JP2022542545A - 燃料高圧ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料高圧ポンプであって、ケーシング（５０）と、ケーシング（５０）内に配置された圧縮室（２６）と、ケーシング（５０）内に移動可能に配置され、圧縮室（２６）を画定するピストン（３０）と、燃料高圧ポンプ（２８）の低圧領域（１８）から圧縮室（２６）に向かって開く入口弁（２４）と、圧縮室（２６）から燃料高圧ポンプ（２８）の高圧領域（４４）に向かって開く出口弁（４０）と、燃料高圧ポンプ（２８）の高圧領域（４４）から圧縮室（２６）に向かってまたは燃料高圧ポンプ（２８）の低圧領域（１８）に向かって開く圧力制限弁（４２）とを備えており、圧力制限弁（４２）は、圧力制限弁（４２）の開放方向（１００）とは反対の方向に先細になっている弁座面（７２）を備えた弁体（６８）を有しており、球状の弁部材（５８）を有しており、かつ球状の弁部材（５８）を圧力制限弁（４２）の開放方向（１００）とは反対の方向で弁座面（７２）に押し付ける弁ばね（６０）を有しており、圧力制限弁（４２）が閉じられた状態で、弁部材（５８）と弁座面（７２）とは接触線（９０）において互いに接触しており、かつ接触線に隣接して弁部材（５８）と弁体（６８）との間にギャップ（６３）が形成されている、燃料高圧ポンプに関する。このギャップ（６３）は非対称的に、接触線（９０）の上流側において、接触線（９０）の下流側におけるよりも狭くなっている。

Description

背景技術
例えば本出願人の独国特許発明第２００４０１３３０７号明細書に記載の従来技術から、内燃機関の燃料系のための、例えばガソリン直接噴射のための燃料高圧ポンプが既に公知である。

これらの内燃機関の場合、燃料は燃料タンクから、プレフィードポンプと機械的に駆動される高圧ポンプとにより高圧下で高圧アキュムレータ（レール）内へ圧送される。

前記高圧ポンプは、高圧アキュムレータ内の圧力が極度に大幅に上昇することを防ぐ圧力制限弁を有している。高圧アキュムレータ内の圧力が所定の値に達すると圧力制限弁が開き、燃料は、高圧アキュムレータから圧縮室または低圧室内に戻る。

この場合、圧力制限弁は、弁部材の一方の側において液圧式に作用する力が、反対方向に作用する、弁部材を弁座内へ押圧するばねの力よりも大きい場合に開く。液圧式に作用する力は、優勢な液圧と、この圧力が作用する面とから生じる。この面は、シール直径から生じる。例えば正確な円錐形または正確な球欠形の弁座面と、正確な球形の弁部材とを備えた弁の場合、シール直径は、球が弁座面に接触する、理想的には線形の支持リングの直径として生じる。

燃料高圧ポンプの運転中、圧力制限弁に摩耗が生じると、支持リングが広がることになる。

発明の開示
本発明は、有効シール直径は基本的に、支持リングを越えて実際に行われる圧力降下に基づき決定される、という発明者の知見に基づいている。

この場合、圧力制限弁に、圧力制限弁を巨視的に大きく開くには十分ではないが、既にある程度の、少量ではあるが測定可能な漏れ、例えば１ｍｍの球半径を有する圧力制限弁では１ｃｃｍ／分の漏れが生じる開放圧が供給されている場合が考慮される。例えばこの考察は、弁部材が０．５μｍまたは１μｍのオーダだけもしくは弁部材の球半径の約１／１０００だけ弁座面から持ち上がり、これにより弁部材と弁体との間にギャップもしくは漏れギャップが形成される圧力制限弁を開くということである。この考察状態は、燃料高圧ポンプの圧力制限弁が開く原因となる実際の状態の代表的なものと見なされる。特に、圧力制限弁の開放圧はこのようにして規定可能である。

本発明はさらに、弁部材と弁体との間のギャップが対称に形成された従来の圧力制限弁では、弁座面における摩耗の進行中は常に有効シール直径の増大が生じ、その結果、高圧領域に圧力が加えられると、弁部材に作用する開放力の増大が生じることになる、という発明者の考察に基づいている。つまり、再び弁ばねにより弁部材が閉鎖方向に押圧されたときには、圧力制限弁の開放圧が低下していることになり、燃料高圧ポンプは最早、本来の燃料圧を生ぜしめるもしくは保つことができなくなる。

さらに、この望ましくない作用は、従来の圧力制限弁を改良して、摩耗の進行中に有効シール直径が増大しないようにすれば回避可能である、ということが認められた。

本発明に基づき、このことは、閉じられた圧力制限弁において、弁部材と弁体との間の接触線の隣に形成されたギャップが、非対称的に、接触線の上流側において、接触線の下流側におけるよりも狭くなっていることにより達成され得る。

この場合、接触線とはまず、数学的に理想化された意味での線、つまり、幅が「ゼロ」の線、ここでは環状の線を意味する。ただし、本願の意味において接触線とは、小さな、しかしゼロとは異なる幅を有する当接面、ここでは環状の当接面をも意味し、当接面は、特に弁部材を弁体に押し当てる力と、弁部材および弁体の弾性とから結果的に生じかつ／または特に摩耗現象の枠内で弁部材および／または弁体の変形から結果的に生じる、ということは自明である。ただし好適には、接触線とは、摩耗現象の前、特に燃料高圧ポンプの初回運転の前または初回連続運転の前に存在する、特に弁部材と弁体との間の線状または面状の当接幾何学形状を意味する。

