JP2016532819A - 高圧媒体誘導構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】密封面での流動腐食および亀裂形成の恐れが少なくなるように、ポンプ要素を改良する。【解決手段】少なくとも１つの加圧通路（２９）を備えた第１の要素（１３）と、加圧室（３０）を備えた第２の要素（２）とを備えた高圧媒体誘導構成要素であって、前記第１の要素（１３）の、前記少なくとも１つの加圧通路（２９）の１つの開口部または複数の開口部を取り囲んでいるリング状密封面（３２）と、前記第２の要素（２）の、前記加圧室（３０）の縁を取り囲んでいるリング状密封面（３３）とが、密封個所を形成するために互いに面当接して協働し、前記加圧通路（２９）の横断面が前記加圧室（３０）の横断面よりも小さい前記高圧媒体誘導構成要素において、圧力によって生じる前記リング状密封面（３２，３３）の半径方向膨張は実質的に等しい。【選択図】 図３

Description

本発明は、少なくとも１つの加圧通路を備えた第１の要素と、加圧室を備えた第２の要素とを備えた高圧媒体誘導構成要素であって、前記第１の要素の、前記少なくとも１つの加圧通路の１つの開口部または複数の開口部を取り囲んでいるリング状密封面と、前記第２の要素の、前記加圧室の縁を取り囲んでいるリング状密封面とが、密封個所を形成するために互いに面当接して協働し、前記加圧通路の横断面が前記加圧室の横断面よりも小さい前記高圧媒体誘導構成要素に関するものである。

このような構成要素は、例えばコモンレール型高圧ポンプのためのポンプ要素として構成されていてよい。ポンプ要素は通常ポンプシリンダと、ポンプピストンと、弁ユニットとを備え、弁ユニットは吸込弁と加圧弁とを有し、該吸込弁および加圧弁においては、それぞれ１つの吸込弁部材または加圧弁部材が吸込弁座または加圧弁座に対し押圧可能であり、吸込弁部材および加圧弁部材は、弁担持体内に変位可能に配置されている。ポンプピストンの下降時に媒体が吸込弁を介してポンプ要素の吸込室から吸い込まれ、ポンプピストンの上昇時に媒体が加圧弁を介して押し出される。吸込室は、吸込孔を介して吸込弁と結合され、ポンプ要素の、ポンプシリンダ内に形成されているポンプ室は、少なくとも１つの加圧通路を介して加圧弁と結合されている。少なくとも１つの加圧通路の開口部を取り囲んでいる、弁担持体のリング状密封面と、ポンプ室縁を取り囲んでいる、ポンプシリンダのリング状密封面とは、密封個所を形成するために互いに面当接して協働する。

高圧ポンプは例えば内燃機関で使用されて、燃料を燃焼室内への噴射に適した圧力へもたらす。いわゆるコモンレール型噴射システムを有しているディーゼルエンジンの場合には、レール内に蓄積される高圧燃料をエンジンのすべての作動状態のために準備することが必要であり、この目的のために高圧ポンプが設けられている。迅速なエンジン始動を可能にするには、高圧ポンプの最大搬送量は、エンジンが必要とする完全負荷量よりもかなり多くなければならない。しかし、他方では、エンジンの部分負荷またはアイドリングの場合、高圧ポンプの搬送量はわずかで済む。レール内への高圧ポンプの搬送量の制御は電子制御される配量ユニットを介して行われ、該配量ユニットは、レール／コレクタ内の燃料圧に依存して高圧ポンプへの供給量を決定する。従って、その都度必要な量の高圧燃料だけがレール内へ順次提供される。

高圧ポンプは少なくとも１つのポンプ要素から成り、ポンプ要素はローラタペットを介して、またはダイレクトにカム軸によって駆動される。吸込側では、プレサプライポンプ、たとえば歯車ポンプが燃料を低圧でタンクから提供する。加圧側では、圧縮された燃料がコレクタを介してパイプシステム内へ到達し、または１つのパイプを介してレール内へ到達する。

