JP5069318B2 - 壊蝕作用が減じられた球座弁 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念部に記載した球座弁、つまり流動媒体の通流を調節する球座弁であって、弁座と丸み付けられた閉鎖エレメント、特に弁球とを有しており、さらに前絞りを備えた流入部と、この前絞りと弁座との間に配置されたディフューザとを有する形式の球座弁に関する。

本発明は流動媒体の通流を調節する公知の球座弁から出発する。このような球座弁は多くの技術分野において使用されており、例えば気体または液体のような流動媒体の通流を調節する必要のある、例えば液圧制御の分野において使用されている。

背景技術
このような球座弁の重要な使用例は自動車技術の分野、特に噴射技術の分野において見られる。たとえば球座弁は数多くの噴射装置において、このような装置の噴射特性を液圧式に圧力調整するため、および／または制御するために使用される。とりわけ高圧アキュムレータ噴射装置（コモンレール装置）の分野においては、球座弁は噴射開口を開閉する噴射弁部材のストロークを制御するために使用される。例えばこのような装置はＤＥ１０１５２１７３Ａ１とＤＥ１９６５０８６５Ａ１とに記載されている。これらの公知文献においては、直接的または間接的に噴射弁部材のストロークに影響を及ぼす制御室は、直にまたは別の孔を介して流入部を通って球座弁と接続している。この球座弁は弁球の他にアクチュエータを有しており、このアクチュエータは制御室を減圧室から分離するかまたはこの減圧室に接続するために、弁球を弁座に押し込むかまたはこの弁座から持ち上げる。

例えばＤＥ１０１５２１７３Ａ１にも示されているように、背景技術から公知の通流を調節する球座弁は、通例流入部の、制御室に向いた側に前絞りを有している。この前絞りに、球座弁に向かって流入部の１つまたは複数の拡開部が接続しており、この拡開部は種々の形状に形成することができる。

しかしながら、背景技術から公知の汎用の球座弁は、実際上、特に数１０００バールの圧力でもって働く高圧アキュムレータ噴射装置の場合、強度の壊蝕の欠点を有している。この壊蝕は特に前絞りにおけるキャビテーションによって引き起こされ、このキャビテーションは主にストローク絞り境界の外側に生じる。この場合球座弁のストロークの限界がストローク絞り境界と呼ばれ、このストローク絞り境界の上方では、一定の圧力の場合には通流が球座弁の前後でもはや変化しない。前絞りにおける前述のキャビテーション作用によってさらに、特に球座弁の座部領域において凝縮によっていわゆるキャビテーション壊蝕が引き起こされる。これによって球座弁の閉鎖特性が変化し、この閉鎖特性によって噴射装置の噴射特性が変化してしまう。

このため、流動媒体の通流を調節する球座弁ならびに背景技術の前述の欠点を防止する球座弁を備えた噴射装置が要求される。

発明の利点
冒頭に述べた形式の球座弁において本発明の構成では、ディフューザが、弁座に向いた側に狭窄部を有しているようにした。

特に本発明によって提案されている球座弁は、キャビテーション壊蝕が大幅に減じられており、さらにキャビテーション壊蝕がたとえ生じた場合でも弁座の密閉性を損なわないような幾何学形状を有している。

球座弁の幾何学形状を最適化するために、球座弁における流動媒体の、キャビテーション壊蝕にとって決定的な種々のパラメータを得るシミュレーション計算が行われた。これらのパラメータとは、特に流動媒体内に生じる圧力と、流動媒体の速度と、流動媒体の全容積に関する蒸気分と、流動媒体の液相と気相との間の質量移行率である。

このシミュレーション計算によって、前絞りと、この前絞りに弁座に向かって接続していて弁座側の狭窄部を備えたディフューザとを有する流入部（特に高圧側の流入部）が球座弁の座部に用いられる場合に、キャビテーション壊蝕が効果的に減じられることが判明した。この場合一般に前絞りと弁座との間の領域は「ディフューザ」と呼ばれる。

本発明による狭窄部を備えたディフューザの特別な形状は、例えばＤＥ１０１５２１７３Ａ１に記載されているような（特に段状の）拡開部とは異なり、弁座の領域において前述のパラメータの特殊な３次元的な経過を有しており、この経過によってキャビテーション壊蝕が防止される。この場合弁座の前の狭窄部によって流動媒体の流れが、弁座の領域におけるキャビテーション壊蝕の危険性を著しく減じるように誘導される。

