JP2015183655A - 内燃機関の高圧燃料ポンプ構造 - Google Patents

内燃機関の高圧燃料ポンプ構造 Download PDF

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Abstract

【課題】大形化を伴うことなく燃料吐出量が確保できる内燃機関の高圧燃料ポンプ構造を提供する。
【解決手段】カムシャフト9に配置された駆動用カム10の回転に連動してプランジャ室2内を往復駆動するプランジャ3によって昇圧して燃料噴射手段に圧送する高圧燃料ポンプ1であって、駆動用カム10を、カムシャフト9に固着された第1山カム11と、第1山カム11と同軸上で相対回転可能に配置された第2山カム21と、第2山カム21を第1山カム11に対して互いのカム山15a、25aが軸方向に連続する基準位置と、第1カム11の隣接するカム山15a間に第2山カム21のカム山25aが位置する可動位置とに選択的に保持する。
【選択図】図2

Description

本発明は、内燃機関の高圧燃料ポンプ構造に関し、特に駆動用カムの回転に連動して往復駆動するプランジャによって昇圧する内燃機関の高圧燃料ポンプ構造に関する。
例えば、内燃機関に燃料を供給する方法として、内燃機関の燃焼室に燃料噴射手段により直接燃料を噴射する筒内噴射式がある。この筒内噴射式内燃機関では、高圧の燃焼室内に燃料噴射手段により燃料を噴射することから燃料圧力(燃圧)を高くする必要がある。
そこで、このよう内燃機関では、低圧燃料ポンプによりフィード圧まで昇圧された燃料を更に昇圧する高圧燃料ポンプを備える。
ここで、始動開始後すぐに燃料噴射手段による燃料噴射を開始(許可)すると、高圧燃料ポンプが駆動しても燃圧が噴射適正値、即ち目標燃圧まで昇圧できないおそれがある。
このため、一般に始動初期に燃圧が目標燃圧に達するまで、或いは、始動初期に設定期間が経過するまで燃料噴射手段による燃料噴射を禁止することで、燃圧を適正値まで昇圧させる始動時昇圧制御が実行される。
このような筒内噴射式内燃機関の高圧燃料ポンプの一例として、特許文献1に開示される高圧燃料ポンプがある。
この高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプにより昇圧された燃料を更に昇圧するものであり、プランジャ室と、このプランジャ室内に往復動自在に装着されるプランジャと、プランジャ室の吸込孔側に配置されるスプル電磁弁と、吐出孔側に設けられるチェック弁とにより構成され、カムシャフトに設けられた駆動用カムが回転することによって駆動する。
駆動用カムが回転し、プランジャがプランジャの容積が増大する上死点から下死点に向かって移動する際に、スプル電磁弁を開弁することでプランジャ室内に燃料を吸入し、プランジャが下死点から上死点に向かって移動する際にスプル電磁弁を閉弁することで、プランジャ室内の燃料がチェック弁の開弁まで昇圧して圧送される。
ここで、このポンプ駆動用カムは、カムフロアに3つのカム山が形成された3山カムによって構成され、駆動用カムが1回転するとプランジャが3往復動して3圧送する。同様に、駆動用カムが4つのカム山を有する4山カムの場合には駆動用カムが1回転するとプランジャが4往復動して4圧送する。
特開2009−30573号公報
上記特許文献1に開示される高圧燃料ポンプにあっては、プランジャを往復動する駆動用カムとして3山カムが用いられ、駆動用カムの回転によるプランジャの往復動数はカム山の数により設定され、始動開始後すぐには目標燃圧まで昇圧しないおそれがある。
ここで、燃圧が目標燃圧に達するまで、或いは設定期間経過するまで燃料噴射手段による燃料噴射を禁止することから、始動開始から最初の噴射開始時期までの期間が長くなり、始動開始から噴射開始時期までの期間の遅れを抑制することが望まれる。
この対策として、駆動用カムのカム山数を増加させることで、駆動用カムの1回転あたりのプランンジャの往復動数が増加して始動開始後目標燃圧に達する期間の短縮が得られる。しかし、始動後のプランジャの往復動数が増大して出力過剰となると共に、プランジャの往復動数の増加による騒音の発生が懸念される。
