JP2008111396A - 高圧燃料ポンプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数および組付工数を減少し、摺動部および高圧部の強度が高く信頼性の高いポンプハウジングを備える高圧燃料ポンプの製造方法を提供する。
【解決手段】ロストワックスにより鋳造されたポンプハウジングのハウジング母材を、１２００℃、１０００ａｔｍのアルゴン雰囲気中に４時間設置し、ハウジング母材にＨＩＰ(High Isostatic Pressing)処理を施す。ＨＩＰ処理後、他部品とねじ結合するハウジング母材の部位に、刃具等でねじ山を切削加工する。次に、ハウジング母材を熱処理（ＱＴ）することにより、ハウジング母材を焼き入れし、ハウジング母材の硬度を上昇させる。次に、他部品とねじ結合するハウジング母材のねじ部を焼き戻し、ねじ部の硬度を低下させた後、ハウジング母材のシリンダ内周面を砥石で研削する。このようにして成形されたポンプハウジングに、他部品を組み付けて、高圧燃料ポンプを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧燃料ポンプの製造方法に関するものである。

シリンダに往復移動自在に支持されたプランジャにより、加圧室に吸入した燃料を加圧し吐出部から吐出する高圧燃料ポンプが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
このような高圧燃料ポンプのポンプハウジングにおいては、例えば、プランジャとの摺動部であるシリンダ、ならびに高圧が加わる高圧部としての吐出部に高い強度が要求される。そのため、鍛造材や、複数の金属を溶かして形成された溶製材等の強度の高い材料を切削して高圧燃料ポンプのシリンダおよび吐出部等の部品を製造し、部品同士をねじ結合または溶接等により組み付けてポンプハウジングを製造することが知られている。

しかしながら、高圧燃料ポンプを構成する部品点数が増加すると、部品同士の間をシールし燃料漏れを防止するためのシール部材の数も増加する。また、部品点数が増加することにより、信頼性および品質を確保しつつ部品同士を結合する必要のある結合箇所が増加する。これにより、高圧燃料ポンプの組付工数が増加するという問題がある。
そこで、本出願人は、高圧燃料ポンプのポンプハウジングを鋳造により一体成形し、高圧燃料ポンプの部品点数を減少することを検討している。

しかし、一般に鋳造により成形された部品には、部品内に成分元素が均一に拡散せず偏在している部位があるので、部位によっては靱性が低く、強度にばらつきが生じることがある。また、鋳造部品の内部には微小空洞である鬆が形成されることがあるので、この微小空洞によって強度が低下するという問題がある。

特開平８−１４１４０号公報 特開２００４−１３８０６２号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、部品点数および組付工数を減少し、摺動部および高圧部の強度が高く信頼性の高いポンプハウジングを備える高圧燃料ポンプの製造方法を提供することを目的とする。

請求項１から３に記載の発明によると、少なくともシリンダおよび吐出部を有するポンプハウジングのハウジング母材を鋳造により一体成形しているので、ポンプハウジングを構成する部品点数、ならびに燃料シールのためのシール部材の部品点数が減少する。これにより、部品同士の結合箇所が減少するので、信頼性および品質の高い製品を製造することができる。また、部品点数が減少するので、高圧燃料ポンプの組付工数が減少する。
また、鋳造によりハウジング母材を一体成形するので、例えば冷鍛で成形する場合に比べ、複雑な形状のハウジング母材の成形が容易である。さらに、ハウジング母材を所望の形状に容易に成形できる。したがって、特に凹凸を有する複雑な形状のハウジング母材の成形が容易になる。さらに、凹凸を有する複雑な形状のハウジング母材を鋳造により成形できるので、切削等により凹部形状を成形する場合に比べ、材料を無駄にする割合が低下し、歩留まりが向上する。したがって、製造コストを低下できる。

さらに、高圧雰囲気中で熱処理するＨＩＰ処理を鋳造されたハウジング母材に施すので、ハウジング母材の成分、組織等の材質が均質化される。これにより、高品質なハウジング母材を得ることができる。さらに、ＨＩＰ処理により、鋳造成形体の内部に生じている微小空洞が消滅する。このように、鋳造されたハウジング母材にＨＩＰ処理を施すことにより、ハウジング母材の材質が均質化され、微小空洞が消滅するので、ハウジング母材の品質が向上する。これにより、硬度および靭性が高い、つまり強度の高いポンプハウジングを製造できる。その結果、シリンダの耐摩耗性、および高圧部である吐出部の耐圧性が向上する。また、ポンプハウジングと他部品とのねじ結合部および溶接部の強度および耐久性が向上する。

