JP6034761B2 - バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内で軸方向に摺動自在に支持されるロッドの変位によって流路を開閉するバルブ装置に関する。

従来のバルブ装置として、例えば、コモンレール内の高圧燃料を排出して減圧する電磁弁がある（特許文献１参照）。
この電磁弁は、ハウジング内で軸方向に摺動自在に支持されるロッドと、ロッドに軸方向の変位力を与えるアクチュエータと、ロッドの先端に設けられてロッドの変位力が付与される弁体と、弁体を収容するバルブ室と、バルブ室に開口し、弁体により開閉される第１ポートと、バルブ室に開口し、第１ポートが開放された際にバルブ室を介して第１ポートと連通する第２ポートとを備える。

ここで、弁体が第１ポートを開閉する際、バルブ室には第１ポートと第２ポートとの間の流体の流通の影響で流れが形成される。この流れはロッドに対して非対称に生じるため、ロッドにかかる圧力のバランスが崩れて、ロッドに径方向の力（横力と呼ぶ）が作用する。
このため、ロッドを摺動自在に支持する軸受部材の内周面に、ロッドの外周面が当接して、摺動抵抗が発生する。

この摺動抵抗は、電磁弁作動時の電流−コモンレール圧特性のヒステリシス等の原因となり、電磁弁による圧力制御を高精度に行う上での妨げとなる。

特開２００２−３１７７２６号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ハウジング内で軸方向に摺動自在に支持されるロッドの変位によって流路を開閉するバルブ装置において、ロッドに作用する横力を低減することを目的とする。

本発明のバルブ装置は、ハウジング内で軸方向に摺動自在に支持されるロッドと、ロッドに軸方向の変位力を与えるアクチュエータと、ロッドの先端にロッドと一体もしくは別体に設けられ、ロッドの変位力が付与される弁体と、弁体を収容するバルブ室と、バルブ室に開口し、弁体により開閉される第１ポートと、バルブ室に開口し、第１ポートが開放された際にバルブ室を介して第１ポートと連通する第２ポートと、ロッドとの間に摺動クリアランスを有して配され、ロッドを摺動自在に支持する軸受部材と、軸受部材の先端側で、ロッドとの間に摺動クリアランスよりも大きい所定のクリアランスを有してロッド外周に配される筒状部材とを備える。
また、ロッドの内、アクチュエータの動作により、筒状部材の内周から先端側に突き出たり、筒状部材の内周に戻ったりする部分、および、アクチュエータの動作にかかわらず、常時、筒状部材の内周から先端側に突き出ている部分は、軸受部材によって支持されるロッドの軸方向後端部よりも、外径が小さい。

これによれば、筒状部材の存在によって、バルブ室内の流れが直接ロッドに衝突しにくくなる。すなわち、筒状部材でロッドを覆うことによって、バルブ室内の流れに晒されるロッドの側面積を小さくすることが可能となり、結果として、ロッドに作用する横力を低減することができる。

コモンレール式燃料噴射装置の概略図である（実施例１）。 減圧弁（バルブ装置）の構成を示す断面図である（実施例１）。 減圧弁の要部拡大断面図である（実施例１）。 減圧弁作動時の電流−コモンレール圧力特性を示す図である（実施例１）。 減圧弁の要部拡大図である（従来例）。 減圧弁作動時の電流−コモンレール圧力特性を示す図である（従来例）。 減圧弁の断面図である（実施例２）。 減圧弁の断面図である（実施例２）。 減圧弁の断面図である（変形例）。 減圧弁の断面図である（変形例）。 減圧弁の断面図である（変形例）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
〔実施例１の構成〕
実施例１のバルブ装置１を、図１〜４を用いて説明する。
まず、本実施例のバルブ装置１が適用されるコモンレール式燃料噴射装置２について説明する。
コモンレール式燃料噴射装置２は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンＥと呼ぶ）の燃焼室に燃料を供給するために用いられるものである。

