JP2006514204A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】内燃機関における直噴燃料供給システムの燃料噴射ポンプであって、高圧チャンバから燃料噴射ノズルへの燃料移送を制御するソレノイドバルブを具える。供給流路とリターン流路が燃料供給システムの燃料循環を構成しており、高圧チャンバの一部がカムシャフトで駆動されるプランジャによって規定されている。ポンプのプランジャを超えた漏れ燃料用に独立したリーク燃料流路が設けられており、このリーク燃料流路はゼロ圧燃料タンクに延びている。

Description

1.発明の技術分野
本発明は、直接噴射エンジンの液体燃料噴射システムに関する。
2.背景技術
ディーゼルサイクルエンジンといった内燃機関の燃料噴射装置は、プランジャシリンダ又はボア内で往復運動する燃料噴射ポンププランジャを備え、エンジンの各稼働シリンダ用のノズルに燃料を供給するようにしている。このプランジャはエンジンバルブカムシャフトにより駆動され、エンジンスピードに比例した周期でストロークされる。燃料噴射装置は、噴射装置の高圧圧送チャンバから燃料噴射ノズルまでの燃料供給を制御する燃料制御バルブ用の電磁ソレノイドアクチュエータを具える。このバルブ用のソレノイドアクチュエータはデジタル電子エンジン制御部の制御下におかれ、これがアクチュエータに制御された電流パルスを配信して、噴射装置による噴射用の圧力パルスが発生し、噴射装置からノズルへの燃料が調節される。
カムシャフトはエンジンのシリンダハウジング内に配置され、エンジン潤滑油に曝されている。プランジャとプランジャシリンダ又はボアとの隙間から漏れる燃料は潤滑油と混合し、動作期間が長引くと潤滑油が希釈する問題が生じてしまう。
プランジャとプランジャシリンダ又はボアとの寸法的な隙間を小さくすることによりプランジャを超える漏れを減らすことが可能である。しかしながら寸法的な隙間を減らすと、プランジャがつかえるリスクが増大する。これは機械的な摩擦損と摩耗による設計の問題を生じ、特に燃料温度が比較的広い温度帯で変化する場合に顕著となる。さらに、プランジャとプランジャシリンダ又はボアとの許容度の狭い嵌め合いに要求される精密加工は製造コストを増大し、このような設計は大規模な製造オペレーションには現実的でなくなる。
またプランジャを長くすることにより漏れ流の通路長さを増大させ、潤滑油の希釈化を減少させることが可能である。しかしながら、これでは漏出が僅かに減少するだけであることが判明している。さらに、これは噴射装置全体の寸法が大きくなる不都合がある。このように噴射装置の寸法が大きくなると、ある種の商業エンジンへの適用においてパッケージングの制約とともにコスト高となり現実的でなくなる。
発明の開示
本発明は、特に“デュアルレール”式噴射装置に適用すべく設計されたものである。すなわち、燃料は燃料供給レールまたは流路を介して低圧燃料供給ポンプから噴射装置に供給される。ノズルに供給されなかった燃料は、これをスピル燃料と呼ぶが、別のレールまたはリターン流路を通って燃料ポンプの入口側へ戻される。本発明の目的の一つは、このようなデュアルレール式噴射装置におけるエンジンオイルの希釈化を減少させることにある。これは、噴射装置のプランジャを超えて潤滑油の循環路に漏れる燃料を減らすことにより達成される。これは、噴射装置のプランジャを駆動するカムシャフトで占められるエンジン領域から漏れ流路を隔離することである。
本発明の噴射装置は、噴射装置の圧送プランジャを収容するシリンダを有する燃料ポンプ本体を具える。プランジャスプリングが、プランジャを常時収縮方向に付勢している。このプランジャはエンジンカムシャフトの動作ストロークにより駆動される。
プランジャとシリンダまたはボアとは、高圧燃料供給路を介して噴射ノズルに接続する高圧圧送チャンバを規定している。典型例では、この圧力は約20Kpsiである。高圧流路にはポンプ制御バルブが設けられている。燃料は、燃料供給ポンプにより噴射装置の制御バルブおよび圧送チャンバへ供給される。制御バルブは、エンジン制御部から制御バルブソレノイドに送られる命令によって高圧燃料路への燃料流路を開閉する。このバルブは、所望の噴射周期で開閉される。
