JP2007092754A - 燃料ポンプアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンへの高圧燃料の供給に使用するための、改良された燃料ポンプアセンブリを提供する。
【解決手段】ポンプ室２２内で燃料が加圧されるように、対応する駆動装置２４、２６の作用により使用時に往復運動するポンピングプランジャ１４を有し、駆動装置が、シュー２４と、被駆動カム２８と協働するローラ２６とを備え、使用時に被駆動カム２８が駆動されたときにシュー２４に往復運動が付与されるように構成されており、ローラ２６が第１表面粗さを備えた第１表面領域５２と、第１表面粗さよりも粗い第２表面粗さを備えた第２表面領域５４とを有し、ローラ２６とカム２８の間の静摩擦が、ローラ２６とシュー２４の間の静摩擦より大きくなるように構成してある。
【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮点火内燃機関の燃料噴射システムに高圧燃料を供給するためのポンプアセンブリに関する。

圧縮点火内燃機関で用いられる従来の燃料ポンプでは、複数のプランジャが各プランジャ孔内で往復運動して、各ポンプ室内で燃料を加圧し、エンジンに連設された燃料噴射システムへ送るようになっている。一般的に、３本のプランジャが、駆動軸の周囲に等角度間隔で設けられている。各プランジャは、カム駆動装置の作用によってポンピングストロークを行い、ポンプ室内で燃料が加圧される。プランジャ復帰バネによってプランジャの復帰ストロークが実現され、プランジャがプランジャ孔から退避する。

カム駆動装置は、共通の偏心カム面を有しており、３個のすべてのプランジャと協働して、プランジャを、それぞれのプランジャ孔内において、同期的且つ周期的に往復運動させる。各プランジャは、中間駆動部材を介してカム装置によって駆動される。例えば、各プランジャは、孔内で対応するプランジャを駆動させる筒状のタペット部材に連結されていてもよい。しかし、このタイプのポンプ装置は組み立てが難しい。さらに、タペットは、比較的大きい収容空間を必要とし、しかも、比較的高価な部品である。また、油圧タペット作動では、寄生ポンプ力損失の問題が生来的に付きまとう。

特許文献１として下記に取り上げたヨーロッパ特許出願ＥＰ１２２３３３４Ａは、我々の別出願であるが、各プランジャの中間駆動装置が、タペット駆動装置ではなく、ローラとシューの装置（“ローラ・シュー”駆動構成）である複式プランジャ燃料ポンプを記載している。ローラはカム装置のカム面と協働し、駆動軸が回転すると、シューに往復運動を付与する。他方、各シューは、カム装置が駆動された時にポンプ室内で燃料を加圧するプランジャに連結されている。ポンプは、一体型の主ポンプハウジング内に収容された３基のポンプアセンブリを有している。

筒部材状のポンプハウジング部は、主ポンプハウジング内に駆動軸と同心となるように収容されている。筒部材には複数の開口が設けられており、それぞれの開口は、ローラがカム面に乗り上げたときに、対応するシューの往復運動を案内する形状を有している。各プランジャに連設されたシューは、矩形または正方形の断面を有している。

カムが回転する間に、補充段階とポンピング段階という２つのポンプ作動段階がある。補充段階は、復帰バネ力によりプランジャがその孔内から退避して燃料がポンプ室内に入る際に生じる。ポンピング段階は、燃料が高圧で（少なくとも１６００バール）噴射システムに送り込まれる際に生じる。主ポンプハウジング内に形成された流路には、ポンプ室への燃料の流入及び流出を制御する吸気弁及び排気弁が設けられている。

ヨーロッパ特許出願ＥＰ１２２３３３４Ａ公報

このようなローラ／シュー構成は、上述したようなタペット装置に改良を加えても未だ、特に補充段階において、信頼性のレベルが不十分である可能性がある。

本発明の目的は、高圧燃料の供給に使用するための、改良されたポンプアセンブリを提供することにある。

本発明は、エンジンに用いる燃料ポンプアセンブリを提供するものであり、この燃料ポンプアセンブリは、使用時に、ポンプ室内で燃料を加圧するべく、対応する駆動装置の作用により往復運動するポンピングプランジャを有している。前記駆動装置はシューとローラを備え、ローラは被駆動カムと協働して、使用時に被駆動カムが駆動されるとシューに往復運動を付与する。このポンプアセンブリは、前記ローラが第１表面粗さを備えた第１表面領域と、前記第１表面粗さよりも粗さの高い第２表面粗さを備えた第２表面領域とを有することを特徴としている。