請求項２に記載の発明によると、脱ろうにより鋳型を成形するので、鋳型の形状、つまりハウジング母材の形状を精密に成形できる。これにより、鋳造後のハウジング母材の加工工数が減少する。以下、脱ろうにより成形した鋳型を用いて鋳造することをロストワックスという。
ところで、ステンレス材でハウジング母材を鋳造すると、鋳造後のハウジング母材中に鉄またはクロムの炭化物が偏析し、ハウジング母材の成分、組織等の材質が均質化されないため、ハウジング母材の耐食性および強度等の機械特性が低下する原因となる。

そこで請求項３に記載の発明では、ステンレス材でハウジング母材を鋳造した後、ＨＩＰ処理の温度をハウジング母材の材質が均質化する温度領域である１２００℃付近の１１５０℃〜１２５０℃に設定することにより、鋳造されたハウジング母材中の鉄またはクロムの炭化物が分解し、炭化物が分解されたハウジング母材中でハウジング母材の成分元素が拡散する。これにより、ハウジング母材の材質が均質化される。さらに、ＨＩＰ処理により、鋳造により生じたハウジング母材内の微小空間が消滅する。これにより、ステンレス材で鋳造したハウジング母材の強度が向上する。

本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による高圧燃料ポンプを図４に示す。高圧燃料ポンプ１０は、例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンのインジェクタに燃料を供給する燃料ポンプである。
プランジャ２０は、ポンプハウジング４０の摺動部としてのシリンダ４２に往復移動自在に支持されている。加圧室１００は、プランジャ２０の往復移動方向の一端側に形成されている。プランジャ２０の外周面は、プランジャ２０のヘッド２２側とシリンダ４２側との間で、オイルシール２８によりシールされている。オイルシール２８は、エンジン内から加圧室１００へのオイルの侵入を防止し、かつ加圧室１００からエンジン内への燃料漏れを防止する。プランジャ２０の往復移動方向の他端側に形成されたヘッド２２は、スプリング座２４と結合している。スプリング座２４はスプリング３０の荷重によりタペット２６の底部内壁に押し付けられている。タペット２６の底部外壁がエンジン側の図示しないポンプカムの回転によりポンプカムと摺動することにより、プランジャ２０は往復移動する。タペット２６はタペットガイド４４の内周面により往復移動方向に案内されている。

ポンプハウジング４０は、シリンダ４２、電磁弁支持部４６、吸入部５０および吐出部７０からなり、ステンレス等の鉄材の鋳造により一体成形された後、ＨＩＰ処理が施されて形成されている。ディーゼルエンジンに高圧燃料ポンプ１０を使用する場合には、ステンレスではない鉄材でポンプハウジング４０を鋳造してもよい。ポンプハウジング４０は、数百kＰａの低圧燃料、および数十ＭＰａ〜数百ＭＰａの高圧燃料の圧力に耐えるために、０．５ｍｍ以上の肉厚に形成されている。高圧燃料ポンプ１０は、ポンプハウジング４０とは別部材のフランジ４８（図５参照）をエンジンにボルト結合することにより、エンジンに取り付けられる。

ポンプハウジング４０には、鋳造時、強度上不要な箇所を除去した空間１１２が形成されている。電磁弁支持部４６、吸入部５０および吐出部７０は、シリンダ４２の外周面４３から外側に突出して形成されている。ここで、電磁弁支持部４６は、電磁弁８０とねじ結合することにより電磁弁８０を支持するのではなく、ボルト８４等の締結部材により電磁弁８０と結合し電磁弁８０を支持している。

吸入部５０には燃料フィルタ５２が収容されている。燃料フィルタ５２は、吸入通路１０２から吸入された燃料中の異物を除去する。吸入通路１０２から燃料が導入される吸入室１０４は、ポンプハウジング４０に成形された凹部により形成されている。吸入室１０４は、加圧室１００に対してプランジャ２０の軸方向の反対側にプランジャ２０とほぼ同軸上に形成されており、加圧室１００の径方向外側に広がっている。

