JP2012526242A

JP2012526242A - 高圧ポンプ

Info

Publication number: JP2012526242A
Application number: JP2012510181A
Authority: JP
Inventors: ドゥット、アンドレアス
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: KR101682737B1; RU2554377C2; KR20120018316A; DE102009003054A1; CN102422011A; JP5491621B2; EP2430303A1; CN102422011B; EP2430303B1; US20120051951A1; WO2010130497A1; RU2011150403A

Abstract

空気圧縮型自己着火内燃機関の燃料噴射装置のための特にラジアルプランジャポンプ又はインラインプランジャポンプとして機能する高圧ポンプ（１）は、少なくとも１つのポンプアセンブリ（１３）と、当該ポンプアセンブリ（１３）の少なくとも１つに割り当てられたカム（９）を有するドライブシャフト（６）と、を備える。その際、ポンプアセンブリ（１３）は、その転動面（３５）により、カム（９）の滑走面（１０）上を転動するローラ（２５）を有する。ローラ（２５）の転動面（３５）でのローラ（２５）の転がり耐荷重と、カム（９）の滑走面（１０）での転がり耐荷重は、同じ大きさに設定される。これにより、稼動中にカム（９）とローラ（２５）の負荷が極めて変動的に掛かる場合に、２つの構成要素（９、２５）について等しく臨界的な、当該２つの構成要素（９、２５）についての臨界しきい張力が獲得される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ポンプ、特にラジアルプランジャポンプ又はインラインプランジャポンプに関する。特に、本発明は、空気圧縮型自己着火内燃機関の燃料噴射装置の燃料ポンプ分野に関する。

独国特許出願公開第１０２００５０４６６７０号明細書には、内燃機関の燃料噴射のための高圧ポンプが開示されている。この公知の高圧ポンプは、その内部に少なくとも１つのポンプ素子が配置された、複数の部分から成るポンプハウジングを有する。ポンプ素子は、ドライブシャフトによってストローク運動において駆動されるポンププランジャを備え、このポンププランジャは、ポンプハウジングの一部のバレルボア内に摺動可能に案内され、当該バレルボア内でポンプ作業室を画定する。ここでは、ドライブシャフトはカムを有し、ポンププランジャは、ドライブシャフトのカムによって、当該ドライブシャフトの回転軸に対して半径方向に駆動される。ポンププランジャと、ドライブシャフトのカムとの間にはタペットが配置され、このタペットを経由して、ポンププランジャは、ローラを介して、ドライブシャフトのカムで支えられる。タペットには、その内部にローラが回転可能に収納された支持素子が挿入され、当該ローラは、ドライブシャフトのカム上を転動する。ローラの回転軸は、ここでは、ドライブシャフトの回転軸に対して近似的に並行している。

独国特許出願公開第１０２００５０４６６７０号明細書で開示される高圧ポンプは、稼働中に、素材疲労に繋がるカム及びローラの変動応力（ＳｃｈｗｅｌｌｅｎｄｅＢｅａｎｓｐｒｕｃｈｕｎｇ）が発生するという欠点を持つ。

請求項１に記載の特徴を備えた本発明にかかる高圧ポンプは、カムの確実な稼動、特に、カム及び／又はローラの耐久性の改善が達成されているという利点を有する。特に、カム及びローラは、稼働中に発生する変動応力に鑑みて、改善して設計されている。

従属請求項に記載された措置により、請求項１で示される高圧ポンプの好適な発展が可能である。

ポンプアセンブリの上死点においてローラが接触する滑走面の箇所でのカムの曲率半径よりも、ローラの半径が小さく、ローラの少なくとも自身の転動面がそれで形成されるローラ素材の弾性係数が、カムの少なくとも自身の滑走面がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも小さいことは有利である。これにより、ローラとカムのジオメトリ（Ｇｅｏｍｅｔｏｒｉｅ）が異なる際に、ローラ及びカムについての臨界しきい張力の値が、稼動中に等しく臨界的に（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）に定められうる。これにより、ローラの弾性限度及びカムの弾性限度について最適化が可能である。上死点において、ローラの転動面でのヘルツの接触応力と、カムの滑走面でのヘルツの接触応力とは、同じ大きさである。その際に、それぞれのヘルツの接触応力は、ローラの弾性限度又はカムの弾性限度よりも小さくある必要がある。好適に、カムに対してローラの設計を適合させることによって、ローラとカムの双方の構成要素の疲労が最適化されうる。

