JP2002089405A - 高圧燃料供給装置 - Google Patents

高圧燃料供給装置

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JP2002089405A
JP2002089405A JP2000275502A JP2000275502A JP2002089405A JP 2002089405 A JP2002089405 A JP 2002089405A JP 2000275502 A JP2000275502 A JP 2000275502A JP 2000275502 A JP2000275502 A JP 2000275502A JP 2002089405 A JP2002089405 A JP 2002089405A
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fuel
chamber
engine
accumulator
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Susumu Kojima
進 小島
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造的に改善されたアキュームレータ式昇圧
機構を備える内燃機関燃料噴射用の高圧燃料供給装置を
提供することである。 【解決手段】 機関始動時に高圧燃料供給装置の高圧部
2を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式昇
圧機構20を具備し、アキュームレータ式昇圧機構は、
機関本体10に支持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関燃料噴射
用の高圧燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関の気筒内へ直接的に燃料を噴射
するには、各燃料噴射弁へ高圧燃料を供給することが必
要であり、そのための高圧燃料供給装置が公知である。
【0003】一般的な高圧燃料供給装置は、各燃料噴射
弁へ通じるデリバリパイプと、デリバリパイプへ高圧燃
料を圧送するための高圧ポンプと、高圧ポンプの燃料吸
入を確実にするために高圧ポンプの吸入側と接続された
低圧ポンプとを有している。一般的に、低圧ポンプは電
気駆動式であり、機関始動時から定格吐出圧力での燃料
圧送が可能であるが、高圧ポンプは機関駆動式であり、
機関始動時には十分に駆動されずに良好に燃料を圧送す
ることができない。
【0004】こうして、機関始動時には、デリバリパイ
プ内を低圧ポンプの定格吐出圧力(例えば、0.3MP
a)に昇圧して、燃料噴射を開始することも種々提案さ
れているが、この圧力は、通常時におけるデリバリパイ
プ内の目標高燃料圧力(例えば、12MPa)に比較し
て、非常に低い圧力であり、良好な燃料噴射を実現する
ことは難しい。
【0005】この問題を解決するために、特開平9−1
84464号公報には、運転中の燃料圧力を蓄えるアキ
ュームレータを使用して機関始動時に高圧配管内を始動
設定圧に昇圧するアキュームレータ式昇圧機構を提案し
ている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このアキュームレータ
式昇圧機構には、構造的に多くの改善の余地がある。本
発明の目的は、構造的に改善されたアキュームレータ式
昇圧機構を備える内燃機関燃料噴射用の高圧燃料供給装
置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明による請求項1に
記載の高圧燃料供給装置は、機関始動時に前記高圧燃料
供給装置の高圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュ
ームレータ式昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ
式昇圧機構は、機関本体に支持されていることを特徴と
する。
【0008】また、本発明による請求項2に記載の高圧
燃料供給装置は、請求項1に記載の高圧燃料供給装置に
おいて、前記高圧部は複数の燃料噴射弁へ高圧燃料を供
