JP2017031903A - High-pressure fuel supply pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に燃料を圧送する高圧燃料供給ポンプに関し、特には、加圧室の吐出側に設けられた吐出弁を備えた高圧燃料供給ポンプに関する。 The present invention relates to a high-pressure fuel supply pump that pumps fuel to a fuel injection valve of an internal combustion engine, and more particularly, to a high-pressure fuel supply pump that includes a discharge valve provided on the discharge side of a pressurizing chamber.
自動車等の内燃機関の内、燃焼室内部に直接的に燃料を噴射する直接噴射タイプにおいて、燃料を高圧化し所望の燃料流量を吐出する電磁吸入弁を備えた高圧燃料供給ポンプが広く用いられている。 In an internal combustion engine such as an automobile, in a direct injection type in which fuel is directly injected into a combustion chamber, a high-pressure fuel supply pump having an electromagnetic intake valve that increases the pressure of the fuel and discharges a desired fuel flow rate is widely used. Yes.
この高圧燃料供給ポンプとして、特開2012−251447号公報(特許文献1)に記載されたものが知られている。特許文献1の高圧燃料供給ポンプおいては、「燃料室内の摺動機構部品が過酷環境下において耐摩耗性の優れた燃料ポンプとするため、潤滑油中で摺動する斜板、スリッパ、プランジャと、燃料中で摺動するプランジャ、シリンダとの各摺動部材の互いに接触し上記燃料を介して摺動する少なくとも一方の摺動面に、窒化層、浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層のいずれからかなる硬化層、あるいはその硬化層に対して耐食性が高く、硬質な金属化合物層を形成すること」が開示されている。
As this high-pressure fuel supply pump, one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-251447 (Patent Document 1) is known. In the high-pressure fuel supply pump disclosed in
吸入弁、吐出弁、あるいはリリーフ弁は弁の開閉を繰り返す中で燃料の激しい流れに常に曝される。激しい流れはキャビテーション現象で説明されるキャビティの発生を引き起こす。キャビティが弁の表面で崩壊すると、弁の表面はキャビティの崩壊圧を受け、やがてキャビテーション壊食が進行するようになる。キャビテーション壊食が進行し、弁の表面が損傷すると、弁は閉弁の状態で油密性を保持できない。 The intake valve, the discharge valve, or the relief valve is constantly exposed to the intense flow of fuel as the valve is repeatedly opened and closed. Vigorous flow causes the generation of cavities explained by the cavitation phenomenon. When the cavity collapses on the surface of the valve, the valve surface receives the collapse pressure of the cavity and eventually cavitation erosion proceeds. As cavitation erosion progresses and the valve surface is damaged, the valve cannot remain oil tight in the closed state.
近年、自動車あるいは筒内噴射式エンジンシステムを取り巻く環境は刻々変化を続けている。特に環境保全意識の高まりや自動車から排出される煤等に関する規制が今後も強化される予定である。筒内噴射式エンジンシステム側でそれらに対応するには、エンジンの筒内にインジェクタがより希薄な燃料を噴射できるようする必要がある。それには高圧燃料供給ポンプが吐出できる圧力の能力をより高くする必要がある。吐出圧力が高くなるとキャビテーション壊食の発生確率や進行速度が高まる。 In recent years, the environment surrounding automobiles or in-cylinder injection engine systems has been changing every moment. In particular, regulations regarding heightened awareness of environmental conservation and soot discharged from automobiles will be strengthened in the future. In order to cope with them on the side of the in-cylinder injection engine system, it is necessary that the injector can inject a leaner fuel into the cylinder of the engine. For this purpose, it is necessary to increase the capacity of the pressure that the high-pressure fuel supply pump can discharge. As the discharge pressure increases, the probability of cavitation erosion and the speed of progress increase.
また近年、従来の鉱油由来の燃料に変わるものとして、生物由来のバイオ燃料が生産・流通するようになっている。バイオの使用形態は、各国・地域様々であるが、主に鉱油とバイオ燃料を混ぜた混合燃料として使われる例が多い。また鉱油や天然ガス由来のアルコール燃料も、それ単独や従来の鉱油由来の燃料と混ぜた混合燃料として使われる例が多くなっている。ガソリン自動車用の燃料では、鉱油由来の燃料をE0と称し、アルコール燃料はエタノールやメタノール濃度に応じて、例えば次のようにE3、E85、M15と称する。ここでE3、E85はエタノールの容積比が3%、85%のガソリン自動車用燃料である。またM15はメタオールの容積比が15%であるガソリン自動車用燃料である。 In recent years, bio-derived biofuels have been produced and distributed as an alternative to conventional mineral oil-derived fuels. There are various forms of bio use in various countries and regions, but there are many examples that are mainly used as a mixed fuel in which mineral oil and bio fuel are mixed. In addition, mineral oil and natural gas-derived alcohol fuels are often used alone or as mixed fuels mixed with conventional mineral oil-derived fuels. In the fuel for gasoline automobiles, the fuel derived from mineral oil is referred to as E0, and the alcohol fuel is referred to as E3, E85, and M15 as follows, for example, depending on the concentration of ethanol or methanol. Here, E3 and E85 are gasoline automobile fuels whose ethanol volume ratio is 3% and 85%. M15 is a fuel for gasoline automobiles in which the volume ratio of methanol is 15%.
本発明者による試験では、E0とE100とではキャビテーション壊食が生じるまでの時間が異なることが把握できている。それはE100を使った場合は少なくともE0の2分の1の時間でキャビテーション壊食が生じる。E10、E22、E85を使った場合は、それぞれはE0とE100の間の時間でキャビテーション壊食が生じる。それら時間の長さは、エタノールの濃度が濃くなるにつれ短くなる。今後ガソリン自動車用燃料にエタノール等の混合比率が高まることが予想される。また国や地域によっては既に高濃度のエタノール燃料を用いているところもある。そのような状況から、高圧燃料供給ポンプでは、エタノールを含む燃料に対応したキャビテーション壊食の対策が必要となっている。 In the test by the present inventor, it can be understood that the time until cavitation erosion occurs differs between E0 and E100. That is, when E100 is used, cavitation erosion occurs at least half the time of E0. When E10, E22, and E85 are used, cavitation erosion occurs at a time between E0 and E100. The length of these times decreases as the ethanol concentration increases. In the future, the mixing ratio of ethanol and other fuels to gasoline automobile fuel is expected to increase. Some countries and regions already use high-concentration ethanol fuel. Under such circumstances, high-pressure fuel supply pumps need countermeasures against cavitation erosion corresponding to fuel containing ethanol.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高圧燃料供給ポンプにおいて、より高圧になった場合、あるいはバイオ燃料(アルコールやメタノール等)、あるいはバイオ燃料の含油比率が多い燃料を用いた場合でも、キャビテーション壊食の進行を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a high-pressure fuel supply pump, when the pressure becomes higher, biofuel (alcohol, methanol, etc.), or fuel with a high oil content ratio of biofuel is used. Even when used, it aims to suppress the progress of cavitation erosion.
本発明では、上記課題を解決するために、燃料を加圧室から吐出する吐出弁と、前記吐出弁が着座する吐出弁シートと、を備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、前記吐出弁、又は前記吐出弁シートの基材は鉄鋼材であって、その表面は窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成されることを特徴とする。 In the present invention, in order to solve the above problems, a high-pressure fuel supply pump comprising a discharge valve for discharging fuel from a pressurizing chamber and a discharge valve seat on which the discharge valve is seated, the discharge valve, or the The base material of the discharge valve sheet is a steel material, and the surface thereof is formed of a nitrogen martensite structure in which nitrogen atoms are dissolved.
