JP6327164B2 - 高圧ポンプ - Google Patents

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^３）／（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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