給するためのデリバリパイプを有し、前記デリバリパイ
プは、前記複数の燃料噴射弁によって前記機関本体に支
持され、前記アキュームレータ式昇圧機構は、前記デリ
バリパイプの燃料流入口近傍に接続されていることを特
徴とする。
【0009】また、本発明による請求項3に記載の高圧
燃料供給装置は、機関始動時に前記高圧燃料供給装置の
高圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ
式昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ式昇圧機構
は、気体室と、前記気体室と前記高圧部内の燃料との間
に位置する液体室とを有し、前記気体室と前記液体室と
は、弾性変形可能なダイヤフラムによって分割されてい
ることを特徴とする。
【0010】また、本発明による請求項4に記載の高圧
燃料供給装置は、機関始動時に前記高圧燃料供給装置の
高圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ
式昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ式昇圧機構
は、気体室と、燃料室と、前記燃料室と前記高圧部とを
連通する連通路と、前記連通路を開閉鎖可能な弁体と、
前記弁体を作動させるソレノイドとを有し、前記ソレノ
イドは、前記燃料室内に配置され、前記燃料室内の燃料
を加熱することにも利用されることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による内燃機関燃
料噴射用の高圧燃料供給装置の第一実施形態を示す概略
図である。内燃機関は四気筒であるとして以下に説明す
るが、これは本発明を限定するものではない。図1にお
いて、1は各気筒毎に配置された四つの燃料噴射弁であ
り、2は各燃料噴射弁1へ高圧の燃料を供給するための
デリバリパイプである。各燃料噴射弁1は、機関本体1
0とデリバリパイプ2とに取り付けられ、機関本体10
に対してデリバイパイプを支持する支持部材としても機
能する。デリバリパイプ2には、デリバリパイプ2内の
燃料圧力を検出するための圧力センサ5が設けられてい
る。燃料噴射弁1は、噴孔を開閉するための弁体と、弁
体を開弁方向に吸引するソレノイドとを有している(い
ずれも図示せず)。弁体にはバネ力及びデリバリパイプ
2内の燃料圧力が閉弁方向に作用しており、ソレノイド
が消磁されている時には確実な閉弁が保証され燃料噴射
が停止される。ソレノイドが励磁されれば、ソレノイド
は、弁体をバネ力及び燃料圧力に逆らって開弁方向に吸
引し、燃料噴射が実施される。
【0012】3は燃料タンクであり、燃料タンク3内に
は低圧ポンプ4が配置されている。低圧ポンプ4は、バ
ッテリにより駆動される電気式ポンプであり、例えば、
0.3MPaの定格吐出圧力を有している。低圧ポンプ
4は、スタータスイッチのオン信号と同時に作動され
る。低圧ポンプ4の吸入側には、燃料タンク3から燃料
を吸入する際の異物を除去するためのフィルタ(図示せ
ず)が設けられている。
【0013】また、7は、デリバリパイプ2内の燃料圧
力を、例えば、12MPaの目標高燃料圧力近傍に維持
するための高圧ポンプである。この高圧ポンプ7は、ク
ランクシャフトに連結されたカムによって駆動されるプ
ランジャを有して燃料を圧送する機関駆動式である。本
実施形態において、二つの気筒の燃料噴射毎に高圧ポン
プ7の吐出行程がもたらされるようになっている。
【0014】高圧ポンプ7の吐出側は高圧配管8によっ
てデリバリパイプ2へ接続され、高圧ポンプ7の吸入側
は低圧配管9によって低圧ポンプ4の吐出側へ接続され
ている。こうして、高圧ポンプ7の吸入行程において低
圧配管9から吸入される燃料は、低圧ポンプ4により前
述のように0.3MPaに昇圧されているために、低圧
配管9内において負圧に伴う燃料蒸気を発生し難くして
いる。高圧配管8には、高圧ポンプによって発生する圧
力脈動によって燃料が逆流することを防止するために、
設定圧力で開弁する逆止弁8aが配置されている。高圧
ポンプ7の下流側(高圧ポンプ7の吐出側に逆止弁8a
が配置されている場合には逆止弁8aの下流側)は、デ
