JP7147672B2 - 燃料ポンプ - Google Patents

Description

本開示は、プランジャの往復動により燃料を加圧する燃料ポンプに関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関に用いられる燃料ポンプとして、軸方向への往復動により燃料を加圧するプランジャを備えたものが提案されている。そのような燃料ポンプでは、回転駆動されるカムの外周面（以下、カム面）にローラ等を介して当接するシュー等のプランジャ支持部を設け、そのプランジャ支持部をカムの回転に応じて前記軸方向に往復動させている。そのプランジャ支持部の往復動がプランジャに伝達されることにより、当該プランジャによって燃料を加圧することができる。また、そのような燃料ポンプでは、プランジャ支持部及びカムを収容するハウジングに液相状の燃料を充填し、プランジャ支持部が往復動する際の潤滑油として利用することも考えられている。

ところが、その場合、プランジャ支持部がカム面の山（すなわち、外径の大きい部分）を乗り越える際に、プランジャ支持部の往復方向に対して直交する方向の力がプランジャ支持部に加わり、プランジャ支持部の周辺で燃料に負圧が加わることがある。例えば、プランジャ支持部と、当該プランジャ支持部の往復動を案内するハウジング内壁面との間には、一定のクリアランスがあり、プランジャ支持部が前記力に応じてクリアランス内を移動することにより、当該移動方向の反対側の燃料に負圧が加わる。すると、当該負圧が加わった燃料に気泡が発生し、その気泡が潰れると、衝撃波が発生する。この衝撃波によって、前記ハウジング内壁面が損傷する事態（すなわち、キャビテーションエロ―ジョン）が発生することがある。

そこで、例えば特許文献１に記載のように、ハウジングを構成するアルミニウムよりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料（例えば鋼材）によって構成されたガイドをハウジング内壁面の内側に圧入し、そのガイドによってプランジャ支持部を案内することが提案されている。

欧州特許出願公開第３３１８７４６号明細書

しかしながら、その場合、ガイドを圧入するためにはハウジング内壁面に対する仕上げ加工が必要となり、更に、圧入後のガイドに対する内面仕上げ加工が必須となるため、工数が増えて製造コストが上昇する。

本開示の１つの局面は、燃料ポンプにおいて、プランジャ支持部を案内するためのハウジング内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを抑制することを、当該燃料ポンプに対する仕上げ加工の工数増加を抑制しつつ可能とすることにある。

本開示の１つの態様による燃料ポンプは、プランジャ（５３）と、プランジャ支持部（５４）と、ハウジング（５２，１５２）と、異種材料部（５９，１５９）と、を備える。また、前記ハウジングは、筒状部（５８，１５８）と、カム収容部（５７）と、を備える。

プランジャは、軸方向への往復動により燃料を加圧するように構成されている。プランジャ支持部は、前記プランジャの第１の端部（５３Ａ）に設けられ、回転駆動されるカム（５１）の外周面（５１Ａ）に直接又は間接的に当接しながら前記軸方向に往復動して前記プランジャを往復動させるように構成されている。ハウジングの筒状部は、前記プランジャ支持部の往復動を案内するように構成されている。ハウジングのカム収容室は、前記カムを収容するように構成されている。更に、前記筒状部及び前記カム収容部には液相状の燃料を充填可能である。異種材料部は、前記ハウジングにおける他の部分よりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料によって構成され、前記プランジャ支持部の往復時にキャビテーションエロ―ジョンが発生する箇所の少なくとも一部を含む前記筒状部の内壁面の一部に配置されている。また、前記異種材料部の内径は前記筒状部の内径よりも大きい。

このような構成によれば、プランジャ支持部の往復時にキャビテーションエロ―ジョンが発生する箇所の少なくとも一部を含む筒状部の内壁面の一部に、ハウジングにおける他の部分よりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料によって構成された異種材料部が配置されている。このため、気泡の崩壊エネルギを異種材料部が受け持ち、ハウジングにおいてプランジャ支持部を案内する筒状部の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを抑制することができる。

また、異種材料部の内径は前記筒状部の内径よりも大きい。このため、異種材料部の内壁面が多少荒れていても、プランジャ支持部の往復動が妨げられることはない。従って、異種材料部の内壁面には仕上げ加工を必ずしも施さなくてもよく、燃料ポンプに対する仕上げ加工の工数増加を抑制することができる。よって、燃料ポンプの製造コストも抑制することができる。

