JP5372036B2 - 大型２サイクルディーゼルエンジンの弁構造 - Google Patents

Description

本明細書は、弁構造に関し、具体的には、逆流制御のための弁構造、および弁構造の上流で最小圧力を維持するための弁構造に関する。

発明の背景

可動弁部材を弁座に当接させる従来の逆止弁は、大型２サイクルディーゼルエンジンの排気弁作動システム下のような厳しい環境では使用不可能である。

大型２サイクルディーゼルエンジンにおける電子油圧制御式弁作動システムは、排気弁の制御および動作プロファイル設定を柔軟に行うことを可能とし、排出制御や燃料効率の改善を可能とする。

排気弁を閉鎖方向に付勢する燃焼室内およびガスばね内の圧力に対して、最大４００ｋｇの重量を有する排気弁を開放するには、膨大な力が必要とされる。このため、大型２サイクルディーゼルエンジンの排気弁の開放には、高圧力かつ高出力の油圧システムが必要とされる。

大型２サイクルディーゼルエンジンのための一般的な電子制御式（電子油圧）排気弁作動システムは、油圧流体（油圧油または潤滑油）を、コモンレールを介して、シリンダハウジングの上板付近または上板に位置する弁ブロックに供給する高圧ポンプを備えている。弁ブロックは、油圧蓄圧器と、燃料噴射器および排気弁を作動するための油圧流体の流れを制御する比例電子油圧制御弁を有する。

圧力管は、各弁ブロックを各々の排気弁に接続する。弁ブロックは、典型的には、シリンダハウジングの上部に載置されるため、圧力管は、弁ブロックと排気弁アクチュエータの上部との間のかなりの距離および高低差を橋架しなければならない。この高低差は、数メートルに及ぶことがあり得る。

増圧器（基本的には、いずれかの端部に大きな圧力面または小さな圧力面を有するピストン）は弁ブロックの上部に設置される。圧力管の一方の端部は増圧器に接続され、圧力管の他方の端部は排気弁の上部に接続される。したがって、圧力管は、弁ブロックから排気弁の上部に延在する。

排気弁の上部と弁ブロックとの間の高低差は、エンジンのサイズに起因して著しく大きくなり得る。すなわち数メートルに及ぶことがある

排気弁が閉鎖位置にある場合、圧力管中の圧力はゼロに近くなる。

弁ブロックと圧力管の下側端部との間の増圧器は、圧力管中の油圧流体の排出を防止し、圧力管が油圧流体ではなく空気で満たされることを防ぐ。

排気弁を閉鎖する時になると、電子油圧制御弁は、圧力管をタンクに接続する。このとき、排気弁の慣性に起因して、圧力管に気泡が発生し得る。これらの気泡は、再び圧力が増加する際にキャビテーションをもたらし得るため、電子油圧制御弁と圧力管との間に増圧器または圧力分離器を設置することが必要になる。

このような背景から、本出願の目的は、上述の欠点を回避するか、または少なくとも軽減する弁構造であって、弁作動システムに用いうる弁構造を提供することにある。

この目的は、次のような弁構造を提供することによって達成される。この弁構造は、ハウジングと；入口ポートと；前記入口ポート付近または前記入口ポートの下流に設けられる固定流れ制限部と；前記ハウジング内のボアに収容される、２つの対向した有効圧力面を備える可動弁部材であって、前記２つの有効圧力面のうちの一方は、前記流れ制限部に流体的に連絡する第１圧力室に面し、前記２つの有効圧力面のうちの他方は、比較的圧力の低い圧力源に接続される第２圧力室に面する、前記可動弁部材と；前記可動弁部材が或る位置範囲にある場合に該可動弁部材によって閉鎖され、また前記可動弁部材が別の位置範囲にある場合に開放される出口ポートと；を備え、前記出口ポートが開放されると、前記第１圧力室が前記出口ポートに接続され、前記２つの有効圧力面のうちの前記一方は、前記第１圧力室が前記出口ポートに接続される位置範囲側に前記可動弁部材を付勢し、前記２つの有効圧力面のうちの前記他方は、前記第１圧力室が前記出口ポートに接続されない位置範囲側に前記可動弁部材を付勢するように構成される。

