JP2000240560A - 斜板式流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】筒内噴射ガソリンエンジン用のアキシャルプラ
ンジャ型高圧燃料ポンプにおいて、スリッパ軸受の大き
さは変えずに負荷容量を増大させ、十分な耐焼付き性と
耐摩耗性を確保する。 【解決手段】スリッパ軸受の支点位置を摺動方向の中央
から後流側へ３％から６％ずらすとともに、スリッパの
自転を抑止する機構を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射ガソリン
エンジン用燃料ポンプに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】筒内噴射ガソリンエンジンに燃料を供給
する高圧燃料ポンプは、燃料タンク内の低圧ポンプから
供給された燃料を、エンジン筒内に直接噴射するため３
ＭＰａ以上の高圧に加圧する装置であり、ポンプボディ
と、ボディ内に収められた圧縮機構と、カム軸等からポ
ンプ内部圧縮機構へ駆動力を伝える駆動軸と、作動流体
がポンプ外部へ漏れるのを防ぐシール等から成り立って
いる。

【０００３】高圧燃料ポンプの形式のひとつとして、例
えば特開平9−236080 号公報に記載されたような、いわ
ゆるアキシャルプランジャ型のポンプがある。前記公知
例においては、ベローズを用いてボディ内部を二つの部
分に分け、軸シールや軸受などの主摺動部は燃料室内に
設けず、ベローズで分離された油室内に設けている。こ
のことにより、極低粘度の液体であるガソリンの代わり
に通常の潤滑油を用いて主摺動部を潤滑することがで
き、軸受などの焼付き，摩耗に対する信頼性を高めてい
る。

【０００４】また、特開平9−250447 号公報に記載され
たポンプにおいては、ベローズを用いずに駆動機構部を
燃料で潤滑して小型化を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料ポンプにおいては、種種の課題がある。

【０００６】前者公知例では駆動機構部の信頼性は高い
ものの、ベローズを用いるため、形状の複雑，大型化を
招いている。

【０００７】後者公知例では形状は単純で小型化できる
ものの、駆動機構部を潤滑性の低い燃料で潤滑するた
め、信頼性に難点がある。

【０００８】本発明の目的は、ベローズを用いず小型化
可能な構造と、焼付きや摩耗を防止する十分な潤滑性を
両立させた、筒内噴射ガソリンエンジン用燃料ポンプを
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、燃料の吸入口をシリンダブロックの内部
に設け、プランジャ６とシリンダ５の間隙をシールする
シール部材７を置くことにより、ベローズを用いること
なく、一方を燃料環境、もう一方を潤滑油環境として分
断する。

【００１０】さらに、従来のスリッパ軸受８は円筒形状
をしており、球面８ａと平面８ｂはともに軸対称で両者
の対称中心軸は一致していたが、本発明では平面８ｂの
重心を、球面８ａの曲率中心を平面に投影した位置か
ら、積極的にずらすことにより、スリッパ軸受の負荷容
量を増大させて固体接触を防ぎ、信頼性を高める。低速
時に特に固体接触の危険が高いので、本発明は有効であ
る。

【００１１】また、このようにスリッパの形状を軸に対
して非対称にすると、スリッパの自転によって好ましく
ない方向に位置関係が遷移してそこで安定してしまい、
負荷容量を逆に低減させてしまうことがあるが、本発明
ではスリッパの自転止めを設けることにより、スリッパ
の負荷容量を高く保つ構成とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例のうちい
くつかを、図面に基づいて詳細に説明する。

【００１３】本実施例は筒内噴射ガソリンエンジン用の
燃料ポンプである。上記エンジンは、ガソリンを吸気ポ
ートへ噴射する従来のガソリンエンジンと異なり、高圧
の燃焼シリンダ内に直接ガソリンを噴射する形式である
ため、前記燃料ポンプには、３ＭＰａあるいはそれ以上
の高圧にガソリンを加圧することを要求される。

【００１４】図２は本発明の一実施例の燃料ポンプの断
面図である。

【００１５】まず運動の機構を説明する。

【００１６】駆動軸３はカップリング１０を介してエン
ジンカム軸に連結され、駆動力をポンプに伝達する。前
記駆動軸は、ラジアル転がり軸受１１およびスラスト転
がり軸受１２によって、ボディ１内で回転自由に支持さ
れる。駆動軸３は、半径方向に広がりかつ端面部は斜め
の平板を形成した斜板４を備えている。この斜板４の斜
面にはスリッパ８が接触し、駆動軸３と一体となって回
転する斜板４上を滑らかに摺動できるように、スリッパ
８の斜板４側は実質的に平面８ｂとなっている。

【００１７】スリッパ８のもう一方側は球面形状８ａに
なっており、斜板４から伝達される揺動運動は、シリン
ダ５のボア内部を摺動するプランジャ６の往復運動に変
換される。シリンダ５は複数個が、シリンダブロック内
に円周状等間隔に配置されている。プランジャ６はスリ
ッパ８を介し、スプリング１３のばね力によって斜板４
に押し付けられている。

