JP2006527329A - 内燃機関の燃料噴射システムに高圧燃料を生成するためのラジアルピストンポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の燃料噴射システム、特にコモンレール噴射システムに高圧燃料を生成するためのラジアルピストンポンプ（１）であって、このラジアルピストンポンプが、ポンプケーシング（２）に装着され、かつローラ（８）が装着される偏心軸セクション（６）を有する駆動軸（４）を備え、また複数のピストン（１６）を有することが好ましいラジアルピストンポンプ（１）に関する。これらのピストンはそれぞれのシリンダ（１４）に配置され、一方、駆動軸（４）に対し半径方向に取付けられ、またピストンフットプレート（１８）は、ローラ（８）に対面するピストンの端部に配置され、一方、ローラ（８）の周方向面（１０、１２）と接触する。本発明は、少なくとも、ローラ（８）の周方向面（１０、１２）に接触するピストンフットプレート（１８）の表面（２８）が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、セラミック材料、鋳造炭化物材料又はサーメットから作製されること、及び／又はローラ（８）の少なくとも一部、特に、ローラ（８）の周方向面（１０、１２）の少なくとも一部が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、精密鋳造材料、鋳造炭化物材料、焼結工具鋼又は窒化合金鋼から作製されること、及び／又はピストン（１６）がセラミック材料から作製される。

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射システム、特にコモンレール噴射システムに高圧燃料を生成するためのラジアルピストンポンプであって、このラジアルピストンポンプが、ポンプケーシングに装着され、駆動ローラが装着される偏心軸セクションを有する駆動軸を有し、また駆動軸に対して半径方向にそれぞれのシリンダに取付けられ、駆動ローラに対面するピストンフットプレートの端部で駆動ローラの周方向面と接触するピストンフットプレートをそれぞれ有する複数のピストンを有することが好ましい請求項１の前段に記載のラジアルピストンポンプに基づく。

このタイプのラジアルピストンポンプは、例えば、特許文献１から知られている。既知のラジアルピストンポンプのピストンフットプレート及び駆動ローラは、一般に、焼入れ鋼又は熱処理鋼から成る。しかし、時間の経過に伴って、これらの構成要素に対する摺動摩耗が、溶着、摩耗又は表面剥離の結果として生じることがある。この望ましくない摩耗は、ラジアルピストンポンプの故障をもたらす可能性があり、したがって、内燃機関の故障ももたらす可能性がある。

独国特許出願公開第１９８０９３１５Ａ１号明細書

本発明は、冒頭に記載したタイプのラジアルピストンポンプの信頼性が向上するように、そのポンプをさらに発展させることを目的とする。

この目的は、本発明によれば、請求項１に記載の特徴によって達成される。

ピストンフットプレート／駆動ローラの一対の摺動部及び一対のピストン／シリンダの摩耗に対する感受性は、最初に、少なくとも、駆動ローラの周方向面と接触するピストンフットプレートの表面が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、セラミック材料、鋳造炭化物材料又はサーメットから成り、及び／又は駆動ローラの少なくとも一部、特に、駆動ローラの周方向面の少なくとも一部が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、精密鋳造材料、鋳造炭化物材料、焼結工具鋼又は窒化合金鋼から成り、及び／又はピストンがセラミック材料から成ることによって相当低減される。上述の材料は、従来使用されている鋼材料と比較して、著しく高い弾性率を有し、このことにより、負荷による変形が低減され、したがって、応力ピークはほとんど存在せず、表面圧力もより均一になる。セラミック材料を使用した場合、特に、セラミック材料は、重量を低減する役割を果たし、この結果、駆動ローラ、ピストン及びピストンフットプレートの慣性質量が低減する。

