JP3811503B2 - 改良型パージ・バルブを有するキャニスタ・パージ装置 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、内燃機関を動力とする自動車用の搭載燃料蒸発ガス発散制御装置に関する。この装置には、エンジン用の揮発性液体燃料を収めるタンクからの燃料蒸気を集める蒸気捕集キャニスタと、捕集した蒸気をエンジンの吸気マニホルドに定期的にパージするパージ・バルブとを含む。
発明の背景および概要
現今の装置にはマイクロプロセッサに基づくエンジン管理システムにより生成されるパージ制御信号の制御によるソレノイド・パージ・バルブを含むのが一般的である。代表的なパージ制御信号は、たとえば５Ｈｚないし５０Ｈｚ範囲の、比較的低い周波数のデューティ・サイクル変調パルス波形である。変調範囲は０％ないし１００％にわたる。従来のソレノイド・パージ・バルブの中には反応が十分に早い、印加されるパルス波形に弁がある程度従うものがあり、そのためにパージ・フローにも同様の脈動が生じる。吸気マニフォルドへの蒸気フローが脈動するとエンジン排気中に好ましからぬ炭化水素スパイク（hydrocarbon spike）を生成することがあり、この脈動は排気管発散制御のためには有害な場合がある。車両の通常運転中に起こる吸気マニフォルド真空もまた直接弁に作用して制御手法を狂わせることがあり、それを防ぐには、その影響を考慮した、真空度調節器弁を含める等の備えがなければならない。さらに、低周波数の脈動によって可聴ノイズを生じ不快感を与えることもある。
周知の形式による燃料蒸気回収装置についてアメリカ特許第５，２３７，９８０号において論じており、同特許は装置の流量特性をキャニスタ・パージ・バルブのアーマチュアの動きを減衰する改良に関する。その改良はアーマチュアおよび固定子の、エア・ギャップのインタフェースにおける相対面内へのステップ導入、ニューマチック・ダンピング、アーマチュアの移動を案内するわずかなランニング・クリアランスを有する真鍮管により達成される。
別の周知の形式によるエンジン・エミッション制御についてアメリカ特許第５，２６５，８４２号において論じている。エンジン・エミッション制御計測弁に、固定磁石およびこれと同心のムービング・コイルを含む電気的に付勢したリニア・アクチュエータに接続した計測ボール弁部材を含む。コイルの移動が、その移動により駆動されるカムのウエッジング・アクションにより計測弁部材の移動に翻訳される。
さらに別の周知の形式によるエンジン・エミッション制御についてアメリカ特許第５，４１３，０８２号において論じており、弁がワンピース・ガイド弁座部材および同ガイド弁座部材のブシュにより案内されるワンピース弁部材を有する。バルブヘッドおよび弁座の構成により、弁を開きかつ弁前後の圧力ディファレンシャルが一定の最小限を超えたときに弁にソニック・フローを生じる。
本発明の一般的概念は、制御の確度を損なう影響にもかかわらずより正確な制御を与えることができるキャニスタ・パージ・バルブを提供することにある。この一般的目的をさらに進め、より具体的概念として、線形ソレノイド・アクチュエータを備えたキャニスタ・パージ・バルブを提供する。そのほか、さらに具体的には弁および弁座部材の詳細等、構造上の特徴に関する。
前述の特許ならびに追加の特徴、および本発明の他の長所は、以下の説明と請求の範囲と添付の図面により理解されよう。図面は本発明を実施する現時点のベスト・モードによる本発明の好適な実施例を開示する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の原理を実施したキャニスタ・パージ電磁弁の第一の実施例を燃料蒸発ガス発散制御装置と関連して示す縦断面図である。
第２図は、第１図の円２内を変形した形式を示す一部切欠拡大図である。
第３図は、本発明の原理を実施したキャニスタ・パージ電磁弁の第二の実施例を示す縦断面図である。
第４図は圧力調整弁と関連して第１図の弁を示す。
第５図は概略的に図示された追加の特徴に関連した第１図の弁を示す。
第６図は概略的に図示された追加の特徴に関連した第１図の弁を示す。
第７図、第８図、および第９図は各々本発明の確かな概念の説明に有役なグラフ図である。
第１０図はキャニスタ・パージ電磁弁の操作制御装置の概略ブロック線図である。
好適な実施例の説明
第１図は自動車の燃料蒸発ガス発散制御装置１００を示し、同装置は蒸発ガス捕集キャニスタ１２０およびキャニスタ・パージ電磁弁１４０を従来形式の内燃機関２００の燃料タンク１６０および吸気マニホルド１８０間に直列につないで構成する。エンジン管理コンピュータ２２０は弁１４０を操作するパージ制御信号を供給する。
