JP2022142481A - 高圧ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャとタペットの接触面に摩耗が生じにくい高圧ポンプを提供する。【解決手段】高圧ポンプ１は、燃料を加圧するプランジャ３と、プランジャを作動させるカム11と、カムの動作をプランジャへ押圧力として伝達するタペット４を備えている。互いに接触するプランジャの第１凸曲面F1とタペットの第２凸曲面F2は凸球面であり、接平面TPを基準として対称形状である（図2(c)) 。タペットがプランジャを押圧すると、第１凸曲面と第２凸曲面に発生する水平方向の変位が同方向となり、大きさも同程度となる（図2(d)) 。両面の間には相対的な滑りが発生しにくく、接触面での摩耗の発生の軽減がより顕著になる（図４）。【選択図】図１

Description

本発明は、カムの動作をタペットによりプランジャに伝達して往復動作させ、燃料を加圧して噴射する高圧ポンプに係り、特に、プランジャとタペットの接触面に摩耗が生じにくい高圧ポンプに関するものである。

下記特許文献１には、燃料供給ポンプの発明が開示されている。この燃料供給ポンプでは、プランジャが軸方向に沿って二体に分割され、カム１５で押される吸入側のプランジャ（低圧油密部６Ｂ）と、低圧油密部６Ｂによって押される圧送側のプランジャ（高圧油密部６Ａ）とされており、これら二つのプランジャの各端面の少なくとも一方が凸曲面となっている（請求項１）。また図１には、下側に位置する吸入側のプランジャ（低圧油密部６Ｂ）の端面が凸曲面とされることが記載されている。また付加的な記載として、圧送側プランジャ（高圧油密部６Ａ）の端面３１および吸入側プランジャ（低圧油密部６Ｂ）の端面３２を、共に凸曲面とすることができる旨も記載されている（００３４段落）。

下記特許文献２には、燃料供給装置の発明が開示されている。この燃料供給装置は、コモンレールシステムの高圧ポンプを実施形態としており、カムの力を受けるタペットの受圧面の外周近傍であるタペット側壁に溝を設けることで、タペットにおける応力の局部的集中を防止することができるものとされている（請求項１）。また、ピストン（プランジャ）２６のタペット２８と当接する面は、タペット２８の方に僅かに膨らんだ凸状を呈することが記載されている（０００６段落）。

特開平１１－６２７８３号公報 特開２００３－１１３７５７号公報

上記特許文献１に開示された燃料供給ポンプは、筒内直接噴射式の燃料噴射装置に装備される燃料供給ポンプであり、コモンレールシステムの高圧ポンプよりも低い圧力で用いられるものであって、コモンレールシステムに必要な高い圧力の発生については考慮されていない。

上記特許文献２に開示された燃料供給装置では、タペット２８と当接するピストン（プランジャ）２６の面には、タペット２８の方に僅かに膨らんだ凸状が形成されていることが記載されているが、このような構造はコモンレールシステムの高圧ポンプでは一般に採用実績のあるものであり、圧力、負荷がそれほど高くない場合には所期の性能を発揮することができる。しかしながら、コモンレールシステムにおいて、より高いコモンレール圧力を得るために、より高圧力、高負荷で運転する場合には問題が生じることを、後に発明の詳細な説明で説明するように、本願発明者等は確認している。

本発明は、上述した従来の技術とその課題、さらに本願発明者等の見出した課題に鑑みてなされたものであり、プランジャとタペットの接触面に摩耗が生じにくい高圧ポンプを提供することを目的としている。

請求項１に記載された高圧ポンプは、
燃料を加圧するプランジャと、
前記プランジャを往復して動作させるためのカムと、
前記プランジャと前記カムとの間に設けられ前記カムの動作を前記プランジャへ押圧力として伝達するタペットと、を備えた高圧ポンプであって、
前記プランジャの前記タペットとの接触面は第１凸曲面とされ、かつ、前記タペットの前記プランジャとの接触面は第２凸曲面とされていることを特徴としている。

