JP2007126975A - 燃料ポンプの設計方法及びその設計方法により作製された燃料ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャとシリンダとの間の略全域においてこの両者間の摩擦抵抗、特に初期フリクションを大幅に小さくすることができる燃料ポンプの設計方法及びその設計方法により作製された燃料ポンプを提供する。
【解決手段】燃料ポンプ１の初期駆動時の摩耗によって得られる形状にプランジャ２３の外面形状が略一致するようにプランジャ２３の設計を行う。これにより、プランジャ２３とシリンダ２１との間の略全域においてこの両者間の初期フリクションが軽減された状態で燃料ポンプ１が作製できることになり、摩擦損失の軽減に伴ってポンプ性能を高く得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば筒内直噴型エンジン等の内燃機関に適用され燃料噴射弁（インジェクタ）に向けて高圧燃料を供給するための燃料ポンプの設計方法及びその設計方法により作製された燃料ポンプに係る。特に、本発明は、プランジャの往復移動に伴う初期フリクションを低減する対策に関する。

従来より、例えば筒内直噴型エンジンのようにインジェクタへ供給する燃料に高い圧力が要求されるエンジンにあっては、燃料タンクから送られてきた燃料を高圧燃料ポンプで加圧してインジェクタに向けて供給するようになっている。

具体的に、この種のエンジンにおける燃料供給系の構成としては、下記の特許文献１にも開示されているように、燃料タンクから燃料を送り出すフィードポンプ、このフィードポンプによって送り出された燃料を加圧する高圧燃料ポンプを備えている。そして、この高圧燃料ポンプによって加圧された燃料を、複数のインジェクタが接続されたデリバリパイプに貯留するようになっている。これにより、インジェクタの開弁動作に伴って、デリバリパイプに貯留されている高圧燃料が、その開弁されたインジェクタから燃焼室に向けて噴射されることになる。

また、上記高圧燃料ポンプは、シリンダ内にプランジャが挿入されており、このプランジャがリフタを介して駆動カムからの押圧力を受けてシリンダ内で往復移動し、加圧室に吸入した燃料を加圧するようになっている。詳しくは、プランジャの下端部にリテーナを装着し、このリテーナを有底円筒形状のリフタ内に嵌め込む。そして、このリフタの下面に駆動カムを当接させる。一方、上記リテーナにはコイルスプリングによってプランジャを押し下げる方向（加圧室の容積を拡大させる方向）の付勢力が与えられている。つまり、駆動カムの回転に伴ってカムノーズがリフタから退避する状況では、コイルスプリングの付勢力がリテーナを介してプランジャに作用し、プランジャが下降移動して加圧室の容積が拡大（吸入行程）する一方、カムノーズがリフタに当接する状況では、リフタが押し上げられ、それに伴ってプランジャが上昇移動して加圧室の容積が縮小（加圧行程）するようになっている。

ところで、この種の高圧燃料ポンプにあっては、シリンダの内部でプランジャが往復移動するため、この両者間での摩擦抵抗がポンプ性能に大きな影響を及ぼすことになる。特に、高圧燃料ポンプの初期駆動時（高圧燃料ポンプの新品時からの累積駆動期間が未だ少ないとき）にはこの摩擦抵抗（初期フリクション）が大きくなっている。

この不具合に鑑みたものとして下記の特許文献２が提案されている。この特許文献２に開示されているものは、プランジャとシリンダとの間の先端側（加圧室側）のクリアランスを、基端側（駆動カム側）のクリアランスよりも大きく設定している。これにより、基端側でのガイド作用により先端側におけるプランジャとシリンダとの接触を抑制して上記摩擦抵抗を小さくするようにしている。
特開２００１−２９５７３０号公報 特開２００１−４１１２９号公報

しかしながら、上記特許文献２のものでは、プランジャとシリンダとの間の先端側での摩擦抵抗については小さくできるものの、その他の箇所については摩擦抵抗を十分に小さくすることが困難であった。つまり、プランジャとシリンダとの間の略全域においてこの両者間の摩擦抵抗を小さくすることは困難であり、特に摩擦抵抗の大きな期間である高圧燃料ポンプの累積駆動期間が未だ少ないときの初期フリクションを低減するためには更なる改良が必要であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、プランジャとシリンダとの間の略全域においてこの両者間の摩擦抵抗、特に初期フリクションを大幅に小さくすることができる燃料ポンプの設計方法及びその設計方法により作製された燃料ポンプを提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、プランジャやシリンダの初期フリクションはこれら部材がある程度摩耗して形状変化することで軽減されることに着目し、この変化後の形状を模擬的にプランジャやシリンダの設計に反映させるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、シリンダ内においてプランジャが往復移動することにより加圧室内に吸入した燃料を加圧して吐出する燃料ポンプの設計方法を前提とする。この燃料ポンプの設計方法に対し、上記シリンダ内においてプランジャを所定期間往復移動させた後のプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方の摩耗状態を確認する確認作業を行う。そして、この確認作業により知得したプランジャ外面形状及びシリンダ内面形状の一方または両方と略同様の形状にプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方を加工するようプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方を設計するようにしている。