本発明によれば、高圧燃料供給ポンプにおいて、より高圧になった場合、あるいはバイオ燃料(アルコールやメタノール等)、あるいはバイオ燃料の含油比率が多い燃料を用いた場合でも、キャビテーション壊食の進行を抑制することができる。 According to the present invention, the cavitation erosion progresses even when the pressure of the high-pressure fuel supply pump becomes higher, or when biofuel (alcohol, methanol, etc.) or fuel with a high biofuel oil content is used. Can be suppressed.
以下、図面を用いて、本発明に係る実施例を詳細に説明する。以下の説明で、特に断りなく上下方向或いは上下方向における位置を説明する場合は、その上下方向或いは上下方向における位置は、図1の紙面上における上下方向或いは上下方向における位置によって定義され、高圧燃料供給ポンプが実装された状態における上下方向或いは上下方向における位置を意味するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, when the position in the vertical direction or the vertical direction is described without particular notice, the vertical direction or the vertical position is defined by the vertical direction or the vertical position on the paper surface of FIG. It does not mean the vertical direction or the vertical position in the state where the supply pump is mounted.
図8に示すシステムの全体構成図を用いてシステムの構成と動作を説明する。 The configuration and operation of the system will be described with reference to the overall configuration diagram of the system shown in FIG.
破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ(以下高圧ポンプと呼ぶ)の本体であり、この破線の中に示されている機構及び部品は高圧ポンプ本体1に一体に組み込まれている。
A portion surrounded by a broken line is a main body of a high-pressure fuel supply pump (hereinafter referred to as a high-pressure pump), and mechanisms and components shown in the broken line are integrated in the high-pressure pump
燃料タンク20の燃料は、エンジンコントロールユニット27(以下ECUと称す)からの信号に基づいてフィードポンプ21によって汲み上げられ、適切なフィード圧力に加圧されて吸入配管28を通して高圧ポンプの低圧燃料吸入口(吸入ジョイント)10aに送られる。
The fuel in the
吸入ジョイント10aを通過した燃料は、圧力脈動低減機構9及び吸入通路10dを介して、容量可変機構を構成する電磁吸入弁300の吸入ポート31bに至る。
The fuel that has passed through the
電磁吸入弁300に流入した燃料は、吸入弁30を通過し、加圧室11に流入する。エンジンのカム機構によりプランジャ2に往復運動する動力が与えられ、プランジャ2の往復運動により、プランジャ2の下降工程では吸入弁30部から燃料を吸入し、上昇工程では燃料が加圧され、吐出弁8bを有する吐出弁機構8を介し、圧力センサ26が装着されているコモンレール23へ燃料が圧送され、ECU27からの信号に基づきインジェクタ24がエンジンへ燃料を噴射する。
The fuel that has flowed into the
高圧ポンプは、ECU27から電磁吸入弁300への信号により、所望の供給燃料圧力となるように燃料を吐出する。
The high-pressure pump discharges the fuel so that a desired supply fuel pressure is obtained by a signal from the
異常な高圧を防止するためにリリーフ弁機構100が構成され、リリーフバルブ100の設定圧力以上に圧力が上昇すると、リリーフ弁機構100が開弁し、高圧ポンプの加圧室11内に燃料が戻されることで、コモンレール23内が異常な高圧状態になるのを防止する。
The
ポンプ本体1にはさらに、吐出弁機構8の下流側の吐出通路12と加圧室11とを連通する高圧流路110が吐出弁機構8をバイパスして設けられている。高圧流路110には燃料の流れを吐出通路12から加圧室11への一方向のみに制限する、リリーフ弁102を有するリリーフ弁機構100が設けられている。リリーフ弁102は、押付力を発生するリリーフばね105によりリリーフ弁シート101に押付けられており、加圧室11内と高圧流路110内との間の圧力差が規定の圧力以上になるとリリーフ弁102がリリーフ弁シート101から離れ、開弁するように設定している。
The
高圧ポンプの電磁吸入弁300の故障等によりコモンレール23が異常な高圧となり、吐出通路12と加圧室11との差圧がリリーフ弁102の開弁圧力以上になると、リリーフ弁102が開弁し、異常高圧となった燃料は高圧流路110から加圧室11へと戻され、コモンレール23等の高圧部配管が保護される。
When the
図1、図2及び図9を用いて、高圧ポンプの構成及び動作について説明する。 The configuration and operation of the high-pressure pump will be described with reference to FIGS.
一般に、高圧ポンプはポンプ本体1に設けられたフランジ1eを用い、内燃機関のシリンダヘッド90の平面に密着し、複数のボルト91で固定される。取付けフランジ1eは溶接部1fにてポンプ本体1に全周を溶接結合されて環状固定部を形成している。本実施例では、レーザー溶接を用いている。
In general, the high-pressure pump uses a flange 1 e provided in the
シリンダヘッド90とポンプ本体1との間のシールのために、Oリング61がポンプ本体1に嵌め込まれ、エンジンオイルが外部に漏れるのを防止している。
An O-
ポンプ本体1にはプランジャ2の往復運動をガイドし、かつ内部に加圧室11を形成するよう端部が有底筒形状に形成されたシリンダ6が取り付けられている。さらに加圧室11は燃料を供給するための電磁吸入弁300と加圧室11から吐出通路12に燃料を吐出するための吐出弁機構8に連通するよう、外周側に環状の溝6aと、環状の溝6aと加圧室11とを連通する複数個の連通穴6bが設けられている。
A
シリンダ6はその外径部(外周部)において、ポンプ本体1に圧入固定され、ポンプ本体1との隙間から加圧した燃料が低圧側に漏れないよう圧入部円筒面でシールしている。また、シリンダ6の加圧室側端部に小径部6cを有し、ポンプ本体1に設けられた小径部1aに嵌められている。加圧室11の燃料が加圧されることにより、シリンダ6には低圧燃料室10c側に向けて押圧する力が作用する。小径部1a及び小径部6cは、この力を受けてシリンダ6が低圧燃料室10c側に抜けることを防止している。シリンダ6の小径部6cの周囲に形成された環状面とポンプ本体1の小径部1aの周囲に形成された環状面とは平面で構成されており、お互いの平面を軸方向に接触させることで、ポンプ本体1とシリンダ6との前記接触円筒面のシールに加え、二重のシールの機能をも果たす。
The
プランジャ2の下端には、内燃機関のカムシャフトに取り付けられたカム93の回転運動を上下運動に変換し、プランジャ2に伝達するタペット92が設けられている。プランジャ2はリテーナ15を介してばね4にてタペット92に圧着されている。これによりカム93の回転運動に伴い、プランジャ2を上下に往復運動させることができる。
At the lower end of the
また、シールホルダ7の内周下端部に保持されたプランジャシール13がシリンダ6の図中下方部においてプランジャ2の外周に摺動可能に接触する状態で設置されており、低圧室7aの燃料をプランジャ2が摺動した場合にでもシール可能な構造とし、外部に燃料が漏れることを防止する。同時に内燃機関内の摺動部を潤滑する潤滑油(エンジンオイルも含む)がポンプ本体1の内部に流入するのを防止する。
Further, the
ポンプ本体1の頭部にはダンパカバー14が固定されている。ダンパカバー14には吸入ジョイント51が設けられており、低圧燃料吸入口10aを形成している。低圧燃料吸入口10aを通過した燃料は、吸入ジョイント51の内側に固定されたフィルタ52を通過し、圧力脈動低減機構9及び低圧燃料流路10dを介して電磁吸入弁300の吸入ポート31bに至る。
A
吸入ジョイント51内の吸入フィルタ52は、燃料タンク20から低圧燃料吸入口10aまでの間に存在する異物を燃料の流れによって高圧燃料供給ポンプ内に吸入することを防ぐ役目がある。
The
プランジャ2は、大径部2aと小径部2bを有することにより、プランジャ2の往復運動によって環状低圧燃料室7aの体積は増減する。体積の増減分は、燃料通路1dにより低圧燃料室10と連通していることにより、プランジャ2の下降時は、環状低圧燃料室7aから低圧燃料室10へ、上昇時は、低圧燃料室10から環状低圧燃料室7aへと燃料の流れが発生する。
Since the
このことにより、ポンプの吸入工程もしくは、戻し工程におけるポンプ内外への燃料流量を低減することができ、脈動を低減する機能を有している。 As a result, the flow rate of fuel into and out of the pump in the pump suction process or return process can be reduced, and the function of reducing pulsation is provided.