一方、燃料ポンプ自体を大きくして始動開始後迅速に目標燃圧まで昇圧させることができる。しかし、この燃料ポンプでは、始動後に駆動用カムの回転数が高くなると出力過剰となり、通常運転には余剰出力を有する過大な燃料ポンプとなる。従って、燃料ポンプが過剰に大型化して重量を招き、かつ燃料ポンプの駆動に要する負荷、即ちエンジン負荷が増大する。
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、大型化を伴うことなく燃料吐出量が確保できる内燃機関の高圧燃料ポンプ構造を提供することにある。
上記目的を達成する請求項1に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造は、回転軸に配置された駆動用カムによりプランジャを押動して燃料圧力を昇圧する内燃機関の高圧燃料ポンプ構造において、前記駆動用カムは、前記回転軸に固着され、周方向に等間隔で複数のカム山を有する第1山カムと、該第1山カムに対して同軸上で相対回転可能に配置され、該第1山カムと同一形状の第2山カムと、前記第2山カムを前記第1山カムに対して、回転方向において互いのカム山が軸方向に連続する基準位置と、前記第1カムの隣接するカム山間に第2山カムのカム山が位置する可動位置とに選択的に保持するカム保持手段とを備えることを特徴とする。
これによるとプランジャを往復動する駆動用カムが複数のカム山が配置された第1山カムと、複数のカム山が配置された第2山カムとにより構成し、第2山カムを第1山カムに対して基準位置と可動位置とに選択的に保持するカム保持手段とを備えることで、第1山カムに対して第2山カムを相対回転させて基準位置と可動位置に選択的に保持する簡単な構成で、異なる複数のカム山を有する山カム状の駆動用カムが形成され、大型化を伴うことなく適切な吐出量が確保できる。
請求項2の発明は、請求項1に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造において、当該内燃機関の始動開始後設定燃圧に達するまで、或いは始動開始の設定期間が経過するまで前記カム保持手段により前記第2山カムを前記可動位置に維持した後に前記基準位置に移行することを特徴とする。
これによると、内燃機関の始動開始後設定燃圧に達するまで或いは始動開始の設定期間が経過するまでは、駆動用カムのカム山が増加した山カム状に保持されて始動後迅速に設定燃圧に昇圧されて、始動開始から最初の噴射開始時期までの期間の短縮が得られ、かつ設定燃圧に達した始動後は第1山カムを第2山カムに対して互いのカム山が軸方向に連続する山カム状とする基準位置でプランジャの往復動が抑制されて出力の適正化がなされる。また、プランジャの往復動数の増加による騒音の発生が抑制される。従って、燃料ポンプの大型化を伴うことなく始動開始から設定燃圧に到達するまでの期間の短縮が得られる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造において、前記カム保持手段は、前記第1山カムの側面に開口する第1ロックピン穴と、前記第2山カムの側面に前記第1ロックピン穴と対向可能に開口する第2ロックピン穴と、前記第2ロックピン穴に出没可能に嵌挿するロックピンと、該ロックピンを前記第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って嵌合して第2山カムを基準位置に保持する係合位置と、前記第2ロックピン穴に没入して前記保持を解除する係合解除位置に移動せしめるロックピン駆動手段とを有することを特徴とする。
これによると、カム保持手段が第1山カムの側面に開口する第1ロックピン穴と、第2山カムの側面に第2ロックピン穴と、ロックピンと、ロックピン駆動手段とにより簡単に構成され、ロックピンを、第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って嵌合して第2山カムを基準位置に保持する係合位置と、第2ロックピン穴に没入して保持を解除する係合解除位置に移動させる。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造において、前記ロックピン駆動手段は、前記第2ロックピン穴に出没可能に嵌挿するロックピンを突出方向に付勢する付勢手段と、前記第1ロックピン穴とロックピンとによって第1ロックピン内に形成される油圧室を備え、該油圧室に供給する油圧に従って前記ロックピンが第2ロックピン穴内に没入し、該油圧解除に従って前記ロックピンが第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って共に嵌合することを特徴とする。
