(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に放射状に収容孔を形成し、前記収容孔は周方向に等角度間隔に設けられるかまたは各一対の前記収容孔は径方向直線上に設けられ、前記収容孔と連通する摺動孔を軸方向に形成したロータと、
前記収容孔に往復移動可能に収容され、吸入した流体を加圧するプランジャと、
前記プランジャの外周に配設され前記ロータの回転に伴い前記プランジャを同時にリフトさせるカムリングと、
前記摺動孔を形成する前記ロータの内壁と摺動して前記ロータを回転可能に支持し、前記収容孔と連通可能な流体通路を有する支持部材と、
を備え、
前記流体通路は、前記支持部材の径方向に放射状に、前記支持部材の軸方向に互いにずらして形成され、前記収容孔と直線上で連通することを特徴とするラジアルプランジャポンプ。
【請求項２】
前記摺動孔内の前記支持部材の直径は１２mm以下であることを特徴とする請求項１記載のラジアルプランジャポンプ。
【請求項３】
前記収容孔に流体を供給可能なフィードポンプを内蔵し、前記フィードポンプから供給される流体流量のピーク時期は、吸入行程において吸入する流体流量のピーク時期にほぼ一致することを特徴とする請求項１または２記載のラジアルプランジャポンプ。
【請求項４】
前記流体通路は吸入行程の１／４から３／４の角度範囲内において前記支持部材の外壁に開口していることを特徴とする請求項１、２または３記載のラジアルプランジャポンプ。
【請求項５】
前記流体通路は前記支持部材の外壁に前記カムリングのカム山と同数開口していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のラジアルプランジャポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体を圧送するラジアルプランジャポンプに関し、特に燃料や油を高圧に圧送するラジアルプランジャポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ロータの径方向に放射状に設けらる収容孔に往復移動可能にプランジャを収容し、このプランジャの外周にカムリングを設けたラジアルプランジャ式のポンプとして、特開昭５６−２３５５６号公報および特開昭６０−２４９６７６号公報に開示されているものが知られている。近年、例えばディーゼルエンジン等に用いられる高圧燃料供給ポンプ等においては燃焼効率の向上および排気ガス中に排出される不純物の低減等の要求により１００MPa 以上、さらには１５０MPa に達する高圧に燃料を加圧して圧送することが要求されるようになってきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前述した特開昭５６−２３５５６号公報に開示されているものでは、ロータの支持位置とプランジャの収容位置が軸方向で異なるため、ロータのプランジャ収容部が振れ回りを起こしロータとロータの回転支持部間の油膜が切れて部材が焼きつく恐れがある。
【０００４】
また特開昭６０−２４９６７６号公報に開示されているものは、ロータとこのロータの外周に設けられているガイドリングとが偏心しており、ロータの回転に伴いロータに収容されたプランジャがガイドリングの内壁と摺動することにより燃料を加圧している構造である。このため、ロータの回転に伴いガイドリングの周方向の一部は高圧および高荷重にされされ、他の部分は低圧および低荷重となるためガイドリングに偏荷重が加わる。このため圧送する燃料圧力が高圧になればなるほどロータとガイドリングとの摺動部において偏摩耗または損傷が部材に生じるという問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、高圧化に適したラジアルプランジャポンプを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のラジアルプランジャポンプによると、ロータの径方向に放射状に設けられた摺動孔は、さらにロータ周方向に等角度間隔で設けられるかまたは各一対の摺動孔がロータの径方向直線上に設けられており、かつロータの回転に伴いカムリングがプランジャを同時にリフトさせることにより、プランジャの往復移動により生じる力の和はほぼゼロとなる。したがって、流体の加圧圧力が高圧になったとしても支持部材に働く偏荷重が小さいのでロータと支持部材との摺動部における部材の摩耗または損傷を低減できる。
【０００７】
