JP2003293883A

JP2003293883A - 複数のポンプを直列に接続して構成した液体圧送装置

Info

Publication number: JP2003293883A
Application number: JP2002095720A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Ogawa; 義英小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】簡便な方法により液体を安定して圧送する。【解決手段】２つのポンプを直列に接続して液体を圧
送する。上流側のポンプは下流側のポンプよりも、所定
の揚程に於ける吐出量を大きな規格のポンプとする。ポ
ンプを直列に接続して用いる場合、上流側のポンプの吐
出量よりも下流側のポンプが多量の液体を吐出しようと
すると、２つのポンプ間で気泡が混入して液体を効率よ
く圧送することが困難となる。これに対して、上流側に
吐出量の多いポンプを組み合わせれば、上流側のポンプ
は下流側のポンプが吐出する以上の液体を圧送しようと
するので、２つのポンプ間で気泡が混入することがな
く、安定して液体を圧送することが可能となる。

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、液体を所定圧力
に加圧して所定流量で圧送する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体を所定圧力に加圧して、所定流量で
圧送しなければならない状況にしばしば遭遇する。例え
ば内燃機関では、燃料ポンプを用いて燃料タンクから燃
料を汲み上げ、所定流量で所定圧力まで加圧して内燃機
関に供給してやる必要がある。また、各種の機械類にお
いては、運転中に摺動面の潤滑状態を保つために、所定
流量の潤滑油を、オイルポンプを用いて所定圧力で潤滑
面に圧送する必要がある場合も少なくない。

【０００３】また近年では、こうした液体を圧送すべき
流量および供給圧力が次第に増加する傾向にある。例え
ば内燃機関では、出力が次第に増加する傾向にあり、こ
れに伴って単位時間あたりの燃料消費量、すなわち燃料
ポンプから圧送すべき燃料流量が増加する傾向にある。
また、燃料の供給圧力を増加させれば、内燃機関の始動
性を改善可能なことが知られており、この意味から燃料
の供給圧力を増加させようと言う要請も存在している。
更に、機関出力が増加すれば、それに伴って摺動面の潤
滑状態を保つために、潤滑油をより高い圧力で多量に供
給しなければならない場合も増加する。

【０００４】こうした液体の圧送流量や圧送圧力を増加
させたいという要請に対応するためには、ポンプを大型
化する代わりに、複数のポンプを直列に接続して用いる
ことが効果的である。複数のポンプを直列に接続して用
いれば、ポンプを大型化するよりも、圧送流量および圧
送圧力を簡便に増加させることが可能であり、しかも大
型のポンプを用いた場合よりも高いポンプの効率が得ら
れる場合が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、複数のポンプ
を直列に接続して用いた場合、これらポンプ同士の相性
によって、設計的に予測される吐出性能が得られない場
合があるという問題があった。もちろん、相性の良いポ
ンプを選別して組み合わせれば設計通りの吐出性能を得
ることができるが、いちいちポンプを選別していたので
は、たいへんな労力が必要になる。

【０００６】この発明は従来技術における上述した課題
を解決するためになされたものであり、各種液体を所定
の圧力と流量で、簡便に且つ確実に圧送可能な技術の提
供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第
１の液体圧送装置は次の構成を採用した。すなわち、液
体を吐出するポンプを複数組み合わせて構成された液体
圧送装置において、液体を吸入して圧送する第１のポン
プと、前記第１のポンプの吐出口に接続されて、該吐出
口から圧送されてきた液体を更に加圧して吐出する第２
のポンプとを備え、前記第１のポンプは、少なくとも所
定の揚程においては、前記第２のポンプよりも吐出量の
大きな規格のポンプであることを特徴とする。

【０００８】また、上記の液体圧送装置に対応する本発
明の第１の液体圧送方法は、液体を吐出するポンプを複
数組み合わせて用いることにより該液体を圧送する液体
圧送方法において、少なくとも所定の揚程においては吐
出量が異なった規格のポンプを組合せ、吐出量が大きな
規格の第１のポンプから吐出量が小さな規格の第２のポ
ンプに液体を圧送し、該圧送された液体を該第２のポン
プで更に加圧して吐出することを特徴とする。

【０００９】更に、こうした液体圧送装置の仕様は、設
計作業によって決定されることに着目すれば、本発明は
液体圧送装置の設計方法として把握することもできる。
すなわち、上記の液体圧送装置に対応する本発明の設計
方法は、液体を吐出するポンプを複数組み合わせて構成
された液体圧送装置の設計方法において、少なくとも所
定の揚程においては吐出量が異なった規格のポンプを複
数種類選択し、前記所定の揚程における吐出量の大きな
規格のポンプの下流側に吐出量の小さな規格のポンプを
配置して、前記選択した複数種類のポンプを直列に接続
することを特徴とする。

【００１０】こうした液体圧送装置および液体圧送方
法、あるいはこうした設計方法に基づく液体圧送装置に
おいては、第１のポンプの下流側に第２のポンプが直列
に接続する。ここで、第２のポンプには、少なくとも所
定の揚程において前記第１のポンプよりも吐出量の大き
な規格のポンプを使用する。次いで、これら第１のポン
プと第２のポンプとを、前記所定の揚程の近傍の条件で
運転することにより液体を圧送する。

【００１１】こうすれば、第１のポンプは、第２のポン
プが吸入する以上の流量の液体を圧送しようとする。こ
のため、例え、ポンプの製造ばらつきに起因して吐出量
がばらついた場合でも、第１のポンプと第２のポンプの
との間に負圧が発生して、ポンプに気泡が混入すること
がない。一般に、ポンプは気泡が混入すると効果的に液
体を圧送することが困難になる傾向があるが、ポンプに
気泡が混入するおそれがないので、所定圧力および所定
流量の液体を常に安定して圧送することが可能となる。

【００１２】こうした液体圧送装置において使用される
第１のポンプは、該ポンプの全ての揚程範囲において前
記第２のポンプよりも吐出量の大きな規格のポンプとす
ることができる。

【００１３】こうした第１のポンプを第２のポンプと組
み合わせて用いれば、広い揚程範囲において、所定圧力
および所定流量の液体を安定して圧送することが可能と
なるので好ましい。

