JP7139442B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、シール部保持材を備えた高圧燃料ポンプに関する。
本技術分野の背景技術として、例えば特表2018-514702号公報(特許文献1)に記載された高圧燃料ポンプが知られている。特許文献1の高圧燃料ポンプは、ピストンの外周に設けられ、燃料側の空間領域とオイル側の空間領域とを分けるシール装置(ピストンシール、低圧シール)を備えている。シール装置はピストンの下側の部分(駆動部に面した部分)を径方向において取り囲み、シール装置とピストンとが相対的に摺動可能に構成されている。シール装置はピストンばねの一端部(上端部)を支持する鉢状のシール支持体(以下、第1シール支持体という)の径方向内側に配置され、第1シール支持体の上方(シール装置の挿入方向入口側)に配置された帽子状の保持部材(以下、第2シール支持体という)により軸方向で支持されている(以上、段落0023-0025及び図2参照)。この場合、第1シール支持体の内径は軸方向で変化しており、上側の大径部と下側の小径部との間に段差部が形成されており、シール装置は下側の小径部の内周面に接触するように配置されている。一方、第2シール支持体は、上側の大径部の内周面に接触するように配置されている。また第2シール支持体は、下方端部に上方に折り返す折り返し部が形成されており、折り返し部は径方向内側でピストンと対向している(図2参照)。
特表2018-514702号公報
特許文献1の高圧燃料ポンプでは、シール装置が接触する下側の小径部と第2シール支持体が接触する上側の大径部との間に段差部が設けられており、この段差部は軸方向に有限の長さを必要とする。このため、段差部はシール構造における軸方向の小型化の障害(課題)となる可能性がある。
また高圧燃料ポンプでは、ピストンがシール装置に対して摺動するため、摺動部に摩擦熱が発生する。この摩擦熱はシール装置に燃料を循環させて冷却することができる。特許文献1の高圧燃料ポンプでは、燃料は、第2シール支持体の下方端部に設けた折り返し部の径方向内側の部分を通じて循環することになる。この場合、第2シール支持体とシール装置との軸方向における間隔を狭くすると、燃料の循環が阻害されることになる。このため、この第2シール支持体に構成された燃料の循環構造は、シール構造における軸方向の小型化の障害(課題)となる可能性がある。
以上の説明では、各構成及び部材の名称は特許文献1の名称に基づいている。以下、ピストンはプランジャ、シール装置(ピストンシール、低圧シール)はプランジャシール(シール部材)、シール支持体(第1シール支持体)はシール保持部材或いは第1シール支持部材、保持部材(第2シール支持体)は金属部材(第2シール支持部材)と呼んで説明する。
本発明の目的は、シール構造における軸方向の小型化に関する、上述した課題のいずれかを解決し、シール構造における軸方向の小型化を実現した高圧燃料ポンプを提供することにある。
上記の課題を解決するために本発明は、
加圧室の容積を変化させるプランジャと、
前記プランジャの外周側で前記加圧室と反対側に形成される外周側空間と外部空間との間をシールする、樹脂材製のプランジャシールと、
軸方向において前記プランジャシールの前記加圧室の側の端面に対向するシール対向面を有し、前記プランジャの外周側に配置される金属部材と、
前記プランジャシールを保持し、前記外周側空間と前記外部空間とを分けるシール保持部材と、を備え、
前記金属部材は、前記プランジャシールの外周部を保持する、前記シール保持部材の内周面と同一面に圧入され、
前記金属部材の前記シール対向面が前記プランジャシールと接触するように構成され、
前記金属部材の前記シール対向面には、内周部よりも径方向外側に、前記シール対向面に対して前記加圧室の側の外周側空間と前記シール対向面に対して前記加圧室と反対側の外周側空間とを連通する貫通孔が形成される。
本発明によれば、シール構造における軸方向の小型化にを実現した高圧燃料ポンプを提供することができる。本発明のその他の構成、作用及び効果については、以下の実施例において詳細に説明する。
本発明に係る高圧燃料ポンプが適用されるエンジンシステムの全体構成図である。 本発明が適用される前提となる高圧燃料ポンプの垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。 図2の高圧燃料ポンプを上方から見た水平な断面(プランジャの軸方向に直交する断面)を示す断面図である。 図2の高圧燃料ポンプを図2とは異なる方向から見た、垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。 本発明のシール構造の第一実施例(実施例1)について、垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。 図5のプランジャシール、第1シール支持部材及び金属部材(第2シール支持部材)の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 図6の第2シール支持部材の径方向内側の部分を示す、VII-VII断面図である。 高圧燃料ポンプがエンジンに取り付けられる前(a)と後(b),(c)におけるプランジャと金属部材(第2シール支持部材)との関係を示す図である。 本発明のシール構造の第二実施例(実施例2)について、プランジャシール、第1シール支持部材及び金属部材(第2シール支持部材)の近傍を拡大して示す、図6と同様な拡大断面図である。 第二実施例の金属部材(第2シール支持部材)の斜視断面図である。
以下、本発明に係る実施例を説明する。
[実施例1]
図1は、本発明に係る高圧燃料ポンプが適用されるエンジンシステムの全体構成図である。破線で囲まれた部分が高圧燃料ポンプ100の本体を示し、この破線の中に示されている機構及び部品はポンプボディ1に一体に組み込まれていることを示す。なお、図1はエンジンシステムの動作を模式的に示す図面であり、高圧燃料ポンプの詳細な構成は図2以降の高圧燃料ポンプの構成と異なるところがある。