この場合、「接触線の上流側」および「接触線の下流側」とは、特に弁座面の、摩耗現象に関して実際に重要な領域、つまり例えば圧力制限弁の開放方向もしくはその反対方向において５００μｍ、もしくは例えば圧力制限弁の開放方向もしくはその反対方向において弁球の半径の１／２のみが考慮される。つまりこれにより、本発明による特徴は、特にこの領域内で既に実現されており、特にこの領域内で本発明による効果を得ることが有利である。特に、この領域以外の弁部材と弁体との間のギャップの幾何学形状は、摩耗現象に関して重要ではない。この点において、弁座面の、摩耗現象に関して実際に重要な前記領域以外においてのみギャップの幾何学形状を非対称にしても、冒頭で述べた従来技術の欠点は克服されないと考えられる。

本出願の枠内で、ギャップは非対称的に、接触線の上流側において接触線の下流側におけるよりも狭くなっている、ということは、特に、接触線の上流側（つまり圧力制限弁の開放方向とは反対の側）の所定の距離内の、弁部材と弁体との間の間隔が、接触線の下流側（つまり圧力制限弁の開放方向の側）の前記所定の距離内の、弁部材と弁体との間の間隔よりも小さくなっていることを意味する。既述のように、特に有利であり得るのは、所定の距離が、摩耗現象に関して重要な領域内、例えば圧力制限弁の開放方向もしくはその反対方向において５００μｍ以内、もしくは例えば圧力制限弁の開放方向もしくはその反対方向において弁球の半径の１／２以内に位置していることである。

それどころか、本出願の枠内で、ギャップは非対称的に、接触線の上流側において接触線の下流側におけるよりも狭くなっている、ということは、特に、摩耗現象に関して重要な領域内の、弁部材と弁体との間の間隔が、接触線の上流側（つまり圧力制限弁の開放方向とは反対の側）の最小距離を上回るあらゆる距離に関してそれぞれ、接触線の下流側（つまり圧力制限弁の開放方向の側）のこの距離内の、弁部材と弁体との間の間隔よりも小さくなっていることを意味しさえする。最小距離は、例えば３００μｍであってもよい、もしくは弁球の半径の例えば３０％であってもよい。

「より狭く」という用語では基本的に、口語的に表された、２つの長さの寸法間の関係が考慮される。本発明では特に、ギャップは、そのより狭い位置において、弁部材および弁体の表面粗さに基づくだけでなく、弁部材および弁体の基本形状に基づき、より狭くなっている、ということから出発する。例えば、ギャップはその「より狭い」位置において、比較位置におけるギャップよりも、少なくとも５μｍまたは弁球の半径の少なくとも０．５％狭くなっている、ということが前提とされ得る。

本発明に基づき、ギャップは接触線の下流側（つまりシール直径が接触線におけるよりも大きくなっている所）ではそれほど狭くなっていないことにより、漏れが生じた場合には、ここで比較的小さな圧力降下も行われる。摩耗の進行中に弁球とシール座面との間の接触線が広がり、それほど狭くないギャップ領域が液圧により大幅に増大させられたとしても、このことが有する、有効シール直径を拡大する作用は、低下させられたものであるに過ぎない。

－他方では－本発明に基づき、ギャップは接触線の上流側（つまりシール直径が接触線におけるよりも小さくなっている所）ではより狭くなっているため、漏れが生じた場合には、ここで比較的大きな圧力降下も行われる。摩耗の進行中に弁球とシール座面との間の接触線が広がり、より狭いギャップ領域が液圧により大幅に増大させられたとしても、このことは、有効シール直径を縮小する作用を有している。

つまり、本発明による構成は、有効シール直径の拡大に抗して作用し、摩耗が生じた場合でも、燃料高圧ポンプの開放圧の低下は生じないか、または減少させられて生じるだけに過ぎない。燃料高圧ポンプは、その耐用年数全体にわたり、高圧を低下させずに発生させ、保つことができる。

よって本発明による燃料高圧ポンプは、その耐用年数全体にわたり全くまたは極僅かにしか損なわれない性能・放出特性値を有する、内燃機関のための燃料供給系に寄与する。

本発明の別個の対象には、燃料高圧ポンプの他に、説明した圧力制限弁、つまり圧力制限弁自体と、説明した燃料高圧ポンプにおける圧力制限弁の使用も含まれる。

本発明の改良は、弁体、弁座面、および球状の弁部材と弁体との間に形成されたギャップの幾何学形状を、有利な特徴により具体化するものである。

つまり、弁座面は弁体の縁部において、接触線の下流側に配置された、弁体の別の面につき当たる、ということが想定されていてもよく、この場合、別の面は、圧力制限弁の開放方向（つまり対称軸線）から、弁座面よりも大きく離れる方向に傾斜させられており、接触線は、特に弁座面において弁体の縁部の上流側に近い領域内に位置しているが、ただしこの場合、接触線は、特に弁座面において弁体の縁部のすぐ上流側には位置していない。

つまりこの改良では、縁部により弁座面から隔てられた弁体の別の面が、弁体の弁座面の、いわば半径方向外側に広げられたもしくは半径方向外側に曲げられた続きを成している。接触線と縁部との間の下流側の領域全体における、弁部材と弁体との間のギャップが対称的に、対応する、接触線の上流側の領域と同様に狭くなっていてもよいのに対し、特に接触線から見て縁部を越えた側に位置する領域における、弁部材と弁体との間のギャップはそれほど狭くなってはいない、つまり、対応する、接触線の上流側の位置におけるギャップよりも広くなっている。