【００１４】また、かかる液体圧送装置において用いら
れる第１のポンプと前記第２のポンプとは、前記所定の
揚程の近傍において、揚程の変化に対する吐出量の変化
割合が略同一なポンプとしても良い。

【００１５】詳細には後述するが、揚程の変化に対する
吐出量の変化割合が略同一であれば、吐出量のばらつい
たポンプを組み合わせて用いた場合でも、これらポンプ
が互いに補い合って、全体としての揚程の変化を小さな
値に抑制することができるので好適である。

【００１６】あるいは、上記の液体圧送装置において
は、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプの少なく
とも一方は、揚程一定の条件下で吐出量を変更可能とし
ても良い。

【００１７】こうすれば、いずれかのポンプの吐出量を
変更することによって、前記所定の揚程において、第１
のポンプの吐出量が第２のポンプの吐出量よりも大きな
値とすることができるので、所定圧力および所定流量の
液体を安定して圧送することが可能となる。

【００１８】前述した課題の少なくとも一部を解決する
ために、本発明の第２の液体圧送装置は次の構成を採用
した。すなわち、液体を吐出するポンプを複数組み合わ
せて構成された液体圧送装置において、液体を吸入して
圧送する第１のポンプと、前記第１のポンプの吐出口に
接続されて、該吐出口から圧送されてきた液体を更に加
圧して吐出する第２のポンプと、前記第１のポンプおよ
び前記第２のポンプを起動するポンプ起動手段とを備
え、前記ポンプ起動手段は、前記第２のポンプを前記第
１のポンプに遅れて起動する手段であることを特徴とす
る。

【００１９】また、上記の液体圧送装置に対応する本発
明の第２の液体圧送方法は、液体を吐出するポンプを複
数組み合わせて用いることにより該液体を圧送する液体
圧送方法において、第１のポンプから圧送した液体を第
２のポンプで更に加圧して圧送するに際して、該第２の
ポンプを該第１のポンプに遅れて起動させることを特徴
とする。

【００２０】こうした本発明の第２の液体圧送装置およ
び液体圧送方法においては、第１のポンプと該第１の下
流側に接続された第２のポンプとを用いて液体を圧送す
るに際して、該第２のポンプを該第１のポンプに遅れて
起動させる。

【００２１】液体の圧送を開始するに際して、下流側の
第２のポンプが上流側の第１のポンプより先に起動する
と、上流側のポンプが停止しているにもかかわらず下流
側のポンプが液体を吸入しようとするので、２つのポン
プの間に負圧が発生して、気泡が混入することがある。
こうして気泡が混入すると、効果的に液体を圧送するこ
とができず、従って速やかに圧送を開始することができ
なくなる。これに対して、上述した液体圧送装置および
液体圧送方法においては、第２のポンプに遅れて第１の
ポンプを起動するために、２つのポンプ間で気泡が混入
することがなく、速やかに液体の圧送を開始することが
可能となる。

【００２２】上述した各種の液体圧送装置においては、
前記第１のポンプおよび前記第２のポンプとして、いわ
ゆる回転型のポンプを用いることとしてもよい。

【００２３】回転型のポンプは、大きな圧力変動や大き
な流量変動を伴うことなく、所定圧力で所定流量の液体
を連続して圧送することができるので、こうしたポンプ
を直列に組み合わせて用いれば、液体を安定して且つ効
果的に圧送することが可能となる。

【００２４】特に、こうした回転型のポンプを用いる場
合、第１のポンプと第２のポンプとは、前記羽根車に設
けられた羽根の枚数あるいは該羽根車の回転速度の少な
くとも一方が異なるポンプとしてもよい。

【００２５】回転型のポンプは、羽根車に設けられた羽
根の枚数や羽根車の回転速度によって決まる周波数の騒
音を発生させる。従って、第１のポンプおよび第２のポ
ンプが、羽根の枚数および羽根車の回転速度が一致して
いると、２つのポンプが発する騒音の周波数が一致して
しまい、大きな騒音を発生させる。これに対して、第１
のポンプと第２のポンプとで、羽根の枚数あるいは羽根
車の回転速度の少なくとも一方を異ならせておけば、騒
音の周波数は一致せず、従って大きな騒音を発生させる
ことを効果的に回避することが可能となるので好まし
い。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下では、本発明の作用・効果を
より明確に説明するために、次のような順序に従って、
本発明の実施例を説明する。Ａ．第１実施例：Ａ−１．装置構成：（１）エンジンの構成：（２）燃料供給装置の構成：Ａ−２．第１実施例の燃料供給装置の動作：Ｂ．第２実施例：

【００２７】Ａ．第１実施例：Ａ−１．装置構成：図１は、エンジン２０に、第１実施
例の液体圧送装置としての燃料供給装置１０を適用した
様子を概念的に示した説明図である。図１では、エンジ
ン２０は燃焼室内に燃料を直接噴射する方式の、いわゆ
る筒内噴射式内燃機関であるものとして説明するが、も
ちろんこれに限られず、燃料を吸気ポートに噴射する方
式の、いわゆるポート噴射式内燃機関に適用することも
可能である。以下では、先ずエンジン２０の構成につい
て概要を説明した後、かかるエンジン２０に適用された
第１実施例の燃料供給装置１０について説明する。

【００２８】（１）エンジンの構成：内燃機関は、燃焼
室内で燃料および空気の混合気を燃焼させ、そのときに
発生する燃焼熱を機械的仕事に変換して動力として取り
出すことを動作原理としている。図１で中央に「＃
１」，「＃２」，「＃３」，「＃４」と表示されている
円は、それぞれ燃焼室を模式的に示したものである。各
燃焼室には、吸入空気を取り入れるための吸気通路２０
０と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁２０２と、
噴射した燃料に点火するための図示しない点火プラグ
と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気
通路２０４などが接続されている。また、吸気通路２０
０内には、吸入する空気量を調整するためのスロットル
バルブ２０６が設けられている。エンジン２０の出力を
増やしたいときは、電動アクチュエータ２０８を駆動し
てスロットルバルブ２０６を開いてやる。こうすれば、
燃焼室内に吸入する空気量が増加して多量の燃料を燃焼
させることが可能となるので、より多くの動力を出力す
ることができる。逆にエンジン２０の出力を減らしたい
ときには、スロットルバルブ２０６を閉じてやる。こう
すれば、吸入する空気量が減少するので燃焼可能な燃料
量も減り、出力する動力を減少させることができる。