また支持部材の周囲をロータが回転する構成としているため、ロータの支持位置とプランジャの収容位置とが軸方向でほぼ同じになることによりロータの振れ回りを抑制することができる。これにより流体の加圧圧力が高圧になったとしてもロータの良好な回転を保持することができる。
また支持部材の径方向に放射状に流体通路を形成し、流体通路が収容孔と直線上で連通することにより、流体通路と収容孔との連通部における圧力損失が小さくなるので、吸入行程において十分量の流体を吸入でき。また流体を効率良く吸入できるのでフィードポンプの流体供給能力を低減できるためフィードポンプを小型化できる。
また流体通路を互いに軸方向にずらして形成することにより、支持部材の同一断面内に形成される流体通路の数を減少させることができるので支持部材の径方向における強度が向上する。また、同一径ならば、流体通路の径を大きくできるので流体の圧力損失を低減可能である。
本発明の請求項２記載のラジアルプランジャポンプによると、支持部材の直径を１２mm以下にしたことにより、支持部材とロータとのクリアランスに入り込んだ高圧流体による摺動部のクリアランスの広がりを抑えることができるので、摺動部からの流体リークを低減しポンプの圧送効率が向上する。
【０００８】
本発明の請求項３記載のラジアルプランジャポンプによると、フィードポンプを内蔵し、フィードポンプによる流体供給量のピーク時期と吸入行程における流体吸入量のピーク時期とがほぼ一致することにより、フィードポンプから供給される流体を効率よく吸入できる。これによりフィードポンプの体格を小さくまた軽量にできるのでフィードポンプの消費動力を小さくすることができる。
【０００９】
本発明の請求項４記載のラジアルプランジャポンプによると、吸入行程の１／４から３／４の角度範囲内で流体通路が支持部材の外壁に開口していることにより、流体通路と収容孔との連通部における圧力損失が小さくなるので、吸入行程において十分量の流体を吸入できる。また流体を効率良く吸入できるのでフィードポンプの流体供給能力を低減できるためフィードポンプを小型化できる。
【００１０】
本発明の請求項５記載のラジアルプランジャポンプによると、支持部材の径方向に放射状に流体通路を形成し、流体通路が収容孔と直線上で連通することにより、流体通路と収容孔との連通部における圧力損失が小さくなるので、吸入行程において十分量の流体を吸入でき。また流体を効率良く吸入できるのでフィードポンプの流体供給能力を低減できるためフィードポンプを小型化できる。
【００１１】
本発明の請求項６記載のラジアルプランジャポンプによると、流体通路を互いに軸方向にずらして形成することにより、支持部材の同一断面内に形成される流体通路の数を減少させることができるので支持部材の径方向における強度が向上する。また、同一径ならば、流体通路の径を大きくできるので流体の圧力損失を低減可能である。
【００１２】
本発明の請求項５記載のラジアルプランジャポンプによると、流体通路の開口部をカムリングのカム山と同数形成することにより、全ての収容孔と流体通路の開口部とが直接連通可能である。したがって、流体通路と収容孔との連通部における圧力損失が小さくなるので、吸入行程において十分量の流体を吸入でき、圧送行程において加圧された高圧流体の圧力を極力低下させることなく吐出することができる。また流体を効率良く吸入できるのでフィードポンプの流体供給能力を低減できるためフィードポンプを小型化できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明のラジアルプランジャポンプをディーゼルエンジンの高圧燃料供給ポンプに適用した第１実施例を図１、図２および図３に示す。
【００１４】
図２に示すように、高圧燃料供給ポンプ１０の駆動軸１１は図示しないベルトによりエンジンから回転駆動され、軸受部材１３およびベアリング１４を介してハウジング１２に回転可能に支持されている。
フィードポンプ１６は駆動軸１１周囲のハウジング１２内に配設されている。図３に示すように、フィードポンプ１６のロータ１７は連結ピン１１ａにより駆動軸１１に連結され駆動軸１１とともに回転する。ロータ１７の外壁には放射状にベーン１８が配設されており、ロータ１７の外周を取り巻く円筒状の支持部材１９とロータ１７とは偏心している。駆動軸１１の回転に伴いベーン１８が遠心力により支持部材１９の内周壁と摺動しながら回転すると、燃料通路４１から吸入した燃料が加圧され、この燃料が燃料通路４２から後述する加圧室２５に供給される。フィードポンプ１６には、フィード圧が所定圧力例えば２MPa 以上になった場合吸入側に燃料を還流する図示しないリリーフ弁が備えられている。
【００１５】
