JP2010229898A - 燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダの内周面とプランジャの外周面との間の間隙が拡大することを防止し、高圧燃料のリーク量を低減して燃料供給ポンプの圧送効率を向上させるとともに、燃料供給ポンプの騒音レベルを低減することができる燃料供給ポンプを提供する。
【解決手段】シリンダ内を摺動するプランジャを備え、シリンダの一部に形成された加圧室に吸入した燃料をプランジャによって加圧して、内燃機関の燃料噴射部が接続されたコモンレールに圧送する燃料供給ポンプであって、プランジャが、加圧室に連通しプランジャとシリンダとの間のクリアランスの拡大を防止するための空間部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、コモンレールを備えた蓄圧式燃料供給システムに用いられる燃料供給ポンプに関する。特に、従来よりも高圧の燃料をコモンレールに圧送する燃料供給ポンプに関する。

従来、ディーゼルエンジンをはじめとする内燃機関に燃料を供給する装置として、複数の燃料噴射弁が接続されるとともに高圧の燃料が蓄圧されるコモンレールを備え、常時加圧された燃料を各燃料噴射弁に供給することによって、燃料の緻密な噴射制御を可能にした蓄圧式燃料供給装置（コモンレールシステム）が使用されている。

この蓄圧式燃料供給装置に用いられる燃料供給ポンプは、ポンプハウジングの円筒空間部に装着されたプランジャバレルと、プランジャバレルのシリンダ内に摺動自在に収容されたプランジャと、シリンダに連通する位置に配置された燃料吸入弁及び燃料吐出弁とを備えている。また、プランジャバレルのシリンダのうち、プランジャ、燃料吸入弁及び燃料吐出弁によって画成された空間は加圧室として構成されている。

そして、プランジャスプリングの付勢力によってプランジャが引き下げられると、加圧室内に生じる負圧によって燃料吸入弁が開かれ、加圧室に低圧燃料が吸入される。次いで、カムによってプランジャが押し上げられると加圧室内の燃料がプランジャによって加圧され、燃料の圧力によって燃料吐出弁が開かれたときに、高圧燃料がコモンレール側に圧送されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料供給ポンプでは、プランジャがシリンダ内を摺動するため、当該摺動部の潤滑性が低下するとプランジャの焼き付きを生じるおそれがある。そのため、加圧室内に吸入された燃料の一部をシリンダの内周面とプランジャの外周面との間にリークさせることによって、当該燃料を潤滑油として機能させるようになっている。
中には、プランジャの加圧室側の直径を小さくして、シリンダの内周面とプランジャの外周面との間に間隙を形成し、燃料をリークさせやすく構成した燃料供給ポンプもある。

特開２００７−２９７９９４号公報

ところで、近年、内燃機関から排出される排気中の有害物質の浄化基準が高められてきており、コモンレール内の圧力（以下、「レール圧」と称する。）の目標値が高められつつある。具体的に言えば、従来、蓄圧式燃料供給装置によって達成する目標レール圧の最大値はおよそ２００ＭＰａ前後であったが、この目標レール圧の最大値を２５０〜３００ＭＰａ以上にするための検討が進められている。そのため、燃料供給ポンプの加圧室内の最大圧力も上昇し、加圧室内の高圧燃料がシリンダの内周面とプランジャの外周面との摺動部にリークしやすくなっている。シリンダの内周面とプランジャの外周面との摺動部に高圧燃料が入り込むと、シリンダの内径は拡大する一方プランジャの外径が縮小し、摺動部のクリアランスが拡大することになる。その結果、高圧燃料のリーク量が増大し、燃料供給ポンプの圧送効率が低下するおそれがある。

一方、近年、蓄圧式燃料供給装置に備えられる燃料供給ポンプは、大流量かつ小型化の両方の性能が要求されている。小型のポンプで大流量の燃料圧送を実現するために、燃料供給ポンプの駆動ギヤ比が従来よりも大きくされる傾向にあり、燃料供給ポンプの圧送回数が、燃料噴射弁から内燃機関への噴射回数よりも多くなってきている。燃料供給ポンプの圧送時に騒音が発生することは知られているが、上述のとおり圧送回数が従来よりも増加する傾向にあるため、燃料供給ポンプの騒音レベルが大きくなる傾向にある。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、シリンダ内を摺動するプランジャによって加圧室内の燃料を加圧して圧送する燃料供給ポンプにおいて、加圧室に連通する所定の空間部をプランジャに設けることにより、このような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、シリンダの内周面とプランジャの外周面との間の間隙が拡大することを防止し、高圧燃料のリーク量を低減して燃料供給ポンプの圧送効率を向上させるとともに、駆動に伴う騒音レベルを低減することができる燃料供給ポンプを提供することを目的とする。

本発明によれば、シリンダ内を摺動するプランジャを備え、シリンダの一部に形成された加圧室に吸入した燃料をプランジャによって加圧して、内燃機関の燃料噴射部が接続されたコモンレールに圧送する燃料供給ポンプにおいて、プランジャが、加圧室に連通しプランジャとシリンダとの間のクリアランスの拡大を防止するための空間部を備えることを特徴とする燃料供給ポンプが提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の燃料供給ポンプを構成するにあたり、空間部の周囲のプランジャの肉厚が、加圧室から遠ざかるにつれて厚くなることが好ましい。

