JP2017187022A - 内燃機関のインジェクションバルブ - Google Patents

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Abstract

【課題】石炭粒子を含む流体などの摩耗性流体とともに動作することに耐える能力があるシリンダおよびその中で動作するピストンを有する、改善されたインジェクションバルブを提供する。【解決手段】本発明による、摩耗性流体と接触するためのインジェクションバルブは、シリンダ長、シリンダ内径およびシリンダ壁を有するシリンダと、ピストン外径およびピストン外面を有するピストンであって、ピストンは、シリンダ内で移動可能である、ピストンとを備え、ピストンが、少なくとも部分的に第1の管状ライナ内で移動するように、第1の管状ライナが、シリンダ壁とピストンとの間に配置され、第1の管状ライナが、ライナ長、第1のライナ内径およびライナ内面を有し、ライナ内面が、被覆物を備えることを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、摩耗性流体と接触するためのインジェクションバルブに関する。本発明はさらに、インジェクションバルブを備える内燃機関に関する。本発明は最後に、発明によるインジェクションバルブを製造する方法に関する。
内燃機関は、例えば特許文献1において、シリンダを使用し、ピストンが、その中で、例えば燃焼シリンダ内で移動するが、しかしまたポンプおよびバルブまたは他のインジェクションユニット内でも移動する。石炭粒子を含む燃料、またはメタノールなどの乏しい潤滑性を有する流体などの、摩耗性流体を動作させるとき、シリンダおよびピストンは、非常に速く摩滅され、もし交換がないならば、修理を必要とする。従って、そのような摩耗性流体に耐える能力がある材料の開発は、シリンダおよびその中で動作するピストンの寿命を高めるために過去数年にわたって増加してきた。
しかしながら、最近でさえ、そのような材料は、摩耗性流体に耐える能力がなく、それは、シリンダの内面およびピストンを硬くするまたは被覆する必要性の高まりをもたらした。しかしながら、そのようなプロセスは、シリンダがそれらの幅よりも長いときには実行するのが不可能であると判明しており、従ってシリンダおよびその中で動作するピストンの摩耗を減少させるための別の解決策を開発する必要がある。
米国特許第5566450号明細書
従来技術の上記の不都合および欠点を完全にまたは部分的に克服することが、本発明の目的である。より具体的には、既知の解決策よりも長い期間にわたって、石炭粒子を含む燃料などの摩耗性流体とともに動作することに耐える能力があるシリンダおよびその中で動作するピストンを有する、改善されたインジェクションバルブを提供することが、目的である。
上記の目的は、以下の説明から明らかになるであろう、多数の他の目的、利点、および特徴と一緒に、摩耗性流体と接触するためのインジェクションバルブによる本発明に従う解決策によって成し遂げられ、本インジェクションバルブは、
- シリンダ長、シリンダ内径およびシリンダ壁を有するシリンダと、
- ピストン外径およびピストン外面を有するピストンであって、ピストンは、シリンダ内で移動可能である、ピストンとを備え、
ピストンが、少なくとも部分的に第1の管状ライナ内で移動するように、第1の管状ライナが、シリンダ壁とピストンとの間に配置され、第1の管状ライナが、ライナ長、第1のライナ内径およびライナ内面を有し、ライナ内面が、被覆物を備えることを特徴とする。
一実施形態では、ライナ長は、シリンダ内径よりも長くてもよい。
別の実施形態では、ライナ長は、第1のライナ内径の長さの2倍以下であってもよい。
上述の第1のライナ内径は、実質的にピストン外径に対応してもよい。
なお別の実施形態では、管状ライナの内径は、ライナ長に沿って変化してもよい。
また、管状ライナのライナ内径は、ライナ長に沿って第2のライナ内径よりも大きい第1のライナ内径を有してもよい。
上述のインジェクションバルブはさらに、シリンダ長に沿って第1の管状ライナに連続して配置される第2の管状ライナを備えてもよい。
その上、インジェクションバルブは、互いに連続して配置される複数の管状ライナを備えてもよい。
加えて、ライナ長は、シリンダ長に等しくてもよい。
