JP2012533010A - ポンプ装置 - Google Patents

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Abstract

本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置(101;201;201’)に関する。このポンプ装置は、入口弁(107;207)と、出口弁(109;209)と、燃料を供給するための供給ライン(111;211)と、ポンプ室(105;205;205’)と、ポンプ室(105;205;205’)内の燃料を加圧するためのプランジャ(119;217;217’)とを有する。入口弁は、第1の位置と第2の位置の間で移動可能な入口弁部材(113;221;221’)を備える。入口弁部材は、内部に形成された開口部(117;229)を有する。入口弁部材が第1の位置にあるときに、開口部(117;229)は、ポンプ室(105;205;205’)と供給ライン(111;211)の間に第1の流体経路を与え、入口弁部材が第2の位置にあるときに、開口部(117;229)は、ポンプ室(105;205;205’)と出口弁の間に第2の流体経路を与える。ポンプヘッドの材料は、400Gpaより大きいヤング率を有してもよい。
【選択図】図2

Description

本出願は、ポンプ装置に関する。より詳細には、本出願は、内燃機関向けの燃料噴射システム用のポンプ装置に関する。
内燃機関の効率を改善する必要性が増している。これらの必要性を満たすため、および新しい排ガス規制に従うために、ディーゼルエンジンの動作圧力は、増大し続けており、動作圧力3000バール(300MPa)が想定される。一方、これらの増加した動作圧力は、種々の技術的問題を引き起こす。
加圧された燃料を高圧マニホルドへ吐出する前に燃料圧力を上昇させるために、筒部内で動作するプランジャを備える燃料噴射ポンプ装置を提供することが知られている。しかし、既知のポンプ装置は、一般に、現在要求される増加した圧力で動作するのに適さない。この種類の従来技術のポンプ装置は、図1に示されており、以下詳細に説明される。
典型的には、既知のポンプ装置は、ポンプ室を封止するために静的封止部および動的封止部の組み合わせに依存する。しかし、ポンプ装置で生じる交互の圧力サイクルにより、製造工程中の小さな不正確でも、封止の失敗を引き起こす可能性がある。例えば、典型的には、低圧供給通路と圧力室を隔てるために、高圧静的封止部が設けられる。この封止部は、とても低いものからとても高いものへの周期的な圧力変化に会い、半径方向の膨張差の結果として、封止界面のそれぞれの側の表面同士の間に相対運動が引き起こされ得る。結果として生じる運動が、とても小さい場合でも、フレッティング摩耗および不具合が生じる可能性がある。
さらに、既知のポンプ装置の内部形状は、交差穴を含み得るものであり、これらにより、動作中に高い応力が引き起こされることになり得る。安全かつ信頼性の高い動作を確実にするために、ポンプヘッドは、動作中の応力を低減するために使用されるより高性能の材料または特殊な製造工程から形成されなければならないものであり得る。
高圧で動作することによって悪化させられるさらなる問題は、燃料漏れの増加であり、この燃料漏れの増加は、燃料消費をより大きくすることになり得る。ポンプ室内で発生する高圧は、筒部の半径方向の膨張になり得る。プランジャの対応する膨張はないので、プランジャを通り過ぎる燃料漏れが、生じる可能性がある。
ポンプの作動空間内で軸方向に移動可能なピストン、逆止(non-return)ピストン、およびシャットオフピストンを含む燃料噴射ポンプ装置を提供することが、EP12821861により知られている。逆止ピストンおよび遮断ピストンは共に、圧縮行程中に互いに係合するように移動可能である。したがって、燃料噴射ポンプは、ピストンが互いに封止部を形成することを必要とすると共に、圧縮行程中に封止部を形成するためのハウジングも必要とする。両ピストンの相対運動が制御されることを必要とすることは、理想的でない。また、2つの別個の封止部が必要とされるので、ポンプ作動空間からの漏れが増加する可能性がある。
少なくとも好ましい実施形態における(1つまたは複数の)本発明は、既知のポンプ装置に関連した問題のうちの少なくともいくつかを克服または改善しようとするものである。
第1の態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、このポンプ装置は、
入口弁部材と、出口弁と、燃料を供給するための供給ラインと、ポンプ室と、ポンプ室内の燃料を加圧するためのプランジャとを備え、
この入口弁部材は、第1の位置と第2の位置の間で移動可能であり、
入口弁部材が、内部に形成された開口部を有し、入口弁部材が第1の位置にあるときに、開口部が、ポンプ室と供給ラインの間に第1の流体経路を与え、入口弁部材が第2の位置にあるときに、開口部が、ポンプ室と出口弁の間に第2の流体経路を与える。したがって、供給ラインからポンプ室への燃料の供給、およびポンプ室から出口弁への燃料の供給は、ポンプ装置の動作サイクルの異なる段階中に、入口弁部材によって制御することができる。
少なくとも好ましい実施形態では、この配置は、別個の静的封止部および動的封止部を設ける必要性を不要にすることができる。好ましくは、入口弁部材は、供給ラインからポンプ室へ直接流体経路を与えることができ、それによってポンプ室と供給ラインの間に静的封止部を設ける必要性を排除する。
入口弁部材が第1の位置にあるときに、供給ラインとポンプ室の間の第1の流体経路は開放され、それによって燃料が、ポンプ室に入ることができる。ポンプ室に燃料が入ると、入口弁部材は、ポンプ室の内部を、出口弁と流体連通する状態に置くように第2の位置へ変位することができる。入口弁部材が第2の位置にあるときに、供給ラインとポンプ室の間の第1の流体経路は、少なくとも実質的に閉鎖されることが好ましい。最も好ましくは、入口弁部材が第2の位置にあるときに、入口弁部材は、第1の流体経路を少なくとも実質的に閉鎖するための封止部を形成する。したがって、入口弁部材が第2の位置にあるときに、ポンプ室は、出口弁と排他的に連通することが好ましい。
出口弁は、移動可能な出口弁部材と、出口弁本体とを備えることができる。入口弁部材が第2の位置にあるときに、入口弁部材は、出口弁本体との封止部を形成することができる。出口弁部材は、出口弁本体内で移動可能であり得る。出口弁本体は、例えば、出口弁本体をポンプヘッドと一体に形成することによって、または出口弁本体をポンプヘッドに固定取り付けすることによって、ポンプヘッドに対して固定することができる。動作時、出口弁本体は、ポンプヘッドに対して静止したままであり得るが、出口弁部材は、ポンプヘッドに対して移動可能であり得る。