また、本発明の燃料供給ポンプを構成するにあたり、空間部の内部に空間部の容量を調整する容量調整部を備えることが好ましい。

また、本発明の燃料供給ポンプを構成するにあたり、空間部の深さを、加圧室に生じる最大圧力を考慮して設定することが好ましい。

本発明の燃料供給ポンプによれば、加圧室に連通する所定の空間部をプランジャに設けることにより、空間部内に高圧燃料が回り込むことによってプランジャの外径を拡大させることができる。したがって、シリンダとプランジャとの間の間隙が拡大することが防止され、摺動部にリークする高圧燃料のリーク量を低減することができる。その結果、燃料供給ポンプの圧送効率の向上が図られる。
また、プランジャに空間部を設けることにより、加圧室の容量が増大するため、加圧室内の燃料の体積弾性効果によって燃料供給ポンプのトルクの上昇を緩やかにすることができる。したがって、燃料供給ポンプの騒音レベルを低減させることができる。

本発明の実施の形態にかかる燃料供給ポンプの構成例を説明するための断面図である。 燃料供給ポンプの高圧ポンプ部の構成例を説明するための断面図である。 燃料供給ポンプの加圧室近傍を拡大して示す断面図である。 加圧時のプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 加圧室の容量と加圧室内の圧力変化との関係を説明するための図である。 加圧室の容量と騒音レベルとの関係を説明するための図である。 深さの異なる空間部を備えたプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 テーパ状の空間部を備えたプランジャの構成を説明するための断面図である。 テーパ状の空間部を備えたプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 円柱状の部分とテーパ状の部分を有する空間部を備えたプランジャの構成を説明するための断面図である。 円柱状の部分とテーパ状の部分を有する空間部を備えたプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 円柱状の部分とテーパ状の部分を有し、深さの異なる空間部を備えたプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 円柱状の部分と先端が鋭角のテーパ状の部分を有する空間部を備えたプランジャの形状変化を表すシミュレーション結果を示す図である。 空間部に容量調整部が配置されたプランジャの構成を説明するための図である。 容量調整部が配置されたプランジャの別の構成例を説明するための図である。 高圧ポンプ部の別の構成例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の燃料供給ポンプに関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施の形態は本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

１．燃料供給ポンプの基本的構成
本発明の実施の形態にかかる燃料供給ポンプ１について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の燃料供給ポンプ１をカムシャフト２３の軸方向に沿って切断した断面図を示している。この燃料供給ポンプ１は、蓄圧式燃料供給装置に用いられ、加圧室１４内の燃料を加圧するプランジャ１３が配置されるシリンダ１２ａが並列配置されたポンプである。燃料供給ポンプ１は、燃料を加圧するとともに内燃機関の燃料噴射弁９５が接続されたコモンレール９３に高圧燃料を圧送する高圧ポンプ部１０と、燃料タンク９１の燃料を汲み上げ高圧ポンプ部１０に送る低圧フィードポンプ３と、高圧ポンプ部１０に送られる燃料の流量を調整するための流量制御弁５等を主要な要素として構成されている。
それぞれの構成要素は、燃料通路で接続されており、燃料タンク９１内の燃料を燃料供給ポンプ１によって加圧してコモンレール９３に圧送し、コモンレール９３に接続された複数のインジェクタ９５に対して高圧燃料を常時供給しておくことで、インジェクタ９５の通電制御による内燃機関への燃料の噴射制御が行われるようになっている。

低圧フィードポンプ３は、カムシャフト２３の端部に連結された駆動ギヤ（図示せず）と、当該駆動ギヤに連結された従動ギヤ（図示せず）とを含むギヤポンプ構造を有しており、カムシャフト２３が回転することにより、負圧によって燃料が燃料タンク９１から吸い上げられ、高圧ポンプ部１０に向けて圧送される。また、低圧フィードポンプ３の上流側には、プレフィルタ（図示せず）が介在し、燃料タンク９１内の燃料に異物が混入している場合に、それらの異物が燃料供給ポンプ１内に流れ込まないように捕集される。

また、流量制御弁５は、例えば、電磁比例制御弁を用いて構成されており、低圧フィードポンプ３と高圧ポンプ部１０との間の燃料通路に備えられている。そして、コモンレールの目標圧力に対応させて流量制御弁５の通電制御を行うことによって、高圧ポンプ部１０の加圧室１４に送り込む燃料の流量が調整されるようになっている。

