JP2019027355A - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、電磁吸入弁の磁気回路に生じるエアギャップを低減した、高圧燃料供給ポンプを提供するものである。
【解決手段】
本発明に係る高圧燃料供給ポンプは、通電によって磁束を発生する電磁コイルと、前記電磁コイルにより閉弁や開弁が制御される吸入弁と、前記磁束の磁路となる複数の磁性部品と、前記磁性部品の少なくとも一つを別の何れかの前記磁性部品に対して弾性力により押し付ける弾性部品と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に燃料を圧送する高圧燃料供給ポンプに関し、特に吐出する燃料の量を調節する電磁吸入弁を備えた燃料供給ポンプに関する。

自動車等の内燃機関の内、燃焼室内部へ直接的に燃料を噴射する直接噴射タイプの内燃機関において、燃料を高圧化し所望の燃料流量を吐出する電磁吸入弁を備えた高圧燃料ポンプが広く用いられている。

たとえば特許５５３７４９８号公報においては、電磁吸入弁を備えた高圧燃料ポンプの一例として、電磁力によって運動するロッドの動きに伴って前記ロッドと別部材のバルブを動かすことにより、バルブの開閉弁を制御する構造であり、電磁コイルへ通電することによりバルブが閉弁し、電磁コイルへの電流が遮断されるとバルブ開弁する、いわゆるノーマルオープン型の電磁吸入弁を備えた高圧燃料供給ポンプが記載されている。

特許５５３７４９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のポンプのように、電磁吸入弁を構成すると、構成部品の寸法バラつきや同軸ずれを吸入するために、磁路となるコアとヨークの間にエアギャップが生じる。磁路中にエアギャップが存在すると、磁気効率が低下して電磁吸入弁の閉弁遅れの原因となる。

そこで、本発明の目的は、電磁吸入弁の磁気回路に生じるエアギャップを低減した、高圧燃料供給ポンプを提供するものである。

上記した課題を解決するために本発明に係る高圧燃料供給ポンプは、通電によって磁束を発生する電磁コイルと、前記電磁コイルにより閉弁や開弁が制御される吸入弁と、前記磁束の磁路となる複数の磁性部品と、前記磁性部品の少なくとも一つを別の何れかの前記磁性部品に対して弾性力により押し付ける弾性部品と、を備える。

このように構成した本発明によれば、電磁吸入弁の磁路に発生するエアギャップを低減し、電磁吸入弁の効率を改善した高圧燃料ポンプを提供することができる。

本実施例の高圧ポンプの縦断面図である。 高圧ポンプを上方から見た水平方向断面図である。 高圧ポンプを図１と別方向から見た縦断面図である。 本実施形態に係る高圧燃料ポンプの電磁吸入弁３００周辺の拡大縦断面図である。 本実施形態に係る高圧燃料ポンプが適用されたエンジンシステムの構成図を示す。

以下、本発明の高圧燃料供給ポンプの実施例について図面を用いて詳細に説明する。

まず、図５に示すエンジンシステムの全体構成図を用いてシステムの構成と動作を説明する。

破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ（以下、高圧ポンプと呼ぶ）の本体を示し、この破線の中に示されている機構・部品はポンプボディ１に一体に組み込まれていることを示す。

燃料タンク２０の燃料は、エンジンコントロールユニット２７（以下ＥＣＵと称す）からの信号に基づきフィードポンプ２１によって汲み上げられる。この燃料は適切なフィード圧力に加圧され、吸入配管２８を通して高圧ポンプの低圧燃料吸入口１０ａに送られる。

低圧燃料吸入口１０ａから吸入ジョイント５１（図１参照）を通過した燃料は、弁１０２を有する圧力脈動伝播防止機構１００、圧力脈動低減機構９、吸入通路を介して容量可変機構を構成する電磁吸入弁３００の吸入ポート３１Ｂに至る。

電磁吸入弁３００に流入した燃料は、燃料導入通路３０Ｐ及び弁体３０を通過し加圧室１１に流入する。エンジンのカム機構９３（図１参照）によりプランジャ２に往復運動する動力が与えられる。