駆動ローラ及び／又はピストンフットプレートの全体は、耐摩耗性材料から作製し得るか、さもなければ、これらの部分は、従来のように、焼入れ鋼又は熱処理鋼から成ると共に、耐摩耗性材料製の少なくとも１つのインサートを有する。インサートの使用により、モジュール構造の利点が得られ、すなわち、標準化された駆動ローラ及び標準化されたピストンフットプレートの各々には、異なる材料から作製されたインサートを設けることができ、この結果、多数の対の別形態を形成できる。

使用する耐摩耗性材料の材料特性によると、以下の一対の摺動部が特に好ましい。

一対の一方では、駆動ローラが熱処理鋼から成り、またＧ２０、ＧＣ３７又はＧＣ２０のような超硬合金のインサートを有し、一対の他方では、ピストンフットプレートが、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、ＳｏＧＧＨのような冷硬化させられた鋳鉄、又はサーメットから成るか、あるいは上述の耐磨耗性材料製のインサートを有する。

一対の一方では、駆動ローラが、ＧＸ−２１０ＷＣｒ１３ Ｈのような精密鋳造材料から成り、一対の他方では、ピストンフットプレートが、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、又はサーメットから成るか、あるいは上述の耐磨耗性材料製のインサートを有する。

一対の一方では、駆動ローラが、冷硬化させられた鋳鉄ＳｏＧＧＨのような鋳造炭化物材料から成り、一対の他方では、ピストンフットプレートが、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、又はサーメットから成るか、あるいは上述の耐磨耗性材料製のインサートを有する。

一対の一方では、駆動ローラが、ＡＳＰ２３のような焼結工具鋼、又は窒化合金鋼から成り、一対の他方では、ピストンフットプレートが、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、サーメット、又はＳｏＧＧＨのような鋳造炭化物材料から成るか、あるいは上述の耐磨耗性材料製のインサートを有する。窒化合金鋼は、Ｃ及び／又はＣｒ及び／又はＶ及び／又はＭｏを含有することが可能であり、ガス窒化処理され、またピストンフットプレートとの接触領域に化合物層を有しない。

別の措置は、ピストンフットプレート及び／又は駆動ローラの表面が、０．１５μｍ〜２μｍの表面粗さＲ_ｚを有することを目的とする。より具体的には、セラミック材料は０．１５μｍ〜０．５μｍの表面粗さＲ_ｚを有し、超硬合金は０．３μｍ〜１．０μｍの表面粗さＲ_ｚを有し、また鋳造炭化物材料は０．５μｍ〜２．０μｍの表面粗さＲ_ｚを有する。

駆動ローラは、運動方向に対し横断方向に延在する少なくとも１つの横溝を駆動ローラの周方向面に有することが特に好ましい。さらに、ピストンフットプレートは、駆動ローラに対面するピストンフットプレートの表面に、互いに交差する少なくとも２つの溝を有することも可能である。燃料は、滞留隙間として各々が機能するこれらの溝に蓄積でき、またこの燃料は、駆動ローラの周方向面とピストンフットプレートとの間の摺動運動により、流体力学的な摺動膜の形成を促進し、これによって、摺動面に対する摩耗をさらに低減する。

特に、ピストンは、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミック又はＺｒＯ_２セラミックから成り、押出によって製造され、また５％未満の気孔率を有し、ピストン表面にはＭｏＳ_２が浸透していることが好ましい。特に、ピストンは静水圧押出しされるか又は静水圧焼結される。この結果、摩耗特性にも有利な摩擦係数が低い非常に滑らかな表面が得られる。

本発明の例示的な実施形態について、図示し、また以下の記載においてより詳細に説明する。

図１に示したラジアルピストンポンプ１が使用されて、圧縮点火内燃機関のコモンレール噴射システムの高圧リザーバ（レール）のためにシステム圧力を発生させることが好ましい。ラジアルピストンポンプ１は、ポンプケーシング２に装着された駆動軸４を備え、この駆動軸は、偏心軸セクション６に対して回転できる多角形の駆動ローラ８が装着される偏心軸セクション６を有する。多角形の駆動ローラ８は、その周方向面１０に沿って互いにある周方向距離に取付けられた平坦な平面セクション１２を有する。

