JP3924999B2 - 燃料ポンプ及びそれを用いた筒内噴射エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関における燃料供給用の燃料ポンプに係わり、特に自動車エンジンの燃焼室に取り付けた燃料噴射弁から燃焼室に直接燃料を噴射する自動車の筒内噴射エンジン用燃料噴射装置の高圧ポンプに用いる燃料ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関、特に自動車用ガソリンエンジンにおいては、燃料消費特性の向上，有害排気ガスの削減，加速性等の運転応答性の向上等の目的から筒内直接燃料噴射装置の適用が望まれている。
【０００３】
筒内直接燃料噴射装置では、内燃機関の気筒内に、気筒内の圧縮行程時にも直接ガソリンを噴射する必要があるために、３Ｍｐａ以上の高圧でガソリンを供給できる高圧燃料ポンプが必要となる。
【０００４】
高圧ポンプの型式の一つに、ハウジング内において、シャフトで回転する斜板の回転運動を揺動板により揺動運動に変換し、この揺動板の揺動運動により往復動するプランジャによって流体を吸入し、加圧して高圧で吐出する方式の斜板式アキシャルプランジャポンプがある。
【０００５】
この型式の高圧燃料ポンプについて、特開平9−236080 号公報がある。この公報には、外部からの駆動力を伝達するシャフトと、このシャフトによって回転される斜板と、この斜板の回転運動を揺動運動に変換する揺動板と、この揺動板の揺動運動により往復動する複数のピストンと、上記斜板および揺動板およびピストンを収納するクランク室を燃料室と機構室に分離する隔壁のベローズを備え、上記シャフトと上記斜板間の駆動力伝達をする軸受部と、上記斜板と上記揺動板間の駆動力伝達をする軸受部を上記機構室内に配置して上記軸受部を油潤滑するとともに、上記燃料室内に上記複数のピストンを配置して、それぞれのピストンにより、燃料を吸入吐出することを特徴とする燃料ポンプが示されている。
【０００６】
この高圧燃料ポンプでは、ガソリンを供給する目的の使用に際しては、ガソリンを昇圧する機構部においては潤滑性に優れた高粘性油を用いることができない。それが燃料油に混入して燃焼に悪影響を及ぽすおそれがあるからである。そのため、隔壁のベローズによってクランク室は燃料室と機構室に分離されている。
すなわち、機構室では耐摩耗性を改善するために潤滑性に優れた高粘性油を潤滑油として封入されて存在し、各機構部品の摺動面間の耐摩耗性等への対策が施されている。
【０００７】
一方、この構造での高圧を発生させる機構部の燃料室内では、揺動板の揺動運動で往復動する複数のピストンの運動により燃料の吸入がされ、吐出がされて、それにより燃料は高圧になる。したがって、燃料室の流体として存在するのは燃料のガソリンのみである。そのため、各機構部の摺動部で潤滑油として作用するのはガソリンになる。
【０００８】
また、他の型式としてラジアルプランジャ高圧燃料ポンプについて特開平10−318091号公報に記載されている。この公報には、エンジンの駆動力を伝達するシャフトと、前記シャフトの回転運動を揺動運動に変換する駆動カムと、前記駆動カムの回転運動をリフタを介して往復動するプランジャと、前記プランジャと組み合わされて燃料を吸入吐出するシリンダボアを有するラジアルプランジャの燃料ポンプが示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの燃料ポンプにおいて、燃料室内のポンプ部（加圧部）においては、どうしても燃料（ガソリン）中での高面圧環境下での摺動になる。そのため、高面圧で接触して摺動するために摩耗で損耗する主な部分として考えられる。
【００１０】
燃料室内のポンプ部における燃料（ガソリン）を昇圧する機構部において、潤滑油としてガソリンが用いられると、ガソリンは、通常の潤滑油に比べ粘度が極端に小さいため、上記の摺動機構部においては互いの摺動面が摩耗し易いと考えられる。
【００１１】
また、燃料には、ガソリンにメチルアルコール，エチルアルコールを添加したもの、あるいは劣化したガソリン等も使用される場合がある。そのようなガソリンにおいては、水分の混入，酸成分の混入等により、酸化摩耗の環境になる場合がある。その場合は摺動機構部の接触部の摩耗に対する環境としては更に厳しくなり、摺動部の損耗量が多くなると考えられる。
【００１２】
摺動機構部の接触部が摩耗して損耗量が多くなると、吸入・吐出の効率低下などの可能性があり、信頼性の低下が考えられる。
【００１３】
そのため、摺動機構部における各部品は、潤滑性の劣る燃料、あるいは酸化性成分が混入した燃料中での耐久性、特に耐摩耗性，耐食性が要求される。
【００１４】
更に、特開平8−35075号公報には、イオン窒化層とその上にＰＶＤ法により
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ及びＣｒの少なくとも１種の窒化物，炭化物，炭窒化物からなる硬質層を形成させることが示されているが、特定の用途及びその用途に対する特定の課題については全く示されていない。
【００１５】
本発明の目的は、燃料室内の摺動機構部品が潤滑性の劣る燃料、あるいは酸化性成分が混入した燃料中での耐摩耗性及び耐食性に優れた燃料ポンプとそれを用いた筒内噴射エンジンを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料噴射弁に燃料を輸送する燃料ポンプにおいて、互いに接触して摺動する部材表面に耐食性と耐摩耗性とを有する被膜が形成されていることを特徴とする燃料ポンプにある。
【００１７】
本発明は、自動車エンジンの燃料噴射弁に、燃料を加圧して供給する燃料ポンプにある。
【００１８】
本発明は、自動車エンジンの燃料噴射弁に燃料を加圧して送給する燃料ポンプにおいて、互いに接触し前記燃料を介して摺動する少なくとも一方の摺動面に、窒化層，浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層の一つからなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有すること、又は更に互いに接触し潤滑油を介して摺動する少なくとも一方の摺動面に前述の硬化層を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明は、ハウジング内に、外部からの回転を伝達するシャフトと、該シャフトの回転を揺動運動に変換する斜板と、該斜板の揺動運動をスリッパを介してシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、燃料を加圧して自動車エンジンの燃料噴射弁に送給する好ましくはアキシャルプランジャ式燃料ポンプにおいて、前記斜板，スリッパ及びプランジャとシリンダとの互いに接触して摺動する少なくとも一つの摺動面に窒化層，浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層の一つからなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有すること、又は更に前記斜板，スリッパ及びプランジャにおいて互いに接触して摺動する少なくとも一方の摺動面に前記硬化層を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明は、ハウジング内に、外部からの回転力を伝達するシャフトを通して回転する斜板と、該斜板の回転によって揺動運動する揺動板と、該揺動板の回転によってスリッパを介してシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、燃料を加圧して自動車エンジンの燃料噴射弁に送給する燃料ポンプにおいて、前記プランジャとシリンダとの接触して摺動する少なくとも一方の摺動面に、窒化層，浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層の一つからなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有すること、又は更に前記揺動板とスリッパとの接触して摺動する摺動面に前記硬化層を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、エンジンの駆動によって回転するシャフトと、該シャフトの回転によって回転するカムと、該カムの回転によって好ましくはリフタを介してシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、燃料を加圧して自動車エンジンの燃料噴射弁に送給する燃料ポンプにおいて、前記プランジャのシリンダとの摺動面に、窒化層，浸炭焼入れ層及び浸炭窒化層の一つからなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有することを特徴とする。
【００２２】
本発明は、燃料を燃焼室に直接噴射する好ましくは空燃比が４５以上であるリーンバーン制御噴射する燃料噴射手段と、該燃料噴射手段に前記燃料を送給する燃料ポンプとを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、前記燃料ポンプは前述のいずれかに記載の燃料ポンプからなることを特徴とする。
【００２３】
本発明の硬化層は表面処理後に、表面処理温度より高い温度で加熱して脆弱な化合物を消失させる処理が好ましい。その拡散表面処理層は、窒化層，浸炭窒化層，軟窒化層，塩浴軟窒化層，浸炭焼入れ層、あるいはそれらを複層させた処理層に対して行われるが、特に、窒化処理層は５００℃前後の低い温度で処理され、脆弱な化合物層が形成されるので、拡散処理が施される。
【００２４】
本発明の耐食・耐摩耗性硬質被膜は、炭化物，窒化物，炭窒化物から選ばれる金属化合物をイオンプレーティングによって形成するものがよい。
【００２５】
本発明における互いに接して摺動する摺動部には、工具鋼，フェライト系ステンレス鋼，合金鋼、及び軸受鋼を用いるのがよい。
【００２６】
本発明は、拡散表面処理層と耐食・耐摩耗性硬質被膜とは一つの処理槽の中で連続した処理により形成されているものがよい。
【００２７】
本発明における拡散表面処理層の窒化層にはＦｅ₃Ｎ （白色化合物層）が生成されていないことがよい。
【００２８】
本発明における硬化層としての窒化層は、真空炉中に水素，窒素、あるいは水素，アンモニアを導入し、プラズマを発生させて前記ガスを活性化させて形成されるものがよい。
【００２９】
本発明における、耐食・耐摩耗性硬質被膜は、物理蒸着で形成されるものがよい。
【００３０】
本発明における斜板は機械構造用合金鋼の表面処理材、あるいは鋳鉄、及びその表面処理材であることがよい。
【００３１】
