JP2004218491A - 高圧ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧ポンプの吐出量制御弁のバルブが、低粘度燃料を使用しても異常磨耗しないようにする。
【解決手段】高圧ポンプ（１０）の吐出量制御弁（２０）に設けた開閉弁（２３）の、シート（２４）または／およびバルブ（２５）の全部または少なくとも接触面（２４ａ，２５ａ）に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コモンレール式ディーゼルエンジンの燃料噴射装置の、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧ポンプの吐出量制御弁の、シートおよびバルブの材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は一例の、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図を示す。図１において、ディーゼルエンジン１にはコモンレール３に高圧燃料を供給する高圧ポンプ（サプライポンプ）１０が設けられている。高圧ポンプ１０には、三角形状のカム１２を有するドライブシャフト１１が設けられ、ドライブシャフト１１はディーゼルエンジン１のクランクシャフト２と連動している。高圧ポンプ１０にはシリンダ１３が設けられ、シリンダ１３内にはカム１２のカム面を接触しながら摺動するプランジャ１４が嵌入されていて、プランジャ１４の上部にプランジャ室（加圧室）１５を形成している。
【０００３】
シリンダ１３の上部には電磁式の吐出量制御弁２０が設けられている。吐出量制御弁２０は、燃料タンク１７に接続するフィードポンプ１６から、プランジャ室１５に至る燃料通路１８を開閉する。吐出量制御弁２０は開閉弁２３と、開閉弁２３を開方向に付勢するスプリング２１と、ソレノイド２２とを備えており、ソレノイド２２の通電によりそれまでの開弁状態からスプリング２１の付勢力に抗して開閉弁２３を移動させて閉弁する。プランジャ室１５とコモンレール３とは燃料供給管４により接続されている。燃料供給管４のプランジャ室１５側の端部には、逆止弁５が設けられ、高圧ポンプ１０側からコモンレール３側への燃料供給は許容され、コモンレール３側から高圧ポンプ１０側への燃料の通過が規制される。コモンレール３には各気筒毎のインジェクタ６，６，６，６が接続されている。ソレノイド２２は電子制御ユニット７と接続している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
次に作動について説明する。ディーゼルエンジン１のクランクシャフト２が回転すると、カム１２はドライブシャフト１１と共に回転する。カム１２の回転に伴いプランジャ１４が下方に動くことにより、シリンダ１３内のプランジャ室１５に、吐出量制御弁２０を介してフィードポンプ１６により燃料タンク１７の燃料が供給される。吐出量制御弁２０の開閉弁２３が開いた状態でプランジャ１４が上昇すると、吸入された燃料は低圧のままリターンされる。電子制御ユニット７からの制御信号により開閉弁２３が閉じられ、この状態でプランジャ１４が上昇するとプランジャ室１５内の燃料の圧力は上昇し、逆止弁５を経てコモンレール３に圧送される。すなわち、吐出量制御弁２０閉弁以降のプランジャ１４の上昇分が吐出量となり、吐出量制御弁２０の閉弁のタイミングを変化させることにより吐出量が変わり、コモンレール３内の燃料圧力の制御が行われる。
【０００５】
図２は一例の、高圧ポンプ１０の正面断面図であり、図３は図２のＡ部の、吐出量制御弁２０の詳細断面図である。図２の高圧ポンプ１０については、図１で説明した同一部材には同一符号を付して説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。図２において、プランジャ１４はバネ１９により常にカム１２側に付勢されている。図３において、吐出量制御弁２０の開閉弁２３は、本体２７に固着されたシート２４と、シート２４内を上下方向に摺動自在に取付けられたバルブ２５とを有する。シート２４に設けられたシート接触面２４ａと、バルブ２５に設けられたバルブ接触面２５ａとは当接することにより閉弁するようになっている。バルブ２５の上端部には、ソレノイド２２に吸着されるプレート２６が取付けられている。通常時にはバルブ２５はスプリング２１により下方に付勢されて開弁状態にあり、ソレノイド２２に通電されるとプレート２６は、スプリング２１の付勢力に抗して上方に吸引され、バルブ２５は上昇してバルブ接触面２５ａは、シート接触面２４ａに当接して閉弁状態になる。
【０００６】
従来、上記高圧ポンプ１０の吐出量制御弁２０の、シート２４とバルブ２５との材料に関する特許文献はないが、市販されているものには以下のようなものがある。すなわち、シート２４の材料には例えば高炭素クロム鋼等があり、バルブ２５の材料には、例えば、クロムモリブデン鋼、合金工具鋼、タングステン系高速度工具鋼などがある。そして潤滑材は燃料である軽油である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３０１４７号公報（第３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、ディーゼルエンジンの燃料として低粘度燃料、例えば寒冷地／極地用燃料やジェット燃料のように粘度の低い燃料が使われるようになってきた。