JP2015214974A - 流体バルブアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジン用の燃料ポンプの吐出バルブアセンブリとしての使用に特に適した流体バルブアセンブリを提供すること。【解決手段】流体ポートを形成するバルブシートを有する流体バルブアセンブリである。バルブが、開位置と閉位置との間でポートに関する軸に沿って移動可能である。このバルブは、ポートと補完的な形状を呈し且つそれより若干小さい突出部を含む。その突出部は、ポートと突出部との間の間隙空間がポートを通り抜ける流体流を防止するのに十分に小さい閉位置にバルブがあるときに、ポート内に少なくとも部分的に配置されている。ハウジングとバルブとの間に配設された主ばねが、バルブをその閉位置に向かって弾性的に押す。また、第2のばねが、バルブとハウジングとの間に動作可能に配置されており、バルブをバルブシートから離してその開位置に向かって押し、バルブとバルブシートとの間の接触を防止する。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に流体バルブアセンブリ(fluid valve assembly)に関し、より詳細には、内燃エンジン用の燃料ポンプで使用されるタイプの流体バルブアセンブリに関する。

自動車で使用されるタイプの今日の内燃エンジンは、通常、燃料燃焼室内に燃料を噴射するために燃料噴射器を使用している。更に、多くの今日の内燃エンジンは、その燃料噴射器が内燃室に直接開いている直噴エンジンである。

エンジンの動作中、直噴エンジンの内燃室内に存在する高圧を克服するために、燃料は、高燃圧で燃料噴射器に供給されなければならない。従来、高圧燃料ポンプが、燃料噴射器に沿って延在する燃料レールに燃料を供給する。次いで、各燃料噴射器が、インジェクタ燃料ポート及び燃料カップにより、その燃料レールの内部燃料室に流体接続されている。

直噴エンジンの燃料噴射に必要な高圧を達成するため、多くの以前から知られている燃料ポンプは、燃料ポンプハウジング内の燃料室の内部で往復ピストンを利用している。このピストンは、吸気行程中に燃料源又は燃料タンクから燃料を導入すると共に、また、燃料を燃料室から吐出チェックバルブ(outlet check valve)を介して外へ且つ燃料レールまでポンプで送り出す。通常、これらのピストンは、外部カム表面がポンプピストンを機械的に変位させ且つポンプ室内でポンプピストンを往復駆動するように、エンジンと同期して回転駆動されるカムローブ(cam lobe)を利用している。

これら以前から知られている直噴内燃エンジンは、高効率、燃費、及び他の利点に恵まれている一方、そのようなエンジンの一つの欠点が、燃料供給システム内の燃料圧力変動がエンジンからの振動及び騒音の両方を引き起こすことである。この騒音は、アイドルなどの低エンジン速度で特に聞こえる。

以前から知られている燃料供給システム内の主な騒音源は、エンジン用の燃料ポンプのための吐出チェックバルブの動作に起因する。当該吐出チェックバルブは、通常、圧縮ばねにより閉位置に向かって押されてバルブシートに当接させられる金属バルブを含む。燃料ポンプのポンプサイクル又は圧力サイクルの間、ポンプ室内の圧力は、ばねの力に抗して吐出バルブを開かせ、燃料がバルブを通過して燃料噴射器用の燃料レールまで流動することを可能にする。逆に、ポンプピストンの吸気行程の間、圧縮ばねの力は、ポンプ室内の減圧により、吐出バルブをバルブシートに押して当接させる。このサイクルは、次いで、エンジンの動作中に継続的に繰り返される。

しかし、燃料ポンプからの吐出チェックバルブは、燃料供給システムにおける主な騒音源を形成する。この騒音は、主として次の二つの異なる騒音源に分類される。

吐出チェックバルブ及びバルブシートは、通常、耐久性のために金属で構成されている。その結果、燃料ポンプピストンの各完全サイクルの間に繰り返されるバルブシートに対するバルブの衝撃は、低エンジン速度で聞こえることが多いクリッキング音を発生させる。これが第1の騒音源である。

燃料ポンプからの吐出チェックバルブの開閉に起因する燃料供給システムにおける第2の騒音源は、チェックバルブがその閉位置からその開位置へ移動する際の燃料キャビテーションに起因する。詳細には、燃料ポンプからの燃料吐出ポートを形成する燃料ポンプハウジングは、通常、鋭い縁部を有して構成されている。その結果、バルブがその開位置に移動すると、燃料の急流がポートの鋭い縁部を通過し、燃料中にキャビテーションを引き起こすことにより、騒音を発生させる。