また、図示しないものの、燃料供給ポンプ１は、低圧フィードポンプ３と流量制御弁５とを連通する燃料通路の途中から分岐して、流量制御弁５と並列的に配置されたオーバーフローバルブを備えている。このオーバーフローバルブは、燃料タンク９１に連通する燃料還流路９７に接続されており、流量制御弁５に送られる燃料の圧力が設定値を超えたり、あるいは、流量制御弁５に送られる燃料の圧力とオーバーフローバルブよりも下流側の燃料還流路９７内の圧力と差が所定範囲を超えたりする場合に、オーバーフローバルブを介して燃料を燃料タンク９１に還流させるようになっている。
このとき、オーバーフローバルブを介して還流される燃料を、後述する高圧ポンプ部１０のカム室１１ｂ内に送り、潤滑油として使用することもできる。その結果、カム室内の潤滑油として別途潤滑オイル等を使用することなく、燃料を潤滑油として利用することができる。

２．高圧ポンプ部
次に、高圧ポンプ部１０の構成について詳細に説明する。
図２は、図１のＸＸ断面を矢印方向に見た断面図を示している。本実施形態の燃料供給ポンプ１の高圧ポンプ部１０は、カム２１が収容されたカム室１１ｂ及びカム２１の上方側に設けられた円柱空間１１ａを有するポンプハウジング１１を備えている。また、ハウジング１１の円柱空間１１ａ内にはプランジャバレル１２が装着されている。
プランジャバレル１２の内部に設けられたシリンダ１２ａにはプランジャ１３が摺動自在に保持されており、プランジャ１３の下方側の端部にはスプリングシート１９が係止されている。また、ポンプハウジング１１の円柱空間１１ａには、スプリングシート１９とプランジャバレル１２とによって両端が係止されたプランジャスプリング１５が備えられており、プランジャ１３が下方側に付勢されるようになっている。

プランジャバレル１２とカム２１との間には、ポンプハウジング１１の円柱空間１１ａ内を摺動自在に保持されたタペット構造体１８が配置されている。このタペット構造体１８は、カム２１の回転に伴って上方に押し上げられ、プランジャスプリング１５の付勢力に抗してプランジャ１３を上方に押し上げるようになっている。
本実施形態の燃料供給ポンプ１に備えられたタペット構造体１８は、ローラ１７と、当該ローラ１７を摺動自在に保持するローラ摺動部１６ｂ及びシリンダ１１ａに対する摺動面１６ａを有するタペット本体部１６とから構成されている。これ以外にも、例えば、ローラを備えていないタペットを用いることもできる。

プランジャバレル１２のシリンダ１２ａの上方開口部には燃料吐出弁２２が配置されるとともに、プランジャバレル１２のシリンダ１２ａから横方向に延びる燃料吸入路１２ｂを介して、燃料吸入弁２０が配置されている。
また、プランジャバレル１２のシリンダ１２ａの上端部分は、プランジャ１３と燃料吐出弁２２とによって画成され、加圧室１４を形成している。そして、プランジャ１３の下降時に加圧室１４内に発生する負圧によって燃料吸入弁２０が開かれ、燃料吸入路１２ｂを介して低圧燃料が加圧室１４に供給される。一方、プランジャ１３の上昇時には燃料吸入弁２０が閉じられるとともに加圧室１４内の燃料が加圧され、燃料吐出弁２２が開かれることによって、高圧燃料が下流側のコモンレールに向けて圧送されるようになっている。

本実施形態の燃料供給ポンプの高圧ポンプ部１０では、プランジャバレル１２のシリンダ１２ａの内周面には段差が設けられている。また、プランジャ１３のうち、スプリングシート１９が係止される下方側の端部以外の部分の外周面には段差が設けられておらず、シリンダ１２ａ内に入り込む部分の外径が均等に形成されたプランジャ１３となっている。すなわち、シリンダ１２ａ内においては、プランジャ１３の周方向外周面のすべての部分がシリンダ１２ａの内周面と摺動するように構成されている。
ただし、本発明においては、シリンダ１２ａの内周面に段差が設けられていなくてもよく、あるいは、プランジャ１３に段差が設けられ加圧室１４側のプランジャ１３の直径が小さくされていてもよい。

３．プランジャの空間部
次に、図３を用いて、図２に示す高圧ポンプ部１０に備えられたプランジャ１３の構成について詳細に説明する。図３は、図２に示す高圧ポンプ部１０の加圧室１４の近傍を拡大して示す断面図である。

図３に示すように、シリンダ１２ａ内には、加圧室１４内の燃料を加圧するためのプランジャ１３が摺動自在に保持されている。このプランジャ１３の外周面とシリンダ１２ａの内周面との間の摺動部２６の潤滑性は、高圧化された加圧室１４内の燃料の一部が摺動部２６にリークすることで維持されるようになっている。高圧の燃料が摺動部２６にリークすると、高圧燃料の圧力がプランジャ１３の外周面にかかり、プランジャ１３の外形を外側から内側に変形させる力となって作用することになる。

