JP3979313B2

JP3979313B2 - 高圧ポンプ

Info

Publication number: JP3979313B2
Application number: JP2003069072A
Authority: JP
Inventors: 栄一久保田; 茂雄相川; 三千夫吉田; 康弘梶山; 裕之山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: JP2004278373A; EP1457665A1; DE602004001409D1; DE602004001409T2; EP1457665B1; US7478582B2; US20040179963A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プランジャ式の高圧ポンプに関わり、特にガソリン筒内直接噴射式エンジンに好適な、単筒式の高圧燃料ポンプとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン筒内直接噴射式エンジンの高圧ポンプでは、低粘度のガソリンを高圧に圧縮するため、シリンダのボア内で摺動するプランジャのクリアランスを例えば数μｍ以下にして、クリアランスの隙間からのガソリンのリーク量を小さく抑える必要がある。また、その隙間からリークしたガソリンを低圧側に逃がすため、一般的にボアの途中に円管溝と、低圧側に連通した横穴を設けている。
【０００３】
従来のこの種のポンプでは、小さなクリアランスを確保するため、ボア，プランジャとも摺動面全域に渡って、高い直径寸法精度と円筒度が必要であった。そのため、精密仕上げ加工やその後のチェックでコストがかかり、量産において、高い精度要求が達成できず摺動不良のものが発生すると言った不具合が生じていた。また摺動性を改善するために、ポンプの効率を犠牲にしてもクリアランスを広げざるを得ないという事態も発生していた。
【０００４】
従来のこの種の高圧ポンプに関する例としては、例えば特開２００２−130079号公報，特開２００１−２９５７２７号公報等が挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３００７９号公報
【特許文献２】
特開２００１−２９５７２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、生産性に対する配慮がされておらず、あまりに高精度を狙うとコスト高になり、量産性が阻害される問題があった。そのためポンプ性能を犠牲にしてもクリアランスを広げて、生産に対応せざるを得なかった。
【０００７】
本発明の目的は、ポンプを高精度にしてもポンプの生産性を落とすことなく、シリンダ，プランジャ間からのガソリンのリーク量を少なくし、なおかつ滑らかな摺動が可能な高圧ポンプとその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、ボアとプランジャとのクリアランスが、プランジャ又はボアのいずれかの所定の位置で異なることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、圧縮室から円管溝に至る部分のボアとプランジャとのクリアランスＧａと、円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャとのクリアランスのうち円管溝に近い方のクリアランスＧｂと、円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャのクリアランスのうち駆動源側に近い方のクリアランスＧｃとが、Ｇａ≦Ｇｂ＜ＧｃまたはＧａ＜Ｇｂ≦Ｇｃの関係にあることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、円管溝の縦断面形状がシリンダのボアに向かって広がる形状をしており、円管溝がボアに接する部分で形成される角度がボアの軸方向に対し５°以上で２５°以内であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としては、シリンダのボアの途中に設けられた円管溝を介して横穴がボアに連通した高圧ポンプの圧縮室から円管溝に至る部分のボアとプランジャのクリアランスＧａと、円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャのクリアランスのうち円管溝に近い方のクリアランスＧｂと、円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャのクリアランスのうち駆動源側に近い方のクリアランスＧｃとを、Ｇａ≦Ｇｂ＜ＧｃまたはＧａ＜Ｇｂ≦Ｇｃの関係にしたものである。
