こうした背景の下で、信頼性が高く、部品点数が低く、開閉挙動が正確に画定されるような逆止めバルブ構成を提供することが望まれる。
第1の態様では、本発明は、部分的に第1の本体部分によって画定され、部分的に第2の本体部分によって画定され、バルブチャンバ壁を画定するバルブチャンバと、第1の本体部分によって画定されるバルブシートのところでバルブチャンバ内に開口する、第1の本体部分内に形成される入口通路と、出口通路と、バルブチャンバを介する出口通路から入口通路までの流体流れを遮断するようにバルブシートに係合可能である、バルブチャンバ内に受け入れられるバルブボールと、を備える高圧燃料噴射システムのための逆止めバルブ組立体に関する。バルブチャンバ壁が、バルブチャンバ内でバルブボールを実質的に線形移動させるように案内する複数のガイド部分を備える。
ガイド部分が存在することにより、バルブボールの位置がより正確に予測され得るようにバルブボールの移動が制限される。したがって、有利には、本発明は、付勢ばねが排除される場合でも、バルブの開閉特性を制御するためにバルブチャンバおよびバルブシートの形状を最適化するのを可能にする。
さらに、バルブボールを実質的に線形移動させるように案内するためのバルブチャンバ壁のガイド部分を設けることにより、ボールがバルブシートに衝突する位置は、ガイド部分が存在しない場合よりも正確に制御される。これにより、バルブの動作寿命の比較的早期にボールおよびバルブシートが「安定状態になる(bed in)」(つまり、バルブシートの局部的領域が塑性流動によって変形しおよび/またはボールの形状に従うように摩耗する)ことが可能となり、それによりバルブシートを通しての漏洩を回避することが補助される。同様に、バルブシートから離れるようにボールが開放移動するのを制限するためにリフトストップが設けられる場合もやはり、バルブの動作寿命の比較的早期にリフトストップが同じように「安定状態になる(bed in)」。
本発明の一実施形態によると、第1および第2の本体部分がそれぞれ対合面を画定することができ、ここでは、第1の本体部分の対合面の一部分が第2の本体部分の対合面の一部分に当接し、それによりそれらの間にシールが形成される。有利には、この構成が、使用時にバルブチャンバ内の燃料圧力が非常に高くなる場合でもバルブチャンバからの漏洩を防止するために第1の本体部分と第2の本体部分との間に十分に良好なシールを形成する。
バルブチャンバは第1の本体部分の対合面の凹部として形成され得る。例えば、バルブチャンバは第1の本体部分の対合面内の複数の孔から形成され得る。一実施形態では、バルブチャンバは、中心孔と、中心孔に重なる複数の周囲孔とから形成され、ガイド部分は、好適には、隣接する周囲孔の間の中心孔の領域によって画定される。この場合、バルブチャンバが中心容積部から側方に延在する複数のローブを備えることができる。バルブシートが中心孔の内側端部のところに画定され得る。
これらの構成により、単純な製造プロセスを使用してバルブチャンバの形状を正確に画定することが可能となる。例えば、第1の本体部分の対合面を穿孔することにより中心孔が形成され得、次いで、適切な機械加工プロセスにより周囲孔およびバルブシートが形作られ得る。
本発明の一実施形態によると、対合面は実質的に平坦である。平坦な対合面を設けることが、特に高い平坦性を得る場合に面同士の間に良好なシールを確実に形成することの補助となる。したがって、対合面は研削され得るかまたは別の形で機械加工され得る。
バルブ組立体はスプリングを備えなくてよい。言い換えると、バルブボールが流体圧力のみによりバルブシートに係合されるように移動するように付勢される。別法として、バルブシートに係合させるようにボールを付勢するためにばねなどの付勢手段が設けられてもよい。
本発明の一実施形態によると、第2の本体部分の対合面がボールのためのリフトストップを画定することができる。リフトストップは対合面の平坦な表面であってよい。または、別法として、リフトストップは適切に形作られてもよい。付勢手段が設けられる場合、付勢手段がバルブシートから離れるボールの移動を制限することができ、この場合、リフトストップは必要でなくてよい。
出口通路は好適には第2の本体部分内に形成される。ある構成では、出口が第2の本体部分の対合面上で開口する。バルブチャンバが、中央孔と、中央孔に重なる複数の周囲孔とから形成される場合、出口通路はバルブチャンバの周囲孔のうちの1つの周囲孔内に開口していてよい。
バルブボールの移動を制御するために、バルブシートは実質的に円錐台形であってよい。例えば、バルブシートは、約80度から約100度の間の、好適には約90度の円錐角を画定することができる。
一実施形態では、バルブチャンバ壁がボールの周りに等角で離間される3つのガイド部分を備える。この構成はボールの移動を制御することおよび製造を容易にすることの両方で特に有利であることが分かっている。同様の理由で、ガイド部分はバルブチャンバ壁の部分的円筒部分を含んでよい。
