JP6589556B2 - 弁装置 - Google Patents
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Description
弁ハウジングは、通孔、通孔の内側開口の周囲に設けられ金属からなる弁座側シール面、及び、弁座側シール面の径外方向に設けられる弁座側衝突面を有する。
ニードルは、弁ハウジング内に往復移動可能に設けられ、弁座側シール面に当接可能な金属からなるニードル側シール面、及び、ニードル側シール面の径外方向に設けられ弁座側衝突面に当接可能なニードル側衝突面を有する。ニードルは、ニードル側シール面が弁座側シール面に当接すると弁ハウジングの内部と外部との間の流体の流れを規制し、ニードル側シール面が弁座側シール面から離間すると弁ハウジングの内部と外部との間の流体の流れを許容する。
本発明の弁装置では、ニードルは、通孔側に移動するときニードル側衝突面が弁座側衝突面に衝突したのちニードル側シール面が弁座側シール面に当接する。
本発明では、弁ハウジングは、複数の弁座側衝突面を有する。ニードルは、通孔側に移動するとき、ニードル側衝突面が複数の弁座側衝突面のうち最も通孔から離れている一の弁座側衝突面に衝突したのち通孔から離れている順に他の弁座側衝突面に衝突し、最後にニードル側シール面が弁座側シール面に当接する。
本発明の第一実施形態による「弁装置」としての燃料噴射弁1を図1〜3に示す。燃料噴射弁1は、図示しない直噴用エンジンが有する燃焼室に気体燃料を直接供給可能な弁装置である。燃料噴射弁1は、直噴用エンジンの燃焼室近傍の部材、例えば、シリンダヘッドなどに設けられる。燃料噴射弁1は、弁ハウジング10、ニードル20、可動コア25、固定コア26、コイル27、スプリング28などを備える。可動コア25、固定コア26、コイル27及びスプリング28は、特許請求の範囲に記載の「駆動部」に相当する。なお、図1〜3には、ニードル20が弁座部13から離間する方向である開弁方向、及び、ニードル20が弁座部13に当接する方向である閉弁方向を図示する。
筒部11は、略筒状に形成されている部材であって、内部にニードル20、可動コア25、固定コア26、コイル27及びスプリング28を収容する。
シール用弁座14は、噴孔140の内側の角部141に弁座側シール面142を有する。弁座側シール面142は、噴孔140の中心軸CA1に沿って噴孔140から離れるほど中心軸CA1から離れるよう傾斜している。弁座側シール面142は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側シール面142は、耐摩耗性が高くなっている。シール用弁座14は、ニードル20と当接可能である。
衝突用弁座15は、貫通孔150の内側の角部151に弁座側衝突面152を有する。弁座側衝突面152は、中心軸CA1に沿って噴孔140から離れるほど中心軸CA1から離れるよう傾斜している。弁座側衝突面152は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側衝突面152は、耐摩耗性が高くなっている。衝突用弁座15は、ニードル20が当接可能である。
燃料噴射弁1では、可動コア25と固定コア26とを通る磁気回路が形成されていないとき、図1に示すように、スプリング28の付勢力によってニードル側シール面211と弁座側シール面142とが当接している。
コイル27に電力が供給されていないとき、ニードル20は、スプリング28の付勢力及び弁ハウジング10内の気体燃料の圧力によって閉弁方向に付勢されているため、ニードル側衝突面212が弁座側衝突面152と当接する。このとき、弾性部材16は、ニードル20を介して衝突用弁座15に作用するスプリング28の付勢力及び弁ハウジング10内の気体燃料の圧力によって中心軸CA1方向に圧縮される。弾性部材16が圧縮されると、シール用弁座14と衝突用弁座15とが近づき、ニードル側シール面211が弁座側シール面142と当接することができる(図1参照)。これにより、内部空間100と外部とは遮断される。
