JP2006524776A - カム及びカム従動子 - Google Patents

Abstract

ポンプ導入フェーズ及びポンプ吐出フェーズを有する燃料ポンプにおいて使用するためのカム（２４）は、前記ポンプ導入フェーズに対応する部分と前記ポンプ吐出フェーズに対応する部分とを備えたカム表面（１８）を備えている。該カム表面（１８）は、カム従動子（３０）を前記カム表面（１８）と接触して案内するのに適した溝（１８，２６，２８）を更に備えている。前記溝（１８，２６，２８）の幅(Ｗ，Ｗ_T，Ｗ_B）は、前記ポンプ導入フェーズに対応する前記カム表面（１８）の前記部分についてのみ前記カム従動子（３０）を案内可能であるように構成されている。

Description

本発明は、カム及びカム従動子に関する。特に、本発明は、内燃機関において使用される回転可能なカム及びカム従動子に関するものである。

回転カムは、カム表面と接触状態に保持された物体に往復運動を伝えるために使用されている。接触状態に保持されたこの物体は、通常、カム従動子と呼ばれ、或いは単に従動子（follower）と呼ばれる。内燃機関において、カムシャフトに形成されたカムは、例えば燃料加圧ポンプの入口弁及び出口弁である弁の開閉を制御するのに通常使用されている。これに関連して、従動子は、通常、ローラ構造のものであり、カムシャフトが回転するときにカムの表面に沿って転動する。

製造の際の小さな誤差のため、従動子の軸心をカムの軸心と常に平行に保持しておくことは不可能である。これは、従動子がカム作動中にカム表面全域を遊走する、即ち、動き回る傾向があるという結果になる。この動きは、従動子の作動に付随的な欠点をもたらすので望ましくない。例えば、カムが従動子に不正確な動作を伝えたり、従動子及びカムに対する摩耗が一様ではなく且つ予想外であったり、また、使用中にカム及び従動子に作用する力が設計中に計算したものとは異なっていて、予想外の損傷に至ることがありうる。

これらの望ましくない特徴の影響を軽減するためには、製造プロセスをより精密にすることが考えられる。しかしながら、これは、量産される部品の価格を法外に高くする。更に、より狭小化された公差水準内で精確な仕上げを行なうのに要する時間は、この解決策が、大量に生産されるカム及び従動子に適用されることを許さない。

機械的手段を採用して従動子を案内し、それにより従動子の姿勢及び位置をカム表面に対して維持することができる。しかしながら、これもまたコストがかかると共に、カム及び従動子の結合体全体の重量を増すことになる。今日まで知られている機械的案内手段は、カムの全回転中において、従動子がカム表面に沿って限定された経路を追従できるように、ローラ及びスライダの限定的な運動を許容すべく設計された取付け部材内に従動子を拘束しておくものである。しかし、この構造による欠点は、案内手段自体が摩耗及び摩擦損失の著しい増大をもたらすことである。例えば、燃料ポンプにおけるカムシャフト用途では、高ポンプ負荷中の追従抵抗は、カム及びローラ間の摩擦に打ち勝つために非常に大きな側面荷重を必要とする。

更に、部品寿命の延長や摩耗抵抗の向上は、カム及び従動子について丈夫で強固な材料及び表面仕上げを選択することにより達成可能であるが、これは、コスト及び質量の増大という不所望の帰結から逃れられないので、受容すべき解決策ではない。毎分数千回転に達する速度での回転を余儀なくされる最近のカムシャフト（その一例はコモンレール式内燃機関用の燃料ポンプで使用されるカムシャフトである）では、回転質量の僅かな増大であっても、それにより増大する慣性力に打ち勝つために、当該の部品の全寿命にわたるエネルギ消費及び燃料消費が著しく増大する。

カム及びカム従動子が自動車のエンジン設備において使用される場合、更なる重要な問題はエンジン室の高さである。エンジン高さはエンジン室の高さを決定し、そして種々の自動車について、これは、空力的及び美観的の双方の理由で望ましくない。現在の機械的案内手段は、燃料系統と潤滑油系統とを隔離しておくために別個の潤滑サブシステム及び関連設備を必要としている。従って多くの状況において、エンジン設備全体の高さをこの付加的な補助手段のために減じることはできず、また、この補助手段は、設計上のオプションを制限し、特性を低下させ、自動車の魅力を低下させる。