【００１８】次に燃料の経路を説明する。

【００１９】シリンダ５とプランジャ６で燃料の圧縮室
２を形成している。燃料はフィードポンプの圧力によっ
て図示しない吸入ポートから、シリンダブロック中央部
の吸入空間１４に導入され、シリンダ５への斜め通路１
５を経由してシリンダボア内に導入される。プランジャ
６の外周部にはプランジャストロークより大きな幅の溝
が設けられていて上記斜め通路１５から導入された燃料
を受ける。さらにこの溝は、プランジャ内部に設けられ
た吸入チェックバルブ１６に連通されている。

【００２０】吸入行程では上記吸入チェックバルブ１６
が開いて圧縮室２内に燃料が入り、圧縮行程でプランジ
ャ６によって加圧され、リアボディ１７に設けられた吐
出チェックバルブ１８から、図示しない吐出ポートへと
吐出される。

【００２１】シリンダ５とプランジャ６の間隙はごく小
さく管理され、圧縮室２で生じた３ＭＰａ以上の高圧が
斜め通路１５側に漏れないように、スキマシールとなっ
ている。

【００２２】このようにして、圧縮室２内で生じる高圧
は、スリッパ軸受８を介して斜板４に伝達される。スリ
ッパ軸受８は、高面圧を支持しつつ摺動する必要があ
り、燃料ではなくオイル潤滑とすることで、耐焼付き
性，耐摩耗性を確保する。

【００２３】このように駆動機構部はオイル環境，燃料
通路から圧縮室にかけては燃料環境とする場合、両流体
が互いに混ざらないように密封するシールが必要であ
る。本実施例ではＸ字形の断面を持つ弾性体リングを、
往復動シール部材７として、シリンダ５とプランジャ６
の間隙に配置してある。このシール部材７には図示しな
い燃料フィードポンプによる、一定の（一般的に０.２
ＭＰａから０.５ＭＰａの間）の差圧が作用する。本実
施例では、シール部材７として断面がＸ字形のものを示
したが、それにとどまらず別のシール形状でも同じ効果
があり、例えばシリンダ５側に設けられていてもよい。

【００２４】前述したようにスリッパ８は、高面圧を支
持しながら摺動するスラストすべり軸受であり、その摺
動性能、特に低速時の負荷容量を予測することが重要で
ある。その理由は、負荷容量を十分確保できれば、高面
圧がかかっても油膜厚さを十分保持でき、固体接触に至
らずに済むからである。以下にスリッパ軸受の性能予測
について述べる。

【００２５】スリッパを図３に示すようにモデル化す
る。ここでは計算を単純化するためにスリッパは幅Ｂ，
長さＬの長方形のスライダであると仮定する。長さＬに
対してαの割合の位置に支点があり、油膜が先すぼまり
形状になるよう、スライダは傾くことができる。スリッ
パ軸受の場合、球面８ａの曲率中心が支点に相当する。
傾き角は、支点まわりのモーメントが釣り合うように、
自然と決定される。スライダの端部には、幅ａ，深さｃ
のテーパが形成されている。また、潤滑油の粘度をμ，
テーパが無い場合の最小油膜厚さをｈ０とする。

【００２６】計算方法は以下の通りである。摺動面を格
子点で区切り、油膜の圧力方程式であるレイノルズ方程
式を前記格子点に沿って離散化し、コンピュータによる
収束計算で方程式を解く。境界条件として、スライダの
各端面で圧力一定とする。得られた圧力分布から支点ま
わりのモーメントを求め、これがゼロになるまで傾き角
をくり返し計算で求める。決定した傾き角における圧力
分布を積分して負荷容量Ｗを得る。

【００２７】この解析方法により、支点位置と負荷容量
の関係を調べた。計算条件および結果を図４に示す。

【００２８】まず支点位置が中央、すなわちαが０.５
の場合、発生する負荷容量はごく小さくなる。前端部お
よび後端部にテーパを設けた計算条件なので約６０Ｎの
負荷容量が発生しているが、テーパがなければ負荷容量
は更に小さく、限りなくゼロに近づく。

【００２９】次に支点位置が後流側へ移動した場合、す
なわちαが０.５ より大きい場合を見てみると、αが
０.５５ の時に約６５０Ｎの大きな負荷容量を発生し、
極値を取っていることがわかる。これは、最大の圧力を
発生させる傾き角でモーメントが釣り合うためである。

【００３０】以上の解析結果より、スリッパ軸受の傾き
に対する支点位置が軸受長に対して５３％ないし５６％
になるようにすれば、スリッパ軸受の負荷容量は、中央
支持の場合に比べて１０倍程度向上することがわかる。
すなわち、高い荷重がかかった場合でも最小油膜厚さを
十分確保して固体接触を防ぐという信頼性が増すことに
なる。