本発明におけるスリッパ部材はアルミニウム合金，銅合金，焼結合金，合金工具鋼，ステンレス鋼、及びそれらの表面処理材で形成されるものがよい。
【００３２】
本発明におけるシリンダは合金工具鋼、あるいはフェライト系ステンレス鋼がよい。
【００３３】
燃料を加圧・吐出させて供給するための機構部、及びポンプ部で、潤滑性の劣るガソリン、あるいは水分，アルコールが存在して酸成分が混入した燃料中で摺動する場合に、各摺動部品の材質、表面処理及びその組合せを最適に設定した。
拡散表面処理層は、基材の硬さを高めて耐食・耐摩耗性硬質被膜を形成することにより、高面圧に対する耐荷重性が向上するとともに、硬質被膜の耐剥離性も改善される効果がある。拡散表面処理層には、基材材質の特性を損なわない温度領域において、主に窒素を拡散させ、微細窒化物を析出させて硬さを高める窒化系として窒化層，浸炭窒化層，軟窒化層，塩浴軟窒化層がある。また、高温域で炭素を拡散させ、焼入れ熱処理によって高硬度を得る浸炭処理等が適用される。窒化系は窒化物生成元素が窒化物を形成することにより基材の硬さよりも高くなり、また凝着しにくい特性が得られ、基材の摩擦・摩耗に対する反応性が改善される。また窒化層は基材と連続した処理層であるため高面圧でも剥離しにくい特性がある。浸炭層は深い処理層が形成でき、高面圧を受ける際の耐荷重性が優れる。これらの耐食・耐摩耗性硬質被膜と表面拡散処理層の特性によって耐食・耐摩耗性が改善される。
【００３４】
これらの構成により、摩擦抵抗が小さく、しかも一方の材料が他方の材料へ付着したり、凝着することがほとんど発生しない。したがって、初期摩耗，定常摩耗および焼付き等が防止される。これにより信頼性に優れた燃料ポンプが提供される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１〜図４は斜板式アキシャルプランジャの燃料ポンプ（３筒式）の例を示すものである。
【００３６】
ハウジング内に外部からの駆動を伝達するシャフトと、シャフトを介して回転運動を揺動運動に変換する斜板と、斜板の回転運動をスリッパを介して往復動させるプランジャ１１と、プランジャ１１と組み合わされて燃料を吸入吐出するシリンダボア１３を有する斜板式アキシャルプランジャ燃料ポンプで、斜板，スリッパ１０及びプランジャ１１のスリッパ１０との接触部は潤滑油によって潤滑され、プランジャ１１とシリンダボア１３の摺動部は燃料によって潤滑されている構造にし、燃料中で摺動するプランジャ１１の表面に窒化層，浸炭焼入れ層、あるいは浸炭焼入れ層と窒化層の上に耐食・耐摩耗性の炭化物，窒化物，炭窒化物が形成されて構成されているものである。
【００３７】
この燃料ポンプ構造は、従来の潤滑油と燃料を隔離するベローズが不要で、且つ駆動機構部の潤滑が十分なように、プランジャ１１とシリンダボア１３の摺動部端部にシール部材を設けたことにより、ガソリン中での摺動部材を少なくしたものである。
【００３８】
図１に示すように、エンジンのカム軸から伝達される駆動力を伝えるカップリング２はカップリング２に嵌合したピン３で連結されたシャフト１を有している。シャフト１には、半径方向に広がり且つ端面部は斜めの平面を形成した斜板９とが一体になっている。斜板９にはスリッパ１０が接触し、スリッパ１０の斜板９側外周部にはオイルによる斜板９とスリッパ１０との間の油膜形成を補助するテーパが設けられている。またスリッパ１０のもう一方側は球面形状になっており、シリンダボア１３内を摺動するプランジャ１１に形成された球面に支持され、斜板９が回転することで発生する揺動運動は、プランジャ１１の往復運動に変換される。
【００３９】
この構造のポンプにおいて、燃料の吸入・吐出は以下のように行われる。
【００４０】
複数のシリンダボア１３とプランジャ１１とによって、シリンダ１２内にポンプ室１４を形成している。このポンプ室１４へ燃料を供給するように、シリンダ１２の中央部に各プランジャ１１へ連通する吸入空間１５を設けている。この吸入空間１５に燃料を導くため、リアボディ２０にポンプ外部の燃料配管が取り付けられ、リアボディ２０内の吸入通路を通り、リアボディ２０の中央部の吸入室３０を前記シリンダ１２に設けた吸入空間１５とが繋がるようになっている。
【００４１】
プランジャ１１内には、燃料を吸入するための吸入バルブ２４（チェックバルブ）がボール２１とスプリング２２及びスプリング２２を支持するストッパ２３で形成されている。プランジャスプリング２５は、プランジャ１１を常に前記斜板９側へ押し付け、スリッパ１０と共にプランジャ１１を斜板９に追従させる目的で挿入されている。
【００４２】
プランジャ１１内の吸入バルブ２４への連通路Ａ１６は、シリンダボアに設けたザグリ５１と吸入空間１５との連通路として形成されている。ザグリ５１はシリンダボア１３径より大きい径であり、常にプランジャ１１内に燃料を導入できるように、ポンプ室１４が十分小さくなった時（プランジャ位置が上死点の時）にも導入孔１９とザグリ５１とが連通する程度の深さまで形成されている。
【００４３】
図３に行程の説明図兼プランジャ１１の拡大図を示す。吸入行程（ポンプ室１４の空間が大きくなる方向にプランジャ１１が移動する行程）において、プランジャ１１内に設けたポンプ室１４内の圧力が規定の圧力以下になった時点で、プランジャ１１内に設けた前記吸入バルブ２４は開口し、燃料をポンプ室１４に吸い込む構造になっている。また前記吸入行程間にポンプ室１４に吸入された燃料は、吐出行程（ポンプ室１４の空間が小さくなる方向にプランジャ１１が移動する行程）に移ると、吸入バルブ２４と同様にポンプ室１４が規定の圧力に達した時点で、ボール２６とスプリング２７で構成された吐出バルブ２８が開口し、燃料をポンプ室１４から前記リアボディ２０に設けた吐出室２９に送り出す構造になっている。ここでリアボディ２０に設けた吸入室３０と吐出室２９はＯリング３１で分割され、吸入室３０を吐出室２９より中央側に設けて、ポンプ自身の通路構成をコンパクトにしている。
【００４４】
前述した中で、吐出室２９の圧力は、吐出室２９と連通された通路上に設けた圧力調整弁（プレッシャレギュレータ：Ｐ／Ｒｅｇと略）４０で最適な圧力に制御できる構造になっている。吐出圧力を制御する目的は、吐出側の下流にあるインジェクタ（図示せず）への付加圧力を制御するためである。リアボディ２０の高圧室からＰ／Ｒｅｇ４０へ連通された高圧燃料は、Ｐ／Ｒｅｇ４０へ設けたボールバルブ４１を通り、リアボディ２０内に設けた連通路Ｂ４２を通って吸入室３０へ戻される。吸入通路４３，吸入室３０，吸入空間１５，連通路Ａ１６は燃料源から各シリンダに燃料を供給するための通路を形成していることになる。
【００４５】
このようにして前記ポンプ室１４内の圧力も吸入圧(一般的に０.２ＭＰａから０.５ＭＰａ)から高圧室の圧力（一般的に３ＭＰａから２０ＭＰａ）まで変化する。このポンプ室の燃料圧力により発生する荷重は、プランジャ１１及びスリッパ１０を介して前記シャフト１の斜板９へ伝達される。つまり斜板９へは複数あるプランジャ１１の荷重分の合力が作用する。この合力は、軸方向の荷重と斜板角分のラジアル荷重として作用する。これらの荷重を支持しスムーズな回転を達成するために、シャフト１にはラジアル軸受７及びスラスト軸受８が嵌合し、その荷重をボディ５で支持する構造としている。
【００４６】
これらの荷重を支持する部分（スリッパ１０／斜板面９，スリッパ１０／プランジャ球面及び軸受部）は、回転による相対速度と荷重を支持する部分であり、オイル潤滑とすることで、摺動摩耗を低減できる。このためにはボディ５とシリンダ１２の間に形成される斜板室３８にオイルを貯留させる構造が必要になる。
本実施例では、プランジャ１１の往復運動時に燃料とオイルをシールするシール１７をシリンダ１２に設けている。この往復摺動するシール１７は、プランジャ１１とシリンダボア１３との隙間をシールしており、このシール１７が燃料とオイルのシール部材となる。なお本実施例ではシール１７へ作用する圧力は、シール１７とポンプ室１４の間に連通路Ａ１６が存在するため、常に低圧の前記吸入圧となり、シール１７には高圧室の圧力が付加されない構造となっている。このことによりシール１７の耐久性及び信頼性を高めている。
【００４７】
次に図４を用いてオイル循環経路及び循環方法について説明する。軸中心にオイル経路３４を設けたエンジンカム６のカップリング嵌合部３３に、軸シール
３５とカップリング２を貫通したシャフト１を嵌着し、シャフト１の中心に設けた斜板室３８との連通路４を通じてエンジンからオイルを導入する構造とした。前記軸シール３５はオイルを完全にはシールせず、エンジン側より斜板室３８への必要最低限の流量を確保する程度とした。これにより、軸シール３５を介して駆動軸にエンジンカム６とシャフト１との芯ずれによる偏芯荷重を極力抑えることができ、ラジアル軸受８の耐久性を向上させている。また斜板室３８に流入するオイルを必要最低限とすることにより、斜板室３８の温度上昇を抑制しつつ、前記シール１７より斜板室３８へ漏洩する燃料によって希釈されたオイルの置換を達成している。また、シャフト１の中心よりオイルを導入することにより、エンジン側に新規にオイル通路を設定することなく目的を達成しているため、エンジンとの適合性及びエンジンの小型化を達成している。
【００４８】
本実施例では、シャフト中心に設けた連通路Ｃ４よりオイルを導入しているが、オイル導入路はエンジンの油圧源とポンプの斜板室３８とを連通するように設ける。
【００４９】
次にエンジンから斜板室３８に供給されたオイルをエンジンに戻すための通路について説明する。この通路は斜板室３８よりエンジンカム室３９への戻り通路３６によって構成している。この戻り通路３６はポンプのボディ５に設けたエンジンとの取り付けフランジ面３７よりカップリング２側に設けた。これによりエンジン側に特別な通路を設けることなく斜板室３８内のオイルをエンジンに戻すことができる。戻り通路３６は、斜板９とスリッパ１０の摺動面より高い位置に設定し、ベーパが発生しても戻り通路３６よりエンジンカム室３９へベーパを放出し、摺動面が常にオイルで潤滑されるようにしている。また戻り通路３６の径はオイル導入用の連通路Ｃ４の径より大きくしている。これにより斜板室３８から流出するオイル量が流入するオイル量を下回らないようにし、斜板室３８内の圧力が上昇しないようにしてシール１７の信頼性を高めている。
【００５０】
斜板室３８内の圧力が上昇せず、常に燃料の吸入圧より低くなることにより、オイルが燃料側に漏れるのを防止している。また同時にプランジャ１１には常に斜板方向への力が働き前記プランジャスプリング２５の負担を軽減している。
【００５１】