別の面が、圧力制限弁の開放方向から大きく離れる方向に、つまり半径方向外側に傾斜させられている、ということは、別の面と弁座面とが縁部において、（対称軸線を通る１つの平面における弁体の内角として測定された）１８０°未満、例えば１７５°以下またはそれどころか１５０°以下の角度でぶつかり合っている、ということを表していてもよい。

縁部が圧力制限弁の開放特性に関して特に有利に働くようにするために、接触線は、弁座面において弁体の縁部の上流側に近い領域に位置している、ということが想定されていてもよい。この場合、弁部材と弁体との間の接触線が上述したように１つの摩耗領域に広がる摩耗ケースにおいて、この摩耗領域は、燃料高圧ポンプのある程度の運転時間が経過すると、縁部に到達する。摩耗がさらに進むと、摩耗領域は上流側の方向にはなお広がるが、下流側の方向において、摩耗領域の広がりは縁部と別の面の向きとに基づき阻止されている。その結果、有効シール直径は最早拡大しなくなるかまたは極僅かにのみ減少し、圧力制限弁の開放圧は十分一定にまたは所望の範囲内に保たれる。

縁部の上流側に近い領域は、例えば縁部の上流側の方向に最大５００μｍだけ、または例えば弁球の半径の最大１／２だけ延在していてもよい。

接触線は、弁座面において弁体の縁部のすぐ上流側の領域の外側に位置している、ということが想定されていてもよい。つまり、弁体の縁部のすぐ上流側に位置する、つまりそれどころか例えば弁体の縁部に位置する接触線は、圧力制限弁が大きく開いた後に弁球がある程度オフセットされて、つまり圧力制限弁の対称軸線に対してある程度ずらされて弁座に戻ると常に、弁球が縁部に、例えば１つの衝突点でのみぶつかり、ひいてはこの衝突点において弁座の損傷ひいては圧力制限弁の不密性が生じるリスクがある、という欠点を有している。

弁体の縁部のすぐ上流側の領域は、弁体の縁部の上流側に例えば最大２５μｍだけまたは最大５０μｍだけ、もしくは弁球の半径の例えば最大２．５％だけまたは最大５％だけ延在していてもよい。

特に、弁体の別の面は、圧力制限弁の開放方向に対して垂直に向けられていてもよい。この幾何学形状は特に有効であり、その上特に簡単に製造され得る。

他方では、弁部材と弁体の弁座面との間の接触線の下流側において、弁座面が弁体の凹部に成形されている、ということが想定されていてもよい。

部分的に凹部に成形された弁座面とは、弁体の内部輪郭において、弁体の内部輪郭の基本形状（例えば円錐形、球欠形等）から出発して材料除去が行われていることにより生じ得る弁座面を意味する。

例えばこのことは、凹部が直角の凹部であること、つまり圧力制限弁の開放方向に対して垂直な環状平面と、これに隣接する、圧力制限弁の開放方向に対して平行な円筒面とから成ることにより実現されていてもよい。

環状面は、例えば少なくとも１００μｍまたは弁球の半径の１０％の幅を有していてもよく、円筒面は、例えば少なくとも１００μｍまたは弁球の半径の１０％の高さを有していてもよい。

凹部が圧力制限弁の開放特性に関して特に有利に働くようにするために、接触線は、弁座面において弁体の凹部の上流側に近い領域に位置している、ということが想定されていてもよい。この場合、弁部材と弁体との間の接触線が上述したように１つの摩耗領域に広がる摩耗ケースにおいて、この摩耗領域は、燃料高圧ポンプのある程度の運転時間が経過すると、凹部に到達する。摩耗がさらに進むと、摩耗領域は上流側の方向にはなお広がるが、下流側の方向において、摩耗領域の広がりは凹部により十分に阻止されている。その結果、有効シール直径は最早拡大しなくなるかまたは極僅かにのみ減少し、圧力制限弁の開放圧は十分一定にまたは所望の範囲内に保たれる。

凹部のすぐ上流側の領域は、縁部の上流側の方向に例えば最大５００μｍだけまたは弁球の半径の例えば最大１／２だけ延在していてもよい。

凹部の下流側において、特に弁体の内部輪郭の基本形状は、凹部の上流側と同様に、つまり例えば円錐形、球欠形等に続いていてもよい。つまりこの場合、凹部の上流側において弁体の内部輪郭は、凹部の下流側と同じ円錐周面上もしくは同じ球欠形上に位置している。

弁座面は、例えば円錐形または球欠形を有しているか、あるいは円錐形または球欠形の基本形状を有していてもよく、この場合、弁座面には追加的に凹部が成形されている。

少なくとも接触線を中心とした領域において圧力制限弁の開放方向とは反対方向に先細になっている、弁体の弁座面もしくは内部輪郭の他の軸線対称な形状も、基本的には可能である。

弁座面は球欠形を有しており、これにより、球欠形の弁座面と球欠形の弁部材との間のギャップは、接触線の上流側においてゼロよりも大きく、かつ可能な限り小さくなっている。

この改良では基本的に特に小さな寸法が所望されているにもかかわらず、弁座面と弁球との間の規定された接触もしくは弁座面と弁球との間の規定された接触線を保証するために、ゼロ寸法は排除されている。

例えば、球欠形の弁座面と球欠形の弁部材との間のギャップは、接触線の上流側においてゼロよりも大きくなっており、最も広い箇所では５０μｍよりも狭く、それどころか特に１０μｍおよび／または３μｍよりも狭くなっている。

このように狭いギャップは、接触線が、圧力制限弁の新品状態から出発して短時間運転した後に摩耗が少ない状態で既に急速に、球欠形の弁座面の大部分を覆ってまたはそれどころか球欠形の弁座面全体を覆って延在する接触領域に広がる、という利点を有している。この場合は、有効シール直径にある程度の、ただし本発明により管理される変化が生じる。