高圧ポンプは通常次のように作動し、すなわちポンプピストンの下降時には、配量ユニットによって決定された燃料量をポンプ吸込室から吸い込み、次にポンプピストンの上昇時に加圧弁を介してレール内へ押し込むように作動する。その際、弁担持体とポンプシリンダとの間の密封個所は周期的に圧力変化によって荷重を受ける。荷重はどのポンプ工程でも行われ、荷重の振幅は、高圧ポンプの供給圧（＜１０バール）からコモンレールシステムのその都度のシステム圧（＞２０００バール）への圧力の変化に対応している。周期的な圧力変化のために、各ポンプ工程で燃料が高圧密封面に部分的に浸潤し、よって流動腐食が発生する恐れがある。さらに、周期的な圧力変化のために、構成部材が周期的に膨張する。この膨張は、特に構成部材の膨張の度合いが関与要素において異なって著しい場合に、協働している密封面において相対運動を生じさせる。その際にいわゆるフレッチングが発生することがある。このため、密封面での局所的に最も大きな応力および流動腐食と相まって、亀裂が形成されたり、構成部材が破損することがある。

たとえば図１に図示したような、技術水準によるポンプ要素では、密封面の浸潤とフレッチングとは、一方では弁担持体内部での剛性の差別化により好適化され、他方では密封面の領域での両構成部材（弁担持体、ポンプシリンダ）の間で剛性を異ならせることにより好適化される。さらに、高圧密封個所での局所的に高い応力の発生は、密封面に形成された角度誇張部と、ポンプシリンダでの加工プロセスとによって好適化される。

それ故本発明は、密封面での流動腐食および亀裂形成の恐れが少なくなるように、ポンプ要素を改良することを目標としている。

この課題を解決するため、本発明の特徴は、実質的に、圧力によって生じるリング状の複数の密封面の半径方向膨張が実質的に等しいことにある。これにより、周期的な圧力荷重の場合、密封面での相対変位が回避され、すなわち両密封面での相互スリップが回避される。むしろ、両密封面のある種の相互転動が発生し、その結果いわゆるフレッチングを阻止することができる。圧力によって生じる両要素の半径方向膨張は、密封面の領域において一連の構造的処置により相互に相殺させることができる。たとえば、構成部材剛性を両要素のうちの一方の要素または両要素に適合させることができる。

好適には、第１の要素内の少なくとも１つの加圧通路の開口部は、リング状密封面に対し相対的に軸線方向に後退している。これにより、加圧通路が直接密封面に開口するのではなく、軸線方向への後退によって生じる中間空間に開口することが達成される。この場合、好適には、中間空間は加圧通路に比べて拡大された横断面を有し、該空間はリング状密封面によって取り囲まれている。中間空間の配置は、半径方向に生じた脈動流体圧が中空空間の壁に作用するような加圧室、従って中間空間がない場合よりも大きな構成部材膨張が作用するという意味での加圧室を提供する。

本発明は、コモンレール型高圧ポンプ用のポンプ要素において特に好適に実現することができる。この場合、第２の要素はポンプ要素のポンプシリンダによって形成される。第１の要素は、ポンプ要素の吸込弁および／または加圧弁のための弁担持体によって形成される。第２の要素の加圧室は、ポンプシリンダ内に形成されたポンプ要素のポンプ室によって形成される。これに関連して、好適には次のように構成され、すなわちポンプ要素はポンプシリンダと、ポンプピストンと、弁ユニットを備えるように構成され、この場合弁ユニットは吸込弁と加圧弁とを有し、該吸込弁および加圧弁においては、それぞれ１つの吸込弁部材または加圧弁部材が吸込弁座または加圧弁座に対し押圧可能であり、吸込弁部材および加圧弁部材は、弁担持体内に変位可能に配置され、ポンプピストンの下降時に媒体が吸込弁を介してポンプ要素の吸込室から吸い込まれ、ポンプピストンの上昇時に媒体が加圧弁を介して押し出され、吸込室は、弁担持体を貫通している吸込孔を介して吸込弁と結合され、ポンプシリンダ内に形成されているポンプ室は、吸込孔に対し横方向に延びるように弁担持体内に形成された複数の加圧通路を介して加圧弁と結合され、加圧通路の開口部を取り囲んでいる、弁担持体のリング状密封面と、ポンプ室の縁を取り囲んでいる、ポンプシリンダのリング状密封面とが協働する。

