JP2006242019A - 燃料ポンプ用チェック弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 セラミックス製のボールを弁体とする燃料ポンプ用のチェック弁において、閉弁圧を高く設定してもボールの割れの発生を抑制することができ、耐久性に優れた燃料ポンプ用チェック弁を提供する。
【解決手段】 チェック弁本体１に形成されるシート面１３のボール２の着座部を、ボール２の曲率よりも大きな曲率を有する円環面１３ｂとすることにより、着座時においてボール２がその円環面１３ｂに対して帯状の領域Ｓで接触するように構成し、高い閉弁圧でもボール２に作用する応力を小さくし、ボール２の割れの発生を抑制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料ポンプ用チェック弁に関し、特に、コモンレール式等のディゼルエンジン用の高圧燃料ポンプの吐出弁に用いるのに適したチェック弁に関する。

例えばコモンレール式のディーゼルエンジン用高圧燃料ポンプにおいては、一般に、ポンプ室に吸入された燃料を加圧し、その燃料圧力が吐出弁の閉弁圧を越えたときに当該吐出弁を介して燃料をコモンレールに供給する（例えば特許文献１参照）。

この特許文献１には、高圧燃料ポンプの構成を表す模式図として図４に示すようなものが開示されている。この図４において４１はエンジンの回転によって回転するカムシャフトであり、このカムシャフト４１が回転することにより当該カムシャフト４１に一体に設けられた偏心カム４２がシリンダ４３に形成されているポンプ室４４内でプランジャ４５を往復動させる。ポンプ室４４内にはフィードポンプ４６によって燃料タンク４７内のの燃料が調量弁４８および吸入弁４９を介して供給されており、プランジャ４５の往復動によりポンプ室４４内の燃料が加圧される。その燃料の圧力が吐出弁５０の閉弁圧を越えると、高圧燃料がこの吐出弁５０を介してコモンレールに圧送される。

以上の構成において吸入弁４９および吐出弁５０には、それぞれボールを弁体としたチェック弁が用いられるのであるが、特に吐出弁５０には、ボールを挟んでその両側に極めて高い圧力差が生じる。つまり、閉弁圧は極めて高い圧力に設定され、この閉弁圧に耐えるため、吐出弁５０を構成するチェック弁としては、図５に要部断面図を示すように、弁体としてのボール５１に、強度・耐久性に優れた例えば窒化珪素系等のセラミックス製のボールが用いられる。そして、このボール５１を、６０°程度の頂角を有する円錐面からなるシート面５２に対して、閉弁圧を決定する圧縮コイルバネ５３によって押しつける構成を採用している。
特開２００４−１２４７２７号公報

ところで、上記したような従来の燃料ポンプ用のチェック弁においては、ボール５１が円錐面状のシート面５２に当接することによって弁を閉じるのであるが、前記したようにボール５１の両側で極めて高い圧力差、例えば１８００気圧にも及ぶ圧力差が生じ、将来的には更に高い圧力差の生じる燃料ポンプが実用化されると言われている。

セラミックス製のボールは、基本的にはこのような圧力に対応する閉弁圧のもとにシート面に押しつけられたときに作用する応力に耐える強度・耐久性を有するのであるが、加圧焼結工程を含むというセラミックス製ボールの製造方法の故に、強度のバラツキが比較的大きく、極まれにではあるものの、上記した応力により割れが発生する場合がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、従来のチェック弁に比してセラミックス製のボールに割れが生じにくい燃料ポンプ用チェック弁の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料ポンプ用チェック弁は、燃料流路上に設けられたシート面と、そのシート面に対して接近／離隔可能なセラミックス製のボールからなる弁体と、そのボールを上記シート面に向けて付勢するバネを備え、上記ボールが上記シート面に着座することにより上記燃料流路が閉じ、かつ、上記バネによる付勢力に抗する圧力の発生により上記ボールがシート面から離隔して上記燃料流路が開くように構成された燃料ポンプ用チェック弁において、上記シート面のボールの着座部が、当該ボールの曲率よりも大きい曲率を有する円環面形状に形成され、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成されていることによっ特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記シート面のボールの着座部が、上記円環面に代えて、上記ボールの曲率よりも大きい曲率を有する球面形状に形成され、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成すること（請求項２）もできる。

