JP2014005729A - 気体燃料用圧力制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 内燃機関に供給する気体燃料の圧力を連続的に変更可能な気体燃料用圧力制御装置を提供する。
【解決手段】 減圧弁50は、第2弁部材51、弁本体52、減圧弁用ばね53および減圧弁用ソレノイド65から構成される。第2弁部材51は、弁本体52に形成される第2弁座525に対して往復移動可能に設けられる。減圧弁用ばね53および減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力は、第2弁部材51を第2弁座525に当接する方向に付勢する。減圧弁50は、圧力室522の気体燃料の圧力とシート面積との積が、流路291の気体燃料の圧力とシート面積との積、減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力、および減圧弁用ばね53の付勢力の合計より大きくなると、第2弁部材51は第2弁座525から離間し気体燃料を減圧する。これにより、減圧弁用ソレノイド65に流れる電流値を変更することで気体燃料の圧力を連続的に変更できる。
【選択図】 図2
【解決手段】 減圧弁50は、第2弁部材51、弁本体52、減圧弁用ばね53および減圧弁用ソレノイド65から構成される。第2弁部材51は、弁本体52に形成される第2弁座525に対して往復移動可能に設けられる。減圧弁用ばね53および減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力は、第2弁部材51を第2弁座525に当接する方向に付勢する。減圧弁50は、圧力室522の気体燃料の圧力とシート面積との積が、流路291の気体燃料の圧力とシート面積との積、減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力、および減圧弁用ばね53の付勢力の合計より大きくなると、第2弁部材51は第2弁座525から離間し気体燃料を減圧する。これにより、減圧弁用ソレノイド65に流れる電流値を変更することで気体燃料の圧力を連続的に変更できる。
【選択図】 図2
Description
本発明は、気体燃料用圧力制御装置に関する。
内燃機関に供給される気体燃料を燃料タンク内の圧力から気体燃料用インジェクタが噴射可能な範囲内の圧力に減圧する気体燃料用圧力制御装置が知られている。特許文献1には、電磁力によりダイヤフラムのリフト量を変化させることで当該範囲内の2つの圧力値のいずれかに気体燃料の圧力を減圧する気体燃料用圧力制御装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の気体燃料用圧力制御装置では、電磁力を発生する電磁力発生部のオンオフに対応した圧力値にしか気体燃料の圧力を設定できないため、内燃機関の状態に応じた気体燃料の圧力を3つ以上かつ任意に設定することができない。
本発明の目的は、内燃機関に供給する気体燃料の圧力を連続的に変更可能な気体燃料用圧力制御装置を提供することにある。
燃料タンクに貯留される気体燃料の圧力を制御し、噴射手段を介して内燃機関に気体燃料を供給する気体燃料供給システムに用いられる気体燃料用圧力制御装置であって、燃料タンク内と噴射手段内とを連通または遮断する第1弁と、第1弁の内燃機関側に設けられ、第2弁座を形成する第2弁本体、第2弁本体に対して往復移動可能に設けられ第2弁座に当接または離間することにより前記第1弁内と前記噴射手段内とを連通または遮断する第2弁部材、電磁力により第2弁部材を第2弁座に当接する方向に付勢する第2電磁力発生部、および第2弁部材を第2弁座に当接する方向に付勢する第2付勢手段を有し、第1弁を通過する気体燃料の圧力を噴射手段が噴射可能な圧力に減圧する第2弁と、を備え、第1弁と第2弁とは一体に設けられ、第2弁部材が第1弁とは反対側の方向に移動するとき、第2弁部材は第2弁座より離間することを特徴とする。
第2弁は、第2電磁力発生部が発生する電磁力および第2付勢手段の付勢力が第2弁部材に作用することで閉弁する。第1弁が開弁すると、第1弁に供給される気体燃料の圧力は第2弁部材が第1弁から離れる方向、すなわち第2弁が開弁する方向に作用する。第2弁で気体燃料の圧力を制御するとき、第2電磁力発生部が発生する電磁力を小さくするように電流値を小さくする。これにより、第2弁は第2電磁力発生部を流れる電流値を連続的に変更することで気体燃料の圧力を制御することができる。
第2弁が気体燃料の圧力を減圧するとき、第2弁部材は第1弁とは反対側の方向に移動する。第1弁には高圧の気体燃料が燃料タンクから供給されており、第2弁部材を第1弁とは反対側の方向に移動するとき、第1弁内の気体燃料の圧力を利用する。これにより、第2電磁力発生部が発生する電磁力は比較的小さくなり、第2電磁力発生部を小さくすることができる。
また、第2弁の第2電磁力発生部が小さくなることにより、気体燃料用圧力制御装置の体格を小型にすることができる。
燃料タンク内と噴射手段とを連通または遮断する第1弁と気体燃料を減圧する第2弁とを一体に設けることにより、気体燃料用圧力制御装置の体格が小型になる。これにより、気体燃料用圧力制御装置を燃料タンク付近に設置すると、高圧の気体燃料が通る配管を短くすることができる。
以下、本発明による気体燃料用圧力制御装置の実施形態について図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による気体燃料用圧力制御装置について、図1〜図6に基づいて説明する。
本発明の第1実施形態による気体燃料用圧力制御装置について、図1〜図6に基づいて説明する。
最初に、第1実施形態による気体燃料用圧力制御装置を適用する気体燃料供給システムの概略構成を図1に基づいて説明する。気体燃料供給システム10は、例えば、圧縮天然ガスを燃料とする車両に搭載される。気体燃料供給システム10は、ガス充填口11、燃料タンク13、気体燃料用圧力制御装置1、「噴射手段」としての気体燃料用インジェクタ24、ECU9等を備える。
外部からガス充填口11を通して供給される高圧の気体燃料は、供給管6を通って燃料タンク13に貯留される。ガス充填口11は、逆流防止機能を有しており、ガス充填口11から供給される気体燃料が外部に逆流しないようになっている。供給管6には、ガス充填弁12が設けられる。
