JP2016109032A - 高圧ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】リリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁に作用する圧力脈動を低減する高圧ポンプを提供する。【解決手段】高圧ポンプ１の吐出弁６０は、吐出通路１７、６２に設けられ、加圧室１６側と吐出口６８側との燃料圧力差に応じて加圧室１６側から吐出口６８側へ燃料が流れるように開弁可能である。リリーフ弁７５は、吐出通路６２における吐出弁６０より吐出口６８側に設けられた分岐部６６と、ダンパ室３０に合流するリターン部３２とを連通するリリーフ通路７２、７７に設けられ、分岐部６６側とリターン部３２側との燃料圧力差に応じて分岐部６６側からリターン部３２側へ燃料が流れるように開弁可能である。吐出通路オリフィス６４は、吐出通路６２における吐出弁６０と分岐部６６との間に設けられ、吐出通路６２の流路面積を絞る。これにより、燃料レール９７からのリリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を好適に抑制することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンに用いられる高圧ポンプに関する。

従来、エンジンへ燃料を供給する燃料供給装置において、燃料タンクから供給された燃料をプランジャの往復移動によって加圧し、燃料噴射弁が接続される燃料レールへ高圧燃料として吐出する高圧ポンプが知られている。この種の高圧ポンプの中には、燃料レールの燃料圧力が所定値を超えたとき、吐出した高圧燃料の一部を吐出弁よりも上流側の領域に戻すリリーフ弁を内蔵したものがある。

例えば特許文献１に開示された圧力リリーフ装置は、吐出弁下流の吐出通路から分岐させたリリーフ通路にリリーフ弁を設け、当該リリーフ通路におけるリリーフ弁の上流側に、流路面積を絞り「隙間流れ」を形成した「脈動低減手段」を設けている。これにより、プランジャの往復移動に伴う圧力脈動がリリーフ弁に及ぼす影響の低減を図っている。

特開２００４−１９７８３４号公報

高圧ポンプに内蔵されるリリーフ弁は、燃料レールの燃料圧力が所定値を超えた異常時に過剰圧を逃がすためのものであり、通常作動時には開弁しないことが望ましい。したがって、吐出通路の圧力脈動を考慮し、脈動のピーク圧で開弁しないように開弁圧を高い値に設定する必要がある。ところが、リリーフ弁の開弁圧を高い値に設定すると、その分、リリーフ弁開弁までの燃料レールの最大圧力が高くなるため、燃料噴射弁の開弁圧を上げることや、高圧領域に用いられる部材の耐圧性を上げることが必要となる。

その点、特許文献１の装置では、リリーフ弁に作用する圧力脈動を低減することで脈動のピーク圧を低下させ、開弁圧の設定値を低く抑えることができる。しかし、特許文献１の装置では、リリーフ弁の上流側の流路面積を絞っているため、燃料レールからのリリーフ流量を十分に確保することができないという問題があった。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、リリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁に作用する圧力脈動を低減する高圧ポンプを提供することである。

本発明の高圧ポンプは、プランジャ、シリンダ、吐出弁、リリーフ弁、及び吐出通路オリフィスを備える。
シリンダは、プランジャを往復移動可能に収容し、プランジャの一端に面し燃料が加圧される加圧室を形成する。
吐出弁は、加圧室と吐出口とを連通する吐出通路に設けられ、加圧室側と吐出口側との燃料圧力差に応じて加圧室側から吐出口側へ燃料が流れるように開弁可能である。

リリーフ弁は、吐出通路における吐出弁より吐出口側に設けられた分岐部と、吐出弁よりも燃料の上流側で燃料室に合流するリターン部とを連通するリリーフ通路に設けられ、分岐部側とリターン部側との燃料圧力差に応じて分岐部側からリターン部側へ燃料が流れるように開弁可能である。ここで、リターン部が合流する「燃料室」には、燃料が蓄積される空間、又は燃料が流れる空間（通路）を含む。
吐出通路オリフィスは、吐出通路における吐出弁と分岐部との間に設けられ、吐出通路の流路面積を絞る。

本発明では、リリーフ弁の上流、且つ、吐出通路における吐出弁と分岐部との間に吐出通路オリフィスを設けることで、燃料レールからのリリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁直前圧力の脈動を好適に抑制することができる。その結果、脈動のピーク圧が低減するため、リリーフ弁開弁圧を必要最低限の値に設定することができる。