これによると、ロックピン駆動手段が、第2ロックピン穴に嵌挿するロックピンを突出方向に付勢する付勢手段と、第1ロックピン穴とロックピンとによって第1ロックピン内に形成される油圧室とにより構成され、油圧室に供給する油圧に従ってロックピンが係合位置から第2ロックピン穴内に没入し、油圧解除に従ってロックピンが第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って共に嵌合する。
本発明によると、プランジャを往復動する駆動用カムを複数のカム山が配置された第1山カムと第2山カムとにより構成し、第2山カムを第1山カムに対して相対回転させて固定するカム保持手段を備える簡単な構成で、異なる複数のカム山を有する山カム状の駆動用カムが形成され、大型化を伴うことなく適切な吐出量が確保できる。
第1実施の形態における高圧燃料ポンプ構造の概要構成図である。 同じく高圧燃料ポンプ構造の作動概要を示す説明図である。 (a)は図1のIII−III線断面図、(b)はカム固定手段の作動説明図である。 図3のIV−IV線断面図である。 高圧燃料ポンプ構造の作動フローチャートである。 高圧燃料ポンプ構造の他の例を示す概要説明図である。 高圧燃料ポンプ構造の他の概要説明図である。
以下、本発明の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造の実施の形態を図に基づいて説明する。
本実施の形態における内燃機関は、筒内噴射式の内燃機関であって、低圧燃料ポンプによりフィード圧まで昇圧された燃料を更に昇圧する高圧燃料ポンプを備える。
ここで、始動開始後すぐに燃料噴射手段による燃料噴射を開始すると、高圧燃料ポンプが駆動しても燃燃が噴射適正圧力値、即ち目標燃圧まで昇圧しないおそれがあるため、筒内噴射式内燃機関の始動初期、即ち始動開始後燃圧が目標燃圧に達するまで、或いは、始動初期の設定期間が経過するまで燃料噴射手段による燃料噴射を禁止することで、燃圧を適正値まで昇圧させる始動時昇圧制御をする。
この本実施の形態における高圧燃料ポンプ1について図1乃至図5を参照して説明する。
図1は高圧燃料ポンプ構造の概要構成図、図2は高圧燃料ポンプ構造の作動概要を示す説明図、図3(a)は図1のIII−III線断面図、(b)はカム固定手段の作動説明図、図4は図3のIV−IV線断面図、図5は高圧燃料ポンプ構造の作動フローチャートである。
高圧燃料ポンプ1は、図1に示すように、プランジャ室2と、このプランジャ室2内に往復動自在に装着されるプランジャ3と、燃料配管を介して低圧燃料ポンプ側に接続されるプランジャ室2の吸込孔に配置されるスプル電磁弁4と、燃料供給配管及び燃料レール等を介して各燃料噴射手段に接続されるプランジャ室2の吐出孔に設けられるチェック弁5とにより構成され、回転軸となるカムシャフト9に取り付けられた駆動用カム10が回転することによって駆動する。
プランジャ3は、その端部3aが図示しないリフタガイド内に軸方向に摺動自在に支持されたリフタ6に固定され、スプリング7によって下死点方向に付勢されてプランジャ3は駆動用カム10と常に接触する。
駆動用カム10が矢印方向に回転し、プランジャ3がプランジャ室2の容積が増大する上死点から下死点に向かって移動する際に、スプル電磁弁4を開弁することでプランジャ室2内に燃料を吸入し(吸入行程)、プランジャ3が下死点から上死点に向かって移動してプランジャ室2の容積が減少する際にスプル電磁弁4を閉弁することで、プランジャ室2内の燃料がチェック弁5の開弁まで昇圧して圧送される(圧送行程)。
駆動用カム10は、図2及び図3(a)に示すように、カムシャフト9に固定されて周方向に等間隔で4つのカム山15aが配置されたカムフロア15を有する4山カムの第1山カム11と、カムシャフト9の周面9aに内周面22が回動自在に摺接して第1山カム11の側面13に側面23が積層状態で相対回転可能にカムシャフト9に配置され、周方向に等間隔で4つのカム山25aを有する第1山カム11と同一形状のカムフロア25を有する4山カムの第2山カム21とによって構成される。