従って、望まれているのは、コスト、製造時間、大きさ及び重量の最小限の増加で上述したカム従動子の精確な追従を維持する上での諸問題の解決策である。換言すれば、部品寿命並びに作動上の精確さ及び効率を維持しながら部品のコストを下げる解決策が求められている。

本発明の第１の形態において提供されているのは、ポンプ導入フェーズ（filling phase）及びポンプ吐出フェーズ（delivery phase）を有する燃料ポンプにおいて使用するためのカムであって、前記ポンプ導入フェーズに対応する部分と前記ポンプ吐出フェーズに対応する部分とを備えたカム表面を備え、該カム表面は、カム従動子を前記カム表面と接触して案内するのに適した溝（channel）を更に備え、前記溝の幅は、前記カム表面の前記ポンプ導入フェーズに対応する前記部分においてのみ前記カム従動子を案内可能であるように構成されていることを特徴とするカムである。

好適な条件下で、即ち、ポンプサイクルの「導入フェーズ」の部分の間に受ける低摩擦力の期間中に、カム従動子に対して案内を提供することのみにより、本発明の機械的案内手段は、既知の装置に勝る複雑さの低下及び重量の減少をもたらしうる。用語「導入フェーズ」が意味していることは、燃料ポンプが比較的に低い圧力で燃料を取り込み、そのため導入フェーズの後、燃料が「吐出フェーズ」中に相対的に高い圧力で送り出されるポンプサイクルの部分のことである。「導入フェーズに対応するカム表面の部分」が意味していることは、導入フェーズ中にカム従動子を介して燃料ポンプの駆動部材と協働するカム表面の部分のことである。

前記溝は前記カムの幅よりも実質的に狭いことが好ましい。

また、前記カムはコモンレール式燃料ポンプにおいて使用することが考えられている。本発明のカムにおいて、前記溝の前記幅は、前記カムの周囲に沿って変化していることが有利である。

本発明の第２の形態において、本発明の第１の形態に基づくカムを組み入れ、内燃機関で使用するのに適するコモンレール式燃料ポンプが提供されている。

上述したコモンレール式燃料ポンプはラジアル燃料ポンプであることが好ましい。

更に好ましいことに、前述したコモンレール式燃料ポンプは、潤滑油を必要としていない。

一般にカム及びカム従動子構造は潤滑油を必要としており、また、この潤滑油を回収してカムの使用時に再使用する手段が設けられていなければならない。更に、燃料ポンプに適用の際には、燃料及び潤滑油の混合は極めて望ましくないことであり、これら２つの流体系統を隔離しておく手段が設けられていなければならない。これに対して、本発明は何ら湿式潤滑系統を必要とせず、本発明を用いる如何なる燃料ポンプも、潤滑油の使用に付随する複雑さ及びコストの増大を回避する。

本発明の第３の形態において、燃料ポンプで使用するためのカムの、ポンプ導入フェーズに対応する部分とポンプ吐出フェーズに対応する部分とを備えたカム表面に沿って、カム従動子を案内する方法において、前記ポンプ導入フェーズの間のみ、前記カムにより前記カム従動子が案内されることを特徴とする方法が提供されている。

上述した方法において、前記カム従動子を案内する溝は、前記カムの周囲に沿って幅が変化していることが好ましい。

次に、本発明について添付図面を参照して説明する。

図１には、カムの表面全域にわたりカム従動子を案内するための既知の装置が提示されている。タペット１０の形の駆動部材は、一端の近くに案内バー１２を装着せしめている。この案内バー１２に装着されているカム従動子１６は、カム２０のカム表面１８と接触している。薄いパッド１５は、案内ローラ１４及びカム従動子１６の各側に設けられている。図示しないカムシャフトには、上述したカムが形成されており、同様に図示しない付勢手段がタペット１０に対して矢印Ａの方向に作用して、カム従動子１６及びカム表面１８の間に接触が維持されるようにしている。タペット１０の表面１１と薄いパッド１５及びカム従動子１６との間の隙間は、約２〜３ｍｍ程である。

使用時において、案内ローラ１４は、カム２０が回転してカム従動子１６に垂直往復運動を与えるときに、案内バー１２の長さに沿って限定された範囲の横方向運動でカム従動子１６が移動するのを許容する。薄いパッド１５は、案内ローラ１４及びカム従動子１６が案内バー１２に沿ったどんな横方向運動にあってもそれらを確実に整列させる。