以下の説明において、上下方向を指定して説明する場合があるが、この上下方向は各図に基づいており、高圧燃料ポンプ100をエンジンに実装した場合の上下方向とは必ずしも一致しない。また以下の説明において、軸方向はプランジャ2の中心軸線2A(図5参照)(長手方向)によって規定され、この軸方向はプランジャ2の中心軸線2Aに平行である。
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)からの信号に基づきフィードポンプ21によって汲み上げられる。この燃料は、適切なフィード圧力に加圧されて、吸入配管28を通して高圧燃料ポンプ100の低圧燃料吸入口10aに送られる。低圧燃料吸入口10aは、図3,4に示すように、吸入ジョイント51により構成される。
低圧燃料吸入口10aを通過した燃料は、圧力脈動低減機構9が配置されるダンパ室(10b、10c)を介して容量可変機構を構成する電磁弁機構300の吸入ポート31bに至る。具体的には電磁弁機構300は電磁吸入弁機構を構成する。
電磁弁機構300に流入した燃料は、吸入弁30により開閉される吸入口を通過し、加圧室11に流入する。エンジンのカム機構93(図3,4参照)によりプランジャ2に往復運動する動力が与えられる。プランジャ2の往復運動により、プランジャ2の下降行程には吸入弁30により開閉される吸入口から燃料を吸入し、上昇行程において加圧室11内の燃料が加圧される。加圧された燃料は、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へ圧送される。そして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。本実施例はインジェクタ24がエンジンのシリンダ筒内に直接、燃料を噴射する、いわゆる直噴エンジンシステムに適用される高圧燃料ポンプである。高圧燃料ポンプ100は、ECU27から電磁弁機構300に送られる信号により電磁弁機構300が制御され、燃料吐出口12を通じて所望の燃料流量を吐出する。
図2は、本発明が適用される前提となる高圧燃料ポンプの垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。図3は、図2の高圧燃料ポンプを上方から見た水平な断面(プランジャの軸方向に直交する断面)を示す断面図である。図4は、図2の高圧燃料ポンプを図2とは異なる方向から見た、垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。
図2,3に示すように、本実施例の高圧燃料ポンプ100は内燃機関の高圧燃料ポンプ取付け部90に密着して固定される。具体的には、図3に示すように、ポンプボディ1に設けられた取付けフランジ1aにねじ穴1bが形成されており、ねじ穴1bに図示しない複数のボルトが挿入される。これにより取付けフランジ1aが内燃機関の高圧燃料ポンプ取付け部90に密着し、固定される。高圧燃料ポンプ取付け部90とポンプボディ1との間のシールのためにOリング61がポンプボディ1の溝1cに嵌め込まれ、エンジンオイルが外部に漏れるのを防止する。
図2,4に示すように、ポンプボディ1にはプランジャ2の往復運動をガイドし、ポンプボディ1と共に加圧室11を形成するシリンダ6が取り付けられている。つまり、プランジャ2はシリンダ6の内部を往復運動することで加圧室11の容積を変化させる。また燃料を加圧室11に供給するための電磁弁機構300と加圧室11から吐出通路に燃料を吐出するための吐出弁機構8が設けられている。
シリンダ6はその外周側においてポンプボディ1と圧入される。ポンプボディ1にはシリンダ6を下側から挿入するための挿入穴が形成され、挿入穴の下端でシリンダ6の固定部6aの下面と接触するように内周側に変形させた内周凸部1dが形成される。ポンプボディ1の内周凸部1dの上面がシリンダ6の固定部6aを図中上方向へ押圧し、シリンダ6は上端面で加圧室11にて加圧された燃料が低圧側に漏れないようシールしている。
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を介してプランジャ付勢ばね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。
プランジャシール13は、シール保持部材7の内周下端部に保持され、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いる。プランジャシール13は、プランジャ2が摺動したとき、副室7s1の燃料をシールして内燃機関内部へ流入するのを防ぐ。同時にプランジャシール13は、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)がポンプボディ1の内部に流入するのを防止する。
プランジャシール13の上部には、高圧燃料ポンプ100がエンジンに取り付けられていない状態でプランジャ2の落下を防止する規制部材16が取り付けられる。
シール保持部材7はプランジャシール13を径方向外側及び軸方向の一端側(下側)から支持する部材であり、規制部材16はプランジャシール13を軸方向の他端側(上側)から支持する部材である。このため、以下、シール保持部材7を第1シール支持部材と呼び、規制部材16は第2シール支持部材と呼んで説明する。第2シール支持部材16は第1シール支持部材7の内側に配置されるため、第1シール支持部材7を外側シール支持部材と呼び、第2シール支持部材16を内側シール支持部材と呼ぶ場合もある。また第2シール支持部材(規制部材)16は金属製の円環状部材であり、金属部材或いは円環状部材と呼ぶ場合もある。
規制部材16は金属部材で構成され、第1シール支持部材7の径方向内側に圧入されて固定される。高圧燃料ポンプがエンジンに取り付けられていない状態では、プランジャ2は重力により下方向に移動するが、プランジャ2の大径部2aの外周部が規制部材16の底面と接触することで、プランジャ2はポンプボディ1から脱落することなくポンプボディ1に保持される。
図3,4に示すように、高圧燃料ポンプ100のポンプボディ1の側面部には、吸入ジョイント51が取り付けられている。吸入ジョイント51は、燃料タンク20からの燃料を高圧燃料ポンプ100に供給する低圧配管に接続されており、燃料は吸入ジョイント51から高圧燃料ポンプ100の内部に供給される。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が燃料の流れによって高圧燃料ポンプ100の内部に吸収されるのを防ぐ。