燃料タンク13には、燃料タンク弁14が設けられている。燃料タンク弁14は、燃料タンク13からガス充填口11への逆流防止機能、規定量以上の気体燃料が接続管7を流れるとき燃料タンク13からの気体燃料の流れを遮断する過流防止機能、および燃料タンク13内の圧力上昇時に燃料タンク13内の圧力を外部に開放することで燃料タンク13の破裂を防ぐ加圧防止安全機能を有する。
燃料タンク弁14は、接続管7を介して気体燃料用圧力制御装置1に接続する。接続管7には、燃料タンク13内の気体燃料の残量を計測可能な圧力センサ18が設けられる。圧力センサ18は、車両の運転者が燃料タンク13内の気体燃料の残量を確認可能な位置に設けられる圧力計15に接続されている。
燃料タンク弁14は、接続管7を介して気体燃料用圧力制御装置1に接続する。接続管7には、燃料タンク13内の気体燃料の残量を計測可能な圧力センサ18が設けられる。圧力センサ18は、車両の運転者が燃料タンク13内の気体燃料の残量を確認可能な位置に設けられる圧力計15に接続されている。
気体燃料用圧力制御装置1は、主止弁30、および減圧弁50などを有する。気体燃料用圧力制御装置1は、接続管7を通って供給される気体燃料の圧力を気体燃料用インジェクタ24に供給可能な圧力まで減圧する。例えば、気体燃料用圧力制御装置1は、燃料タンク13内の20MPaの気体燃料を気体燃料用インジェクタ24に供給可能な圧力である0.2〜0.65MPaまで減圧する。第1実施形態による気体燃料用圧力制御装置1は、気体燃料用インジェクタ24に供給される気体燃料の圧力を所定の圧力範囲内で連続的に変更可能である。気体燃料用圧力制御装置1の詳細な構造は後述する。
気体燃料用圧力制御装置1で減圧された気体燃料は、供給管8を通って気体燃料用インジェクタ24に供給される。供給管8には、気体燃料に含まれるオイルを除去するオイルフィルタ23、気体燃料用圧力制御装置1と気体燃料用インジェクタ24とを連通または遮断する燃料遮断弁19、および供給管8を流れる気体燃料の残量を計測可能な圧力センサ18が設けられている。
気体燃料用インジェクタ24は、電気的に接続するECU9の指示に応じて吸気管25内に気体燃料を噴射する。気体燃料用インジェクタ24には、図示しない温度センサおよび圧力センサが設けられる。温度センサおよび圧力センサが検出する気体燃料の温度および圧力に関する情報は、ECU9に出力される。ECU9は、入力される気体燃料に関する情報や車両の走行に関する情報を基づいて気体燃料用圧力制御装置1が供給する気体燃料の目標圧力を決定する。ECU9は、決定された目標圧力に応じた電力を気体燃料用圧力制御装置1に供給する。
吸気管25内に噴射される気体燃料は、大気から導入される空気と混合され、「内燃機関」としてのエンジン26の吸気ポートからシリンダ261内に導入される。エンジン26では、ピストン262の上昇による気体燃料および空気の混合気体の圧縮および爆発により回転トルクが発生する。
気体燃料供給システム10は、このようにして燃料タンク13内の高圧の気体燃料を気体燃料用圧力制御装置1により気体燃料用インジェクタ24に供給可能な低圧に減圧して気体燃料用インジェクタ24よりエンジン26に供給する。
気体燃料供給システム10は、このようにして燃料タンク13内の高圧の気体燃料を気体燃料用圧力制御装置1により気体燃料用インジェクタ24に供給可能な低圧に減圧して気体燃料用インジェクタ24よりエンジン26に供給する。
次に、気体燃料用圧力制御装置1の構造について図2〜図6に基づいて説明する。図2〜図6中に示す矢印は、気体燃料の流れFを示す。
気体燃料用圧力制御装置1は、ハウジング内に主止弁30と減圧弁50とが設けられ、一体となっている。なお、図2〜図6において、紙面の上方向を「上方」、紙面の下方向を「下方」という。
気体燃料用圧力制御装置1は、ハウジング内に主止弁30と減圧弁50とが設けられ、一体となっている。なお、図2〜図6において、紙面の上方向を「上方」、紙面の下方向を「下方」という。
気体燃料用圧力制御装置1の外郭は、主止弁30および減圧弁50を収容する略円筒状のハウジング21、ハウジング21の両端に接続する第1接続部材28、および第2接続部材29から形成されている。
ハウジング21は、略円筒形状の金属部材から形成され、外壁210、筒部211、第1環状部材215、および第2環状部材216から構成される。
外壁210は、略筒状の例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料から形成されている。外壁210の上部には、第1接続部材28が挿入される開口212が形成されている。また、外壁210の下部には、第2接続部材29が例えば圧入固定される開口213が形成されている。
外壁210から径外方向に突出するように形成されるコネクタ22は、主止弁30に電力を供給する端子と減圧弁50に電力を供給する端子とを有している。すなわち、コネクタ22は、主止弁30および減圧弁50の電力を供給する一体型のコネクタである。
外壁210は、略筒状の例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料から形成されている。外壁210の上部には、第1接続部材28が挿入される開口212が形成されている。また、外壁210の下部には、第2接続部材29が例えば圧入固定される開口213が形成されている。
外壁210から径外方向に突出するように形成されるコネクタ22は、主止弁30に電力を供給する端子と減圧弁50に電力を供給する端子とを有している。すなわち、コネクタ22は、主止弁30および減圧弁50の電力を供給する一体型のコネクタである。
筒部211は、例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料から形成され、ハウジング21の略中心に設けられる。筒部211は、開口212と開口213とを連通可能であり、主止弁30の可動コア31、第1スライダ34、減圧弁50の弁本体52などを収容する。
第1環状部材215は、例えばオーステナイト系ステンレスなどの非磁性材料から形成され、筒部211の上方に設けられる。第2環状部材216は、例えばオーステナイト系ステンレスなどの非磁性材料から形成され、筒部211の下部と外壁210とを接続する位置に設けられる。