プランジャ２の往復運動により、プランジャ２の下降行程には弁体３０から燃料を吸入し、上昇行程においては、燃料が加圧される。燃料が加圧されると、吐出弁機構８を介し、圧力センサ２６が装着されているコモンレール２３へ燃料が圧送される。

そしてＥＣＵ２７からの信号に基づきインジェクタ２４が燃焼室へ燃料を噴射する。本実施例はインジェクタ２４がエンジンのシリンダ筒内に直接、燃料を吹きつける、いわゆる直噴エンジンシステムに適用される高圧ポンプについて記載するが、その他のシステムにも適用可能である。ＥＣＵ２７から電磁吸入弁３００への信号を受け、高圧ポンプは、所望の燃料流量をコモンレール２３側へ向けて吐出する。

以下、高圧ポンプの詳細な構造について図１ないし図４を用いて説明する。

図１は本実施例の高圧ポンプの縦断面図を示す。図２は高圧ポンプを上方から見た水平方向断面図を示す。図３は高圧ポンプを図１と別方向から見た縦断面図である。また図４は、本実施形態に係る高圧燃料ポンプの電磁吸入弁３００周辺の拡大縦断面図である。

図１を用いて本実施例について説明する。本実施例の高圧ポンプは、ポンプボディ１に設けられた取付けフランジ１Ｅを用いて内燃機関のシリンダヘッド９０の平面に密着し、図示しない複数のボルトで固定される。

シリンダヘッド９０とポンプボディ１との間をシールするため、ポンプボディ１にＯリング６１が嵌め込まれている。これによりエンジンオイルが外部に漏れるのを防止する。

ポンプボディ１にはプランジャ２の往復運動をガイドするためのシリンダ６が取り付けられている。また燃料を加圧室１１に供給するための電磁吸入弁３００と加圧室１１から吐出通路に燃料を吐出し逆流を防止するための吐出弁機構８（図２参照）が設けられている。吐出弁機構８を通過した燃料は、吐出ジョイによりエンジン側部品へ移動する。

シリンダ６は、その外周側で、圧入によりポンプボディ１と固定され、ポンプボディ１との隙間から加圧した燃料が低圧側に漏れないよう、円筒状の圧入部の表面で燃料をシールする。シリンダ６を軸方向に平面接触させることにより、ポンプボディ１とシリンダ６との円筒状の圧入部のシールに加え、二重にシールすることが可能となる。

プランジャ２の下端には、内燃機関のカムシャフトに取り付けられたカム機構９３が配置される。また、カム機構９３の回転運動を上下運動に変換し、プランジャ２に動きを伝達するタペット９２が設けられている。プランジャ２はリテーナ１５を介してばね４にてタペット９２に圧着される。この構成により、カム機構９３の回転運動に伴い、プランジャ２を上下に往復運動させることができる。

また、シールホルダ７の内周下端部に保持されたプランジャシール１３が、シリンダ６の図中下方部においてプランジャ２の外周に摺動可能に接触するよう設置されている。これにより、プランジャ２が摺動したとき、副室７Ａの燃料をシールし内燃機関内部へ流入するのを防ぐ。それと同時に内燃機関内の摺動部を潤滑する潤滑油（エンジンオイルも含む）がポンプボディ１の内部への流入を防止する。

ポンプボディ１には吸入ジョイント５１が取り付けられている。吸入ジョイント５１は、車両の燃料タンク２０からの燃料を供給する低圧配管に接続されており、燃料は低圧配管を通り、高圧ポンプ内部に供給される。

吸入ジョイント５１内の吸入フィルタ５２は、燃料タンク２０から低圧燃料吸入口１０ａまでの間に存在する異物を燃料の流れによる高圧燃料ポンプ内への吸入を防ぐ役目を果たす。