シューは、ローラとカムの間の静摩擦が、ローラとシューの間の静摩擦より大きくなるよう構成されている。したがって、ローラがカム面上で滑る危険性が低減される。このローラは、均一の表面粗さをもつローラと較べて、早く臨界回転速度に達することができるという利点を有する。また、この臨界速度かそれを超えるローラ回転が、エンジン作動条件の全域、特に補充段階の全域にわたって維持される。

前記第１表面領域及び第２表面領域は、ローラの外周面に設けられているのが好ましい。シューがローラのためのベアリング面を備え、前記ベアリング面は、使用時に第２表面領域がベアリング面と接触しないような形状になっていると有利である。これにより、ローラとシューとの間の磨耗が最小限となる。ベアリング面が、ローラの第２表面領域に略対応する凹部を備えるように形成されていると好都合である。

好ましくは、凹部の大きさが、第２表面領域の幅と略同じ、或いはこれより大きい幅を有しており、第２表面領域がローラの周囲に延びる帯となっている。或る実施形態においては、第２表面領域は、ローラの長さ方向の略中央にある。

また、或いは、ローラは、第２表面領域と略同じ表面粗さを有する第３表面領域を有し、第２及び第３表面領域は、第１表面領域のいずれかの側部に位置しており、第２及び第３表面領域の両方の表面粗さが第１表面粗さよりも高くなっていても良い。

次に例として、添付の図面を参照して、本発明を説明する。

以下に本発明による最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１〜３は、圧縮点火内燃機関の燃料噴射システムに適した高圧燃料ポンプアセンブリを示している。詳しくは、この燃料ポンプアセンブリは、コモンレール用燃料噴射システムのコモンレールに高圧燃料を送るのに適している。図１の燃料ポンプアセンブリのうち、公知の部分については簡単な記載に止める。

ポンプアセンブリは主ポンプハウジング１０を有しており、カム駆動軸１２が紙面に直交する駆動軸芯に沿ってこの主ポンプハウジング１０を貫通している。第１、第２、第３ポンプヘッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃが、駆動軸芯の周囲の略等角度間隔の径方向位置において、主ポンプハウジング１０上に設けられており、駆動軸１２は主ポンプハウジング１０に形成された中央貫通孔４０を貫通している。各ポンプヘッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれポンプヘッドハウジング１８ａ，１８ｂ，１８ｃを備えている。

図２および図３から最も明確に理解されるように、ポンプヘッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃは互いに略同一であり、第１ポンプヘッド１３ａは、ポンピングストローク（つまり往路ストローク）と復路ストロークとを持つポンピングサイクルを実行するよう、閉塞孔１６内で往復するポンピングプランジャ１４を備えている。

閉塞孔１６の一部はポンプヘッドハウジング１８ａ内に、他の一部はポンプヘッドハウジング１８ａの下面から延びるプランジャ支持管２０内に形成されている。孔１６の閉塞端部は、ポンプヘッドハウジング１８ａとともに、ポンプ室２２を形成している。ポンピングストローク中には、孔１６内でプランジャ１４が往復運動することにより、ポンプ室２２内で燃料が加圧される。使用時には、ポンピングプランジャ１４は、シュー２４及びこれに対応するローラ２６からなる駆動装置の作用を受けて、孔１６内で軸方向に駆動する。

ローラ２６及びシュー２４を図４及び５にさらに詳細に示す。ローラ２６は略筒状であり、長手軸芯に沿って延びる長さと、その長さに対して横断方向の略円形の断面を有している。シュー２４は、ローラの長さと略同じ長手軸芯に沿って延びる長さを有している。シュー２４は、その長さに対して横断方向の断面において略矩形である。別実施例として、断面が正方形のシューを用いてもよい。

シュー２４は、窪んだ、使用時のローラ２６の長手方向部分を受ける形状のベアリング面４９を備えている。ベアリング面４９の断面輪郭つまり形状は略半円であるとともに、ローラ２６の断面の直径よりわずかに大きい径を有するので、ローラ２６は、シュー２４のベアリング面内にて長手軸芯周りで回転自在となる。

また、ローラ２６は駆動軸１２に備えられたカム部材２８のカム面２７とも協働するようになっている。軸１２が使用時に回転すると、ローラ２６がカム面２７に乗り上げて、シュー２４に動きを伝える結果、ポンピングプランジャ１４に軸芯運動（つまり主プランジャ軸に沿って）を伝えて、ポンピングストロークを引き起こす。