【００１２】
また、このクリアランスの関係を、シリンダのボア側の加工形状で達成するために、シリンダ上部の圧縮室から円管溝に至る部分のシリンダのボアの内径寸法Ｄａと、円管溝から駆動源側に至るシリンダのボアの内径寸法のうち円筒溝側に近い方の内径寸法Ｄｂと、円管溝から駆動源側に至るシリンダのボアの内径寸法のうち駆動源側に近い方の内径寸法Ｄｃとが、Ｄａ≦Ｄｂ＜ＤｃまたはＤａ＜
Ｄｂ≦Ｄｃの関係にしたものである。
【００１３】
また、ガソリンのリークを抑え、かつ摺動長さ（軸方向の長さ）を確実に確保して、横荷重に対する強さを確保するために、シリンダのボアの圧縮室から円管溝に至る部分の軸方向の幅をＬａ、円管溝の軸方向の幅をＷ、円管溝から駆動源側に至る部分の幅をＬｂｃとした時、Ｇｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｇａ、またはＤｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｄａの関係にしたものである。
【００１４】
また、このようなポンプの製造方法として、シリンダの圧縮室から円管溝に至る部分のボアのホーニングの条件に対し、円管溝から駆動源側に至る部分のボアのホーニング条件を、ホーニング工具の軸方向送り速度、または回転数、または往復運動の回数、または軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させたものである。
【００１５】
また、シリンダのボアの途中に設けられた円管溝を介して、横穴がボアに連通した高圧ポンプにおいて、円管溝の縦断面形状を、シリンダのボアに向かって末広がりの形状で、かつ円管溝がボアに接する部分（２箇所）の角度を、ボアの軸方向に対し５°以上で２５°以内にしたものである。
【００１６】
さらに、円管溝の上部(圧縮室側）と下部(駆動源側）のボアの中心軸のずれをおさえるために、円管溝の軸方向の幅Ｗを、ボア内径寸法Ｄに対し、Ｄ×０.１以上でＤ×０.６以下としたものである。
【００１７】
また高圧ポンプの製法として、シリンダの圧縮室から円管溝に至る部分のボアのホーニングの条件、及び円管溝から駆動源側に至る部分のボアのホーニング条件に対し、円管溝にかかる部分のボアのホーニングの条件を、ホーニング工具の軸方向送り速度、または回転数、または往復運動の回数、または軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させたものである。
【００１８】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１９】
まず高圧燃料ポンプの構成を図１２により説明する。図１２に示すガソリン筒内直接噴射式エンジン用の単筒式高圧燃料ポンプ１は、ハウジング２の内部にシリンダ４と、シリンダ４のボア４０内で往復運動するプランジャ５を有している。プランジャ５の一端５０１は圧縮室６に繋がっており、プランジャのもう一端（他端）５０２は、往復運動の駆動カムである駆動源３とタペット部材を介して繋がっている。またシリンダ４の中央付近には円管溝４２とそれに連通する横穴４１が構成されている。プランジャ５が図示上方向に動くことで、圧縮室６内のガソリンが圧縮される。また、プランジャ５が図示下方向に動くこと圧縮室６へガソリンが吸引される。プランジャ５が圧縮運動をする時のポンプ効率のロスとしてシリンダ４のボア４０とプランジャ５の間の空間、つまりクリアランス部分の隙間からのガソリンのリークがある。このリーク量が多いと、ポンプ１の吐出流量が低下し、ひどい場合は燃圧が規定まで上がらないという問題が生じる。特に圧縮する流体がガソリンの場合、粘度が極めて低いため、この不具合現象が顕著に表われる。そのため、シリンダ４とプランジャ５間のクリアランスは数μｍと極めて小さく抑える必要がある。
【００２０】
またガソリンは潤滑性が無いので、プランジャ５の往復運動７で、シリンダ４またはプランジャ５、あるいはその両方が摩耗する不具合が発生する場合がある。そのような不具合を防止するとともに、駆動源からのエネルギーを効率良く使うために、プランジャ５の滑らかな摺動を確保しなければならない。この事は、クリアランスを小さくする場合の障害となる。また本ポンプでは、クリアランス４３からリークした燃料を低圧側に戻すために、低圧室に連通する、横穴４１と円管溝４２を有しており、圧縮室６からリークした燃料の圧力がシール部材９１に直接かからないようにしている。