以上の構成で、従来の斜板式アキシャルプランジャポンプと大きく異なっている点は、斜板が回転し、斜板とスリッパは潤滑油中において高周速で摺動することにある。この斜板の回転運動が揺動運動に変換されてプランジャが往復揺動する。この際、プランジャとシリンダボア間の摺動部にシール部材が設けられていて、潤滑油と燃料を隔離するようにしたものであり、ガソリン中で摺動する部材の点数が少なくなっている。
【００５２】
本実施例において、燃料中で稼働し、摺動する部材で、耐食・耐摩耗性が要求される主なものとしては、ポンプ室の加圧部材であるプランジャとそれを往復摺動可能に支持する摺動孔を有するシリンダのシリンダボアがある。特に、プランジャとシリンダボアの径ギャップは、加圧室からの燃料漏れを最低限にするために１０μｍ以下としている。そのため、摩耗による径ギャップの増大等によるポンプ性能の低下が生じる。
【００５３】
また、プランジャは燃料とオイルをシールする軸シールとの摺動部においても、耐食・耐摩耗性が要求される。この摺動部における摩耗は、オイルへ燃料が漏洩すると、オイルが希釈され、潤滑性能の低下、更に燃費の低下も生じるので、好ましくない。
【００５４】
そこで、プランジャ及びシリンダブロックの材料構成は以下の通りである。
【００５５】
プランジャの外径とシリンダボアは初期的には線接触状態で摺動するため、高い面圧（ヘルツ応力）になる。そのため、材料としては高硬度であることが望ましい。シリンダブロックはプレス加工等により製品形状に加工できて生産性がよいマルテンサイト系ステンレス鋼のSUS440C，SUS420J2 材を焼入・焼戻しをして用いられる。また、合金工具鋼ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材を焼入・焼戻しをしても用いられる。
【００５６】
SUS440C，SUS420J2 材は焼入・焼戻しにより基材の硬さがＨｖ５００〜７００になる。また、ステンレス鋼のため耐食性がよい。
【００５７】
プランジャの材料も同様である。しかし、シリンダブロックよりも高面圧になることから、更に高硬度にして耐摩耗性を得るため、表面処理が適用されて供される。
【００５８】
図５に本発明の表面構造を示す。表面構造は、基材に拡散表面処理層を形成した後、その表面に耐食・耐摩耗性硬質被膜を設けた複合表面処理層になっている。図５（ａ）は耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層Ｉ、図５（ｂ）は耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層IIは、図５（ｃ）は耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層Ｉ及び拡散表面処理層IIから成っている。
【００５９】
拡散表面処理層Ｉは窒化系で、基材材質の特性を損なわない低温域処理において、主に窒素を拡散させ、微細窒化物を析出させて硬さを高めるもので、窒化層，浸炭窒化層，軟窒化層，塩浴軟窒化層がある。表面硬さはＨｖ１０００以上の硬い表面層を容易に形成できるが、その処理層は比較的薄い。また、凝着しにくい特性が得られ、基材の摩擦・摩耗に対する反応性が改善される。
【００６０】
拡散表面処理層IIは浸炭系で、高温域で炭素を拡散させ、焼入れ熱処理によって高硬度が得られる。拡散表面処理層Ｉより深い硬化層となり、高面圧を受ける際の耐荷重性に優れる。
【００６１】
これらの拡散表面処理層は、基材と連続した処理層であるため高面圧でも剥離しにくい特性がある。また、基材の硬さを高めて耐食・耐摩耗性硬質被膜を形成することにより、高面圧に対する耐荷重性が向上するとともに、硬質被膜の耐剥離性も改善される効果がある。
【００６２】
以上の目的特性を満足させるためには、耐食・耐摩耗性硬質被膜の下地となる拡散表面処理層Ｉの組織，表面形態が重要になる。すなわち、窒化層表面は硬質被膜の耐剥離性を損なう組織，形態でないことが必須である。
【００６３】
イオン窒化法は、減圧容器（陽極）内に処理品を陰極に配設し、窒素源ガス （Ｎ₂）と希釈ガス（Ｈ₂）を導入して直流の高電圧を印加して直流放電（グロー放電）を発生させ、直流プラズマでイオン化したＮを内部に拡散させるものである。
【００６４】
図６，図７にこの窒化処理で形成される表面層の解析結果の一例を示す。試料はマルテンサイト系ステンレス鋼のSUS403で、図６は光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡による窒化層の断面の組織観察結果、図７は表面層のＸ線回折を示す。イオン窒化によって処理された最表面部ではＦｅ窒化物の白色化合物と言われるε相であるＦｅ₂Ｎ，Ｆｅ₃Ｎとγ′相のＦｅ₄Ｎ 、及びＣｒ窒化物のＣｒＮが形成される。組織では最表面部に白く見える層が存在しており、へき開破面において平滑な破壊をしており、脆弱である。
【００６５】
図８にイオン窒化処理した表面形態の観察結果を示す。最表面にはスパッタ粒子の付着現象により、鉄微粒子が１〜２μｍ程度被膜として付着しているのが分かる。この微粒子が硬質被膜の界面に存在すると密着力が低く、耐剥離性を損なうことになる。
【００６６】
このことから、本発明で拡散表面処理層Ｉにイオン窒化処理の窒化層を用いる場合には、最面部１０μｍ程度は研削等により除去するのが好ましい。
【００６７】
なお、イオン窒化処理に際して、脆弱な白色化合物のε相を除去する方法として、窒化処理と拡散処理を行うのが好ましい。
【００６８】
図９は、本発明の実施例に用いた、窒化層硬さを制御する処理工程をグラフで示した図である。この場合、処理工程の中の窒化処理はガス窒化法等の適用も可能である。しかし、表面層の化合物をガス組成により広範囲に制御できるイオン窒化法（プラズマ窒化法）がより適している。
【００６９】
ａ処理工程は、窒化処理と拡散工程を連続して行うものである。実施例では、この工程をイオン窒化法で処理した。イオン窒化処理法では、減圧容器が冷却されており、処理品温度を入力電力（放電電力）により任意に加熱保持できる。また、ガス組成を制御して窒化雰囲気、あるいは非窒化雰囲気（拡散）にできる特徴がある。一方、ガス窒化処理法では前述のように６００℃程度域以上での処理では装置上困難なことから、６００℃程度域以上での拡散処理に問題がある。
【００７０】
ｂ処理工程は窒化処理と拡散工程を不連続の工程で行うものである。実施例では、窒化処理はイオン窒化法で処理した。拡散工程は真空熱処理炉により加熱保持した。その他に非酸化雰囲気中、例えば不活性ガスのＮ₂ ，Ａｒ等での雰囲気熱処理炉による処理も適用できる。
【００７１】
図１０は図９の処理工程により、本発明の一実施例に用いたマルテンサイト系ステンレス鋼SUS403材（ａ）及び合金工具鋼ＳＫＤ１１材（ｂ）の窒化層硬さの分布状態をグラフで示した図である。窒化層の表面硬さはＨｖ１０００以上，硬化深さとしてＨｖ５００以上で０.１mm以上を目標にした。
【００７２】
処理条件は温度；５３０℃，時間；８時間，ガス組成；Ｎ₂／Ｈ₂＝１／３，圧力（ピラニー）；４０Torrである。工具鋼ＳＫＤ１１への窒化のままの硬さ分布を見ると、表面から２５μｍの位置でＨｖ１０６０を示し、表面から内部になるに従って漸次低下して基材硬さになっている。
【００７３】
この硬さの分布の処理品に水素ガスを雰囲気ガスとして拡散工程を行った。温度； 550 ℃，時間；２.５時間，ガス組成；Ｈ₂のみ、圧力（ピラニー）；４０Torrである。
【００７４】
窒化処理後に拡散工程を行ったものの硬さ分布状態は、表面部でＨｖ１０１０の値を示した後、内部になるに従って漸次低下して基材硬さになっている。
【００７５】
前述した図６，図７の表面層の解析結果を見ると、窒化処理と拡散処理によれば、最表面部に白く見える層が存在しておらず、そのへき開破面においても脆弱な破壊形態になっていない。表面部で同定された化合物はＣｒ窒化物のＣｒＮと基材のα−Ｆｅである。窒化処理後の拡散処理により、白色化合物のε相であるＦｅ₂Ｎ，Ｆｅ₃Ｎが消失し、存在していないことが分かる。以上の結果は、他の鋼種についても同様な結果であった。
【００７６】
この結果により、本発明法で適用した窒化処理と拡散処理によれば、硬さが制御されて靭性のある窒化層が形成されいる。また、表面層の化合物も制御できる。そのため、脆弱なε相の表面を研削する必要がない。しかし、この場合においても、イオンによるスパッタ粒子の付着現象により、鉄微粒子が１〜２μｍ程度被膜として付着しており、研磨（ラッピング）等で除去する必要がある。
【００７７】
そこで、表面化合物層、あるいはスパッタ粒子の付着のない窒化層の形成を行うため、図１１に示す本発明の表面処理装置を用いた。図１１の表面処理装置は、基材に拡散表面処理層を形成した後、その表面に耐食・耐摩耗性硬質被膜を連続して形成できるものである。そのために、拡散表面処理系と耐食・耐摩耗性硬質被膜系の機構が設けられている。図１１（ａ）と（ｂ）は、拡散表面処理系における処理ガスの活性化のプラズマ源が異なっており、図１１（ａ）では高周波プラズマ系、図１１（ｂ）はマイクロ波プラズマ系になっている。
【００７８】
この表面処理装置による、拡散表面処理の窒化層形成は、真空炉中に処理ガスとして水素，窒素、あるいは水素，アンモニア、あるいはその他の希釈ガスを導入し、プラズマを発生させて処理ガスを活性化させることにより行われるものである。その際、処理品は炉内のヒーター系で加熱保持されているため、イオン窒化でイオン衝撃を必要としない。したがって、イオン窒化と異なってイオン衝撃によるスパッタがないことから、スパッタ粒子の付着のない表面層が形成される。また、表面化合物層は、処理ガス組成の組成比率により制御して、白色化合物の生成を抑えることができる。
【００７９】
本発明での表面処理装置により、各種鋼の拡散表面処理（窒化層形成）を行った。その結果、図６，図７に示した組織、及び表面形態が得られた。これにより、耐食・耐摩耗性硬質被膜を形成させるための最適な拡散表面層を提供できた。
窒化層は、基材に添加されて基地に固溶している窒化物形成元素、例えばＣｒと化合して窒化物のＣｒＮを形成する。そのため、ステンレス鋼等の高Ｃｒの鋼種においては、Ｃｒの添加によって耐食性が優れている特性が、基地のＣｒが窒化物を形成することでその濃度が低下してしまい、ステンレス鋼でなくなる。そのため、若干耐食性が低下してしまう。
【００８０】
図１２に各種材料の耐食性を示す。水にエチルアルコール１３.５vol.％ と全酸価０.１３mgＫＯＨ／ｇ の酸イオン濃度の溶液における自然電位と孔食電位である。自然電位と孔食電位は共に高い方が耐食性が優れている。各種ステンレス鋼は、自然電位と孔食電位が高い領域にあり、耐食性が優れている。それに対して合金工具鋼ＳＫＤ１１及びその窒化材は低い領域にある。またステンレス鋼 SUS403窒化材も低い領域にあり、窒化処理により若干耐食性が低下していることが分かる。
【００８１】