低圧燃料室10には高圧ポンプ内で発生した圧力脈動が燃料配管28へ波及するのを低減させる圧力脈動低減機構9が設置されている。一度加圧室11に流入した燃料が、容量制御のため再び開弁状態の吸入弁体30を通して吸入通路10d(吸入ポート31b)へと戻される場合、吸入通路10d(吸入ポート31b)へ戻された燃料により低圧燃料室10には圧力脈動が発生する。しかし、低圧燃料室10に設けた圧力脈動低減機構9は、波板状の円盤型金属板2枚をその外周で張り合わせ、内部にアルゴンのような不活性ガスを注入した金属ダンパで形成されており、圧力脈動はこの金属ダンパが膨張・収縮することで吸収低減される。9bは金属ダンパをポンプ本体1の内周部に固定するための取付金具であり、燃料通路上に設置されるため、複数の穴を設け取付金具9bの表裏に流体が自由に行き来できるようにしている。
The low
加圧室11の出口には吐出弁機構8が設けられている。吐出弁機構8は吐出弁シート8a、吐出弁シート8aと接離する吐出弁8b、吐出弁8bを吐出弁シート8aに向かって付勢する吐出弁ばね8c及び吐出弁8bと吐出弁シート8aとを収容する吐出弁ホルダ8dから構成され、吐出弁シート8aと吐出弁ホルダ8dとは当接部8eで溶接により接合されて一体の吐出弁機構8を形成している。
A
なお、吐出弁ホルダ8dの内部には、吐出弁8bのストロークを規制するスットパーを形成する段付部8fが設けられている。
A stepped
加圧室11と燃料吐出口12に燃料差圧が無い状態では、吐出弁8bは吐出弁ばね8cによる付勢力で吐出弁シート8aに圧着され閉弁状態となっている。加圧室11の燃料圧力が、燃料吐出口12の燃料圧力よりも大きくなった時に始めて、吐出弁8bは吐出弁ばね8cに逆らって開弁し、加圧室11内の燃料は燃料吐出口12を経てコモンレール23へと高圧吐出される。吐出弁8bは開弁した際、吐出弁ストッパ8fと接触し、ストロークが制限される。したがって、吐出弁8bのストロークは吐出弁ストッパ8dによって適切に決定される。これによりストロークが大きすぎて、吐出弁8bの閉じ遅れにより、燃料吐出口12へ高圧吐出された燃料が、再び加圧室11内に逆流してしまうのを防止でき、高圧ポンプの効率低下が抑制できる。また、吐出弁8bが開弁および閉弁運動を繰り返す時に、吐出弁8bがストローク方向にのみ運動するように、吐出弁ホルダ8dの内周面でガイドしている。以上のようにすることで、吐出弁機構8は燃料の流通方向を制限する逆止弁となる。
In a state where there is no fuel differential pressure in the pressurizing
これらの構成により、加圧室11は、ポンプハウジング1、電磁吸入弁300、プランジャ2、シリンダ6及び吐出弁機構8にて構成される。
With these configurations, the pressurizing
カム93の回転により、プランジャ2がカム93方向に移動して吸入工程状態にある時は、加圧室11の容積は増加し加圧室11内の燃料圧力が低下する。この工程で加圧室11内の燃料圧力が吸入通路10dの圧力よりも低くなると、燃料は、開口状態にある吸入弁30を通り、ポンプ本体1に設けられた連通穴1aと、シリンダ外周通路6dを通過し、加圧室11に流入する。
When the
プランジャ2が吸入工程を終了した後、プランジャ2が圧縮工程に移る。ここで電磁コイル43は無通電状態を維持したままであり、磁気付勢力は作用しない。よって、吸入弁30は、ロッド付勢ばね40の付勢力により開弁したままである。加圧室11の容積は、プランジャ2の圧縮運動に伴い減少するが、この状態では、一度加圧室11に吸入された燃料が、再び開弁状態の吸入弁30を通して吸入通路10dへと戻されるので、加圧室11の圧力が上昇することは無い。この工程を戻し工程と称する。
After the
この状態で、ECU27からの制御信号が電磁吸入弁300に印加されると、電磁コイル43には電流が流れ、磁気付勢力によりロッド35が吸入弁30から離れる方向に移動し、吸入弁付勢ばね33による付勢力と燃料が吸入通路10dに流れ込むことによる流体力により吸入弁30が閉弁する。閉弁後、加圧室11の燃料圧力はプランジャ2の上昇運動と共に上昇し、燃料吐出口12の圧力以上になると、吐出弁機構8を介して燃料の高圧吐出が行われ、コモンレール23へと供給される。この工程を吐出工程と称する。
In this state, when a control signal from the
すなわち、プランジャ2の圧縮工程(下始点から上始点までの間の上昇工程)は、戻し工程と吐出工程からなる。そして、電磁吸入弁300のコイル43への通電タイミングを制御することで、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。電磁コイル43へ通電するタイミングを早くすれば、圧縮工程中の、戻し工程の割合が小さく、吐出工程の割合が大きい。すなわち、吸入通路10dに戻される燃料が少なく、高圧吐出される燃料は多くなる。一方、通電するタイミングを遅くすれば圧縮工程中の、戻し工程の割合が大きく吐出工程の割合が小さい。すなわち、吸入通路10dに戻される燃料が多く、高圧吐出される燃料は少なくなる。電磁コイル43への通電タイミングは、ECU27からの指令によって制御される。
That is, the compression process of the plunger 2 (the ascending process from the lower start point to the upper start point) includes a return process and a discharge process. And the quantity of the high-pressure fuel discharged can be controlled by controlling the energization timing to the
以上のように構成することで、電磁コイル43への通電タイミングを制御することで、高圧吐出される燃料の量を内燃機関が必要とする量に制御することが出来る。
With the configuration described above, the amount of fuel discharged at high pressure can be controlled to the amount required by the internal combustion engine by controlling the energization timing to the
ここで、本実施例の電磁吸入弁について、図3から図5の断面図及び図6のタイミングチャートを用い詳細に説明する。 Here, the electromagnetic intake valve of the present embodiment will be described in detail with reference to cross-sectional views of FIGS. 3 to 5 and a timing chart of FIG.