第1接続部材28は、略円筒形状の例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料であって、気体燃料用圧力制御装置1の上部に設けられる。第1接続部材28は、第1環状部材215の開口に例えば圧入固定される。第1接続部材28の軸方向の中央には、接続管7とハウジング21内とを連通する流路281が形成されている。
第2接続部材29は、断面が階段状に形成されている金属部材であって、気体燃料用圧力制御装置1の下部に設けられる。第2接続部材29は、ハウジング21の開口213に、例えば圧入され、溶接により固定される。第2接続部材29の軸方向の中央には、ハウジング21内と供給管8とを連通する流路291が形成されている。
第2接続部材29は、断面が階段状に形成されている金属部材であって、気体燃料用圧力制御装置1の下部に設けられる。第2接続部材29は、ハウジング21の開口213に、例えば圧入され、溶接により固定される。第2接続部材29の軸方向の中央には、ハウジング21内と供給管8とを連通する流路291が形成されている。
主止弁30は、気体燃料用圧力制御装置1の上部であって第1接続部材28の下方に設けられる。主止弁30は、第1弁部材32、パイロット用弁部材33、第1スライダ34、第2スライダ35、第3スライダ36、可動コア31、主止弁用ばね37、および主止弁用ソレノイド45などから構成されている。主止弁30は、減圧弁50を介して燃料タンク13と気体燃料用インジェクタ24とを連通または遮断する。主止弁30は、特許請求の範囲に記載の「第1弁」に相当する。
第1弁部材32は、主止弁30の下部に設けられる断面が凸状の円環状部材である。第1弁部材32は、下部に形成される当接部321、当接部321の上側に形成されるパイロット用弁座部322、およびパイロット用弁座部322より径外方向に突出する環状部323から構成される。
当接部321は、主止弁30が閉弁しているとき、弁本体52の上側に形成される第1弁座524に当接する。「縁部」としてのパイロット用弁座部322は、後述するパイロット用弁部材33が当接するパイロット用弁座324を形成する。当接部321およびパイロット用弁座部322の軸中心には、軸方向に貫通孔325が形成される。貫通孔325の上側の開口は、パイロット用弁座324に形成される。貫通孔325は、図3に示すように、下方から上方に行くに従って中心軸に垂直な断面積が小さくなるように形成されている。環状部323には、当接部321の径外方向に段差面326が下向きに形成されている。
パイロット用弁部材33は、第1弁部材32の上方に設けられ、断面が凸状の金属部材から形成される。パイロット用弁部材33は、パイロット用弁座部322に当接可能な小径部331、および中心軸に垂直な断面積が小径部331より大きい大径部332から構成される。大径部332には、小径部331の径外方向に段差面333が下向きに形成されている。
第1スライダ34は、略有底筒形状の金属部材から形成され、筒部211内に可動コア31とともに摺動可能に収容される。第1スライダ34と後述する第2スライダ35との間に形成される第1収容室347には、第1弁部材32が軸方向に往復移動可能なように収容される。第1スライダ34の上端部346は、可動コア31の下側に形成される凹部313に例えば圧入により固定される。第1スライダ34の底面には、第1弁部材32の当接部321が挿通される開口341が形成される。また、第1スライダ34の側壁344には貫通孔342、343が形成される。貫通孔342、343は、第1スライダ34の側壁344と筒部211の内壁との間に形成される流路214により連通する。開口341を形成する縁部345の内壁は、第1弁部材32の段差面326に当接可能なように形成されている。後述する主止弁用ソレノイド45に電流が流れていないとき、縁部345の内壁と段差面326との間には隙間D1が形成されている。
第2スライダ35は、第1スライダ34内に、例えば圧入固定されている略円環状の金属部材である。第2スライダ35と後述する第3スライダ36との間に形成される第2収容室354には、パイロット用弁部材33が軸方向に往復移動可能なように収容される。第2スライダ35の底面にはパイロット用弁部材33の小径部331が挿通される開口352が形成される。開口352を形成する縁部353の内壁はパイロット用弁部材33の段差面333と当接可能なように形成されている。後述する主止弁用ソレノイド45に電流が流れていないとき、縁部353の内壁と段差面333との間に形成される隙間D2は、縁部345の内壁と段差面326との間に形成される隙間D1より小さい。
第3スライダ36は、第1スライダ34内であって第2スライダ35上に固定されている有底筒状の金属部材である。第3スライダ36の軸方向の中心には可動コア31の流路311と連通する流路361が形成されている。流路361は、第3スライダ36の側壁に形成される貫通孔362を介して第1スライダ34の貫通孔343に連通している。
可動コア31は、中空円筒形状の例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料から形成されており、筒部211内にあって第1スライダ34、第2スライダ35および第3スライダ36の上方に設けられる。可動コア31の軸方向の中央に形成される流路311は、第1接続部材28の流路281と流路361とを連通する。
主止弁用ばね37は、第1接続部材28と可動コア31との間に設けられている。具体的には、主止弁用ばね37の一端は第1接続部材28の下側に形成される流路281の段差面282に当接し、主止弁用ばね37の他端は可動コア31の流路311の内壁に形成される段差面312に当接している。主止弁用ばね37は、可動コア31を図2の下方、すなわち、第2接続部材29の方向に付勢する。主止弁用ばね37は、特許請求の範囲に記載の「第1付勢手段」に相当する。
主止弁用ソレノイド45は、ハウジング21の外壁210と筒部211との間であって、可動コア31に対応する位置に設けられる。主止弁用ソレノイド45と、第1接続部材28および可動コア31との間には第1環状部材215が設けられる。主止弁用ソレノイド45に電流が流れると、第1環状部材215の周囲に磁路が形成される。主止弁用ソレノイド45は、特許請求の範囲に記載の「第1電磁力発生部」に相当する。