図２及び図３を参照すると、本発明に基づいてカム従動子を案内するための装置が示されている。図示のカムシャフト２２には、総括的に符号２４で示されたカムが配置されている。カム２４は、カム表面１８と、２つの外側フランジ２６とを備えており、該フランジはカム表面１８と共に溝２８を画成している。カム表面１８の任意の位置における溝２８の幅は、幅Ｗで表わされている。カムシャフト２２の長手方向に測定した各フランジ２６の幅は、カム２４の周囲に沿って変化している。便宜上、カム従動子は図示されていないが、後から明らかになるように、従動子の形状もしくは構造は本発明にとって重要ではなく、一般的に用いられている全ての従動子を本発明で採用することができる。

使用中、カムシャフト２２が回転するときに、カム２４もまた回転し、それに応じて、溝２８内でカム表面１８に接触する従動子（図示せず）に対し提供される溝２８の幅は、拡大したり縮小したりする。溝２８の拡幅及び狭窄は、接触が従動子（図示せず）とカム表面１８との間でなされるときに案内効果を有する。両フランジ２６が幅Ｗを超えようとする運動に対する障壁となるので、幅Ｗに沿う従動子の追従は、幅Ｗの範囲内に拘束されることが明らかに分かる。

これまでの記載から明らかなように、ローラ及びバーから構成される特別な従動子を必要とする複雑な案内装置が不要にされている。本発明ではローラ式従動子のような任意の既知従動子を使用することができ、該従動子はカムの全回転の間に亘って案内される。更に、カムの部分回転の間にのみ案内することが必要であれば、必要とされる回転の間のみ案内が行なわれるように溝２８の幅Ｗを調節することができる。燃料ポンプにおいてカムシャフトに適用された前記実施形態において、導入弁及び吐出弁の双方として、換言すれば入口弁及び出口弁として機能する弁を駆動するのに単一のカムシャフトを使用することができる。これらの複機能弁は、カム回転の一部分の間は導入弁として機能し、そしてマルチローブのカムプロフィールを有するカムの場合には、カム回転の別部分の間に吐出弁又はポンプとして機能し、或いはそれらはカムの連続する各回転中に順繰りに導入弁及び吐出弁として機能してもよい。いずれの場合も、弁が導入弁として機能するとき、「導入動作」又は「導入フェーズ」中にカムと従動子との間に発生する摩擦力は、吐出動作又は吐出フェーズ中に弁が吐出弁として機能するときに発生する摩擦力と比較して相対的に小さい。従って、幅Ｗは、従動子が吐出フェーズ中には比較的に妨害されないで追従するが導入フェーズ中には再び中央に置かれるように調節されうる。このような構成は、幅Ｗが下死点（ＢＤＣ）において最小幅で上死点（ＴＤＣ）の最大幅へと増大してゆくことを必要とすると考えられる。カム上昇中の幅（gap）の増大は、従動子軸心とカム軸心との間の最大設計誤差に適応するよう定められている。

本発明のカムの用途の一例として、図４は、カムシャフト２２と３つのローラ式従動子３０を駆動するカム２４とを用いる、ラジアルポンプ式の容積形燃料ポンプ２９を示しており、各従動子はそれぞれのタペット３２に接続されている。

図４に示したラジアルポンプ式に適用可能であるポンプサイクルとの関連において、最大容量（maximum swept volume）に対応する各ポンプ室のサイクルにおける点は、下死点（ＢＤＣ）として定義される。ポンプサイクルにおけるこの点で、各ポンプ室は導入フェーズにあり、そしてカム２４と各ポンプ室のそれぞれのカム従動子との間の摩擦力はその最小値にある。導入フェーズの間、弁は、ポンプサイクルにおいて後に加圧するため燃料をポンプ室へ流入させるよう作動可能である。ポンプサイクルが進むときに、最小容量（minimum swept volume）に対応する各ポンプ室のサイクルにおける点は、上死点（ＴＤＣ）として定義される。ＴＤＣにおいて、各ポンプ室は吐出フェーズにあり、そしてカム２４と各ポンプ室のそれぞれのカム従動子との間の摩擦力はその最大値にある。吐出フェーズの間、弁は、加圧流体がポンプ室から燃料系統の下流側部分へ送られるのを可能とするよう作動可能である。