別の燃料供給流路およびリターン流路が制御バルブおよび圧送チャンバに接続されている。別にリークオフ流路が噴射装置本体に接続しており、プランジャシリンダにおいてプランジャの完全ストローク位置と完全収縮位置との中間位置に通じている。このリークオフ流路は、ゲージ圧ゼロ以下の燃料タンクに連通している。リーク流路が、プランジャとプランジャシリンダ間の所定の隙間によって規定されている。この隙間はリークオフ流路に通じており、これにより漏れ燃料がエンジンのシリンダハウジング内のカムシャフト領域には行かずタンクに戻ることになる。前記燃料供給およびリターン回路はエンジンの潤滑油から独立しており、これにより潤滑油の希釈化が根絶あるいは実質的に減少される。これにより燃料噴射装置の耐性が増し、エンジンのメンテナンス費用が減少する。
本発明の一実施例によれば、燃料供給路は、噴射ポンプ本体と、チャンバに接続され燃料制御バルブで塞がれた内部通路とに接続されている。噴射ポンプ本体には別に、スピル流路と呼ばれる燃料リターン路が、当該リターン路に相互に接続する内部溝に接続されている。典型例では、噴射ポンプ本体内のスピル流路の圧力は約2Kpsiである。
本発明の第1の変形例では、リターン流路は、本体の上端部であって制御バルブの近くに接続される。
本発明の第2の変形例では、リターン流路が噴射ポンプ本体の内部通路を通り流量制御バルブに接続され、供給流路が制御バルブ用のアクチュエータ領域に接続されている。
本発明の第3の変形例では、リークオフ流路がほぼポンプ本体のプランジャシリンダの軸方向に延びている。このポンプ本体はエンジンシリンダハウジングのスリーブに搭載されている。ポンプ本体のリークオフ流路フィッティングが、燃料供給路フィッティングと同様に、エンジンシリンダハウジングの外側に適切に設けられている。
各実施例において、漏れ流路は供給流路およびリターン流路から完全に独立しており、リターン路はゲージ圧ゼロに保たれる。
開示する噴射装置はユニットポンプであるが、本発明はユニット噴射装置アセンブリにも適用可能である。
本発明の特徴を具える噴射装置の動作環境を説明するため、最初に図4を参照すると、ディーゼル機関のシリンダハウジング22に搭載されたユニットポンプの典型例が示されている。図4の噴射装置は全体として符号10で示されている。プランジャ14は、プランジャスプリング及びスプリングショルダ20によりエンジンのカムシャフト18側に寄っているカムフォロワ16により駆動される。このカムシャフトはエンジンハウジング22内で、その一つを符号24で示すエンジンシリンダに隣接して設けられている。エンジンカムシャフトの位置は符号26で示されている。
エンジンのシリンダハウジング22は、噴射装置本体12が搭載されるスリーブ28を具える。高圧管30が噴射装置本体12と接続されており、シリンダヘッド34内のノズルアセンブリ32に通じている。このノズルアセンブリは、エンジンの燃焼チャンバのノズル口36を具える。エンジン潤滑油はカムシャフト18とクランクシャフトの位置26で占められる領域に存在する。この潤滑油は噴射装置のプランジャ14から隔離されているが、プランジャを超えて漏れた燃料が潤滑油と混合し、前述した希釈化の問題が生じてしまう。
図1は、本発明にかかる噴射ポンプアセンブリの第1実施例を示す図である。図4に示すスリーブ28に対応するハウジングスリーブ40内に、噴射装置本体38が配置されている。図1に示す噴射ポンプアセンブリは、往復プランジャ44とプランジャシリンダまたはボア46で構成される圧送チャンバ42を具える。プランジャ44の下端部はスプリングケージ50に受けられたスプリングショルダ48に連結されている。スプリング52が、噴射装置本体38に形成されたフォロワスプリング受け54に座している。このプランジャは図1に示すように、スプリング52により常時下側に付勢されている。スプリングケージ50は、図4のカムフォロワ16に対応するカムフォロワ56を移動させる。スプリングケージ50は、噴射装置本体38の下部から伸びるスリーブ58内に収容されている。
バルブチャンバ60が噴射装置本体38を横切って設けられており、その軸はプランジャの軸と直交している。制御バルブ62がこのバルブチャンバ60内に配置されている。制御バルブ62の環状溝64が、圧送チャンバ42からの高圧通路66と連通している。この通路66は、図4の管30に対応する高圧管および噴射ノズルに通じる出口フィッティング68に接続している。
