特許 7625705 気体状の燃料を調量して放出するためのガス調量弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-24

(45)【発行日】2025-02-03

(54)【発明の名称】気体状の燃料を調量して放出するためのガス調量弁

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/02 20060101AFI20250127BHJP

   F02M 47/00 20060101ALI20250127BHJP

   F02M 51/06 20060101ALI20250127BHJP

   F02M 61/04 20060101ALI20250127BHJP

   F02M 61/08 20060101ALI20250127BHJP

   F16K 1/00 20060101ALI20250127BHJP

   F16K 1/32 20060101ALI20250127BHJP

   F16K 31/06 20060101ALI20250127BHJP

【ＦＩ】

F02M21/02 301A

F02M47/00 A

F02M51/06 K

F02M61/04 G

F02M61/08 B

F02M51/06 S

F02M51/06 T

F16K1/00 E

F16K1/32 A

F16K1/32 C

F16K31/06 305L

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023541097

(86)(22)【出願日】2021-12-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-17

(86)【国際出願番号】 EP2021085473

(87)【国際公開番号】W WO2022148610

(87)【国際公開日】2022-07-14

【審査請求日】2023-08-25

(31)【優先権主張番号】102021200180.7

(32)【優先日】2021-01-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】クラウゼ，ミヒャエル

(72)【発明者】

【氏名】ブホック，トルステン

(72)【発明者】

【氏名】ボッセ，ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】クラウス，ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】ミューラー，マルティン

(72)【発明者】

【氏名】ツェルレ，ローレンツ

(72)【発明者】

【氏名】フィッシャー，ファビアン

(72)【発明者】

【氏名】トゥエーカー，オーツガー

(72)【発明者】

【氏名】バイエル，マルコ

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２２７９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０６２７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２６７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１３２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１５０２８８０（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２０２４０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１０１９６５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ２１／００

Ｆ１６Ｋ １／００

Ｆ０２Ｍ ６１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気体状の燃料を調量して放出するためのガス調量弁であって、流入開口部（９）と流出開口部（１０）とを備えるガス室（８）が形成されたハウジング（１）を有し、前記ガス室（８）の中に、長手方向運動によって前記流入開口部（９）を開閉する弁体（１２）が長手方向可動に配置され、前記弁体（１２）は電気式のアクチュエータ（１８）によって可動であり、前記流出開口部（１０）を開閉するためにノズルシート（３７）と協同作用する、前記ガス室（８）の中に配置されたノズルニードル（３０）を有し、前記弁体（１２）と前記ノズルニードル（３０）との間に、前記弁体（１２）の長手方向運動を前記ノズルニードル（３０）に伝えるカプラースリーブ（２０）が配置される、ガス調量弁において、
前記カプラースリーブ（２０）は前記弁体（１２）の収容開口部（１４）の中でクリアランスなしに収容され、
前記カプラースリーブ（２０）は第１のスリーブ区域（１２０）と第２のスリーブ区域（２２０）とを有し、前記第１のスリーブ区域（１２０）は強磁性素材で製作されて前記前記弁体（２０）の前記収容開口部（１４）の中に収容され、前記第２のスリーブ区域（２２０）は非強磁性材料で製作され、両方のスリーブ区域（１２０；２２０）は互いに固定的に結合されることを特徴とする、ガス調量弁。

【請求項2】

前記カプラースリーブ（２０）は前記収容開口部（１４）の中に収容されることを特徴とする、請求項１に記載のガス調量弁。

【請求項3】

ガス流は前記流入開口部（９）から前記流出開口部（１０）へと前記カプラースリーブ（２０）を通して案内されることを特徴とする、請求項１に記載のガス調量弁。

【請求項4】

前記カプラースリーブ（２０）は中空円筒として構成され、前記弁体（１２）の前記収容開口部（１４）は止まり穴であることを特徴とする、請求項１，２または３に記載のガス調量弁。

【請求項5】

前記収容開口部（１４）の内径は、組み立てられていない状態のとき、前記収容開口部（１４）の内部に配置される前記カプラースリーブ（２０）の区域の外径よりも１から１０μｍだけ小さいことを特徴とする、請求項４に記載のガス調量弁。