この特定事項により、燃料ポンプは初期状態（新品の状態）で、既に所定期間または所定のプランジャ往復回数の駆動が終了した形状にプランジャまたはシリンダの形状が形成されることになり、この初期状態でプランジャが往復移動した際には、プランジャ外面とシリンダ内面との接触状態は、燃料ポンプを所定期間駆動させた後の状態に略一致している。つまり、プランジャやシリンダがある程度摩耗して初期フリクションが軽減された状態が燃料ポンプの新品時点で既に得られている。このため、プランジャとシリンダとの間の略全域においてこの両者間の初期フリクションが軽減された状態が燃料ポンプの新品状態で得られており、ポンプ性能を高く得ることができる。

上記プランジャ外面の設計手法として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、往復移動の上死点ではプランジャの上端位置がシリンダの上端エッジ部よりも加圧室側に位置するようになっている一方、往復移動の下死点ではプランジャの下端位置がシリンダの下端エッジ部よりも反加圧室側に位置するようになっているものに対し、上記プランジャの外面におけるシリンダの上端エッジ部に接触する領域及びプランジャの外面におけるシリンダの下端エッジ部に接触する領域それぞれを含む少なくとも２つの領域に、上記確認作業により知得したプランジャ外面形状と略同様の形状にプランジャ外面を加工するようプランジャ外面を設計するものである。

この場合に、上記プランジャ外面に設計される形状として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、上記プランジャの外面におけるシリンダの上端エッジ部に接触する領域及びプランジャの外面におけるシリンダの下端エッジ部に接触する領域の加工が、プランジャの周方向の全体に亘る凹部の加工となるようプランジャ外面を設計するものである。

これら特定事項により、特に初期摩耗の大きな箇所である「シリンダのエッジ部に対向するプランジャの外面」に対して適切な加工を行うことができ、プランジャ外面の形状の最適化を図ることができる。

更に、プランジャの外面にメッキ層を形成する場合の設計方法としては、このメッキ層が、プランジャ外面形状に沿った均一厚さの層で成るよう設計することが挙げられる。これによれば、プランジャ外面に形成されているメッキ層に対するシリンダからの応力はプランジャ外面の略全領域において略均等に作用することになり、部分的にメッキ層が大きく摩耗してしまうといったことがない。このため、プランジャ外面の全領域に対して予めメッキ層を厚く形成しておく必要がなくなり、従来のものに比べてメッキ層の厚さを薄く設定しても摩耗によりメッキ層が摩滅してしまうといった状況を招くことがない。このため、メッキ層構成材料の使用量を削減できて燃料ポンプの製造コストの低廉化を図ることができる。

また、上記摩耗状態を確認する確認作業を行うまでのプランジャの往復移動期間は、プランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方の単位期間あたりの摩耗量が過渡的に大きくなっている初期摩耗発生期間以上に設定されている。これにより、高圧燃料ポンプの初期駆動時には既に初期摩耗が完了して初期フリクションが生じない状況となっているため、プランジャ外面やシリンダ内面の摩耗が大きく進んでしまうといった状況を招くことがなく、これら形状の最適化を図ることができる。

尚、上記各解決手段のうち何れか一つに記載の燃料ポンプの設計方法により設計された内面形状を有するシリンダまたは外面形状を有するプランジャを備えている燃料ポンプも本発明の技術的思想の範疇である。

本発明では、燃料ポンプの構成部材であるプランジャやシリンダの設計に、初期フリクション軽減後におけるこれら部材の形状を反映させるようにしている。これにより、プランジャとシリンダとの間の略全域においてこの両者間の初期フリクションが軽減された状態が燃料ポンプの新品状態から得ることができポンプ性能を高く得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車に搭載された筒内直噴型多気筒（例えば４気筒）ガソリンエンジンに使用される高圧燃料ポンプに本発明を適用した場合について説明する。この高圧燃料ポンプの設計手法について説明する前に、この高圧燃料ポンプが適用される燃料供給装置について説明する。