ポンプアセンブリの上死点にローラが接触する滑走面の箇所でのカムの曲率半径よりも、ローラの半径が小さく、ローラが、当該ローラの回転軸の方向に少なくとも部分的に伸びる少なくとも１つの孔を有することは有利である。さらに、孔が、ローラの回転軸に関して少なくとも基本的に軸上又は基本的に同軸上の孔として構成され、及び／又は、孔が、ローラの１つの側からローラの他の側へと伸びる通し孔として構成されることは有利である。これにより、ジオメトリが異なる際に、上死点において、ローラの剛性の低減が転動面の領域において達成されうる。

ポンプアセンブリの上死点にローラが接触する滑走面の箇所でのカムの曲率半径よりも、ローラの半径が小さく、少なくともローラの転動面の圧縮残留応力が高められることは有利である。特に、ローラの転動面は、表面硬化が施され、及び／又は、ショットブラスティングが施され、及び／又は、圧延が施され、及び／又は、窒化が施され、及び／又は、浸炭窒化が施されることは有利である。これにより、ローラとカムのジオメトリが異なる際に、上死点において、ローラの転がり強度が、表面の圧縮残留応力の導入により高められる。これにより、カムに対するローラの好適な適合が可能である。

ポンプアセンブリの上死点にローラが接触する滑走面の箇所でのカムの曲率半径よりも、ローラの半径が大きく、ローラの少なくとも自身の転動面がそれで形成されるローラ素材の弾性係数が、カムの少なくとも自身の転動面がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも大きいことは有利である。これにより、ローラとカム相互の好適な適合が行われうる。この場合、少なくともカムの滑走面の圧縮残留応力が高められることも可能である。

ローラの少なくとも自身の転動面がそれで形成されるローラ素材の弾性係数及び／又は転がり強度及び／又はポアッソン比と、カムの少なくとも自身の滑走面がそれで形成されるカム素材の弾性係数及び／又は転がり強度及び／又はポアッソン比は、それぞれ少なくとも近似的に同じ大きさに設定され、ポンプアセンブリの上死点にローラが接触する滑走面の箇所の領域において、ローラの半径とカムの曲率半径が、少なくとも近似的に同じ大きさに設定されることは有利である。例えば、ローラとカムは、弾性係数及び転がり強度及びポアッソン比について同一又は比較可能に形成された、同一又は比較可能な鋼で形成されうる。この場合、上死点の範囲におけるカムの曲率半径は、少なくとも近似的にローラの半径と等しく形成され、従って、好適な適合が行われる。さらに、ポンプアセンブリの上死点にローラが接触する滑走面の箇所でのローラの半径とカムの曲率半径が、少なくとも５パーセントよりも少ないパーセント分だけ互いに異なることは有利である。

本発明の好適な実施例は、以下の明細書において、添付の図面を用いてより詳細に解説される。図面では、対応する構成要素に統一した符号が付される。
本発明の実施例に対応する、高圧ポンプの軸方向の断面図を示す。図１に示される切断線ＩＩに沿った高圧ポンプの断面を取り出して示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に対応する、高圧ポンプ１の軸方向の断面図を示している。高圧ポンプ１は、特に、空気圧縮型自己着火内燃機関の燃料噴射装置のためのラジアルプランジャポンプ（Ｒａｄｉａｌｋｏｌｂｅｎｐｕｍｐｅ）又はインラインプランジャポンプ（Ｒｅｉｈｅｎｋｏｌｂｅｎｐｕｍｐｅ）として機能しうる。特に、高圧ポンプ１は、ディーゼル燃料を高圧下で蓄えるコモンレール（Ｃｏｍｍｏｎ−Ｒａｉｌ）を備えた燃料噴射装置のために適している。しかしながら、本発明にかかる高圧ポンプ１は、他の適用ケースのためにも適している。