その上、第1の管状ライナは、第1の端部および第2の端部を有してもよく、少なくとも第2の端部は、ライナ内面に向かって面取りされてもよい。
加えて、第2の管状ライナは、第1の端部および第2の端部を有してもよく、少なくとも第1の端部は、ライナ内面に向かって面取りされてもよい。
第1の管状ライナの第2の端部は、第2の管状ライナの第1の端部に対向して配置されてもよい。
一実施形態では、シリンダ内径は、1メートル未満、好ましくは0.5メートル未満、より好ましくは0.1メートル未満であってもよい。
別の実施形態では、ライナ内径は、1メートル未満、好ましくは0.5メートル未満、より好ましくは0.1メートル未満であってもよい。
なお別の実施形態では、第1の管状ライナおよび第2の管状ライナは、異なるライナ長を有してもよい。
上述の第1の管状ライナおよび第2の管状ライナは、等しいライナ長を有してもよい。
本発明によるインジェクションバルブはさらに、ピストンに向かって延び、潤滑流体または密封オイルをピストンに提供するように構成される、シリンダ壁内の潤滑チャンネルを備えてもよい。
上述の潤滑チャンネルは、ピストン外面に面する出口を有してもよい。
また、管状ライナの内面は、環状チャンネルを提供されてもよい。
さらに、出口は、環状溝内にあってもよい。
さらに、第1の管状ライナおよび第2の管状ライナは、相互の距離を有して配置されてもよく、それによって管状ライナの端部間に環状チャンネルを提供する。
さらに、出口は、環状チャンネル内にあってもよい。
一実施形態では、第2の管状ライナは、第1のライナ内径よりも小さい第2のライナ内径を有してもよい。
上述の第2のライナ内径は、第1のライナ内径よりも1mm小さく、好ましくは第1のライナ内径よりも100μm小さく、さらにより好ましくは第1のライナ内径よりも50μm小さくてもよい。
さらに、被覆物は、ダイヤモンド状炭素、二酸化シリコン(SiO2)、黒鉛またはグラフェンを含んでもよい。
一実施形態では、被覆物は、1000HVよりも高い硬さを有してもよい。
別の実施形態では、被覆物は、被覆厚さを有してもよい。
なお別の実施形態では、被覆厚さは、1〜20μm、好ましくは2〜10μmであってもよい。
被覆厚さは、ライナ長に沿って一様であってもよい。
また、管状ライナは、金属で作られていてもよい。
加えて、第1の管状ライナおよびシリンダは、一緒に焼きばめされてもよい。
その上、摩耗性流体は、気体または液体またはそれらの組み合わせであってもよい。
摩耗性流体は、粒子を含んでもよく、それは、もし石炭スラリーが媒体であるならば事実である。低い潤滑性を有する流体は、メタノール、ガソリン、液化石油ガス(LPG)、または低い潤滑性を有するジメチルエーテル(DME)媒体とすることができる。
本発明はまた、本発明によるエンジンデバイスを備えるインジェクションバルブにも関する。
本発明はさらに、上述のインジェクションバルブを備える内燃機関に関する。
最後に、本発明は、本発明によるインジェクションバルブを製造する方法に関し、
- シリンダ、ピストンおよび第1の管状ライナを準備するステップと、
- 第1の管状ライナのライナ内面を被覆するステップと、
- 第1の管状ライナをシリンダ内に配置するステップと、
- 第1の管状ライナをシリンダ内に焼きばめすることによって締結するステップと、
- ピストンを少なくとも部分的にシリンダ内に配置するステップとを含む。
さらに、ピストンは、第1の管状ライナ内に部分的に配置されてもよい。
上述の方法はさらに、
- 第2の管状ライナを準備するステップと、
- 第2の管状ライナのライナ内面を被覆するステップと、
- 第1の管状ライナをシリンダ内に締結するステップの前に第2の管状ライナを配置するステップとを含んでもよい。
また、本方法は、被覆物を備えるライナ内面を研磨するステップを含んでもよい。
上述の方法はさらに、被覆物を備えるライナ内面を研削するステップを含んでもよい。
さらに、本方法は、ライナ内面を被覆する前に管状ライナの端部を面取りするステップを含んでもよい。
最後に、本方法は、管状ライナの1つの中に環状溝を提供するステップを含んでもよい。
本発明およびその多くの利点は、説明のためにいくつかの限定されない実施形態を示す、付随する概略的図面を参照して以下でより詳細に述べられることになる。