【請求項6】

両方の前記スリーブ区域（１２０；２２０）は金属素材で製作されて互いに溶接されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガス調量弁。

【請求項7】

前記カプラースリーブ（２０）は前記ガス室（８）の中で、軸方向で相互に間隔をおく少なくとも２つの案内区域（１７’；２４）において側方で案内されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のガス調量弁。

【請求項8】

気体状の燃料を調量して放出するためのガス調量弁であって、流入開口部（９）と流出開口部（１０）とを備えるガス室（８）が形成されたハウジング（１）を有し、前記ガス室（８）の中に、長手方向運動によって前記流入開口部（９）を開閉する弁体（１２）が長手方向可動に配置され、前記弁体（１２）は電気式のアクチュエータ（１８）によって可動であり、前記流出開口部（１０）を開閉するためにノズルシート（３７）と協同作用する、前記ガス室（８）の中に配置されたノズルニードル（３０）を有し、前記弁体（１２）と前記ノズルニードル（３０）との間に、前記弁体（１２）の長手方向運動を前記ノズルニードル（３０）に伝えるカプラースリーブ（２０）が配置される、ガス調量弁において、
前記カプラースリーブ（２０）は前記弁体（１２）の収容開口部（１４）の中でクリアランスなしに収容され、
前記カプラースリーブ（２０）は前記ガス室（８）の中で、軸方向で相互に間隔をおく少なくとも２つの案内区域（１７’；２４）において側方で案内されることを特徴とする、ガス調量弁。

【請求項9】

前記弁体（１２）は、前記カプラースリーブ（２０）によってのみ径方向に案内される程度に広い案内クリアランスを側方に有することを特徴とする、請求項７または８に記載のガス調量弁。

【請求項10】

前記電気式のアクチュエータは電磁石（１８）であり、前記弁体（１２）はソレノイドアーマチュアとして構成されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のガス調量弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気体状の燃料の調量された放出のために適用される、特に内燃機関の燃焼室へ気体状の燃料を注入するためのガス調量弁に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術より、気体状の燃料を調量し、短い時間的間隔をおいて直接的に内燃機関の燃焼室へ、あるいは内燃機関のインテークマニホールドへ、放出することができるガス調量弁が知られている。その場合、特に水素も含めて、さまざまな気体状の燃料を調量することができる。調量された水素の放出は、調量弁に特別な要求事項を課す。水素は、一方では化学的に非常に反応性が高く、このことが相応に耐久性のある材料を必要とするからである。他方では、水素は小さなＨ_２分子に基づいて非常に狭い隙間からでも拡散し、それに応じて完全に封止するのが困難である。したがって純粋に金属製のシール材は、多くの場合に水素を全面的に封止するのに十分ではないため、弾性材料すなわちプラスチックやゴムなどのエラストマーの使用が封止に必要となる。

【0003】

内燃機関の燃焼室へ水素を直接的に放出するガス調量弁は燃焼室側の端部で燃焼室の高い温度に暴露され、相応に耐熱性でなければならない。したがって、燃焼室側の弁座でのエラストマーの使用はあり得ない。エラストマーは、そのような温度に恒常的に耐えることができないからである。この問題を解決するために特許文献１より、２つの弁体を有し、第１の弁体は調量弁の流入開口部を制御し、それに対して第２の弁体は燃焼室側の流出開口部を開閉する、ガス調量弁が知られている。燃焼室から遠く離れている第１の弁体だけが、水素の完全な封止を保証するためにエラストマーシール材を装備しており、それに対して、燃焼室はシールシートの近傍で金属製のシール材として構成される。そのようにして、ガス調量弁が閉じているときに完全な封止が保証され、それに対して本来の調量は、すなわち調量弁の一時的な開放と閉止は、金属製のシール材を有する第２の弁体を介しても行うことができる。