高圧ポンプ１は、複数の部分から成るハウジング２を有する。本実施例では、ハウジング２は、ハウジング部分３、４、５から成り、ハウジング部分３は基部に相当し、ハウジング部分４はバレルヘッドに相当し、ハウジング部分５は基部３に固定されたフランジに相当する。

高圧ポンプ１は、ハウジング部分３、５内の収容箇所７、８に収容されたドライブシャフト６を有する。この収容箇所７、８の中間に、ドライブシャフト６はカム９を有する。カム９は、本実施例では、ダブルカム（Ｚｗｅｉｆａｃｈｎｏｃｋｅｎ）として構成される。カム９は、シングルカム（Ｅｉｎｆａｃｈｎｏｃｋｅｎ）、又は、他のマルチカム（Ｍｅｈｒｆａｃｈｎｏｃｋｅｎ）としても構成されうる。

高圧ポンプ１のハウジング部分３は案内孔１２を有し、この案内孔１２内に、ポンプアセンブリ１３が配置される。カム９は、ポンプアセンブリ１３に割り当てられる。高圧ポンプ１の構成に従って、ポンプアセンブリ１３に対応する複数のポンプアセンブリも設けることができる。このようなポンプアセンブリは、カム９、又は、当該カム９に対応する他のカムに割り当てられうる。これにより、構成に従って、ラジアルプランジャポンプ又はインラインプランジャポンプが実現されうる。

バレルヘッドとして形成されるハウジング部分４は、案内孔１２内へと伸びる突出部１４を有する。この突出部１４はバレルボア１５を有し、このバレルボア１５内では、両矢印１８により示されるように、プランジャ１６が、案内孔１２の軸１７の方向に摺動可能に案内される。プランジャ１６は、バレルボア１５内でポンプ作業室１９を画定する。燃料は、ハウジング部分４に設けられた吸込み弁２０を介して、燃料チャネル２１からポンプ作業室１９内へと導入可能である。さらに、ハウジング部分４には出口弁２２が設けられ、この出口弁２２を介して、高圧の燃料が、ポンプ作業室１９から燃料チャネル１３へと案内可能である。燃料チャネル１３は例えば、高圧の燃料をコモンレールへと案内するために、コモンレールと接続されうる。

ポンプアセンブリ１３は、ローラ止め２６により収容されるローラ２５を有する。ローラ止め２６はその際、基本的に中空円筒状のタペット本体２７内に挿入されている。さらに、タペット本体２７は、プランジャ１６の鍔（Ｂｕｎｄ）２９の上方でプランジャ１６を包摂する円盤状の回転伝導素子（Ｍｉｔｎａｈｍｅｅｌｅｍｅｎｔ）２８と連結される。これにより、プランジャ１６は自身の鍔２９を介して、ローラ止め２６を備えた機構内で保持される。さらに、プランジャばね３０が設けられ、このプランジャばね３０は、タペット本体２７及び／又は回転伝導素子２８に対して作用し、従って、タペット本体２７に対して、プランジャ１６と共に、ローラ２５の方向へと或る程度のばね力を加える。これにより、鍔２９付きプランジャ１６と、ローラ止め２６と、ローラ２５と、カム９の滑走面１０とがそれぞれ相接して存在し、この相関的な機構は、高圧ポンプ１の回転数が高い場合にも保障される。

これにより、高圧ポンプ１の稼動中に、両矢印１８により示されるプランジャ１６の往復運動が実現され、従って、コモンレールへの高圧の燃料の圧送が行われる。燃料チャネル２３を介してコモンレールへと燃料を圧送するためのプランジャ１６のポンプストロークの間に、比較的大きなポンプ力Ｆ（図２）が、ローラ止め２６を介してローラ２５に対して作用する。ローラ２５はその際、ローラ面１０で支えられる。