インジェクションバルブの横断面を示す図である。 別のインジェクションバルブの横断面を示す図である。 インジェクションバルブの一部の横断面を示す図である。 内燃機関のインジェクションユニットの一部の横断面を示す図である。
すべての図は、高度に概略的であり、必ずしも一定の縮尺であるとは限らず、それらは、本発明を解明するために必要であるそれらの部分だけを示し、他の部分は、省略されるまたは単に示唆されるだけである。
図1は、石炭粒子を含む燃料、重質燃料またはメタン、その他などの摩耗性流体と接触するためのインジェクションバルブ1を示す。インジェクションバルブ1は、シリンダ長LC、シリンダ内径IDCおよびシリンダ壁3を有するシリンダ2を備える。シリンダ2は、油圧シリンダ、ガスシリンダまたは燃焼シリンダであってもよい。インジェクションバルブ1は、ピストン外径ODPを有し、シリンダ2内で移動可能であるピストン4を備える。インジェクションバルブ1はさらに、ピストン4が、少なくとも部分的に第1の管状ライナ5、5a内で移動するように、シリンダ壁3とピストン4との間に配置される第1の管状ライナ5、5aを備える。第1の管状ライナ5、5aは、シリンダ内径IDCよりも長いライナ長LLおよびライナ内径IDLを有する。第1の管状ライナ5、5aは、被覆物7を備える内面6を有する。
内表面を被覆するとき、シリンダ2が、シリンダ内径IDCよりも長いと、シリンダ2の全長を被覆し、平坦な層を得ることは、非常に困難である。さらに、最も厚い層は、シリンダ2の端部に最も近く、一方より薄い層は、シリンダ2の底部により近いことになり、そのような寸法の不正確さは、内燃機関において容認できない。管状ライナ5、5a、5bを有するとき、管状ライナ5、5a、5bは、両端から被覆されてもよく、内燃機関の分野内で容認可能な寸法変化内にある平坦な被覆層をもたらす。被覆された後、管状ライナ5、5a、5bは、シリンダ2に挿入され、摩耗性流体を扱うときに摩耗に対して耐性がある表面を有するシリンダ2をもたらす。
図1において、インジェクションバルブ1は、第1の管状ライナ5、5aおよび第2の管状ライナ5、5bを両方とも備える。両方の管状ライナ5、5a、5bは、シリンダ2に挿入される前に被覆され、シリンダ長LCに沿って互いに連続して端と端を接続して配置される。第1および第2の管状ライナ5、5a、5bのライナ長LLは、図1においては近似的に同じであるが、しかし別の実施形態では、1つの管状ライナ5、5a、5bのライナ長LLは、別の管状ライナ5、5a、5bのライナ長LLよりも長くてもよい。シリンダ内径IDCとライナ内径IDLとの間の差は、被覆厚さtの2倍である。ピストン4は、流体を開口部9から外に追い出すためにシリンダ2内で管状ライナ5、5a、5bの被覆部7に沿って移動可能である。
現在の被覆プロセスによって、一端から被覆するとき、シリンダ内径IDCよりも長くないシリンダ内側の最大長を被覆することは、可能である。管状ライナ5、5a、5bは、両端から被覆されてもよいので、ライナ長LLは従って、ライナ内径IDLの2倍以下である。シリンダ内径IDCは、1メートル未満、好ましくは0.5メートル未満、より好ましくは0.1メートル未満であり、ライナ内径IDLもまた、1メートル未満、好ましくは0.5メートル未満、より好ましくは0.1メートル未満である。
図2において、インジェクションバルブ1はさらに、ピストン4に向かって延び、潤滑流体をピストン4に提供するように構成される、シリンダ壁3内の潤滑チャンネル8を備える。それ故に、潤滑チャンネル8は、ピストン外面12に面する出口11を有する。第2の管状ライナ5、5bは、第1のライナ内径IDLa、IDLよりも小さい第2のライナ内径IDLbを有する。第1のライナ内径IDLa、IDLは、実質的にピストン外径ODPに対応する。第1の管状ライナ5、5aの内面6は、ピストン4の外面12に接触し、シリンダ2の内外へのピストン4の横方向/半径方向の動きを制御する。第2の管状ライナ5、5bが、第1のライナ内径IDLa、IDLよりも小さい第2のライナ内径IDLbを有するという事実に起因して、第2の管状ライナ5b、5の内面6とピストン外面12との間にギャップがある。このギャップは、潤滑流体を潤滑チャンネル8からピストン4に沿って開口部9に向かって輸送し、シリンダ2内の摩耗性流体が、ピストン4のピストン外面12と第1の管状ライナ5、5aの内面6との間に入らないことを確実にする。