また、特許文献１の従来技術では、リリーフ弁上流の絞りとは別に、燃料レールの脈動を抑制し燃料噴射弁の噴射量を安定させるためのオリフィスを燃料レールの入口部に設ける必要があった。これに対し本発明では、吐出通路オリフィスによって燃料レールの脈動も抑制されるため、燃料レール入口部のオリフィスを廃止することができる。

本発明において、リリーフ弁の下流のリリーフ通路が燃料室に合流するリターン部は、「加圧室の吸入通路側において加圧室の燃料加圧時に閉弁し逆流を防止する吸入弁」に対し燃料の上流側の低圧領域に設けられてもよく、或いは、吸入弁と吐出弁との間の高圧領域に設けられてもよい。

本発明の第１実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成図である。 （ａ）比較例、（ｂ）本発明の実施形態による高圧ポンプによるリリーフ弁直前圧力の脈動を示す図である。 本発明の第１実施形態による高圧ポンプが適用される別の燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態による高圧ポンプが適用される別の燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成図である。 従来技術の燃料供給装置の概略構成図である。

以下、本発明の複数の実施形態による高圧ポンプについて、図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成について、模式的に示した図１を参照して説明する。燃料供給装置１０１は、燃料タンク９１、低圧ポンプ９２、高圧ポンプ１、燃料レール９７及び燃料噴射弁９８等を含む。

燃料タンク９１の燃料は、低圧ポンプ９２によって低圧配管９３を経由して高圧ポンプ１に供給される。高圧ポンプ１は、燃料タンク９１から供給された燃料を加圧し、高圧配管９５を経由して燃料レール９７に吐出する。燃料レール９７は、高圧ポンプ１から吐出された高圧燃料を蓄積する。燃料噴射弁９８は、燃料レール９７に接続され、燃料レール９７に蓄積された高圧燃料を図示しないエンジンの気筒に噴射する。図１に示す例では、４気筒エンジンに対応する４つの燃料噴射弁９８が燃料レール９７に接続されている。

高圧ポンプ１は、主要機能部として、シリンダ１０、プランジャ１１、パルセーションダンパ３１、電磁弁４０、吸入弁５０、吐出弁６０及びリリーフ弁７５等を備えている。
シリンダ１０は、プランジャ１１を往復移動可能に収容する。シリンダ１０の上底部には、プランジャ１１の一端である加圧端１１５に面し、プランジャ１１の上昇時に燃料が加圧される加圧室１６が形成されている。加圧室１６の吸入弁５０側には吸入通路１５が形成され、加圧室１６の吐出弁６０側には吐出通路１７が形成されている。

高圧ポンプ１は、図示しないエンジンブロックに取り付けられおり、カムシャフトの回転に伴うタペットの往復運動が伝達されることで、プランジャ１１は、シリンダ１０内を上死点から下死点まで往復移動する。これにより、加圧室１６の容積が周期的に変化し、高圧ポンプ１は、吸入行程、調量行程及び吐出行程を繰り返す。
吸入行程では、プランジャ１１が下死点に向かって下降し、加圧室１６に燃料が吸入される。調量行程では、プランジャ１１が下死点から上死点に向かう途中の移行点まで上昇しつつ、吸入した燃料の一部を上流側へ戻す。吐出行程では、プランジャ１１が移行点から上死点に向かって上昇し、加圧室１６の燃料を加圧して吐出する。

以下、燃料の流れ方向に従って上流側から下流側に順に説明する。
燃料タンク９１から供給される低圧燃料は、燃料入口２３から、パルセーションダンパ３１が設置されたダンパ室３０に流入する。パルセーションダンパ３１は、２枚のダイヤフラムの外縁が接合され、内側の密閉空間に所定圧の気体が密封されており、燃料圧力の変化に応じて弾性変形することでダンパ室３０の脈動を減衰する。
また第１実施形態では、後述するリターン部３２が「吸入弁５０に対し燃料の上流側」の低圧領域に該当するダンパ室３０に設けられている。

電磁弁４０は、コイルへの通電により発生する磁気吸引力によって可動コアを吸引し、吸入弁５０を開閉する。例えばノーマリーオープン式の構成では、コイルへ通電しないとき、吸入弁５０が開弁し、ダンパ室３０に連通する連通路３４と、加圧室１６前の吸入通路１５とを連通する。一方、コイルへ通電したとき、吸入弁５０が閉弁し、連通路３４と吸入通路１５とを遮断する。
高圧ポンプ１の作動時、吸入弁５０が吸入行程及び調量行程で開弁し、吐出行程で閉弁するように、電磁弁４０の通電タイミングが制御される。吐出行程で吸入弁５０が閉弁することにより、加圧室１６での加圧時に燃料がダンパ室３０に逆流することを防止する。