弁座とディフューザ孔との間の相は一般に「ヘルゲットファーゼ（Ｈｅｌｇｅｔｆａｓｅ）」と呼ばれる。公知の弁座の幾何学形状においてはこのヘルゲットファーゼの領域において死水領域、したがって孔壁からの流れの剥離領域が出現する。しかしながらこのような流れの剥離によってさらに、壁に向けられた流れ、つまりとりわけ壁に対する方向で流れの速度成分が形成される。これに対して本発明による幾何学形状においては流動媒体の流れの剥離が全く生じないか、または著しく減じられる。これによってヘルゲットファーゼにおいて壁に向けられた流れも防止されるか、または少なくとも著しく減じられ、つまりは孔壁に対して垂直な速度成分が著しく減じられるか、または完全に防止される。

さらに新しい幾何学形状によって、弁座の下方のヘルゲットファーゼにおいて壁近傍における流動媒体の気相の割合が著しく減じられる。したがって弁座の領域における壁近傍において凝縮し得る蒸気分が全く、またはほとんど発生しない。したがってこの領域においては凝縮率がごく僅かである。流れが壁に平行であって、また蒸気分が僅かであって、さらに壁近傍における凝縮率が小さいということが共に生じることによって、本発明による幾何学形状によってキャビテーション壊蝕が効果的に防止される。

したがって本発明による球座弁および本発明による噴射装置は高い長期安定性を有している。この噴射装置は長期の使用期間にわたって安定した噴射性能と僅かな漏損率とを示すものである。

従来の球座弁の流入部の幾何学形状を示す図である。 従来の球座弁の流入部の幾何学形状を示す図である。 円筒形のディフューザを備えた本発明による球座弁の実施例を示す図である。 図２に対して択一的な円錐形ディフューザを備えた本発明の実施例を示す図である。 図１Ｂ対して同様の本発明による弁座の領域における狭窄部の詳細図である。

発明の実施例
図１Ａには背景技術に基づく球座弁１１０が示されており、この球座弁１１０は例えばＤＥ１０１５２１７３Ａ１に記載された配置形式に相当している。球座弁１１０のＤＥ１０１５２１７３Ａ１での構成では、以下に述べるように２ポート２位置方向制御弁である。しかしながら別の構成も可能である。

球座弁１１０は例えば噴射装置に使用され、制御室に接続された孔１１２を減圧室１１４と接続するかまたは減圧室１１４から切り離すよう働く。この目的のために、この場合は弁球である閉鎖エレメント１１６がアクチュエータ１１８を介して円錐形の弁座１２０に押し込まれるか、もしくはこの弁座１２０から持ち上げられる。球形の閉鎖エレメント１１６の代わりに、当業者に知られた、有利には丸みづけられた形状の閉鎖エレメント形状を使用することもできる。

例えば２０００バールの燃料圧が存在する孔１１２は、球座弁１１０の構成部分であってかつ弁ボディ１２４内で孔として形成されている流入部１２２を介して減圧室１１４と接続している。

流入部１２２はまず孔１１２に向いた側に円筒形の前絞り１２６を有しており、この前絞り１２６に円筒形のディフューザ１２８が弁座１２０に向かって接続している。この場合前絞り１２６とディフューザ１２８との間の移行部には通常軽度の傾斜部が設けられている。通流は、ストローク絞り境界の上方で球座弁１１０の全体を通じて前絞り１２６の横断面によって決定的に影響されて発生する。

アクチュエータ１１８は例えばＤＥ１９６５０８６５Ａ１に示されているようにマグネットアクチュエータであってよく、このマグネットアクチュエータの場合は電磁石を介して閉鎖エレメント１１６の位置が所望のように調節される。しかしながらアクチュエータの別の構成も使用可能である。

図１Ｂには弁座１２０への流入部１２２の移行部が拡大された詳細図に弁の位置の開放状態で示されている。図１Ｂからわかるように、流入部１２２は例えばＤＥ１０１５２１７３Ａ１に記載の構成と同様に、この移行部で円錐形の拡開部を有している。

前述のように種々のシミュレーション計算が実施され、これによってこの移行部の領域における前述の臨界的なパラメータをシミュレータで算出することができた。この場合図１Ａおよび１Ｂで示された背景技術に相当する構成では、球座弁１１０のシール性能にとって特に臨界的であって閉鎖状態では閉鎖エレメント１１６がシール座部１２０に接触しているシール領域１３２において、減圧室１１４と孔１１２との間の圧力差が噴射装置にとって現実的な場合に約２００から４００ｍ／ｓまでの範囲の速度が発生するということが判明した。この速度は弁ボディ１２４の壁に対して相対的に３０から４５°までの範囲の角度を有していた。

