内の圧力で弁要素をバルブシートから離れる方向へ動かすように第１表面が第２表面より大きいことを特徴とする請求項１に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項６】
第１端部及び第２端部をもつ開口と、開口の第１端部に連通した出口通路と、第１端部及び第２端部の間で開口に連通した入口通路とを備えた本体を有する自動車の燃料噴射システム用制御弁において、
開口内に挿入し、一端部にバルブシートをもつボア及び入口通路とボアとの間に流体路を形成する入口ポートを備えた弁ステムと；
ボア内に設けられ、バルブシートと選択的に係合して入口通路と出口通路との間の流体の流れを制御するようにされ、入口ポートと連通する外部溝を備え、外部溝がバルブシート近くの第１表面とバルブシートから離れた第２表面とをもち、外部溝内の圧力でバルブシートから離れる方向へ動かすように第１表面が第２表面より大きい、弁要素と；
バルブシートに向かって弁要素を動かすように作動的に結合され、３．０ｍＨ以下のインダクタンス及び１．０オーム以下の抵抗をもつ電磁コイルを備えたソレノイドアクチュエータと；
を有することを特徴とする自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項７】
電磁コイルのインダクタンスが２．５ｍＨであり、また抵抗が０．２オームであることを特徴とする請求項６に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項８】
電磁コイルに隣接した軟磁性複合材料から成る磁極片をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項９】
軟磁性複合材料から成り、電磁コイルを受ける環状溝を備えた磁極片をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項１０】
ソレノイドアクチュエータが、弁要素に接続されかつ電磁コイルの発生した電磁場に応じて動くアーマチュアディスクをさらに備えていることを特徴とする請求項６に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項１１】
アーマチュアが乾燥状態に留まり流体がアーマチュアの運動を妨げないようにボア内の流体がソレノイドアクチュエータに流れるのを阻止するシールをさらに有することを特徴とする請求項６に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項１２】
第１端部及び第２端部をもつ開口と、開口の第１端部に連通した出口通路と、第１端部及び第２端部の間で開口に連通した入口通路とを備えた本体を有する自動車の燃料噴射システム用制御弁において、
開口内に挿入し、一端部にバルブシートをもつボア及び入口通路とボアとの間に流体路を形成する入口ポートを備えた弁ステムと；
ボア内に設けられ、バルブシートと選択的に係合して入口通路と出口通路との間の流体の流れを制御するようにされ、入口ポートと連通する外部溝を備え、外部溝がバルブシート近くの第１表面とバルブシートから離れた第２表面とをもち、外部溝内の圧力でバルブシートから離れる方向へ偏倚するように第１表面が第２表面より大きい、弁要素と；
弁ステムと弁要素との間に設けられ、アーマチュアが乾燥状態に留まりアーマチュアの運動に流体が影響を及ぼさないようにボア内の流体がソレノイドアクチュエータに流れるのを阻止するシールと；
バルブシートに向かって弁要素を動かすように作動的に結合され、３．０ｍＨ以下のインダクタンス及び１．０オーム以下の抵抗をもつ電磁コイルを備え、電磁コイルに隣接した軟磁性複合材料から成る磁極片を含むソレノイドアクチュエータと；
を有することを特徴とする自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項１３】
磁極片が、電磁コイルを受ける環状溝を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【請求項１４】
電磁コイルのインダクタンスが２．５ｍＨであり、また抵抗が０．２オームであることを特徴とする請求項１２に記載の自動車の燃料噴射システム用制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジン用燃料系統に関するものであり、特に内燃エンジンにおける噴射弁に供給される燃料の圧力を制御する弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
数十年の間、ガソリン内燃エンジンは、燃料を入ってくる空気と混合するのに気化器を使用してきた。こうして得られた空気と燃料の混合物は吸気マニホルド及び機械式吸気弁を介して各エンジンシリンダに分配される。ほとんどのエンジンに対して気化系統に代って多ポート燃料噴射系統が用いられてきた。多ポート燃料噴射系統は、ガソリンがシリンダ内に流れる空気と混合する各シリンダにおける吸気ポート内にガソリンを加圧下で噴射する別個の燃料噴射弁を備えている。多ポート燃料噴射でも、達成できる燃料供給応答及び燃焼制御に限界がある。
【０００３】