本発明の燃料ポンプでは、燃料のガソリンにメチルアルコール，エチルアルコールを添加したもの、あるいは劣化したガソリン等の使用を想定した。そのようなガソリンにおいては、水分の混入，酸成分の混入等により、材料の酸化の影響を考慮する必要がある。すなわち、摺動機構部の接触部が酸化環境であると腐食摩耗の現象を生じる可能性がある。その場合は摩耗に対する環境としては更に厳しくなり、摺動部の損耗量が多くなる問題が考えられる。
【００８２】
図１３に摩耗量に及ぼすガソリン中の酸イオン濃度を示す。往復摺動摩耗試験において、ガソリンにエチルアルコール１３.５vol.％ と水０.７４ｗｔ.％で、酸イオン濃度を変化させた際の固定片の比摩耗量を示している。図を見ると、ステンレス鋼同士の組み合わせに対して窒化材は比摩耗量は少なくなっており、耐摩耗性がよい。しかし、いずれの材料組み合わせにおいても、全酸価（酸イオン濃度）の増加に伴い、ある値以上になると比摩耗量は増大する傾向を示している。したがって、比摩耗量が増大している濃度領域では腐食摩耗を生じていることが分かる。
【００８３】
この結果より、ガソリン品質がよい環境では問題ないが、腐食性が懸念される燃料が用いられる場合には材料への対策が必須である。
【００８４】
そこで、本発明では、図５に示すように、最表面に耐食・耐摩耗性硬質被膜を形成した。耐食・耐摩耗性硬質被膜としては、低温域で緻密な被膜を高密着力で形成できる物理蒸着法により、炭化物ではＴｉＣ，ＷＣ，ＳｉＣ、窒化物ではＴｉＮ，ＣｒＮ,ＢＮ,ＴｉＡｌＮ、炭窒化物ではＴｉＣＮ、酸化物ではＡｌ₂Ｏ₃等が、目的により選定されて形成される。
【００８５】
図１１に耐食・耐摩耗性硬質被膜を形成する処理装置のブロック図の一例を示す。図１１ではイオンプレーティングのアークイオンプレーティングを示しているが、その他の方式、例えばホローカソード方式やアーク放電方式、あるいはスパッタリング方式であってもよく、方式にはとらわれない。
【００８６】
アークイオンプーレティングは、数十Ｐａ程度以下の低ガス圧雰囲気の真空炉内で、蒸発して被膜を形成する材料からなる陰極と陽極の間で数十〜数百Ａの電流，１５〜３０Ｖの電圧で真空アーク放電を発生させる。真空アークは、陰極の蒸発面に、放電電流が集中したアークスポットを生じる特徴がある。アークスポットの直径は僅か１０μｍ程度といわれ、この微小領域に大電流が集中して４×１０³〜１０⁴℃の高温を発生し、陰極の材料を瞬時に蒸気化する。アークスポットは陰極の蒸発面をランダムにかつ高速に移動するので、スポットが非常に高温であるにもかかわらず、冷却された陰極材料（ターゲット）は固体の状態に保たれる。このため、真空アーク放電を利用すると、昇華による蒸発のように、固体のターゲットからその蒸気を発生させることかできる。
【００８７】
図１１の装置は、真空炉内に、真空アーク放電でターゲットを蒸発させる真空アーク蒸発源と、アークスポットから発生したイオン化された蒸気をコーティングする基板が設置される。この基板には負のバイアス電圧が印加され、基板に到達するイオンを適切なエネルギに加速しており、形成される被膜の特性を制御している。真空炉にはガスの供給ラインが設けてあり、例えば、Ｔｉを蒸発させながらＮ₂ ガスを導入することでＴｉＮ被膜を形成する反応性コーティングが可能となっている。
【００８８】
蒸発材料のターゲット材は基本的には導電性を有する固体材料てあれば何でもよく、金属材料，導電性セラミックス及びグラファイト等が使用できる。
【００８９】
このような装置により形成された耐食・耐摩耗性硬質被膜は、緻密で非金属的物性により、耐食性が優れる。例えば、図１２で耐食性を見ると、ＣｒＮ（基材ＳＫＤ１１）はSUS304以外の各種ステンレス鋼よりも自然電位と孔食電位が高い領域にあり、耐食性が優れている。また、基材ＳＫＤ１１に比較して著しく耐食性が改善されていることが分かる。
【００９０】
また、耐食・耐摩耗性硬質被膜は、相手材料との間に生じる金属移着現象を抑え、凝着や焼付き現象を阻止する効果があり、摩擦抵抗が小さく、初期摩耗，定常摩耗および焼付き等が防止される。そのため、図１３に示した各種材料の比摩耗量に比較して小さな値を示した。また、腐食摩耗の影響が少なかった。このことにより、腐食環境が厳しい燃料中における摺動部材としての稼動ができる。
【００９１】
図１４は実施例１における一部詳細を示す。ガソリンはシリンダ１２に設けられた吸入空間１５，連通路Ａ１６，ザグリ５１からプランジャ１１内のへの連通路Ａ１６，導入孔１９，吸入バルブ２４の順で流入し、加圧される。その際、シリンダ１２に設けられたシール１７により、プランジャ１１の往復運動時の燃料とオイルをシールする。このシール１７(弾性体、例えばゴム)とプランジャ１１の摩耗、プランジャ１１とシリンダボア１３との摩耗に対処するために、拡散表面処理層と耐食・耐摩耗性硬質被膜の表面処理層１１ａが形成されているものである。
【００９２】
本実施例では、プランジャ１１の表面処理層１１ａは、図５（ａ）の耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層Ｉを形成した。基材は合金工具鋼ＳＫＤ１１とし、拡散表面処理層Ｉは図１０（ｂ）に示す窒化層を５０μｍ形成した。その表面に図１１の処理装置によりＣｒＮを４μｍ形成した。
【００９３】
一方、ボディ５とシリンダ１２の間に形成される斜板室３８内のオイル中において、斜板９とスリッパ１０は高周速で摺動する。この材料組み合わせも重要となる。
【００９４】
斜板部材は機械構造用合金鋼の表面処理材、あるいは鋳鉄、及びその表面処理材が適用できる。機械構造用合金鋼の表面処理材としては、クロムモリブデン鋼SCM415の浸炭焼入れ等が用いられる。鋳鉄としては、ねずみ鋳鉄，球状黒鉛鋳鉄、それらの焼入れ、あるいはオーステンパ処理をして基地を強化したもの、あるいは表面処理して用いられる。これらの表面処理としては、窒化層，浸炭窒化層，軟窒化層，塩浴軟窒化層，浸炭焼入れ層、あるいはそれらを積層させた処理層である。
【００９５】
スリッパ部材はアルミニウム合金，銅合金，焼結合金，合金工具鋼，ステンレス鋼、及びそれらの表面処理材が適用できる。アルミニウム合金では高Ｓｉ合金のＡ３９０等がある。銅合金，焼結合金は耐摩耗性の各種材料が用いられる。
【００９６】
合金工具鋼ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材は、焼入・焼戻しにより基材の硬さを高くできる。そのため高面圧下においても材料に強度，耐力があり、耐摩耗性もよい。また、合金工具鋼には窒化物形成元素のＣｒ等が５〜１３％程度添加されているため、一般的な窒化処理により、窒化層の硬さはＨｖ１０００以上になり、窒化処理の適用により硬い表面層を形成して供することもできる。その硬さ分布は表面は高く内部になるにしたがい漸次低下する。但し、ＳＫＤ１１材は窒化処理の熱履歴により基材の硬さは焼入・焼戻しに比べて幾分低下する。
【００９７】
ステンレス鋼では、例えば、SUS403が用いられる。SUS403材は調質した基材の硬さはＨｖ１９０以下と軟らかいため、加工性がよく、冷間域での塑性加工が可能であり、プレス加工等により製品形状に加工できる。したがって生産性に優れている。しかし、炭素量が少ないため、焼入・焼戻しを行ってもその硬さがＨｖ３００程度で軟らかい。そのため耐摩耗性を得るため、表面処理が適用されて供される。例えばSUS403材は材料中の合金元素に窒化物形成元素のＣｒが１３％程度添加されているため、窒化処理により、窒化層の硬さはＨｖ１０００以上になる。
【００９８】
図１５は斜板９，スリッパ１０に表面処理を適用した際の断面模式図で、材料構成，仕様を以下のようにしている。
【００９９】
（ａ）はスリッパ１０の表面処理層１０ａは揺動する斜板９との摺動側のみに形成されている。（ｂ）スリッパ１０の表面処理層１０ａは前面に形成されており、プランジャ１１との摺動部についても考慮している。（ｃ）は斜板９の表面処理層９ａが形成されている。（ｄ）は斜板９，スリッパ１０のいずれにも表面処理層９ａ，１０ａが形成されているものである。
【０１００】
表面処理層９ａ，１０ａは、図５に示す処理構造も適用される。また、他の表面処理として窒化層，浸炭窒化層，軟窒化層，塩浴軟窒化層，浸炭焼入れ層、あるいはそれらを積層させた処理層であってもよい。
【０１０１】
例えば、斜板９はスリッパ１０よりも表面硬さを高くした構成にするため、 SUS403にイオン窒化処理し、揺動板窒化層９ａを形成した。処理条件は温度；５３０℃，時間；７時間，ガス組成；Ｎ₂／Ｈ₂＝１／３，圧力（ピラニー）；４０Torrにおいてイオン窒化処理したもので、窒化層硬さＨｖ９００以上、硬化深さは０.１mm(Ｈｖ５００以上）である。窒化処理後、耐摩耗性に悪影響がある脆弱な白色化合物のε相を除去するため、表面は２０μｍ研磨加工した。
【０１０２】
スリッパ１０の一例として、スリッパ窒化層１０ａの硬さを、揺動板窒化層９ａよりも低くした例を示す。図９に示した処理工程を適用した。基材にSUS403を用い、窒化層硬さＨｖ７００〜８００，硬化深さは０.１mm(Ｈｖ５００以上）である。窒化処理後、最表面の微粒子の除去、及び表面粗さの向上のためバレル研磨加工をした。なお、その際のスリッパ窒化層１０ａの硬さは、揺動板窒化層９ａと同等にしてもよい。
【０１０３】
以上の構成からなる、図１の斜板式アキシャルプランジャポンプの実機耐久試験を行った。
【０１０４】
その結果、ポンプは異常なく稼働し、ガソリン吐出流量性能も安定した値が得られた。試験後、分解して燃料室内の各部品の検査結果、上記のいずれの部品においても異常摩耗の発生は認められず、定常摩耗状態であった。
【０１０５】
一方、無処理のものでは、プランジャ１１外径面とシール１７の摺動部において、若干摩耗が生じでいた。
【０１０６】
以上の結果により、本発明法で構成したポンプでは、摺動部品間での凝着しにくく、耐摩耗性が改善された。耐食・摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層で構成した表面処理層を形成したために高面圧でも剥離しにくく、耐食性に優れた特性がある。これらの特性によって過酷環境下における耐摩耗性が改善され、目的の燃料ポンプが可能になった。
【０１０７】
〔実施例２〕
本実施例はラジアルプランジャ燃料ポンプ（１筒式）に関するものである。
【０１０８】
エンジンの駆動力を伝達するシャフトと、前記シャフトの回転運動を揺動運動に変換する駆動カムと、前記駆動カムの回転運動をリフタを介して往復動するプランジャと、前記プランジャと組み合わされて燃料を吸入吐出するシリンダボアを有するラジアルプランジャ燃料ポンプで、燃料によって潤滑されて摺動する前記機構部、及びポンプ部の部材の少なくとも一つ以上の表面に、拡散表面処理層と耐食・耐摩耗性硬質被膜が形成されているものである。
【０１０９】