【００２９】後述するように筒内噴射式内燃機関は、吸
気が圧縮された高圧の燃焼室内に、充分に霧化された状
態で燃料を噴射してやることが望ましい。このため、エ
ンジン２０には高圧ポンプ２１０が設けられており、高
圧ポンプ２１０で８ＭＰａ〜１３ＭＰａ程度に燃料を加
圧してから噴射する。本実施例では高圧ポンプ２１０
は、エンジン２０によって駆動されるプランジャ式のポ
ンプを使用しているが、充分な圧力を発生させることが
可能であれば異なる方式のポンプを用いることができ
る。また、駆動方式もエンジン２０によって駆動される
ものに限らず、例えば電動式のポンプを用いることとし
てもよい。

【００３０】高圧ポンプ２１０で加圧された燃料は、デ
リバリパイプ２１２を介して各燃料噴射弁２０２に供給
される。デリバリパイプ２１２には燃圧センサ２１４が
設けられており、燃料噴射弁２０２に供給されている燃
料の圧力を検出することが可能となっている。また、デ
リバリパイプ２１２にはリリーフ弁２１６が設けられて
おり、デリバリパイプ２１２内の圧力が所定値を越えた
場合は、リリーフ弁２１６が開弁してデリバリパイプ２
１２内の燃料を逃がすことによって、パイプ内圧力が異
常に高くなることを防止している。リリーフ弁２１６か
ら放出された燃料は、リターン通路２１８を介して燃料
タンク１１２に戻される。

【００３１】エンジン２０は、エンジン制御用コンピュ
ータ（以下、ＥＣＵ）２２０によって制御されている。
ＥＣＵ２２０は、ＣＰＵを中心としてＲＯＭ、ＲＡＭな
どがバスで相互に接続された周知のマイクロコンピュー
タである。ＥＣＵ２２０は、燃圧センサ２１４によっ
て、デリバリパイプ２１２内の燃圧が所定値に達したこ
とを検出すると、燃料噴射弁２０２に駆動信号を出力し
て燃料を噴射する。また、ＥＣＵ２２０は、電動アクチ
ュエータ２０８に対しても駆動信号を出力することによ
って、スロットルバルブ２０６の開閉を制御している。

【００３２】前述したように、エンジン２０は燃料を燃
焼室内に直接噴射しているので、高圧ポンプ２１０を用
いて燃料を高い圧力に昇圧してから噴射する必要があ
る。以下では、図２を参照しながら、この理由を簡単に
説明する。

【００３３】図２は、任意の燃焼室の中心でエンジン２
０の断面を取って、燃焼室の構造を概念的に示した説明
図である。エンジン２０の燃焼室は、シリンダブロック
２４０内に設けられた円筒形のシリンダ２４１と、シリ
ンダ２４１内を上下に摺動するピストン２４２と、シリ
ンダブロックの上部に設けられたシリンダヘッド２３０
などによって形成されている。シリンダヘッド２３０に
は、吸入空気が流入する吸気バルブ２３２と、排気ガス
が流出する排気バルブ２３４と、燃料噴射弁２０２と、
点火プラグ２３６などが設けられている。

【００３４】エンジン２０は、次のようにして動作す
る。先ず、吸気バルブ２３２が開いてピストン２４２が
降下し始めると、燃焼室内に吸入空気が吸い込まれ、ピ
ストン２４２が下がりきると吸気バルブ２３２が閉じ
る。ピストンが最も下がりきった位置は、特に、下死点
と呼ばれる。吸気バルブ２３２は、図示しないカム機構
によって駆動されている。こうして吸入空気を吸い込ん
だら、今度はピストン２４２が上昇して、吸い込んだ空
気を圧縮していく。筒内噴射式の内燃機関は、ピストン
２４２が上昇する途中で燃料を噴射する。エンジン２０
のクランクシャフトの先端には、クランクの回転角度を
検出するためのクランク角度センサ２２２が設けられて
おり（図１参照）、ＥＣＵ２２０はクランク角度センサ
２２２の出力からピストン２４２の位置を検出して、適
切なタイミングで燃料を噴射する。図２（ａ）は、こう
して吸入した空気の圧縮途中に燃料を噴射している様子
を、概念的に示した説明図である。図中の符番２３８
は、噴射された燃料噴霧を模式的に示したものである。

【００３５】燃料の噴射後もピストン２４２は上昇して
いき、ほぼ上がりきった付近で、点火プラグ２３６で火
花を飛ばして燃料と空気の混合気に点火する。ピストン
２４２が最も上がりきった位置は、特に上死点と呼ばれ
る。図２（ｂ）は、点火プラグ２３６で混合気に点火し
ている様子を概念的に示す説明図である。ピストン２４
２の上面は、噴射した燃料噴霧を点火プラグ２３６付近
に導くためのガイドとなるような特殊な形状となってい
る。このガイドによって、燃料噴霧を点火プラグ２３６
付近に導いているために、混合気に確実に点火すること
が可能となっている。燃料と空気の混合気はピストン２
４２によって圧縮されているので、点火プラグ２３６で
点火してやると爆発的に燃焼し、その結果、燃焼室内の
圧力が急激に上昇してピストン２４２を下方に押し下げ
る。エンジン２０は、この力をクランク機構によって回
転力に変換して、動力として取り出している。こうして
動力を出力しながらピストン２４２が下死点の位置まで
下がりきると、今度は排気バルブ２３４が開き、次いで
ピストン２４２が上昇して燃焼によって生じた排気ガス
を排出する。ピストン２４２が上死点まで上昇して全て
の排気ガスを排出したら、排気バルブ２３４を閉じ、吸
気バルブ２３２を開いて、再び空気を吸入する。