出口弁部材は、出口を封止するために出口弁本体に形成された弁座に設置可能な不透過性部材である得る。例えば、出口弁部材は、球状弁ボールであってもよい。
好ましくは、入口弁部材が第2の位置にあるときに、入口弁部材は、出口弁の本体との封止部を形成する。この配置は、この配置がプランジャのヘッドから遠位の封止部が形成できることを意味するので有利である。したがって、高圧燃料がプランジャのヘッドで封止される従来技術の配置とは異なり、ヘッドに対する静的封止部は必要ではない。
使用時に、入口弁部材が、第1の位置から第2の位置へ移動するとき、入口弁部材は、プランジャが前進してポンプ室内の燃料を加圧するときのプランジャと同じ方向に移動することができる。また、入口弁部材が第2の位置から第1の位置に移動するとき、入口弁部材は、プランジャが後退して燃料をポンプ室に引き込むときのプランジャと同じ方向に移動することができる。
使用時に、ポンプ室内の流体は、プランジャによって加圧される。好ましくは、プランジャは、カムまたは他の適当な駆動手段によって駆動される。好ましくは、第1の位置と第2の位置の間の入口弁部材の移動は、ポンプ室内の流体の圧力によって制御される。入口弁戻しばねが、入口弁部材を第1の位置または第2の位置へ戻すために設けられてもよい。好ましくは、出口弁が、ポンプ室から高圧出口ラインまたはマニホルドへの加圧された流体の流れを制御する。
入口弁部材は、入口弁の一部を形成する。好ましくは、入口弁は、同心弁である。好ましくは、出口弁は、同心弁である。入口弁および出口弁は、ポンプ装置内の応力を減少させるように、共に同心弁であり得る。
入口弁部材に形成された開口部との流体連通を行うために、第2の開口部が、出口弁本体に形成されてもよい。入口弁部材が第2の位置にあるときに、入口弁部材は、出口弁本体に形成された第2の開口部の周囲に封止部を形成することができる。したがって、入口弁部材が第2の位置にあるときに、出口弁本体および入口弁部材の開口部は、互いにただ1つの流体連通で配置することができ、それによって第2の流体経路を画定する。入口弁部材の開口部および出口弁本体の開口部は、互いにほぼ同軸に形成することができ、適宜、プランジャとも同軸に形成することができる。
好ましくは、出口弁部材は、出口弁戻しばねによって閉鎖位置へ付勢される。好ましくは、入口弁部材および出口弁部材は、同じ方向に移動可能である。好ましくは、入口弁部材および出口弁部材は、ほぼ平行な複数の軸、またはより好ましくは共通の軸に沿って変位を受けるように配置される。
好ましくは、プランジャは、筒部内を移動する。好ましくは、封止部は、燃料が加圧されるときに筒部とプランジャの間の燃料漏れを低減または防止するためにプランジャと筒部の間に作成される。好ましくは、漏れた燃料を集めるための排流出口が設けられる。
好ましくは、ポンプ装置は、第1の材料で作製されるポンプヘッドを備える。好ましくは、挿入物が、ポンプ室の側壁を画定するようにポンプヘッドに設けられる。好ましくは、挿入物は、プランジャが移動する筒部を画定するためのスリーブの形態である。挿入物は、第1の材料より高いヤング率(E)を有する第2の材料で作製することができる。第2の材料は、400MPa以上または500MPa以上のヤング率を有し得る。この構成は、ポンプ室が加圧されるときにプランジャの周囲の漏れを低減することができる。
ポンプ装置は、ポンプ室を形成するためのスリーブまたはボアを有する押し棒(push rod)をさらに備えてもよい。この構成では、入口弁部材の本体部分は、スリーブまたはボアの中に延びて、燃料を加圧するためのプランジャとして働くことができる。
好ましい実施形態では、室または凹所が、ポンプ室を画定するように入口弁部材に形成されてもよい。使用時に、プランジャの端部は、ポンプ室の中に動作可能に延びることができる。好ましくは、使用時に、封止部が、ポンプ室を封止するようにプランジャと入口弁部材の間に形成される。
封止リングが、プランジャに移動可能に取り付けられてもよい。封止リングは、動的封止部を形成してプランジャを通り過ぎる漏れを低減または最小にすることを助けることができる。好ましくは、封止リングは、プランジャの周囲のポンプヘッドに形成された凹所内で軸方向に移動可能である。好ましくは、凹所は、環状である。封止リングは、ピストンリングの形態をとることができる。
さらなる一態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、このポンプ装置は、
入口封止リングと、ポンプ室と、ポンプ室内の燃料を加圧するためのプランジャとを備え、
入口封止リングは、プランジャに移動可能に取り付けられ、
封止リングは、ポンプ室と燃料を供給するための供給ラインの間に流体経路が与えられる第1の位置と、ポンプ室と供給ラインの間の流体経路が封止される第2の位置との間で移動可能である。少なくとも好ましい実施形態では、封止リングは、プランジャ用の封止として、およびポンプ室への流体の供給を制御するための入口弁としても、その両方で働くことができる。
好ましくは、使用時に、入口封止リングは、ポンプ室内の流体圧力の変化に応じて移動可能である。好ましくは、入口封止リングは、プランジャを取り囲んで延びる凹所内で軸方向に移動可能である。好ましくは、凹所は環状である。凹所は、例えば、ポンプ室を画定するポンプヘッドに形成することができる。
好ましくは、第2の位置にあるときに、入口封止リングは、環状凹所の面または端壁に当接して封止部を形成し、それによってポンプ室と供給ラインの間の流体経路を閉鎖する。
よりさらなる態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、このポンプ装置は、入口弁部材を含む入口弁と、出口弁部材を含む出口弁とを備え、入口弁部材および出口弁部材は、共通の軸に沿って移動可能である。少なくとも好ましい実施形態では、入口弁および出口弁の同軸の配置は、従来技術の構成よりも本来的に強い。
またさらなる態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、このポンプ装置は、入口弁と、出口弁と、ポンプ室内に移動可能に取り付けられるプランジャとを備え、出口弁は、出口弁部材を含み、プランジャおよび出口弁部材は、共通の軸またはほぼ平行な複数の軸に沿って移動可能である。
