JPWO2017175539A1 - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents
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Abstract
耐食性及び溶接性の向上を図り、鍛造により製造可能なポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。そのため、加圧室を形成する金属製のポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、前記ポンプボディはＣｒを１２％〜１８％、Ｎｉを３％〜７％を含む鉄鋼材料であり、前記ポンプボディは外周面の一部に鍛造面を有する。
Description
本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に燃料を圧送する高圧燃料供給ポンプについて、特に燃料を加圧する加圧室が形成されるポンプボディを備え、電磁吸入弁機構などの機能部品がポンプボディに取り付けられる構造に関する。
本発明の高圧燃料ポンプの従来技術として、特許文献１に記載のものがある。この特許文献１には「ポンプハウジングは、低炭素鋼、オーステナイト系ステンレス又はフェライト系ステンレス等の鉄材の鋳造により一体成形されている。」と記載されている（段落００４９参照）
上記特許文献の図１においては、段落００１８に記載のように、「ポンプハウジング４ ０ は、シリンダ４ ２ 、タペットガイド４ ４ 、フランジ４６、電磁弁支持部４８、吸入部５０および吐出部７ ０からなり、ステンレス等の鉄材の鋳造により一体成形された後、焼入により硬化されている。」。しかしこのように焼入により硬化可能な材料は、耐食性に劣るために、ボディ外周側にめっき等の表面処理を行う必要があり、そうすると生産コストの増大を招く虞がある。また電磁吸入弁機構等の他の機能部品をポンプボディに溶接接合する場合に、焼入により硬化した材料は溶接性が低く、溶接時に割れが発生する虞がある。
この溶接性への対策として、ポンプボディを鋳造してフランジとポンプボディとを一体に形成し、素材として、前記焼入を施さない低炭素鋼、特にはオーステナイト系ステンレスやフェライト系ステンレス等を用いることが考えられる。しかし溶接性への対策としてこれらの低炭素鋼やフェライト系ステンレスを用いた場合、やはり耐食性に劣るため、ポンプボディ外周側にめっきを施す必要があるため、結果として生産コストの増大を招く虞がある。オーステナイト系ステンレスの場合においては、めっきを施す必要が無いものの、高圧の作用するポンプボディにおいて、強度が不足する上、ポンプ内部に使用している高硬度の部品と熱膨張差が相違するため、高温時や低温時に、前記高硬度部品とポンプボディとの勘合部や締結部に隙間が生じ、ポンプとしての必要な性能が発揮できない虞がある。
そこで本発明は、耐食性及び溶接性の向上を図り、鍛造により製造可能なポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、「加圧室を形成する金属製のポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、前記ポンプボディはＣｒを１２％〜１８％、Ｎｉを３％〜７％を含む鉄鋼材料であり、前記ポンプボディは外周面の一部に鍛造面を有する」ことを特徴とするものである。
本発明によれば、耐食性及び溶接性の向上を図り、鍛造により製造可能なポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプを提供することが可能となる。本発明のその他の構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
まず本発明の実施例１について図面を用いて詳細に説明する。
図７に示すエンジンシステムの全体構成図を用いてシステムの構成と動作を説明する。
破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ（以下、高圧ポンプと呼ぶ）の本体を示し、この破線の中に示されている機構・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。
破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ（以下、高圧ポンプと呼ぶ）の本体を示し、この破線の中に示されている機構・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。
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を通して高圧ポンプの低圧燃料吸入口１０ａに送られる。低圧燃料吸入口１０ａから吸入ジョイント５１を通過した燃料は弁１０２を有する圧力脈動伝播防止機構１００、圧力脈動低減機構９、吸入通路を介して容量可変機構を構成する電磁吸入弁３００の吸入ポート３１ｂに至る。
電磁吸入弁３００に流入した燃料は、燃料導入通路３０ｐ及び弁体３０を通過し加圧室１１に流入する。エンジンのカム機構９３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の下降行程には弁体３０から燃料を吸入し、上昇行程には、燃料が加圧される。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へ燃料が圧送される。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、燃料を吹きつける、いわゆる直噴エンジンシステムに適用される高圧ポンプである。
