JP7468244B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、高圧燃料ポンプに関する。

従来、高圧燃料ポンプにおいては、プランジャの外周側を伝う燃料の漏れをシールリングにより抑制している。特許文献１では、矩形断面をもつシールリングと、付勢リングとしてシールリングに対して径方向外側に設けられた円形断面のＯリングとを組み合わせて燃料シールを構成している。

特開２００７－１８７１１４号公報

Ｏリングの太さとその最大つぶし量は、シールリングの摺動部のプランジャへの最大面圧として燃料のリーク量に影響する。そのため、燃料のリーク量の限界値よりＯリングの太さとシールリングの径方向厚さが決まる。

ここで高圧ポンプの体格による制約により、燃料シールの設置スペースには限界がある。そのため、シールリングと比べて耐燃料性が低い材料からなるＯリングは、圧縮率最大値を超えるほど過大に膨潤して圧縮割れを起こす可能性がある。特に、燃料性状の良くない地域において、例えばエタノール含有燃料や添加物含有燃料を使用した場合に圧縮割れ発生が顕著になる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、付勢リングの圧縮割れを抑制できる高圧燃料ポンプを提供する。

本発明の高圧燃料ポンプは、加圧室（１５）を有するシリンダ（１３）と、シリンダに対して軸方向へ往復移動することにより加圧室の容積を変化させるプランジャ（１４）と、シリンダ外でプランジャとの間にシール室（２５）を区画しているシール室形成部（２２）と、シール室内に設けられたシールリング（２７、２９）および付勢リング（２８、３０）とを備える。シールリングは、プランジャの外周面に接している。付勢リングは、シールリングと比べて耐燃料性が低い材料からなり、シール室内でシールリングに対して径方向外側に設けられ、シールリングをプランジャに付勢している。

ここで、「シールリングのうちプランジャへの面圧が最大となる部分」の軸方向位置のことを最大面圧位置（Ｚｐｍａｘ）と定義する。プランジャの中心軸（ＡＸ）を通る断面のことを縦断面と定義する。「縦断面に表れる非圧縮状態の付勢リングの切断部端面の片方」に外接する円のことを仮想外接円（Ｃｖ）と定義する。仮想外接円を中心軸まわりに一回転してできる立体を仮想標準リング（Ｒｖ）と定義する。

本発明の第１態様では、シールリング（２７）は、プランジャの外周面に接する円筒面を有する。付勢リング（２８）は、燃料に浸ると膨潤する材料からなる。シールリングのうち付勢リングと対向する径方向外側の面は、最大面圧位置に対して軸方向の一方または両方に、「最大面圧位置に対応する部分（２７１）」よりも外径が小さくなるように形成された径変更部（３１、３２、３３）を有する。

本発明の第２態様では、非圧縮状態の付勢リング（３０）は、最大面圧位置に対して軸方向の一方または両方に、仮想標準リングよりも外径が小さくなるように、または仮想標準リングよりも内径が大きくなるように形成された径変更部（３６、３７）を有する。

これにより、燃料シールの設置スペース（すなわちシール室の容積）が従来形態と同じであったとしても、径変更部の外径が小さい分、または径変更部の内径が大きい分だけ付勢リングの膨潤への許容スペースが増加する。そのため、付勢リングの許容膨潤限界が高まり、エタノール含有燃料や添加物含有燃料を使用した場合にも、付勢リングの膨潤による圧縮割れを抑制できる。

さらに、シールリングのプランジャへの面圧分布が改善されることから、シールリングとプランジャとの摺動抵抗を低減することができ、両者の摺動性が向上する。

第１実施形態の高圧燃料ポンプを示す模式的な断面図。 図１のＩＩ部を拡大して示す断面図。 図２の燃料シールの切断部端面図であって、非圧縮状態の付勢リングを示す図。 図２のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第２実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図５の燃料シールに対して非圧縮状態の付勢リングを示す図。 図５のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第３実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図８の燃料シールに対して非圧縮状態の付勢リングを示す図。 図８のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第４実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図１１のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第５実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図１３のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第６実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図１５の燃料シールに対して非圧縮状態の付勢リングを示す図。 図１５のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 第７実施形態の燃料シールの切断部端面図。 図１８の燃料シールに対して非圧縮状態の付勢リングを示す図。 図１８のシールリングのプランジャへの面圧分布図。 比較形態の燃料シールの切断部端面図を示す図。 図２１の燃料シールに対して非圧縮状態の付勢リングを示す図。

以下、高圧燃料ポンプの複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の高圧燃料ポンプ１０は、エンジン９０のカム軸９１のカム９２の回転動力を利用して、図示しない燃料タンクから送られてくる燃料を加圧して図示しない燃料レールに吐出する装置である。