入口通路は、バルブシート上で開口する部分的球形の入口チャンバを備えることができる。この場合、入口通路はバルブシートのところの流体流れに悪影響を与えることなくボールの移動軸を基準として傾斜することができる。具体的には、この構成を用いることにより、ボールに作用する流体圧力がバルブシートの円周周りで実質的に一様となる。
本発明はまた、第2の態様では、ポンプチャンバを有する高圧燃料ポンプと、複数の燃料噴射器に供給するための燃料レールと、本発明の第1の態様による逆止めバルブ組立体とを備える、内燃エンジンのための燃料噴射システムの範囲に及ぶ。燃料レールからポンプチャンバまでの流体流れが逆止めバルブによって遮断される。
本発明の第1の態様による好適なおよび/または任意選択の特徴は本発明の第2の態様でも単独でまたは適切に組み合わされて使用され得る。
次に、残りの添付図面を参照しながら単に例として本発明を説明する。
高圧燃料噴射システムで使用されるための、本発明の第1の実施形態による逆止めバルブ組立体100が図2から図4に示される。
はじめに図2および図3を参照すると、バルブ組立体100が、バルブハウジング104内に画定されるバルブチャンバ102を備える。バルブハウジング104が第1のハウジング本体部分106および第2のハウジング本体部分108を備える。入口通路110が、関連付けられる高圧燃料ポンプのポンプチャンバ(図示せず)からバルブチャンバ102内に燃料を送出するために第1のハウジング本体部分106内に形成される。出口通路112が、バルブチャンバ102から高圧燃料レール(図示せず)まで燃料を運搬するために第2のハウジング本体部分108内に形成される。
バルブ組立体100がバルブチャンバ102内で受けられるバルブボール114をさらに備える。バルブボール114は、第1のハウジング本体部分106内に形成されるバルブシート116に係合されるためにチャンバ102内で移動可能であり、バルブシート116のところでは入口通路110がバルブチャンバ102内に開いている。図3で最も明瞭に示されるように、ボール114がバルブシート116に係合される場合、バルブチャンバ102から入口通路110内への燃料の逆流が防止される。
第1のハウジング本体部分106および第2のハウジング本体部分108が、バルブチャンバ102の周辺部周りのそれぞれの平坦な対合(mating)面106a、108aのところで互いをシールする。逆止めバルブ組立体100が高圧燃料噴射システムで使用される場合、バルブチャンバ102内の燃料圧力は200MPa(2000bar)以上であってよい。したがって、当接される対合面106a、108aの間に形成されるシールがバルブチャンバ102から燃料が漏洩するのを防止するのを確実に可能にするために、ハウジング本体部分106、108が適切なクランプ手段(図示せず)によって一体に堅固にクランプされる。
有利には、逆止めバルブ組立体100が燃料ポンプ(図示せず)のハウジング内に収容され得、この場合、燃料ポンプのハウジングまたは燃料ポンプの別の構成要素がクランプ手段を形成することができる。バルブ組立体100は代わりに別の場所に収容されてもよく、例えば別個のハウジングまたはコモンレールのハウジング内に収容されてもよい。
バルブチャンバ102は第1のハウジング本体部分106の対合面106aの凹部として形成される。後で説明するように、凹部は、バルブチャンバ壁118を画定するために、対合面106aに対して垂直に、かつ対合面106aから内側に延在する複数の重なる孔から形成される。それにより、バルブチャンバ壁118が直角に対合面106aに接する(meet)。対合面106aの反対側の凹部の端部がバルブチャンバルーフ120によって閉じられ、バルブシート116が形成される。第1のハウジング本体部分106の対合面106aのところの凹部の端部が第2のハウジング本体部分108の平坦な対合面108aによって閉じられる。
第1のハウジング本体部分106を通してバルブチャンバルーフ120の方を見る断面図である図4をさらに参照すると、バルブチャンバ102が、バルブチャンバ壁118の3つの部分的円筒部分122aによって境界を画定される中心領域122を備える。以下ではガイド部分122aとして知られる部分的円筒部分122aは共通の円筒上に位置し、したがって、バルブチャンバ102の中心領域122が概して円筒形の容積部を形成する。
3つのローブ124が中心領域122の周囲に等角に配置され、各ローブ124が2つの隣接するガイド部分122aの間に配置される。各ローブ124はバルブチャンバ壁118の外側の部分的円筒部分124aによって画定され、一対の平行な平坦壁部分124bにより中心領域122に接合される。
したがって、バルブチャンバ102が、例えば、概して円筒形の中心領域122を形成する第1の中心孔と、ローブ124の部分的円筒壁部分124aを画定するために中心領域122に重なる3つの別の孔とにより形成され得る。平坦壁部分124bは、部分的円筒壁部分124aを隣接する各ガイド部分122aに組み合わせるための適切な機械加工によって形成され得る。バルブシート116は適切な機械加工により第1の孔の内側端部のところに形成され得る。