閉弁方向に移動するニードル20は、ニードル側シール面211が弁座側シール面142に当接する前にニードル側衝突面212が弁座側衝突面152に衝突する(図3参照)。このとき、ニードル20と衝突用弁座15とに作用する衝撃の大きさは、ニードル20の耐衝撃荷重及び衝突用弁座15の耐衝撃荷重に比べ小さい。ここで、耐衝撃荷重とは、衝撃によって対象とする部材に作用する荷重であって衝撃を受ける当該部材の特性が変化しない程度の荷重を指す。
弁座部が弾性材料から形成される場合、ニードルとの衝突による摩耗や弁ハウジング内の気体燃料の圧力の変化などによってシール面積が拡大するおそれがある。シール面積が拡大するとニードルのリフト量が変化するため、気体燃料の噴射量が安定しない。一方、燃料噴射弁1のように、弁座側シール面142及びニードル側シール面211を金属から形成すると、ニードル20との衝突によっても摩耗しにくく、また、弁ハウジング10内の流体の圧力が比較的高くなる場合でも弁座側シール面142及びニードル側シール面211は変形しにくい。これにより、高圧から低圧まで流体の流れを制御するために用いてもニードル20のリフト量は変化しにくくなる。したがって、ニードル20のリフト量の変化によって流体の流量が不安定になることを防止できる。
そこで、燃料噴射弁1では、ニードル20が閉弁方向に移動するとき、ニードル側衝突面212と弁座側衝突面152とが衝突した後にニードル側シール面211と弁座側シール面142とが当接する。ニードル側衝突面212と弁座側衝突面152とが衝突すると、ニードル20の閉弁方向への移動速度が低下する。その後、ニードル側シール面211と弁座側シール面142とが当接することによって内部空間100と外部との間の流体の流れを確実に規制することができる。これにより、弁座部13の損傷を防止しつつ金属同士のシールにおいても確実にシールすることができる。
また、液体燃料の場合、当接しているシール面の間には液体の薄膜が存在するため、弁ハウジング内と外部との液密は比較的維持されやすいが、気体燃料の場合、当接しているシール面の間には気体の薄膜は存在できない。このため、燃料噴射弁1では、ニードル側シール面211と弁座側シール面142との間で気密が確保できるようスプリング28の付勢力を比較的大きくする必要がある。
さらに、液体燃料に比べエネルギー密度が低い気体燃料を噴射する場合、一度の開弁によって比較的多くの気体燃料を噴射するため、噴孔140の内径も大きくなる。このため、ニードル側シール面211及び弁座側シール面142の内径も大きくなる。ニードル側シール面211及び弁座側シール面142の内径が大きくなると、ニードル20の外径も大きくなるため、閉弁時のニードル20の運動エネルギーは比較的大きくなる。
次に、本発明の第二実施形態による弁装置を図4を参照して説明する。第二実施形態は、弁座部が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
燃料噴射弁2では、皿ばね17は金属から形成されているため、直噴用エンジンで発生する熱によって変性することはない。これにより、燃料噴射弁2は、気体燃料を燃焼室に直接供給することができる。
次に、本発明の第三実施形態による弁装置を図5〜7を参照して説明する。第三実施形態は、弁座部が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
コイル27に電力が供給されていないとき、図5に示すように、衝突用弁座15は、ニードル20を介して作用するスプリング28の付勢力及び弁ハウジング10内の気体燃料の圧力によって角部151がシール用弁座14側に押される。これにより、衝突用弁座15の角部151がシール用弁座14の近傍に位置するようスペーサ18が変形し、衝突用弁座15とシール用弁座14とが非平行な状態となる。このとき、ニードル側シール面211と弁座側シール面142とは当接し、かつ、ニードル側衝突面212と弁座側衝突面152とは当接している。
また、スペーサ18は、金属から形成されているため、耐熱性が比較的高い。したがって、燃料噴射弁3は、気体燃料を燃焼室に直接供給することができる。