従って、第2の騒音源は燃料供給システム内の圧力脈動に起因する。

本発明は、以前から知られている流体バルブアセンブリの前述の欠点の全てを克服でき、特に、内燃エンジン用の燃料ポンプの吐出チェックバルブとしての使用に適した流体バルブアセンブリを提供する。

簡潔に言えば、本発明の流体バルブアセンブリは、燃料ポンプ室だけでなく、ハウジングからの燃料吐出ポートを形成するバルブシートもまた画定する燃料ポンプハウジングを含む。その吐出ポートは、内燃エンジン用の単数又は複数の燃料レールに流体接続されている。

吐出チェックバルブは、開位置と閉位置との間でポートに関する軸に沿って移動可能である。このバルブは、ポートと補完的な形状を呈し且つ該ポートより若干小さい突出部を含む。更に、この突出部は、バルブがその閉位置にあるとき、ポート内に少なくとも部分的に配置されている。バルブがその閉位置にあるときのポートと突出部との間の間隙は、ポートを通り抜ける流体の流れを防止するのに十分に小さい。

主ばねがハウジングとバルブとの間に配設されており、バルブをその閉位置に向かって押す。この主ばねは、ポンプのポンプサイクルの間にハウジングのポンプ室内の圧力に応答して吐出バルブが開くと、更に縮む。この主ばねは圧縮コイルばねであることが好ましい。

また、第2のばねが、バルブとハウジングとの間に動作可能に配置されており、バルブをバルブシートから離すように押し、従ってバルブを主ばねとは反対方向に押す。主ばねの閉鎖力が第2のばねの開放力を克服するように、主ばねは、ばね部材のばね定数より大きいばね定数を有する。しかし、第2のばねは、燃料ポンプの動作中のバルブの閉鎖時に、そのバルブがバルブシートに接触しないようにする。

第2のばねは、バルブに巻かれており且つ主ばねと同軸である圧縮コイルばねを含むことが好ましい。しかし、或いは、弾性管などの他のタイプの第2のばねが、第2のばねとして使用されてもよい。

バルブがその閉位置にあるとき、第2のばねは、バルブがバルブシートに接触しないようにするので、バルブシートを取り囲むポンプハウジングに対するバルブ部材の衝撃により引き起こされる可能性がある騒音が、完全に無くなる。更に、燃料ポンプで使用される、以前から知られている吐出チェックバルブとは異なり、吐出ポートにおける突出部とポンプハウジングとの相互作用により、流体流がポートを通り抜けないようにするために、バルブとバルブシートとの間の接触が必要とされない。

燃料ポンプの動作中に燃料のキャビテーションを減少させる又は無くすために、バルブシート及びバルブ突出部の遠位端の両方が実質的に同じ半径に沿って丸みを帯びている。従って、ポンプピストンのポンプサイクルの間にバルブが開くと、バルブ突出部とバルブシートとの間の空間を通り抜ける流体流が、バルブ突出部又はバルブシートのどちらかにある鋭い縁部により引き起こされる可能性がある突然の圧力変化をすることなしに均等に分配される。その結果、キャビテーションが減少する、又は、キャビテーションがそのようなキャビテーションからの騒音と共に完全に無くなる。

いくつかの図を通して同様の参照文字が同様の部分を指す添付図面を併用して読んだ場合、以下の詳細な説明を参照すると、本発明のより良い理解が得られるであろう。

内燃エンジンで使用されるタイプの燃料供給システムを示す線図。 閉位置にある吐出チェックバルブの好適な実施形態を示す縦断面図。 図2に類似した、しかし開位置にある吐出チェックバルブを示す図。 チェックバルブを示す立面図。 図3の図5円辺りで取った且つ明確にするために拡大した図。 図2に類似した、しかしその変形形態を示す図。 図5に類似した、しかし閉位置にあるバルブを示す図。

図1を最初に参照すると、自動車で使用されるタイプの燃料システム10の線図が示されている。一つのそのようなタイプの内燃エンジンが、火花点火直噴内燃エンジンである。直噴エンジンは、低燃費及び高効率であることから、普及が進んでいる。

燃料システム10は、内部燃料ポンプ室14を形成するハウジング13を有する燃料ポンプ12を含む。ポンプピストン16が、ポンプ室14の内部に往復式に取り付けられており、カム18により回転駆動される。更に、カム18は、エンジンの回転と同期して回転駆動される。

