JP7311612B2 - 燃料遮断弁用の通流制限装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料遮断弁用の通流制限装置であって、通路を形成する流れハウジングと、通路内に配置された通流制限要素と、通流制限要素にこの通流制限要素の開放方向で力を加えるばねであって、力は、流れ圧により生じる、通流制限要素に閉鎖方向で作用する力とは逆向きである、ばねとを備え、通流制限要素は、この通流制限要素に作用するばねの力が、流れ圧による力よりも大きい第１の終端位置において、流れ圧によって通流制限要素に作用する力が、ばねの力よりも大きい第２の終端位置よりも大きな通流横断面を開放している、通流制限装置に関する。

このような通流制限装置は、タンク内で気化する燃料による圧力が高くなりすぎないことを保証するために、タンク空気抜きシステムで使用される。そのために、燃料蒸気は、タンク空気抜き弁を介して活性炭フィルタ容器に供給され、この活性炭フィルタ容器によって、蒸気内に含まれた炭化水素が貯えられ、これによって、周囲への炭化水素の流出を阻止することができる。活性炭フィルタは、内燃機関の、吸気管から吸い込まれた空気によって、または別体の二次空気ブロアによって再生することができる。通流制限装置によって、下流の弁に、機能不全を引き起こす恐れがある過度に高い圧力によって負荷が加えられないことが保証される。

このことを実現するために、体積流を絞るための機械式のシステムが公知であり、このようなシステムでは、力発生要素としてばねが使用され、このばねによって最低作動力が存在する体積流によって決定される。したがって、作動力は、制限要素の端面を擦過する流れによって発生し、この流れは、よどみ点における力としてばね力とは逆に作用する。

相応して、公知の通流制限装置は切換点を有しており、この切換点で、利用することができる通流横断面は、圧力が極めて強く上昇すると、通流制限要素の移動によって減少し、これによって、通流する体積流を減らすことができる。しかしながら、多くの公知の構成では、まさに僅かな通流時に、通流制限体の切換点の前よりも極めて高い圧力損失が発生する。

体積流が僅かな場合に圧力損失が減じられる通流制限体を備えた燃料遮断弁は、例えば欧州特許第２６６５９１３号明細書に基づいて公知である。遮断弁が開放されると、燃料蒸気は、通流制限体の内部の小さなノズルと、軸線方向で移動可能な閉鎖部材によって形成される追加的な横断面とを通って流れることができる。流入部と流出部との間の圧力差が過度に大きくなると、閉鎖部材に作用する力は、逆向きに作用するばねの力を上回り、閉鎖部材はその弁座に向かって押圧され、これによって、ノズルの内部の横断面しか通流され得なくなり、これによって、最大の通流量が確実に制限される。

しかしながら、このような実施形態における問題点は、この通流制限体の切換点を、大きな困難を伴ってしか決定することができないということである。なぜなら、通流制限体の開放された状態では、高い圧力損失が、小さな内部の横断面の外側における通流時に強められた渦流形成によって発生するからであり、このような渦流形成によって、一義的な開放時点を、存在している背圧に関連して決定することができなくなる。

ゆえに、本発明の課題は、一方では、全圧力損失が僅かであり、他方では、切換点および最大の体積流を一義的に決定することができる、特に燃料遮断弁用の通流制限装置を提供することである。さらに、ばね要素のばね強さを大幅に減じる必要なしに、切換が既に比較的僅かな通流量でも可能であることが望まれている。

この課題は、独立請求項１の特徴を備えた通流制限装置によって解決される。

通流横断面が、両終端位置において、通流制限要素と、この通流制限要素の周囲に位置している流れハウジングとの間の環状の間隙を通して配置されており、通流制限要素と、周囲に位置している流れハウジングとの間の通流横断面が、軸線方向で最も狭い通流横断面にまで連続的に減少しており、この最も狭い通流横断面以降、連続的に増加していることによって、両終端位置において、通流制限要素の開閉時に圧力損失の急激な変化を生じさせない純粋なノズル流れが提供され、これによって、一義的な切換点を決定することができる。このようにして、まず、低圧力損失の加速が両表面の間で得られ、この加速によって、低圧ゾーンが形成され、この低圧ゾーンは、差圧を増加させ、開放時点を流入側におけるより低い絶対圧に向かってシフトする。その後に徐々に減圧することによって、全圧力損失は極めて僅かなままである。この構成によって、切換特性を極めて正確に適合させることができる。