シリンダ１４の駆動軸４に対して半径方向に案内されたピストン１６のピストンフットプレート１８は、駆動ローラ８の平面セクション１２の各々で支持される。ピストンフットプレート１８は、球面軸受２０によって、駆動軸４に対面するピストン１６の端部に旋回可能に連結されることが好ましい。球面軸受２０は、例えば、ピストンの端部が、ピストンフットプレート１８の相補的な設計の球面凹部２４に係合する部分ボール２２として設計されることによって実現される。さらに、ピストンフットプレート１８が、ピストン１６と共に、ばね２６によって、駆動ローラ８の関連する平面セクション１２の上にプレストレスを加える。このタイプのラジアルピストンポンプ１が機能する方法は、例えば独国特許出願公開第１９８０２４７５Ａ１号明細書に記載されており、したがって、本明細書においてはさらに詳細に説明しない。

少なくとも、駆動ローラ８の周方向面１０と接触するピストンフットプレート１８の表面２８は、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、セラミック材料、鋳造炭化物材料又はサーメットから成る。このことは、ピストンフットプレート１８が、駆動ローラ８に対面するピストンフットプレート１８の表面２８に、耐摩耗性材料製の例えば円盤状の少なくとも１つのインサート３０を有することによって実現されることが好ましい。例えば接着接合又は半田付けによって、インサート３０を残りのピストンフットプレート１８に確実に及び／又は密着して接続することが可能である。インサート３０は、図１に示したように、駆動ローラ８と接触するピストンフットプレート１８の接触面２８の全体にわたって又はこの接触面の一部のみにわたって延在し得る。代わりに、ピストンフットプレート１８の全体を耐摩耗性材料から作製することも可能であり、この結果、追加のインサート３０は不要である。

セラミック材料が、ピストンフットプレート１８のために使用される場合、セラミック材料は窒化シリコンＳｉ_３Ｎ_４を含有することが好ましい。超硬合金は、例えばＧ２０、ＧＣ３７又はＧＣ２０から成ってもよく、一方、鋳造炭化物材料は、冷硬化させられた鋳鉄材料、特にＧＧＨ又はＳｏＧＧＨを含有してもよい。

さらに、ピストン１６自体を耐摩耗性材料から、例えばＳｉ_３Ｎ_４セラミック又はＺｒＯ_２セラミックから作製することが可能である。ピストン１６は、押出によって製造することが可能であり、また５％未満の気孔率を有し、この場合、ピストン表面にはＭｏＳ_２が浸透している。代わりに、ピストン１６を静水圧プレス及び静水圧焼結してもよい。

特に、駆動ローラ８の少なくとも一部、特に平面セクション１２は、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、精密鋳造材料、鋳造炭化物材料、焼結工具鋼又は窒化合金鋼から成る場合もある。

ピストンフットプレート１８の場合と同様に、このことは、図１に示したように、平面セクション１２の各々に耐摩耗性材料のインサート３２が設けられることによって実現されることが好ましい。このタイプのインサート３２は、例えば接着接合又は半田付けによって平面セクション１２の相補的な形状の凹部３４に確実に及び／又は密着して常に保持される。代わりに、駆動ローラ８の全体が耐摩耗性材料から成ってもよい。