弁１４０は、管路２８０を介してキャニスタ１２０のパージ・ポートに連結する入口２３および管路３２０を介して吸気マニホルド１８０に連結する出口２２を有する二部品弁箱Ｂ１、Ｂ２を包含する。管路３２１はキャニスタ・タンク・ポートを燃料タンク１６０のヘッド・スペースに連通する。キャニスタ・パージ電磁弁１４０は縦軸３４０を有し、弁箱部品Ｂ１は軸３４０と同軸かつ軸方向上端で開口する円筒形の側壁３６０を包含し、その軸方向上端で部品Ｂ１は弁箱部品Ｂ２と合体する。弁箱部品Ｂ１の軸方向下端には軸３４０と同軸かつ半径方向に出口２２により遮断される側壁１１を包含する。肩部３５０により、側壁１１が側壁３６０と接続する。側壁１１には、側壁１１の下部および上部１１Ａ、１１Ｂをつなぐ肩部が含まれ、側壁の下部は完全な円筒形であり、上部はその一部が円筒形である。出口２３は側壁１１の軸方向下端から延伸するエルボ状を成す。弁箱部品Ｂ１自体は、その軸方向上端開口部と２つの口２２および２３以外は囲繞されている。
ソレノイドＳは、弁の組立中に弁箱部品Ｂ１の上端開口部から部品Ｂ１内に取り付ける。ソレノイドは、ボビン８と、これに巻回しボビン取付電磁コイルを形成する磁石ワイヤ９と、このボビンコイルに係合した固定子構造とにより構成する。この固定子構造は、ボビンコイルの上端部に配した固定子上端部片７と、ボビンコイルの外周部に配した円筒状の固定子側部片１９と、ボビンコイルの下端部に配した固定子下端部片１０とにより構成する。
固定子上端部片７には平坦な円盤部分を含み、同部分の外周辺を側部片１９の上端に嵌合し、かつ円盤部分にはブシュ４を軸３４０と同軸に圧入する穴を含む。同円盤部分には、もう１つ別の穴を含み、そこから一対のボビン取付端子１７を上方に通し、同端子の端部に磁石ワイヤ９を接続する。部片７にはさらに、円筒状のネック７Ａを含み、同ネックは円盤部分から下方に一定距離を延伸し、軸３４０に同軸のボビン８内の中央通り穴内に至る。ネック７Ａの内面は円筒状とし、一方その外面はネックがボビン通り穴内に入るにつれてテーパが漸減する半径方向の厚みを有する円錐形とする。
固定子下端部片１０には平坦な円盤部分を含み、同部分の外周辺を側部片１９の下端に嵌合し、かつ円盤部分にはブシュ２０を軸３４０と同軸に圧入する穴を含む。部片１０にはさらに、円筒状上部ネック１０Ａを含み、同ネックは円盤部分から上方に一定距離を延伸してボビン８内の中央通り穴内に至り、かつ同ネックは軸３４０に同軸とする。ネック１０Ａの厚みは均一とする。部片１０にはさらにまた円筒状の下部ネック１０Ｂを含み、同ネックは円盤部分から下方に一定距離を延伸し、その最下端部を側壁１１の下部１１Ａ内に密嵌する。弁座部材２１にはくびれがあり、これをネック１０Ｂの下端部に圧着嵌入し、Ｏリング２４により壁部分１１Ａの内側に封着する。ネック１０Ｂの側壁１１に嵌合する最下端部の上部に通り穴１０Ｃがいくつかあり、出口２２と、弁座部材２１の上方のネック１０Ｂにより制限された空間との間を連通する。側壁１１の上部１１Ｂは先に記載のように、通り穴１０Ｃによる連通を制限しない形状となっている。
ブシュ４および２０の案内により、弁棒１２は軸３４０に沿って直線運動を行う。弁棒１２は中央部がわずかに大きくなっており、これに管状アーマチュア１８を圧接嵌合する。弁棒１２の下端部は、弁座部材２１と協働する弁部材に合うように形成する。第１図の弁部材は一般的な、テーパ付きピントル（pintle）形式のものであり、端部を丸めた円錐形先端１２Ａを含む。先端１２Ａのすぐ上部に、弁座部材２１に密接するＯリング形式のシール１３を弁棒周囲に配する。弁座部材の詳細については第２図に関して後述する。第１図はこのシールが部材２１に密着し、口２２および２３間の流路を閉じた状態を示す。この状態では、アーマチュア１８の上部はネック１０Ａの上端部とネック７Ａの下端部との間にあるエア・ギャップに軸方向に重なるが、半径方向のわずかなクリアランスがあるので、アーマチュア１８は実際にはこれらのネックに接触せず、それによって磁気短絡（magnetic shorting）は避けられる。
弁棒１２の上端部はブシュ４の上方にある距離の間突出し、且つばね受け３を取り付ける形状とする。弁箱部品Ｂ２を弁箱部品Ｂ１に、対面しかみ合うフランジを掴持してシール６を両部品間に挾持するクリンチ・リング（clinch ring）５により取り付け、ばね受け３と、部品Ｂ２の適当な形状のポケット内に受ける別のばね受け１との間に螺旋コイルばね２’を捕らえる。軸３４０に同軸のこのポケット内の穴に較正ねじ（calibration screw）１４を入れてあり、適当な工具（図示せず）により外部からアクセスできるので、それによってばね受け１をポケットに対して軸方向に位置決めする。ねじ１４の穴内へのねじ込みを増すことにより、ばね受け１のばね受け３に向かう移動が増し、その過程でばね２’の圧縮が増す。端子１７は部品Ｂ２に取り付けた端子１６にも接続して電気的コネクタ１５を形成し、エンジン管理コンピュータ２２０に連結する別のコネクタ（図示せず）と結合する。
ソレノイドＳが電流により次第に付勢されると、アーマチュア１８がばね２’の対抗力に抗して上方に引かれ、弁が弁座からはずれ、弁が開くことによって口２２および２３間に流れが生じる。概して、弁が開く程度はコイルを流れる電流の大きさに依存するので、電流を制御することによって弁を通るパージ・フローが制御される。この制御の詳細および弁の反応については、本発明の新規な概念についてさらに述べる際に関連してさらに詳しく説明する。