【００２１】
シリンダ４とプランジャ５の部分を拡大して図１に示す。本実施例では、シリンダ４とプランジャ５の間のクリアランスを円管溝をはさんで、上下全域に渡って同じに構成するのでなく、圧縮室から円管溝までを極小さなクリアランス40ａ（例えば３μｍ）におさえた。一方円管溝から下側は、４０ａより少し大きめのクリアランス４０ｂ，４０ｃとした。このボア４０のような穴の精密仕上げは一般的にホーニング加工による。ホーニング加工では、その特性として、穴の途中に円管溝４２などがあると、砥石にかかる加工力の分布が変動し、円管溝４２の上下でのボアの心ずれが修正しきれず加工精度が落ちる現象がある。この実施例では、高圧の燃料リークをできるだけ小さくしなければならない圧縮室６から円管溝４２までの区間を特に限定して、精密仕上げすることができる。そのため、クリアランスＧａ４３を小さくして、なおかつ滑らかな摺動を確保することができる。
【００２２】
他の実施例を図２から図５を用いて説明する。前記の実施例と同様の効果を得るための方法として、図２の実施例では、シリンダ４のボア４０の円管溝４２から上側のストレート部５０は内径寸法Ｄａ４６のストレートな精密な穴とし、円管溝４２から下側の微小テーパ部５１は微小テーパとし、Ｄａ＜Ｄｂ＜Ｄｃとなるように構成した。
【００２３】
図３の実施例では、円管溝４２から下側を上側のＤａよりわずかに大きな内径のストレート穴として構成した。つまりＤａ＜Ｄｂ＝Ｄｃである。
【００２４】
図４の実施例では、円管溝４２から下側を微小なラッパ状穴として、Ｄａ＝Ｄｂ＜Ｄｃとなるように構成した。
【００２５】
図５の実施例では、円管溝４２から下側をストレート５４とそれに連なるラッパ状穴５５として、Ｄａ＜Ｄｂ＜Ｄｃとなるように構成した。
【００２６】
これらの例では、いずれも実施例１と同様な効果が得られる。
【００２７】
他の実施例を図６により説明する。ここでは、シリンダ４のボア４０の、圧縮室６から円管溝４２に至る部分の軸方向の幅である軸方向長さＬａ６０，円管溝４２の軸方向の幅である軸方向長さＷ６１，円管溝４２から駆動源側に至る部分の幅である軸方向長さＬｂｃ６２とした場合、Ｇｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｇａ、またはＤｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｄａの関係になるように構成した。前記の例のように、最小クリアランス部を円管溝の上側のみに限定した場合、上下全域でプランジャ５をガイドする場合に比べ、横荷重に対する強度が低下する場合が考えられるが、この実施例によれば、摺動時のプランジャ５の最大傾きを考慮しても、プランジャがシリンダ４のボア４０の上部６３と下部６４でガイドできるため、プランジャ５にかかる横荷重に対しての強さが確保できる。
【００２８】
次に、前記実施例のシリンダのボアを形成する製法の実施例について、図７により説明する。７０はシリンダ４のボア４０を仕上げ加工するホーニング砥石を示す。７１はその砥石軸である。この実施例では、ホーニング加工時の軸方向の砥石送り速度Ｖａ７２，円管溝４２の砥石送り速度Ｖｂ７３に対し、下部の送り速度Ｖｃ７４を徐々に速度ダウンしている。ホーニング加工の場合、砥石と砥石軸及びその接合部に極わずかな弾性変形が生じた状態で加工がなされる。そのため、軸方向の送り速度を遅くすることで、この弾性変形の影響で、わずかに加工径が大きくなる現象が現れる。この実施例では、その原理を使って、速度をコントロールすることで、前記のそれぞれの実施例のような、最適なボア形状を形成することができる。
【００２９】
また、砥石７０の回転数、または往復運動の回数、または軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させることでも同様の効果が得られる。
【００３０】
別の実施例を図８により説明する。この例では、円管溝４２の縦断面形状がシリンダ４のボア４０に向かって末広がりの形状で、かつ円管溝４２がボア４に接する部分（２箇所末広がり部（上側），（下側）８０，８１）の角度８２，８３が、ボア４０の軸方向に対し５°以上で２５°以内となるよに構成した。このことで、ボア４０をホーニング仕上げした時に円管溝４２の８０及び８１とボア４０の交差部である微小だれ（上側）８４，微小だれ（下側）８５が極めて滑らかに形成されることを確認した。その理由は、５°から２５°の範囲では、ホーニング時にシリンダ４の材料の極表面層が微小に塑性変形して生じるバリの発生が抑えられるとともに、先にも述べた砥石側の微小な弾性変形によって、滑らかなアールが形成される２つの現象の相乗効果によるものである。この滑らかなアールとなる微小だれ（上側），（下側）８４，８５により、シリンダ４とプランジャ５のクリアランスＧａ４３を小さくしても、滑らかな摺動が得られる効果がある。