次に、本発明の第四実施形態による弁装置を図8、9、10を参照して説明する。第四実施形態は、弁座部及びニードルが第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
弁座部19は、略円環状に形成されている金属部材である。弁座部19は、筒部11の他方の端部に筒部11の他方の開口を塞ぐよう設けられている。弁座部19は、「通孔」としての噴孔190を有する。弁座部19は、噴孔190の内側の角部191に弁座側シール面192、及び、弁座側シール面192の径方向外側に形成される弁座側衝突面193を有する。弁座側シール面192及び弁座側衝突面193は、噴孔190の中心軸CA4に沿って噴孔190から離れるほど中心軸CA4から離れるよう傾斜している。弁座側シール面192及び弁座側衝突面193は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側シール面192及び弁座側衝突面193は、耐摩耗性が高くなっている。弁座部19は、ニードル40と当接可能である。
コイル27に電力が供給されていないとき、ニードル40は、スプリング28の付勢力及び弁ハウジング30内の気体燃料の圧力によって閉弁方向に付勢されているため、ニードル側衝突面441が弁座側衝突面193と当接する。スプリング45の付勢力はスプリング28の付勢力に比べ小さいため、スプリング45は圧縮される。スプリング45が圧縮されると、ニードル側シール部41からニードル側衝突部44が離れるため、ニードル側シール面411が弁座側シール面192と当接することができる(図8参照)。これにより、内部空間100と外部との間の流体の流れを確実に規制することができる。
ニードル側衝突面441と弁座側衝突面193とが当接した後、ニードル40はさらに閉弁方向に移動するため、スプリング45が圧縮される。これにより、図8に示すように、ニードル側シール面411と弁座側シール面192とが当接する。ニードル側シール面411と弁座側シール面192とが当接すると、内部空間100と外部との気密が確保される。
また、スプリング45は、金属から形成されているため、耐熱性が比較的高い。したがって、燃料噴射弁4は、気体燃料を燃焼室に直接供給することができる。
次に、本発明の第五実施形態による弁装置を図11を参照して説明する。第五実施形態は、ニードルが第四実施形態と異なる。なお、第四実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
弾性部材46は、ニードル側衝突部44と大径軸部43との間に設けられている。弾性部材46は、一端が段差面431に当接している。他端は、ニードル側衝突部44のニードル側衝突面441が形成される側とは反対側の端面442に当接している。弾性部材46は、ニードル側シール部41に対するニードル側衝突部44の相対位置を変更可能なよう変形する。
次に、本発明の第六実施形態による弁装置を図12を参照して説明する。第六実施形態は、弁座部が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
シール用弁座51は、噴孔510の内側の角部511に弁座側シール面512を有する。弁座側シール面512は、噴孔510の中心軸CA6に沿って噴孔510から離れるほど中心軸CA6から離れるよう傾斜している。弁座側シール面512は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側シール面512は、耐摩耗性が高くなっている。シール用弁座51は、ニードル20が当接可能である。
衝突用第一弁座52は、貫通孔520の内側の角部521に「他の弁座側衝突面」としての弁座側第一衝突面522を有する。弁座側第一衝突面522は、中心軸CA6に沿って噴孔510から離れるほど中心軸CA6から離れるよう傾斜している。弁座側第一衝突面522は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側第一衝突面522は、耐摩耗性が高くなっている。衝突用第一弁座52は、ニードル20が当接可能である。