請求項２に記載された高圧ポンプは、請求項１に記載の高圧ポンプにおいて、
前記第１凸曲面と前記第２凸曲面は、前記第１凸曲面と前記第２凸曲面の接平面を基準とした対称形状であることを特徴としている。

請求項３に記載された高圧ポンプは、請求項１又は２に記載の高圧ポンプにおいて、
前記第１凸曲面と前記第２凸曲面が凸球面であり、
前記凸球面の半径が、
前記タペットの傾きによる前記プランジャと前記タペットの接触面の作用点のずれを許容値以下とする値を上限値とすることを特徴としている。

請求項４に記載された高圧ポンプは、請求項１乃至３の何れか一つに記載の高圧ポンプにおいて、
前記第１凸曲面と前記第２凸曲面が凸球面であり、
前記凸球面の半径が、
前記プランジャと前記タペットを構成する材料に応じ、前記プランジャと前記タペットの内部せん断応力を許容値以下とする値を下限値とすることを特徴としている。

請求項５に記載された高圧ポンプは、請求項１～４のいずれかに記載の高圧ポンプにおいて、
前記タペットには、前記プランジャとの接触面に前記タペットの本体よりも硬い材質からなるプレートが備えられ、当該プレートに前記第２凸曲面が設けられていることを特徴としている。

請求項１に記載された高圧ポンプによれば、タペットからプランジャに対して押圧力が加わると、プランジャの第１凸曲面とタペットの第２凸曲面の接触面には圧縮変形が生じ、この圧縮変形によって水平方向の変位（変形）が生じる。ここで、プランジャとタペットが接触しているのは何れも凸曲面なので、第１凸曲面と第２凸曲面に発生する水平方向の変位（変形）は接触面の中央部を中心として外側に向いているため、プランジャの第１凸曲面とタペットの第２凸曲面の間に発生する変位には実質的な差が生じにくい。このため、両面の間に発生する相対的な滑りの程度は小さく抑えられ、接触面には有害な摩耗が生じにくいという効果が得られる。

請求項２に記載された高圧ポンプによれば、第１凸曲面と第２凸曲面が接平面を基準とした対称形状であるため、プランジャとタペットの材料の物性が同等か又はその差が許容範囲内である場合には、タペットからプランジャに対して押圧力が加わった場合、第１凸曲面と第２凸曲面に発生する水平方向の変位（変形）が互いに実質的に同方向に向き、大きさも実質的に同程度となる。このため、プランジャの第１凸曲面とタペットの第２凸曲面の間に発生する変位には差が生じにくく、両面の間には相対的な滑りが発生しにくい状態となるので、接触面での摩耗の発生の軽減がより顕著になる。

請求項３に記載された高圧ポンプによれば、第１凸曲面と第２凸曲面が凸球面であるため、タペットからプランジャに対して押圧力が加わった場合、第１凸曲面と第２凸曲面に発生する水平方向の変位（変形）が互いに同方向に向き、大きさが同程度となるため、両面の間には相対的な滑りが発生せず、接触面で摩耗が発生しにくい。また、第１凸曲面と第２凸曲面の半径の上限値が決められているため、タペットがプランジャに押圧力を加えた時にタペットに生じる傾きに起因して生じるプランジャとタペットの接触面の作用点のずれが小さくなる。このため、プランジャとタペットの接触面に偏摩耗が生じにくい。

請求項４に記載された高圧ポンプによれば、プランジャとタペットを構成する材料の物性に応じて第１凸曲面と第２凸曲面の凸球面としての半径の下限値が決められているため、タペットからプランジャに対して押圧力が加えられた際にタペットとプランジャに働く内部せん断応力の値を許容値よりも小さい値に抑えることができ、第１凸曲面と第２凸曲面の半径を下限値よりも大きくすることで接触面の変形、破損を確実に防止することができる。