これに次いで、球状の弁部材が大きな接触領域において弁座面に当接する。この場合、摩耗体積のさらなる増大が生じても、有効シール直径は極僅かにしか変化しない。

摩耗作用を最小にするために、弁体は硬化された鋼から成っていてもよい。この場合、弁体の内部輪郭、特に弁座面は、例えば浸炭または軟窒化等により硬化された縁部層を成している。本発明の枠内で発明者により観察され得たのは、このような硬化された縁部層は、摩耗を基本的に減少させるだけでなく、既に最初から存在している、弁部材と弁体との間のギャップの非対称性を、燃料高圧ポンプの運転中およびこれに伴う摩耗の進行中に増大させることができる、という点であり、このこともやはり相乗効果的に、本発明の有利な効果に寄与する。

特に、硬化された弁座面もしくは弁体の硬化された縁部層の場合には追加的に、弁球または少なくとも弁球の表面は、弁座面もしくは弁体の硬化された縁部層よりもさらに硬い、ということが想定されていてもよい。弁球は、例えば超硬合金（タングステンカーバイド）および／またはセラミック、例えば窒化ケイ素から成っていてもよい。この場合、摩耗は実質的に弁体にのみ生じて弁部材には生じず、このことは、これにより既に、まさに弁体にのみ生じるこの摩耗が燃料高圧ポンプの機能を損なうことは全くまたは極僅かにしかなくなる、という点において、本発明内で相乗効果を発揮する。

内燃機関用の燃料系を簡略的に示す概略図である。 図１ａに示した燃料系の燃料高圧ポンプの圧力制限弁を示す縦断面図である。 図２ａおよび図２ｂは、本発明によらない圧力制限弁を、まだ摩耗していない状態（図２ａ）および既に摩耗した状態（図２ｂ）で示す拡大縦断面図である。 図３ａおよび図３ｂは、本発明により修正された圧力制限弁の第１の実施例を、まだ摩耗していない状態（図３ａ）および既に摩耗した状態（図３ｂ）で示す拡大縦断面図である。 図３ａおよび図３ｂに示した本発明による圧力制限弁の摩耗した場合の機能を、本発明によらない圧力制限弁と比較した図である。 図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、本発明により修正された圧力制限弁の第２の実施例を、まだ摩耗していない状態（図５ａ）および既に摩耗した状態（図５ｂおよび図５ｃ）で示す拡大縦断面図である。 第３の実施例を示す図である。 図７ａ、図７ｂおよび図７ｃは、第４の実施例を示す図である。

実施例の説明
図１ａには、内燃機関（これ以外は図示せず）のための燃料系１０が、簡略化された概略図で示されている。燃料タンク１２からガソリン等の燃料が吸入導管１４を経て、プレフィードポンプ１６により低圧導管１８と、電磁的な操作装置２２により操作可能な量制御弁２４の入口２０とを介して、燃料高圧ポンプ２８の圧縮室２６に供給される。例えば量制御弁２４は、燃料高圧ポンプ２８の強制開放式の入口弁であってもよい。

本実施例では、燃料高圧ポンプ２８はピストンポンプとして形成されており、この場合、ピストン３０はカムディスク３２により、図面において鉛直方向に移動させられてもよい。液圧的に、燃料高圧ポンプ２８の圧縮室２６と出口３６との間には、図１ａではばね荷重が加えられる逆止弁として示された出口弁４０と、同様にばね荷重が加えられる逆止弁として示された圧力制限弁４２とが配置されている。出口３６は、高圧導管４４に接続されていると共に、高圧導管４４を介して高圧アキュムレータ４６（「コモンレール」）に接続されている。

出口弁４０は出口３６に向かって開くことができ、圧力制限弁４２は圧縮室２６に向かって開くことができる。電磁的な操作装置２２は、制御装置および／または調整装置４８により制御される。図１ａに示す図とは異なり、圧力制限弁４２の、図１ａにおいて左側の接続部は、圧縮室２６に代えて択一的に、燃料高圧ポンプ２８の低圧領域または燃料高圧ポンプ２８の上流側のその他の任意の部材に接続されていてもよい。

燃料系１０の運転中、プレフィードポンプ１６は燃料を燃料タンク１２から低圧導管１８内へ圧送する。量制御弁２４は、その時々の所要燃料に応じて開閉され得る。これにより、高圧アキュムレータ４６に圧送される燃料量に影響が及ぼされる。

通常のケースでは、圧力制限弁４２は閉じられている。通常のケースとは異なる運転ケースにおいて、高圧導管４４内の燃料圧が（圧力制限弁４２の弁ばね６０のばね力込みで、図１ｂも参照）圧縮室２６の領域内の燃料圧よりも高いと、圧力制限弁４２が開く。この場合、燃料は、高圧導管４４から圧縮室２６内へ逆流し、そこから場合により低圧導管１８内へ逆流する。これにより、高圧導管４４内の燃料圧が許容値に下がり得ると共に、圧力制限弁４２は再び閉じることができる。

図１ｂには、図１ａに示した燃料高圧ポンプ２８の圧力制限弁４２の縦断面図が示されている。圧力制限弁４２は、液圧的に、燃料高圧ポンプ２８の出口３６と、出口３６の上流側の領域との間に配置されており、上流側の領域に向かって開くことができる。圧力制限弁４２もしくは以下により詳しく説明する圧力制限弁４２の部材は、この例では実質的に回転対称に形成されている。