コモンレール式燃料噴射装置２は、高圧ポンプ３から吐出された燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール４、コモンレール４に蓄圧された燃料をエンジンの気筒内に噴射するインジェクタ５等を備える。

高圧ポンプ３は、コモンレール４の燃料がエンジンの状態に応じた目標圧力で蓄圧されるように、燃料タンク６の燃料を吸入して加圧し吐出するものである。

コモンレール４は、高圧ポンプ３の吐出口と高圧配管７を介して接続され、加圧された燃料の供給を受けて燃料を高圧状態で蓄圧するとともに、インジェクタ５と高圧配管８を介して接続され、燃料をインジェクタ５に供給する。すなわち、コモンレール４は、高圧の燃料を蓄圧する蓄圧容器として機能するとともに、高圧の燃料をインジェクタ５に分配する分配容器として機能する。

コモンレール４には、減圧弁を介してコモンレール４から燃料タンクへ燃料を戻す低圧配管９が接続されている。
減圧弁は、コモンレール内の圧力の減圧を行う電磁弁であって、本実施例のバルブ装置１である。以下、バルブ装置１を減圧弁１と呼ぶ。

次に、減圧弁１の構成を説明する。減圧弁１の断面図においては、図示右側を軸方向一端側もしくは後端側、図示左側を軸方向他端側もしくは先端側という。

減圧弁１は、ハウジング１１内で軸方向に摺動自在に支持されるロッド１２と、ロッド１２に軸方向の変位力を与えるアクチュエータ１３と、ロッド１２の先端に設けられ、ロッド１２の変位力が付与される弁体１４と、弁体１４を収容するバルブ室１５と、バルブ室１５に開口し、弁体１４により開閉される第１ポート１６と、バルブ室１５に開口し、第１ポート１６が開放された際にバルブ室１５を介して第１ポート１６と連通する第２ポート１７と、ロッド１２を摺動自在に支持する軸受部材１８とを備える。

ハウジング１１は、内部に貫通穴２１を有するスリーブ部２２と、スリーブ部２２の軸方向一端側で貫通穴２１に連通すると共に貫通穴２１よりも径大な貫通穴２３を有する径大筒部２４と、径大筒部２４の軸方向一端（後端）の開口を塞ぐカバー２５と、スリーブ部２２の軸方向他端（先端）に嵌め込まれるシート部材２６とを備える。

スリーブ部２２にはロッド１２が収容され、径大筒部２４には主にアクチュエータ１３が収容される。
スリーブ部２２はコモンレール４の端部に形成された凹部４ａに挿入され、螺子締結される。

シート部材２６は、スリーブ部２２とは別体であり、略円盤形状を呈している。そして、その中心部は、スリーブ部２２側に開口しており、スリーブ部２２の軸方向他端部とともに弁体１４を収容するバルブ室１５を形成している。
シート部材２６には、後に詳述する第１ポート１６が開口しており、第１ポート１６の開口縁には、弁体１４が着座する弁座２６ａが形成されている。

ロッド１２は、例えば、ステンレス鋼等の非磁性材料によって形成された円柱棒状のシャフトであり、スリーブ部２２に挿通されて、スリーブ部２２内に配される軸受部材１８によって軸方向に摺動自在に支持される。ロッド１２の先端部１２ａには、先端に向かうほど小径となるテーパ面１２ｂが形成されるとともに、ロッド１２の先端は軸方向に垂直な平面１２ｃが形成されている。

弁体１４は、例えば、ロッド１２の軸方向他端側に配置されたボール弁であり、ロッド１２の先端に形成された平面１２ｃ（ボール押圧面）により、軸方向他端側へ押し付けられて、弁座２６ａに着座するものである。なお、本実施例では、ロッド１２の先端に配置した弁体１４が第１ポート１６を開閉するものであるが、ロッド１２の先端に直接弁体を形成し、ロッド１２が直接、第１ポート１６を開閉する構成であってもよい。