ここで、本実施形態のプランジャ１３には、加圧室１４に連通する空間部２４が設けられている。図３に示すプランジャ１３の空間部２４は、プランジャ１３の外周面と同心円をなす壁面をもつ円柱状の凹部であり、加圧室１４に連通するようにプランジャ１３の加圧室１４側の端部が開口している。そのため、加圧室１４内の燃料が空間部２４内にも回り込むようになっている。したがって、プランジャ１３の上昇に伴って加圧室１４内の燃料が加圧されると空間部２４内も高圧になり、空間部２４の周囲の壁面に高圧が作用するため、空間部２４の周囲のプランジャ１３を内側から外側に向けて変形させる力が働くようになる。その結果、摺動部２６にリークする高圧燃料の圧力によって作用するプランジャ１３を外側から内側に向けて変形させる力を相殺するように働くことになる。

したがって、プランジャ１３の外周面とシリンダ１２ａの内周面との間のクリアランスを、設計値に近い状態で維持することができ、当該クリアランスからリークする加圧室１４内の燃料のリーク量の増大が防止される。その結果、燃料供給ポンプの圧送効率の向上が図られる。

ここで、空間部２４を備えているプランジャ１３及び空間部を備えていない従来のプランジャそれぞれの、加圧室１４内が高圧になったときの形状変化について、シミュレーション結果に基づいて説明する。

図４（ａ）〜（ｂ）は、図３に示す構成のプランジャ１３を用いて、加圧室１４内が高圧化された場合のプランジャ１３の形状の変化のシミュレーションを行ったものである。具体的には、プランジャ１３の上部側及び空間部２４内に高圧をかけるとともに、摺動部となるプランジャ１３の外周面には、上端が上部側と同じ高圧となり下端が０ＭＰａとなるように漸減する圧力をかけて、有限要素法解析によってシミュレーションを行った。摺動部に漸減する圧力をかけているのは、加圧室に近いプランジャ１３の上部側では、リーク燃料の圧力も高圧のままで維持されやすい一方、加圧室から遠ざかるにつれて、リーク燃料の圧力が低下していくことを反映させたものである。図４（ａ）は、高圧の圧力値（Ｐｐ）を２７５ＭＰａとしたシミュレーション結果であり、図４（ｂ）は、高圧の圧力値（Ｐｐ）を２６０ＭＰａとしたシミュレーション結果である。

この図４（ａ）〜（ｂ）は、高圧がかけられている状態でのプランジャの直径とプランジャの高さとの関係を示しており、縦軸がプランジャの下端部からの距離（ｍｍ）を表し、横軸がプランジャの直径（ｍｍ）を表している。また、シミュレーションには長さ７０ｍｍ、直径が９ｍｍのプランジャが用いられており、それぞれの図中、図３に示す形状の空間部２４であって、深さ（Ｌ）が３６ｍｍ、直径（Ｄ）が６ｍｍの空間部２４を形成したプランジャのシミュレーション結果が実線で示され、空間部を備えていない従来のプランジャのシミュレーション結果が点線で示されている。

この図４（ａ）〜（ｂ）のシミュレーション結果に示されるように、点線で示される従来のプランジャは、プランジャの上端部に近付くにつれて摺動部に作用する圧力値が大きくなるために、プランジャの直径が次第に小さくなり、プランジャの上部側半分（プランジャの下端部から３３ｍｍの位置よりも上側）で、もとのプランジャの直径を下回っている。このような変形が実際の燃料供給ポンプで生じると、プランジャとシリンダとの間からの高圧燃料のリーク量が増加し、燃料供給ポンプの圧送効率が低下する結果となる。

これに対して、実線で示される空間部を備えたプランジャは、プランジャの下端部から離れるにしたがってプランジャの直径が小さくなっていくものの、空間部が形成されている領域に近づくと、空間部内に回りこんだ高圧燃料の作用によって、急激にプランジャの直径が拡大させられている。そこからは、再びプランジャの上端側に近づくにつれて、摺動部に作用する圧力値が大きくなるためにプランジャの直径が次第に小さくなっている。
したがって、燃料供給ポンプに空間部を設けたプランジャを用いた場合には、プランジャに空間部を形成していない場合と比較して、プランジャの上端側に近い位置（加圧室に近い位置）で、プランジャとシリンダとの間のクリアランスを小さく狭めることができ、高圧燃料のリーク量を少なく抑えられる。

また、燃料供給ポンプにおいて、プランジャに空間部を形成することは、加圧室内の容量を増加させることにもなるため、加圧室内の圧力変化にも影響を及ぼしている。
図５は、空間部を設けたプランジャ及び空間部を設けていないプランジャを、それぞれ同じストローク量及び上昇速度で駆動させた場合の加圧室内の圧力変化を示しており、縦軸が加圧室内の圧力（ＭＰａ）、横軸がカム角度（°）を表している。また、図５中、実線が空間部を設けたプランジャの圧力変化を示し、点線が空間部を設けていないプランジャの圧力変化を示している。この図５のデータに示される空間部を設けていないプランジャの容量は、空間部を設けたプランジャの容量の０．６倍となっている。

この図５に示すように、実線で示される加圧室の容量が相対的に大きい燃料供給ポンプは、点線で示される燃料供給ポンプよりも圧力の上昇率及び下降率が緩やかになっている。この加圧室内の圧力の変化率の緩和は、加圧室内の燃料の体積弾性効果に起因するものであるが、加圧室内の圧力の変化率が緩やかになるほど、プランジャが発生する軸力の変化が緩やかになる。その結果、カム面に作用する力の変化も緩やかになるために、燃料供給ポンプの駆動に伴って発生する騒音レベルを低減させることができる。