符号70で示すソレノイドアクチュエータは、バルブ62の右側端部に連結された電機子72を具える。この電機子は、図1では見えないソレノイドアセンブリにより作動する。バルブ62は図1に示すように、通常バルブスプリング74によって左手方向に付勢されている。スプリング74は、バルブ62のショルダ部材76に座している。バルブ62は、噴射装置本体38のバルブ止めチャンバ80に収容されたバルブ止め78に向かってスプリングにより左手方向に付勢される。
チャンバ80は、噴射装置本体38の外周上の環状溝84に一部が規定される燃料リターン管82に連通している。この連通は噴射装置本体38内に形成された内部通路86により実現される。
スプリング74用のスプリングチャンバ88は、内部通路92を介して流入管90に連通している。流入管90はその一部が噴射装置本体38の環状溝93に規定される。バルブ止めチャンバ80は、図1で見えない内部通路を介してスプリングチャンバ88と流路で連通している。スプリングチャンバ88はまた、バルブ62内に形成された内部通路94と連通している。バルブ62がアクチュエータ70により閉位置にシフトされると、内部通路94がバルブ止めチャンバ80およびリターン管82に連通する。
噴射装置本体38には、プランジャシリンダまたはボア46に通じる漏出口96が形成されている。これはプランジャ44の上端部98と符号100で示す環状凹部(annular recess)との中間においてプランジャボア46と交わっている。漏出口96は、噴射装置本体38に形成された円形開口106に圧入固定された流路フィッティング104を介したゼロ圧リークオフ管102に連通している。環状凹部100は、プランジャがストロークされたときに漏出口96に接続し、これにより漏れ燃料がゼロ圧リークオフ管102から流出する。このリークオフ管102は、ゲージ圧ゼロの燃料タンクに通じている。
供給管90は、O−リングシール107、109により流体燃料の流路の他の領域から隔離されている。ゼロ圧漏出口96はO−リングシール109、111によりシステムの他の領域から隔離されている。
図2は、制御バルブ62の左側端部の拡大図である。この制御バルブは、図2に示すように、アクチュエータ70が励起されたときに噴射装置本体38に形成されたバルブ受け110に当接する円形のバルブランド108を具える。このとき、バルブランド108とバルブ止め78の表面114との間に僅かなギャップ112が形成される。バルブ62が図2に示す位置にあるとき、燃料は流入管90からバルブチャンバおよびスプリングチャンバ88を介してリターン通路86およびリターン管82に流れる。アクチュエータ70の電源が遮断されると、バルブスプリング74がバルブ62を左手方向に付勢し、これによりギャップ112が閉じ、リターン流路への通路66が開く。
バルブ62が閉じている場合、プランジャ98のストロークにより通路66に高い噴射圧が生成され、前述のとおりノズルに供給される。
図3は、バルブ62の右側端部の拡大図である。図3に示すように、電機子72がバルブ62の右側端部にねじコネクタ116により固定されている。スプリング74の右側端部は、アクチュエータ70の静止部を構成する環状スプリング受け118に座している。
図5は、本発明の別の実施例を示す図である。この例は、図4のエンジンハウジングスリーブ28に対応するエンジンハウジングスリーブ28’に搭載されている。図5の設計例では、燃料路は噴射装置本体38’に形成された燃料供給溝120に接続している。この燃料供給路は内部通路122を介して、図1のスプリングチャンバ88に対応するスプリングチャンバ88’に連通している。図1の構成要素であって図5の構成において対応する要素は同様の数字を付しているが、図5ではプライム符号を付して示す。
リターン管82が噴射装置本体38に形成された溝に連通している図1の設計とは異なり、図5のリターン流路は、符号124で示すように噴射装置38’の上端部に設けられている。図5におけるスプリングチャンバ88’とリターン流路124は、図5で見えない内部通路で連通している。図5の構成は、ある種のエンジン装置において図1の構成に比してパッケージングの利点がある。
図5では、ゼロ圧リークオフ流路が符号126で示されている。これはゼロ圧ドレイン溝128およびゼロ圧漏出口130に連通している。これらの漏出口130は、プランジャチャンバ46’においてプランジャ44’の上端部と環状溝100’の中間部に接続している。漏出口130はプランジャにより常時カバーされている。これらは戦略上、高圧チャンバ42’と、プランジャ44’を駆動するエンジンカムシャフト領域との間に配置され、これにより環状溝100’に貯まった漏れ燃料がゼロ圧流路126へ流れるようにしている。