好ましくは、入口弁は、入口弁部材を含む。好ましくは、入口弁部材は、プランジャおよび出口弁部材が沿って移動可能な軸にほぼ平行である軸、またはプランジャおよび出口弁部材が沿って移動可能な軸とほぼ一致する軸に沿って移動可能である。
よりまたさらなる態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、このポンプ装置は、入口弁部材と、出口弁と、燃料を供給するための供給ラインと、押し棒とを備え、入口弁部材は、第1の位置と第2の位置の間で移動可能であり、室は、ポンプ室を画定する押し棒に形成され、入口弁部材が第1の位置にあるときに、このポンプ室は、供給ラインと流体連通し、入口弁部材が第2の位置にあるときに、ポンプ室は、出口弁と流体連通する。好ましくは、使用時に、入口弁部材の一部は、ポンプ室の中に延びてプランジャとして働く。
さらなる一態様を見ると、本出願は、燃料噴射システム用のポンプ装置に関し、ポンプ装置は、供給ラインからポンプ室への燃料の供給を制御するための入口弁と、ポンプ室から高圧出口ラインへの加圧された燃料の供給を制御するための出口弁とを備え、入口弁は同心弁であり、かつ/または出口弁は同心弁である。
上記概説の通り、現在のポンプシステムに関連したさらなる問題は、プランジャより勝って増加した動作圧力が筒部を膨張させ、それによってプランジャと筒部の間の隙間を増加させることである。これによって燃料漏れ量を増加させ、結果として寄生出力損(parasitic power loss)および燃料消費を増加させる。
よりさらなる態様を見ると、本出願は、燃料噴射ポンプ用のポンプヘッドであって、ポンプ室がポンプヘッドに形成され、挿入物がポンプ室の側壁の少なくとも一部を画定するように設けられ、ポンプヘッドが第1の材料で作製され、挿入物が第2の材料で作製され、第2の材料が第1の材料よりも高いヤング率を有するポンプヘッドに関する。この構成は、本明細書に記載された(1つまたは複数の)他の発明とは独立して特許を受けられると考えられる。典型的には、挿入物は、内部をプランジャが往復運動するスリーブまたは筒部である。有利には、より高いヤング率を有する材料から挿入物を形成することによって、挿入物の膨張は、低減することができる。
挿入物は、400MPa以上または500MPa以上のヤング率を有し得る。挿入物を形成するのに適した材料は、約550MPaのヤング率を有する超硬合金である。所望の特性を有する挿入物を設けることによって、ポンプヘッドの残りのものがより低性能の材料から形成され得るモジュール設計が、実現できる。
さらに、当業者は、周りの材料よりも高いヤング率を有する挿入物を設ける構成は、特に油圧システムにおいて、他の応用に適していることを理解するであろう。さらなる一態様を見ると、本出願は、本体部分を含む油圧システムであって、移動可能な部材を受容する室が、本体部分に設けられ、挿入物がこの室の側壁の少なくとも一部を画定するように本体部分に設けられ、本体部分が第1の材料で作製され、挿入物が第2の材料で作製され、第2の材料が第1の材料よりも高いヤング率を有する油圧システムに関する。好ましくは、使用時に、移動可能な部材は、挿入物と協働して封止部を形成する。油圧システムは、例えば、制御弁または噴射装置ノズルであってもよい。本体部分は、油圧システムのためのハウジングまたはケーシングであってもよい。
よりさらなる態様を見ると、本出願は、燃料噴射ポンプ用のポンプヘッドに関し、ポンプヘッドが、内部に配置されるプランジャと協働するための側壁を有するポンプ室を備え、少なくともポンプ室の側壁を画定するポンプヘッドの領域が、400MPa以上のヤング率を有する材料で形成される。400MPaより大きいヤング率を有する材料を使用することによって、動作中にポンプ室の膨張を低減することができる。ある実施形態では、この材料は、より高いヤング率、例えば500MPa以上を有し得る。
ポンプヘッド全体は、特定のヤング率(すなわち、400MPaまたは500MPA以上)を有する材料で形成することができる。代替として、ポンプヘッドの一部だけが、この特性を有してもよい。特定のヤング率を有する例えばスリーブの形態の挿入物が、設けられてもよい。
挿入物は、400MPa以上または500MPa以上のヤング率を有してもよい。挿入物を形成するのに適した材料は、約550MPaのヤング率を有する超硬合金である。
本明細書に記載されたような燃料をポンプ装置に供給するための供給ラインは、燃料を1つまたは複数のポンプ装置に供給するための供給通路であってもよいことが理解されよう。同様に、出口ラインは、本明細書に記載されたように、1つまたは複数のポンプ装置を接続する出口マニホルドであってもよい。
次に、(1つまたは複数の)本発明の好ましい実施形態が、添付図面を参照して、ほんの一例として説明される。
従来技術のポンプ装置の概略図である。 本発明によるポンプ装置の第1の実施形態を示す図である。 図3Aは、第1の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図3Bは、第1の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図3Cは、第1の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図3Dは、第1の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 本発明によるポンプ装置の第2の実施形態を示す図である。 図5Aは、第2の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図5Bは、第2の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図5Cは、第2の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 図5Dは、第2の実施形態によるポンプ装置の動作サイクルにおけるステップを示す図である。 本発明の第2の実施形態の第1の変形例を示す図である。 本発明の第2の実施形態の第2の変形例を示す図である。 本発明の第3の実施形態によるポンプ装置を示す図である。 内部をプランジャが移動する筒部を画定するようにポンプヘッドに挿入されたスリーブを有するポンプ装置を示す図である。
