JP2002115623A - 可変吐出量燃料供給装置 - Google Patents

可変吐出量燃料供給装置

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JP2002115623A JP2000305979A JP2000305979A JP2002115623A JP 2002115623 A JP2002115623 A JP 2002115623A JP 2000305979 A JP2000305979 A JP 2000305979A JP 2000305979 A JP2000305979 A JP 2000305979A JP 2002115623 A JP2002115623 A JP 2002115623A
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plunger
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Yoshihiko Onishi
善彦 大西
Koichi Oshima
宏一 尾島
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 カムの回転角に対する吐出特性のリニアリテ
ィの向上が可能であり、カムの摩耗を低減することが可
能な可変吐出量燃料供給装置を得る。 【解決手段】 内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料
噴射弁1a〜1dと、これらの燃料噴射弁1a〜1dに
加圧された燃料を供給するデリバリパイプ2と、シリン
ダ13内をプランジャ14が下死点から上死点まで往復
動し、吸入行程では燃料吸入通路24から吸入弁25を
介して加圧室17内に燃料を吸入し、吐出行程ではこの
燃料を加圧して加圧燃料を吐出弁26を介してデリバリ
パイプ2に吐出する燃料ポンプ3とを備え、この燃料ポ
ンプ3のプランジャ14が下死点から上死点に向かう吐
出行程の途中において、上死点に達する所定値前の設定
位置にて加圧室17内の加圧が解放されるように構成し
たものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は車両用の内燃機関
に使用され、燃料噴射弁に加圧燃料を供給すると共に、
その供給量を制御する可変吐出量燃料供給装置に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】車両用内燃機関の燃料噴射装置に加圧燃
料を供給する可変吐出量燃料供給装置は、例えば、特開
平11−200990号公報に開示されているように、
内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、この
燃料噴射弁に加圧燃料を分配供給するデリバリパイプ
(コモンレール)と、デリバリパイプに燃料を供給する
高圧燃料ポンプと、この高圧燃料ポンプに燃料タンクか
ら燃料を供給する低圧燃料ポンプと、各気筒に対する燃
料の噴射量と噴射時期とを制御すると共に、高圧燃料ポ
ンプに設けられた電磁弁(燃料圧制御弁)を操作して加
圧燃料の一部をリリーフ油路に放出し、高圧燃料ポンプ
の吐出量を制御することによりデリバリパイプの燃料圧
を制御する制御手段などから構成されている。
【0003】また、高圧燃料ポンプは、シリンダと、内
燃機関のカムシャフトに設けられたカムに駆動されてシ
リンダ内を往復動し、吸入行程ではシリンダ内の加圧室
に燃料を吸入し、吐出行程では加圧室内の燃料を加圧し
て加圧燃料をデリバリパイプに圧送するプランジャと、
上記の電磁弁などから構成され、電磁弁には通常は弁が
閉じており、電気信号(開弁信号)により開弁する常閉
の電磁弁が使用されている。制御手段による高圧燃料ポ
ンプの吐出量制御は、制御手段が燃料噴射弁に必要な燃
料およびデリバリパイプ内の燃料圧のフィードバックか
ら吐出量を演算し、電磁弁の開弁時期を決定する。電磁
弁はその所定時期に開弁され、加圧燃料の一部をリリー
フ油路に放出することによりデリバリパイプ内の燃料圧
を所定値に保つ。電磁弁は高圧燃料ポンプのプランジャ
の吐出行程中に制御手段から開弁信号が与えられ、吐出
行程の終了、すなわち、吸入行程の開始と共に、また