高圧ポンプは、ＥＣＵ２７から電磁吸入弁３００への信号により、所望の供給燃料となるよう燃料流量を吐出する。
図１は本実施例の高圧ポンプの縦断面図を示し、図２は高圧ポンプを上方から見た水平方向断面図である。また図３は高圧ポンプを図１と別方向から見た縦断面図である。なお、図１においては吸入ジョイント５１がダンパカバー上部に設けられているが、図４はポンプボディ１の側面に吸入ジョイント５１が設けられた高圧ポンプの縦断面図である。
はじめに、図１を用いて、本実施例について説明する。本実施例の高圧ポンプはポンプボディ１に設けられた取付けフランジ１ｅを用い内燃機関のシリンダヘッド９０の平面に密着し、図示しない複数のボルトで固定される。
シリンダヘッド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。
ポンプボディ１にはプランジャ２の往復運動をガイドするためのシリンダが取り付けられている。また燃料を加圧室１１に供給するための電磁吸入弁３００と加圧室１１から吐出通路に燃料を吐出し逆流を防止するための吐出弁機構８が設けられている。吐出弁機構８を通過した燃料は、吐出ジョイント１２ｃによりエンジン側部品に接続される。
シリンダ６はその外周側において、ポンプボディ１と圧入により固定される。円筒状の圧入部の表面によりポンプボディ１との隙間から加圧した燃料が低圧側に漏れないようシールしている。シリンダを軸方向に平面に接触させることで、ポンプボディ１とシリンダ６との円筒状の圧入部のシールに加え、二重のシールの機能をも果たす。
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。
また、シールホルダ７の内周下端部に保持されたプランジャシール１３がシリンダ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。これにより、プランジャ２が摺動したとき、副室７ａの燃料をシールし内燃機関内部へ流入するのを防ぐ。同時に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。
ポンプボディ１もしくはダンパカバー１４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、車両の燃料タンク２０からの燃料を供給する低圧配管に接続されており、燃料はここから高圧ポンプ内部に供給される。吸入ジョイント５１内の吸入フィルタ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を燃料の流れによって高圧燃料供給ポンプ内に吸収することを防ぐ役目がある。
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、低圧燃料流路１０ｄを介して電磁吸入弁３００の吸入ポート３１ｂに至る。
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、吐出弁８ｂのストローク（移動距離）を決めるストッパ８ｄから構成される。吐出弁ストッパ８ｄとポンプボディ１は当接部８ｅで溶接により接合され燃料と外部を遮断している。
加圧室１１と吐出弁室１２ａ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初めて、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カバー１２ｄに覆われている吐出弁室１２ａ、燃料吐出通路１２ｂ、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、高圧ポンプの効率低下が抑制できる。また、吐出弁８ｂが開弁および閉弁運動を繰り返す時に、吐出弁８ｂがストローク方向にのみ運動するように、吐出弁ストッパ８ｄの外周面にてガイドしている。以上のようにすることで、吐出弁機構８は燃料の流通方向を制限する逆止弁となる。
以上に説明したように、加圧室１１は、ポンプボディ１、電磁吸入弁３００、プランジャ２、シリンダ６、吐出弁機構８にて構成される。
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通路１０ｄの圧力よりも低くなると、弁体３０は開口状態にある。そのため燃料は弁体３０が開弁して形成される開口部を通り、ポンプボディ１に設けられた連通穴１ａと、シリンダ６の溝６ａ、連通孔６ｂを通過し、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が上昇運動に転じ圧縮行程に移る。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、無通電状態において弁体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。本実施例ではいわゆるノーマルオープン式の高圧ポンプを示しているが、本発明はこれに限定される訳ではなく、ノーマルクローズ式の高圧ポンプにも適用可能である。加圧室１１の容積は、プランジャ２の圧縮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、再び開弁状態の弁体３０の開口部を通して吸入通路１０ｄへと戻されるので、加圧室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。
ここから、電磁吸入弁３００について図６を用いて説明する。電磁吸入弁３００とは、電磁コイル４３への通電により磁性コア３９、可動コア３６、ロッド３５とこれらに続き配置される弁体３０を可動させることで、燃料を吸入し、加圧室１１に送る機構のことを指す。以下にこれらの機能について詳述する。