弁担持体の構成部材剛性とポンプシリンダの構成部材剛性とを同一にするため、好適には、吸込孔と弁担持体の密封面との間に設けられる材料厚は、横断面で見て、吸込孔の径の少なくとも１．２５倍、好適には１．５倍であることが企図され得る。吸込孔と密封面との間で弁担持体の企図された材料厚を、横断面で見て、技術水準に比べて大きくすることにより、吸込孔の領域で弁担持体の剛性を高めることができる。このことは、この領域での弁担持体の剛性が一般的に原理上最小であるために、重要である。

更なる処置は、ポンプシリンダの筒状内面と密封面との間の移行部に、密封面のほうへ拡大しているリング状円錐面または凸状面が設けられていることにある。これにより、ポンプシリンダの筒状内面と密封面との間の移行部で、密封面の内径部でのポンプシリンダの支持作用が向上する。

上記処置によって達成される構成部材剛性の同一化の結果、一方では密封面の密封領域での面圧の均一化、他方では該当両構成部材での応力分布の最適化が得られる。

本発明に従って吸込孔と弁担持体の密封面との間の構成部材強度を高めることにより、ポンプ要素の吸込室に通じている供給孔を吸込室内でさらに上方で開口させることができ、この場合供給孔が吸込孔に対し実質的に同軸に延在する構成が得られるので好適である。

技術水準による実施態様では、面圧を高めるために、ほとんどの場合、互いに協働する密封面に角度誇張部が設けられている。この場合角度誇張部は、リング状密封面の内径部に面圧が発生して、外側へ減少するように実施されている。角度誇張部はわずかに円錐状になるように実施され、すなわち密封面の材料厚は内径部方向へより大きくなっている。この場合の最大角度誇張部または材料厚は１０−２０μｍである。本発明の好適な実施態様では、技術水準とは異なり、ポンプシリンダの密封面は０−３μｍの角度誇張部を有していることが企図されている。これにより、密封面の内径部での面圧最大値を低減させることができ、このことも同様に高圧密領域での面圧の均一化を生じさせる。１０−２０μｍという角度誇張部の範囲を、０−３μｍの範囲へ低減させることで、角度誇張部の値は０と３μｍとの間で変動するにすぎないので、対応する構成部材の寸法公差も制限でき好適である。

密封面での応力ピーク値をさらに低減させるため、好適な更なる構成によれば、互いに協働する密封面は研削によって加工されている。技術水準で適用されている旋削プロセスの代わりに研削プロセスを適用することにより、旋削加工痕によって生じる面圧ピーク値が改善される。さらに、研削の加工プロセスは、上述した角度誇張部に関する製造寸法のばらつきを減少させるので好ましい。

耐熱性を向上させるため、更に好適な更なる構成によれば、ポンプシリンダは１００Ｃｒ６鋼（ＩＳＯ ６８３−１７）から成っていることを企図する。この鋼は以下の組成を有する。

Ｃ：０．９３−１．０５
Ｓｉ：０．１５−０．３５
Ｍｎ：０．２５−０．４５
Ｃｒ：１．３５−１．６０
次に、本発明を、図面に図示した実施形態を用いて詳細に説明する。

技術水準による高圧ポンプの基本構成を示す図である。 図１のポンプ要素の弁ユニットの横断面図である。 本発明によるポンプ要素の横断面図である。

図１は、５つのポンプ要素を備えたコモンレール型噴射システムのための高圧ポンプ１の基本構成を示すもので、ポンプシリンダ２とポンプピストン３とから成っている。内燃エンジンによって駆動されるカム軸４はポンプハウジング５内に支持され、ローラタペット６を介してポンプピストン３をポンプシリンダ２内で上下動させる。ローラタペット６とカムとの間の接触は圧縮ばね７によって維持される。ポンプピストン３が下降すると、吸込弁８を介して、配量ユニット１０によって決定される燃料量が、ポンプ要素のまわりでポンプハウジングの長手方向に延在しているポンプ吸込室１１から吸い込まれ、次に上昇時に加圧弁９を介してレール１２内へ押し込まれる。

