JPH0648068B2 - ソレノイド制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、液体流れ弁に係り、特にソレノイド制御弁に
係り、更に詳細にはソレノイド制御弁の流体機械的特性
の改善に係る。

背景技術 ソレノイド制御弁は、種々の水供給システムやより最近
では自動車用の燃料供給システムに於て、液体の流れを
制御するために従来より使用されている。後者の用途に
於ては、ソレノイド制御弁は火花点火機関へ導入される
ガソリンの量量を直接制御するために従来より使用され
ており、より最近では圧縮点火機関（即ちディーゼル機
関）へ導入される燃料の量を間接的に制御するためにソ
レノイド制御弁を使用することが従来より検討されてい
る。上述の如き後者のソレノイド制御弁の幾つかの例が
米国特許第３，８５１，６３５号及び同第４，２５８，
６７４号に開示されている。また内燃機関への燃料を制
御するための又は液体の流れを制御する一般的な用途の
何れかのソレノイド制御弁を開示する他の特許の例とし
ては、米国特許第４，３９４，９６２号、同第４，３９
２，６１２号、同第４，２９９，２５２２号、同第４，
０７６，０４５号がある。

前述の各米国特許に於ては、ソレノイドが消磁された場
合に、弁が開弁位置であるか閉弁位置であるかを問わず
その通常の位置、即ちリセット位置へ確実に復帰するこ
とを容易にすべく、ソレノイド制御弁には付勢ばねの如
き機械的付勢要素が設けられている。例えば上述の自動
車の用途の場合の如く、ソレノイド制御弁がバイパスの
機能を果たす場合には、燃料噴射を急激に終了させる上
で弁の迅速な開弁が重要であり、燃料噴射を急激に終了
させることは排気エミッションに関する規制により必要
とされる。しかし上述の如き付勢ばねは、ソレノイド制
御弁の体積及び複雑さを増大させ、更にはソレノイドが
弁の駆動時に打克たなければならない荷重又は力を増大
させる。

本願出願人と同一の出願人の出願に係る本願と同日付け
の特願昭６０−１６７３８０号及び特願昭６０−１６７
３８１号に於ては、燃料供給制御システム、及び制御信
号に迅速に応答して所望の燃料供給を達成すべく燃料噴
射装置と共働するよう構成され配置されたソレノイド制
御式バイパス弁が開示されている。

発明の開示 本発明は、機械的な付勢手段に依存せず、作動応答性が
向上され消費エネルギが低減されソレノイド制御弁を提
供することを目的とする。

本発明によれば、高圧の供給源と比較的低圧のドレーン
との間に於ける液体の流れを制御する弁が与えられる。
本発明の弁はそのハウジング内に静止弁座スピンドル
と、該弁座スピンドルの一部を囲繞し該一部に沿って摺
動可能な円筒形の弁スリーブとを含んでいる。弁座スピ
ンドルには環状の制御エッジが設けられており、弁スリ
ーブは該弁スリーブが閉弁位置と開弁位置との間に軸線
方向に往復動することにより制御エッジと接触した位置
へ、また制御エッジと接触した状態より解除される方向
へ駆動される圧力応答面を含んでいる。弁スリーブには
アーマチュアが作動的に接続されており、またコイルに
電流が与えられた場合にアーマチュア及び弁スリーブを
閉弁駆動するソレノイドコイルが配置されている。

弁座スピンドルは内部に流体通路を含んでおり、該流体
通路は弁ハウジングに設けられた高圧流体入口と連続的
に流体的に連通している。また流体通路は弁座スピンド
ルと弁スリーブとの間にて制御エッジより半径方向内方
に形成されたプレナム領域まで延在し且該プレナム領域
と連通している。弁が開弁されると、液体はプレナム領
域より制御エッジを通過してドレーン出口に於て弁ハウ
ジングより流出する。ソレノイドコイルが励磁されると
弁が閉弁し、これにより液体の流れが阻止される。ソレ
ノイドが消磁されると、プレナム内の高圧液体の圧力が
弁スリーブの圧力応答面に軸線方向へ作用し、これによ
り弁が迅速に開弁され、液体が流れ得るようになる。弁
の構造の簡潔さは付勢ばねが存在しないことにより向上
されており、特に開弁過程全体に亙る弁の迅速な応答速
度は弁スリーブの圧力応答面を特定の構造とすることに
よって得られる。