前記したとおり、無通電状態では、強力なロッド付勢ばね４０によって、弁体３０が開弁方向に稼働するためにノーマルオープン式となっているが、エンジンコントロールユニット２７（以下ＥＣＵと呼ぶ）からの制御信号が電磁吸入弁３００に印加されると、電磁コイル４３には端子４６を介して電流が流れる。電流が流れることにより、磁性コア３９は磁気吸引力を生じる。
これに伴い、図６にも記載の磁気吸引面Ｓにおいて可動コア３６が磁性コア３９の磁気吸引力により閉弁方向に引き寄せられる。可動コア３６の間には、可動コア３６を係止するフランジ部３５ａを備えたロッド３５が配置される。なお、ロッド付勢ばね４０は、蓋保持部材３９及び蓋部材４４により覆われている。ロッド３５はフランジ部３５ａを有することにより、可動コア３６を係止することができるため、可動コア３６とともに移動することが可能となる。よって可動コア３６間に配置されたロッド３５は、磁気吸引力が働いたときに閉弁方向に移動することができる。また、ロッド３５は可動コアの下部に閉弁付勢ばね４１及び、燃料通路３７を備えたロッドガイド部３７ｂの間に配置される。
なお、ロッド３５はフランジ部３５ａの内周部で、可動コア３６と接触する位置において、内周側に凹む凹み部３５ｂが形成される。これにより可動コア３６が接触した際の逃げ部を形成できるため、ロッド３５、あるいは可動コア３６の衝突による破損を防止できる。さらにロッド３５は弁体３０の側の先端部において、先端に向かう程、径が小さくなる傾斜部３５ｃが形成される。これによりロッド３５に可動コア３６を挿入する際に多少、芯がずれていたとしても容易に組み込み可能であり生産効率を上げることが可能である。なお、ロッド３５は旋盤加工により形成されるため、弁体３０の側の先端部において、弁体３０と反対側に凹む凹み部が形成される。
ロッド３５の下部（吸入弁側）には弁体３０、吸入弁付勢ばね３３、ストッパ３２を備える。弁体３０は加圧室側に突出し、吸入弁付勢ばね３３によりガイドされるガイド部３０ｂが形成される。弁体３０はロッド３５の移動に伴って弁体ストローク３０ｅの隙間の分だけ移動することにより、開弁状態で供給通路１０ｄから供給された燃料は加圧室に供給される。ガイド部３０ｂは、吸入弁機構のハウジング内部に圧入され、固定されたストッパ３２に衝突することにより動きを停止する。なお、ロッド３５と弁体３０は別体で独立した構造をとっている。
なお、弁体３０は吸入側に配置された弁座部材３１の弁座に接触することで加圧室１１への流路を閉じ、また弁座から離れることで加圧室１１への流路を開くように構成される。ここで、近年の高圧燃料ポンプは吐出燃料が３０ＭＰａ以上となるなど、さらなる高圧化が求められており、したがって、加圧室１１が高圧となって、弁体３０が弁座部材３１に衝突する際の衝撃、あるいは、弁体３０がストッパ３２に衝突する際の衝撃が非常に大きく、これの強度を増すことが必要となっている。
本実施例では弁体３０は、平板形状で配置され、平板部とこれに上記した加圧室側に突出するガイド部３０ｂとを備えて構成される。ここで強度に影響を与える要素として本実施例では平板部の厚みに着目した。つまり、図６に示すように弁体３０の平板部の吸入弁付勢ばね３３の移動方向における厚みを厚くすることで、強度の向上を図る。具体的には、平板部から突出するガイド部３０ｂの厚みに対し、平板部の厚みを厚くするように構成する。また図６は弁座部材３１に形成される吸入ポート３１ｂ（流路）が最も大きい位置の断面図を示すが、このとき吸入ポート３１ｂに対して下流側における弁座部材３１の平板部と接触する弁座部の上記移動方向における厚みよりも弁体３０の平板部の厚みを厚くすることが望ましい。このように構成することで、弁体３０の強度を持たせることが可能である。
まとめると、磁気付勢力がロッド付勢ばね４０の付勢力に打ち勝ってロッド３５が吸入弁３０から離れる方向に移動する。よって、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、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の圧縮行程（下始点から上始点までの間の上昇行程）は、戻し行程と吐出行程からなる。そして、電磁吸入弁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。電磁コイル４３へ通電するタイミングを早くすれば、圧縮行程中の、戻し行程の割合が小さく、吐出行程の割合が大きい。すなわち、吸入通路１０ｄに戻される燃料が少なく、高圧吐出される燃料は多くなる。一方、通電するタイミングを遅くすれば圧縮行程中の、戻し行程の割合が大きく吐出行程の割合が小さい。すなわち、吸入通路１０ｄに戻される燃料が多く、高圧吐出される燃料は少なくなる。電磁コイル４３への通電タイミングは、ＥＣＵ２７からの指令によって制御される。
以上のように電磁コイル４３への通電タイミングを制御することで、高圧吐出される燃料の量を内燃機関が必要とする量に制御することが出来る。リリーフバルブ２００は、リリーフバルブカバー２０１、ボール弁２０２、リリーフバルブ押え２０３、ばね２０４、ばねホルダ２０５で構成される。リリーフバルブ２００は、コモンレール２３やその先の部材に何らかの問題が生じ、異常に高圧になった場合にのみ作動するよう構成された弁であり、コモンレール２３やその先の部材内の圧力が高くなった場合にのみ開弁し、燃料を加圧室に戻すという役割を持つ。そのため、非常に強力なばね２０４を有している。