第1山カム11に対して第2山カム21の相対回転を、第2山カム21の各カム山25aが第1山カム11の各カム山15aに軸方向で連続する図1に示す基準位置と、第2山カム21のカム山25aが第1山カム11の隣接するカム山15a間の回転方向中央となる図2に示す可動位置とに規制するカム位置規制手段31と、第2山カム21を可動位置側から基準位置に付勢するカム復帰手段35と、第2山カム21を可動位置に選択的に保持するカム固定手段40とを備えるカム保持手段を有する。ここで、本実施の形態では第1山カム11及び第2山カム21を共に4山カムによって構成することから、基準位置に対する可動位置は第1山カム11に対して第2山カム21が同軸上で45°相対回転した状態に設定される。
カム位置規制手段31は、例えば図4に図3(a)のIV−IV線断面図を示すように、カムシャフト9の周面9aに形成された基準位置規制端32a及び可動位置規制端32bを有する周方向溝32と、第2山カム21の内周面22に突設されて周方向溝32内に移動可能に嵌入する規制片33とにより構成され、規制片33が周方向溝32の基準位置規制端32aに当接することで第2山カム21が基準位置に保持され、かつ規制片33が可動位置規制端32bに当接することで可動位置に保持される。
カム復帰手段35は、図4に示すようにカムシャフト9の周面9aに形成されて一端に付勢手段受36aを有する周方向溝36と、第2山カム21の内周面22に突設されて周方向溝36内に移動可能に嵌入する可動片37と、周方向溝36内に収納されて付勢手段受36aと可動片37との間に圧縮付与状態で装着された付勢手段となるスプリング38とにより構成され、カム位置規制手段31における規制片33が周方向溝32の可動位置規制端32bに当接する可動位置方向にスプリング38により第2山カム21を付勢する。
カム固定手段40は、図3(a)に示すように第2山カム21が可動位置において、第1山カム11の側面13と第2山カム21の側面23とに対向して開口する有底円筒の第1ロックピン穴41及び第2ロックピン穴44を有する。
第2ロックピン穴44に出没可能に嵌挿されるロックピン45及びロックピン45を突出方向、すなわち第1ロックピン穴41に向けて付勢する付勢手段となるスプリング46を有し、スプリング46によってロックピン45が第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44とに亘って嵌合して第2山カム21を可動位置に保持する係合位置の方向に付勢する。
第1ロックピン穴41とロックピン45とにより第1ロックピン穴41内に上述のスプリング46と共にロックピン駆動手段となる油圧室47が形成される。カムシャフト9及び第1山カム11に穿設された油孔48a、48bから油圧室47内に供給される油圧によりロックピン45を押動する。
即ち、図3(a)に示す第2山カム21が係合位置にあっては、ロックピン45は、スプリング46によって第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44とに亘って嵌合して第2山カム21を可動位置に保持する係合位置に付勢される。一方、図3(b)に示すように油圧室47に油圧を供給することで、ロックピン45がスプリング46の付勢力に抗して第1ロックピン穴41から抜け出し、第2ロックピン44内の没する保持解除位置に押動されて第1山カム11に対して第2山カム21の相対回転が可能になる。また、油圧室47の油圧を解除することで、図3(a)に示すようにロックピン45がスプリング46によって第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44とに亘って嵌合して第2山カム21を可動位置に保持する係合位置に付勢される。
この構成により第2山カム21が可動位置において、カム固定手段40におけるスプリング46によってロックピン45が第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44とに亘って嵌合する係合位置に保持され、かつカム位置規制手段31においてカムシャフト9に形成された周方向溝32に可動位置規制端32aに第2山カム21に形成された規制片33が当接した状態に維持されて、図2に示すように第2山カム21のカム山25aが第1山カム11の隣接するカム山15a間の回転方向中央となるカム山数が増加した8山カム状となる。
