JP2013213495A - 燃料システムバルブアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】低い体積流量で改善された安定性を有し、それらの低い流量でノイズと振動を減らすことができ、最初の開口で減少した圧力損失を示すことができるバルブアセンブリを提供する。
【解決手段】バルブアセンブリ１０は、ハウジング３８と、スプリング４０と、バルブ本体４４とを有する。ハウジング３８は、１つ以上の燃料通路壁５４によって定義される燃料通路４８を有する。燃料通路４８は、弁座６０と、円筒部５８と、を有する。円筒部５８は、一定直径を有し、弁座６０の下流に配置されている。使用中、バルブ本体４４は、開位置と閉位置との間でハウジング３８内を直線的に往復移動し、スプリング４０によって閉位置に付勢される。また、バルブ本体４４が閉位置にあるとき、バルブ本体４４は弁座６０に当接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に車両燃料システムに関し、特に、車両燃料システムで用いられるバルブアセンブリに関する。

車両燃料システムは、液体燃料を自動車用内燃エンジンのような原動機に送る。多くの場合、車両燃料システムは、燃料タンク、燃料ポンプ、燃料噴射装置を有する。燃料ポンプは、燃料タンクの液体燃料を取り出し加圧して、燃料経路を通じて液体燃料を燃料噴射装置に送る。バルブアセンブリは、通常、車両燃料システムに装備されており、そのシステムで、燃料タンク、燃料ポンプ、燃料噴射装置間の液体燃料流量を制御する。他の可能な機能としては、バルブアセンブリは、チェックバルブ、バイパス圧力バルブ、圧力安全バルブ、または、それらの組み合わせとして働くことができる。

燃料システムバルブアセンブリは、ハウジングと、スプリングと、バルブ本体と、を有する。ハウジングは、１つ以上の燃料通路壁によって定義される燃料通路を有する。燃料通路壁は、弁座と、その弁座の下流に配置される一定直径の円筒部と、を有する。バルブ本体は、開位置と閉位置との間でハウジング内で直線的に往復移動する。また、バルブ本体は、スプリングによって閉位置に付勢される。バルブ本体が閉位置にあるとき、バルブ本体は、弁座に当接する。円筒部は、１．０ｍｍ以上の長さ寸法に対して、一定直径を有する。

燃料システムバルブアセンブリは、ハウジングと、スプリングと、バルブ本体と、を有する。ハウジングは、１つ以上の燃料通路壁によって定義される燃料通路を有する。燃料通路壁は、弁座と、その弁座の下流に配置される一定直径の円筒部と、を有する。バルブ本体は、開位置と閉位置との間で直線的な往復移動をするために、ハウジング内に収容されている。また、バルブ本体は、スプリングによって閉位置に付勢される。バルブ本体が閉位置にあるとき、バルブ本体は、弁座に当接する。円筒部は、長さ寸法に対して、一定直径を有する。円筒部の長さ寸法と、円筒部の一定直径の値と、の比率は、約０．２３〜０．３５の間の範囲である。なお、０．２３と０．３５の値は含まれる。

燃料システムバルブアセンブリは、ハウジングと、スプリングと、スリーブと、バルブ本体と、有する。ハウジングは、１つ以上の燃料通路壁によって定義される燃料通路を有する。燃料通路壁は、弁座と、その弁座の下流に配置される一定直径の円筒部と、を有する。また、燃料通路壁は、円筒部の下流に配置される切頭円錐部（frustoconical section）を有する。スリーブは、ハウジング内に部分的にまたは全体的に配置されており、スプリングを部分的にまたは全体的に取り囲んでいる。バルブ本体は、開位置と閉位置との間でハウジングで直線的に往復移動し、スプリングによって閉位置に付勢される。また、バルブ本体は、スリーブで部分的にまたは全体的に取り囲まれている。バルブ本体は、ゴム製のキャップを備えたヘッドを有する。バルブ本体が閉位置にあるとき、キャップは弁座に当接する。円筒部の一定直径は、約４．６３ｍｍ〜４．７０ｍｍの範囲の値である。なお、４．６３と４．７０の値は含まれる。また、円筒部は、約１．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の長さ寸法に対して、一定直径を有する。なお、１．１と１．６の値は含まれる。

一実施形態における燃料ポンプの断面図である。 一実施形態における図１の燃料ポンプで用いられる燃料システムバルブアセンブリの断面図である。 円筒部の一定直径の長さ寸法に対して、バルブ安定性を提供する最小容積燃料流量を示すグラフである。

