JP2006057537A - 高圧燃料ポンプ - Google Patents
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Abstract
【課題】 液化ガス燃料を高圧にしてエンジンに供給する液化ガス燃料供給装置の高圧燃料ポンプについて、吸込側の逆止弁を適切なタイミングで確実に開閉させるようにして燃料送出時におけるロスを回避し、高い燃料送出能力を発揮できるようにする。
【解決手段】 燃料通路の吸込側および吐出側にそれぞれ逆止弁31A,27bを備え、この二つの逆止弁31A,27b間に形成される燃料室26Aに液化ガス燃料を導入してポンプ部20Aで高圧にしてエンジンに送出する高圧燃料ポンプ2Aとして、吸込側の逆止弁31Aを第一加圧室25Aに充填された作動流体の圧力変動を動力源として、配管33で弁開閉手段30Aのシリンダ30a背室30cに導入して、ピストン30bを摺動させることにより逆止弁31Aを所定のタイミングで機械的に開閉させるものとした。
【選択図】 図1
【解決手段】 燃料通路の吸込側および吐出側にそれぞれ逆止弁31A,27bを備え、この二つの逆止弁31A,27b間に形成される燃料室26Aに液化ガス燃料を導入してポンプ部20Aで高圧にしてエンジンに送出する高圧燃料ポンプ2Aとして、吸込側の逆止弁31Aを第一加圧室25Aに充填された作動流体の圧力変動を動力源として、配管33で弁開閉手段30Aのシリンダ30a背室30cに導入して、ピストン30bを摺動させることにより逆止弁31Aを所定のタイミングで機械的に開閉させるものとした。
【選択図】 図1
Description
本発明はLPG(液化石油ガス)やDME(ジメチルエーテル)などガソリンに比べて気化しやすい液化ガス燃料を液体の状態で燃料噴射弁に送りエンジンに供給する液化ガス燃料供給装置に用いる高圧燃料ポンプに関する。
燃料タンク内のLPGやDMEなどの液化ガス燃料をポンプで高圧化して液体のまま燃料噴射弁からエンジンの吸気管路に噴射する液化ガス燃料供給装置は、例えば特開2003−120443号公報に記載されているように広く知られている。
上記公報記載の液化ガス燃料供給装置は、図6に示すように燃料タンク10に配置された低圧燃料ポンプ10aで加圧した燃料を燃料供給管路9Aを通ってエンジン50側に配設された高圧燃料ポンプ2Cで更に高圧にして燃料噴射弁8に送るものとしている。
この高圧燃料ポンプ2Cは、一般に図7に示すような機構を採用している。即ち、エンジンのクランクシャフト等の回転を駆動力として下面に傾斜を設けたカム板22aの回転により、駆動部材22bを介して加圧部20Cのシリンダ23Bに挿入されたピストン24Bが直線往復動作を行うものであり、加圧室25Bが拡大することで逆止弁28bを開かせて逆止弁28aとの間に形成された燃料室26Cに燃料タンク側から燃料を導入し、加圧室25Bが縮小することで高圧化された燃料が逆止弁28aを通ってエンジン側に送出されるようになっている。
更に詳しく説明すると、ピストン24Bが上昇して加圧室25Bが拡大し、燃料室26C内が上流側(燃料タンク側)よりも負圧になると、逆止弁28bの弁体が弁座シートから離れて燃料室26Cに燃料が導入される。そして、ピストン24Bが上死点を過ぎると燃料室26Cと燃料タンク側の圧力は均衡して逆止弁28bは弁体のバネ圧力で閉鎖する。さらにピストン24Bが下降すると燃料の圧力で逆止弁28bが弁座シートに強く押し付けられて燃料タンク側への逆流が阻止され、燃料室26Cの圧力が所定圧力以上になることで吐出管27bの逆止弁28aが開き、高圧化された燃料がエンジンに向かって送出される。