図3は電磁吸入弁300の拡大図で、電磁コイル43に通電されていない無通電の状態であり、加圧室11の圧力が低い(フィードポンプ21で圧送される圧力)状態の図である。この状態で、吸入工程と戻し工程とが行われる。図4は電磁吸入弁300の拡大図で、電磁コイル43に通電され、可動部であるアンカー36が電磁吸引力により第二コア39に接触し、吸入弁30が閉弁した状態の図である。図5は電磁吸入弁300の拡大図で、ポンプ室の圧力が十分増加した後の吸入弁が閉まった状態での、電磁コイル43への通電が解除された無通電の状態の図である。
FIG. 3 is an enlarged view of the
吸入弁部は、吸入弁30、吸入弁シート31、吸入弁ストッパ32、吸入弁付勢ばね33、吸入弁ホルダ34からなる。
The intake valve section includes an
吸入弁シート31は円筒型で、内周側の軸方向にシート部31a、円筒の軸を中心に放射状に1つが2つ以上の吸入通路部31bを有し、外周円筒面でポンプ本体1に圧入保持される。
The
吸入弁ホルダ34は、放射状に2方向以上の爪を有し、爪外周側が吸入弁シート31の内周側で同軸に嵌合保持される。さらに円筒型で一端部につば形状を持つ吸入弁ストッパ32が吸入弁ホルダ34の内周円筒面に圧入保持される。
The
吸入弁付勢ばね33は、吸入弁ストッパ32の内周側に設けられ、一部がばね33の一端を同軸に安定させるための小径部32cに配置されている。吸入弁30は、吸入弁シート部31aと吸入弁ストッパ32の間に、弁ガイド部30bに吸入弁付勢ばね33が嵌合する形で構成される。吸入弁付勢ばね33は圧縮コイルばねであり、吸入弁30が吸入弁シート部31aに押し付けられる方向に付勢力が働く様に設置される。圧縮コイルばねに限らず、付勢力を得られるものであれば形態を問わないし、吸入弁と一体になった付勢力を持つ板ばねの様なものでも良い。
The suction
この様に吸入弁部を構成することで、ポンプの吸入工程においては、吸入通路31bを通過し内部に入った燃料が、吸入弁30とシート部31aの間を通過し、吸入弁30の外周側及び吸入弁ホルダ34の爪の間を通り、ポンプ本体1及びシリンダ6の通路を通過し、ポンプ室(加圧室)11へ燃料を流入させる。また、ポンプの吐出工程においては、吐出弁30が吸入弁シート部31aと接触シールすることで、燃料の入口側への逆流を防ぐ逆止弁の機能を果たす。
By configuring the suction valve portion in this way, in the pump suction process, the fuel that has passed through the
吸入弁30の動きを滑らかにするために、吸入弁ストッパ32の内周側の液圧を吸入弁30の動きに応じて逃がすために、通路32aが設けられている。
In order to smooth the movement of the
吸入弁30の軸方向の移動量30eは吸入弁ストッパ32によって有限に規制されている。移動量が大きすぎると吸入弁30の閉じる時の応答遅れにより前記逆流量が多くなりポンプとしての性能が低下するためである。この移動量の規制は、吸入弁シート31a、吸入弁30及び吸入弁ストッパ32の軸方向の形状寸法及び、圧入位置で規定することが可能である。
The amount of
吸入弁ストッパ32には、環状突起32bが設けられ、吸入弁32が開弁している状態において、吸入弁ストッパ32との接触面積を小さくしている。開弁状態から閉弁状態へ遷移時、吸入弁32が吸入弁ストッパ32から離れやすい様、すなわち閉弁応答性を向上させるためである。環状突起32bが無い場合、すなわち前記接触面積が大きい場合、吸入弁30と吸入弁ストッパ32の間に大きなスクイーズ力が働き、吸入弁30が吸入弁ストッパ32から離れにくくなる。
The
吸入弁30、吸入弁シート31及び吸入弁ストッパ32は、お互い作動時に衝突を繰返すため、高強度、高硬度で耐食性にも優れるマルテンサイト系ステンレスに熱処理を施した材料を使用する。吸入弁スプリング33及び吸入弁ホルダ34には耐食性を考慮しオーステナイト系ステンレス材を用いる。
The
次にソレノイド機構部について説明する。ソレノイド機構部は、可動部であるロッド35、アンカー36、固定部であるばね座部材37、第一コア38、第二コア39、そして、ロッド付勢ばね40、アンカー付勢ばね41からなる。
Next, the solenoid mechanism will be described. The solenoid mechanism portion includes a
可動部であるロッド35とアンカー36は別部材に構成している。ロッド35はばね座部材37の内周側で軸方向に摺動自在に保持され、アンカー36の外周側は、第一コア38の内周側で摺動自在に保持される。すなわち、ロッド35及びアンカー36共に幾何学的に規制される範囲で軸方向に摺動可能に構成されている。
The
アンカー36は燃料中で軸方向に自在に滑らかに動くために、部品軸方向に貫通する貫通穴36aを1つ以上有し、アンカー前後の圧力差による動きの制限を極力排除している。ばね座部材37は、径方向には、ポンプ本体1の吸入弁が挿入される穴の内周側に挿入され、軸方向には、吸入弁シート31の一端部に突き当てられ、ポンプ本体1に溶接固定される第一コア38とポンプ本体1との間に挟み込まれる形で配置される構成としている。ばね座部材37にもアンカー36と同様に軸方向に貫通する貫通穴37aが設けられ、アンカーが自在に滑らかに動くことができる様、アンカー側の燃料室の圧力がアンカーの動きを妨げない様に構成している。
The
第一コア38は、ポンプ本体と溶接される部位との反対側38bの形状を薄肉円筒形状としており、その内周側に第二コア39が挿入される形で溶接固定される。第二コア39の内周側にはロッド付勢ばね40が、小径部39aをガイドに配置され、ロッド35の先端が吸入弁30と接触し、吸入弁30を吸入弁シート部31aから引き離す方向、すなわち吸入弁の開弁方向に付勢力を与える。すなわち吸入弁30はロッド35と別体として構成され、ロッド35の一端部に当接することにより閉弁方向への移動を規制されるように構成されている。第二コア39には、アンカー36の磁気吸引面36cと対向する磁気吸引面39aが形成されている。第二コア39の磁気吸引面39aとアンカー36の磁気吸引面36cとは平行であり、両者の間には開弁状態にあるときに符号36eで示す間隙が設けられており、コイル43に通電することにより両社の間に磁気吸引力が作用し、アンカー36が第二コア39側に引き付けられる。
The
アンカー付勢ばね41は、ばね座部材37の中心側に設けた円筒形状のロッド挿通部37cに一方の端部を挿入し同軸を保ちながら、アンカー36にロッドつば部35a方向に付勢力を与える配置としている。ロッド挿通部37cの中心部には、ロッド挿通孔37bが形成され、ロッド挿通孔37bにロッド35が挿通されている。ロッドつば部35aは、ロッド35の、アンカー36に対する開弁方向への相対変位を規制する。すなわちロッド35がアンカー36に対して開弁方向に相対変位する場合に、アンカー36と係合して相対変位を規制する係合部を構成している。ロッド35はロッド挿通孔37bには接触しておらず、ロッド35の外周面とロッド挿通孔37bの内周面との間には間隙が設けてある。
The
アンカー36の移動量36eは吸入弁30の移動量30eよりも大きく設定される。確実に吸入弁30が閉弁するためである。
The
ロッド35はアンカー36と摺動するため、またロッド35は吸入弁30と衝突を繰返すため、硬度と耐食性を考慮しマルテンサイト系ステンレスに熱処理を施したものを使用する。アンカー36と第二コア39は磁気回路を形成するため磁性ステンレスを用い、さらにアンカー36と第二コアのそれぞれの衝突面には、硬度を向上させるための表面処理を施している。さらにアンカー36外周面と第一コア38の内周面にも硬度と耐食性を向上させるために表面処理を施しても良い。表面処理には硬質Crめっきがあるがその限りでは無い。ロッド付勢スプリング40、アンカー付勢スプリング41には耐食性を考慮しオーステナイト系ステンレスを用いる。
Since the
吸入弁部には1つのばねが設けられ、ソレノイド機構部には2つのばねが設けられることにより、電磁吸入弁300には3つのばねが構成されることになる。すなわち、電磁吸入弁300には、吸入弁部に構成される吸入弁付勢ばね33、ソレノイド機構部に構成されるロッド付勢ばね及びアンカー付勢ばねが構成される。本実施例ではいずれのばねもコイルばねを使用しているが付勢力を得られる形態であればいかなるものでも構成可能である。
The intake valve portion is provided with one spring, and the solenoid mechanism portion is provided with two springs, so that the
次にコイル部の構成について説明する。コイル部は、第一ヨーク42、電磁コイル43、第二ヨーク44、ボビン45、端子46、コネクタ47から成る。ボビン45に銅線が複数回巻かれたコイル43が、第一ヨーク42と第二ヨーク44により取り囲まれる形で配置され、樹脂部材であるコネクタ47と一体にモールドされて固定されている。二つの端子46の一方の端部はコイルの銅線の両端にそれぞれ通電可能に接続される。端子46はコネクタ47と一体にモールドされ、他方の端部がエンジン制御ユニット側と接続される構成としている。コイル部は第一ヨーク42の中心部の穴部が、第一コア38に圧入されて固定されている。その時、第二ヨーク44の内径側は、第二コア39と接触もしくは僅かなクリアランスで近接する構成となっている。