【００３６】このように、筒内噴射式のエンジン２０
は、ピストン２４２が上昇して圧縮された空気中に燃料
を噴射することになるので、空気の圧力に打ち勝って燃
料を噴射するために、燃料を加圧して噴射する必要があ
る。また、燃料噴射後、ピストン２４２が上がりきった
ら直ちに点火することになる。燃料を良好に燃焼させる
ためには、燃料と空気とが適度に混合している必要があ
るが、筒内噴射式のエンジン２０は、燃料を噴射してか
ら点火するまでに燃料と空気とを混合させるための時間
が短いので、これを補うために、できるだけ燃料を細か
い噴霧状にして噴射してやることが望ましい。このよう
に燃料をできるだけ細かい噴霧状に微粒化して噴射する
ためにも、筒内噴射式のエンジン２０では、燃料を高い
圧力まで加圧して噴射している。

【００３７】エンジン２０の出力増大に伴って、燃料の
供給圧力および供給量を増加させる必要が生じる。エン
ジン２０には、燃料を高い圧力に加圧するために高圧ポ
ンプ２１０が設けられているが、多量の燃料を高圧に加
圧しようとする場合、高圧ポンプ２１０単体で燃料を加
圧するよりは、ある程度加圧した燃料を高圧ポンプ２１
０に供給することが望ましい。そこで、第１実施例の燃
料供給装置１０においては、燃料タンク内の燃料を安定
して加圧して高圧ポンプ２１０に供給するために、図１
に示すように、２つの燃料ポンプを直列に接続して使用
する。こうして複数の燃料ポンプを直列に接続して用い
ると、大型の燃料ポンプを用いた場合よりも高いポンプ
効率を得ることできる。

【００３８】（２）燃料供給装置の構成：再び、図１を
参照しながら、第１実施例の燃料供給装置１０の構成に
ついて説明する。第１実施例の燃料供給装置１０は、燃
料タンク１１２から燃料を汲み上げる上流側燃料ポンプ
１００と、上流側燃料ポンプ１００に直列に接続された
下流側燃料ポンプ１０２と、下流側燃料ポンプ１０２か
ら吐出された燃料をエンジン２０に設けられた高圧ポン
プ２１０に供給する燃料供給通路１０４などから構成さ
れている。また、燃料供給通路１０４には、燃料フィル
タ１０６や圧力調整弁１０８なども設けられている。下
流側燃料ポンプ１０２から吐出された燃料は、燃料フィ
ルタ１０６を通過する際に異物が除去されてエンジン２
０に供給される。また、燃料供給通路１０４内の圧力が
所定値を越えて高くなった場合には、圧力調整弁１０８
が開弁して一部の燃料を逃がすことにより、燃料供給通
路内の圧力が異常の上昇することを防止している。圧力
調整弁１０８を通過した燃料はリリーフ通路１１０を通
って燃料タンク１１２に戻される。

【００３９】図３（ａ）は、上流側燃料ポンプ１００の
一部断面を取って燃料ポンプの大まかな構造を示した説
明図である。下流側燃料ポンプ１０２も同様の構造とな
っている。図示するように、上流側燃料ポンプ１００
は、ポンプカバー１２０とポンプケース１２２との間に
インペラ１２４が挟まれたような様な構造となってい
る。インペラ１２４は、シャフト１２６を介して電動モ
ータ１２８に接続されており、端子１３６を介して電力
を供給する、モータによってインペラ１２４が回転する
ようになっている。

【００４０】図３（ｂ）は、図３（ａ）中にＰ−Ｐと示
した位置で取った上流側燃料ポンプ１００の断面図であ
る。図３（ａ）に示すように、インペラ１２４は円板の
周囲に小さな羽根１２４が複数設けられた形状をしてい
る。インペラ１２４とポンプケース１２２の内周面との
間には、僅かな隙間が設けられている。図中に矢印で示
すように、インペラ１２４が時計方向に回転すると、燃
料吸入口１３０から燃料が吸い込まれる。インペラ１２
４の羽根とポンプケース１２２の内周面との隙間は、イ
ンペラ１２４の回転方向に次第に小さくなるように形成
されているので、吸い込まれた燃料は、インペラ１２４
によって運ばれる間に加圧されて燃料吐出口１３２から
吐出される。このように、吸い込んだ燃料はインペラ１
２４に運ばれている間に加圧されるので、燃料吐出口１
３２は燃料吸入口１３０から、ある程度の移動距離が確
保できるような位置に設けられている。図３（ａ）で
は、あたかも燃料吸入口１３０と燃料吐出口１３２と
が、反対側の位置に設けられているかのように表示され
ているが、図３（ｂ）中にＱ−Ｑと示した位置での断面
を取って表示したものである。

【００４１】Ａ−２．第１実施例の燃料供給装置の動
作：上述したように複数のポンプを直列に接続して用い
る場合は、吐出量の一致したポンプを組合せて使用する
のが一般的である。ポンプの吐出量が一致していれば、
燃料の吐出効率は最も高くなる。しかし、ポンプの製造
ばらつきなどの影響で、吐出量が不一致となる場合が起
こり得るため、設計上予定された吐出性能（吐出圧力、
吐出量、吐出効率など）が得られない場合が発生する。
予定した吐出性能が得られなければ、エンジン２０に所
定量の燃料を所定圧力で供給することができなくなっ
て、エンジン２０を適切に運転することが困難になるこ
とも起こり得る。

【００４２】そこで、第１実施例の燃料供給装置１０で
は、吐出量の多いポンプを上流側に、吐出量の少ないポ
ンプを下流側に組み合わせて使用する。こうすれば、吐
出量の一致したポンプを組み合わせた場合よりも安定し
た吐出性能を得ることが可能となる。以下では、第１実
施例の燃料供給装置１０によって、こうした効果が得ら
れる理由を説明するが、その準備として、先ず始めに、
複数の燃料ポンプを直列に接続することで、燃料の供給
圧力や供給量を効率よく増加させることが可能となる理
由を説明する。その後、かかる説明を踏まえて、吐出量
の大きな燃料ポンプを上流側に、そして吐出量の小さな
燃料ポンプを下流側に組み合わせて用いることで、安定
した吐出性能を得ることができる理由について説明す
る。