さらなる別の実施例が図6に示されており、ゼロ圧漏出口130’’が、プランジャ44’’に対して図5に示すゼロ圧漏出口と同様の箇所に設けられている。図6では、図1および図5と共通する噴射装置の要素は同様の符号を付し、ダブルプライム符号で示している。
図6の設計では、リターン流路が噴射装置本体38’’のリターン環状溝134に通じている。燃料供給路は、図5の設計での燃料供給路とは異なり、符号136で示すように噴射装置本体38’’の上端部に配置されている。図1,5,6の実施例の動作モードは実質的に同じである。
図5の実施例での供給路の位置は、図1の実施例での供給路90の位置と同じである。図6の設計でのリターン流路の位置は、図5および図1の設計での供給流路の位置と同様である。これら3つの設計でのゼロ圧漏出口の配置は、プランジャボアに関して同様となっている。
図7,8,9は、本発明の更なる実施例を示す図である。これは、エンジンシリンダハウジングを変更することなく、例えば図4に示す種類のエンジンシリンダハウジングのアセンブリに適用可能である。図4に示すユニットポンプは、難なく図7,8,9に示すユニットポンプに置き換えることができる。図1,5,6に示す実施例のゼロ圧リークオフ流路またはリーク流路の構成は、図7,8,9のユニットポンプを用いることにより図4に示す同じエンジンキャスティングに組み込むことができる。図7,8,9の設計のゼロ圧リーク流路は、特別なエンジンキャスティングの加工を伴わずに、ユニットポンプからゼロ圧燃料タンクへの流路を形成する。
図8に示すように、本発明の更なる実施例のユニットポンプは、燃料流入口フィッティング144が形成された噴射装置本体140を具える。高圧流出口フィッティング146が、本体140の上端部に形成されている。本体140の下端部は、プランジャスプリング150を収容するスリーブ148の上端部に嵌合している。スプリングケージ152がスリーブ148内にスライド可能に収容されている。このスプリングケージ152の下端部は、図8において符号154で示すカムフォロワに連結されている。このカムフォロワは、図1の実施例のカムフォロワ56に対応する。
カムフォロワ154は、本体140内に形成されたプランジャシリンダまたはボアに収容されたプランジャ156に連結されている。このボアは、図8の断面外にあるため図8では示されていない。
フィッティング144から本体140のバルブチャンバへ通じる流入路の一部が符号158で示されている。ゼロ圧リーク流路160が、本体140を通り垂直方向に伸びている。その上端部において、リーク流路160はリーク流路口フィッティング162に接続している。リーク流路160の下端部は、プランジャ156を収容するプランジャシリンダまたはボアの中心線から概略放射状に延びるゼロ圧漏出口164に接続している。流路160の下端部はプラグ開口165内のプラグにより閉鎖されている。漏出口164の外側方向端部は、図9に最もよく示されるように、スリーブ148により閉鎖されている。
漏出口164は図1の実施例の漏出口96、図5の実施例の漏出口130、および図6の実施例の漏出口130’’に対応している。漏出口164は図9に最もよく示されており、漏出口164とゼロ圧リーク流路160の交わる部分が図示されている。
図7,8,9には、リターン流路溝が符号166で示されている。この溝166と接続する本体140のリターン流路の一部が、図7と9に符号168で示されている。
図9は、プランジャシリンダまたはボア172の上端部における高圧圧送チャンバまたはキャビティ170を示している。チャンバ170は、内部高圧通路174を通り高圧出口フィッティング146に接続している。
図7,8,9の設計におけるバルブチャンバが、図7に符号176として最もよく示されている。燃料供給路178がバルブチャンバ176の内壁に通じており、図8および9に示すように燃料流入口フィッティング144に接続している。このバルブチャンバは、図1,5,6のバルブアセンブリに対応するバルブアセンブリを収容している。バルブチャンバの大径部がバルブスプリングチャンバを規定しており、これが図1のスプリングチャンバ88と図5のスプリングチャンバ88’に対応する。バルブチャンバにおいてバルブスプリングチャンバと反対側の端部はバルブ止めチャンバを規定しており、この一部が図7に符号180として透過的に示されている。図1,5,6の実施例と同様に、バルブ止めチャンバ180は、図1のバルブ止め78、図5の実施例のバルブ止め78’、図6の実施例のバルブ止め78’’に対応するバルブ止めを収容している。バルブ止めチャンバ180はバルブ止めを包囲し、図7に最もよく示すように、符号168で示す内部通路を介して燃料リターン溝166に接続している。