このような燃料を使用した場合、潤滑性が悪いため、前述の吐出量制御弁のバルブ及びシートの接触面が異常磨耗し、ディーゼルエンジンの耐久性が低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであり、低粘度燃料を使用しても吐出量制御弁のバルブに異常磨耗が発生することがなく、耐久性に優れたコモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧ポンプを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、第１発明は、コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧ポンプにおいて、前記高圧ポンプに備えられた吐出量制御弁の、シートまたは／およびバルブの全部または少なくとも接触面に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いた構成としている。
【００１１】
第１発明によると、吐出量制御弁の、シートまたは／およびバルブの全部または少なくとも接触面に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いたため、低粘度燃料を使用しても吐出量制御弁のシートまたは／およびバルブの接触面が異常磨耗することはなく、耐久性の優れた、コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンの、コモンレールに高圧燃料を供給する高圧ポンプが得られる。
【００１２】
第２発明は、第１発明において、前記吐出量制御弁のシートまたはバルブのいずれか一方に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用い、他方の材料に耐磨耗性の高い合金鋼を用いた構成としている。
【００１３】
第２発明によると、シートまたはバルブのいずれか一方の材料に耐磨耗性の高い合金鋼を用いている。これらの合金鋼は入手しやすく、コストを低減できる。
【００１４】
第３発明は、第１又は第２発明において、前記吐出量制御弁のシート側に、前記コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いた構成としている。
【００１５】
第３発明によると、強度的に安定した形状のシートに上記材料を使用したため、破損の恐れが少なく、信頼性に優れている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る高圧ポンプについて、図面を参照して説明する。
【００１７】
近年、耐食、耐磨耗材料として、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料が注目されている。例えば、上記構成を持つ材料として、商品名トリバロイがあり、以下のような化学成分である。

上記材料の金属間化合物は、それ自体が変形、磨耗しない硬さであり、又、相手材表面を傷つけたり、磨耗させるほどの硬さではないとしている。エンジンへの実用例としては、エンジンの吸気バルブのシート材として使用されているのみである。本発明者はこれに着目して前述の吐出量制御弁のバルブまたは／およびシートにトリバロイ（商品名）を使用することを着想した。
【００１８】
本発明者は、潤滑剤が低粘度燃料の場合の、トリバロイ（商品名）の耐磨耗性評価のテスト方法として、燃料の潤滑性を評価する燃料潤滑性評価法を利用することを思いついた。
【００１９】
以下にＨＦＲＲ（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ Ｒｉｇ）法と呼ばれる燃料潤滑性評価法について説明する。図４はＨＦＲＲ３０の説明図である。図４において、燃料槽３１の底部には試験円板３２が設けられ、その上には試験鋼球３３が載せられている、燃料槽３１には被試験燃料３４が満たされ、燃料槽３１の底部には電気加熱器３５が設けられていて被試験燃料３４を加熱するようになっている。試験鋼球３３は白矢印Ｂのように垂直方向に加圧され、矢印Ｃのように水平方向に往復運動するようになっている。試験円板３２および試験鋼球３３の材質はＳＵＪで、それぞれ所定の硬さを有する。試験は被試験燃料３４を電気加熱器３５で所定の温度（例えば６０°Ｃ）に加熱し、試験鋼球３３に白矢印Ｂ方向に、所定の荷重Ｗ（例えば２００ｋｇ）を加え、矢印Ｃ方向に所定のサイクル（例えば５０Ｈｚ）で、所定時間（例えば７５ｍｉｎ）、往復運動（例えばストローク１ｍｍ）を行わせる。その結果、図の右側に示す試験鋼球３３の磨耗部分の直交する直径Ｘ，Ｙを測定し、次式によりＷＳＤ（Ｗｅａｒ Ｓｃａｒ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を求める。
ＷＳＤ＝（Ｘ＋Ｙ）／２ μｍ
ＷＳＤの値は被試験燃料の潤滑性が高ければ小さく、すなわち磨耗が少なくなり、被試験燃料の潤滑性が低ければ大きくなる。この値により被試験燃料３４の潤滑性を評価する。
【００２０】