圧力制限弁４２は、実質的に円筒形のスリーブとして形成されたケーシング５０を有している。ケーシング５０は図１ｂにおいて左側の端面に、軸線方向の第１の開口５２を有しており、この場合、開口５２の半径は、円筒形のスリーブの内径に相当する。第１の開口５２は液圧的に、出口３６もしくは出口３６の下流側の高圧領域に対応して配置されている。ケーシング５０は、図１ｂの右側の端壁５４において閉じられて形成されている。ケーシング５０は、右下部分に半径方向の第２の開口５６を有している。第２の開口５６は液圧的に、燃料高圧ポンプ２８の前記上流側の領域に対応して配置されており、例えば圧縮室２６に接続されている。本実施例では、ケーシング５０は一体に形成されている。

圧力制限弁４２は、図１ｂにおいて水平方向中央部分に弁部材５８を有しており、弁部材５８は、コイルばねとして形成された弁ばね６０により閉鎖体６２を介して閉鎖方向に、つまり図１ｂでは左側に向かって押圧される。本実施例では、弁部材５８は「自由に移動する」弁球である。

図１ｂの右側には圧力制限弁４２のストッパ体６４が配置されており、ストッパ体６４は閉鎖体６２と協働する。ストッパ体６４は、軸線方向においてケーシング５０の端壁５４に支持されており、弁ばね６０によりケーシング５０の端壁５４に対して、つまり右側に向かって押圧される。このためにケーシング５０の端壁５４の領域の部分は、減径された内径を有しており、これによりストッパ体６４ひいては弁ばね６０も、規定通りに保持される。

図１ｂにおいてケーシング５０の左側の部分には弁体６８が配置されており、弁体６８は、半径方向外側の周面においてケーシング５０内に摩擦結合式に保持されており、好適にはケーシング５０内に圧入されている。弁体６８は、その内部輪郭７０として、一貫して延びる軸線方向の中心長手方向通路を有しており、中心長手方向通路は、部分的に一定の内径を有している。長手方向通路は、第１の開口５２を介して出口２６に液圧接続されている。長手方向通路の、図１ｂにおいて右側の端部において、弁体６８に、半径方向において環状の弁座面７２が形成されており、弁座面７２は、弁部材５８と協働する。

１つの択一的な実施形態（図示せず）では、圧力制限弁４２のケーシング５０は、燃料高圧ポンプ２８の組込み構成部材であり、よって独立した部材ではない。この点において圧力制限弁４２のケーシング５０は、燃料高圧ポンプ２８のケーシング５０でもあり得る。このために燃料高圧ポンプ２８は、例えば円筒形の孔を有しており、この孔内に、圧力制限弁４２の機能部材が収容されている。

この例では、弁部材５８は球として形成されている。この例では、弁部材５８はタングステンカーバイドから成っている。それでも弁部材５８は、択一的な実施形態では別の耐摩耗性の材料、例えばサーメットまたは超硬合金から成っていてもよい、またはタングステンカーバイドまたは別の超硬合金を含んでいるだけでもよい。好適な別の超硬合金の例は、チタンカーバイド、タンタルカーバイド、クロムカーバイドおよび／または別のカーバイドである。弁部材５８は択一的に、このような超硬合金を含んでいると共にさらにバインダ、例えばコバルト、ニッケル、鉄、ニッケル－クロムおよび／または類似物を含んでいてもよい。弁体６８は、この例では鋼から成っている、または弁体６８は鋼から成りかつ耐摩耗性の、例えば硬化された表面６８、例えば浸炭および／または軟窒化により生ぜしめられた硬い縁部層を弁座面７２に沿って有している。

出願人の調査から明らかなように、圧力制限弁４２が完全に開くことがなくても、燃料が高圧導管４４から圧力制限弁４２を通り圧縮室２６内へ大幅に逆流することがなくても、例えば圧縮室２６内および高圧導管４４内の圧力脈動に基づき、圧力制限弁４２の最小限の開放が生じることは避けられない。これに伴って、弁部材５８および弁体６８の表面には、以下に詳しく説明する摩耗現象が現れる。

図２ａには、まだ摩耗していない状態の、本発明によらない圧力制限弁４２の拡大部分縦断面が示されている。

圧力制限弁４２は、圧力制限弁４２の開放方向１００（開放方向１００は、図２ａに示す圧力制限弁４２の対称軸線に沿って下から上に向かう）とは反対の方向に先細になる弁座面７２を備えた弁体６８と、球状の弁部材５８と、球状の弁部材５８を圧力制限弁４２の開放方向１００とは反対の方向に、弁座面７２に対して押圧する弁ばね（図示せず）とを有している。圧力制限弁４２が閉じられた状態では、弁部材５８は、弁座面７２における接触線９０に当接する。接触線９０の隣において弁部材５８と弁体６８との間には、ギャップ６３が形成されている。

図示のケースにおいてギャップ６３は－本発明とは異なり－対称的に、接触線の上流側（領域６３ａ）と接触線の下流側（６３ｂ）とにおいて同様に狭くなっている。特にギャップは－本発明とは異なり－対称的に、摩耗現象に関して重要な接触線の上流側の領域（領域６３ａ’）と、摩耗現象に関して重要な接触線の下流側（６３ｂ’）とにおいて同様に狭くなっている。

図２ｂには、図２ａに示した部分が大幅に摩耗した状態で示されている。摩耗により、弁座面７２に除去部が生じているのに対し、弁球５８は、この例ではその大きな硬度に基づき不変に成形されている。

摩耗により、弁球５８は最早、弁座面における接触線９０だけに当接するのではなく、弁座面７２の摩耗領域９３を成し、弁球５８の表面が弁座面７２にいわば圧刻された、比較的広範な環状の接触領域９２に当接する、ということが惹起される。