弁座スピンドルは静止位置に固定されており、一つの直
径の第一の軸線方向部分を含んでおり、該部分の周りに
て弁スリーブが密に摺動するようになっている。環状の
制御エッジは第一の軸線方向部分の直径よりも大きく、
弁座スピンドルの直径の大きい部分に形成されている。
弁座スピンドル内の流体通路は、プレナムと連通する一
つ又はそれ以上の半径方向ボアと交差する軸線方向ボア
により与えられている。弁スリーブの圧力応答面は、開
弁方向へ延在する頂点を有し且弁スリーブの内径Ａ（点
Ａにより表わされる）から圧力応答面内の不連続点に対
応する外径Ｃ（点Ｃにより表わされる）まで半径方向外
方へ延在する円錐の実質的に連続的な切頭円錐形であ
る。点Ｃは、圧力応答面に垂直であり且弁スリーブがそ
の全開位置にある場合に制御エッジＤを通過する直線と
圧力応答面との交点Ｂ′と少なくとも同程度にスピンド
ル及びスリーブの中心線より半径方向外方へ離れた位置
にある。かくして不連続点Ｃの半径方向最も内側の位置
は、圧力応答面の角度及びスリーブのストローク長さ両
方の関数である。

本発明の弁は圧力応答面の高圧燃料噴射ノズルとの組合
せに於てバイパス弁として使用されるに特に適してい
る。弁の迅速な開弁により排気エミッションを制御すべ
く燃料噴射が急激に終了される。

弁の開弁速度を更に向上させることは、制御エッジより
も上流側に於ては圧力降下が殆どなく、急激な圧力降下
が制御エッジと圧力応答面との間に形成された環状オリ
フィスに於て発生するよう高圧プレナムを構成すること
によって得られる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図は本願出願人と同一の出願人の出願にかかる本願
と同日付けの特願昭６０−１６７３８０号及び特願昭６
０−１６７３８１号に開示された組立体と実質的に同様
のバイパス弁及び噴射装置組立体１４を示している。組
立体１４は噴射ノズル３２とバイパス弁３４とを含んで
いる。組立体１４には導管３０により比較的高圧の、即
ち数千psi（１psi＝０．０７０kg/cm²）の圧力にて燃料
が供給されるようになっている。導管３０は一対の導管
延長部３０′及び３０″を与えるべくノズルボディ５２
内の分岐点３０ａに於て分岐している。導管延長部３
０′は弁室５８まで延在しており、該弁室内には噴射弁
５０が配置されている。噴射弁５０はばね５４により閉
弁位置へ向けて弁座５６と係合するよう付勢されてい
る。弁室５８内の燃料圧がばね５４の付勢力に打克つに
十分な値になると、噴射弁５０は公知の要領にて弁座５
６より上昇し、これにより燃料がノズルオリフィス６０
を経て機関内へ噴射される。

第１図及び第２図に示されている如く、導管延長部３
０″はノズルボディ５２の上面７４までノズルボディ内
を上方へ延在しており、上面７４に於てバイパス弁３４
の棒状の弁座部材、即ち弁座スピンドル３７に形成され
た軸線方向の盲孔により郭定されたポート３６と連通し
ている。弁座スピンドル３７は弁カバー７６及びノズル
ボディィ５２の互いに隔置され互いに軸線方向に対向す
る面の間に形成された弁ハウジングキャビティ内に固定
的に配置されている。弁ハウジングキャビティの側壁は
円筒形のカラー７７により与えられている。

弁座スピンドル３７の下端は、該スピンドルの肩部に下
方へ作用し且カバー７６の下面に上方へ作用する一つ又
はそれ以上の皿ばね７８により、ノズルボディ５２の上
面７４と実質的に液密的に係合するよう付勢されてい
る。弁座スピンドル３７を同心状に位置決めすること及
び皿ばね７８を弁座スピンドル上に保持することは、弁
座スピンドルの上端より延在しカバー７６の下面に設け
られたカウンタボア内へ嵌入するパイロットピン７９に
より確保されるようになっている。

弁座スピンドル３７はその下方部のほぼ全てに亙り一定
の直径を有しており、下方部の上方に直径の大きい領域
を有している。この直径の大きい領域に於ては、弁座ス
ピンドル３７の下方部の直径よりも大きい直径を有する
環状の制御エッジ８０が形成されている。かかる制御エ
ッジ郭定し、また弁座スピンドルに近接して小さい高圧
プレナム８１′を郭定すべく、弁座スピンドル３７には
制御エッジ８０よりすぐ下方の位置に環状リセス８１が
形成されている。一つ又はそれ以上の半径方向ボア３
６′がリセス８１より軸線方向ポート３６まで半径方向
内方へ延在しており、これによりポート３６とプレナム
８１′とが流体的に連通接続されている。

