JP7322820B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、ニードル弁を備える弁装置に関する。

例えば、内燃機関においてコモンレールに燃料を供給するサプライポンプの吐出量などの性能検査を行うベンチ設備にあっては、サプライポンプからの燃料を、ニードル弁を用いたコントロールバルブを介してコモンレールに供給することが行われる。この場合、コントロールバルブにおいては、ニードル弁の押え力をパルスモータの移動量で制御することにより、燃料の供給圧力を、一定例えば２５０ＭＰａに制御している。この種のニードル弁を備える弁装置は、例えば特許文献１などで知られている。

図４は、この種のニードル弁を用いた弁装置１の従来構成を示している。即ち、ボディ２には燃料流路３が設けられており、ボディ２の先端部には、燃料流路３に連続して、テーパ状のシート面４を介して径小な燃料出口部５が設けられている。図４では便宜上、ボディ２のハッチングを省略している。燃料出口部５は、先端側により径小となったオリフィス部５ａを有している。一方、燃料流路３内には、ニードル弁６が進退移動可能に設けられている。このニードル弁６は、棒状をなす軸部の先端に円錐状のテーパ面部６ａを有している。また、ニードル弁６には、燃料を戻すためのリターン穴７が形成されている。尚、ニードル弁６の軸部は、円の外周部の３箇所が部分的に円弧状にカットされた断面形状をなしている。

図示はしないが、ニードル弁６は、図示しないコイルばねのばね力により先端側に付勢され、通常時にはテーパ面部６ａがシート面４に密着して燃料出口部５を塞ぐ閉塞位置にある。そして、モータやソレノイド等を駆動源とした駆動機構により、ニードル弁６が後方の開放位置に移動されることにより、テーパ面部６ａがシート面４から離間し、燃料出口部５を開放させるようになっている。

特開２００５－２０７２９９号公報

上記構成の弁装置１にあっては、ニードル弁６が開放位置から閉塞位置に移動する際に、テーパ面部６ａの途中部が、シート面４の外周縁部つまり、燃料流路３との境界部に衝突し、その衝突が繰り返されることによって、テーパ面部６ａに着座摩耗が発生する虞がある。特に、上記のようにサプライポンプの性能検査に用いる場合には、燃料の吐出圧力が従来の２００ＭＰａから２５０ＭＰａに高圧化される事情があり、この高圧化に伴いコイルばねのばね力が増大し、衝突時の衝撃力も大きくなってニードル弁６の寿命が短くなる不具合があった。

また、上記した高圧化に伴い、ニードル弁６の着座摩耗の問題だけでなく、開弁時の燃料の流速の増大に伴いシート面４におけるエロージョン磨耗の問題も生じていた。上記特許文献１では、ニードル弁の先端部の表面に、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）のコーティングを施すことにより、摩擦抵抗を低減することが考えられている。しかしながら、シート面４に対するニードル弁６の衝突時の衝撃力自体を抑制するものではないため、着座摩耗の防止にさほど効果的であるとは言えなかった。また、シート面４のエロージョン摩耗に関しては抑制することはできなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ニードル弁を備えたものにあって、ニードル弁の着座摩耗及びシート面のエロージョン摩耗の双方を抑制することができる弁装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の弁装置（１１）は、流体流路（１４）を備えるボディ（１２）と、前記ボディの先端部に別体に設けられ、前記流体流路に連続し先端側に行くほど径小となるテーパ面状をなすシート面（１５）と、そのシート面の先端に連続する径小な流体出口部（１６）とを有する先端ノズル部（１３）と、前記流体流路内に位置して設けられ、先細り状の棒状をなし、前記シート面に接触して前記流体出口部を閉塞する閉塞位置と、該シート面から離間する開放位置との間で進退するニードル弁（１８）とを備えると共に、前記ニードル弁の先端には、閉塞位置で前記シート面に接触するセラミック製のボール（２０）が設けられており、前記シート面の表面には、高硬度材料がコーティングされたコーティング層（１５）が形成されている。

これによれば、ニードル弁の開放位置では、ニードル弁の先端がシート面から離間して流体出口部を開放させ、流体流路内に加圧状で供給されている高圧の液体が流体出口部から吐出される。ニードル弁の閉塞位置では、ニードル弁の先端のボールが、テーパ面状のシート面に接触することにより、流体出口部が閉塞状態とされる。このとき、ニードル弁が開放位置から閉塞位置に移動する際には、ボールの外周の球面とテーパ状のシート面との衝突となるので、ニードル弁の円錐状面がシート面の外周縁のコーナー部に衝突する場合と比べて、衝突力を小さく済ませることができる。

