JP5826295B2 - 流体を制御する又は調量する弁装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の弁装置並びに別の独立請求項に記載の流量制御弁に関する。

弁装置、例えば内燃機関の燃料システムにおける流量制御弁は、市場により公知である。このような弁装置はしばしば、シール区分でケーシング側のシール座部に当接しこれにより弁装置を閉鎖することができる弁体を有している。シール座部は例えば、偏平に、円筒状に、球状に、又は円錐状に形成されている。弁装置の閉鎖状態では、弁装置に接続された液圧管路内では圧力脈動が生じることがあり、これによりシール区分若しくはシール座部の領域には液体蒸気（「蒸気泡」）が生じることがある。このような蒸気泡が内部崩壊する際にはいわゆるキャビテーションエロージョン（壊食）が、周囲のケーシング及び／又は弁体の区分で生じる。

発明の開示
本発明の根底にある課題は、請求項１に記載の弁装置並びに別の独立請求項に記載の流量制御弁によって解決される。有利な別の構成は従属請求項に記載されている。本発明の重要な特徴はさらに、以下の記載並びに図面に記載されており、これらの特徴は単独でも種々様々な形式で組み合わせた形でも、再度これについて説明はしないが、本発明にとって重要なものとなり得る。

本発明による弁装置は、弁装置のシール座部及び／又はシール区分の領域においてキャビテーションエロージョンに対する抵抗力が向上されるという利点を有している。この場合、流路に沿った流量係数若しくは圧力低下、並びに弁行程、弁切換時間及び弁装置の疲労限度はほぼ変わっていない。

本発明は、シール区分及びシール座部によって形成されるシール領域におけるキャビテーションエロージョンに対する高い抵抗力と、弁装置の高い流量係数とは、相反する要求であろうとの考えを起点としている。確かに、シール領域のすぐ上流に前置された面取部又は丸み部分によって、弁行程を変更せずに、弁装置の流量係数を高めることは可能である。しかしながらこれにより、弁装置の閉鎖時に、シール区分とシール座部との間に横断面楔形のギャップが生じる。その都度の圧力に応じて、キャビテーション効果により生じる流体の気泡はこのギャップが最終地点であり、従って比較的迅速に崩壊し、これはシール区分及び／又はシール座部のエロージョンにつながる恐れがある。

本発明によれば、弁装置は、弁装置の閉鎖時における流路内のシール領域のすぐ上流側に崩壊室を有している。この場合、崩壊室の制限壁は、シール領域に隣接している衝突壁によって形成されており、該衝突壁は少なくとも所定の領域で、前記シール領域の法線に対して、流れ方向に最大１５°から、流れ方向とは逆方向に最大６０°までの角度で傾けられている。崩壊室の別の制限壁は、例えば、シール領域に対してほぼ平行に延びていて、これにより、シール領域の上流には前置された段部が生じる。弁装置の開放状態では、流れは、崩壊室の領域で、シール区分若しくはシール座部に対してほぼ平行に変向することができるので、シール領域はほぼその横断面全体で貫流される。

本発明の一構成では、衝突壁は少なくとも所定の領域で、前記シール領域の法線に対して、流れ方向に最大５°から、流れ方向とは逆方向に最大２０°までの角度で傾けられていて、有利には、前記衝突壁は少なくとも所定の領域で、前記シール領域の法線に対して、流れ方向に最大２°から、流れ方向とは逆方向に最大１０°までの角度で傾けられていて、さらに有利には、前記衝突壁は少なくとも所定の領域で、前記シール領域に対して直角に配置されている。これによっては、衝突壁の空間的方向付けの範囲が記載されており、この範囲では、一方では、減じられたキャビテーションエロージョンの特に良好な特性が得られ、他方では、流路に沿った高い流速若しくは僅かな減圧が得られる。即ち、上記角度範囲において、本発明により意図された効果が特に高くなる。

さらに本発明によれば、衝突壁は、弁装置のケーシングにかつ／又は弁体に形成されている。これにより崩壊室を、ケーシングに又は弁体に選択的に又は同時に形成することもできる。従って、弁装置は多様に構成することができる。

前記流路の制限壁が、前記衝突壁の上流側かつ近傍に丸み部分又は面取部を有しているならば、弁装置の流量係数をさらに改善することができる。これにより、キャビテーションエロージョンを増大させることなしに、シール領域における流速をさらに高めることができる。