バイパス弁３４に於ては、可動の弁要素は、弁座スピン
ドル３７の下方部の周りに配置され且該下方部に対し密
に接触して軸線方向に相対摺動し得る大きさに形成され
た円筒形のスリーブよりなる弁スリーブ１４０である。
弁スリーブ１４０の内径は、その長さの大部分に亙り、
弁座スピンドル３７の下方部の外径よりも極く僅かに大
きく且制御エッジ８０の直径よりも幾分か小さい。他方
弁スリーブ１４０の外径は制御エッジ８０の直径よりも
大きく、上端近傍の内径より外径への遷移領域には弁が
開弁された場合に制御エッジ８０と接触する上方へ傾斜
した、即ち逆転された切頭円錐面８２が設けられてい
る。弁スリーブ１４０の内面の一部及び切頭円錐面８２
の一部は弁座スピンドル３７に設けられたリセス８１と
共働してプレナム８１′を郭定している。

弁スリーブ１４０にはその下端近傍に於てスナップリン
グ８３により環状のアーマチュア４２が連結されてい
る。アーマチュアが運動する場合に於ける流体の抵抗を
低減すべく、複数個のブリード孔８４がアーマチュア４
２を貫通して軸線方向に延在している。

ソレノイドコイル４４を含む環状のステータ８５が、弁
スリーブ１４０を囲繞し且弁スリーブより半径方向外方
へ隔置されている。ステータ８５はカバー７６の下面に
当接して配置されており、環状のスペーサ８７によりノ
ズルボディ５２の上面７４より所定の距離にて隔置され
た状態に維持されている。コイル４４との電気的接続は
一対の端子４５により行われるようなっている。

弁スリーブ１４０のストローク長さは、閉弁位置に於て
は切頭円錐面８２が制御エッジ８０と接触することによ
り決定され、全開位置に於ては第２図に於て破線にて示
されている如く、弁スリーブの下端がノズルボディ５２
の上面７４と接触することによって決定される。アーマ
チュア４２の弁スリーブ１４０上に於ける軸線方向の位
置は、コイル４４が励磁され、第２図に示されている如
く弁が閉弁された場合、アーマチュア４２とステータ８
５との間に約０．００４inch（０．１０mm）の小さい空
隙が残されるよう予め選定されている。弁スリーブ１４
０のストローク長さは弁が全開状態にある場合に於ける
空隙の間隔を決定し、図示の実施例に於ては空隙の間隔
は約０．０１inch（０．２５mm）である。開弁状態及び
閉弁状態に於ける空隙の間隔の調節は、弁スリーブのス
トローク長さの調節及び／又は弁スリーブ１４０上に於
けるアーマチュア４２の位置及び／又はスペーサ８７の
高さを制御することによって行われる。

ステータ８５の半径方向内側の上面は円錐形に傾斜され
ており、切頭円錐形のスピルディフレクタ９０を含んで
いる。スピルディフレクタ９０よりも上方であって弁カ
バー７６の下面よりも下方の領域は低圧プレナムを郭定
しており、該プレナムはカバー７６に設けられた一つ又
はそれ以上の傾斜したボア３８′を介して大きい中央ボ
ア３８と連通しており、該ボアは弁に関連する低圧のド
レーンポートを郭定している。

第３図は弁スリーブ１４０をそれが弁座スピンドル３７
の制御エッジ８０と接触した閉弁位置にて示している。
また第４図はバイパス弁を開弁位置にて、即ち弁スリー
ブ１４０、特にその切頭円錐面８２が制御エッジ８０よ
りり軸線方向下方へ隔置された状態にて示している。第
３図及び第４図の説明の目的で、弁座スピンドル３７及
び弁スリーブ１４０の表面上の種々の位置が点として示
されており、記号が付されている。しかしこれらの点は
弁座スピンドル及び弁スリーブの共通の中心線、即ち軸
線の周りの半径を有する点を表わしていることに留意さ
れたい。

制御エッジ８０は点Ｄとして示されており、弁座スピン
ドル及び弁スリーブの軸線よりの半径Ｒ_Ｄを有してい
る。切頭円錐面８２は弁スリーブ１４０の軸線と角度
θ、典型的には約４５゜をなしている。面８２が弁スリ
ーブ１４０の内周面と交差する点Ａは弁スリーブの軸線
よりの半径Ｒ_Ａを有している。弁スリーブ１４０が閉弁
位置にある場合には、該弁スリーブは切頭円錐面８２上
の対応する点Ｂに於て制御エッジ８０、即ち点Ｄと接触
する。点Ｂは弁の作動位置に拘らず制御エッジの点Ｄと
軸線方向に整合された状態にあり、弁スリーブよりの半
径Ｒ_Ｂを有している。面８２は点Ａより不連続点Ｃまで
連続的であり、直線的である。図示の実施例に於ては、
不連続点Ｃは切頭円錐面８２が弁スリーブ１４０の半径
方向へ延在する端面８２′と交差することにより与えら
れている。