−燃料供給装置１００−
図１は本実施形態における燃料供給装置１００の構造を模式的に示す図である。この図１に示すように、燃料供給装置１００は、燃料タンク１０１から燃料を送り出すフィードポンプ１０２と、そのフィードポンプ１０２によって送り出された燃料を加圧して各気筒（４気筒）の燃料噴射弁４，４，…に向けて吐出する高圧燃料ポンプ１とを備えている。

上記高圧燃料ポンプ１の概略構成としては（具体構成については、後で図３を用いて説明する）、シリンダ２１、プランジャ２３、加圧室２２及び電磁スピル弁３０を備えている。プランジャ２３は、エンジンの排気カムシャフト１１０に取り付けられた駆動カム１１１の回転によって駆動され、シリンダ２１内を往復移動する。このプランジャ２３の往復移動により加圧室２２の容積が拡大または縮小する。本実施形態では、排気カムシャフト１１０の回転軸回りに１８０°の角度間隔をもって２つのカム山（カムノーズ）１１２，１１２が駆動カム１１１に形成されている。そして、このカムノーズ１１２，１１２によってプランジャ２３が押し上げられて、このプランジャ２３がシリンダ２１内で移動するようになっている。尚、本実施形態に係るエンジンは４気筒型であるため、エンジンの１サイクル中、つまりクランクシャフトが２回転する間に、気筒毎に設けられた燃料噴射弁４から各１回ずつ、合計４回の燃料噴射が行われることになる。また、このエンジンでは、クランクシャフトが２回転する度に排気カムシャフト１１０は１回転する。よって、燃料噴射弁４からの燃料噴射は４回ずつ、高圧燃料ポンプ１からの吐出動作は２回ずつ、エンジンの１サイクル毎に行われるようになっている。

上記加圧室２２はプランジャ２３及びシリンダ２１によって区画されている。この加圧室２２は、低圧燃料配管１０４を介してフィードポンプ１０２に連通しており、また、高圧燃料配管１０５を介してデリバリパイプ（蓄圧容器）１０６内に連通している。

このデリバリパイプ１０６には、上記燃料噴射弁４，４，…が接続されていると共に、デリバリパイプ１０６内の燃料圧力（実燃圧）を検出する燃圧センサ１６１が配設されている。また、このデリバリパイプ１０６には、リリーフバルブ１７１を介してリターン配管１７２が接続されている。このリリーフバルブ１７１は、デリバリパイプ１０６内の燃料圧力が所定圧（例えば１３ＭＰａ）を越えたときに開弁する。この開弁により、デリバリパイプ１０６に蓄えられた燃料の一部をリターン配管１７２を介して燃料タンク１０１に戻すようになっている。これにより、デリバリパイプ１０６内の燃料圧力の過上昇が防止される。また、上記リターン配管１７２と高圧燃料ポンプ１とは、燃料排出配管１０８（図１では破線で示している）によって接続されており、プランジャ２３とシリンダ２１との間隙から漏出した燃料がシールユニット５の上部の燃料収容室６に蓄積され、その後、この燃料収容室６に接続された上記燃料排出配管１０８に戻されるようになっている。

尚、低圧燃料配管１０４には、フィルタ１４１及びプレッシャレギュレータ１４２が設けられている。このプレッシャレギュレータ１４２は、低圧燃料配管１０４内の燃料圧力が所定圧（例えば０．４ＭＰａ）を越えたときに低圧燃料配管１０４内の燃料を燃料タンク１０１に戻すことによって、この低圧燃料配管１０４内の燃料圧力を所定圧以下に維持している。また、低圧燃料配管１０４には、パルセーションダンパ１０７が備えられており、このパルセーションダンパ１０７によって高圧燃料ポンプ１の作動時における低圧燃料配管１０４内の燃圧脈動が抑制されるようになっている。また、高圧燃料配管１０５には、高圧燃料ポンプ１から吐出された燃料が逆流することを阻止するための逆止弁１５１が設けられている。

上記高圧燃料ポンプ１には、低圧燃料配管１０４と加圧室２２との間を連通または遮断するための上記電磁スピル弁３０が設けられている。この電磁スピル弁３０は、電磁ソレノイド３１を備えており、その電磁ソレノイド３１への通電を制御することにより開閉動作する。電磁スピル弁３０は、電磁ソレノイド３１への通電が停止されているときにはコイルスプリング３７の付勢力によって開弁する。以下、この電磁スピル弁３０の開閉動作について図２を参照しながら説明する。