また、図６は、加圧室の容量を３段階で異ならせて、燃料供給ポンプの駆動時に発生する騒音レベルを測定した結果を示す図であり、横軸が燃料供給ポンプからの燃料流量（リットル／時間）を示しており、縦軸が騒音レベル（Ａ）を示している。また、図６では、ポンプ回転数を７００ｒｐｍ、１５００ｒｐｍ、２５００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍの４パターンで実施した場合の騒音レベルが示されている。
使用したプランジャは、空間部を備えたプランジャではないものの、長さを調節することによって加圧室の容量を３段階に変化させたものであり、点線で示されるプランジャを用いた場合に形成される加圧室の容量が最も小さく、実線で示されるプランジャを用いた場合に形成される加圧室の容量が最も大きく、一点鎖線で示されるプランジャを用いた場合に形成される加圧室の容量がその中間の大きさとなっている。

この図６に示すように、ポンプ回転数が大きくなるにつれて騒音レベルが上昇する一方で、ポンプ回転数が同じ条件であれば、加圧室の容量が大きいほど騒音レベルが小さく抑えられることが理解できる。
これを本発明に置き換えて見ると、空間部を設けていない従来のプランジャを用いた燃料供給ポンプと比較して、空間部が設けられたプランジャを用いた燃料供給ポンプでは、加圧室の容量が増加するために騒音レベルを低減させることができるようになる。

４．空間部の構成例
プランジャに形成される空間部の形状は、図３に示す例に限られるものではなく種々の変形が可能である。以下、プランジャに形成する空間部の構成の変形例を、上述したプランジャの形状変化のシミュレーションと同じ条件で行ったシミュレーション結果とともに説明する。

図７（ａ）〜（ｂ）は、図３と類似する構成の空間部を設けたプランジャであって、空間部の直径（Ｄ）が図３に示すプランジャに設けられた空間部の直径と同じであるが、空間部の深さ（Ｌ）が２４ｍｍと短くされたプランジャの形状変化のシミュレーション結果である。図７（ａ）〜（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）〜（ｂ）に対応するシミュレーションの結果を表している。

この図７（ａ）〜（ｂ）を図４（ａ）〜（ｂ）と比較すると、空間部の深さを２４ｍｍとした場合には、空間部の深さが３６ｍｍのプランジャよりも、プランジャの上端部からの距離が近い位置（プランジャの下端部から４３．５ｍｍの位置）においてもとのプランジャの直径に戻されている。ただし、プランジャの直径がもとの直径に戻される位置よりも下方側では、リーク燃料が未だ高圧に維持されやすく、当該位置よりも下方側で再びプランジャの直径が一旦小さくなっている。

また、図８は、プランジャ１３Ａの上端部での直径が最も大きく、下方側にいくにつれて直径が小さくなるテーパ状の空間部２４Ａを設けたプランジャ１３Ａを示している。
図９（ａ）〜（ｂ）は、直径が９ｍｍ、長さが７０ｍｍのプランジャに、テーパ状の空間部の一例として、上端部での直径が６ｍｍ、プランジャの軸線に対するテーパ角が２°、深さが３６ｍｍの空間部を形成した場合のプランジャの形状変化のシミュレーション結果を示している。

図９（ａ）〜（ｂ）に示すように、テーパ状の空間部を形成した場合には、空間部が形成されていない領域においては、プランジャの下端側からの距離が大きくなるにつれてプランジャの直径が次第に小さくなった後、空間部が形成された領域で一旦拡大されるものの、図３に示すような円柱状の空間部の場合と比較して、空間部の周囲のプランジャの肉厚が厚くなっているために変形度合いが小さくなっている。そこからは、再びプランジャの上端側に近づくにつれて、摺動部に作用する圧力値が大きくなるためにプランジャの直径が次第に小さくなっている。

また、図１０は、プランジャ１３Ｂの上端部から所定深さ（Ｌ´）までは同一の直径の円柱状をなし、それ以降は下方側にいくにつれて直径が小さくなるテーパ状をなす空間部２４Ｂを形成したプランジャ１３Ｂを示している。
図１１（ａ）〜（ｂ）は、直径が９ｍｍ、長さが７０ｍｍのプランジャに、上端部から７．９ｍｍまでは直径が７ｍｍの円筒状をなし、それ以降はプランジャの軸線に対するテーパ角が３°のテーパ状をなす、合計深さが３６ｍｍの空間部を形成した場合のプランジャの形状変化のシミュレーション結果を示している。このシミュレーションに用いたプランジャの空間部は、図９（ａ）〜（ｂ）のシミュレーションに用いたプランジャの空間部とは、上端部での直径及びテーパ角が異なっている。

