JP2006526729A - 燃料噴射ポンプのための弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、弁ハウジング（４）内に形成された弁座（１０）と、弁ハウジング（４）内で運動可能な弁部材（６）とを備えた、燃料噴射システムのための弁（２）であって、弁部材（６）が、弁（２）の閉弁時に密に弁座（１０）に当て付けられるシール面（８）を有しており、シール面（８）が弁（２）の開弁時に弁座（１０）と相俟って、燃料により通流される弁ギャップ（１２）を制限するようになっている形式のものに関する。キャビテーション損傷を防止するために、弁部材（６）が、流動方向で見てシール面（８）の直後に配置された環状に延在する空洞（１８）を有しており、空洞（１８）に、弁部材（６）の、環状に延在する横断面拡大部（２０）が接続しているようにすることを提案する。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載された特徴を備えた、内燃機関の燃料噴射システムのための弁、より詳細に言うならば、特にコモンレール式噴射システムのインジェクタのための弁に関する。

背景技術
コモンレール式噴射システムは多数のインジェクタを有している。インジェクタは電子式の機関制御部のコントロール下で高圧ポンプにより、コモンレールと呼ばれる中央の高圧蓄え器から燃料を供給され、燃料を弁を介して内燃機関のシリンダの燃焼室内に噴射する。そのような弁はとりわけ同一出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４０２９６号明細書から公知であり、弁位置に応じて、燃料が弁によりシリンダの燃焼室内に噴射されるもしくは燃料の供給が中断されるべき場合に、噴射システムのインジェクタの高圧領域を低圧領域に接続するもしくは低圧領域から遮断するために役立つ。

燃料が弁の開弁時に高速で、弁座とシール面との間に形成されたリング通路を通って流動しており、そのリング通路の横断面が、弁座の下流で強く拡張されている場合、そこにキャビテーションが燃料中に発生する可能性がある。その際、燃料中に、圧力が局所的に燃料の蒸気圧を下回ると、気泡が形成される。あらためての圧力上昇時に、気泡中の燃料は凝縮する。その際、燃料は高速で、リング通路の、隣接する境界面に衝突する。これにより、弁座の直後でキャビテーション損傷が発生し得る。このキャビテーション損傷により、かい食の進行と共に、弁座自体も攻撃に曝されてしまう。

この問題を解決するために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４０２９６号明細書では、リング通路の横断面を、弁ギャップの領域における最小の横断面を起点として、コンスタントな勾配で拡張することが提案されている。ただし、この手段はキャビテーション損傷を確実に防止するにはなお不十分であることが判っている。

発明の利点
これに対して、請求項１に挙げた特徴を有する本発明による弁を使用すると、キャビテーション損傷が首尾よく防止されることができる。それというのも、燃料流が弁座の下流で単純に軸方向にのみ変向されるわけではないからである。その代わり、燃料流は空洞の通流時に、弁部材の中心軸線から離れる方向での速度成分を有している。その結果、燃料流は空洞からの流出後に、弁ハウジングの流出孔の内壁の、対向して位置する領域に衝突する。衝突時に、燃料流の一部は内壁に沿って逆流するように弁ギャップの方向で案内される。これにより、弁ギャップの直後で、空洞と、内壁の、対向して位置する壁領域との間の、拡張されたリング室内に、渦流が形成される。この渦流により、一方では、付加的な燃料が弁ギャップの下流のリング室内にもたらされ、その結果、そこに増加された燃料が存在する。このことは弁ギャップ近傍でのキャビテーション現象に抗して働き、それにより、長期的に惹起される弁座のキャビテーション損傷に抗して働く。他方では、弁ギャップの方向で逆流するように案内された燃料が、弁ハウジングの内壁に沿って流動する。これにより、まさに特にキャビテーションの危険に曝されたこの領域に、付加的な燃料がもたらされ、燃料の圧力降下の結果として生じる局所的な気泡形成が回避されることができる。

「空洞」とは、本発明のコンテクストでは、弁部材の周囲に設けられた凹面状のリング溝と理解されるべきであり、「横断面拡大部」とは、弁部材の、直径がリング溝の領域の直径よりも大きくなっている、流動方向で隣接する部分と理解される。