ゼロ圧リーク流路160は、図7に符号184で示すゼロ圧コネクタに接続しており、このコネクタは図8に示すゼロ圧リーク流路口フィッティング162に収容されている。
図7には、バルブ止め周囲のチャンバ180をバルブチャンバ176の反対側のバルブスプリングチャンバに接続する横断流路186が示されている。
図7はまた、図7または8には示されていないが一般に図9の符号190で示されるソレノイドアクチュエータアセンブリを固定するマウントボルト188,188’、188’’を示している。
図7,8,9の設計の利点として、エンジンハウジングに変更を加えることなく既存のキャストエンジンに適用可能なことがある。ゼロ圧リークフローの特徴は、長いアイドル期間を伴う乗物用エンジンに好適に使用可能である。同じエンジンを、強いパワーを要し、高速で継続運用し比較的アイドル期間の率が少なく、リークフローの特徴がそれほど重要でない他のヘビーデューティーな乗物に使用してもよい。
ゼロ圧リークフローの特徴は、アイドル期間の率が高いエンジン使用、またはバスやゴミ回収トラックといった都市運送乗物のように頻繁に発進と停止を行うような場合にさらに有効となる。仮に、運行時間の大部分でスロットルを開けて連続的な高速走行を行う高速道路を走行する乗物に同じエンジンを用いた場合、噴射装置の圧送チャンバ内で生じる高い圧力により、往々にして、噴射装置本体において高圧圧送チャンバ領域の放射方向に僅かな歪みやひずみが生じるため、潤滑油の希釈化の可能性は減少する。この状況によりカムフォロワアセンブリに近いプランジャボア位置におけるプランジャの隙間が減少し、したがって漏れが減少することになる。
本発明の実施例を選択的に説明したが、当業者であれば本発明の目的を超えない範囲で様々な変更を施すことができるのは自明である。このような変更およびその等価物は添付の請求の範囲でカバーされる。
図1は、本発明の特徴を実現した噴射装置の断面図である。 図2は、図1に示す噴射装置用の制御バルブ受けの拡大図である。 図3は、図1に示す噴射装置における制御バルブとこの制御バルブ用の電磁ソレノイドアクチュエータの拡大図である。 図4は、公知のディーゼル機関の一部を示す部分断面図であり、噴射装置全体の構成と、噴射装置のプランジャ駆動用のカムシャフトと、ノズルと、エンジンの稼働シリンダとを示す。 図5は、本発明にかかる噴射装置の第1の変形例の断面図であり、リターン流路が噴射装置本体の上端部に設けられている例を示す。 図6は、本発明にかかる噴射装置の第2の変形例の断面図であり、噴射装置の燃料供給路が噴射装置本体の上端部であって制御バルブ用アクチュエータの近くに設けられている例を示す。 図7は、本発明の第3の変形例を示す等距離図であり、内部通路を透過状態で示す図である。 図8は、図7に示すユニットポンプ変形例の断面図である。 図9は、図7に示すユニットポンプ変形例の断面図であり、図8とは断面角度をオフセットさせた例を示す。

Claims (9)

  1. シリンダ形状の燃料圧送チャンバと、前記圧送チャンバ内に設けられ往復運動するプランジャと、前記圧送チャンバから噴射ノズルに通じる高圧燃料供給路とを具える内燃機関の燃料噴射ポンプアセンブリにおいて;
    前記燃料供給路の制御バルブと、前記圧送チャンバから噴射ノズルへの燃料供給を確立しまたは中断する制御バルブ用のアクチュエータと;
    前記機関に駆動され、前記プランジャと駆動可能に係合するカムを具え、前記プランジャを射出方向にストロークして高圧燃料を噴射ノズルに供給するカム機構であって、機関内の潤滑油に接触しているカム機構と;
    前記噴射装置本体内で制御バルブに接続している燃料供給流路と;
    前記噴射装置本体内で制御バルブに接続している燃料リターン流路と;
    前記噴射装置本体内のゼロ圧リーク流路と;
    前記ゼロ圧リーク流路が前記燃料供給流路および燃料リターン流路から独立かつ隔離されており;
    前記圧送チャンバに接続し、前記プランジャにかかる位置に設けられ、前記プランジャがストロークされた場合に当該プランジャによりカバーされるポンプ本体の1以上の燃料漏出口であって、前記ゼロ圧リーク流路に通じる漏出口と;