低圧燃料吸入口10aを通過した燃料は、ポンプボディ1に上下方向に延設された低圧燃料吸入通路を通って圧力脈動低減機構9に向かう。圧力脈動低減機構9はダンパカバー14とポンプボディ1の上端面との間のダンパ室10b,10cに配置され、ポンプボディ1の上端面に配置された保持部材9aにより下側から支持される。具体的には、圧力脈動低減機構9は2枚の金属ダイアフラムが重ね合わせて構成される金属ダンパである。圧力脈動低減機構9の内部には0.3MPa~0.6MPaのガスが封入され、外周縁部が溶接で接合される。
圧力脈動低減機構9の上下面には低圧燃料吸入口10a及び低圧燃料吸入通路と連通するダンパ室10b,10cが形成される。なお、図には表れていないが、保持部材9aには圧力脈動低減機構9の上側と下側とを連通する通路が形成される。
ダンパ室10b,10cを通った燃料は、次にポンプボディ1に上下方向に延設されて形成された低圧燃料吸入通路10dを介して電磁弁機構300の吸入ポート31bに至る。なお、図3に示すように、吸入ポート31bは吸入弁シート31aを形成する吸入弁シート部材31に図3の上下方向に形成される。
図2に示すように、端子46aはコネクタ46と一体にモールドされ、モールドされていない端部がエンジンコントロールユニット27側と接続可能な構成である。
図3を用いて、電磁弁機構300について説明する。
カム93の回転により、プランジャ2がカム93の方向に移動して吸入行程状態にある時は、加圧室11の容積は増加して加圧室11内の燃料圧力が低下する。この行程で加圧室11内の燃料圧力が吸入ポート31bの圧力よりも低くなると、吸入弁30は開弁状態になる。吸入弁30が最大リフト状態となると吸入弁30はストッパ32に接触する。吸入弁30がリフトすることにより、吸入弁シート31aと吸入弁30との間の吸入口が開口し、電磁弁機構300は開弁する。燃料は吸入弁シート31aと吸入弁30との間の吸入口を通り、ポンプボディ1に横方向に形成された穴(燃料通路)を介して加圧室11に流入する。
プランジャ2が吸入行程を終了した後、プランジャ2が上昇運動に転じ上昇行程に移る。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。ロッド付勢ばね40はロッド35の外径側に凸となるロッド凸部35aを付勢し、無通電状態において吸入弁30を開弁維持するのに必要十分な付勢力を有するよう設定されている。加圧室11の容積は、プランジャ2の上昇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の吸入口を通して吸入通路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。この行程を戻し行程と称する。
この状態で、ECU27からの制御信号が電磁弁機構300に印加されると、電磁コイル43には端子46(図2参照)を介して電流が流れる。これにより磁気コア39とアンカー36との間に磁気吸引力が作用し、磁気コア39とアンカー36とが磁気吸引面で接触する。磁気吸引力はロッド付勢ばね40の付勢力に打ち勝ってアンカー36を付勢し、アンカー36がロッド凸部35aと係合してロッド35を吸入弁30から離れる方向に移動させる。
このとき、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を介して高圧燃料の吐出が行われ、高圧燃料はコモンレール23へと供給される。この行程を吐出行程と称する。
すなわち、プランジャ2の下始点から上始点までの間の上昇行程は、戻し行程及び吐出行程からなる。そして、電磁弁機構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。
プランジャ2は、大径部2a及び小径部2bを有し、プランジャ2の往復運動によって副室7s1の体積は増減する。副室7s1は燃料通路10eによりダンパ室10b,10cと連通している。プランジャ2の下降時は副室7s1からダンパ室10b,10cへ、上昇時はダンパ室10b,10cから副室7s1へと、燃料の流れが発生する。
このことにより、ポンプの吸入行程もしくは、戻し行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、高圧燃料ポンプ100の内部で発生する圧力脈動を低減することができる。
図3に示すように、加圧室11の出口に設けられた吐出弁機構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のストローク(移動距離)を決める吐出弁ストッパ8dから構成される。吐出弁ストッパ8dとポンプボディ1とは当接部8eで溶接により接合され、燃料が流れる流路と外部とを遮断している。
加圧室11と吐出弁室12aとの間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、吐出弁室12aの燃料圧力よりも大きくなった時に吐出弁8bは吐出弁ばね8cに逆らって開弁する。そして、加圧室11内の高圧の燃料は、吐出弁室12a、燃料吐出通路12b及び燃料吐出口12を経て、コモンレール23へと吐出される。吐出弁8bは、開弁した際、吐出弁ストッパ8d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、吐出弁室12a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、高圧燃料ポンプ100の効率が低下するのを抑制できる。
燃料吐出口12は吐出ジョイント60に形成されており、吐出ジョイント60はポンプボディ1に溶接部60aにて溶接固定されている。
次に、図2を用いて、リリーフ弁機構200について説明する。
リリーフ弁機構200はリリーフボディ201、リリーフ弁202、リリーフ弁ホルダ203、リリーフばね204及びばねストッパ205からなる。リリーフボディ201には、テーパー形状のシート部が設けられている。リリーフ弁202はリリーフばね204の荷重がリリーフ弁ホルダ203を介して負荷され、リリーフボディ201のシート部に押圧され、シート部と協働して燃料を遮断している。