この弁構造は、タンクへの逆流（flow back）を実現且つ制御することを可能にし、弁の上流における最小圧力を維持する。したがって、気泡およびキャビテーションの発生が回避されるか、または少なくとも低減される。

従来の逆止弁は、大型２サイクルディーゼルエンジンの排気弁作動システム等の厳しい環境下においては使用が困難である。大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては圧力勾配が大きく、弁座により閉鎖する逆止弁では、比較的短いサイクルで破壊されてしまうからである。

前記弁構造は、さらに、前記可動弁部材内を貫くボアであって、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを連絡するボアを備えてもよい。

好ましくは、前記可動弁部材を通る前記ボアには横ボアが設けられ得る。この横ボアは前記可動弁部材が前記第１圧力室を前記出口ポートに接続する前記位置範囲に向かって前記可動弁部材が大きく移動する際に、前記第２圧力室をオーバーフローポートに接続する。

ある実施形態では、前記一方の有効圧力面は、前記他方の有効圧力面よりも大きい。

前記可動弁部材は、前記可動弁部材が収容されるボアの縁とともに、制御縁を画定し得る。

本発明に従う弁構造に関するさらなる目的、特徴、利点および特性は、詳細な説明より明らかになる。

以下の詳細説明において、図面に示される例示的実施形態を参照しつつ、本発明についてより詳細に説明する。
例示的実施形態に従う弁構造を使用する排気弁作動システムの部分略断面図である。 図１に示す弁作動システムの油圧スキームを示す図である。 図１に示す排気弁作動システムにおける弁構造の詳細断面図である。

好適な実施形態の詳細な説明

図１は、本開示の例示的実施形態に従う排気弁作動システムの部分断面図である。排気弁作動システムは、クロスヘッド式大型ターボ過給型ユニフローディーゼルエンジン等の大型２サイクルディーゼルエンジンの一部である。大型２サイクルディーゼルエンジンの構成および動作についてはよく知られているため、本明細書において詳細に説明しない。

弁ブロック３は、大型２サイクルディーゼルエンジンのシリンダハウジングの上板上に設置される。弁ブロックは、電子制御式比例油圧制御弁５を有する。電子制御式比例油圧制御弁５は、エンジンの電子制御ユニット（図示せず）に接続される。また、弁ブロック３は、１つ以上の蓄圧器８と弁構造２０とを有する。圧力管１０の一方の端部は、弁ブロック３のポートに接続される。圧力管１０の両端の高低差は数メートルにおよぶこともあり、対策をとらなければ、排気弁をその弁座に戻すために圧力管１０が減圧されると、重力により圧力管１０から作動流体が排出され、空気が入り込むことがある。

弁ブロック３内のボア７は、圧力管１０を比例油圧制御弁５のポートに接続し、ボア１１は、弁構造２０を比例油圧制御弁５の別のポートに接続し、別のボア９は、比例油圧制御弁５を高圧源（この実施形態ではコモンレール）に接続する。

圧力管１０の他方の端部は、排気弁ハウジング１２の上部に接続される。排気弁のスピンドル１４のみが図示される。排気弁を開放するための油圧アクチュエータが、スピンドル１４の上部に載置される。油圧アクチュエータは、少なくとも１つの圧力室１６および１つのピストン１８を含み、油圧アクチュエータが加圧されると、油圧アクチュエータは排気弁を開放方向に付勢する。空気ばね（図示せず）は、よく知られている方法で排気弁を閉鎖方向に付勢するために使用される。

図２は、図１に示す弁作動システムの油圧スキームを示す図である。このシステムは、エンジンの１つ以上の高圧ポンプステーションにより油圧が供給される高圧コモンレール３２を含む。高圧コモンレール３２は、数百バールの圧力に維持される。また、約２．２バールに維持される低圧コモンレール３４も存在する。コモンレール３６は、実質的に大気圧でタンクに接続する。

