JP6216865B2 - システムへの流体の供給を制御して流体消費を最適化するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体消費が最適化されるようにシステムへの流体の供給を制御するための装置、例えば、内燃エンジンのピストン冷却スプレージェットへのオイルの供給を制御するための装置に関する。

内燃エンジンは、ピストン冷却スプレージェットをますます装備するようになっており、その役割は、加圧状態のオイルをエンジン潤滑回路からピストンの下側へ送って、ピストンがその機械的特性を失わないように冷却することである。これらの冷却スプレージェットは、エンジンにおいて大量のオイルを消費する。この加圧状態のオイルは、ポンプにより冷却スプレージェットへ強制流入される。概して、例えばポンプの動作により消費されるエネルギーを削減することにより消費エネルギーを削減しようとする試みが見られる。これは、オイル消費およびオイル圧力に対する制御を改良しようとすることにより行われる。

概して、冷却スプレージェットを供給するのに使用されるポンプは可変容量を有し、こうしてエンジンオイル圧力を制御する手段が得られる。

冷却スプレージェットは以下のように作動する。供給圧力が最低値より低くなると閉鎖され、オイルを送達しない。この最低値より上では、スプレージェットは所定の流量のオイルを所定の圧力で出力する。スプレージェットがピストン上の正確な位置において最高ジェット速度でオイル流を出力すべきであることも必要である。そのため、圧力損失を減少させることも必要である。

当該技術による冷却スプレージェットは、加圧状態のオイルの供給源に接続される一端部と、オイルジェットをピストンの底部へ届けるスプレージェットの自由端部により形成される別の端部とを備える本体で構成される。これら二つの端部の間にバルブが挿入され、バルブは、バルブシートとプラグとを有し、プラグはバネによりバルブシートと当接する。供給端部でのオイル圧力が一定の最低値より高いと、プラグはバルブシートから離れて、ピストンの底部に面するスプレージェットの端部へオイルを加圧状態で流動させる。

バルブが開放されている時には、流量が急激に増加する移行段階の後で、供給オイル圧力に応じたスプレージェット出力の流量変化は線形関数であり、スプレージェット出口の断面積により調整される。

ポンプの冷却および消費を最適化するため線形状態で変化しない流量を出力するスプレージェットを設けることが望ましい。

結果的に、本発明の目的は、先行技術による制御装置で可能であるものよりも複雑な、圧力に応じた変化を出力流体流量に付与可能な、システムへの流体の供給を制御する装置を提供することである。

上記の目的は、バルブシートと、加圧状態の流体の供給入口と加圧状態の流体の吐出出口との間に挿入されるプラグとを含むバルブを有する、システムへの流体の供給を制御する装置により達成され、この出口は所定の断面積を有する。圧力が最低値より低い時に、バルブは閉鎖される。この最低値より上では、プラグ、および／または、プラグが自由に移動するように取り付けられるリーミング孔は、プラグがバルブシートから離間する段階の後でバルブが圧力に応じて複数の開放状態を有するように構成され、これらの状態の各々の断面積は他の開放状態の断面積と異なり、これらの区分の少なくとも一つが吐出出口での流量を調整するようなものであって、これらの区分の他の少なくとも一つは、吐出出口での流量が出口断面により調整されるようなものである。

好適な一実施形態では、分離段階に続く開放状態の断面は流体流を調整するようなものであり、高圧に対応する開放状態の断面積は出口区分が流量を調整するようなものである。

言い換えると、少なくとも二つの異なる断面積を持つバルブが製作され、これらの断面の一つは、流量を調整する限流区分となるように出口断面より小さく、他の断面は、出口区分が流量を調整する限流区分となるように出口断面より大きい。

限流断面積を規定する輪郭がリーミング孔に設けられると有利である。

本発明は、冷却スプレージェットの製作、あるいは一つまたは複数の冷却スプレージェットへの供給を制御するのに特に有用である。

そのため、本発明の目的は、加圧状態の流体のための供給入口と、加圧状態の流体のための吐出出口と、供給入口と吐出出口とを接続するリーミング孔とを有して、吐出出口が所定の断面積を有し、さらに、リーミング孔の中で自由に摺動するように設置されて、リーミング孔に形成されたバルブシートと閉鎖状態で当接するプラグを有するバルブを有する、加圧状態の供給源からシステムへの流体の供給を制御する装置である。バルブは、プラグがバルブシートから離間する第１段階の後に複数の開放状態を有し、各開放状態は異なる流体圧力値範囲に対応し、各開放状態でのプラグとリーミング孔との間の断面積は他の状態の断面積と異なり、これらの開放状態の少なくとも一つが、吐出出口での流体流量を調整するような断面積を有して、これらの開放状態の少なくとも一つが、吐出出口の断面積により流量が調整されるような断面積を有する。