弁ギャップの下流の拡張されたリング室内での、特に良好な渦流形成は、本発明の有利な構成では、空洞と横断面拡大部との間に、アンダカットされて環状に延在するはく離エッジが配置されており、はく離エッジにおいて、はく離エッジの両側で隣接する、空洞の、外側の周面区分と、横断面拡大部の、外側の周面区分とが、優角の下で交わっていることにより達成される。

横断面拡大部の側でエッジに隣接する外側の周面区分が有利には、実質的に弁部材の中心軸線に対して平行に方向付けられているのに対し、空洞の側でエッジに隣接する周面区分が有利には流動方向とは逆向きに、２０°〜８０°、有利には３０゜〜６０゜の角度の下で、弁部材の中心軸線に向かって傾いている。その結果、両周面区分は２００°〜２６０°、有利には１９０°〜２４０°の角度の下で交わっている。

はく離エッジの、特に簡単かつ安価な製作は、本発明の別の有利な構成では、弁部材の最終的な加工、すなわち仕上げ時に、弁部材の、外側の周面が、少なくとも弁座に対向して位置するシール面および空洞の領域で、最終的な直径まで研削されるが、横断面拡大部の領域では研削されないことにより可能である。その結果、そこに残された材料は自動的にはく離エッジの形成に至る。この事例では、弁部材の横断面が流動方向で見て横断面拡大部の下流で先細りしている。ただし、このことは必ずしも必要なことではない。

弁部材の、大量生産のために安価に製作したい幾何学形状（ジオメトリ）を提供するために、凹面状の空洞は有利には、少なくとも０．２ｍｍであり、かつ空洞の全幅にわたって一定の大きさである曲率半径を有している。

渦流形成を促進するために、本発明の別の有利な構成では、流出孔の、空洞に実質的に対向して位置する内壁区分を、弁部材の中心軸線もしくは流出孔の中心軸線に対して平行に方向付けるのではなく、この区分に、燃料流の一部を弁ギャップの方向で変向させる一助となる段部もしくは斜面を設けてもよい。

図面
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
図１：本発明による弁の弁部材または弁ピンの側面図である。
図２：図１の一部（領域Ｚ）を拡大して示す、弁の弁ギャップの領域の横断面図である。
図３：弁部材が流動方向で見て弁ギャップの下流に、図２に示したものとは異なる幾何学形状を有する、図２に相当する拡大抜粋図である。
図４：弁部材および弁ハウジングが流動方向で見て弁ギャップの下流に、さらに別の幾何学形状を有する、図２に相当する拡大抜粋図である。

実施例の説明
図面に部分的にのみ示した弁２は、内燃機関のコモンレール式噴射システムのインジェクタの一部である。このインジェクタは、燃料を、コモンレールと呼ばれる中央の高圧蓄え器（アキュムレータ）から、内燃機関のシリンダの燃焼室内に噴射するために役立つ。

この種のインジェクタの全体的な構造は、例えば同一出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６１９５２３号明細書に詳細に記載されており、その弁の構造に関する細部については、同一出願人の、既に挙げたドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４０２９６号明細書に見出せる。そのため、ここでの詳細な説明は省略し、この目的で上記刊行物を参照されたい。

弁２は主として弁ハウジング４から成っている。弁ハウジング４内には、回転対称の弁ピン６（図１参照）が軸方向で運動可能に挿入されている。弁部材とも呼ばれる弁ピン６は、円錐形の、流動方向で先細りしたシール面８を有している。シール面８は弁２の閉弁時に密に、ハウジング４の、相補的な円錐形の弁座１０に当て付けられる。最もよく図２〜図４に示されているように、弁２の開弁時に、シール面８は弁座１０と相俟って、弁ピン６を取り巻く弁ギャップ１２を、リング状の流動通路の形で制限する。流動通路もしくは弁ギャップ１２を通って、噴射したい燃料は弁２の高圧側１４から弁２の低圧側１６に向かって流動する。

さらに、弁ピン６は、流動方向で見てシール面８の直後に、その外側の周囲に環状に配置された空洞１８、すなわち縦断面で見て凹面状の凹部または溝を有している。空洞１８の軸方向の幅にわたって、弁ピン６の直径はその前後よりも小さい。弁ピン６は空洞１８の下流に、空洞１８に隣接する横断面拡大部２０を有している。