従来技術のポンプ装置1が、図1に示されている。ポンプ装置1は、ポンプ室5を含むポンプヘッド3と、入口弁7と、出口弁9とを備える。典型的には、ポンプヘッド3は、ポンプヘッド3が、単一部品に形成、例えば一部品の鋳造物として形成されることを意味する「モノブロック」構造である。
入口弁7は、移動可能な入口弁部材11と、入口弁戻しばね13と、入口弁本体15と、入口弁プラグ17とを備える。入口弁部材11は、低圧供給通路19からポンプ室5への燃料の供給を制御するために、開放位置と閉鎖位置の間で移動可能である。入口絞り弁(metering valve)VINが、燃料の供給を制御するために、低圧供給通路19と連通して設けられる。
入口弁7は、2つの静的封止部を有し、すなわち、入口弁本体15に設けられる第1の高圧静的封止部、および入口弁プラグ17に設けられる第2の低圧静的封止部である。高圧静的封止部は、何百万サイクルにわたってとても低いレベルととても高いレベルとを繰り返す圧力に曝される。弁本体15の半径方向の膨張差および封止界面のそれぞれの側の表面同士の間のポンプヘッド3の相対運動が生じ得ることによって、この運動が極めて小さい(すなわち、数ミクロン)である場合でも、フレッティング摩耗および不具合が生じ得る。
出口弁9は、移動可能な出口弁部材21と、出口弁戻しばね23と、出口弁プラグ25とを備える。出口弁9は、ポンプ室5から高圧出口通路27への燃料の供給を制御する。出口弁9は、やはり高圧静的封止部を有するが、この高圧静的封止部は、圧力変動による封止界面での部品の動きによって失敗する場合があり、外部燃料漏れになる可能性がある。入口弁7と出口弁9の両方の静的封止表面は、それら静的封止表面がポンプヘッド3と一体であるため機械加工が難しく、典型的には加工費用がより高くなる。
プランジャ29が、ポンプ室5内の燃料を加圧するために設けられる。プランジャ29は、ポンプヘッド3に形成された筒部31内で軸方向に移動可能である。典型的には、プランジャ29は、回転可能なカム軸に取り付けられたカム(図示せず)によって駆動される。プランジャ29の外側の周りを回ってポンプ室5から逃げる燃料を集める低圧排流通路33が設けられる。
使用時に、燃料は、低圧供給通路19から入口弁7を介してポンプ室5に供給される。第1の段階中、プランジャ29は、ポンプ室5内で後退させられ、燃料が、供給通路19からポンプ室5に引き込まれる。供給通路19とポンプ室5の間の圧力差が、入口弁部材11が開放位置に変位させられる、または開放位置に留まることを確実にする。次の段階では、プランジャ29は、ポンプ室5の中に前進させられ、ポンプ室5内の燃料圧力が増加することになり、これによって入口弁部材9が、入口戻しばね11の作用に応じて閉鎖位置に変位することが可能になる。プランジャ29の継続的な前進は、ポンプ室5内の圧力をさらに増加させ、圧力が高圧出口通路27内の圧力より大きくなると、出口弁部材21が開放位置に変位させられ、加圧された燃料が高圧出口通路27を通じてポンプ室5から退出することを可能にする。次いで、これらのステップが、ポンプサイクルごとに順序通りに繰り返される。
出口弁9は、(90°で定められる)交差穿孔によってポンプ室5に接続される。しかし、この形状は、動作中の応力の増加となり得る。応力が低減できるように、交差穴の縁部に丸みを付けるために費用のかかる機械加工が必要とされ得る(作業の手が届きにくいことが従来の機械加工を不適当にさせ得るので、例えば、砥粒流動加工が使用され得る)。さらに、ポンプ装置に関する増加した圧力性能は、交差式の形状を用いるのでは応力を十分に低く抑えることができないことを意味し得る。
入口弁ばね13は、高圧ポンプ室5の内部に収容される。しかし、この構成は、死容積を減少させることが難しく、このことは体積効率および機械効率の減少をもたらす可能性があるという欠点を有する。
ポンプヘッド3は、高圧静的封止部およびプランジャ穴を収容する単一の構成要素であることが理解されよう。そのため、多数のプロセスが、ポンプヘッド3に行われなければならず、スクラップ率およびスクラップ費用が高くなる可能性がある。加えて、ポンプヘッド3を形成する材料は、ほんのいくつかの小さな領域でとても高い応力を受け、ポンプヘッド3の体積の大部分(およそ90%または約2キログラム)は、低い応力であることを意味する。結論は、ポンプヘッド3の大部分にとっては、より低性能の材料で十分であるときに、より高性能の材料が使用されなければならないということである。
さらに、使用時に、筒部31は、ポンプ室5内の圧力が増大するにつれて膨張し得る。この膨張は、燃料が、プランジャ29を通り過ぎて漏れることを可能にし、ポンプ装置1の効率を減少させる結果になり得る。プランジャ29の周りを回って漏れる燃料は、低圧排流通路33内に集められる。
本発明の第1の実施形態によるポンプ装置101が、図2に概略的に示される。ポンプ装置101は、ポンプヘッド103と、ポンプ室105と、入口弁107と、出口弁109とを備える。複数のポンプ室105が、ポンプヘッド103に形成されてもよいが、簡潔にするために、たった1つのポンプ室105が、本明細書に記載されることが理解されよう。
入口弁107が、低圧供給通路111からポンプ室105へ燃料の供給を制御するために設けられる。入口弁107は、ポンプヘッド103内に形成された低圧力室115内に設置される入口弁部材113を備える。入口弁107が、同心弁の形態であるように、低圧力室115は、入口弁部材113の直径よりも大きい直径を有する。入口弁部材113は、鋼鉄などの従来の材料で形成されてもよい。しかし、好ましくは、入口弁部材113は、高いヤング率を有する材料、例えば超硬合金から形成される。
入口絞り弁VINは、燃料の供給を制御するために、低圧供給通路111と連通して設けられる。
入口弁部材113は、第1の端部で部分的に閉鎖された一部品のスリーブであり、スリーブの内部は、ポンプ室105を画定する。開口部117が、入口弁部材113の第1の端部に設けられる。入口弁部材113の内部は、ポンプ室105内の燃料を加圧するためのプランジャ119を受容するように第2の端部で開放されている。封止部は、ポンプ室105を封止するようにプランジャ119と入口弁部材113の間に形成される。
プランジャ119は、ポンプヘッド103に形成された筒部121内で往復運動する。本実施形態における筒部121は、ポンプヘッド103に形成された穴である。封止部は、知られたやり方でプランジャ119と筒部121の間に形成される。プランジャ119と筒部121の間に示された間隙が、図面の分かりやすさを改善するためのものであり、ポンプ装置101を代表するものではないことを、当業者は理解するであろう。
