JP2005133618A - 燃料ポンプ駆動用カム - Google Patents

Abstract

【課題】 カムシャフト材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、ポンプカムに要求される耐スカッフィング性等、疲労強度を満足することができる燃料ポンプ駆動用カムの提供。
【解決手段】（１）動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフト２と別体で形成されてカムシャフトに取付けられ、燃料ポンプ３との摺動接触部が焼結材から構成されている燃料ポンプ駆動用カム１。（２）ポンプカムの燃料ポンプとの摺動接触部を構成する焼結材が液相焼結材である。（３）カムシャフトが球状黒鉛鋳鉄である。（４）ポンプカム１の、カムシャフト２への取付けは加温圧入である。（５）ポンプカムはインナーピース８とアウターピース９とを有し、インナーピースがスチール材で構成され、アウターピースが液相焼結材で構成され、インナーピースとアウターピースとの接合は拡散接合である。（６）ポンプカムはカムシャフトの最後端カム５より後側でカムシャフト２に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、筒内直接噴射ガソリンエンジンの燃料ポンプ（筒内噴射であるから高圧燃料ポンプ）を駆動するための、カムシャフトに設けられる燃料ポンプ駆動用カム（燃料ポンプ駆動用カムを、単に「ポンプカム」ともいう）に関する。

特開２００３−１８４６８８号公報は、筒内直接噴射ガソリンエンジンの高圧燃料ポンプを駆動する、カムシャフト端部に設けられたポンプカムを開示している。
従来のポンプカムは、通常、ねずみ鋳鉄（たとえば、ＪＩＳ．ＦＣＡ５等）のカムシャフトに一体で成形し、ポンプカム部の表面に冷し金またはＴＩＧチルにて硬度大のチル組織を形成して、ポンプカム部の耐ピッチング性、耐スカッフィング性を出していた。ここで、「ピッチング」とはカム表面部の組織が剥離する現象であり、「スカッフィング」とはカム表面部が焼きつきや凝着を起こす現象である。
一方、動弁系のローラロッカーアーム化に伴い、カム材質をねずみ鋳鉄からころがり接触に優れた球状黒鉛鋳鉄（たとえば、ＪＩＳ．ＦＣＤ７００等）に変更したいという要望がある。

しかし、カム材質を球状黒鉛鋳鉄に変えると、ポンプカムがカムシャフトに一体形成される従来構造では、ポンプカムの材質も球状黒鉛鋳鉄になる。ねずみ鋳鉄より熱伝導率が低い球状黒鉛鋳鉄では、従来のねずみ鋳鉄に比べ、冷し金チルでは硬度が得られず、またＴＩＧチル（表面を一旦電流で溶融して急冷する方法）では十分な疲労強度を確保できない。その結果、ポンプカム部に要求される、燃料ポンプのリフターとの摺動接触における耐スカッフィング性等、疲労強度を満足することができなくなる。
特開２００３−１８４６８８号公報

本発明が解決しようとする問題点は、カムシャフト材質を球状黒鉛鋳鉄に変える場合に、ポンプカムに要求される耐スカッフィング性等、疲労強度を満足することが困難であるという問題である。

本発明の目的は、カムシャフト材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、ポンプカムに要求される耐スカッフィング性等、疲労強度を満足することができる燃料ポンプ駆動用カムを提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフトと別体で形成されて前記カムシャフトに取付けられ、燃料ポンプとの摺動接触部が焼結材から構成されている燃料ポンプ駆動用カム。
（２）前記燃料ポンプ駆動用カムの燃料ポンプとの摺動接触部を構成する焼結材が液相焼結材である（１）記載の燃料ポンプ駆動用カム。
（３）前記動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフトが球状黒鉛鋳鉄である（１）または（２）記載の燃料ポンプ駆動用カム。
（４）前記燃料ポンプ駆動用カムの、前記カムシャフトへの取付けは加温圧入である（１）〜（３）の何れかに記載の燃料ポンプ駆動用カム。
（５）前記燃料ポンプ駆動用カムはインナーピースとアウターピースとを有し、前記インナーピースがスチール材で構成され、前記アウターピースが液相焼結材で構成され、前記インナーピースと前記アウターピースとの接合は拡散接合である（１）〜（３）の何れかに記載の燃料ポンプ駆動用カム。
（６）前記燃料ポンプ駆動用カムは前記カムシャフトの最後端カムよりカムシャフト後端側で前記カムシャフトに配置される（１）〜（３）の何れかに記載の燃料ポンプ駆動用カム。

