JP6356810B2 - 高圧下にある流体を調量するための弁 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、高圧下にある流体を調量するための弁に関するものであって、この場合、流動するまたは流れる媒体のための上位の概念である流体は、流体力学と一致しており、気体および液体のために用いられる。

内燃機関の燃焼室内に高圧下にある燃料を噴射するための公知の噴射弁（特許文献１）は、噴射弁の内部に燃料を供給するために用いられる吸入スリーブを有しており、この吸入スリーブは燃料供給管路の対応する接続ソケット内に挿入可能である。吸入スリーブに配置されたシール構造群によって、吸入スリーブは接続ソケットに対してシールされている。燃料供給管路は、一般的な形式で複数の接続ソケットを有しており、これらの接続ソケットを介して燃料が複数の噴射弁に分配される。シール構造群は、吸入スリーブに固定された中間リングまたは支持リングと、Ｏリングとして構成された２つのシールリングとを包括しており、これらのシールリングは、中間リングまたは支持リングの上側および下側で吸入スリーブに取り付けられている。中間リングまたは支持リングは、好適には吸入スリーブに射出成形されていて、その外周部と接続ソケットの内壁との間に半径方向ギャップが残存するように、寸法設計されている。一方のシールリングは中間リングまたは支持リングの下側に配置されていて、他方のシールリングは中間リングまたは支持リングの上側に配置されている。供給管路および接続ソケット内の燃料圧力によって、上側のシールリングは軸方向で中間リングまたは支持リングを押圧し、下側のシールリングは軸方向で支持ショルダを押圧する。この支持ショルダは、下側のシールリングの、中間リングまたは支持リングとは反対側で吸入スリーブに、プラスチック射出成形により形成されている。この場合、２つのシールリングは、半径方向で接続ソケットの内壁をシールする。

シール構造群に、Ｏリングとして構成された唯１つのシールリングを備え、支持リングをシールリングと支持ショルダとの間で吸入スリーブに配置することも、公知である。支持リングは、組み立て上の理由によりスリットが付けられていて、吸入スリーブを接続ソケット内に組み込む際に、支持リングの外側の環状面で以って接続ソケットのカップ壁に当て付けられる。これによって、支持リングの内側の環状面と吸入スリーブとの間に半径方向ギャップが発生する。

燃料圧力下で支持リングに押し付けられるシールリングは、一方では支持リングと吸入スリーブとの間、他方では支持リングと接続ソケットとの間の半径方向ギャップ内に長時間押し込まれ、それによって長期に亘って損傷を蒙り、シール機能が損なわれるかまたは全く失われることになる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０１０６１６８号明細書

請求項１の特徴を有する本発明による弁は、流体圧力で負荷されるシールリングを介して生ぜしめられる支持リングの弾性変形によって、噴射弁の作動開始と共に、吸入スリーブと支持リングと接続ソケットとの間のすべての半径方向ギャップが取り除かれており、従ってどのようなギャップ内へのシールリングの押し込み、およびそれに伴うシールリングの損傷も確実に排除され、ひいては、流体供給管路と噴射弁との間の流体シールの耐用年数は著しく高められる、という利点を有している。

その他の請求項に記載された手段によって、請求項１に記載した弁の好適な発展および改良が可能である。

本発明の好適な実施形態によれば、ギャップ閉鎖のために必要とされる支持リングの弾性変形が支持リングの構造的な形態によって生ぜしめられるようになっている。構造的な形態は、支持リングが、互いに平行な円錐台形の２つの端面並びに外側および内側の環状面を有しており、これらの環状面のうちの一方の環状面が円筒形に構成され、他方が円錐形に構成されていることで、環状面によって仕切られた円錐台形の２つの端面のうちの一方が他方よりも面積的に小さくなっており、支持リングは、面積の小さい方の円錐台形の端面が支持ショルダに向くように、シールリングと支持ショルダとの間で吸入スリーブ上に配置されていることによって、優れている。