好ましくは、通流制限要素の流入側縁部から流出側縁部への通流制限要素の長さに関してプロットされた通流横断面の関数が微分可能である。このことは、渦流形成を引き起こす恐れがある横断面の急激な変化が生じないということを意味している。これに相応して、発生する総圧力損失は著しく減じられる。

追加的に好ましくは、流れハウジングは、ベンチュリノズルの形状を有しており、通流制限要素は、ベンチュリノズルの最も狭い横断面を越えて、続くディフューザ内に進入している。このことによっても、流れは沈静化され、圧力損失は僅かになる。ベンチュリノズルによって、通流制限要素の前面と背面との間の差圧がさらにもう一度高められ、これによって、開放力を、同じばね特性線で低下させることができる。なぜなら、背圧面積とばね特性線とは、もはや、開放圧を確定するためのただ１つの変数ではないからである。これに相応して、通流制限要素を比較的小さく構成することができる。なぜなら、同じ直径でより大きな開放力が生じるからである。

好ましくは、通流制限要素の半径方向の外壁が、連続的に集束するように形成されている。このように構成されていると、流れ抵抗が減少する。このようにして、ポンプを用いたガスの搬送時に通流制限要素が切り換えられない場合に、つまり、通流横断面が比較的大きな場合に、体積流が同じ場合のポンプの回転数ひいてはポンプの電流消費をも減らすことができる。

本発明の好適な構成では、通流制限要素の半径方向の外壁は、流入側縁部から流出側縁部に向かって、凸面状の第１の区分と、この第１の区分に続く凹面状の第２の区分と、この第２の区分に続く凸面状の第３の区分と、を備える流れ体を形成している。このように構成されていると、僅かな圧力損失でかつ簡単な製造可能性で、減じられた切換圧を得ることができる。

特に流れ体が回転対称であることが好ましく、このように構成されていると、流れ体は、通常の丸い管に適合し、この際に横断面にわたって様々な流れが発生することはない。

１つの好適な実施形態では、通流制限要素の流れ体の凹面状の第２の区分は、両終端位置において、流れハウジングのベンチュリノズルの最も狭い横断面の内部に配置されている。この構成によっても、渦流のない好適な流れが両切換状態において生じる。

さらに、好ましくは、通流制限要素に少なくとも３つのウェブが形成されており、これらのウェブは、流れハウジングの内壁に設けられた全周にわたって延在する半径方向間隙を通って半径方向外向きに突出しており、ウェブにばねの力が作用する。これに相応して、通流制限要素の固定および通流制限要素に力を加えることは、通流される領域の外側で行われ、このことは、新たに圧力損失を減少させる。追加的に、通路内における通流制限要素の確実な固定が行われる。

さらに、好ましくは、ばねは、流れハウジングの内壁と流れハウジングの外壁との間に、予荷重が加えられた状態で配置されている。なぜなら、このように構成されていると、一方では、ばねの確実なガイドが達成され、他方では、ばねが、通流される領域の外側に配置されてもいるからである。また、このようにして、ばねの組付けも簡単になる。

中央に形成されたよどみ点を得るために、通流制限要素は、流入側縁部から通流制限要素の半径方向内部へと延在している回転対称の湾入部を有する。

これによって、切換点の正確な設計時に圧力損失を最小にし、開放圧を減じることができる通流制限装置が得られる。その結果、通流制限要素のサイズをも小さくすることができる。

本発明に係る通流制限装置の一実施例が図面に示してあり、以下に燃料遮断弁用の圧力制限体として使用した場合の例を説明する。もちろん、他の使用例も可能である。

内燃機関の燃料タンク空気抜きシステムの流れを概略的に示す図である。 第１の切換状態における本発明に係る通流制限装置を断面して示す側面図である。 第２の切換状態における、図２に示した本発明に係る通流制限装置を断面して示す側面図である。