吐出弁６０は、加圧室１６と吐出口６８とを連通する吐出通路において、加圧室１６側（吐出弁前）の吐出通路１７と吐出口６８側（吐出弁後）の吐出通路６２との間に設けられている。吐出弁６０は、加圧室１６側と吐出口６８側との燃料圧力差に応じて加圧室１６側から吐出口６８側へ燃料が流れるように開弁可能である。

加圧室１６の燃料圧力が相対的に低い吸入行程及び調量行程では、吐出弁６０は、例えば弁体がスプリングの付勢力と燃料レール９７の圧力による力とによって弁座に当接することで閉弁し、燃料の吐出を停止する。吐出行程で加圧室１６の燃料圧力が上昇すると、吐出弁６０は、例えば弁体がスプリングの付勢力と燃料レール９７の圧力による力の和とに抗して弁座から離れることで開弁し、加圧室１６で加圧された高圧燃料を吐出口６８から燃料レール９７へ吐出する。

吐出通路６２における吐出弁６０より吐出口６８側、すなわち、吐出弁６０の下流側には、リリーフ通路７２に分岐する分岐部６６が設けられている。また、吐出通路６２における吐出弁６０と分岐部６６との間には、吐出通路６２の面積を絞る吐出通路オリフィス６４が設けられている。このように、「吐出通路オリフィス６４が吐出通路６２において分岐部６６の上流側に設けられる」という点が本発明の特徴構成である。

リリーフ弁７５は、分岐部６６とリターン部３２とを連通するリリーフ通路において、分岐部６６側（リリーフ弁前）のリリーフ通路７２とリターン部３２側（リリーフ弁後）の低圧リリーフ通路７７との間に設けられている。リリーフ弁７５は、分岐部６６側すなわち燃料レール９７側とリターン部３２側との燃料圧力差に応じて分岐部６６側からリターン部３２側へ燃料が流れるように開弁可能である

そして、リリーフ弁７５は、燃料レール９７の燃料圧力が正常範囲の上限である所定値を超えたとき開弁するように開弁圧が設定される。なお、第１実施形態では、リターン部３２が合流する位置が低圧領域のダンパ室３０であるため、リターン部３２側の燃料圧力による開弁圧への影響が比較的小さい。したがって、開弁圧は、ほぼスプリングの付勢力によって決まる。

正常時に燃料レール９７の燃料圧力が所定値以下であるとき、リリーフ弁７５は、例えば弁体がスプリングの付勢力とダンパ室３０の圧力による力とによって弁座に当接することで閉弁する。一方、弁の故障や温度上昇異常等によって燃料レール９７の燃料圧力が所定値を超えたとき、リリーフ弁７５は、例えば弁体がスプリングの付勢力とダンパ室３０の圧力による力とに抗して弁座から離れることで開弁し、燃料レール９７の過剰圧の燃料を、リリーフ通路７２、７７を経由してリターン部３２に戻す。

ここで、リリーフ通路７２の燃料圧力を「リリーフ弁直前圧力Ｐｒ」という。プランジャ１１の往復移動に伴って、吐出通路６２に連通しているリリーフ弁直前圧力Ｐｒは脈動する。したがって、リリーフ弁７５の開弁圧は、リリーフ弁直前圧力Ｐｒのピーク圧でもリリーフ弁７５が開弁しないような値に設定される必要がある。
本発明の実施形態では、上述のように吐出通路６２に吐出通路オリフィス６４を設けることで、リリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を低減する。この作用効果については後述する。

以上、図１を参照し、燃料供給装置１０１及び高圧ポンプ１の概略構成を説明した。ただし、図１は模式的な図であるため、現実の構成との関連について補足する。
燃料通路について、図１では、一方と他方とを連通している燃料通路を単に一本の直線で示している。この燃料通路は直線状でなくてもよく、複数の通路で構成されてもよい。

吸入弁５０、吐出弁６０及びリリーフ弁７５は、いずれも燃料の流れを一方向に許容し逆流を防止する逆止弁である。これらの逆止弁は、模式図のように、ボール弁体とスプリングとから構成されるものに限らず、どのような形状の弁体及び付勢手段により構成されてもよい。また、吐出弁６０及びリリーフ弁７５については、弁の両側の圧力差が所定値以上になったとき開弁する機能を有するものであればよい。

