JP4664989B2 - ピストンポンプ、特に内燃機関に用いられる燃料高圧ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ピストンポンプ、特に内燃機関に用いられる燃料高圧ポンプであって、ケーシングとピストンとが設けられていて、このピストンが、作業室を制限しており、この作業室とは反対の側に段部を有している形式のものに関する。

冒頭で述べた形式のピストンポンプは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３４０６６号明細書から公知である。この明細書には単気筒ピストンポンプが記載されていて、この単気筒ピストンポンプのピストンを、偏心軸によって往復運動させることができる。ピストンは大きな直径を有する領域と、小さな直径を有する領域とを有している。この場合、より大きな直径を有する領域は組付け位置で作業室に隣接されている。より大きな直径の領域を有する公知のポンプの場合、ピストンは直接ケーシングに案内されており、この領域で先行して作業室からケーシング内に装入されている。ピストンをケーシング内に装入する開口は、ピストンを装入した後に量制御弁により閉鎖される。

ケーシング内にピストンを装入した後、ピストンの、作業室とは反対側の端部にピストンばねが被せ嵌められ、続いてこの端部にばね受けが固定される。このばね受けにおいてピストンばねを支持することができる。ばね受けの固定のためにピストンに溝が加工されていて、この溝内に止め輪が係合している。この止め輪においてばね受けがやはり支持される。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のピストンポンプを改良して、より迅速でかつより簡単に製造できる形式のものを提供することである。

この課題は、冒頭で述べた形式のピストンポンプの場合には、ピストンが作業室側の端部で先行してケーシング内に挿入され、このケーシングにストッパエレメントが固定されていて、このストッパエレメントが、ストッパを有していて、このストッパが少なくとも時折段部と協働することにより解決される。

発明の利点
ピストンが作業室側の端部で先行してケーシング内に挿入できることで、ピストンは同じ開口を通って挿入することができる。この開口にピストンは後に運転時にケーシングに案内されている。従って、ピストンを組み付けるための付加的な開口は省略することができる。これによりピストンポンプの設計時における自由度は高められ、ケーシングの製造コストおよび組み付けの手間は減じられる。そうではあるものの、ケーシング内へのピストンの挿入の後、およびたとえば内燃機関でのピストンポンプの組付け前に、落下は確実にストッパエレメントにより防がれる。従って、ポンプを前組付け状態で内燃機関の製造者に運ぶことができる。これにより、支承、搬送および内燃機関への組込みは簡略化される。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、段部が、環状の段によりピストンに形成されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、環状の段が、作業室から流体的に隔てられている補償室を制限しており、該補償室が、作業室からは離れている流入側の量制御弁の領域と結合している。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、補償室と量制御弁との間に、圧力減衰器が配置されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、環状の段の液圧的に有効な面が、作業室内に突入しているピストンの液圧的に有効な面のほぼ半分の大きさである。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、ストッパエレメントが、半径方向内側に位置する領域を備えた、ピストンに対して同心的なスリーブ部分を有していて、半径方向内側に位置する領域にストッパが形成されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、ストッパエレメントが、ピストンに対して同心的なスリーブ部分を有しており、該スリーブ部分が、半径方向外側に位置する領域に軸線方向に延びる固定区分を有しており、該固定区分においてスリーブ部分が、ケーシングと結合しており、有利には圧入および／または溶接されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、ピストンばねが、スリーブ部分の半径方向に延在している区分において支持されており、該区分が、軸線方向の固定区分の半径方向内側に配置されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、当該ピストンポンプが、ケーシング固定式のピストンシール部材を有しており、該ピストンシール部材が、ピストンの外周面に接触しており、かつ圧送領域を駆動領域から隔てており、ピストンシール部材が、ストッパエレメントの保持区分によって保持される。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、ストッパエレメントが、ピストンシール部材を保持する第１スリーブ部分と、ストッパが設けてある第２スリーブ部分とを有している。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、保持区分が収容室を有しており、該収容室内にピストンシール部材が収容されており、収容室が、第１スリーブ部分と第２スリーブ部分との間に形成される。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、両スリーブ部分が、互いに緊締されている。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、両スリーブ部分とピストンシール部材とが、前組付け式の構成群を形成する。

本発明に係るピストンポンプは、有利には、ピストンばねのための支持エレメントが、ピストンの作業室から離れた端部に押し付けられており、ピストンが、支持エレメントが押し付けられている間、作業室の壁に支持されるようになっている。