本発明者は、上記のＨＦＲＲ法を応用して以下のようなトリバロイ（商品名）の耐磨耗性評価を行った。すなわち、前記試験鋼球３３を従来のバルブ２５の材質と同じＳＣＭ浸炭とし、試験円板３２を従来のシート２４の材質と同じＳＵＪ、または比較試験材料であるトリバロイＴ−４００（商品名）とした。又、燃料槽３１に入れる潤滑剤である燃料を、軽油または低粘度燃料として磨耗試験を行い、ＷＳＤの比較を行った。図５はＨＦＲＲ法による耐磨耗性評価テストの結果である。図５において、縦軸はＷＳＤ値である。棒グラフのａ，ｂ，ｃは試験円板３２がＳＵＪのものであり、ｄ，ｅはトリバロイＴ−４００（商品名）のものである。棒グラフａは、潤滑剤として従来の燃料である軽油を用いた時の結果であり、ｂ，ｃ，ｄ，ｅは低粘度燃料を用いた時の結果である。棒グラフａのＷＳＤ値を単体目標値Ｄとすると、ＳＵＪを用いたｂ，ｃは単体目標値Ｄを大幅に上回っており、磨耗量が多い。トリバロイＴ−４００（商品名）を用いたｄ，ｅは単体目標値Ｄ以下であり、目標を満足している。発明者はこの結果に基づき、吐出量制御弁２０のシート２４の材質をトリバロイＴ−４００（商品名）とし、バルブ２５の材質を耐磨耗性の高い合金鋼の一例であるクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）浸炭とすることとした。
【００２１】
図６は、吐出量制御弁２０の開閉弁２３の、接触面部の磨耗量の実績及びテスト結果を示すグラフである。図６において、縦軸は開閉弁接触面部の磨耗量（シート２４のシート接触面２４ａと、バルブ２５のバルブ接触面２５ａとの磨耗量の合計）、横軸はエンジン運転時間である。●は、従来の材質、すなわちシート２４が高炭素クロム鋼（ＳＵＪ）で、バルブ２５がクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）浸炭で、燃料が軽油の場合である。この場合の磨耗状況は軽油使用レベルＫ以下になっており、長時間にわたり磨耗限界線Ｇを大幅に下回っている。シート２４およびバルブ２５が従来の材質で、低粘度燃料を使用した場合には、○に示すようにバラツキが大きく、磨耗限界線Ｇを大幅に越えるものもあり、信頼性に欠けていて実用的でない。図中□で示したものは、シート２４がトリバロイＴ−４００（商品名）で、バルブ２５がクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）浸炭のものである。時間は短時間であるが磨耗量は０であり、前述の耐磨耗性評価テストの結果から見ても、その磨耗量は軽油使用レベルＫ以下になると予想される。
【００２２】
本発明の高圧ポンプは、シートの材質をトリバロイ（商品名）とし、バルブの材質を耐磨耗性の高い合金鋼としたため、低粘度燃料を使用しても磨耗量が少なく、十分に実用に耐えうる。又、強度的に安定した形状のシートをトリバロイ（商品名）にしたため、破損の恐れが少なく信頼性に優れ、バルブの材質を耐磨耗性の高い合金鋼としたため材料の入手が容易で、コストを安くできる。
【００２３】
なお、本発明においては、以下のような構成としても良い。
シートの材質をトリバロイＴ−４００（商品名）にしたが、トリバロイＴ−７００（商品名）あるいはＴ−８００（商品名）でも良く、バルブの材質をクロムモリブデン鋼浸炭としたが、合金工具鋼や、タングステン系高速度工具鋼等でも良い。
シートおよびバルブの材質をトリバロイ（商品名）にしたり、あるいはバルブ側のみをトリバロイ（商品名）にしても良く、シートとバルブとの両方、もしくは片方の接触面のみにトリバロイ（商品名）を用いても良い。
コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料の一例としてトリバロイ（商品名）を選択したが、トリバロイ（商品名）以外の材料であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】コモンレール式ディーゼルエンジンの燃料噴射装置の構成図である。
【図２】高圧ポンプの正面断面図である。
【図３】図２のＡ部詳細図である。
【図４】ＨＦＲＲ法の説明図である。
【図５】ＨＦＲＲ法による耐磨耗性評価テストの結果を示すグラフである。
【図６】吐出量制御弁のバルブシート部の、磨耗量の実績及びテスト結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン、１０…高圧ポンプ、２０…吐出量制御弁、２３…開閉弁、２４…シート、２４ａ…シート接触面、２５…バルブ、２５ａ…バルブ接触面。

Claims (3)

1. コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジン（１）の、コモンレール（３）に高圧燃料を供給する高圧ポンプ（１０）において、
   前記高圧ポンプ（１０）に備えられた吐出量制御弁（２０）の、シート（２４）または／およびバルブ（２５）の全部または少なくとも接触面（２４ａ，２５ａ）に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いた
   ことを特徴とする高圧ポンプ。
2. 請求項１記載の高圧ポンプにおいて、
   前記吐出量制御弁（２０）のシート（２４）またはバルブ（２５）のいずれか一方に、コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用い、他方の材料に、耐磨耗性の高い合金鋼を用いた
   ことを特徴とする高圧ポンプ。
3. 請求項１又は２記載の高圧ポンプにおいて、
   前記吐出量制御弁（２０）のシート（２４）側に、前記コバルトまたは／およびニッケルをベースとし、前記ベースのマトリックス内に金属間化合物の層を分散させた構造を持つ材料を用いた
   ことを特徴とする高圧ポンプ。

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