本発明のポンプアセンブリは、シュー及びローラ装置の形状において従来のポンプと異なる。上記タイプの従来の燃料ポンプでは、シューとローラは同じように配置されているが、ローラ外周面と協働するベアリング面の表面粗さは略滑らかになるよう設定されている。

本発明者は、ローラ２６の表面粗さが、ローラ２６の長さ方向に沿って変化するように選択することが有利であるという驚くべき発見をした。

使用時には、ローラ２６は、カム面２７に乗り上げる、つまり転動可能となるように、シュー２４に組み付けられた状態で回転しなければならないことが理解されるであろう。もし、作動状態によって、ローラ２６の回転がカムに対して遅くなったり、結局停止してしまったりすると、カム部材２８が静止ローラ２６上を摺動して、その結果、部材間の磨耗が増大し、エンジンの寿命が縮まってしまう。

ローラ／シュー間の境界面及びローラ／カム間の境界面はいずれも燃料に浸漬されるが、弾性流体力学域で潤滑されるのはローラ／カム間の境界面である。ローラが一旦充分な回転速度に達すると、ローラ／シュー間の境界面において流体力学潤滑域が作動し、このとき、ローラ／シュー駆動装置が最も効率化する。カムとローラ間での摺動を防ぐために、エンジン始動後、ローラができるだけ早くこの充分な速度に達して、少なくともこの速度を全ての作動条件（例えば、全体エンジン速度、レール全体における圧力）において維持することが重要である。これらの部材間での摺動を防ぐことにより、磨耗を最小限に維持でき、ポンプの寿命が長くなる。

ローラがカム面を回転して転動するためには、ローラとカムの間の粘性／静摩擦力が、ローラとシューの間の抵抗力よりも大きくなければならない。エンジン始動時など、状況によっては、ローラとカムの間の静摩擦力は、ローラとシューの間の抵抗力よりも小さい。その結果、ローラが回転せず、カムが静止したローラに対して摺動し、当該部材間の磨耗が増大することになる。

ローラとカム間の粘性摩擦力または静摩擦力は、両面間の接触圧に影響される。ポンピング段階の間、接触圧は、ポンプ室内の燃料圧からプランジャに作用する力のために高くなっている。しかし、補充段階においては、カムが１回転する間ずっとローラがカム面との接触し続けるように、シューとローラとをカムの方へ付勢する役目を果たす復帰バネによって提供される力が唯一の力であるので、接触圧は低い。ローラがその回転速度を減らされ、極端な場合には完全に回転を停止する虞があるのは、この後者の条件においてである。従って、最大の効率を得るためには、補充段階及びポンピング段階の両方でローラが確実に回転し続けることが望ましい。

使用中、ローラ２６をシュー２４内で確実に回転させ続けるために、ローラ２６の外周面５０の一部に、隣接する外周面領域よりも高い表面粗さを設けてある。この表面粗さがより高い領域は、ローラ２６の円形外周面５０の回りの、そして、ローラ２６の長さ方向の略中央領域にわたる帯５４として延びている。従って、ローラの外周面５０は、互いに隣接配置された第１の標準表面粗さ帯５２、高度表面粗さ帯５４、及び第２の標準表面粗さ帯５２という、ローラ２６に沿って横断する３つの領域または帯を有すると考えることができる。すなわち、高度表面粗さ帯５４を第１及び第２の標準表面粗さ帯５２よりも粗くしてあるので、高度表面粗さ帯５４では、カム面２７に対する静摩擦係数が第１及び第２の標準表面粗さ帯５２よりも高くなっている。その結果、ローラ２６の高度表面粗さ帯５４によって、ローラ２６がカム面２７を転動する際におけるローラ２６とカム部材２８の間の静摩擦が増大する。

ローラ２６の高度表面粗さ帯５４がシュー２４のベアリング面４９に接触しないことを確実にするために、シュー２４はベアリング面４９に凹部（または逃がし）５６を備えている。凹部５６は、高度表面粗さ帯領域５４の寸法及び形状に対応する寸法及び形状を有しているか、或いは、凹部５６の寸法が高度表面粗さ領域５４より大きくてもよい。このようにすると、ローラ２６の標準表面粗さ領域５２のみがシュー２４のベアリング面４９と接触する。カム面２７には変更が加えられないので、ローラの３つの領域５２、５４のすべてがカム面２７に接触する（つまり、ローラ２６はローラの全長にわたってカム面２７に接触する）。