先ず、電磁ソレノイド３１に対する通電が停止された状態のときには、電磁スピル弁３０がコイルスプリング３７の付勢力によって開弁し、低圧燃料配管１０４と加圧室２２とが連通した状態になる。この状態において、加圧室２２の容積が増大する方向にプランジャ２３が移動するとき（吸入行程）には、フィードポンプ１０２から送り出された燃料が低圧燃料配管１０４を経て加圧室２２内に吸入される。

一方、加圧室２２の容積が収縮する方向にプランジャ２３が移動するとき（加圧行程）において、電磁ソレノイド３１への通電により電磁スピル弁３０がコイルスプリング３７の付勢力に抗して閉弁すると、低圧燃料配管１０４と加圧室２２との間が遮断され、加圧室２２内の燃料圧力が所定値に達した時点でチェック弁４０が開放して、高圧の燃料が高圧燃料配管１０５を通じてデリバリパイプ１０６に向けて吐出される。

そして、高圧燃料ポンプ１における燃料吐出量の調整は、加圧行程での電磁スピル弁３０の閉弁期間を制御することによって行われる。即ち、電磁スピル弁３０の閉弁開始時期を早めて閉弁期間を長くすると燃料吐出量が増加し、電磁スピル弁３０の閉弁開始時期を遅らせて閉弁期間を短くすると燃料吐出量が減少するようになる。このように、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出量を調整することにより、デリバリパイプ１０６内の燃料圧力が制御される。

ここで、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出量（電磁スピル弁３０の閉弁開始時期）を制御するための制御量であるポンプデューティＤＴについて説明する。

このポンプデューティＤＴは、０〜１００％という値の間で変化するものであって、電磁スピル弁３０の閉弁期間に対応する排気カムシャフト１１０の駆動カム１１１のカム角度に関係した値である。

具体的には、駆動カム１１１のカム角度に関して、図２に示すように、電磁スピル弁３０の最大閉弁期間に対応したカム角度（最大カム角度）をθ０とし、その最大閉弁期間の目標燃圧に対応するカム角度（目標カム角度）をθとすると、ポンプデューティＤＴは、最大カム角度θ０に対する目標カム角度θの割合（ＤＴ＝θ／θ０）で表される。従って、ポンプデューティＤＴは、目標とする電磁スピル弁３０の閉弁期間（閉弁開始時期）が最大閉弁期間に近づくほど１００％に近い値となり、目標とする閉弁期間が「０」に近づくほど０％に近い値となる。

そして、ポンプデューティＤＴが１００％に近づくほど、ポンプデューティＤＴに基づいて調整される電磁スピル弁３０の閉弁開始時期は早められ、電磁スピル弁３０の閉弁期間は長くなる。その結果、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出量が増加して実燃圧が上昇するようになる。また、ポンプデューティＤＴが０％に近づくほど、ポンプデューティＤＴに基づいて調整される電磁スピル弁３０の閉弁開始時期は遅らされ、電磁スピル弁３０の閉弁期間は短くなる。その結果、高圧燃料ポンプ１の燃料吐出量が減少して実燃圧が低下するようになる。尚、上記ポンプデューティＤＴの算出手順の詳細についてはここでは説明を省略する。

−高圧燃料ポンプ１の具体構成−
次に、上記高圧燃料ポンプ１の具体構成について図３を用いて説明する。図３は高圧燃料ポンプ１の縦断面図である。この図３に示すように、本実施形態の高圧燃料ポンプ１は、ハウジング１０内にポンプ部２０、上記電磁スピル弁３０及びチェック弁４０を備えた構成となっている。

上記ポンプ部２０は、シリンダ２１、加圧室２２、プランジャ２３、リフタ２４及びリフタガイド２５を備えている。シリンダ２１はハウジング１０の中央部に形成され、その先端側（図３における上端側）に加圧室２２が形成される。プランジャ２３は略円柱状であって、シリンダ２１内にその軸線方向の摺動が可能に挿入されている。このプランジャ２３の形状の詳細については後述する。リフタ２４は有底円筒状に形成されており、その内部に、プランジャ２３の基端部、後述するリテーナ２６及びコイルスプリング２７等が収容される。リフタガイド２５はハウジング１０の下側に取り付けられた円筒状の部材であって、その内部に上記リフタ２４が軸線方向へ摺動可能に収納されている。