吸入室１０４はカバー６０に覆われている。カバー６０とポンプハウジング４０との間にはパルセーションダンパ６２が挟持されている。パルセーションダンパ６２は、吸入室１０４の燃料圧力に応じて弾性変形し、吸入通路１０２から吸入室１０４に導入された燃料の圧力脈動を低減する。
吐出部７０は、加圧室１００で加圧された高圧燃料を吐出する高圧部であり、高圧配管とのジョイントでもある。吐出部７０には、チェック弁としてのデリバリバルブが設置されている。吐出部７０には吐出通路１０６が形成されており、吐出通路１０６にボール７２およびスプリング７４が収容されている。スプリング７４は、弁座７６に向けてボール７２に荷重を加えている。ボール７２が着座する弁座７６は、ポンプハウジング４０に一体成形されている。ボール７２、スプリング７４および弁座７６は、チェック弁としてのデリバリバルブを構成している。加圧室１００の圧力が所定圧以上になると、スプリング７４の荷重に抗してボール７２が弁座７６から離座してリフトし、加圧室１００の高圧燃料が吐出通路１０６を通り吐出部７０から吐出される。また、ボール７２が弁座７６に着座することにより、吐出部７０側から加圧室１００への燃料の逆流が防止される。

電磁弁８０は、バルブハウジング８２がボルト８４で電磁弁支持部４６に結合されることにより、電磁弁支持部４６に支持され、高圧燃料ポンプ１０の側方に横置きされている。電磁弁８０は、コイル９６への通電をオン、オフすることにより、燃料ギャラリ１０８と加圧室１００との連通を断続する。電磁弁８０は、コイル９６への通電タイミングを制御することにより、燃料吐出量を調量する調量弁である。燃料ギャラリ１０８は、連通路１１０により吸入室１０４と連通している。

電磁弁８０の弁部材８６は、可動コア８８とともに往復移動する。弁部材８６および可動コア８８は、固定コア９０から離れる方向にスプリング９２から荷重を受けている。スプリング９２の荷重により移動する弁部材８６はストッパプレート９４に係止される。ストッパプレート９４には、弁部材８６がストッパプレート９４に係止された状態で、燃料ギャラリ１０８と加圧室１００とを連通する燃料通孔が形成されている。コイル９６への通電オフ時には、弁部材８６は、スプリング９２から受ける荷重によりストッパプレート９４に係止されている。コイル９６の通電がオンされると、スプリング９２の荷重に抗して可動コア８８は固定コア９０に吸引される。すると、可動コア８８とともに、弁部材８６はストッパプレート９４からリフトし弁座９８に着座する。弁部材８６が弁座９８に着座すると、燃料ギャラリ１０８と加圧室１００との連通は遮断される。

（ポンプハウジング４０の製造工程）
ポンプハウジング４０の製造工程を図１〜図３に基づいて説明する。以下に示すＳ３ｘｘ（ｘｘは２桁の数字）は、図１、２の製造工程のステップ番号である。
（Ｓ３００）
ポンプハウジング４０のハウジング母材１３６（図３参照）を、ロストワックスにより鋳造する。ロストワックスによる鋳造については、後述する。ハウジング母材１３６の材料は、ＳＵＳ４４０Ｃ相当のステンレス材である。

（Ｓ３０２）
ロストワックスで鋳造されたハウジング母材１３６を１２００℃、１０００ａｔｍのアルゴン雰囲気中に４時間設置し、ハウジング母材１３６にＨＩＰ処理を施す。ＨＩＰ処理の温度は１１５０℃〜１２５０℃、圧力は９５０ａｔｍ〜１０５０ａｔｍの範囲に設定されることが望ましい。ハウジング母材１３６に１２００℃、１０００ａｔｍでＨＩＰ処理を施すことにより、Ｓ３００でステンレス材で鋳造により成形されたハウジング母材１３６中の鉄またはクロムの炭化物が分解し、炭化物が分解されたハウジング母材１３６中でハウジング母材１３６の成分元素が拡散する。これにより、ハウジング母材１３６の成分、組織等の材質が均質化される。その結果、ハウジング母材１３６の機械特性が向上する。さらに、ＨＩＰ処理により、鋳造により生じたハウジング母材１３６内の微小空間が消滅する。これにより、ステンレス材で鋳造したハウジング母材１３６の強度が向上する。
ＨＩＰ処理終了後、徐々に温度を下げることにより、高圧化でハウジング母材１３６の材質に圧縮応力がかかった状態となるので、ハウジング母材１３６の硬度は、ロストワックスにより鋳造されたハウジング母材１３６より数割、高硬度になっている。