は、吸入行程中に閉弁するように開弁信号の信号幅が決
定されている。
【0004】図7は、この従来装置における開弁信号の
信号幅と高圧燃料ポンプの動作状態とを説明するもので
あり、図ではプランジャの一往復動、すなわち、一周期
の動作を示しており、カムが例えば4山の場合にはカム
の1/4回転(回転角にして90度)の間の動作を示す
ものである。一周期の内、45度が吐出行程、45度が
吸入行程となり、吐出行程の(a)点にて吐出量が所定
値に達すると電磁弁に対する開弁信号が与えられ、
(a)点から上死点までの間は加圧室内の燃料がリリー
フ油路に放出されることを示している。この(a)点の
位置を制御することにより吐出量が制御されるが、高圧
燃料ポンプの吐出量に対し制御手段からの要求流量が大
のとき、例えば、内燃機関の燃料使用量が大のとき、ま
たは、始動時など、デリバリパイプの燃料圧を低圧から
高圧に高めるときなど、電磁弁は上死点付近まで閉弁状
態が継続されることになる。
【0005】図8は、このような動作時におけるカムの
回転角に対するプランジャのリフト量を示したもので、
図7に示したプランジャリフト量の下死点から上死点ま
での45度間を拡大したものである。図の実線で示した
曲線はカムの揚程曲線をサインカーブにしたときのもの
で、このときの所定回転数におけるカム角度に対する燃
料吐出量は図9の実線にて示したような吐出特性曲線と
なり、開弁期間(カムの回転角にて示す)に対する吐出
流量はプランジャが上死点に近づくほどリニアリティが
低下する。また、動作中には加圧室内の圧力によりカム
とプランジャとの間にはヘルツ応力が発生する。所定吐
出圧力におけるカム角度に対するヘルツ応力を図10の
実線にて示すように、カムの揚程がサインカーブの場
合、プランジャの上死点付近においてはカムの曲率半径
が小さくなるため急激に増加することになる。
【0006】このヘルツ応力の増大はカムの接触面の摩
耗につながり、この摩耗は吐出量に変化をもたらすこと
になるため、カムの揚程曲線を変えて図8の点線にて示
したように、上死点付近(カムのカムトップ部分)の曲
率半径が大きくなるような揚程曲線とすることによりヘ
ルツ応力を低下させ、摩耗対策が講じられるが、そのと
きの吐出流量特性とヘルツ応力とは図9および図10の
点線にて示したようになり、プランジャ上死点付近のヘ
ルツ応力は低下するものの、吐出流量のリニアリティは
逆に低下し、吐出行程の上死点側を100%とした場
合、吐出行程の80%付近から100%の間ではカムの
回転角に対する吐出量の増加は極めて少なくなり、この
間では制御性が悪化して大きなヘルツ応力のみが残存す
ることになる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上に説明したよう
に、従来の可変吐出量燃料供給装置においては、燃料使
用量が吐出量に近い状態においては吐出行程の全行程期
間が電磁弁の閉弁期間となるため、上死点付近ではヘル
ツ応力が増大してカムの接触面に摩耗が発生し、この摩
耗が進展すればプランジャのリフトが低下して吐出量が
不足したり、また、上死点に近づくほど吐出特性のリニ
アリティが低下して吐出流量の制御性が悪化するという
問題点を有するものであった。また、従来例では通常時
には加圧室内圧力は電磁弁の開弁時に短時間で強制的に
吸入圧力まで低下させるため、吸入行程でプランジャが
下方に移動すると共に吸入弁が開弁するのに対し、最大
吐出量を得るとき、吐出行程と吸入行程の全行程におい
て閉弁状態を継続するので、加圧室の燃料圧は吸入行程
に移行してプランジャが下方に移動を始めた後も燃料の
体積弾性係数の関係で加圧室内圧力が低下するのに時間
を要する結果、高回転および高燃料圧の条件下では燃料
を充分に吸入する時間が不足し、キャビテーションが発
生して耐久性を低下させるものであった。
【0008】さらに、ヘルツ応力によるカムの摩耗対策
として揚程曲線を変更することを説明したが、この変更
は上記したように、カムトップ部分の曲率半径を大きく
してヘルツ応力を低下させることであり、この場合、カ
ムのリフト量を確保するためにはカムベース部分の曲率
を小さくする必要があり、一次成分のみで形成されたサ
インカーブの揚程曲線に高次成分を付加することにな
る。この対策によればカム外径の拡大をせずにヘルツ応