以下に、本発明の例となる実施形態の詳細を図に基づいて説明する。

図面をさらに詳細に参照すると、燃料システムバルブアセンブリ１０は、ガソリンやディーゼルエンジンを備えた自動車燃料システムのような車両燃料システムで用いることができる。また、燃料システムバルブアセンブリ１０は、燃料タンク、燃料ポンプ１２、燃料噴射装置などの異なる構成部品を有する燃料システムにおいて、液体燃料流量を制御する。用途と意図された機能性により、ある実施形態では、バルブアセンブリ１０は、燃料システムラインに取り付けることができる。他の実施形態では、バルブアセンブリは、燃料供給モジュールの一部にすることができ、また、別の実施形態では、図１に示すように、バルブアセンブリが、燃料ポンプの一部とすることができる。それらの適用のいずれにおいても、バルブアセンブリ１０は、チェックバルブ、バイパス圧力バルブ、圧力安全バルブ、または、それらの組み合わせとして機能するために、設計および構成されている。従来のバルブと比較すると、本発明のバルブアセンブリ１０は、使用中、低い体積流量（volumetric flow rates）で改善された安定性を有し、それらの低い流量でノイズと振動を減らすことができ、そして、最初の開口で減少した圧力損失を示すことができる。

図１を参照すると、燃料ポンプ１２は、注入口１４を通じて燃料タンクから液体燃料を取り出し加圧して、排出口１６を通じて液体燃料を最終的にエンジンに排出することによって、加圧液体燃料を燃料システムのエンジンに供給する。燃料ポンプ１２は、他の条件において、特定の燃料システムでその用途に応じて異なる配置および構造を有することもできる。例えば、燃料ポンプ１２は、燃料タンクの外側や燃料タンクの内側に直接取り付けることができる。あるいは、それ自体を燃料タンクの内側に直接搭載するか、または、つるすことにより、燃料ポンプを燃料供給モジュールの一部とすることができる。燃料供給モジュールの例では、燃料ポンプ１２が、ハウジングに支持されて、注入口１４に接続される燃料フィルタを有するだろう。図１の実施形態では、燃料ポンプ１２は、ハウジング２２に支持される駆動アセンブリ１８と、ハウジング２２に支持されるポンプアセンブリ２０と、を有する。駆動アセンブリ１８は、ポンプアセンブリ２０に連結されて、シャフト２４を通じてポンプアセンブリ２０を回転させる。一般的に、駆動アセンブリ１８は、電機子アセンブリ２６と永久磁石２８とを備えた電気モータ、を有する。ポンプアセンブリ２０は、液体燃料を取り出し、その液体燃料を加圧して、排出口１６を通じて液体燃料を排出する。また、ポンプアセンブリ２０は、通常、下プレート３０と、上プレート３２と、下プレートと上プレートの間に配置される羽根付きインペラ３４（vaned impeller）と、を有する。

燃料システムバルブアセンブリ１０は、他の条件において、その使用用途及びバルブアセンブリが制御するだろう予期される体積流量に従って、異なるデザインと構造を有することができる。図１の実施形態では、バルブアセンブリ１０は、排出口１６の近く、かつ、燃料ポンプ１２の排出ニップル３６内に取り付けられ、そういう意味では、バルブアセンブリ１０は、燃料ポンプに支持される、または、燃料ポンプの一部である。特に図２を参照すると、バルブアセンブリ１０は、ハウジング３８（ここでは、排出ニップル３６を有する燃料ポンプ１２の構造）と、スプリング４０のような付勢部材と、スリーブ４２と、バルブ本体４４と、を有する。異なる適用では、ハウジング３８は、燃料システムラインに接続することができる。あるいは、図に示されていない実施形態においては、ハウジング３８は、燃料供給モジュールの壁または他の構造に連結させることができる。この実施形態の燃料システムバルブアセンブリでは、ハウジング３８は、バルブアセンブリ１０の他の構成部品を支持して取り囲んでいる。一例を挙げれば、ハウジング３８は、プラスチック材料で構成することができ、射出成形法で製造することができる。また、その外部で、燃料システムラインの接続と連結とを容易にするために、ハウジング３８は、径方向に延びる突起（barb）４６をいくつか有する。