バルブ室１５は、上述のように、シート部材２６とスリーブ部２２の軸方向他端部とで形成されており、内部には弁体１４及び弁体１４を押圧するロッド１２の先端部１２ａが収容される。
具体的には、後述する軸受部材１８によってロッド１２が支持されている位置よりも先端側で、弁体１４及びロッド１２の回りに流体が自由に流れることのできる空間をバルブ室１５と呼ぶ。

第１ポート１６は、シート部材２６にロッド１２と同軸に貫通して形成されている。第１ポート１６は、バルブ室１５とコモンレール４内とを連通する開口である。

第２ポート１７は、バルブ室１５を形成するスリーブ部２２の側壁に開口している。第２ポート１７は、バルブ室１５と低圧配管９との間を連通する開口である。
なお、本実施例では、凹部４ａの内周面と凹部４ａ内に挿入されたスリーブ部２２の外周面との間に空間２８が形成されており、この空間２８が低圧配管９に連通している。そこで、第２ポート１７はこの空間２８に連通するように設けられている。

軸受部材１８は、例えば、ステンレス鋼等の非磁性材料によって円筒状に形成されており、貫通穴２１内に例えば圧入固定されている。軸受部材１８は、ロッド１２を所定の摺動クリアランス３０を介して軸方向に摺動自在に支持する（図３参照）。

本実施例では、軸受部材１８は、ロッド１２の軸方向中央よりも先端側（軸方向他端側）に配される第１軸受１８Ａと、ロッド１２の軸方向中央よりも後端側（軸方向一端側）に配されてロッド１２の後端部１２ｄを支持する第２軸受１８Ｂとを有している。

アクチュエータ１３は、ロッド１２を介して弁体１４を駆動するものであり、電磁アクチュエータである。
アクチュエータ１３は、通電時に磁界を形成するソレノイドコイル３５と、ソレノイドコイル３５への通電により励磁されて軸方向一端側に磁気吸引されるアーマチャ３６と、アーマチャ３６の軸方向一端側に配されて、アーマチャと共に磁気回路を形成するアッパーステー３７と、アーマチャ３６を開弁方向（軸方向一端側）に付勢するスプリング３８とを備える。ソレノイドコイル３５、アーマチャ３６、及びアッパーステー３７は径大筒部２４の内周に収容される。

アーマチャ３６は、磁性部材（例えば、鉄などの強磁性材料）で形成されており、ロッド１２に固定されている。

アッパーステー３７は、磁性部材（例えば、鉄などの強磁性材料）で形成されており、軸方向他端側に開口する有底円筒状を呈しており、ソレノイドコイル３５内に配されている。アッパーステー３７の筒内周には、アーマチャ３６が配され、アーマチャ３６の軸方向一端面はアッパーステー３７の底部３７ａと軸方向に対向している。
なお、貫通穴２１と貫通穴２３の間に形成されるハウジング１１の段部１１ａは、アーマチャ３６の軸方向他端面に軸方向に対向しており、ソレノイドコイル３５、ハウジング１１、アーマチャ３６、アッパーステー３７によって磁気回路が形成される。

〔減圧弁の作動〕
この減圧弁１は、ノーマリオープンタイプであって、ソレノイドコイル３５に通電されていない状態では、スプリング３８によって、アーマチャ３６が開弁方向に付勢されている。このとき、弁体１４にはロッド１２からの押圧力を受けないので、弁体１４は弁座２６ａから離座しており、第１ポート１６が開放されている。そして、第１ポート１６から流入する燃料は、バルブ室１５、第２ポート１７を通って、低圧配管９へと流れる。これにより、コモンレール圧が低下する。