ギャップは、1mmよりも小さく、好ましくは100μmよりも小さく、さらにより好ましくは50μmよりも小さい。潤滑流体の圧力をシリンダ2内の摩耗性流体よりも高く保つことによって、摩耗性流体は、第1の管状ライナ5、5aとピストン4との間に入らず、シリンダ2およびピストン4の摩耗は、摩耗性流体がもはや、ピストン4とシリンダ壁3との間に押し込まれないので、実質的に減らされる。図に見られるように、第1の管状ライナ5、5aおよび第2の管状ライナ5、5bは、連続してだが、しかしそれらの間に距離dを有して配置される。これによって、第1および第2の管状ライナ5、5a、5bは、潤滑チャンネル8と流体連通する環状チャンネル16を形成し、潤滑流体はそれ故に、ピストン4の周囲全体に延びる環状チャンネル16に沿って分配されてもよい。第1および第2の管状ライナ5、5a、5bの外面19内のリセス14または環状溝(図示されず)は、出口11を通って追い出される前に潤滑流体をより良く分配するために形成されている。それ故に、出口11は、環状チャンネル16内にある。図2に示されるように、インジェクションバルブ1はまた、第3の管状ライナ5、5cを備えてもよく、その結果シリンダは、3つの管状ライナ5、5a、5b、5cを用いて裏打ちされる。
図1および図2において、各ライナ長LLの加算であるライナ全長は、シリンダ長LCに等しい。被覆厚さtは、ライナ長LLに沿って一様であり、被覆厚さtは、1mm未満、好ましくは100μm未満である。管状ライナ5、5a、5bは、好ましくは金属で作られている。被覆物7は、ダイヤモンド状炭素、二酸化シリコン(SiO2)、グラフェンなどの黒鉛、または同様の被覆材料を含む。被覆物7は、1000HVよりも高いショア硬さを有する。
2つの管状ライナ5、5a、5bのライナ内径IDLの非常に小さい変化を均一にするために、第1の管状ライナ5、5aの第1の端部17および第2の管状ライナ5、5bの第2の端部18は、面取りされてもよく、図3に示されるように、先細りの端部15をもたらす。管状ライナ5のライナ内径IDLは、管状ライナ5のライナ内径IDLが、ライナ長LLに沿って第2のライナ内径IDLbよりも大きい第1のライナ内径IDLaを有し、図3に示されるように、増加するtLをもたらすように、ライナ長LLに沿って変化してもよい。
図4は、インジェクションバルブ10を備える内燃機関100のインジェクションユニットの一部を示し、シリンダ2およびピストン4は、インテンシファイア(図示されず)の一部を形成する。第1の管状ライナ5、5aは、第2および第3の管状ライナ5、5b、5cの内径IDLaよりもわずかに大きい内径IDLbを有し、第2の管状ライナ5bは、潤滑流体をインジェクションユニットに提供するための環状チャンネル16を有する。
インジェクションバルブ1、10は、最初にシリンダ2、ピストン4および第1の管状ライナ5、5aを準備し、次いで第1の管状ライナ5、5aのライナ内面6を被覆して、被覆物7を形成し、最後に第1の管状ライナ5、5aをシリンダ2内に配置することによって製造される。第1の管状ライナ5、5aは、焼きばめすることによってシリンダ2内に締結され、その後、ピストン4は、少なくとも部分的にシリンダ2内に、それ故に第1の管状ライナ5、5a内に配置される。もしシリンダ2が、第2の管状ライナ5、5bを備えるならば、第2の管状ライナ5、5bは、第1の管状ライナ5、5aを締結するステップの前に第1の管状ライナ5、5aに連続して配置され、ピストン4が、シリンダ2内に配置される前に、両方のライナ5a、5b、5は、シリンダ2に締結される。被覆物7を備えるライナ内面6は、ピストン4が、シリンダ2内に配置される前に、研磨されかつ/または研削されてもよい。
流体は、気体、液体またはそれらの組み合わせである。流体は、重質燃料、石炭粒子などの粒子を含む燃料、液化石油ガス(LPG)などの液化ガス、ジメチルエーテル(DME)、ガソリンまたは摩耗性粒子を有する他の液体もしくは貧弱な潤滑性を有する液体だけなどの、内燃機関における任意の種類の流体である。
本発明が、本発明の好ましい実施形態に関連して上で述べられたけれども、いくつかの変更が、次のクレームによって規定されるような本発明から逸脱することなく考えられることは、当業者にとって明らかであろう。
1 インジェクションバルブ
2 シリンダ
3 シリンダ壁
4 ピストン
5 管状ライナ
5a 第1の管状ライナ