上記プランジャ２３の基端部にはリテーナ２６が係合されている。具体的には、プランジャ２３の基端部に小径部２３ａが設けられており、リテーナ２６にはこの小径部２３ａの外径寸法に略一致する幅を有する溝２６ａが形成されていて、この溝２６ａに小径部２３ａが嵌め込まれることによってプランジャ２３の基端部がリテーナ２６に往復移動一体に係合されている。そして、リフタガイド２５の上部にはスプリングシート部材２５ａが嵌め込まれており、このスプリングシート部材２５ａの下面とリテーナ２６との間にコイルスプリング２７が圧縮状態で配置されている。つまり、このコイルスプリング２７により、プランジャ２３に対して下方への付勢力が付与されていると共に、リフタ２４が駆動カム１１１に向けて付勢されている。

上記電磁スピル弁３０は加圧室２２に対向して配設され、上記電磁ソレノイド３１、ボビン３２、コア３３、アーマチャ３４、ポペット弁３５及びシート体３６を備えている。電磁ソレノイド３１はボビン３２にリング状に巻装されたコイルで成り、コア３３はボビン３２の中心貫通孔に嵌合固定されている。アーマチャ３４はポペット弁３５の一端に固定された状態で、その一部がコア３３と同軸上でボビン３２の中心貫通孔に進入可能に配置されている。コア３３及びアーマチャ３４の各対向面には凹部がそれぞれ形成されており、それら凹部間にはコイルスプリング３７が圧縮状態で収容されている。そして、このコイルスプリング３７により、アーマチャ３４が加圧室２２側に向かって付勢されている。

上記ポペット弁３５はシート体３６内の貫通孔に摺動可能に挿入され、その下端部には円板状の弁体３５ａが形成されている。そして、電磁ソレノイド３１の非通電時には、コイルスプリング３７の付勢力により、弁体３５ａがシート体３６のシート部３６ａから離間されて、電磁スピル弁３０は開弁状態となる。一方、図示しない電子制御装置から端子３８を介して電磁ソレノイド３１に通電されると、コア３３、アーマチャ３４及び電磁スピル弁３０全体を支持する支持部材３９により磁気回路が形成され、コイルスプリング３７の付勢力に抗して、アーマチャ３４がコア３３側に移動する。これにより、ポペット弁３５が加圧室２２と反対側に移動し、その弁体３５ａがシート体３６のシート部３６ａに当接して、電磁スピル弁３０は閉弁状態となる（図３に示す状態）。

一方、電磁スピル弁３０が開弁状態にあるときには、シート体３６に形成された複数の供給通路３６ｂと加圧室２２との間で燃料が流通可能となっている。

上記供給通路３６ｂと連通するように、ハウジング１０には低圧燃料通路１１が形成されている。そして、電磁スピル弁３０の開弁状態で、プランジャ２３が下降するとき、フィードポンプ１０２の作動により燃料タンク１０１から汲み上げられた低圧燃料が、フィルタ１４１、プレッシャレギュレータ１４２、低圧燃料通路１１及び供給通路３６ｂを経て加圧室２２に吸入されるようになっている。

上記シリンダ２１の先端側に形成された加圧室２２は、シリンダ２１の内周面よりも大径に形成されている。そして、プランジャ２３は電磁スピル弁３０の閉タイミング前に加圧室２２に進入し、電磁スピル弁３０が閉弁した後にプランジャ２３が上死点に到達するようになっている。また、プランジャ２３の先端部が加圧室２２内に進入した状態で、加圧室２２の内周面とプランジャ２３の外周面との間に隙間が形成されるようになっている。ハウジング１０には高圧燃料通路１２が形成されており、加圧室２２がこの高圧燃料通路１２を介してチェック弁４０に連通するようになっている。

上記チェック弁４０は、高圧燃料通路１２に接続されたケーシング４１と、そのケーシング４１内に配置されたシート体４２及びスプリングベース体４５と、シート体４２に接離可能に対向するバルブ体（弁体）４３と、このバルブ体４３をシート体４２に対する当接位置に向かって付勢するコイルスプリング４４とを備えている。また、このチェック弁４０は上記高圧燃料配管１０５に接続されている。そして、加圧室２２内から高圧燃料通路１２を介して圧送される燃料の圧力が所定値を超えたとき、バルブ体４３がコイルスプリング４４の付勢力に抗してシート体４２から離間する位置に移動される。これにより、チェック弁４０が開弁状態になって、高圧燃料通路１２から圧送される高圧燃料が高圧燃料配管１０５を経てデリバリパイプ１０６に供給されるようになっている。

−プランジャ２３の設計手法−
次に、本実施形態の特徴であるプランジャ２３の形状及びその形状を得るためのプランジャ２３の設計方法について説明する。

図４はプランジャ２３単体の側面図であり、図５はプランジャ２３の上端部近傍位置の断面図である（断面を表すハッチングは省略している）。これらの図に示すように、本実施形態に係るプランジャ２３の外周面の２箇所には、その周方向の全体に亘って延びる凹部２３Ａ，２３Ｂが形成されている。