エンジン９０の貫通孔９４には、貫通孔９４の上端側を塞ぐようにしてハウジング１２が挿入されている。カム室９３および貫通孔９４内の空間には、潤滑用のオイルが充満している。

シリンダ１３は、高圧燃料ポンプ１０の外郭を構成するハウジング１２と一体に形成されている。他の実施形態では、シリンダはハウジングや燃料通路形成部材とは別体に形成されてもよい。シリンダ１３には、円柱状空間のプランジャ挿入孔１３１が形成されている。プランジャ挿入孔１３１には、円柱状のプランジャ１４が摺動自在に挿入されている。プランジャ１４の上端面とシリンダ１３の内周面とにより加圧室１５が区画形成されている。

プランジャ１４の下端にシート１６が連結されている。シート１６はスプリング１７によりタペット１８に押し付けられている。タペット１８は、貫通孔９４に摺動自在に挿入されている。また、タペット１８にはローラ１９が回転自在に取り付けられている。ローラ１９はカム９２に当接している。

カム軸９１の回転によりカム９２が回転すると、シート１６、タペット１８およびローラ１９とともに、プランジャ１４が軸方向へ往復駆動されるようになっている。プランジャ１４は、シリンダ１３に対して軸方向へ往復移動することにより加圧室１５の容積を変化させる。

ハウジング１２には、加圧室１５に燃料を導く吸入通路１２１、および加圧室１５の燃料を外部に吐出する吐出通路１２２が形成されている。吸入通路１２１には、吸入行程の時に開弁する吸入弁２０が配置されている。吐出通路１２２には、吐出行程の時に開弁する吐出弁２１が配置されている。

図１、図２に示すように、ハウジング１２の端部にはシールホルダ２２が装着されている。シールホルダ２２は、プランジャ１４に嵌合する環状の嵌合部２２１と、ハウジング１２に圧入された筒状の圧入部２２２と、嵌合部２２１から圧入部２２２まで延びる筒状の接続部２２３とを有する。軸方向において接続部２２３の内壁の段差部とハウジング１２との間には、円盤状のプランジャストッパ２３が配置されている。

嵌合部２２１のシート１６側には、オイルシール２４が装着されている。オイルシール２４によって、貫通孔９４内の空間から後述のシール室２５へ伝うオイルの漏れが抑制される。

シールホルダ２２は、シリンダ１３外でプランジャ１４との間にシール室２５を区画している。具体的には、シール室２５は、プランジャ１４の外周面と、接続部２２３の内壁面と、嵌合部２２１の端面と、プランジャストッパ２３の端面とにより区画形成された環状空間である。シール室２５には、燃料シール２６が配置されている。燃料シール２６によって、プランジャ１４周囲の燃料油膜の厚さが調整され、加圧室１５からプランジャ１４の外周側を通って貫通孔９４内の空間へ伝う燃料の漏れが抑制される。

燃料シール２６は、シール室２５に設けられたシールリング２７および付勢リング２８から構成される。シールリング２７は、例えば四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）等の樹脂から形成され、プランジャ１４の外周面に接している。付勢リング２８は、シールリング２７と比べて耐燃料性が低い例えばゴム等の弾性体から形成され、シール室２５内でシールリング２７に対して径方向外側に設けられている。付勢リング２８は、接続部２２３とシールリング２７との間で径方向に圧縮されており、シールリング２７をプランジャ１４に付勢している。

次に、燃料シール２６について詳しく説明する。プランジャ１４の中心軸ＡＸを通る断面のことを縦断面と定義する。また、中心軸ＡＸと平行な方向を軸方向と定義する。図３に示すように、付勢リング２８は、非圧縮状態における縦断面形状が円形となるＯリングである。付勢リング２８は、軸方向中心において径方向厚みが最大となっている。付勢リング２８の径方向厚みが最大となる部分のことを付勢側最大厚み部２８１と定義する。他の実施形態では、付勢側最大厚み部は付勢リングの軸方向中心から外れていてもよい。また、付勢リングは、付勢側最大厚み部に対する軸方向一方と軸方向他方とが非対称形状となるように形成されてもよい。

シールリング２７は、全体的には筒状に形成されている。シールリング２７の内側の摺動面は円筒面である。シールリング２７は、軸方向中心であって、付勢側最大厚み部２８１に対応する軸方向位置において径方向厚みが最大になっている。シールリング２７の径方向厚みが最大となる部分のことをシール側最大厚み部２７１と定義する。他の実施形態では、シール側最大厚み部はシールリングの軸方向中心から外れていてもよい。また、シールリングは、シール側最大厚み部に対する軸方向一方と軸方向他方とが非対称形状となるように形成されてもよい。