請求項５に記載された高圧ポンプによれば、プランジャと接触するタペットの接触面に、タペットの本体よりも硬い材質からなるプレートを設けたので、プランジャとタペットの接触面の硬さの差を小さくすることができ、プランジャとタペットの両方について、接触面での摩耗の発生を軽減することができる。一般にタペットはプランジャと比較した場合、径がより大きく、より複雑な形状をしていることから、より加工のし易い材料が選定される例が多く、その結果としてプランジャの材料よりもタペットの材料の方が柔らかい材料が選定されることが多い。柔らかい材料では、内部せん断応力の許容値も低くなり、第２凸曲面の半径を設定するために設けた前記下限値に制約が生じる。また、プランジャの第１凸曲面とタペットの第２凸曲面を、接平面を基準とした対称形状とした場合においても、プランジャとタペットを構成する材料に上述したような物性の差があれば、接触面の圧縮変形による相対的な滑りを十分に減少させることはできない。しかし、この高圧ポンプでは、プランジャと接触するタペットの接触面に、タペットの本体よりも硬い材質からなるプレートを設けたので、上述したような加工上の要求を満足しつつ、接触面での摩耗の発生を軽減することができる。

実施形態の高圧ポンプの断面図である。 実施形態の高圧ポンプと、従来例の高圧ポンプにおいて、プランジャとタペットの接触状態を比較して示す模式的断面図である。分図（ａ）は、従来の高圧ポンプにおいてタペットがプランジャに押圧力を加えないで接触している状態を示す図であり、分図（ｂ）は、従来の高圧ポンプにおいてタペットがプランジャに押圧力を加えている状態を示す図である。分図（ｃ）は、実施形態の高圧ポンプにおいてタペットがプランジャに押圧力を加えないで接触している状態を示す図であり、分図（ｄ）は、実施形態の高圧ポンプにおいてタペットがプランジャに押圧力を加えている状態を示す図である。 比較例の高圧ポンプについて耐久試験を行なった結果を示す図であって、試験開始前に凸球面であったタペットの接触面の形状と、試験終了後のタペットの接触面の形状とを重ねて示したグラフである。 実施形態の高圧ポンプについて耐久試験を行なった後にタペットの接触面の凸球面の形状を測定した結果と、タペットの接触面の凸球面の理論的な形状を重ねて示したグラフである。 プランジャとタペットの接触面が何れも凸球面である実施形態の高圧ポンプを示す図であって、凸球面の半径ＳＲが異なる２つの構造例におけるプランジャとタペットの接触状態を比較して示す模式的断面図である。分図（ａ）は、半径ＳＲが比較的小さい場合にタペットがプランジャに押圧力を加えないで接触している状態を示す図であり、分図（ｂ）は、半径ＳＲが比較的小さい場合にタペットがプランジャに押圧力を加えており、接触面の作用点に中心からのずれＬ１が生じている状態を示す図である。分図（ｃ）は、半径ＳＲが比較的大きい場合にタペットがプランジャに押圧力を加えないで接触している状態を示す図であり、分図（ｄ）は、半径ＳＲが比較的大きい場合にタペットがプランジャに押圧力を加えており、接触面の作用点に中心からのずれＬ２が生じている状態を示す図である。 プランジャとタペットの接触面が何れも凸球面である実施形態の高圧ポンプにおいて、プランジャとタペットの材料の機械的性質（左縦軸が内部せん断応力（τｗ）、右縦軸がヴィッカース硬さ（ＨＶ））と、材料の表面からの深さ（横軸（ｍｍ））と、プランジャとタペットの凸球面の半径ＳＲとの関係を示す図である。

本発明の実施形態を図１～図６を参照して説明する。
まず、図１を参照して実施形態の高圧ポンプ１の構成を説明する。
図１に示す実施形態の高圧ポンプ１は、燃料蓄圧器（コモンレール）を使用して内燃機関に高圧で燃料を供給する燃料供給システムに用いられるものであり、一例としてコモンレールに供給可能な燃料圧力として１６０ＭＰａ～２５０ＭＰａ程度を想定している。