高圧燃料ポンプ100の電磁弁機構300の故障等により、燃料吐出口12の圧力が異常に高圧になり、リリーフ弁機構200のセット圧力より大きくなると、異常高圧燃料はリリーフ通路213を介して低圧側であるダンパ室10cにリリーフされる。本実施例ではリリーフ弁機構200のリリーフ先をダンパ室10cとしているが、加圧室11にリリーフするように構成しても良い。
次に本実施例のシール部(プランジャシール)の周りの構成(シール構造)について、図5、6、7を用いて説明する。
図5は、本発明のシール構造の第一実施例(実施例1)について、垂直な断面(プランジャの軸方向に平行な断面)を示す断面図である。
本実施例のシール構造SCは、プランジャシール13、第1シール支持部材及び規制部材(第2シール支持部材)により構成される。
プランジャシール13は、高圧燃料ポンプ100の内部の燃料がエンジン内部へ流入することを防ぎ、あるいはエンジン内部のオイルが高圧燃料ポンプ100の内部へ流入することを防ぐ。プランジャシール13は上部が径方向に広がるスプリング13a1と下部が径方向に広がるスプリング13a2とを有する。これによりプランジャシール13は、第シール支持部材7との間で、スプリング13a1,13a2により発生する径方向の緊迫力により保持される。
プランジャシール13には、副室7s1と対向する対向面(上面)から副室7s1側とは反対側(下側)に凹む凹み部13b1が、小径部2bの径方向外側に全周に亘って形成される。凹み部13b1には、スプリング13a1が配置される。またプランジャシール13には、副室7s1と対向する対向面(上面)とは反対側の端面(下面)に、この端面から副室7s1側(上側)に凹む凹み部13b2が、小径部2bの径方向外側に全周に亘って形成される。凹み部13b2には、スプリング13a2が配置される。
プランジャシール13は、第1シール支持部材7の内側に配置される。この場合、プランジャシール13は、径方向及び軸方向において、第1シール支持部材7の内側に配置される。第1シール支持部材7は、プランジャシール13を収容する内周側円筒部7aを有する。内周側円筒部7aは、上部に形成される大径部7a1と、下部に形成される小径部7a2と、大径部7a1と小径部7a2との間に形成されるテーパー部7a3と、を有する。大径部7aの上端部には、径方向内側に開口7bが形成される。また大径部7aの上端部には、径方向外側に向かって延設されるフランジ部7cが形成され、フランジ部7cの外周端部から下方に折り返すように、外周側円筒部7dが形成される。
ポンプボディ1には、第1シール支持部材7を組み付ける凹部1eが形成されており、第1シール支持部材7は第1シール支持部材7の外周側円筒部7dの下端部7d1が凹部1eの内周面の下端部1e1に圧入されて固定されている。このため、第1シール支持部材7の上端部は凹部1eに挿入されている。
フランジ部7cは、プランジャ付勢ばね4の上端部(加圧室11側の端部)を支持する支持部(ばね座)を構成する。このため、プランジャ付勢ばね4は、径方向において、内側円筒部7aと外周側円筒部7dとの間に配置される。プランジャ付勢ばね4の下端部はリテーナ15に支持されており、リテーナ15がプランジャ付勢ばね4の下端部のばね座を構成している。
第2シール支持部材16は、第1シール支持部材7の内側であって、プランジャシール13の上方(開口7b側)に配置される。プランジャシール13は開口7bから第1シール支持部材7の内側に挿入される。第1シール支持部材7の小径部7a2の下端部には径方向内側に曲げられて形成された底部7eが設けられており、プランジャシール13は底部7eと第2シール支持部材16との間で軸方向の位置が拘束されている。またプランジャシール13は第1シール支持部材7及びプランジャ2の小径部2bにより径方向の位置を拘束されている。
第1シール支持部材7の底部7eの中央部には軸方向に貫通する貫通孔7fが設けられており、プランジャ2の小径部2bの下端部は貫通孔7fに挿通されて第1シール支持部材7の外部に突き出している。
図6を用いて、シール構造SCについてさらに詳細に説明する。図6は、図5のプランジャシール、第1シール支持部材及び金属部材(第2シール支持部材)の近傍を拡大して示す拡大断面図である。図6では、シール構造SCに特化して、高圧燃料ポンプ100がエンジンに取り付けられた後におけるプランジャ2、規制部材(第2シール支持部材)及びプランジャシール13の関係を示している。
プランジャシール13と第2シール支持部材16とは、第1シール支持部材7の内周側円筒部7aの小径部7a2の内側に設けられている。プランジャシール13は小径部7a2の内周面下部7a2-2とプランジャ2の小径部2bの外周面との間に挟まれ、内周面下部7a2-2に接触している。第2シール支持部材16は小径部7a2の内周面上部7a2-1に圧入され固定されている。すなわち、第1シール支持部材(シール保持部材)7は、プランジャシール13の外周部を保持する第1シール支持部材(シール保持部材)7の内周面7a2-2と同一面に、第2シール支持部材(金属部材)16が圧入される圧入部7a2-1を有する。
ここで同一面とは、内径が同一で軸方向に連続した円筒形状の内周面であるか、内径が軸方向に一定の割合で縮小または拡大する、軸方向に連続した縮径面または拡径面である。この場合、同一面は、プランジャシール13が接触する部位と第2シール支持部材16が圧入される部位とが軸方向において同じ位置にあることを意味するものではなく、軸方向に離れたプランジャシール13の接触部位と第2シール支持部材16の圧入部位とが軸方向に連続した一つの面上に存在することを意味する。
第2シール支持部材16は、外周側円筒部(圧入円筒部)16a、径方向延設部16b、折り返し部(内周側円筒部)16c及び拡径部(テーパー部)16dを有する。外周側円筒部16aは第1シール支持部材7の小径部7a2に圧入されて内周面上部7a2-1に接触する。径方向延設部16bは外周側円筒部16aの下端部から径方向内側に延設される。径方向延設部16bには、軸方向に貫通する貫通孔16fが設けられている。折り返し部16cは、径方向延設部16bの内周端部から上方(第1シール支持部材7の開口7b側)に折り返すように形成される。拡径部16dは、円筒部16aの上端部から上方に向かって拡径するように延設される。