上記（１）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、燃料ポンプ駆動用カムがカムシャフトと別体で形成されているので、燃料ポンプ駆動用カムとカムシャフトとの材質を容易に互いに変えることができる。その結果、カムシャフト材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、燃料ポンプ駆動用カムに耐スカッフィング性のある材料を選定することができる。
上記（２）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、燃料ポンプ駆動用カムの燃料ポンプとの摺動接触部が液相焼結材で構成されるので、カムシャフト材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、燃料ポンプ駆動用カムの耐スカッフィング性等疲労強度を、単体強度に優れた液相焼結材により、得ることができる。
上記（３）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、カムシャフトが球状黒鉛鋳鉄で構成されるので、動弁系カム部のローラロッカーとのころがり接触における耐ピッチング性を確保することができる。
上記（４）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、燃料ポンプ駆動用カムの、カムシャフトへの取付けを加温圧入としたため、燃料ポンプ駆動用カムを安価にカムシャフトに取り付けることができる。
上記（５）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、インナーピースをスチール材で構成したため、カムシャフトへの圧入精度を旋盤等簡便な加工で実施できる。また、インナーピースとアウターピースとの接合を拡散接合としたため、インナーピースとアウターピースとを強固に互いに固定することができる。
上記（６）の燃料ポンプ駆動用カムによれば、燃料ポンプ駆動用カムを最後端カムより後ろ側に配置するので、動弁系カムピースを乗り越えずにカムシャフトに圧入することができる。

以下に、本発明の燃料ポンプ駆動用カムを図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料ポンプ駆動用カム１（「燃料ポンプ駆動用カム」は、「ポンプカム」ともいう）は、動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフト２と別体で形成されてカムシャフト２に取付けられ、燃料ポンプ３との摺動接触部が焼結材で構成されている。ただし、カムシャフト２、燃料ポンプ３は、ポンプカム１の一部を構成する部材ではない。エンジンは筒内直接噴射のガソリンエンジンであり、燃料ポンプ３は高圧ポンプである。

カムシャフト２はシリンダヘッド上に装着されたカムハウジング４に、またはシリンダヘッドに直接に、回転自在に支持されており、水平またはほぼ水平に延びている。カムシャフト２には動弁系カム５が、通常、カムシャフト２に一体に、形成されている。動弁系カム５は、ローラロッカーアームのローラーにころがり接触する。ＤＯＨＣ（Double Overhead Camshaft）エンジンの場合は、２本のカムシャフト２が設けられ、１本はインテーク側、他の１本エキゾースト側に配置される。燃料ポンプ駆動用カム１は、エキゾースト側カムシャフトの後端部側部分に取付けられている。

燃料ポンプ３は、エキゾースト側カムシャフトの後端部側部分に取付けられた燃料ポンプ駆動用カム１の上方に設けられている。燃料ポンプ３は、ポンプ軸芯が上下方向に延びており、燃料ポンプ３のリフター６は回転する燃料ポンプ駆動用カム１と摺動接触し、燃料ポンプ駆動用カム１によって上下方向に駆動される。燃料ポンプ３は、シリンダヘッドカバー７によって支持され、燃料ポンプ３の下端部は、シリンダヘッドカバー７を貫通してカム室内に延びている。シリンダヘッドカバー７は、カムハウジング４上に、またはシリンダヘッド上に直接、固定され締結されている。
カムハウジング４またはシリンダヘッドにはオイルバス１１（潤滑油溜まり）が設けられていて、燃料ポンプ駆動用カム１の下端部はオイルバス１１中のオイルで潤滑される。また、オイルバス１１とは別に設けたノズル１２（オイルジェット）から噴射されるオイルによって、燃料ポンプ駆動用カム１と燃料ポンプ３との摺動部は潤滑される。

動弁系カム５の材質は、鋳鉄材（球状黒鉛鋳鉄、またはねずみ鋳鉄）である。
動弁系がローラロッカーアーム化される場合（ローカーアームがローラを備え、カム５がローラを叩き、アジャスタ頭部を揺動の中心として揺動するローカーアームの揺動端でバルブを開閉駆動する場合）は、動弁系カム５の材質は、従来のねずみ鋳鉄から、ころがり接触に優れた球状黒鉛鋳鉄（たとえば、ＪＩＳ．ＦＣＤ７００等）に変更されることが望ましい。その場合は、カムピースとシャフトが一体に作製されたカムシャフト２の材質も、球状黒鉛鋳鉄となる。図示例では、動弁系カム５およびカムシャフト２の材質は、球状黒鉛鋳鉄、たとえば、ＪＩＳ．ＦＣＤ７００等である。
ただし、動弁系カム５の材質は、動弁系カム５のころがり接触において、耐ピッチング性上問題がない場合は、従来のねずみ鋳鉄、たとえば、ＦＣＡ５等であってもよい。

