JP2011174424A - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高圧燃料供給ポンプの摺動機構部の摺動面が摩耗や焼付きを生じにくくする。
【解決手段】高圧燃料供給ポンプにおいて、互いに接触して摺動する部材表面に耐摩耗性と耐焼付き性とを有する被膜が形成されている。具体的には、高圧燃料供給ポンプにおいて、互いに接触して摺動する一方の摺動面には、窒化層、および浸炭窒化層の一つからなる硬化層を、上記摺動面に対する他方の摺動面には高硬度の炭素系被膜を有する。好適には高硬度の炭素系被膜を有さない窒化層、または浸炭窒化層にはＦｅ₃Ｎ（白色化合物層）を残す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車エンジンの燃焼室に取り付けた燃料噴射弁から燃焼室に直接燃料を噴射する、所謂筒内直接燃料噴射型エンジン用の燃料噴射装置に用いる高圧燃料供給ポンプに関する。特にラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプに関する。

筒内直接燃料噴射型エンジン用の燃料噴射装置では、エンジンの圧縮行程時にも内燃機関の気筒内に燃料噴射弁から直接ガソリンを噴射する必要があるために、高圧燃料供給ポンプは３Ｍｐａ以上の高圧でガソリンを燃料噴射弁に供給することが要求される。

例えば特開平１０−３１８０９１号公報に記載されている従来のラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプは以下のように構成されている。

エンジンの駆動力を伝達するシャフトと、前記シャフトに固定された駆動カムと、前記駆動カムに摺動接触してシャフトの回転運動を往復運動に変換するリフタとを有する駆動機構により駆動され、リフタを挟んで駆動カムに追従して往復動するプランジャと、前記プランジャの往復動を支承するシリンダボアを有するシリンダとを有する。

プランジャの先端部分がポンプボディ内に形成される加圧室内で往復運動することで、加圧室の容積が周期的に増減する。

加圧室の容積が増加するときガソリンタンクからフィードポンプを介して送られてくる低圧のガソリンが加圧室内に吸入される。

加圧室の容積が減少するときガソリンが加圧されて加圧室から高圧通路に吐出されるよう構成されている。

特開平１０−３１８０９１号公報

このような従来の高圧燃料供給ポンプにおいては、例えばプランジャの外周面とシリンダの内周面との間はガソリン中でしかも高面圧環境下で摺動することになる。そのため、高面圧で接触して摺動するために摩耗で損耗することが考えられる。

ガソリンは、通常の潤滑油に比べ粘度が極端に小さいため、上記のような摺動部においては互いの摺動面が摩耗し易い。

場合によっては、ガソリンにはメチルアルコール，エチルアルコールを添加したもの、あるいは劣化したもの（粗悪ガソリン）も使用される。そのようなガソリンが使用された場合は、水分の混入，酸成分が混入し、摺動部の摩耗部分が酸化し易くなる可能性がある。その場合は摺動部の潤滑に対する環境は更に厳しくなり、摺動部の摩耗量が多くなると考えられる。

摺動部が摩耗して摩耗量が多くなると、加圧室で加圧されたガソリンの漏れを助長し、ポンプの吸入・吐出の効率を低下する可能性があり、信頼性の低下が考えられる。

さらに、上記のように潤滑に対する環境が厳しくなった場合、摩耗だけでなくプランジャとシリンダとの焼付きといった現象も生じる可能性がある。

焼付きが生じた場合プランジャの往復運動が出来なくなるため、燃料を加圧することが出来なくなる可能性もある。

本発明は上記のような課題を解決するために、高圧燃料供給ポンプの互いに接触して摺動する部材表面（例えばプランジャの外周面とシリンダの内周面）の一方若しくは両方に耐摩耗性と耐焼付き性とを有する硬質被膜が形成されている。

具体的には、高圧燃料供給ポンプの互いに接触して燃料あるいは潤滑油を介して摺動する一方の摺動面には、窒化層、および浸炭窒化層の一つからなる硬化層が、上記摺動面の他方の摺動面には高硬度の炭素系被膜が形成されている。

好適には、互いに接して摺動する摺動部には、工具鋼，マルテンサイト系ステンレス鋼，合金鋼、及び軸受鋼を用いるのがよい。

好適には、上記高硬度の炭素系被膜を有さない側の摺動面には窒化層、または浸炭窒化層が形成されており、当該窒化層、または浸炭窒化層にはＦｅ₃Ｎ（白色化合物層）が残留しているのが良い。