図１に示すように、高圧ポンプ１は、円筒状のバレル２と、バレル２の内部に軸方向に沿って摺動可能に設けられた円柱状のプランジャ３と、プランジャ３の下端部に当接するとともに、バレル２の内部に軸方向に沿って摺動可能に設けられたタペット４を有している。タペット４の上側には、開口した円筒状の受け部５が設けられており、この受け部５にはばね受け６が設けられている。ばね受け６はプランジャ３の下端部に係合しており、このばね受け６と、バレル２の上部にある燃料室シリンダ７との間には、燃料の供給後にプランジャ３を下方に戻すためのばね８が、プランジャ３及び燃料室シリンダ７を外挿するように設けられている。また、タペット４の下側には、凹部９が設けられており、この凹部９にはローラ１０が回動可能に設けられている。このローラ１０には、内燃機関のカムシャフトに連動するカム１１が当接している。内燃機関の駆動に伴ってカム１１が回動すれば、タペット４が上方に移動し、プランジャ３に押圧力を与えて上方へ移動させ、プランジャ３が燃料室７内の燃料を必要な圧力に加圧して必要なタイミングでコモンレールに供給することができる。

図１に示すように、プランジャ３と接触するタペット４の受け部５の底部には、プランジャ３と接触する円形のプレート１２が設けられている。なお本明細書では、プランジャ３と接触するプレート１２の上面と、プレート１２の上面に接触するプランジャ３の下端面を、何れも接触面と称している。これら部品の構成材料の一例を挙げると、プランジャ３は高炭素クロム軸受鋼鋼材であるＳＵＪであり、タペット４の本体は、ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材であるＳＮＣＭ４３９であり、プレート１２は、クロムモリブデン鋼鋼材であるＳＣＭ４１５を浸炭処理した鋼材である。浸炭処理したＳＣＭ４１５からなるプレート１２は、ＳＮＣＭ４３９からなるタペット４の本体より硬く、ＳＵＪからなるプランジャ３と同程度の硬さとなっている。

プランジャ３がタペット４と接触する接触面を特に第１凸曲面と称する。第１凸曲面の曲面形状は、図１においては視認が困難であるほど微小なものであるが、下方に突出した凸球面、すなわち球面の外面の一部からなる形状となっている。第１凸曲面の球面としての半径ＳＲを図１中に矢印付きの半径として示す。タペット４がプランジャ３と接触する接触面、すなわちプレート１２の上面を特に第２凸曲面と称する。第２凸曲面の曲面形状は、図１においては視認が困難であるほど微小なものであるが、上方に突出した凸球面、すなわち球面の外面の一部からなる形状となっている。第２凸曲面の球面としての半径ＳＲを図１中に矢印付きの半径として示す。なお、これは一数値例にすぎないが、第１凸曲面と第２凸曲面の球面の半径ＳＲは、プランジャ径を１５ｍｍとした場合、２５０ｍｍ程度である。

図２～図４を参照して、プランジャ３の接触面とタペット４（プレート１２）の接触面が何れも凸曲面（第１凸曲面及び第２凸曲面）であることが必要な理由乃至その効果、特に第１凸曲面と第２凸曲面が何れも凸球面であることで得られる本実施形態の優れた効果について説明する。

図２は、プランジャ３とタペット４（プレート１２）の接触面を拡大して模式的に示した断面図（切断面を示す斜線は付していない）である。分図（ａ）、（ｂ）は、プランジャ３ａとタペット４ａの接触面の一方が凸球面で他方が平面である比較例を示しており、ここではプランジャ３ａの接触面（図中上側）が凸球面であり、タペット４ａの接触面（図中下側）が平面である場合を比較例としている。分図（ｃ）、（ｄ）は実施形態を示している。