第２図は、弁棒１２の下端部の、形式を変えた弁部材の詳細と弁座部材２１の詳細を示す。この弁部材には、丸めた先端１２Ｂと、先端１２Ｂから延伸する円錐形のテーパ部分１２Ｃと、同部分１２Ｃから延伸するまっすぐな円筒状部分１２Ｄと、部分１２Ｃのすぐ上の、弁棒に配した、Ｏリング形式のラバー・シール１３と、同シール上端の、一体バックアップ・フランジ１２Ｆとを包含する。弁座部材２１内の通り穴には、まっすぐな円筒状部分２１Ｂを有する、内側向きのショルダ２１Ａと、部分２１Ｂから延伸し、ネック１０Ｂにより制限される内部空間に開いた円錐形の弁座面２１Ｃとを包含する。図示の閉じた状態においては、シール１３の円形面部分が部分２１Ｂにもっとも近い弁座面２１Ｃと周囲継続密接状態にあり、かつ部分１２Ｄは部分２１Ｂとともに軸方向に延伸する状態にある。
弁棒をまず上方に変位させて弁部材を弁座部材から離し始めると、Ｏリング・シール１３の弁座面２１Ｃとの接触が断たれるが、真直部分１２Ｄは上向き行程の一定量にわたり引き続き部分２１Ｂに軸方向に重なりあっている。したがって、流れのための有効オープン・エリアはその重なり合いが終わってテーパ部分１２Ｃが部分２１Ｂとともに延伸する状態となるときまでほぼ一定である。引き続き弁棒１２が上方に移動すると、有効エリアは先端１２Ｂが通過するまで漸増する。先端が部分２１Ｂを通過して離れた後は、通り穴は弁部材による制限を受けなくなる。
第３図は、キャニスタ・パージ電磁弁の別の実施例を示し、多少の相違はあっても第１図および第２図の同様部品に相当する部品は同じ参照符号で識別してある。第３図と、第１図および第２図との重要な相違点のみを説明するが、その他の各部品、各々の弁との関係、および各々の機能は本質的に同じであることはいうまでもない。第３図では、口２３はエルボ形ではなくまっすぐであり、弁座部材２１は別個の挿入品ではなく弁箱部品Ｂ１と一体に形成されている。弁棒１２は上部弁棒部分１２’および下部弁棒部分１２”により構成するツーピース構造とする。上部弁棒部分１２’はブシュ４により案内し、これより上に貫通して第１図と同様にばね受け３に取り付けるが、アーマチュア１８には止まり穴があって弁棒部分１２’の下端部に圧接する。円筒状のスリーブ２７の上端部はネック７Ａの内側に嵌合し、同スリーブの下端部はネック１０Ａの内側に嵌合し、同ネックの全長にわたり延伸するのみならず、部分的にネック１０Ｂ内のショルダ１０Ｄにまで至る。スリーブ２７はアーマチュア１８の直線運動を案内し、アーマチュアと上部弁棒部分１２’により構成するアセンブリを２つの軸方向に離れた位置で案内する。
スリーブ２７は、アーマチュアの固定子端部片への有害な磁気短絡を避けるため、磁気抵抗の高度な材料製とする。このスリーブの材料としては真鍮が適しており、摺動に対する摩擦抵抗もかなり低い。ブシュ４および２０は磁気短絡を回避できかつ摺動に対する摩擦抵抗の低い材料製とするのが好ましく、グラファイト含浸青銅が材料として適当である。弁棒１２は、アーマチュア１８をネック７Ａおよびネック１０Ａ間の磁気回路エア・ギャップ内で本質的に唯一の磁束伝導体（flux conductor）とするため、非磁性ステンレス・スチール製とすることが好適である。
下部弁棒部分１２”はブシュ２０により案内し、丸めた上端部の下一定の距離を隔てたところにあるフランジ２５を包含する。螺旋コイルばね２４を弁棒部分１２”の周囲にブシュ２０の上端部とフランジ２５との間に配し、それによって下部弁棒部分１２”をブシュから上向き方向に反発弾性的にバイアスする。アーマチュア１８の下端部には、直径を弁棒部分１２”の上部先端よりわずかに大きくした止まり穴２９とわずかに凹の底とを含む。弁棒部分１２”の丸めた上部先端は穴２９のこの凹の底にばね２４の力によって当接する。ばね２４が出す力はばね２’の出す力よりずっと小さいので、ばね２４によって下部弁棒部分１２”はアーマチュア１８の上方向への変位を追尾するにすぎない。弁が開いたときアーマチュア１８が下方に変位することにより、弁棒部分１２”はアーマチュアとともに下向きに動き、その過程でばね２４を益々圧縮する。第３図に示す弁棒のツーピース構造の重要な長所は、ブシュと弁座の心合わせが第１図のワンピース弁棒構造の場合ほど枢要でないということである。したがって、第３図の実施例においては部品は多くなるものの、個々の部品に関する製造上の公差をゆるめることができよう。なお、第３図のような２部品による弁棒を適切な状況においては第１図の弁の設計に導入し得ることは理解できよう。