図２に示すように、ロータ２０は駆動軸１１とともに回転し、軸方向に摺動孔２０ａを形成している。支持部材３１は摺動孔２０ａを形成するロータ２０の内壁と摺動し、ロータ２０を回転可能に支持している。図１に示すように、６個の収容孔２１はロータ２０の径方向に放射状に等角度間隔で、かつ支持部材３１の径方向直線上に形成されている。収容孔２１は、流体通路としての燃料ポート４５を介して燃料通路４３と連通可能であり、プランジャ２２を往復移動可能に収容している。このように、ロータ２０の支持位置とプランジャ２２の収容位置とが軸方向でほぼ同じであるためロータ２０の振れ回りを防止できるので、ロータ２０と支持部材３１間の油膜が保たれ摺動部の焼き付きを抑制できる。
【００１６】
プランジャ２２の径方向内側端面、収容孔２１を形成するロータ２０の内周壁および支持部材３１の外周壁により加圧室２５が形成されている。加圧室２５は収容孔２１の一部であり、ロータ２０の回転に伴い燃料ポート４５と連通可能である。プランジャ２２の径方向外側端面にはローラ２３を回動可能に支持するシュー２４が当接しており、ローラ２３はカムリング２９の内周壁と摺動可能である。カムリング２９の内周壁には６個のカム山２９ａが形成されているので、各プランジャ２２はロータが１回転するごとに収容孔２１内を６往復する。ガイド２６は支持部２６ａおよび図２に示す平板部２６ｂよりなり、ロータ２０とともに回転してシュー２４を往復移動可能に案内している。
【００１７】
ポンプヘッド３０は円柱状に形成された支持部材３１を有している。ポンプヘッド３０の軸方向に燃料通路４３が形成されており、この燃料通路４３に吐出通路４４が連通している。燃料通路４３は後述する電磁弁６０が開弁することにより燃料通路４２と連通可能である。燃料ポート４５は燃料通路４３と連通し、支持部材３１の径方向に放射状に等角度間隔で形成されている。図４に示す支持部材３１の展開図から判るように、隣り合う燃料ポート４５は支持部材３１の軸方向にずれて形成されており、支持部材３１の同一断面上に存在しない。これにより、燃料ポート４５を除いた支持部材３１の断面積を十分確保することができるので支持部材３１の機械的強度を保持することができるとともに、支持部材３１の径を小さくすることができる。また同一径の支持部材ならば、全ての燃料ポートが同一断面に存在するものに較べ燃料ポートの径を拡大できるので圧損が低減する。
【００１８】
図２に示すように、デリバリバルブ５０は吐出通路４４に接続してポンプヘッド３０に取付けられている。デリバリバルブ５０の弁部材５１はスプリング５２により燃料上流側に付勢されており、逆止弁の機能を有している。圧送行程時、吐出燃料の圧力によりデリバリバルブ５０が開弁すると高圧燃料が図示しないコモンレールに供給される。
【００１９】
電磁弁６０は燃料通路４３の同軸上でポンプヘッド３０に取付けられている。電磁弁６０の弁部材６２はスプリング６３により弁座６１から離座する方向に付勢されており、コイル６４への通電オフ時、弁部材６２は弁座６１から離座して電磁弁６０が開弁するので、燃料通路４２と燃料通路４３とが連通する。コイル６４への通電オン時、コイル６４に発生する磁力によりアーマチャ６５が吸引されると弁部材６２は弁座６１に着座する。これにより燃料通路４２と燃料通路４３との連通が遮断される。
【００２０】
本実施例のようなディーゼルエンジンの高圧燃料供給ポンプの場合、ポンプの供給圧力は２０MPa から１５０MPa もの高圧に達するので、ロータ２０と支持部材３１との摺動部から燃料がリークしないように摺動クリアランスは１〜２μｍとごく微小にする必要がある。しかしながら、この摺動クリアランスに燃料が入り込むと、燃料圧力はロータ２０の内径を押し広げるように作用しクリアランスが拡大する。クリアランスの増加量δ１は、内径をＤ、圧力をＰ、ロータ２０の材質（本実施例では鋼材）の弾性係数をＥ、ポアソン比をνとした場合、ほぼ次式(1) で表される。ただし、ロータ２０の外径ｄはロータ２０の内径Ｄに対し、ｄ≧２×Ｄを満たす程度に大きいものとする。
【００２１】
δ１≒（１＋ν）×Ｄ×Ｐ／（２×Ｅ）・・・(1)
式(1) から判るようにロータ２０の外径ｄを大きくしてもクリアランスの増加量δ１は変化せず、増加量δ１は内径Ｄに比例する。本実施例の場合Ｄ＝１０mm、Ｐ＝１５０MPa とすると、δ１＝５μｍであるが、Ｄ＝１４mmとするとδ１＝８μｍとなる。
【００２２】
一方、クリアランスからの漏れ量ｑは次式(2) で示されるようにクリアランスの広がり量δの３乗に比例する。
ｑ＝（π×Ｄ×δ3 ×Ｐ）／（１２×μ×Ｌ）・・・(2)
π：円周率、μ：燃料の粘性係数、Ｌ：クリアランス部分の軸長