図５は、図２〜図４に図示し且つ上に説明したカムの代表的なカム展開図（mapping)を総括的に符号４０で示している。展開図４０は、カム２４の１回転におけるカム２４の溝２８及びフランジ２６の相対的な寸法を示している。展開図４０は、カム２４のＴＤＣ位置から始まり、この位置は矢印Ｔ_Sにより展開図４０上に表わされている。従って、カム２４の１回転の最後もまたＴＤＣ位置で終り、これは矢印Ｔ_Fにより展開図４０上に表わされている。従って、矢印Ｔ_Bは展開図４０に沿ったカム２４のＢＤＣ位置を示している。ＴＤＣにおける溝２８の幅は、寸法Ｗ_Tで表わされており、ＢＤＣにおける溝２８の幅は、寸法Ｗ_Bで表わされている。カム２４の各回転の始点で、従動子（図５には示していない）は幅Ｗに沿って随意に配置され、この実施形態の場合、溝２８の中心線に沿っている。

矢印Ｔ_Sでの展開図４０の始点はカム２４のＴＤＣ位置に対応しており、これはまた、従動子（図示せず）とカム２４との間に発生される摩擦力がポンプ作動中の最大値である場合である。前に説明したように、従動子が大きな摩擦力を受けるときに、この従動子にかかるいかなる側面荷重も減じることが望ましい。ここで、Ｔ_Sであるとき、従動子との接触は従動子にかかる側面荷重を生起するので、幅Ｗ_Tは従動子との接触を回避するために可能な限り広くされている。従って、展開図４０において、案内は位置Ｔ_Sで従動子に対し何ら提供されていない。

Ｔ_Bで表わされた展開図４０上の位置で、カム２４及び従動子は、互いの間に最小の摩擦力を発生し、これも導入動作に対応している。摩擦力はこの位置で最小であるから、フランジ２６は溝２８を最小幅Ｗ_Bに絞りはじめ、そしてＷ_T及びＷ_Bの間で従動子は、フランジの一方又は双方との接触を行なうと共に、この接触により案内され始める。Ｔ_Bにおいて、従動子はフランジ２６の一方又は双方から最大の案内を受け、従って、従動子はカム２４と共に新たな回転をいつでも始められる溝２８の中心線に沿ったその最適位置に案内され、戻される。

図５から明らかなように、本発明のこの実施形態は、好都合な条件下で、即ち低摩擦力の期間中、従動子に対し案内を提供するに過ぎず、カム２４の１回転を通して案内を提供する必要はない。これら２つの要素を正しく認識することにより既知の方法及び装置に勝る複雑さの低下及び重量の減少がもたらされる。

図２〜図４において、カム２４は単一のローブもしくは突出部を含み、従って、図５に示された展開図は単一ローブカムのものであるが、本発明は、多ローブのカム輪郭にも同様に適用しうる。多ローブカムの場合、幅Ｗの変動値は、導入及び吐出がそれぞれ起こる多ローブカムの展開図上の各位置でＷ_B及びＷ_Tに接近するであろう。

図６は、図１に示した装置が燃料ポンプにおいて採用された場合の燃料、潤滑油系統及び案内手段間の相対的位置決めの概要を示している。図１に示したような装置は、符号４０で総括的に示されており、燃料ポンプ室（図示せず）に対するタペット１０（図示せず）の運動−矢印４２で表わされている−により燃料４４を加圧する。図１の装置が円滑に作動するのを維持すると共に、摩擦損失及び機械的摩耗を最小に保つために、供給源４８からの潤滑油は図１に示した部品に使用される。この潤滑油は、潤滑油系統４５及び４６により示されているように常に再使用される。

使用中、燃料４４は非常に加圧されているので、ポンプ室からシールを通り潤滑油供給源４８に入る高圧燃料の漏れ４５がある。漏れた燃料は、潤滑油と混合すると共にそれを汚染して、潤滑油が覆おうとしている部品の性能を守り且つ増進する潤滑油の能力を劣化させる。