これら凹部２３Ａ，２３Ｂの形成位置としては、上記シリンダ２１の上端エッジ部２１Ａ（シリンダ２１の上端近傍位置において内径寸法が拡大する箇所の内面の角部：図３において破線の円で囲んだ部分を参照）及び下端エッジ部２１Ｂ（シリンダ２１の下端開放部分の角部：図３において一点鎖線の円で囲んだ部分を参照）に接する領域にそれぞれ設定されている。つまり、上側の凹部２３Ａの形成位置は、プランジャ２３の往復移動ストロークの上死点においてシリンダ２１の上端エッジ部２１Ａに対向する位置から下死点においてシリンダ２１の上端エッジ部２１Ａに対向する位置までの間に領域に設定されている。言い換えると、プランジャ２３の往復移動時にあっては、シリンダ２１の上端エッジ部２１Ａは常にこの上側の凹部２３Ａに対向するようになっている。一方、下側の凹部２３Ｂの形成位置は、プランジャ２３の往復移動ストロークの上死点においてシリンダ２１の下端エッジ部２１Ｂに対向する位置から下死点においてシリンダ２１の下端エッジ部２１Ｂに対向する位置までの間の領域に設定されている。言い換えると、プランジャ２３の往復移動時にあっては、シリンダ２１の下端エッジ部２１Ｂは常にこの下側の凹部２３Ｂに対向するようになっている。

次に、凹部２３Ａ，２３Ｂの断面形状について説明する。ここでは、図５を用いて上側の凹部２３Ａを代表して説明する。図５に示すように凹部２３Ａの断面形状は略円弧形状に設定されている。この凹部２３Ａの断面形状の具体的な寸法の一例としては、外径寸法が８ｍｍのプランジャ２３に対し、溝幅（図５における寸法Ｄ）は上記往復移動ストロークに略一致しており、例えば０．５〜５．０ｍｍの範囲内の所定値に設定される。また、溝深さ（図５における寸法Ｈ）は、０．３〜５．０μｍの範囲内の所定値に設定される。また、この凹部２３Ａにおけるプランジャ軸線方向の中央位置（図５における点Ｏの位置）は、プランジャ２３の往復移動ストロークの上死点と下死点との間の中央位置でシリンダ２１の上端エッジ部２１Ａが対向する位置となっている。また、下側の凹部２３Ｂにおいても同様の断面形状となっている。

尚、上述した各位置や寸法は、後述する確認作業によって知得された各部の摩耗状態が反映されて設計されたものであるためこれに限るものではなく、上記知得された各部の摩耗状態に応じて適宜設定されるものとなっている。

次に、上記凹部２３Ａ，２３Ｂを備える形状のプランジャ２３を設計するための手法について説明する。先ず、上記凹部２３Ａ，２３Ｂが形成されていない円柱形状のプランジャ２３を適用した高圧燃料ポンプ１を作製する。そして、この高圧燃料ポンプ１を所定期間駆動した後に分解し、このときのプランジャ２３の外面形状（摩耗状態）を確認する（確認作業）。この確認作業では、プランジャ２３の外面の摩耗箇所（例えば上記シリンダ２１の上端エッジ部２１Ａや下端エッジ部２１Ｂに対向する箇所）、その摩耗幅寸法（プランジャ２３の軸線方向に沿った寸法であって図５における寸法Ｄを決定するもの）、摩耗深さの形状及び深さ寸法（図５における寸法Ｈを決定するもの）を確認することになる。この場合、上記高圧燃料ポンプ１を駆動させる所定期間としては、例えばこの高圧燃料ポンプ１を車両に搭載した場合の３００００ｋｍの走行に相当する駆動期間に設定している。この所定期間としてはこれに限るものではないが、確認作業によって適切なデータを得るためにはできるだけ長い期間に（少なくとも２００００ｋｍの走行に相当する駆動期間よりも長く）設定し、初期摩耗が完了した以降のタイミングで確認作業を行うことが好ましい。

その後、プランジャ２３を新品のものに取り換えて再び高圧燃料ポンプ１を所定期間駆動した後に分解して、上記と同様の確認作業を行う。また、他の新たな高圧燃料ポンプ１を作製し、この高圧燃料ポンプ１を所定期間駆動した後に分解して、上記と同様の確認作業を行うようにしてもよい。