ソレノイドの付勢時にネック７Ａとネック１０Ａ間のアーマチュアを通過する磁束の線には軸方向成分と半径方向成分とがあるが、軸方向成分のほうが支配的である。半径方向成分は実際問題として完全に釣り合うことは決してなく、したがって正味半径方向力をアーマチュアに及ぼしてアーマチュアを横に動かそうとする。ツーピース弁棒構造はアーマチュアに作用する磁力の正味半径方向成分が重要な弁においては好都合である。第３図の弁に対する半径方向磁力の影響はアーマチュアと上部弁棒部分にのみ及び、かつその直線運動には二点案内があるのみなので、この半径方向力の影響は第１図の三点案内の場合より許容しやすい。したがって、三点案内は一般に一段と高い心合わせ精度とより厳しい部品公差および組立公差が要求される。第３図の弁においては、穴２９の凹の底と弁棒部分１２”の丸めた先端部との間の接触の性質により、かつまた穴と弁棒部分との間の半径方向公差により、アーマチュアに及ぼす半径方向力が下部弁棒部分１２”に伝わって重要な意味を持つことはない。弁座部材のブシュ２０への心合わせの制御およびブシュ４のスリーブ２７への心合わせの制御を別個に行うことができるために、一般的に三点心合わせに要求されるより高い精度は必要としない。
弁座部材２１および下部弁棒部分１２”の下端部は、弁がある最小限度量開き、かつエンジン・マニホルド真空度がある最小限度、すなわち音速流（sonic flow）より大きいときの吸気マニホルド真空度の変化にかなり鈍感な流れを与える形状とする。弁座部材２１には、図示のようにノズル状の側部面２１Ｘと側部面２１Ｘの下端部の肩部２１Ｙとを含む。肩部２１Ｙは、入口２３より出口２２に至る弁の通路内部への開口を制限する。側部面２１Ｘに対面する、下部弁棒部分１２”の下端部の側壁面１２Ｘは図示のように凹面形状をしている。弁棒部分１２の下方先端部にはラバー・シール１３を含み、その周囲は、弁の閉鎖時には、図示のように肩部２１Ｙの上部面により弁座と完全に周囲密接している。
第３図の側壁１１は、出口２２に面するところで開いている以外は、全体にまっすぐであることがわずかに異なる。ネック１０Ｂは、側壁１１の下端部までは至らず、側部面２１Ｘの上端部の真上に空間を与え、弁を開いたときに肩部２１Ｙによって制限された開口を通過後の流れが出口２２へと通っていく。
ソレノイドＳが電流により付勢されると、アーマチュア１８がばね２’の反対する力に抗して上向きに引かれる。ばね２４の力により下部弁棒部分１２”がこれを追尾し、それによってシール１３が肩部２１Ｙの与える座を離れ、かつ弁が開いて出口２２と入口２３間に流れが生じる。この場合もまた、一般的に、弁の開く程度はコイルの電流の大きさに依存するので、電流を制御することによって弁のパージ・フローが制御される。その制御の詳細については、本発明の新規な側面についてさらに述べる際に関連してより詳しく説明する。
第４図は、ニューマチック・レギュレータＰＲに連結した第１図の弁１４０を示す。このニューマチック・レギュレータは、吸気マニホルドの真空度がある最小限度を超えた場合に、所定量の弁の開きに関して、吸気マニホルド真空度に無関係に、ほぼ一定の流れを与える働きをする。これは多くの制御戦略において望ましいことである。弁１４０が開いたとき、その出口２２はニューマチック・レギュレータを介して吸気マニホルド真空に連通し、ニューマチック・レギュレータの入口２５Ａが管路４００を介して出口２２に接続し、かつニューマチック・レギュレータの出口２８Ａが管路４１０を介してマニホルド１８０に接続している。
レギュレータＰＲには筐体３０を含み、同筐体に内部ダイアフラム２６を含み、このダイアフラムが筐体とダイアフラム間の伸張可能容積（expandable volume）３１を画定する。ダイアフラムの一体部分であり、かつダイアフラムの中央域に配した剛性のインサート３３に弁３２が取り付けてある。ダイアフラムの周囲マージンは筐体３０のリムにキャップ２９により圧縮保持してあり、同キャップにはキャップを筐体に取り付ける一体スナップ・ファスナ３４がある。ダイアフラムとキャップの内側により第２の伸張可能容積３５が画定され、通気オリフィス３６を介して大気に連通する。ばね３７を筐体内に配し、これによって出口２８Ａから延伸する通路の端にありかつ弁と協働する弁座２７から離れる方向にダイヤフラムと弁をバイアスする。吸気マニホルド真空度が次第に高まると、伸張可能容積３１内の真空度がばね２７の力に反対の力をダイアフラム２６に及ぼし、ダイヤフラムが軸方向に弁座に向かって移動する。真空度が十分なレベルに達すると、弁３２が弁座２７を封じて入口２３と出口２８Ａとの間の連通を止める。次いで容積３１内の真空度がキャニスタ・パージ・バルブ１４０を介し減衰して元にもどり、ダイアフラムにかかる力が弁３２と弁座２７間のシールを維持するには不十分なレベルまで減少する。ばね３７の力によって弁が弁座を離れると、容積３１内の真空度が再び高まり始め、十分になると弁がまた弁座に着く。この調節サイクルを必要のつど繰り返して容積３１内の平均真空度を維持する。この平均のレベルは、ばねの力およびダイヤフラムの有効エリアの関数である。この平均真空度はほぼ一定であるから、弁１４０の開きの度合が与えられている場合、吸気マニホルド真空度が変化して必要最小限度の真空度レベルを超えても、弁１４０を通る流れは同様にほぼ一定である。第４図に示すレギュレータＰＲは別個のアセンブリであるが、必要な場合にはキャニスタ・パージ・バルブに一体とすることもできる。なお、レギュレータ内の弁の作用は出口２８Ａと伸張可能容積３１との間で起こるので、真の真空度調整が行われることに留意されたい。