力を低減することが可能となるが、例えば4山カムでカ
ムの回転速度が3500rpmの場合に高圧燃料ポンプ
の駆動周波数が233Hzであるのに対し、高次成分、
例えば二次成分が付加されると466Hzの高周波まで
含まれるため、吸入弁や吐出弁、および、プランジャや
バネなどの共振点を高く設定する必要があった。
【0009】この発明はこのような課題を解決するため
になされたもので、カムの回転角に対する吐出特性のリ
ニアリティの向上が可能であり、カムの摩耗やキャビテ
ーションを低減することが可能な可変吐出量燃料供給装
置を得ることを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に係わる可変吐
出量燃料供給装置は、内燃機関の各気筒に燃料を噴射す
る燃料噴射弁と、これらの燃料噴射弁に加圧された燃料
を供給するデリバリパイプと、シリンダ内をプランジャ
が下死点から上死点まで往復動し、吸入行程では燃料吸
入通路から吸入弁を介して加圧室内に燃料を吸入し、吐
出行程ではこの燃料を加圧して加圧燃料を吐出弁を介し
てデリバリパイプに吐出する燃料ポンプとを備え、この
燃料ポンプのプランジャが下死点から上死点に向かう吐
出行程の途中において、上死点に達する所定値前の設定
位置にて加圧室内の加圧力が解放されるように構成した
ものである。
【0011】また、燃料吸入通路と加圧室内とを連通す
ることにより燃料ポンプの吐出量を制御してデリバリパ
イプの燃料圧を制御する電磁弁を備えており、設定位置
での加圧室内の加圧力の解放が、この電磁弁を開弁する
ことによりなされるようにしたものである。さらに、加
圧室内の加圧力を解放するときのプランジャの位置が、
下死点から上死点までのプランジャの全ストロークに対
し、下死点側から80〜90%の位置になるようにした
ものである。さらにまた、電磁弁が常閉弁であり、吐出
量を制御するときと加圧室内の加圧力を解放するときに
開弁するように構成したものである。
【0012】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1ないし図6
は、この発明の実施の形態1による可変吐出量燃料供給
装置を説明するためのもので、図1は可変吐出量燃料供
給装置の構成を示す系統図、図2は高圧燃料ポンプの断
面図、図3は高圧燃料ポンプのカム回転角度に対するプ
ランジャの揚程特性図、図4は電磁弁の動作タイミング
を説明する動作説明図、図5は高圧燃料ポンプのカムの
回転角に対する吐出流量の比較特性図、図6は高圧燃料
ポンプのカムの回転角に対するヘルツ応力の比較特性図
である。
【0013】図1において、1aないし1dは内燃機関
の各気筒に配設された燃料噴射弁、2は加圧された燃料
を保持して各燃料噴射弁1aないし1dに燃料を供給す
るデリバリパイプ、3は燃料経路4を介してデリバリパ
イプ2に加圧燃料を供給する高圧燃料ポンプ、5は燃料
タンク6から燃料経路7を介して高圧燃料ポンプ3に燃
料を供給する低圧燃料ポンプ、8は燃料経路7に設けら
れ、例えば内燃機関の停止時などに燃料経路7の燃料圧
を一定時間保持するチェックバルブ、9は燃料経路7の
燃料圧を所定の圧力に維持する低圧レギュレータ、10
はデリバリパイプ2の燃料圧が所定値を超えたとき、燃
料経路4からリリーフ経路11を介して燃料タンク6に
燃料をリリーフするチェックバルブ、12は高圧燃料ポ
ンプ3から燃料タンク6に燃料を戻すリターン経路であ
る。
【0014】図2の高圧燃料ポンプ3において、13は
シリンダ、14はカム軸に設けられたカム15にローラ
16を介して駆動され、シリンダ13内を往復動して加
圧室17内に燃料を吸入し、加圧するプランジャ、18
はプランジャ15を常時加圧室17が拡大する方向に付
勢するバネ、19はローラ16をカム15側に付勢する
バネ、20はシリンダ13とプランジャ14との隙間か
ら漏出した燃料が内燃機関へ漏れるのをシールするベロ
ーズで、ベローズ20内に漏出した燃料は図1のリター
ン経路12を介して燃料タンク6に戻される。21は低
圧ダンパ22を有し、燃料経路7から燃料が供給される
燃料吸入口、23は燃料経路4を介してデリバリパイプ
2に接続される燃料吐出口であり、燃料吸入口21は燃
料吸入通路24と例えばリードバルブなどの逆止弁にて