Next, the configuration of the coil portion will be described. The coil portion includes a
第一ヨーク42及び第二ヨーク44は共に、磁気回路を構成するために、また耐食性を考慮して磁性ステンレス材料で構成し、ボビン45及びコネクタ47は強度特性及び耐熱特性を考慮して、高強度耐熱樹脂を用いて構成している。コイル43には銅、端子46には真鍮に金属めっきを施した物を使用する。
Both the
上述の様にソレノイド機構部とコイル部とを構成することで、図3の矢印部に示す様に、第一コア38、第一ヨーク42、第二ヨーク44、第二コア39及びアンカー36で磁気回路を形成し、コイルに電流を与えると、第二コア39とアンカー36との間に電磁力が発生し、アンカー36を第二コア39側に引き寄せる力が発生する。第一コア38において、第二コア39とアンカー36とが対向して吸引力を発生させる軸方向部位を、極力薄肉(薄肉円筒形状)にして磁気抵抗を高めることで、磁束のほぼ全てが第二コア39とアンカー36との間を通過するため、効率良く電磁力を得ることができる。この薄肉円筒形状部38bにおいて、第二コア39とアンカー36とが対向する軸方向部位に環状溝を形成し、さらに肉厚を薄くして磁気抵抗を高める場合もある。
By configuring the solenoid mechanism portion and the coil portion as described above, the
上記電磁力が、ロッド付勢ばね40の付勢力からアンカー付勢ばね41の付勢力及び吸入弁付勢ばね33の付勢力を差し引いた開弁付勢力f1を上回った時に、可動部であるアンカー36がロッド35と共に第二コア39に引き寄せられる運動、また第二コア39とアンカー36とが接触し、接触を継続することを可能とする。
When the electromagnetic force exceeds the valve opening biasing force f1 obtained by subtracting the biasing force of the
以下、図3〜5、及び図6のタイミングチャートを用いて動作と本実施例の利点について詳細に説明する。 Hereinafter, the operation and the advantages of the present embodiment will be described in detail with reference to the timing charts of FIGS.
≪吸入工程≫
プランジャ2が上死点から下降を始めると、加圧室11内の圧力が例えば20MPaレベルの高圧の状態から急激に小さくなり、前述の力f1によりロッド35、アンカー36及び吸入弁30が、吸入弁30の開弁方向に移動を始める。吸入弁30が開弁することで、吸入弁シート31の通路31bから吸入弁シート31内径側に流入した燃料が、加圧室11内に吸入され始める。
≪Inhalation process≫
When the
吸入弁30が吸入弁ストッパ32に衝突し、吸入弁30はその位置で停止する。同じくロッド35も先端が吸入弁30に接触する位置(図6におけるプランジャロッドの開弁位置)で停止する。
The
アンカー36についてもロッド35と同速度で吸入弁30の開弁方向に移動するが、ロッド35が吸入弁30に接触し停止した後も、慣性力で移動を続けようとする。この慣性力による移動は、図6のAに示す部分である。ところが、アンカー付勢ばね41がその慣性力に打ち勝ち、アンカー36は再び第二コア39に近付く方向に移動をし、ロッドつば部35aにアンカー36が押し当てられる形で接触する位置(図6におけるアンカー開弁位置)で停止することができる。この停止した時点におけるアンカー36、ロッド35及び吸入弁30の位置を示す状態が図3の状態である。
The
図6のAに示す部分で、ロッド35とアンカー36とが完全に離れる説明としているが、ロッド35とアンカー36とが接触したままの状態でも良い。言い換えると、ロッドつば部35aとアンカー36との接触部に作用する荷重は、ロッド35の運動停止後減少し、0になるとアンカー36がロッド35に対し分離を開始するが、0にならず僅かの荷重を残すようにアンカー付勢ばね41の付勢力を設定しても良い。
6A and 6B, the
吸入弁30が吸入弁ストッパ32に衝突する時には、製品としての重要な特性となる異音の問題が発生する。異音の大きさには前記衝突時のエネルギーの大きさが影響する。しかし、ロッド35とアンカー36とを別体に構成しているために、吸入弁ストッパ32に衝突するエネルギーは、吸入弁30の質量とロッド35の質量のみで発生することとなる。すなわちアンカー36の質量は衝突エネルギーに寄与しないため、ロッド35とアンカー36とを別体に構成することで、異音の大きさを低減することができる。
When the
アンカー36の径方向における保持方法(支持方法)は、アンカー36の内径とロッド35の外径とのクリアランスで保持する方法と、アンカー36の外径と第一コア38の内周面とのクリアランスで保持する方法とがある。本実施例においては、アンカー36の外径と第一コア38の内周面とを摺動面とすることで、アンカー36の径方向位置を保持するようにしている。
The holding method (supporting method) in the radial direction of the
吸入弁30が開弁した後、さらにプランジャ2が降下を行い下死点に到達する。この間、加圧室11には燃料が流入し続け、この工程が吸入工程である。
After the
≪戻し工程≫
下死点まで降下したプランジャ2は、上昇工程に入る。吸入弁30は前記f1を超える電磁力で開弁状態に停止したままであり、吸入弁30を通過する流体の方向が真逆になる。すなわち吸入工程では燃料が、吸入弁シート通路31bから加圧室11に流入していたのに対し、上昇工程となった時点で、加圧室11から吸入弁シート通路31b方向に戻される。この工程を戻し工程と呼ぶ。
≪Return process≫
The
≪戻し工程〜吐出工程への遷移状態≫
所望の吐出時刻よりも、電磁力の発生遅れ、吸入弁30の閉弁遅れを考慮した早い時刻において、電磁コイル43に電流が与えられ、アンカー36と第二コア39との間に磁気吸引力が働く。電流は前記力f1に打ち勝つ磁気吸引力を発生するのに必要な大きさの電流を与える必要がある。この磁気吸引力が前記力f1に打ち勝った時点で、アンカー36が第二コア39方向へ移動を開始する。アンカー36の外周面が第一コア38の内周面を摺動、移動することで、軸方向につば部35aで接触しているロッド35も同じく移動し、吸入弁30が吸入弁付勢ばね33の力を受けて閉弁を開始する。このとき、流体力、主には、加圧室11側からシート部を通過する燃料の流速による静圧は低下する。
≪Transition state from return process to discharge process≫
A current is applied to the
上述したように本実施例では、アンカー36は第一コア38の内周面38aがガイド面となってロッド35の軸方向に移動するように構成されている。このため、アンカー36の外周面と第一コア38の内周面38aとの間の間隔は非常に小さく、この隙間を流れようとする燃料流れに対して非常に大きな流体抵抗を与える構成となっている。
As described above, in the present embodiment, the
本実施例では、アンカー36と第一コア38とが接触して摺動する構成とし、ロッド35はアンカー36の貫通孔36bに当接して摺動する構成としている。すなわちロッド35はアンカー36の貫通孔36bによってガイドされて、アンカー36と相対変位可能に構成されている。このため、ばね座部材37のロッド挿通孔37bの内周面とロッド35の外周面との間には間隙が設けてある。
In the present embodiment, the
移動を始めた吸入弁30は、シート部31aに衝突し停止することで、閉弁状態となる。閉弁すると、筒内圧が急速に増大するため、吸入弁30は筒内圧により閉弁方向に前記力f1よりも遥かに大きい力で強固に押し付けられ、閉弁状態の維持を開始する。
The
アンカー36についても、第二コア39に衝突し停止する。ロッド35はアンカー36停止後も慣性力で運動を続けるが、ロッド付勢ばね40の付勢力が慣性力に打ち勝ち押し戻され、つば部35aがアンカー36に接触する位置まで戻ることができる。
The
アンカー36が第二コア39に衝突する時には、製品としての重要な特性となる異音の問題が発生する。この異音は、前述した吸入弁30と吸入弁ストッパ32とが衝突する異音の大きさよりも大きく、より大きな問題となる。異音の大きさには前記衝突時のエネルギーの大きさが影響する。しかし、ロッド35とアンカー36とを別体に構成しているために、第二コア39に衝突するエネルギーは、アンカー36の質量のみで発生することとなる。すなわちロッド35の質量は衝突エネルギーに寄与しないため、ロッド35とアンカー36とを別体に構成することで、異音の大きさを低減することができる。
When the
一度アンカー36が第二コア39に接触した後は、接触することにより十分な磁気吸引力が発生しているため、接触を保持するためだけの小さな電流値とすることができる。