（Ｓ３０４）
焼き戻しによりハウジング母材１３６の硬度を低下させてから、他部品とねじ結合する吐出部７０等のハウジング母材１３６の部位に、刃具等でねじ山を切削加工する。
（Ｓ３０６）
１０５０℃程度の真空中にハウジング母材１３６を設置して熱処理（ＱＴ）することにより、ハウジング母材１３６を焼き入れし、ハウジング母材１３６の硬度を上昇させる。
（Ｓ３０８）
他部品とねじ結合する吐出部７０等のねじ部を焼き戻し、ねじ部の硬度を低下させる。これにより、高圧配管とねじ結合するときに吐出部７０のねじ部に加わるねじ結合による応力を低下し、吐出部７０の応力腐食を防止する。
（Ｓ３１０）
ハウジング母材１３６のシリンダ内周面を砥石で研削する。
（Ｓ３１２）
このようにして成形されたポンプハウジング４０に、プランジャ２０、パルセーションダンパ６２、および電磁弁８０等を組み付けて、高圧燃料ポンプ１０を製造する。

（ロストワックス）
次に、前述したＳ３００のロストワックスによるハウジング母材１３６の鋳造を図２および図３に基づいて説明する。
（Ｓ３２０）
図３の（Ａ）に示すように、ポンプハウジング４０の成形型１２０にろうを注入し、ポンプハウジング４０の模型１２２を成型する。
（Ｓ３２２）
図３の（Ｂ）に示すように、ろうで形成されたランナー（湯路）１２４に模型１２２を装着してツリー１２６を形成する。本実施形態では、フランジ４８をポンプハウジング４０と別部材にしているので、ポンプハウジング４０の模型１２２から側方、つまり径方向外側に張り出す部分を極力排除し、模型１２２を小型化している。これにより、ツリー１２６に極力多くの模型１２２を装着し、１個のツリー１２６当たりのハウジング母材１３６の製造個数を増加させている。

（Ｓ３２４、Ｓ３２６）
図３の（Ｃ）に示すように、ツリー１２６をスラリー１２８に浸積する。スラリー１２８は、耐火性の液状粘結剤と耐火粉末とを混ぜたものである。さらに、図３の（Ｄ）に示すように、スラリー１２８に浸積後、表面に耐火砂であるスタッコ１３０を塗布し、乾燥させる。図３の（Ｃ）、（Ｄ）の工程を複数回繰り返して所望の厚みに鋳型１３２を形成する。

（Ｓ３２８）
図３の（Ｅ）に示すように、高温、高圧の蒸気内に鋳型１３２設置し、内部のツリー１２６を溶かし出す。つまり、ツリー１２６を脱ろうさせる。
（Ｓ３３０）
図３の（Ｆ）に示すように、鋳型１３２を焼成し、強度を高める。
（Ｓ３３２）
図３の（Ｇ）に示すように、鋳型１３２に溶湯を流し込む。

（Ｓ３３４）
図３の（Ｈ）に示すように、溶湯の終了した鋳型１３２に振動を加え、ポンプハウジング４０の母材ツリー１３４から鋳型１３２を除去する。そして、図３の（Ｉ）に示すように、母材ツリー１３４から、各母材１３６を切断し分離する。
このように鋳造後、ＨＩＰ処理されて成形されたハウジング母材１３６は、前述した図１のＳ３０２以降の製造工程においてさらに加工、処理される。

（高圧燃料ポンプ１０の作動）
次に、高圧燃料ポンプ１０の作動について説明する。
（１）吸入行程
コイル９６への通電がオフされており、電磁弁８０の弁部材８６がストッパプレート９４に係止され、電磁弁８０が開弁している状態で、ポンプカムが回転しプランジャ２０が下降すると、加圧室１００の圧力が低下し、吸入室１０４から、連通路１１０、燃料ギャラリ１０８を通り、加圧室１００に燃料が吸入される。

（２）戻し行程
プランジャ２０が下死点から上死点に向かって上昇しても、コイル９６への通電はオフされた状態であり、プランジャ２０の上昇により加圧室１００の燃料は、ストッパプレート９４の連通孔、燃料ギャラリ１０８、連通路１１０を通り、吸入室１０４に戻される。

（３）圧送行程
プランジャ２０が下死点から上死点に移動する行程において、所望の燃料圧送量に対応した位置にプランジャ２０が到達したときに、電磁弁８０のコイル９６への通電がオンされる。これにより、可動コア８８は固定コア９０側に吸引される。弁部材８６は、ストッパプレート９４からリフトし弁座９８に着座する。すなわち、電磁弁８０は閉弁状態となる。その後、プランジャ２０がさらに上死点側に移動すると、加圧室１００内の燃料は加圧される。加圧室１００の燃料圧力が所定圧以上に上昇すると、スプリング７４の荷重に抗してボール７２が弁座７６からリフトし、加圧室１００の高圧燃料が吐出通路１０６から吐出される。
上記（１）〜（３）の行程を繰り返すことにより、高圧燃料ポンプ１０は吸入した燃料を加圧して吐出する。燃料吐出量は、電磁弁８０のコイル９６への通電タイミングを制御することにより調整される。