構成される吸入弁25とを介して加圧室17に連通し、
燃料吐出口23は例えばリードバルブなどの吐出弁26
を介して加圧室17に連通している。
【0015】27は図示しない制御手段からの信号によ
り開弁する常閉の電磁弁であり、弁体28と弁座29と
からなる弁部は加圧室17から燃料吸入通路24に連通
するリリーフ通路30を開閉するように設けられ、電磁
弁27が開弁することにより加圧室17内の加圧された
燃料がリリーフ通路30を経由して燃料吸入通路24に
放出されるように構成されている。高圧燃料ポンプ3は
内燃機関に装着され、内燃機関のカム軸に設けられたカ
ム15により駆動され、内燃機関の回転に伴って燃料を
加圧してデリバリパイプ2に圧送する。また、図示しな
い制御手段は車両に搭載されたセンサ類から内燃機関の
回転速度や、カム軸の回転角およびデリバリパイプ2の
燃料圧などを入力して電磁弁27に開弁信号を与えるよ
うに構成されている。なお、図1における31は例えば
内燃機関の停止時などにデリバリパイプ2の燃料圧を一
定時間保持するチェックバルブである。
【0016】このように構成されたこの発明の実施の形
態1の可変吐出量燃料供給装置において、まず、内燃機
関のキースイッチがオンされると電動の低圧燃料ポンプ
5が作動して燃料タンク6から高圧燃料ポンプ3に燃料
が供給される。続いて内燃機関の始動操作と共に高圧燃
料ポンプ3が駆動され、プランジャ14の吸入行程では
吐出弁26が閉じて吸入弁25が開き、燃料が燃料吸入
口21と燃料吸入通路24とを介して加圧室17内に吸
入され、プランジャ14の吐出行程では吸入弁25が閉
じて吐出弁26が開き、加圧された燃料が燃料吐出口2
3から燃料経路4を通ってデリバリパイプ2に圧送され
る。また、プランジャ14の吸入行程時には吐出弁26
が閉じて燃料の逆流を防ぎ、内燃機関の停止時には燃圧
保持用のチェックバルブ31により燃料経路4およびデ
リバリパイプ2は高圧に保持される。
【0017】プランジャ14の往復動は内燃機関の回転
速度と共に高くなるが、このときの電磁弁27の動作
は、図示しない制御手段が燃料噴射弁1aないし1dに
必要な燃料と、デリバリパイプ2内の燃料圧が所定値に
達するように、制御手段が燃料噴射弁に必要な燃料及び
デリバリパイプ内の燃料圧のフィードバックとから吐出
量を演算して電磁弁27の開弁時期を決定し、電磁弁2
7に開弁信号を与えて弁を開くことにより高燃料圧の加
圧室17を低燃料圧の燃料吸入通路24に連通させ、燃
料圧を解放することにより加圧室17からデリバリパイ
プ2に対する燃料の圧送を停止し、デリバリパイプ2内
の燃料圧を一定に保つ。従って、デリバリパイプ2の燃
料圧は所定値に保たれ、高負荷時以外の運転時において
は各燃料噴射弁1aないし1dにより消費された燃料が
高圧燃料ポンプ3からデリバリパイプ2に供給されるこ
とになり、プランジャ14の吐出行程の途中において電
磁弁27は開弁される。内燃機関の負荷が大きくなれば
燃料消費量が増加してこの開弁期間が短くなり、上記し
たように、従来の可変吐出量燃料供給装置では高負荷時
には吐出行程と吸入行程の全行程において閉弁状態が保
持されていた。
【0018】しかし、この発明の実施の形態1による可
変吐出量燃料供給装置においては図4に示すように、内
燃機関の通常の運転時においては燃料消費量に見合った
プランジャ14のリフト位置(a)にて電磁弁27が開
弁し、デリバリパイプ2の燃料圧を制御するが、プラン
ジャ14のリフト量が(b)の位置に達したときにはデ
リバリパイプ2の燃料圧とは関係なく図示しない制御手
段から開弁信号が与えられ、電磁弁27は必ず開弁する
ように制御される。そして、この(b)の位置でのプラ
ンジャ14のリフト量は全リフト量に対して下死点側か
ら80〜90%の位置に設定され、従って、高圧燃料ポ
ンプ3の燃料吐出が可能な範囲は下死点側から80〜9
0%の位置までとされる。
【0019】そして、このように下死点側から80〜9
0%の位置で必ず開弁することにより高圧燃料ポンプ3
の吐出量が低下することになるが、そのために、カム1
5は図2に示すカムトップの外径を変えずにベース径
(カムの小径部)を小さくし、また、高次成分を排除し
て一次成分のみで揚程曲線が形成され、図3に示すよう
にプランジャ14の全リフト量を、例えば、1/(0.