好ましくは、吐出出口の断面積により流量が調整されるような断面積を持つ開放状態は、圧力値範囲が最高圧力値を含むような開放状態である。

別の特徴によれば、リーミング孔は、バルブシートから始まって流体流動方向に増加する断面積を有する。例えば、リーミング孔は、バルブシートを形成する第１部分と、吐出出口の断面積より小さい断面積をプラグとともに画定する少なくとも一つの第２部分と、吐出出口の断面積より大きい断面積をプラグとともに画定する第３部分とを有し、第１、第２、および第３区分は流体流動方向に沿ってこの順序で配設される。リーミング孔は複数の第２断面を有し、第２断面は、流動方向に沿って増加する断面積をプラグとともに画定するように流体流動方向に沿って配設される。

一つの実施形態例において、第２部分は円筒形部分を有し、第３部分はテーパ状部分を有する。

別の実施形態例において、少なくとも一つの第２部分は可変断面積をプラグとともに画定する。

発明の別の目的は、少なくとも一つの冷却スプレージェットと、本発明による制御装置とを有する、内燃エンジンの少なくとも一つのピストンのための冷却システムであり、加圧状態の流体の供給源と少なくとも一つのスプレージェットとの間に制御装置が配置され、吐出出口はスプレージェットの自由端部により形成される。

発明の別の目的は、本発明による制御装置を有する内燃エンジンのピストンのための冷却スプレージェットであり、装置は、スプレージェットの本体に含まれ、吐出出口はスプレージェットの自由端部により形成される。

本発明は、以下の説明と添付図面を読んだ後には一層理解されるだろう。

本発明による冷却スプレージェットの実施形態例の閉鎖状態における断面図である。 図１Ａの冷却スプレージェットの第１調整状態における断面図である。 図１Ｂの詳細図である。 図１Ａの冷却スプレージェットの第２調整状態における断面図である。 本発明による冷却スプレージェットの別の実施形態例の閉鎖状態における断面図である。 図２Ａのスプレージェットの第１調整状態における断面図である。 図２Ｂの詳細図である。 図２Ａの冷却スプレージェットの第２調整状態における断面図である。 図２Ａから２Ｄの冷却スプレージェットの出口における流量変化（リットル／分）を圧力（バール）の関数として示すグラフ図である。 図２Ａから２Ｄの冷却スプレージェットの出口における流量変化（リットル／分）を圧力（バール）の関数として示すとともに、先行技術による冷却スプレージェットと大きな断面を持つ出口を備える冷却スプレージェットとについて流量変化を圧力の関数として示す。 本発明による冷却スプレージェットの変形実施形態の開放状態における断面図である。

以下の説明において、制御装置は内燃エンジンのピストンの冷却スプレージェットに適用される。だが本発明は、流体を使用するとともにその供給の制御を必要とするすべての分野に適用可能である。単純化を理由として、装置内を循環する流体を指すのに「オイル」の語を使用するが、本発明はオイルの供給に限定されず、循環が可能であって流量が調整されうる他のいかなる流体をも含むことが理解されるだろう。

図１Ａから１Ｄと図２Ａから２Ｄに示されたスプレージェットは、加圧流体供給源、例えばエンジン潤滑回路と、内燃エンジンのピストンの底部との間に配置されるように設計される。冷却スプレージェットは、ピストン（不図示）の底部との接触状態でオイルをスプレーするように設計される。

図１Ａから１ＤのスプレージェットＧ１は、加圧流体供給源（不図示）に接続される第１端部４と、第２吐出端部６とを備える本体２を有する。図の例では、本体２に接続されたスプレージェット管７の自由端部から、排出端部が形成される。

管６の自由端部は断面積Ｓ２を有する。

冷却スプレージェットは、本体２のリーミング孔１１の中で軸線Ｘに沿って自由に移動するように取り付けられるプラグ１０と、スプレージェットの閉鎖状態でプラグ１０が当接するバルブシート１２とを有するバルブ８も有する。

図の例ではバネにより形成される弾性手段１４を通して、プラグ１０はバルブシート１２との接触状態へ弾性的に戻される。それ以下ではスプレージェットが閉鎖されるＰ１と記された所定の圧力値でプラグがバルブシート１２から上昇するように、バネ１４が調節される。供給オイル圧力は、リーミング孔１１における軸線Ｘ上でのプラグの位置を固定する。