燃料ポンプ駆動用カム１は、燃料ポンプ３とすべり接触するので、油膜が切れやすく、耐ピッチング性、耐スカッフィング性上、ころがり接触の動弁系カム５に比べて条件が厳しい。そのため、燃料ポンプ駆動用カム１の、燃料ポンプ３と摺動接触部は、焼結材で構成されている。
燃料ポンプ駆動用カム１の、燃料ポンプ３と摺動接触部を構成する焼結材は、望ましくは、液相焼結されたものであり、通常の焼結材に比べて、緻密でかつ粉末同士の結合強度が高く、耐スカッフィング強度等、疲労強度が高い。「液相焼結」では、鉄系および鉄以外の成分の、焼結材粉末が粉末表面液相となる高温（たとえば、９００℃以上）で焼結され、（鋳鉄材のようにチル化されなくても）単体で十分な耐スカッフィング強度をもつ。

もしも、ポンプカムをカムシャフトと一体に鋳鉄材で作製すると、燃料ポンプとのすべり接触のために条件が厳しい、ポンプカムの摺動表面部は、チル化する必要があるが、ポンプカムを球状黒鉛鋳鉄で構成した場合はチル化が困難であり対応できないという問題が生じ、ポンプカムをねずみ鋳鉄で構成した場合は、チル化はできても荷重条件を従来より厳しくできず、燃料ポンプのリフタ径を従来より小さくできない等、設計に制約が出るという問題が生じる。
しかし、本発明のように、燃料ポンプ駆動用カム１の、燃料ポンプ３と摺動接触部を、液相焼結された焼結材で構成した場合は、耐スカッフィング強度を従来のねずみ鋳鉄のチル化の場合に比べて２倍以上に上げることができ、ポンプカムを鋳鉄材で構成した場合に生じる問題を伴うことなく、燃料ポンプ駆動用カム１の、燃料ポンプ３と摺動接触部に必要とされる耐スカッフィング強度を満足することができる。

燃料ポンプ３と摺動接触部が液相焼結された焼結材で構成された燃料ポンプ駆動用カム１の、カムシャフト２への装着、固定構造を説明する。
燃料ポンプ駆動用カム１の、カムシャフト２への取付けは、図２に示すように、加温圧入である。ポンプカム１の使用温度以上の温度、たとえば、２５０℃にポンプカム１の温度を上げておいて、常温のカムシャフト２に装着し、常温に戻して固定する。ポンプカム１の使用温度以上の温度での圧入であるから、エンジン運転中にポンプカム１がゆるんでカムシャフト２から離脱することはない。
燃料ポンプ駆動用カム１は、図４に示すように、おむすび形（正面視で、正三角形の頂角を弧状に丸めた形状）をしているので、回転方向の位置決めが必要となる。そのため、圧入時に、図３に示すように、ノックピン１０等を使用して、位置決めを行ってもよい。

燃料ポンプ駆動用カム１は、インナーピース８とアウターピース９とを有し、インナーピース８はスチール材（たとえば、ＪＩＳ．Ｓ４５Ｃ、ただし、Ｓ４５Ｃに限る必要はない）で構成され、アウターピース９が上記の液相焼結材で構成される。
アウターピース９を液相焼結する時に、インナーピース８を芯材として行うと、液相焼結時に、インナーピース８とアウターピース９との接合が拡散接合（境界でインナーピースの原子とアウターピースの原子が拡散し合って互いに接合される）となり、強固な接合が得られる。

また、燃料ポンプ駆動用カム１はカムシャフト２の最後端カム５よりカムシャフト後端側でカムシャフト２に配置され取付けられる。カムシャフトの前端側がチェーン取付け側で、後端側はその反対側である。
これにより、最後端カム５を乗り越えることなく、あるいはポンプカム１を２つ割りにすることなく、カムシャフト２に圧入することができる。また、最後端カム５を乗り越える必要がないことにより、ポンプカム１の圧入部の直径（インナーピース８の内径）を約３０ｍｍにすることができ、小型化できる。

