JP2008175339A

JP2008175339A - 制御弁

Info

Publication number: JP2008175339A
Application number: JP2007011167A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Suzuki; 鈴木　　啓介
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】弁座とシート部の摩耗を抑制する。
【解決手段】低圧側弁座１９を円錐形状とし、この低圧側弁座１９に接離する弁体３１の低圧側シート部３１３ａを所定の曲率の曲面にする。そして、弁体３１の対称軸Ｂを含む断面における低圧側シート部３１３ａの曲率中心Ｏを、弁体３１の対称軸Ｂからずらしている。これにより、低圧側シート部３１３ａが低圧側弁座１９に片当たりなく当接した状態では、弁体３１は低圧側シート部３１３ａの曲率中心Ｏを中心にして回転することはできない。したがって、低圧側シート部３１３ａと低圧側弁座１９間で滑りが発生せず、低圧側シート部３１３ａと低圧側弁座１９の摩耗が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、弁体が弁座に接離して流体通路を開閉する制御弁に関するものである。

特許文献１にて提案された燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルの開閉弁作動を制御する制御弁を備えている。この制御弁は、ガイド部（摺動部）によって弁体を保持する構成ではないため、図４に示すように、ボデー１に形成された弁座１９を円錐形状とし、弁体３１のシート部３１３ａを球面とすることにより、弁座１９とシート部３１３ａの片当たりや偏摩耗を抑制して、耐摩耗性やシール性を向上させるようにしている。

また、この制御弁は、弁体３１を開弁向きに押すピストン４４がボデー１の孔に挿入されており、弁体３１とピストン４４との当接部をともにフラットにすることにより、弁座１９に対する弁体３１の傾斜を抑制するようにしている。
米国特許第６２５０５６３号明細書

しかしながら、従来の制御弁は、弁体３１のシート部３１３ａが球面であり（換言すると、シート部３１３ａの曲率中心Ｏが弁体３１の対称軸Ｂ上にある）、また弁体３１はガイド部によって保持されていないため、弁体３１が弁座１９に当接した状態でも弁体３１はシート部３１３ａの曲率中心Ｏを中心にして矢印Ｅで示すように回転（すなわち、弁体３１が傾斜）可能であり、したがって、弁座１９とシート部３１３ａ間で滑りが発生して弁座１９とシート部３１３ａの摩耗が促進される虞がある。

また、弁体３１とピストン４４との当接部をフラットにしているが、このようにフラット面同士で荷重（変位）を伝達する構造では、わずかな形状精度の狂いによりエッジで相手部材を押すことになり、その時の作用点Ｄはピストン４４の対称軸Ｃから離れ、ピストン４４にモーメント成分が発生する。これにより、ピストン４４の摺動抵抗が大きくなり、駆動力の伝達ロスが大きくなる。

本発明は上記点に鑑みて、弁座とシート部の摩耗を抑制することを目的とする。また、駆動力伝達ロスを低減することを他の目的とする。

本発明は、円錐形状の弁座（１９）が形成されたボデー（１）と、シート部（３１３ａ）が弁座（１９）に接離して流体通路を開閉する弁体（３１）とを備え、弁体（３１）の対称軸（Ｂ）を含む断面におけるシート部（３１３ａ）の曲率中心が弁体（３１）の対称軸（Ｂ）からずれていることを特徴とする。

このようにすれば、シート部（３１３ａ）が弁座（１９）に片当たりなく当接した状態では、弁体（３１）は図４の矢印Ｅのように回転することはできないため、弁座（１９）とシート部（３１３ａ）間で滑りが発生せず、弁座（１９）とシート部（３１３ａ）の摩耗が抑制される。

この場合、弁体（３１）を開弁向きに押すピストン（４４）を備え、弁体（３１）においてピストン（４４）に対向するピストン対向面（３１３ｂ）を凸形状にすれば、ピストン（４４）が弁体（３１）を押す時の作用点はピストン（４４）の対称軸に近くなるため、ピストン（４４）に作用するモーメントが小さくなり、駆動力の伝達ロスが低減される。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る制御弁を備える燃料噴射装置の全体構成を示す断面図、図２は図１のＡ部の拡大断面図である。

燃料噴射弁は、内燃機関（より詳細にはディーゼルエンジン。図示せず）のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器（図示せず）内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。

図１、図２に示すように、燃料噴射弁のノズルボデー１は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部１１と、燃料噴射弁内部の燃料を燃料タンク１００に向けて流出させる燃料出口部１２とを備えている。

ノズルボデー１の軸方向一端側に、開弁時に燃料を噴射するノズル２が配置されている。このノズル２は、ノズルボデー１に摺動自在に保持されたノズルニードル２１と、ノズルニードル２１を閉弁向きに付勢するノズルスプリング２２と、ノズルニードル２１のピストン部２１ａが挿入された円筒状のノズルスリーブ２３とを有している。なお、ノズルスリーブ２３は、本発明の筒状部材に相当する。