空洞１８は、弁座１０の下流で実質的に軸方向で導出される燃料流の少なくとも一部を変向させて、燃料流が、弁ピン６の中心軸線２２から離れるように方向付けられた速度成分を有し、かつ空洞１８から流出した後に、弁ハウジング４の流出孔２６の内壁２４の、対向して位置する領域に衝突するようにするために役立つ。最もよく図２、図３および図４に矢印で示されているように、その際、燃料流は２つの部分流に分流される。２つの部分流のうち、大きいほうの部分流は衝突後、流出孔２６の内壁２４に沿って、孔２６の、下流側の部分に向かって変向され、その一方で、小さいほうの部分流は流動方向とは逆向きに、弁ギャップ１２に向かって逆流するように変向される。空洞１８と、内壁２４の、対向して位置する壁領域との間の、流動方向で弁ギャップ１２に接続した拡張されたリング室３０内で、この部分流は、弁ギャップ１２から流出する燃料流と相俟って渦流３２を形成する。渦流３２は弁座１０の直後の領域で弁ハウジング４を、キャビテーションにより惹起されるかい食から保護する。その結果、弁座１０は長い運転時間にわたって無傷のままである。

このような保護作用を有する渦流３２を形成するために、空洞１８から流出する燃料流の、弁ピン６の中心軸線２２に関する傾斜角は、小さすぎてはならない。それというのも、さもなければすべての燃料が直接流出孔２６内に変向されてしまうからである。それゆえ、一方では、空洞１８は過度にフラットに形成されているべきではなく、接続する横断面拡大部に関して、ある程度の最低深度Ｔ（図１参照）を有しているべきである。この最低深度Ｔは、弁ピン６の直径がシール面の中央で１．３５ｍｍである場合、有利には０．０４ｍｍよりも大きくあるべきである。他方では、空洞１８は横断面拡大部への移行部で丸み付けられているべきではない。それというのも、これにより、空洞１８から流出する燃料流の、中心軸線２２に関する傾斜角が、やはり小さくなってしまうからである。その代わり、空洞１８と横断面拡大部２０との間には、環状に延在するエッジ３４が設けられる。このエッジ３４において、隣接する、空洞１８の、外側の周面区分３６と、横断面拡大部２０の、外側の周面区分３８とは、少なくとも２００°、有利には２２０°〜２４０°の間にあるべき優角β（図１）を形成する。移行部が丸み付けられている場合とは異なり、そのようなエッジ３４では、燃料の流動が弁ピン６の周面からはく離する。しかしながら、このことは、弁ピン６の、硬化された表面のために、キャビテーション損傷を招くことはない。エッジ３４における流動はく離は、燃料が空洞１８から、中心軸線２２に対する傾斜角の下で、すなわち空洞１８内でエッジ３４に隣接する周面区分３６の傾斜角αに実質的に等しい傾斜角の下で流出することを生ぜしめる。この傾斜角がどのような大きさに選択されるかに応じて、燃料流が、流出孔２６の内壁２４の、対向して位置する領域に衝突する際に、程度の差こそあれ燃料が弁ギャップ１２の方向で逆流するように変向される。それゆえ、有利には２０°〜６０°であるこの傾斜角の適当な選択により、逆流する燃料流の割合は、一方では、渦流形成により弁座１０の直後のキャビテーション損傷が防止され、他方では、渦流形成が弁ギャップ１２より下流の燃料の流出に悪影響を及ぼすことがないような値に調節されることができる。

図示したすべての実施例では、内壁２４に沿って逆流する燃料は、弁ギャップ１２の直後までの内壁２４を、キャビテーションに起因する損傷から保護する。このようなキャビテーションに起因する損傷はさもなければ、燃料が弁ギャップ１２からリング室３０内へ流出する際の、燃料中の圧力降下の結果として惹起されてしまう。

図２に示した弁ピン６では、空洞１８内でエッジ３４に隣接する周面区分３６が、弁ピン６の中心軸線２２に対して約６０°の傾斜角αの下で方向付けられており、それゆえ、燃料がかなり急な角度で流出孔２６の内壁２４に衝突し、それにより、比較的大量の燃料が弁ギャップ２８の方向で逆流するように変向されるのに対し、図３および図４に示した２つの弁ピン６では、この傾斜角αが約３５°もしくは約２０°であり、それゆえ、それ相応に少量の燃料が、渦流３４の形成下で、弁ギャップ２８の方向で逆流するように変向される。