図４に示すように、シールリング２７のプランジャ１４への面圧Ｐは、付勢側最大厚み部２８１に対応する軸方向位置において最大面圧Ｐｍａｘとなる。最大面圧Ｐｍａｘに対応する軸方向位置、すなわち「シールリング２７のうちプランジャ１４への面圧Ｐが最大となる部分」の軸方向位置のことを最大面圧位置Ｚｐｍａｘと定義する。面圧Ｐは、最大面圧位置Ｚｐｍａｘから軸方向の一方および他方に離れるほど小さくなる。

図２、図３に示すように、シールリング２７は、最大面圧位置Ｚｐｍａｘにおいて径方向厚みが最大になっている。また、シールリング２７は、最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して軸方向の両方に、「最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対応する部分」としてのシール側最大厚み部２７１よりも外径が小さくなるように形成された径変更部３１を有する。第１実施形態では、径変更部３１は、シール側最大厚み部２７１から離れるほど外径が小さくなるテーパ面である。

第１実施形態では、シール側最大厚み部２７１は最大面圧位置Ｚｐｍａｘのみに形成され、径変更部３１は最大面圧位置Ｚｐｍａｘに隣接して形成されている。これに対して他の実施形態では、シール側最大厚み部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘを含む軸方向の一定範囲にわたって形成され、径変更部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘから離れて形成されてもよい。また径変更部が複数のテーパ面から構成されてもよい。またシール側最大厚み部と径変更部との境界の角部が丸みをもつように形成されてもよい。

（効果）
以下、従来形態との比較により第１実施形態の有利な効果を説明する。図２１、図２２に示すように、従来形態の燃料シール８１は、第１実施形態の付勢リング２８と同様な付勢リング８２と、シールリング８３とから構成される。シールリング８３は、軸方向全域において第１実施形態のシール側最大厚み部２７１と同じ径方向厚みをもつように円筒状に形成されている。つまり、シールリング８３の外周面は円筒面である。

第１実施形態では、シールリング２７は、最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して軸方向の両方に、「最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対応する部分」よりも外径が小さくなるように形成された径変更部３１を有する。比較形態では、そのような径変更部３１が形成されていない。

これにより、燃料シール２６の設置スペース（すなわちシール室２５の容積）が従来形態と同じであったとしても、径変更部３１の外径が小さい分だけ付勢リング２８の許容膨潤スペースが増加する。シールリング２７と従来形態のシールリング８３とを比べると、シールリング２７の径変更部３１の外側には、付勢リング２８の膨潤への許容スペースが生み出されている。そのため、付勢リング２８の許容膨潤限界が高まり、エタノール含有燃料や添加物含有燃料を使用した場合にも、付勢リング２８の膨潤による圧縮割れを抑制できる。

またシールリング２７では、最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して軸方向の両方で、シール側最大厚み部２７１よりも径方向外側に突出する部分が無い。そのため、付勢リング２８の許容膨潤限界が高まる。

また図４に示すように、最大面圧Ｐｍａｘが第１実施形態と比較形態とで同じ場合、破線で示す比較形態の面圧に比べて、実線で示す第１実施形態の面圧が径変更部３１に対応する軸方向位置で小さくなっている。このようにシールリング２７のプランジャ１４への面圧分布が改善されることから、シールリング２７とプランジャ１４との摺動抵抗を低減することができ、両者の摺動性が向上する。

また第１実施形態では、径変更部３１はテーパ面である。これにより比較的簡易な形状により付勢リング２８の許容膨潤スペースを増加させ、またシールリング２７の面圧分布を改善できる。

［第２実施形態］
図５、図６に示すように、第２実施形態において、シールリング２７は、径方向外側および径方向内側の角部が丸くなっている。シールリング２７の径方向厚みは、軸方向中央部において最大になっており、軸方向両端部において軸方向中央部から離れるほど小さくなっている。

径変更部３２は、シール側最大厚み部２７１から離れるほど外径が小さくなる凸曲面である。これにより径変更部３２の外径が小さい分だけ付勢リング２８の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２７の面圧分布を図７に示すように改善できる。したがって、第２実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

第２実施形態では、シール側最大厚み部２７１は最大面圧位置Ｚｐｍａｘを含む軸方向の一定範囲にわたって形成され、径変更部３２は最大面圧位置Ｚｐｍａｘから離れて形成されている。これに対して他の実施形態では、シール側最大厚み部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘのみに形成され、径変更部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘに隣接して形成されてもよい。また径変更部である凸曲面の曲率半径は一定でなくてもよい。