低圧燃料室１０には高圧ポンプ内で発生した圧力脈動が燃料配管２８へ波及するのを低減減させる圧力脈動低減機構９が設置されている。また、圧力脈動低減機構９の上下にはそれぞれ、間隔を持ってダンパ上部１０ｂ、ダンパ下部１０ｃが設けられている。一度加圧室１１に流入した燃料が、容量制御のため再び開弁状態の吸入弁体３０を通して吸入通路１０ｄへと戻される場合、吸入通路１０ｄへ戻された燃料により低圧燃料室１０には圧力脈動が発生する。しかし、低圧燃料室１０に設けた圧力脈動低減機構９は、波板状の円盤型金属板２枚をその外周で張り合わせ、内部にアルゴンのような不活性ガスを注入した金属ダイアフラムダンパで形成されており、圧力脈動はこの金属ダンパが膨張・収縮することで吸収低減される。９ｂは金属ダンパをポンプボディ１の内周部に固定するための取付金具であり、燃料通路上に設置されるため、ダンパとの支持部を全周では無く、一部とし前記取付金具９ｂの表裏に流体が自由に行き来できるようにしている。
プランジャ２は、大径部２ａと小径部２ｂを有し、プランジャの往復運動によって副室７ａの体積は増減する。副室７ａは燃料通路１０ｅにより低圧燃料室１０と連通している。プランジャ２の下降時は、副室７ａから低圧燃料室１０へ、上昇時は、低圧燃料室１０から副室７ａ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、高圧ポンプ内部で発生する圧力脈動を低減する機能を有している。
吐出ジョイント１２ｃは、ポンプボディ１に設けられた孔部１ｋに挿入もしくは圧入され、その接合面１２ｅが溶接される。接合面のポンプ中心側には、ポンプボディ１に形成された凹み部１ｆと吐出ジョイント１２ｃに形成された凹み部１２ｆにて設けられた空間４００によって、溶接部に発生するポンプ作動時の応力を低減している。
上記の様に構成したポンプにおいて、本発明であるポンプボディ１の構成について詳細に説明する。
本実施例においてポンプボディ１は外周面の一部に鍛造面を有する。つまり、ポンプボディ１が鍛造により成形されることで製造コストを抑えることができる。なお、ポンプボディ１を鍛造で成形した後に必要に応じて切削加工をすることがあるので、少なくとも外周面の一部に鍛造面を有していれば良い。切削による機械加工を行った面に対し、鍛造面は表面粗さが荒くなる。
ここで、高圧ポンプはエンジンルーム内で使用するものであるため、これに耐えるだけの耐食性を有するように構成することが必要である。この場合にポンプボディ１の外周面にめっき等の表面処理を行うことで耐久性を向上させることも考えられるが、これにより生産コストの増大を招く虞がある。そこで本実施例では、ポンプボディ１の素材としてＣｒ（クロム）を１２％〜１８％、Ｎｉ（ニッケル）を３％〜７％を含む鉄鋼材料を採用したものである。これにより、ポンプボディ１の外周面にめっき等の表面処理を行うことなく、必要な耐久性をポンプボディ１に持たせることが可能である。より具体的には、ポンプボディ１の材料を、Ｃｒを１６％程度、またＮｉ量を５％程度、含む鉄鋼材料で構成することが望ましい。このようにＣｒとＮｉとを組み合わせることにより必要な耐食性が得られ、また耐熱性を得ることができる。
本実施例においてポンプボディ１は外周面の一部に鍛造面を有する。つまり、ポンプボディ１が鍛造により成形されることで製造コストを抑えることができる。なお、ポンプボディ１を鍛造で成形した後に必要に応じて切削加工をすることがあるので、少なくとも外周面の一部に鍛造面を有していれば良い。切削による機械加工を行った面に対し、鍛造面は表面粗さが荒くなる。
ここで、高圧ポンプはエンジンルーム内で使用するものであるため、これに耐えるだけの耐食性を有するように構成することが必要である。この場合にポンプボディ１の外周面にめっき等の表面処理を行うことで耐久性を向上させることも考えられるが、これにより生産コストの増大を招く虞がある。そこで本実施例では、ポンプボディ１の素材としてＣｒ（クロム）を１２％〜１８％、Ｎｉ（ニッケル）を３％〜７％を含む鉄鋼材料を採用したものである。これにより、ポンプボディ１の外周面にめっき等の表面処理を行うことなく、必要な耐久性をポンプボディ１に持たせることが可能である。より具体的には、ポンプボディ１の材料を、Ｃｒを１６％程度、またＮｉ量を５％程度、含む鉄鋼材料で構成することが望ましい。このようにＣｒとＮｉとを組み合わせることにより必要な耐食性が得られ、また耐熱性を得ることができる。
ここで高圧ポンプは、耐孔食性を向上させる必要性がある。そこで本実施例では、ポンプボディ１の素材としての０．５％〜３％のＭｏ（モリブデン）を含む鉄鋼材料を採用したものである。より具体的には１％程度のＭｏを含むことが望ましい。ＭｏはＣｒと混ぜることにより高温での強度、硬度を増すことができる成分でもある。また０．０１％〜０．１％のＮ（窒素）を含ませることが望ましい。このＮを含ませることで、引張強さ及び降伏強度を高めることができるとともに、特に耐孔食性、耐すきま腐食性などの耐食性を向上させることができる。
また、このポンプボディ１は、内部に２０ＭＰａレベル、最大では６０ＭＰａレベルの高圧の燃料が作用するため、この高圧による荷重に耐える強度が要求される。これに対して、上記の配分のＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏを含ませた鉄鋼材料とすることにより、熱処理により引張強度が９００ＭＰａレベルの高強度な特性を得られる 材料となる。０．０１％〜０．１％のＮ（窒素）を含ませることにより、また０．０８％以下のＣ（炭素）を含ませることにより、高強度な鉄鋼 材料とすることができる。
またポンプボディ１には機能部品として、吐出ジョイント１２ｃや流量制御ソレノイド３００、ダンパカバー１４、吸入ジョイント５１等が溶接で固定される。これらの機能部品を溶接にてポンプボディ１に結合すると、ねじ締結等に比べ、ねじ山が噛みあうスペースが不要となる。またたとえば吐出ジョイント１２ｃは結合部１２ｅでポンプボディ１と溶接結合されるが、この結合部がポンプ内部の燃料をポンプ外部と遮断するためのシール部の機能を果たすため、省スペース化を図ることができる。このことによりポンプとして、小型化、材料の省使用化が可能となる。機能部品をねじ締結でポンプボディ１に結合する場合は、締結部とは別に前記シール部が必要となり、生産コストの増加を招くことになる。