摩耗領域９３は、２つの摩耗領域９３ａ，９３ｂに、つまり元の接触線９０の実質的に下流側に位置する第１の摩耗領域９３ａと、元の接触線９０の実質的に上流側に位置する第２の摩耗領域とに分けられると解釈され得る。第１の摩耗領域９３ａのシール直径Ｄ_ｄ１（つまり圧力制限弁４２の対称軸線からの弁座面７２の半径方向距離の２倍）が、初期シール直径Ｄ_ｄｉ（つまり圧力制限弁４２の軸線からの接触線９０の半径方向距離の２倍、図２ａも参照）よりも大きくなっているのに対し、第２の摩耗領域９３ｂのシール直径Ｄ_ｄ２は初期シール直径Ｄ_ｄｉよりも小さくなっている。

摩耗により、この圧力制限弁４２の開放圧ｐ_ｏｅがどのように変化するのかという問題については、既に上述した漏れのケースが考慮され、このケースでは圧力制限弁４２において、弁部材５８と弁体６８との間に形成されたギャップ６３全体に沿って、高圧導管４４内を支配する圧力から圧縮室２６内を支配する圧力へ圧力降下が行われ、このとき圧力降下は特に摩耗領域９３内で特に高度に行われる。

本出願人の調査の結果、摩耗ケース（図２ｂ）では、有効シール直径Ｄ_ｄｗひいては差圧が生じた場合に弁球５８に作用する力が、初期シール直径Ｄ_ｄｉに比べて増大されている。つまり、本発明により修正されたのではないこの圧力制限弁４２の開放圧ｐ_ｏｅは、摩耗により、燃料高圧ポンプ２８の耐用年数にわたって例えば最大２０％だけ下がることになる。

これに対して図３ａには、まだ摩耗していない状態の、本発明により修正された圧力制限弁４２の拡大部分縦断面が示されている。

図２ａに示した圧力制限弁４２とは、ギャップ６３が非対称的に、接触線の上流側（領域６３ａ）において接触線の下流側（領域６３ｂ）よりも狭くなっている、特に摩耗現象に関して重要な接触線の上流側の領域（領域６３ａ’）において、摩耗現象に関して重要な接触線の下流側の領域（領域６３ｂ’）よりも狭くなっている、という点において相違している。

この例においてこのことは、弁座面７２が弁体６８の縁部８０において、接触線の下流側に配置された、弁体６８の別の面８７につき当たっており、この場合、別の面８７は、圧力制限弁４２の開放方向１００から、弁座面７２よりも大きく離れる方向に傾斜させられており、さらに接触線９０が、弁座面７２において弁体６８の縁部８０のすぐ上流側ではないがこれに近い領域内に位置していることにより実現されている。この例では、接触線９０は弁体６８の縁部８０の約５０μｍ上流側にあり、したがって初期シール直径Ｄ_ｄｉは、縁部８０により規定される直径Ｄ_ｋよりも約６５μｍ小さくなっている。特に図３ａでは、縁部８０の上方の半径方向外側において、弁部材５８と弁体６８との間のギャップ６３が、接触線９０の上流側の対応する位置よりも大幅に広くなっている。

図３ｂには、図３ａに示した圧力制限弁４２が弁座面７２と別の面８７とにおいて大幅に摩耗した状態で示されている。摩耗により、弁座面７２と別の面８７とに除去部が生じているのに対し、弁球５８は、この例ではその大きな硬度に基づき不変に成形されている。

摩耗により、弁球５８は最早、弁座面７２における接触線９０だけに当接するのではなく、摩耗領域９３を成し、弁球５８の表面が弁座面７２にいわば圧刻された、比較的広範な環状の接触領域９２に当接する、ということが惹起される。

この摩耗領域９３を、上述したように元の接触線９０の実質的に下流側に位置する第１の摩耗領域９３ａと、元の接触線９０の実質的に上流側に位置する第２の摩耗領域９３ｂとに分けると、図３ｂに示す第２の摩耗領域９３ｂは、図２ｂに示した第２の摩耗領域９３ｂと大きく相違してはいないということが確認される。ただし、図３ｂに示す第１の摩耗領域９３ａは、図２ｂに示した第１の摩耗領域９３ａよりも大幅に小さくなっている。

この構成では第２の摩耗領域９３ｂは、第１の摩耗領域９３ａに対して相対的に、図２ｂに示した比較例におけるよりも大きくなっており、その結果、この構成では有効シール直径Ｄ_ｄｗも、比較例におけるよりも小さくなっており、例えば初期シール直径Ｄ_ｄｉに等しくなっている。よって差圧が生じると、弁部材５８に作用する開放力は比較例におけるよりも小さくなり、例えば図３ａに示す摩耗前と同等になる。この場合、旧圧力制限弁４２の開放圧ｐ_ｏｅは、図３ａに示した新圧力制限弁４２と比べて変わらない。

圧力制限弁４２が、この例のように球－円錐弁である場合には、本発明の適用領域に関して、新品状態と摩耗した場合とにおいて弁座内での弁球５８の挟まりを確実に排除するために、球直径に応じて決定される座角ω（弁座面と対称軸線との間の角度の２倍、図３ａ参照）が、最小角度として好適には保たれねばならないということが判った。特に、１．５８８ｍｍの球直径に対してω≧８０°であり、２ｍｍの球直径に対してω≧７３°であり、３ｍｍの球直径に対してω≧６６°である。