【００３１】そこで本発明では、図１（ａ)，(ｂ）に示
すごとく、スリッパ軸受の円周の一部８ｃをＤ字形にカ
ットし、相対的に支点位置（球面８ａの曲率中心）を摺
動面の重心位置からずらす。ずらして支点位置を５３％
ないし５６％位置になるようにするため、Ｄ字形のカッ
ト深さは円筒直径に対して６％ないし１２％にする。な
お、図示したようにスリッパを設置するのは、斜板４の
回転方向が図示した左回りの場合であって、斜板の回転
方向が逆の場合にはスリッパのカットする面も逆にな
る。

【００３２】本発明の別の実施例では、図５（ａ)，
(ｂ）に示すように、スリッパを長円もしくは楕円形と
し、球面の曲率中心が、摺動面の重心に対して３％ない
し６％後流にずれるようにする。

【００３３】以下にスリッパの自転止めについて述べ
る。

【００３４】前述したようにスリッパ形状を軸に対して
非対称とすると、スリッパが支点回りに自転することに
よって摺動面の重心との位置関係が逆になった場合、油
膜形成できずに固体接触してしまうという課題が新たに
生じる。そのため、自転止め機構を設けなければならな
い。

【００３５】本発明の自転止め機構の一実施例を図１
（ａ)，(ｂ）に示す。斜板４の中央部に斜板面と直角に
突き出た楕円形の凸部９ａを設け、スリッパにはＤ字形
のカット部９ｂを設ける。スリッパにカット部９ｂがな
かったとして両者が接触する位置よりも、両者を近づけ
る。このことにより、スリッパが自転しようとすると凸
部９ａに当たり、それ以上の回転はできないようにな
る。

【００３６】本発明の別の実施例では、図６（ａ)，
(ｂ）に示すように、斜板にスリッパが通る溝を設け、
溝幅をスリッパ直径、もしくは図５に示した長円あるい
は楕円の長径よりも小さくし、スリッパの自転を抑制す
る。

【００３７】本発明の別の実施例では、図７（ａ)，
(ｂ）に示すように、スリッパの平面側８ｂに突起を設
け斜板外周部もしくは斜板端面に楕円状に設けた溝に前
記突起をひっかけて、スリッパの自転を抑制する。

【００３８】ここで、一般のアキシャルプランジャポン
プでよく用いられる、静圧スリッパ軸受を、本燃料ポン
プに使用できない理由を付記する。一般のアキシャルプ
ランジャポンプでは、高圧に加圧した作動流体をスリッ
パ軸受部に導き、静圧軸受として特に低速時の油膜厚さ
を確保している。ところが、本燃料ポンプでは高圧に加
圧される作動流体は燃料であり、軸受の潤滑流体は潤滑
油であるため、静圧軸受化すると両者が混合してしま
う。そのため、静圧軸受化して負荷容量を確保すること
はできず、別の負荷容量増大策が必要であり、本発明に
至った。

【００３９】

【発明の効果】以上の如く、本発明により、スリッパ軸
受の負荷容量を十分確保し焼付きや過大摩耗を防止す
る、信頼性の高い、筒内噴射ガソリンエンジン用のアキ
シャルプランジャ型燃料ポンプを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施例に関わる
燃料ポンプの斜板およびスリッパ軸受の断面図及び同図
（ａ）の平面図である。

【図２】図１の実施例に関わる燃料ポンプの断面図であ
る。

【図３】本発明に関わるスリッパ軸受の解析モデル図で
ある。

【図４】本発明に関わるスリッパ軸受の解析結果を表す
図である。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施例に関わ
る燃料ポンプのスリッパ軸受構造を示す断面図及び同図
（ａ）の平面図である。

【図６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施例に関わ
る燃料ポンプの斜板およびスリッパ軸受構造を示す側断
面図及び同図（ａ）の平面図である。

【図７】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施例に関わ
る燃料ポンプの斜板およびスリッパ軸受構造を示す側面
図及び同図（ａ）の平面図である。

【符号の説明】

１…ボディ、２…圧縮室、３…駆動軸、４…斜板、５…
シリンダ、６…プランジャ、７…シール部材、８…スリ
ッパ、９…自転止め機構、１０…カップリング、１１…
ラジアル転がり軸受、１２…スラスト転がり軸受、１３
…スプリング、１４…吸入空間、１５…斜め通路、１６
…吸入チェックバルブ、１７…リアボディ、１８…吐出
チェックバルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋田 稔 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 小野 好信 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 町村 英紀 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 Ｆターム(参考） 3G066 AA01 AB02 AD02 BA29 BA49 CA09 CD03 CD06 3H070 AA02 BB04 BB07 BB17 CC07 CC27 DD13 DD66

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部からの回転駆動力を伝達する駆動軸３
   と、前記駆動軸とともに回転する斜板４と、内部で流体
   を加圧するシリンダ５と、前記シリンダの開口部から挿
   入されたプランジャ６と、前記プランジャと前記シリン
   ダの間隙をシールするシール部材７と、前記斜板と前記
   プランジャの間にあって回転運動を往復運動に変えるた
   め球面部８ａと、平面部８ｂを軸方向端面に有するスリ
   ッパ軸受８とをボディ１内に備えた斜板式流体機械にお
   いて、 前記スリッパ軸受の自転止め機構９を備えたことを特徴
   とする斜板式流体機械。