つぎに、本発明の燃料ポンプ駆動用カム１の作用、効果を説明する。
まず、燃料ポンプ駆動用カム１がカムシャフト２と別体で形成されているので、燃料ポンプ駆動用カム１とカムシャフト２との材質を、容易に、互いに変えることができる。その結果、カムシャフト２の材質を従来のねずみ鋳鉄から球状黒鉛鋳鉄に変えても、燃料ポンプ駆動用カム１に耐スカッフィング性のある材料（本発明では、焼結材、とくに液相焼結材）を選定することができる。
すなわち、動弁系のローラロッカーアーム化に伴い、カムシャフト２の材質を球状黒鉛鋳鉄に変えると、動弁系カム５のローラロッカーとのころがり接触部の耐ピッチング性はよくなるが、それよりも条件が厳しい、燃料ポンプ３とすべり接触するポンプカム１の耐スカッフィング性を満足することができず、ポンプカム１の表面硬度を上げようとしてもチル化できない。その結果、カムシャフト２の材質を球状黒鉛鋳鉄に変えることができなかった。しかし、本発明のように、燃料ポンプ駆動用カム１をカムシャフト２と別体で作製しカムシャフト２に取り付ける構造とすることにより、カムシャフト２の材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、燃料ポンプ駆動用カム１に耐スカッフィング性のある材料を選定することが可能になる。

燃料ポンプ駆動用カム１の燃料ポンプ３との摺動接触部が液相焼結材で構成される場合は、カムシャフト２の材質を球状黒鉛鋳鉄に変えても、燃料ポンプ駆動用カム１の耐スカッフィング性等、疲労強度を、単体強度に優れた液相焼結材により、容易に得ることができる。
また、カムシャフト２が球状黒鉛鋳鉄で構成される場合は、動弁系カム５のローラロッカーとのころがり接触における耐ピッチング性を確保することができる。

燃料ポンプ駆動用カム１の、カムシャフト２への取付けを加温圧入としたため、燃料ポンプ駆動用カム１を安価にカムシャフト２に取り付けることができる。
また、燃料ポンプ駆動用カム１をインナーピース８とアウターピース９とから構成し、インナーピース８をスチール材で構成したため、カムシャフト２への圧入精度を旋盤等簡便な加工で実施できる。また、インナーピース８とアウターピース９との接合を拡散接合としたため、インナーピース８とアウターピース９とを強固に互いに固定することができる。
また、燃料ポンプ駆動用カム１を最後端カム５より後ろ側に配置するので、動弁系カムピース５を乗り越えずにカムシャフト２にポンプカム１を圧入することができる。

本発明の燃料ポンプ駆動用カムとその近傍の構造の断面図である。 本発明の燃料ポンプ駆動用カムとその近傍のカムシャフトの断面図である。 図２の燃料ポンプ駆動用カムとその近傍のカムシャフトの、ノックピンを設けた場合の、断面図である。 本発明の燃料ポンプ駆動用カムの正面図である。

符号の説明

１ 燃料ポンプ駆動用カム
２ カムシャフト
３ 燃料ポンプ
４ カムハウジング
５ 動弁系カム
６ リフター
７ シリンダヘッドカバー
８ インナーピース
９ アウターピース
１０ ノックピン
１１ オイルバス（潤滑油溜まり）
１２ ノズル（オイルジェット）

Claims (6)

1. 動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフトと別体で形成されて前記カムシャフトに取付けられ、燃料ポンプとの摺動接触部が焼結材から構成されている燃料ポンプ駆動用カム。
2. 前記燃料ポンプ駆動用カムの燃料ポンプとの摺動接触部を構成する焼結材が液相焼結材である請求項１記載の燃料ポンプ駆動用カム。
3. 前記動弁系の鋳鉄材からなるカムシャフトが球状黒鉛鋳鉄である請求項１または請求項２記載の燃料ポンプ駆動用カム。
4. 前記燃料ポンプ駆動用カムの、前記カムシャフトへの取付けは加温圧入である請求項１〜請求項３の何れか一項記載の燃料ポンプ駆動用カム。
5. 前記燃料ポンプ駆動用カムはインナーピースとアウターピースとを有し、前記インナーピースがスチール材で構成され、前記アウターピースが液相焼結材で構成され、前記インナーピースと前記アウターピースとの接合は拡散接合である請求項１〜請求項３の何れか一項記載の燃料ポンプ駆動用カム。
6. 前記燃料ポンプ駆動用カムは前記カムシャフトの最後端カムよりカムシャフト後端側で前記カムシャフトに配置される請求項１〜請求項３の何れか一項記載の燃料ポンプ駆動用カム。

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