Once the
ここで、ソレノイド機構部内に発生する懸念のある、壊食の問題について説明する。 Here, the problem of erosion that may occur in the solenoid mechanism will be described.
アンカー36と第一コア38との間に燃料が流れる流路が構成されていると、コイルに電流が与えられてアンカー36が第二コア39に引き寄せられる際、アンカー36と第二コア39との間にある空間体積が急速に縮小することで、その空間にある流体(燃料)は行き場を失い、速い流れを持ってアンカー36の外周側へ押し流され、第一コア38の薄肉部に衝突する。この燃料流れの衝突のエネルギーにより、第一コア38の薄肉円筒形状部38bに壊食が発生する懸念がある。また、押し流された流体がアンカー36の外周を通過してばね座部材37側に流れる。このとき、アンカー36の外周側の流路が狭いために流速が大きくなり、静圧が急速に低下することによってキャビテーションが発生し、第一コア38の薄肉部においてキャビテーションによる壊食が発生する懸念がある。
When a flow path in which fuel flows is formed between the
このキャビテーション壊食を本実施例では以下の理由から解決する事が出来る。 This cavitation erosion can be solved in the present embodiment for the following reason.
本実施例において、アンカー36の外周と第一コア38の内周部は摺動部を構成しているため、そのクリアランスは直径差でおよそ5〜10μm程度である。一方、アンカー36の中心側に1つ以上の軸方向の貫通穴(貫通孔)36aを設置している。貫通穴36aはアンカー36を中心軸方向(ロッド35の軸方向)に貫通し、アンカー36に対して第二コア39側の空間(燃料室)とばね座部材37側の空間(燃料室)とを連通する燃料通路を構成する。アンカー36が第二コア39側に引き寄せられる際、アンカー36と第二コア39との間の空間の流体のほとんどは、アンカー36の外周側の狭い通路を通過せず、貫通穴36aを通過してアンカー36とばね座部材37との間に形成された燃料室に移動する。この様に構成することで、第一コア38の薄肉部38bの壊食を回避することができる。
In the present embodiment, since the outer periphery of the
アンカー36とロッド35とを一体で構成している場合においても、アンカー36の貫通穴36aの容量を最適化することにより上記問題を解決することが可能である。アンカー36の貫通穴36aは、その流体抵抗が、アンカー36の外周面と第一コア38の内周面との間の隙間における流体抵抗よりも小さくなるように構成されていればよい。そして、アンカー36の貫通穴36aは、アンカー36の外周面よりも半径方向の内方(中心側)に設けられていればよい。例えば、ロッド35が挿通される中心孔36bの内周面に、周方向に間隔を置いて、溝を設けてもよい。或いは、アンカー36の貫通穴36aをロッド35の外周面が摺動しない構成にしてもよい。この場合、ロッド35はばね座部材37のロッド挿入孔37bの内周面に摺動するようにするとよい。すなわちばね座部材37をロッドガイドとして構成すると良い。
Even when the
アンカー36とロッド35とを一体で構成している場合、エンジン高回転時すなわちプランジャ2の上昇速度が大きい条件において、コイル43に電流が付与されアンカー36が第二コア39に移動しようとする力に、さらに非常に速度の大きい流体による吸入弁30を閉じる力が追加付与力として増加され、ロッド35及びアンカー36が第二コア39へ急激に接近するため、その空間の流体が押し出される速度がさらに大きくなる。そのため、アンカー36の貫通穴36aの容量を大きくする、すなわち穴数を増やす、或いは穴径を拡大する等の最適設計をすることにより、壊食の問題を解決することが出来る。
In the case where the
アンカー36とロッド35とを別体で構成する弊害は前述した通り、所望の磁気吸引力を得られない問題、異音、機能低下があるが、アンカー付勢ばね41を設置することでこの弊害を取り払うことが可能となる。
As described above, there are problems that the
≪吐出工程≫
プランジャ2が下死点から上昇工程に転じ、所望のタイミングでコイル43に電流が与えられ吸入弁30が閉じるまでの戻し工程が終了した直後、加圧室11内の圧力が急速に増大し、吐出工程となる。吐出工程後には、省電力の観点からコイル43に与える電力を削減することが望ましいため、コイルに与える電流を切断する。電磁力が付加されなくなりアンカー36及びロッド35が、ロッド付勢ばね40とアンカー付勢ばね41の合力により、第二コア39から離れる方向へ移動する。ところが、吸入弁30が強固な閉弁力で閉弁位置にあるためロッド35は閉弁状態の吸入弁30に衝突した位置で停止する。
≪Discharge process≫
Immediately after the return of the
ロッド35とアンカー36とは電流切断後同時に移動を開始するが、ロッド35の先端と閉弁状態の吸入弁30とが接触した状態でロッド35が停止した後も、アンカー36は慣性力で吸入弁30の方向へ移動を続けようとする。図6のBの状態である。ところが、アンカー付勢ばね41が慣性力に打ち勝ち、アンカー36に第二コア39の方向に付勢力を与えるため、アンカー36はロッド35のつば部35aに接触した状態(図5の状態)で停止することができる。
The
この様に、燃料が吐出される吐出工程が行われ、次の吸入工程直前においては、吸入弁30、ロッド35及びアンカー36は図5の状態となっている。
In this way, the discharge process for discharging the fuel is performed, and immediately before the next intake process, the
プランジャ2が上死点に達した時点で、吐出工程が終了し、再び吸入工程が開始される。
When the
かくして、低圧燃料吸入口10aに導かれた燃料はポンプ本体1の加圧室11にてプランジャ2の往復動によって必要な量が高圧に加圧され、燃料吐出口12からコモンレール23に圧送されるのに好適な高圧ポンプを提供することができる。
Thus, the fuel guided to the low pressure
また上記したように近年、高圧燃料供給ポンプは更なる高圧化が求められており、たとえば目標吐出圧力が25MPa以上の高圧燃料供給ポンプが必要となることもある。このように目標吐出圧力が非常に高圧になった場合、あるいはバイオ燃料(アルコールやメタノール等)、あるいはバイオ燃料の含油比率が多い燃料が高圧燃料供給ポンプに用いられる場合には、キャビテーションによる壊食が問題となる。そのため、このキャビテーション壊食の進行を抑制する、あるいはキャビテーション壊食が発生する確率をより低くする、あるいはキャビテーション壊食が発生するまでの時間をより長くなることが必要となる。本実施例では弁座と弁体が接触する箇所において特にキャビテーション壊食が発生することが分かったため、これを抑制する。 In addition, as described above, in recent years, the high-pressure fuel supply pump has been required to have a higher pressure. For example, a high-pressure fuel supply pump having a target discharge pressure of 25 MPa or more may be required. In this way, when the target discharge pressure becomes very high, or when biofuel (alcohol, methanol, etc.) or fuel with a high biofuel content is used for the high-pressure fuel supply pump, erosion caused by cavitation Is a problem. Therefore, it is necessary to suppress the progress of this cavitation erosion, to lower the probability of occurrence of cavitation erosion, or to increase the time until cavitation erosion occurs. In this embodiment, since it has been found that cavitation erosion occurs particularly at the location where the valve seat and the valve body contact, this is suppressed.