図１に示した燃料タンク空気抜きシステムは燃料タンク１０から成っており、この燃料タンク１０内には燃料が貯えられ、燃料タンク１０には、注入管片１２を介して燃料が充填可能である。燃料タンク内には、図示しない内燃機関に燃料を供給することができる燃料ポンプ１４が配置されている。注入管片１２からは空気抜き管路１６が分岐しており、この空気抜き管路１６内では、燃料遮断弁１８が、下流に配置された通流制限装置２０と共に、タンク圧力弁２２として１つのユニットを形成している。空気抜き管路１６は、活性炭フィルタ容器２４内で開口している。この活性炭フィルタ容器２４内では、タンク１０内で発生する燃料蒸気が、その中に含まれた炭化水素と共に貯えられる。活性炭フィルタの最終的な貯蔵容量に基づいて、活性炭フィルタは、定期的にフラッシングされねばならない。そのために、活性炭フィルタは、再生管路２６を介して吸気管２８に接続されている。この再生管路２６内には再生弁３０が配置されており、この再生弁３０を介して再生管路は開閉させることができる。弁３０の開放時に、貯えられた燃料蒸気は、再び吸気管２８ひいては機関内の燃焼に供給され、これによって、燃料蒸気の流出は確実に阻止される。活性炭フィルタ容器２４からの燃料蒸気の搬送を促し、かつ吸気管２８へと促す圧力降下は、吸気管圧自体によって得られるか、または追加的な再生ブロワを用いて生じさせる。

選択された燃料タンクおよび接続された機関に応じて、燃料タンク１０内における様々な蒸気圧が許可されている。この圧力が設定された閾値を上回ると、最初に燃料遮断弁１８が開放され、これによって、燃料蒸気は、通流制限装置２０を介して活性炭フィルタ容器２４に流れることができる。

この通流制限装置２０は、過度に多い通流量を阻止する働きをする。過度に多い通流量は、下流の弁に損傷を与えるかまたは活性炭フィルタを再生することができる前に活性炭フィルタに急激な過負荷をかける恐れがある。

このような本発明に係る通流制限装置２０が、図２および図３に示してある。この通流制限装置２０は、周囲に位置している流れハウジング３２であって、その内部に、燃料遮断弁１８の開放時に燃料蒸気によって通流される通路３４が形成されている、流れハウジング３２と、通路内に配置されていて実質的に回転対称に形成された通流制限要素３６とから成っている。

通流制限要素３６には、燃料蒸気の流れ方向とは逆向きの方向に予荷重が加えられる。ばね３８は、流れハウジング３２の内壁４０と流れハウジング３２の外壁４２との間で、実質的に通流されない領域に配置されており、この領域は、単に、内壁４０に設けられた環状の半径方向間隙４４を介して、内壁４０によって画定された通流される通路３４に流体接続されている。この半径方向間隙４４を通って３つのウェブ４６が延びており、これらのウェブ４６は、通流制限要素３６から半径方向外向きに突出していて、ウェブ４６の半径方向外側の端部にはリング４８が形成されており、このリング４８にばね３８が接触している。

半径方向間隙４４は、フランジ結合部５４を介して互いに結合された２つのハウジング部分５０，５２をまとめることによって生じている。一方のハウジング部分５０が、単に内壁４０を有しているのに対して、向かい合っている第２のハウジング部分５２には、軸線方向に延在している環状の切欠き５６が、内壁４０と外壁４２との間に形成されている。切欠き５６の背壁５８は、ばね３８のための対応ストッパとして働き、切欠き５６内にはばね３８が収容される。

第２のハウジング部分５２の内壁４０は、ベンチュリノズル６０として成形されており、このベンチュリノズル６０には、ディフューザ６２が続いており、このベンチュリノズル６０の内部に、通流制限要素３６が収容されている。