［第３実施形態］
図８、図９に示すように、第３実施形態において、シールリング２７は、軸方向両端部が軸方向中央部に比べて径方向内側に凹むように形成されている。シールリング２７の径方向厚みは、軸方向中央部において最大になっており、軸方向両端部において軸方向中央部よりも小さくなっている。

径変更部３３は、傾斜面３３１および小径円筒面３３２を有する凹面である。凹面とは、シール側最大厚み部２７１よりも径方向内側に凹んでいることを意味する。傾斜面３３１は、シール側最大厚み部２７１から離れるほど外径が小さくなっている。小径円筒面３３２は、軸方向において傾斜面３３１に対してシール側最大厚み部２７１とは反対側に形成されている。これにより径変更部３３の外径が小さい分だけ付勢リング２８の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２７の面圧分布を図１０に示すように改善できる。したがって、第３実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

第２実施形態では、シール側最大厚み部２７１は最大面圧位置Ｚｐｍａｘを含む軸方向の一定範囲にわたって形成され、径変更部３２は最大面圧位置Ｚｐｍａｘから離れて形成されている。これに対して他の実施形態では、シール側最大厚み部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘのみに形成され、径変更部は最大面圧位置Ｚｐｍａｘに隣接して形成されてもよい。また径変更部である凹面は、テーパ面および円筒面の組合せに限らず、それらの加えて凹曲面を有していてもよく、また凹曲面のみから構成されてもよい。

［第４実施形態］
図１１に示すように、第４実施形態では、第３実施形態と同様の径変更部３３が軸方向の一方（すなわちプランジャストッパ２３側）のみに形成されている。このように軸方向の一方のみに径変更部３３が形成されていても、径変更部３３の外径が小さい分だけ付勢リング２８の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２７の面圧分布を図１２に示すように改善できる。

第４実施形態では、第３実施形態と同様の径変更部３３が軸方向の一方のみに形成されている。これに対して他の実施形態では、第１実施形態の径変更部３１または第２実施形態の径変更部３２が軸方向の一方のみに形成されてもよい。それでも第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第５実施形態］
図１３に示すように、第５実施形態では、第３実施形態と同様の径変更部３３が軸方向の他方（すなわち嵌合部２２１側）のみに形成されている。このように軸方向の他方のみに径変更部３３が形成されていても、径変更部３３の外径が小さい分だけ付勢リング２８の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２７の面圧分布を図１４に示すように改善できる。

さらに、径変更部３３が最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して「付勢リング２８のシールホルダ２２への組付け方向」のみに設けられることで、組付け時にシールリング２７により付勢リング２８を押しながら装着可能である。そのため、付勢リング２８のシールホルダ２２への装着性が優れている。

第５実施形態では、第３実施形態と同様の径変更部３３が軸方向の他方のみに形成されている。これに対して他の実施形態では、第１実施形態の径変更部３１または第２実施形態の径変更部３２が軸方向の他方のみに形成されてもよい。それでも第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第６実施形態］
図１５、図１６に示すように、第６実施形態において、シールリング２９は、従来形態のシールリング８３と同様に、軸方向全域においてシール側最大厚み部２９１と同じ径方向厚みをもつように円筒状に形成されている。径変更部３６は、シールリング２９ではなく、付勢リング３０の径方向内側に形成されている。

ここで、図１６に示すように縦断面に表れる「非圧縮状態の付勢リング３０の切断部端面の片方」に外接する円のことを仮想外接円Ｃｖと定義する。また仮想外接円Ｃｖを中心軸ＡＸ（図１参照）まわりに一回転してできる立体を仮想標準リングＲｖと定義する。径変更部３６は、付勢リング３０の非圧縮状態において最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して軸方向の両方に、仮想標準リングＲｖよりも内径が大きくなるように形成されている。これにより径変更部３６の内径が大きい分だけ付勢リング３０の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２９の面圧分布を図１７に示すように改善できる。付勢リング３０と従来形態の付勢リング８２（図２０、図２１参照）とを比べると、付勢リング３０の径変更部３６の内側には、付勢リング３０の膨潤への許容スペースが生み出されている。さらに、径変更部３６は型で成形可能であるため、低コストで製造できる。

第６実施形態では、径変更部３６は、付勢側最大厚み部３０１から離れるほど内径が大きくなるテーパ面である。これに対して他の実施形態では、径変更部は凸曲面または凹面から構成されてもよい。