第５図は、第１図の弁に追加の特徴を導入したものを示す。この特徴は弁箱の壁３６０を通してソレノイドＳの近傍に大気ブリードを入れることにある。この特徴を具体的に実施したのがオリフィス５００およびフィルタ５０２であり、これによって壁内の空間を大気と連通する。フィルタを使用するのは一定のコンタミナントの弁内への侵入を防止するためである。このブリードにより、パージ・フロー・パスから上方のソレノイドを含む空間内に侵入した真空度の著しい蓄積を防止し、それによってその真空度がソレノイドの作動に潜在的な悪影響を及ぼすのを防止する。
第６図は、同じく真空度によるソレノイドの作動への影響を防止する目的を達する別の手段を示す。この手段には、図示のように、ソレノイド空間から、オリフィス５０４および一方向逆止め弁５０６を介してキャニスタ・ポートに至る経路を定めることが含まれる。逆止め弁は、蒸発ガス発散防止装置の法の定めによる漏れ試験中にブリード・オリフィスをシールするために使用し、その試験中に漏れのないことが十分に保証される作動ディファレンシャル（operating differential）がなくてはならない。キャニスタに接続されているのは入口２３であって出口２２でないことは、この種の試験に関して好都合である。その理由は、入口２３に関してシール１３およびシール２４の先に配した、パージ・バルブ構造のその部分に大気へのフロー・パスがあれば、規定の要件に適合するはずの装置で間違った試験結果が出ることはないのに対し、出口２２をキャニスタ・ポートとして用いる装置の試験では、大気へのフロー・パスが原因で不合格となりかねないからである。
前述の実施例のソレノイドＳの構成および配置によれば、ソレノイドはその作動範囲で終始ほぼ線形の作動特性を示す。このソレノイドの線形作動特性は固定子構造をアーマチュアの近傍に相対的に形成することによって得られる。その形成方法は、ばね２’が無く、ソレノイドがアーマチュアにのみ作用するとした場合でも、アーマチュアに及ぼす軸方向の磁気の力がソレノイド・コイル９を流れる電流のほぼ線形の関数であるようにすることである。ばね２’の効果を考慮に入れれば、（説明した実施例では、ばねはほぼ線形の圧縮対力特性を有する）、電流が一定ならば、アーマチュアは軸３４０に沿って、磁気の力とばねの力が互いに打ち消し合う位置をとることが理解されよう。電流を増せば、アーマチュアは益々上方に変位し、両方の力が釣り合うまでばねが圧縮され、一方電流を減らせば、ばねは釣合が再び達成されるまで緩む。所定のパージ・バルブの実際の流量特性は、ソレノイドの線形作動特性の関数であるのみならず、弁部材および弁座部材の設計において具体化された流量特性の関数、ならびにばね２’の力対圧縮特性の関数でもある。したがって、所定のパージ・バルブの流れ対電流特性は、特定の使用要件によって線形とも非線形ともすることができる。たとえば、非線形特性のばねを線形特性のばねに代えて使用することもできる。
キャニスタ・パージ・バルブの端子１６前後に印加する好適な電気的入力は、ほぼ一定の電圧を有し、かつ一定の周期で生じる方形の電圧パルスから成るパルス幅変調（ＰＷＭ）波形である。パルスの幅によって弁の開く程度が決まるから、パルス幅を変えることによって、弁は各様の開き具合で作動する。パルス幅が増せば、ソレノイド・コイルを通る通常電流も増す。コイルに生じ、アーマチュア１８に作用する磁場の強さはコイルの巻数と通常電流との積であるから、アーマチュアに印加される力はパルス幅が増すにつれて増大する。
閉じたパージ・バルブを開くために必要な最小限のパルス幅（時間持続で表した開き始め（ＳＴＯ）の値）（start-to-open, or STO value）は、較正ねじ１４によりばね座１を位置決めすることによってばね２’が圧縮される程度により設定される。しかし、そのパルスが終止すると、ばね２’が弁部材を閉の位置へと押し込み始める。後続のパルスが一定時間内に印加されない場合には、弁部材は弁座面との接触を再び確立する。たとえば、第一のパルスが第１図から第３図のパージ・バルブに印加されると、シール１３は実際に弁座面との接触が途切れてパージ・バルブにいくばくかの流れが生じるが、次のパルスが十分時間を経ても印加されない場合にはシールがばね２’の作用によって弁座面に押し戻される。弁座に衝突する総質量（total mass）には一定の慣性があり、ばね２’の力に関しては、慣性衝撃力（inertial impact force）によって移動質量（moving mass）がある程度リバウンドする。第１図から第３図の実施例で開示したように弁部材にエラストマー・シール１３を含む場合には、その圧縮特性も弁座衝撃（seat impact）によるリバウンドに対して幾分かの効果がある。この現象は、ばねの力を表すベクトルと対抗する電磁力および衝撃力の組合わされた力を表すベクトルとにより概ね第２図に示してある。