より具体的には、吐出弁8b、吐出弁シート8aの双方、又は少なくとも一方の基材は鉄鋼材であって、その表面は窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成する。すなわち、吐出弁8b、吐出弁シート8aの双方、又は少なくとも一方の表面に窒素マルテンサイトが形成される表面改質処理を行う。吐出弁8b、吐出弁シート8aの双方、又は少なくとも一方の表面に存在する窒素マルテンサイト組織はそれを構成するFeとNからなる格子の格子定数が0.286Åから0.3Å以下であり、窒素濃度が0.14%から3%以下である。
More specifically, both the
なお、ここでは吐出弁8b、吐出弁シート8aについて説明したが、リリーフバルブ100、リリーフ弁シート101も同様にキャビテーション壊食が発生する虞がある。したがってリリーフバルブ100、リリーフ弁シート101の双方、または一方の表面を窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成するようにしても良い。あるいは吸入弁30、吸入弁シート31の表面に窒素マルテンサイト組織で形成するようにしても良い。
窒素マルテンサイト組織をそれら部品に形成する方法としては、浸窒処理と呼ばれる表面改質処理が最適である。浸窒処理は、窒化処理とは異なっており、通常800℃以上で行われる。窒化処理はおおむね400℃から600℃である。800℃以上で熱処理する理由は、窒素マルテンサイト組織を作るには、鉄鋼材を800℃以上に加熱してオーステナイト相の状態に保持、その上で窒素を鉄鋼材に固溶させるためである。窒素を固溶するには、アンモニアガスとアンモニアが鉄と触れたときの触媒反応を利用する。触媒反応によるアンモニアの化学変化は次の式で示される。
NH3→1/2N2+3/2H2
また、オーステナイト相の状態の鉄鋼材表面に窒素を固溶させた後、通常の焼入れ作業と同じように、ガスで急冷させる。部品形状の変形等が問題にならない場合は油冷で急冷してもかまわない。本実施例では、上記の窒素マルテンサイト組織をするプロセスを、吐出弁に適用した後に、弁体と弁座の接触面積が増えるよう、#1000以上のエメリー紙、もしくは直径3μm以下のダイヤモンド粒子によって研磨した。
Although the
As a method for forming a nitrogen martensite structure in these parts, a surface modification treatment called a nitriding treatment is optimal. The nitriding treatment is different from the nitriding treatment and is usually performed at 800 ° C. or higher. The nitriding treatment is generally performed at 400 to 600 ° C. The reason for heat treatment at 800 ° C. or higher is to form a nitrogen martensite structure by heating the steel material to 800 ° C. or higher and maintaining it in the austenite phase, and then dissolving nitrogen in the steel material. To dissolve nitrogen, a catalytic reaction is used when ammonia gas and ammonia come into contact with iron. The chemical change of ammonia by the catalytic reaction is expressed by the following formula.
NH3 → 1 / 2N2 + 3 / 2H2
Moreover, after making nitrogen dissolve into the steel material surface of the state of an austenite phase, it quenches with gas like a normal hardening operation. If deformation of the part shape does not become a problem, it may be cooled rapidly with oil cooling. In this example, after applying the above-described process for forming a nitrogen martensite structure to a discharge valve, the contact area between the valve body and the valve seat is increased by using emery paper of # 1000 or more, or diamond particles having a diameter of 3 μm or less. Polished.
上記の窒素マルテンサイト組織を形成し、表面を仕上げた吐出弁8b、吐出弁シート8aを高圧燃料ポンプに組み込み、キャビテーション壊食が生じるか確認した。窒素マルテンサイト組織を形成しない鉄鋼材の部品(吐出弁、吐出弁シート)のものと比較して、少なくともキャビテーション壊食の発生量は同じか、適用前のものに比べ少なくなっていることを確認した。但し、吐出弁8b、吐出弁シート8aの一方のみに本実施例の浸窒処理を行うことによっても効果が得られる。また一方のみであれば、それだけ生産効率を向上させ生産コスト低減が図れる。特に本実施例においては、シート部におけるキャビテーション抑制を目的としているので、シート部と弁体の双方ではなく、吐出弁シート8aやリリーフ弁シート101、あるいは吸入弁シートのみに本実施例の浸窒処理を行い、表面に窒素マルテンサイト組織を形成することが望ましい。
The above-described
図10は、ステンレス素材の吐出弁8b、又は吐出弁シート8aに本実施例の浸窒処理により窒素マルテンサイト組織を形成した場合の窒素マルテンサイト組織の深さと濃度との関係を示す。本実施例の浸窒処理は,窒素原子が固溶することで窒素マルテンサイトを形成するものであり、窒素マルテンサイトは炭素マルテンサイトと同じように硬く靱性を有す。そしてゼロではないものの窒素物はほぼ形成しない。また図10に示すように本実施例により形成された窒素マルテンサイトの表面は、深さ200um以内においてN濃度は0.1%〜1%で,窒化処理よりも低い。一方で窒化処理はFe3N, Fe4N等の窒化物を作る処理である。窒化物は硬いが脆いため,耐キャビテーション特性は良くない。また、N濃度は5〜20%となる。
FIG. 10 shows the relationship between the depth and the concentration of the nitrogen martensite structure when the nitrogen martensite structure is formed on the
図7は、本発明の耐キャビテーション壊食に対する材料ともしくはその構成が、どの程度の耐キャビテーション壊食性を持っているかを定量的に示すために行った実験の結果である。縦軸はキャビテーションの壊食量、横軸はキャビテーションを受けた時間を示す。試験は水で行った。本実施例の高圧燃料供給ポンプはガソリンもしくはバイオ燃料等が適用されるが、別の検証で、水、ガソリン、バイオ燃料に相当するエタノールでのキャビテーション壊食は、現象として同じであり、ガソリンの代わりに水を用いても材料強度の比較の結果は変わらないことを確認している。 FIG. 7 shows the results of an experiment conducted in order to quantitatively show the degree of resistance to cavitation erosion of a material and / or its configuration against cavitation erosion resistance according to the present invention. The vertical axis represents the amount of cavitation erosion, and the horizontal axis represents the time of cavitation. The test was performed with water. Gasoline or biofuel is applied to the high-pressure fuel supply pump of this embodiment, but in another verification, cavitation erosion with water, gasoline, ethanol corresponding to biofuel is the same phenomenon, It has been confirmed that even if water is used instead, the result of comparison of material strength does not change.