吐出通路オリフィス６４は、吐出通路６２の流路面積を絞るものであればよい。例えば断面が円形の吐出通路６２の中心に、吐出通路６２よりも小径のオリフィスを形成してもよい。或いは、特許文献１（特開２００４−１９７８３４号公報）に開示されているように、筒と軸との間の環状の隙間によってオリフィスを形成してもよい。

次に、本発明の課題、及び実施形態の作用効果について、従来技術、及び比較例と対比しつつ図２を参照して説明する。
図７に示す燃料供給装置１０９は、特許文献１の従来技術に相当する構成を、第１実施形態の図１に準じて表したものである。従来技術の高圧ポンプ９は、分岐部６６とリリーフ弁７５との間のリリーフ通路７２にリリーフ通路オリフィス７４を設けており、これにより、リリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動の低減を図っている。すなわち、プランジャ１１の往復移動に伴う圧力脈動がリリーフ弁７５に及ぼす影響を低減しようとしている。
また、燃料レール９７の入口部には、燃料レール９７の脈動を抑制し燃料噴射弁９８の噴射量を安定させるためのレール前オリフィス９６が設けられている。

しかし、特許文献１の従来技術では、リリーフ通路７２からリリーフ弁７５を通ってリリーフ通路７７に流入する燃料の流れがリリーフ通路オリフィス７４によって阻害されることになる。そのため、燃料レール９７の燃料圧力が上昇したとき、燃料レール９７からのリリーフ流量を十分に確保することができない。
そこで、本発明の実施形態は、燃料レール９７からのリリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を低減することを目的とするものである。

図１に示すように、本発明の実施形態は、特許文献１の従来技術に対し、分岐部６６の下流のリリーフ通路７２にリリーフ通路オリフィス７４を設けるのではなく、吐出通路６２における吐出弁６０と分岐部６６との間に吐出通路オリフィス６４を設けている。したがって、燃料レール９７から分岐部６６、リリーフ通路７２を経由してリリーフ弁７５に至る流路の面積を絞っていないため、リリーフ流量を確保することができる。

続いて、図２（ａ）は、吐出通路６２やリリーフ通路７２にオリフィスを設けていない比較例でのリリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を示し、図２（ｂ）は、本発明の実施形態でのリリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を示す。本発明の実施形態での脈動の幅Ｒは、比較例での脈動の幅Ｒ’に比べて小さい。したがって、平均圧Ｐａｖｒを同等としたとき、本発明の実施形態では比較例に比べピーク圧が低くなる。よって、ピーク圧よりやや高めに設定される開弁圧Ｐｏを、比較例の開弁圧Ｐｏ’よりも低く設定することができる。

開弁圧Ｐｏを低めに設定可能なことで、燃料噴射弁９８の開弁圧を抑えることができ、また、燃料供給装置１０１の高圧領域に用いられる部材の耐圧性を下げることができる。したがって、燃料供給装置１０１の部品コストを低減しつつ信頼性を向上させることができる。

さらに、本発明の実施形態は、吐出通路オリフィス６４を吐出通路６２に設けていることで、従来技術におけるレール前オリフィス９６の機能を兼ねることができる。したがって、図１に示す燃料供給装置１０１のように、レール前オリフィス９６を廃止することができる。ただし、図３に示す燃料供給装置１０３のように、本発明の実施形態の高圧ポンプ１を適用し、且つ、燃料レール９７の入口部にレール前オリフィス９６を設けるようにしてもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成について、図４、図５を参照して説明する。図４と図５の違いはレール前オリフィス９６の有無のみである。図４は、レール前オリフィス９６を設けない形態の燃料供給装置１０３を示し、第１実施形態の図１に対応する。図５は、レール前オリフィス９６を設ける形態の燃料供給装置１０４を示し、第１実施形態の図３に対応する。

第２実施形態の高圧ポンプ２は、リリーフ弁７５の下流のリリーフ通路７８がダンパ室３０ではなく加圧室１６に合流している点が第１実施形態と異なる。すなわち、第２実施形態では、「吸入弁５０と吐出弁６０との間」の高圧領域である加圧室１６にリターン部１８が設けられている。そこで、第１実施形態の「低圧リリーフ通路７７」と区別する観点から、第２実施形態のリリーフ通路７８を「高圧リリーフ通路７８」という。

第２実施形態のリリーフ弁７５は、プランジャ１１の往復移動に伴い高圧リリーフ通路７８の圧力が変動するという点で第１実施形態と差があるものの、リリーフ流量を確保しつつ、リリーフ弁直前圧力Ｐｒの脈動を低減するという作用効果は第１実施形態と同様である。したがって、リリーフ弁開弁圧を必要最低限の値に設定することができる。