さらに、前記流路の制限壁は、前記丸み部分のすぐ上流側で、前記流路の長手方向軸線に対して最大±１５°の角度を有している。これにより弁装置の特に適当なジオメトリが記載されている。

前記流路の制限壁には、前記衝突壁の上流側かつ近傍に、かつ／又は前記衝突壁内に、アンダカットが設けられているならば、キャビテーションエロージョンをさらに減じることができる。弁装置の閉鎖時には、上流に位置する流体範囲の液圧終端部が、従って、キャビテーション気泡の崩壊の場所が、シール領域から特に遠くに離されることができる。一般的に、アンダカットが大きく、かつ／又は深く形成されるほど、キャビテーションエロージョンは僅かになる。

別の構成では、前記弁体は、プレート状、円筒状、球状、又は円錐状に形成されているか、又は円錐・円錐弁が設けられている。本発明は、弁体若しくは弁装置のこのようなジオメトリのために有利に使用することができる。

ケーシングが衝突壁の領域で複数の部材から成っているならば、弁装置の製造は簡単かつ安価にできる。これにより、シール領域の上流側における弁装置の上記様々なジオメトリは、場合によっては別個のエレメントによって、ひいてはより簡単に製作することができる。

以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

燃料ポンプと弁装置を備えた燃料システムを概略的に示した図である。 図１の弁装置の第１の構成を開放状態で概略的に示した断面図である。 図２の弁装置を閉鎖状態で示した図である。 弁装置の第２の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第３の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第４の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第５の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第６の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第７の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第８の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第９の構成を概略的に示した断面図である。 弁装置の第１０の構成を概略的に示した断面図である。

異なる構成であっても機能的に等価のエレメント及びサイズに関しては全図において同じ符号を使用している。

図１には、内燃機関の燃料システム１０が極めて簡略化されて示されている。燃料タンク１２からは燃料が、吸込管路１４を介して、フィードポンプ１６によって、低圧管路１８を介して、そして、電磁石２０によって操作可能な弁装置２２、有利には流量制御弁２２を介して、高圧ポンプ２４（ここではこれ以上説明しない）に供給される。高圧ポンプ２４は下流側で高圧管路２６を介して高圧アキュムレータ２８に接続されている。例えば高圧ポンプ２４の流出弁のようなその他の部材は図１には示されていない。弁装置２２若しくは流量制御弁２２は高圧ポンプ２４と一緒に構成ユニットとして形成することができる。例えば、流量制御弁２２は、高圧ポンプ２４の流入弁であって良い。さらに、流量制御弁２２は、電磁石２０とは異なる操作装置、例えばピエゾアクチュエータ又は液圧的な操作装置を有していても良い。

燃料システム１０の作動時には、フィードポンプ１６が燃料を燃料タンク１２から低圧管路１８へと圧送する。この場合、流量制御弁２２は、高圧ポンプ２４の圧送室に供給される燃料量を規定している。

図２には、図１の弁装置２２の第１の構成が概略的な断面図で示されている。弁装置２２の図示された部材は、長手方向軸線２９を中心としてほぼ回転対称的に構成されていて、シール座部３２を備えたケーシング３０を有しており、シール座部３２には、弁装置２２の閉鎖状態で、弁体３６のシール区分３４が当接することができる。しかしながら図２では弁装置２２は開放されていて、即ち、弁体３６はシール座部３２から軸方向に持ち上げられている。弁装置２２内には流路３８が形成されていて、この流路３８を通って図示の開放状態で、流体、この場合、燃料が、矢印４０に沿って流れる。

シール座部３２とシール区分３４とは、面状に互いに平行に構成されていて、一緒にシール領域４２を形成している。シール領域４２の上流には、段状の切欠によってケーシング３０内に崩壊室４４が形成されていて、この崩壊室は、シール領域４２若しくはその平面から直角に延在する衝突壁４６によって制限される。流路３８に沿った２つの点線４８は、特に高い流速を有する流路３８の横断面を制限している。両点線４８の間の間隔は、シール領域４２の下流で、寸法５０によって示されている。