図４には、本発明による４つの異なる圧力制限弁４２に関する塗りつぶされたシンボルにより、摩耗が進んだときの圧力制限弁４２の開放圧ｐ_ｏｅが例示されている。この場合、摩耗は図の右側の軸線上に単位１０^７μｍ^３を有する摩耗体積Ｖとして示されている。２ｍｍの直径を有する弁球５８と、約７４°の座角ωを有する弁座とが用いられた。この圧力制限弁４２の初期開放圧ｐ_ｏｅは、１．５ｃｍ^３／分の漏れ量に基づき４０ＭＰａであることが測定された。調査した全ての本発明による圧力制限弁４２に関して、開放圧ｐ_ｏｅの相対的な変化は、いずれの時点でも初期開放圧ｐ_ｏｅの６％を超えることはない、ということが判る。これに対して従来の圧力制限弁４２（図４に示す空白のシンボル；図２ａおよび図２ｂ参照）の場合には、比較可能な測定において、初期開放圧ｐ_ｏｅの最大１０％の開放圧の低下が生じた。

図５ａ、図５ｂおよび図５ｃには、本発明により修正された圧力制限弁４２の第２の実施例を、まだ摩耗していない状態（図５ａ）および既に摩耗した状態（図５ｂおよび図５ｃ）で示す拡大縦断面図が示されている。

この実施例において本発明は、弁部材５８と弁体６８の弁座面７２との間の接触線９０の下流側の近くで、弁座面７２が弁体６８の凹部７５に成形されている、という点において改良されている。この例では直角の凹部７５、つまり圧力制限弁４２の開放方向１００に対して垂直な環状平面７５ａと、これに隣接する、圧力制限弁４２の開放方向１００に対して平行な円筒面７５ｂとから成る凹部７５のことである。環状面７５ａの幅および円筒面７５ｂの高さは、この例ではそれぞれ２００μｍである。凹部７５の下流側、図５ａでは凹部７５の上方において、弁座面７２は、この例では凹部７５の上流側と同様に直線的な円錐上に位置するように続いている。

この構成では、弁球５８が大幅に変位した場合でも、弁球５８は確実に弁座内に戻るように確実にガイドされ、弁座の損傷が生じる恐れはない。これについては図５ｃを参照されたい。つまり、弁球５８が大きな開放行程（Ｈ）に基づき閉じると、通常、圧力制限弁４２の対称軸線に対してオフセットされて弁座に当たり、次いで、まず凹部７５の下流側にぶつかる。次いで弁球５８は大幅に弁座内に滑り込み、このことは図５ｃに弁球５８’，５８’’および５８’’’（破線で図示）によって示されている。弁球５８の弁座内への滑り込みは、圧力制限弁４２の不密性につながる恐れのない、極小さな摩耗に結び付いているだけに過ぎない。これに対して、図５ｃにおいてＨで表された位置から、保護されていない縁部８０（図５ｃの右側参照）に垂直方向に衝突すると、場合によっては縁部８０の塑性変形ひいては圧力制限弁４２のシール性の低下を招く恐れがある。

本発明のこのような改良に基づく圧力制限弁４２により、図４に関して示した測定結果を十分有意に再現することができた。

図６には第３の実施例が示されている。先行例とは、弁座面７２が円錐形ではない、つまり直線的な円錐台の形状を有しているのではなく、ここでは半径が、弁球５８の半径よりも大きな球表面の一部の球欠形を有している、という点において相違している。球欠形は、弁体６８に例えばスタンピングによりもたらされていてもよい。

図７ａには、第４の実施例として燃料高圧ポンプの圧力制限弁４２が新品状態で示されている。第３の実施例（図６）と同様に、弁座面７２は球欠状の形状を有している。弁座面７２の半径は、球状の弁部材５８の半径よりも僅かに大きくなっている。これに相応して、球欠形の弁座面７２と球欠形の弁部材５８との間のギャップ６３は、接触線９０の上流側においてゼロよりも（すなわち例えば１μｍよりも）大きくなっていると共に、可能な限り小さくなっている。一例では、ギャップ６３の幅は、最も広い箇所ｂにおいて３μｍである。

図７ｂには、弁座面７２にある程度の摩耗が発生した後の、図７ａに示した圧力制限弁４２が示されている。球形の弁部材５８が弁座面７２に圧刻され、これにより接触線９０が、図７ｂに示す例では弁座面７２の球欠形の領域のほぼ全体を覆うように延在する接触面９２に広がった、ということが認められる。新品状態（図７ａ）と摩耗状態（図７に図示）との間で、圧力制限弁４２のシール直径は僅かにしか変化しなかった。理想的なケースでは、圧力制限弁４２のシール直径は変わらない。

図７ｃには、弁座面７２にさらなる摩耗が発生した後の、図７ａおよび図７ｂに示した圧力制限弁４２が示されている。

球状の弁部材５８が、さらにやや大きく（ただし比較的少しだけ）弁座面７２に圧刻された、ということが看取される。この場合、圧力制限弁４２のシール直径は、僅かにしか変化しなかった。理想的なケースでは、圧力制限弁４２のシール直径は変わらない。弁座面７２の元の輪郭は、図７ｃでは具体的な図示のために示されているだけに過ぎない。

この実施例の文脈において、ギャップ６３は可能な限り小さく設計されるものとし、これにより、既に小さな摩耗体積において、ギャップ６３が閉じられるもしくは接触線９０が接触面９２に広がり、これにより接触面９２は、特に弁座面７２の球欠形の領域全体を覆うように延在することになる。その後、シール直径は、摩耗体積毎に極緩やかにしか変化しない。この場合、弁における開放圧低下は、同じ摩耗体積ではより小さくなるか、またはそれどころか消失することになる。