【0004】

このとき両方の弁体は、第１の弁体に対して作用するただ１つの電磁石によって制御され、第１の弁体が開放運動をするときに第２の弁体を連行する。両方の弁体のできる限り広い間隔が実現されるのがよいので、第１の弁体と第２の弁体との間には運動を伝達する、たとえばカプラースリーブの形態のカプラー部材がある。すべての可動のコンポーネントがハウジングの内部で案内されるが、留意されなくてはならないのは、気体状の燃料がいかなる潤滑特性も有さないことであり、および、ハウジング内のコンポーネントが引っ掛かったり過度に摩耗しないようにするために、弁体の案内間隙が比較的広く構成されていなければならないことである。したがって、磁気アーマチュアとしての役目も果たす第１の弁体の生じ得る傾斜姿勢が他のコンポーネントへも、特にカプラースリーブへも伝わるという危険があり、そのために、一方における第１の弁体またはカプラースリーブと、他方におけるハウジングとの間の特定の個所で、高すぎる摩耗が生じることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】ドイツ特許出願公開第１０２０２０２０１９７３Ａ１号明細書

【発明の概要】

【0006】

それに対して本発明によるガス調量弁は、弁体がガス室の内部で正確に案内され、ハウジングと弁体ないしカプラースリーブとの間の摩耗の増大が生じることがなく、それと同時に、ガス調量弁の組立可能性が損なわれることがないという利点を有する。そのためにガス調量弁は、流入開口部と流出開口部とを備えるガス室が形成されたハウジングを有する。ガス室の中に、長手方向運動によって流入開口部を開閉する弁体が長手方向可動に配置され、弁体は電気式のアクチュエータによって可動である。これに加えてガス室の中に、流出開口部を開閉するためにノズルシートと協同作用するノズルニードルが配置され、弁体とノズルニードルとの間に、弁体の運動をノズルニードルに伝えるカプラースリーブが配置される。このときカプラースリーブは、弁体の収容開口部の中でクリアランスなしに収容される。

【0007】

電気式のアクチュエータと協同作用する弁体の運動は、カプラースリーブを介してノズルニードルへとさらに伝えられる。カプラースリーブは収容開口部の中でクリアランスなしに収容されているので、弁体とカプラースリーブが相互に安定化され、それにより、ハウジング内部でのこれら両方のコンポーネントの軸ずれが防止される。それにもかかわらず、ガス調量弁を良好に組み立てることができる。両方のコンポーネントを別々に製作して、組立のときに初めて嵌め合わせ、それに伴って固定的に結合することができるからである。

【0008】

本発明の好ましい実施形態では、ガス流は流入開口部から流出開口部へとカプラースリーブを通して案内される。それによりカプラースリーブの案内にあたって、および、これに伴う弁体からノズルニードルへの力伝達の最適化にあたって、広い設計上の自由がもたらされる。このときカプラースリーブは中空円筒として構成され、弁体の収容開口部は止まり穴として構成されるのが好ましい。両方のコンポーネントの固定的な結合を可能にするために、収容開口部の内部に配置されるカプラースリーブの区域の外径は、調量弁の耐用期間を通じての固定的な結合を形成するために、組み立てられていない状態のとき収容開口部の内径より１から１０μｍだけ大きい。

【0009】

別の好ましい実施形態では、カプラースリーブは第１のスリーブ区域と第２のスリーブ区域とを有し、第１のスリーブ区域は強磁性素材で製作されて弁体の収容開口部の中に収容され、それに対して第２のスリーブ区域は非強磁性材料で製作され、両方のスリーブ区域は互いに固定的に結合される。第１の弁体は、電気式のアクチュエータが電磁石として構成される場合、磁気アーマチュアとしての役目を果たすので、強磁性のカプラースリーブは磁気アーマチュアに対する、すなわち第１の弁体に対する、電磁石の作用を増強する。しかしカプラースリーブ全体が強磁性材料で製作されると、磁場が強く散乱しすぎることになり、そのために弁体に対する有効磁力が弱まることになる。弁体の内部に配置されるスリーブ区域だけが強磁性なので、それに伴い、ハウジングの望ましくない領域へと磁場を誘導する漂遊磁界が生成されることなく、磁力の増強がもたらされる。

【0010】

このとき両方のスリーブ区域は金属素材で製作されるのが好ましく、固定的な結合は溶接結合によって具体化され、それにより、両方のスリーブ区域が固定的かつ恒久的に互いに結合される。