図4で最も明瞭に示されるように、3つの部分的円筒ガイド部分122aはバルブボール114の周りに等角に配置される。ガイド部分122aがバルブボール114の直径に対して近接して隙間嵌めされ(close clearance fit)、それにより、バルブボール114が側方に移動することがガイド部分122aによって制限される。このようにして、バルブボール114の移動が、バルブチャンバ壁118により、第2の本体部分108の平坦な対合面108aに対して垂直に位置する軸(図3でAが付される)に沿うバルブチャンバ102内での実質的線形移動となるように案内される。
ボール114が摩耗するのを回避することを目的としておよびボール114が妨害されずに線形移動するのを可能にすることを目的として、ガイド部分122aとボール114との間に隙間またはクリアランスを作るために、ガイド部分122aによって形成される円筒の内径がボール114の外径よりも小さい。また、ガイド部分122aとボール114との間のクリアランスにより、バルブ組立体100の動作中にバルブシート116とガイド部分122aとの間のいかなる同心のずれも受け入れることが可能となる。
図2および図3で最も明瞭に示されるように、周囲ローブ124はバルブボール114が着座していないときにバルブボール114を通る燃料流れのために比較的大きい断面積を有し、それにより、ガイド部分122aが存在してもバルブを通る流量が有意に制限されることはない。
図2および図3から分かるように、第2のハウジング本体部分108の平坦な対合面108aの一領域がバルブチャンバ102の内部に対して露出される。この露出される領域は、バルブシート116から離れるようにバルブボール114が移動するのを制限するように機能するリフトストップ(lift stop:換言すれば、持上げ停止部)126を画定する。ボール114の側方移動がガイド部分122aによって制限されることから、ボール114は常に実質的に同じ位置でリフトストップ126に衝突する。したがって、有利には、ボール114に繰り返し衝突して変形することによりバルブ組立体100の動作寿命の比較的早期にリフトストップ126が「安定状態になる(bed in)」ようになり、変形が比較的局部的となる。
図3で最も明瞭にバルブシート116の形状を見ることができる。バルブシート116はバルブチャンバルーフ120内に円錐台形凹部を備える。この実施例では、バルブシート116によって画定される円錐角は90度である。約90度の円錐角がボール114の移動を特に良好に制御することが分かっている。別の実施例(図示せず)では、バルブシート116によって画定される円錐角は約80度から約100度の間であってよい。
使用時の高い燃料圧力に耐えるために、ハウジング本体部分106、108は、好適には、高強度鋼などの比較的高い強度の金属材料から作られる。対合面106a、108aは、好適には、高い平坦性を有するように正確に研削され、そうすることにより面106a、108aの間に良好なシールを確実にすることの補助となる。
入口通路110が、図2および図3に見られるように、部分的球形の入口チャンバ128を介してバルブシート116に連通される。入口通路110はボール114の移動軸(図3のA)に対して傾斜する。しかし、入口チャンバ128は、軸Aに同軸の円形開口部のところでバルブシート116上で開口しており、したがって、燃料圧力は、軸Aに対して平行に、ボール114に実質的に一様に作用する。
入口通路110は丸みのついたまたは滑らかな移行領域130のところで入口チャンバ128につながる。鋭い角部の代わりに丸みのついた移行領域130を設けることにより、第1のハウジング本体部分106内の付随する応力集中が低減され、それにより疲労破壊のおそれが軽減される。また、丸みのついた移行領域130は、入口通路110と、入口チャンバ128と、バルブチャンバ102とを通る流体流れを改善するのを補助する。
同様に、ローブ124の部分的円筒部分124aおよび平坦壁部分124bがバルブチャンバ102のルーフ120に接するところに、バルブチャンバ壁118の別の丸みのついた移行領域132が設けられる。やはり、これらの丸みのついた移行領域132は第1のハウジング本体部分106内の応力集中を軽減することを補助し、また、バルブチャンバ102を通る流体流れを改善することを補助する。
入口通路110と同様に、出口通路112もボールの移動軸Aに対して傾斜する。出口通路112はバルブチャンバ102のローブ124のうちの1つのローブ内に開いている。
バルブボール114は適切な耐摩耗性の剛性材料から作られる。例えば、バルブボール114は、窒化シリコンなどのセラミック材料から作られてよく、焼結および研削によって製造され得る。
次に、本発明のバルブ組立体100が図1の燃料噴射システムに示されるバルブ24の代わりに使用されるときの、バルブ組立体100の使用の一実施例を説明する。
使用時、入口通路110が高圧燃料ポンプのポンプチャンバに接続され、出口通路112がコモンレールに接続される。図2から図4が、バルブボール114が閉位置にあってバルブシート116に係合された状態のバルブ組立体100を示す。
