JP2012246853A - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】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た高圧燃料供給ポンプにおいて、シリンダに硬質皮膜を成膜した場合、シリンダボア部両側入口付近にしか被膜は成膜されない。このような状態になると、シリンダボア部両側入口が被膜により狭くなるので、潤滑効果が小さくなり焼き付きのポテンシャルが上がってしまう。
【解決手段】高圧燃料供給ポンプのシリンダボア部両側入口にテーパーを設け、さらに高硬度の炭素系被膜の成膜を形成する。シリンダに被膜を形成するために、その後のギャップ調整において、プランジャ外形を研削により寸法調整することが可能である。また、シリンダボア部両側入口に設けたテーパーにより、シリンダボア部の入口付近にしか成膜されない状況になってもシリンダボア部入口付近が狭くなることが無く、焼き付きのポテンシャルが上がってしまうこともない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に取り付けた燃料噴射弁から当該燃焼室に燃料を直接噴射する、所謂筒内直接燃料噴射型エンジンの燃料噴射装置、に用いられる高燃料供給圧ポンプに関し、特にシリンダとこれに滑合するプランジャを備えた高燃料供給圧ポンプに関する。

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（メガパスカル）以上の高圧（例えば１０ないし１５Ｍｐａ）でガソリンを燃料噴射弁に供給することが要求される。このため高圧燃料供給ポンプは、低粘度のガソリンを高圧に圧縮する必要があり、シリンダのボア内で摺動するプランジャのクリアランスを例えば数μｍ以下にして、クリアランスの隙間からのガソリンのリーク量を小さく抑える必要がある。

従来のこの種のポンプでは、小さなクリアランスを確保するため、シリンダボア，プランジャとも摺動面全域に渡って、高い直径寸法精度と円筒度が必要であった。そのため、精密仕上げ加工やその後のチェックでコストがかかり、量産において、高い精度要求が達成できず摺動不良のものが発生すると言った不具合が生じていた。また摺動性を改善するために、ポンプの効率を犠牲にしてもクリアランスを広げざるを得ないという事態も発生していた。

この点に鑑み、特許第３９７９３１３号公報ではシリンダボアとプランジャとのクリアランスが、プランジャ又はシリンダボアのいずれかの特定の位置で他の部分より大きくすることが提案されている。また、特開２００３−１４８２９４号公報では互いに接触しガソリンを介して摺動するシリンダとプランジャの少なくとも一方の摺動面には、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と上記硬化層の表面に硬化層より高い硬度の炭素系被膜を有することが提案されている。

特許第３９７９３１３号公報 特開２００３−１４８２９４号公報

プランジャ又はシリンダボアのいずれかの特定の位置でシリンダボアとプランジャとのクリアランスを、他の部分より大きくする場合、クリアランスの狭い部分で摺動による摩耗が発生する。また、プランジャの傾倒が助長され、摺動での摩耗が激しくなる。

プランジャもしくはシリンダ内表面に被膜を成膜させるものでは、プランジャに被膜を成膜させる場合、プランジャ外径を研磨により寸法調整することが出来ないために、シリンダの内径を加工してギャップを調整するか、ギャップに適したシリンダを選択して嵌合させる必要がある。しかし、シリンダの内径を加工するギャップを調整するのはプランジャ外形を研削により寸法調整するよりも技術的に難しく実現性がない。一方、ギャップに適したシリンダを選択して嵌合させる場合、シリンダの内径を振った在庫品を多く持っていなければならないと言う問題がある。

この点で考えると、被膜形成はシリンダに実施した方が、その後のギャップ調整において有利である。しかし、実際にはシリンダの内表面に被膜を形成する場合、被膜がシリンダの両端入り口に厚く形成されると言う問題があり、シリンダボア部両側入口が被膜により狭くなるので、潤滑効果が小さくなり焼き付きのポテンシャルが上がってしまうという課題があった。

本発明はこの点に鑑み、シリンダ内部に適切な被膜形成が可能で、摩耗が少ないシリンダとプランジャを備えた高圧燃料供給ポンプを得ることを目的とするものである。

本発明は上記の目的を達成するために、高圧燃料供給ポンプのシリンダボア部両側入口にテーパー部を設け、当該シリンダの内周周面に高硬度の炭素系被膜の成膜を形成した。

具体的には、シリンダの両端から長手方向にシリンダボアの直径分に相当する寸法に亘ってテーパーを設け、高硬度の炭素系被膜が形成されたテーパー状態でのテーパー部のシリンダボアの内径が皮膜の形成されていない中央部の内径と同じかそれ以下になるように形成されている。

このように構成された本発明では、シリンダボア部両側入口に設けたテーパーにより、シリンダボア部の入口付近にしか成膜されない状況になってもシリンダボア部入口付近が狭くなることが無く、焼き付きのポテンシャルが低減される。また、プランジャ外径を研磨により寸法調整することができるため、プランジャに被膜を形成するより製造上有利である。

以上の結果、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が防止され、さらに製造面においても有利な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。 本発明に係るシリンダの表面処理を示す断面構造図。 本発明に係るシリンダの表面処理を示す断面構造図２の拡大図。 本発明に係るシリンダおよびプランジャの摺動状態を示す図。