第１実施形態の燃料ポンプを備えたコモンレールシステムを表す模式図である。 第１実施形態の燃料ポンプの構成を模式的に表す縦断面図である。 図２におけるIII－III線切断端面図である。 図３におけるIV部の構成を表す拡大断面図である。 第１実施形態の燃料ポンプにおけるハウジングに対する異種材料部の装着状態を表す斜視図である。 その異種材料部の構成を表す斜視図である。 第２実施形態の燃料ポンプにおけるハウジングに対する異種材料部の装着状態を表す斜視図である。 図７におけるIIX－IIX線断面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．コモンレールシステムの構成］
図１に示すコモンレールシステム１は、第１実施形態の燃料ポンプとしてのサプライポンプ５を利用している。先ず、コモンレールシステム１の全体構成について説明する。

図１に示すように、コモンレールシステム１は、燃料タンク２と、低圧燃料パイプ３と、燃料フィルタ４と、サプライポンプ５と、燃料調量弁６と、高圧燃料パイプ７と、コモンレール８とを備える。

図示省略したフィードポンプによって燃料タンク２から汲み上げられた燃料（例えば、ガソリン又は経由）は、低圧燃料パイプ３及び燃料フィルタ４を介してサプライポンプ５へ送られる。サプライポンプ５は、送られた燃料を吸入して加圧し、燃料調量弁６及び高圧燃料パイプ７を介してコモンレール８へ送る。このコモンレール８の各燃料出口には、高圧燃料が分配供給される複数個（本例では４個）のインジェクタ（燃料噴射装置）１０が、それぞれ燃料分配管１１を介して接続されている。

コモンレール８における第１の端部側（すなわち、図１における左端側）には減圧弁１２が、コモンレール８における第２の端部側（すなわち、図１における右端側）には圧力センサ１３が、それぞれ取付けられている。コモンレールシステム１は、図示省略したエンジンの運転状態に応じて所望の燃料供給制御機能を発揮させるための総合司令塔をなす電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）１５を備えている。ＥＣＵ１５は、減圧弁１２の動作、及び、各インジェクタ１０からの燃料噴射を制御する。ＥＣＵ１５は、その制御に当たり、圧力センサ１３が検出したコモンレール８内部の燃料圧力、並びに、このコモンレールシステム１を搭載した車両の各種制御に利用されるクランクセンサ１６及びアクセルセンサ１７及び水温センサ１８からの信号を、参照する。

サプライポンプ５は、図２に示すように、カムシャフト５１と、このカムシャフト５１を回転自在に支持するハウジング５２と、燃料を加圧圧送するプランジャ５３と、プランジャが挿通されたシリンダとを備える。なお、図２は、サプライポンプ５におけるシリンダよりもカムシャフト５１に近い側の構成を模式的に示しており、シリンダは図２では図示省略されている。

シリンダは、プランジャ５３を、当該プランジャ５３の軸方向へ往復動可能に支持する。シリンダ内をプランジャ５３が往復動することで、サプライポンプ５は、燃料フィルタ４から供給された燃料を更に加圧して高圧燃料を生成する。図１に示すように、サプライポンプ５によって生成された高圧燃料は、高圧燃料パイプ７を介してコモンレール８へ圧送される。

コモンレール８は、要求噴射圧力に相当する高圧燃料を貯留しておく蓄圧容器である。以上の構成により、コモンレール８は、サプライポンプ５からの高圧燃料を一時的に蓄え、圧力を保持したまま複数のインジェクタ１０に分配する。

［１－２．サプライポンプ５の要部の構成］
図２に示すように、サプライポンプ５におけるプランジャ５３のカムシャフト５１側の端部５３Ａには、プランジャ５３と中心軸を共通とした円柱状のプランジャ支持部５４（例えば、タペット又はシュー）が取り付けられている。プランジャ支持部５４は、カムシャフト５１側に、プランジャ５３の中心軸と直交する軸を中心に回転するローラ５５を備えている。また、プランジャ支持部５４は、スプリング５６によりカムシャフト５１方向に付勢されており、その付勢力によって、ローラ５５は、カムシャフト５１の外周面（すなわち、カム面５１Ａ）に当接した状態に維持される。このため、断面楕円状のカムシャフト５１が回転する運動が、ローラ５５及びプランジャ支持部５４を介して、プランジャ５３の往復運動に変換される。

また、サプライポンプ５のハウジング５２は、カムシャフト５１を収容するカム収容部５７と、プランジャ支持部５４を往復動可能に収容する円筒面状の筒状部５８とを備える。また、カム収容部５７及び筒状部５８の内部には、液相状の燃料が潤滑油として充填される。なお、ハウジング５２は、種々の材料で構成することが可能であるが、例えばアルミニウム等の金属によって構成されている。