一方、カム固定手段40の油圧室47に油圧を供給することで、スプリング46の付勢力に抗してロックピン45が第1ロックピン穴41から抜け出して第1山カム11と第2山カム21の保持が解除され、第1山カム11に対する第2山カム21の相対回転が許容される。これにより、プランジャ2の押付反力によって第2山カム21が、カム位置規制手段31においてカムシャフト9に形成された周方向溝32の基準位置規制端32bに規制片33が当接する基準位置まで相対回転して図1に示すように第2山カム21の各カム山25aが第1山カム11の各カム山15aに軸方向で連続する基準位置に保持されて4山カム状となる。
更に、第2山カム21が基準位置において無負荷状態になると、カム復帰手段35のスプリング38の付勢力により第2山カム21が、カム位置規制手段31における周方向溝32の可動位置規制端32aに第2山カム21の規制片33が当接する可動位置まで相対回転し、第2山カム21のカム山25aが第1山カム11の隣接するカム山15a間の中央となる8山カム状となる。また、カム固定手段40において、スプリング46によって第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44とに亘って嵌合して第2山カム21が可動位置に保持する係合位置となる。
このように構成された高圧燃料ポンプ構造の作用を、図5に示す作動フローチャートを参照して説明する。
エンジン停止及び始動開始においては、駆動用カム10における固定保持手段40のロックピン45が第1ロックピン穴41と第2ロックピン穴44に亘って嵌合する係合位置に保持され、かつカム位置規制手段31においてカムシャフト9に形成された周方向溝32の可動位置規制端32aに第2山カム21の規制片33が当接した状態に維持され、第2山カム21のカム山25aが第1山カム11の隣接するカム山15a間の中央となる図2に示す8山カム状に保持される。
この駆動用カム10の第2山カム21が可動位置に保持されて第1山カム11と第2山カム21の互いのカム山15aと25aが軸方向で変位する8山カム状態で内燃機関が始動開始する(ステップS101)。
これによりカムシャフト9が回転開始して駆動用カム10が第1山カム11のカム山15aと第2山カム21のカム山25aが軸方向で変位する8山カム状でプランジャ2を往復動せしめて高圧燃料ポンプ1による燃圧供給を開始する。
この内燃機関の始動開始と共に高圧燃料ポンプ1によって供給される燃圧を検出開始する(ステップS102)。
供給燃圧が目標燃圧に昇圧したか否を判断する(ステップS103)。このステップS103においてYES、即ち燃圧が目標燃圧に達したときには、駆動用カム10における固定保持手段40の油圧室47に油圧を供給してロックピン45を第1ロックピン穴41から抜け出させて第1山カム11と第2山カム21の保持を解除し、カム位置規制手段31の周方向溝32の基準位置規制端32bに第2山カム21の規制片33が当接する基準位置まで相対回転して第2山カム21の各カム山25aが第1山カム11の各カム山15aに軸方向で連続する基準位置に保持されて4山カム状とする(ステップS104)。さらに内燃機関が停止しないとき(ステップS105)には、ステップS3にリターンする一方、ステップS103においてNOの場合、即ち燃圧が目標燃圧に達しないときには、第2山カム21のカム山25aが第1山カム11の隣接するカム山15a間の中央となる8つのカム山を有する8山カム状を維持し(ステップS106)、内燃機関が停止しないとき(ステップS107)には、ステップS3にリターンする。
従って、以上説明した高圧燃料ポンプ構造によると、内燃機関の始動開始後から目標燃圧に達するまでは、プランジャ2を往復動する駆動用カム10が第1山カム11のカム山15aと第2山カム21のカム山25aが回転方向で異なるカム山数が増加した8山カム状に維持して始動開始後迅速に目標燃圧に昇圧して始動開始から最初の噴射開始時期までの期間の短縮が得られる。目標燃圧に達した始動後は第1山カム11を第2山カム21に対して互いのカム山15a、25aが軸方向に連続する4山カム状とすることでプランジャ2の往復動が抑制されて出力の適正化がなされる。また、プランジャ2の往復動数が抑制されてプランジャ2の往復動数増加による騒音の発生が防止される。従って、燃料ポンプの大型化を伴うことなく始動開始から目標燃圧に到達するまでの期間の短縮が得られる。