以下、図面を用いて実施例を詳細に説明する。

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うち、シリンダボア部両側入口にテーパーを設け、さらに高硬度の炭素系被膜の成膜を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、燃料中で稼働し、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。

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。シリンダブロックやプランジャは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。

図２に本発明によるシリンダの断面構造を示す。

図２は、シリンダ１５のボア部両側入口に設けたテーパー２３があり、さらにその表面には高硬度の炭素系被膜２４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）であり、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、熱ＣＶＤ法以外であれば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。

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、プランジャ外径を研磨により加工し、シリンダ−プランジャの径ギャップ１０±１μｍを確保している。

物理蒸着法やプラズマを利用した化学蒸着法により形成されているため、ボア部の入口付近にしか成膜されず、図２に示すように中央には被膜が形成されない。

シリンダ内径部に炭素系被膜を成膜させる手法として熱化学蒸着法が知られているが、熱化学蒸着法は１０００℃程度の高温処理となるために、寸法変化が生じてしまうために使用できない。物理蒸着法やプラズマを利用した化学蒸着法の場合、シリンダボア部両側入口付近にしか被膜は成膜されない。このような状態になると、シリンダボア部両側入口が被膜により狭くなるので、潤滑効果が小さくなり焼き付きのポテンシャルが上がってしまう。

本実施例では、高硬度の炭素系被膜は、物理蒸着法やプラズマを利用した化学蒸着法により形成されている。その結果上記のような問題がない。

図３に図２の拡大図を示す。

シリンダボア部入口に設けたテーパー２３は、径方向のテーパー深さ２３−ａを炭素系皮膜のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の膜厚と同等の寸法とし、長手方向のテーパー深さ２３−ｂをシリンダボア内径と同等の寸法としている。シリンダの長手方向中央の被膜が形成されていない部分の内径Ｒとシリンダの両端の被膜が形成されている部分の成膜間距離ｒは等しいか成膜間距離ｒの方が小さくなるよう形成すると、プランジャと被膜との間の適正なクリアランスが維持できる。

このテーパー２３により、シリンダボア部の入口付近にしか成膜されない状況になってもシリンダボア部入口付近の内径が狭くなることが無く、焼き付きのポテンシャルが低減できる。

この場合、シリンダボア部全面に炭素系被膜のダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が成膜されないが、実際のプランジャ−シリンダには１０±１μｍの径ギャップが存在するため、図４に示すようにプランジャは傾いて摺動するので、シリンダボア部の入口付近にしか成膜されない状況においても耐摩耗性，耐焼き付き性への改善効果がある。

なお、シリンダの一方の端部にのみテーパーを設けて、炭素系皮膜を形成したものにおいても、本発明の効果の一部を奏することができる。この場合、テーパーの加工が簡単になり、炭素系皮膜の量が少ないので、コストが安価になり作業性も向上する。

したがって、シリンダの一方の端部にのみテーパーを設けて、炭素系皮膜を形成するか、シリンダの両方の端部にテーパーを設けて両テーパー面に炭素系皮膜を形成するか、あるいはシリンダの両方の端部にテーパーを設けて一方のテーパー面に炭素系皮膜を形成するかは性能とコストの面からどれを選択しても良い。シリンダの一方の端部にのみテーパーを設ける場合、カムの動きによってサイドフォースを受ける、カム側の一端にテーパーを設けてテーパー面に炭素系皮膜を形成しても良いし、加圧室側の一端にテーパーを設けてテーパー面に炭素系皮膜を形成しても良い。

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 （シリンダボア入口）テーパー
２３−ａ シリンダボア入口径方向テーパー深さ
２３−ｂ シリンダボア入口長手方向テーパー深さ
２４ 高硬度の炭素系被膜

Claims (8)

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、シリンダボア入口部の少なくとも一方にテーパーを有し、当該テーパー部に硬質被膜が形成されている高圧燃料供給ポンプ。
2. 請求項１に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記硬質皮膜は炭素系皮膜である
   高圧燃料供給ポンプ。
3. 請求項２に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記炭素系皮膜は耐摩耗性，耐焼き付き性に優れた炭素系被膜である
   高圧燃料供給ポンプ。
4. 請求項２に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記炭素系被膜は物理蒸着法またはプラズマを利用した化学蒸着法により成膜されたものである
   高圧燃料供給ポンプ。
5. 請求項１に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記テーパーはシリンダの端から長手方向にシリンダボアの直径分に相当する寸法に亘って形成されており、硬質被膜が形成されたテーパー部のシリンダボアの内径が皮膜の形成されていない中央部の内径と同じかそれ以下になるように形成されている
   高圧燃料供給ポンプ。
6. 請求項１に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記テーパーと硬質皮膜はシリンダの両端に形成されている
   高圧燃料供給ポンプ。
7. 請求項１に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記テーパーと硬質皮膜はシリンダの一端に形成されている
   高圧燃料供給ポンプ。
8. 請求項１に記載された高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記硬質皮膜は前記テーパー部において前記シリンダの内周面側と外周面側および端面に形成されている
   高圧燃料供給ポンプ。