図１６，図１７に本発明のラジアルプランジャ燃料ポンプの詳細を示す。図１６は、垂直断面図であり、図１７は、本実施形態を用いた燃料噴射システム構成を示す図である。
【０１１０】
ポンプ本体１００には、吸入通路１１０，吐出通路１１１，加圧室１１２を備えている。吸入通路１１０及び吐出通路１１１には、吸入弁１０５，吐出弁106が設けられており、それぞればね１０５ａ，１０６ａにて一方向に保持され、燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。
【０１１１】
ここで、加圧室１１２には、加圧部材であるプランジャ１０２が摺動可能に保持されている。プランジャ１０２の下端に設けられたリフタ１０３は、ばね104にてカム２００に圧接されている。プランジャ１０２は、エンジンカムシャフト等により回転されるカム２００により、往復運動して加圧室１１２内の容積変化させる。プランジャ１０２の圧縮工程中に吸入弁１０５が閉弁すると、加圧室１１２内圧力が上昇し、これにより吐出弁１０６が自動的に開弁し、燃料をコモンレールに圧送する。吸入弁１０５は、加圧室１１２の圧力が燃料導入口より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関しては、ソレノイド３００の動作により決定される。
【０１１２】
ポンプ本体１００には、ソレノイド３００が取り付けられている。ソレノイド３００には、係合部材３０１，ばね３０２が配されている。係合部材３０１は、ソレノイド３００がＯＦＦ時は、ばね３０２によって、吸入弁１０５を開弁する方向に付勢力がかけられている。ばね３０２の付勢力は、吸入弁ばね１０５ａの付勢力より大きくなっているため、ソレノイド３００がＯＦＦ時は、図１６のように、吸入弁１０５は開弁状態となっている。
【０１１３】
ポンプ本体１００から高圧燃料を供給する場合には、ソレノイド３００がＯＮ（通電）状態となり、燃料供給を停止する場合には、ソレノイド３００がＯＦＦ（無通電）状態となるように、ソレノイド３００への通電が制限される。
【０１１４】
ソレノイド３００がＯＮ(通電)状態を保持した際は、ばね３０２の付勢力以上の電磁力を発生させ、係合部材３０１をソレノイド３０２側に引き寄せるため、係合部材３０１と吸入弁１０５は分離される。この状態であれば、吸入弁１０５はプランジャ１０２の往復運動に同期して開閉する自動弁となる。従って、圧縮工程中は、吸入弁１０５は閉塞し、加圧室１１２の容積減少分の燃料は、吐出弁１０６を押し開きコモンレールへ圧送される。
【０１１５】
一方、ソレノイド３００がＯＦＦ（無通電）を保持した際は、ばね３０２の付勢力により、係合部材３０１は吸入弁１０５に係合し、吸入弁１０５を開弁状態に保持する。従って、圧縮工程時においても、加圧室１１２の圧力は燃料導入口部とほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁１０６を開弁することができず、加圧室１１２の容積減少分の燃料は、吸入弁１０５を通り燃料導入口側へ戻される。
【０１１６】
また、圧縮工程の途中で、ソレノイド３００をＯＮ状態とすれば、このときから、コモンレール１５３へ燃料圧送される。また、一度圧送が始まれば、加圧室１１２内の圧力は上昇するため、その後、ソレノイド３００をＯＦＦ状態にしても、吸入弁１０５は閉塞状態を維持し、吸入工程は始まりと同期して自動開弁する。
【０１１７】
次に、図１７を用いて、本実施形態を用いた燃料供給システムのシステム構成について説明する。
【０１１８】
タンク１５０内の燃料は、低圧ポンプ１５１によって、ポンプ本体１００の燃料導入口に、プレッシャレギュレータ１５２にて一定の圧力に調圧されて、導かれている。その後、ポンプ本体１００にて加圧され、燃料吐出口からコモンレール１５３に圧送される。コモンレール１５３には、インジェクタ１５４，リリーフ弁１５５，圧力センサ１５６が装着されている。インジェクタ１５４は、エンジンの気筒数にあわせて装着されており、エンジンコントロールユニット(ECU)の信号にて噴射する。また、リリーフ弁１５５は、コモンレール１５３内の圧力が所定値を超えた際開弁し、配管系の破損を防止する。
【０１１９】
そこで、プランジャ１０２を図５に示す表面構成とした。図１８に実施例２における一部詳細を示す。燃料のガソリンは、吸入弁１０５から供給されて加圧室１１２に導入される。加圧室１１２で加圧されることにより、シリンダ１０８の内径部の摺動孔１０８ａとプランジャ１０２が摺動する際の径ギャップから外部へ流出する。その流出をシール１２０でシールすることにより漏洩を最小に抑えている。
【０１２０】
このようなシリンダとプランジャ、プランジャとシールの摺動による摩耗の状況は、実施例１と同様である。そこで、シール１２０とプランジャ１０２（弾性体、例えばゴム）の摩耗，プランジャ１０２とシリンダ摺動孔１０８ａとの摩耗に対処するために、プランジャ１０２に拡散表面処理層と耐食・耐摩耗性硬質被膜の表面処理層１０２ａが形成されているものである。
【０１２１】
本実施例では、プランジャ１０２の表面処理層１０２ａは、図５(ａ)の耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層Ｉを形成した。基材は合金工具鋼ＳＫＤ１１とし、拡散表面処理層Ｉは図１０（ｂ）に示す窒化層を１００μｍ形成した。その表面に図１１の処理装置によりＣｒＮを５μｍ形成した。
【０１２２】
本実施形態において、プランジャ１０２の外周部には、カム２００を潤滑するためのオイルポンプ内に流入することを防止するとともに、ポンプ内の燃料が外部に流出することを防止するため、弾性体で製作されたシール１２０が設けられている。本実施形態では、シール１２０は金属管１２０ａと一体成形されており、ポンプ本体１００に圧入嵌合されているが、固定方法について限定するものではない。
【０１２３】
また、加圧室１１２は、プランジャ１０２を往復摺動可能に支持する摺動孔を有するシリンダ１０８にて形成されている。シリンダ１０８の内径部は、プランジャ１０２との径ギャップを、加圧室からの燃料漏れを最低限とするため、１０μｍ以下としている摺動孔１０８ａと、加圧室を形成する拡張内壁１０８ｂからなっている。
【０１２４】
また、シリンダ１０８の外周部には、摺動孔１０８ａに連通している縦通路１０９が設けられており、この縦通路１０９は、横通路１１０ｂにて燃料導入口１１０ａに通じる吸入通路１１０に連通している。
【０１２５】
この横通路１１０ｂの入り口には、燃料吸入通路１１０側から縦通路１０９側への流通方向を規制する逆止弁４００が設けられている。
【０１２６】
これにより、加圧工程時に加圧室１１２から摺動孔１０８ａとプランジャ102とのギャップを通ってくる燃料は、低圧部である燃料吸入通路１１０側に流れることができるため、シール１２０の燃料室側の圧力は燃料吸入通路１１０と同等となり、シール１２０の剛性を大幅に増加する必要なしに、燃料の外部漏れを抑えることができる。
【０１２７】
また、上述のように、プランジャ摺動部ギャップからの加圧室１１２の燃料の流出を最小限に抑えられるため、通常運転時においては、ポンプの吐出効率を向上することができる。
【０１２８】
本実施例において、燃料中で稼働し、摺動する部材で、耐食・耐摩耗性が要求される主なものとしては、燃料吸入通路１１０及び吐出通路１１１に設けられている吸入弁１０５，吐出弁１０６、及び加圧室１１２の加圧部材であるプランジャ１０２とそれを往復摺動可能に支持する摺動孔を有するシリンダ１０８がある。
【０１２９】
特に、プランジャ１０２とシリンダ１０８の径ギャップは、加圧室からの燃料漏れを最低限にするために１０μｍ以下としている。そのため、焼付きによる固着、あるいは異常摩耗による径ギャップの増大等によるポンプ性能の低下が生じる。
【０１３０】
次に、本実施例における他の摩耗部への適用を示す。図１９は吸入弁１０５、図２０は吐出弁１０６の一部詳細を示す。
【０１３１】
図１９の吸入弁１０５部においては、燃料は燃料供給口１１０から供給され、プランジャロッド１４０が往復運動した際にボール１４２と吸入弁１０５との間隙から加圧室１１２に吸入される。その際に摩耗が問題になる部位としては、Ａ：ボール１４２と吸入弁１０５との接触部，Ｂ：吸入弁１０５とチェック弁ガイド１４３の摺動部，Ｃ：プランジャガイド１４１と吸入弁１０５のシート部，Ｄ：プランジャロッド１４０の支持部がある。
【０１３２】
図２０の吐出弁１０６部においては、燃料は加圧室１１２で加圧されて吐出弁１０６が開閉して吐出される。その際に摩耗が問題になる部位としては、Ｅ：チェック弁シート１０７と吐出弁１０６との接触部，Ｆ：吐出弁１０６とチェック弁ホルダ１３０の接触がある。
【０１３３】
このような各部位の摩耗に対処するために、それぞれの部品に拡散表面処理層と耐食・耐摩耗性硬質被膜の表面処理層を形成した。
【０１３４】
本実施例では、図１９では吸入弁１０５に、図２０ではチェック弁シート107に、表面処理層１０５ｂ，１０７ａを、図５（ａ）の耐食・耐摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層Ｉを形成した。基材はステンレス鋼SUS420J とし、拡散表面処理層Ｉは窒化層を５０μｍ形成した。その表面に図１１の処理装置によりＣｒＮを１０μｍ形成した。
【０１３５】
燃料室内が以上の構成からなる、図１６のラジアルプランジャポンプの実機耐久試験を行った。
【０１３６】
その結果、ポンプは異常なく稼働し、ガソリン吐出流量性能も安定した値が得られた。試験後、分解して燃料室内の各部品の検査結果、上記のいずれの部品においても異常摩耗の発生は認められず、定常摩耗状態であった。また、吸入弁１０５，吐出弁１０６において、摩耗部位の部品の損耗は少なかった。
【０１３７】
一方、無処理のものでは、プランジャ１１外径面とシール１７の摺動部において、摩耗による若干の減肉が見られた。
【０１３８】
以上の結果により、本発明法で構成したポンプでは、摺動部品間での凝着しにくく、耐摩耗性が改善された。耐食・摩耗性硬質被膜と拡散表面処理層で構成した表面処理層を形成したために高面圧でも剥離しにくく、耐食性に優れた特性がある。これらの特性によって過酷環境下における耐摩耗性が改善され、目的の燃料ポンプが可能になった。
【０１３９】
〔実施例３〕
図２１は本発明の他の実施例による斜板式アキシャルプランジャ高圧燃料ポンプの断面図である。
【０１４０】