導管９（弁ブロック３内のボアにより形成される）は、比例電子油圧制御弁５を高圧コモンレール３２に接続する。比例電子油圧制御弁５は、導管９からの圧力を使用して比例電子油圧制御弁５のスプールを所望の位置に移動させるパイロットステージを備える。分岐としての導管９は、（油圧流体の）流量が突然増加する場合に圧力を維持／安定化させる役割を果たす油圧蓄圧器８に接続する。

導管１３は、燃料噴射システムに関連付けられる比例電子油圧制御弁５の出口ポートを、低圧コモンレール３４に接続する。導管１１は、排気弁作動システムに関連付けられる比例電子油圧制御弁５の出口ポートを、弁構造２０を介して低圧コモンレール３４に接続する。弁構造２０は、流れ制限部、つまり逆流防止機能を備え、導管１１中の最低圧力を維持する。

比例電子油圧制御弁５は、その増圧器および噴射器３７を備える燃料噴射システム３０に接続され、また、比例電子油圧制御弁５は、排気弁アクチュエータにも接続される。燃料噴射システムは、それ自体よく知られているため、本明細書により詳細に説明しない。

図示される油圧系統は、ピストン１８および排気弁スピンドル１４を備える排気弁アクチュエータハウジング１２に圧力管１０が接続されることを示している。また、加圧空気源１９も、排気弁を閉鎖方向に付勢する空気ばねに加圧空気を供給するために、排気弁ハウジング１２に接続する。さらに、排気弁の位置を判断する位置センサが、排気弁アクチュエータのために設けられる。

エンジン動作中、比例電子油圧制御弁５は、エンジンの電子制御ユニットから命令を受け、エンジンサイクル中の適切なタイミングで、排気弁作動システムまたは燃料噴射システムのいずれかを高圧コモンレールに接続する。したがって、排気弁を開放する時になると、エンジンの電子制御ユニットは、比例電子油圧制御弁５に命令を送り、圧力コモンレール３２と圧力管１０との間の接続を確立させる。すると排気弁は、燃焼室内の圧力および空気ばねの力に対抗して開放する。再び排気弁を閉鎖する時になると、電子制御ユニットは比例電子油圧制御弁５に命令を送り、弁構造２０を介して圧力管１０を低圧コモンレール３４に接続させる。排気弁及びそれに関連する排気弁アクチュエータは大きな慣性を有する。このため、比例電子油圧制御弁５が接続を確立する際に圧力管１０がタンクに直接接続されるのであれば、排気弁の閉鎖は、圧力管１０中の圧力降下よりも大幅に遅い。弁構造２０は、圧力降下が過剰に急速にならないことを確実にする流れ制限部を備え、弁構造２０上流側での最小圧力を維持する。これによって、圧力管１０内の圧力が、過剰に急速かつ過剰に低圧まで降下することが回避される。それによって、圧力管１０中の気泡の発生が回避され、キャビテーションに発展することを防止することができる。

図３は、弁構造２０をより詳細に示す。本例示的実施形態では、弁構造は、筐体を貫通する貫通ボアを備えるハウジングを含む。弁構造２０は、貫通ボアの一方の端部における弁構造２０の入口ポートもしくは入口ポート付近に配置される固定流れ制限部２１を含む。弁構造２０の入口ポートは、ボア１１を介して比例電子油圧制御弁５に接続されることができる。

前記貫通ボアには、実質的に円筒状の本体を有する可動弁部材２２が、摺動可能に収容される。可動弁部材２２には、各端部に圧力面が設けられる。第１の圧力面は、入口ポートおよび流れ制限部２１に面する端面上に配置される。第１圧力室２３は、流れ制限部２１と第１の圧力面との間のボア内に形成される。

第２の圧力面は、第１の圧力面の反対側に配置される。第２の圧力面は、第２圧力室２５に面し、これもまた貫通ボア内に配置される。第２圧力室は、低圧コモンレール３４等の比較的低圧の圧力源に接続される。

貫通ボアの直径は、第２圧力室を形成する部分の直径よりも、第１圧力室を形成する部分の直径の方が大きい。したがって、第１の圧力面の有効表面は、第２圧力面の有効表面よりも大きい。可動弁部材２２には、第１および第２圧力室を接続するボア２６が設けられる。ボア２６の直径は比較的小さいため、２つの圧力室間の流れを絞る働きを有する。