減圧弁50は、気体燃料用圧力制御装置1の下部であって、主止弁30の下方かつ第2接続部材29の上方に設けられている。「第2弁」としての減圧弁50は、第2弁部材51、弁本体52、減圧弁用ばね53および減圧弁用ソレノイド65などから構成されている。減圧弁50は、主止弁30を通る気体燃料の圧力を気体燃料用インジェクタ24が噴射可能な圧力に減圧する。
第2弁部材51は、軸方向に平行な断面がT字状の金属部材から形成されている。第2弁部材51は、気体燃料用圧力制御装置1の水平方向に設けられる円板部511、円板部511の中心から上方に棒状に突出する棒部512、および棒部512の上側先端に設けられるシール部材513より構成される。円板部511および棒部512は、例えばフェライト系ステンレスなどの磁性材料から一体に形成される。
円板部511は、円板状に形成されており、円板部511の外径は、筒部211の内径より大きく、かつ開口213の内径より小さい。円板部511には中心軸上とは異なる位置に軸方向に貫通する貫通孔515が形成されている。
棒部512は、弁本体52内に挿入されており、先端にシール部材513を支持する凹部514が形成される。棒部512の外壁と弁本体52の内壁との間には気体燃料が流れる流路523が形成される。流路523は、貫通孔515を介して第2接続部材29の流路291と連通する。
シール部材513は、例えばゴム材料から形成されており、凹部514に支持されながら弁本体52内を往復移動する。減圧弁50が閉弁しているとき、弁本体52に形成される第2弁座525に当接する。
棒部512は、弁本体52内に挿入されており、先端にシール部材513を支持する凹部514が形成される。棒部512の外壁と弁本体52の内壁との間には気体燃料が流れる流路523が形成される。流路523は、貫通孔515を介して第2接続部材29の流路291と連通する。
シール部材513は、例えばゴム材料から形成されており、凹部514に支持されながら弁本体52内を往復移動する。減圧弁50が閉弁しているとき、弁本体52に形成される第2弁座525に当接する。
弁本体52は、有底筒状の金属部材から形成される。弁本体52は、筒部211の下部に、例えば圧入により固定される。弁本体52の底部521には、貫通孔325と流路523とを連通する圧力室522が形成されている。圧力室522の下側の開口には第2弁座525が形成されている。弁本体52は、特許請求の範囲に記載の「第1弁本体」および「第2弁本体」に相当する。
減圧弁用ばね53は、第2弁部材51と第2接続部材29との間に設けられる。具体的には、減圧弁用ばね53の一端は、円板部511の下側の面に当接し、減圧弁用ばね53の他端は、第2接続部材29の流路291の内壁に形成される段差面292に当接する。減圧弁用ばね53は、第2弁部材51を第1接続部材28の方向に付勢する。減圧弁用ばね53は、特許請求の範囲に記載の「第2付勢手段」に相当する。
減圧弁用ソレノイド65は、ハウジング21の外壁210と筒部211との間であって、弁本体52に対応する位置に設けられる。減圧弁用ソレノイド65と第2弁部材51との間には第2環状部材216が設けられる。減圧弁用ソレノイド65に電流が流れると、第2環状部材216の周囲に磁路が形成される。第2環状部材216の周囲の磁路は、第1環状部材215の周囲に形成される磁路とは逆向きに形成される。減圧弁用ソレノイド65は、特許請求の範囲に記載の「第2電磁力発生部」に相当する。
次に、気体燃料用圧力制御装置1の作用について説明する。
主止弁用ソレノイド45および減圧弁用ソレノイド65に電流が流れていないとき、主止弁30および減圧弁50は閉弁を維持する。具体的には、主止弁30の第1弁部材32は第1弁座524に当接し、減圧弁50のシール部材513は、第2弁座525に当接している。流路281を流れる気体燃料は、図3に示すように、流路311、流路361、貫通孔362、貫通孔343、および流路214を流れ、貫通孔342、第2スライダ35の縁部353の下側の面と第1弁部材32の環状部323の上側の面との間に形成される隙間327、および第1スライダ34と弁本体52とにより形成される隙間219を満たしている。このとき、第1弁部材32には、隙間327の気体燃料の圧力が作用する一方、圧力室522の気体燃料は隙間327の気体燃料ほどの圧力を有していないので、第1弁部材32は隙間327の気体燃料の圧力により第2接続部材29の方向、すなわち図3の下方に押圧されている。
減圧弁50による気体燃料の減圧を開始するとき、最初に減圧弁用ソレノイド65に最大電流を流す。減圧弁用ソレノイド65に電流が流れると、第2環状部材216の周囲に磁路が形成され、第2弁部材51を第1接続部材28の方向に付勢する電磁力が発生する。シール部材513は、減圧弁用ばね53の付勢力および当該電磁力により弁本体52の第2弁座525に押し付けられ、減圧弁50は閉弁を維持する。これにより、圧力室522に高圧の気体燃料が流入しても、減圧弁50は開弁することはない。
次に、主止弁用ソレノイド45に電流を流す。主止弁用ソレノイド45に電流が流れると、第1環状部材215の周囲に磁路が形成され、可動コア31とともに第1スライダ34、第2スライダ35、および第3スライダ36が第1接続部材28の方向、すなわち、図3の上方に付勢する電磁力が発生する。当該電磁力が主止弁用ばね37の付勢力より大きくなると、可動コア31、第1スライダ34、第2スライダ35、および第3スライダ36は第1接続部材28の方向に移動する。
可動コア31や第1スライダ34などが第1接続部材28の方向に移動すると、第1スライダ34の縁部345が第1弁部材32の段差面326に当接する前に第2スライダ35の縁部353がパイロット用弁部材33の段差面333に当接する。第2スライダ35がさらに第1接続部材28の方向に移動すると、パイロット用弁部材33の小径部331は第1弁部材32のパイロット用弁座324から離間する。隙間327の気体燃料は、図4に示すように、パイロット用弁部材33の小径部331と第1弁部材32のパイロット用弁座324との間に形成される隙間217、および貫通孔325を通って圧力室522に流入する。これにより、圧力室522の気体燃料の圧力は、隙間327を流れる圧力と等しくなり、第1弁部材32の上下方向から作用する気体燃料の圧力差はほぼ0となる。