第７図は、振幅１４．０ ＶＤＣ、周波数７５ＨｚのＰＷＭ電圧を印加したパージ・バルブの流れ対デューティ・サイクル特性（flow vs. duty cycle characteristic）を示す。弁部材の弁座部材との衝突はデューティ・サイクルおよそ１０％（ここで弁が開き始める）からおよそ２４％の範囲で起こる。（試験装置においてデューティ・サイクル１０％未満でおよそ１ＳＬＰＭの流れは漏れを表し、閉じたパージ・バルブでは漏れ無しを表す）。その範囲の上の端、すなわちおよそ２２％からおよそ２４％のデューティ・サイクルでは、デューティ・サイクルが増すと流れがわずかに減少することがある変わり目がある。２４％を超えるデューティ・サイクルでは、さらなる衝突はなく、特性はデューティ・サイクルおよそ５０％までほぼ線形であり、５０％で流れはほぼ７２ ＳＬＰＭである。およそ５０％−６０％のデューティ・サイクルからは、線形性は減少し、およそ６０％を超えるデューティ・サイクルで流れはほぼ一定となり、流れが最大であることを表す。この特性は、ある用途に関しては十分であろうが、他の用途に関しては、低いデューティ・サイクル範囲の線形性がもっと良いほうが好ましいということもあろう。その改良はいくつかの方法により得ることができる。
第８図はこの特性の改良を示し、この図では流れを通常電流の関数としてプロットしている。ただし、この電流はＰＷＭ電圧をソレノイドに印加した結果である。改良の１つの方法は第２図に示す弁部材構造を用いることであり、その構造においては、弁部材を弁座面に関して位置決めする一定の初期範囲中に円筒状の部分１２Ｄが弁座部材の円筒状面２１Ｂと重なり合う。そのため、弁部材が開に動く初期範囲を通じてオープン・エリアは実質的に変わらず、この特質が助けとなって特性曲線の線形性がこの範囲で一段と良くなる。パルス周波数をたとえば１５０Ｈｚに高めてもよいであろう。
第８図はさらに、この特性プロットにわずかなヒステリシスがあることを示す。そのことは用途によっては問題にせずともよいであろうが、ＰＷＭ信号を印加する手順により、その影響を除くことができる。詳細については後述する。したがって、パージ・バルブ自体がそのようなヒステリシスを最小限とする構造であるのみならず、その運用方法によりさらにヒステリシスを少なくすることができる。
第９図は、流れを通常電流の関数としてプロットした一連の特性プロットを開示する。（各特性プロットのわずかなヒステリシス効果は、図を分かりやすくするために示してない。）これらの特性プロットは各々吸気マニホルド真空度の特定の大きさの関数として表している。この図から、真空度３００ｍｍの特性プロットが第８図の真空度２５４ｍｍの特性プロットにきわめてよく似ていることが分かる。第９図のプロットはニューマチック・レギュレータを使用しない場合の第１図のテーパード・ピントル・バルブ等のパージ・バルブの特徴を表す。第４図の場合のように、ニューマチック・レギュレータを使用することによって、様様なマニホルド真空度のパージ・バルブに対する影響がかなり取り除かれ、その調整パージが本質的に単一な特性プロットで表される。
ソレノイドへのＰＷＭ入力に反応し、コイル内の電流は通常の直流成分に周期がパルス周波数に関連する変動成分を重ねた合成電流と考えることができよう。アーマチュアと弁棒の総質量（total mass）は、ソレノイドの電磁力特性に関して、この質量が前記の合成電流に従うように選択される。言い換えれば、この質量は通常の直流成分に関連する位置に位置決めされ、かつその位置でわずかにディザを行う（dither）。このディザリング（dithering）はバルブ位置の変化を指令する電流入力の変化に対する応答性（responsiveness）を、ディザのない場合に起こる静摩擦の影響を最小化し、かつヒステリシスの影響を減らすことによって改善する上で有益である。弁部材がごくわずかに開いたとき、後続パルスの前に弁部材が弁座面に衝突するのはディザの結果かもしれず、それのみをとれば望ましくないことであるが、弁部材をこの低い範囲より上で操作したときに得られる著しい長所があり、かつ既に説明したように、その影響は、この低い範囲内での当初変位のために弁部材と弁座の開きの間の一定のオープン・エリアを与える第２図の弁部材設計によって改善される。ディザの量はきわめてわずかでよく、また現に過度のディザはパージ・フローに望ましくない脈動を起こし得るので避けるべきである。