以上の動作を所定回数（駆動時間と摩耗状態との関係として、統計上の根拠が得られる回数）実施し、これら得られたデータから駆動時間と凹部２３Ａ，２３Ｂの各寸法との関係を表す相関式を導き出し、この相関式より上記凹部２３Ａ，２３Ｂの設計値を決定する。また、上記得られたデータの各寸法の平均値を上記凹部２３Ａ，２３Ｂの設計値として決定するようにしてもよい。

このようにして上記各凹部２３Ａ，２３Ｂの設計が決定され、プランジャ２３の製造工程では、この設計されたプランジャ２３の外面形状が得られるように各凹部２３Ａ，２３Ｂを切削加工等により形成する。また、この製造されたプランジャ２３の外周面には、表面硬度を高めるためのメッキ層が形成される。このメッキ層は、例えばニッケルリンメッキ層であり、周知のメッキ方法によりメッキ処理される。このようにしてメッキ層が形成された場合、このメッキ層はプランジャ２３の外面の全体に均一に成形される。例えばメッキ層厚さが８μｍに設定されている場合、上記凹部２３Ａ，２３Ｂが形成されていない領域及び上記凹部２３Ａ，２３Ｂが形成されている領域共に８μｍのメッキ層が均一に形成されることになる。このメッキ層の構成材料及びメッキ層厚さはこれに限るものではなく任意に設定可能である。

以上のように、本実施形態では、高圧燃料ポンプ１の初期駆動時の摩耗によって得られる形状にプランジャ２３の外面形状が略一致するようにプランジャ２３の設計（摩耗後の形状に合わせるべく模擬的に設計）を行っているため、プランジャ２３とシリンダ２１との間の略全域においてこの両者間の初期フリクションが軽減された状態が燃料ポンプ１の新品時から得られることになり、摩擦損失の軽減に伴ってポンプ性能を高く得ることができる。

また、高圧燃料ポンプ１の駆動に伴ってシリンダ２１とプランジャ２３との間のクリアランスが大きくなっていくといった状況が抑制されるため、このクリアランスから漏れ出る燃料の量が大きく変動することがなく、ポンプ性能を安定的に維持することもできる。

−実験例−
次に、本発明の効果を確認するために行った実験の結果について説明する。本実験では、従来のプランジャを使用した高圧燃料ポンプと、上述した実施形態に係るプランジャ２３を使用した高圧燃料ポンプ１とを自動車に搭載して同様に走行させ、その走行時間とプランジャ２３外周面の摩耗量との関係を求めることにより行った。その結果を図６に示す。

この図６に示すように、従来例のものでは走行初期時における単位走行距離あたりの摩耗量が著しく大きくなっている。これは、初期フリクションによって摩擦損失が大きくポンプ性能が十分に発揮されていないことを示している。

これに対し、本発明のものでは走行初期時ばかりでなく全走行距離領域において単位走行距離あたりの摩耗量が小さくなっている。これは、摩擦損失が大幅に削減されてポンプ性能が十分に発揮できていることを示している。この実験結果により、本発明の効果が確認されたことになる。

−その他の実施形態−
上述した実施形態では、本発明を自動車に搭載された筒内直噴型４気筒ガソリンエンジンに適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、例えば筒内直噴型６気筒ガソリンエンジンなど他の任意の気筒数のガソリンエンジンにも適用可能である。また、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジン等の他の内燃機関にも本発明は適用可能である。更には、本発明が適用可能なエンジンは、自動車用のエンジンに限るものでもない。

また、上記実施形態におけるプランジャ２３は円柱形状のものとしたが、角柱形状のものとしてもよい。この場合においても、高圧燃料ポンプ１の初期駆動時の摩耗によって得られる形状にプランジャ２３の外面形状が略一致するようにプランジャ２３を設計することになるが、この場合に形成される凹部２３Ａ，２３Ｂとしては、全周囲に亘るように形成する場合もあれば、複数の側面のうちの一部に対してのみ形成する場合もある。また、上述した実施形態の如く円柱形状のプランジャ２３である場合にもその外周面の一部分に対してのみ凹部２３Ａ，２３Ｂを形成する場合もある。これら形成箇所や形状は上記摩耗状態の確認作業により得られたデータにより得られるものである。また、上記上側の凹部２３Ａとしてはプランジャ２３の上端面に亘る形状（上端面の外径寸法を小さくする形状）で形成される場合もある。更には、プランジャ２３の外周面における凹部２３Ａ，２３Ｂの形成箇所も２箇所に限らず３箇所以上に設定してもよい。例えばシリンダ２１の内面に凹凸が形成されているような場合、プランジャ２３の外周面には３箇所以上が摩耗する可能性があるため、これを反映した設計が行われる。