そして、以上の請求項１，２に係る発明においては、シート面のボールの着座部の球面を、ボールサイジングにより形成された面とする構成（請求項３）を好適に採用することができる。

また、上記した同じ課題を解決するため、請求項４に係る発明は、上記と同様に燃料流路上に設けられたシート面と、そのシート面に対して接近／離隔可能なセラミックス製のボールからなる弁体と、そのボールを上記シート面に向けて付勢するバネを備え、上記ボールが上記シート面に着座することにより上記燃料流路が閉鎖され、かつ、上記バネによる付勢力に抗する圧力の発生により上記ボールがシート面から離隔して上記燃料流路が解放される燃料ポンプ用チェック弁において、上記シート面の上記ボールの着座部が、当該ボールの接近／離隔方向に同軸に形成された互いに頂角の異なる２つ以上の円錐面からなり、着座時においてボールがこれらの各円錐面の少なくとも２つに線接触するように構成されていることによって特徴づけられる。

本発明は、ボールがシート面に対して着座している状態でこれら両者の接触部において生じる応力を緩和することによって、課題を解決しようとするものである。

すなわち、請求項１に係る発明においては、シート面のボールの着座部の形状を、従来の円錐面に代えて、ボールの曲率よりも大きな曲率を有する円環（トーラス）面形状とすることにより、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成している。これにより、ボールとシート面との接触面積が従来に比して増大し、ボールを従来と同等の閉弁圧のもとに押しつけても、接触部に生じる応力が小さくなり、ボールの割れの発生を抑制することができる。

また、請求項２に係る発明は、シート面のボールの着座部の形状を、ボールの曲率よりも大きな曲率を有する球面形状とすることにより、上記と同様に着座時においてボールとシート面とを帯状に接触させてその接触面積を増大させ、着座時において作用する応力を小さくしてボールの割れの発生を抑制している。

そして、請求項３に係る発明は、以上のボールとシート面との接触面積を増大させることによる応力緩和に加えて、シート面のボールの着座部における粗さを小さくすることにより、ボールに作用する剪断応力を緩和して、この剪断応力に起因するボールの割れの発生をも抑制しようとするものである。すなわち、シート面のボール着座部における粗さが粗いと、ボールの着座時に大きな摩擦力が生じ、ボールに大きな剪断応力が作用してボールに割れが生じる可能性がある。シート面のボールの着座部を曲面形状とする請求項１または２に係る発明において、その円環面ないしは球面をボールサイジングによって形成した面とすることにより、当該球面の粗さを小さくすることができ、その球面とボールとの間の摩擦係数を小さくし、ボールに作用する剪断応力を小さくすることができる。

請求項４に係る発明は、シート面のボールの着座部の形状として、互いに同軸で、かつ、頂角の異なる少なくとも２つの円錐面からなる形状とすることにより、着座時においてボールをこれら各円錐面の少なくとも２つにそれぞれ線接触させる。この構成によっても、従来のチェック弁のようにボールが１つの円錐面に線接触する場合に比して、接触部において発生する応力を緩和することができ、ボールの割れを抑制することができる。

本発明によれば、シート面に対するボール着座部の形状をボールの曲率よりも大きな曲率を有する円環面形状（請求項１）、あるいは同じくボールの曲率よりも大きな曲率を有する球面形状（請求項２）として、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成し、更には、シート面に対するボール着座部の形状を、互いに同軸で、かつ、頂角の異なる２つ以上の円錐面からなる形状として、着座時においてボールが少なくとも２つの円錐面の双方に線接触するように構成（請求項４）しているので、シート面に対してボールが着座したときに作用する応力を従来に比して小さくすることができ、セラミックス製のボールの割れの発生を抑制し、その耐久性を向上させることができる。