入口弁部材113は、(図2に示すように)入口弁107が開放される第1の位置から入口弁107が閉鎖される第2の位置へ軸方向に移動可能である。入口弁戻しばね123は、入口弁部材113を、入口弁107が閉鎖される第2の位置へ付勢するように設けられる。入口弁部材113が第1の位置にあるときに、入口通路111および低圧力室115は、開口部117を介してポンプ室105と流体連通して、燃料がポンプ室105に入ることを可能にする。入口弁部材221が第2の位置にあるとき、ポンプ室105は、開口部117を介して出口弁109と排他的に流体連通して、ポンプ室105内の燃料が加圧されることを可能にする。
出口弁109は、ポンプ室105から高圧マニホルド125への加圧された燃料の供給を制御する。出口弁109は、出口弁本体127と、出口弁部材129と、出口弁戻しばね131とを含む。出口弁部材129は、出口弁109を開閉するために軸方向に移動可能である。
環状突出部133が、開口部117の周囲で入口弁部材113の上面に形成される。突出部133は、出口弁本体127に接触する鋭い縁部を画定することができる。しかし、好ましくは、突出部133は、封止部を形成するように出口弁本体127に接触する平面を画定する。入口弁部材113が第2の位置にあるときに、突出部133は、出口弁本体127に当接して、出口弁109への入口の周囲に封止部を形成し、それによってポンプ室105を封止する。2つ以上の環状突出部133が設けられてもよいことが理解されよう。例えば、2つの環状突出部133が、内側封止部および外側封止部を形成するように設けられてもよい。
プランジャ119の外側の周りを回ってポンプ室105から逃げる燃料を集める低圧排流通路135が設けられる。この漏れば、ポンプ室105内の燃料の加圧によって引き起こされる筒部121の膨張の結果として生じ得る。排流通路135内の上流の漏れた燃料の圧力を増加させるために、排流流れ絞りDOUTが、排流通路135と流体連通して設けられる。
次に、ポンプ装置101の動作が、図3A〜図3Dを参照して説明される。
燃料は、低圧供給通路111を通じてポンプ装置101に供給される。図3Aに示されているように、第1の段階中、プランジャ119は、ポンプ室5内で後退させられ、ポンプ室105内の圧力を減少させ、入口弁部材113を入口弁107が開放される入口弁部材113の第1の位置へ移動させる。この段階中、燃料が、低圧供給通路111からポンプ室105に引き込まれる。
図3Bに示されるように、第2の段階中、プランジャ119は、前進させられ、それによって開口部117を通じての燃料の流れの方向を逆にさせ、ポンプ室105と低圧供給通路111の間の圧力差の切り換えを引き起こす。入口戻しばね123の付勢と相まって圧力の変化が、突出部133が出口弁本体127に当接するように入口弁部材113をその第2の位置に変位させる。突出部133は、開口部117の周囲に封止部を形成し、それによって低圧力室115とポンプ室105の間の流体経路を閉鎖する。図3Cに示すように、それによってポンプ室105は封止され、ポンプ室105内の燃料は、プランジャ117の継続的な前進によって加圧される。
ポンプ室105内の圧力が、高圧マニホルド125の圧力を超えるとき、出口弁部材129は、出口弁戻しばね131の作用に逆らって出口弁本体127から離座させられ、出口弁109は開放され、それによって加圧された燃料が、ポンプ室105から高圧マニホルド125へ吐出可能になる。
本実施形態による入口弁部材113の配置は、ポンプ室105および入口弁107が、1つの構成要素に組み合わされることを可能にすることが理解されよう。有利には、これによって入口弁組立体から高圧静的封止部をなくす。また、入口弁戻しばね123が、ポンプ室105から低圧系へ移動することができ、少なくとも好ましい実施形態では、死容積が減少させることができ、効率が改善される。
本実施形態では、入口弁部材113、出口弁部材129、およびプランジャ119は、全て同軸に移動可能である。また、出口弁109への入口および入口弁部材113の開口部117は、同軸に延びる。したがって、ポンプ装置101の動作中の応力は、減少させることができ、製造プロセスが簡素化される。
本発明の第2の実施形態によるポンプ装置201が、図4に示される。ポンプ装置201は、ポンプヘッド203と、ポンプ室205と、入口弁207と、出口弁209とを備える。燃料は、低圧入口通路211からポンプ室205へ供給され、ポンプ室205から高圧マニホルド213へ吐き出される。
入口絞り弁VINが、燃料の供給を制御するために、低圧供給通路211と連通して設けられる。低圧排流通路215は、ポンプ室205から漏れる燃料を集めるために設けられる。適宜、排流流れ絞りDOUTが、排流通路215内の上流の燃料を加圧するために、排流通路215と流体連通して設けられてもよい。
プランジャ217は、ポンプ室205内の燃料を加圧するために設けられる。プランジャ217は、ポンプヘッド203内に設置される筒部219内で軸方向に移動可能であり、プランジャ217と筒部219の間の封止部が、知られたやり方で形成される。本実施形態における筒部219は、ポンプヘッド203に挿入されたスリーブである。筒部219は、ポンプヘッド203を形成する材料の残りのものよりも高いヤング率を有する材料で作製される。これは、それによってプランジャ217の周囲の漏れを低減できるので有利である。筒部219を形成するのに適した材料は、鋼鉄のヤング率の約2.5倍である、550MPaのヤング率を有する超硬合金である。筒部219を形成するスリーブは、筒部219がポンプヘッド203に直接形成されるように省略することができることを理解されよう。
入口弁207は、ポンプ室205内への燃料の流れを制御するための入口弁部材221を含む。入口弁部材221は、(図4に示すように)入口弁207が開放される第1の位置から入口弁207が閉鎖される第2の位置へ軸方向に移動可能である。入口弁部材221は、筒部219内に封止設置される円筒形の本体部分223と、燃料が入口通路211から中に供給される低圧力室227に配置されるヘッド部225とを備える。開口部229は、入口弁部材221の本体部分223とヘッド部225との両方を通じて軸方向に延びる。低圧力室227は、入口弁部材221のヘッド部225より大きい直径を有し、入口弁207が同心弁の形態をとるようになっている。