ところが、斯かる従来の高圧燃料ポンプにおいては、燃料室の圧力変動によって吸込側の逆止弁の開閉を行う方式を採用していることから、燃料室の圧力が所定圧力以下になるまで弁体のバネ圧力で逆止弁が開かないため、これが燃料吸込時に大きな抵抗となって送出効率を著しく低下させてしまう。そこで、このバネ圧力を小さくすることも考えられるが、これでは燃料室の圧力が所定圧力以上になるまで閉弁せずにオーバーラップが増加して燃料タンク側に逆流する燃料が多くなるため、上記同様に燃料送出効率を著しく低下させてしまう。
また、燃料室は燃料タンク内部に比べて負圧となりやすいことから、DMEやLPGなど僅かな圧力低下で容易に気化する液化ガス燃料を用いる場合に、燃料室内で燃料が気化して気泡を含むと、ピストンで圧縮したときに燃料送出圧力の上昇がさらに不充分となりやすい。
特開2003−120443号公報
本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、液化ガス燃料を高圧にしてエンジンに供給する液化ガス燃料供給装置の高圧燃料ポンプについて、吸込側の逆止弁を適切なタイミングで確実に開閉させるようにして燃料送出時におけるロスを回避し、高い燃料送出能力を発揮できるようにすることを課題とする。
そこで、本発明は、燃料通路の吸込側と吐出側にそれぞれ備えた二つの逆止弁間に形成される燃料室に導入した液化ガス燃料をシリンダとピストンを有する加圧室により高圧にしてエンジンに送出するための高圧燃料ポンプにおいて、前記吸込側の逆止弁を所定の動力源を利用した弁開閉手段により所定のタイミングで機械的に開閉させるものとした。
このような構成とすることにより、従来の高圧燃料ポンプにおいて吸込側の逆止弁が燃料室内圧力の変化による逆止弁上流側と下流側との圧力差で開閉するため、弁体のバネ圧力を越える圧力差が生じるまで開弁せずにポンプ効率を著しく低下させていたのに対し、燃料の圧力差のみに依存するのではなく強制的に弁を開閉させる弁開閉手段を用いることで、燃料吸込時の弁抵抗によるロスの発生を回避するとともに、弁開閉のタイミングの適正化を容易に実現することができる。
また、その弁開閉手段を電子制御ユニットで制御されるモータ駆動のカムまたは電磁ソレノイドにより吸込側の逆止弁を開閉させるものとすれば、ポンプ動作に依存することなく適切なタイミングで確実に開閉させることが極めて容易となる。
一方、これと異なり、弁開閉手段を、前記加圧室と配管で接続されたシリンダを備えた背室を有し、前記逆止弁は前記シリンダに挿入されたピストンの延長線側に設けられて前記加圧室の圧力変動を前記背室に導入して前記ピストンが摺動することで開弁または閉弁するものとして、ピストンが加圧室に発生した圧力変動を導入して摺動することで弁体を弁座に密着・離間させて逆止弁の開閉を行うものとすれば、新たな動力を必要とすることなく弁抵抗を軽減し、燃料吸込時のロスの発生を減少させることができる。
さらに、加圧室と弁開閉手段とを接続する配管を加圧室を形成するシリンダの内周面に開口させたものとして、この配管開口部がピストンの動作により閉鎖または開放されるものとして、ピストンストロークにおける所定のタイミングで弁開閉手段に圧力変動を導入するものとすれば、吸込側の逆止弁の開閉制御が容易となって充分な燃料の吸込量を確保できるとともに吐出時における燃料の逆流を最小限とすることができる。
さらにまた、この配管開口部をピストンの上死点付近で開放される位置とし、開放されることにより低圧側に背室の圧力を逃がして逆止弁を閉弁させるものとすれば、燃料が充分に充填されたピストンの上死点以降において燃料が燃料タンク側に逆流することを阻止することができる。これに加えて、この加圧室を形成するシリンダに、このピストン位置で加圧室の圧力を他の空間に逃がす圧力開放ポートを内周面に設ければ、加圧室側の圧力を充分に低下させることができるため逆止弁の閉弁が迅速且つ確実なものとなる。