図２１において、ハウジングは第１ハウジング２１１および第２ハウジング２１２からなり、これらはボルト２１３により一体化されている。ハウジングの内部はクランク室２１５となっており、後述するようにガソリンの吸引室２１６および高圧の圧力室２１７が形成される。第１ハウジング２１１の上端部には軸受２１９が設けてあり、この軸受２１９に駆動シャフト２２０が受け入れられている。駆動シャフト２２０は、周知のように、エンジンのカム軸（開示していない）に連結されて駆動される。駆動シャフト２２０の一端には、シャフト回転によって摺動運動を発生させる斜板２２１が設けてあり、ハウジング内面との間にはスラスト軸受２２２が設けてある。斜板２２１の内部の凹部には軸受２２３が設けてあり、揺動板２２４の一部が受け入れられている。
【０１４１】
斜板２２１に対して揺動板２２４がラジアル軸受２２３およびスラスト軸受２２５を介して結合（カップル）されている。揺動板２２４は、駆動シャフト２２０の回転運動に基づく斜板２２１の回転運動によって揺動することになる。
揺動板２２４に対向して空間を置いてシリンダブロック２３０が配設してあり、このシリンダブロック２３０には５個のプランジャ２３１，圧力調整レギュレータ２３２および圧力逃し孔２３３が設けてあり、ボルト２３４によって第２のハウジング２１２と一体化されている。
【０１４２】
揺動板２２４の下端には上側ベローズキャップ２３４が固定され、シリンダブロック２３０には下側ベローズキャップ２３５が固着され、ベローズ２３６がこれら上のベローズキャップ２３４，下のベローズキャップ２３５によって保持されている。ベローズ２３６は、クランク室２１５中の駆動シャフト２２０を回転運動から揺動運動に変換する機構部を包含する機構室２３７と吐出されるべきガソリンで満たされた吸引室２１６とに分けている。機構室２３７には、機構部の潤滑を行うために油あるいはグリースが封入される。２３８はオイルプラグで、オイル封入後、装着される。
【０１４３】
プランジャ２３１は、シリンダ２２９内に設けたプランジャヘッド２４０と、その中に配設される上下のスプリング２４１，２４２，ボール２４３およびスプリング押え２４４からなり、プランジャヘッドの球状の頂面にはこれに合致する形状とされたスリッパ２４５が配設されている。プランジャヘッド２４０にはその長手方向に孔があけてあり、プランジャヘッド内部の空間を介して圧力室217に連通する構成としてあり、圧力室２１７への出口には、シリンダブロック230に形成された孔を塞ぐチェック弁２４６が設けてあり、孔はボールによって閉塞される構成とされている。従って、吸引室２１６を満たすガソリンは、揺動板２２４の揺動運動に伴ってスリッパ２４５に設けた溝およびプランジャに設けた連通路を介してチェック弁２４６を押し下げて圧力室２１７に送られることになる。この場合、この作動は５つのプランジャについて順次行われることになる。安全のために設けられる圧力逃し孔２３３にも同様にチェック弁２４７が設けてあり、シリンダブロックに設けた孔をボールが塞ぐ構成とされている。
【０１４４】
圧力調整レギュレータ２３２は、シリンダブロック２３０に形成されたシリンダ２５０内で、このシリンダブロック２３０に対してその位置がネジ機構とこれを回転させる回転機構により、調整されて固着され、かつ連通孔が形成された固着台２５１と、シリンダ２５０と圧力室２１７とを連通するバルブ孔２５３を閉塞・開放する圧力リリーフボール弁２５４と、該圧力リリーフボール弁２５４の押え２５５と、前記固着台２５１とこの押え２５５との間に両者を押圧するように装置されたスプリング２５６とから構成されている。圧力リリーフボール弁２５４はバルブ孔２５３のシート面に接着するボールを有しており、このボールは押え２５５に設けた凹部によって保持される。押え２５５には連通孔２５８が設けてある。押え２５５とシリンダ２５０面との間に間隙によって、ガソリンが流通できるようになっている。
【０１４５】
揺動板２２４の揺動に伴って、圧力リリーフボール弁２５４は閉塞・開放を繰り返し、ガソリンを圧力室２１７に吐出することになる。この場合、その吐出はＯＮ−ＯＦＦ制御される。
【０１４６】
燃料タンク（図示せず）内に設けられているフィードポンプ（図示せず）によって０.３Ｍｐａ に加圧されたガソリンが吸引通路２６０を介して吸引室２１６に吸引され、プランジャ２３１によって３Ｍｐａ以上に昇圧されて高圧の圧力室２１７に吐出される。圧力室２１７に吐出されたガソリンは吐出通路２６１からエンジン（図示せず）へと導かれる。
【０１４７】
本発明では、燃料室内の示す揺動運動を往復運動への変換部である揺動板224とスリッパ２４５，スリッパ２４５とプランジャ２３１(プランジャヘッド240) 、及び往復運動するプランジャ部のプランジャ２３１とシリンダ２２９であり、材料構成を以下のようにしている。
【０１４８】
揺動板２２４とスリッパ２４５は互いが平面状態で摺動するが、その際スリッパ２４５に設けられた溝からガソリンが供給される。その際の材料構成として、揺動板２２４はスリッパ２４５よりも硬くする。あるいは同等とする。
【０１４９】
スリッパ２４５とプランジャ２３１は、スリッパ２４５の凹面形状の球面部とプランジャヘッド２４０の球状との凸面形状の球面部が点接触で揺動運動に伴った摺動をするため、この部分では高い面圧になる。なお、スリッパ２４５に設けられた連通路からガソリンが供給される。その際の材料構成として、スリッパ２４５はプランジャヘッド２４０と同等とする。あるいはプランジャヘッド240を硬くする。
【０１５０】
プランジャ２３１とシリンダ２２９は、プランジャ２３１の外径とシリンダ２２９が数μｍ程度の間隙で配設されて摺動する。摺動部にはプランジャヘッド２４０側からガソリンが供給される。
【０１５１】
揺動板２２４，スリッパ２４５，プランジャ２３１，シリンダ２２９の基材材質としては、マルテンサイト系ステンレス鋼のSUS440C，SUS420J2，SUS403 材を焼入・焼戻しをして用いられる。また、合金工具鋼ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材を焼入・焼戻しをして用いられる。あるいはこれらの基材材質に表面処理として窒化処理が施されて供される。
【０１５２】
SUS440C，SUS420J2 材は焼入・焼戻しにより基材の硬さをＨｖ５００〜６００とする。また、ステンレス鋼のため耐食性がよい。
【０１５３】
SUS403材は炭素量が少ないため、焼入・焼戻しを行ってもその硬さがＨｖ300程度で軟らかい。そのため耐摩耗性を得るため、表面処理の窒化処理が適用される。
【０１５４】
但し、SUS403材は耐摩耗性焼入・焼戻し前の調質した基材の硬さはＨｖ１９０以下と軟らかいため、加工性がよく、冷間域での塑性加工が可能であり、プレス加工等により製品形状に加工できる。したがって生産性に優れている。一方、基材の硬さがＨｖ１９０以下と軟らかいために、耐摩耗性は劣る。そこで、耐摩耗性を付与する必要から、窒化処理が行われる。
【０１５５】
SUS403材は材料中の合金元素に窒化物形成元素のＣｒが１３％程度添加されているため、一般的な窒化処理により、窒化層の硬さはＨｖ１０００以上になる。その硬さ分布は、窒化層内では硬さの変化が少なくＨｖ１０００程度で、境界で急激に低下して基材硬さを示す。
【０１５６】
合金工具鋼のＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材は、焼入・焼戻しにより基材の硬さを高くできる。そのため高面圧下においても材料に強度，耐力があり、耐摩耗性もよい。
【０１５７】
また、合金工具鋼には窒化物形成元素のＣｒ等が５〜１３％程度添加されているため、一般的な窒化処理により、窒化層の硬さはＨｖ１０００以上になり、窒化処理の適用により硬い表面層を形成して供することもできる。その硬さ分布は表面は高く内部になるにしたがい漸次低下する。但し、ＳＫＤ１１材は窒化処理の熱履歴により基材の硬さは幾分低下する。
【０１５８】
次に、各部品における表面処理についての適用例を述べる。
【０１５９】
本発明で適用する表面処理は窒化処理である。現在の一般的な窒化処理としては、（１）６００℃程度以下域に加熱された鉄鋼材料表面で、ＮＨ₃ ガスの触媒反応で活性なＮを発生させ、それを内部に拡散させるガス窒化法、（２）減圧容器（陽極）内に処理品を陰極に配設し、窒素源ガス（Ｎ₂）と希釈ガス（Ｈ₂）を導入して高電圧を印加して直流放電を発生させ、プラズマでイオン化したＮを内部に拡散させるイオン窒化法がある。
【０１６０】
図７にこれらの窒化処理で形成される表面層の化合物の一例を示す。試料はマルテンサイト系ステンレス鋼のSUS403で、イオン窒化処理したものである。最表面部で同定された化合物はＦｅ窒化物の白色化合物と言われるε相であるＦe₂Ｎ，Ｆｅ₃Ｎとγ′相のＦｅ₄Ｎ、及びＣｒ窒化物のＣｒＮである。ここで、白色化合物のε相は脆弱なために摺動等の摩耗に際しては脱落して摩耗紛となり研磨作用をする。このため耐摩耗性の観点から、最面部１０μｍ程度は研削等により除去して用いられることが一般的である。
【０１６１】
しかし、本実施例におけるスリッパ２４５の球面側のような複雑な形状の場合、最面部１０μｍ程度を精度よく研削等により除去するには手間を要し、コストの上でも問題がある。そのため、窒化処理後の最表面部の後加工は行わないか、あるいは最小限に押さえて、簡便な手法、例えばバレル研磨等で行う。
【０１６２】
一方、前述のように、各摺動部品の揺動板２２４，スリッパ２４５，プランジャ２３１，シリンダ２２９には組合せた際の各部品の硬さの構成には適性な値がある。
【０１６３】
そのため、各材料からなる摺動部品に窒化処理を適用した際、各々の部品での窒化層の硬さは制御する必要がある。
【０１６４】
窒化層の硬さは、材料の合金元素の窒化物形成元素（例えばＣｒ，Ａｌ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ等）が一定量以上の添加されるとＨｖ１０００以上になり、ほぼ飽和する。また、同一材料であれば処理温度が高温になるにしたがって析出する窒化物が大きくなって硬さが低下する。この現象を利用して、処理温度で制御して窒化層の硬さを制御することが可能である。しかし、窒化層の硬さは制御できるものの、処理温度を高くすると最表面部の白色化合物のε相が厚く生成されてしまうために好ましくない。また、ガス窒化法では６００℃程度域以上での処理は装置上困難である。そのため、ガス窒化法では制御できる硬さの範囲には限度がある。そこで、窒化層の硬さをより広範囲域で制御できる処理プロセスを考慮する必要がある。
【０１６５】
そこで、本発明での実施例においては、窒化層の硬さの制御を窒化処理後に拡散処理を行うことで目的を達成した。
【０１６６】
図９と同様に本実施例においても窒化層硬さを制御する処理を行うものである。この場合、処理工程の中の窒化処理はガス窒化法等の適用も可能である。しかし、表面層の化合物をガス組成により制御できるイオン窒化法がより適している。
【０１６７】