図２には、技術水準に対応する弁ユニットの横断面が図示されている。ポンプシリンダ２の上部領域には弁担持体１３と、その上に加圧部材１４とが配置され、弁担持体と加圧部材とは、ポンプハウジング５と螺合しているポンプハウジングヘッド１５を介して、ポンプシリンダ２内へ圧入され密封されている。弁担持体１３内では、加圧弁部材１６が軸線方向に変位可能に案内されている。加圧弁部材は、その加圧弁座１８に設けた加圧弁ばね１７により、弁担持体１３の円錐状座面１９に対して押圧される。加圧弁部材１６の側部平面部は、弁室２０から加圧弁座１８の方向への燃料の流れを可能にする。加圧弁ばね１７は、加圧部材１４内で支持されているスプリングカラー２１で支持される。加圧弁部材１６の孔内では、吸込弁部材２２が軸線方向に変位可能に案内されて、吸込弁ばね２３によって、平面座として実施されている吸込弁座２４に対し押圧される。

ポンプピストン３の下降時に、配量ユニット１０によってポンプ吸込室１１内へ配量される燃料は、供給孔２５および要素吸込室２６と、吸込孔２７および供給孔２８と、さらには、開口している吸込弁座２４と、弁室２０と、加圧通路２９とを介して、ポンプピストン３上方のポンプ室３０内へ吸い込まれる。これに続いてポンプピストン３が上昇すると、吸込弁８が閉じ、燃料はポンプ室３０から加圧通路２９と、弁室２０と、加圧弁部材１６の側部平面部と、開口している加圧弁座１８と、加圧弁ばね１７の螺施の間にある中間空間と、スプリングカラー２１および加圧部材１４の中央孔とを介して、レール１２内へ押し込まれる。加圧弁部材１６に設けた横孔３１は、吸込弁ばね２３を内包している吸込弁体２２上方の孔内での圧力クッションの発生を回避する。加圧弁部材１６のストロークは、スプリングカラー２１に設けたストロークストッパーによって制限されている。

図３には、弁担持体１３およびポンプシリンダ２の、互いに協働する密封面３２と３３の領域での、本発明による構成が図示されている。吸込孔２７と弁担持体１３の密封面３２との間で材料厚ａが拡大されたことが明らかであり、好適には吸込孔２７の径の少なくとも１．２５倍、有利には１．５倍である。さらに、図２の構成と比較すると、ポンプシリンダ２の筒状内面３４とポンプシリンダ２の密封面３３との間の移行部に、密封面３３のほうへ拡大しているリング状円錐面３５が設けられ、その結果密封面３３は内密径部でより好適に支援されている。

さらに、図３で明らかなように、吸込室２６へ通じている供給孔２５は吸込孔２７に対し実質的に同軸に延在している。従って、図２に比べて、供給孔２５は上方へずらされていて、弁担持体１３の拡大壁厚ａのためのスペースを提供している。

最後に、加圧通路２９は密封面平面に対し軸線方向に後退した面に開口し、その結果中間空間３６が形成され、その内径は好適には加圧室３０の内径に実質的に対応しており、その結果同径の弁担持体１３内およびポンプシリンダ２内でそれぞれ支配する流体圧が作用し、これに対応して、弁担持体１３およびポンプシリンダ２の半径方向への膨張を同程度に発生させる。

１ 高圧ポンプ
２ ポンプシリンダ（第２の要素）
３ ポンプピストン
８ 吸込弁
９ 加圧弁
１３ 弁担持体（第１の要素）
１６ 加圧弁部材
１８ 加圧弁座
２２ 吸込弁部材
２４ 吸込弁座
２５ 供給孔
２６ 吸込室
２７ 吸込孔
２９ 加圧通路
３０ 加圧室
３２ 弁担持体の密封面
３３ ポンプシリンダの密封面
３６ 中間空間

Claims (10)