さらにこの特に臨界的な領域において蒸気分（この場合シミュレーションは主にディーゼル燃料用に行われた）が全容積に関して０．７から０．８まで発生した。さらに蒸気状の相から液相への質量移行率が、このシール領域１３２において高く、（運転時点に応じて）約３００００ｋｇ／（ｓ・ｍ^３）までであった。前述のように、弁ボディ１２４の壁に対して垂直なこの高い速度成分と、凝縮し得る高い蒸気分と、高い質量移行率とによって、キャビテーション壊蝕がシール領域で引き起こされる。

これに対して図２および３には、本発明による球座弁１１０の実施例が示されている。これらの球座弁１１０は、例えば本発明による燃料噴射装置１３５、例えばコモンレールインジェクタに使用することができる。この球座弁１１０も同様に流入部１２２を有しており、この流入部１２２は孔１１２と接続している側に前絞り１２６を有している。

図１Ａに示した実施例においてと同様に、弁座１２０に向かって前絞り１２６にディフューザ１２８が接続している。この場合図２および３にはこのディフューザ１２８の異なる構成が示されているが、この場合これらのディフューザ１２８はそれぞれ弁座１２０に向いた側に狭窄部１３４を有している。

図２に示された実施例では、ディフューザ１２８は前絞り１２６と狭窄部１３４との間においてほぼ一貫した円筒形のディフューザ区分１３６として形成されている。これに対して図３に示された実施例では、ディフューザ１２８は前絞り１２６と狭窄部１３４との間において概ね３つの区分、すなわち前絞り１２６に接続している第１の円筒形のディフューザ区分１３８と、弁座１２０に向かって広がっている円錐形のディフューザ区分１４０と、上に向かって狭窄部１３４まで延びている第２の円筒形のディフューザ区分１４２とに分割されている。

円錐形のディフューザ区分１４０を有する図３に示されたディフューザ１２８の構成では、さらに弁ボディ１２４内に、円錐形のディフューザ区分１４０と第２の円筒形のディフューザ区分１４２との間に最適な分割平面１４４が設けられている。この分割平面１４４は噴射装置１３５の２つの構成アッセンブリを隔てており、この２つの構成アッセンブリは、例えば図３には示されていない外部に位置するキャップナットによって互いに結合することができる。この分割平面１４４によってディフューザ１２８の製造が極めて容易になる。というのもこの場合、例えば第１の円筒形のディフューザ区分１３８と円錐形のディフューザ区分１４０とを共に１つの孔を通して上から形成することができるからである。

図４には図１Ｂと同様に、図２または３に示された狭窄部１３４を有する球座弁１１０の実施例のための、流入部１２２と減圧室１１４との間の移行部の詳細図が示されている。図４からわかるように、この場合狭窄部１３４は３つの部分から形成されている。すなわち円筒形のディフューザ区分１３６もしくは１４２（図２または図３に基づく実施例のいずれを見るかによる）に第１の円錐形の狭窄部区分１４６が接続しており、円筒形の狭窄部区分１４８と最後に第２の円錐形の狭窄部区分１５０とが続いている。

図４では第１の円錐形の狭窄部区分１４６は、この領域において弁ボディ１２４の壁が流入軸線１５２と、２０°と８０°との間、有利には２５°と６５°との間の角度αを成すように形成されている。同様に第２の円錐形の狭窄部区分１５０においても、弁ボディ１２４の壁が流入軸線１５２と、同じ角度範囲の角度βを成している。

狭窄部区分１４６，１４８，１５０の各々の長さは広い範囲内で構成することができる。この実施例では円筒形の狭窄部区分１４８の長さは狭窄部１３４の全長のおよそ１５％であり、第１の円錐形の狭窄部区分１４６の長さは狭窄部１３４の全長のおよそ５０％である。しかしながら別の構成、特に例えば係数３に至るまで前述の分配を変化させることも可能である。さらに円筒形の狭窄部区分と円錐形の狭窄部区分との間の急な移行部を有する図４に示された実施例とは異なって、移行部を丸み付けた構成も可能である。

流入軸線１５２の方向での狭窄部１３４の全長、したがって狭窄部区分１４６，１４８，１５０の合計には、ディフューザの最大横断面Ｄ_Ｄの０％より大きく１００％より小さい範囲（例えば３０％と８０％との間または４５％と７０％との間）、有利には０％から５０％の間の範囲の寸法が極めて適していることが判明した。

