JP6327164B2 - 高圧ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、本発明は、燃料を加圧して吐出する高圧ポンプに関する。
従来から、高圧ポンプ100として、図5に示すように、軸方向に往復動するプランジャ101と、プランジャ101を軸方向に摺動自在に支持して収容するシリンダ孔102を有する筒状のシリンダボディ103と、内燃機関(図示せず)から伝達された回転運動をカム(図示せず)により直線往復運動に変換してプランジャ101に伝達するプランジャ駆動機構とを備えるものがある(例えば、特許文献1参照)。
高圧ポンプ100は、シリンダ孔102の軸方向一端をプランジャ101により区画して燃料の加圧室104を形成するとともに、プランジャ101の往復動により加圧室104の容積を可変することで、加圧室104に燃料を吸入したり、加圧室104から燃料を吐出したりする。
ところで、このような高圧ポンプ100では、加圧室104の燃料が、プランジャ101とシリンダボディ103との摺動クリアランス106を介して加圧室104から軸方向他端側にリークする。
このリーク量が多いと、高圧ポンプ100による吐出量の低下(吐出効率の低下)が生じる虞が高まる。そのため、リーク量低減の技術が求められている。
近年の高噴射圧化により、高圧ポンプ100に対する吐出圧高圧化の要請は高い。しかし、吐出圧を高圧化すると、主に以下の2つの要因によりリーク量が増加してしまう。
1次的要因は、摺動クリアランス106がリーク燃料の圧力によって拡大してしまう点である。吐出圧を高圧化すると、摺動クリアランス106を通る燃料の圧力も高圧化する。このため、シリンダ孔102の孔径が拡大し、プランジャ101が縮径し、摺動クリアランス106が大きくなり、リーク量が増加してしまう。
2次的要因は、加圧室104の燃料の粘性が低下する点である。吐出圧を高圧化すると、加圧室104にて圧縮加圧された燃料は高温になり、高圧ポンプ100自体が高温になってしまう。このため、加圧室104に吸入された燃料は、高温の高圧ポンプ100により直ちに加熱されて高温になり粘性が低下し、リーク量が増加してしまう。
なお、リーク量Qは、以下の式で算出される。
Q={(πDh)/(12μL)}ΔP
Dはシリンダ孔径、hは摺動クリアランスの大きさ(直径)、μは粘性係数、Lはシール長さ(つまり、シリンダの内周面とプランジャの外周面によるシールの軸方向長さ)、ΔPは摺動クリアランスの上下流の圧力差である。
上記の式によれば、特に、摺動クリアランス106の3乗に比例してリーク量が大きくなるため、摺動クリアランス106の拡大を出来る限り小さくすることが、リーク量低減に有効であることがわかる。
摺動クリアランス106の拡大を低減する方法として、シリンダボディ103の肉厚を増加させることにより、シリンダボディ103の剛性を向上させることが考えられる。しかしながら、この方法では、高圧ポンプ100の重量化を招く。
特開平10−306760号公報
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高圧ポンプにおいて、重量化を招くことなく、摺動クリアランスの拡大を低減し、加圧室からの摺動クリアランスを介するリーク量を低減することにある。
本発明の高圧ポンプは、軸方向に往復動するプランジャと、このプランジャを軸方向に摺動自在に支持して収容するシリンダ孔を有する筒状のシリンダボディとを備える。
そして、高圧ポンプは、シリンダ孔の軸方向一端をプランジャにより液密的に区画して燃料の加圧室を形成するとともに、プランジャを往復動させて加圧室の容積を可変することで、加圧室に燃料を吸入したり、加圧室から燃料を吐出したりする。
そして、シリンダボディは、鉄鋼材料によって筒状に形成されて内周面がプランジャとの摺動面となる金属筒部と、繊維強化樹脂により筒状に形成されて金属筒部の外周に嵌合する樹脂筒部とを有する。
すなわち、シリンダボディを鉄鋼材料からなる内層と繊維強化樹脂からなる外層の2層構造にしている。
繊維強化樹脂は、鉄鋼材料と比較して、軽量であって高いヤング率を有する。このため、シリンダボディを重量化させることなく全体での剛性を向上させることができ、摺動クリアランスの拡大を低減することができる。