最近、エンジンシリンダへ燃料を供給する第３のアプローチが開発されてきた。「ガソリン直噴」すなわち「ＧＤＩ」として公知のこの技術では、空気入口通路から分離したポートを介して燃焼シリンダ内へ直接燃料が噴射される。従って、燃料は取り入れる空気と予め混合せず、それにより、燃料の噴射されるピストン行程中にシリンダ及びポイントに供給される燃料の量はより正確に制御できる。特に、エンジンが比較的高速又は高負荷で動作する場合に、燃料噴射は吸気行程中に行われ、これらの条件のもとで燃焼は最適化される。通常の駆動状態では、燃料噴射は圧縮行程の後期の段階で行われ、相対的に燃料消費の低い超希釈な空燃比をもたらす。燃料は、シリンダ内に高圧縮圧力を存在させながら噴射され得るので、ガソリン直噴では、相対的に高い圧力、例えば多ポート噴射システムで使用した圧力の１００倍の圧力で燃料を供給する必要がある。
【０００４】
全ての噴射弁が閉じられるまでに期間があり、従って燃料ポンプの出口通路とシリンダとの間の燃料供給レール線として知られた導管内のガソリンは行き場を失う。このことは比較的低圧で作動する従来の燃料系においては重大な問題とならない。しかし、ガソリン直噴システムの相当に高い圧力では、燃料ポンプの下流の燃料系統の構成要素はそのような高い圧力に耐え得なければならない。さらに、これらの時点で燃料ポンプに非常に高い背圧負荷が発生する。
【０００５】
従って、噴射弁が開閉する際にも燃料ポンプの出口通路の下流にある燃料系統の部分における圧力レベルを安定して維持する機構を提供することが望ましい。
【考案の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の電気流体圧式フロー制御弁は、エンジンシリンダの噴射装置に燃料を供給するポンプの高圧側に接続するようにされる。このフロー制御弁は、燃料タンクからの低圧線へ高圧燃料を戻す通路を構成し、それにより燃料供給線内の圧力を安定した状態に維持する。フロー制御弁は高速動作用に設計される。これは、軟磁性複合材料から成る構成要素を備えた電磁アクチュエータによって実施される。この複合材料は、磁束の形成及びアクチュエータの速度を遅くさせる渦電流を低減する磁束の非導電性通路を構成する。フロー制御弁の性能を高める別のファクターは、電磁アクチュエータのアーマチュアが弁を流れる燃料と接触しないことである。従って、アーマチュアの動きは液体燃料に比較して比較的低い空気の流体圧抵抗を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のフロー制御弁は、一端部にバルブシートをもつボアを備えた弁ステムを有する。弁ステムにおける入口ポートは燃料線とボアとの間の流体路を構成する。弁要素はボア内に配置され、入口通路と出口通路との間の流体の流れを制御するようにバルブシートと選択的に係合する。弁要素は、入口ポートと連通する外部溝を備えている。外部溝はバルブシートに近接した第１表面及びバルブシートから離れた第２表面を備えている。第１表面は第２表面より大きいので、溝内の圧力によって弁要素はバルブシートから離れる方向にすなわち開放位置へ偏倚される。
【０００８】
電磁アクチュエータはバルブシートに対して弁要素を動かすように作動的に結合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１及び図２を参照すると、電気流体圧式フロー制御弁１０は、内燃エンジンの燃料ポンプの本体１２における開口１１内に装着する。入口通路１４は本体２において開口１１から燃料ポンプの出力を受ける高圧燃料供給線までのびている。出口通路１６は、開口と燃料ポンプの入口のようなエンジンの燃料系統の低圧点との間の流体路を構成している。
【００１０】
フロー制御弁１０は管状ステム１８を備え、管状ステム１８は、燃料ポンプの開口１１内へのび、そして入口通路１４と出口通路１６の両方とインターフェースしてそれらの間の流体の流れを制御する。特に、管状ステム１８は長手方向ボア１５を備え、この長手方向ボア１５は入口通路１４を開口に結合する横断入口ポート１９へのびている。バルブシート２０は、出口通路１６と連通するボア１５の端部開口に形成される。弁要素２２は弁ステム１８のボア１５に摺動可能に受けられ、そしてフロー制御弁の閉じた状態においてバルブシート２０に当接するテーパー状の部分をもつ内部端部を備えている。
【００１１】
弁要素２２の他の端部は例えばろう付け又は溶着によってアーマチュアディスク２４の中心開口に機械的に接合される。アーマチュアディスク２４の反対側にはソレノイドアクチュエータ２８が設けられ、ソレノイドアクチュエータ２８は外側ハウジング２９を備え、外側ハウジング２９は磁気的に伝導性の磁極片３０を包囲し、この磁極片３０は中心開口３２及び中心開口のまわりにのびる環状溝３４を備えている（図３参照）。電磁コイル３６は環状溝３４内に巻回され、そしてエンジン動作を管理する制御装置に接続するためのコネクタ３８までのびるリード線を備えている。電磁コイル３６のインダクタンスは３．０ｍＨ以下であり、また抵抗値は１オーム以下である。好ましくは、電磁コイル３６のインダクタンスは２．５ｍＨであり、また抵抗値は０．２オームである。磁極片の中心開口３２内のばね４０はアーマチュアディスク２４を偏倚して弁要素２２をバルブシート２０から離れる方向へ押し、弁を開放させるように作用する。
【００１２】
電磁コイル３６を付勢することにより、磁束線４２で示す磁場が発生し、この磁場はアーマチュアディスク２４を磁極片３０に向かって引き付け、弁要素２２をバルブシート２０に引き寄せて図２に示すように弁を閉じさせる。磁束はアーマチュアディスク２４及び磁極片３０を通る。必要な力を発生するのに要求される電磁コイルの大きさは、磁束４２を通す非常に小さな空隙及び大きな横断面積を設けることによって減少される。