図１Ｃに見られるように、リーミング孔１１の輪郭は、バルブ開放段階の後で、リーミング孔１１でのプラグの長手方向位置に応じて吐出出口方向に二つの流体断面積を画定するようなものである。

図１Ｃに示された例では、オイル流動方向において、リーミング孔は、バルブシート１２を形成するテーパ形状の第１部分１１．１と、円形断面を持つ第２円筒形部分１１．２と、リーミング孔の断面積がオイル流動方向に増加するような第３テーパ状部分１１．３とを有する。

図１Ｃに示された位置で、プラグ１０とリーミング孔との間の流体通路の断面積は円筒形区分１１．２により画定され、この断面積はＳ３と記されている。

プラグがバルブシート１２から充分な距離にある図１Ｄに示された位置では、リーミング孔とプラグ１０との間の断面積は、第３部分１１．３とプラグ１０とにより画定され、もはや円筒形部分によっては画定されない。この断面は、管吐出出口の断面Ｓ２より大きく、もはや限流区分ではない。区分Ｓ２はこの時、限流断面である。

結果的に、オイル入口圧力がプラグをバルブシートから離間させるのに充分に高い時に、バルブは、オイル流量の調整が異なる少なくとも二つの開放状態を有する。流量が急速に変化する分離段階の後で、バルブは断面Ｓ３を持つ開放状態を有する。この状態は、プラグが第２円筒形部分１１．２とともに断面Ｓ３を画定する限りは持続する。圧力が上昇すると、プラグはバルブシートから軸線Ｘに沿って変位するが、この変位にも関わらず、下端部が第２円筒形部分１１．２と対向する限り所定の圧力範囲についてはリーミング孔とともに断面Ｓ３を画定する。

Ｓ３はＳ２より小さいので、区分Ｓ３により流量が調整される。

プラグ１０と、Ｓ２より大きいテーパ状部分１１．３との間に断面積が規定されるようにプラグ１０が長手方向に移動するのに充分なほど圧力が上昇すると、スプレージェット出口区分Ｓ２により流量が調整される。

図１Ａから１Ｄの冷却スプレージェットの動作が、圧力Ｐ（バール）に応じた流量変化Ｄ（リットル／分）を示す図３を参照して、これから説明される。

オイル供給圧力が圧力Ｐ１より小さい時に、冷却スプレージェットが閉鎖され、プラグ１０がバルブシート１２との当接状態に保持され、供給入口４と吐出出口６との間の流量を遮断する（図３の曲線の部分Ｉ．１）。

プラグ分離段階の後でオイル圧力が値Ｐ２を超える（図３の曲線の部分Ｉ．３）が値Ｐ３より小さい時に、円筒形部分１１．２と対向して円筒形部分１１．２とともに限流区分Ｓ３を規定するように、プラグ１０はバルブシート１２から充分に分離される。それからスプレージェット管からの出口流がこの限流区分Ｓ３により制御される。流量変化は、第１線形関数に従う（図３の曲線の部分Ｉ．３）。

オイル圧力が値Ｐ４を超える（図３の曲線の部分Ｉ．５）と、円筒形部分１１．２と対向しなくなるようにプラグが長手軸線Ｘに沿ってバルブシートからさらに分離し、この時に限流断面積はスプレージェット管の出口断面Ｓ２により形成される。スプレージェット出口でのオイル流量は、この時、断面Ｓ２により制御される。

圧力Ｐ３およびＰ４の間にある部分Ｉ．３およびＩ．５の間の部分Ｉ．４は、Ｓ３から、Ｓ２より大きい区分へ断面積が変化する間の移行段階に対応する。

図１Ｃにより詳しく視認できるリーミング孔輪郭は、限定的ではない。図５は、可変限流区分を生成するのに使用されるバルブシートの別の実施形態例を示す。この実施形態例で、リーミング孔１１１は、プラグと協働してスプレージェットを閉じる第１テーパ状部分１１１．１と、オイル圧力につれて連続的に上昇する可変値を持つ限流区分をプラグとともに画定する第２テーパ状部分１１１．２と、区分Ｓ２より大きい断面積をプラグ１０とともに画定する第３テーパ状部分１１１．３とを有する。

バルブシートが、オイル圧力につれて増加する複数の限流区分をプラグとともに画定するように直径が増加する、および／または、オイル流動方向に増加する先端角度を持つテーパ状である複数の円筒形部分１１．２を有するリーミング孔を考案することも可能であろう。