図２～図５に示すように、筒状部５８には、プランジャ支持部５４における中心よりカムシャフト５１側の部分が往復動する範囲の一部を含む範囲に、大径部５８Ａが形成され、その大径部５８Ａには、円環状の異種材料部５９が嵌合されている。異種材料部５９は、ハウジング５２を構成するアルミニウム等の金属よりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料（例えば樹脂等）によって構成されている。また、異種材料部５９は、図３，図５，図６に示すように、軸方向に短い（例えば、軸方向の長さがプランジャ支持部５４における同方向の長さの半分以下の）円環状に構成され、当該円環の一部を軸方向に貫通する切欠き５９Ａを有している。なお、異種材料部５９の前記軸方向の長さのより望ましい範囲は、例えば５～１０ｍｍ程度である。

なお、図４に示すように、プランジャ支持部５４の摺動部内径（すなわち、筒状部５８の内径）Ｒ１よりも、異種材料部５９の内径Ｒ２の方が大きく、その内径Ｒ２よりも大径部５８Ａの内径（すなわち、異種材料部５９の外径）Ｒ３の方が大きい。このため、プランジャ支持部５４の摺動部と異種材料部５９の内壁面との間には、一定のクリアランスＤが存在する。

また、図５に示すように、筒状部５８には、カムシャフト５１の回転軸における一端側の部分に、プランジャ支持部５４の往復動する範囲を貫通する溝５８Ｂが形成されている。筒状部５８に対する溝５８Ｂの幅は、切欠き５９Ａの幅と同じに構成されている。異種材料部５９は、切欠き５９Ａが大径部５８Ａと溝５８Ｂとの重複部分に配置されるように、取り付けられている。

［１－３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１Ａ）このように構成されたサプライポンプ５では、カムシャフト５１が回転し、その回転に応じてローラ５５及びプランジャ支持部５４及びプランジャ５３が往復動する際、図３に点線Ａで囲んだ範囲で、いわゆるキャビテーションエロ―ジョンが発生する可能性がある。このキャビテーションエロ―ジョンは、例えば次のような過程で発生する。カム面５１Ａの山（すなわち、外径の大きい部分）をローラ５５が乗り越える際に、プランジャ支持部５４の往復方向及びカムシャフト５１の回転軸に対して直交する方向（すなわち、図２，図３における左右方向）の力がプランジャ支持部５４に加わることがある。すると、当該力に応じてプランジャ支持部５４が筒状部５８内を移動することにより、当該移動方向の反対側の燃料に負圧が加わり、当該負圧が加わった燃料に気泡が発生する。その気泡が潰れると、衝撃波が発生し、筒状部５８が損傷する場合がある。

これに対し、本第１実施形態のサプライポンプ５では、点線Ａで囲んだ範囲の少なくとも一部を含む筒状部５８の内壁面の一部に、ハウジング５２における他の部分よりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料によって構成された異種材料部５９が配置されている。このため、気泡の崩壊エネルギを異種材料部５９が受け持ち、ハウジング５２においてプランジャ支持部５４を案内する筒状部５８の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを抑制することができる。なお、前述したハウジング５２における他の部分とは、プランジャ支持部５４を案内する筒状部５８の内壁面のうち、異種材料部５９が配置された箇所以外の少なくとも一部であってもよい。

なお、クリアランスＤの大きさによっては、キャビテーションエロ―ジョンに係る気泡の発生位置が変化する。そこで、本実施形態では、クリアランスＤは、大径部５８Ａ及び異種材料部５９を設けたことに起因して前記気泡の発生位置が変化しない（すなわち、前記気泡が異種材料部５９の表面で発生する）ように、設定されている。このような条件を満たすクリアランスＤの大きさは、サプライポンプ５の形状及び大きさ並びにハウジング５２及び異種材料部５９の材質に応じて変化する。

また、特許文献１に記載のポンプと同様に、プランジャ支持部５４の外周面と筒状部５８の内壁面とを鋼材で構成した場合、当該プランジャ支持部５４と筒状部５８との間に異常摩耗又は焼付きが発生する可能性がある。これに対して、本第１実施形態のサプライポンプ５では、筒状部５８をアルミニウム等で構成し、異種材料部５９を樹脂等で構成しているので、異常摩耗及び焼き付きの発生も抑制することができる。