図２を参照して比較例を説明する。分図（ａ）は、比較例において、押圧力が付加されない状態でプランジャ３ａとタペット４ａが接した状態を示している。分図（ｂ）は、タペット４ａからプランジャ３ａに対して押圧力が付加された状態を示している。分図（ｂ）に示すように、タペット４ａからプランジャ３ａに対して押圧力が付加されると、プランジャ３ａの凸球面の側には圧縮変形が生じ、この圧縮変形により接触面の中心から外側に向かう変位（図中水平方向の矢印で示す。）が発生する。この変位は、接触面の中心ではゼロであり、同心円状に外側の位置ほど大きくなる。一方、平面の接触面に発生する圧縮変形は少なく、変位もほとんど生じない。この結果、プランジャ３ａとタペット４ａのそれぞれの接触面の間には球面の圧縮変形による相対滑りが生じる。

図３は、図２（ａ）、（ｂ）に示すような比較例の高圧ポンプについて耐久試験を行なった結果を示す図であり、試験開始前後のタペット４ａ（プレート）の接触面の断面形状を重ねて示している。試験結果は太い実線で示し、試験開始前の形状に対応する設計上の形状は丸を接続した細い実線で示す。図２（ａ）、（ｂ）に示した比較例では、プランジャ３ａの接触面が凸球面で、タペット４ａの接触面が平面であったが、図３に結果を示した耐久試験は、プランジャの接触面が平面で、タペット４ａ（プレート）の接触面が凸球面である比較例について行なった。なお、図２（ａ）、（ｂ）に示した通りの構造を有する比較例について同様の耐久試験を行なった場合も、図３と同様の結果が得られている。

図３においては、横軸の表示の単位がｍｍ、縦軸の表示の単位がμｍであって、横軸方向の寸法に対して縦軸方向の寸法を概ね２０倍程度に拡大しており、凸球面の円弧の形状が誇張して示されている。なお、図３から分かるように、タペット４ａのプレートの直径は大略２２ｍｍ程度であり、横軸の＋１１ｍｍ付近と－１１ｍｍ付近には、凸球面に連続するプレートの側周面を示す縦線が表れている。

図３に示すように、耐久試験前のタペット４ａの接触面の断面形状と、耐久試験後の測定による断面形状を比較すると、次のようなことが分かる。すなわち、耐久試験後の測定ではタペット４ａの接触面の接触範囲の全体にわたって摩耗が見られるが、中心付近の摩耗は比較的に少なく、突起状に材料が残存しており、中心での摩耗量Ｗは概ね２５μｍである。その一方で、中心の周囲の領域には、中心よりも大きな摩耗が同心円状に発生している。これは、前述した圧縮変形による相対滑りが生じることにより、接触面の中心から離れるほど強く摩耗が発生し、材料がより多く摺り減っていることを裏付けるものである。

次に図２を参照して実施形態を説明する。分図（ｃ）に示すように、押圧力が付加されない状態では、プランジャ３とタペット４は変形することなく接している。分図（ｄ）に示すように、タペット４からプランジャ３に対して押圧力が付加されると、第１凸曲面Ｆ１及び第２凸曲面Ｆ２の各凸球面には圧縮変形が生じ、これにより矢印で示すように接触面の中心から外側に向かう変位が発生する。しかし、第１凸曲面Ｆ１と第２凸曲面Ｆ２は、半径ＳＲが同一であり、両曲面に共通の接平面ＴＰについて対称であるため、第１凸曲面Ｆ１に生じる変位と第２凸曲面Ｆ２に生じる変位も前記接平面ＴＰについて対称となり、このため凸球面である第１凸曲面Ｆ１と第２凸曲面Ｆ２の圧縮変形による相対滑りは軽減される。