【００４３】図４は、燃料ポンプの吐出特性を概念的に
表した説明図である。燃料ポンプなどの、いわゆる回転
型ポンプの吐出特性は、図示されているように、揚程に
対するポンプ吐出量によって表わすことができる。ここ
で揚程とは、ポンプによる液体の加圧量のことである。
従って、ポンプの上流側と下流側とには揚程に相当する
圧力差が加わっていることになる。通常、回転型ポンプ
は、揚程が大きくなるほど吐出量が減少する特性を示
す。また、揚程が大きくなるほど、すなわちポンプ前後
に加わる圧力差が大きくなるほど、ポンプのインペラと
ポンプケース内面との隙間からの漏れ量が多くなって
（図３参照）、ポンプの吐出効率が低下する特性を示
す。

【００４４】今、揚程Ｐa 、流量Ｑa （図４中の供給条
件Ａ）でエンジン２０に供給している燃料を、揚程Ｐb
、流量Ｑb （図４中の供給条件Ｂ）に増加させる必要
が生じた場合を考える。前述したように、燃料ポンプ
は、揚程（加圧量）を増加させるに従って吐出量が減少
する特性を示すから、揚程（加圧量）および吐出量を同
時に増加させるためには、現在の燃料ポンプＡを大型の
燃料ポンプＢに変更するか、あるいは複数の燃料ポンプ
Ａを組み合わせて用いることが必要になる。

【００４５】図５には、採り得る方法を概念的に示して
いる。図５（ａ）は、現在の燃料ポンプＡを、図４中に
破線で示すような供給条件Ｂを満足する大型の燃料ポン
プＢに変更した場合を示している。図５（ｂ）は、２つ
の燃料ポンプＡを直列に接続して、それぞれの燃料ポン
プＡで、必要な揚程（加圧量）Ｐb の半分ずつ加圧して
いる場合を示している。それぞれの燃料ポンプＡでの揚
程（加圧量）はＰb の半分で良いので吐出量を増加さ
せ、結局、供給条件Ｂで燃料を供給することが可能とな
る。図５（ｃ）は、２つの燃料ポンプＡを並列に接続し
て、それぞれの燃料ポンプＡで、目標とする吐出量Ｑb
の半分ずつ吐出している場合を示している。それぞれの
燃料ポンプＡでの吐出量は必要な吐出量Ｑb の半分でよ
いので、揚程（加圧量）をＰb に増加させて、２つのポ
ンプを併せて供給条件Ｂで燃料を供給することが可能と
なる。

【００４６】一般に、回転型のポンプは揚程（加圧量）
が大きくなるほど、ポンプの吐出効率が低下する。これ
は、インペラに加わる圧力差が大きくなってポンプ内部
での漏れ量が増加するためである。ポンプ内部での漏れ
量を少なくするためにポンプ内周面とインペラとの隙間
を狭くすれば、今度はインペラを回転させるための摩擦
抵抗が増加してしまうので、ポンプの吐出効率が低下し
てしまう。このようなポンプの特性を考慮すれば、図５
（ｂ）に示した方法は、それぞれのポンプの揚程（加圧
量）を小さくすることができるので、他の２つの方法を
用いた場合よりも、効率よく燃料を供給可能なことが理
解できる。

【００４７】以上の説明においては、２つのポンプの性
能が全く同じであるものとした。しかし、部品の製造誤
差などの影響で、個々のポンプの性能にはばらつきが存
在しており、現実には、２つのポンプ性能が厳密に一致
することは稀である。そして、２つのポンプの性能差が
許容値以上に大きくなると、以下の理由から、効率よく
燃料を供給することが困難となる。

【００４８】ここでは、直列に接続した２つの燃料ポン
プの中の下流側ポンプの方が、上流側ポンプよりも吐出
量が多いものとする。図６（ａ）は、このような２つの
ポンプについて、揚程（加圧量）に対する吐出量の特性
を示した説明図である。また、図６（ｂ）は、こうした
２つのポンプを直列に接続して燃料を圧送する様子を概
念的に示している。今、揚程Ｐb で燃料を圧送しようと
しているから、それぞれのポンプでは揚程Ｐb ／２で燃
料を圧送すれば良い。そこで、揚程Ｐb ／２での上流側
ポンプおよび下流側ポンプの吐出量を、それぞれＱu ，
Ｑd とする。ここでは、上流側ポンプより下流側ポンプ
の方が吐出量が大きいものとしているから、Ｑu＜Ｑd
である。

【００４９】ところが、図６（ｂ）に示すように、下流
側ポンプは上流側ポンプを介して燃料を汲み上げている
から、流量Ｑd で燃料を吐出しようとしても、上流側ポ
ンプが汲み上げた以上の流量で燃料を吐出することはで
きない。従って、下流側ポンプの吐出量はＱd からＱb
に減少する。この結果、下流側ポンプの運転条件は、揚
程Ｐb ／２，吐出量Ｑd の条件（図６（ａ）中に示した
条件Ｄo ）から、揚程Ｐd ，吐出量Ｑb の条件（図６
（ａ）中に示した条件Ｄr ）に変化する。

【００５０】また、上流側ポンプについては、下流側を
吐出量の大きなポンプで吸引しているために、元々との
吐出量Ｑu から、下流側ポンプと同じ吐出量Ｑb まで増
加する。この結果、上流側ポンプの運転条件は、揚程Ｐ
b ／２，吐出量Ｑu （図６（ａ）中で示した条件Ｕo ）
から、揚程Ｐu ，吐出量Ｑb の条件（図６（ａ）中に示
した条件Ｕr ）に変化する。