超硬合金が、インサート３２のために又は駆動ローラ８自体のために使用される場合、特に、少なくともＨＶ１１００のビッカース硬度と、Ｋ_ＩＣ≧１０ＭＰａ／ｍ^３／２以上の破壊靱性Ｋ_ＩＣと、１２〜２０％の結合含量とを有する耐摩耗性超硬合金が適切であり、特にＧ２０、ＧＣ３７又はＧＣ２０が好ましい。特に、本明細書においては、低い粘性摩擦係数を有する超硬合金が使用される。適切な精密鋳造材料は、例えばＧＸ−２１０ＷＣｒ１３ Ｈから成り、一方、適切な鋳造炭化物材料は、局所的に再溶融された炭化物ＳｏＧＧＨ（傾斜機能材料）である。適切な焼結工具鋼はＡＳＰ２３である。Ｃｒ及び／又はＭｏ及び／又はＶ及び／又はＣを窒化処理又はガス窒化処理して特殊合金化された窒化鋼は、傾斜機能材料を有する別形態のために使用される。窒化処理に使用される基本成分及びプロセスパラメータにより、より高強度の基材が同時に化合されて、ＨＶ７５０〜８５０の硬度を有する深さ拡散がもたらされる。形成される化合物層は、機能上の理由により研削によって除去される。ピストンフットプレート１８及び駆動ローラ８の表面は、摺動面に使用される材料に応じて０．１５μｍ〜２μｍの表面粗さＲ_ｚを有することが好ましい。下限には、特に０．１５μｍ〜０．５μｍの範囲にあるセラミックが適用され、一方、上限には、ＳｏＧＧＨ又はＡＳＰ２３のような金属が適用される。超硬合金のために、０．３μｍ〜１μｍの表面粗さＲ_ｚが設けられる。

以下の表は、一方がピストンフットプレート１８であり、他方が駆動ローラ８である好ましい一対の材料を記載している。インサートが駆動ローラ８及びピストンフットプレート１８の両方に使用される場合、一対の材料の任意の所望の組み合わせは、常に不変の支持体によって可能である。特に、駆動ローラ８の全体が耐摩耗性材料（「一体構造」）から成ることが好ましい表における一対の材料に関して、図１に既に示したように、平面セクション１２の領域には、対応する材料から作製されたインサート３２を代わりに使用することも可能である。この場合、インサート３２用の支持体としての駆動ローラ８は、異なる材料、例えば５０Ｃｒ４、４２ＣｒＶ４又は１６ＭｎＣｒ５から成ってもよい。表の第３のラインの例示的な実施形態は、特定の役割を果たす。この場合、炭化物ゾーンは、鋳鋼材料から成る駆動ローラ８の、図５に別々に示されている平面セクション１２の領域にそれぞれ形成される。この炭化物ゾーンは、駆動ローラ８の鋳造中に目標とする凝固速度によって又は再溶融によって形成され、次に、傾斜機能材料ＳｏＧＧＨを形成することが好ましい。したがって、炭化物ゾーン３３が表面セクション１２の領域に形成されており、一方、駆動ローラ８の残りのゾーン及び領域が特性が変化しない鋳鋼から成る駆動ローラ８が得られる。

図６から最も明確に理解できるように、１つ以上の横溝３６を駆動ローラ８の平面セクション１２の領域にそれぞれ形成することが可能である。図７から理解できるように、横溝３６は、平面セクション１２の導出溝を形成する凹み２９の中心に配置される。凹み２９は、平面セクション１２に対して角をなして配置された２つの面によって形成され、横溝３６は前記２つの面の交差線に存在する。凹み２９の俯角γは、例えば１５度未満である。凹み２９から平面セクション１２への移行部は、好ましくは１ｍｍ以下の半径Ｒ_４で丸くなる。半径Ｒ_４は、例えば研削によって形成される。燃料は、滞留隙間として機能するこの横溝３６又は凹み２９に蓄積でき、この燃料は、駆動ローラ８の平面セクション１２とピストンフットプレート１８との間の摺動速度により、流体力学的な摺動膜の形成を促進し、これによって、摺動面に対する摩耗を低減する。