ハウジング３８は、その内部に燃料通路４８を有する。燃料通路４８は、入口開口５０と出口開口５２との間に延在し、燃料通路壁５４によって定義される。燃料通路４８と燃料通路壁５４は、バルブアセンブリ１０の構成部品および機能性に合わせるために、それらの軸の長さに沿って異なるセクションを有する。図２の実施形態では、第１切頭円錐部（first frustoconical section）５６は、燃料流量の下流方向に先細で減少する直径を有する。燃料通路壁５４は、第１切頭円錐部５６の下流に一定直径Ａの第１円筒部５８を有する。特定の例を挙げると、一定直径Ａは、約３．２５ｍｍの値であり、もちろん、他の値でもよい。また、弁座６０は、第１円筒部５８の端部に配置されている。図２に示すように、バルブアセンブリ１０が閉位置にあるとき、弁座６０は、バルブ本体４４と係合して、密閉を形成する。弁座６０の下流の近くには、第２切頭円錐部６２が、設けられており、その直径は、下流方向に増加している。第２切頭円錐部の下流の近くには、一定直径Ｂの第２円筒部６４が設けられている。第２円筒部６４の下流の近くには、直径が増加する第３切頭円錐部６６が設けられている。第３切頭円錐部６６の下流の近くには、一定直径を有する第３円筒部６８が設けられており、また、第３円筒部６８の下流には、一定直径を有する第４円筒部７０が設けられている。もちろん、他の実施形態では、例えば、燃料通路及び燃料通路壁が、異なるセクションを有することができ、または、異なる順番で同じようなセクションを有することもできる。

また、図２を参照すると、スプリング４０は、ハウジング３８の内側に配置されており、スリーブ４２によって適所に保持され、そして、スリーブ４２に部分的に囲まれている。アセンブリでは、スプリング４０は、バルブ本体４４を取り囲んでおり、燃料流量の方向に対して閉位置にバルブ本体を付勢する。特定の一例を挙げると、スプリング４０は、タイプ３０２／ＡＳＴＭ Ａ−３１３のステンレス製のコイルスプリングであり、７７．９４９Ｎ／ｍのバネ定数（spring rate）を有する。もちろん、他の実施形態において他の種類のスプリングを用いることもでき、異なる材料のスプリングや、異なるスプリングレートのスプリングを用いることも可能である。

スリーブ４２は、ハウジング３８の内側に配置されており、スプリング４０及び体４４を所定の位置に保持して、使用中、アセンブリにおけるスプリング及びバルブ本体に対して案内を提供する。図２の実施形態では、スリーブ４２は、出口開口５２でハウジングの端部を径方向に内部に回転させることにより、燃料通路４８に圧入されて、ハウジングに固定される。この方法または別の方法で、スリーブを燃料通路４８内に閉じ込めることができる。スリーブ４２は、第３円筒部６８に設けられるガイド部７２と、第４円筒部７０に設けられ、比較的直径方向に延びる拡大部７４と、を有する。スプリング４０及びバルブ本体４４を収容するために、スリーブ４２は、その中心軸に沿って延びるボア７６を有する。一例を挙げれば、スリーブ４２はプラスチック材で構成することができ、射出成形で製造することができる。

バルブ本体４４は、燃料の流れを可能にする開位置と燃料の流れを止める閉位置との間で、直線的に軸方向に前進したり後退したりする往復移動をする。一例を挙げれば、バルブ本体４４は、ステンレス製のタイプ３０３またはタイプ３０２で構成されているが、もちろん、他の材料を用いることも可能である。図２をまた参照すると、バルブ本体４４は、ヘッド７８と、ステム８０と、末端部８２と、を有する。バルブアセンブリ１０が、図２に示すような閉位置にあるとき、ヘッド７８は、密閉するために、弁座６０に当接して係合する。ヘッド７８は、通常、その頂点に向かって先細で減少する直径を備えた円錐状に形成されている。この実施形態では、ゴム製のキャップ８４が、ヘッド７８を覆っている。また、キャップ８４は、バルブアセンブリ１０が閉位置にあるとき燃料通路壁５４の弁座６０に直接当接する外面８６、を有する。ヘッド７８は、外面８６の反対側に背面８８を有する。ある実施形態では、背面８８は、第２円筒部６４の一定直径Ｂより約１％〜５％小さい直径を有する。特定の例を挙げると、背面８８の直径は、約４．５ｍｍの値を有する。もちろん、背面８８の直径を他の値にすることも可能であり、他の値を一定直径Ｂより１％〜５％小さい値ではない値にしてもよい。