【００５１】結局、上流側ポンプおよび下流側ポンプを
組み合わせたポンプ全体としてみれば、揚程Ｐu ＋Ｐd
，吐出量Ｑb で燃料を圧送することになる。ところ
が、この様な運転状態では、下流側ポンプは上流側ポン
プから吐出されてくる以上の燃料を常に吸入しようとし
ており、下流側ポンプにとっては、上流側ポンプは燃料
の流入抵抗となっている。従って、２つのポンプの吐出
量差が大きくなるに連れて、２つのポンプの間で負圧が
発生し、気泡が発生したり、あるいは配管中から空気が
混入し易くなる。図６（ｂ）では、負圧が発生して気泡
が混入し易くなる部分に斜線を付して表示している。こ
うして燃料中に気泡が混入すると燃料ポンプが空回りし
てしまい、効率が大きく低下して当初の吐出性能が発揮
できなくなってしまう。また、燃料ポンプの運転開始時
においては、下流側ポンプの上流に流入抵抗が存在して
いると、下流側ポンプが速やかに燃料を吸い込むことが
できずに、エンジン２０に供給する燃料圧力がなかなか
上昇しないという問題を引き起こす。このように、複数
のポンプを直列に接続する場合は、下流側ポンプの吐出
量が上流側ポンプの吐出量よりも、許容値以上に大きく
なると、これらポンプ全体としての吐出性能が大きく低
下してしまう。このため、ポンプの製造ばらつきをでき
るだけ小さくしたり、あるいはポンプを選別して組み合
わせるといった対策が必要になる場合も生じる。

【００５２】こうした現象を踏まえて、第１実施例の燃
料供給装置１０では、上流側燃料ポンプ１００は、下流
側燃料ポンプ１０２よりも、同一の揚程（加圧量）での
吐出量の大きなポンプが用いられている。具体的には、
上流側燃料ポンプ１００の吐出量は、下流側燃料ポンプ
１０２の吐出量よりも、数％程度（代表的には３％〜７
％程度、より好ましくは５％程度）大きな値に設定され
ている。こうすることで、燃料ポンプの製造ばらつきの
影響を受けることなく、常に安定して燃料を供給するこ
とが可能となっている。以下では、図７を参照すること
により、この理由について説明する。

【００５３】図７（ａ）は、同一揚程（加圧量）での吐
出量が大きなポンプを上流側に設け、吐出量の小さなポ
ンプを下流側に組み合わせたときの、揚程（加圧量）に
対する吐出量の特性を示した説明図である。また、図７
（ｂ）は、こうした２つのポンプを直列に接続して燃料
を圧送する様子を概念的に示している。燃料の加圧量Ｐ
b の半分の揚程での、上流側ポンプの吐出量および下流
側ポンプの吐出量をそれぞれＱu ，Ｑd とする。ここで
は、下流側ポンプより上流側ポンプの方が吐出量が大き
いとしているから、Ｑu＞Ｑd となる。

【００５４】ところが、図７（ｂ）に示すように、２つ
のポンプは直列に接続されているから、燃料の吐出量は
いずれのポンプも同じ値となる。すなわち、上流側ポン
プの吐出量は元々の吐出量Ｑu から吐出量Ｑb に減少
し、下流側ポンプの吐出量は元々の吐出量Ｑd から吐出
量Ｑb に増加する。この結果、上流側ポンプの運転条件
は、揚程Ｐb ／２，吐出量Ｑu （図７（ａ）中で示した
条件Ｕo ）から、揚程Ｐu ，吐出量Ｑb の条件（図６
（ａ）中に示した条件Ｕr ）に変化する。同様に、下流
側ポンプの運転条件は、揚程Ｐb ／２，吐出量Ｑd （図
７（ａ）中で示した条件Ｄo ）から、揚程Ｐd ，吐出量
Ｑb の条件（図７（ａ）中に示した条件Ｄr）に変化す
る。結局、上流側ポンプおよび下流側ポンプを組み合わ
せたポンプ全体としてみれば、揚程Ｐu ＋Ｐd ，吐出量
Ｑb で燃料を圧送することになる。

【００５５】この様に、第１実施例の燃料供給装置１０
では、上流側燃料ポンプ１００の吐出量が下流側燃料ポ
ンプ１０２の吐出量よりも大きくなっているので、上流
側燃料ポンプ１００は、下流側燃料ポンプ１０２が吐出
する以上の燃料を圧送しようとする。このため、下流側
燃料ポンプ１０２は、上流側燃料ポンプ１００に対する
抵抗として作用するものの、通路間で負圧が発生して気
泡が混入するおそれがない。このためポンプ全体として
みれば、揚程Ｐu ＋Ｐd で吐出量Ｑb の燃料を安定して
供給することが可能となる。もちろん、製造ばらつきの
影響で、これら燃料ポンプの吐出量にもばらつきが生じ
るが、上流側燃料ポンプ１００の吐出量が下流側燃料ポ
ンプ１０２の吐出量よりも大きな値に設定されているの
で、下流側ポンプの吐出量が上流側ポンプの吐出量より
許容値を超えて多くなることはなく、常に安定して燃料
を吐出することが可能となる。

【００５６】また、第１実施例の燃料供給装置１０で
は、２つの燃料ポンプは、吐出特性の傾き、すなわち揚
程に対する吐出量の変化割合がほぼ同じポンプが使用さ
れている。このため、２つのポンプを直列に接続したと
きに、上流側燃料ポンプでの揚程の変化量と、下流側燃
料ポンプでの揚程の変化量がほぼ同じ値となり、互いに
打ち消し合って、全体として揚程の変化量を小さくする
ことが可能となっている。

【００５７】更に、第１実施例の燃料供給装置１０で
は、騒音を抑制する観点から、上流側燃料ポンプ１００
と下流側燃料ポンプ１０２とで、ポンプのインペラ１２
４に設けられた羽根１３４の枚数、あるいはポンプ回転
速度のいずれかが互いに異なった燃料ポンプを組み合わ
せて使用している。これは次の理由による。運転中の燃
料ポンプは、通常、インペラの羽根の枚数と回転速度と
によって決まる周波数の騒音を発生している。従って、
２つの燃料ポンプの羽根の枚数および回転速度が一致し
ていると、騒音の周波数が重複して大きな騒音を発生さ
せることになる。図８中に示した実線は、２つの燃料ポ
ンプが発する騒音の周波数が一致して、ノイズレベルが
大きくなっている様子を概念的に示した説明図である。
これに対して、インペラの羽根の枚数あるいは回転速度
の少なくともいずれかを異ならせておけば、図８中に破
線で示すように、２つのポンプが発する騒音の周波数が
ずれるので、大きな騒音が発生することを回避すること
が可能となる。