図４は、図２（ｃ）、（ｄ）に示す実施形態の高圧ポンプ１について耐久試験を行なった結果を示す図であり、実施形態の高圧ポンプ１について耐久試験を行なった後に、タペット４の第２凸曲面Ｆ２の形状を実際に測定した結果と、タペット４の第２凸曲面Ｆ２の理論的な形状（設計上の形状）を重ねて示したものである。図４は、縦軸と横軸の表示の単位は何れもｍｍであるが、その尺度が異なっており、横軸方向の寸法に対して縦軸方向の寸法が拡大され、凸球面の円弧の形状が誇張して示されている。

図４に示すように、実施形態の高圧ポンプ１について行なった耐久試験の結果、耐久試験後に計測したタペット４のプレート１２の第２凸曲面Ｆ２は、第２凸曲面Ｆ２の理論的な形状、すなわち設計上の形状にほぼ一致していることが分かった。これは、プランジャ３とタペット４の接触面では、図２（ｄ）を参照して説明したように圧縮変形による相対滑りがほとんど生じておらず、相対滑りに起因する摩耗の発生が実際に軽減されていることを意味する。これは、実施形態では、プランジャ３の材料と、タペット４のプレート１２の材料の各物性を同等とし、あるいはその差が許容範囲に収まるように材料を選択したため、第１凸曲面Ｆ１と第２凸曲面Ｆ２を図２（ｃ）に示した接平面ＴＰについて対称形状とすることで、接触面の圧縮変形による相対滑りがゼロに近くなり、接触面での摩耗の発生の軽減がより顕著になったものと考えられる。このため、実施形態の高圧ポンプ１によれば、長寿命化、メンテナンス間隔の長期化の効果が得られる。

なお、第１凸曲面Ｆ１及び第２凸曲面Ｆ２の形態としては、実施形態のように両方とも凸球面とするのが好ましいが、放物面など他の凸曲面の形態であっても、段差がない滑らかな凸曲面であれば、相応の効果が得られる。さらに、第１凸曲面Ｆ１と第２凸曲面Ｆ２の凸球面としての半径は同一の符号ＳＲを付して説明したように同一であったが、これも好ましい例であって、プランジャ３とタペット４（プレート１２）の具体的な形状・寸法の相違や、材料の相違によっては、必ずしも同一であることが要求されるものではない。

次に、図５を参照して、実施形態においてプランジャ３及びタペット４の偏摩耗等を避けるために、凸球面の半径ＳＲの適切な範囲を定める必要性、特に半径ＳＲの値に上限値を設けることが好ましい理由について説明する。

図５は、プランジャ３とタペット４の接触面を凸球面とした実施形態において、同一である第１凸曲面Ｆ１と第２凸曲面Ｆ２の半径ＳＲと、両凸曲面の接触状態を示す模式図である。この模式図は、説明のために接触面の凸球面の湾曲の程度を誇張して示している。

プランジャ３及びタペット４は、往復運動をする中心軸Ｃに対し並行で傾きが無いことが望ましい。しかし実際には、プランジャ３及びタペット４は、バレル２に対して摺動するために、バレル２の内面との間に一定のクリアランスが必要であり、このため、プランジャ３及びタペット４には中心軸Ｃに対して傾きが生じる。この傾きは、摺動面の長さとクリアランスの関係から、タペット４の方でより顕著である。タペット４が傾くと接触面の作用点に中心からのずれが生じる。ずれが生じると、プランジャ３及びタペット４の偏摩耗等の障害の一因となる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、半径ＳＲが比較的小さい場合を示している。図５（ａ）はタペット４がプランジャ３に押圧力を加えないで接触している状態を示し、図５（ｂ）はタペット４がプランジャ３に押圧力を加えており、接触面の作用点が形状的な中心からずれＬ１が生じている状態を示している。

図５（ｃ）及び（ｄ）は、図５（ａ）及び（ｂ）の場合に較べ、半径ＳＲが比較的大きい場合を示している。図５（ｃ）はタペット４がプランジャ３に押圧力を加えないで接触している状態を示し、図５（ｄ）はタペット４がプランジャ３に押圧力を加えており、接触面の作用点が形状的な中心からずれＬ２（＞Ｌ１）が生じている状態を示している。