δは、圧力Ｐ≒０のときの初期クリアランスδ０と圧力増加にともなうクリアランスの増加量δ１との和であり、次式(3) で表される。
【００２３】
δ＝δ０＋δ１・・・(3)
式(1) 、(2) および(3) より漏れ量ｑはＤの４次関数として表される。圧力Ｐが増加してδ０≪δ１になると、式(1）、(2) および(3) よりδを消去して漏れ量ｑは次式(4) で表される。
ｑ＝π×Ｄ4 ×（（１＋ν）／（２×Ｅ））3 ×Ｐ4 ／（１２×μ×Ｌ）・・・(4)
クリアランスからの漏れ量ｑは内径Ｄの４乗に比例することになるため、内径Ｄは体積効率に影響を与える重要な設計パラメータである。
【００２４】
次に内径Ｄと漏れ量ｑとの関係を図５に示す。図５から判るように、内径が大きい場合（Ｄ＝１４mm）には、デッドボリューム損失に加え圧力の増加に伴い漏れ量が急増するため圧送量が急激に少なくなり、１５０MPa 付近では圧送量が幾何学的圧送量の１／３以下になる。しかし、内径が小さい場合（Ｄ＝１０mm）には、１５０MPa 付近においても幾何学的圧送量の半分以上を圧送できる。支持部材３１の直径はロータ２０の内径Ｄとほぼ等しく、支持部材３１の直径が１２mm以下であればクリアランスの増加量δ１を抑制できるので、圧力が増加しても漏れ量ｑは実用上問題がない程度に低減可能である。
【００２５】
次に、高圧燃料供給ポンプ１０の作動について説明する。
(1) 吸入行程
図１に示す状態におけるロータ２０の回転角を０°と規定する。この状態においてプランジャ２２は径方向内側に移動中であり圧送行程の最中である。ロータ２０が回転し吸入孔２１の中心軸線が図１の１５°と記した位置に達するとプランジャ２２のリフト量が最大となり圧送行程から吸入行程に切り替わる。ロータ２０の回転に伴いプランジャ２２が径方向外側に移動しているときコイル６４への通電はオフされている。コイル６４への通電をオフした状態では弁部材６２は弁座６１から離座しているので、燃料通路４２と燃料通路４３とが連通している。そして、プランジャ２２が径方向外側に移動し加圧室２５の容積が増加することにより加圧室２５内の圧力が低下するとフィードポンプ１６から供給される燃料が燃料通路４２、燃料通路４３、燃料ポート４５を介して加圧室２５に吸入される。さらにロータ２０が回転し吸入孔２１の中心軸線が図１の３０°と記した位置まで達すると加圧室２５への吸入流量は最大量となる。第１実施例では、吸入孔２１の中心軸線が図１の１５°〜４５°の範囲内にあるときが吸入行程に対応する。
【００２６】
フィードポンプ１６には６枚のベーン１８が配設されているため、フィードポンプ１６の１回転につきフィードポンプ１６から燃料通路４２に供給される燃料流量は図６の１０１に示すように６個の山を有する脈動波形をなしている。一方、加圧室２５に吸入される燃料流量は図６の１０２の実線で示す断続波形となる。１０２の点線は加圧室２５から排出される燃料流量を示す。フィードポンプ１６から供給される燃料量はロータ２０が図１に示す３０°の回転位置に達したときに最大供給量になるように設定されており、このとき各燃料ポート４５の中心軸線はそれぞれ対応する吸入孔２１の中心軸線とぼぼ一直線上に並ぶように支持部材３１に設定されている。したがって、フィードポンプ１６からの燃料供給量のピークタイミングで圧損が一番小さくなるので、図６に示すように、フィードポンプ１６からの燃料供給量のピークタイミングで加圧室２５への燃料吸入量が最大になることにより、フィードポンプ１６から供給される燃料を効率良く加圧室２５に吸入することができる。このためフィードポンプ１６の体格を小さくかつ軽量にできるので、フィードポンプ１６の製造コストを低減できる。さらに駆動軸１１から発生する駆動力がフィードポンプ１６により消費される動力量を小さくすることもできる。
【００２７】
吸入行程において加圧室２５への吸入流量がピークになるロータ２０の回転角の範囲は、カムリング２９のカムプロフィールの幾何学的制約から吸入行程の中央を中心として前後に吸入行程の１／４から３／４の範囲になることが多い。したがって燃料ポート４５の設定角度はこの範囲内にあれば実用上さしつかえない。第１実施例では、吸入行程はロータ２０の回転角度において１５°〜４５°の範囲に対応するので、燃料ポート４５の中心軸線は３０°±７．５°の範囲内に設定されていればよい。
【００２８】
(2) 圧送行程