    前記プランジャが、前記高圧燃料供給路から噴射ノズルに燃料が供給されたときに前記圧送チャンバ内の燃料を移動させ;
    前記プランジャと圧送チャンバ間の所定寸法の隙間であって、前記プランジャがカム機構により圧送ストロークされて進んだときに前記圧送チャンバから前記漏出口へのリークフロー通路を構成し、これにより燃料がエンジン潤滑油と混ざるのを防止する隙間とを具えることを特徴とする燃料噴射ポンプアセンブリ。
  2. 請求項1に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記制御バルブ用のアクチュエータが、前記バルブがアクチュエータにより閉位置に転位したとき前記制御バルブを通る圧送チャンバからの燃料を高圧燃料供給路へ導き、前記バルブが開位置に転位したとき前記制御バルブを通る燃料供給流路からの燃料を圧送チャンバへ導くよう機関の動作を変化させる電子制御部の一部を形成するソレノイドを具えることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  3. 請求項1に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記リークフロー通路の一部が前記所定寸法の隙間により規定されており、前記ゼロ圧リーク流路が燃料供給タンクに通じていることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  4. 請求項1に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記リークフロー通路の一部が前記プランジャに形成された環によって規定されており、前記圧送プランジャがカム機構によりストロークされたときに前記環が前記漏出口に接続し、前記圧送プランジャ周囲の漏れ燃料が前記漏出口から逃げることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  5. 請求項2に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記リークフロー通路の一部が前記圧送プランジャに形成された環によって規定されており、前記圧送プランジャがカム機構によりストロークされたときに前記環が前記漏出口に接続し、前記圧送プランジャ周囲の漏れ燃料が前記漏出口から逃げることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  6. 請求項3に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記リークフロー通路の一部が前記圧送プランジャに形成された環によって規定されており、前記ポンププランジャがカム機構によりストロークされたときに前記環が前記漏出口に接続し、前記ポンププランジャ周囲の漏れ燃料が前記漏出口から逃げることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  7. 請求項1に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記機関が前記噴射装置本体を支持するよう構成されたエンジンハウジングを具え、前記ゼロ圧リーク流路が、前記漏出口から前記噴射装置本体を通り、前記エンジンハウジングの外側の前記噴射装置本体のリークフロー出口の位置まで延びていることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  8. 請求項7に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記ゼロ圧リーク流路が、前記漏出口から前記噴射装置本体を通り、前記プランジャのストローク方向にほぼ平行する方向に延びていることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
  9. 請求項8に記載の噴射ポンプアセンブリにおいて、前記リークフロー出口の位置にゼロ圧リーク流路を具え、これにより漏れ燃料が導管を通りゼロ圧タンクに戻ることを特徴とする噴射ポンプアセンブリ。
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