衝突用第二弁座54は、貫通孔540の内側の角部541に「一の弁座側衝突面」としての弁座側第二衝突面542を有する。弁座側第二衝突面542は、中心軸CA6に沿って噴孔510から離れるほど中心軸CA6から離れるよう傾斜している。弁座側第二衝突面542は、軟窒化処理が施されている。これにより、弁座側第二衝突面542は、耐摩耗性が高くなっている。衝突用第二弁座54は、ニードル20が当接可能である。
このように、燃料噴射弁6では、ニードル20と弁座部50とが二回衝突した後にニードル側シール面211と弁座側シール面512とが当接するため、ニードル側シール面211と弁座側シール面512との衝突における衝撃を緩和することができる。これにより、第六実施形態は、第一実施形態と同じ効果を奏する。
上述の実施形態では、「弁装置」は、気体燃料を噴射する燃料噴射弁であるとした。しかしながら、液体燃料を噴射する燃料噴射弁であってもよいし、燃料とは異なる気体又は液体の流れを制御する弁装置であってもよい。
10、30・・・弁ハウジング
140、190、510・・・噴孔(通孔)
142、192、512・・・弁座側シール面
152、193・・・弁座側衝突面
522・・・弁座側第一衝突面(弁座側衝突面)
542・・・弁座側第二衝突面(弁座側衝突面)
20、40・・・ニードル
211、411・・・ニードル側シール面
212、441・・・ニードル側衝突面
Claims (7)
- 通孔(510)、前記通孔の内側開口の周囲に設けられ金属からなる弁座側シール面(512)、及び、前記弁座側シール面の径外方向に設けられる弁座側衝突面(522、542)を有する弁ハウジング(10)と、
前記弁ハウジング内に往復移動可能に設けられ、前記弁座側シール面に当接可能な金属からなるニードル側シール面(211、411)及び前記ニードル側シール面の径外方向に設けられ前記弁座側衝突面に当接可能なニードル側衝突面(212、441)を有し、前記ニードル側シール面が前記弁座側シール面に当接すると前記弁ハウジングの内部(100)と外部との間の流体の流れを規制し、前記ニードル側シール面が前記弁座側シール面から離間すると前記弁ハウジングの内部と外部との間の流体の流れを許容するニードル(20)と、
前記ニードルを往復移動可能な駆動部(25、26、27、28)と、
を備え、
前記ニードルは、前記通孔側に移動するとき前記ニードル側衝突面が前記弁座側衝突面に衝突したのち前記ニードル側シール面が前記弁座側シール面に当接し、
前記弁ハウジングは、複数の前記弁座側衝突面(522、542)を有し、
前記ニードルは、前記通孔側に移動するとき、前記ニードル側衝突面が複数の前記弁座側衝突面のうち最も前記通孔から離れている一の弁座側衝突面(542)に衝突したのち前記通孔から離れている順に他の弁座側衝突面(522)に衝突し、最後に前記ニードル側シール面が前記弁座側シール面に当接する弁装置。 - 前記弁ハウジングは、前記弁座側シール面を有するシール用弁座(51)、前記シール用弁座に比べ前記通孔から離れた位置に設けられ前記弁座側衝突面を有する衝突用弁座(52、54)、及び、前記シール用弁座と前記衝突用弁座との間に設けられ前記弁座側シール面と前記弁座側衝突面との相対位置を変更可能な弁座側中間部材(17、53、55)を有する請求項1に記載の弁装置。
- 前記弁座側中間部材は、弾性部材(53、55)またはばね(17)である請求項2に記載の弁装置。
- 前記弁座側シール面、前記弁座側衝突面、前記ニードル側シール面、及び、前記ニードル側衝突面の少なくとも一つは、耐摩耗性が高い硬質の面である請求項1〜3のいずれか一項に記載の弁装置。
- 前記ニードル側シール面と前記弁座側シール面とが当接しているとき、前記ニードル側シール面と前記弁座側シール面との間のシール面圧は、前記ニードル側衝突面と前記弁座側衝突面との間の当接面圧に比べて大きい請求項1〜4のいずれか一項に記載の弁装置。
- 前記シール面圧は、前記弁ハウジング内の流体の圧力に比べ大きい請求項5に記載の弁装置。
- 内燃機関の燃焼室に気体燃料を直接噴射可能な請求項1〜6のいずれか一項に記載の弁装置。
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