リバイパイプ2を含めて高圧燃料供給装置の高圧部とな
る。
【0015】高圧ポンプ7は、デリバリパイプ2内の燃
料圧力が目標高燃料圧力となるように必要な燃料を調量
して圧送するものであり、プランジャによって吐出され
る全燃料のうちで不必要な分の燃料は低圧配管9を介し
て燃料タンク3へ戻される。この時、高圧の燃料が低圧
ポンプ4内を逆流することは、あまり好ましくなく、低
圧ポンプ4の定格吐出圧力を僅かに越える圧力で開弁す
る安全弁を介して低圧配管9を燃料タンク3へ連通させ
るようにしても良い。また、何らかの要因によってデリ
バリパイプ2内の燃料圧力が異常に高まることを防止す
るために、目標高燃料圧力を僅かに越える燃料圧力で開
弁する安全弁を有する戻し配管によって、デリバリパイ
プ2と燃料タンク3とを連通するようにしても良い。
【0016】また、このような戻し配管が設けられてい
れば、高圧ポンプ7は、燃料を調量せずに、プランジャ
によって吐出される燃料の全てを常にデリバリパイプ2
へ圧送するようにしても良い。
【0017】こうして、いずれの場合にも、機関始動後
において高圧ポンプ7が良好に作動すれば、デリバリパ
イプ2内を目標高燃料圧力近傍に維持することができ、
燃料噴射弁1を介して良好な燃料噴射が実現される。し
かしながら、機関始動時には、ほぼ大気圧まで低下して
いるデリバリパイプ2内の燃料圧力を早期に昇圧しなけ
ればならないのに、高圧ポンプ7は、機関駆動式である
ために、スタータモータによる機関低回転では良好に作
動せず、デリバリパイプ2内を昇圧することができな
い。
【0018】この一方で、低圧ポンプ4は電気駆動式で
あり、機関始動時にも良好に作動可能であり、定格吐出
圧力で燃料を圧送することができる。それにより、デリ
バリパイプ2内を早期に低圧ポンプ4の定格吐出圧力と
することは可能であるが、前述したように、低圧ポンプ
4の定格吐出圧力は、目標高燃料圧力に比較して非常に
低く、所望噴霧形態での燃料噴射が困難であるだけでな
く、必要量の燃料を噴射するのに燃料噴射弁1の開弁時
間が長くなり、所望時期での燃料噴射も困難となる。
【0019】本実施形態の高圧燃料供給装置は、このよ
うな機関始動時において、デリバリパイプ2内の燃料圧
力を低圧ポンプ4の定格吐出圧力より高く昇圧するため
に、昇圧機構20を有している。この昇圧機構20は、
アキュームレータ式である。具体的には、この昇圧機構
20は、連通路20aによってデリバリパイプへ接続さ
れ、連通路20aに通じる燃料室20bと、窒素等のガ
スが大気圧以上の所定圧力で封入された気体室20cと
を有している。燃料室20bと気体室20cとは、弾性
変形可能な材料、例えば、ゴム等によって形成されたダ
イヤフラム20dによって分離されている。
【0020】燃料室20b内には、連通路20aを開閉
可能な弁体20eと、弁体20eを閉弁方向に付勢する
スプリング20fと、弁体20eをスプリング20fに
よる付勢力に逆らって開弁させるソレノイド20gとが
配置されている。
【0021】このように構成されたダイヤフラム式昇圧
機構20は、機関運転時において、デリバリパイプ2内
の燃料圧力が高圧となれば、スプリング20fの付勢力
は比較的小さいために、弁体20eは容易に開弁して連
通路20aを開放し、燃料室20b内はデリバリパイプ
2内と同じ圧力となる。この圧力はダイヤフラム20d
に作用して気体室20c内の窒素を同じ圧力に圧縮し、
気体室20cは蓄圧する。デリバリパイプ2内の圧力が
僅かに下がるだけで弁体20eはスプリング20fの付
勢力によって閉弁して連通路20aを閉鎖する。こうし
て、機関停止時において、気体室20cは、機関運転中
におけるデイバリパイプ2内の目標高燃料圧力近傍に維
持される。
【0022】機関始動時には、ソレノイド20gを励磁
することにより、弁体20eを開弁させて連通路20a
を開放する。それにより、気体室20cは蓄圧した圧力
を放圧し、気体室20c内の圧力が燃料室20b内の燃
料を介してデリバリパイプ2内の燃料に作用し、デリバ
リパイプ2内の燃料圧力を低圧ポンプ4の吐出圧力より
高い始動設定圧へ昇圧させることが可能となる。こうし
て、機関始動時において良好な燃料噴射を実現すること
が可能となり、確実な機関始動が保証される。