Claims (16)

1. 燃料高圧ポンプであって、
   ケーシング（５０）と、
   前記ケーシング（５０）内に配置された圧縮室（２６）と、
   前記ケーシング（５０）内に移動可能に配置され、前記圧縮室（２６）を画定するピストン（３０）と、
   前記燃料高圧ポンプ（２８）の低圧領域（１８）から前記圧縮室（２６）に向かって開く入口弁（２４）と、
   前記圧縮室（２６）から前記燃料高圧ポンプ（２８）の高圧領域（４４）に向かって開く出口弁（４０）と、
   前記燃料高圧ポンプ（２８）の前記高圧領域（４４）から前記圧縮室（２６）に向かってまたは前記燃料高圧ポンプ（２８）の前記低圧領域（１８）に向かって開く圧力制限弁（４２）と
   を備え、
   前記圧力制限弁（４２）は、
   前記圧力制限弁（４２）の開放方向（１００）とは反対の方向に先細になっている弁座面（７２）を備えた弁体（６８）と、
   球状の弁部材（５８）と、
   前記球状の弁部材（５８）を前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）とは反対の方向で前記弁座面（７２）に押し付ける弁ばね（６０）と
   を有し、
   前記圧力制限弁（４２）が閉じられた状態で、前記弁部材（５８）と前記弁座面（７２）とは接触線（９０）において互いに接触しており、かつ前記接触線に隣接して前記弁部材（５８）と前記弁体（６８）との間にギャップ（６３）が形成されている、燃料高圧ポンプにおいて、
   前記ギャップ（６３）は非対称的に、前記接触線（９０）の上流側において、前記接触線（９０）の下流側におけるよりも狭くなっていることを特徴とする、燃料高圧ポンプ。
2. 前記弁座面（７２）は、前記弁体（６８）の縁部（８０）において、前記接触線（９０）の下流側に配置された、前記弁体（６８）の別の面（８７）につき当たっており、前記別の面（８７）は、前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）から、前記弁座面（７２）よりも大きく離れる方向に傾斜させられている、請求項１記載の燃料高圧ポンプ。
3. 前記接触線（９０）は、前記弁座面（７２）において前記弁体（６８）の前記縁部（８０）のすぐ上流側ではないがその近くの領域内に位置している、請求項１または２記載の燃料高圧ポンプ。
4. 前記弁体（６８）の前記別の面（８７）は、前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）に対して垂直である、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
5. 前記弁部材（５８）と前記弁体（６８）の前記弁座面（７２）との間の前記接触線（９０）の下流側の近くにおいて、前記弁座面（７２）は、前記弁体（６８）の凹部（７５）に成形されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
6. 前記凹部（７５）は、直角の凹部（７５）である、つまり前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）に対して垂直な環状平面（７５ａ）と、前記環状平面（７５ａ）に隣接する、前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）に対して平行な円筒面（７５ｂ）とから成る、請求項５記載の燃料高圧ポンプ。
7. 前記弁座面（７２）は、円錐形または球欠形の形状を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
8. 前記弁座面（７２）は、円錐形または球欠形の基本形状を有している、請求項５または６記載の燃料高圧ポンプ。
9. 前記弁座面（７２）は、前記円錐形または球欠形の基本形状への前記凹部（７５）の導入により生じる形状を有している、請求項８記載の燃料高圧ポンプ。
10. 前記弁座面（７２）は球欠形を有しており、これにより、球欠形の前記弁座面（７２）と球形の前記弁部材（５８）との間の前記ギャップ（６３）は、前記接触線（９０）の上流側においてゼロよりも大きく、かつ可能な限り小さくなっている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
11. 前記弁座面（７２）は球欠形の形状を有しており、これにより、球欠形の前記弁座面（７２）と球欠形の前記弁部材（５８）との間の前記ギャップ（６３）は、前記接触線（９０）の上流側においてゼロよりも大きくなっており、最も広い箇所では５０μｍよりも狭くなっている、特にそれどころか１０μｍおよび／または３μｍよりも狭くなっている、請求項１から４までのいずれか１項または請求項１０記載の燃料高圧ポンプ。
12. 前記弁体（６８）は鋼から成っており、前記弁座面（７２）に硬化された縁部層を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
13. 前記弁座面（７２）の硬度は、前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）とは反対の方向に増大している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
14. 前記弁球（５８）は、前記弁体（６８）よりも硬く、かつ前記弁座面（７２）よりも硬くなっている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
15. 前記弁球（５８）は、超硬合金、例えばタングステンカーバイドから成っている、またはセラミック、例えば窒化ケイ素から成っている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の燃料高圧ポンプ。
16. 圧力制限弁であって、
    前記圧力制限弁（４２）の開放方向（１００）とは反対の方向に先細になっている弁座面（７２）を備えた弁体（６８）と、
    球状の弁部材（５８）と、
    前記球状の弁部材（５８）を前記圧力制限弁（４２）の前記開放方向（１００）とは反対の方向で前記弁座面（７２）に押し付ける弁ばね（６０）と
    を有し、
    前記圧力制限弁（４２）が閉じられた状態で、前記弁部材（５８）と前記弁座面（７２）とは接触線（９０）において互いに接触しており、かつ前記接触線（９０）に隣接して前記弁部材（５８）と前記弁体（６８）との間にギャップ（６３）が形成されている、圧力制限弁において、
    前記ギャップ（６３）は非対称的に、前記接触線（９０）の上流側において、前記接触線（９０）の下流側におけるよりも狭くなっていることを特徴とする、圧力制限弁。

Images