しかもその際、ボールがセラミック製であると共に、シート面の表面には高硬度材料からなるコーティング層が設けられているので、双方の硬度が高くどちらも傷付きに対して強いものとすることができる。この結果、ニードル弁の先端部の着座摩耗を抑制することができる。これと共に、シート面の表面に高硬度のコーティング層が設けられていることにより、シート面のエロージョン摩耗を抑制することができる。この結果、ニードル弁を備えたものにあって、供給される流体が高圧である場合でも、ニードル弁の着座摩耗及びシート面のエロージョン摩耗の双方を効果的に抑制することが可能となる。

尚、セラミック製のボールの材質としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等各種の材料を採用することができる。このとき、セラミック製のボールは、ニードル弁の先端に固定的に取付けられていても良いし、回転可能且つ抜止め状態に保持されていても良い。また、コーティング層の材質としては、例えば、窒化クロム（ＣｒＮ）や窒化チタン（ＴｉＮ）、ＤＬＣ等を採用することができる。コーティングの方法としては、一般的なアーク方式のＰＶＤ法を採用することができる。このとき、ボディに対し、先端ノズル部が一体でなく別体に設けられているので、コーティング層の形成を容易に行うことができる。

一実施形態を示すもので、弁装置の先端部の断面図 各部の寸法関係を示す図 図１のＩ－Ｉ線に沿う断面図 従来例を示す弁装置の先端部の断面図

以下、本発明を、サプライポンプの性能検査を行うベンチ設備のコントロールバルブに適用した一実施形態について、図１から図３を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る弁装置１１の先端部の構成を示している。この弁装置１１のボディ１２は、前後方向即ち図１で左右方向にやや長く構成され、ボディ１２の図で左側に位置する先端部には、別体の先端ノズル部１３が取付けられている。図１では、便宜上、ボディ１２及び先端ノズル部１３部のハッチングを省略している。尚、以下の説明では、弁装置１１の図１で左側を前方である先端側、右側を後方である基端側と称する。

前記ボディ１２には、前後方向即ち図１で左右方向に延びる流体流路１４が設けられている。図２、図３にも示すように、この流体流路１４は、断面円形に形成され、先端開口部側に径大部１４ａが設けられている。図示はしないが、前記流体流路１４の基端部には、サプライポンプが配管を介して接続され、燃料が加圧状態で供給されるようになっている。前記ボディ１２及び先端ノズル部１３は、共に例えばＳＵＪ２からなる高炭素クロム軸受鋼鋼材から構成され、先端ノズル部１３は、ボディ１２の先端面に対し、例えばボルト締め、ねじ込みなどの適宜の方法で固着される。

前記先端ノズル部１３は、先端側にやや縮径する円筒状に構成され、その基端側の面の中央部には、前記流体流路１４の先端に連続し、先端側に行くほど径小となるテーパ面状をなすシート面１５が設けられている。先端ノズル部１３の中央部には、前記シート面１５の先端から連続して延び、先端面で開口する径小な流体出口部１６が設けられている。図２にも示すように、この流体出口部１６は、先端側により径小なオリフィス部１６ａが設けられている。このとき、詳しくは後述するように、前記シート面１５の表面全体つまり図２に太線で示す部分には、コーティング層１７が設けられている。

そして、前記ボディ１２の流体流路１４内には、前記流体出口部１６を開閉するためのニードル弁１８が前後方向に移動可能に配置される。図２にも示すように、ニードル弁１８は、前後方向に延びる棒状をなす軸部１９の先端部に、先細りの円錐面状をなすテーパ面部１８ａを一体に有すると共に、その先端に、前記シート面１５に接離する後述するセラミック製のボール２０を取付けて構成される。尚、ニードル弁１８は、例えばＳＫＨ５１からなる高速度工具鋼から構成されている。

図３にも示すように、前記軸部１９は、前記流体流路１４の内周面を摺動するような断面ほぼ円形に構成されていると共に、その外周には、円周方向に沿う複数箇所この場合均等な３箇所に位置して、高さの小さい円弧状カット部１９ａが設けられている。従って、流体流路１４における実際の燃料の流路は、流体流路１４の内周面と、軸部１９の円弧状カット部１９ａとの間の隙間部分となる。また本実施形態のニードル弁１８では、従来設けられていた流体を戻すためのリターン穴の形成が省略されている。

このニードル弁１８は、通常時には、図示しないコイルばねのばね力により先端側に付勢され、図１に示すように、前記ボール２０が前記シート面１５に接触することにより、流体出口部１６を塞いでいる。このニードル弁１８の位置が閉塞位置となる。そして、モータやソレノイド等を駆動源とした駆動機構により、ニードル弁１８が後方の開放位置に移動されることにより、図２に示すように、ボール２０がシート面１５から離間し、流体出口部１６を開放させるようになっている。本実施形態では、ニードル弁１８の押え力をパルスモータの移動量で制御することにより、吐出圧を一定、例えば２５０ＭＰａに制御するようにしている。