ポンププランジャのポンピングストローク中に入口通路110の燃料圧力が増大すると、バルブシート116の上流側の、入口チャンバ128内の燃料に露出されるバルブボール114の領域に作用する燃料圧力が大幅に増大する。このように圧力が増大するとバブルボール114がバルブシート116から離れるように押圧され、バルブチャンバ102を介する入口通路110から出口通路112までの燃料の流れのためにバルブが開く。ボール114がリフトストップ126に接触すると、バルブボール114の開放移動が停止される。
ボール114がバルブシート116から外れるとすぐに燃料がバルブチャンバ102のローブ124を通ってボール114の周りを比較的自由に流れることができるようになる。このように、リフトストップ126に向かって移動するときのボール114に作用する力は比較的小さくなる。したがって、本発明の設計では、特にバルブチャンバ102およびバルブシート116の形状により、リフトストップ126が損傷することが最小となる。
例えば、バルブシート116の幾何形状の選択、特にはシート116のシート幅および内径の選択は、ボール114に対して所望される開放力が得られるように決定され得る。リフトストップ126が損傷するのを最小にするのに加えて、このようにバルブシートの幾何形状を最適化することにより、ボール114の初期の開放移動中に燃料速度が高くなるバルブシート116のところでボール114に作用する圧力が低下するように作用するベルヌーイ効果によってボールがバルブチャンバ102内で往復運動したり振動したりすることがなくなり、また、自己閉鎖することもなくなる。
リターンストロークの開始時、ポンププランジャが引っ込み、入口通路110内の燃料圧力が低下する。少量の燃料がバルブチャンバ102からポンプチャンバに戻り、それによりボール114が戻されてバルブシート116に係合される。残りのリターンストローク中、入口通路110内の圧力が低下することにより、および、コモンレール内に保管される燃料を原因として出口通路112内の燃料が比較的高圧であることにより、ボール114がバルブシート116に係合された状態で維持される。
本発明は複数の変形形態および修正形態が可能であることを認識されたい。例えば、図5が、図2から図4のバルブ組立体100とはバルブチャンバの形状が異なる、本発明の第2の実施態様による逆止めバルブ組立体200を示す。共通の参照符号で適切に示される、両方の実施形態で共通の残りの特徴は、詳細には説明されない。
図5のバルブ200では、バルブチャンバ202が、本発明の第1の実施形態と同様に、3つの部分的円筒ガイド部分122aによって画定される中心領域122を有する。しかし、この第2の実施形態では、バルブチャンバ202のローブ124、224は寸法が異なる。
出口通路112が開いている方の一方のローブ124はバルブチャンバ壁118の外側の部分的円筒部分124aによって画定され、一対の平行な平坦壁部分124bにより中心領域122に接合される。
残りの2つのローブ224(図5では1つのみ示される)はバルブチャンバ壁118の部分的円筒部分224aのみによって画定され、平坦壁部分は用いられない。言い換えると、部分的円筒部分224aがガイド部分122aに直接に接続される。したがって、これらの2つのローブ224の断面は、出口通路122が開いている方のローブ124よりも小さい。
本発明はさらに別の変形形態および修正形態も可能である。具体的には、所与の用途のためにバルブの性能を最適化するために、バルブチャンバ、バルブシート、入口チャンバ、ならびに、入口通路および出口通路の幾何形状を変更することが可能である。この点に関して、バルブボールが側方さらには軸方向に自由に移動することができる場合の構成と比較して、設計時および最適化時にバルブの幾何形状をモデリングすることが大幅に単純化されるという理由で、バルブボールが実質的に線形移動軸に沿って案内されることが有利である。
示される実施形態では、リフトストップ126は最初は平坦表面であるが、バルブボールがはまり込む(bed in)ときにリフトストップ126がいくらか変形してもよいことを認識されたい。しかし、別の実施形態では、成形されたまたは輪郭付されたリフトストップが設けられてもよい。
示される実施形態に示されるような、3つのガイド部分および3つのローブの構成は製造が比較的容易である。しかし、3つより多いまたは3つより少ないガイド部分およびローブが代わりに提供されもよいことを認識されたい。
本発明の示される実施形態は、バルブボールをシートに係合させるように付勢するための付勢ばねを必要としない。このようなスプリング無しの構成では、バルブボールは流体圧力のみによってシートに係合されるように移動させられる。しかし、別の構成では、ばね付勢手段または別の弾性付勢手段が設けられてもよく、この場合、第2の本体部分の平坦対合面が、リフトストップとしてではなく、ばねのための当接表面として使用され得る。
添付の特許請求の範囲で定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の別の修正形態および変形形態も企図され得る。