コイル６４への通電がオフされた状態でプランジャ２２が径方向内側に移動を開始すると、燃料通路４２と燃料通路４３とが連通されたままであるので加圧室２５内の燃料は吸入時と逆に燃料通路４３から燃料通路４２に排出される。プランジャ２２が径方向内側に移動している任意のタイミングでコイル６３への通電をオンすると、燃料通路４２と燃料通路４３との連通が遮断され加圧室２５内の燃料が加圧される。加圧された加圧室２５内の燃料はデリバリバルブ５０の弁部材５１を押し下げデリバリバルブ５０から図示しないコモンレールへ圧送される。コイル６４への通電オン時期を調整することにより圧送される燃料流量を制御できる。
【００２９】
プランジャ２２の直径を５mm、圧送圧力を１５０MPa とした場合、圧送行程時各プランジャ２２あたり約２５００Ｎもの大きな力が働くこととなる。第１実施例では、各一対の収容孔２１を支持部材３１の周方向に等角度間隔で、かつ支持部材３１の径方向直線上に形成するとともに、カムリング２９のカム山２９ａを等角度間隔に６個形成したことにより、ロータ２０の回転に伴いプランジャ２２が同時にリフトされるのでプランジャ２２の往復移動に伴いプランジャ２２に働く力の和がほぼゼロとなる。これによりプランジャ２２の往復移動により支持部材３１に偏荷重が働くことを防止できる。したがって、圧送圧力が例えば１５０MPa もの高圧になってもロータ摺動部における部材の摩耗または損傷を低減できる。
【００３０】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図７に示す。第１実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
ロータ７０には放射状に４個の収容孔２１が形成されている。４個の収容孔２１の内、各一対の収容孔２１はロータ７０の径方向直線上に形成されている。収容孔２１はロータ７０の周方向に等角度間隔に形成されてはいないが、ロータ７０の回転に伴い４個のプランジャ２２が同時に径方向内側に移動する構成となっている。したがって、第１実施例と同様にプランジャ２２に働く力の和がほぼ０となるので、ロータ摺動部における部材の偏摩耗および損傷を低減できる。また第１実施例と同様にカムリング２９の内周には６個のカム山２９ａが形成されているので、ロータ７０の１回転ごとに各プランジャ２２は６往復することになる。
【００３１】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図８に示す。
第３実施例のフィードポンプ８０はトロコイド式のフィードポンプである。インナギア８１の歯数を６、アウタギア８２の歯数を７とすれば、インナギア８１の１回転あたり６山の流量脈動が発生する。
【００３２】
以上説明した本発明の実施例では、本発明のラジアルプランジャポンプをディーゼルエンジンの高圧燃料供給ポンプに適用したが、本発明のラジアルプランジャポンプは流体を高圧に圧送する用途に用いるのであればどのような分野に用いることも可能であり、例えば作動油を高圧に供給するポンプとして用いることも可能である。
【００３３】
また本実施例ではロータの１回転ごとにプランジャが６往復する構成を採用したが、本発明ではロータの１回転ごとに往復するプランジャの往復移動回数は６に限定されるものではなく用途に応じ選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による高圧燃料供給ポンプを示す図２のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】本発明の第１実施例による高圧燃料供給ポンプを示す縦断面図である。
【図３】本発明の第１実施例による高圧燃料供給ポンプを示す図２のIII −III 線断面図である。
【図４】第１実施例の支持部材の展開図である。
【図５】第１実施例の高圧燃料供給ポンプにおける圧力と圧送量との関係を示す特性図である。
【図６】第１実施例において、フィードポンプから供給される燃料流量と加圧室に吸入される燃料流量との関係を示す特性図である。
【図７】本発明の第２実施例によるプランジャ部分の横断面図である。
【図８】本発明の第３実施例によるフィードポンプ部分の横断面図である。
【符号の説明】
１０      高圧燃料供給ポンプ（ラジアルプランジャポンプ）
１１      駆動軸
１２      ハウジング
２０      ロータ
２０ａ    摺動孔
２１      収容孔
２２      プランジャ
２５      加圧室
４３      燃料通路
４４      吐出通路
４５      燃料ポート（流体通路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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