ａ処理工程は、窒化処理と拡散工程を連続して行うものである。実施例では、この工程をイオン窒化法で処理した。イオン窒化処理法では、減圧容器が冷却されており、処理品温度を入力電力（放電電力）により任意に加熱保持できる。また、ガス組成を制御して窒化雰囲気、あるいは非窒化雰囲気（拡散）にできる特徴がある。一方、ガス窒化処理法では前述のように６００℃程度域以上での処理では装置上困難なことから、６００℃程度域以上での拡散処理に問題がある。
【０１６８】
ｂ処理工程は窒化処理と拡散工程を不連続の工程で行うものである。実施例では、窒化処理はイオン窒化法で処理した。拡散工程は真空熱処理炉により加熱保持した。その他に非酸化雰囲気中、例えば不活性ガスのＮ₂ ，Ａｒ等での雰囲気熱処理炉による処理も適用できる。
【０１６９】
図２２に、図９の処理工程により、本発明の実施例に用いた各種鋼の窒化層硬さの分布状態をグラフで示した図である。一例として、マルテンサイト系ステンレス鋼のSUS420J2，SUS403はａ処理工程、合金工具鋼のＳＫＤ６１はｂ処理工程で処理した。その際、表面硬さはＨｖ７５０±５０、硬化深さを０.１mm(Ｈｖ５００以上）を目標にして各処理工程における処理条件，温度，時間を検討したものの硬さの分布である。
【０１７０】
窒化処理はいずれもイオン窒化法で処理した。処理条件として温度；５３０℃，時間；５時間，ガス組成；Ｎ₂／Ｈ₂＝１／３，圧力（ピラニー）；４０Torrである。窒化のままの硬さ分布を見ると、各鋼種においても表面から２５μｍの位置でＨｖ１０００以上を示し、表面から内部になるに従って漸次低下してそれぞれの基材硬さになっている。各鋼種について次の拡散工程を行った。
【０１７１】
ＳＫＤ６１は真空熱処理炉により、圧力；１×１０^-5Torr，温度；６３０℃，時間；３時間で加熱保持をした。
【０１７２】
SUS420J2は温度；５９０℃，時間；３時間，ガス組成；Ｈ₂ のみ、圧力（ピラニー）；４０Torrである。SUS403は、温度；６１０℃，時間；５時間，ガス組成；Ｈ₂ のみ、圧力（ピラニー）；４０Torrである。
【０１７３】
窒化処理後に拡散工程を行ったものの硬さ分布状態は、窒化処理のままでは Ｈｖで約１０００であるが、表面部でＨｖ７００〜８００の値に低下するとともに内部になるに従って漸次低下してそれぞれの基材硬さになっている。表面硬さはＨｖ７５０±５０、硬化深さを０.１mm(Ｈｖ５００以上）の目標値を満足した結果が得られている。
【０１７４】
図７と同様に窒化処理後の拡散処理により、窒化層硬さを制御した処理での表面層の解析結果、表面部で同定された化合物はＣｒ窒化物のＣｒＮと基材のα−Ｆｅである。窒化処理後の拡散処理により、図３の窒化処理のままと比較すると、耐摩耗性に悪影響がある脆弱な白色化合物のε相であるＦｅ₂Ｎ，Ｆｅ₃Ｎ，γ′相のＦｅ₄Ｎ が消失し、存在していないことが分かる。
【０１７５】
この結果により、本発明法で適用した窒化層硬さを制御した処理によれば、硬さが制御されて靭性のある窒化層が形成されている。また、表面層の化合物も制御できる。そのため、脆弱なε相の表面を研削する必要がなく、処理のままでも供することができる。しかし、イオン窒化処理の場合、最表面にスパッタ現象による微粒子が１〜２μｍ程度被膜として付着している。この微粒子の初期の摩耗への悪影響を考慮して、表面は研磨（ラッピング）することが望ましい。
【０１７６】
図２３は窒化層硬さを制御した処理をスリッパ２４５に適用した際の断面模式図である。揺動板２２４，スリッパ２４５，プランジャ２３１（プランジャヘッド２４０），シリンダ２２９の材料構成，仕様を以下のようにしている。
【０１７７】
揺動板２２４はスリッパ２４５よりも表面硬さを高くした構成にするため、 SUS403にイオン窒化処理し、窒化層２４ａを形成した。処理条件は温度；５３０℃，時間；７時間，ガス組成；Ｎ₂／Ｈ₂＝１／３，圧力（ピラニー）；４０Torrにおいてイオン窒化処理したもので、硬化深さは０.１mm(Ｈｖ５００以上）である。窒化処理後、耐摩耗性に悪影響がある脆弱な白色化合物のε相を除去するため、表面は２０μｍ研磨加工した。なお、揺動板２２４の材質は、この他に SUS420J2，SUS440C 材の焼入・焼戻し材，ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材の焼入・焼戻し材も用いられ、組合せの目的に応じて窒化処理が施されて供される。
【０１７８】
スリッパ２４５の硬さは、揺動板２２４よりも低く、図９に示した窒化層硬さを制御する処理工程ａを適用した。基材にSUS403を用い、処理条件，窒化層の仕様は図９，図２２と同じにし、窒化層４５ａを形成した。窒化層４５ａは表面硬さはＨｖ７５０±５０、硬化深さを０.１mm （Ｈｖ５００以上）である。窒化処理後、最表面の微粒子の除去、及び表面粗さの向上のため研磨（ラッピング）加工した。なお、スリッパ４５の材質は、この他にSUS420J2，SUS440C 材の焼入・焼戻し材，ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材の焼入・焼戻し材も用いられ、上述の窒化処理が施されて供される。
【０１７９】
プランジャ２３１(プランジャヘッド２４０)は、SUS440C 材の焼入・焼戻し材を用いた。プランジャ２３１の外径面，プランジャヘッド２４０は耐摩耗性の観点から研磨加工した。なお、プランジャ２３１(プランジャヘッド２４０)の材質は、この他にSUS420J2，SUS440C 材の焼入・焼戻し材，ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材の焼入・焼戻し材も用いられ、組合せの目的に応じて窒化処理が施されて供される。
【０１８０】
シリンダ２２９は、SUS420J2の焼入・焼戻し材を用いた。シリンダ２２９の内径面は耐摩耗性の観点から研磨加工した。なお、シリンダ２２９の材質は、この他にSUS420J2，SUS440C 材の焼入・焼戻し材，ＳＫＤ６１，ＳＫＤ１１材の焼入・焼戻し材も用いられ、組合せの目的に応じて窒化処理が施されて供される。
【０１８１】
更に、本実施例においては、実施例１及び２と同様にプランジャ１３１の表面にイオン窒化層を形成した後、拡散処理を施し、次いでその表面に厚さ１〜５μｍのＣｒＮ，ＴｉＮ，ＢＮ，ＴｉＣ，ＳｉＣ膜を各々形成したものである。
【０１８２】
以上の構成からなる図２１の斜板式アキシャルプランジャポンプの実機耐久試験を行った。
【０１８３】
その結果、ポンプは異常なく稼働し、ガソリン吐出流量性能も安定した値が得られた。試験後、分解して燃料室内の各部品の検査結果、上記のいずれの部品においても異常摩耗の発生は認められず、安定摩耗状態であった。
【０１８４】
一方、無処理のものでは、耐久試験中にガソリン吐出流量性能に異常が発生し、運転の続行ができなかった。試験後の分解の検査結果、揺動板２２４は摩耗量が多く、段差が見られた。また、スリッパ２４５の球面部、及びプランジャヘッド２４０においても摩耗により減肉していた。これらの摩耗粉がさらにプランジャ２３１の外径面とシリンダ２２９の内経面の間隙部に入り、異常摩耗を生じていた。
【０１８５】
以上の結果により、本発明法で構成したポンプでは、窒化層及び窒化層と耐食性層は基材の硬さよりも高くなり、また凝着しにくく、摺動部品間の反応性が改善された。また窒化層は基材と連続した処理層であるため高面圧でも剥離しにくい特性がある。これらの特性によって耐摩耗性及び耐食性が改善され、目的の高圧燃料ポンプが可能になった。
【０１８６】
〔実施例４〕
図１は、実施例１〜３の燃料ポンプを用いた本発明の自動車用ガソリン筒内直接燃料噴射式内燃機関の断面図である。シリンダヘッド７０に備えられている燃料噴射弁６１は燃料ギャラリから供給された燃料を燃焼室７４内に直接燃料を噴射するように、その先端部を開口している。本実施例では超リーンバーンにてガソリンを超微粒化して気筒内に直接燃料を燃料噴射弁６１へ燃料を供給する高圧燃料ポンプを備えたエンジンで構成されている。
【０１８７】
点火プラグ６３は吸気弁６４と排気弁６５の間に備わっており、吸気弁６４が開いている間にフラットピストン６８の動きにより吸気ポート６６から吸入した吸気と噴射弁６１から噴射された燃料の混合気に対して電気火花による点火で燃焼を開始させる。燃焼後のガスは排気弁６５が開いている間にピストン６８の動きにより排気弁６５から排出される。
【０１８８】
燃料噴射弁６１の噴射弁駆動信号端子７１には燃料噴射弁駆動回路６２が電気的に接続されている。また、燃料噴射弁駆動回路６２には燃料噴射弁駆動トリガ信号、および弁体の動作遅れを短縮するように燃料噴射弁を駆動するかしないかの信号を出力する電子制御ユニット（ＥＣＵ）６９が電気的に接続されている。なお、電子制御ユニット６９にはエンジンの各運転状態が入力され、その運転状態に応じた燃料噴射弁駆動トリガ信号を決定する。
【０１８９】
吸気ポート６６からの空気量はアクセルに連動して動く２個所の電磁的手段Ｍによってコントロールされる。燃焼後の排気ガスは低酸素ストレージ型三元触媒７２により炭化水素，一酸化炭素及びＮＯｘを除去し、更にリーンＮＯｘ触媒７３によってＮＯｘが除去される。本実施例においては、燃料噴射弁６１から燃料を粒径２５μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下に気液超微粒化して筒内に噴射させるとともに空燃比５０の超リーンバーンにて駆動させるものである。
【０１９０】
三元触媒７２にはアルミナ担体にＰｔ又はそれにＣｅを担持、ＮＯｘ触媒７３にはアルミナ担体にＰｔ又はそれにＮａ，Ｔｉの酸化物を担持させたものが用いられる。
【０１９１】
燃料噴射弁６１の全体構造は次の通りである。それはシリンダヘッド７０に装着される。即ち、燃料噴射弁６１は、ハウジングに固定され、コア，コイルASSY，アマチュア，スワラー弁装置を有し、この弁装置はハウジングの一端にかしめにより支持されている。また弁装置は、小径円筒部および大径円筒部を持つ段付中空円筒形の弁本体と、この弁本体内で中心孔先端に固着されて燃料噴射孔を有する弁座と、ソレノイド装置により弁座に離接して燃料噴射孔を開閉する弁体であるニードルバルブとを備えている。コイルＡＳＳＹの下端面に接して上記ハウジングとコアを囲む空間で、燃料圧力印加側に配置された２個のＯリングを有する。燃料噴射孔の直径は０.８mm である。
【０１９２】
次に動作について説明する。コイルに通電すると、アマチュア，コア，ハウジングで構成される磁気回路に磁束が発生し、アマチュアはコア側へ吸引動作し、アマチュアと一体構造であるニードルバルブが弁座から離れて間隙が形成されると、高圧の燃料は弁本体から弁座の噴射孔内に入ってその先端出口から前述の如く超微粒化して噴霧される。
【０１９３】
また、燃料噴射弁６１はシリンダヘッド筒内に対し２〜１０mm突出している。