このように、タペット４の傾きが同じである場合には、半径ＳＲが比較的小さい場合のずれＬ１（図５（ｂ））は、半径ＳＲが比較的大きい場合のずれＬ２（図５（ｄ））よりも小さくなる。従って、タペット４とプランジャ３の材質（材料）にもよるが、接触面の偏摩耗、変形、破損等を防止するためには、前記ずれの値をなるべく小さくすることが好ましく、そのためにはタペット４の第１凸曲面Ｆ１とプランジャ３の第２凸曲面Ｆ２の半径ＳＲには上限値を設けることが好ましい。

例えば、本願発明者等による実験の結果によれば、プランジャ３の径を約φ１５ｍｍとした場合、前述したずれの大きさを許容範囲に収めて接触面の偏摩耗等を軽減するためには、半径ＳＲは４００ｍｍ以下とするのが好ましく、より望ましくは３００ｍｍ以下とするのがよい。

なお、プランジャ３とタペット４は、材質が同一であることを前提として、各々の変位（変形）がなるべく同一となるように、第１凸曲面Ｆ１の半径ＳＲと第２凸曲面Ｆ２の半径ＳＲは同一であることが好ましいものとして説明した。しかしながら、設計的に定められる寸法上の理由等により、両部材の半径ＳＲを同一にできない場合もありうる。その場合には、部材により異なる材料を採用することで同等の耐摩耗性を実現するようにしてもよい。例えば、半径ＳＲを大きく設定せざるを得ない部材については、変形を抑えるためにヤング率が相対的に大きい材料を選択し、相対的に半径ＳＲを小さく設定した部材についてはヤング率が相対的に小さい材料を選択することができる。

次に、図６を参照して、実施形態においてプランジャ３及びタペット４のスポーリングなどの損傷を避けるために、凸球面の半径ＳＲの適切な範囲を定める必要性、特に半径ＳＲの値に下限値を設けることが好ましい理由について説明する。

図６は、プランジャ３とタペット４に用いられる材料の機械的性質（左縦軸の内部せん断応力（τｗ）と、右縦軸のヴィッカース硬さ（ＨＶ））と、最大となる内部せん断応力が発生する位置の材料の表面からの深さ（横軸（ｍｍ））と、プランジャ３とタペット４の凸球面の半径ＳＲとの関係を示す図である。材料のせん断強度は硬度から換算して求めることが一般に行われており、そのせん断強度に対して、安全率を考慮し、０．５５倍以下のせん断応力の範囲では接触面に損傷が発生しないことが知られている。その硬度と損傷が発生しない許容せん断応力の関係性を図６の縦軸で示し、高圧ポンプの負荷圧力１６０ＭＰａと２５０ＭＰａの場合に発生するせん断応力を図内にプロットした。