【００５８】尚、以上の説明では、上流側燃料ポンプ
は、全ての揚程（加圧量）において、下流側燃料ポンプ
よりも吐出量が多いものとした。もっとも、燃料ポンプ
としては全ての揚程で使用されるわけではない。従っ
て、図９に示すように、上流側燃料ポンプは、燃料ポン
プとして使用する領域において、下流側燃料ポンプより
も吐出量が大きなポンプを用いることができることはも
ちろんである。

【００５９】Ｂ．第２実施例：上述した第１実施例の燃
料供給装置１０では、エンジン２０の始動スイッチを入
れると、上流側燃料ポンプと下流側燃料ポンプとが同時
に運転を開始し、エンジン２０が停止するまで同じ回転
速度で運転されるものとして説明した。これに対して、
２つの燃料ポンプで運転開始時期をずらせたり、ポンプ
の回転速度を調整可能としても良い。以下では、こうし
た第２実施例の燃料供給装置５０について説明する。

【００６０】図１０は、第２実施例の燃料供給装置５０
を、エンジン２０に適用した様子を概念的に示した説明
図である。前述した第１実施例の燃料供給装置１０に対
して、第２実施例の燃料供給装置５０は、上流側燃料ポ
ンプ１５２および下流側燃料ポンプ１５４の始動時期や
ポンプ回転速度が、ＥＣＵ２２０によって制御可能とな
っている点が大きく異なっている。すなわち、第２実施
例の燃料供給装置５０では、エンジン２０の始動スイッ
チが押されると、ＥＣＵ２２０から初めに上流側燃料ポ
ンプ１５２に運転開始信号が出力され、次いで下流側燃
料ポンプ１５４に運転開始信号が出力されて、それぞれ
の燃料ポンプが起動される。上流側燃料ポンプ１５２に
運転開始信号が出力されてから、下流側燃料ポンプ１５
４に運転開始信号が出力されるまでの時間は、約５０μ
ｓ〜１００μｓ程度に設定されている。

【００６１】燃料供給装置の起動時に、上流側燃料ポン
プ１５２および下流側燃料ポンプ１５４に同時に電力を
供給しても、配線や各種部品のばらつきの影響で、下流
側のポンプの方が先に起動する場合がある。上流側燃料
ポンプ１５２より先に下流側燃料ポンプ１５４の方が起
動すると、上流側のポンプが抵抗になって２つのポンプ
間に気泡が発生する。こうして発生した気泡が下流側燃
料ポンプ１５４に吸い込まれるとポンプが空回りして、
エンジン２０に速やかに燃料を供給することができなく
なってしまう。これに対して、第２実施例の燃料供給装
置５０では、上流側燃料ポンプ１５２の運転を開始した
後に下流側燃料ポンプ１５４を起動するので、２つのポ
ンプ間に気泡が発生することが無く、燃料供給装置５０
の起動後、速やかに燃料をエンジンの供給することが可
能である。

【００６２】また、こうして運転を開始した後は、それ
ぞれの燃料ポンプは、ＥＣＵ２２０から予め設定された
回転速度で運転される。それぞれに設定されている回転
速度は、上流側燃料ポンプ１５２の吐出量が下流側燃料
ポンプ１５４の吐出量よりも、数％程度多くなるような
回転速度に設定されている。このように、上流側の燃料
ポンプの吐出量が下流側の燃料ポンプの吐出量よりも多
めとなるように、調整しておくことができるので、ポン
プ間に気泡を発生させることなく、常に効率よくエンジ
ン２０に燃料を供給することが可能となっている。

【００６３】尚、以上の説明においては、上流側燃料ポ
ンプ１５２および下流側燃料ポンプ１５４は、ＥＣＵ２
２０からの信号によって起動開始時期が制御されている
ものとしたが、これに限定されるものではなく、上流側
燃料ポンプ１５２を下流側燃料ポンプ１５４よりも早め
に起動することができれば、他の方法を用いることもで
きる。例えば、２つの燃料ポンプに同時に電力を供給す
るものとして、下流側燃料ポンプ１５４と電源との間に
コンデンサを設けたり、あるいは下流側燃料ポンプ１５
４への配線を上流側燃料ポンプ１５２に比べて十分に長
くしてもよい。こうすれば、下流側燃料ポンプ１５４に
供給される電圧の立ち上がりが遅くなるので、常に上流
側燃料ポンプ１５２を早めに起動させることが可能とな
る。

【００６４】また、上述した説明においては、２つの燃
料ポンプはＥＣＵ２２０から予め設定された回転速度で
運転されるものとして説明したが、もちろん、他の方法
を適用することも可能である。例えば、下流側の燃料ポ
ンプと電源との間に可変抵抗を設けることとしても良
い。こうして抵抗を設ければ、下流側燃料ポンプ１５４
に供給される電力を上流側燃料ポンプ１５２に供給され
る電力よりも小さな値とすることができるので、上流側
のポンプの吐出量を下流側のポンプの吐出量よりも多く
することができる。更に、可変抵抗の抵抗値を適切な値
に調整しておくことにより、上流側燃料ポンプ１５２の
吐出量を下流側燃料ポンプ１５４の吐出量よりも適切な
量だけ多くすることができる。その結果、エンジン２０
に燃料を安定して供給することが可能となるので好まし
い。

【００６５】以上、各種の実施例について説明してきた
が、本発明は上記すべての実施例に限られるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実
施することができる。

【００６６】例えば、上述した各種実施例では、エンジ
ン２０は筒内噴射式のエンジンであるものとして説明し
たが、これに限らず、例えばポート噴射式のエンジンに
も好適に適用することが可能である。

【００６７】また、上述した各種実施例では、圧送流体
が燃料である場合について説明したが、これに限らず、
例えば潤滑油など、高圧で多量の液体を圧送する必要が
ある場合には、他の液体に対しても同様に適用すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の燃料供給装置を適用した筒内噴射
式内燃機関の構成概要を示す説明図である。