入口弁部材221が第1の位置にあるときに、入口通路211および低圧力室227は、開口部229を介してポンプ室205と流体連通して、燃料がポンプ室105に入ることを可能にする。入口弁部材221が第2の位置にあるときに、ポンプ室205は、開口部229を介して出口弁209と排他的に流体連通して、ポンプ室105内の燃料が加圧されることを可能にする。戻しばね231は、入口弁部材221を第2の位置へ付勢するように設けられる。
出口弁209は、本発明の第1の実施形態のものとほぼ変わらず、出口弁本体233と、出口弁部材235と、出口戻しばね237とを備える。第1の実施形態と同様に、出口弁209は、ポンプ室205から高圧マニホルド213への加圧された燃料の供給を制御する。出口弁部材235は、出口弁209を開閉するために軸方向に移動可能である。
環状突出部239が、出口弁209への入口の周囲に封止部を形成するように、出口弁本体233に当接する入口弁部材221の上面に形成される。それによって突出部239は、低圧供給通路211とポンプ室205を隔てるように封止部を形成することができる。突出部239は、出口弁本体233に接触する鋭い縁部を画定することができる。しかし、好ましくは、突出部239は、出口弁本体に接触する平面を画定する。2つ以上の突出部239が設けられてもよいことが理解されよう。例えば、2つの突出部239が、内側封止部および外側封止部を形成する同心表面を画定するように設けられてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態によるポンプ装置201の動作が、図5A〜図5Dを参照して説明される。
図5Aに示すように、第1の段階中、プランジャ217は、ポンプ室205内で後退させられ、ポンプ室205内の圧力を減少させ、入口弁部材223を第1の位置へ移動させる。それによって入口弁207は開放され、燃料が、低圧供給通路211からポンプ室205に引き込まれる。
第2の段階中、図5Bに示すように、プランジャ217は、ポンプ室205の中に前進させられ、ポンプ室205内の圧力の増加を引き起こす。ポンプ室205と低圧力室227の間の圧力差の切り換えは、図5Cに示すように、入口弁部材223が、第2の位置に変位させることを可能にし、この第2の位置で、環状突出部239が出口弁本体233に当接し、入口弁207を閉鎖し、低圧供給通路211とポンプ室205の間の流体連通を防ぐ。それによってポンプ室205は封止され、プランジャ217の継続的な前進によって、ポンプ室205内の燃料を加圧する。ポンプ室205内の燃料圧力が、高圧マニホルド213の圧力を超えると、図5Dに示すように、出口弁209は、出口戻しばね237の作用に逆らって開放され、加圧された燃料は、ポンプ室205から高圧マニホルド213へ退出する。
第2の実施形態は、ポンプ室205および入口弁207が別個の構成要素であるという点において第1の実施形態とは異なる。このことは、少なくとも好ましい実施形態では、入口弁207が比較的小さく作製でき、その質量が減少させられて、動的性能の改善を実現するという利点をもたらす。入口弁207および出口弁209の同心配置は、応力負荷を減少させると共に、ポンプ装置201の死容積を減少させるのを助けることもできる。
プランジャ217が前進させられるときの筒部219の膨張により、ポンプ室205内の燃料は、プランジャ217を通り過ぎて逃れる可能性がある。この漏れは、低圧排流通路215内に集められる。
第2の実施形態によるポンプ装置201の変形例であるポンプ装置201’が、図6に示されている。簡潔にするために、同じ参照符号が、同じ構成要素に用いられている。
ポンプ装置201’は、ポンプ室205’から低圧排流通路215’への漏れを減少させるのを助けるためにピストンリング241を備える。ピストンリング241は、ポンプヘッド203’に形成された同心凹所243内に設置され、プランジャ217’に沿って軸方向に移動可能である。
プランジャ217’が前進するにつれて、ポンプ室205内の’増加した圧力が、ピストンリング241が凹所243の底面245に着座するようにピストンリング241を下方に(すなわち、プランジャ217’の移動の方向と逆方向に)変位させる。ピストンリング241の外側に作用する燃料圧力は、ピストンリング241が膨張するのを防ぎ、ピストンリング241をプランジャ217’の周囲で収縮させることができる。したがって、第1の封止部が、ピストンリング241と凹所243の底面245との間に形成され、第2の封止部が、プランジャ217’とピストンリング241の内面との間に形成されることが理解されよう。このようにして、ピストンリング241は、ポンプ室205’を封止するために2つの面に封止部を形成する。
使用時に、ピストンリング241が、あらゆる面でポンプ圧力に曝されるので、内部だけ圧力に曝される従来の筒部219とは異なり、ピストンリング241は、半径方向に膨張しない。したがって、ピストンリング241は、圧力が増加するときに半径方向に膨張せず、よってリング241とプランジャ217’の間の隙間は小さく保たれ、漏れは低減することができる。このようにして、ピストンリング241は、プランジャ217’の周囲の漏れを低減または最小にすることができる。少なくとも好ましい実施形態では、この構成は、寄生エネルギー損を最小にし、システム効率(燃料消費)を改善するのを助けることができる。
ピストンリング241によって加えられる圧力勾配を制御することが難しいと分かる可能性があることが想定される。具体的には、ピストンリング241の内部の圧力が、高圧側から低圧側へ減少しているときに確立される圧力勾配がある。このことは、圧力が、内側から外側まで完全に等しくならない場合があり、ピストン241が、半径方向に圧縮し、プランジャ217’を把持する可能性があることを意味する。このことは、(摩擦の増大により)耐久性および効率の理由で望ましくないものであり得る。この問題に対処するのを助けるために、このリングは、圧力平衡を改善し、半径方向圧縮を低減させる内側プロファイルを含むように開発することができる。加えて、このリングは、半径方向圧縮を低減させるために、より高いヤング率の材料で作製することができる。
第2の実施形態によるポンプ装置201のさらなる変形例であるポンプ装置201”が、図7に示されている。簡潔にするために、同じ参照符号が、同じ構成要素に用いられている。
この構成におけるポンプ装置201”は、プランジャ217が、押し棒249に置き換えられるように修正される。スリーブ251が、ポンプ室205”を形成するために、押し棒249の端部に設けられる。入口弁部材221”の本体部分223”は、ポンプ内の燃料を加圧するためのプランジャとして働くように、押し棒249に設けられたスリーブ251内に摺動可能に設置される。