潤滑油供給源４８の汚染を減らすために、図７に示した装置が用いられる。螺旋又はつる巻溝条（groove）５０，５１がタペット１０の表面に設けられており、この螺旋溝条はポンプ室（図示せず）に最も近い端部にあるタペット１０上の５０で始まり、５１で終る。図７は断面図であるから、溝条の始点５０及び終点５１の間の螺旋溝条の部分は示されていない。溝条の始点５１において、回収系統５４が設けられていて、タペットからの漏れ燃料を燃料回収タンク５６内に溝条で運ぶ。便宜上、ポンプ室は図示されていないが、それは矢印Ｂで示す方向にあり、また、図１に示され且つ図６で引用された装置は、図７において矢印５２により総括的に示されている。

漏れ燃料４５は重力の作用を受けて矢印Ｂとは反対の方向に落下する。そしてこの燃料４５が螺旋溝条に集まると、該漏れ燃料４５は螺旋溝条の終点５１まで螺旋溝条を経て進み、その結果、回収系統に移入され、そこから回収タンク５６に入る。このようにして、漏れ燃料４５は、潤滑油に接触し潤滑油を汚染させることがないであろうし、また、２つの流体系統は別々に保たれる。

しかしながら、図７に示すように、効果的な燃料回収系統を得るために、タペット１０は、溝条５０，５１がタペット１０の周囲を十分カバーできるように、十分な高さを有する必要がある。更に、溝条の螺旋ピッチを小さくし過ぎると、回収された燃料が回収系統５４へ緩慢に流れることになる。従って、これらの要素もしくはファクターは、タペット１０の高さが燃料ポンプにおいて使用されるときに別に必要とされるよりも高いことを要する主な要因である。

一方、本発明は、カム従動子１６に荷重が殆ど又は全くかからないときにカム従動子１６の規制が行なわれるのみなので、潤滑を必要としない。従って、本発明は、先行技術よりも、もっと簡単であり且つもっとコンパクトにすることができる。

言うまでもなく、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲によりのみ限定される。

カム従動子のための既知の機械的案内手段の概略断面図である。 カムシャフトに設けられた本発明によるカムの側面図である。 図２に示したカム及びカムシャフトの斜視図である。 燃料ポンプに用いられた場合の図２〜図４に示したカム及びカムシャフト構造を示している。 図２〜図４に示したカムについての代表的なカム展開図である。 図１に示した装置が燃料ポンプにおいて採用されている場合の燃料、潤滑系統及び案内手段間の相対的位置関係の概要図である。 図６に示された装置で採用されている回収系統の詳細断面図である。

Claims (8)

1. ポンプ導入フェーズ及びポンプ吐出フェーズを有する燃料ポンプにおいて使用するためのカム（２４）であって、前記ポンプ導入フェーズに対応する部分と前記ポンプ吐出フェーズに対応する部分とを備えたカム表面（１８）を有し、該カム表面（１８）は、カム従動子（３０）を前記カム表面（１８）と接触して案内するのに適した溝（１８，２６，２８）を更に備えたカム（２４）において、前記溝（１８，２６，２８）の幅（Ｗ，Ｗ_T，Ｗ_B）は、前記カム表面（１８）の前記ポンプ導入フェーズに対応する前記部分においてのみ前記カム従動子（３０）を案内可能であるように構成されていることを特徴とするカム。
2. 前記溝（１８，２６，２８）は前記カムの幅よりも実質的に狭い、請求項１に記載のカム。
3. 前記燃料ポンプは、コモンレール式燃料ポンプである、請求項１又は請求項２に記載のカム。
4. 前記溝（１８，２６，２８）の前記幅（Ｗ，Ｗ_T，Ｗ_B）は、前記カム（２４）の周囲に沿って変化している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のカム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のカム（２４）を組み入れ、内燃機関において使用するのに適したコモンレール式燃料ポンプ。
6. ラジアル燃料ポンプである、請求項５に記載のコモンレール式燃料ポンプ。
7. 燃料ポンプで使用するためのカム（２４）の、ポンプ導入フェーズに対応する部分とポンプ吐出フェーズに対応する部分とを備えたカム表面（１８）に沿って、カム従動子（３０）を案内する方法において、前記ポンプ導入フェーズの間のみ、前記カム（２４）により前記カム従動子（３０）が案内されることを特徴とする、方法。
8. 前記カム従動子（３０）を案内する溝（２８）は、前記カム（２４）の周囲に沿って変化している、請求項７に記載の方法。
   

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