第2シール支持部材(金属部材)16は、第1シール支持部材(シール保持部材)7の径方向内側且つ軸方向内側のみに配置される。これにより第1シール支持部材7及び第2シール支持部材16をプレス加工する際の絞り量を抑えることができ、第1シール支持部材7及び第2シール支持部材16において安定した強度が得られる。
拡径部16dが設けられていることにより、第1シール支持部材7に対する第2シール支持部材16の軸方向位置が規定される。すなわち、第2シール支持部材16の圧入時に、第2シール支持部材16が拡径部16dと第1シール支持部材7のテーパー部7a3とが干渉する位置まで第1シール支持部材7に挿入されると、第2シール支持部材16を下方に向かってさらに第1シール支持部材7に挿入することができなくなる。このように、拡径部16dは軸方向における第2シール支持部材16の位置決めのための機能を持つ。
プランジャシール13は小径部7a2の内周面下部7a2-2に接触しているが、内周面下部7a2-2に完全に固定されてはいない。本実施例では、プランジャシール13は下端が第1シール支持部材7の底部7eに当接し、上端が第2シール支持部材16の径方向延設部16bに当接することで、軸方向における位置が固定されている。プランジャシール13の軸方向における位置を完全に固定する必要がない場合は、第2シール支持部材16の径方向延設部16bとプランジャシール13の上端部との間に隙間を設けてもよい。
プランジャシール13とプランジャ2の小径部2bとの間には、スプリング13a1により発生する径方向の緊迫力によって摩擦力が発生する。エンジンが始動し高圧燃料ポンプ100が駆動状態にあるときは、フィードポンプ21による平均圧力がプランジャシール13に負荷され、プランジャシール13は図6において下方向に押圧される。この場合、プランジャシール13とプランジャ2の小径部2bとの間に摩擦力が発生しても、フィードポンプ21による平均圧力によりプランジャシール13が第1シール支持部材7の底部7eに押圧された状態を維持するようにしても良い。
上述した本実施例では、高圧燃料ポンプ100は、加圧室11の容積を変化させるプランジャ2と、プランジャ2の外周側で加圧室11と反対側に形成される外周側空間7s1,7s2と外部空間との間をシールするプランジャシール13と、プランジャシール13の加圧室11側の端面に対向するシール対向面16b1を有し、プランジャ2の外周側に配置される第2シール支持部材(金属部材)16と、プランジャシール13を保持し、外周側空間7s1,7s2と外部空間とを分ける第1シール支持部材(シール保持部材)7と、を備える。さらに第1シール支持部材(シール保持部材)7は、プランジャシール13の外周部を保持する第1シール支持部材(シール保持部材)7の内周面と同一面に、第2シール支持部材(金属部材)16が圧入される圧入部を有する。
本実施例では、第1シール支持部材7に対する第2シール支持部材16の圧入部が、第1シール支持部材7に対するプランジャシール13の挿入部と同一面上にある。これにより、第2シール支持部材16がプランジャシール13と対向する面において、第1シール支持部材7と第2シール支持部材16との間に形成される隙間が小さく、プランジャシール13がこの隙間に入り込むことを防ぐことができる。
この場合、第2シール支持部材(金属部材)16は0.6mm以下の厚みの金属で構成されることが望ましい。第2シール支持部材16は、外周側円筒部16aと径方向延設部16bとの間に略90°に曲げた角部が形成される。この角部のRが大きくなると、外周側円筒部16aを第1シール支持部材7に圧入した場合であっても、この角部において第1シール支持部材7と第2シール支持部材16との間に隙間ができ、この隙間にプランジャシール13が入り込む虞がある。そこで、第2シール支持部材16を0.6mm以下の厚みの金属で構成することで、角部のRが小さくなるようにし、プランジャシール13が隙間に入り込むことを防ぐようにしている。
第1シール支持部材(シール保持部材)7はプレス成型品により構成されることが望ましい。また第2シール支持部材(金属部材)16はプレス成型品により構成されることが望ましい。これにより、高圧燃料ポンプ100は低コストで量産可能となる。
第2シール支持部材16の圧入部とプランジャシール13の挿入部とが第1シール支持部材7の同一面上にあることで、第2シール支持部材16の圧入部とプランジャシール13の挿入部との間に絞り部を設ける必要がなく、プレス成型の絞り量を抑えることができる。これにより第1シール支持部材7に安定した強度が得られる。さらに、プレス成型の絞り量が抑えられることで、材料費が抑えられる。また、支点と力点の距離を短くすることができ、薄肉でもプランジャを保持することが出来る。
上述した構成では、プランジャシール13の上部は燃料にさらされ、下部(ポンプ外部側)はオイルにさらされる。プランジャシール13は樹脂材であるため、燃料温度やオイル温度の変化がプランジャシール13の強度低下に影響を及ぼす。またプランジャ2が上下に摺動することで発生する摺動熱によってもプランジャシール13の温度は上昇する。
基本的にはプランジャシール13の温度が高温になるほど強度は低下していく。
プランジャシール13周辺を冷却するためには、燃料にさらされるプランジャシール13の上部(ポンプ内部側)に、オイルに比べ低温である燃料を循環させることが有効である。このためには、第2シール支持部材16とプランジャシール13との間に燃料を循環させるための空間を設けることが必要である。しかし、プランジャシール13と第1シール支持部材7との間でスプリング13a1,13a2により発生する径方向の緊迫力が、プランジャ2との緊迫力より弱い場合、プランジャシール13はプランジャ2の上下運動に合わせて第2シール支持部材16と第1シール支持部材7との間で移動を繰り返し、プランジャシール13の耐久性が低下する虞がある。このため、第2シール支持部材16とプランジャシール13との間に形成される空間(軸方向隙間)は極力小さくして、プランジャシール13の移動を抑制する方が良い。また、第2シール支持部材16とプランジャシール13との間に形成される空間(軸方向隙間)を大きくすることは、軸方向におけるシール構造SCの大型化を招くため、この空間(軸方向隙間)を小さくすることが望ましい。