先の実施形態と同様に、入口弁部材221”は、ポンプ室205”に出入りする燃料の供給を制御するために、第1の位置と第2の位置の間で移動可能である。入口弁部材221”がその第1の位置にあるときに、低圧供給通路211”からポンプ室205”への第1の流体経路が開放される。入口弁部材221”がその第2の位置にあるときに、第1の流体経路は閉鎖され、ポンプ室205”から出口弁209”への第2の流体経路が開放される。したがって、入口弁部材221”が第2の位置にあるときに、ポンプ室205”は、開口部225”を介して出口弁209”と排他的に連通する。戻しばね231”は、入口弁部材223”を第2の位置に向けて付勢するように設けられる。次に、ポンプ装置201”の動作が説明される。
第1の段階中、押し棒249は、後退させられ、ポンプ室205”内の圧力を減少させ、入口弁部材221”を第1の位置へ移動させる。それによって入口弁207”は開放され、燃料が、低圧供給通路211”からポンプ室205に引き込まれる。
第2の段階中、押し棒249は、前進させられ入口弁部材221”の本体部分223”は、スリーブ251の中に導入させられる。これにより、ポンプ室205”内の燃料圧力が増加することになる。ポンプ室205”と低圧力室227”の間の圧力差の切り換えは、入口弁部材221”が、第2の位置に変位させられることを可能にする。それによって、入口弁部材221”のヘッド部225”に形成された環状突出部239”が、出口弁本体233”に当接し、入口弁207”が閉鎖され、ポンプ室205”を封止し、低圧供給通路211”との流体連通を防ぐ。押し棒249の継続的な前進は、封止されたポンプ室205”内の燃料を加圧する。ポンプ室205”内の燃料圧力が、高圧マニホルド213”の圧力を超えると、出口弁209”は解放され、加圧された燃料が、ポンプ室205”から開口部229”および出口弁209”を通じて高圧マニホルド213”へ退出する。
この変形構成は、入口弁209”の大きさの減少を可能にする。しかし、入口弁部材221”は、押し棒249が後退させられるときに、スリーブ251に係合状態で留まるのに十分長いことが必要であることが理解されよう。
次に、本発明の第3の実施形態によるポンプ装置301が、図8を参照して説明される。
ポンプ装置301は、ポンプヘッド303と、ポンプ室305と、入口弁307と、出口弁309とを備える。本実施形態では、入口弁307は、ピストンリング311と、ピストンリング戻しばね313とを備え、両方ともポンプヘッド303に形成された環状凹所315内に設置される。
燃料の供給は、低圧供給通路317から、プランジャ321を取り囲んで設けられた第1の環状室319の中に行われる。第1の環状室319は、ピストンリング311の第1の側部に開放されている。低圧排流通路323は、やはりプランジャ321を取り囲んで延在する第2の環状室325に接続される。
第1の環状室319および第2の環状室325は、環状の突縁327によって互いから隔てられており、この環状の突縁327は、ピストン321にその円周の周りで封止係合する。ポンプ室305は、燃料が、プランジャ321を取り囲むポンプ室305に入ることを可能にするようにプランジャ321の直径よりも大きい直径を有する。
入口絞り弁VINが、燃料の供給を制御するために、低圧供給通路317と連通して設けられる。排流通路323内の上流の燃料圧力を増加させるために、排流流れ絞りDOUTが、排流通路323と流体連通して設けられる。
(図7に示すように)ピストンリング311は、上昇位置と、環状凹所315の底面329に当接する着座位置との間で移動可能である。ピストンリング311が、上昇位置にある場合、低圧供給通路317は、ポンプ室305と流体連通し、したがって、入口弁307は開放される。ピストンリング311が、着座位置にある場合、ポンプ室305は封止され、したがって入口弁307は閉鎖される。
出口弁309は、本明細書に記載された先の実施形態とほぼ変わらず、出口弁本体331と、出口弁部材333と、出口戻しばね335とを備える。出口弁309は、ポンプ室305から高圧マニホルド337への燃料の流れを制御する。
次に、第3の実施形態によるポンプ装置301の動作が説明される。
第1の段階中、プランジャ321は、ポンプ室305内で後退させられ、それによってポンプ室305内の圧力を減少させる。ポンプ室305内の圧力が、低圧供給通路317内の圧力未満であるとき、ピストンリング311は、環状凹所315の底面329から上がり、入口弁307を開放して燃料がポンプ室305に入ることを可能にする。
第2の段階中、プランジャ321は、ポンプ室305の中に前進させられ、ポンプ室305内の圧力の増加を引き起こし、これによってピストンリング311を、環状凹所315の底面329に当接すると共に入口弁307を閉鎖する着座位置に復帰させる。それによってポンプ室305は封止され、プランジャ321の継続的な動きによって、高圧マニホルド337内の圧力よりも高くなるまでポンプ室305内の圧力を増加させる。次いで、出口弁部材333は、出口戻しばね335の作用に逆らって離座させられ、出口弁309は開放して、加圧された燃料が、ポンプ室305から高圧マニホルド337の中に吐出されることを可能にする。
本発明の第3の実施形態によるポンプ装置301は、漏れを低減するためにプランジャ321の周囲の封止を行うと共に入口弁307の機能も果たすピストンリング311を使用することが有利である。したがって、ポンプ装置301内の構成要素の個数は、削減することができる。
内部をピストン217が往復運動する筒部219を画定するように挿入物がポンプヘッド203に設けられる第2の実施形態による構成は、本明細書に記載された(1つまたは複数の)他の発明とは独立して特許を受けられると考えられる。実際には、従来技術のポンプ装置1は、筒部31を画定するように超硬合金で作製されるスリーブを組み込むように修正されてもよいと考えられる。もちろん、他の材料が、スリーブ用に用いられてもよいが、ただし、それらは、ポンプヘッド3を形成する材料のヤング率よりも高いヤング率を有する。
修正されたポンプ装置1’は、図9に示されており、同じ参照符号が、同じ構成要素に用いられている。超硬合金スリーブ33は、プランジャ29’を受容するようにポンプヘッド3’に固定的に取り付けられる。スリーブ33は、ポンプ室5内の増加した圧力による膨張を受けにくくすることが可能であり、したがって、プランジャ29’の周囲の燃料の漏れが低減される。ポンプ装置1’の動作は、本明細書に前述したポンプ装置1’の動作と変わらないままである。