一方で、機能部品を溶接でポンプボディ１に結合する場合にはポンプボディ１の材料としての溶接性が要求される。ポンプボディ１に溶接がされることで生じる変質部が割れたりすることがないように、又は粘りを失って衝撃や曲げに対する抵抗力を失うことがないように、ポンプボディ１の材質が溶接性を有することが必要である。
上記したように、ポンプボディ１には強度が要求されるために、高強度のマルテンサイト系のＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４３１等の材料を使うことが考えられる。しかし、本発明者らは鋭意検討の末、マルテンサイト系のＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４３１等の材料は、十分な強度が得られる反面、炭素量が非常に多いため、必要な溶接性が得られず、上記した溶接割れが発生してしまうことを突き止めた。したがって、これらの材料をポンプボディ１に用いて機能部品を溶接にて固定すると、この溶接割れにより、信頼性のある高圧ポンプの提供が不可能である。
そこで本実施例においては、上記したようにＣｒを１２％〜１８％、Ｎｉを３％〜７％、Ｍｏを０．５％〜３％とすることで、ポンプボディ１が必要な溶接性を有するようにしたものである。このＭｏは耐孔食性に寄与するばかりでなく、溶接性の向上にも寄与する。またポンプボディ１が含む炭素量を０．０８％以下に抑える事で、溶接性に対し十分な材料とすることができる。また前記したＮ（窒素）は耐孔食性に寄与するが、多過ぎると溶接性が悪化するため、本実施例では０．１％以下に抑えている。さらにＰ（リン）やＳ（硫黄）は不純物であるため、ポンプボディ１が含むＰ（リン）やＳ（硫黄）を０．０５％以下に抑えられた材料を用いることで溶接性を向上させるようにしている。
本実施例のポンプボディ１は鍛造により成形される。通常の棒状の材料を機械加工のみで製作するプロセスに対し、鍛造でポンプボディ１を成形することで、必要な形状に対し、凸部凹部を設けることで、材料歩留りを向上させることが可能である。要するに機械加工に対して少ない材料で成形を行うことができ、結果として製造コストの低減を図ることが可能である。
また前述した機能部品をポンプボディ１と一体に鍛造成形することも可能となる。例えば、ポンプボディ１と高圧ポンプをエンジンに取り付けて固定するフランジ１ｅを鍛造で一体に成形することが考えられる。ポンプボディ１とフランジ１ｅとを溶接等で結合する場合と比較し、高い剛性が得られ、頑健な構造とすることができる。この時、材料には鍛造性が求められる。材料を前述した化学成分にすることで、特には、炭素量を０．０８％以下に抑えることで、良好な鍛造性を得ることが可能となる。鍛造性を良好にするためにも不純物である、ＰやＳを０．０５％以下に抑える材料を用いる。
例えば、本実施例の上記した材料よりも、ＣｒとＮｉを増やすと、オーステナイト系の材料組織となる。オーステナイト系ステンレスを鍛造する場合は、加工硬化が著しく鍛造に向かない。また、オーステナイト系ステンレスは変形抵抗が比較的、大きいため鍛造には向かない。さらに鍛造工程にて大きな荷重が必要なだけでなく、金型の寿命が悪化し、製造コストの増加を招くこととなる。
ポンプボディ１とフランジ１ｅとを一体で形成した場合に、ポンプを取付けるためのボルトを締める工具を逃げるためのスペース１ｇを鍛造により肉盗みすることが可能となる。本実施例で採用するＣｒやＮｉ、Ｍｏ等の材料はＦｅ（鉄）に比べると効果な材料であるため、少しでも少量の鉄鋼材料でポンプボディ１を成形することが望ましい。そこで本実施例では上記した材料をポンプボディ１に用いて、かつ、ポンプボディ１とフランジ１ｅとを一体で鍛造により成形する。ここで図１〜４に示すようにフランジ部１ｅはポンプボディ１の外周部において対称となる２箇所に形成される。またポンプボディ１は外周部１ｉがほぼ円筒形状になるように形成される。そして、２箇所のフランジ部１ｅの上部（図１、３、４において上部）は外周部１ｉの最外周側端部１ｊに対して内側に凹んだ凹み部（スペース１ｇ）で形成される。これにより上記した肉盗みを行うことができ、製造コスト低減を図ることができる。
また、鍛造性に優れる材料を用いることで、冷間での鍛造でも良いし、さらに成形性を向上させるためにも、温度を加えた鍛造でも良い。また、前述の凸部凹部が設けられるプロセスであれば、鍛造に限らず、熱履歴をコントロールした鋳造や類似の成形手法でも良い。このプロセスでは成形を行う金型に凸部凹部が設けられ、この凸部凹部で所望のポンプボディ形状が形成されるようにするものである。
この様に鍛造性に良好な材料を用いることで、ポンプボディ１とフランジとを一体に成形できるだけでなく、吐出ジョイント１２ｃやその他の機能部品についても一体化とすることが可能となる。図８では吐出ジョイント１２ｃとポンプボディ１とが別体で、吐出ジョイント１２ｃが溶接にてポンプボディ１に固定された図面を示す。一方で図９では本実施例の材料をポンプボディ１に用いられ、吐出ジョイント１２ｃとポンプボディ１とが同一部材で一体に鍛造にて成形された図面を示す。このように機能部品をポンプボディ１と一体に成形することで、図８のようなたとえば溶接等の結合プロセスの工程を廃止することができる。したがって製造スピードの増加が図れるとともに製造コストの低下が図れ、さらに、溶接等の結合が破損する虞があるのに対し、信頼性を著しく向上させることができる。なお、図示はしていないが、図８、図９の吸入ジョイント５１をポンプボディ１と同一材料で一体に鍛造で成形することで、同様の効果が得られる。