すでに述べたように、動作中、燃料システムバルブアセンブリ１０は、低い体積流量で改善された安定性を有する。このため、その低い流量でノイズ及び振動を減らすことが可能である。また、バルブアセンブリは、最初の開口動作で減少された圧力損失を示す。いくつかの新しい燃料システムは、以前の燃料システムと比べて低い体積流量を利用するので、それら新しい燃料システムにおけるバルブアセンブリは、低い体積流量に従う。例えば、バルブアセンブリは、６０リットル／時間（ＬＰＨ）未満や４０ＬＰＨ未満の体積流量を受けることができる。低い体積流量でのいくつかのバルブアセンブリは、不安定になり、その結果として、ブーンという音（buzzing noise）のノイズや振動を発生させる。そのノイズは、ヘッド７８の外面８６と弁座６０との間の領域や、外面８６と第２円筒部６４及び第３切頭円錐部６６の間の遷移との間の領域における局部的な圧力損失、および、バルブアセンブリ１０の直線方向における付随の往復移動のフラッタリング動作（fluttering movement）、により生じると現在考えられている。

再度、図２を参照すると、ここで、発明者は、安定性及びノイズや振動の発生に影響を及ぼす寸法が、第２円筒部６４の長さ又は軸方向の寸法Ｃであることを発見した。長さ寸法Ｃは、一定直径Ｂが燃料通路４８及び燃料通路壁５４で維持される軸の長さと距離である。因果関係の特定の理論に限定されずに、今では、改善された安定性、及び、減少した圧力損失は、バルブの最初の開口動作で、外面８６と燃料通路壁５４との間で制限されて限定された燃料流量（他の可能性の中）の結果であると考えられる。あるいは、外面８６及び燃料通路５４が、弁座６０などの近くで互いに密接する場合の結果であると考えられる。他の方法を述べると、背面８８が、第２円筒部６４と第３切頭円錐部６６との間の遷移に到達して通過する前に、バルブ本体４４のヘッド７８が開くので、増加した長さ寸法Ｃで、ヘッド７８は、増加した後方軸方向に移動しなければならない。いったんその遷移を通過すると、燃料流量は、第３切頭円錐部６６の直径が増加するので、ヘッド７８の動作の所定量につき増加する。このため、より大きな力が、後退動作中、外面８６上に働く液体流量により、ヘッド７８に発揮されることができる。同様に、より大きな圧力が、外面８６に対して働く上流の液体燃料流量により、ヘッド７８に発揮されることができる。より大きな力及びより大きな圧力は、より迅速に弁座６０から離れて開方向にバルブ本体４４を駆動させることができる。

長さ寸法Ｃは、長さ寸法Ｄと多少関連している。長さ寸法Ｄは、バルブアセンブリ１０が、閉位置にあるとき、一定直径Ｂが背面８８と第２円筒部６４及び第３切頭円錐部６６の間の遷移との間で維持される軸の長さと距離である。特定の例を挙げると、長さ寸法Ｄは、約０．６ｍｍ〜０．７ｍｍの値を有する。もちろん、他の値にすることも可能である。

再度、図２を参照すると、ここで、発明者は、安定性及びノイズや振動の発生に影響を及ぼす他の寸法が、第２円筒部６４の一定直径Ｂの値であることを発見した。上述したように、ある場合では、一定直径Ｂの減少値が、外面８６と燃料通路壁５４との間でより制限されて限定された流量を提供することができる。したがって、その値が、ヘッド７８上に発揮されるより大きな力とより大きな圧力になることができる。

図３を参照すると、図３は、長さ寸法Ｃの値に対して、バルブ安定性を提供する最小流量のコンピュータシミュレーショングラフである。このグラフの結果になったコンピュータシミュレーションは、図２の実施形態に示されているような同様の設計及び構成を有する燃料システムバルブアセンブリで行われた。シミュレーションは、第２円筒部６４の一定直径Ｂの３つの異なる値、すなわち、４．６３ｍｍ、４．６５ｍｍ、４．７０ｍｍで、それぞれ行われた。また、一定直径Ｂの長さ寸法Ｃの値は、約０．５ｍｍ〜１．６ｍｍの間の範囲である。グラフで用いられているバルブ安定性は、燃料システムバルブアセンブリが、実際に観測可能なブーンという音のようなノイズ及び振動を発生しないことを意味する。したがって、バルブアセンブリは、グラフに示すラインの下で、体積流量を受けるとき、ノイズ及び振動の観点から不安定であると考えられる。この結果を見てみると、４．６５ｍｍと４．６３ｍｍの一定直径Ｂに対して、約１．０ｍｍより大きい長さ寸法Ｃの値は、約１８ＬＰＨ〜約４０ＬＰＨの範囲の体積流量のバルブ安定性を提供する。約１．４ｍｍ〜１．６ｍｍの長さ寸法Ｃは、４．６５ｍｍと４．６３ｍｍの一定直径Ｂに対して、それぞれ約２０ＬＰＨと１８ＬＰＨの体積流量のバルブ安定性を提供する。そのグラフによれば、約１．０より大きく、かつ、約１．６ｍｍ以下の長さ寸法Ｃの値は、比較的低い流量の自動車エンジン及び燃料システム利用に適している。具体的には、長さ寸法Ｃが、約１．２ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の値であることが望ましく、さらに好ましくは、約１．５ｍｍの値が望ましい。当業者は、すべての実験シミュレーションが図３のグラフで示される厳密な結果を与えるというわけではないということを認識するだろう。