このため、第2シール支持部材16をプランジャシール13に接触するようにして第1シール支持部材7に圧入することが望ましい。この場合、第2シール支持部材(金属部材)16のシール対向面16b1がプランジャシール13と接触するように構成される。
これにより、仮にプランジャシール13のプランジャ2との緊迫力が、第1シール支持部材7との緊迫力を上回った場合でも、金属部材(第2シール支持部材)16によりプランジャシール13の移動を抑制することができる。
しかし、第2シール支持部材16のシール対向面16b1をプランジャシール13と接触させたり、シール対向面16b1とプランジャシール13との間隔を狭くしたりすると、プランジャシール13側の空間7s2に燃料が循環しなくなる虞がある。
そこで本実施例の高圧燃料ポンプ100は、金属部材(第2シール支持部材)16に貫通孔16fを設ける。具体的には、高圧燃料ポンプ100は、加圧室11の容積を変化させるプランジャ2と、プランジャ2の外周側で加圧室11と反対側に形成される外周側空間7s1,7s2と外部空間との間をシールするプランジャシール13と、プランジャシール13の加圧室11側の端面に対向するシール対向面16b1を有しプランジャ2の外周側に配置される金属部材16と、を備える。さらに金属部材16のシール対向面16b1には、内周部よりも径方向外側に、シール対向面16b1に対して加圧室11側の外周側空間7s1とシール対向面16b1に対して加圧室11と反対側の外周側空間7s2とを連通する貫通孔16fが形成される。
より具体的に説明すると、第2シール支持部材(金属部材)16は、第1シール支持部材(シール保持部材)7の内周部に圧入される外周側円筒部16aと、外周側円筒部16aのプランジャシール13側の端部から径方向内側に延設される径方向延設部16bと、径方向延設部16bの内周端部からプランジャシール13と反対側に折り返すように形成される内周側円筒部16cと、を有する。そして貫通孔16fは径方向延設部16bに形成される。この場合、内周側円筒部16cが底部16bから折り返すように曲げられており、内周側円筒部16cの剛性を容易に高めることができ、第2シール支持部材16を構成する板厚を薄くすることができる。さらに前述したように、第2シール支持部材16の板厚を薄くすることで、外周側円筒部16aと径方向延設部16bとの間の角部のRを小さくすることができる。
上述した貫通孔16fによりプランジャシール13の回りの燃料の循環状態を改善でき、プランジャ2の小径部2bとプランジャシール13との摩擦によって発生する熱を循環する燃料でシール構造SCの外側に逃がすことができる。特に、第2シール支持部材(金属部材)16のシール対向面16b1には、内周部よりも径方向外側に貫通孔16を設けたことにより、第2シール支持部材16の下側空間7s2に効率よく燃料を循環させることができ、プランジャシール13の冷却効果が高まる。これにより、プランジャシール13が十分、冷却できるので、プランジャシール13の許容温度を超えないようにした高圧燃料ポンプ100を得ることができる。
貫通孔16fをもうけることによりプランジャシール13が十分に冷却できるので、第2シール支持部材16をプランジャシール13に接触させる、或いはプランジャシール13に近づけて配置することができる。これにより、シール構造SCにおける軸方向の小型化を実現できる。
図7を用いて、貫通孔16fの配置について説明する。図7は、図6の第2シール支持部材の径方向内側の部分を示す、VII-VII断面図である。
貫通孔(連通路)16fは第2シール支持部材16の底部16bに穴を開口させることにより構成されている。またプランジャ軸方向から見て、貫通孔16fは、プランジャシール13の凹み部13b1の直上に形成されることが望ましい。貫通孔16fにより燃料が上下方向に移動することになる。このため、軸方向から見たときに、プランジャシール13の凹み部13b1に重なるように連通路16fを形成することで、上側空間(副室又は外周側空間)7s1と下側空間(外周側空間)7s2との間を行き来する燃料量を増やすことができ、よりプランジャシール13の冷却効果を向上することが可能である。
図7に示すように、第2シール支持部材(金属部材)16の底部16bには、複数の貫通孔16fと複数の架橋部16gが設けられている。すなわち本実施例では、第2シール支持部材(金属部材)16のシール対向面16b1に形成された貫通孔16fは複数、形成される。これにより、上側空間7s1と下側空間7s2との間を行き来する燃料量を増やすことができると共に、燃料を周方向に均一に循環させることができ、周方向における冷却効果の偏りを抑制することができる。
貫通孔16f及び架橋部16gは、円環状を成す底部16bの範囲に構成される。すなわち貫通孔16f及び架橋部16gは、第2シール支持部材16の中心として内周半径r2から外周半径r1の範囲に構成される。この場合、貫通孔16fの総面積は架橋部16gの総面積よりも大きい。すなわち本実施例の第2シール支持部材(金属部材)16は、貫通孔16fを周方向に間隔を置いて複数有すると共に、隣接する二つ貫通孔16fの間に外周側円筒部16aと内周側円筒部16cとを接続する架橋部16gを有する。径方向延設部16bに形成される貫通孔16fの総面積は径方向延設部16bに形成される架橋部16gの総面積よりも大きい。これにより、上側空間7s1と下側空間7s2との間を行き来する燃料の流通を阻害し難くなり、貫通孔16fを流通する燃料量を増やすことができる。このため、プランジャシール13の冷却効果を向上することが可能である。
図8を用いて、高圧燃料ポンプ100がエンジンに取り付ける前後の状態について説明する。図8は、高圧燃料ポンプがエンジンに取り付けられる前(a)と後(b),(c)におけるプランジャと金属部材(第2シール支持部材)との関係を示す図である。なお、(b)はプランジャが下死点にあり、(c)はプランジャが上死点にある状態を示している。