ヒステリシスの影響はソレノイド・コイル内に電流を生じかつ制御するために使用する回路によって減らすこともできる。第１０図は典型的な回路を示す。同回路には三端子ソリッド・ステート・ドライバ６００と、電流感知抵抗器６０２と、信号調節増幅器６０４と、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器６０６と、電流参照／制御論理回路６０８とを包含する。ソリッド・ステート・ドライバ６００はその主伝導端子６００ａ、６００ｂ間に制御された導電パスを有する。端子６００ａは接地され、端子６００ｂは抵抗器６０２の一方の端子に接続している。抵抗器６０２の他方の端子はソレノイド・コイル９の一方の端子に接続し、ソレノイド・コイル９の他方の端子は、正の直流ポテンシャルに接続している。このポテンシャルはよく調整することが望ましい。ソリッド・ステート・ドライバ６００はさらに、端子６００ａ、６００ｂ間の主導電パスを介して導電率を制御する制御入力端子６００ｃを有する。端子６００ｃは抵抗器６１２を介して接続され、電流参照／制御論理回路６０８からのＰＷＭ出力信号がドライバ６００の制御入力に印加される。信号調節増幅器６０４の入力は抵抗器６０２の前後に接続され、その出力はＡ／Ｄ変換器６０６の入力に接続されている。Ａ／Ｄ変換器６０６の出力は電流参照／制御論理回路６０８の一方の入力に接続され、その他方の入力はソレノイド・コイルへの所望のＰＷＭ信号を指令する信号を与えるソースからの入力信号を受ける。この回路構成品の多くは、抵抗器６０２およびおそらくドライバ６００は別として、マイクロコントローラに基づくエンジン管理コンピュータのハードウェア、ソフトウェア、またはその組合せとして実施できよう。
抵抗器６０２、調節増幅器６０４、Ａ／Ｄ変換器６０６、および電流参照／制御論理回路６０８が与えるコイル電流フィードバック情報は銅線形成コイル９の抵抗を変える温度変化を補償するために用いる。このように、コイルの所望電流を変えるコイルの抵抗器の温度誘導変化の影響は本質的に除去される。コイルの一方の端子に印加される直流供給電圧がよく調節されてない場合は、それをモニタすることができ、変化は同様にして補償することができる。その補償により、コイル内の電流はエンジン管理コンピュータが指令する電流であることが保証される。この補償はドライバ６００の作動時に印加される実際のパルスのパルス幅を調節する形をとり、この補償のことを切替定電流制御ということもある。
ヒステリシスは所望の位置に常に同じ方向からアプローチする制御手法を用いることによって取り除くことができる。第８図は、下降流量特性と上昇流量特性をともに示す。この制御手法を用いれば、常にこの２つの特性のうち１つの指令位置にのみ達する。たとえば、上昇流量特性を用い、弁の開きを増す方向に動くよう指令する場合には、指令入力が所望の目標位置である。他方、弁の開きを減らす方向に動くよう指令する場合には、指令入力をまず開きを減ずる方向にわずかにオーバーシュートし（弁は実際には下降流量特性に従うので）、その後に、開きを減ずる目標位置を指令しなければならない（その間弁は上昇流量特性に従う）。
以上に本発明の好適な実施例を説明したが、原理は請求の範囲に属する他の実施例にも適用できるものである。たとえば、第１図および第３図は止めねじ較正（set screw calibration）を示すが、組立に先立って正しい個別のばねを選択すれば、ねじによる較正は廃することもできるが、その場合は大量生産のコストが高くなるかもしれない。同様に、異なる回路部品を使用して均等な働きをする制御回路を構成することができよう。
また、オリフィスをパージ・フロー・パスに配することもできる。第４図はキャニスタ・ポート２３の入口に配した固定オリフィスにより構成する環状部材を示す。このオリフィス部材はパージ・フロー特性の比例減衰を与え、これにはテーパ付きピントル・バルブ部材を十分に開いて弁座部材を通る流れを制限しないときにパージ・バルブの流量特性を定義することが含まれる。また、可変オリフィスをパージ・フロー・パスに配することもできる。その可変オリフィスはパージ・バルブ部材とマニホルドとの間に配すると好適である。

Claims (19)

1. エンジンの吸気マニホルドと燃料タンクの揮発性燃料により生ずる蒸気を捕集する燃料蒸気捕集キャニスタとの間に配したパージ流路を包含する電動キャニスタ・パージ・バルブであって、前記電動キャニスタ・パージ・バルブは、前記キャニスタの前記吸気マニホルドへのパージングを、前記キャニスタ・パージ・バルブによる前記パージ流路を通るパージ・フローの許容範囲を設定するパージ制御信号により制御し、
   前記キャニスタ・パージ・バルブは、
   中心縦軸周囲に配した電磁コイルを有するソレノイドと、
   前記コイルに結合し、前記コイル内の電流により生じる磁束を伝導する固定子構造にして、前記軸に沿って前記コイルを通って延伸する貫通穴内に配したエア・ギャップを包含する固定子構造と、
   前記エア・ギャップの近傍に配された棒に取り付けられ、前記コイル内の電流によって生じる電磁力の関数として前記軸に沿って位置決めするアーマチュアと、
   前記アーマチュアにより前記アーマチュアとともに弁座に関して軸に沿って位置決めされ、キャニスタ・パージ・バルブによる前記キャニスタから前記マニホルドへの流れの制限範囲を設定する弁部材と、