本発明によるピストンポンプの有利な構成では、段部が環状の段によりピストンに形成されている。このような段ピストンは、簡単でかつ廉価に製造することができる。さらに、提案されたピストンの環状の段は、この領域でピストンポンプを全体的により小さく構成することができるという利点をなお有している。これにより内燃機関への組込みはさらに軽減される。

このための改良形では、環状の段が作業室から流体的に隔てられた補償室を制限している。この補償室は流入側の量制御弁の、作業室から離れた領域と結合している。この種の流入側の量制御弁の運転時には、ピストンの圧送行程中にピストンポンプの流入部の領域に著しい圧力脈動が起こる。環状の段と補償室とにより圧送行程中に、圧送行程の経過中に付加的に拡大する補償容積がもたらされる。この補償容積はこのような圧力脈動の減衰のために提供されている。さらに、この種のピストンポンプでは運転中に、補償室と作業室との間の圧力差が減じられる。これによりピストンの案内ギャップを通り抜ける漏れが減じられ、従って、ピストンポンプの効率が高められる。

この種のピストンポンプの場合に、補償室と量制御弁との間に圧力減衰器が配置されていると特に有利である。補償室が設けられていることにより圧力減衰器はより小さく構成することができる。このことは総じて本発明によるピストンポンプの寸法の縮小に貢献する。さらに、補償室に提供された補償容積により、圧力減衰器が故障した場合に生じる恐れのある圧力ピークが減じられる。その結果、ピストンポンプの流入側の部分と、ピストンポンプの流入部に接続されている低圧システムとが、最大の圧力用に設計することもできる。このことは同様に簡略化とコスト削減とに貢献する。

環状の段の液圧的に有効な面が、作業室内に突出しているピストンの液圧的に有効な面のほぼ半分の大きさに寸法設定されていると特に有利である。「ほぼ半分の大きさ」は、作業室に突出している、ピストンの液圧的に有効な面の４０〜６０％の領域を含んでいる。

本発明によるピストンポンプの別の具体的な構成では、ストッパエレメントが、半径方向内側に位置する領域を備えた、ピストンに対して同心的なスリーブ部分を有している。半径方向内側に位置する領域にはストッパが形成されている。この種のスリーブ部分は、たとえば薄板成形部分として廉価に製造することができる。

さらにストッパエレメントは半径方向外側に位置する領域に軸線方向に延びている固定区分を有している、ピストンに対して同心的なスリーブ部分を有することができる。このスリーブ部分は固定区分においてケーシングと結合していて、有利には圧入および／または溶接されている。これによりケーシングでのストッパエレメントの固定部は半径方向で比べてさらに外側に位置する領域に敷設される。この領域はピストンとピストンシール部から最大限に離されている。従って、本発明によるピストンポンプの組付けもしくは製造時に、この敏感な部分の損壊のリスクは減じられる。このことは、特にケーシングでの溶接シームによるストッパエレメントの固定に当てはまる。溶接シームの製造時には溶接スパッタが生じる恐れがあり、さらに製造時に溶接個所の近くにある構成部材のねじれに繋がる恐れがある。

この利点は、ピストンばねが、スリーブ部分の半径方向に延在している区分に支持されると特に有利である。スリーブ部分は、軸線方向の固定区分から半径方向内側に配置されている。さらに、今やこのようなストッパエレメントが第３の機能を果している、つまりピストンばねの支持である。これによりさらに製造の手間および組付けの手間が減じられ、ピストンポンプの寸法は縮小される。

本発明によるピストンポンプの特に有利な構成は、ピストンポンプがケーシング固定式のピストンシール部材を有していて、このピストンシール部材がピストンの周壁面に接触し、圧送領域を駆動領域から隔てていて、ピストンシール部材が、ピストンエレメントの保持区分によって保持されることにより特徴付けられる。このピストンポンプでは、ストッパエレメントがつまり二重機能を有している、つまりストッパエレメントが付加的にピストンシール部材を支持する。ピストンポンプの構成部材のこのような二重機能が、製造および組付け時のコスト削減に貢献し、さらに本発明のピストンポンプの比較的小さな構造が得られる。

ピストンシール部材が、段付けされたピストンにおける比較的小さな直径を有するピストン領域に接触すると、さらにシールしようとする周壁が減じられる。つまり駆動装置領域への漏れ箇所および駆動装置領域からの燃料の漏れ箇所が減じられることに直接影響する（駆動領域は一般的に、潤滑手段によって少なくとも部分的に満たされたもしくは汚染された領域である）。

ストッパエレメントは、ストッパが設けられている第１スリーブ部分と、ピストンシール部材を保持している第２スリーブ部分とを有することができる。これらのスリーブ部分は僅かな手間で製造することができる。