加えて、上述した加圧室の圧力変動を利用して弁開閉手段を作動させる高圧燃料ポンプにおいて、弁開閉手段をピストン先端側に調圧室を設けたものとし、この調圧室をピストン先端側と底壁の間にベローズまたはダイヤフラムが挟装されたものとし、このベローズまたはダイヤフラムの内側を気・液密状態にして燃料通路に連通するとともにピストン先端側から延出されたピストンロッドが貫通したものとして、その外側を燃料タンク側の燃料気相部分と配管で接続されたものとする。このことにより、弁開閉手段における調圧室の圧力を燃料圧力と一致させることができ、作動流体等を介した逆止弁の開閉を確実なものとすることができる。
さらに加えて、この加圧室の圧力変動で弁開閉手段を作動させる高圧燃料ポンプにおいて、加圧室に弾性部材を有する隔離手段が内装されたものとし、その外側に作動流体が充填され、内側には燃料が充填されて燃料室の一部を形成して作動流体と隔離されたものとして、作動流体側に生じた圧力変動が隔離手段を介して燃料側に伝達されて吸込・吐出を行うものとすれば、作動流体と燃料とを完全に分離しながら燃料を送出するようにして装置の耐久性を良好なものとすることができるが、この隔離手段をベローズまたはダイヤフラムとすれば、内外の分離性を確保しつつ圧力変動の伝達が良好なものとなる。
そして、上述した配管を備えた高圧燃料ポンプにおいて、加圧室側のピストンにピストンストロークにおける所定のタイミングで配管開口部に一致して圧力開放ポートに連通させる環状の連通溝またはピストン内部を貫通する連通孔を穿設したものとすれば、ピストンが上死点以外位置においても弁開閉部の圧力を開放して吸込側の逆止弁を閉弁させることができる。一方、ピストンが下死点付近で配管開口部に一致する環状の連通溝または内部を貫通する連通孔をピストンに穿設するとともに、このピストン位置で連通溝または連通孔を加圧室に連通させるバイパスラインをシリンダの周壁に設けたものとすれば、加圧室の圧力が充分に上昇したときに配管に圧力を導入して、燃料吐出後のピストンの下死点付近で吸込側の逆止弁を確実に開弁することができる。
機械的に作動する弁開閉手段を設けた本発明によると、吸込側の逆止弁を適切なタイミングで確実に開閉させることができ、充分な燃料吸込量を確保するとともに吐出時の燃料の逆流を最小限として、燃料送出におけるロスの発生を有効に回避して高い燃料送出能力を安定的に発揮できるものである。
図面を参照して本発明の第1の実施の形態を説明する。図1は本実施の形態に係る高圧燃料ポンプ2Aの縦断面図を示すものであり、図示しない燃料タンクから燃料を導入する吸込管27aは、ピストン24Aを有するポンプ部20Aに接続されており、その接続箇所近くで図示しないエンジンに向かう吐出管27bが分岐して延設されている。
ポンプ部20Aは、エンジンを動力源として回転するカム板22aの傾斜面で生じる波動を、駆動部材22bを介してピストン24Aの直線的な摺動に変換することにより第一加圧室25Aに圧力変動を生じさせる点は、図7に示す従来の高圧燃料ポンプ2Cと同様である。しかし、高圧燃料ポンプ2Cが加圧室25Bに燃料を直接導入してそのまま吐出するのに対し、本実施の形態では第一加圧室25Aに第二加圧室21aが接続され、第一加圧室25Aおよび第二加圧室21aに作動流体(潤滑油)を充填するとともに第二加圧室21aにおいて内側が燃料室26Aに連通したベローズ21bが内部を気・液密状態として内装されている点が異なる。
また、従来の高圧燃料ポンプ2Cにおいて吸込管27cの逆止弁28bがその上流側と下流側との圧力差で開閉するものとされ、主としてバネ圧力で弁体を弁座シートに押しつけて燃料タンク側に燃料が逆流するのを防止するのに対し、本実施の形態においては弁開閉手段としての弁開閉部30Aが、吸込管27aに配設された弁体31aおよび弁座31bからなる逆止弁31Aを機械的に開閉させる点も異なる。
そして、弁開閉部30Aはシリンダ30aにピストン30bが挿入され、その背室30cがポンプ部20Aの第一加圧室25Aに配管33で接続されて、作動流体(潤滑油)を介して第一加圧室25Aの圧力変動を導入するようになっている。シリンダ30aの先端側にはポンプ部20Aのケーシング21cとほぼ同様のケーシング32が連結されており、その内部に調圧室32aを備えるとともにピストン30b先端面と調圧室32a底壁の間に両端を密着してベローズ32bが挟装されている。