また、ポンプボディ１は、図３に示すように、高圧ポンプがエンジンに挿入されるエンジン勘合部位１ｈを同一部材で一体に成形している。但し、一体に成形する箇所が増えれば増えるほど、形状が複雑になるため鍛造が困難となる。例えば、吐出ジョイント１２ｃとポンプボディ１との一体化や肉盗みを優先させ、エンジンとの勘合部１ｈはポンプボディ１と別体にする方法等、鍛造の複雑さ、容易さに応じて、一体部と別体部とを柔軟に選択して、製造することも可能である。
また、このように鍛造性に良好な材料を用いることで、材料歩留りを良くするために、通常の型の分割面に余肉をはみ出させるばり出し鍛造では無く、型の分割面からの余肉のはみ出しの無い密閉鍛造や閉塞鍛造といった工法を用いることができ、さらに生産コストの低減を図ることができる。
ポンプボディ１は、鍛造プロセスにて成形した後、必要な部位に対し機械加工が施される。具体的には、たとえば吐出ジョイント１２ｃをポンプボディ１に溶接で固定する場合、溶接の結合面１２ｅが滑らかになっている必要がある。そのため、ポンプボディ１は機械加工性（機械加工の容易性）が必要となる。ここで本発明者らはポンプボディ１の材料としてＣ（炭素）の量を０．０８％以下に抑え、さらに、上記した配分の金属を用いることで、良好な機械加工性を得ることができることを見出した。
また、本ポンプボディ１の材料として機械加工性を向上させる成分として、Ｍｎ（マンガン）とＳ（硫黄）を含むが、多すぎる場合は、鍛造性や溶接性が悪化するために、Ｍｎを２％以下、Ｓを０．０５％以下に抑えることが望ましい。
また図２に示すように、例えば、吐出ジョイント１２ｃをボディに溶接する場合、ポンプボディ１には加圧室１１で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイント１２ｃが挿入される孔部１ｋが形成される。ポンプボディ１の外周部のうち、孔部１ｋが形成される部位は外周部１ｉの最外周側端部１ｋに対して内側に凹んだ凹み部１ｂで形成されている。吐出ジョイント１２ｃとポンプボディ１との溶接面すなわちレーザーが照射される凹み部１ｂは、孔部１ｋの外周側に吐出ジョイント１２ｃの挿入方向と直交する方向の平面部で形成される。またこの凹み部１ｂは外周部１ｉとほぼ並行な平面で形成される。このような凹み部１ｂを鍛造で成形することにより、ポンプボディ１の材料を減らすことができるので、コスト低減を図ることができるとともに軽量化を図ることが可能である。なお、凹み部１ｂは吐出ジョイント１ｃを溶接する部位なので、機械加工により滑らかな面とすることが望ましいが、機械加工の前に鍛造プロセスにより凹み部１ｂを形成することで、機械加工プロセスを少なくする、あるいは省略することで、製造コストの低減を図ることが可能である。また凹み部１ｂに対する機械加工は、溶接部の必要な部分のみ施し、残りは鍛造面を残すことで、製造コストの低減を図ることが可能である。
したがって本実施例において、ポンプボディ１は上下方向において孔部１ｋに対応する位置の全外周に鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面を有し、孔部１ｋよりも下側において鍛造面を有する。つまり、機械加工面は必要最低限のみとして、残りは鍛造面のままとすることで、製造スピードを向上でき、製造コスト低減が図れる。なお、ここでは孔部１ｋよりも下側において鍛造面を有すると説明したが、上下方向（高さ方向）において孔部１ｋと対応する位置で、孔部１ｋが形成されていないところについても同様に鍛造面を有すると良い。さらに孔部１ｋが上下方向（高さ方向）において中央部に形成される場合には、孔部１ｋよりも上側において鍛造面を有すると、上記したように製造コスト低減が図れる。つまり、孔部１ｋが形成された箇所以外の孔部１ｋの周りには、鍛造面を有することが望ましい。
また図８、図９に示すようにポンプボディ１には燃料を吸入する吸入ジョイント５１が挿入される孔部１ｌが形成される。そして、ポンプボディ１の外周部１ｉのうち、孔部１ｌが形成される部位は外周部１ｉの最外周側端部１ｊに対して内側に凹んだ凹み部１ｃが形成される。凹み部１ｃは、孔部１ｌの外周側に吸入ジョイント５１の挿入方向と直交する方向の平面部で形成される。
また図２、図６に示すようにポンプボディ１には電磁吸入弁３００が挿入される孔部１ｍが形成される。そして、ポンプボディ１の外周部１ｉのうち、孔部１ｍが形成される部位は外周部１ｉの最外周側端部１ｊに対して内側に凹んだ凹み部１ｄが形成される。凹み部１ｄは、孔部１ｍの外周側に電磁吸入弁３００の挿入方向と直交する方向の平面部で形成される。
また図２に示すようにポンプボディ１には吐出弁機構８の吐出弁８ｂのストローク（移動距離）を決めるストッパ８ｄが挿入される孔部が形成される。そして、ポンプボディ１の外周部１ｉのうち、この孔部が形成される部位は外周部１ｉの最外周側端部１ｊに対して内側に凹んだ凹み部１ｎが形成される。凹み部１ｎは、孔部の外周側に吐出弁機構８のストッパ８ｄの挿入方向と直交する方向の平面部で形成される。
これらの凹み部１ｃ、１ｄ、１ｍを形成することで、ポンプボディ１の材料を減らすことができるので、コスト低減を図ることができるとともに軽量化を図ることが可能である。なお、ポンプボディ１は上下方向において、孔部に対応する位置の全外周に鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面を有し、孔部よりも下側において鍛造面を有する点は上記したものと同様である。