このような構造的な形態によって、噴射弁の作動開始時およびそれに伴う流体供給管路内および接続ソケット内の流体圧力上昇時に、支持リングは、シールリングを介して支持リングの円筒形の環状面で以って接続ソケット若しくは吸入スリーブに沿って支持ショルダに向かって摺動せしめられ、この際に支持リングはその円錐形の環状面で以って吸入スリーブ若しくは接続ソケットに押し付けられるようになっている。

外側の環状面が円筒形で、内側の環状面が円錐形であれば、面積の大きい方の円錐台形の端面が、面積の小さい方の円錐台形の端面よりも小さい中央の円錐形開口を有することになるので、圧力負荷されない状態の支持リングは、面積の小さい方の端面の、大きい円錐形開口を取り囲む円錐形縁部で以って支持ショルダ上に載っており、圧力負荷時において支持リングは、軸方向で支持ショルダに当接し、かつ吸入スリーブに押し付けられ、シールリング近傍の支持リング領域では接続ソケットにそれぞれ半径方向でギャップなしに押し付けられるまで、支持リングの外側が接続ソケットに沿って支持ショルダに向かって下降する。

選択的に、内側の環状面が円筒形で、外側の環状面が円錐形であれば、面積の小さい方の円錐台形の端面が面積の大きい方の端面に対してより小さい外径を有することになるので、負荷されていない状態の支持リングはその面積の小さい方の円錐台形の端面の外側の縁部で以って支持ショルダ上に載り、流体圧力の上昇につれて、支持リングは、軸方向で支持ショルダに当接し、かつ接続ソケットに押し付けられ、シールリング近傍の支持リング領域では吸入スリーブにそれぞれ半径方向でギャップなしに押し付けられるまで、支持リングの内側が吸入スリーブに沿って支持ショルダに向かって下降する。

本発明の好適な実施形態によれば、支持リングのこのような構造的形態において、内側の環状面と吸入スリーブとの間、または外側の環状面と接続ソケットとの間に、接続ソケット内への吸入スリーブの組み立てを容易にする小さい半径方向ギャップが得られるように、寸法設計が選り抜かれている。

本発明の別の実施形態によれば、支持リングは、従来形式に従って、リング軸線に対して直角に延在する２つの環状の端面と、内側および外側の周回している環状面とを有しており、これらの内側および外側の周回している環状面が互いに平行に延在していて前記２つの端面を仕切っている。支持リングに必要とされる前記変形は、支持リングがＦＫＭエラストマーより製造されていることによる、材料選択によって生ぜしめられる。支持リング上に載っているシールリングを介して得られる、増大する流体圧力によって生ぜしめられる軸方向の力の導入は、支持リングの弾性変形を生ぜしめ、半径方向力への力の変換により支持リングを吸入スリーブおよび接続ソケットにギャップなしに当接させる。

本発明の好適な実施形態によれば、シールリングに面した、支持リングの端面が、圧力負荷されていない状態のシールリングの輪郭に適合された環状の凹部を有している。これによって、低い流体圧力において既に、シールリングと支持リングとが形状締結式に接触せしめられ、支持リングの弾性変形のために支持リングへの力の導入を生ぜしめる。

流体を調量するための、流体供給管路に接続された弁の部分的に断面した側面図である。 無圧状態の流体供給管路における、図１の部分Ａの拡大図である。 圧力下にある流体供給管路における、図２と同じ図である。 無圧状態の流体供給管路における、図２に示した支持リングの変化実施例を有する、図１の部分Ａの拡大図である。 圧力下にある流体供給管路における、図４と同じ図である。 無圧状態の流体供給管路における、第２実施例による支持リングを有する、図１の部分Ａの拡大図である。 圧力下にある流体供給管路における、図６と同じ図である。 無圧状態の流体供給管路における、図６に示した第２実施例による支持リングの変化実施例を有する、図１の部分Ａの拡大図である。 圧力下にある流体供給管路における、図８と同じ図である。 図２に示した第１実施例による支持リングの、図２の矢印Ｘ方向で下方から見た斜視図である。 図６に示した第２実施例による支持リングの、図６の矢印ＸＩ方向で上方から見た斜視図である。 無圧状態の流体供給管路における支持リングの第３実施例を有する、図１の部分Ａの拡大図である。 圧力下にある流体供給管路における、図１２と同じ図である。