［第７実施形態］
図１８、図１９に示すように、第７実施形態において、径変更部３７は付勢リング３０の径方向外側に形成されている。つまり、径変更部３７は、付勢リング３０の非圧縮状態において最大面圧位置Ｚｐｍａｘに対して軸方向の両方に、仮想標準リングＲｖよりも外径が小さくなるように形成されている。これにより径変更部３７の外径が小さい分だけ付勢リング３０の許容膨潤スペースが増加し、またシールリング２９の面圧分布を図２０に示すように改善できる。さらに、径変更部３７は型で成形可能であるため、低コストで製造できる。さらにまた、径変更部３７は付勢リング３０の径方向外側に形成されているため、付勢リング３０の内側部分は従来形態と同様の形状になっており、付勢リング３０とシールリング２９との接触面積を確保できる。そのため、付勢リング３０とシールリング２９との間での軸方向ずれが抑制される。

第７実施形態では、径変更部３７は、付勢側最大厚み部３０１から離れるほど外径が小さくなるテーパ面である。これに対して他の実施形態では、径変更部は凸曲面または凹面から構成されてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０ 高圧燃料ポンプ、
１３ シリンダ、
１４ プランジャ、
２２ シール室形成部、
２７、２９ シールリング、
２８、３０ 付勢リング
３１、３２、３３、３６、３７ 径変更部、
Ｚｐｍａｘ 最大面圧位置。

Claims (6)

1. 加圧室（１５）を有するシリンダ（１３）と、
   前記シリンダに対して軸方向へ往復移動することにより前記加圧室の容積を変化させるプランジャ（１４）と、
   前記シリンダ外で前記プランジャとの間にシール室（２５）を区画しているシール室形成部（２２）と、
   前記シール室内に設けられ、前記プランジャの外周面に接する円筒面を有するシールリング（２７）と、
   前記シールリングと比べて耐燃料性が低く、燃料に浸ると膨潤する材料からなり、前記シール室内で前記シールリングに対して径方向外側に設けられ、前記シールリングを前記プランジャに付勢している付勢リング（２８）と、
   を備え、
   前記シールリングのうち前記プランジャへの面圧が最大となる部分の軸方向位置のことを最大面圧位置（Ｚｐｍａｘ）と定義すると、
   前記シールリングのうち前記付勢リングと対向する径方向外側の面は、前記最大面圧位置に対して軸方向の一方または両方に、前記最大面圧位置に対応する部分（２７１）よりも外径が小さくなるように形成された径変更部（３１、３２、３３）を有する、高圧燃料ポンプ。
2. 前記シールリングは、前記最大面圧位置において径方向厚みが最大となっており、
   前記径変更部は、テーパ面、凸曲面、または凹面である、請求項１に記載の高圧燃料ポンプ。
3. 前記径変更部は、前記最大面圧位置に対して、前記付勢リングの前記シール室形成部への組付け方向に設けられている、請求項１または２に記載の高圧燃料ポンプ。
4. 加圧室を有するシリンダと、
   前記シリンダに対して軸方向へ往復移動することにより前記加圧室の容積を変化させるプランジャと、
   前記シリンダ外で前記プランジャとの間にシール室を区画しているシール室形成部と、
   前記シール室内に設けられ、前記プランジャの外周面に接しているシールリング（２９）と、
   前記シールリングと比べて耐燃料性が低い材料からなり、前記シール室内で前記シールリングに対して径方向外側に設けられ、前記シールリングを前記プランジャに付勢している付勢リング（３０）と、
   を備え、
   前記シールリングのうち前記プランジャへの面圧が最大となる部分の軸方向位置のことを最大面圧位置と定義し、
   前記プランジャの中心軸（ＡＸ）を通る断面のことを縦断面と定義し、
   縦断面に表れる非圧縮状態の前記付勢リングの切断部端面の片方に外接する円のことを仮想外接円（Ｃｖ）と定義し、
   前記仮想外接円を前記中心軸まわりに一回転してできる立体を仮想標準リング（Ｒｖ）と定義すると、
   非圧縮状態の前記付勢リングは、前記最大面圧位置に対して軸方向の一方または両方に、前記仮想標準リングよりも外径が小さくなるように、または前記仮想標準リングよりも内径が大きくなるように形成された径変更部（３６、３７）を有する、高圧燃料ポンプ。
5. 前記付勢リングは、前記最大面圧位置において径方向厚みが最大となっており、
   前記径変更部は、テーパ面、凸曲面、または凹面である、請求項４に記載の高圧燃料ポンプ。
6. 前記径変更部は、前記付勢リングの径方向外側に設けられている、請求項４または５に記載の高圧燃料ポンプ。

Images