5b 第2の管状ライナ
5c 第3の管状ライナ
6 ライナ内面
7 被覆物
8 潤滑チャンネル
9 開口部
10 インジェクションバルブ
11 出口
12 ピストン外面
14 リセス
15 先細りの端部
16 環状チャンネル
17 第1の管状ライナの第1の端部
18 第2の管状ライナの第2の端部
19 ライナ外面
100 内燃機関
IDC シリンダ内径
IDL ライナ内径
IDLa 第1のライナ内径
IDLb 第2のライナ内径
LC シリンダ長
LL ライナ長
ODP ピストン外径
d 第1および第2の管状ライナ間の距離
t 被覆厚さ
tL ライナ厚さ

Claims (10)

  1. 摩耗性流体と接触するためのインジェクションバルブ(1、10)において、前記インジェクションバルブ(1、10)は、
    - シリンダ長(LC)、シリンダ内径(IDC)およびシリンダ壁(3)を有するシリンダ(2)と、
    - ピストン外径(ODP)およびピストン外面(12)を有するピストン(4)であって、前記ピストン(4)は、前記シリンダ(2)内で移動可能である、ピストン(4)とを備え、
    前記ピストン(4)が、少なくとも部分的に第1の管状ライナ(5、5a)内で移動するように、前記第1の管状ライナ(5、5a)が、前記シリンダ壁(3)と前記ピストン(4)との間に配置され、前記第1の管状ライナ(5、5a)が、ライナ長(LL)、第1のライナ内径(IDL)およびライナ内面(6)を有し、前記ライナ内面(6)が、被覆物(7)を備えることを特徴とする、インジェクションバルブ(1、10)。
  2. 前記ライナ長(LL)は、前記シリンダ内径(IDC)よりも長い、請求項1に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  3. 前記ライナ長(LL)は、前記第1のライナ内径(IDL)の2倍以下である、請求項1に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  4. 前記インジェクションバルブ(1、10)はさらに、前記シリンダ長(LC)に沿って前記第1の管状ライナ(5a、5)に連続して配置される第2の管状ライナ(5、5b)を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  5. 前記第2の管状ライナ(5、5b)は、前記第1のライナ内径(IDL)よりも大きい第2のライナ内径(IDLb)を有する、請求項4に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  6. 前記インジェクションバルブ(1、10)はさらに、前記ピストン(4)に向かって延び、潤滑流体または密封オイルを前記ピストン(4)に提供するように構成される、前記シリンダ壁(3)内の潤滑チャンネル(8)を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  7. 前記被覆物(7)は、ダイヤモンド状炭素、二酸化シリコン(SiO2)、黒鉛またはグラフェンを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  8. 前記管状ライナは、前記ライナ長に沿って第2のライナ内径よりも大きい第1のライナ内径を有する、請求項1から7のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)を備える内燃機関(100)。
  10. 請求項1から8のいずれか一項に記載のインジェクションバルブ(1、10)を製造する方法であって、
    - 前記シリンダ(2)、前記ピストン(4)および前記第1の管状ライナ(5、5a)を準備するステップと、
    - 前記第1の管状ライナ(5、5a)の前記ライナ内面(6)を被覆するステップと、
    - 前記第1の管状ライナ(5、5a)を前記シリンダ(2)内に配置するステップと、
    - 前記第1の管状ライナ(5、5a)を前記シリンダ(2)内に焼きばめすることによって締結するステップと、
    - 前記ピストン(4)を少なくとも部分的に前記シリンダ(2)内に配置するステップとを含む、方法。
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