JP5003522B2 - ポンプ用プランジャおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体を吸入・吐出するポンプのプランジャおよびその製造方法に関する。

燃料を加圧して吐出する従来のポンプは、金属製のプランジャ本体にセラミックコーティングの表面処理を施して、耐摩耗性の向上や、プランジャとシリンダの焼き付き防止を図っている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−２２７５５３号公報

ところで、金属製のプランジャ本体からセラミック層を剥がす力となるせん断力は、プランジャの外周面に近い位置ほど大きく、プランジャの軸に近くなるほど小さくなる。そこで、セラミック層の膜厚を十分に厚くすることができれば、プランジャ本体とセラミック層との界面がプランジャの外周面から遠くなり、その界面に作用するせん断力が小さくなり、セラミック層が剥がれにくくなる。

しかしながら、セラミックコーティングによるセラミック層の膜厚は、実状能力は数μｍであるため、プランジャ本体とセラミック層との界面がプランジャの外周面に近くなって界面に大きなせん断力が作用し、プランジャ本体からセラミック層が剥がれ易いという問題があった。

そこで、プランジャ全体をセラミックにて形成すればセラミック層の剥がれの問題は解決できるが、この場合には、一般的に金属材料よりもセラミック材料の方が高価であり、また、加工時間も長くなって生産性が悪いという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、セラミック層を備えるプランジャにおいて、セラミック層を剥がれ難くすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、シリンダ（１３）内でプランジャ（１４）が往復動してポンプ室（１５）に流体を吸入し吐出するポンプに用いるプランジャであって、金属よりなる第１部材（１４１）と、焼結セラミックよりなるとともに第１部材（１４１）の外周側およびポンプ室（１５）に対向する端部側を覆うように配置された第２部材（１４２）とを備え、第１部材（１４１）および第２部材（１４２）は、第１部材（１４１）および第２部材（１４２）の相対移動を制限する係合部（１４１１、１４１３、１４２１）を備え、 係合部（１４１１、１４１３、１４２１）は、第１部材（１４１）のポンプ室（１５）側の端部における断面積が縮小してくびれた縮小部（１４１４）に第２部材（１４２）が嵌り込んで構成されていることを特徴とする。

これによると、焼結セラミックは、その厚さを、セラミックコーティングによるセラミック層の膜厚よりも十分に大きくすることができるため、第２部材（１４２）を第１部材（１４１）から剥がれ難くすることが可能になる。

また、第１部材（１４１）と第２部材（１４２）間のがたつきを防止ないしは抑制することができる。また、他の部材を用いて第１部材（１４１）と第２部材（１４２）の相対移動を制限する場合よりも、部品点数が少なく、且つ組み付け工数が少なくなる。

さらに、簡単な構成で、第１部材（１４１）と第２部材（１４２）間のがたつきを防止ないしは抑制することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の一実施形態および参考例相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（一実施形態）
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態に係るプランジャを備えるポンプは、圧縮着火式内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴射装置において、高圧の燃料を蓄えるコモンレールに高圧の燃料を供給するサプライポンプとして用いられる。

図１は本実施形態に係るプランジャを備えるポンプの構成を示すもので、ポンプハウジング１０には、その下端側に位置するカム室１０ａと、このカム室１０ａからポンプハウジング１０の上方に向かって延びる円柱状の摺動子挿入孔１０ｂと、この摺動子挿入孔１０ｂからポンプハウジング１０の上端面まで延びる円柱状のシリンダ挿入孔１０ｃとが形成されている。

カム室１０ａには、図示しない圧縮着火式内燃機関にて駆動されるカム軸１１が配置され、このカム軸１１はポンプハウジング１０に回転自在に支持されている。また、カム軸１１にはカム１２が形成されている。

シリンダ挿入孔１０ｃには、シリンダ挿入孔１０ｃを塞ぐようにしてシリンダ１３が取り付けられている。このシリンダ１３には、円柱状のプランジャ挿入穴１３ａが形成されており、このプランジャ挿入穴１３ａに、円柱状のプランジャ１４が往復動自在に挿入されている。そして、このプランジャ１４の上端面とシリンダ１３の内周面とによりポンプ室１５が形成されている。