（１Ｂ）筒状部５８の内径Ｒ１よりも、異種材料部５９の内径Ｒ２の方が大きい。このため、異種材料部５９の内壁面が多少荒れていても、プランジャ支持部５４の往復動が妨げられることはない。従って、異種材料部５９の内壁面には仕上げ加工を必ずしも施さなくてもよく、サプライポンプ５に対する仕上げ加工の工数増加を抑制することができる。よって、サプライポンプ５の製造コストも抑制することができる。

（１Ｃ）プランジャ支持部５４よりもプランジャ５３側の筒状部５８と、プランジャ支持部５４よりもカムシャフト５１側の筒状部５８及びカム収容部５７とは、溝５８Ｂを介して互いに連通している。このため、プランジャ支持部５４を挟んだ両側(すなわち、図２における上下両側)で燃料の圧力に差が生じるのを抑制し、前述の気泡の発生自体を抑制することができる。従って、ハウジング５２においてプランジャ支持部５４を案内する筒状部５８の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを、一層良好に抑制することができる。

（１Ｄ）異種材料部５９は、プランジャ支持部５４における当該プランジャ支持部５４の往復動方向中心よりカムシャフト５１側の部分が、ハウジング５２内を往復動する範囲の一部を含む範囲に配置されている。また、異種材料部５９は、軸方向（すなわち、往復方向）の長さがプランジャ支持部５４における同方向の長さの半分以下である。上死点におけるプランジャ支持部５４のプランジャ５３側端部と、下死点におけるプランジャ支持部５４のカムシャフト５１側端部と、の間の区間における筒状部５８の内壁が、全部異種材料で構成されていると、プランジャ支持部５４の案内に支障をきたす場合がある。なお、上死点とは、カムシャフト５１の回転軸から離れた側の死点であり、下死点とはカムシャフト５１の回転軸に近い側の死点である。また、キャビテーションエロ―ジョンに係る気泡は、プランジャ支持部５４におけるカムシャフト５１側の半分で発生する場合が多い。

これに対して、第１実施形態のサプライポンプ５では、プランジャ支持部５４のカムシャフト５１側の半分が往復する範囲の一部に、異種材料部５９が配置されている。このため、プランジャ支持部５４を筒状部５８の内壁面により良好に案内し、かつ、キャビテーションエロ―ジョンによって筒状部５８の内壁面が損傷するのも良好に抑制することができる。

（１Ｅ）第１実施形態のサプライポンプ５では、カムシャフト５１が回転駆動される回転軸に対して直交する方向の筒状部５８の内壁面に、異種材料部５９が設けられている。このため、図３における点線Ａで囲んだ範囲で多く発生する気泡によって筒状部５８が損傷するのを、一層良好に抑制することができる。

（１Ｆ）第１実施形態のサプライポンプ５では、異種材料部５９は、ハウジング５２における他の部分を構成する材料（例えば、アルミニウム）よりも弾性の高い材料（例えば、樹脂）により構成されている。このため、異種材料部５９は、気泡の崩壊エネルギを一層良好に受け持つことができ、ハウジング５２において筒状部５８の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを一層良好に抑制することができる。

［２．第２実施形態］
［２－１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

第２実施形態のサプライポンプ５は、図７，図８に示すように、円環状の異種材料部５９の代わりに、立方体状の異種材料部１５９を用いた点において異なる。それに応じて、ハウジング１５２における筒状部１５８の内周面には、大径部５８Ａの代わりに、異種材料部１５９を受け入れる立方体状の凹部１５８Ａが形成されている。この凹部１５８Ａは、カムシャフト５１が回転駆動される回転軸に対して直交する方向の筒状部５８の内壁面に形成され、その凹部１５８Ａに異種材料部１５９が嵌合されている。なお、異種材料部１５９は凹部１５８Ａに接着又は圧入されてもよく、インサート成形によりハウジング１５２と同時に成形されてもよい。後者の場合、組立工程を省略して、サプライポンプ５の製造コストを低減することができる。

また、図８に示すように、異種材料部１５９の内壁面（すなわち、プランジャ支持部５４側の面）は、筒状部１５８の内壁面よりも外周側（すなわち、プランジャ支持部５４から離れた側）に配置される。なお、異種材料部１５９を構成する材料は、異種材料部５９を構成する材料と同様であってもよい。

［２－２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、第１実施形態における（１Ａ）～（１Ｆ）と同様の効果を奏する。但し、異種材料部１５９が筒状部１５８の内面側に露出する面積が少ない分だけ、ハウジング１５２において筒状部１５８の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを抑制する効果が小さくなる場合がある半面、異種材料部１５９の材料を低減できる。