上記した何れの孔部（１ｋ、１ｌ、１ｍ）もその周りは、ポンプボディ１の外周部１ｉのうち、孔部（１ｋ、１ｌ、１ｍ）の開口面とほぼ同一面の平面部（凹み部１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｎ）が形成される。また平面部（凹み部１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｎ）は鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面で形成される。ポンプボディ１には平面部（凹み部１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｎ）から下側に向かって外周側に広がるように傾斜面が形成されることが望ましい。上記したようにポンプボディ１には平面部（凹み部１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｎ）よりも下側に鍛造面が形成されており、上記した傾斜面がこの鍛造面まで繋がるように形成されることが望ましい。
前述の様に構成したポンプボディ１の材料では、ポンプボディ１に圧入等で固定される内部部品の中で硬度が必要となる部品、例えばシリンダ６や吐出弁シート８ａ等との熱膨張差を同じにすることができるため、高温時や低温時にポンプボディ１と前記硬度が必要となる部品との間で隙間ができ固定が緩む問題が起こりえない長所がある。
本実施例のポンプボディ１は耐食性を向上させることができるため、耐食性向上のためにめっきを設ける必要がない。いわゆるメッキレスのポンプボディ１とすることができる。なお、本実施例では、ポンプボディ１を上部から覆うダンパカバー１４がポンプボディ１に対し直接、溶接部により固定される。この場合、仮にめっきを施したポンプボディだとすると、ダンパカバー１４の溶接部はめっきを失う格子柄となり、耐食性に劣る虞がある。このため、溶接接合後に当該溶接部に塗材を塗布する等の工程が必要となるが、本実施例ではこのような工程も不要であり、生産性を大幅に向上させることが可能である。
なお、上記しためっきや上記塗材の塗布は生産上の管理が非常に困難であり、めっきや塗材の塗布に欠陥があった場合は、内部まで腐食が進行し、当該箇所から燃料が漏れたり、部品の破損を招く虞があるが、本実施例によれば、このような課題を解決することができる。
また、ポンプボディ１にオーステナイト系ステンレスが使われる場合は、耐食性には富むものの、高圧ポンプの内部部品の中で硬度が必要となる部品、例えばシリンダや各種弁シート部品との熱膨張差が相違する。よって、高温時または低温時の使用において、ポンプボディ１と硬度が必要となる部品との間に隙間が出来たり、硬度が必要となる部品がボディに対して緩んだりする問題が起こり、性能低下や燃料漏れに繋がる虞がある。これに対して、本実施例によれば、このような課題を解決することが可能である。
以上に説明した本実施例の成分の材料として、ＥＮ規格のＥＮ１．４４１８や、ＥＮ１．４３１３がある。この様な材料をポンプボディ１に用いることで、耐食性、強度、溶接性、鍛造性、機械加工性を有する、経済的で高信頼性の高圧燃料ポンプを提供することが可能となる。
１ ポンプボディ
２ プランジャ
６ シリンダ
７ シールホルダ
８ 吐出弁機構
９ 圧力脈動低減機構
１０ａ 低圧燃料吸入口
１１ 加圧室
１２ 燃料吐出口
１２ｃ 吐出ジョイント
１３ プランジャシール
３０ 吸入弁
３６ アンカー
４０ ロッド付勢ばね
４３ 電磁コイル
１００ 圧力脈動伝播防止機構
１０１ 弁シート
１０２ 弁
１０３ ばね
１０４ ばねストッパ
２００ リリーフバルブ
３００ 電磁吸入弁
４００ 溶接部空間
５００ レーザビーム
２ プランジャ
６ シリンダ
７ シールホルダ
８ 吐出弁機構
９ 圧力脈動低減機構
１０ａ 低圧燃料吸入口
１１ 加圧室
１２ 燃料吐出口
１２ｃ 吐出ジョイント
１３ プランジャシール
３０ 吸入弁
３６ アンカー
４０ ロッド付勢ばね
４３ 電磁コイル
１００ 圧力脈動伝播防止機構
１０１ 弁シート
１０２ 弁
１０３ ばね
１０４ ばねストッパ
２００ リリーフバルブ
３００ 電磁吸入弁
４００ 溶接部空間
５００ レーザビーム
Claims (19)
- 加圧室を形成する金属製のポンプボディを備えた高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディはＣｒを１２％〜１８％、Ｎｉを３％〜７％を含む鉄鋼材料であり、前記ポンプボディは外周面の一部に鍛造面を有する高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプであって、
前記ポンプボディはＭｏを０．５％〜３％を含む鉄鋼材料である高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１又は２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、
前記ポンプボディは２％以下のＭｎを含む鉄鋼材料である高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１又は２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、
前記ポンプボディは０．０８％以下のＣを含む鉄鋼材料である高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１又は２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、
前記ポンプボディは０．０１％〜０．１％のＮを含む鉄鋼材料である高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１または請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、前記ポンプボディは、エンジンに取付けられるフランジを同一部材で一体に成形していることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ
- 請求項１または請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、前記ポンプボディは、前記高圧燃料供給ポンプがエンジンに挿入されるエンジン勘合部位を同一部材で一体に成形していることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ
- 請求項１または請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、前記ポンプボディは、吐出ジョイントを同一部材で一体に成形していることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ
- 請求項１または請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、前記ポンプボディは、吸入ジョイントを同一部材で一体に成形していることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ
- 請求項１または請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプであって、
前記ポンプボディの素材はＥＮ１．４４１８、又はＥＮ１．４３１３である高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、前記ポンプボディを上部から覆うカバーと、前記カバーを前記ポンプボディに対し直接固定する溶接部と、を備えた高圧燃料供給ポンプ。
- 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディは外周部がほぼ円筒形状になるように形成され、前記フランジ部の上部は前記外周部の最外周側端部に対して内側に凹んだ凹み部で形成された高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記フランジ部は前記ポンプボディの外周部において対称となる２箇所に形成され、
前記ポンプボディは外周部がほぼ円筒形状になるように形成され、２箇所の前記フランジ部の上部は前記外周部の最外周側端部に対して内側に凹んだ凹み部で形成された高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディは外周部がほぼ円筒形状になるように形成され、
前記ポンプボディには前記加圧室で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイントが挿入される孔部が形成され、
前記ポンプボディの外周部のうち、前記孔部が形成される部位は前記外周部の最外周側端部に対して内側に凹んだ凹み部で形成された高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディは外周部がほぼ円筒形状になるように形成され、
前記ポンプボディには燃料を吸入する吸入ジョイントが挿入される孔部が形成され、前記ポンプボディの外周部のうち、前記孔部が形成される部位は前記外周部の最外周側端部に対して内側に凹んだ凹み部で形成された高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディの上部には前記加圧室で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイントが挿入される孔部が形成され、
前記ポンプボディは前記孔部に対応する位置に前記鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面を有し、前記孔部よりも下側において前記鍛造面を有する高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディの上部には前記加圧室で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイントが挿入される孔部が形成され、
前記ポンプボディは前記孔部に対応する位置の全外周において前記鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面を有し、前記孔部よりも下側において前記鍛造面を有する高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディには前記加圧室で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイントが挿入される孔部が形成され、
前記ポンプボディの外周部のうち、前記孔部の周りは前記孔部の開口面とほぼ同一面の平面部が形成され、前記平面部は前記鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面で形成され、
前記ポンプボディには前記平面部から下側に向かって外周側に広がるように傾斜面が形成された高圧燃料供給ポンプ。 - 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
前記ポンプボディには前記加圧室で加圧された燃料を吐出する吐出ジョイントが挿入される孔部が形成され、
前記ポンプボディの外周部のうち、前記孔部の周りは前記孔部の開口面とほぼ同一面の平面部が形成され、前記平面部は前記鍛造面よりも滑らかに形成される機械加工面で形成され、前記ポンプボディには前記平面部から下側に向かって外周側に広がり、かつ前記平面部よりも下側の鍛造面まで繋がる傾斜面が形成された高圧燃料供給ポンプ。
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