JP2015169080A - 燃料ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】弁体とシート部が衝突したときに、シート面先端部で発生するキャビテーションを抑制する。
【解決手段】低圧側から高圧側に液体を加圧して送る高圧燃料ポンプであって、高圧側から低圧側へ高圧液体をリリーフするリリーフ通路において、前記高圧側と前記低圧側の圧力の高低差によって開閉する弁体２０１と、弁体を付勢する弾性部材２０３と、弁体と係合して燃料をシールするシート部２０４であって、前記シート部は弁体衝突時に弾性変形するシート部であって、前記シート部の内周側のシート面先端部２０８を曲線形状とすることにより、弁体がシート部に衝突した時、前記シート面先端部において、キャビテーション気泡の発生を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は高圧燃料ポンプ、特にシート部の内周側のシート面先端部に発生するキャビテーションを回避する機能を備えた高圧燃料ポンプに関する。

特許文献1は、高圧側から低圧側へ高圧液体をリリーフするリリーフ通路において、弁体と、弁体と係合して燃料をシートするシート部があり、前記シート部が薄肉構造で形成されているリリーフ弁において、リリーフ弁に強制開弁手段である電磁ソレノイドを設け、エンジンの運転状態に応じてコモンレールの燃料圧を解放することにより、噴射圧を低下させることができる。

特許文献2は、高圧側から低圧側へ高圧液体をリリーフするリリーフ通路において、弁体と、弁体と係合して燃料をシートするシート部があり、前記シート部が本体ボディに対して別部品となっており、本体ボディに掘り込まれた穴に前記シート部が圧入されている構造において、弁体と弁体を付勢する弾性部材の間にスライダが設置されており、前記スライダが摺動内壁に沿って開弁方向に摺動することにより、摺動経路が規制され、弾性部材の軸に対して傾いた応力がかからなくなり、リリーフ弁のリフト量を安定させ、スプリングの耐久性を向上させることができる。

特開平１０−２８１０３６ 特開２０１２−１５８９８７

これまでの従来技術には次のような課題点があった。

高圧燃料ポンプのリリーフ弁は、吐出圧が許容値を超えて高くなる異常圧の発生を抑制する機能がある。よって吐出圧が設定圧力を超えて高くなった場合、リリーフ弁の弁体が開弁し、高い圧力を逃がす。

吐出圧が許容値以下である条件を満たしているときは、弁体はシート部に着座して、燃料を完全にシールする必要がある。

ここで弁体が開弁し、吐出圧が低下して、弁体が閉弁方向に移動し、弁体がシート部に着座するとき、弁体は強い力で閉弁するため、シート部およびその周辺に大きな衝撃が発生し、高周波振動を発生する。

シート部およびその周辺で高周波振動が生じると、振幅が大きい箇所でキャビテーション気泡が発生する。

前記キャビテーション気泡がシート部近傍で発生・崩壊すると、シート部にエロージョンを起こし、シール性能に支障をきたす。

特に、シャープなエッジ形状で形成されている部分が高速に振動する場合、エッジ部の微小振動で剥離が発生し、それによって圧力が局所的に低下し、そこからキャビテーション気泡が発生する。

シャープなエッジ形状がシート部近傍、特にシート部の上流側にある場合は、前記弁体が開弁するときに、前記キャビテーション気泡が対流して、弁体と前記シート部の着座点付近でキャビテーション気泡が崩壊し、その衝撃力が弁体とシート部の表面を叩き、キャビテーションエロージョンを引き起こす。

前記キャビテーションエロージョンが進行すると、前記弁体の閉弁時において、弁体と前記シート部の間に隙間が発生し、燃料を完全にシールすることができないという問題が発生する。

上記の課題を解決するため、前記燃料ポンプの前記リリーフ弁において、弁体がシート部に着座したときの衝撃力を緩和するため、シート部が弾性変形を許容する構造になっている状態において、着座時に、シート部の内周側のシート面先端部において、キャビテーション気泡の発生を抑制するため、前記シート面先端部を曲線形状で形成する。

弁体着座時には、シート部が高速の振動を起こすが、前記シート面先端部が曲線形状で形成されているため、先端部がシャープなエッジ形状の場合に比べ、先端部において高周波の圧力脈動が抑制される。