【図２】筒内噴射式内燃機関においては、燃料を高圧に
加圧した状態で噴射する必要がある理由を示す説明図で
ある。

【図３】燃料ポンプの構造を概念的に示した説明図であ
る。

【図４】燃料ポンプの揚程に対する吐出量の関係を概念
的に示した説明図である。

【図５】揚程と吐出量とを同時に増加させるために取り
得る各種実施例を概念的に示した説明図である。

【図６】２つのポンプを直列に接続した場合に、下流側
のポンプの吐出量が上流側のポンプの吐出量よりも多い
場合に、燃料を安定して吐出することができない理由に
ついて示した説明図である。

【図７】２つのポンプを直列に接続した場合に、上流側
のポンプの吐出量が下流側のポンプの吐出量よりも多い
場合に、燃料を安定して吐出することができる理由につ
いて示した説明図である。

【図８】燃料ポンプの仕様を変更することで、単一周波
数におけるノイズレベルが低下する理由について説明す
る説明図である。

【図９】上流側燃料ポンプの吐出量が、揚程範囲の一部
領域において、下流側燃料ポンプの吐出量よりも多くな
る様に設定されている様子を概念的に示した説明図であ
る。

【図１０】第２実施例の燃料供給装置を適用した筒内噴
射式内燃機関の構成概要を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…燃料供給装置２０…エンジン５０…燃料供給装置１００…上流側燃料ポンプ１０２…下流側燃料ポンプ１０４…燃料供給通路１０６…燃料フィルタ１０８…圧力調整弁１１０…リリーフ通路１１２…燃料タンク１２０…ポンプカバー１２２…ポンプケース１２４…インペラ１２６…シャフト１２８…電動モータ１３０…燃料吸入口１３２…燃料吐出口１３４…羽根１５２…上流側燃料ポンプ１５４…下流側燃料ポンプ２００…吸気通路２０２…燃料噴射弁２０４…排気通路２０６…スロットルバルブ２０８…電動アクチュエータ２１０…高圧ポンプ２１２…デリバリパイプ２１４…燃圧センサ２１６…リリーフ弁２１８…リターン通路２２０…ＥＣＵ２２２…クランク角度センサ２３０…シリンダヘッド２３２…吸気バルブ２３４…排気バルブ２３６…点火プラグ２４０…シリンダブロック２４１…シリンダ２４２…ピストン

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）Ｆ０４Ｄ 13/12 Ｆ０４Ｄ 13/12 Ｚ 13/14 13/14 15/00 15/00 Ｄ 29/66 29/66 ＢＦターム(参考） 3H020 AA04 AA08 BA01 BA02 BA06 BA11 BA26 DA04 DA21 3H045 AA01 AA15 AA24 AA35 BA03 CA11 DA01 DA32 DA47 EA26 EA34 EA42 3H071 AA07 BB00 BB11 CC11 CC17 CC32 CC33 CC34 CC37 DD31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体を吐出するポンプを複数組み合わせ
て構成された液体圧送装置において、液体を吸入して圧送する第１のポンプと、前記第１のポンプの吐出口に接続されて、該吐出口から
圧送されてきた液体を更に加圧して吐出する第２のポン
プとを備え、前記第１のポンプは、少なくとも所定の揚程において
は、前記第２のポンプよりも吐出量の大きな規格のポン
プであることを特徴とする液体圧送装置。
【請求項２】請求項１記載の液体圧送装置において、前記第１のポンプは、該ポンプの全ての揚程範囲におい
て前記第２のポンプよりも吐出量の大きな規格のポンプ
であることを特徴とする液体圧送装置。
【請求項３】請求項１記載の液体圧送装置において、前記第１のポンプと前記第２のポンプとは、前記所定の
揚程の近傍において、揚程の変化に対する吐出量の変化
割合が略同一であることを特徴とする液体圧送装置。
【請求項４】請求項１記載の液体圧送装置であって、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプの少なくとも
一方には、揚程一定の条件下で吐出量を変更する吐出量
変更手段を備えることを特徴とする液体圧送装置。
【請求項５】液体を吐出するポンプを複数組み合わせ
て構成された液体圧送装置において、液体を吸入して圧送する第１のポンプと、前記第１のポンプの吐出口に接続されて、該吐出口から
圧送されてきた液体を更に加圧して吐出する第２のポン
プと、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプを起動するポ
ンプ起動手段とを備え、前記ポンプ起動手段は、前記第２のポンプを前記第１の
ポンプに遅れて起動する手段であることを特徴とする液
体圧送装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の液体圧送装置において、前記第１のポンプおよび前記第２のポンプは、複数の羽
根を有する羽根車をポンプ室内で回転させることによっ
て液体を圧送するポンプであることを特徴とする液体圧
送装置。
【請求項７】請求項６記載の液体圧送装置であって、前記第１のポンプと前記第２のポンプとは、前記羽根車
に設けられた羽根の枚数あるいは該羽根車の回転速度の
少なくとも一方が異なるポンプであることを特徴とする
液体圧送装置。
【請求項８】液体を吐出するポンプを複数組み合わせ
て用いることにより該液体を圧送する液体圧送方法にお
いて、少なくとも所定の揚程においては吐出量が異なった規格
のポンプを組合せ、吐出量が大きな規格の第１のポンプ
から吐出量が小さな規格の第２のポンプに液体を圧送
し、該圧送された液体を該第２のポンプで更に加圧して
吐出することを特徴とする液体圧送方法。
【請求項９】液体を吐出するポンプを複数組み合わせ
て用いることにより該液体を圧送する液体圧送方法にお
いて、第１のポンプから圧送した液体を第２のポンプで更に加
圧して圧送するに際して、該第２のポンプを該第１のポ
ンプに遅れて起動させることを特徴とする液体圧送方
法。
【請求項１０】液体を吐出するポンプを複数組み合わ
せて構成された液体圧送装置の設計方法において、少なくとも所定の揚程においては吐出量が異なった規格
のポンプを複数種類選択し、前記所定の揚程における吐出量の大きな規格のポンプの
下流側に吐出量の小さな規格のポンプを配置して、前記
選択した複数種類のポンプを直列に接続することを特徴
とする液体圧送装置の設計方法。