出口ポート２７は、タンク３６に接続する。出口ポート２７は、可動弁部材２２の或る位置範囲において、可動弁部材２２によって閉鎖され、可動弁部材２２の別の位置範囲において開放される。可動弁部材２２が出口ポート２７を開放する位置範囲では、第１圧力室２３は、出口ポート２７に接続される。

図３における弁構造の状態を参照すると、可動弁部材２２は、可動弁部材２２がその下側位置範囲にある場合に、第１圧力室２３と出口ポート２７との間の接続を遮断し、可動弁部材２２がその上側位置範囲にある場合に、第１圧力室２３と出口ポート２７との間の接続を開放する。

大きい方の第１の有効圧力面は、出口ポート２７が第１圧力室２３に接続される位置範囲に向かって可動弁部材２２を付勢し、小さい方の第２の有効圧力面は、第１圧力室２３と出口ポート２７との間の接続が遮断する位置範囲に向かって可動弁部材２２を付勢する。

可動弁部材２２には、弁構造２０のハウジングのオーバーフローポートに接続する横ボア２８が設けられる。前記可動弁部材２２が上方（参照：図３の弁構造の向きにおける上方）に向かって大きく移動する際には、横ボア２８がオーバーフローポート２９と重なるようになる。したがって、第２圧力室２５は、タンク３４に接続され、これによって、可動弁部材２２は出口ポート２７を完全に開放して、第１圧力室が最高圧力に達している時に、第１の圧力室２３内を解放することができる。

制限部２１を通る、第１圧力室内への流入が無い場合、第１圧力室内の圧力は、第１第２各々の有効圧力面積に比例して、第２圧力室内の圧力よりも小さくなる。したがって、例えば第２圧力室内の圧力が２．２バールの時、第１圧力室内の圧力は１．５バールとなる。比例電子油圧制御弁５が、圧力管１０を弁構造２０に接続すると、制限部２１を通る第１圧力室内への流入が増加し、第１圧力室内の圧力が高くなる。この圧力は、可動弁部材２２を付勢し、可動弁部材２２を、第１圧力室２１と出口ポート２７とが接続されて油圧流体がタンクに排出される位置へと移動させるに十分な圧力となる。可動弁部材２２の位置は、２つの圧力室の圧力によって均衡が保たれる。

弁２２の位置は、（第１圧力室２３における第１の有効圧力面積）×（第１圧力室２３中の圧力）に対する（第２圧力室２５における第２の有効圧力面積）×（第２圧力室２５中の圧力）から定まる。排気弁が閉鎖している場合、第２圧力室２５中の圧力は約２バールである。この時、それに釣り合う第１圧力室２３内の圧力は１．５バールであり得る。第１圧力室２３と第２圧力室２５との間の圧力差は、オリフィス２６を通って第１圧力室２３内に入る流体の流れをもたらす。

第１圧力室２３中の圧力増加は可動弁部材２２を上方に移動させ、出口ポート２７を徐々に開放させていく。これは可動弁部材２２に作用する力の均衡をとる弁への圧力を再び制限する。

したがって、オリフィス２６を通る流れは、圧力室２３から出口ポート２７への流れと同じである。第１圧力室２３から出口ポート２７への開放面積は、第１圧力室２３と第２圧力室２５との間のｄＰ（圧力差）におけるオリフィス２６を通る流れである。したがって、可動弁部材２２は、「浮遊（ｆｌｏａｔ）」し、その位置を動作条件に適合させる。

流れ制限部２１と組み合わせたこの均衡によって、適切なフローレートが提供され、弁構造の上流で（すなわち、弁構造を排気弁作動システムにおいて使用する場合、圧力管において）過圧状態が維持される。これらは確実にフローレートを制御し、空気の侵入を防ぐ効果を発揮する。

弁構造２０は、大型２サイクルディーゼルエンジンの排気弁作動システムの一部として説明されている。しかしながら、逆流の制御および最小圧力の維持が厳しい環境において必要とされる他の状況においても弁構造２０を使用することができることを理解されたい。