さらに、第1スライダ34が第1接続部材28の方向に移動すると、縁部345が段差面326に当接し、第1弁部材32が第1接続部材28の方向に移動する。当接部321は第1弁座524より離間し、主止弁30が開弁する。隙間219の気体燃料は、図5に示すように第1弁部材32の当接部321と弁本体52の第1弁座524との間に形成される流路218を通って圧力室522に流入する。このあと、主止弁用ソレノイド45に流す電流の電流値を第1弁部材32の当接部321が第1弁座524より離間できる程度に小さくする。
次に、減圧弁用ソレノイド65に流れる電流の電流値を最大値から小さくなるように変更する。減圧弁用ソレノイド65に流す電流の電流値は、気体燃料用インジェクタ24に供給する気体燃料の圧力に応じて、式(1)によって算出する。
L=(Pin−Po)×S−Sp ・・・(1)
式(1)において、指示セット荷重L(N)は、減圧弁用ソレノイド65に電流を流したときに発生する電磁力である。導入圧力Pin(Pa/m2)は、流路281を流れる気体燃料の圧力であって、圧力室522の気体燃料と同じ圧力である。目標圧力Po(Pa/m2)は、気体燃料用インジェクタ24に供給される気体燃料の目標とする圧力である。シート面積S(m2)は、図3に示す減圧弁50のシート面積である。付勢力Sp(N)は、減圧弁用ばね53が第2弁部材51に作用する付勢力である。
L=(Pin−Po)×S−Sp ・・・(1)
式(1)において、指示セット荷重L(N)は、減圧弁用ソレノイド65に電流を流したときに発生する電磁力である。導入圧力Pin(Pa/m2)は、流路281を流れる気体燃料の圧力であって、圧力室522の気体燃料と同じ圧力である。目標圧力Po(Pa/m2)は、気体燃料用インジェクタ24に供給される気体燃料の目標とする圧力である。シート面積S(m2)は、図3に示す減圧弁50のシート面積である。付勢力Sp(N)は、減圧弁用ばね53が第2弁部材51に作用する付勢力である。
式(1)から、目標圧力Poを設定されると、指示セット荷重Lが算出される。減圧弁用ソレノイド65を流れる電流の電流値を算出された指示セット荷重Lに対応する電流値に変更する。
減圧弁用ソレノイド65に式(1)より算出した電流値の電流を流した場合、圧力室522の圧力Ppとシート面積Sとの積が、流路291の気体燃料の圧力である排出圧力Poutとシート面積Sとの積、減圧弁用ソレノイド65により第2弁部材51に作用する電磁力Fmおよび減圧弁用ばね53の付勢力Spの合計より大きくなると、図6のように第2弁部材51は下方に移動し、減圧弁50は開弁する。これにより、圧力室522の気体燃料は、流路523、貫通孔515、および流路291を通って供給管8を流れる。
減圧弁50が開弁すると、排出圧力Poutが大きくなり、圧力Ppとシート面積Sとの積が、排出圧力Poutとシート面積Sとの積、電磁力Fmおよび付勢力Spの合計より小さくなるので、第2弁部材51は上方に移動し、減圧弁50は閉弁する。これにより、圧力室522から流路523への気体燃料の流入が停止する。また、減圧弁50が閉弁すると、排出圧力Poutが小さくなり、圧力Ppとシート面積Sとの積が排出圧力Poutとシート面積Sとの積、電磁力Fmおよび付勢力Spの合計より大きくなるので減圧弁50は再び開弁する。
減圧弁50では、このようにして、圧力室522の圧力Pp、流路291の排出圧力Pout、および電磁力Fmの大小関係から開弁と閉弁とを繰り返しながら、気体燃料の圧力を調整する。
減圧弁50では、このようにして、圧力室522の圧力Pp、流路291の排出圧力Pout、および電磁力Fmの大小関係から開弁と閉弁とを繰り返しながら、気体燃料の圧力を調整する。
エンジン26の停止などにより減圧弁50を閉弁するとき、減圧弁用ソレノイド65に最大電流を流す。これにより、第2弁部材51が第2弁座525に当接し、減圧弁50は閉弁する。
次に、主止弁用ソレノイド45に流れる電流を0にすると、主止弁用ばね37の付勢力により可動コア31、第1スライダ34、第2スライダ35、および第3スライダ36が第2接続部材29の方向に移動し、最初に第1弁部材32が第1弁座524に当接する。さらに、パイロット用弁部材33がパイロット用弁座324に当接することで主止弁30が閉弁する。最後に、減圧弁用ソレノイド65を流れる電流の電流値を0にする。
(a)第1実施形態の気体燃料用圧力制御装置1では、圧力室522の圧力Ppとシート面積Sとの積に対する排出圧力Poutとシート面積Sとの積および電磁力Fmの合計の大きさによって減圧弁50が制御する気体燃料の圧力が決定される。電磁力Fmの大きさは電流値の大きさを連続的に変更することで連続的に変更可能であるため、気体燃料の圧力をエンジン26の運転状態に応じて連続的に変更することができる。
(b)減圧弁50において気体燃料の圧力を制御するとき、第2弁部材51には、圧力室522の気体燃料の圧力が第2接続部材29の方向に作用するとともに、減圧弁用ばね53の付勢力および減圧弁用ソレノイド65により発生する電磁力が第1接続部材28の方向に作用する。気体燃料用圧力制御装置1では、減圧弁用ソレノイド65に流れる電流の電流値を閉弁時より小さくすることで、圧力室522の気体燃料の圧力を利用し第2弁部材51を第2接続部材29の方向に移動させ、減圧弁50を開弁する。これにより、開弁時に減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力を小さくすることができる。したがって、減圧弁用ソレノイド65を小さくすることができる。
(c)気体燃料用圧力制御装置1は、主止弁30と減圧弁50とが一体となるように形成されている。上述したように減圧弁用ソレノイド65は小さくなるため、主止弁30と一体となった気体燃料用圧力制御装置1の体格を小さくすることができる。
また、気体燃料用圧力制御装置1の体格が小さくなるため、燃料タンク13付近に気体燃料用圧力制御装置1を設けることができる。これにより、高圧の気体燃料が通る配管を短くすることができる。
また、気体燃料用圧力制御装置1の体格が小さくなるため、燃料タンク13付近に気体燃料用圧力制御装置1を設けることができる。これにより、高圧の気体燃料が通る配管を短くすることができる。