ノズルボデー１の軸方向一端には、高圧燃料通路１３を介して燃料入口部１１と連通する噴孔２４が形成され、この噴孔２４から高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させるようになっている。ノズルボデー１には噴孔２４の上流側にテーパ状の弁座２５が形成され、また、ノズルニードル２１には反ピストン部側にシート部２１ｂが形成され、このシート部２１ｂが弁座２５に接離することにより噴孔２４が開閉される。

円柱状のピストン部２１ａは、ノズルスリーブ２３に摺動自在に且つ液密的に挿入されており、ピストン部２１ａとノズルスリーブ２３とにより、内部の燃料圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室２６が形成されている。そして、ノズルニードル２１は、制御室２６内の燃料圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料入口部１１から高圧燃料通路１３を介して噴孔２４側に導かれる高圧燃料により開弁向きに付勢される。

ノズルボデー１の軸方向中間部には、制御室２６の圧力を制御する制御弁３が収納されるバルブ室１４が形成されている。制御室２６は、連絡通路１５を介してこのバルブ室１４と常時連通されている。

バルブ室１４は、高圧燃料通路１３を介して燃料入口部１１と接続されている。また、バルブ室１４は、低圧燃料通路１６を介して燃料出口部１２に接続されている。

ノズルボデー１には、バルブ室１４に臨む高圧側弁座１８と低圧側弁座１９が形成されている。高圧側弁座１８は、高圧燃料通路１３がバルブ室１４に開口する部位を囲む部分であり、平面になっている。低圧側弁座１９は、低圧燃料通路１６がバルブ室１４に開口する部位を囲む部分であり、円錐形状になっている。

制御弁３は、弁体３１とバルブスプリング３２とを有している。弁体３１は、バルブスプリング３２の内側に位置するとともに高圧側弁座１８に対向する円柱状の高圧側弁部３１１と、バルブスプリング３２の一端を支持するスプリング受け部３１２と、低圧側弁座１９に対向する低圧側弁部３１３とを有している。また、弁体３１は、対称軸Ｂ周りに対称な形状になっている。

高圧側弁部３１１の端部には、高圧側弁座１８に接離してバルブ室１４と高圧燃料通路１３との間を開閉する高圧側シート部３１１ａが形成されている。

低圧側弁部３１３には、低圧側弁座１９に接離してバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間を開閉する低圧側シート部３１３ａと、第２ピストン４４（詳細後述）が当接可能なピストン対向面３１３ｂが形成されている。

図３は弁体３１近傍の断面図であり、この図３に示すように、弁体３１の対称軸Ｂを含む断面において低圧側シート部３１３ａは所定の曲率の曲面になっており、弁体３１の対称軸Ｂを含む断面における低圧側シート部３１３ａの曲率中心Ｏは、弁体３１の対称軸Ｂからずれている。

ピストン対向面３１３ｂは、低圧側シート部３１３ａとは異なる曲率になっており、その曲率中心は弁体３１の対称軸Ｂ上にある。また、ピストン対向面３１３ｂは、第２ピストン４４に向かって凸形状になっており、中央部が最も突出している。

図１に戻り、バルブスプリング３２は、バルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が開かれるとともにバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる向きに弁体３１を付勢している。

ノズルボデー１の軸方向他端側には、制御弁３を駆動するアクチュエータ４が収納されるアクチュエータ室１７が形成されている。このアクチュエータ室１７は、低圧連絡通路１６ａを介して低圧燃料通路１６に接続されている。

アクチュエータ４は、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック４１と、ピエゾスタック４１の伸縮変位を制御弁３の弁体３１に伝達する伝達部とを備えている。

伝達部は以下のように構成されている。ともに円柱状に形成された第１ピストン４３および第２ピストン４４がアクチュエータスリーブ４２に摺動自在に且つ液密的に挿入されており、第１ピストン４３と第２ピストン４４との間には、燃料が充填された液室４５が形成されている。

第１ピストン４３は、第１スプリング４６によりピエゾスタック４１側に向かって付勢されており、ピエゾスタック４１により直接駆動されるようになっている。そして、ピエゾスタック４１の伸長時には、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められるようになっている。

第２ピストン４４は、第２スプリング４７により制御弁３の弁体３１側に付勢されており、液室４５の圧力を受けて作動して弁体３１を駆動するようになっている。そして、第２ピストン４４は、ピエゾスタック４１の伸長時には、高圧化された液室４５の圧力を受けて作動して、バルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が閉じられるとともにバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる位置に弁体３１を駆動する。一方、ピエゾスタック４１の収縮時、すなわち液室４５の圧力が低いときには、第２ピストン４４は、第２スプリング４７に抗して制御弁３のバルブスプリング３２により第１ピストン４３側に押し戻される。