図６に示すように、プランジャ３とタペット４の間で所定の押圧力を発生させる場合、半径ＳＲが小さいほど内部せん断応力は大きくなる。また、材料のせん断強さに対して、内部せん断応力を一定の比率以下に抑えればスポーリングなどの損傷を防止できることも知られている。
例えば図６において、ＨＶ２７０を示す横軸に平行な線を想定すると、この線と、高圧ポンプの負荷圧力が１６０ＭＰａにおける半径ＳＲを示す曲線との交点におけるＳＲは約８００ｍｍとなる。従って、ＨＶ２７０の材料を用いる場合、半径ＳＲが８００ｍｍより小さい範囲（ＨＶ２７０を示す線よりも上の範囲）では、内部せん断応力が許容値を超えることになるが、半径ＳＲが８００ｍｍより大きい範囲（ＨＶ２７０を示す線よりも下の範囲）であれば、内部せん断応力は許容値よりも小さくなる。従って、内部せん断応力が、使用する材質における許容値を上回らないようにするためには、使用する材料の硬さ（ＨＶ) に応じて半径ＳＲの下限を設定すればよい。上述したＨＶ２７０の材料を用いる場合であれば、半径ＳＲの下限を８００ｍｍとすること、すなわち半径ＳＲは８００ｍｍ以上とすることが好ましい。
また、同様に、他の数値例を挙げれば、前述した硬度ＨＶ６５０以上の材料を使用した場合には、高圧ポンプの負荷圧力が１６０ＭＰａでは半径ＳＲは２００ｍｍ以上とすることが好ましく、高圧ポンプの負荷圧力が２５０ＭＰａでは２５０ｍｍ以上とすることが好ましい。このように半径ＳＲの下限を設定することにより、押圧力が付加された際に内部せん断応力が許容値に達する半径よりも、半径ＳＲが大きく設定され、接触面の変形、破損が防止される。
ここで図５にて説明したように、半径ＳＲには接触面の作用点のずれの大きさを許容範囲に収めるための上限が存在する。図５の例においてはこの上限が４００ｍｍであるので、ＨＶ２７０の材料を用いた場合には半径ＳＲの下限値が８００ｍｍであり、上限値を上回ってしまい設計が成立しない。したがってプランジャおよびタペットの接触面を構成する材料の選定においては、図５の説明による上限値より図６の説明による下限値が小さくなるような硬度ＨＶを有する材料を選択する必要がある。つまり、プランジャ３とタペット４の作用点のずれの大きさを許容範囲に収めるための半径ＳＲの上限値と、内部せん断応力が許容せん断応力より小となる半径ＳＲの下限値とが、等しくなる硬度ＨＶの値よりも高い硬度ＨＶを有する材料とされる。

以上、実施形態におけるプランジャ３及びタペット４の凸球面の半径ＳＲの適切な範囲について説明したが、タペット４とプランジャ３にＨＶ６５０以上の硬度の材料を使用し、プランジャ３の径を約φ１５ｍｍとした上述の例では、好ましい範囲は２００ｍｍ≦ＳＲ≦４００ｍｍとなり、より好ましく２５０ｍｍ≦ＳＲ≦３００ｍｍとなる。

１…高圧ポンプ
２…バレル
３…プランジャ
４…タペット
１１…カム
１２…タペットのプレート
Ｆ１…第１凸曲面
Ｆ２…第２凸曲面
ＴＰ…接平面
ＳＲ…凸球面である第１凸曲面及び第２凸曲面の半径

Claims (5)

1. 燃料を加圧するプランジャと、
   前記プランジャを往復して動作させるためのカムと、
   前記プランジャと前記カムとの間に設けられ前記カムの動作を前記プランジャへ押圧力として伝達するタペットと、を備えた高圧ポンプであって、
   前記プランジャの前記タペットとの接触面は第１凸曲面とされ、かつ、前記タペットの前記プランジャとの接触面は第２凸曲面とされていることを特徴とする高圧ポンプ。
2. 前記第１凸曲面と前記第２凸曲面は、前記第１凸曲面と前記第２凸曲面の接平面を基準とした対称形状であることを特徴とする請求項１に記載の高圧ポンプ。
3. 前記第１凸曲面と前記第２凸曲面は凸球面であり、
   前記凸球面の半径は、
   前記タペットの傾きによる前記プランジャと前記タペットの接触面の作用点のずれを許容値以下とする値を上限値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧ポンプ。
4. 前記第１凸曲面と前記第２凸曲面は凸球面であり、
   前記凸球面の半径は、
   前記プランジャと前記タペットを構成する材料に応じ、前記プランジャと前記タペットの内部せん断応力を許容値以下とする値を下限値とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の高圧ポンプ。
5. 前記タペットには、前記プランジャとの接触面に前記タペットの本体よりも硬い材質からなるプレートが備えられ、当該プレートに前記第２凸曲面が設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の高圧ポンプ。

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