(d)主止弁30が閉弁しているとき、主止弁30の第1弁部材32には、隙間217の気体燃料の圧力と圧力室522の気体燃料の圧力とが作用する。特に、圧力室522の気体燃料の圧力が小さいとき、第1弁部材32には隙間217の気体燃料の高圧が作用するため、このまま主止弁30を開弁するためには、隙間217の気体燃料の圧力に抗する大きな電磁力が必要となる。気体燃料用圧力制御装置1では、パイロット弁を主止弁30として備えることにより、主止弁30を開弁するとき、すなわち、隙間219を介して流路214と圧力室522とを連通するとき、先にパイロット用弁部材33をパイロット用弁座324から離間させ、圧力室522に気体燃料を流入させる。これにより、第1弁部材32に作用する中心軸に沿った上下方向の力が同程度の大きさになるため、より小さい力で第1弁部材32の当接部321を第1弁座524から離間することができる。したがって、主止弁30を開弁するために主止弁用ソレノイド45が発生する電磁力が小さくなり、主止弁用ソレノイド45を小さくすることができる。
また、主止弁用ソレノイド45が小さくなるため、気体燃料用圧力制御装置1の体格をさらに小さくすることができる。
また、主止弁用ソレノイド45が小さくなるため、気体燃料用圧力制御装置1の体格をさらに小さくすることができる。
(e)また、気体燃料用圧力制御装置1では主止弁30を閉弁する前に減圧弁50を閉弁する。これにより、圧力室522に高圧の気体燃料が滞留するため、主止弁30を閉弁するとき、圧力室522の気体燃料によって第1弁部材32が緩やかに第1弁座524に当接する。したがって、第1弁部材32が弁座に524に当接するときの打撃音を小さくすることができるとともに、第1弁部材32の破損を防止することができる。
(f)従来、減圧弁にはダイヤフラムが用いられている。しかしながら、ダイヤフラムを用いる場合、設定可能な圧力範囲がダイヤフラムのリフト量によって制限される。気体燃料用圧力制御装置1では、従来減圧弁に用いられるダイヤフラムを備えていない。これにより、気体燃料用インジェクタ24に供給可能な気体燃料の圧力範囲に広くなり、大流量の気体燃料をエンジン26に供給することができる。
(g)また、第1弁部材32の貫通孔325は、第1弁座524からパイロット用弁座324に向かうに従って中心軸に垂直な断面積が小さくなるように形成されている。これにより、圧力室522の気体燃料の圧力がパイロット用弁部材33に作用する力を小さくする。したがって、パイロット用弁部材33の作動に圧力室522の気体燃料の圧力が及ぼす影響を小さくすることができる。
(h)また、主止弁用ソレノイド45と減圧弁用ソレノイド65との間に形成される第1環状部材215の周囲の磁路と第2環状部材216の周囲の磁路とは逆向きに重なるため、主止弁用ソレノイド45と減圧弁用ソレノイド65との間の磁力が打ち消される。これにより、主止弁用ソレノイド45と減圧弁用ソレノイド65との距離を小さくすることができる。したがって、気体燃料用圧力制御装置1の体格をさらに小さくすることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による気体燃料用圧力制御装置を図7に基づいて説明する。第2実施形態は、第1実施形態と異なり、主止弁の弁部材の形状が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。図7中に示す矢印は、気体燃料の流れFを示す。
次に、本発明の第2実施形態による気体燃料用圧力制御装置を図7に基づいて説明する。第2実施形態は、第1実施形態と異なり、主止弁の弁部材の形状が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。図7中に示す矢印は、気体燃料の流れFを示す。
第2実施形態による気体燃料用圧力制御装置2は、主止弁70および減圧弁50などを備える。
主止弁70は、弁部材72、可動コア71、および主止弁用ばね77から構成されている。弁部材72は、有底筒状の金属部材から形成されており、第1接続部材28側の端部に流路721が形成されている。流路721は、弁部材72の側壁に形成される貫通孔722を介して、第1接続部材28の流路281と、弁部材72の側壁と筒部211の内壁との間に形成される流路214とを連通する。
主止弁70は、弁部材72、可動コア71、および主止弁用ばね77から構成されている。弁部材72は、有底筒状の金属部材から形成されており、第1接続部材28側の端部に流路721が形成されている。流路721は、弁部材72の側壁に形成される貫通孔722を介して、第1接続部材28の流路281と、弁部材72の側壁と筒部211の内壁との間に形成される流路214とを連通する。
第2実施形態による気体燃料用圧力制御装置2の主止弁70は、主止弁用ソレノイド75が発生する電磁力により弁部材72を第1接続部材28の方向に移動する。これにより、主止弁用ソレノイド75は、第1実施形態による気体燃料用圧力制御装置1が備える主止弁用ソレノイド45より大きくなるものの、第1実施形態の効果(a)〜(c)、(f)、(h)を奏することができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による気体燃料用圧力制御装置を図8および図9に基づいて説明する。第3実施形態は、第1実施形態と異なり、減圧弁が設けられる位置が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
次に、本発明の第3実施形態による気体燃料用圧力制御装置を図8および図9に基づいて説明する。第3実施形態は、第1実施形態と異なり、減圧弁が設けられる位置が異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
図8に気体燃料用圧力制御装置3を利用する気体燃料供給システム10の模式図を示す。燃料タンク13からエンジン26に供給される気体燃料は、主止弁30、および圧力センサ18が備えられている接続管7を通る。接続管7を通る気体燃料は、吸気管25の管壁に設けられている気体燃料用圧力制御装置3によって減圧される。減圧された気体燃料は、気体燃料用圧力制御装置3に直接接続されている気体燃料用インジェクタ80を介して吸気管25内に導入される。