そして、ソレノイドコイル３５に通電されると、スプリング３８の付勢力に抗してアーマチャ３６が軸方向他端側へ吸引され、アーマチャ３６と共にロッド１２が軸方向他端側へ移動して、弁体１４がロッド１２に押圧されて、着座する。これにより、第１ポート１６が閉鎖されて、低圧配管９への燃料の流出が停止する。これにより、コモンレール圧が上昇する。

〔本実施例の特徴〕
減圧弁１は、軸受部材１８の先端側で、ロッド１２との間に摺動クリアランス３０よりも大きい所定のクリアランス４１を有してロッド１２外周に配される筒状部材４０を備える。

筒状部材４０は、例えば、ステンレス鋼等の非磁性材料によって筒状に形成されており、第１軸受１８Ａよりも軸方向他端側の貫通穴２１内に圧入固定されて、ロッド１２の周囲を囲う。
筒状部材４０は、バルブ室１５を形成する貫通穴２１の軸方向他端部内に装着されている。本実施例では、筒状部材４０の軸方向他端が第２ポート１７の開口の軸方向一端よりも軸方向他端側に位置しており、筒状部材４０の軸方向他端部は第２ポート１７の開口との干渉を防ぐ形状を呈している。例えば、軸方向他端部に径小にして、第２ポート１７の開口と筒状部材４０の外周との間に流路を形成できるようにしている。

筒状部材４０の内径は、軸受部材１８の内径よりも大きく、ロッド１２との間の径方向のクリアランス４１の大きさは、摺動クリアランス３０よりも大きい。すなわち、この筒状部材４０は、軸受部材１８としては機能しない。このため、筒状部材４０は、摺動性を考慮する必要がないため、摺動性に劣る高硬度材料を使用することもできる。高硬度材料を使用するなら、高流速且つ高温燃料に晒される環境下でも、耐久性を向上させることができる。

〔実施例１の効果１〕
本実施例では、筒状部材４０によって、第１軸受１８Ａよりも先端側のロッド１２の先端部１２ａが覆われる。また、ロッド１２の先端部１２ａには、先端に向かうほど小径となるテーパ面１２ｂが形成されるとともに、ロッド１２の先端は軸方向に垂直な平面１２ｃが形成されている。さらに、テーパ面１２ｂが形成される部分は、アクチュエータ１３の動作、および、筒状部材４０の内周に収まっているか否かの点で次の２つの部分に分かれる。すなわち、テーパ面１２ｂが形成される部分の内、軸方向他端側（先端側）の部分は、アクチュエータ１４の動作にかかわらず、常時、筒状部材４０の内周から先端側に突き出ている。また、この部分の軸方向一端側（後端側）の部分は、アクチュエータ１３の動作により、筒状部材４０の内周から先端側に突き出たり、筒状部材４０の内周に戻ったりする。そして、これら２つの部分は、ロッド１２の内、軸受部材１８によって支持される部分よりも、外径が小さい。そして、筒状部材４０は、第１ポート１６から第２ポート１７へ燃料が流れることによって生じるバルブ室１５内の流れからロッド１２の先端部１２ａを保護する保護壁の役割を果たす。

この筒状部材４０の存在によって、バルブ室１５内に形成される流れが直接ロッド１２に衝突しにくくなる。すなわち、筒状部材４０でロッド１２を覆うことによって、バルブ室内の流れに晒されるロッド１２の側面積を小さくすることが可能となり、結果として、ロッド１２に作用する横力を低減することができる。
なお、本実施例では、テーパ面１２ｂがバルブ室内の流れに晒されるが、テーパ面１２ｂであるため、受ける横力は小さく、摺動抵抗に影響を与える程のものではない。