本発明を図面に示した実施例を用いて以下に詳しく説明する。

図１に側面図で示した、高圧下にある流体を調量するための弁１０は、好適には燃料を内燃機関の吸気通路または燃焼室内に噴射するための噴射弁として使用される。しかしながらこの弁１０は、窒素酸化物を減少させるために、内燃機関の排ガス管路内に流体の還元剤を調量噴射するための調量弁として使用されてもよい。弁１０は弁ハウジング１１を有しており、この弁ハウジング１１はその調量側の端部が、調量開口１２を有する弁座体１３によって閉鎖されている。流体を供給するために、弁ハウジング１１の他方の吸入側の端部内に吸入スリーブ１４が装着されており、この吸入スリーブ１４を介して流体が弁内部を通って、公知の形式で弁部材１５によって制御される調量開口１２に達する。吸入スリーブ１４は、半径方向の支持ショルダ１６を備えていて、弁１０を流体供給管路１７に接続するために、この流体供給管路１７に形成された接続ソケット１８内に挿入可能である。吸入スリーブ１４にはシール構造群２０が配置されており、このシール構造群２０は、弾性的に変形可能なシールリング２１とプラスチック製の支持リング２２とを有している。支持リング２２は、シールリング２１と支持ショルダ１６との間で吸入スリーブ１４上に摺動可能に設置されている。高圧下にある流体供給管路１７において、シール構造群２０は軸方向で支持ショルダ１６に押し付けられていて、半径方向で吸入スリーブ１４および接続ソケット１８をシールしている。

製造公差および組み立て条件の規定に基づいて、弁１０を流体供給管路１７に組み立てた後で、一方では支持リング２２と、他方では吸入スリーブ１４および／または接続ソケット１８との間に、半径方向ギャップが残存する。この半径方向ギャップに基づいて、シールリング２１の高圧負荷時に、シールリング材料が半径方向ギャップ内に長時間押し込まれ、それによって、シールリング２１は長時間にわたって損傷を蒙り、シール構造群２０は長時間その機能性を失う。

このような半径方向ギャップを避けるために、支持リング２２は、弾性的に変形可能なプラスチック材料より製造されており、従って、支持リング２２は、シールリング２１に作用する流体圧力を受けて、半径方向でギャップなしに吸入スリーブ１４および接続ソケット１８に当接するように弾性変形する性質がある。この場合、支持リング２２に必要とされる弾性変形は、流体圧力に合わせて、支持リング２２の構造的な形態または材料選択によってもたらされる。

図２および図３に示した支持リング２２の第１実施例では、支持リング２２の構造的な形態、つまりギャップなしに当接させるための支持リング２２の形状付与および配向は、流体圧力下で得られる支持リング２２の変形に関係している。支持リング２２は、互いに平行な円錐台形の２つの端面２３，２４、並びに外側の環状面２５および内側の環状面２６を有しており、これらの環状面のうちの一方の環状面が円筒形に構成されていて、他方の環状面が円錐形に構成されている。円錐形の形状は、環状面２５，２６によって画成された２つの端面２３，２４のうちの一方が他方よりも面積が小さくなるように定められている。支持リング２２は、面積の小さい方の円錐台形の端面２４が支持ショルダ１６に向けられるように、吸入スリーブ１４上に配置されている。各円錐台形の端面２３，２４は、１３５°〜１８０°の角度範囲内の鈍角の円錐角度α、例えば１４０°を有している。各円錐形の環状面２５若しくは２６は、０°〜４５°の角度範囲内の鋭角の円錐角度β、例えば２０°を有している。