また、シリンダボディではなく、プランジャの剛性を向上させることによっても、摺動クリアランスの拡大を低減することができる。
そこで、本発明では、鉄鋼材料により形成されて外周面がシリンダ孔との摺動面となる金属部と、金属部に形成された軸方向孔と、繊維強化樹脂により形成されて軸方向孔内に固定される樹脂部とを有するプランジャも提案している。
これによれば、プランジャを重量化させることなく全体での剛性を向上させることができ、摺動クリアランスの拡大を低減することができる。
つまり、本発明では、高圧ポンプにおいて、重量化を招くことなく、摺動クリアランスの拡大を低減し、加圧室からの摺動クリアランスを介するリーク量を低減することができる。
高圧ポンプの断面図である(実施例1)。 高圧ポンプの部分拡大図である(実施例1)。 高圧ポンプの部分拡大図である(実施例2)。 高圧ポンプの部分拡大図である(実施例3)。 高圧ポンプの部分拡大図である(従来例)。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔実施例1の構成〕
実施例1の高圧ポンプ1を、図1〜5を用いて説明する。
高圧ポンプ1は、例えば、ディーゼルエンジンに燃料を供給するために用いられるものである。本実施例では、燃料として液化燃料ガス(例えば、DME燃料)を用いている。
まず、高圧ポンプ1が適用される燃料供給装置の概略を説明する。
燃料供給装置は、燃料系の低圧側である燃料タンクから低圧燃料を汲み上げるフィードポンプ(図示せず)、フィードポンプからの燃料を吸入及び圧送する高圧ポンプ1、高圧ポンプ1から高圧燃料が導入されるコモンレール(図示せず)と、このコモンレールの各燃料出口から高圧燃料が分配供給される複数個のインジェクタ(図示せず)とを備え、コモンレールの内部に蓄圧された高圧燃料を各インジェクタを介してエンジンの各気筒毎の燃焼室内に噴射供給するように構成されている。
〔高圧ポンプ1の構成〕
図1及び2を用いて、高圧ポンプ1の構成の概略を説明する。
高圧ポンプ1は、以下に説明するプランジャ2、シリンダボディ3、プランジャ駆動機構4等を備える。
プランジャ2は、鉄鋼材料により円柱状に形成されており、シリンダボディ3に形成されたシリンダ孔6内に収容されて、プランジャ駆動機構4により軸方向に往復動する。
シリンダボディ3は、プランジャ2が収容されるシリンダ孔6を有し、シリンダ孔6の軸方向一端部が、燃料が供給されて、プランジャ2の往復動によって内部の燃料が圧縮される加圧室7となっている。
すなわち、シリンダ孔6の一端が蓋材9によって封鎖されており、蓋材9がシリンダ孔6の軸方向一端側の底面を構成し、シリンダ孔内において、この底面とプランジャ2の軸方向一端面との間に液密的に区画された空間が、加圧室7をなしている。
加圧室7には、加圧室7に燃料を吸入するための吸入路(図示せず)、加圧室7から燃料を吐出する吐出路11が接続されている。吐出路11には、吐出路11を開閉する吐出弁12が設けられている。
本実施例のシリンダボディ3は、軸方向一端部が軸方向他端部よりも外径が径大になっており、径大な部分(軸方向一端部)を径大部14と呼び、径大部14よりも小径な部分(軸方向他端部)を径小部15と呼ぶ。
加圧室7及び吐出路11は径大部14に、シリンダ孔6は径大部14から径小部15に亘って設けられている。
シリンダ孔6の内周面は、プランジャ2に対する摺動面18となり、プランジャ2の外周面はシリンダ孔6に対する摺動面19となる。
そして、シリンダ孔6の内周面とプランジャ2の外周面との間には、摺動クリアランス20が設けられている。
本実施例では、加圧室7からの摺動クリアランス20を介するリーク燃料は、シリンダ孔6の他端開口からプランジャ駆動機構4が収容される空間へと流出する。
プランジャ駆動機構4は、内燃機関から伝達された回転運動をカム22により直線往復運動に変換してプランジャ2に伝達する周知の機構である。
プランジャ駆動機構4は、カム22の外周に当接してカム22の回転により回転しながら軸方向に往復動するローラ23と、タペットボディ24内に固定されて軸方向に往復動するとともに、ローラ23を外周側から軸受するシュー25等を有する。