図１１（ａ）〜（ｂ）に示すように、空間部が形成されていない領域でのプランジャの直径の変化は、図９（ａ）〜（ｂ）のシミュレーション結果に示されるプランジャの形状変化とほぼ同一である。一方、空間部が形成されていない領域から空間部が形成されている領域に入ると、空間部内の圧力によってプランジャの直径が拡大し、下方側からの距離が４０ｍｍ〜６０ｍｍの間の領域では、プランジャの直径がほぼ均等になっている。これは、空間部がテーパ状であると、下方側からの距離が大きくなるにつれて空間部の周囲のプランジャの肉厚が薄くなるために、プランジャを内側から外側に変形させる力が大きくなる一方、下方側からの距離が大きくなるにつれてプランジャの外周面に作用する圧力が大きくなるために、プランジャを外側から内側に変形させる力が大きくなり、これらの力の変化割合が等しい場合に得られる効果である。プランジャの外周面とシリンダの内周面との摺動状態を考えると、所定の長さ分、プランジャの直径が均等にされることはより好ましい態様である。

また、図１２（ａ）〜（ｂ）は、直径が９ｍｍ、長さが７０ｍｍのプランジャに、上端部から７．９ｍｍまでは直径が７ｍｍの円筒状をなし、それ以降はプランジャの軸線に対するテーパ角が４°のテーパ状をなす、合計深さが４６ｍｍの空間部を形成した場合のプランジャの形状変化のシミュレーション結果を示している。

図１２（ａ）〜（ｂ）に示すように、空間部が形成されていない領域では、下端部からの距離が大きくなるにつれてプランジャの直径が小さくなっていくが、空間部が形成されている領域に入ると、空間部内の圧力によってプランジャの直径の縮径が抑えられるようになり、下方側からの距離が２３ｍｍ〜６０ｍｍの間の領域で、プランジャの直径がほぼ均等になっている。図１２（ａ）〜（ｂ）に示すシミュレーション結果は、図１１（ａ）〜（ｂ）に示すシミュレーション結果よりもプランジャの直径が均等になっている範囲が広く、より好ましい態様である。

また、図１３（ａ）〜（ｂ）は、直径が９ｍｍ、長さが７０ｍｍのプランジャに、上端部から７．９ｍｍまでは直径が６ｍｍの円筒状をなし、それ以降はプランジャの軸線に対するテーパ角が４°で最深部が鋭角となるテーパ状をなす空間部を形成した場合のプランジャの形状変化のシミュレーション結果を示している。

図１３（ａ）〜（ｂ）に示すように、空間部が形成されていない領域では、下端部からの距離が大きくなるにつれてプランジャの直径が小さくなっていき、空間部が形成されている領域に入ってもなおプランジャの直径が小さくなっていくが、その変形割合は低下している。そのため、空間部を設けていないプランジャと比較して、上端部に近い位置で、プランジャの直径がもとの直径に戻されている。このシミュレーション結果では、プランジャの直径が、上端部に近い位置で拡大されているだけでなく、直径の拡大、縮小が繰り返されることなく、下方側に向けて徐々に拡大している。したがって、図１２（ａ）〜（ｂ）等のシミュレーション結果に見られるようなプランジャの直径が急激に変化する部分が無くなるため、プランジャの円滑な摺動が期待できる。

以上、プランジャに形成される空間部の変形例について示したが、燃料供給ポンプの加圧室内で生じる圧力値や、プランジャの直径、長さ、ストローク量を考慮して、加圧室内の圧力が上昇したときのプランジャの形状変化が、図１２（ａ）〜（ｂ）に示すような状態を示すように、空間部の形状を定めることが好ましい。図１２（ａ）〜（ｂ）に示すように、プランジャの形状変化が生じていれば、燃料のリーク量を低減できるのみならず、プランジャの外周面とシリンダの内周面とが比較的広い面積で摺動するため、プランジャの焼き付きの発生を低減させることができる。

５．応用例
上述の変形例では、空間部の外形の変形例を中心に説明したが、プランジャに形成する空間部には、容量調整部を配置することもできる。
図１４は、空間部２４Ｃの内部に容量調整部２７を配置したプランジャ１３Ｃの軸方向断面図を示している。この容量調整部２７は、円筒状の空間部２４Ｃと同心円をなす円柱状の容量調整部２７が空間部２４Ｃの底面に形成されたものである。
このような容量調整部２７を配置することにより、空間部２４Ｃの容量を変えないで、空間部２４Ｃの深さ（Ｌ）を調節することができ、加圧室１４の容量を過度に大きくすることなく、プランジャ１３Ｃを内側から外側に変形させる領域を調節することができる。

すなわち、上述したように、空間部を設けることにより加圧室の容量が大きくなって騒音レベルの低減を図ることができるが、プランジャの形状変化を考慮して空間部の深さを設定した場合に、加圧室の容量が必要以上に大きくなってしまい、ポンプによる圧送効率が低下してしまうおそれがある。そのため、容量調整部を空間部の内部に配置することによって、加圧室の容量増加を抑えつつ、空間部の周囲の壁面に高圧燃料の圧力を作用させることができる。