前記シート面先端部の曲線形状によって、シート面先端部に発生する高周波の圧力脈動が抑制されるため、キャビテーション気泡が発生しなくなる。

低圧側から高圧側に液体を加圧して送る高圧燃料ポンプであって、高圧側から低圧側へ高圧液体をリリーフするリリーフ通路において、前記高圧側と前記低圧側の圧力の高低差によって開閉する弁体と、弁体を付勢する弾性部材と、弁体と係合して燃料をシールするシート部であって、前記シート部は弁体衝突時に弾性変形するシート部であって、前記シート部の内周側のシート面先端部が曲線形状であるため、弁体がシート部に衝突した時、前記シート面先端部において、キャビテーション気泡の発生を抑制することができる。

従来構造では、前記キャビテーション気泡が、弁体開弁時に、弁体とシート部の着座部付近に対流し、そこでキャビテーション気泡が崩壊して大きな衝撃力が発生し、弁体とシート部表面を叩いてキャビテーションエロージョンを起こすという課題があったが、本発明により、前記キャビテーションエロージョンの発生を抑制することができる。

前記キャビテーションエロージョンの発生を抑制することができるため、弁体がシート部に着座した状態の時に、燃料を完全にシールすることができる。

システムの全体構成図１ システムの全体構成図２ リリーフ機構の断面図１ シート部拡大図１ シート部拡大図２ シート部拡大図３ リリーフ機構の断面図２ シート部拡大図４ 流体パラメータを示す式 ユニット化されたリリーフ機構を示す図 他のリリーフ機構を示す図１ 他のリリーフ機構のシート部拡大図１ 他のリリーフ機構を示す図２ 他のリリーフ機構のシート部拡大図２

以下、図を参照して、本発明の実施形態について、説明する。

図１は、本発明を実施するシステムの全体構成を示す。図１において破線で囲まれた部分は、高圧燃料供給ポンプのポンプハウジング1を示し、この破線の中に示された機構と部品を、その中に一体に組み込んでいる。

燃料タンク20中の燃料は、フィードポンプ21によって汲み上げられ、吸入配管28を通じてポンプハウジング1の燃料吸入口10aに送られる。燃料吸入口10aを通過した燃料は、圧力脈動低減機構9、吸入通路10cを介して、容量可変機構を構成する電磁吸入弁機構30の吸入ポート30aに至る。

電磁吸入弁機構30は、電磁コイル30bを備え、この電磁コイル30bが通電されている状態で、電磁プランジャ30cは、ばね33を圧縮して図１における右方に移動した状態となり、その状態が維持される。このとき電磁プランジャ30cの先端に取付けられた吸入弁体31は、高圧燃料供給ポンプの加圧室11に通じる吸入口32を開く。電磁コイル30bが通電されていない状態であって、吸入通路10ｃ（吸入ポート30a）と加圧室11との間に流体差圧がない時は、ばね33の付勢力により、吸入弁体31は、閉弁方向（図１における左方）に付勢されて吸入口32は閉じられた状態となって、この状態が維持される。

後述する内燃機関のカムの回転により、プランジャ2が図１の下方に変位して吸入工程状態にある時は、加圧室11の容積は増加し、その中の燃料圧力は低下する。この工程において、加圧室11内の燃料圧力が吸入通路10ｃ（吸入ポート30a）の圧力よりも低くなると、吸入弁体31には燃料の流体差圧による開弁力(吸入弁体31を図１の右方に変位させる力)が発生する。この開弁力により、吸入弁体31は、ばね33の付勢力に打ち勝って開弁し、吸入口32を開く。この状態にて、ＥＣＵ27からの制御信号が電磁吸入弁機構30に印加されると電磁吸入弁30の電磁コイル30ｂに電流が流れ、磁気付勢力により電磁プランジャ30ｃがばね33を更に圧縮して、図１の右方に移動して、吸入口32を開いた状態を維持する。

電磁吸入弁機構30に入力電圧の印加状態を維持したまま、プランジャ2が吸入工程から圧縮工程(下始点から上始点までの間の上昇工程)へと移行すると、電磁コイル30bへの通電状態が維持されているので、磁気付勢力は維持されて吸入弁体31は依然として開弁した状態を維持する。加圧室11の容積は、プランジャ2の圧縮運動に伴って減少するが、この状態では、一度加圧室11に吸入された燃料が、再び開弁状態の吸入弁体31と吸入口32との間を通過して吸入通路10ｃ（吸入ポート30a）へと戻されるので、加圧室11の圧力が上昇することはない。この工程を、戻し工程という。