バルブシートの形状は必ずしもテーパ状ではなく、例えば肩部により形成されてもよい。

リーミング孔とともに限流断面積を規定するような形状をプラグが持つと考えることも可能であり、プラグの中央部分が供給入口４の側で外向きに突出することも考えられる。圧力が値Ｐ２とＰ３との間である時には、中央部分は限流区分Ｓ３を画定し、圧力が値Ｐ４を上回る時にはもはや流量を制限しない。複数の限流断面積を画定するように突出部は階段状であってもよい。変形例として、プラグとリーミング孔とは断面積を変化させるような形状を持ってもよい。

図２Ａから２Ｄは、本発明によるスプレージェットＧ２の別の例に適用された本発明を示す。この例は、バルブの組立において図１Ａから１Ｄの例と異なっている。この組立は、出願人により発行されたＦＲ２９１３７２３に開示されている。この例で、リーミング孔１１はスプレージェットＧ１と同じ輪郭を有する。同じ要素を指すのに同じ参照符号が使用される。

スプレージェットは、スプレージェット本体のリーミング孔１１に貫通路２１８が設けられる管形ライナ２１６を有する。プラグ２１０は、貫通路２１８の中で自由に摺動するように取り付けられる。バルブシート２１２との接触状態にプラグを押圧するように、貫通路２１８にバネ１４が設置される。バルブシート２１２は、スプレージェットの本体に形成される。

このスプレージェットは、動作中に振動および摩耗の現象を防止する構造を有してエンジンシリンダ内でのサイズが縮小され、それ自体は製作が容易である少数の部品を有して、研削などの精密機械加工作業を回避するという利点を有する。

図２Ａから２Ｄのスプレージェットの動作は、図１Ａから１Ｄのスプレージェットの動作と類似しており、説明しない。

それ以上であると区分Ｓ２により流量が調整される圧力Ｐ３の値が、例えば円筒形部分１１．２の長さに応じて容易に固定されることに注意すること。軸線Ｘに沿ったこの部分の長さが増加するにつれて、プラグがこの区分を越えるのに必要な圧力が上昇する。ゆえに、この部分の長さを判定することにより、圧力Ｐ３が判定されうる。同様に、バルブシートとともに限流断面を画定する突出要素１０．１をプラグが有する場合には、圧力Ｐ３の値を固定するのにこの突出部分１０．１の長さが使用されうる。

上述したように、説明は、加圧状態のオイルの供給を制御する手段を含む冷却スプレージェットに特に適用可能であるが、制御装置がスプレージェットまたは複数のスプレージェットの上流側に配設されて、一つのスプレージェットまたは複数のスプレージェットの供給を同時に制御することが理解されるだろう。

この装置が供給圧力に応じた流体流量の制御を必要とするいかなる設備にも使用されうることも理解されるだろう。

図４は、図１Ａから１Ｄに示された冷却スプレージェットについてオイル供給圧力（バール）の関数としてのオイル流量変化（リットル／分）を示して曲線はＩと記され、また、先行技術による二つの冷却スプレージェットについて、それぞれＳ３およびＳ２に等しい吐出出口区分を示す。使用されるオイルの粘度は７ｃＳｔである。

図の特定例では、曲線Ｉに流量が示されたスプレージェットのように２．１バールで２．３リットル／分の流量を保つが３バールでは４．６リットル／分の流量となるスプレージェットを用意する必要があり、３バールでの曲線Ｉの流量は３リットル／分に等しい。

曲線ＩＩでは、分離段階の後の流量変化が線形関数であることが分かる。スプレージェットは２．１バールで２．３リットル／分の流量を、３バールで３リットル／分に等しい流量を出力する。

曲線Ｉは、バルブの閉鎖状態に対応する１．５バール未満の圧力についてのＩ．１と記された部分を有し、そのため出口流量はゼロである。

そして曲線Ｉは、圧力が１．５バールより高い時のＩ．２と記された部分を有し、プラグはバルブシートから分離し、この時に流量は急速に増加する。

分離段階が終了すると、バルブは、プラグがバルブシートとともに限流断面積Ｓ３を画定する開放状態にある。流量変化は、線形則に従う（Ｉ．３と記された部分）。得られる有効流量は２．１バールで２．３リットル／分である。

供給圧力がさらに増加すると、曲線ＩＩは、区分Ｓ２により流量が調整されるような断面積となるようにプラグがバルブシートに対して長手方向に移動するバルブの別の開放状態に対応する部分Ｉ．５を有する。

曲線は、断面積の変化による移行段階に対応する部分Ｉ．３とＩ．５との間の部分Ｉ．４を有する。

発明によれば、２．１バールの圧力での流量に影響せずに３バールの供給圧力について４．６リットル／分の流量が効果的に得られる。

曲線ＩＩＩでは、当該技術によるスプレージェットの出口断面はＳ２に等しく、３バールでは４．６リットル／分が効果的に得られるが、２．１バールでは流量は３．５リットル／分である。