また、バルブ安定性及びノイズと振動の発生に影響を与える１つの寸法の関係は、一定直径Ｂの長さ寸法Ｃと、第２円筒部６４の一定直径Ｂの値と、の比率である。約０．２３〜０．３５の値の範囲内で比率を保つことにより、比較的低い流量の自動車エンジンや燃料システムアプリケーションに適する４０ＬＰＨ以下の体積流量で、バルブ安定性を維持することができる。ある特定の例では、燃料システムバルブアセンブリ１０は、約０．３２の比率を与える、約１．５ｍｍの長さ寸法Ｃと、約４．６３ｍｍの一定直径Ｂと、を有する。

上述の記載は、本発明の好ましい実施形態を対象としている。したがって、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる

１０ 燃料システムバルブアセンブリ
１２ 燃料ポンプ
２２、３８ ハウジング
４０ スプリング
４２ スリーブ
４４ バルブ本体
４８ 燃料通路
５４ 燃料通路壁
５６ 第１切頭円錐部
５８ 第１円筒部
６２ 第２切頭円錐部
６４ 第２円筒部
６６ 第３切頭円錐部
６８ 第３円筒部
７０ 第４円筒部
７８ ヘッド
８４ キャップ

Claims (14)

1. 燃料システムバルブアセンブリにおいて、
   弁座及び前記弁座の下流に配置される一定直径の円筒部が設けられた燃料通路壁の少なくとも一部で定義される燃料通路を備えたハウジングと、
   スプリングと、
   開位置と閉位置との間で直線往復移動するために前記ハウジングに収容されるバルブ本体と、を有し、
   前記バルブ本体は、前記スプリングによって閉位置に付勢され、
   前記バルブ本体が閉位置にあるとき、前記バルブ本体が前記弁座に当接し、そして、
   前記円筒部が、１．０ｍｍ以上の長さ寸法に対して一定直径を有する
   ことを特徴とする燃料システムバルブアセンブリ。
2. 前記燃料通路壁が、前記円筒部の近くの下流に配置される切頭円錐部を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
3. 前記ハウジング内に少なくとも部分的に配置されるスリーブを、さらに有し、
   前記スリーブが、前記スプリング及び前記バルブ本体を少なくとも部分的に取り囲む
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
4. 前記バルブ本体が、ゴム製のキャップを備えたヘッドを有し、
   前記ヘッドによって、前記キャップが支持され、そして、
   前記バルブ本体が閉位置にあるとき、前記キャップが、前記弁座に直接当接する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ
5. 前記円筒部が、約１．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の長さ寸法に対して、一定直径を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
6. 前記円筒部が、約１．５ｍｍの長さ寸法に対して一定直径を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
7. 前記円筒部の一定直径が、約４．６３ｍｍ〜４．７０ｍｍの範囲の値である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
8. 前記バルブ本体は、外面及び背面を備えたヘッド、を有し、
   前記バルブ本体が閉位置にあるとき、前記外面が前記弁座に当接し、そして、
   前記背面が、前記円筒部の一定直径より約１％〜５％小さい直径を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
9. 前記円筒部の長さ寸法と、前記円筒部の一定直径の値と、の比率が、約０．３２である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
10. 前記円筒部の一定直径が、約４．６３ｍｍの値である
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
11. 前記円筒部の長さ寸法と、前記円筒部の一定直径の値と、の比率が、約０．２３〜０．３５の範囲である
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
12. 前記弁座の下流に配置される一定直径の円筒部と、
    前記円筒部の下流に配置される切頭円錐部と、
    前記ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、前記スプリングを少なくとも部分的に取り囲むスリーブと、を有し、
    前記一定直径が、約４．６３ｍｍ〜４．７０ｍｍの範囲の値であり、
    前記円筒部が、約１．１ｍｍ〜１．６ｍｍの範囲の長さ寸法に対して、一定直径を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
13. 前記一定直径は、約４．６３ｍｍの値であり、
    前記円筒部は、約１．５ｍｍの長さ寸法に対して、一定直径を有する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の燃料システムバルブアセンブリ。
14. 前記ハウジングが、燃料ポンプに支持される、または、燃料ポンプの一部である
    ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料システムバルブアセンブリ。

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