プランジャ１４の下端にシート１４ａが連結されており、このシート１４ａはスプリング１６によって摺動子１７に押し付けられている。この摺動子１７は、円筒状に形成されており、摺動子挿入孔１０ｂに往復動自在に挿入されている。また、摺動子１７にはカムローラ１８が回転自在に取り付けられており、このカムローラ１８はカム１２に当接している。そして、カム軸１１の回転によりカム１２が回転すると、シート１４ａ、摺動子１７およびカムローラ１８とともに、プランジャ１４が往復駆動されるようになっている。

シリンダ１３とポンプハウジング１０との間には、燃料溜り１９が形成されている。この燃料溜り１９には、図示しないフィードポンプから吐出される低圧の燃料が、図示しない低圧燃料配管を介して供給されるようになっている。また、燃料溜り１９は、シリンダ１３に形成された吸入通路１３ｂ、および電磁弁３０内の吸入通路３１ａを介して、ポンプ室１５に連通されている。

シリンダ１３の側面には、ポンプ室１５に常時連通する吐出通路１３ｃが形成されている。そして、ポンプ室１５は、この吐出通路１３ｃ、吐出弁２０、および図示しない高圧燃料配管を介して図示しないコモンレールに接続されている。

吐出弁２０は、吐出通路１３ｃの下流側においてシリンダ１３に取り付けられている。この吐出弁２０は、吐出通路１３ｃを開閉する弁体２０ａと、この弁体２０ａを閉弁向きに付勢するスプリング２０ｂとを備えている。そして、ポンプ室１５で加圧された燃料は、スプリング２０ｂの付勢力に抗して弁体２０ａを開弁向きに移動させ、コモンレールに圧送されるようになっている。

電磁弁３０は、プランジャ１４の上端面に対向した位置において、ポンプ室１５を閉塞するようにしてシリンダ１３に螺合固定されている。電磁弁３０のボディ３１には、一端がポンプ室１５に連通し他端が吸入通路１３ｂに連通する吸入通路３１ａと、この吸入通路３１ａ中に配置されたシート部（図示せず）とが形成されている。

また、この電磁弁３０は、通電時に吸引力を発生するソレノイド３２、ソレノイド３２により吸引されるアーマチャ３３、このアーマチャ３３を反吸引側に向かって付勢するスプリング３４、アーマチャ３３と一体に移動してシート部に接離することにより吸入通路３１ａを開閉する弁体３５、この弁体３５の開弁時の位置を規制するストッパ３６とを有している。ストッパ３６は、電磁弁３０とシリンダ１３に挟持されており、吸入通路３１ａとポンプ室１５とを連通させる連通孔（図示せず）が多数形成されている。

次に、本実施形態になるポンプの要部の構成について詳述する。図２は図１のポンプにおけるプランジャ１４の構成を示す断面図である。

図２に示すように、プランジャ１４は、金属よりなる略円柱状の第１部材１４１と、焼結セラミックよりなる有底円筒状の第２部材１４２とからなる。第１部材１４１の外周側に第２部材１４２が配置され、第１部材１４１と第２部材１４２は一体になっている。そして、第２部材１４２の外周面が、シリンダ１３（図１参照）と摺動するようになっている。

第１部材１４１は、円柱状の本体部１４１１を備えている。この本体部１４１１の一端に、シート１４ａ（図１参照）と連結される円板状の連結鍔部１４１２が形成されている。本体部１４１１の他端に、第２部材１４２と係合する円板状の係合拡大部１４１３が形成されている。本体部１４１１と係合拡大部１４１３との間には、本体部１４１１および係合拡大部１４１３よりも断面積が縮小した縮小部１４１４が形成されている。具体的には、この縮小部１４１４は環状の溝である。

第２部材１４２は、第１部材１４１の本体部１４１１、係合拡大部１４１３、および縮小部１４１４を覆っている。第１部材１４１の縮小部１４１４に第２部材１４２の係合突起部１４２１が嵌り込んでおり、これにより、係合突起部１４２１が第１部材１４１の本体部１４１１や係合拡大部１４１３と係合して、第１部材１４１と第２部材１４２がそれらの軸方向に相対的に移動するのを防止する。なお、本体部１４１１、係合拡大部１４１３、および係合突起部１４２１は、本発明の係合部を構成する。