【0023】このようなアキュームレータ式昇圧機構2
0は、燃料室20b及び気体室20cにおいてデリバイ
パイプ2の目標高燃料圧力近傍の燃料及び気体を保持し
なければならないために、ハウジングを強固に形成する
必要があり、昇圧機構自身が比較的重いものとなる。本
実施形態のように、弁体20e及びソレノイド20gを
燃料室20b内に配置する場合には、さらに重量が増加
する。このような重い昇圧機構20を高圧燃料供給装置
へ片持ちで取り付ける場合においては、車両振動等を考
慮した十分な取り付け強度とする必要があり、コスト増
加及び装置の大型化が生じることとなる。
【0024】これを防止するために、本実施形態では、
アキュームレータ式昇圧機構20は機関本体10に支持
されている。それにより、昇圧機構20が高圧燃料供給
装置の高圧部に対しての独自の振動を低減することがで
きる。また、本実施形態において、昇圧機構20は、特
に、高圧燃料供給装置の高圧部におけるデリバリパイプ
2に接続されており、デリバリパイプ2が各燃料噴射弁
1によって機関本体10に支持されているために、昇圧
機構20はデリバリパイプ2と共に振動し、本実施形態
における連通路20aのようなデリバリパイプ2への取
り付け部には、大きな曲げ応力が発生することはなく、
取り付け強度をそれ程高めなくても十分な耐久性を保証
することができる。
【0025】また、本実施形態では、アキュームレータ
式昇圧機構20は、デリバリパイプ2の燃料流入口近
傍、すなわち、高圧ポンプ7からの高圧配管8の接続部
近傍に接続されている。デリバリパイプにおける燃料流
入口近傍は、機関運転中において、燃料タンクから次々
に流入する燃料によって、デリバリパイプ2における他
の位置に比較して低温度である。それにより、この燃料
流入口近傍にアキュームレータ式昇圧機構20を接続す
ることにより、昇圧機構20における温度上昇を最小限
に抑制することができる。これは、機関運転中と機関始
動時との気体室の温度差を小さくし、それにより、蓄圧
時と放圧時の気体室内のガス温度差が小さくなるため
に、機関運転中に蓄圧した圧力をあまり低下させること
なく機関始動時に放圧することが可能である。
【0026】また、機関始動時において、燃料室20b
内の燃料温度を高めて燃料を膨張させれば、燃料室20
b内の燃料圧力及び気体室20c内の気体圧力は共に上
昇し、弁体20eの開弁時にデリバイパイプ2内の燃料
圧力をさらに高い圧力へ昇圧することが可能となり、さ
らに確実な機関始動を確保することができる。本実施形
態では、アキュームレータ式昇圧機構に必要とされる弁
体20e及び弁体20eを開弁させるためのソレノイド
20gを、燃料室20b内に配置しており、弁体20e
の開弁に先立ってソレノイド20に交番電圧を印加する
ことにより、ソレノイド20を発熱させ、燃料室20b
内の燃料温度を高めることが可能である。こうして、特
に加熱手段を設けることなく、気体室20c内の圧力を
高めることが可能となる。
【0027】本実施形態のアキュームレータ式昇圧機構
20は、ダイヤフラム20dによって燃料室20bと気
体室20cとが分割されているが、ダイヤフラムに代え
て、弾性変形せずに摺動可能なピストンを使用すること
も可能である。
【0028】図2は、本発明による内燃機関燃料噴射用
の高圧燃料供給装置に使用可能なもう一つのアキューム
レータ式昇圧機構を示す概略図である。前述のアキュー
ムレータ式昇圧機構20との違いについてのみ以下に説
明する。これら二つのアキュームレータ式昇圧機構にお
いて、同様な構成要素はダッシュを付した同じ参照番号
によって表されている。本アキュームレータ式昇圧機構
20’は、シリンダ部20h’によってデリバリパイプ
2へ接続されている。連通路20a’によってシリンダ
部20h’に連通された空間20b’は、燃料室ではな
く、作動油等の液体が充填された液体室である。また、
シリンダ部20h’内も液体室であり、ピストン20
i’によってデリバリパイプ2内の燃料と作動油とが分
離されている。ピストン20i’は、シリンダ部20
h’内を摺動可能であり、この摺動に際しても燃料と作
動油との分離を確実にするために、ピストン20i’の
周囲にはシール部材20j’が嵌装されている。
【0029】このように構成されたアキュームレータ式