このために改良形では、保持区分が、ピストンシール部材を収容する収容室を有していて、この収容室が第１スリーブ部分と第２スリーブ部分との間に形成されていることを提案している。この種の収容室は、ピストンシール部材の単純で確実、さらに保護された支持を可能にしている。

両スリーブ部分の簡単な接合方法は、両スリーブ部分が互いに加圧され緊締されていることである。さらに溶接結合とは異なり、ストッパエレメントのねじれが回避される。

この場合、両スリーブ部分とピストンシール部材とが前組付け式の構成群を形成すると特に有利である。この前組付け式の構成群は、ケーシングの案内開口へのピストンの装入後に、ピストン全体に被せ嵌められる。これにより組付け時間が節約される。この前組付け式の構成群の被嵌後に、ピストンばねが装着され、続いて作業室とは反対側のピストンの端部にばね受けを、たとえばプレス結合により結合することができる。このためにピストンの作業室側の端部をこの端部と相対している作業室の制限壁に、たとえば量制御弁の損壊の恐れなしに押圧することができる。

図面
以下に、本発明の特に有利な実施例を添付図面につき詳しく説明する。

実施例の説明
燃料システム全体を図１では符号１０で示してある。この燃料システム１０は燃料タンク１２を有していて、この燃料タンク１２からプレフィードポンプ１４が燃料をピストンポンプとして形成されている高圧燃料ポンプ１６に圧送する。この高圧燃料ポンプ１６は燃料を極めて高い圧力に圧縮し、燃料レール１８に圧送する。この燃料レール１８には複数のインジェクタ２０が接続されている。これらのインジェクタ２０は燃料を、インジェクタ２０に対応配置されている燃焼室２２内に直接噴射する。ピストンポンプ１６は、結合部材２４により示してあるように、内燃機関によって機械的に駆動される。ピストンポンプ１６の圧送量を制御するために、ピストンポンプ１６は入口側に量制御弁２６を有している。

図２にピストンポンプ１６を詳細に示した。図２によれば、ピストンポンプ１６は全体としてほぼシリンダ状のケーシング２８を有している。このケーシング２８は、図２では上方に向かってカバー３０により閉鎖されている。このカバー３０の下方には、後に詳細に説明するが、図２では見えない圧力減衰器が配置されている。図２では、ケーシング２８内に段付き孔３２が下方から加工されている。この段付き孔３２内にピスントンブシュ３４が装入されている。このピストンブシュ３４内で、やはりピストン３６が極めて僅かな遊びをもって軸線方向に移動可能に案内されている。

ピストン３６と図２の段付き孔３２の上側端部とが作業室３８を制限している。ケーシング２８の側方に配置されている量制御弁２６から、吸込み行程の間に流入部４０を介して作業室３８内に燃料が到達する。ピストン３６の圧縮行程の間に燃料は作業室３８から流出部４２を介して燃料レール１８に向かって噴出される。

ピストン３６は段付きピストンとして、作業室３８寄りの比較的大きな直径を有する領域４４と、作業室３８から離れた比較的小さな直径を有する領域とを備えて形成されている。ピストン３６の両領域４４，４６の間には、環状の段４８が設けられていて、この段４８により段部が形成される。この段部については、後で詳しく説明する。領域４４，４６にとって典型的な直径は、９ｍｍもしくは６ｍｍである。図２から分かるように、ケーシング２８は接続短管部５０で、内燃機関のエンジンブロック５４の収容開口５２内に装入されている。この場合、ピストン３６の、作業室３８とは反対側の端部は、駆動軸２４の偏心区分５６と協働する。

ピストンブシュ３４の案内開口にピストン３６を装入してから、ピストン３６の、作業室３８とは反対側の端部から、構成群５８（図３に詳しく図示）がケーシング２８に組付けられる。この構成群５８は、ストッパエレメント６０とピストンシール部材６２とを有している。ストッパエレメント６０は、第１スリーブ部分６４と第２スリーブ部分６６とからやはり成っている。両スリーブ部分６４，６６とピストンシール部材６２とは、ピストン３６に対して同心的に配置されている。ピストンシール部材６２は、組付け位置でピストン３６の周壁面に接触しており、燃料側の圧送領域６８をエンジンオイル側の駆動領域７０から分離している（図２参照）。