【００３１】
さらに図９では、上述の実施例に加えて、円管溝４２の軸方向の幅Ｗである軸方向長さ６１を、ボア内径寸法Ｄに対し、Ｄ×０.１以上でＤ×０.６以下に構成した。幅である軸方向長さＷ６１が大きいと図１０に示すように、ホーニング砥石７０が円管溝４２部付近で、一時的に不安定状態になり、円管溝の上部と下部の軸ずれを修正することが難しい。軸方向に長い砥石を用いることでも、理屈的には、その不安定さを、解消できそうに思えるが、実際には、長い砥石の全面にわたって、ボア４０に正確に密着させることは困難であり、やはり溝幅Ｗを短く抑える必要がある。実験的には、ＷはＤ×０.１〜Ｄ×０.６の範囲にするのが良い。
【００３２】
図１１にシリンダ４のボア４０のホーニング加工方法を示す。この例では、シリンダ４の圧縮室６から円管溝４２に至る部分のボアのホーニングの条件、及び円管溝４２から駆動源側に至るボアのホーニング条件に対し、円管溝４２にかかる部分のボアのホーニングの条件のうち、ホーニング工具の軸方向送り速度を、円管溝４２でゆっくりにしている。これにより、円管溝４２とボア４０が交わる部分を、より滑らかに構成することができる。またホーニング条件としては、砥石回転数、または往復運動の回数、または軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させることで、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
図１２に本発明の実施例を適用した高圧燃料ポンプ１を示す。このポンプでは、シリンダ４内径の生産性を落とすことなく、シリンダ４とプランジャ５の間のクリアランスを縮めることができ、かつ滑らかな摺動が得られるため、燃料リーク量の少なく、かつ駆動エネルギーの無駄の少ない、圧縮効率の良いポンプが実現できる。
【００３４】
図１３に従来のポンプのシリンダ４とプランジャ５の構成を示す。シリンダ４のボア４０の全域にわたって、同じ精度を狙って加工するが、結果的に円管溝４２の上下で心ずれが生じやすいため、摺動の阻害要因９０がプランジャ５と干渉して、スムーズな摺動がえられない。そのため、クリアランスＧａ４３を大きくせねばならない。そのため、燃料リークが増大し、ポンプ効率が悪化していた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、ポンプ性能と生産性の両方の最適化を図った、ボアの縦断面形状と円管溝形状を提案している。よって厳しい部品精度を要求して、コスト高をまねくことなく、シリンダ，プランジャ間のクリアランスの縮小が図れ、なおかつ従来より摺動性に優れた効率の良い高圧ポンプを提供できる。またその製法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダとプランジャを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダを示す断面図である。
【図５】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダを示す断面図である。
【図６】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダとプランジャを示す断面図である。
【図７】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダのホーニング加工の過程を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダを示す断面図である。
【図９】図８のシリンダの円管溝を拡大して示す断面図である。
【図１０】従来のシリンダのホーニング加工の状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプのシリンダのホーニング加工の過程を示す断面図である。
【図１２】本発明の一実施例の高圧燃料ポンプを示す断面図である。
【図１３】従来の高圧燃料ポンプのシリンダとプランジャを示す断面図である。
【符号の説明】