好適には、耐摩耗，耐焼付き性とを有する硬質被膜は、気相蒸着で形成されるものが良い。

ガソリン中でしかも高面圧環境下で摺動する高圧燃料供給ポンプの摺動部の摩耗あるいは焼付き等が防止される。これにより信頼性に優れた高圧燃料供給ポンプが提供される。

本発明の一実施例における高圧燃料供給ポンプの一部断面図。 本発明に係るプランジャおよびシリンダの表面処理を示す図。 本発明の実施例の表面処理組合せによる、プランジャとシリンダの焼付き荷重を測定したグラフ。

本実施例はラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプに関するものである。

エンジンの駆動力を伝達するシャフトと、上記シャフトの回転運動を揺動運動に変換する駆動カムと、上記駆動カムの回転運動、リフタを介してシリンダ内の往復運動に変換するプランジャと、上記プランジャと組み合わされて燃料を吸入吐出するシリンダボアを有するラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプで、燃料によって潤滑されて摺動する前記機構部、及びポンプ部の部材の少なくとも一つ以上の表面に、窒化層、および浸炭窒化層の一つからなる硬化層を、上記一方の摺動面に対する他方の摺動面には高硬度の炭素系被膜が形成されているものである。

図１に本実施例のラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプの垂直断面図を示す。

ポンプ本体には、燃料導入口１，燃料吐出口２，加圧室３を備えている。燃料導入口１及び燃料吐出口２には、吸入弁４，吐出弁６が設けられており、それぞれスプリング５，７にて一方向に保持され、燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。

ここで、加圧室３には、加圧部材であるプランジャ１３が摺動可能に保持されている。プランジャ１３の下端に設けられたリフタ２１は、スプリング１９によってカム２２に圧接されている。プランジャ１３は、エンジンカムシャフト等により回転されるカム２２により、往復運動して加圧室３内の容積を変化させる。プランジャ１３の圧縮工程中に吸入弁４が閉弁すると、加圧室３の内圧力が上昇し、これにより吐出弁６が自動的に開弁し、燃料を燃料吐出口２より圧送する。吸入弁４は、加圧室３の圧力が燃料導入口より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関しては、ソレノイド８の動作により決定される。

ポンプ本体から高圧燃料を供給する場合には、ソレノイド８がＯＮ（通電）状態となり、燃料供給を停止する場合には、ソレノイド８がＯＦＦ（無通電）状態となるように、ソレノイド８への通電が制限される。

ソレノイド８がＯＮ（通電）状態を保持した際は、ソレノイドスプリング５の付勢力以上の電磁力を発生させ、ソレノイド８をバルブシート９側より引き離すため、バルブシート９と吸入弁４は分離される。この状態であれば、吸入弁４はプランジャ１３の往復運動に同期して開閉する自動弁となる。従って、圧縮工程中は、吸入弁４は閉塞し、加圧室３の容積減少分の燃料は、吐出弁６を押し開き燃料吐出口２より圧送される。

一方、ソレノイド８がＯＦＦ（無通電）を保持した際は、ばね３０２の付勢力により、バルブシート９は吸入弁４に係合し、吸入弁４を開弁状態に保持する。従って、圧縮工程時においても、加圧室３の圧力は燃料導入口部とほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁６を開弁することができず、加圧室３の容積減少分の燃料は、吸入弁４を通り燃料導入口側へ戻される。

また、圧縮工程の途中で、ソレノイド８をＯＮ状態とすれば、このときから、燃料吐出口２から燃料圧送される。また、一度圧送が始まれば、加圧室３内の圧力は上昇するため、その後、ソレノイド８をＯＦＦ状態にしても、吸入弁４は閉塞状態を維持し、吸入工程は始まりと同期して自動開弁する。

このようなラジアルプランジャ型の高圧燃料供給ポンプにおいて、燃料中で稼動し、摺動する部材で、耐摩耗性，耐焼付き性が要求される主なものとしては、ポンプ室の加圧部材であるプランジャとそれを往復摺動可能に支持する摺動孔を有するシリンダのシリンダボアがある。特に、プランジャとシリンダボアの径ギャップは、加圧室からの燃料漏れを最低限にするために１０±１μｍとしている。そのため、摩耗による径ギャップの増大等によるポンプ性能の低下が生じる。

また、プランジャは燃料とオイルをシールする軸シールとの摺動部においても、耐摩耗性が要求される。この摺動部における摩耗は、オイルへ燃料が漏洩すると、オイルが希釈され、潤滑性能の低下、更に燃費の低下も生じるので、好ましくない。

そこで、プランジャ及びシリンダブロックの材料構成は以下の通りである。プランジャの外径とシリンダボアは初期的には線接触状態で摺動するため、高い面圧（ヘルツ応力）になる。そのため、材料としては高硬度であることが望ましい。シリンダブロックはプレス加工等により製品形状に加工できて生産性がよいマルテンサイト系ステンレス鋼のＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２材を焼入・焼戻しをして用いられる。また、合金工具鋼（ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材等）、軸受け鋼を焼入・焼戻しをしても用いられる。