矢印４０に沿って燃料は図２のほぼ左側から右側に流れることが判る。この場合、流れはまず、ほぼ水平に延びていて、次いで、弁体３６の手前で半径方向外側に向かって変向される。流れの変向は、崩壊室４４の液圧作用により、縁部５２の下流で比較的早期に少ない損失で行われる。寸法５０は、シール座部３２とシール区分３４との間の軸方向間隔よりも僅かに小さいので、燃料は比較的迅速に、シール領域４２を通って流れることができ、弁装置２２の流量係数は相応に良好である。

図３には、図２の弁装置２２が閉鎖状態で示されている。弁体３６のシール区分３４はシール座部３２に当接しているので、流体の貫流はほぼ行われない。図面で見て弁体３６の左側における流路３８の終端領域には、気泡（蒸気泡）５４を持った領域が示されている。気泡５４は、圧力脈動の結果としてのキャビテーション効果により形成されたものである。気泡５４は比較的大きな面積で弁体３６に接しているか、又は、少なくとも密に隣接している。

気泡５４が破裂して内部崩壊する際には、この場合に生じる衝撃負荷は、弁体３６若しくは衝突壁４６の比較的大きな面積に分配されるので、キャビテーションエロージョンは著しく減じられる。特に、弁装置２２は、気泡５４の周りに、場合によっては特にキャビテーションエロージョンに対して敏感な、狭められた（楔形の）空間区分を有していない。

図４には、弁装置２２の別の構成が示されていて、崩壊室４４がアンダカット５６によって拡大されている。このようにして、内破する気泡５４をシール領域４２からさらに遠ざけておくことができるので、シール座部３２及びシール区分３４におけるキャビテーションエロージョンの危険はさらに減じることができる。

図５には弁装置２２の別の構成が示されており、この場合、衝突壁４６は、シール領域４２若しくはその平面の法線５８に対して１５°の角度Ｗ１だけ流れ方向に傾斜している。これにより、流体の流れを変向し、キャビテーションエロージョンの危険を減じる付加的な可能性が得られる。角度Ｗ１は１５°よりも小さくても良く、これにより弁装置２２は、キャビテーションエロージョンに対してさらに抵抗力を持つことができる。しかしこれは図５には示されていない。

図６には弁装置２２の別の構成が示されており、この場合、衝突壁４６は、シール領域４２の法線５８に対して１５°の角度Ｗ２だけ流れ方向とは逆方向に傾斜している。これによりキャビテーションエロージョンの危険をさらに減じることができる。角度Ｗ２は、６０°までの角度であっても良い。しかしこれは図６には示されていない。

図７には、弁装置２２の別の構成が示されている。この場合、流路３８の制限壁は、衝突壁４６の上流側かつ近傍で、縁部５２の個所に曲率半径Ｒ１を有した丸み部分６０を有している。

衝突壁４６は、シール領域４２の法線５８に対して最大１５°流れ方向に傾けられているか、又は選択的に最大６０°流れ方向とは逆方向に傾けられていても良い。選択的な両構成が、図７には補助線によって示唆されている。丸み部分６０のすぐ上流における制限壁６１を、長手方向軸線２９に対して±１５°の角度Ｗ３だけ傾けることができる。

図８には、弁装置２２の別の構成が示されている。この場合、流路３８の制限壁は、衝突壁４６の上流側かつ近傍で、縁部５２の個所に面取部６２を有している。この場合、衝突壁４６は、シール領域４２に対して同様に角度Ｗ１若しくは角度Ｗ２だけ傾けられていて良い（図５、図６及び図７参照）。

図９には、図８と同様の弁装置２２の構成が示されていて、この場合、ケーシング３０は衝突壁４６の領域で複数の部材として構成されている。この場合、面取部６２はケーシングエレメント６４に配置されている。

図１０には、弁装置２２の構成のうち第２のグループの第１の変化実施例が示されており、この場合、衝突壁４６は弁体３６に形成されている。この構成は、切欠（符号なし）によって弁体３６に崩壊室４４を形成することによって形成される。図７と同様に、流路３８の制限壁は、衝突壁４６の上流側かつ近傍で丸み部分６０を有している。流路３８の制限壁と衝突壁４６の角隅における角度Ｗ４は９０°であり、これにより流路３８の楔形の終端領域を回避することができる。選択的に角度Ｗ４は７５°〜１０５°であっても良く、かつ／又は丸み部分６０は面取部６２と取り替えられても良い。しかしこれは図１０には示されていない。