図２〜図４に示した実施形態では、図１に示した例と同一の形態でありかつ同一の機能を有するそれらの部分が、同一の参照番号で示されている。図１に示した例と異なり、図２に示した例では、ピストンフットプレート１８は、プレートホルダ３８によって、関連するピストン１６に保持される。ピストン１６に対面するピストンフットプレート１８の表面は、円形凹部４０を有し、この円形凹部に、ピストン１６の球面状端部４２が係合して、凹部４０の基部に接触する。プレートホルダ３８は、ピストン１６の溝４４に係合するスナップリング４６によってピストン１６に係止される。上述の耐摩耗性材料の１つから作製された円形インサート３０は、例えば密着接合によって、特に半田付けによってピストンフットプレート１８の相補的な形状の凹部４８に保持される。図２ａから理解できるように、駆動ローラ８に対面するインサート３０の表面３１の縁側には、導出角度αが約１５度の角をなす導出部３５が設けられる。さらに、この表面３１と導出部３５との間の移行部は、約２ｍｍの半径Ｒ_２で丸くなる。また、インサート３０の導出部３５と縁面３７との間の移行部は、１ｍｍ以下の半径Ｒ_１で丸くなる。

駆動ローラ８の平面セクション１２と同様に、ピストンフットプレート１８のインサート３０は、図３から最も明確に理解できるように、互いに交差する少なくとも２つの溝５０を有することが好ましい。溝５０が互いに交差するように配置されることにより、プレートホルダ３８に対して回転できるピストンフットプレート１８に関して、溝５０の１つが、流体力学的な潤滑膜の形成を促進するために、運動方向に対して横断方向に配向される確率が高くなる。プレス加工によって、溝５０が形成されることが好ましい。このことにより、切削成形工程と比較してノッチ効果が低くなるが、この理由は、材料繊維が切断されないからである。図２ｂから理解できるように、溝５０の各々が、凹み３９の中心に配置されて、導出溝が表面３１に形成される。凹みは、表面３１に対して角をなして配置された２つの面によって形成され、それぞれの溝５０は前記２つの面の交差線に配置される。凹み３９の俯角βは、例えば５度である。凹み３９と表面３１との間の移行部は、好ましくは１ｍｍ以下の半径Ｒ_３で丸くなる。

図４に示した例示的な実施形態では、ピストンフットプレート１８の全体は、上述の耐摩耗性材料の１つから成り、また鋼から成る環状ブッシュ５４の通過孔５２に嵌入される。環状ブッシュ５４とピストンフットプレート１８との間の接続は、半田付けによって形成されることが好ましい。当然、駆動ローラ８及びピストンフットプレート１８の相互に関連する摺動面１２、２８に耐摩耗性材料を取付けるための他の方法も考えられる。

ピストンフットプレートと駆動軸とを有する本発明の第１の実施形態によるラジアルピストンポンプの断面図である。 別の実施形態によるピストン及びピストンフットプレートの拡大断面図である。 図２の拡大部分断面図である。 図２の別の拡大部分断面図である。 下方から見た図２のピストンフットプレートの図面である。 ピストンフットプレートを有するピストン、及び駆動軸の別の実施形態による断面図である。 別の実施形態による駆動軸の断面図である。 図５の線ＶＩ−ＶＩに沿って見た図面である。 図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿って見た図面である。

Claims (13)