昇圧機構20’は、気体室20c’の蓄圧及び放圧を液
体室20b’及び20h’内の作動油を介して行うもの
でり、前述のアキュームレータ式昇圧機構20と同様に
機能させることができる。それに加えて、本アキューム
レータ式昇圧機構20’では、ゴム等によって形成され
たダイヤフラム20d’が燃料と接触しておらず、作動
油としてシリコンオイル等のゴムに影響しないものを選
択することにより、ダイヤフラムの寿命をかなり向上さ
せることができる。本アキュームレータ式昇圧機構2
0’において、シリンダ部20h’内の作動油とデリバ
リパイプ2内の燃料とを分離させるためにピストン20
i’が配置されているが、例えば、作動油に代えて水銀
等の燃料に溶解及び混合し難い流体を使用することで、
ピストン20i’を省略することも可能である。
【0030】ところで、機関運転中において、高圧燃料
供給装置のデリバリパイプにおける燃料圧力は、特に、
機関高負荷時のように燃料噴射量が多い時には、高圧ポ
ンプからも多量の燃料が吐出され、多量の燃料の流出入
によって比較的大きく圧力変動する。このような大きな
圧力変動は、開弁時間に伴う燃料噴射量の制御を不正確
にする。本実施形態のように、デリバリパイプに昇圧機
構としてアキュームレータ20,20’が接続されてい
る場合には、弁体20e,20e’を開弁することによ
り、圧力変動をアキュームレータの気体室20c,20
c’の容積変化によって低減することが可能となる。
【0031】また、高圧燃料供給装置のデリバリパイプ
における燃料圧力を、機関運転中において、常に同一の
目標燃料圧力近傍に維持するのではなく、燃料噴射量に
応じて目標燃料圧力を変化させる場合がある。例えば、
機関アイドル時のように、必要燃料噴射量が少ない時に
は、燃料噴射弁の開弁時間は最小とされるが、デリバリ
パイプ内が高圧であると、必要以上の燃料が噴射され、
燃料消費率を悪化させる。それにより、機関アイドル時
には、デリバリパイプの目標高燃料圧力を低下させるこ
とが好ましい。
【0032】このように、デリバリパイプの燃料圧力と
して、高圧側及び低圧側の二つの目標燃料圧力を選択的
に使用する場合において、本実施形態のように、デリバ
リパイプにアキュームレータが接続されていれば、低圧
側の目標燃料圧力が意図される時には、弁体20e,2
0e’をスプリング20f,20f’によって閉弁さ
せ、高圧側の目標燃料圧力が意図される時には弁体20
e,20e’をソレノイド20g,20g’の励磁によ
って開弁させることにより、アキュームレータ20,2
0’には、目標燃料圧力が低圧側とされて弁体20e,
20e’が閉弁されることにより、それ以前の高圧側の
目標燃料圧力が蓄圧される。目標燃料圧力を低圧側とす
るために、高圧ポンプ7の燃料圧送は停止させて、燃料
噴射が実施されるが、この時には、弁体20e,20
e’の閉弁によって高圧燃料供給装置の高圧部容積から
アキュームレータ20,20’の燃料室20b又は液体
室の一部20b’の容積が除かれるために、素早い降圧
が可能である。
【0033】また、目標燃料圧力を高圧側とするために
は、高圧ポンプ7は最大の燃料吐出を実施することに加
えて、この時には、弁体20e,20e’の開弁によっ
てアキュームレータの蓄圧を利用することができ、素早
い昇圧が可能となる。
【0034】本実施形態の高圧燃料供給装置は、高圧部
としてデリバリパイプ2を有するこのであるが、前述し
たアキュームレータ式昇圧機構の構造に関する考え方
は、一般的なディーゼルエンジンのようにデリバリパイ
プを有さない高圧燃料供給装置にも適用可能である。
【0035】
【発明の効果】本発明による高圧燃料供給装置は、機関
始動時に高圧燃料供給装置の高圧部を始動設定圧に昇圧
するためのアキュームレータ式昇圧機構を具備し、アキ
ュームレータ式昇圧機構は、機関本体に支持されてい
る。それにより、高圧部に対するアキュームレータ式昇
圧機構の独自の振動が低減され、アキュームレータ式昇
圧機構における高圧燃料供給装置への取り付け部は、取
り付け強度をそれ程高めなくても十分な耐久性が保証さ
れる。
【0036】また、本発明によるもう一つの高圧燃料供
給装置は、機関始動時に高圧燃料供給装置の高圧部を始