高圧ポンプ１の稼動中に、ドライブシャフト６は軸３１の周りを回転する。さらに、ローラ２５は、カム９の滑走面１０上を滑走する。ローラ２５の回転軸３２はその際、ドライブシャフト６の軸３１に対して少なくとも近似的に並行して方向付けられる。稼動中に、ローラ２５は、その転動面３５により、カム９の滑走面１０上を転動する。

以下では、実施例の高圧ポンプ１が図２を参照して更に詳細に解説される。

図２は、図１に示される切断線ＩＩに沿った高圧ポンプ１の断面を取り出して示したものである。ここで図２は、ポンプアセンブリ１３の上死点に達した状況を示す。ここでは、ローラ２５は、その転動面３５により、カム９の滑走面１０の箇所３６に接触している。このポジションにおいて、又は、このポジションの領域において、ローラ２５及びカム９の最大応力が発生する。その際に、ポンプアセンブリ１３のプランジャ１６の最大圧送ストロークが実現され、高圧ポンプ１により生成可能な最大圧力がポンプ作業室１９内で発生する。これは、対応する大きさの力Ｆという形で作用する。

ローラ２５及びカム９は、焼入れされた高張力鋼で製造されうる。その際、ローラ２５のジオメトリ的な構成及びローラ素材、並びに、カム９のジオメトリ的な構成及びカム素材は、カム９の滑走面１０におけるカム９の転がり耐荷重（Ｗａｅｌｚｂｅａｎｓｐｒｕｃｈｂａｒｋｅｉｔ）とローラ２５の転がり耐荷重とが少なくとも近似的に同じ大きさで設定されるように、選択される。本実施例では、特に、滑走面１０の箇所３６でのカム９の転がり耐荷重が重要である。なぜならば、ここで、カム９の最大転がり応力が発生するからである。カム９をダブルカム９として構成することにより、対応する大きさの転がり応力が、カム９の滑走面１０の更なる別の箇所３７でも生じる。その際に、箇所３７は、ドライブシャフト６の軸３１について、滑走面１０の箇所３６に対して対向して配置される。

ローラ３５は、少なくとも近似的に円筒形状に構成される。ローラ２５は、その転動面３５に関して半径３８を有する。さらに、カム９は、その滑走面１０に関して非常に変化する曲率半径を有する。カム９の最大転がり応力は、箇所３６、３７の範囲において発生するため、ポンプアセンブリ１３の上死点にローラ２５が滑走面１０と接触する箇所３６での曲率半径３９は重要である。ここでは、箇所３７について、曲率半径３９と等しい対応する曲率半径４０が生成される。

高圧ポンプ１の設計に従って、ローラ２５の半径３８は、カム９の曲率半径３９と等しく、又は、上記曲率半径３９よりも小さく、又は、上記曲率半径３９よりも大きくありうる。

図１に示される、ポンプアセンブリ１３の上死点でのカム９のポジションにおいて、カム９の滑走面１０でのヘルツの接触応力（ＨｅｒｔｚｓｃｈｅＰｒｅｓｓｕｎｇ）と、ローラ２５の転動面３５でのヘルツの接触応力は、双方の構成要素９、２５について同じ大きさである。確実な稼動のために、これらヘルツの接触応力は、構成要素ロール２５及びカム９の弾性限度よりも小さくある必要がある。稼働中には、負荷が極めて変動的に（ｈｏｃｈｄｙｎａｍｉｓｃｈ）掛かるため、確実な稼動に鑑みて、ローラ２５の疲労及び／又はカム９の疲労は重要である。ローラ２５の変動応力（ＳｃｈｗｅｌｌｅｎｄｅＢｅａｎｓｐｒｕｃｈｕｎｇ）は転動面３５の下方でその最大値を有し、カム９の変動応力は、滑走面１０の下方でその最大値を有する。さらに、変動荷重（ＳｃｈｗｅｌｌｅｎｄｅＢｅｌａｓｔｕｎｇ）は、ローラ２５又はカム９の応力と、ジオメトリ、特に、ローラ２５の半径３８及び箇所３６、３７での曲率半径３９、４０と、弾性係数と、に依存する。高圧ポンプ１の寿命の間の確実な稼動のために、変動応力は、構成要素２５、９のために利用される素材の許容可能な転がり強度を上回ってはならない。その場合に、変動応力は、ローラ２５の半径３８又はカム９の曲率半径３９が小さいほど強く作用する。従って、より小さい半径３８又は曲率半径３９を有する構成要素２５、２９には、より強い負荷が掛かる。