ＳＵＳ４４０Ｃ，ＳＵＳ４２０Ｊ２材は焼入・焼戻しにより基材の硬さがＨｖ５００〜７００になる。また、ステンレス鋼のため耐食性がよい。

プランジャの材料も同様である。しかし、シリンダブロックよりも高面圧になることから、更に高硬度にして耐摩耗性を得るため、表面処理が適用されて供される。

図２に本発明によるプランジャおよびシリンダの断面構造を示す。

図２（ａ）は、シリンダ１５に基材に窒化層または浸炭窒化層による拡散表面処理層２３を形成し、さらにその表面には拡散表面によって形成された白色化合物層２４がある。プランジャ１３には、高硬度の炭素系被膜２５を形成している構造になる。高硬度の炭素系被膜はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）である。

窒化層または浸炭窒化層による拡散表面処理層は、例えばイオン窒化法，塩浴窒化法，ガス窒化法等があり、方式にはとらわれない。

炭素系被膜のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は、例えば高周波プラズマＣＶＤ法，イオン化蒸着法，アンバランスド・マグネトロンスパッタ法等があり、方式にはとらわれない。

このような方法により形成された炭素系被膜は、相手材料との間に生じる金属移着現象を抑え、凝着や焼付き現象を阻止する効果があり、摩擦抵抗が小さく、初期摩耗，定常摩耗および焼付き等が防止される。

また、このような方法により形成された炭素系被膜は、緻密で非金属的物性により、耐食性が優れる。燃料のガソリンにメチルアルコール，エチルアルコールを添加したもの、あるいは劣化したガソリン等を使用した場合、そのようなガソリンにおいては、水分の混入，酸成分の混入等により、材料の酸化の影響を考慮する必要がある。すなわち、摺動機構部の接触部が酸化環境であると腐食摩耗の現象を生じる可能性があり、その場合は摩耗に対する環境としては更に厳しくなり、摺動部の損耗量が多くなる課題が考えられるが、炭素系被膜によりこれらの腐食環境における課題に対しても有効的である。

炭素系被膜のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は、その皮膜厚さが３μｍ以下の薄膜となるため、後加工が不可能である。そこで、シリンダの白色化合物層および拡散表面処理層を内径研磨により加工し、プランジャとの径ギャップ１０±１μｍを確保している。

炭素系被膜はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）はＨｖ２０００以上の非常に高硬度な皮膜であるため、下地の硬さが重要になる。下地が軟らかいと変形に追従できずに皮膜は破壊し剥離に至る。

そこで、プランジャに炭素系被膜はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の下地処理として窒化層または浸炭窒化層による拡散表面処理層２６を形成させたのが図２（ｂ）である。この拡散表面処理層により炭素系被膜はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の密着力は向上し、図２（ａ）よりも高面圧に耐えられる構成になっている。

図２（ａ），（ｂ）では、シリンダの白色化合物層を内径研磨により加工しているが、この白色化合物層は拡散表面処理層よりも高硬度であり、炭素系被膜のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）と同様に、初期摩耗，定常摩耗および焼付き等を防止する効果がある。この白色化合物層を残した表面処理層の組合せを示したのが図２（ｃ）である。

また、白色化合物層は緻密で非金属的物性により、耐食性が優れることから、燃料のガソリンにメチルアルコール，エチルアルコールを添加したもの、あるいは劣化したガソリン等を使用した場合における水分の混入，酸成分の混入等による材料の酸化の影響における課題に対しても有効的である。

図２（ｃ）で示した表面処理組合せでは、白色化合物層を除去しないのでプランジャに合わせてシリンダ内径研磨を行わずに、プランジャとシリンダの選択勘合となる。これによりシリンダの研磨工程が省け、製造工数低減の効果も出ることになる。

図２（ｄ）は、図２（ａ）と（ｃ）を組み合わせた構造になっているが、比較的面圧が低い環境であれば使用可能であり、拡散表面処理層を形成しない分、低コスト化となる。

図３は、本発明の表面処理を実施したプランジャとシリンダの組合せにより焼付き荷重を測定したグラフである。プランジャは素材に高合金工具鋼ＳＫＤ１１を用い、焼入れ焼戻しを行った。窒化はイオン窒化法を用い、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜は高周波プラズマＣＶＤ法を用いた。シリンダは素材に高合金工具鋼ＳＫＤ１１を用い、焼入れ焼戻しを行った。窒化は塩浴窒化法を用いた。