   前記アーマチュアおよび弁部材を前記弁座に向かわせるばね力を出すバイアス・スプリングと、を含み、
   それにより前記アーマチュアがアーマチュアおよび棒質量により前記中心軸に沿って位置決めされ、前記固定子構造に関連した前記アーマチュアが前記パージ流路を通る流れを次第に許容する方向に前記アーマチュアに磁力の軸線方向成分を作用させ、
   前記磁力の軸線方向成分が平均電流の作動範囲にわたり前記コイル内の平均電流に関連していて、そして前記弁部材と前記弁座がキャニスタ・パージ・バルブに作用されるパルス幅モジュールの電圧のデューテイ・サイクルの下方作動範囲において当初変位を越えて流れるための一定した面積を画成することができ、それによって下方作動範囲における平均電流と前記キャニスタから前記マニホールドへの燃料流との間においてより直線性の高い関係を有することを特徴とする電動キャニスタ・パージ・バルブ。
2. 前記バイアス・スプリングがほぼ線形の力対圧縮特性を有する請求の範囲第１項に記載のバルブ。
3. 前記弁部材が、前記弁棒の一端近傍にある請求の範囲第１項に記載のバルブ。
4. 前記アーマチュアが前記弁棒に圧接嵌合する管である請求の範囲第３項に記載のバルブ。
5. 前記弁部材が前記弁棒の一端近傍にある請求の範囲第１項に記載のバルブ。
6. 前記弁棒は完全に前記アーマチュアを貫通して延伸する請求の範囲第５項に記載のバルブ。
7. 前記アーマチュアの軸方向に反対側に配した上部ベアリングおよび下部ベアリングにより前記弁棒を案内する請求の範囲第１項に記載のバルブ。
8. 前記弁棒が上部弁棒部材および下部弁棒部材を包含し、前記上部弁棒が前記上部ベアリングにより案内しかつ前記下部弁棒部材を前記下部ベアリングにより案内し、かつ一方の弁棒部材に作用する力の一定の半径方向成分の伝達が他方の弁棒部材に伝わることを回避する手段を含む請求の範囲第７項に記載のバルブ。
9. 前記アーマチュアを前記上部弁棒部材に配し、かつ一方の弁棒部材（１２”）に作用する力の一定の半径方向成分の伝達が他方の弁棒部材に伝わることを回避する前記手段を前記アーマチュアと前記下部弁棒部材との間のインタフェースに配した請求の範囲第８項に記載のバルブ。
10. 前記アーマチュアが止まり穴を包含し、該止まり穴内に前記弁棒の一端を前記弁部材に対向に配し、前記止まり穴が底を有し該底に前記弁棒の前記一端が前記弁部材に対向して当接し、前記底に当接する前記弁棒の前記一端が前記底に当接する円形面を有し、かつさらに前記円形面を前記底に対しバイアスするばねを含み、それによって前記弁棒が前記アーマチュアの位置決めに従う請求の範囲第３項に記載のバルブ。
11. 前記弁部材および前記弁座の形状を、前記弁部材が前記弁座から一定最小限離れた上部および一定最小限を超えるマニホルド真空度について音速流を与える形状とした請求の範囲第１０項に記載のバルブ。
12. 前記弁座が肩部を包含しかつ前記弁部材の先端部が前記肩部に着座して弁を閉じるシール部材を包含する請求の範囲第１１項に記載のバルブ。
13. 前記弁座が真直の円筒状の穴部分から延伸する円錐形の弁座面を包含し、かつ前記弁部材が、前記弁棒に配した、弁の閉鎖時に前記円錐形の弁座面を封止するＯリング・シールと、弁の閉鎖時および閉鎖から弁の一定範囲の位置にわたり前記真直ぐな円筒状穴部分に配置されたかつ真直ぐな円筒状部分とを包含する請求の範囲第１項に記載のバルブ。
14. 前記固定子構造に係合して前記エア・ギャップに架設しかつ前記アーマチュア周囲に配して前記アーマチュアの軸方向移動を案内する非強磁性スリーブを含む請求の範囲第１項に記載のバルブ。
15. 前記弁部材をテーパ付きピントル・バルブとする請求の範囲第１項に記載のバルブ。
16. 前記出口ポートと前記マニホルドとの間に配したニューマチック・レギュレータを含む請求の範囲第１４項に記載のバルブ。
17. パージ・フロー・パスに配して、前記テーパ付きピントル・バルブ部材が十分に開き弁座部材を通る流れを制限しなくなったときに、パージ・バルブの流量特性を定義するオリフィスを含む請求の範囲第１５項に記載のバルブ。
18. 前記ソレノイドが大気へのフリードオリフイスを有する包囲胴体の内部空間内に入れられ、パージ・フロー・パスから前記内部空間内に押し入れうるどんな顕著な真空蓄積も阻止する請求の範囲第１項に記載のバルブ。
19. 前記キャニスタ・パージ・バルブが前記キャニスタに連通するキャニスタ・パージ・バルブを通る流路を設置するための入口ポートを包含し、前記ソレノイドが前記胴体の内部から前記入口ポートへ直列にブリード・オリフィスおよび、逆止弁を有する包囲胴体の内部空間に入れられ、前記逆止弁が前記オリフィスを通り前記胴体から前記入口ポートへの方向のみへの流れを許すべく配置されていることを特徴とする請求の範囲請求項１に記載のバルブ。

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