図２、図３に示した支持リング２２の第１実施例、および図４、図５に示した支持リング２２の変化実施例では、外側の環状面２５は円筒形であり、内側の環状面２６は円錐形であって、面積の大きい方の円錐台形の端面２３が、面積の小さい方の円錐台形の端面２４よりも小さい中央の円錐形開口２３１を有するように延在している。図２および図３の実施例では、面積の大きい方の端面２３における小さい円錐形開口２３１の内法直径は、吸入スリーブ１４の外径と同じであり、支持リング２２の外径は、接続ソケット１８の内法直径よりもやや小さくなるように寸法設計されており、従って、支持リング２２と接続ソケット１８の内壁との間に小さい半径方向ギャップ２７が形成され、この半径方向ギャップ２７により、接続ソケット１８内への、シール構造群２０を備えた吸入スリーブ１４の差し込みが軽減される。図４および図５による変化実施例の支持リング２２では、同じ目的のために、支持リング２２の外径は接続ソケット１８の内法直径と同じであり、面積の大きい方の端面２３における小さい円錐形開口２３１の内法直径は、吸入スリーブ１４の外径よりもやや大きくなるように寸法設計されているので、吸入スリーブ１４と支持リング２２との間に小さい半径方向ギャップ２８が得られる。

図２、図３による実施例、および図４、図５による変化実施例においては、組み立て後および無圧状態の流体供給管路１７において、支持リング２２は、面積の小さい方の端面２４内の大きい円錐形開口２４１の縁部で以って支持ショルダ１６上に載っている。外側の環状面２５は、接続ソケット１８の内壁に沿って延在している（図２および図４）。圧力下にある流体供給管路１７において、支持リング２２は外側が支持ショルダ１６に向かって下降し、その際に接続ソケット１８に環状に押し付けられ、吸入スリーブ１４が最終的に完全に軸方向で支持ショルダ１６上に載る（図３および図５）まで、吸入スリーブ１４に次第に強く押し付けられる。この際に生じる支持リング２２の変形により、吸入スリーブ１４におけるギャップのない半径方向の当接が得られ、また、シールリング２１に面した支持リング２２の領域内に、接続ソケット１８におけるギャップのない半径方向の当接が得られる。

図６および図７に示した支持リング２２の第２実施例においても、また図８および図９に示した変更された第２実施例においても、支持リング２２の内側の環状面２６は円筒形であり、外側の環状面２５は円錐形であり、つまり、面積の大きい方の端面２３に対して面積の小さい方の端面２４は、より小さい外径を有するようになっている。図６および図７の実施例では、支持リング２２の内法直径は吸入スリーブ１４の外径と同じであり、面積の大きい方の端面２３の外径は接続ソケット１８の内法直径よりもやや小さくなるように寸法設計されている。これに対して、図８および図９に示した変更された実施例では、面積の大きい方の端面２３の外径は接続ソケット１８の内法直径と同じであり、支持リング２２の内法直径は吸入スリーブ１４の外径よりもやや大きくなるように寸法設計されている。このような形式で、図６の実施例における無圧状態の流体供給管路１７では、支持リング２２と接続ソケット１８との間に半径方向ギャップ２７が存在し、図８の実施例では、支持リング２２と吸入スリーブ１４との間に半径方向ギャップ２８が存在し、この半径方向ギャップ２８は、それぞれ接続ソケット１８内への弁１０の組み立てを軽減するために用いられる。

弁１０を流体供給管路１７に組み立てた後で、無負荷状態の支持リング２２は直径の小さい方の端面２４の外側縁部で以って支持ショルダ１６上に載る（図６および図８）。流体供給管路１７内の圧力が増大すると、支持リング２２は、吸入スリーブ１４に沿って支持ショルダ１６に向かって下降して、支持リング２２の面積の小さい方の端面２４で支持ショルダ１６上に載って接続ソケット１８に、またシールリング２１に面した支持リング２２の領域内では吸入スリーブ１４に、それぞれ半径方向でギャップなしに押し付けられる（図７および図９）まで、変形しながら、その外側の環状面２５で次第に強く接続ソケット１８に押し付けられる。