ベローズ32bは、内側が吸込管27aに接続され燃料が充填されて外側と気・液密状態とされているとともに、ピストン30bの先端面からピストンロッド32cが延設されて先端側に弁体31aが取り付けられている。ピストンロッド32cは弁座31bの中央に開口した弁孔31cを貫通しており、ピストン30bが摺動することで弁体31aの内側面を弁座31bのシートに密着させることで閉弁し、離間させることで開弁するようになっている。
また、調圧室32aは図示しない燃料タンクの気相部分と配管34で連結されており、その圧力を燃料タンク内圧力と同一とされているため、ベローズ32bの容積が変化しても内側の燃料圧力と外側の調圧室32aの圧力(=燃料タンク内圧力)とが均衡するので、ピストン30bの動作に対する影響が少なく遮断弁31Aの開閉を妨げないようになっている。
ポンプ部20Aのシリンダ23A内周面の配管33開口部は、通常はピストン24Aの外周面で閉鎖されており、図1に示すようにピストン24Aが上死点付近まで達したときに開放されるようになっている。そして、シリンダ23A内周面における配管33開口部の対向位置に、第一加圧室25Aの圧力を図示しない燃料タンク側に逃がす圧力開放ポート23bが穿設されており、配管33が開通すると同時に第一加圧室25Aの圧力が開放され、これに接続された弁開閉部30Aの背室30cの圧力が一瞬にして低下し、ベローズ32b自体のバネ圧力でピストン30bが上昇させて逆止弁31Aを閉弁するようになっている。
ピストン24Aにはその外周面に環状に穿設された二本の連通溝24a,24bが設けられており、一方の連通溝24bはピストン24Aの先端寄りに周方向に設けられ、その上方に他方の連通溝24aが周方向に対しやや傾斜して配管33開口部に近接する側を高くして設けられている。尚、このピストン24Aの外周面に設けた連通溝24a、24bをピストン24A内部を貫通する連通孔としてもよい。
そして、シリンダ23Aの内周面において圧力開放ポート23bの下方には縦向きに配置された二箇所の開口部がシリンダ23A周壁内で連通するバイパスライン23cが設けられており、ピストン24Aの先端が配管33開口部よりも低い所定の下降位置となったときに連通孔24aを介して第一加圧室25Aと配管33とを連通させるようになっている。
次に、本実施の形態の高圧燃料ポンプ2Aの作用について、図面を参照して説明する。図2を参照して、ピストン24Aが上死点付近では(図(A))、第一加圧室25Aは完全に拡大され、第二加圧室21aのベローズ21bも拡大されて燃料が充分に充填されているが、弁開閉部30Aの背室30cは縮小してピストン30bは上昇位置となって逆止弁31Aは閉鎖されている。
カム板22aが回転すると、ピストン24Aが押し下げられて第一加圧室25Aを縮小することで第二加圧室21aを加圧し、ベローズ21bを圧縮する(図(B))。これにより、燃料は高圧化され吐出管27bの逆止弁28aを押し下げてエンジンに向けて送出される。
そして、ピストン24Aが下死点直前となったときその外周面に設けた連通溝24aが、バイパスライン23cの上側開口部と一致するとともに配管33開口部と一致して第一加圧室25Aと背室30cとを連通させる(図(C))。このとき、第一加圧室25A内の作動流体は最も高圧であり、これが配管33を介して弁開閉部30Aの背室30cに導入されてピストン30bを押し下げ、ベローズ32bを圧縮し、その内部を貫通するピストンロッド32cで遮断弁31Aの弁体31aを弁座31bのシートから離間させて開弁させ、燃料タンク側と連通させる。