さて、前記ボール２０は、例えば直径寸法が１．１７ｍｍの球形をなし、その材質としては、ビッカース硬さＨＶ１３００以上のセラミック材料例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）が採用されている。他にも、アルミナ、窒化ケイ素、ジルコニア等各種の材料を採用することができる。ボール２０は、前記シート面１５の途中部に接触するような直径寸法、つまり前記シート面１５の基端側開口部の直径よりは小さく、流体出口部１６の直径よりは大きい直径寸法を有している。このボール２０は、ニードル弁１８の先端に例えば固定的に取付けられている。

また、前記先端ノズル部１３のシート面１５に設けられるコーティング層１７の材質としては、例えば窒化クロム（ＣｒＮ）が採用される。他にも、窒化チタン（ＴｉＮ）、ＤＬＣ等を採用することができる。コーティング層１７の厚み寸法としては、例えば２μｍとすることができる。コーティングの方法としては、一般的なアーク方式のＰＶＤ法を採用することができる。このとき、ボディ１２に対し、先端ノズル部１３が一体でなく別体に設けられているので、先端ノズル部１３のシート面１５にコーティング層１７を設けた後、ボディ１２に組付けることができる。

ちなみに、上記した本実施形態の弁装置１１の各部の寸法は、図４に示した従来例の弁装置１に対して、例えば次のように変動されている。即ち、図２に示すように、図４に示す従来の燃料出口部５の基端側の直径寸法Ａ′が１．１５ｍｍであったのに対し、実施形態の流体出口部１６の基端側の直径寸法Ａは０．８ｍｍとされ、従来のオリフィス部５ａの直径寸法Ｂ′が１．０ｍｍであったのに対し、実施形態のオリフィス部１６ａの直径寸法Ｂが０．７ｍｍとされている。これらは約３０％の寸法低減が図られている。

また、図４に示す従来のニードル弁６の軸部の、直径寸法から円弧状カット部の高さ寸法を引いたいわゆる逃げ寸法Ｃ′が５．１ｍｍであったのに対し、実施形態のニードル弁１８の軸部１９の、直径寸法から円弧状カット部１９ａの高さ寸法を引いたいわゆる逃げ寸法Ｃは５．８ｍｍとされている。円弧状カット部１９ａの円弧の高さ寸法が約１４％低減されている。

次に、上記構成の弁装置１１の作用・効果について述べる。上記弁装置１１においては、サポライポンプから流体流路１４内に燃料が加圧状で供給される。駆動機構が動作されていない通常時には、コイルばねのばね力によりニードル弁１８は閉塞位置に位置されている。図１に示すように、このニードル弁１８の閉塞位置では、ニードル弁１８の先端のボール２０が、テーパ面状のシート面１５に接触することにより、流体出口部１６が閉塞状態とされる。

これに対し、駆動機構のパルスモータの駆動により、ニードル弁１８がばね力に抗して後退して開放位置に移動されると、図２に示すように、ニードル弁１８の先端のボール２０がシート面１５から離間する。これにて、流体出口部１６が開放され、流体流路１４内に加圧状で供給されている燃料が流体出口部１６の先端からコモンレールに向けて吐出される。駆動機構のパルスモータが通電停止されると、ニードル弁１８が閉塞位置に移動し、流体出口部１６が閉塞されて燃料の吐出が停止される。

このとき、ニードル弁１８が開放位置から閉塞位置に移動する際に、ニードル弁１８の先端のボール２０が、シート面１５に衝突するようになる。この場合、吐出圧力の高圧化に伴いコイルばねのばね力が増大し、衝突時の衝撃力も大きくなる。これと共に、開弁時の燃料の流速の増大に伴い、シート面１５におけるエロージョン磨耗の問題もある。ところが本実施形態では、ニードル弁１８の先端にセラミック製のボール２０が設けられ、その球面状のボール２０とテーパ面状のシート面１５との衝突となるので、従来のようなニードル弁６の円錐状面６ａがシート面４の外周縁のコーナー部に衝突する場合と比べて、衝突力を小さく済ませることができる。

しかも、ボール２０がセラミック製であると共に、シート面１５の表面には高硬度材料からなるコーティング層１７が設けられているので、双方の硬度が高く何れもが傷付きに対して強いものとすることができる。従って、ニードル弁１８の先端部の着座摩耗を抑制することができる。これと共に、シート面１５の表面に高硬度のコーティング層１７が設けられていることにより、シート面１５のエロージョン摩耗を抑制することができる。この結果、本実施形態の弁装置１１によれば、ニードル弁１８を備えたものにあって、供給される流体が高圧である場合でも、ニードル弁１８の着座摩耗及びシート面１５のエロージョン摩耗の双方を効果的に抑制することが可能となるという優れた効果を得ることができる。