ウェブ４６は、通流制限要素３６の流入側縁部６４から延在しており、この流入側縁部６４には、回転対称のほぼ半球状の湾入部６６が形成されていて、この湾入部６６は、通流制限要素３６の流れ体６８の内部へと延在している。

この流れ体６８は、通流制限要素３６の、燃料蒸気が周流または流過する領域を形成し、回転対称の外壁７０を有している。この外壁７０の直径は連続的に減少しており、外壁７０の第１の区分７２は流入側縁部６４から凸面状に延在しており、このことは、この区分７２のそれぞれの点における接線は、流れ体６８のこの区分７２に対して半径方向外側に位置している領域に配置されているということを意味している。

この第１の区分７２には、流れ体６８の、凹面状に成形された第２の区分７４が続いており、このことは相応して、この区分７４のそれぞれの点における接線は、流れ体６８のこの区分７４に対して半径方向内側に位置している領域に配置されているということを意味している。

第２の区分７４にはさらに、新たに凸面状の第３の区分７６が続いており、この第３の区分７６の端部は、最終的に、流れ体６８の流出側縁部として点状に集束している。凸面状の区分７２，７６と凹面状の区分７４との間のそれぞれの移行部は、それぞれ連続的に微分可能に、つまり、なんら横断面の急激な変化なしに延在している。相応して、流入側縁部６４から流出側縁部７８への外壁７０の縁部を関数としてプロットしたとすると、この関数の導関数もまた、急激な変化のない連続的な関数となる。

通流制限要素３６のこの流れ体６８は、第１の終端位置と第２の終端位置とで、凹面状の第２の区分７４が、ベンチュリノズル６０の最も狭い横断面の半径方向内側に配置されている。

相応して、上流に配置された燃料遮断弁の開放時には、流れ体６８を完全に取り囲むように燃料蒸気が流れる。図２に示した第１の終端位置では、流れハウジング３２の内壁４０と流れ体６８との間で発生する通流横断面は、図３に示した第２の終端位置における横断面よりも大きい。

このことは、上流に配置された燃料遮断弁１８の閉鎖時には、通流制限要素３６からの圧力が作用しないということを意味しており、これによって、通流制限要素３６は、ばね３８の力によってその第１の終端位置に押圧される。しかしながら、燃料蒸気は流れない。燃料遮断弁１８の開放時に、燃料蒸気は通流制限要素３６へと流れる。これによって、力が閉鎖方向で通流制限要素３６に加えられる。この圧力が調節された閾値を上回ると、通流制限要素３６はその第２の終端位置に移動し、この第２の終端位置で通流横断面は減少している。この結果、活性炭フィルタ容器２４の方向に流れることができる体積流は減少し、つまり、通流量が制限される。したがって、閾値圧は、ばねの力、流入側縁部６４の形状およびサイズ、ならびに流れ体６８の形状に関連している。

流れ体６８を取り囲んでいてまず連続的に低減し流れ方向でその後徐々に再び増加する間隙８０を形成する、流れハウジング３２の内壁４０および流れ体６８の特別な形状と、ベンチュリノズル６０の下流に続くディフューザ６２であって、その内部で流れをその初期の速度レベルにゆっくりと再び遅延させるディフューザ６２とによって、通流制限装置２０において発生する圧力損失は、極めて僅かである。その代わりにまず、燃料蒸気は僅かな圧力損失で加速し、これによって、低圧ゾーンが形成され、この低圧ゾーンは、差圧を高め、ひいては、第１の終端位置から第２の終端位置への通流制限要素３６の移動のために必要な力を高める。これによって、システムの堅牢性を変化させることなしに、つまり、例えば比較的小さなばねを使用する必要なしに、切換時点を比較的低い圧力にシフトさせることができる。これに相応して、追加的な設計変数が得られ、これによって、切換特性の設計をさらにより正確に行うことができ、場合によっては弁をより小型に構成することができる。なぜならば、ばねおよび背圧面積のサイズが、もはやただ１つの変数ではないからである。圧力損失が僅かであることによって、通流制限装置の作動時に、ポンプ回転数または接続されたポンプのサイズを小さくすることができる。これによって、また下流の弁が、過負荷に対して確実に防護される。