高圧燃料ポンプ100がエンジンヘッドに取り付けられる前(図8(a))においては、プランジャ2はプランジャ付勢ばね4によって下方向に向かって押圧される。その際、プランジャシール13にプランジャ2の大径部2aと小径部2bとの間の段差部2cが直接、接触し、プランジャシール13を損傷する虞がある。そこでプランジャシール13の保護部材として第2シール支持部材(規制部材)16を設ける。
これにより、プランジャ2の段差部2cは第2シール支持部材16の内周側円筒部16cの上端部と接触し、それ以上に下方向へ移動することが規制される。すなわち本実施例の高圧燃料ポンプにおいては、プランジャ2は大径部2a、小径部2b、及び大径部2aと小径部2bとの段差部2cを有する。第2シール支持部材(金属部材)16は、径方向において段差部2cとオーバラップする位置に、段差部2cに向かって曲がって形成される内周側円筒部16cを有する。
図8(a)では、プランジャ2の段差部2cと内周側円筒部16cの上端部との間隔δ1は0であり、プランジャ2の下端部はPaに位置する。このとき段差部2cはプランジャシール13に接触しておらず、プランジャシール13を保護できる。
このように第2シール支持部材16は、プランジャシール13の軸方向移動に対する規制部材としての機能の他、プランジャ2の軸方向移動に対する規制部材としての機能を有する。
なお図8(b)は、高圧燃料ポンプ100がエンジンヘッドに取り付けられた状態で、プランジャ2が下死点にある状態を示している。この状態でも、プランジャ2の下端部は図8(a)の位置Paに対して高い位置Pbにあり、プランジャ2の段差部2cと内周側円筒部16cの上端部との間隔δ2は0よりも大きな値を有する。また図8(c)は、高圧燃料ポンプ100がエンジンヘッドに取り付けられた状態で、プランジャ2が上死点にある状態を示している。この状態では、プランジャ2の下端部は図8(b)の位置Pbに対してさらに高い位置Pcにあり、プランジャ2の段差部2cと内周側円筒部16cの上端部との間隔δ3はδ2よりも大きな値を有する。
[実施例2]
図9,10を用いて、第二実施例(実施例2)に係る高圧燃料ポンプについて説明する。図9は、本発明のシール構造の第二実施例(実施例2)について、プランジャシール、第1シール支持部材及び金属部材(第2シール支持部材)の近傍を拡大して示す、図6と同様な拡大断面図である。図10は、第二実施例の金属部材(第2シール支持部材)の斜視断面図である。以下、第一実施例と異なる部分についてのみ説明する。第一実施例と同様な構成には第一実施例と同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施例では、第一実施例に対して、第2シール支持部材16の構成の一部が変更されている。具体的には、第2シール支持部材16に折り返し部(内周側円筒部)16c及び拡径部16dが設けられていない。本実施例では、拡径部16dが設けられていないことで、第2シール支持部材(金属部材)16は、プランジャシール13の外周部を保持する第1シール支持部材(シール保持部材)7の内周面7a2-2に対し、径方向内側においてのみ配置される。これにより第2シール支持部材16をプレス加工する際の絞り量を抑えることができ、第2シール支持部材16において安定した強度が得られる。
本実施例では、第2シール支持部材16は第1シール支持部材7の小径部7a2に対して径方向内側で且つ軸方向内側のみに配置されている。しかし、第2シール支持部材16の上端部が第1シール支持部材7の小径部7a2の上端部から軸方向外側(上側)にはみ出ていてもよい。しかし、第2シール支持部材16が第1シール支持部材7の小径部7a2に対して軸方向内側のみに配置されるようにすることにより、第2シール支持部材16の軸方向長さをより短くすることができ、第2シール支持部材16をプレス加工する際の絞り量を抑えることができる。
本実施例では、プランジャ2の段差部2cは第2シール支持部材(規制部材)16の底面16hと接触し、プランジャ2はそれ以上に下方向へ移動することが規制される。このように、第2シール支持部材16の形状の相違により、プランジャ2の段差部2cが当接する第2シール支持部材16の部位が異なる。その他の構成は、第一実施例と同様であり、第一実施例と同様な構成については、第一実施例と同様な効果が得られる。なお、プランジャ2の段差部2cが当接する第2シール支持部材16の部位(面)16hは第一実施例と異なるものの、プランジャ2の移動規制に関する効果は第一実施例と同様である。
本実施例では、プランジャ2の段差部2cが接触する第2シール支持部材16の接触部位16hはプランジャ2の軸方向に垂直な平面で形成される。
すなわち本実施例では、プランジャ2は大径部2a、小径部2b、及び大径部2aと小径部2bとの段差部2cを有し、第2シール支持部材(金属部材)16はシール対向面16b1と反対側で段差部2cと対向する段差部対向面16hを有する。段差部対向面16hは、段差部2cと対向することで、高圧燃料ポンプ100の取り付け前においてプランジャ2の加圧室11と反対側への移動を規制する。
この構成によれば、第2シール支持部材16の段差部2cと第2シール支持部材16の接触部位(接触面)16hとの接触面を平面で十分に確保できる。このため、接触力が広い面積に分散され、応力集中を緩和できるので信頼性が向上する。また、プランジャシール13の移動を規制するために第2シール支持部材16をプランジャシール13に当接させる必要がない場合、第一実施例の内周側円筒部16cを設ける必要がない分、第2シール支持部材16の軸方向寸法を小さくできる。したがって、高圧燃料ポンプ100のエンジン装着前のシール部13の保護機能と、駆動時の冷却機能の両立がより容易に可能となる。
なお、第1シール支持部材(シール保持部味)7及び第2シール支持部材(規制部材)16は金属部材で構成され、プレス成型品により製造されることが望ましい。これにより高圧燃料ポンプ100は低コストで量産可能となる。