斜線エリアは、出口断面Ｓ２（曲線ＩＩＩ）を持つ当該技術によるスプレージェットと比較した、本発明によるオイル消費量の減少を示す。

本発明では、比較的複雑なオイル流量変化則を持つ冷却スプレージェットが、オイルおよびポンプ消費を最適化しながら所定の圧力値について高いオイル流量を提供することが可能となる。

制御装置は、図１Ａから２Ｃに示されたようなスプレージェットに含まれうる。複数のスプレージェットへの供給を同時に制御するように、流体供給源と複数のスプレージェットとの間に配設されうる。

供給制御装置は、内燃エンジンのための一つまたは複数のピストン制御スプレージェットの供給を制御するのに特に適している。しかし、本発明による制御装置は、流体を使用して流体供給源に対する制御を必要とするいかなるシステムにも適応されうることが理解されるだろう。

２ 本体
４ 供給入口
６ 吐出出口
７ スプレージェット管
８ バルブ
１０ プラグ
１１ リーミング孔
１１．１ 第１部分
１１．２ 第２円筒形部分
１１．３ 第３部分
１２ バルブシート
１４ 弾性手段
１１１ リーミング孔
１１１．１ 第１テーパ状区分
１１１．２ 第２テーパ状区分
１１１．３ 第３テーパ状区分
２０８ バルブ
２１０ プラグ
２１２ バルブシート
２１６ 管形ライナ
２１８ 貫通路
Ｇ１，Ｇ２ スプレージェット

Claims (8)

1. 加圧状態の供給源からシステムへの流体の供給を制御する装置であって、加圧状態の流体のための供給入口（４）と、加圧状態の前記流体のための吐出出口（６）と、前記供給入口（４）と前記吐出出口（６）とを接続するリーミング孔（１１，１１１）とを有し、前記吐出出口が所定の断面積を有し、さらに、前記リーミング孔（１１，１１１）の中で自由に摺動するように設置されて、リーミング孔（１１，１１１）に形成されたバルブシート（１２，２１２）と閉鎖状態で当接するプラグ（１０，２１０）を有するバルブ（８，２０８）を有し、前記バルブ（８，２０８）が、前記プラグが前記バルブシート（１２，２１２）から離間する第１段階の後に複数の開放状態を有し、各開放状態が異なる流体圧力値範囲に対応し、各開放状態の前記プラグ（１０，２１０）と前記リーミング孔（１１，１１１）との間の断面積が他の状態の断面積と異なり、前記開放状態の少なくとも一つが、前記吐出出口での流体流量を調整するような断面積を有して、前記開放状態の少なくとも一つが、前記吐出出口（６）の断面積により流量が調整されるような断面積を有し、
   前記リーミング孔（１１，１１１）が、前記バルブシート（１２，２１２）を形成する第１部分（１１．１，１１１．１）と、前記吐出出口（６）の断面積より小さい断面積を前記プラグとともに画定する少なくとも一つの第２部分（１１．２，１１１．２）と、前記吐出出口（６）の断面積より大きい断面積を前記プラグとともに画定する第３部分（１１．３，１１１．３）とを有し、前記第１、第２、および第３部分が前記流体流動方向に沿って前出の順序で配設される、制御装置。
2. 前記吐出出口の断面積により流量が調整されるような断面積を持つ前記開放状態が、前記圧力値範囲が最高圧力値を含む開放状態である、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記リーミング孔（１１，１１１）が、前記バルブシート（１２，２１２）から始まり流体流動方向に沿って増加する断面積を有する、請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記リーミング孔が複数の第２部分を有し、前記第２部分が、前記流動方向に沿って増加する断面積を前記プラグとともに画定するように前記流体流動方向に沿って配設される、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記第２部分（１１．２）が円筒形部分を有して前記第３部分がテーパ状部分を有する、請求項３または４に記載の制御装置。
6. 前記少なくとも一つの第２部分（１１１．２）が前記プラグ（１０）とともに可変断面積を画定する、請求項３または４に記載の制御装置。
7. 前記制御装置は１つまたは複数の冷却スプレージェットへの流体の供給を制御するように構成されている、少なくとも一つの前記冷却スプレージェットと請求項１から６のいずれか一項に記載の前記制御装置とを有する内燃エンジンの少なくとも一つのピストンのための冷却システム。
8. 前記制御装置がスプレージェットの本体に含まれ、前記吐出出口が前記スプレージェットの自由端部により形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御装置を有する内燃エンジンのピストンのための制御スプレージェット。

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