低圧燃料吸入口１０ａを通過した燃料は、圧力脈動低減機構９、低圧燃料流路１０Ｄを介して電磁吸入弁３００の吸入ポート３１Ｂ（図４参照）に至る。

加圧室１１の出口に設けられた吐出弁機構８（図２及び図３参照）は、吐出弁シート８Ａと、吐出弁シート８Ａと接離する吐出弁８Ｂと、吐出弁８Ｂを吐出弁シート８Ａに向かって付勢する吐出弁ばね８Ｃと、吐出弁８Ｂのストローク（移動距離）を決める吐出弁ストッパ８Ｄと、から構成される。吐出弁ストッパ８Ｄとポンプボディ１は当接部８Ｅで溶接により接合され、燃料と外部を遮断している。

加圧室１１と吐出弁室１２Ａ（図２参照）に燃料差圧が無い状態においては、吐出弁８Ｂは吐出弁ばね８Ｃによる付勢力で吐出弁シート８Ａに圧着され閉弁状態となっている。

加圧室１１の燃料圧力が、吐出弁室１２Ａの燃料圧力よりも大きくなった時に初めて、吐出弁８Ｂは吐出弁ばね８Ｃに逆らって開弁する。そして、加圧室１１内の高圧の燃料は吐出弁カバー１２Ｄに覆われている吐出弁室１２Ａ、燃料吐出通路１２Ｂ、燃料吐出口１２を経てコモンレール２３へと吐出される。

吐出弁８Ｂは開弁した際、吐出弁ストッパ８Ｄと接触し、ストロークが制限される。したがって、吐出弁８Ｂのストロークは吐出弁ストッパ８Ｄによって適切に決定される。この構成によりストロークが大きすぎることによる、吐出弁８Ｂの閉じ遅れを防ぐことができる。

よって、吐出弁室１２Ａへ高圧吐出された燃料が再び加圧室１１内に逆流してしまうのを防止でき、高圧ポンプの効率低下を抑制することができる。また、吐出弁８Ｂが開弁および閉弁運動を繰り返す際に、吐出弁８Ｂがストローク方向にのみ運動するように、吐出弁ストッパ８Ｄの外周面にてガイドしている。以上のようにすることで、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。

以上に説明したように、加圧室１１は、ポンプボディ１、電磁吸入弁３００、プランジャ２、シリンダ６、吐出弁機構８にて構成される。

カム機構９３の回転により、プランジャ２がカム機構９３の方向に移動して吸入行程状態にある時は、加圧室１１の容積は増加するため加圧室１１内の燃料圧力が低下する。この行程で加圧室１１内の燃料圧力が吸入通路１０Ｄの圧力よりも低くなると、弁体３０（図４参照）は開口状態となる。そのため燃料は弁体３０が開弁して形成される開口部を通り、ポンプボディ１に設けられた連通穴１Ａ（図１参照）と、シリンダ６の溝６Ａ、連通孔６Ｂ（図４参照）を通過し、加圧室１１に流入する。

吸入行程が終了すると、プランジャ２が上昇運動に転じ圧縮行程に移る。ここで電磁コイル４３は無通電状態を維持したままであり磁気吸引力は作用しない。ロッド付勢ばね４０は、無通電状態において弁体３０を開弁維持するのに必要十分な付勢力を有するよう設定されており、このような高圧ポンプはノーマルオープン式と呼ばれる。

加圧室１１の容積は、プランジャ２の上昇運動（圧縮）に伴い減少するが、この状態では、一度、加圧室１１に吸入された燃料が、再び開弁状態のバルブ３０の開口部を通して吸入通路１０Ｄへと戻されるので、加圧室の圧力が上昇することは無い。この行程を戻し行程と称する。

図２に示されるリリーフバルブ２００は、リリーフバルブカバー２０１と、ボール弁２０２と、リリーフバルブ押え２０３と、ばね２０４と、ばねホルダ２０５と、により構成される。リリーフバルブ２００は、コモンレール２３やその先の部材に何らかの問題が生じ、異常に高圧になった場合にのみ作動するよう構成された弁であり、コモンレール２３やその先の部材内の圧力が高くなった場合にのみ開弁し、燃料を加圧室に戻すという役割を持つ。そのため、非常に強力なばね２０４を有している。