燃料タンク１００と燃料出口部１２とを接続するリターン経路１１０には、低圧燃料通路１６側の圧力を制御する背圧弁１２０が配置されている。因みに、蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が１００ＭＰａ以上であるのに対し、背圧弁１２０は低圧燃料通路１６側の圧力を１ＭＰａ程度に制御する。

ピエゾスタック４１には、ピエゾ駆動回路１３０を介して電力が供給されるようになっている。このピエゾ駆動回路１３０は、ピエゾスタック４１への通電タイミングが、電子制御回路（以下、ＥＣＵという）１４０により制御される。

ＥＣＵ１４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。そして、ＥＣＵ１４０には、吸入空気量、アクセルペダルの踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧等を検出する各種センサ（図示せず）から信号が入力される。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ピエゾスタック４１に通電されると、ピエゾスタック４１が伸長して第１ピストン４３が駆動され、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められる。高圧化された液室４５の圧力により第２ピストン４４が制御弁３の弁体３１側に向かって駆動される。

そして、第２ピストン４４にて弁体３１が駆動されることにより、高圧側シート部３１１ａが高圧側弁座１８に当接してバルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が閉じられるとともに、低圧側シート部３１３ａが低圧側弁座１９から離れてバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる。したがって、制御室２６の燃料は、連絡通路１５、バルブ室１４、および低圧燃料通路１６を介して燃料タンク１００へ戻される。

これにより、制御室２６の圧力が低下してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、ノズルニードル２１が開弁向きに移動し、シート部２１ｂが弁座２５から離れて噴孔２４が開かれ、噴孔２４から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。

ここで、図３に示すように、形状精度の狂いにより第２ピストン４４における弁体３１側の端面４４ａが第２ピストン４４の対称軸Ｃに対して垂直になっていない場合でも、ピストン対向面３１３ｂが第２ピストン４４に向かって凸形状になっているため、第２ピストン４４が弁体３１を押す時の作用点Ｄは対称軸Ｃに近くなる。したがって、第２ピストン４４に作用するモーメントが小さくなり、第２ピストン４４の摺動抵抗が小さくなり、駆動力の伝達ロスが低減される。

その後、ピエゾスタック４１への通電が停止されると、ピエゾスタック４１が縮むため第１ピストン４３は第１スプリング４６によりピエゾスタック４１側に戻される。また、バルブスプリング３２により、弁体３１および第２ピストン４４が第１ピストン４３側に戻される。

これにより、高圧側シート部３１１ａが高圧側弁座１８から離れてバルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が開かれるとともに、低圧側シート部３１３ａが低圧側弁座１９に当接してバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる。したがって、蓄圧器からの高圧燃料が、高圧燃料通路１３、バルブ室１４、および連絡通路１５を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル２１が閉弁向きに移動し、シート部２１ｂが弁座２５に着座して噴孔２４が閉じられ、燃料噴射が終了する。

ここで、図３に示すように、弁体３１の対称軸Ｂを含む断面における低圧側シート部３１３ａの曲率中心Ｏが弁体３１の対称軸Ｂからずれているため、低圧側シート部３１３ａが低圧側弁座１９に片当たりなく当接した状態では、弁体３１は低圧側シート部３１３ａの曲率中心Ｏを中心にして回転することはできない。したがって、低圧側シート部３１３ａと低圧側弁座１９間で滑りが発生せず、低圧側シート部３１３ａと低圧側弁座１９の摩耗が抑制される。

（他の実施形態）
上記実施形態では、燃料噴射弁に内蔵された制御弁に本発明を適用する例を示したが、本発明は他の用途の制御弁にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る制御弁を備える燃料噴射装置の全体構成を示す断面図である。図１のＡ部の拡大断面図である。図１の弁体３１近傍の断面図である。従来の制御弁を示す断面図である。

符号の説明

１…ノズルボデー、１９…低圧側弁座、３１…弁体、３１３ａ…低圧側シート部、Ｂ…対称軸、Ｏ…曲率中心。

Claims

円錐形状の弁座（１９）が形成されたボデー（１）と、シート部（３１３ａ）が前記弁座（１９）に接離して流体通路を開閉する弁体（３１）とを備え、
前記弁体（３１）の対称軸（Ｂ）を含む断面において前記シート部（３１３ａ）は所定の曲率の曲面になっており、前記弁体（３１）の対称軸（Ｂ）を含む断面における前記シート部（３１３ａ）の曲率中心（Ｏ）が前記弁体（３１）の対称軸（Ｂ）からずれていることを特徴とする制御弁。
前記弁体（３１）を開弁向きに押すピストン（４４）を備え、前記弁体（３１）において前記ピストン（４４）に対向するピストン対向面（３１３ｂ）が凸形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。