【００１３】
磁極片３０は、電気絶縁性被覆を施した多数の強磁性粒子から成る粉末である「軟磁性複合材料」から成る。電気絶縁性被覆は少なくとも１ｍΩ−ｃｍの強磁性粒子に隣接して電気絶縁を形成している。弁構成要素３０は強磁性粉末を圧縮することにより作られる。軟磁性複合材料及び軟磁性複合材料から電磁石コアを作る方法については米国特許第６，２５１，５１４号に開示されている。強磁性粉末の個々の粒子は互いに電気的に絶縁されるので、磁極片３０は磁束に対して非導電性通路を形成し、磁束を反転させる渦電流を低減する。渦電流を低減することにより、弁の電磁アクチュエータの応答時間は、従来の電磁磁極片を備えたアクチュエータに比較して速くなる。
【００１４】
弁の動作速度は、アーマチュアディスク２４がフロー制御弁１０を流れる液体燃料と接触しないので、さらに高められる。シール４４は、弁要素２２と弁ステム１８の外側部分４６との間に燃料がまわるのを阻止する。このシール４４は、燃料がアーマチュアディスク２４に達するのを阻止する。アーマチュアディスク２４の制御すべき流体からの分離は本フロー制御弁１０の重要な特徴である。流体がアーマチュアディスク２４の配置されるチャンバ４５内に入り得ると、その流体は弁の開閉時にアーマチュアディスクの迅速な動きに対する抵抗となる。すなわち、チャンバ４５内でアーマチュアディスクを動かすことができるようにするためには、アーマチュアディスク２４の一側に溜まった流体は反対側に流れなければならない。従って、この特徴は、本燃料系統において要求される弁の迅速な動作を可能にするために重要である。
【００１５】
図２及び図４を参照すると、弁要素２２に作用する流体圧による力は、速い開放時間をもたらすように実質的に不平衡にされる。特に、弁要素は外周溝５０を有し、この外周溝５０はバルブシート２０に近接した第１の端表面５２とバルブシートから離れた第２の端表面５４とを備え、両端表面は、燃料供給線からの入口通路１４における高圧流体に晒される。外周溝５０の付近における弁ステムボア１５の直径は、アーマチュアディスク２４に近接したボアの直径より僅かに大きく、それにより、第１の端表面に隣接してリップ５５を形成している（図４）。その結果、第２の端表面５４の面積は、弁の閉じた時に高圧流体に晒される第１の端表面５２の面積より実質的に小さい。
【００１６】
このように表面積が異なるために、これらの端表面５２、５４に作用する高圧流体によって発生される力は、弁要素２２をバルブシート２０から離れる方向へ動かす、すなわち弁を開放する方向において大きい。その結果、ばね４０による相対的に小さな力は、出口通路１６における相対的に低い圧力によって弁要素２２のノーズ５６に働く力に打ち勝つことができ、従ってフロー制御弁１０を開放させる。しかし、フロー制御弁１０を閉成するのに必要な電磁コイル３６からの磁力は入口通路圧力及びばね力に打ち勝つように十分に大きくなければならない。
【００１７】
フロー制御弁１０は、特に内燃エンジンの燃料噴射系統の燃料線における圧力を調整するのに用いられる。この応用においては、弁は、燃料線における圧力を軽減するためにエンジンの各サイクル中に非常に迅速に何回も開閉される。フロー制御弁１０は、このような高速で作動する能力に寄与する幾つかの特徴を備えている。弁要素における溝５０の端表面の大きさの違い及びソレノイドアクチュエータの相対的に低いインダクタンスと抵抗はこれらの特徴のうちの二つである。他の特徴は、渦電流を低減するソレノイドの磁極片に軟磁性複合材料を用いることを含んでいる。フロー制御弁の性能を高める別のファクターは、アクチュエータのアーマチュアが弁を通って流れる流体と接触せず、従ってその動きが液体燃料と比較して空気の低い流体抵抗を受けることにある。
【００１８】
上記の説明は主として本発明の好ましい実施の形態に向けられている。本発明の範囲内で種々の変更がなされるが、当業者は本発明の実施の形態の説明から明らかである付加的な変更が可能であることが予想される。よって、本発明の範囲は特許請求の範囲によって決められるべきであり、上記の説明には限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による弁の側面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った横断面図である。
【図３】図１の線３−３に沿った横断面図である。
【図４】図２における弁領域の拡大図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０：電気流体圧式フロー制御弁
１１：開口
１２：内燃エンジンの燃料ポンプの本体
１４：入口通路
１５：長手方向ボア
１６：出口通路
１８：管状ステム（弁ステム）
１９：横断入口ポート
２０：バルブシート
２２：弁要素
２４：アーマチュアディスク
２８：ソレノイドアクチュエータ
２９：外側ハウジング
３０：磁極片
３２：中心開口
３４：環状溝
３６：電磁コイル
３８：コネクタ
４０：ばね
４２：磁束線
４４：シール
４５：チャンバ
４６：弁ステム１８の外側部分
５０：外周溝
５２：第１の端表面
５４：第２の端表面
５５：リップ
５６：弁要素２２のノーズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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