Ｎo.１はプランジャ，シリンダ共に焼入れ焼戻しのみである。

Ｎo.２はプランジャ，シリンダ共に焼入れ焼戻し後窒化処理を行っている。シリンダは窒化後の白色化合物層の除去は行っていない。

Ｎo.３はプランジャ，シリンダ共に焼入れ焼戻し後窒化処理を行っている。シリンダは窒化後の白色化合物層の除去を行った。

Ｎo.４は、プランジャは焼入れ焼戻し後ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜処理を行っている。シリンダは焼入れ焼戻し後に窒化処理を行い、窒化後の白色化合物層の除去を行った。図２の実施例の（ａ）と同じ仕様である。

Ｎo.５はプランジャ，シリンダ共に焼入れ焼戻し後窒化処理を行っている。プランジャは窒化後にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜処理を行っている。シリンダは窒化後の白色化合物層の除去を行った。図２の実施例の（ｂ）と同じ仕様である。

Ｎo.６はプランジャ，シリンダ共に焼入れ焼戻し後窒化処理を行っている。プランジャは窒化後にダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜処理を行っている。シリンダは窒化後の白色化合物層の除去を行っていない。図２の実施例の（ｃ）と同じ仕様である。

Ｎo.７は、プランジャは焼入れ焼戻し後ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜処理を行っている。シリンダは焼入れ焼戻し後に窒化処理を行い、窒化後の白色化合物層の除去を行っていない。図２の実施例の（ｄ）と同じ仕様である。

焼付き荷重測定グラフから、プランジャのダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜処理により耐焼付き性が向上していることが明らかである。また、シリンダの窒化処理後の白色化合物層も耐焼付き性の向上に寄与していることが明らかである。

本実施例によれば、潤滑性の劣るガソリン、あるいは水分，アルコールが存在して酸成分が混入した燃料中で摺動する場合に、各摺動部品の材質，表面処理及びその組合せを最適に設定した。

これにより、高面圧に対する耐荷重性が向上するとともに、硬質被膜の耐剥離性も改善される効果がある。

これらの構成により、摩擦抵抗が小さく、しかも一方の材料が他方の材料へ付着したり、凝着することがほとんど発生しない。したがって、初期摩耗，定常摩耗あるいは焼付き等が防止される。これにより信頼性に優れた高圧燃料供給ポンプが提供される。

１ 燃料導入口
２ 燃料吐出口
３ 加圧室
４ 吸入弁
５ （ソレノイド）スプリング
６ 吐出弁
７ （チェックバルブ）スプリング
８ ソレノイド
９ バルブシート
１０ ボディ
１１ ダンパー
１２ ダンパーカバー
１３ プランジャ
１４ プランジャシール
１５ シリンダ
１６ シリンダホルダ
１７ フランジ
１８ フランジホルダ
１９ スプリング
２０ リテーナ
２１ リフタ
２２ カム
２３ 拡散表面処理層（シリンダ）
２４ 白色化合物層
２５ 高硬度の炭素系被膜
２６ 拡散表面処理層（プランジャ）

Claims (3)

1. 往復動するプランジャと、前記プランジャが挿通されるシリンダボアを有するシリンダとを備え、
   前記プランジャの先端部分がポンプボディ内に形成された加圧室内で往復運動することで、加圧室の容積が周期的に増減し、
   加圧室の容積が増加するとき低圧のガソリンが加圧室内に吸入され、
   加圧室の容積が減少するときガソリンが加圧されて加圧室から高圧通路に吐出されるよう構成された高圧燃料供給ポンプであって、
   互いに接触して摺動する摺動部の一方の摺動面には、窒化層、および浸炭窒化層の一つからなる硬化層を有し、
   上記摺動面に対する他方の摺動面には前記硬化層より高硬度の炭素系被膜を有する
   高圧燃料供給ポンプ。
2. 往復動するプランジャと、前記プランジャが挿通されるシリンダボアを有するシリンダとを備え、
   前記プランジャの先端部分がポンプボディ内に形成された加圧室内で往復運動することで、加圧室の容積が周期的に増減し、
   加圧室の容積が増加するとき低圧のガソリンが加圧室内に吸入され、
   加圧室の容積が減少するときガソリンが加圧されて加圧室から高圧通路に吐出されるよう構成された高圧燃料供給ポンプであって、
   互いに接触して摺動する一方の摺動面には、窒化層、および浸炭窒化層の一つからなる硬化層を有し、
   上記摺動面に対する他方の摺動面には窒化層，浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層の少なくとも一つからなる硬化層を有し、
   上記いずれかの硬化層の表面に当該硬化層より高硬度の炭素系被膜を有する
   高圧燃料供給ポンプ。
3. 請求項１または２に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   上記高硬度の炭素系被膜を有さない側の摺動面には窒化層、または浸炭窒化層が形成されており、
   当該窒化層、または浸炭窒化層にはＦｅ₃Ｎ（白色化合物層）が残留している高圧燃料供給ポンプ。

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