図２〜図５にそれぞれ無圧状態および圧力負荷された状態で示された、第１実施例および変更された第１実施例による支持リング２２は、図１０に、図２の矢印Ｘに従って下方から見た斜視図で示されている。図６〜図９にそれぞれ無圧状態および圧力負荷された状態で示された、第２実施例および変更された第２実施例による支持リング２２は、図１１に、図６の矢印ＸＩ方向で上方から見た斜視図で示されている。支持リング２２の軸方向長さは、２つの実施例において、半径方向のリング幅の概ね０．１〜１倍、若しくは吸入スリーブ１４と接続ソケット１８との間の半径方向間隔に相当するように、寸法設計されている。

図１２および図１３において、シール構造群２０内に装着された、第３実施例による支持リング２２は、従来形式においてリング軸線に対して直角に延在する２つの環状の端面３０，３１と、外側および内側の環状面３２，３３とを有しており、これらの環状面３２，３３は、互いに平行に延在していて、２つの環状の端面３０，３２を内側および外側で仕切っている。半径方向のリング幅は、吸入スリーブ１４と接続ソケット１８との間の半径方向間隔よりもやや小さくなるように寸法設計されているのが好ましい。このために、図１２に示した実施例では、支持リング２２の内法直径は、吸入スリーブ１４の外径よりもやや大きくなるように寸法設計されているので、吸入スリーブ１４において、支持リング２２に対する半径方向ギャップ３５が得られる。一方では支持リング２２と、他方では吸入スリーブ１４および／または接続ソケット１８との間の半径方向ギャップを閉鎖するために必要とされる支持リング２２の変形は、ここでは支持リング２２の材料選択によってもたらされる。支持リング２２がＦＫＭエラストマーより製造されている場合、圧力下にある流体管路において、シールリング２１を介して支持リング２２内に導入された押圧力は支持リング２２内で半径方向力に変換され、この半径方向力が、半径方向ギャップの確実な閉鎖を得るために支持リング２２を半径方向で十分に変形させるようになっている（図１３）。好適には、シールリング２１に面した、支持リング２２の端面３０に、圧力で負荷されていない状態のシールリング２１の輪郭に適合された環状の凹部３４が形成されている。この凹部３４によって、低い圧力で既にシールリング２１は支持リング２２と形状締結式に接触するようになり、それによって既に、シールリング２１を介して支持リング２２内に導入された軸方向の押圧力が、半径方向へ生ぜしめられる押圧力に転換され始める。

１０ 弁
１１ 弁ハウジング
１２ 調量開口
１３ 弁座体
１４ 吸入スリーブ
１５ 弁部材
１６ 支持ショルダ
１７ 流体供給管路
１８ 接続ソケット
２０ シール構造群
２１ シールリング
２２ 支持リング
２３ 面積の大きい方の端面
２４ 面積の小さい方の端面
２５ 外側の環状面
２６ 内側の環状面
２７ 半径方向ギャップ
２８ 半径方向ギャップ
３４ 環状の凹部
３５ 半径方向ギャップ
２３１ 小さい円錐形開口
２４１ 大きい円錐形開口

Claims (10)