高圧ポンプ1は、プランジャ駆動機構4により駆動するプランジャ2を往復動させて加圧室7の容積を可変することで、加圧室7に燃料を吸入したり、加圧室7から燃料を吐出したりする。
〔本実施例の特徴〕
本実施例の高圧ポンプ1のシリンダボディ3は、以下に説明する金属筒部27と、樹脂筒部28とを有する。
金属筒部27は、鉄鋼材料によって筒状に形成されて、内周面がプランジャ2との摺動面となっている。
樹脂筒部28は、繊維強化樹脂(例えば、炭素繊維強化樹脂)により筒状に形成されて、金属筒部27の外周に嵌合する。
本実施例では、径小部15をなすシリンダボディ3が、内周側をなす金属筒部27と外周側をなす樹脂筒部28とにより構成され、鉄鋼材料による内層と繊維強化樹脂による外層の2層構造となっている。
さらに具体的には、金属筒部27の外周に凹部27aを形成して、金属筒部27をボビン形状にし、そして、その凹部27aに樹脂筒部28を固定している。
本実施例では、軸方向に垂直な断面で、径小部15の断面積において、樹脂筒部28が閉める割合が約2/3となっている。
なお、樹脂筒部28は、例えば、フィラメントワインディングという製法で糸状の炭素繊維を樹脂を含浸させながら金属筒部27を凹部27aに巻きつけて接着することにより設けられている。
〔本実施例の作用効果〕
本実施例の高圧ポンプ1では、シリンダボディ3が、鉄鋼材料によって筒状に形成されて内周面がプランジャ2との摺動面18となる金属筒部27と、繊維強化樹脂により筒状に形成されて金属筒部の外周に嵌合する樹脂筒部28とを有する。
すなわち、シリンダボディ3を鉄鋼材料からなる内層と繊維強化樹脂からなる外層の2層構造にしている。
繊維強化樹脂は、鉄鋼材料と比較して、軽量であって、且つ、高いヤング率を有する。例えば、鉄の約3倍のヤング率を有するものもある。このため、シリンダボディ3を重量化させることなく全体での剛性を向上させることができ、摺動クリアランス20の拡大を低減することができる。
つまり、本実施例では、高圧ポンプの重量化を招くことなく、摺動クリアランス20の拡大を低減し、加圧室7からの摺動クリアランス20を介するリーク量を低減することができる。
特に、液化ガス燃料を用いる場合、燃料の粘性が低いため、摺動クリアランス20の拡大を低減することは、リーク量低減に有効である。
また、繊維強化樹脂は熱膨張係数が小さく、熱による変形が少ないという利点もある。
なお、シリンダボディ3を繊維強化樹脂のみで形成すると、プランジャ2との摺動面18も繊維強化樹脂となるため、シール性が確保しにくいという問題がある。
これに対して、本実施例では、シール性を確保すべきプランジャ2との摺動面18を鉄鋼材料により形成している。
つまり、径方向のシール性は内側の金属筒部27により確保し、剛性は主に外側の樹脂筒部28により確保している。
〔実施例2〕
実施例2を、実施例1とは異なる点を中心に、図3を用いて説明する。
なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
実施例1のプランジャ2は鉄鋼材料のみにより形成されていたが、本実施例のプランジャ2は鉄鋼材料と繊維強化樹脂により形成されている。
すなわち、本実施例では、プランジャ2が、以下に説明する金属部31と、樹脂部32とを有する。
金属部31は、鉄鋼材料により形成されて、外周面がシリンダ孔6との摺動面19となっている。そして、金属部31には、軸方向他端に開口を有し軸方向一端が閉じられた軸方向孔31aが形成されている。
樹脂部32は、炭素繊維強化樹脂により棒状に形成されて、軸方向孔31a内に固定されている。
例えば、軸方向孔31aの開口から、棒状の樹脂部32を圧入することにより、樹脂部32を軸方向孔31a内に固定している。
すなわち、本実施例では、プランジャ2の心材として繊維強化樹脂製の樹脂部32を用い、その外側に鉄鋼材料製の金属部31を設けている。
このため、プランジャ2を重量化させることなく全体での剛性を向上させることができ、摺動クリアランス20の拡大を低減することができる。