弁座スピンドル３７の高圧プレナム８１′のすぐ下流側
の面９５も軸線と４５゜以下の角度、例えば４３゜をな
す切頭円錐面であり、これにより下流側方向へ行くにつ
れ面８２との間の距離が実質的に増大するよう構成され
ていてよい。

弁が開弁位置にある場合に制御エッジ８０と面８２との
間に形成される環状の流量制御オリフィスは、点Ｄと面
８２との間の最短距離により郭定される。この距離は第
４図に於て面８２に垂直であり点Ｄを通る線ＤＢ′とし
て示されている。第３図に示されている如く、弁が閉弁
状態にある場合には、面８２上の点Ｂ′は点Ｂと一致す
るが、第４図に示されている如く、弁が開弁すると、面
８２上の点Ｂ′は半径方向外方へ移動する。見方を変え
れば、プレナム８１′の高い液圧の力は点Ａより点Ｂ′
まで延在する半径方向の距離に亙り弁スリーブ１４０の
面８２上に軸線方向下方へ作用し、前記半径方向距離は
弁が開弁するにつれて増大する。

バイパス弁３４は常開型のものであり、ソレノイドコイ
ル４４が励磁されることによってその閉弁位置へ駆動さ
れる。ソレノイドコイルの励磁が終了されると、弁スリ
ーブ１４０は点Ａより点Ｂ′まで延在する圧力応答面と
しての面８２の径方向の投影成分に対し軸線方向下方へ
作用する高い液圧の力により迅速に開弁位置へ駆動され
る。前記径方向の投影成分は点Ａと点Ｂ′との間の半径
方向距離により表わされる。第３図及び第４図より、高
い液圧が作用する半径方向の投影面積が弁スリーブ１４
０が下方へ移動するにつれて連続的に増大するようにす
るためには、点Ｂ′は不連続点Ｃより半径方向外方へ移
動してはならないことが解る。

点Ｄの半径Ｒ_Ｄ、面８２の角度θ、弁スリーブ１４０の
最大ストロークが解れば、半径Ｒ_Ｂ′の最大値を決定す
ることができる。点Ｄと点Ｂとの間の距離ＤＢは弁スリ
ーブ１４０のストロークに等しい。かくして R_B′_max＝R_D+DB_maxSinθcosθ が成立し、Ｒ_B′maxは半径Ｒ_Ｃよりも大きい値であって
はならない。図示の実施例に於ては、半径Ｒ_Ｄは０．１
２５inch（３．１８mm）であり、弁スリーブのストロー
ク、即ちＤＢ_maxは約０．００６inch（約０．１５mm）
であり、面８２の角度θは４５゜であり、従ってR_B′
_max約０．１２８inch（約３．２５mm）であり、この値
は不連続点Ｃまでの半径Ｒ_Ｃの距離０．１７７５inch
（４．５１mm）よりも十分小さい値である。

開弁方向へ作用する力は平均液圧と該液圧が作用する弁
スリーブ１４０の軸線方向へ投影された面の面積との積
である。前述の如く、面積は内側の半径Ｒ_Ａと外側の半
径Ｒ_Ｂ′を有する環状の帯域により表わされる。また圧
力は前記面の面積に作用するプレナム８１′内の平均液
圧である。弁が閉弁されている場合には、高圧プレナム
８１′内の圧力は一定であるが、弁が開弁し流体が低圧
プレナムへ向けて流れ始める場合には、流れ面積の関数
として圧力勾配が発生される。プレナム８１′が第１図
乃至第４図に示されている如く構成されている場合に
は、制御エッジ８０と面８２との間に郭定された制御オ
リフィスへ近づくにつれて狭くなるプレナム８１′のジ
オメトリーを通過して液体が流れるので、プレナム内に
圧力降下が発生する。