ローラ２６に高度表面粗さ領域５４を設けたため、ローラ２６とカム面２７間の粘性／静摩擦力は、ローラ２６とシュー２４間の抵抗力よりも大きくなる。この利点は２点ある。第１に、エンジンが始動すると、ローラ２６は、表面粗さが均一のローラよりも短時間でその臨界速度（ローラ／シュー間の境界面で流体力学潤滑が生じる速度）に達する。第２に、この臨界速度かそれを超えるローラ回転速度が、エンジン作動条件（エンジン速度またはコモンレール圧）の全範囲にわたって維持される。特に、カムにかかる負荷が比較的低く、ローラがカムに対して摺動する危険性が高くなる補充中において、本発明ではカム／ローラ摩擦がローラ／シュー摩擦より確実に高くなる。従って、補充段階中にローラ２６がカム面に対して摺動する危険性は低くなる。

高度表面粗さ領域５４がシュー２４に接触しないように、対応凹部５６がシュー２４のベアリング面４９に設けられていれば、高度表面粗さ領域５４はローラ２６の長さ方向の中央に位置している必要はなく、長さ方向のどの部分に位置していてもよい。さらに別の形態として、ローラに複数の高度表面粗さ領域を設け、これら各領域に対応する凹部をシューに設けてもよい。

さらに別の実施形態では、ローラ２６の外側両端部に高度表面粗さ領域を設けて、中心つまり中央領域を標準表面粗さにしてもよい。これは、ローラ２６にかかる負荷分布が中央領域において最大である場合に有利であり、この実施例では、この領域でローラ／シュー間のベアリング境界面が維持される。

ポンプヘッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃの各々において、シューとローラからなる構成がカム面２７と協働し、この協働は３つのポンプヘッドのすべてに共通するということが理解されるであろう。当該技術分野の当業者によって理解されるように、駆動軸１２が回転すると、各ローラが共通のカム面２７と協働し、そのカム面の形状に基づく同期的、周期的な形態でシューを往復運動させる。

完璧を期すため、次に、シューがアセンブリ内で如何に支持され、如何に案内されるかについて例示する。図６を見ると、主ポンプハウジング１０には、径方向に延びる開口部３２が径方向に延びる孔状に設けられている。開口部３２は略円筒状の内面を備え、第１ポンプヘッド１３ａと対応する第１の中空挿入体３０ａが、筒状の開口部３２内に孔１６と同軸になるよう配置されている。

この挿入体３０ａは略円筒状の外周面を有しており、これは、主ポンプハウジング１０の開口部３２の内面形状に対応する。挿入体３０ａの内面は（プランジャ１４及びシュー２４の移動軸芯と直交する平面内において）略矩形の断面形状を有する。従って、挿入体３０ａの内面は、略平行な互いに対向する第１対及び第２対の壁面３４，３６を形成し、これらが、使用時に往復運動する矩形断面を備えたシュー２４のための適切な形状を備えた案内経路となる。

第１対の対向内面３４は、第２対である対向内面３６よりも、プランジャ軸芯に直交する軸芯に沿って、長さが短い。挿入体３０ａは、プランジャの軸芯に沿って、第１対の内面３４が第２対の内面３６より長くなるように形成されているので、この部分で挿入体３０ａの上端部領域１３０は軸方向に高くなっている。

挿入案内経路の断面は正確な矩形ではないが（例えば、図６に示すように、連結コーナー領域２３０は湾曲形状になっている）、シュー２４の略矩形断面のための適切な案内面となるように、略矩形断面を備えた案内経路が形成されていることが理解されるであろう。

第２及び第３ポンプヘッド１３ｂ，１３ｃにもそれぞれ同様の挿入体３０ｂ，３０ｃが設けられており、各挿入体３０ｂ，３０ｃが、主ポンプハウジング１０において対応する形状の径方向開口部または孔部（３２のような）内に挿入されている。図３に示すように、第１、第２、第３挿入体３０ａ，３０ｂ，３０ｃのそれぞれは、それらの径方向内側の端部が、主ポンプハウジング１０に設けられた主軸孔３８内に開口するよう配置されている。

図２に示すように、挿入体３０ａは、シュー２４の上方に（図示する方向で）位置するバネ用スペース７４を備えており、このバネ用スペース７４の中に復帰バネ８４が配置されている。駆動軸１２が１回転する間中ずっとローラ２６がカム面２７との接触を維持するように、復帰バネ８４はシュー２４及びローラ２６を径方向内側へ付勢している。復帰バネ８４による力は、主ポンプ室２２内での燃料の圧力による力に援助されて、ポンピングプランジャ１４に作用し、復帰ストロークを行うべく、ポンピングプランジャ１４を孔１６から外側に付勢するための復帰力を提供する。これは、ポンプが、最大排出量すなわち最大補充量において作動している時にのみ生じることが理解されるであろう。