なお、図５に示すように、従来の減圧弁１Ｊでは、筒状部材４０が設けられていないため、バルブ室１５内の流れに晒されるロッドの側面積が大きく、ロッド側面に横力が大きく作用してしまう。横力によりバランスが崩れると、ロッド１２が径方向のいずれかの方向に変位して、ロッド１２が軸受部材１８の内周面に当接してしまう（図５の二点鎖線参照）。この状態でソレノイドコイル３５に通電されると、摺動抵抗が大きい状態でロッド１２がアーマチャ３６と共に動くことになるため、同じ通電量でも、変位速度等が正常な場合とは変化してしまう。このため、図６に示すように、減圧弁作動時の電流−コモンレール圧特性のヒステリシスを生じてしまう。

本実施例では、筒状部材４０を設けることで、横力を低減できるため、バルブ室１５内の流れの影響で軸受部材１８とロッド１２との摺動抵抗が大きくなることはない。そのため、図４に示すように、減圧弁作動時の電流−コモンレール圧特性のヒステリシスを改善することができる。

〔実施例１の効果２〕
本実施例では、ロッド１２、軸受部材１８、筒状部材４０が非磁性材料である。
ソレノイドコイル３５への通電時にアーマチャ３６を吸引するための磁気回路が形成される際、ロッド１２、軸受部材１８、筒状部材４０を通過する磁気回路が形成されてしまうと、磁気吸引力が低下してしまう。そこで、ロッド１２、軸受部材１８、筒状部材４０を非磁性材料とするならば、ロッド１２、軸受部材１８、筒状部材４０を通過する磁気回路が形成されない。
なお、ロッド１２、軸受部材１８、筒状部材４０の全てが非磁性材料でなくてもよく、ロッド１２のみ非磁性材料であってもよい。また、軸受部材１８と筒状部材４０のみ非磁性材料であってもよい。

〔実施例２〕
実施例２の減圧弁１を、実施例１とは異なる点を中心に、図７、８を用いて説明する。
本実施例では、筒状部材４０は設けられておらず、ロッド１２のバルブ室１５に露出する部分の外径が、軸受部材１８によって支持されるロッド１２の後端部１２ｄの外径よりも小さい。すなわち、アクチュエータ１３の動作により、軸受部材１８の内周から先端側に突き出たり、軸受部材１８の内周に戻ったりする部分、および、アクチュエータ１３の動作にかかわらず、常時、軸受部材１８の内周から先端側に突き出ている部分は、後端部１２ｄよりも、外径が小さい。

なお、図７に示すロッド１２は、第１軸受１８Ａに支持される部分と第２軸受１８Ｂに支持される部分が同一の外径であり、バルブ室１５に露出する部分のみ細くされている。
また、図８に示すロッド１２は、第２軸受１８Ｂに支持される後端部１２ｄよりも先端側が全て、後端部１２ｄの外径よりも小さくなっている。
いずれの場合も、バルブ室１５内の流れに晒されるロッド１２の側面積を小さくすることができるので、ロッド１２に作用する横力を低減することができる。

〔変形例〕
実施例１では、軸受部材１８が、第１軸受１８Ａと第２軸受１８Ｂとを有してしたが、図９に示すように、軸受部材１８が１つ円筒部材からなっていてもよい。
また、図１０に示すように、軸受部材１８と筒状部材４０とがハウジング１１と一体に形成されていてもよい。

また、実施例１と実施例２とを組み合わせて、筒状部材４０を設けるとともに、ロッド１２のバルブ室１５に露出する部分の外径を細くしてもよい。

また、実施例では、減圧弁１はノーマリオープンタイプであったが、ノーマリクローズタイプであってもよい。
また、アクチュエータは、ソレノイドコイル３５を利用したものに限らず、例えば、ピエゾ素子を用いたピエゾアクチュエータであってもよい。

また、実施例では、減圧弁１に本発明を適用した例を示したが、これに限らず、ロッド１２が軸方向に摺動することによって開閉される構造の様々なバルブ装置に適用することができる。

１ 減圧弁（バルブ装置）
１１ ハウジング
１２ ロッド
１３ アクチュエータ
１４ 弁体
１５ バルブ室
１６ 第１ポート
１７ 第２ポート
１８ 軸受部材
４０ 筒状部材