戻し工程において、電磁コイル30bへの通電を断つと、電磁プランジャ30cに働いていた磁気付勢力は一定時間後(磁気的、機械的遅れ時間後)に消去される。そうすると、吸入弁体31に常時働いているばね33の付勢力により、吸入弁体31は図１において左方に移動されて吸入口32を閉じる。吸入口32が閉じると、この時から加圧室11内の燃料圧力は、プランジャ2の上昇と共に上昇する。そして、加圧室11内の燃料圧力が、吐出口13の燃料圧力よりも所定の値だけ大きい圧力を超えた時に、加圧室11に残っている燃料は、吐出弁機構8を介して、高圧吐出が行われてコモンレール23へと供給される。この工程を吐出工程という。上記のとおり、プランジャ2の圧縮工程は、戻し工程と吐出工程からなる。

戻し工程中に、吸入通路10cへ戻された燃料により吸入通路には圧力脈動が発生するが、この圧力脈動は、吸入口10aから吸入配管28へ僅かに逆流するのみであり、燃料の戻しの大部分は圧力脈動低減機構９により吸収される。

電磁吸入弁機構30の電磁コイル30cへの通電解除のタイミングを制御することにより、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。電磁コイル30bへの通電解除のタイミングを早くすれば、圧縮工程における戻し工程の割合を小さく、吐出工程の割合を大きくする。すなわち、吸入通路10c（吸入ポート30a）に戻される燃料を少なく、高圧吐出される燃料を多くする。これに対し、上記の通電解除のタイミングを遅くすれば、圧縮工程における戻し工程の割合を大きく、吐出工程の割合を小さくする。すなわち、吸入通路10cに戻される燃料を多く、高圧吐出される燃料を少なくする。上記の通電解除のタイミングは、ＥＣＵから指令により制御される。

以上のように、ＥＣＵが電磁コイルの通電解除のタイミングを制御することにより、高圧吐出される燃料量を、内燃機関が必要とする量とすることができる。

ポンプハウジング1内において、加圧室11の出口側には吐出口（吐出側配管接続部）13との間に吐出弁機構8が設けられる。吐出弁機構8は、シート部材8a、吐出弁8b、吐出弁ばね8c、保持部材（吐出弁ストッパー）8dからなる。加圧室11と吐出口13との間に燃料の差圧がない状態では、吐出弁8bは、吐出弁ばね8cによる付勢力でシート部材8aに圧着され閉弁状態となっている。加圧室11内の燃料圧力が、吐出口13の燃料圧力よりも所定の値だけ大きい圧力を超えた時に、吐出弁8ｂは吐出弁ばね8cに抗して開弁し、加圧室11内の燃料は吐出口13を経てコモンレール23へと吐出される。

吐出弁8bは開弁した後、保持部材8dと接触すると動作を制限される。そのゆえ、吐出弁8bのストロークは、保持部材8dによって適切に決定される。もし、ストロークが大きすぎると、吐出弁8bの閉じ遅れにより、燃料吐出口13へ吐出される燃料が、再び加圧室11内に逆流してしまうので、高圧ポンプとしての効率が低下してしまう。また、吐出弁8bが開弁と閉弁運動を繰り返す時に、吐出弁がストローク方向にのみ運動するように、保持部材8dによりガイドしている。以上のように構成することにより、吐出弁機構8は、燃料の流通方向を制限する逆止弁となる。

こうして、燃料吸入口10aに導かれた燃料は、ポンプ本体1の加圧室11内にてプランジャ2の往復動によって必要な量が高圧に加圧され、吐出弁機構8を通じて、燃料吐出口13から高圧配管であるコモンレール23に圧送される。

コモンレール23には、インジェクタ24と圧力センサ26が装着されている。インジェクタ24は、内燃機関の気筒数に合わせて装着されており、ＥＣＵ27の制御信号により、開閉弁の動作をして、燃料をシリンダ内に噴射する。

次に、インジェクタ24の故障等によりコモンレール23等の高圧部に異常高圧が発生した場合の、実施例１における燃料リリーフ動作について説明する。

ポンプハウジング1には、吐出通路12と吸入通路10cを連通するリリーフ通路300が設けられており、リリーフ通路300には燃料の流れを吐出通路12から吸入通路10cへの一方向のみに制限するリリーフ機構200が設けられている。

また図2に示すように、リリーフ通路300の燃料の流れが吐出通路12から加圧室11内となる場合もある。

図3は、本発明の実施例1に係わるリリーフ機構の断面を示す。リリーフ弁機構200は、弁体201、弁体を押さえる弁体押さえ202、弁体を付勢する弾性部材203、弁体と係合して燃料をシールするシート部204、ハウジング205、弁体上流側の高圧室206、弁体下流側の低圧室207で構成されている。弁体201は、吐出流路12から導かれる高圧に対抗して、弾性部材203により、シート部204に付勢されている。