好適に、２つの構成要素９、２５についての臨界しきい張力（ｋｒｉｔｉｓｃｈｅＳｃｈｗｅｌｌｓｐａｎｎｕｎｇ）が、許容可能な転がり応力に鑑みて、等しく臨界的に定められる。可能な設定の例が以下でさらに記載される。

ローラ２５の半径３８が、カム９の曲率半径３９よりも小さく設定されている場合に、好適に、ローラ２５の少なくとも転動面３５の領域がそれで形成されるローラ素材の弾性係数は、カム９の少なくとも滑走面１０の領域がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも小さい。この場合、ローラが少なくとも孔４１を有することも可能である。このような孔４１によって、特に転動面３５におけるローラ２５の鋼性の低減が可能となる。孔４１は、好適に、軸上又は同軸上の孔４１として構成される。本実施例では、孔４１は、ローラ２５の回転軸３２に沿って伸びる軸上の孔４１として構成される。本実施例では、孔４１は通し孔４１として構成される。孔４１は、ローラ２５の１の側４２から、当該１の側４２とは反対の、ローラ２５の他の側４３へと伸びている。

ローラ２５の半径３５が、滑走面１０の箇所３６でのカム９の曲率半径３９よりも小さい場合に、ローラ２５の転動面３５の圧縮残留応力が高められることも有利である。この場合、ローラ２５の転動面３５の領域が加工されうる。特に、転動面３５の表面硬化、転動面３５のショットブラスティング、転動面３５の圧延、転動面３５の窒化、又は、転動面３５の浸炭窒化も可能である。これにより、ローラ２５、特にローラ２５の転動面３５の転がり強度が、転動面３５の圧縮残留応力の導入により高められうる。

ローラ２５の半径３８がカム９の曲率半径３９よりも大きい場合に、ローラ２５がそれで形成されるローラ素材の弾性係数が、カム９の少なくとも滑走面１０がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも大きいことは有利である。これにより、ローラ２５及びカム９のための同一又は少なくとも比較可能な負荷を実現するために、負荷補正が可能である。カム９の加工、特に表面の加工も可能である。この負荷補正は、ローラ２５の転動面３５の表面加工に対応して実施されうる。

滑走面１０の箇所３６でのカム９の曲率半径３９と、ローラ２５の半径３８とが、少なくとも近似的に同じ大きさである場合に、ローラ２５のローラ素材と、カム９のカム素材はそれぞれ、少なくとも近似的に同じ大きさの弾性係数、少なくとも近似的に同じ大きさの転がり強度、及び／又は、少なくとも近似的に同じ大きさのポアッソン比を有することは有利である。これにより、箇所３６、３７の範囲における、ローラ２５及びカム９のための比較可能なジオメトリと、比較可能な素材又は同一の素材の組み合わせと、が可能となる。これにより、同一又は少なくとも比較可能な応力が実現されうる。