図４に示した傾斜角αが既に、それでもなお渦流３４を形成する限界の範囲にあるので、そこには、流出孔２６の、対向して位置する内壁２４に、小さな段部４０が設けられている。この段部４０は、弁ピン６および流出孔２６の中心軸線２２に対して傾いた表面の結果として、燃料の一部の、弁ギャップ１２の方向での逆流変向を促進する。

空洞１８の、凹面状の境界は、すべての実施例において円形である。その際、その曲率半径は、弁ピン６の安価な大量生産を可能にするために、０．２ｍｍを超えるべきではない。空洞１８は、弁ギャップ１２の側で、すべての実施例に示されているように、有利には変わり目なしに、すなわち断面の突然の変化なしにシール面８へと移行する。

空洞１８の他方の側に設けられた鋭利なはく離エッジ３４は、弁ピン６の大量生産時に、弁ピン６がその仕上げ時に横断面拡大部２０の両側でその最終的な直径に研削され、横断面拡大部２０の領域では研削されないことにより、安価に製作されることができる。その結果、そこに、弁ピン６の研削仕上げ前に存在する直径は維持されたままである。このことは空洞１８への移行部で自動的にはく離エッジ３４の形成に至る。

本発明による弁の弁部材または弁ピンの側面図である。 図１の一部（領域Ｚ）を拡大して示す、弁の弁ギャップの領域の横断面図である。 弁部材が流動方向で見て弁ギャップの下流に、図２に示したものとは異なる幾何学形状を有する、図２に相当する拡大抜粋図である。 弁部材および弁ハウジングが流動方向で見て弁ギャップの下流に、さらに別の幾何学形状を有する、図２に相当する拡大抜粋図である。

Claims (10)

1. 弁ハウジング内に形成された弁座と、弁ハウジング内で運動可能な弁部材とを備えた、燃料噴射システムのための弁であって、弁部材が、弁の閉弁時に密に弁座に当て付けられるシール面を有しており、シール面が弁の開弁時に弁座と相俟って、燃料により通流される弁ギャップを制限するようになっている形式のものにおいて、弁部材（６）が、流動方向で見てシール面（８）の直後に配置された環状に延在する空洞（１８）を有しており、空洞（１８）に、弁部材（６）の、環状に延在する横断面拡大部（２０）が接続していることを特徴とする、燃料噴射システムのための弁。
2. 空洞（１８）と横断面拡大部（２０）との間に、環状に延在するエッジ（３４）が配置されており、エッジ（３４）において、隣接する、空洞（１８）の、外側の周面区分（３６）と、横断面拡大部（２０）の、外側の周面区分（３８）とが、角度（β）の下で交わっている、請求項１記載の弁。
3. 弁部材（６）の周面区分（３６，３８）がエッジ（３４）において優角（β）の下で交わっている、請求項２記載の弁。
4. 横断面拡大部（２０）の側でエッジ（３４）に隣接する外側の周面区分（３８）が実質的に弁部材（６）の中心軸線（２２）に対して平行に方向付けられている、請求項２または３記載の弁。
5. 空洞（１８）の側でエッジ（３４）に隣接する周面区分（３６）が、２０°〜６０°の角度の下で、弁部材（６）の中心軸線（２２）に対して傾いている、請求項２から４までのいずれか１項記載の弁。
6. 空洞（１８）の曲率半径が０．２ｍｍよりも大きい、請求項１から５までのいずれか１項記載の弁。
7. 空洞（１８）とシール面（８）とが変わり目なしに移行する、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
8. 弁部材（６）の横断面が流動方向で見て横断面拡大部（２０）の下流で先細りしている、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
9. 弁部材（６）の、外側の周面が、少なくともシール面（８）および空洞（１８）の領域で研削されているが、横断面拡大部（２０）の領域では研削されていない、請求項１から８までのいずれか１項記載の弁。
10. 燃料噴射ポンプにおいて、請求項１から９までのいずれか１項記載の弁が設けられていることを特徴とする燃料噴射ポンプ。

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