燃料タンクなどの燃料源20が、一方向入口バルブ22を通してポンプ室14に燃料を供給する。この入口バルブ22は、ポンプ室14内の圧力が燃料源20の圧力より低い場合に開くチェックバルブである。その結果、ピストン16の吸気行程中、ポンプ室14内の圧力は低下し、従って燃料源20から入口バルブ22を通してポンプ室内に燃料を導入する。

ピストン16のポンプ行程中、即ちピストン16がポンプ室14内で駆動されたとき、ポンプ室14内の圧力上昇により入口バルブ22が閉鎖する。同時に、圧力上昇により、ポンプ室14に開いている吐出チェックバルブ24が開く。吐出バルブ24からの吐出は、燃料供給ライン26を介して燃料レール28に接続されている。作動されたときに燃料噴射器30がそれらの関連する燃焼室に燃料を供給するように、一つ以上の燃料噴射器30が、燃料レール28に流体接続されている。

ここで図2〜図4に、吐出バルブ24がより詳細に示されており、その吐出バルブ24は、横断面形状が円形状であり且つ略カップ形状であり、円筒形状の内部空洞部34を有するバルブ32を含む。更に、バルブ32は、ポンプハウジング13に形成されたバルブシート36と位置合わせされている。その結果、バルブシート36は、そこを通してポンプ室14からの燃料が通り抜け、吐出バルブ32を通過し、燃料レール28へ出るように流動するポート38を形成している。

バルブ32は、バルブシート36に対向するその端部に軸方向の突出部40を含む。この突出部40は横断面が円形状を呈しており、円形ポート38と補完的な形状を有する。更に、突出部40は、直径が円形ポート38より若干小さく、例えば0.1ミリメートル未満であり、その結果、図2に示されているように突出部40がポート38の内部に配置されている状態で、その突出部40は、ポート38を通り抜ける流体流を効果的に防止する。逆に、図3に示されているようにバルブ32がその開位置にある場合、突出部40はポート38から離間されており、従ってバルブ32とポート38との間に開口部39を作り出し、ポンプ室14から、ポート38を通り抜け、燃料レール28まで、流体の自由な流動を可能にする。

主圧縮ばね42は、主ばね42の一端44がバルブ32に当接するようにバルブ空洞部34の内部に配置されている一端を有し、一方、主ばね42の他端46はバルブハウジング48に当接している。当該バルブハウジング48は、ポンプハウジング13に取り付けられている。更に、主ばね42は圧縮ばねであり、図2に示されているようにバルブ32をその閉位置に向かって押している。

ここで図2及び図3を詳細に参照すると、第2のばね50が、バルブ32の周囲に同軸に配置されており、従ってやはり主ばね42と同軸である。第2のばね50は、主ばね42より小さいばね定数を有する圧縮コイルばねを含むことが好ましい。

第2のばね50の一端49が、バルブ32から径方向外側に延在するフランジ52による軸方向の運動に抗して、バルブ32に取り付けられている。第2のばねの他端はバルブハウジング48に当接している。その結果、第2のばね50は、バルブがその開位置からその閉位置の方へ移動すると縮み、一方、主ばね42は、バルブ32がその閉位置からその開位置の方へ移動すると縮む。

第2のばね50の力は主ばね42とは反対方向に作用するので、第2のばね50は、バルブ32がバルブシート36に接触するのを効果的に防止する。代わりに、第2のばね50は、その閉位置に向かうバルブ部材32の最大移動を制限し、従ってバルブ32がバルブシート36に接触しないことを確実にする。しかし、バルブ32がバルブシート36に接触しないとしても、図5に33で図示される線接触のみが起こり、接触面積及び従って可聴騒音を最小限にする。

ここで図3及び図5を参照すると、図3に示されているようにバルブがその開位置に移動した場合、バルブ突出部40の外縁部60がバルブシートの円形内縁部62から離間されているため、バルブポート38を通り抜ける流体の自由な流動を可能にする。更に、図5に最も良く示されているように、バルブ突出部40の外縁部60及びバルブシート36の内縁部62はどちらも実質的に同じ半径Rに沿って丸みを帯びており、それにより、ポート38を通る燃料用の流路に沿って鋭い縁部を排除している。そうすることで、バルブ開放時の燃料のキャビテーションが最小化される又は完全に無くなる。