実験の結果、図7に示すように、焼入れのみのSUS420J2と窒素マルテンサイト組織を表面に形成したSUS420J2では、キャビテーション壊食現象で潜伏期間と呼ばれる質量損失をほとんど伴わない期間が前者で46分、後者で75分となった。高圧燃料供給ポンプにおいて、仮に潜伏期間後のキャビテーション壊食が起こると、油密性等が維持できなくなる。そのため、キャビテーション壊食という現象が起こってもそれは潜伏期間内にとどめておく必要がある。従って高圧燃料供給ポンプにおける耐キャビテーション壊食材料の基準は、潜伏期間の長さである。 As a result of the experiment, as shown in FIG. 7, in SUS420J2 formed by quenching only and SUS420J2 formed with a nitrogen martensite structure on the surface, the former has a period of almost no mass loss called a latent period due to cavitation erosion phenomenon, The latter was 75 minutes. In the high-pressure fuel supply pump, if cavitation erosion occurs after the incubation period, the oil tightness cannot be maintained. Therefore, even if the phenomenon of cavitation erosion occurs, it must be kept within the incubation period. Thus, the criterion for anti-cavitation erosion material in high pressure fuel supply pumps is the length of the incubation period.
上記したように窒素マルテンサイト組織を表面に形成しSUS420J2は、焼入れのみのSUS420J2に比べてキャビテーション壊食現象の潜伏期間が長くなる。従って、先に示した実際の高圧燃料供給ポンプにおいて、本発明を適用したポンプのキャビテーション壊食の発生量が同じか少なくなっている理由は、本発明を適用した構成が効いたものと推察される。 As described above, a nitrogen martensite structure is formed on the surface, and SUS420J2 has a longer incubation period of the cavitation erosion phenomenon than SUS420J2 which is only quenched. Therefore, in the actual high-pressure fuel supply pump shown above, the reason why the amount of cavitation erosion generated in the pump to which the present invention is applied is the same or less is presumed that the configuration to which the present invention is applied works. The
本実施例の高圧燃料供給ポンプは、液体が流れる部分にキャビテーション壊食の発生もしくはその進行が遅い材料を適用しているため、燃料の圧力と流量をより高くすることが可能である。またアルコール燃料を用いた場合でも、鉱油由来の燃料を用いた場合を同じように長時間の信頼性が確保できる。 In the high-pressure fuel supply pump of the present embodiment, a material in which cavitation erosion occurs or progresses slowly is applied to the portion where the liquid flows, so that the fuel pressure and flow rate can be increased. Even when alcohol fuel is used, long-term reliability can be secured in the same manner as when fuel derived from mineral oil is used.
図9は吸入弁部の別の実施例を示すものである。アンカー36に付勢力を与える、アンカー付勢ばね41を有しない構造である。アンカー付勢ばね41以外の構成は、実施例1と同様である。実施例1と同じくアンカー36の外周を第一コア38の内周で保持する構造であり、実施例1で示す電磁吸入弁300と同等の動作、効果を発揮するものである。
FIG. 9 shows another embodiment of the intake valve portion. This is a structure that does not have an
1…ポンプ本体、2…プランジャ、6…シリンダ、7…シールホルダ、8…吐出弁機構、9…圧力脈動低減機構、10a…低圧燃料吸入口、11…加圧室、12…燃料吐出口、13…プランジャシール、30…吸入弁、31…吸入弁シート、33…吸入弁ばね、35…ロッド、36…アンカー、38…第一コア、38b…第一コアの薄肉円筒形状、39…第二コア、40…ロッド付勢ばね、41…アンカー付勢ばね、43…電磁コイル、300…電磁吸入弁。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記吐出弁が着座する吐出弁シートと、を備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記吐出弁、又は前記吐出弁シートの基材は鉄鋼材であって、その表面は窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 A discharge valve for discharging fuel from the pressurizing chamber;
In a high-pressure fuel supply pump comprising a discharge valve seat on which the discharge valve is seated,
A base material of the discharge valve or the discharge valve seat is a steel material, and a surface thereof is formed of a nitrogen martensite structure in which nitrogen atoms are solid-dissolved.
前記吐出弁、又は前記吐出弁シートの表面に存在する該窒素マルテンサイト組織はそれを構成するFeとNからなる格子の格子定数が0.286Åから0.3Å以下であり、窒素濃度が0.14%から3%以下であることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 The high-pressure fuel supply pump according to claim 1,
The nitrogen martensite structure present on the surface of the discharge valve or the discharge valve seat has a lattice constant of 0.286 to 0.3 mm in a lattice composed of Fe and N constituting the nitrogen martensite structure. A high-pressure fuel supply pump characterized by being 14% to 3% or less.
前記吐出弁、又は前記吐出弁シートの表面は浸窒処理により窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 The high-pressure fuel supply pump according to claim 1,
The discharge valve or the surface of the discharge valve seat is formed of a nitrogen martensite structure in which nitrogen atoms are solid-dissolved by nitriding treatment.
前記吐出弁シートと前記吐出弁のうち、前記吐出弁シートの表面のみが窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 The high-pressure fuel supply pump according to claim 1,
Of the discharge valve seat and the discharge valve, only the surface of the discharge valve seat is formed of a nitrogen martensite structure in which nitrogen atoms are solid-dissolved.
吐出側の圧力が設定圧力以上となったときに開弁するリリーフ弁と、
前記リリーフ弁が押し付けられるリリーフ弁シートと、を備え、
前記リリーフ弁シートと前記リリーフ弁のうち、前記リリーフ弁シートの表面のみが窒素原子が固溶した窒素マルテンサイト組織で形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 The high-pressure fuel supply pump according to claim 1,
A relief valve that opens when the pressure on the discharge side exceeds the set pressure;
A relief valve seat against which the relief valve is pressed,
Of the relief valve seat and the relief valve, only the surface of the relief valve seat is formed of a nitrogen martensite structure in which nitrogen atoms are solid-dissolved.
前記窒素マルテンサイトの表面は、深さ200um以内においてN濃度は0.1%〜1%であることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。 The high-pressure fuel supply pump according to claim 1,
The nitrogen martensite surface has a N concentration of 0.1% to 1% within a depth of 200 μm.
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