第１スリーブ部分６４は、半径方向内側に位置しており、管状で軸線方向に延在する内側区分７２と、作業室３８もしくは圧送領域６８に向いている、内側区分７２の端部に成形されている半径方向に延在する中間区分７４と、駆動領域７０に向かって軸線方向で延在している、中間区部７４の半径方向外側に成形されている外側区分７６とを有している。第２スリーブ部分６６は、半径方向内側に位置する環状の内側区分７８と、軸線方向で作業室３８もしくは圧送領域６８に向かって延在している、内側区分７８の半径方向外側に成形されている中間区分８０と、半径方向外側に延在している、中間区分８０に成形されている外側区分８２とを有している。第２スリーブ部分６６の中間区分８０の外径と、第１スリーブ部分６４の内側区分７２の内径とは、第２スリーブ部分６６の内側区分７８と中間区分８０とがプレス嵌めにより第１スリーブ部分６４の内側に保持されているように少なくとも部分的に互いに適合している。

第１スリーブ部分６４の内側区分７２の、作業室３８もしくは圧送領域６８とは反対側の自由端部には、半径方向内側に向けられた短い折曲部８４が設けられている。この折曲部８４は、第１スリーブ部分６４の内側区分７２の領域と、第２スリーブ部分６６の内側区分７８と共に、環状収容室８６としてピストンシール部材６２用の保持区分を形成する。

既述したように、構成群５８はピストン３６の組付け後にピストン３６の領域４６に被せ嵌められる。この場合、第１スリーブ部分６４の外側区分７６の外面は８８内に圧入され、ケーシング２８の接続短管部５０と溶接される。こうしてピストンばね９０が組付けられる。このピストンばね９０の直径は、ピストンばねが、一方の端部で第１スリーブ部分６４の内側区分７２に隣接する中間区部７４の領域において軸線方向で支持されるように選択される。内側区分７２の中間区部７４に隣接する領域は、僅かに拡大された直径を有している。この直径によりピストンばね９０は、その自由な運動性を内側区分７２により総じて制限されることなく調心される。

こうしてピストン３６の作業室３８もしくは圧送領域６８とは反対側の端部に、ばね受け９２として形成された支持エレメントがプレス嵌めされる。この支持エレメントにおいてピストンばね９０の他方の端部が同様に軸線方向に支持される。ばね受け９２をピストン３６にプレス嵌めする場合、ピストン３６の作業室３８に面した端部は、作業室３８を制限するケーシング２８の壁に支持される。従って、ピストンばね９０は、ばね受け９２と第１スリーブ部分６４の中間区部７４との間で緊締されている。

ピストン３６の領域４４の外径が、第２スリーブ部分６６の内側区分７８の内径よりも大きいので、段部４８は、ピストンポンプ１６が収容開口５２内に装入されていない場合は、第２スリーブ部分６６の内側区分７８に接触している。つまり第２スリーブ部分６６は、ピストン３６の段部４８のためのストッパを形成しており、ピストンポンプ１６が内燃機関のエンジンブロック５４に取り付けられていない間に、ピストン３６が完全に組み付けられたピストンポンプ１６から外れ落ちることを防いでいる。ピストンポンプ１６をエンジンブロック５４に設けられている収容開口５２内に組み込むと、ストッパ７８と段部４８との間の接触は、図２に示してあるように回避されていることが分かる。

図２からは、補償室９４が、ピストン３６と、第２スリーブ部分６６と、第１スリーブ部分６４の中間区分７４と、ケーシング２８とにより制限されることも分かる。補償室９４は、通路９６を介して圧力減衰器（図４および図５においては符号９８で示す）に結合されている。さらに量制御弁の作業室３８とは反対の側にある領域が、通路１００を介して圧力減衰器９８に結合されている。

補償室９４の機能は、図４および図５から明らかになる。吸込み行程（図４）の際に、ピストン３６は矢印１０２の方向で運動する。燃料は組み合わされた流入弁／量制御弁２６を通って、圧力減衰器９８と通路９６を介して補償室９４とから作業室３８内に流入する。このために圧力減衰器９８は通路１０４を介してプレフィードポンプ１４の流出部に接続されている。

圧縮行程（図５）中は、ピストン３６は矢印１０６の方向で運動する。これにより、作業室３８内に閉じ込められた燃料は圧縮され、流入弁／量制御弁２６が閉じられていて、流出弁１０８が開放されている場合、流出部４２を介して燃料レール１８に向かって噴出される。

圧送量を減じるために、まだ圧縮行程中に流入弁／量制御弁２６が開放される。これにより高圧下にある燃料は、矢印１１０に従い作業室３８から流出する。これにより生じる圧力脈動は圧力減衰器９８により減じられる一方で、流出する燃料容量は、圧縮行程の間に拡大する補償室９４の容量によっても収容される。この場合、補償室９４の相応の行程量は、ピストン３６の両領域４４，４６の間の段部４８の面により規定される。図５には一点鎖線１１２により行程量が示してあり、この行程量は作業室３８の約４０〜６０％に当たる（図４では符号１１４により示す）。さらに、吸込み行程中に補償室９４の容量が縮小することにより、作業室３８の充填が促進される。このことはピストンポンプ１６のダイナミックスおよび効率の改善にも繋がる。