図3に示されているように、バルブ32がその閉位置からその開位置へ移動すると、バルブシート36に沿ってバルブ突出部40の周囲に比較的大きな環状体積64が形成される。この比較的大きな体積64は、燃料ポート38を通り抜ける燃料の初期流動中に燃料の速度変化を減少させ、従って燃料システム10内の圧力脈動を減少させる。

ここで図7には、バルブ42の閉位置を示している。突出部40は直径がポート38より少し小さいので、当該突出部はハウジング13に接触せず、代わりに、ポンプ室体積Aと連通する流体体積Bを形成する。同様に、バルブ42は閉位置においてバルブシート36に接触しないので、流体体積Dがバルブ42とバルブシート36との間に形成され、燃料レール28の流体体積Eに開いている。また、流体体積B及びDはどちらも、バルブ42とバルブシート36との間に形成されるより大きな流体体積Cに開いている。

バルブ42が閉鎖されているときにも流体体積A〜Eが流体接続されているので、制限された流体体積B及びDを通り抜けたにも関わらず、流体体積Aから流体体積Eまで圧力が徐々に低下する。即ちP_A>P_B>P_C>P_D>P_Eとなり、ここでP=圧力である。圧力のこの漸減は、キャビテーション、振動、及び圧力脈動を減少させ、従って騒音を減少させる。

動作中、カム18(図1)は、ポンプピストン16を継続的に往復駆動する。ポンプピストン16は、その吸気行程中に燃料を燃料源20から効果的に導入し、その排気行程(outtake stroke)中に、主圧縮ばね42の力に抗して吐出バルブ24を開位置(図3)に押し進める。逆に、ポンプピストン16の吸気行程中、バルブ32はその閉位置に移動し、従って燃料レールから燃料ポンプ室14へ戻る燃料の戻りを防止する。しかし、第2のばね50は、バルブ32とバルブシート36との間の接触を防止するので、バルブシートに対するバルブの衝撃からの騒音は完全に無くなる。

前述されるように、バルブ突出部40及びバルブシート36それぞれに丸い縁部60及び62を設けることにより、ポンプピストンのポンプ行程中、燃料システムの内部のキャビテーションが減少する又は完全に無くなる。キャビテーションを無くすことにより、燃料供給システム10からの騒音が減少するばかりでなく、バルブシート36及び/又はバルブ32の侵食も無くなる。更に、バルブ開放中にバルブ突出部40を取り巻く比較的大きな体積64がもたらされることにより、燃料供給システム10の内部の圧力脈動、並びにそのような圧力脈動から結果として起こる騒音及び機械的消耗(mechanical wear and tear)が最小限になる。

ここで図6を参照すると、第2のばね50が圧縮コイルばねであることが好ましい一方、或いは、ばね部材50は、管状円筒形弾性スリーブ65を含んでいてもよい。この弾性スリーブ65は、バルブ32の閉鎖中に縮み、前述のようにバルブ32がバルブシート36に機械的に接触しないようにする。

以上から、本発明は、燃料噴射方式の内燃エンジン用の燃料ポンプの吐出バルブとしての使用に特に適した、これまでに無い一方向チェックバルブを提供することが分かる。上述に本発明を記載したが、添付の特許請求の範囲に示されるように、本発明の趣旨に即した、多くの変形形態が明らかになるであろう。

10 燃料システム
12 燃料ポンプ
13 ポンプハウジング
14 内部燃料ポンプ室
16 ポンプピストン
18 カム
20 燃料源
22 一方向入口バルブ
24 吐出チェックバルブ
26 燃料供給ライン
28 燃料レール
30 燃料噴射器
32 吐出バルブ
34 内部空洞部
36 バルブシート
38 ポート
39 開口部
40 突出部
42 主圧縮ばね、バルブ
44 (主圧縮ばねの)一端
46 (主圧縮ばねの)他端
48 バルブハウジング
49 (第2のばねの)一端
50 第2のばね、ばね部材
52 フランジ
65 管状円筒形弾性スリーブ

Claims (20)