また、請求項３に係る発明のように、シート面のボールの着座部の表面をボールサイジングによる面とすることにより、その着座部の表面粗さを小さくし、ボールとシート面との摩擦係数を低減してボールに作用する剪断応力を緩和することができ、剪断応力に起因するボールの割れの発生をも抑制して、その耐久性を向上させることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の要部構成を示す断面図である。

チェック弁本体１は、上流側燃料流路１１と下流側燃料流路１２の間にシート面１３を形成した構造を有し、そのシート面１３に弁体としてセラミックス製のボール２が圧縮コイルバネ３によって押しつけられて着座している。図示のようにボール２がシート面１３に着座している状態で燃料流路が閉じられ、上流側燃料流路１１内の圧力と下流側燃料流路１２の圧力との差が、圧縮コイルバネ３によるボール２の押しつけ力に打ち勝つまでに大きくなったとき、ボール２がシート面１３から離隔して燃料流路が開くようになっている。

さて、シート面１３は、頂角６０°の円錐面１３ａと、その円錐面１３ａに正接する円環（トーラス）面１３ｂによって構成されており、ボール２は円環面１３ｂに着座するようになっている。円環面１３ｂの曲率半径ｒは、ボール２の直径の５５％である。このような円環面１３ｂは、例えば、チェック弁本体１をその軸心を中心として回転させつつ、刃先形状が半径ｒの円の一部に形成されたバイトを用いて、その曲率中心が最終的に図中Ｏで示される位置に到達するまで送りをかけて切削することにより得ることができる。

以上の本発明の実施の形態によると、ボール２は円環面１３ｂに図中Ｈで示される水平線に対して４５°の位置を中心とする帯状の領域Ｓで接触して着座する。従って、例えば１８００気圧程度の高圧まで燃料流路を閉じるべく相応の力により圧縮コイルバネ３でボール２をシート面１３に押しつけても、ボール３に作用する応力は従来に比して小さくなり、ボール２の割れの発生を抑制することができ、耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図２はその要部断面図である。
この例の特徴は、シート面１３を、頂角６０°の円錐面１３ａと、その円錐面１３ａに正接する球面１３ｃによって構成した点にある。この球面１３ｃの曲率半径ｒは、ボール２の直径の５５％である。この例における球面１３ｃは、例えばチェック弁本体１をその軸心を中心として回転させつつ、刃先形状が半径ｒよりも数μｍないしは１０μｍ程度小さい曲率半径を有する円の一部に形成されたバイトを用いて、その曲率中心が図中Ｏで示される位置に到達するように切削加工した後、半径ｒのボールを用いたボールサイジングにより得ている。このボールサイジング加工により、球面１３ｃの表面粗さをＲｚ５以下とすることができる。

この図２に示す例においても、ボール２は球面１３ｃに対して図中Ｓで示される帯状の領域において着座することになり、従来に比してボール２に作用する応力を低減して、その割れの発生を防止することができる。同時に、球面１３ｃを最終的にボールサイジング加工により仕上げてその表面粗さをＲｚ５以下としているが故に、その球面１３ｃとボール２との間の摩擦係数を従来に比して低減することができる結果、シート面１３に対する着座時にボール２に作用する剪断応力を緩和することができ、剪断応力に起因するボールの割れをも抑制することができ、この点からも耐久性を向上させることができる。

なお、以上の各例において、円環面１３ｂおよび球面１３ｃの曲率半径ｒについてはボール２の直径の５５％としたが、必ずしもその比に限定されることなく、要はボールが円環面１３ｂないしは球面１３ｃに対して帯状に接触して着座すればよい。また、これらの円環面１３ｂないしは球面１３ｃの加工方法についても、上記した方法に限定されものではない。