明瞭に付言しておくと、本発明は、上に説明したこの実施例に制限されるものではなく、流れ体の形状および周囲に位置しているハウジングの構造において様々な変化形態が可能である。また、本実施例の通流制限装置は、上流に配置された燃料遮断弁内に直接組み込まれてもよい。さらに述べると、このような通流制限装置はもちろん他の用途のためにも使用することができる。

Claims (10)

1. 燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）であって、
   通路（３４）を形成する流れハウジング（３２）と、
   前記通路（３４）内に配置された通流制限要素（３６）と、
   前記通流制限要素（３６）に該通流制限要素（３６）の開放方向で力を加えるばね（３８）であって、前記力は、流れ圧により生じる、前記通流制限要素（３６）に閉鎖方向で作用する力とは逆向きである、ばね（３８）と、
   を備え、
   前記通流制限要素（３６）は、該通流制限要素（３６）に作用する前記ばね（３８）の力が、前記流れ圧による力よりも大きい第１の終端位置において、前記流れ圧によって前記通流制限要素（３６）に作用する力が、前記ばね（３８）の力よりも大きい第２の終端位置よりも大きな通流横断面を開放している、
   通流制限装置（２０）において、
   前記通流横断面は、両終端位置において、前記通流制限要素（３６）と、該通流制限要素の周囲に位置している流れハウジング（３２）との間に配置されている環状の間隙（８０）によって形成されており、前記通流制限要素（３６）と、前記周囲に位置している流れハウジング（３２）との間の通流横断面が、軸線方向で最も狭い通流横断面にまで連続的に減少しており、該最も狭い通流横断面以降、連続的に増加している
   ことを特徴とする、通流制限装置（２０）。
2. 前記通流制限要素（３６）の流入側縁部（６４）から流出側縁部（７８）への前記通流制限要素（３６）の長さに関してプロットされた前記通流横断面の関数が微分可能であることを特徴とする、請求項１記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
3. 前記流れハウジング（３２）は、ベンチュリノズル（６０）の形状を有しており、前記通流制限要素（３６）は、前記ベンチュリノズル（６０）の最も狭い横断面を越えて、続くディフューザ（６２）内に進入していることを特徴とする、請求項２記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
4. 前記通流制限要素（３６）の半径方向の外壁（７０）が、連続的に集束するように形成されていることを特徴とする、請求項３記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
5. 前記通流制限要素（３６）の、流体が周流する外壁（７０）は、前記流入側縁部（６４）から前記流出側縁部（７８）に向かって、凸面状の第１の区分（７２）と、該第１の区分に続く凹面状の第２の区分（７４）と、該第２の区分に続く凸面状の第３の区分（７６）と、を備える流れ体（６８）を形成していることを特徴とする、請求項４記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
6. 前記流れ体（６８）は回転対称であることを特徴とする、請求項５記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
7. 前記通流制限要素（３６）の前記流れ体（６８）の前記凹面状の第２の区分（７４）は、両終端位置において、前記流れハウジング（３２）の前記ベンチュリノズル（６０）の前記最も狭い横断面の内部に配置されていることを特徴とする、請求項５または６記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
8. 前記通流制限要素（３６）は、前記流入側縁部（６４）から前記通流制限要素（３６）の半径方向内部へと延在している回転対称の湾入部（６６）を有することを特徴とする、請求項２から７までのいずれか１項記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
9. 前記通流制限要素（３６）に少なくとも３つのウェブ（４６）が形成されており、該ウェブ（４６）は、前記流れハウジング（３２）の内壁（４０）に設けられた全周にわたって延在する半径方向間隙（４４）を通って半径方向外向きに突出しており、前記ウェブ（４６）に前記ばね（３８）の力が作用することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。
10. 前記ばね（３８）は、前記流れハウジング（３２）の前記内壁（４０）と前記流れハウジング（３２）の外壁（４２）との間に、予荷重が加えられた状態で配置されていることを特徴とする、請求項９記載の燃料遮断弁（１８）用の通流制限装置（２０）。

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