本発明は、複式プランジャ型ポンプに使用するための装置として説明したが、このローラ／シュー装置は、単式プランジャ型ポンプにも同様に採用することができることが理解されるであろう。複式プランジャ型ポンプにおいても、単式プランジャ型ポンプにおいても、中でプランジャが往復するポンプヘッドは、（前述したように）主ポンプハウジングと別体になっていてもよいし、あるいは、主ポンプハウジングと一体形成されていてもよい。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

本発明の一実施形態における燃料ポンプアセンブリの斜視図 図１のポンプ装置の一部破断縦断面図 図１及び図２のポンプアセンブリの一部破断横断面図 本発明のローラ及びシューの断面図 図４のローラ及びシューの一部破断側面図 主ポンプアセンブリのハウジングの一部の斜視図

符号の説明

１０ 主ポンプハウジング
１２ カム駆動軸
１３ａ 第１ポンプヘッド
１３ｂ 第２ポンプヘッド
１３ｃ 第３ポンプヘッド
１４ ポンピングプランジャ
１６ 閉塞孔
１８ａ 第１ポンプヘッドハウジング
１８ｂ 第２ポンプヘッドハウジング
１８ｃ 第３ポンプヘッドハウジング
２０ プランジャ支持管
２２ ポンプ室
２４ シュー
２６ ローラ
２７ カム面
２８ カム部材
３０ａ 中空挿入体
３２ 筒状の開口部
３４ 第１対の壁面
３６ 第２対の壁面
３８ 主軸孔
４０ 中央貫通孔
４９ ベアリング面
５０ 外周面
５２ 標準表面粗さ帯
５４ 高度表面粗さ帯
７４ バネ用スペース
８４ 復帰バネ
１３０ 上端部領域
２３０ 連結コーナー領域

Claims (9)

1. エンジンに用いる燃料ポンプアセンブリであって、
   ポンプ室（２２）内で燃料が加圧されるように、対応する駆動装置（２４、２６）の作用により、使用時に往復運動するポンピングプランジャ（１４）を有し、前記駆動装置が、シュー（２４）と、被駆動カム（２８）と協働するローラ（２６）とを備え、使用時に前記被駆動カム（２８）が駆動されたときに前記シュー（２４）に往復運動が付与されるように構成されている燃料ポンプアセンブリにおいて、
   前記ローラ（２６）が第１表面粗さを備えた第１表面領域（５２）と、前記第１表面粗さよりも粗さの高い第２表面粗さを備えた第２表面領域（５４）とを有すること、及び、前記ローラ（２６）と前記カム（２８）の間の静摩擦が、前記ローラ（２６）と前記シュー（２４）の間の静摩擦より大きくなるように構成したことを特徴とする燃料ポンプアセンブリ。
2. 前記第１表面領域（５２）及び前記第２表面領域（５４）が、前記ローラ（２６）の外周面に設けられている請求項１に記載の燃料ポンプアセンブリ。
3. 前記シュー（２４）が、前記ローラ（２６）を枢支するベアリング面（４９）を備えており、前記ベアリング面（４９）が、使用時に前記第２表面領域（５４）が前記ベアリング面（４９）と接触しない形状となっている請求項１または２に記載の燃料ポンプアセンブリ。
4. 前記ベアリング面（４９）が、前記ローラ（２６）の前記第２表面領域（５４）に略対応する凹部（５６）を備える形状になっている請求項３に記載の燃料ポンプアセンブリ。
5. 前記凹部（５６）の大きさが、前記第２表面領域（５４）の幅と略同じ、或いはこれより大きい幅を有している請求項４に記載の燃料ポンプアセンブリ。
6. 前記第２表面領域（５４）が前記ローラ（２６）の周囲に延びる帯である請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料ポンプアセンブリ。
7. 前記ローラが、前記第２表面領域と略同じ表面粗さを有する第３表面領域を有しており、前記第２及び第３表面領域が、前記第１表面領域のいずれかの側部に位置している請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料ポンプアセンブリ。
8. 前記第２及び第３表面領域の両方の表面粗さが前記第１表面粗さよりも高い請求項７に記載の燃料ポンプアセンブリ。
9. 前記第１表面領域が、前記ローラの長さ方向の略中央部に位置する請求項７または８に記載の燃料ポンプアセンブリ。

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