動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式昇圧機構
を具備し、アキュームレータ式昇圧機構は、気体室と、
気体室と高圧部内の燃料との間に位置する液体室とを有
し、気体室と液体室とは、弾性変形可能なダイヤフラム
によって分割されている。それにより、ダイヤフラムが
燃料と接触することはなく、ダイヤフラムの寿命を向上
させることができる。
【0037】また、本発明によるさらにもう一つの高圧
燃料供給装置は、機関始動時に高圧燃料供給装置の高圧
部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式昇
圧機構を具備し、アキュームレータ式昇圧機構は、気体
室と、燃料室と、燃料室と高圧部とを連通する連通路
と、連通路を開閉鎖可能な弁体と、弁体を作動させるソ
レノイドとを有し、ソレノイドは燃料室内に配置され、
アキュームレータ式昇圧機構に必要な弁体を作動させる
ソレノイドを燃料室内の燃料を加熱することにも利用す
るようになっている。それにより、特に加熱手段を設け
ることなく、燃料室内の燃料を熱膨張させ、燃料室内及
び気体室内をさらに高圧にすることが可能となり、機関
始動時における高圧部の燃料圧力をさらに昇圧させ、さ
らに良好な機関始動を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内燃機関燃料噴射用の高圧燃料供
給装置の第一実施形態を示す概略図である。
【図2】第一実施形態のアキュームレータ式昇圧機構に
代えて使用可能なもう一つのアキュームレータ式昇圧機
構を示す概略図である。
【符号の説明】
1…燃料噴射弁 2…デリバリパイプ 3…燃料タンク 4…低圧ポンプ 7…高圧ポンプ 20,20’…アキュームレータ式昇圧機構
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02M 53/02 F02M 53/02 F02N 17/08 F02N 17/08 Z

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機関始動時に前記高圧燃料供給装置の高
    圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式
    昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ式昇圧機構
    は、機関本体に支持されていることを特徴とする高圧燃
    料供給装置。
  2. 【請求項2】 前記高圧部は複数の燃料噴射弁へ高圧燃
    料を供給するためのデリバリパイプを有し、前記デリバ
    リパイプは、前記複数の燃料噴射弁によって前記機関本
    体に支持され、前記アキュームレータ式昇圧機構は、前
    記デリバリパイプの燃料流入口近傍に接続されているこ
    とを特徴とする請求項1に記載の高圧燃料供給装置。
  3. 【請求項3】 機関始動時に前記高圧燃料供給装置の高
    圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式
    昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ式昇圧機構
    は、気体室と、前記気体室と前記高圧部内の燃料との間
    に位置する液体室とを有し、前記気体室と前記液体室と
    は、弾性変形可能なダイヤフラムによって分割されてい
    ることを特徴とする高圧燃料供給装置。
  4. 【請求項4】 機関始動時に前記高圧燃料供給装置の高
    圧部を始動設定圧に昇圧するためのアキュームレータ式
    昇圧機構を具備し、前記アキュームレータ式昇圧機構
    は、気体室と、燃料室と、前記燃料室と前記高圧部とを
    連通する連通路と、前記連通路を開閉鎖可能な弁体と、
    前記弁体を作動させるソレノイドとを有し、前記ソレノ
    イドは、前記燃料室内に配置され、前記燃料室内の燃料
    を加熱することにも利用されることを特徴とする高圧燃
    料供給装置。
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