［３．特許請求の範囲との対応関係］
なお、前記各実施形態において、サプライポンプ５が燃料ポンプに対応する。端部５３Ａが第１の端部に対応する。カムシャフト５１がカムに対応する。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（４Ａ）前記各実施形態では、プランジャ支持部５４がローラ５５を介して間接的にカム面５１Ａに当接しているが、これに限定されるものではない。例えば、プランジャ支持部はカム面に直接当接してもよい。

（４Ｂ）前記各実施形態では、カムシャフト５１を、回転軸回りに１８０°離間した２つの山を有する断面楕円状に構成したが、これに限定されるものではない。例えば、カムは山を１つだけ有する断面卵形のものであってもよく、山を３つ以上有するものであってもよい。

（４Ｃ）前記各実施形態では、異種材料部５９又は１５９を、ハウジング５２における他の部分を構成する材料（例えば、アルミニウム）よりも弾性の高い材料（例えば、樹脂）によって構成したが、これに限定されるものではない。例えば、異種材料部５９又は１５９を、ハウジング５２における他の部分を構成する材料（例えば、アルミニウム）よりも高硬度の材料（例えば、鋼鉄）によって構成してもよい。この場合も、異種材料部５９又は１５９は、気泡の崩壊エネルギを一層良好に受け持つことができ、ハウジング５２において筒状部５８の内壁面がキャビテーションエロ―ジョンにより損傷するのを一層良好に抑制することができる。

（４Ｄ）前記各実施形態では、異種材料部５９又は１５９は、プランジャ支持部５４における中心よりカムシャフト５１側の部分が往復動する範囲の一部を含む範囲に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、プランジャ支持部５４の往復時にキャビテーションエロ―ジョンが発生する箇所の少なくとも一部を含むのであれば、異種材料部は他の箇所に設けられてもよい。但し、前述のように、異種材料部が、プランジャ支持部における中心よりカムシャフト側の部分が往復動する範囲の一部を含む範囲に配置された場合、キャビテーションエロ―ジョンによって筒状部の内壁面が損傷するのを一層良好に抑制することができる。また、より望ましくは、異種材料部は、上死点におけるプランジャ支持部５４のプランジャ５３側端部と、下死点におけるプランジャ支持部５４のカムシャフト５１側端部との間に配置されるのがよい。

（４Ｅ）前記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、前記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、前記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

１…コモンレールシステム ５…サプライポンプ ８…コモンレール
１０…インジェクタ ５１…カムシャフト ５２，１５２…ハウジング
５３…プランジャ ５４…プランジャ支持部 ５７…カム収容部
５８，１５８…筒状部 ５９，１５９…異種材料部

Claims (5)

1. 軸方向への往復動により燃料を加圧するように構成されたプランジャ（５３）と、
   前記プランジャの第１の端部（５３Ａ）に設けられ、回転駆動されるカム（５１）の外周面（５１Ａ）に直接又は間接的に当接しながら前記軸方向に往復動して前記プランジャを往復動させるように構成されたプランジャ支持部（５４）と、
   前記プランジャ支持部の往復動を案内するように構成された筒状部（５８，１５８）と、前記カムを収容するように構成されたカム収容部（５７）とを備え、前記筒状部及び前記カム収容部には液相状の燃料を充填可能に構成されたハウジング（５２，１５２）と、
   前記ハウジングにおける他の部分よりもキャビテーションエロ―ジョンに対する耐性が高い材料によって構成され、前記プランジャ支持部の往復時にキャビテーションエロ―ジョンが発生する箇所の少なくとも一部を含む前記筒状部の内壁面の一部に配置された異種材料部（５９，１５９）と、
   を備え、
   前記異種材料部の内径は前記筒状部の内径よりも大きい燃料ポンプ。
2. 請求項１に記載の燃料ポンプであって、
   前記異種材料部は、前記プランジャ支持部における中心より前記カム側の部分が往復動する範囲の一部を含む範囲に配置された燃料ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載の燃料ポンプであって、
   前記異種材料部は、前記カムが回転駆動される回転軸に対して直交する方向の前記筒状部の内壁面に設けられた燃料ポンプ。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料ポンプであって、
   前記異種材料部は、前記ハウジングにおける他の部分よりも高硬度の材料により構成された燃料ポンプ。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料ポンプであって、
   前記異種材料部は、前記ハウジングにおける他の部分よりも弾性の高い材料により構成された燃料ポンプ。

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