また、吐出通路オリフィス６４によって燃料レール９７の脈動も抑制することができるので、図４のようにレール前オリフィス９６を設けなくてもよい。
ただし、図５のようにレール前オリフィス９６を設けても構わない。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態による高圧ポンプが適用される燃料供給装置の概略構成について、図６を参照して説明する。図６に示すように、燃料供給装置１０５は、高圧ポンプ３の外部の低圧配管９３の途中にリターン部２２が設けられている。リリーフ通路７６は、高圧ポンプ３に形成されたリターン接続部２４を経由して、リリーフ弁７５の下流からリターン部２２まで連通している。

このように、吸入弁５０に対し燃料の上流側に設けられるリターン部は、第１実施形態のように高圧ポンプ１の内部に設けられる形態に限らず、高圧ポンプ３の外部に設けられてもよい。この形態でも第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

（その他の実施形態）
（ア）上述の通り、本発明の高圧ポンプは、プランジャ、シリンダ、吐出弁、リリーフ弁を備える点、及び、「リリーフ弁の上流、且つ、吐出通路における吐出弁と分岐部との間に吐出通路オリフィスを設ける」点を構成的に特定しており、上記構成要素の具体的な形態や上記以外の構成要素については、何ら特定していない。例えば、吐出弁やリリーフ弁の構造や形態、吐出通路、リリーフ通路や分岐部の配置、吐出通路オリフィスの断面積や長さ等については、適宜設定してよい。

（イ）リリーフ通路が燃料室に合流するリターン部の位置は、上記実施形態にて図示される位置に限らない。第１実施形態で例示した「リターン部が吸入弁５０に対し燃料の上流側であって高圧ポンプ１の内部に設けられる形態」としては、低圧リリーフ通路７７が燃料入口２３の直後や吸入通路３４等に合流してもよい。また、第２実施形態で例示した「リターン部が吸入弁５０と吐出弁６０との間に設けられる形態」としては、高圧リリーフ通路７８が吸入通路１５や吐出弁前の吐出通路１７に合流してもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１−３・・・高圧ポンプ、
１０ ・・・シリンダ、 １１ ・・・プランジャ、 １６ ・・・加圧室、
１７ ・・・（吐出弁前）吐出通路、
６０ ・・・吐出弁、
６２ ・・・（吐出弁後）吐出通路、
６４ ・・・吐出通路オリフィス、
６６ ・・・分岐部、
７２ ・・・（リリーフ弁前）リリーフ通路、
７５ ・・・リリーフ弁、
７６、７７、７８・・・（リリーフ弁後）リリーフ通路。

Claims (4)

1. プランジャ（１１）と、
   前記プランジャを往復移動可能に収容し、前記プランジャの一端に面し燃料が加圧される加圧室（１６）を形成するシリンダ（１０）と、
   前記加圧室と吐出口（６８）とを連通する吐出通路（１７、６２）に設けられ、前記加圧室側と前記吐出口側との燃料圧力差に応じて前記加圧室側から前記吐出口側へ燃料が流れるように開弁可能な吐出弁（６０）と、
   前記吐出通路における前記吐出弁より前記吐出口側に設けられた分岐部（６６）と、前記吐出弁よりも燃料の上流側で燃料室に合流するリターン部（３２、１８、２２）とを連通するリリーフ通路（７２、７７、７８、７６）に設けられ、前記分岐部側と前記リターン部側との燃料圧力差に応じて前記分岐部側から前記リターン部側へ燃料が流れるように開弁可能なリリーフ弁（７５）と、
   前記吐出通路における前記吐出弁と前記分岐部との間に設けられ、前記吐出通路の流路面積を絞る吐出通路オリフィス（６４）と、
   を備えることを特徴とする高圧ポンプ（１、２、３）。
2. 前記加圧室の吸入通路（１５）側において前記加圧室の燃料加圧時に閉弁し逆流を防止する吸入弁（５０）をさらに備え、
   前記リターン部（３２、２２）は、前記吸入弁に対し燃料の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高圧ポンプ（１、３）。
3. 前記リターン部（３２）は、当該高圧ポンプの内部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の高圧ポンプ（１）。
4. 前記加圧室の吸入通路（１５）側において前記加圧室の燃料加圧時に閉弁し逆流を防止する吸入弁（５０）をさらに備え、
   前記リターン部（１８）は、前記吸入弁と、前記吐出弁との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高圧ポンプ（２）。

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