ローラ２５の半径３８とカム９の曲率半径３９は、好適に、５パーセントよりも少ないパーセント分だけ互いに異なる。

本発明は、記載される実施例に限定されない。

Claims

空気圧縮型自己着火内燃機関の燃料噴射装置のための高圧ポンプ（１）、特にラジアルプランジャポンプ又はインラインプランジャポンプであって、少なくとも１つのポンプアセンブリ（１３）と、前記ポンプアセンブリ（１３）の少なくとも１つに割り当てられたカム（９）を有するドライブシャフト（６）と、を備え、前記ポンプアセンブリ（１３）は、転動面（３５）を有するローラ（２５）を有し、前記ローラ（２５）は、前記カム（９）の滑走面（１０）に接して配置される、前記高圧ポンプ（１）において、
前記ローラ（２５）の前記転動面（３５）での前記ローラ（２５）の転がりの耐荷重と、前記カム（９）の前記滑走面（１０）での前記カム（９）の転がり耐荷重は、少なくとも近似的に同じ大きさに設定されることを特徴とする、高圧ポンプ（１）。
前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（１０）の箇所（３６）での前記カム（９）の曲率半径（３９）よりも、前記ローラ（２５）の半径（３８）は小さく、前記ローラ（２５）の少なくとも自身の転動面（３５）がそれで形成されるローラ素材の弾性係数は、前記カム（９）の少なくとも自身の滑走面（１０）がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（１０）の箇所（３６）での前記カム（９）の曲率半径（３９）よりも、前記ローラ（２５）の半径（３８）は小さく、前記ローラ（２５）は、前記ローラ（２５）の回転軸（３２）の方向に少なくとも部分的に伸びる少なくとも１つの孔（４１）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧力ポンプ。
前記孔（４１）は、前記ローラ（２５）の前記回転軸（３２）に関して、少なくとも基本的に軸上又は基本的に同軸上の孔（４１）として構成され、及び／又は、前記孔（４１）は、前記ローラ（２５）の１つの側（４２）から前記ローラ（２５）の他の側（４３）へと伸びる通し孔（４１）として構成されることを特徴とする、請求項３に記載の高圧ポンプ。
前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（１０）の箇所（３６）での前記カム（９）の曲率半径（３９）よりも、前記ローラ（２５）の半径（３８）は小さく、少なくとも前記ローラ（２５）の圧縮残留応力は、その滑走面（１０）において高められることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか1項に記載の高圧ポンプ。
前記ローラ（２５）の前記転動面（３５）は、表面硬化が施され、及び／又は、ショットブラスティングが施され、及び／又は、圧延が施され、及び／又は、窒化が施され、及び／又は、浸炭窒化が施されることを特徴とする、請求項５に記載の高圧ポンプ。
前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（１０）の箇所（３６）での前記カム（９）の曲率半径（３９）よりも、前記ローラ（２５）の半径（３８）は大きく、前記ローラ（２５）の少なくとも自身の転動面（３５）がそれで形成されるローラ素材の弾性係数は、前記カム（９）の少なくとも自身の滑走面（１０）がそれで形成されるカム素材の弾性係数よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
少なくとも前記カム（９）の滑走面（１０）の圧縮残留応力が高められることを特徴とする、請求項７のいずれか１項に記載の高圧ポンプ。
前記ローラ（２５）の少なくとも自身の転動面（３５）がそれで形成されるローラ素材の弾性係数及び／又は転がり強度及び／又はポアッソン比と、前記カム（９）の少なくとも自身の滑走面（１０）がそれで形成されるカム素材の弾性係数及び／又は転がり強度及び／又はポアッソン比は、それぞれ少なくとも近似的に同じ大きさに設定され、前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（10）の箇所（３６）の領域において、前記ローラ（２５）の半径（３８）と前記カム（９）の曲率半径（３９）が、少なくとも近似的に同じ大きさに設定されることを特徴とする、請求項１に記載の高圧ポンプ。
前記ポンプアセンブリ（１３）の上死点に前記ローラ（２５）が接触する前記滑走面（１０）の箇所（３６）での、前記ローラ（２５）の前記半径（３８）と前記カム（９）の前記曲率半径（３９）は、少なくとも５パーセントよりも少ないパーセント分だけ互いに異なることを特徴とする、請求項９に記載の高圧ポンプ。