第3実施形態の気体燃料供給システム10が気体燃料を供給するエンジン26は多気筒式内燃機関であって、各気筒に吸気管25が設けられている。したがって、吸気管25の管壁に設けられる気体燃料用圧力制御装置3は、気筒の数にあわせて複数設けられる。
第3実施形態の気体燃料供給システム10が気体燃料を供給するエンジン26は多気筒式内燃機関であって、各気筒に吸気管25が設けられている。したがって、吸気管25の管壁に設けられる気体燃料用圧力制御装置3は、気筒の数にあわせて複数設けられる。
図9に気体燃料用圧力制御装置3および気体燃料用インジェクタ80の断面図を示す。気体燃料用圧力制御装置3は、図9の上側から順に燃料遮断弁19、および減圧弁50により構成されている。図9中に示す矢印は、気体燃料の流れFを示す。
燃料遮断弁19の構成は、第1実施形態の気体燃料用圧力制御装置1の主止弁30と同じ構成である。燃料遮断弁19は、接続管7と減圧弁50の圧力室522とを連通または遮断する。減圧弁50は、圧力室522の気体燃料の圧力、減圧弁用ばね53の付勢力、ハウジング21の下部に形成される低圧室293の気体燃料の圧力、および減圧弁用ソレノイド65が発生する電磁力の大小関係により気体燃料を減圧する。減圧された気体燃料は、気体燃料用インジェクタ80に送られる。
気体燃料用インジェクタ80は、ハウジング81、ニードル83、可動コア84、固定コア85、コイル86、スプリング87、およびスプリング88などを備える。
ハウジング81は、第1筒部材811、第2筒部材812、第3筒部材813、および噴射ノズル82から構成されている。第1筒部材811、第2筒部材812、および第3筒部材813は、いずれも略円筒状に形成され、第1筒部材811、第2筒部材812、第3筒部材813の順に同軸となるように設置される。
第1筒部材811および第3筒部材813は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により形成される。一方、第2筒部材812は、例えばオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料により形成される。
第1筒部材811および第3筒部材813は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により形成される。一方、第2筒部材812は、例えばオーステナイト系ステンレス等の非磁性材料により形成される。
噴射ノズル82は、第1筒部材811の第2筒部材812とは反対側の端部に設けられる。噴射ノズル82には、内壁と外壁とを接続する噴孔821が形成される。また、噴射ノズル82の内壁には、噴孔821を囲むようにして環状の弁座822が形成される。
ニードル83は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により棒状に形成されている。ニードル83は、ハウジング81の軸方向へ往復移動可能にハウジング81内に収容されている。ニードル83は、噴射ノズル82側の先端が弁座822から離間、または弁座822に当接することで噴孔821を開閉する。
可動コア84は、例えばニードル83と同じ材料であるフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。
固定コア85は、例えばフェライト系ステンレス等の磁性材料により略円筒状に形成されている。固定コア85は、ハウジング81の内側に固定されるようにして設けられている。
コイル86は、略円筒状に形成され、ハウジング81の第2筒部材812および第3筒部材813の径方向外側を囲むようにして設けられている。コイル86は、図示しないコネクタにより電力が供給されると磁束を発生する。コイル86が磁束を発生すると、第2筒部材812の周囲に磁路が形成される。
スプリング87は、一端がニードル83に当接するように設けられる。スプリング87の他端は、固定コア85の内側に圧入固定されたアジャスティングパイプ89の一端に当接する。スプリング87は、ニードル83とともに可動コア84を閉弁方向に付勢する。
スプリング88は、一端が可動コア84に当接するように設けられる。スプリング88の他端は、ハウジング81の第1筒部材811の内壁に当接する。スプリング88は、可動コア84とともにニードル83を開弁方向に付勢する。
スプリング88は、一端が可動コア84に当接するように設けられる。スプリング88の他端は、ハウジング81の第1筒部材811の内壁に当接する。スプリング88は、可動コア84とともにニードル83を開弁方向に付勢する。
気体燃料用インジェクタ80では、スプリング87の弾性による付勢力は、スプリング88の弾性による付勢力よりも大きく設定されている。したがって、スプリング87、88がニードル83に作用する付勢力は、スプリング87の弾性による付勢力からスプリング88の弾性による付勢力を引いた付勢力となる。コイル86に電流が流れていない場合、ニードル83の先端がスプリング付勢力により弁座822に当接した状態、すなわち閉弁状態となる。
減圧弁50で減圧された気体燃料は、図9に示すように気体燃料用インジェクタ80の内部を通って第1筒部材811の噴射ノズル82近傍まで流れる。ECU9の指令によりコイル86に電流が流れ、気体燃料用インジェクタ80内に磁路が形成されると、可動コア84が固定コア85に吸引される。これにより、ニードル83が弁座822より離間し、気体燃料用インジェクタ80内の気体燃料が吸気管25内に噴射される。
第3実施形態による気体燃料用圧力制御装置3では、気体燃料用インジェクタ80に直接減圧弁50が設けられている。これにより、各気筒に備えられる気体燃料用インジェクタ80にそれぞれ備えられることとなり、気体燃料用インジェクタ80の状態に対応した気体燃料の圧力制御を行う。例えば、気体燃料用インジェクタでの不純物の付着や気体燃料用インジェクタの個体差などを考慮して気体燃料の圧力を制御する。したがって、第3実施形態による気体燃料用圧力制御装置3は、第1実施形態の効果(a)〜(h)に加えて、さらに高精度にエンジン26の運転状態や気体燃料用インジェクタ24の状態に合わせて供給する気体燃料の圧力を制御することができる。
(他の実施形態)
(ア)上述の実施形態では、シール部材は、ゴムから形成されるとした。しかしながら、シール部材を形成する材料はこれに限定されない。金属であってもよい。