第５図は弁座スピンドル１３７の他の一つの実施例を示
しており、この実施例に於ては弁座スピンドル１３７に
形成されたリセス１８１は、プレナム１８１′の一部を
郭定する面９８を与えるべく軸線方向上方へ延在する部
分を含んでいる。面９８は面９５と交差して制御エッジ
８０を形成しており、また弁スリーブ１４０の面８２に
対し実質的に垂直である。面９８の軸線方向長さは面８
２の点Ａと点Ｂ′との間の領域に於てプレナム１８１′
を実質的に大きくするに十分な長さである。面９８の上
述の如き方向及びプレナム１８１の深さにより、制御エ
ッジ８０と面８２上の点Ｂ′との間の制御オリフィスに
於て大きい圧力降下が発生し始める前に、液体が制御エ
ッジ８０へ向けて流れ始める際に液体内に生じる圧力降
下を低減し又は排除することが補助され、これにより圧
力応答面としての面８２に作用する平均圧力が増大され
る。

以上の説明より、高圧プレナム８１′又は１８１′内の
液圧が８０００〜１２０００psi（５６２〜８４４kg/cm
²）又はそれ以上の範囲であり、低圧ドレーンポート３
８内の圧力が１００psi（７．０３kg/cm²）以下である
ものと仮定すれば、上述の如く構成されたソレノイド制
御弁（バイパス弁）は１ミリ秒以下の時間のうちに開弁
位置又は閉弁位置へ容易に移動し得るものであることが
解る。開弁方向への迅速な応答速度は、ばね等の如き機
械的付勢手段に依存することにより得られるのではな
く、重力により僅かに補助された形で主として流体力に
より得られるものであることが理解されよう。

以上に於ては、本発明を特定の実施例について詳細に説
明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
なく、本発明の範囲内にて種々の修正が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。例えば上述の実施例
に於ては、弁の傾斜面として頂角が直角の円錐の切頭円
錐面が使用されているが、弁の傾斜面は面積とストロー
クとの間の特性を更に一層好ましい特性にし得る形状に
形成されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成されたソレノイド駆動式バ
イパス弁を含む燃料噴射弁を一部破断して示す正面図で
ある。 第２図は第１図に示されたソレノイド駆動式バイパス弁
を一部破断して示す拡大部分図である。 第３図は第２図に示された弁をその閉弁状態にて示す拡
大部分断面図である。 第４図は第３図に示された弁の要部を開弁状態にて示す
拡大部分断面図であり、本発明に従って圧力応答面に課
せられる幾何学的制限事項を示している。 第５図はソレノイド駆動式バイパス弁の他の一つの実施
例を示す第３図と同様の部分断面図であり、高圧プレナ
ムの他の一つの構成を示している。 １４……バイパス弁及び噴射装置組立体，３０……導
管，３１ａ……分岐点，３０′、３０″……導管延長
部，３２……噴射ノズル，３４……バイパス弁，３６…
…軸線方向ポート，３６′……半径方向ボア，３７……
弁座スピンドル，３８……中央ボア，３８′……傾斜し
たボア，４２……アーマチュア，４４……ソレノイドコ
イル，４５……端子，５０……噴射弁，５２……ノズル
ボディ，５４……ばね，５６……弁座，５８……弁室，
６０……ノズルオリフィス，７４……上面，７６……弁
カバー，７７……カラー，７８……皿ばね，７９……パ
イロットピン、８０……制御エッジ、８１……リセス，
８１′……高圧プレナム，８２……切頭円錐面，８２′
……端面，８３……スナップリング，８４……ブリード
孔，８５……ステータ，８７……スペーサ，９８……
面，１３７……弁座スピンドル，１４０……弁スリー
ブ、１８１′……高圧プレナム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高圧の供給源と比較的低圧のドレーンとの
   間に於ける液体の流れを制御するソレノイド制御弁にし
   て、 固定された弁座スピンドルであって、軸線方向に延在す
   る小径部及び大径部と、前記小径部と前記大径部との間
   に形成され前記小径部より大きい径を有する環状の制御
   エッジと、前記制御エッジに隣接して前記小径部に環状
   に設けられた溝と、前記溝と前記高圧の供給源とを連通
   接続する流体通路と、を有する弁座スピンドルと、 前記弁座スピンドルの前記小径部の周りに嵌合し全開位
   置と閉弁位置との間を軸線方向に摺動可能である円筒形
   の弁スリーブと、 電気的励磁に応答して前記弁スリーブを前記全開位置よ
   り前記閉弁位置へ駆動すべく設置された電磁手段と、を
   有し、 前記弁スリーブは前記閉弁位置に於て前記制御エッジと
   液密的に接触し前記全開位置に於て前記制御エッジより
   所定の距離に隔置される環状の圧力応答面を有し、その
   内周部は前記閉弁位置に於ける前記制御エッジとの環状
   の接触線より径方向内方に在り、前記圧力応答面と前記
   制御エッジとの間を通過した液体は前記ドレーンへ導か
   れることを特徴とするソレノイド制御弁。