本実施例の構成に第一実施例の構成を組み合わせることができる。例えば、プランジャ2の段差部2cを第2シール支持部材(規制部材)16の底面16cと接触させる構成を第一実施例に適用することができ、第一実施例の第2シール支持部材16において内周側円筒部16cを無くした構成にしてもよい。或いは、第一実施例における第2シール支持部材16の拡径部16dを第二実施例の第2シール支持部材16に適用してもよい。
これまでに説明した実施例を整理すると、本発明の実施例に係る高圧燃料ポンプ100は、以下の構成を有する。
高圧燃料ポンプ100は、加圧室11の容積を変化させるプランジャ2と、プランジャ2の外周面に摺接するプランジャシール13と、プランジャシール13を径方向外側及び軸方向の一端側から支持する第1シール支持部材7と、プランジャシール13を軸方向の他端側から支持する第2シール支持部材16と、を備える。第1シール支持部材7は、軸方向の一端側に設けられプランジャシール13及び第2シール支持部材16を第1シール支持部材7の内側に挿入する挿入口7bと、軸方向の他端側に設けられプランジャ2が挿通する貫通孔7fが形成された底部7eと、挿入口7fと底部7eとの間で所定の範囲に形成された同一内径の内周面7a2-1,7a2-2と、を有する。プランジャシール13は、第2シール支持部材16に対して底部7e側に位置するように、第1シール支持部材7の内周面7a2-1,7a2-2とプランジャ2とに挟持され、第2シール支持部材16はプランジャシール13に対して挿入口7b側に位置するように、第1シール支持部材7の内周面7a2-1に圧入される。
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
2…プランジャ、2a…プランジャ2の大径部、2b…プランジャ2の小径部、2c…プランジャ2の段差部、7…第1シール支持部材(シール保持部材)、7a2-1…第2シール支持部材16が圧入される第1シール支持部材7の内周面、7a2-2…プランジャシール13の外周部を保持する第1シール支持部材7の内周面、7b…第1シール支持部材7に構成された挿入口、7e…第1シール支持部材7の底部、7s1,7s2…外周側空間、11…加圧室、13…プランジャシール、16…第2シール支持部材(金属部材)、16a…第2シール支持部材16の外周側円筒部、16b…第2シール支持部材16の径方向延設部、16b1…第2シール支持部材のシール対向面、16c…第2シール支持部材16の内周側円筒部、16f…貫通孔、16h…第2シール支持部材16の段差部2cと対向する段差部対向面、16g…外周側円筒部16aと内周側円筒部16cとを接続する架橋部、100…高圧燃料ポンプ。

Claims (8)

  1. 加圧室の容積を変化させるプランジャと、
    前記プランジャの外周側で前記加圧室と反対側に形成される外周側空間と外部空間との間をシールする、樹脂材製のプランジャシールと、
    軸方向において前記プランジャシールの前記加圧室の側の端面に対向するシール対向面を有し、前記プランジャの外周側に配置される金属部材と、
    前記プランジャシールを保持し、前記外周側空間と前記外部空間とを分けるシール保持部材と、を備え、
    前記金属部材は、前記プランジャシールの外周部を保持する、前記シール保持部材の内周面と同一面に圧入され、
    前記金属部材の前記シール対向面がプランジャシールと接触するように構成され、
    前記金属部材の前記シール対向面には、内周部よりも径方向外側に、前記シール対向面に対して前記加圧室の側の外周側空間と前記シール対向面に対して前記加圧室と反対側の外周側空間とを連通する貫通孔が形成される高圧燃料ポンプ。
  2. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記プランジャは大径部、小径部、及び前記大径部と前記小径部との段差部を有し、
    前記金属部材は前記シール対向面と反対側で前記段差部と対向する段差部対向面を有し、
    前記段差部対向面は、前記段差部と対向することで、高圧燃料ポンプの取り付け前において前記プランジャの前記加圧室と反対側への移動を規制する高圧燃料ポンプ。
  3. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記プランジャは大径部、小径部、及び前記大径部と前記小径部との段差部を有し、
    前記金属部材は、径方向において前記段差部とオーバラップする位置に、前記段差部に向かって曲がって形成される内周側円筒部を有する高圧燃料ポンプ。
  4. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記金属部材の前記シール対向面に形成された前記貫通孔は複数、形成される高圧燃料ポンプ。
  5. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記金属部材は0.6mm以下の厚みの金属で構成された高圧燃料ポンプ。
  6. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記金属部材はプレス成型品により構成された高圧燃料ポンプ。
  7. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記プランジャシールを保持するシール保持部材を備え、
    前記金属部材は、前記シール保持部材の内周部に圧入される外周側円筒部と、前記外周側円筒部の前記プランジャシールの側の端部から径方向内側に延設され前記シール対向面を構成する径方向延設部と、前記径方向延設部の内周端部から前記プランジャシールと反対側に折り返すように形成される内周側円筒部と、を有し、
    前記貫通孔は前記径方向延設部に形成される高圧燃料ポンプ。
  8. 請求項に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記金属部材は、前記貫通孔を周方向に間隔を置いて複数有すると共に、隣接する二つ貫通孔の間に前記外周側円筒部と前記内周側円筒部とを接続する架橋部を有し、
    前記径方向延設部に形成される前記貫通孔の総面積は、前記径方向延設部に形成される前記架橋部の総面積よりも大きい高圧燃料ポンプ。
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