図１１には、弁装置２２の構成のうち第２のグループの第２の変化実施例が示されており、この場合、アンダカット６６が弁体３６に配置されている。これにより、図４の構成の場合と似たような流れ特性が生じる。ケーシング３０の上流側に前置された縁部５２は図１１の弁装置２２においては必須ではない。

図１２には、円錐・円錐弁としての構成の弁装置２２が示されている。シール領域４２の周囲についてはこの構成は、図２若しくは図３と同様のものである。特に衝突壁４６は、シール区分３４に関してほぼ直角に向けられている。しかしながら図１２では、シール座部３２及びシール区分３４の平面と衝突壁４６とは、図２若しくは図３と比較して所定の角度だけ、この場合、約４５°だけ、長手方向軸線２９に対して傾けられている。従って、縁部５２の角度も約１３５°である。

図２〜図１２に示した構成は、少なくとも部分的に互いに組み合わせ可能であり、従って、弁装置２２の複数の変化実施例が可能である。図示したように、弁体３６はプレート状又は円錐状に形成されていて良い。しかしながら選択的に弁体３６は円筒状又は球状に形成されても良く、これにより、弁装置２２のさらに別の変化実施例が得られる。

Claims (11)

1. 流体を制御する又は調量する弁装置（２２）であって、ケーシング（３０）と、流路（３８）と、該流路（３８）内に配置された弁体（３６）とを備え、該弁体は、前記弁装置（２２）の閉鎖時にケーシング側のシール座部（３２）に当接するシール区分（３４）を有しており、該シール区分（３４）とシール座部（３２）とは一緒に１つのシール領域（４２）を形成している、流体を制御する又は調量する弁装置（２２）において、
   当該弁装置（２２）の閉鎖時における前記流路（３８）内の前記シール領域（４２）のすぐ上流側に崩壊室（４４）が設けられ、該崩壊室（４４）は衝突壁（４６）によって制限されており、該衝突壁（４６）は少なくとも所定の領域で、前記シール領域（４２）の法線（５８）に対して、流れ方向（４０）に最大１５°から、流れ方向（４０）とは逆方向に最大６０°までの角度で傾けられており、前記崩壊室（４４）の、前記衝突壁（４６）とは別の制限壁は、前記シール領域（４２）に対してほぼ平行に延びていて、これにより、前記シール領域（４２）の上流には段部が生じることを特徴とする、流体を制御する又は調量する弁装置。
2. 前記衝突壁（４６）は少なくとも所定の領域で、前記シール領域（４２）の法線（５８）に対して、流れ方向（４０）に最大５°から、流れ方向（４０）とは逆方向に最大２０°までの角度で傾けられている、請求項１記載の弁装置。
3. 前記衝突壁（４６）は少なくとも所定の領域で、前記シール領域（４２）の法線（５８）に対して、流れ方向（４０）に最大２°から、流れ方向（４０）とは逆方向に最大１０°までの角度で傾けられている、請求項２記載の弁装置。
4. 前記衝突壁（４６）は少なくとも所定の領域で、前記シール領域（４２）に対して直角に配置されている、請求項３記載の弁装置。
5. 前記衝突壁（４６）は前記ケーシング（３０）にかつ／又は前記弁体（３６）に形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の弁装置。
6. 前記流路（３８）の制限壁は、前記崩壊室（４４）の、前記衝突壁（４６）とは別の制限壁の上流側かつ近傍に丸み部分（６０）又は面取部（６２）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の弁装置。
7. 前記流路（３８）の制限壁は、前記崩壊室（４４）の、前記衝突壁（４６）とは別の制限壁の上流側かつ近傍に丸み部分（６０）を有していて、前記流路（３８）の制限壁（６１）は、前記丸み部分（６０）のすぐ上流側で、前記流路（３８）の長手方向軸線（２９）に関して、最大±１５°の角度（Ｗ３）を有している、請求項１から５までのいずれか1項記載の弁装置。
8. 前記流路（３８）の制限壁には、前記衝突壁（４６）の上流側かつ近傍に、かつ／又は前記衝突壁（４６）内に、アンダカット（５６，６６）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁装置。
9. 前記弁体（３６）は、プレート状、円筒状、又は円錐状に形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の弁装置。
10. 前記ケーシング（３０）は、前記衝突壁（４６）の領域で複数の部材から成っている、請求項１から９までのいずれか１項記載の弁装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の弁装置（２２）を含むことを特徴とする、内燃機関の燃料システムにおける流量制御弁。

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