吐出流路が異常高圧となり、高圧室206の圧力が上昇すると、これにより弁体に作用する流体力が弾性部材203の付勢力を上回り、弁体201はシート部204を離れて上昇し、リリーフ通路は連通状態になる。また、再び、高圧室206の圧力が低下すると、弁体に作用する流体力よりも弾性部材203の付勢力が上回り、弁体201は下降して、シート部204に付着する。

ここで前記シート部204は、前記弁体201がシート部204に衝突したときの衝撃力を緩和するため、弾性変形可能な弾性材料、または肉厚を有している。例えば図3に示すような薄肉構造とすることによって、衝突時にシート部204が弾性変形し、衝突時の衝撃力を緩和することができる。

従来構造ではシート部204の内周側のシート面先端部208が、シャープなエッジ形状で形成されていた。図4にシート部の内周側のシート面先端部208に形成されるシャープなエッジ形状を拡大視したものを示す。シート部204は弾性変形する構造となっており，弁体201が衝突したときの衝撃力を緩和するため、弁体201が衝突すると上下方向の高速振動209が発生する。

図5にシート面先端部208でキャビテーションが発生する様子を示す。高速振動209によってシート面先端部208で高周波数の圧力脈動が発生し、これによって圧力が局所的に急激に減少しキャビテーション気泡210が発生する。

流体力の上昇によって、弁体201が再び上に上昇すると、キャビテーション気泡210が弁体201とシート部204の接触位置付近に対流し、そこでキャビテーション気泡210が崩壊して高い衝撃力が発生する。本衝撃力がシート部204の壁面を叩き、そこでキャビテーションエロージョンが発生する。

図6に本特許の詳細実施例を示す。シート面先端部208を滑らかな曲線形状211で形成することにより、従来、エッジ部で発生した高速振動209がなくなるため、キャビテーション気泡の発生を抑制することができる。

図7に本発明の実施例を示す。実施例1に記載のリリーフ機構において、前記シート部204は弁体201が衝突したときの衝撃力を緩和するため、弾性変形可能な弾性材料、または肉厚を有している。よってシート部204とハウジング205の分岐部には、高い応力集中が発生する。この応力集中を緩和し、分岐部で発生する応力が低くするため、分岐部に面取り212が設けられている。

図8に本発明の実施例を示す。キャビテーションは、シート面先端部208の高速振動により、周囲の流れが乱流に遷移することによって発生する。流れの乱れ度合いを示す流体パラメータとしてレイノルズ数があり、代表長さスケールD、代表速度U、動粘性係数νを用いて図9に示す式(1)で定義される。本リリーフ機構の乱流に遷移する最小レイノルズ数は20,000であり、代表速度を200[m/s]とすると、代表長さスケールが50μmの時に、式(1)に示されるレイノルズ数が20,000となる。ここで、代表速度はリリーフ弁の形状によって多少異なることもあるが、代表長さスケールの考え方に変わりは無く、これよりも大きい曲率半径であればキャビテーション気泡発生を抑えられると考える。

よって、実施例1、2に記載のリリーフ機構において、前記シート部先端208の滑らかな曲線形状211が、円弧213で形成されており、その円弧の半径の寸法値を50μm以上とする。

図10に本発明の実施例を示す。前記弁体201に対して下流に存在する低圧室207を囲むハウジング205と前記シート部204が一体の構造となってユニット化されている。本体ボディ213に穴214が掘り込まれている。一体構造となっているハウジング204とシート部203は、本体ボディ213に対して別部品で形成されており、本体ボディ214に掘り込まれた穴215に、前記一体構造のハウジング205とシート部204が設置されている。本構成のリリーフ機構において、実施例1、2、3に記載の特徴を持ち、シート面先端部208が滑らかな曲線形状で形成されている。

図11、12に本発明の実施例を示す。シート部216が本体ボディ214に対して別部品で形成されており、本シート部216は上流側の高圧室206を囲む構造となっており、本体ボディ214に掘り込まれた穴215に設置される構成となっている。弁体201がシート部216に衝突するとき、その衝撃力を緩和するため、シート部216は弾性変形可能な弾性材料、または肉厚を有する構造となっている。

このとき前記シート部204と同様に、シート面先端部208がエッジ形状であると、弁体201がシート部216に衝突したときの衝撃で、キャビテーションが発生する。図12にシート部216のシート面先端部208の拡大図を示す。シート面先端部208を滑らかな曲線形状217にすることにより、弁体201が衝突したときのキャビテーションの発生を抑制できる。