この際、遮断弁31A下流側の燃料室26Aが上流側よりも高圧であっても、ピストン30bにより動作が遅れることなく機械的に開弁される。また、ベローズ32bが内装された調圧室32aは配管34で図示しない燃料タンク側気相部と連通されており、ベローズ32bの内外の圧力差は常にゼロで安定した状態となっており、ピストン30bの動作を妨げることがない。
図3において、ピストン24Aが下死点から上昇し始めたとき第一加圧室25Aと背室30cとの連通は閉鎖された状態となり、遮断弁31Aは開弁状態のまま維持されるが(図(D))、さらに上昇すると連通溝24bにより配管33開口部がシリンダ23A内周面に開口した圧力解放用ポート23bに連通し(図(E))、背室30cの圧力は燃料タンク圧力レベルまで低下する。すると、ベローズ32bは自身のバネ圧力によりピストン30bを持ち上げながら拡大し、燃料を充分に吸込後の上死点直前で遮断弁31Aを閉弁させ(図(F))、以後燃料タンク側への燃料の逆流を阻止する。
上述したように、本実施の形態の高圧燃料ポンプ2Aは、ポンプ部20Aの動作による圧力変動を適切なタイミングで弁開閉部30Aに導入することで、吸込管27a側の逆止弁31Aを、燃料圧力の差のみを利用するのと異なり機械的に適切なタイミングで開閉することができるため、燃料の送出圧力を高圧に維持して燃料送出効率を良好にすることができるものである。尚、本実施の形態におけるベローズ21b,32bをダイヤフラムに代えても同様の効果を期待することができる。
図4は、本発明の第2の実施の形態を示すものであり、図1の高圧燃料ポンプ1Aにおいてポンプ部20Aの圧力変動を利用することで弁開閉手段30Aを作動させているのと異なり、図示しないバッテリ等の電力により駆動する電磁ソレノイド35で逆止弁31Bを開閉させる弁開閉部30Bを備えた高圧燃料ポンプ2Bを示している。
弁開閉部30Bは電子制御ユニット40に接続されており、電子制御ユニット4は各種センサからの入力データを基に必要とされる燃料吐出量を算出し、最適な燃料吸込量を実現するタイミングで逆止弁31Bを開閉制御するようになっている。即ち、弁開閉部30Bは電子制御ユニット40の指令により燃料室26Cの圧力変動に依存することなく所定のタイミングで逆止弁31Bを開閉するものであり、吸込時および吐出時のオーバーラップを自由に制御することができ、スムースな燃料の充填および吐出を可能とする。尚、電磁ソレノイド35の閉鎖方向への動作はプランジャ35aに設けた図示しないバネによる圧力及び燃料室26B側の圧力上昇を利用しており、これにより遮断弁31Bを強力に閉鎖して燃料の逆流を阻止している。
一方、この電磁ソレノイド35の代わりに、図5(A)に示すように、ステップモータ等が電子制御ユニットに制御されて回転軸に設けたカム36を所定角度で回転させ、ベローズ32bの上端面を上下させてこれを貫通したロッド32cで弁体31aを上下動させることで逆止弁31Aを開閉させるようにしても同様の効果を発揮させることができる。さらに、図5(B)に示すようにベローズ32bの代わりにカム36の回転で上下動するダイヤフラム37を配設しても同様である。
2A,2B 高圧燃料ポンプ、20A,20B ポンプ部、21a 第二加圧室、21b,32b ベローズ、22a 斜板、23A,32 シリンダ、23b 圧力開放ポート、23c バイパスライン、24A,24B,30b ピストン、24a、24b 連通溝、25A 第一加圧室、26A,26B 燃料室、27a 吸込管、27b 吐出管、28a,28b,31A,31B 逆止弁、30A,30B,30C,30D 弁開閉部、31a 弁体、31b 弁座、32a 調圧室、32c ピストンロッド、33,34 配管、35 電磁ソレノイド、36 カム、37 ダイヤフラム、40 電子制御ユニット、50 エンジン
Claims (11)