このとき本実施形態では、ボディ１２に対し、先端ノズル部１３が一体でなく別体に設けられているので、コーティング層１７の形成を容易に行うことができる。しかも、ニードル弁１８の先端にボール２０を固定的に取付けるようにしたので、微小な部分に対するボール２０の取付けや保守点検を簡単に行うことができる。また、本発明者の研究によれば、セラミック製のボール２０の材質として、特に、ビッカース硬さＨＶ１３００以上の材料を採用すれば、着座摩耗の抑制効果の面でより好ましいものとなることが明らかとなった。

ところで、ニードル弁１８を開放位置から閉塞位置に移動した際には、流体流路１４内の燃料が、流体流路１４の内周面と軸部１９の円弧状カット部１９ａとの間の通路を、液体が戻るようになる。この通路の断面積が比較的大きいと、流体流路１４の径大部１４ａ内の圧力が速やかに低下し、ニードル弁１８に対する開放位置側に押す力はさほど得られない。これに対し、本実施形態では、円弧状カット部１９ａの高さ寸法を小さくして、液体が戻る通路の断面積を小さくした。

これにより、ニードル弁１８を閉塞位置に移動させた際の、燃料が基端側に戻る際の抵抗が大きくなり、径大部１４ａ内の燃料の圧力が高くなり、ニードル弁１８を開放位置側に押す力となる。そのため、その分だけ、衝突力を小さくすることができる。同様に、本実施形態では、従来のリターン穴７を省略したことにより、ニードル弁１８を閉塞位置に移動させた際の、径大部１４ａ内の燃料の圧力が高くなり、ニードル弁１８を開放位置側に押す力となって、衝突力を小さくすることができる。従って、これらの構成により、着座摩耗の抑制効果をより一層高めることができる。

さらに本実施形態では、流体出口部１６及びオリフィス部１６ａの直径寸法を、従来よりも小さく成した。これにより、シート部１５の前後の圧力差が従来のものより小さくなり、シート部１５側の燃料の流速を小さくすることができる。従って、シート部１５を通過する燃料の流速を小さくすることができ、その分、エロージョン摩耗を低減させることができる。

尚、上記実施形態では、ニードル弁の先端にセラミック製のボールを固定的に設けたが、ボールをニードル弁の先端に回転可能且つ抜止め状態に保持する構成としても良い。この場合、ニードル弁の先端に半球状の凹部を設け、そこにボールを嵌合させるといった構成が考えられ、取付性については低下を招くものの、着座摩耗の抑制効果を高めることができる。また、上記実施形態では、弁装置を、サプライポンプの性能検査用に適用したが、ニードル弁を備える弁装置全般に適用することが可能であり、様々な用途に利用することができる。

その他、上記実施形態では、リターン穴を省略する構成としたが、リターン穴を設ける構成としても良い。円弧状カット部の高さ寸法等についても、種々変形して実施することができる。ボールやコーティング層の材質、ボディやニードル弁の材質としても、様々な変更が可能である。上記実施形態で述べた各部の寸法や、圧力等の具体的な数値についても一例を示したに過ぎず、適宜変更して実施できることは勿論である。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１１は弁装置、１２はボディ、１３は先端ノズル部、１４は流体流路、１５はシート面、１６は流体出口部、１６ａはオリフィス部、１７はコーティング層、１８はニードル弁、１９は軸部、１９ａは円弧状カット部、２０はボールを示す。

Claims (4)

1. 流体流路（１４）を備えるボディ（１２）と、
   前記ボディの先端部に別体に設けられ、前記流体流路に連続し先端側に行くほど径小となるテーパ面状をなすシート面（１５）と、そのシート面の先端に連続する径小な流体出口部（１６）とを有する先端ノズル部（１３）と、
   前記流体流路内に位置して設けられ、先細り状の棒状をなし、前記シート面に接触して前記流体出口部を閉塞する閉塞位置と、該シート面から離間する開放位置との間で進退するニードル弁（１８）とを備えると共に、
   前記ニードル弁の先端には、閉塞位置で前記シート面に接触するセラミック製のボール（２０）が設けられており、
   前記シート面の表面には、高硬度材料がコーティングされたコーティング層（１７）が形成されており、
   前記流体出口部には、前記シート面に連続している基端側と先端面の開口との間に、基端側より径小なオリフィス部（１６ａ）が設けられている弁装置。
2. 前記セラミック製のボールには、ビッカース硬さＨＶ１３００以上の材料が採用されている請求項１記載の弁装置。
3. 前記ニードル弁は、前記流体流路の内周面を摺動するように構成されていると共に、その外周には、円周方向に沿う複数箇所に高さの小さい円弧状カット部（１９ａ）が設けられている請求項１又は２記載の弁装置。
4. 前記ニードル弁には、前記流体を戻すためのリターン穴の形成が省略されている請求項１から３のいずれか一項に記載の弁装置。

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