1. 少なくとも１つの加圧通路（２９）を備えた第１の要素（１３）と、加圧室（３０）を備えた第２の要素（２）とを備えた高圧媒体誘導構成要素であって、前記第１の要素（１３）の、前記少なくとも１つの加圧通路（２９）の１つの開口部または複数の開口部を取り囲んでいるリング状密封面（３２）と、前記第２の要素（２）の、前記加圧室（３０）の縁を取り囲んでいるリング状密封面（３３）とが、密封個所を形成するために互いに面当接して協働し、前記加圧通路（２９）の横断面が前記加圧室（３０）の横断面よりも小さい前記高圧媒体誘導構成要素において、圧力によって生じる前記リング状密封面（３２，３３）の半径方向膨張が実質的に等しいことを特徴とする高圧媒体誘導構成要素。
2. 前記第１の要素内の前記少なくとも１つの加圧通路（２９）の前記開口部が、前記リング状密封面（３２）に対し相対的に軸線方向に後退していることを特徴とする、請求項１に記載の構成要素。
3. 前記少なくとも１つの加圧通路（２９）が、前記加圧通路（２９）に比べて拡大された横断面を備える空間（３６）内へ開口し、該空間（３６）が前記リング状密封面（３２）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項１または２に記載の構成要素。
4. 前記構成要素が、前記第２の要素を形成しているポンプシリンダ（２）と、ポンプピストン（３）と、少なくとも１つの弁ユニットとを備えたコモンレール型高圧ポンプのためのポンプ要素であり、前記弁ユニットが吸込弁（８）と加圧弁（９）とを有し、該吸込弁および加圧弁において、それぞれ１つの吸込弁部材または加圧弁部材（２２，１６）が吸込弁座または加圧弁座（２４，１８）に対し押圧可能であり、前記吸込弁部材および前記加圧弁部材（２２，１６）が、前記第１の要素を形成している弁担持体（１３）内に変位可能に配置され、前記ポンプピストン（３）の下降時に媒体が前記吸込弁（８）を介して前記ポンプ要素の吸込室（２６）から吸い込まれ、前記ポンプピストン（３）の上昇時に媒体が前記加圧弁（９）を介して押し出され、前記吸込室（２６）が、前記弁担持体（１３）を貫通している吸込孔（２７）を介して前記吸込弁（８）と結合され、前記ポンプ要素の、前記ポンプシリンダ（２）内に形成されているポンプ室（３０）が、前記加圧室を形成して、前記吸込孔（２７）と直角に延びるように前記弁担持体（１３）内に形成された複数の前記加圧通路（２９）を介して前記加圧弁（９）と結合され、前記第２の要素の前記リング状密封面が、前記加圧通路（２９）の前記開口部を取り囲んでいる、前記弁担持体（１３）のリング状密封面（３２）によって形成され、前記第１の要素の前記リング状密封面が、前記ポンプ室（３０）の前記縁を取り囲んでいる、前記ポンプシリンダ（２）のリング状密封面によって形成されていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載の構成要素。
5. 前記吸込孔（２７）と前記弁担持体（１３）の前記密封面（３２）との間に設けられる材料厚が、横断面で見て、前記吸込孔（２７）の径の少なくとも１．２５倍、好適には１．５倍であることを特徴とする、請求項４に記載の構成要素。
6. 前記ポンプシリンダ（２）の筒状内面（３４）と前記密封面（３３）との間の移行部に、前記密封面（３３）のほうへ拡大しているリング状円錐面または凸状面（３５）が設けられていることを特徴とする、請求項４または５に記載の構成要素。
7. 前記吸込室（２６）に通じている供給孔（２５）が、前記吸込孔（２７）に対し実質的に同軸に延在していることを特徴とする、請求項４、５または６に記載の構成要素。
8. 前記第２の要素（２）の前記密封面（３３）が０−３μｍの角度誇張部を有していることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の構成要素。
9. 互いに協働する前記密封面（３２，３３）が研削によって加工されていることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の構成要素。
10. 前記ポンプシリンダ（２）が１００Ｃｒ６鋼から成っていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のポンプ要素。

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