つまり、本実施例でも、高圧ポンプの重量化を招くことなく、摺動クリアランス20の拡大を低減し、加圧室7からの摺動クリアランス20を介するリーク量を低減することができる。
なお、摺動面19は鉄鋼材料であり、シール性は確保できている。
〔実施例3〕
実施例3を、実施例1とは異なる点を中心に、図4を用いて説明する。
なお、実施例1と同じ符号は、同一の機能物を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、実施例1のプランジャ2の代わりに、実施例2のプランジャ2を用いている。
これによれば、シリンダボディ3およびプランジャ2の両方の剛性を向上させることができ、摺動クリアランス20の拡大をさらに低減することができる。
〔変形例〕
実施例では、シリンダボディ3が径大部14と径小部15を有する形状であったが、この形状に限らない。
そして、実施例では、径小部15のみが鉄鋼材料と繊維強化樹脂の2層構造となっていることにより、シリンダ孔6の一部の外周のみが2層構造となっていたが、シリンダ孔6の軸方向全体に亘って、シリンダボディ3が2層構造となっていてもよい。
また、実施例では、繊維強化樹脂が炭素繊維強化樹脂であったが、これに限らない。例えば、ガラス繊維強化樹脂、アラミド繊維強化樹脂、ケプラー繊維強化樹脂、ポリエチレン繊維強化樹脂、ザイロン強化樹脂、ボロン繊維強化樹脂等であってもよい。
また、実施例では、燃料が液化ガス燃料であったが、これに限らず、軽油、ガソリン等であってもよい。
1 高圧ポンプ、2 プランジャ、3 シリンダボディ、6 シリンダ孔、7 加圧室、27 金属筒部、28 樹脂筒部

Claims (5)

  1. 軸方向に往復動するプランジャ(2)と、このプランジャ(2)を軸方向に摺動自在に支持して収容するシリンダ孔(6)を有する筒状のシリンダボディ(3)とを備え、
    前記シリンダ孔(6)の軸方向一端を前記プランジャ(2)により区画して燃料の加圧室(7)を形成するとともに、前記プランジャ(2)を往復動させて前記加圧室(7)の容積を可変することで、前記加圧室(7)に燃料を吸入したり、前記加圧室(7)から燃料を吐出したりする高圧ポンプにおいて、
    前記シリンダボディ(3)は、鉄鋼材料によって筒状に形成されて内周面が前記プランジャ(2)との摺動面となる金属筒部(27)と、繊維強化樹脂により筒状に形成されて前記金属筒部(27)の外周に嵌合する樹脂筒部(28)とを有することを特徴とする高圧ポンプ。
  2. 軸方向に往復動するプランジャ(2)と、このプランジャ(2)を軸方向に摺動自在に支持して収容するシリンダ孔(6)を有する筒状のシリンダボディ(3)とを備え、
    前記シリンダ孔(6)の軸方向一端を前記プランジャ(2)により区画して燃料の加圧室(7)を形成するとともに、前記プランジャ(2)を往復動させて前記加圧室(7)の容積を可変することで、前記加圧室(7)に燃料を吸入したり、前記加圧室(7)から燃料を吐出したりする高圧ポンプにおいて、
    前記プランジャ(2)は、鉄鋼材料により形成されて外周面が前記シリンダ孔(6)との摺動面となる金属部(31)と、前記金属部(31)内に形成された軸方向孔(31a)と、繊維強化樹脂により形成されて前記軸方向孔(31a)内に固定される樹脂部(32)とを有することを特徴とする高圧ポンプ。
  3. 請求項1に記載の高圧ポンプにおいて、
    前記プランジャ(2)は、鉄鋼材料により形成されて外周面が前記シリンダ孔(6)との摺動面となる金属部(31)と、前記金属部(31)内に形成された軸方向孔(31a)と、繊維強化樹脂により形成されて前記軸方向孔(31a)内に固定される樹脂部(32)とを有することを特徴とする高圧ポンプ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載の高圧ポンプにおいて、
    前記繊維強化樹脂は、炭素繊維強化樹脂であることを特徴とする高圧ポンプ。
  5. 請求項1〜4のいずれか1つに記載の高圧ポンプにおいて、
    前記燃料は、液化ガス燃料であることを特徴とする高圧ポンプ。

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