次に、本発明の更に他の実施の形態について説明する。図３はその要部断面図である。 この例の特徴は、シート面１３を、互いに同軸で、かつ、互いに頂角の異なる２つの円錐面１３ｄおよび１３ｅによって構成した点にある。すなわち、この例におけるシート面１３は、下流側燃料流路１２に繋がる頂角６０°の第１の円錐面１３ｄと、その第１の円錐面１３ｄと同軸で、上流側燃料流路１２に繋がる頂角９０°の第２の円錐面１３ｅによって構成されている。

そして、ボール２は着座時において、第１の円錐面１３ｄに対しては図中Ｐ１で示される位置において線接触すると同時に、第２の円錐面１３ｅに対しては図中Ｐ２で示される位置において線接触する。従って、この図３に示す例によれば、１つの円錐面に対してボールが線接触して着座する従来のチェック弁に比して、着座時におけるボール２とシート面１３との接触領域が略２倍程度に拡張されることになり、その分、ボール２に作用する応力を緩和することができ、先の各例と同様に割れの発生を抑制して耐久性を向上させることができる。

ここで、以上の実施の形態においては、第１と第２の円錐面１３ｄと１３ｅを形成した例を示したが、着座部に形成する円錐面は必ずしも２つとすることなく、３つ以上であってもよく、この場合、これらの円錐面のうちの少なくとも２つの円錐面にボールが線接触することにより、以上の実施の形態と同等の作用効果を奏することができる。

本発明の実施の形態の要部断面図である。 本発明の他の実施の形態の要部断面図である。 本発明の更に他の実施の形態の要部断面図である。 高圧燃料ポンプの構成例を示す模式図である。 図４の高圧燃料ポンプに用いられている吸入弁としてのチェック弁の要部構成を示す断面図である。

符号の説明

１ チェック弁本体
２ ボール
３ 圧縮コイルバネ
１１ 上流側燃料流路
１２ 下流側燃料流路
１３ シート面
１３ａ 円錐面
１３ｂ 円環面
１３ｃ 球面
１３ｄ 第１の円錐面
１３ｅ 第２の円錐面
Ｓ ボールとシート面とが接触する帯状の領域
Ｐ１ ボールと第１の円錐面との線接触部
Ｐ２ ボールと第２の円錐面との線接触部

Claims (4)

1. 燃料流路上に設けられたシート面と、そのシート面に対して接近／離隔可能なセラミックス製のボールからなる弁体と、そのボールを上記シート面に向けて付勢するバネを備え、上記ボールが上記シート面に着座することにより上記燃料流路が閉じ、かつ、上記バネによる付勢力に抗する圧力の発生により上記ボールがシート面から離隔して上記燃料流路が開くように構成された燃料ポンプ用チェック弁において、
   上記シート面のボールの着座部が、当該ボールの曲率よりも大きい曲率を有する円環面形状に成形され、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成されていることを特徴とする燃料ポンプ用チェック弁。
2. 上記シート面のボールの着座部が、上記円環面に代えて、上記ボールの曲率よりも大きい曲率を有する球面形状に形成され、着座時においてボールとシート面とが帯状に接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用チェック弁。
3. 上記シート面のボールの着座部を形成する球面が、ボールサイジングにより形成された面であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ポンプ用チェック弁。
4. 燃料流路上に設けられたシート面と、そのシート面に対して接近／離隔可能なセラミックス製のボールからなる弁体と、そのボールを上記シート面に向けて付勢するバネを備え、上記ボールが上記シート面に着座することにより上記燃料流路が閉じ、かつ、上記バネによる付勢力に抗する圧力の発生により上記ボールがシート面から離隔して上記燃料流路が開くように構成された燃料ポンプ用チェック弁において、
   上記シート面のボールの着座部が、当該ボールの接近／離隔方向に同軸に形成された互いに頂角の異なる２つ以上の円錐面からなり、着座時においてボールがこれらの各円錐面の少なくとも２つに線接触するように構成されていることを特徴とする燃料ポンプ用チェック弁。

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