ここで、第２部材１４２のうち第１部材１４１の本体部１４１１の外周部に位置する部位におけるプランジャ径方向の寸法を、第２部材１４２の厚さとしたとき、第２部材１４２の厚さを、プランジャ１４の直径の１／８〜１／４程度とするのが望ましい。これによれば、第１部材１４１と第２部材１４２の界面を、プランジャ１４の外周面（すなわち第２部材１４２の外周面）から遠ざけて、その界面に作用するせん断力を小さくして第２部材１４２が第１部材１４１から剥がれることを防止できるとともに、高価なセラミック材料の使用量を抑制することができる。

このプランジャ１４は、以下のようにして製造される。まず、第１部材１４１を最終形状に加工した後に、焼き入れ焼き戻しの熱処理を行う。次に、熱処理後の第１部材１４１を成形用の型に入れ、型と第１部材１４１との隙間にセラミック粉末を充填し、その状態でセラミック粉末を焼結する。以上のようにして、第１部材１４１と第２部材１４２を一体したプランジャ１４が製造される。

なお、セラミック粉末を焼結する際に第１部材１４１が焼鈍されないようにするためには、第１部材１４１の焼鈍温度はセラミック粉末の焼結温度よりも高くなければならない。このような場合、第１部材１４１の材料として、焼鈍温度が高いＳＫを選択するのが望ましい。

上記構成になるポンプの作動を説明する。まず、電磁弁３０のソレノイド３２に通電されていないときには、弁体３５はスプリング３４の付勢力により開弁位置に移動されている。すなわち、弁体３５がボディ３１のシート部から離れており、吸入通路３１ａが開かれている。

そして、吸入通路３１ａが開かれている状態でプランジャ１４が下降するときには、フィードポンプから吐出される低圧の燃料が、燃料溜り１９、吸入通路１３ｂ、および吸入通路３１ａを介して、ポンプ室１５に供給される。

次いで、プランジャ１４が上昇し始めると、プランジャ１４はポンプ室１５内の燃料を加圧しようとする。しかし、プランジャ１４の上昇開始初期においては、電磁弁３０に通電されておらず、吸入通路３１ａが開かれているため、ポンプ室１５内の燃料は、吸入通路３１ａおよび吸入通路１３ｂを介して燃料溜り１９側に溢流し、加圧されない。

このポンプ室１５内の燃料の溢流中に電磁弁３０に通電されると、アーマチャ３３および弁体３５がスプリング３４に抗して吸引され、弁体３５がボディ３１のシート部に着座して吸入通路３１ａが閉塞される。これにより、燃料溜り１９側への燃料の溢流が停止されて、プランジャ１４によるポンプ室１５内の燃料の加圧が開始される。そして、ポンプ室１５内の燃料圧力により吐出弁２０が開弁され、燃料がコモンレールに圧送される。

本実施形態では、第２部材１４２は焼結セラミックであるため、第２部材１４２の厚さを、セラミックコーティングによるセラミック層の膜厚よりも十分に大きくすることができる。したがって、焼結セラミックよりなる第２部材１４２は第１部材１４１から剥がれ難くなる。

また、第１部材１４１を金属製にしているため、プランジャ１４全体をセラミックにて形成する場合よりも、安価且つ容易に製造することができる。

さらに、本体部１４１１および係合拡大部１４１３よりも断面積が縮小した縮小部１４１４に係合突起部１４２１が嵌り込んでいるため、他の部材を用いることなく簡単な構成で、第１部材１４１と第２部材間１４２がそれらの軸方向に相対的に移動するのを防止することができる。