１…高圧燃料ポンプ、２…ハウジング、３…駆動源、４…シリンダ、５…プランジャ、６…圧縮室、７…往復運動、４０…ボア、４１…横穴、４２…円管溝、４３…クリアランスＧａ、４４…クリアランスＧｂ、４５…クリアランスＧｃ、４６…内径寸法Ｄａ、４７…内径寸法Ｄｂ、４８…内径寸法Ｄｃ、５０，５２，５４，５４…ストレート部、、５１…微小テーパ部、５３，５５…（微小）ラッパ状部、６０…軸方向長さＬａ、６１…軸方向長さＷ、６２…軸方向長さＬｂｃ、６３…接触点（上側）、６４…接触点（下側）、７０…ホーニング砥石、７１…砥石軸、７２…送り速度Ｖａ、７３…送り速度Ｖｂ、７４…送り速度Ｖｃ、８０…末広がり部（上側）、８１…末広がり部（下側）、８２…角度（上側）、８３…角度（下側）、８４…微小だれ（上側）、８５…微小だれ（下側）、９０…摺動阻害要因、９１…シール部材、５０１…プランジャの一端（圧縮室側）、５０２…プランジャの一端（駆動部側）。

Claims

ハウジングと前記ハウジング内にシリンダを有し、前記シリンダに形成されたボア内で軸状のプランジャが往復運動して燃料を圧縮する高圧ポンプであって、前記プランジャの一端は燃料を圧縮する圧縮室に繋がり、前記プランジャの他端は往復運動の駆動源と部材を介して繋がり、前記シリンダのボアの軸方向断面の途中に設けられた円管溝を介して横穴がボアに連通しており、前記圧縮室から前記円管溝に至る部分のボアとプランジャのクリアランスＧａと、前記円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャのクリアランスのうち前記円管溝側のクリアランスＧｂと、前記円管溝から駆動源側に至るボアとプランジャのクリアランスのうち前記駆動源側のクリアランスＧｃとが、Ｇａ≦Ｇｂ＜Ｇｃまたは
Ｇａ＜Ｇｂ≦Ｇｃの関係にあることを特徴とする高圧ポンプ。
ハウジングと前記ハウジング内にシリンダを有し、前記シリンダに形成されたボア内で軸状のプランジャが往復運動して燃料を圧縮する高圧ポンプであって、前記プランジャの一端は燃料を圧縮する圧縮室に繋がり、前記プランジャの他端は往復運動の駆動源と部材を介して繋がり、前記シリンダのボアの軸方向断面の途中に設けられた円管溝を介して横穴がボアに連通しており、前記圧縮室から前記円管溝に至る部分のシリンダのボアの内径寸法Ｄａと、前記円管溝から前記駆動源側に至るシリンダのボアの内径寸法のうち前記円筒溝側の内径寸法Ｄｂと、前記円管溝から前記駆動源側に至るシリンダのボアの内径寸法のうち前記駆動源側の内径寸法Ｄｃとが、Ｄａ≦Ｄｂ＜ＤｃまたはＤａ＜Ｄｂ≦Ｄｃの関係にあることを特徴とする高圧ポンプ。
請求項１において、
前記シリンダのボアの圧縮室から前記円管溝に至る部分の軸方向の幅をＬａ、前記円管溝の軸方向の幅をＷ、前記円管溝から前記駆動源側に至る部分の幅をＬｂｃとした場合、Ｇｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｇａの関係にあることを特徴とする高圧ポンプ。
請求項２において、
前記シリンダのボアの圧縮室から前記円管溝に至る部分の軸方向の幅をＬａ、前記円管溝の軸方向の幅をＷ、前記円管溝から前記駆動源側に至る部分の幅をＬｂｃとした場合、Ｄｃ≦（（Ｌａ＋Ｗ＋Ｌｂｃ）／Ｌａ）×Ｄａの関係にあることを特徴とする高圧ポンプ。
請求項１乃至４において、
前記円管溝の縦断面形状が前記シリンダのボアに向かって末広がりの形状で、前記円管溝がボアに接する部分で形成される角度が前記ボアの軸方向に対し５°以上で２５°以内であることを特徴とする高圧ポンプ。
請求項５において、
前記円管溝の軸方向の幅Ｗが、前記ボア内径寸法Ｄに対し、Ｄ×０.１以上でＤ×０.６以下であることを特徴とする高圧ポンプ。
請求項１乃至２において、
ポンプのシリンダの圧縮室から円管溝に至る部分のボアのホーニングの条件に対し、前記円管溝から駆動源側に至る部分のボアのホーニング条件を、前記ホーニング工具の軸方向送り速度，回転数，往復運動の回数、又は、軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させるようにして製造することを特徴とする高圧ポンプ。
請求項７において、
前記ホーニング工具の軸方向送り速度，回転数，往復運動の回数、又は、軸方向送りの停止時間のうちのいずれか１つ以上を変化させる条件は、前記シリンダの圧縮室から円管溝に至る部分のボアのホーニングの条件及び前記円管溝から駆動源側に至る部分のボアのホーニング条件に対する前記円管溝にかかる部分のボアのホーニングの条件であることを特徴とする高圧ポンプ。