また、上記実施形態ではプランジャ２３に対してのみ摩耗状態の確認作業及びそれを反映した設計を行う場合を説明したが、シリンダ２１に対しても同様に摩耗状態の確認作業及びそれを反映した設計を行うようにしてもよい。この場合、シリンダ２１の上記上端エッジ部２１Ａ及び下端エッジ部２１Ｂを曲面に形成するようなＲ加工を行うことなどが挙げられる。

また、上記実施形態における高圧燃料ポンプ１では、排気カムシャフト１１０に取り付けられた駆動カム１１１の回転によってプランジャ２３が駆動される構成としたが、吸気カムシャフトに取り付けられた駆動カムの回転によってプランジャ２３が駆動される構成としてもよい。

更に、本発明は、２つのカムノーズ１１２，１１２を有する駆動カム１１１を備えたものに限らず、その他の個数のカムノーズを有する駆動カムを備えたものにも適用可能である。

また、駆動カム１１１の外周面の中心位置（駆動カム１１１の回転軸方向の中心位置）とリフタ２４の下面の中心点とを駆動カム１１１の回転軸方向に沿ってずらし（偏心させ）、これら両者を所謂オフセット配置したものに対しても本発明は適用可能である。

更に、上述した実施形態では、プランジャ２３の外周面の２箇所に凹部を形成する場合について説明したが、この凹部の形成箇所はこれに限るものではなく、３箇所以上に形成する場合もある。

実施形態に係る燃料供給装置の構造を模式的に示す図である。 電磁スピル弁の開閉動作を説明するための図である。 高圧燃料ポンプを示す縦断面図である。 プランジャ単体の側面図である。 プランジャの上端部近傍位置の断面図である。 本発明の効果を確認するために行った実験の結果を示す図である。

符号の説明

１ 高圧燃料ポンプ
２１ シリンダ
２１Ａ 上端エッジ部
２１Ｂ 下端エッジ部
２２ 加圧室
２３ プランジャ
２３Ａ，２３Ｂ 凹部

Claims (6)

1. シリンダ内においてプランジャが往復移動することにより加圧室内に吸入した燃料を加圧して吐出する燃料ポンプの設計方法であって、
   上記シリンダ内においてプランジャを所定期間往復移動させた後のプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方の摩耗状態を確認する確認作業を行い、この確認作業により知得したプランジャ外面形状及びシリンダ内面形状の一方または両方と略同様の形状にプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方を加工するようプランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方を設計することを特徴とする燃料ポンプの設計方法。
2. 上記請求項１記載の燃料ポンプの設計方法において、
   プランジャの上端位置は往復移動の上死点ではシリンダの上端エッジ部よりも加圧室側に位置するようになっている一方、プランジャの往復移動の下死点ではプランジャの下端位置はシリンダの下端エッジ部よりも反加圧室側に位置するようになっており、
   上記プランジャの外面におけるシリンダの上端エッジ部に接触する領域及びプランジャの外面におけるシリンダの下端エッジ部に接触する領域それぞれを含む少なくとも２つの領域に、上記確認作業により知得したプランジャ外面形状と略同様の形状にプランジャ外面を加工するようプランジャ外面を設計することを特徴とする燃料ポンプの設計方法。
3. 上記請求項２記載の燃料ポンプの設計方法において、
   上記プランジャの外面におけるシリンダの上端エッジ部に接触する領域及びプランジャの外面におけるシリンダの下端エッジ部に接触する領域の加工が、プランジャの周方向の全体に亘る凹部の加工となるようプランジャ外面を設計することを特徴とする燃料ポンプの設計方法。
4. 上記請求項３記載の燃料ポンプの設計方法において、
   プランジャの外面にはメッキ層が形成されており、このメッキ層が、プランジャ外面形状に沿った均一厚さの層で成るよう設計することを特徴とする燃料ポンプの設計方法。
5. 上記請求項１〜４のうち何れか一つに記載の燃料ポンプの設計方法において、
   上記摩耗状態を確認する確認作業を行うまでのプランジャの往復移動期間は、プランジャ外面及びシリンダ内面の一方または両方の単位期間あたりの摩耗量が過渡的に大きくなっている初期摩耗発生期間以上に設定されていることを特徴とする燃料ポンプの設計方法。
6. 上記請求項１〜５のうち何れか一つに記載の燃料ポンプの設計方法により設計された内面形状を有するシリンダまたは外面形状を有するプランジャを備えていることを特徴とする燃料ポンプ。

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