図13、14に本発明の実施例を示す。本体ボディ218を直接掘り込んでシート部219が形成されている。弁体201がシート部219に衝突するとき、その衝撃力を緩和するため、シート部219は弾性変形可能な弾性材料、または肉厚を有する構造となっている。

このとき前記シート部204と同様に、シート面先端部208がエッジ形状であると、弁体201がシート部219に衝突したときの衝撃で、シート面先端部208付近でキャビテーションが発生する。図14にシート部219のシート面先端部208の拡大図を示す。シート面先端部を滑らかな曲線形状220にすることにより、弁体201が衝突したときのキャビテーションの発生を抑制できる。

1…ポンプハウジング、2…プランジャ、8…吐出弁機構、9…圧力脈動低減機構、10c…吸入通路、11…加圧室、12…吐出通路、20…燃料タンク、23…コモンレール、24…インジェクタ、26…圧力センサ、30…電磁吸入弁機構、200…リリーフ弁機構、201…弁体、202…弁体押さえ、203…弾性部材、204…シート部、205…ハウジング、206…高圧室、207…低圧室、208…シート面先端部、209…高速振動、210…キャビテーション気泡、211…滑らかな曲線形状、212…面取り、213…円弧、214…本体ボディ、215…穴、216…シート部、217…滑らかな曲線形状、218…本体ボディ、219…シート部、220…滑らかな曲線形状、300…リリーフ通路

Claims (16)

1. プランジャの往復動作によって容積が変化する加圧室と、前記加圧室に燃料を吸入する吸入流路と、前記加圧室から前記燃料を吐出する吐出流路と、前記吸入流路中に設けられた吸入弁と、前記吐出流路中に設けられた吐出弁と、前記吐出流路に設けられたリリーフ弁を有する高圧燃料供給ポンプであって、
   前記リリーフ弁は入口を前記吐出流路、出口を前記吸入流路または前記加圧室とするリリーフ流路を有し、前記リリーフ流路内に、入口と出口の圧力の高低差によって開閉する弁体と、弁体を付勢する弾性部材と、弁体と係合して燃料をシールするシート部を有し、前記シート部は弁体衝突時に弾性変形可能な弾性材料、または肉厚を有し、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
2. 請求項１に記載の高圧燃料ポンプであって、前記シート部の内周面の下流側の端部に面取り部が設けられていて、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
3. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記シート部の内周側のシート面先端部の曲線形状が円弧で形成されており、その円弧の寸法値が50μm以上であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
4. 請求項2に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記シート部の内周側のシート面先端部の曲線形状が円弧で形成されており、その円弧の寸法値が50μm以上であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
5. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記弁体に対して下流に存在する低圧空間を囲むハウジングと前記シート部が一体の構造をしており、その一体構造が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記一体構造が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
6. 請求項2に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記弁体に対して下流に存在する低圧空間を囲むハウジングと前記シート部が一体の構造をしており、その一体構造が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記一体構造が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
7. 請求項3に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記弁体に対して下流に存在する低圧空間を囲むハウジングと前記シート部が一体の構造をしており、その一体構造が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記一体構造が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
8. 請求項4に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記弁体に対して下流に存在する低圧空間を囲むハウジングと前記シート部が一体の構造をしており、その一体構造が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記一体構造が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
9. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、シート部が弁体に対して上流側の高圧領域を囲む構造となっており、その前記シート部が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記シート部が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
10. 請求項2に記載の高圧燃料ポンプにおいて、シート部が弁体に対して上流側の高圧領域を囲む構造となっており、その前記シート部が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記シート部が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
11. 請求項3に記載の高圧燃料ポンプにおいて、シート部が弁体に対して上流側の高圧領域を囲む構造となっており、その前記シート部が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記シート部が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
12. 請求項4に記載の高圧燃料ポンプにおいて、シート部が弁体に対して上流側の高圧領域を囲む構造となっており、その前記シート部が本体ボディに対して別部品で形成されており、本体ボディに掘り込まれた穴に、前記シート部が設置されている構成において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
13. 請求項1に記載の燃料ポンプにおいて、本体ボディが削りこまれてシート部を形成する構造において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
14. 請求項2に記載の燃料ポンプにおいて、本体ボディが削りこまれてシート部を形成する構造において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
15. 請求項3に記載の燃料ポンプにおいて、本体ボディが削りこまれてシート部を形成する構造において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
16. 請求項4に記載の燃料ポンプにおいて、本体ボディが削りこまれてシート部を形成する構造において、前記シート部の内周側のシート面先端部が滑らかな曲線形状であることを特徴とする高圧燃料ポンプ。