本実施形態では、シリンダ４２、電磁弁支持部４６、吸入部５０および吐出部７０をステンレス材等の鉄材の鋳造により一体成形し、ポンプハウジング４０を形成している。これにより、ポンプハウジング４０を構成する部品の組付作業が不要であり、組付工数を減少できる。また、ポンプハウジング４０を構成する部品間のシールが不要であるから、シール部材の部品点数も減少する。さらに、シール箇所が減少するので、燃料の漏れを極力減少できる。

また鋳造によりポンプハウジング４０を成形しているので、空間１１２、ならびにシリンダ４２の外周面４３から外側に突出している、電磁弁支持部４６、吸入部５０および吐出部７０の周囲空間を切削等により金属を除去することなく形成できる。これにより、高圧燃料ポンプ１０の構成上、または強度上不要な箇所を極力除去し、高圧燃料ポンプ１０を小型、軽量化できるので、使用材料量を極力減少し、製造コストを低下できる。

また本実施形態では、吐出部７０がシリンダ４２と鋳造により一体成形されているので、吐出部７０に高圧配管を接続するときに、接続位置を合わせるために高圧配管に大きな力が加わり、その結果吐出部７０に大きな外力が加わっても、シリンダ４２と吐出部７０とが別部材で結合している場合に生じる、吐出部７０とシリンダ４２との結合箇所の緩みや、結合箇所の損傷等の問題は生じない。

また、本実施形態では、ポンプハウジング４０のハウジング母材１３６を鋳造しているので、切削または冷鍛等に比べ、ポンプハウジング４０の凹部の成形が容易である。また、ハウジング母材１３６をロストワックスにより鋳造しているので、ハウジング母材１３６を所望の形状に精密に成形できる。これにより、鋳造後のハウジング母材１３６の加工工数を減少できる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、シリンダ４２、電磁弁支持部４６、吸入部５０および吐出部７０を有するポンプハウジング４０を鋳造で一体成形している。これに対し、本発明では、少なくともシリンダおよび吐出部を有するポンプハウジングを鋳造で一体成形すればよいので、シリンダおよび吐出部だけを有するポンプハウジングを鋳造で一体成形してもよい。
また、上記実施形態では、吐出部７０は高圧配管とのジョイントとデリバリバルブとを兼ねた構成にした。これに対し、吐出部の構造を、デリバリバルブを設置せず、高圧配管とのジョイントだけに限定してもよい。

上記実施形態では、加圧室１００の吸入側の燃料通路を電磁弁８０が開閉して燃料吐出量を調量した。電磁駆動式の調量弁の設置位置はこれに限るものではなく、高圧燃料ポンプの吸入部と吐出部との間の燃料通路であればどの位置に調量弁を設置してもよい。例えば、加圧室の吐出側の燃料通路に調量弁を設置して燃料を調量してもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

本実施形態のポンプハウジングの製造工程を示すフローチャート。 本実施形態のロストワックスによる鋳造工程を示すフローチャート。 本実施形態のロストワックスによる鋳造工程を示す説明図。 本実施形態による高圧燃料ポンプを示す断面図。 製造されたポンプハウジングの取付構造を示す模式的説明図。

符号の説明

１０：高圧燃料ポンプ、２０：プランジャ、４０：ポンプハウジング、４２：シリンダ、４６：電磁弁支持部、５０：吸入部、７０：吐出部、８０：電磁弁、１００：加圧室、１３６：ハウジング母材

Claims (3)

1. シリンダに往復移動自在に支持されたプランジャにより、加圧室に吸入した燃料を加圧し吐出部から吐出する高圧燃料ポンプの製造方法において、
   少なくとも前記シリンダおよび前記吐出部を有するポンプハウジングを鋳造により一体成形する鋳造工程と、
   前記鋳造工程において一体成形された前記ポンプハウジングのハウジング母材にＨＩＰ(Hot Isostatic Pressing)処理を施すＨＩＰ処理工程と、
   を含むことを特徴とする高圧燃料ポンプの製造方法。
2. 前記鋳造工程において、脱ろうにより成形した鋳型を用いて前記ハウジング母材を鋳造することを特徴とする請求項１に記載の高圧燃料ポンプの製造方法。
3. 前記ハウジング母材の材質はステンレスであり、前記ＨＩＰ処理工程において１１５０℃〜１２５０℃の温度範囲で前記ハウジング母材にＨＩＰ処理を施すことを特徴とする請求項１または２に記載の高圧燃料ポンプの製造方法。

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