- 燃料通路の吸込側と吐出側にそれぞれ備えた二つの逆止弁間に形成される燃料室に導入した液化ガス燃料をシリンダとピストンを有する加圧室により高圧にしてエンジンに送出するための高圧燃料ポンプにおいて、前記吸込側の逆止弁を所定の動力源を利用した弁開閉手段により所定のタイミングで機械的に開閉する、ことを特徴とする高圧燃料ポンプ。
- 前記弁開閉手段が、電子制御ユニットによって制御されるモータ駆動のカムまたは電磁ソレノイドにより前記吸込側の逆止弁を開閉するものである請求項1に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記弁開閉手段が、前記加圧室と配管で接続されたシリンダを備えた背室を有し、前記逆止弁は前記シリンダに挿入されたピストンの延長線側に設けられて前記加圧室の圧力変動を前記背室に導入して前記ピストンが摺動することで開弁または閉弁するものとされている、請求項1に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記配管は、前記加圧室を形成するシリンダの内周面に開口しており、該配管開口部がピストンの動作で閉鎖または開放されてピストンストロークにおける所定のタイミングで前記弁開閉手段に圧力変動を導入するものとされている、ことを特徴とする請求項3に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記配管開口部は、前記ピストンが上死点付近で開放される位置に設けられ、開放されることにより前記背室の圧力を低圧側に逃がして前記逆止弁を閉弁させることを特徴とする請求項4に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記加圧室を形成するシリンダは、前記ピストンが上死点付近で開放されて前記加圧室の圧力を他の空間に逃がすための圧力開放ポートが内周面に設けられていることを特徴とする請求項5に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記弁開閉手段は、前記ピストン先端側に調圧室を備えており、前記調圧室は内側が気・液密状態とされ前記燃料通路に連通するとともに前記ピストン先端側から延出されたピストンロッドが貫通したベローズまたはダイヤフラムが前記ピストン先端側と底壁との間に挟装され、外側が燃料タンク側の燃料気相部分と配管で接続されていることを特徴とする請求項3,4,5または6に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記加圧室は、弾性部材を有する隔離手段が内装されており、該隔離手段の外側に作動流体が充填され内側には燃料が充填されて前記燃料室の一部を形成して前記作動流体と隔離されたものとされ、前記作動流体側に生じた圧力変動が前記隔離手段を介して燃料側に伝達されて吸込・吐出を行う請求項1,2,3,4,5,6または7に記載した高圧燃料ポンプ。
- 前記隔離手段が、ベローズまたはダイヤフラムからなることを特徴とする請求項8に記載した高圧燃料ポンプ。
- 請求項1,2,3,4,5,6,7,8または9に記載した高圧燃料ポンプにおいて、ストロークにおける所定のタイミングで前記配管開口部に一致して前記圧力開放ポートに連通させる環状の連通溝または内部を貫通する連通孔が前記ピストンに穿設されていることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
- 請求項1,2,3,4,5,6,7,8,9または10に記載した高圧燃料ポンプにおいて、前記ピストンが下死点付近で前記配管開口部と一致する環状の連通溝または内部を貫通する連通孔が前記ピストンに穿設されているとともに、前記位置で該連通溝または連通孔を前記加圧室に連通させるバイパスラインが前記シリンダの周壁に設けられており、前記ピストン下降時に前記加圧室の圧力を前記弁開閉手段に導入する高圧燃料ポンプ。
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