1. ポートを形成するバルブシートを有するハウジングと、
   開位置と閉位置との間で前記ポートに関する軸に沿って移動可能なバルブであって、前記ポートと補完的な形状を呈し且つ該ポートより若干小さい突出部を有し、該突出部が、前記バルブが前記閉位置にあるときに前記ポート内に少なくとも部分的に配置されており、前記バルブが前記閉位置にある状態で、前記ポートと前記突出部との間の間隙が、前記ポートを通り抜ける流体流を防止するのに十分に小さい、バルブと、
   前記バルブを前記閉位置に向かって弾性的に押す、前記ハウジングと前記バルブとの間に配設された主ばねと、
   前記バルブを前記バルブシートから離すように押して、前記バルブと前記バルブシートとの間の接触を防止する、前記バルブと前記ハウジングとの間に動作可能に配置された第2のばねと、を含む、流体バルブアセンブリ。
2. 前記第2のばねは、前記バルブと前記バルブシートとの間の接触を防止する、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
3. 前記バルブは横断面が円筒形状を呈する、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
4. 前記バルブは円筒形状且つカップ形状を呈し、前記主ばねは、少なくとも部分的に前記バルブ内に配置された圧縮コイルばねを含む、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
5. 前記ばね部材は、前記バルブの少なくとも一部の周囲に前記主ばねと同軸に配設された圧縮ばねを含む、請求項4に記載のバルブアセンブリ。
6. 前記第2のばねは、前記バルブの少なくとも一部の周囲に前記主ばねと同軸に配設された円筒形弾性スリーブを含む、請求項4に記載のバルブアセンブリ。
7. 前記バルブシート及び前記突出部の遠位端が実質的に同じ半径で丸みを帯びている、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
8. 前記バルブアセンブリは内燃エンジンの燃料ポンプで使用される、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
9. 前記バルブアセンブリは前記内燃エンジンの吐出バルブを含む、請求項8に記載のバルブアセンブリ。
10. 前記内燃エンジンは直噴エンジンである、請求項9に記載のバルブアセンブリ。
11. 前記ポートは、前記突出部と前記ポートとの間の間隙、前記ハウジングと前記バルブとの間に形成される中間流体室、及び前記バルブと前記バルブシートとの間の間隙を介して前記バルブアセンブリのための吐出まで流体接続されており、それにより、流体圧力が前記ポートから前記吐出まで徐々に減少している、請求項1に記載のバルブアセンブリ。
12. バルブアセンブリを有する燃料ポンプと、燃料レールと、一つ以上の燃料噴射器と、を含み、
    前記バルブアセンブリが、
    ポートを形成するバルブシートを有するハウジングと、
    開位置と閉位置との間で前記ポートに関する軸に沿って移動可能なバルブであって、前記ポートと補完的な形状を呈し且つ該ポートより若干小さい突出部を有し、該突出部が、前記バルブが前記閉位置にあるときに前記ポート内に少なくとも部分的に配置されており、前記バルブが前記閉位置にある状態で、前記ポートと前記突出部との間の間隙が、前記ポートを通り抜ける流体流を防止するのに十分に小さい、バルブと、
    前記バルブを前記閉位置に向かって弾性的に押す、前記ハウジングと前記バルブとの間に配設された主ばねと、
    前記バルブを前記バルブシートから離すように押して、前記バルブと前記バルブシートとの間の接触を防止する、前記バルブと前記ハウジングとの間に動作可能に配置された第2のばねと、を含む、
    燃料供給システム。
13. 前記第2のばねは、前記バルブと前記バルブシートとの間の接触を防止する、請求項12に記載の燃料供給システム。
14. 前記バルブは横断面が円筒形状を呈する、請求項12に記載の燃料供給システム。
15. 前記バルブは円筒形状且つカップ形状を呈し、前記主ばねは、少なくとも部分的に前記バルブ内に配置された圧縮コイルばねを含む、請求項12に記載の燃料供給システム。
16. 前記ばね部材は、前記バルブの少なくとも一部の周囲に前記主ばねと同軸に配置された圧縮ばねを含む、請求項15に記載の燃料供給システム。
17. 前記第2のばねは、前記バルブの少なくとも一部の周囲に前記主ばねと同軸に配設された円筒形弾性スリーブを含む、請求項15に記載の燃料供給システム。
18. 前記バルブアセンブリは内燃エンジンの燃料ポンプで使用される、請求項12に記載の燃料供給システム。
19. 前記内燃エンジンは直噴エンジンである、請求項18に記載の燃料供給システム。
20. 前記ポートは、前記突出部と前記ポートとの間の間隙、前記ハウジングと前記バルブとの間に形成される中間流体室、及び前記バルブと前記バルブシートとの間の間隙を介して前記バルブアセンブリのための吐出まで流体接続されており、それにより、流体圧力が前記ポートから前記吐出まで徐々に減少している、請求項12に記載の燃料供給システム。

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