【0011】

別の好ましい実施形態では、カプラースリーブはガス室の中で、軸方向で相互に間隔をおく２つの案内区域において側方で案内される。弁体との固定的な結合が成立しているので、そのようにして、弁体の外壁とハウジングないしガス室の壁部との間で相応に広い間隙が形成されていれば、弁体もカプラースリーブによって案内することができる。それに伴い、弁体とガス室の壁部との間で摩擦およびこれに伴う過度の摩耗が起こり得ない。

【0012】

図面には、本発明によるガス調量弁のさまざまな実施例が示されている。図面は次のものを示す。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明によるガス調量弁の第１の実施例を示す縦断面図である。

【図2】カプラースリーブの領域を示す図１の拡大図である。

【図3】本発明によるガス調量弁の別の実施例を示す、図２と同様の図面である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１には、本発明によるガス調量弁が縦断面図で示されている。ガス調量弁は、保持体２と、磁石体３と、ノズル体４と、接続体５とを含むハウジング１を有していて、これらがクランプナット６と図面には示さない別のクランプ部材によって互いに気密に応力固定されている。接続体５には図面に示さない接続部があり、これを介して、保持体２、磁石体３、およびノズル体４の中に形成されるガス室８へと気体状の燃料が導入される。ここではガス室８は流入開口部９と流出開口部１０とを有しており、流入開口部９は図１の図面ではガス調量弁の上側端部に形成されており、それに対して流出開口部１０は下側端部に示されている。ガス室８の中に、弁体１２が長手方向スライド可能に配置されている。ここでは弁体１２は、流入開口部９を開閉するために弁体１２が弁座１５と協同作用するシール面１６を有しており、シール面１６には、流入開口部９をガス室８に対して気密に閉止するために、エラストマーが装着されている。弁体１２には複数の斜め穴１３が形成されていて、これらを介して、止まり穴として構成された収容開口部１４に気体状の燃料が流れ込むことができる。弁体１２は第１の案内区域１７でガス室８の中を案内され、ここでは第１の案内区域１７は例示として、弁体１２とガス室８の壁部との間の摩擦を緩和する硬化されたスリーブを含んでいる。

【0015】

収容開口部１４の中に、中空円筒として構成されたカプラースリーブ２０が収容されている。カプラースリーブ２０はその流出側の端部に複数の開口部２１を有していて、これらを介して気体状の燃料が外に出て、引き続き流出開口部１０の方向に流れることができる。ここではカプラースリーブ２０の外径は、収容開口部１４の中でクリアランスなしに収容されるように設定されており、それにより、弁体１２とカプラースリーブ２０との間で固定的な結合が形成される。カプラースリーブ２０はカプラーばね２２で包囲されていて、このカプラーばねは一方の端部をもって、カプラースリーブ２０に取り付けられる、またはこれと一体的に構成される支持リング２３に支持されるとともに、他方の端部をもって、支持部材２６を介してノズル体４に支持されるばね支持リング２５に支持されており、それにより、初期応力をかけられたカプラーばね２２を介して、カプラースリーブ２０およびこれに伴って弁体１２に対しても、流入開口部９の方向に力が及ぼされる。

【0016】

弁体１２を動かすための役目を果たすのは、磁石体３の中に配置されて弁体１２を包囲する電磁石１８である。電磁石１８の磁場を最善に成形するために、保持体２は薄肉旋削部１９すなわち保持体２の先細区域を有しており、それにより弁体１２に対する磁力が最適化される。カプラースリーブ２０は第２の案内区域２４でハウジングの内部を案内され、それにより、弁体１２とカプラースリーブ２０からなる複合体が、第１の案内区域１７および第２の案内区域２４を介して案内される。それに伴い、弁体１２とカプラースリーブ２０の低摩擦の運動が保証される。