ピストンポンプとして形成された燃料高圧ポンプを備えた内燃機関の燃料システムの概略図である。 図１の燃料ポンプの部分断面図である。 図１のピストンポンプの構成群の断面図である。 図１のピストンポンプの機能形式を説明するための第１基本図である。 図１のピストンポンプの機能形式を説明するための第２基本図である。

Claims (12)

1. ピストンポンプ（１６）であって、ケーシング（２８）とピストン（３６）とが設けられており、該ピストン（３６）の端部領域は作業室（３８）の制限壁の一部分であり、ピストン（３６）は該作業室（３８）とは反対の側に段部（４８）を有しており、ピストン（３６）が、作業室側の端部で先行してケーシング（２８）内に挿入されている形式のものにおいて、ケーシング（２８）にストッパエレメント（６０）が固定されており、該ストッパエレメント（６０）が、ストッパ（７８）を有しており、該ストッパ（７８）が、少なくとも時折段部（４８）と協働しており、前記段部は環状の段（４８）によりピストン（３６）に形成されており、環状の段（４８）は作業室（３８）から流体的に隔てられている補償室（９４）の制限壁の一部分であり、補償室（９４）は作業室（３８）から離れている流入側の量制御弁（２６）の領域に接続されていることを特徴とする、ピストンポンプ。
2. 補償室（９４）と量制御弁（２６）との間に、圧力減衰器（９８）が配置されている、請求項１記載のピストンポンプ。
3. 環状の段（４８）の液圧的に有効な面が、作業室（３８）内に突入しているピストン（３６）の液圧的に有効な面のほぼ半分の大きさである、請求項１又は２記載のピストンポンプ。
4. ストッパエレメント（６０）が、半径方向内側に位置する領域を備えた、ピストン（３６）に対して同心的なスリーブ部分（６６）を有していて、半径方向内側に位置する領域にストッパ（７８）が形成されている、請求項１から３までのいずれか一項記載のピストンポンプ。
5. ストッパエレメント（６０）が、ピストン（３６）に対して同心的なスリーブ部分（６４）を有しており、該スリーブ部分（６４）が、半径方向外側に位置する領域に軸線方向に延びる固定区分（７６）を有しており、該固定区分（７６）においてスリーブ部分（６４）が、ケーシング（２８）と結合しており、有利には圧入および／または溶接（８８）されている、請求項１から４までのいずれか一項記載のピストンポンプ。
6. ピストンばね（９０）が、スリーブ部分（６４）の半径方向に延在している区分（７４）において支持されており、該区分（７４）が、軸線方向の固定区分（７６）の半径方向内側に配置されている、請求項５記載のピストンポンプ。
7. 当該ピストンポンプ（１６）が、ケーシング固定式のピストンシール部材（６２）を有しており、該ピストンシール部材（６２）が、ピストン（３６）の外周面に接触しており、かつ圧送領域（６８）を駆動領域（７０）から隔てており、ピストンシール部材（６２）が、ストッパエレメント（６０）の保持区分（８６）によって保持される、請求項１から６までのいずか一項記載のピストンポンプ。
8. ストッパエレメント（６０）が、ピストンシール部材（６２）を保持する第１スリーブ部分（６４）と、ストッパ（７８）が設けてある第２スリーブ部分（６６）とを有している、請求項７記載のピストンポンプ。
9. 保持区分が収容室（８６）を有しており、該収容室（８６）内にピストンシール部材（６２）が収容されており、収容室（８６）が、第１スリーブ部分（６４）と第２スリーブ部分（６６）との間に形成される、請求項８記載のピストンポンプ。
10. 両スリーブ部分（６４，６６）が、互いに緊締されている、請求項８または９記載のピストンポンプ。
11. 両スリーブ部分（６４，６６）とピストンシール部材（６２）とが、前組付け式の構成群（５８）を形成する、請求項８または１０記載のピストンポンプ。
12. ピストンばね（９０）のための支持エレメント（９２）が、ピストン（３６）の作業室（３８）から離れた端部に押し付けられており、ピストン（３６）が、支持エレメント（９２）が押し付けられている間、作業室（３８）の壁に支持されるようになっている、請求項１から１１までのいずれか一項記載のピストンポンプ。

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