円筒形の狭窄部区分１４８の領域において、狭窄部１３４は図４の実施例では最も狭い直径Ｄ_Ｖを有している。この狭窄部直径Ｄ_Ｖは、有利にはディフューザ１２８の最大直径の３０％と７０％との間の範囲、特に有利には４０％と６０％との間、とりわけ５５％と６０％との間の範囲の大きさである。ディフューザ１２８のこの最大直径は図４ではＤ_Ｄで示されており、ディフューザ１２８のこの最大直径は第２の円筒形のディフューザ区分１４２の直径（図３による実施例）もしくは円筒形のディフューザ区分１３６の直径（図２による実施例）である。狭窄部１３４のこうした選択によって、噴射装置１３５内に典型的な圧力差が生じる際にキャビテーション壊蝕が極めて僅かしか生じない構成が得られた。

図４に示された実施例のためにも、通流とキャビテーション壊蝕とを特徴づける前述のパラメータを算出するためにシミュレーション計算が行われた。このシミュレーション計算によって、図１Ｂで示された背景技術に相当する構成に対して数値の著しい改善が示された。

たとえばシール領域において、特に球座弁１１０が閉鎖されている際に閉鎖エレメント１１６が弁座１２０に載着している領域において、２００ｍ／ｓ未満の速度しか生じず、この場合速度が２００ｍ／ｓを下回ることはキャビテーション壊蝕の防止にとって重大であり、流れが実際に弁ボディ１２４の壁に対して一貫して平行に延びるという事が判明した。さらに流動媒体（図４の実施例においてもディーゼル燃料で計算された）の気相の容積分が図１Ｂの結果に対して著しく減じられ、０．２未満の数値が得られた。蒸気相から液相中への前述した質量移行率、したがってキャビテーション壊蝕の主因を成す凝縮特性も著しく減じられており、臨界的なシール領域１３２において１００００ｋｇ／（ｓ・ｍ^３）未満であった。

この結果、本発明による狭窄部１３４によって前述のキャビテーション壊蝕の減少作用が達成され、球座弁１１０の長期の安定性が著しく改善される。

Claims (8)

1. 流動媒体の通流を調節する球座弁（１１０）であって、弁座（１２０）と丸み付けられた閉鎖エレメント（１１６）を有しており、さらに前絞り（１２６）を備えた流入部（１２２）と、前記前絞り（１２６）と前記弁座（１２０）との間に配置されたディフューザ（１２８）とを有する形式のものにおいて、
   前記ディフューザ（１２８）が、前記弁座（１２０）に向いた側に狭窄部（１３４）を有し、
   前記狭窄部（１３４）が、前記弁座（１２０）とは反対側に円錐形の狭窄部区分（１４６）を有し、
   前記狭窄部（１３４）がさらに、円錐形の前記狭窄部区分（１４６）と前記弁座（１２０）との間に配置された円筒形の狭窄部区分（１４８）を有している、球座弁。
2. 前記狭窄部（１３４）がさらに、円筒形の前記狭窄部区分（１４８）と前記弁座（１２０）との間に配置された第２の円錐形の狭窄部区分（１５０）を有している、請求項１記載の球座弁。
3. 前記ディフューザ（１２８）が、前記狭窄部（１３４）の前に円筒形のディフューザ区分（１３６；１３８，１４２）を有している、請求項１又は２記載の球座弁。
4. 前記ディフューザ（１２８）が、円筒形の前記ディフューザ区分（１３６；１３８，１４２）の前に円錐形のディフューザ区分（１４０）を有している、請求項３記載の球座弁。
5. 前記円錐形の前記ディフューザ区分（１４０）を有する弁ボディ（１２４）を備え、
   前記弁ボディ（１２４）は、前記円錐形の前記ディフューザ区分（１４０）と前記円筒形の前記ディフューザ区分（１４２）とを連通するための平面部を有する、請求項４記載の球座弁。
6. 前記閉鎖エレメント（１１６）は弁球である、請求項１から５までのいずれか１項記載の球座弁。
7. 高圧アキュムレータから内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する噴射装置（１３５）であって、少なくとも１つの噴射開口を開閉する少なくとも１つの噴射弁部材を有しており、さらに前記噴射弁部材と液圧式に接続された少なくとも１つの制御室（１１２）を有する形式のものにおいて、
   前記制御室（１１２）が、請求項１から６までのいずれか１項記載の少なくとも１つの前記球座弁（１１０）を介して減圧室（１１４）と接続されていることを特徴とする、噴射装置。
8. 前記閉鎖エレメント（１１６）を作動するための少なくとも１つの電気機械式アクチュエータ（１１８）が設けられており、該電気機械式アクチュエータ（１１８）は、電磁式アクチュエータおよび／または圧電式アクチュエータを有している、請求項７記載の噴射装置。

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