特に、弁本体，弁座，ニードルバルブ及びスワーラーはＪＩＳ規格SUS44Cの１％Ｃ，１６％Ｃｒフェライト系ステンレス鋼の冷間塑性加工後焼鈍し、最終形状への切削加工によって製造したものである。噴射孔の直径は０.８mm であり、その内径の真円度は０.５μｍ以下である。
【０１９４】
燃料噴射弁６１の先端部分へ以下の様に有機皮膜を形成する方法、及びその効果を以下説明する。
【０１９５】
本実施例は、燃料噴射孔とその周辺近傍に厚さ１.５ 〜８ｎｍの有機皮膜を設けたこと、或いは、燃料噴射孔表面に有機皮膜を設けた燃料噴射弁であって、前記噴射孔は燃料を粒径２０μｍ以下に噴霧する口径を有すること、前記噴射孔の口径が０.３〜０.８mm であること、前記噴射孔とその周辺近傍が重量で、Ｃ0.6〜１.５％，Ｓｉ１％以下，Ｍｎ１.５％以下及びＣｒ１５〜２０％を含むフェライト系ステンレス鋼からなることの１つ又は２つ以上の組合せによって得られる。
【０１９６】
そして、その有機皮膜は、ベース金属との共有結合によって結合されているものであり、その厚さは１.５ 〜３０ｎｍが好ましく、より１.５ 〜１０ｎｍが好ましく、最も１.５ 〜７ｎｍが好ましい。
【０１９７】
また、有機皮膜として、パーフルオロポリエーテル化合物，４弗化エチレンモノマー，珪素樹脂，ポリアミド樹脂等のグロー放電下での形成，テフロン樹脂，金属アルコキシドとフルオロアルキル基置換アルコキシドとの溶液によって得られる膜等が使用可能である。
【０１９８】
本実施例は、燃焼室内に吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、該シリンダヘッド内を往復運動するピストンと、前記燃焼室に燃料を噴射するように設置した燃料噴射手段と、該燃料噴射手段から噴射した燃料に着火する点火手段とを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、前記燃料ポンプ及び前述の燃料噴射弁を用いることができる。
【０１９９】
更に、本実施例は、燃焼室内に吸気手段及び排気手段を有するシリンダヘッドと、該シリンダヘッド内を往復運動するピストンと、前記燃焼室に燃料を空燃比４５以上のリーンバーン制御噴射するように設置した燃料噴射手段と、該燃料噴射手段から噴射した燃料に着火する点火手段とを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、前記燃料噴射手段は前記燃料を噴霧する噴出孔とその周辺近傍の表面に有機皮膜が設けられていること及び前述の燃料ポンプを用いるものである。
【０２００】
本実施例によれば、ガソリン燃焼によるデポジットがその直噴エンジンの燃料噴射弁の表面に付着が顕著に防止され、特に空燃比が４５以上である超リーンバーン制御を可能にし、燃費のより高い自動車が得られる。
【０２０１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ポンプにおいて燃料中での摺動部品、特にプランジャの材料構成、組み合わせを考慮し、摺動する機構部品に耐摩耗性・耐食性被膜を形成したことにより、焼付き，異常摩耗を防止することができるという効果がある。それにより、信頼性の高い高圧燃料ポンプが提供されるので、特にリーンバーン燃焼による自動車エンジンの筒内直接噴射において顕著な効果が発揮されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料ポンプの一実施例の一部断面図。
【図２】第１の実施例のリアボディ内通路構造。
【図３】行程説明図。
【図４】第１の実施例のエンジンオイル経路。
【図５】本発明での表面処理層の構成の説明図。
【図６】本発明の実施例に用いた窒化層のＸ線回析した結果を示すグラフ。
【図７】本発明の実施例に用いた窒化層の光学及び走査型電子顕微鏡組織を示す写真。
【図８】従来法で窒化した表面形態を示す走査型電子顕微鏡写真。
【図９】本発明の実施例に用いた、窒化層形成の処理工程をグラフで示した図である。
【図１０】本発明の実施例に用いた各種鋼の窒化層硬さの分布状態をグラフで示した図。
【図１１】本発明の実施例に用いた処理装置の説明図。
【図１２】本発明の実施例に用いた各種鋼の耐食性をグラフで示した図。
【図１３】各種材料組み合わせでの酸化摩耗の説明図。
【図１４】第１の実施例で、図１のプランジャの表面処理層を示す一部拡大図。
【図１５】第１の実施例で、図１の斜板，スリッパの表面処理層を示す一部拡大図。
【図１６】本発明の燃料ポンプの二実施例の一部断面図。
【図１７】第１の実施例で、燃料噴射システム構成を示す図。
【図１８】第２の実施例で、図１６のプランジャの表面処理層を示す一部拡大図。
【図１９】第２の実施例で、図１６の吸入弁の表面処理層を示す一部拡大図。
【図２０】第２の実施例で、図１６の吐出弁の表面処理層を示す一部拡大図。
【図２１】本発明の燃料ポンプの一実施例の一部断面図。
【図２２】本実施例の窒化層の硬さを示す線図。
【図２３】図２１の表面処理層を示す部分拡大図。
【図２４】本発明に係る直噴ガソリンエンジンの構成図。
【符号の説明】
１…シャフト、２…カップリング、３…ピン、４…連通路Ｃ、５…ボディ、６…エンジンカム、７…ラジアル軸受、８…スラスト軸受、９…斜板、１０，２４５…スリッパ、１１，１０２，２３１…プランジャ、１２，１０８，２５０…シリンダ、１３…シリンダボア、１４…ポンプ室、１５…吸入空間、１６…連通路Ａ、１７…シール、１８…空間、１９…導入孔、２０…リアボディ、２１…ボール、２２，２７，２５６…スプリング、２３…ストッパ、２４…吸入バルブ、２５…プランジャスプリング、２６…ボール、２８…吐出バルブ、２９…吐出室、３０…吸入室、３１…Ｏリング、３３…カップリング嵌合部、３４…オイル経路、３５…軸シール、３６…オイル戻り通路、３７…フランジ面、３８…斜板室、３９…エンジンカム室、４０…プレッシャレギュレータ（Ｐ／Ｒｅｇ）、４１…ボールバルブ、４２…連通路Ｂ、４３…吸入通路、４４…オイル導入路、４５…絞り、４６…戻り通路、５０…孔、５１…ザグリ、６１…燃料噴射弁、６２…燃料噴射弁駆動回路、６３…点火プラグ、６４…吸気弁、６５…排気弁、６６…吸気ポート、６７…排気ポート、６８…ピストン、６９…電子制御ユニット、７０…シリンダヘッド、７１…噴射弁駆動信号端子、７２…三元触媒、７３…ＮＯｘ触媒、７４…燃焼室、１００…ポンプ本体、１０１…吸入通路、１０３…リフタ、１０４，１０５ａ，３０２…ばね、１０５，５１０…吸入弁、１０６，１０６ａ…吐出弁、１０８ａ…摺動孔、１０８ｂ…拡張内壁、１０９…縦通路、１１０…燃料供給口、１１０ａ…燃料導入口、１１０ｂ…横通路、１１１…吐出通路、１１２…加圧室、１２０…シール、１２０ａ…金属管、１５０…タンク、１５１…低圧ポンプ、１５２…プレッシャレギュレータ、１５３…コモンレール、１５４…インジェクタ、１５５…リリーフ弁、１５６…圧力センサ、２００…カム、３００…ソレノイド、３０１…係合部材、４００…逆止弁。

Claims (11)

1. 自動車エンジンの燃料噴射弁に燃料を加圧して送給する燃料ポンプにおいて、互いに接触し前記燃料を介して摺動する少なくとも一方の摺動面に、活性な窒素の存在下で窒化され、真空中または不活性ガス中で加熱保持により拡散処理された窒化層よりなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有することを特徴とする燃料ポンプ。
2. 自動車エンジンの燃料噴射弁に燃料を加圧して送給する燃料ポンプにおいて、互いに接触し潤滑油を介して摺動する少なくとも一方の摺動面に、活性な窒素の存在下で窒化され、真空中または不活性ガス中で加熱保持により拡散処理された窒化層よりなる硬化層と該硬化層の表面に形成された硬化層より前記燃料に対する耐食性が高い金属化合物層とを有することを特徴とする燃料ポンプ。
3. 請求項１または２に記載された燃料ポンプにおいて、
   ハウジング内に、外部からの回転を伝達するシャフトと、該シャフトの回転を揺動運動に変換する斜板と、該斜板の揺動運動をスリッパを介してシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、
   前記摺動面は前記プランジャとシリンダとの互いに接触して摺動する少なくとも一つの摺動面であることを特徴とする燃料ポンプ。
4. 請求項１または２に記載された燃料ポンプにおいて、
   ハウジング内に、外部からの回転力を伝達するシャフトを通して回転する斜板と、該斜板の回転によって揺動運動する揺動板と、該揺動板の回転によってスリッパを介してシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、
   前記摺動面は前記プランジャとシリンダとの互いに接触して摺動する少なくとも一つの摺動面であることを特徴とする燃料ポンプ。
5. 請求項１または２に記載された燃料ポンプにおいて、
   エンジンの駆動によって回転するシャフトと、該シャフトの回転によって回転するカムと、該カムの回転によってシリンダ内を往復運動するプランジャとを備え、
   前記摺動面は前記プランジャとシリンダとの互いに接触して摺動する少なくとも一つの摺動面であることを特徴とする燃料ポンプ。
6. 燃料を燃焼室に直接噴射する燃料噴射手段と、該燃料噴射手段に前記燃料を送給する燃料ポンプとを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、前記燃料ポンプは請求項１〜５のいずれかに記載の燃料ポンプからなることを特徴とする筒内噴射エンジン。
7. 前記燃料噴射手段は空燃比が４５以上であるリーンバーン制御噴射する請求項６に記載の筒内噴射エンジン。
8. 請求項１または２に記載された燃料ポンプにおいて、
   前記金属化合物はイオンプレーティングによって形成された金属の炭化物，窒化物，炭窒化物，酸化物のいずれかであることを特徴とする燃料ポンプ。
9. 請求項１または２に記載された燃料ポンプにおいて、
   前記金属化合物はＴｉＣ，ＷＣ，ＳｉＣ，ＴｉＮ，ＣｒＮ，ＢＮ,ＴｉＡｌＮ,ＴｉＣＮ，Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかであることを特徴とする燃料ポンプ。
10. 窒化層と、前記窒化層上に金属化合物層を有するシリンダまたはプランジャのいずれかを有する燃料ポンプの製造方法であって、前記窒化層が、活性な窒素の存在下で処理される窒化処理と、真空中または不活性ガス中で加熱保持される拡散処理とより形成されることを特徴とする燃料ポンプの製造方法。
11. 請求項１０に記載された燃料ポンプの製造方法であって、
    前記拡散処理は真空熱処理炉または非酸化雰囲気熱処理炉による加熱保持による処理であることを特徴とする燃料ポンプの製造方法。

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