【0017】

ノズル体４の中に、シャフト３１と弁皿３２とを含むノズルニードル３０が同じく長手方向スライド可能に配置されている。弁皿３２にはシール面３６が形成されていて、流出開口部１０の開閉のために弁皿３２がノズルシート３７をもってこのシール面と協同作用する。ここではノズルニードル３０はノズルばね３３で包囲されていて、このノズルばねは、一方の端部をもってガス室８の段部３４に支持されるとともに、他方の端部をもって、ノズルニードル３０と固定的に結合された皿ばね３５に支持される。それにより、初期応力をかけられたノズルばね３３を介して、ノズルニードル３１に対する長手方向力が流入開口部９の方向にもたらされる。弁体１２が弁座１５の上に載り、ノズルニードル３１がノズルシート３７の上に載る、ガス調量弁が閉じた状態では、カプラースリーブ２０とノズルニードル３０が互いに間隔をおいており、すなわち、カプラースリーブ２０の流出側の端部とノズルニードル３０の端面との間に間隔ｈが形成される。この間隔は、ガス調量弁の作動時に不可避である熱膨張を補償するための役目を果たす。

【0018】

ガス調量弁の機能形態は次のとおりである。電磁石１８が通電されることで、弁体１２が弁座１５から離れるように引っ張られ、それにより流入開口部９が解放され、気体状の燃料がガス室８に流れ込む。横穴１３を介して気体状の燃料が収容開口部１４に達し、それに伴ってカプラースリーブ２０の中に流れ、そこから気体状の燃料はさらに流出開口部１０の方向に流れる。弁体１２が動くことによってカプラースリーブ２０も、ノズルニードル３０に当接するまで流出開口部１０の方向に動く。カプラースリーブ２０ないし弁体１２がさらに動くことで、ノズルニードル３０が外方に向かって押圧され、それにより流出開口部１０における流動断面が拡大され、これを通って気体状の燃料が流れ出ることができる。ガス調量を終了するために電磁石１８がオフになり、それにより、カプラーばね２２とノズルばね３３が、カプラースリーブ２０およびこれに伴って弁体１２ないしノズルニードル３０をそれぞれの初期位置に戻るように押圧する。

【0019】

図２には、本発明によるガス調量弁の別の実施例がカプラースリーブ２０の拡大図として示されている。カプラースリーブ２０は、ここでは第１のスリーブ区域１２０と第２の区域２２０とを含んでおり、第１のスリーブ区域１２０は収容開口部１４の内部に配置されている。第１のスリーブ区域１２０は強磁性素材で製作されているのに対して、第２のスリーブ区域２２０は非磁性素材で製作されている。両方のスリーブ区域１２０，２２０は、ここでは溶接結合部２８を介して互いに固定的に結合されている。第１のスリーブ区域は強磁性であり、弁体１２と固定的に結合されているので、弁体１２に対するいっそう強い磁力が生じ、それに伴って弁体１２のいっそう迅速な運動が可能となる。カプラースリーブ２２の全体が強磁性材料でできていると、電磁石１８の磁場が散乱し、それに伴って弁体１２に対する有効磁力が弱まることになる。

【0020】

図３は、本発明によるガス調量弁のさらに別の実施例を示している。ここでは弁体１２とカプラースリーブ２０からなる複合体は、弁体１２の第１の案内区域を介して案内されるのではなく、カプラースリーブの第１の案内区域１７’を介して案内され、それにより、弁体１２とカプラースリーブ２０からなる複合体の案内全体がカプラースリーブ２０を介して行われる。カプラースリーブの両方の案内区域１７’および２４は、弁体の外面とガス室の壁部との間の相応に広い間隙を有する弁体１２の案内のために作用して、弁体１２とガス室８の壁部との間の接触およびこれに伴う摩耗が起こらないようにする。薄肉旋削部１９と磁気的な第１のスリーブ区域１２０とを通る磁場を図解するために、図３は右側に電磁石１８の磁束線２７と、ガス調量弁の内部でのおおよその進路を示している。

【符号の説明】

【0021】

１ ハウジング
８ ガス室
９ 流入開口部
１０ 流出開口部
１２ 弁体
１４ 収容開口部
１７ 第１の案内区域
１７’ カプラースリーブの第１の案内区域
１８ 電気式のアクチュエータ
２０ カプラースリーブ
２４ 第２の案内区域
３０ ノズルニードル
３７ ノズルシート
１２０ 第１のスリーブ区域
２２０ 第２のスリーブ区域

【図1】

【図2】

【図3】