排気弁作動システムは、大型２サイクルディーゼルエンジンの１つのシリンダについて説明されている。マルチシリンダエンジンでは、複数のシリンダで共用可能であるコモンレールを除き、このような排気弁作動システムをシリンダ毎（または、少なくとも排気弁毎）に設けなければならない。

本明細書から教示される事項には多くの利点がある。異なる実施形態または実装が、以下の利点のうちの１つ以上を提供しうる。これが、包括的なリストではなく、本明細書に説明されない他の利点も存在してもよいことに留意されたい。本明細書の教示の１つの利点は、制御された条件においてタンクへの逆流を実現する弁構造を提供することによって、気泡やキャビテーションの発生を回避することである。

本明細書から教示される別の利点は、弁座に接触する弁部材によって動作する従来の逆止弁が使用不可能である厳しい環境において、逆止弁の機能を果たすことのできる弁構造を提供することである。

本願の教示について例示目的のために詳細に説明したが、このような詳細が単にその目的のためのものであること、ならびに本願の教示の範囲から逸脱することなく、当業者がそこに変更を加えてもよいことを理解されたい。

用語の「備える」は、請求項において使用する際、他の要素またはステップを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数形を除外しない。単一のプロセッサまたは他のユニットは、請求項に列挙するいくつかの手段の機能を実行してもよい。

Claims (6)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに設けられる入口ポートと、
   前記ハウジングにおいて、前記入口ポート付近または前記入口ポートの下流に設けられる固定流れ制限部（２１）と、
   前記ハウジング内のボアに収容される、２つの対向した有効圧力面を備える浮遊弁部材（２２）と、
   前記ハウジングにおいて、前記固定流れ制限部と前記浮遊弁部材との間に設けられる第１の圧力室（２３）であって、前記固定流れ制限部（２１）を介して前記入口ポートからの流体を受容する第１圧力室（２３）と、
   前記ハウジングに設けられ、油圧源に接続される第２圧力室（２５）と、
   前記ハウジングに設けられる出口ポート（２７）であって、前記浮遊弁部材（２２）が或る位置範囲にある場合に該浮遊弁部材（２２）によって閉鎖され、また前記浮遊弁部材（２２）が別の位置範囲にある場合に開放される出口ポート（２７）と、
   前記浮遊弁部材（２２）内を貫くボアであって、前記第１圧力室（２３）と前記第２圧力室（２５）との間の流れを絞ることができるボア（２６）と、
   を備え、
   前記２つの有効圧力面のうちの一方は前記第１圧力室（２３）に面し、
   前記２つの有効圧力面のうちの他方は前記第２圧力室（２５）に面し、
   前記出口ポートが開放されると、前記第１圧力室（２３）が前記出口ポート（２７）に接続され、
   前記２つの有効圧力面のうちの前記一方は、前記第１圧力室（２３）が前記出口ポート（２７）に接続される位置範囲側に前記浮遊弁部材（２２）を付勢し、前記２つの有効圧力面のうちの前記他方は、前記第１圧力室（２３）が前記出口ポート（２７）に接続されない位置範囲側に前記浮遊弁部材（２２）を付勢する、
   弁構造。
2. 前記ハウジングに設けられるオーバーフローポート（２９）を更に備え、
   前記浮遊弁部材（２２）を貫く前記ボア（２６）には、前記浮遊弁部材（２２）が前記第１圧力室（２３）を前記出口ポート（２７）に接続する前記位置範囲に、前記浮遊弁部材（２２）が移動する際に、前記第２圧力室（２５）を前記オーバーフローポート（２９）に接続する横ボア（２８）が設けられる、請求項１に記載の弁構造。
3. 前記一方の有効圧力面は、前記他方の有効圧力面よりも大きい、請求項１に記載の弁構造。
4. 前記出口ポート（２７）は前記浮遊弁部材（２２）が収容されるボアに設けられる、請求項１から３のいずれかに記載の弁構造。
5. 排気弁の油圧制御のために、請求項１から４のいずれかに記載の弁構造を備える、排気弁作動システム。
6. 排気弁の油圧制御のために、請求項１から４のいずれかに記載の弁構造を備える、エンジン。

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