1. ポンプケーシング（２）に装着され、走行駆動ローラ（８）が装着される偏心軸セクション（６）を有する駆動軸（４）と、
   該駆動軸（４）に対して半径方向にもうけられるそれぞれのシリンダ（１４）に取付けられ、前記走行駆動ローラ（８）に対面する端部で前記走行駆動ローラ（８）の周方向面（１０、１２）と接触するピストンフットプレート（１８）を有する複数のピストン（１６）と、
   を有する内燃機関の燃料噴射システムに高圧燃料を生成するためのラジアルピストンポンプ（１）において、
   少なくとも、前記駆動ローラ（８）の前記周方向面（１０、１２）と接触する前記ピストンフットプレート（１８）の表面（２８、３１）が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、セラミック材料、鋳造炭化物材料又はサーメットから成り、及び／又は前記駆動ローラ（８）の少なくとも一部、特に、前記駆動ローラ（８）の前記周方向面（１０、１２）の少なくとも一部が、耐摩耗性材料、すなわち、超硬合金、精密鋳造材料、鋳造炭化物材料、焼結工具鋼又は窒化合金鋼から成ること、及び／又は前記ピストン（１６）がセラミック材料から成ることを特徴とするラジアルピストンポンプ。
2. 前記駆動ローラ（８）が、前記駆動ローラの前記周方向面（１０、１２）に、及び／又は前記ピストンフットプレート（１８）が、前記駆動ローラ（８）に対面する前記ピストンフットプレートの前記表面（３１）に、耐摩耗性材料からそれぞれ作製された少なくとも１つのインサート（３０、３２）を有することを特徴とする請求項１に記載のラジアルピストンポンプ。
3. 前記駆動ローラ（８）が、熱処理鋼から成り、またＧ２０、ＧＣ３７又はＧＣ２０のような超硬合金製のインサート（３２）を有することと、前記ピストンフットプレート（１８）が、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、ＳｏＧＧＨのような冷硬化した鋳鉄、又はサーメットから成るか、あるいは前記耐摩耗性材料製のインサート（３０）を有することを特徴とする、請求項１あるいは２に記載のラジアルピストンポンプ。
4. 前記駆動ローラ（８）が、ＧＸ−２１０ＷＣｒ１３ Ｈのような精密鋳造材料から成り、前記ピストンフットプレート（１８）が、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、又はサーメットから成るか、あるいは前記耐摩耗性材料製のインサート（３０）を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のラジアルピストンポンプ。
5. 前記駆動ローラ（８）が、冷硬化させられた鋳鉄ＳｏＧＧＨのような鋳造炭化物材料から成ることと、前記ピストンフットプレート（１８）が、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、又はサーメットから成るか、あるいは前記耐摩耗性材料製のインサート（３０）を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のラジアルピストンポンプ。
6. 前記駆動ローラ（８）が、ＡＳＰ２３のような焼結工具鋼、又は窒化合金鋼から成り、前記ピストンフットプレート（１８）が、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミックのようなセラミック、Ｇ２０のような超硬合金、サーメット、又はＳｏＧＧＨのような鋳造炭化物材料から成るか、あるいは前記耐摩耗性材料製のインサート（３０）を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載のラジアルピストンポンプ。
7. 前記窒化合金鋼が、Ｃ及び／又はＣｒ及び／又はＶ及び／又はＭｏを含有し、ガス窒化処理され、また前記ピストンフットプレート（１８）との接触領域に化合物層を有しないことを特徴とする請求項６に記載のラジアルピストンポンプ。
8. 前記駆動ローラ（８）が、運動方向に対し横断方向に延在する少なくとも１つの横溝（３６）を前記駆動ローラの前記周方向面（１２）に有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のラジアルピストンポンプ。
9. 前記ピストンフットプレート（１８）が、前記駆動ローラ（８）に対面する前記ピストンフットプレートの前記表面（３１）に、互いに交差する少なくとも２つの溝（５０）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のラジアルピストンポンプ。
10. 前記ピストンフットプレート（１８）及び／又は前記駆動ローラ（８）の表面が、０．１５μｍ〜２μｍの表面粗さＲ_ｚを有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のラジアルピストンポンプ。
11. 前記ピストンが、Ｓｉ_３Ｎ_４セラミック又はＺｒＯ_２セラミックから成ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のラジアルピストンポンプ。
12. 前記ピストン（１６）が押出によって製造され、５％未満の気孔率を有し、前記ピストンの表面にはＭｏＳ_２が浸透していることを特徴とする請求項１１に記載のラジアルピストンポンプ。
13. 前記ピストン（１６）が静水圧押出しされるか又は静水圧焼結されることを特徴とする請求項１２に記載のラジアルピストンポンプ。

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