この容量調整部を含む空間部の態様は、図１４に示す例以外にも、図１５（ａ）に示すように、テーパ状の空間部２４Ｄ内に容量調整部２７を配置した構成とすることもできる。また、容量調整部は、プランジャと一体成形される構成に限られず、図１５（ｂ）に示すように、プランジャ１３Ｅとは別体にされて、溶接等によって固定されたあるいはプランジャには固定されない容量調整部２７´であっても構わない。

６．高圧ポンプ部の別の構成例
図１６は、高圧ポンプ部の別の構成例を示す断面図であって、図２に対応する断面図である。図２と同じ部材を示す部分については同じ符号が付されている。
この高圧ポンプ部１１０は、タペット構造体１８を押圧してプランジャ１３に対して付勢力を与えるプランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂ、及び当該プランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂのそれぞれの一方側の端部が当接するスプリングシート１１９ａ、１１９ｂの構成が、図２で示す高圧ポンプ部１０のプランジャスプリング１５及びスプリングシート１９の構成と異なっている。また、図１６に示す高圧ポンプ部１１０には、プランジャバレル１１２の下端部にオイルシール１３０が備えられている。これ以外の点については、図２の高圧ポンプ部１０の構成と基本的に同様であるため説明を省略し、プランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂ、スプリングシート１１９ａ、１１９ｂ、及びオイルシール１３０を中心に説明する。

図１６に示す高圧ポンプ部１１０は、プランジャバレル１１２とタペット構造体１８との間に、相対的に直径が大きい第１のプランジャスプリング１１５ａと、相対的に直径が小さい第２のプランジャスプリング１１５ｂとを備えている。第１のプランジャスプリング１１５ａは、第２のプランジャスプリング１１５ｂの周囲に、同心円をなすように配置されている。
これらの第１及び第２のプランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂは、腐食対策のためにステンレス材料を用いて構成されており、第１のプランジャスプリング１１５ａを構成するスプリング材料の直径が、第２のプランジャスプリング１１５ｂを構成するスプリング材料の直径よりも太くなっている。

このうち、第１のプランジャスプリング１１５ａは、上方側端部がプランジャバレル１１２の第１のスプリング受面１３１ａに当接し、下方側端部が第１のスプリングシート１１９ａに当接している。この第１のスプリングシート１１９ａは、図２に示す高圧ポンプ部１０に備えられたスプリングシート１９と基本的に同様の構成となっている。

また、第２のプランジャスプリング１１５ｂは、上方側端部がプランジャバレル１１２の第２のスプリング受面１３１ｂに当接し、下方側端部が第２のスプリングシート１１９ｂに当接している。プランジャバレル１１２の第２のスプリング受面１３１ｂは、第１のスプリング受面１３１ａの内側に段差１３２を形成して設けられたものである。また、第２のスプリングシート１１９ｂは、第１のスプリングシート１１９ａの中央開口部１１９ａａに摺動自在に嵌め合わせられている。

第１のプランジャスプリング１１５ａの上方側端部は、第２のスプリング受面１３１ｂを構成する段差１３２の外周部によって径方向位置が規定され、下方側端部は、第１のスプリングシート１１９ａに設けられた段差１３３の外周部によって径方向位置が規定されている。また、第２のプランジャスプリング１１５ｂの上方側端部は、プランジャバレル１１２のバレル外周によって径方向位置が規定され、下方側端部は、第２のスプリングシート１１９ｂに設けられた段差１３４の外周によって径方向位置が規定されている。

この高圧ポンプ部１１０では、第１及び第２のプランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂを備えることにより、燃料供給ポンプの大型化を防ぐとともに、燃料供給ポンプの高回転化に対応できるようになっている。また、第１及び第２のプランジャスプリング１１５ａ、１１５ｂに、それぞれ異なる機能を分担させることによって、プランジャ１３の焼き付きが生じた場合であっても、駆動部品に大きなダメージを与えないようになっている。

より具体的には、スプリング室に満たされる潤滑オイル又は潤滑用燃料中の水分による腐食対策のために、プランジャスプリングがステンレス材料で構成される場合があり、ステンレス材料からなるプランジャスプリング１本で強度やバネ力を確保するためには、プランジャスプリングの長さを長くしたり、外径を大型化したりする必要がある。

これに対して、プランジャスプリングを２本化して構成した場合には、プランジャスプリング１本で構成する場合よりも、長さを短くしたり、外径を小さくしたりした場合であっても、同じ強度やバネ力を確保することができる。また、プランジャスプリングを２本化することによって、プランジャスプリングの長さや外径を著しく大きくすることなくバネ力を大きくして、タペット構造体をカム側に押圧する押圧力を増大させることができる。したがって、カムとローラとが離間しにくくなり、燃料供給ポンプの高回転化に対応することができる。