本明細書に記載された複数のポンプ装置1’;101;201、201’;201”;301は、ポンプの能力を向上させるために2つ以上の配列で配置されてもよいことが理解されよう。また、本明細書に記載された様々な実施形態におけるプランジャは、カム軸または他の適当な機械もしくは 電気機械的駆動手段によって駆動されてもよいことが理解されよう。
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正が、本明細書に記載された実施形態になされてもよいことが理解されよう。

Claims (15)

  1. 入口弁部材(113;221;221’;221”)と、出口弁(109;209;209”)と、燃料を供給するための供給ライン(111;211;211”)と、ポンプ室(105;205;205’;205”)と、前記ポンプ室(105;205;205” 205’)内の燃料を加圧するためのプランジャ(119;217;217’;223”)とを備え、
    前記入口弁部材(113;221;221’;221”)が、第1の位置と第2の位置の間で移動可能である、燃料噴射システム用のポンプ装置(101;201;201’;201”)であって、
    前記入口弁部材(113;221;221’;221”)が、内部に形成された開口部(117;229;229”)を有し、前記入口弁部材(113;221;221’;225”)が前記第1の位置にあるときに、前記開口部(117;229;229”)が、前記ポンプ室(105;205;205’;205”)と前記供給ライン(111;211;211”)の間に第1の流体経路を形成し、前記入口弁部材(113;221;221’;221”)が前記第2の位置にあるときに、前記開口部(117;229;229”)が、前記ポンプ室(105;205;205’;205”)と前記出口弁(109;209;209”)の間に第2の流体経路を形成する、ポンプ装置(101;201;201’;201”)。
  2. 前記第2の位置にあるときに、前記入口弁部材(113;221;221’;221”)が、前記ポンプ室(105;205;205’;205”)と前記供給ライン(111;211;211”)の間の前記第1の流体経路を少なくとも実質的に閉鎖するための封止部を形成する、請求項1に記載のポンプ装置(101;201;201’;201”)。
  3. 前記入口弁部材(113;221;221’;201”)が、入口弁(107;207;207”)の一部を形成するものであり、前記入口弁(107;207;207”)が同心弁でありかつ/または前記出口弁(109;209;209”)が同心弁である、請求項1または2に記載のポンプ装置(101;201;201’;201”)。
  4. 前記出口弁(109;209;209”)が、移動可能な出口弁部材(129;235)を含み、前記入口弁部材(113;221;221’;221”)および前記出口弁部材(129;235)が、同じ方向に移動可能である、請求項1、2または3のいずれか一項に記載のポンプ装置(101;201;201’;201”)。
  5. 第1の材料で作製されるポンプヘッド(203)をさらに備え、第2の材料で作製される挿入物(219)が、前記ポンプ室(205)の側壁を画定するように前記ポンプヘッド(203)に設けられ、前記第2の材料が、前記第1の材料よりも高いヤング率を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載のポンプ装置(201)。
  6. 前記ポンプ室(105;205;205’)が、前記入口弁部材(113;221;221’)に形成され、前記プランジャ(119;217;217’)の端部が、前記ポンプ室(105;205;205’)の中に動作可能に延びる、請求項1から5のいずれか一項に記載のポンプ装置(101;201;201’)。
  7. 前記入口弁部材(113;221;221’)が、前記プランジャ(119;217;217’)に移動可能に取り付けられる、請求項6に記載のポンプ装置(101;201;201’)。
  8. 前記プランジャ(119;217;217’)に移動可能に取り付けられる封止リング(241)をさらに備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のポンプ装置(101;201;201’)。
  9. 前記封止リング(241)が、前記プランジャ(119;217;217’)を取り囲んで設けられる凹所(243)内で軸方向に移動可能である、請求項8に記載のポンプ装置(101;201;201’)。
  10. 入口封止リング(311)と、ポンプ室(305)と、前記ポンプ室(305)内の燃料を加圧するためのプランジャ(321)とを備え、
    前記入口封止リング(311)が、前記プランジャ(321)に移動可能に取り付けられる、燃料噴射システム用のポンプ装置(301)であって、
    前記封止リング(311)が、前記ポンプ室(305)と燃料を供給するための供給ライン(317)の間の流体経路が開放される第1の位置と、前記ポンプ室(305)と前記供給ラインの間の前記流体経路が閉鎖される(317)第2の位置との間で移動可能である、ポンプ装置(301)。
  11. 使用時に、前記入口封止リング(311)が、前記ポンプ室(305)内の流体圧力の変化に応じて移動可能である、請求項10に記載のポンプ装置。
  12. 前記入口封止リング(311)が、前記プランジャ(321)を取り囲んで設けられる凹所(315)内で軸方向に移動可能である、請求項10または11に記載のポンプ装置。
  13. 前記第2の位置にあるときに、前記入口封止リング(311)が、前記凹所(315)の面(329)に当接して封止部を形成する、請求項12に記載のポンプ装置。
  14. 内部に配置されるピストンと協働するための側壁を有するポンプ室を備える燃料噴射ポンプ用のポンプヘッドであって、少なくとも前記ポンプ室の前記側壁を画定する前記ポンプヘッドの領域が、400MPa以上のヤング率を有する材料で形成される、ポンプヘッド。
  15. 前記ポンプヘッドが、400MPa以上のヤング率を有する前記材料で形成される、請求項14に記載のポンプヘッド、または前記ポンプヘッドの一部だけが、400MPa以上のヤング率を有する前記材料で形成される、請求項14に記載のポンプヘッド。
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