（一実施形態の変形例）
上記実施形態において、図３に示す第１変形例のように、プランジャ１４の第１部材１４１における係合拡大部１４１３は、球状であってもよい。

また、プランジャ１４は、図４に示す第２変形例（参考例）のようにしてもよい。すなわち、図４に示すように、このプランジャ１４の第１部材１４１は、円柱状の縮小部１４１４が、その両端側に設けられた円柱状の係合拡大部１４１３よりも小径になっている。第２部材１４２は、円筒であり、第１部材１４１の縮小部１４１４の外周側のみに配置されている。この場合、係合拡大部１４１３よりも断面積が縮小した縮小部１４１４に第２部材１４２が嵌り込むことにより、係合拡大部１４１３が第２部材１４２と係合して、第１部材１４１と第２部材１４２がそれらの軸方向に相対的に移動するのを防止する。

（参考例）
参考例について説明する。図５は参考例に係るプランジャの構成を示す断面図である。本参考例は、プランジャ１４の構成や製造方法が一実施形態と異なる。その他に関しては一実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、第１部材１４１は、円柱状の本体部１４１１の軸方向中間部に、環状の溝１４１５が形成されている。第２部材１４２は、有底円筒状であり、円筒部１４２２の内周面に環状の溝１４２３が形成されるとともに、円筒部１４２２の開口端部側内周面にテーパ１４２４が形成されている。

第１部材１４１と第２部材１４２は、別々に製作された後に、結合部材としてのＣリング１４３により一体化されている。

より詳細には、第１部材１４１を最終形状に加工した後に、焼き入れ焼き戻しの熱処理を行う。これと前後して、成形用の型にセラミック粉末を充填し、セラミック粉末を焼結して第２部材１４２を形成する。

次に、第１部材１４１の溝１４１５にＣリング１４３を嵌め込む。次いで、第１部材１４１の本体部１４１１を第２部材１４２の円筒部１４２２に挿入していくことにより、Ｃリング１４３はテーパ１４２４により縮径されて円筒部１４２２内に案内され、本体部１４１１を円筒部１４２２にさらに挿入していくことにより、Ｃリング１４３は第２部材１４２の溝１４２３にも嵌り込む。このように、Ｃリング１４３が第１部材１４１の溝１４１５および第２部材１４２の溝１４２３に嵌り込んで、Ｃリング１４３が第１部材１４１および第２部材１４２と係合することにより、第１部材１４１と第２部材１４２が一体化される。

本参考例によると、第１部材１４１と第２部材１４２を別々に加工することができるため、それらの加工が容易である。

また、第１部材１４１の本体部１４１１の外径および第２部材１４２の円筒部１４２２の内径の寸法精度はラフでよいため、それらの加工が容易である。

さらに、第１部材１４１の焼鈍温度は高くなくてもよいため、第１部材１４１の材料として例えばＳＵＪを採用することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、本発明を内燃機関用燃料噴射装置のサプライポンプのプランジャに適用したが、本発明は、流体を吸入・吐出するポンプのプランジャに広く適用することができる。

本発明の一実施形態に係るプランジャを備えるポンプの構成を示す断面図である。 図１のポンプにおけるプランジャ１４の構成を示す断面図である。 第１変形例を示すプランジャ１４の断面図である。 第２変形例（参考例）を示すプランジャ１４の断面図である。 参考例に係るプランジャ１４の構成を示す断面図である。

符号の説明

１３ シリンダ
１４ プランジャ
１４１ 第１部材
１４２ 第２部材

Claims (1)

1. シリンダ（１３）内でプランジャ（１４）が往復動してポンプ室（１５）に流体を吸入し吐出するポンプに用いるプランジャであって、金属よりなる第１部材（１４１）と、焼結セラミックよりなるとともに前記第１部材（１４１）の外周側および前記ポンプ室（１５）に対向する端部側を覆うように配置された第２部材（１４２）とを備え、
   前記第１部材（１４１）および前記第２部材（１４２）は、前記第１部材（１４１）および前記第２部材（１４２）の相対移動を制限する係合部（１４１１、１４１３、１４２１）を備え、
   前記係合部（１４１１、１４１３、１４２１）は、前記第１部材（１４１）の前記ポンプ室（１５）側の端部における断面積が縮小してくびれた縮小部（１４１４）に前記第２部材（１４２）が嵌り込んで構成されていることを特徴とするポンプ用プランジャ。

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