また、図１６に示す高圧ポンプ部１１０では、第２のスプリングシート１１９ｂが第１のスプリングシート１１９ａの開口部１１９ａａ内を摺動自在に備えられており、第１のプランジャスプリング１１５ａが、主としてタペット構造体１８を下方に押圧する機能を発揮し、第２のプランジャスプリング１１５ｂが、主としてプランジャ１３を付勢する機能を発揮する。したがって、プランジャ１３の外周面とプランジャバレル１１２のシリンダ１１２ａの内周面との間の潤滑機能が低下してプランジャ１３の焼き付きが発生した場合であっても、第１のスプリングシート１１９ａと第２のスプリングシート１１９ｂとが互いに摺動することによって、タペット構造体１８にまで及ぶダメージが小さくなるようになっている。

また、プランジャバレル１１２の下方側端部に備えられたオイルシール１３０は、燃料供給ポンプの潤滑機能をオイル潤滑で確保する場合に備えられるものである。
オイル潤滑の場合、燃料供給ポンプのカム室１１ｂ及びスプリング室には潤滑オイルが満たされている。一方、プランジャ１３の外周面とプランジャバレル１１２のシリンダ１１２ａの内周面との間の摺動部は、加圧室１４内の燃料がリークすることによって潤滑機能が確保されている。そのため、オイルシールが備えられていない場合には、プランジャの外周面とシリンダの内周面との間の摺動部を介して、燃料又は潤滑オイルが互いに行き来するおそれがある。

燃料に潤滑オイルが混ざると燃料の純度が低下し、排気ガスの清浄度が低下するおそれがある一方、潤滑オイルに燃料が混ざると粘性が低下し、潤滑性に影響を与えるおそれがある。近年の、排気ガスの規制の強化や内燃機関の性能の向上に伴って、燃料又は潤滑オイルの性状の低下は無視できないレベルとなっている。そのため、図１６に示す高圧ポンプ部１１０では、プランジャバレル１１２の下端部にオイルシール１３０を備え、燃料又は潤滑オイルの互いの行き来が抑制されるようになっている。

このオイルシール１３０は、従来の流体ポンプのプランジャバレルの下方側に備えられている公知のオイルシールを用いることができる。ただし、本実施形態の燃料供給ポンプは、２５０〜３００ＭＰａのレール圧を達成するための蓄圧式燃料供給装置にも用いることができるように構成されており、高圧ポンプ部内部が高温になるおそれがあることから、耐熱性を有する材料を用いてオイルシール１３０を構成することが好ましい。

オイルシール１３０によって、燃料と潤滑オイルとの互いの行き来が抑制され、潤滑オイルはプランジャ１３の外周面とプランジャバレル１１２のシリンダ１１２ａの内周面との間へのリークが防止される。一方、プランジャ１３の外周面とプランジャバレル１１２のシリンダ１１２ａの内周面との間にリークして潤滑油として機能する燃料は、オイルシール１３０の上部に形成された燃料溜り溝１３６に流れ込み、リーク燃料通路１３８を介して回収される。

１：燃料供給ポンプ、３：低圧フィードポンプ、５：流量制御弁、１０：高圧ポンプ部、１１：ポンプハウジング、１１ａ：円柱空間、１１ｂ：カム室、１２：プランジャバレル、１２ａ：シリンダ、１２ｂ：燃料吸入路、１３・１３Ａ・１３Ｂ・１３Ｃ・１３Ｄ・１３Ｅ：プランジャ、１４：加圧室、１５：プランジャスプリング、１６：タペット本体部、１６ａ：摺動面、１６ｂ：ローラ摺動部、１７：ローラ、１８：タペット構造体、１９：スプリングシート、２０：燃料吸入弁、２１：カム、２２：燃料吐出弁、２３：カムシャフト、２４・２４Ａ・２４Ｂ・２４Ｃ・２４Ｄ・２４Ｅ：空間部、２６：摺動部、２７・２７´：容量調整部、９１：燃料タンク、９３：コモンレール、９５：燃料噴射弁、９７：燃料還流路、１１２：プランジャバレル、１１２ａ：シリンダ、１１５ａ：第１のプランジャスプリング、１１５ｂ：第２のプランジャスプリング、１１９ａ：第１のスプリングシート、１１９ａａ：開口部、１１９ｂ：第２のスプリングシート、１３０：オイルシール、１３１ａ：第１のスプリング受面、１３１ｂ：第２のスプリング受面、１３２：段差、１３３：段差、１３４：段差、１３６：燃料溜り溝、１３８：リーク燃料通路

Claims (4)

1. シリンダ内を摺動するプランジャを備え、前記シリンダの一部に形成された加圧室に吸入した燃料を前記プランジャによって加圧して、内燃機関の燃料噴射部が接続されたコモンレールに圧送する燃料供給ポンプにおいて、
   前記プランジャが、前記加圧室に連通し前記プランジャと前記シリンダとの間のクリアランスの拡大を防止するための空間部を備えることを特徴とする燃料供給ポンプ。
2. 前記空間部の周囲の前記プランジャの肉厚が、前記加圧室から遠ざかるにつれて厚くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給ポンプ。
3. 前記空間部の内部に前記空間部の容量を調整する容量調整部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料供給ポンプ。
4. 前記空間部の深さを、前記加圧室に生じる最大圧力を考慮して設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料供給ポンプ。

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