(ア)上述の実施形態では、シール部材は、ゴムから形成されるとした。しかしながら、シール部材を形成する材料はこれに限定されない。金属であってもよい。
(イ)上述の第3実施形態では、気体燃料用圧力制御装置は吸気管に設けるとした。しかしながら、気体燃料用圧力制御装置が設けられる場所はこれに限定されない。エンジンのシリンダヘッドに設けて、筒内噴射式の内燃機関としてもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態により実施可能である。
1、2、3 ・・・気体燃料用圧力制御装置、
10 ・・・気体燃料供給システム、
13 ・・・燃料タンク、
19 ・・・燃料遮断弁(第1弁)、
24 ・・・気体燃料用インジェクタ(噴射手段)、
26 ・・・エンジン(内燃機関)、
50 ・・・減圧弁(第2弁)、
52 ・・・弁本体(第1弁本体、第2弁本体)
525 ・・・第2弁座、
51 ・・・弁部材(第2弁部材)、
65 ・・・減圧弁用ソレノイド(第2電磁力発生部)、
53 ・・・減圧弁用ばね(第2付勢手段)。
10 ・・・気体燃料供給システム、
13 ・・・燃料タンク、
19 ・・・燃料遮断弁(第1弁)、
24 ・・・気体燃料用インジェクタ(噴射手段)、
26 ・・・エンジン(内燃機関)、
50 ・・・減圧弁(第2弁)、
52 ・・・弁本体(第1弁本体、第2弁本体)
525 ・・・第2弁座、
51 ・・・弁部材(第2弁部材)、
65 ・・・減圧弁用ソレノイド(第2電磁力発生部)、
53 ・・・減圧弁用ばね(第2付勢手段)。
Claims (5)
- 燃料タンク(13)に貯留される気体燃料の圧力を制御し、噴射手段(24、180)を介して内燃機関(26)に気体燃料を供給する気体燃料供給システム(10)に用いられる気体燃料用圧力制御装置(1、2、3)であって、
前記燃料タンク内と前記噴射手段内とを連通または遮断する第1弁(19、30)と、
前記第1弁に対して前記内燃機関側に設けられ、第2弁座(525)を形成する第2弁本体(52)、前記第2弁本体に対して往復移動可能に設けられ前記第2弁座に当接または離間することにより前記第1弁内と前記噴射手段内とを連通または遮断する第2弁部材(51)、電磁力により前記第2弁部材を前記第2弁座に当接する方向に付勢する第2電磁力発生部(65)、および前記第2弁部材を前記第2弁座に当接する方向に付勢する第2付勢手段(53)を有し、前記第1弁を通る気体燃料の圧力を前記噴射手段が噴射可能な圧力に減圧する第2弁(50)と、
を備え、
前記第1弁と前記第2弁とは一体に設けられ、前記第2弁部材が前記第1弁とは反対側の方向に移動するとき、前記第2弁部材は前記第2弁座より離間することを特徴とする気体燃料用圧力制御装置。 - 前記第1弁は、
第1弁座(524)が形成される第1弁本体(52)と、
前記第1弁本体に対して往復移動可能に設けられ、軸方向に貫通孔(325)を形成し、前記第1弁座に当接または離間する第1弁部材(32)と、
前記第1弁部材に対して往復移動可能に設けられ、前記貫通孔の前記第1弁本体側とは反対側の開口の縁部(322)に形成されるパイロット用弁座(324)に当接または離間するパイロット用弁部材(33)と、
前記第1弁部材を収容する第1収容室(347)および前記パイロット用弁部材を収容する第2収容室(354)を形成する収容室形成部材(34、35、36)と、
電磁力により前記収容室形成部材を前記第1弁本体から離れる方向に付勢する第1電磁力発生部(45)と、
前記第1弁部材を前記第1弁座に当接する方向に前記収容室形成部材を付勢する第1付勢手段(37)と、
を備え、
前記収容室形成部材が前記第1弁本体から離れる方向に移動するとき、前記第1弁部材が前記第1弁座から離間する前に前記パイロット用弁部材が前記パイロット用弁座から離間することを特徴とする請求項1に記載の気体燃料用圧力制御装置。 - 前記貫通孔の軸方向に垂直な断面積は、前記第1弁座から前記パイロット用弁座に向かうに従って小さくなることを特徴とする請求項2に記載の気体燃料用圧力制御装置。
- 前記第1弁本体と前記第2弁本体とは一体に形成されることを特徴とする請求項2または3に記載の気体燃料用圧力制御装置。
- 前記噴射手段に直接接続することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の気体燃料圧力制御装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2012139544A JP2014005729A (ja) | 2012-06-21 | 2012-06-21 | 気体燃料用圧力制御装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012139544A JP2014005729A (ja) | 2012-06-21 | 2012-06-21 | 気体燃料用圧力制御装置 |
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JP2014005729A true JP2014005729A (ja) | 2014-01-16 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018527557A (ja) * | 2016-06-20 | 2018-09-20 | ワルトシラ フィンランド オサケユキチュア | ガスバルブ装置、及びガスバルブ装置の圧力試験を行う方法 |
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2012
- 2012-06-21 JP JP2012139544A patent/JP2014005729A/ja active Pending
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JP2018527557A (ja) * | 2016-06-20 | 2018-09-20 | ワルトシラ フィンランド オサケユキチュア | ガスバルブ装置、及びガスバルブ装置の圧力試験を行う方法 |
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