Claims (4)

1. ハウジング（１１）内で軸方向に摺動自在に支持されるロッド（１２）と、
   前記ロッド（１２）に軸方向の変位力を与えるアクチュエータ（１３）と、
   前記ロッド（１２）の先端に前記ロッド（１２）と一体もしくは別体に設けられ、前記ロッド（１２）の変位力が付与される弁体（１４）と、
   前記弁体（１４）を収容するバルブ室（１５）と、
   前記バルブ室（１５）に開口し、前記弁体（１４）により開閉される第１ポート（１６）と、
   前記バルブ室（１５）に開口し、前記第１ポート（１６）が開放された際に前記バルブ室（１５）を介して前記第１ポート（１６）と連通する第２ポート（１７）と、
   前記ロッド（１２）との間に摺動クリアランスを有して配され、前記ロッド（１２）を摺動自在に支持する軸受部材（１８）と、
   前記軸受部材（１８）の先端側で、前記ロッド（１２）との間に前記摺動クリアランスよりも大きい所定のクリアランスを有して前記ロッド（１２）外周に配される筒状部材（４０）とを備え、
   前記ロッド（１２）の内、
   前記アクチュエータ（１３）の動作により、前記筒状部材（４０）の内周から先端側に突き出たり、前記筒状部材（４０）の内周に戻ったりする部分、
   および、前記アクチュエータ（１３）の動作にかかわらず、常時、前記筒状部材（４０）の内周から先端側に突き出ている部分は、
   前記軸受部材（１８）によって支持される前記ロッド（１２）の軸方向後端部（１２ｄ）よりも、外径が小さいことを特徴とするバルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置において、
   前記アクチュエータ（１３）は、前記ロッド（１２）に固定されるとともに、ソレノイドコイル（３５）への通電により励磁されて軸方向一端側に磁気吸引されるアーマチャ（６）を有する電磁アクチュエータであり、
   前記ロッド（１２）が非磁性材料であることを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項１または２に記載のバルブ装置において、
   前記アクチュエータ（１３）は、前記ロッド（１２）に固定されるとともに、ソレノイドコイル（３５）への通電により励磁されて軸方向一端側に磁気吸引されるアーマチャ（３６）を有する電磁アクチュエータであり、
   前記軸受部材（１８）及び前記筒状部材（４０）が非磁性材料であることを特徴とするバルブ装置。
4. ハウジング（１１）内で軸方向に摺動自在に支持されるロッド（１２）と、
   前記ロッド（１２）に軸方向の変位力を与えるアクチュエータ（１３）と、
   前記ロッド（１２）の先端に前記ロッド（１２）と一体もしくは別体に設けられ、前記ロッド（１２）の変位力が付与される弁体（１４）と、
   前記弁体（１４）を収容するバルブ室（１５）と、
   前記バルブ室（１５）に開口し、前記弁体（１４）により開閉される第１ポート（１６）と、
   前記バルブ室（１５）に開口し、前記第１ポート（１６）が開放された際に前記バルブ室（１５）を介して前記第１ポート（１６）と連通する第２ポート（１７）と、
   前記ロッド（１２）との間に摺動クリアランスを有して配され、前記ロッド（１２）を摺動自在に支持する軸受部材（１８）とを備え、
   前記ロッド（１２）の内、
   前記アクチュエータ（１３）の動作により、前記軸受部材（１８）の内周から先端側に突き出たり、前記軸受部材（１８）の内周に戻ったりする部分、
   および、前記アクチュエータ（１３）の動作にかかわらず、常時、前記軸受部材（１８）の内周から先端側に突き出ている部分は、
   前記軸受部材（１８）によって支持される前記ロッド（１２）の軸方向後端部（１２ｄ）よりも、外径が小さいことを特徴とするバルブ装置。

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