1. 高圧下にある流体を調量するための弁であって、流体供給管路（１７）の接続ソケット（１８）内に挿入可能な吸入スリーブ（１４）と、該吸入スリーブ（１４）上に配置された、弾性的に変形可能なシールリング（２１）およびプラスチック製の支持リング（２２）を備えたシール構造群（２０）とを有しており、該シール構造群（２０）が、前記吸入スリーブ（１４）に設けられた半径方向の支持ショルダ（１６）に支えられていて、前記接続ソケット（１８）をシールする形式のものにおいて、
   前記シールリング（２１）と前記支持ショルダ（１６）との間に配置された前記支持リング（２２）が、弾性的に変形可能なプラスチック材料より成り、該支持リング（２２）が、前記シールリング（２１）に作用する流体圧力を受けて、前記吸入スリーブ（１４）および前記接続ソケット（１８）にギャップなしで半径方向に当接せしめられる弾性変形する性質をもち、
   前記支持リング（２２）に必要とされる弾性変形が、前記支持リングの構造的形態によって生ぜしめられ、
   圧力が負荷されていない時に、前記支持リング（２２）が、互いに平行な円錐形の２つの端面（２３，２４）並びに外側および内側の環状面（２５，２６）を有しており、これらの環状面（２５，２６）のうちの一方の環状面が円筒形に構成され、他方が円錐形に構成されていることで、前記環状面（２５，２６）によって仕切られた円錐形の前記２つの端面（２３，２４）のうちの一方が他方よりも面積的に小さくなっており、前記支持リング（２２）は、面積の小さい方の円錐形の前記端面（２４）が前記支持ショルダ（１６）に向くように、前記吸入スリーブ（１４）上に配置されていることを特徴とする、高圧下にある流体を調量するための弁。
2. 各円錐形の端面（２３，２４）が、前記支持リング（２２）の中心軸を含む断面において、１３５°〜１８０°の間の角度範囲内にある鈍角をなすことを特徴とする、請求項１記載の弁。
3. 前記各円錐形の環状面（２６若しくは２５）が、前記支持リング（２２）の中心軸を含む断面において、０°〜４５°の間の角度範囲内の鋭角をなすことを特徴とする、請求項１または２記載の弁。
4. 外側の前記環状面（２５）が円筒形であって、内側の前記環状面（２６）は、面積の大きい方の円錐形の端面（２３）が面積の小さい方の円錐形の端面（２４）よりも小さい中央の円錐形開口（２３１）を有するように、円錐形に延在していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
5. 前記小さい円錐形開口（２３１）の内法直径が前記吸入スリーブ（１４）の外径と同じであり、前記支持リング（２２）の外径が、前記接続ソケット（１８）に対して半径方向ギャップ（２７）を形成するために、前記接続ソケット（１８）の内法直径よりもやや小さく寸法設計されていることを特徴とする、請求項４記載の弁。
6. 前記支持リング（２２）の外径が前記接続ソケット（１８）の直径と同じであり、前記小さい円錐形開口（２３１）の内法直径が、前記吸入スリーブ（１４）に対して半径方向ギャップ（２８）を形成するために、前記吸入スリーブ（１４）の外径よりもやや大きく寸法設計されていることを特徴とする、請求項４記載の弁。
7. 前記内側の環状面（２６）が円筒形であって、前記外側の環状面（２５）は、面積の小さい方の前記円錐形の端面（２４）が面積の大きい方の前記円錐形の端面（２３）と比較して、より小さい外径を有するように、円錐形に延在していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁。
8. 前記支持リング（２２）の内法直径が前記吸入スリーブ（１４）の外径と同じであり、面積の大きい方の前記円錐形の端面（２３）の外径が、前記接続ソケット（１８）に対して半径方向ギャップ（２７）を形成するために、前記接続ソケット（１８）の内法直径よりもやや小さく寸法設計されていることを特徴とする、請求項７記載の弁。
9. 面積の大きい方の前記円錐形の端面（２３）の外径が前記接続ソケット（１８）の内法直径と同じであり、前記支持リング（２２）の内法直径が、前記吸入スリーブ（１４）に対して半径方向ギャップ（２８）を形成するために、前記吸入スリーブ（１４）の外径よりもやや大きく寸法設計されていることを特徴とする、請求項７記載の弁。
10. 前記支持リング（２２）の軸方向長さが、半径方向の最大リング幅の０．５倍ないし１倍に等しく寸法設計されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の弁。

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