8〜0.9)倍として大きくすることにより、(b)位
置にて開弁がなされても一ストローク当たりの吐出量が
確保されるように構成される。
【0020】このように構成することにより、プランジ
ャ14のストロークに対する吐出量の変化は図5に従来
例と対比して示したようになり、カム15の回転角が4
5度に達する前、すなわち、図2においてローラ16が
カム15のカムトップ近辺における曲率半径の小さい部
分に乗り上げる前に全吐出量を得て吐出が終了すること
になり、吐出可能範囲において、特に、最大吐出量近辺
における吐出流量特性のリニアリティが良好となり、吐
出流量制御の精度を向上させることが可能になる。ま
た、カム15とローラ16との間に働くヘルツ応力は図
6に示すように、ヘルツ応力が最大となるプランジャ1
4の最大リフト位置では電磁弁27が必ず開弁して加圧
室17の圧力が低下するので大きく低下し、カム15の
揚程曲線に高次成分を付加してプランジャ14の共振を
招くことなくカム15の摩耗を大幅に低減することがで
きる。
【0021】また、電磁弁27が必ず開弁することによ
り、吸入行程に移行する際においても加圧室17内に圧
力が残ることがなく、従って円滑に吸入行程に移行がで
き、キャビテーションなどによる耐久性の低下を防止す
ることができることになる。さらに、カム15とローラ
16との間に潤滑不良などのために摩耗が発生し、カム
15の外径が摩耗してプランジャ14のストロークが小
さくなった場合においても吐出可能範囲、すなわち、図
4の(b)点位置を開弁信号幅により調整し、吐出終了
位置を例えばリフト量の80%位置から90%位置に変
更することにより、吐出流量の低下をカバーすることが
できることになる。
【0022】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明の可変
吐出量燃料供給装置の請求項1の発明によれば、デリバ
リパイプに燃料を供給する高圧燃料ポンプのプランジャ
が下死点から上死点に向かう吐出行程の途中において、
上死点に達する前の設定位置で加圧室内の加圧力が解放
されるようにしたので、吐出行程の終了時には加圧室内
の圧力は解放され、吸入行程に移行する際に円滑に移行
することができてキャビテーションなどによる耐久性の
低下を防止することができると共に、高回転時や高負荷
時における燃料の充填不良が解消でき、また、プランジ
ャに加わる圧力が低減する結果、カムの曲率半径の小さ
いカムトップ部とローラとの間に働くヘルツ応力が大幅
に低下してカムの摩耗を防止することができるものであ
る。
【0023】また、請求項2の発明によれば、燃料吸入
通路と加圧室内とを連通することにより燃料ポンプの吐
出量を制御してデリバリパイプの燃料圧を制御する電磁
弁を備えており、設定位置での加圧力の解放が燃料吸入
通路と加圧室内とを連通する電磁弁を開弁することによ
りなされるようにしたので、吐出量制御用の電磁弁の制
御内容を変更するだけで加圧力の解放が可能になるもの
である。
【0024】さらに、請求項3の発明によれば、加圧室
内の加圧力の解放が、プランジャの全吐出行程の内の下
死点側から80〜90%の位置で行われるようにしたの
で、吐出期間中におけるカムの回転角に対する吐出量の
リニアリティが確保できて吐出量精度の向上が図れると
共に、カムの小径部を変更してプランジャのリフト量を
1/(0.8〜0.9)倍に変更するだけで大型化する
ことなく燃料ポンプの全吐出量が確保でき、カムの摩耗
に対しても吐出制御範囲の調整により吐出量の減少が補
償できるので長寿命の可変吐出量燃料供給装置を得るこ
とができるものである。また、請求項4の発明では電磁
弁を常閉弁として吐出量制御時と加圧室内の加圧解放時
に開弁するようにしたので、加圧室内の加圧力の解放が
容易なものとなり、電磁弁の駆動回路にトラブルがあっ
ても各気筒に燃料供給が可能であり、運転不能に陥るこ
とはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置の構成を示す系統図である。
【図2】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置の高圧燃料ポンプの断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置のプランジャの揚程線図である。
【図4】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置の動作説明図である。
【図5】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置の吐出流量特性図である。
【図6】 この発明の実施の形態1の可変吐出量燃料供
給装置の応力特性図である。
【図7】 従来の可変吐出量燃料供給装置の動作説明図
である。
【図8】 従来の可変吐出量燃料供給装置のプランジャ
の揚程線図である。
【図9】 従来の可変吐出量燃料供給装置の吐出流量特
性図である。
【図10】 従来の可変吐出量燃料供給装置の応力特性
図である。
【符号の説明】
1a〜1d 燃料噴射弁、2 デリバリパイプ、3 高
圧燃料ポンプ、4、7 燃料経路、5 低圧燃料ポン
プ、6 燃料タンク、8、10 チェックバルブ、11
リリーフ経路、12 リターン経路 13 シリンダ、14 プランジャ、15 カム、16
ローラ、17 加圧室、21 燃料吸入口、23 燃
料吐出口、24 燃料吸入通路、25 吸入弁、26
吐出弁、27 電磁弁、30 リリース通路。
フロントページの続き Fターム(参考) 3G060 AA03 AB05 CA00 DA00 FA07 GA01 GA14 3G066 BA12 BA38 BA46 BA51 CA04T CA08 CA09 CA20U CA22T CB01 CC01 CD26 CD30 CE13 CE22 3H075 AA03 BB03 BB20 CC19 DA03 DA04 DA09 DB04 DB23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の各気筒に燃料を噴射する燃料
    噴射弁、これらの燃料噴射弁に加圧燃料を供給するデリ
    バリパイプ、シリンダ内をプランジャが下死点から上死
    点まで往復動し、吸入行程では燃料吸入通路から吸入弁
    を介して加圧室内に燃料を吸入し、吐出行程ではこの燃
    料を加圧して加圧燃料を吐出弁を介して前記デリバリパ
    イプに吐出する燃料ポンプを備え、この燃料ポンプの前
    期プランジャが下死点から上死点に向かう吐出行程の途
    中において、上死点に達する所定値前の設定位置にて前
    期加圧室内の加圧力が解放されるように構成したことを
    特徴とする可変吐出量燃料供給装置。
  2. 【請求項2】 燃料吸入通路と加圧室内とを連通するこ
    とにより燃料ポンプの吐出量を制御してデリバリパイプ
    の燃料圧を制御する電磁弁を備えており、設定位置での
    加圧室内の加圧力の解放が、電磁弁を開弁することによ
    りなされることを特徴とする請求項1に記載の可変吐出
    量燃料供給装置。
  3. 【請求項3】 加圧室内の加圧力を解放するときのプラ
    ンジャの位置が、下死点から上死点までのプランジャの
    全ストロークに対し、下死点側から80〜90%の位置
    であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
    の可変吐出量燃料供給装置。
  4. 【請求項4】 電磁弁が常閉弁であり、吐出量を制御す
    るときと加圧室内の加圧力を解放するときに開弁するよ
    うに構成したことを特徴とする請求項1〜請求項3のい
    ずれか一項に記載の可変吐出量燃料供給装置。
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