なお、上記実施の形態では、始動開始後目標燃圧に達した後に駆動用カム11を8山カム状から4山カム状に切り換えるように構成したが、始動開始後予め設定された設定期間経過後に8山カム状から4山カム状に切り換えるように構成することもできる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することができる。
例えば、上記の実施の形態では駆動用カム10を4山カムからなる第1山カム11及び第2山カム21により構成したが、図6(a)に図1に対応し、(b)に図2に対応する駆動用カム10を示し、対応部位に同一符号を付すように第1山カム11及び第2山カム21をそれぞれ3つのカム山15a及び25aを有する3山カムにより構成することも、また他に複数のカム山を備えた第1山カム及び第2山カムによって構成することもできる。
また、図7(a)に図1に対応し、(b)に図2に対応する駆動用カム10を示し対応部位に同一符号を付すように、駆動用カム10の第1山カム11を4つのカム山15aを有する4山カムにより構成し、第2山カム21を2つのカム山25aを有する2山カムにより構成する等、第1山カム11と第2山カム21を異なるカム山数の第1山カム11及び第2山カム21により構成することもできる。また、高圧燃料ポンプ構造に変えて他のポンプ構造に適宜適用することもできる。
1 高圧燃料ポンプ
2 プランジャ室
3 プランジャ
9 カムシャフト(回転軸)
10 駆動用カム
11 第1山カム
15 カムフロア
15a カム山
21 第2山カム
25 カムフロア
25a カム山
31 カム位置規制手段
35 カム復帰手段
40 カム固定手段
41 第1ロックピン穴
44 第2ロックピン穴
45 ロックピン
46 スプリング(付勢手段)
47 油圧室

Claims (4)

  1. 回転軸に配置された駆動用カムによりプランジャを押動して燃料圧力を昇圧する内燃機関の高圧燃料ポンプ構造において、
    前記駆動用カムは、
    前記回転軸に固着され、周方向に等間隔で複数のカム山を有する第1山カムと、
    該第1山カムに対して同軸上で相対回転可能に配置され、該第1山カムと同一形状の第2山カムと、
    前記第2山カムを前記第1山カムに対して、回転方向において互いのカム山が軸方向に連続する基準位置と、前記第1カムの隣接するカム山間に第2山カムのカム山が位置する可動位置とに選択的に保持するカム保持手段とを備えることを特徴とする内燃機関の高圧燃料ポンプ構造。
  2. 当該内燃機関の始動開始後設定燃圧に達するまで、或いは始動開始の設定期間が経過するまで前記カム保持手段により前記第2山カムを前記可動位置に維持した後に前記基準位置に移行することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造。
  3. 前記カム保持手段は、
    前記第1山カムの側面に開口する第1ロックピン穴と、
    前記第2山カムの側面に前記第1ロックピン穴と対向可能に開口する第2ロックピン穴と、
    前記第2ロックピン穴に出没可能に嵌挿するロックピンと、
    該ロックピンを前記第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って嵌合して第2山カムを基準位置に保持する係合位置と、前記第2ロックピン穴に没入して前記保持を解除する係合解除位置に移動せしめるロックピン駆動手段とを有することを特徴とする請求項1又歯2に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造。
  4. 前記ロックピン駆動手段は、
    前記第2ロックピン穴に出没可能に嵌挿するロックピンを突出方向に付勢する付勢手段と、
    前記第1ロックピン穴とロックピンとによって第1ロックピン内に形成される油圧室を備え、
    該油圧室に供給する油圧に従って前記ロックピンが第2ロックピン穴内に没入し、該油圧解除に従って前記ロックピンが第1ロックピン穴と第2ロックピン穴に亘って共に嵌合することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の高圧燃料ポンプ構造。
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