図１に示される低圧燃料室１０には高圧ポンプ内で発生した圧力脈動が燃料配管２８へ波及することを低減させるための圧力脈動低減機構９が設置されている。また、圧力脈動低減機構９の上下にはそれぞれ、間隔を持ってダンパ上部１０Ｂとダンパ下部１０Ｃが設けられている。

一度加圧室１１に流入した燃料が、容量制御のため再び開弁状態の吸入弁の弁体３０を通して吸入通路１０Ｄへと戻される場合、吸入通路１０Ｄへ戻された燃料により低圧燃料室１０には圧力脈動が発生する。

しかし、低圧燃料室１０に設けた圧力脈動低減機構９は、波板状の円盤型金属板２枚をその外周で張り合わせ、内部にアルゴンのような不活性ガスを注入した金属ダイアフラムダンパで形成されており、圧力脈動はこの金属ダンパが膨張・収縮することで吸収低減される。金属ダンパをポンプボディ１の内周部に固定するための取り付け金具９Ｂであり、燃料通路上に設置されるため、ダンパとの支持部を全周では無く、一部とし前記取り付け金具９Ｂの表裏に流体が自由に行き来できるようにしている。

プランジャ２は、大径部２Ａと小径部２Ｂを有し、プランジャの往復運動によって副室７Ａの体積は増減する。副室７Ａは、燃料通路１０Ｅ（図３参照）により低圧燃料室１０と連通している。プランジャ２の下降時は、副室７Ａから低圧燃料室１０へ、上昇時は、低圧燃料室１０から副室７Ａへと燃料の流れが発生する。

このことにより、ポンプの吸入行程もしくは、戻し行程におけるポンプ内外への燃料流量を低減することができ、高圧ポンプ内部で発生する圧力脈動を低減する機能を有している。

近年、燃焼効率向上のため、高圧ポンプの吐出燃料圧力のさらなる高圧化が求められている。そのため加圧室１１ではこれまで以上に燃料を加圧する必要がある。本実施例の図４に示すようなロッド３５と弁体３０が別体で構成される高圧ポンプにおいては、圧縮工程で加圧室１１が高圧となることで、自動的に弁体３０が弁座部材３１に衝突する。

今後、さらに高圧化が進むと、弁体３０が弁座部材３１に衝突する際、あるいは弁体３０がストッパ３２に衝突する際の衝撃が非常に大きくなることが予想され、衝撃に耐えられるような強度を持つ弁座部材３１が求められる。

そこで本実施例では、弁座部材３１とロッドガイド部材３７も一体に成形されている。弁体３０は平板形状で構成され、平板部３０Ａと、加圧室側に突出するガイド部３０Ｂとを備えて構成されている。

電磁吸入弁３００は、通電により電磁コイル４３が発生した磁束が、第二磁性コア３９、第二ヨーク４２、第一ヨーク４１、第一磁性コア３８、アンカー３６を磁路として通過し、磁気吸引面Ｓで、第二磁性コア３９とアンカー３６の間に磁気吸引力を生じさせ、アンカー３６、ロッド３５とこれらに続き配置される弁体３０を可動させることにより、燃料を吸入し、加圧室１１に送る機構のことを指す。

ここで、前述の磁路を構成する部品同士の間においては、磁気吸引面部である第二磁性コア３９とアンカー３６の間と、摺動面となるアンカー３６と第一磁性コア３８の間を除いて、エアギャップがないことが望ましい。

本実施例では、第一ヨーク４１と第一磁性コア３８の間は圧入接触とし、第二電磁コア３９と第二ヨーク４２の間は突き当て接触で、第二ヨーク４２とトメワ４５との間に保持された皿ばねのばね力によって、第二ヨーク４２は第二磁性コア３９に押し付けられ、強固に密着される。

一方、第二ヨーク４２を第二磁性コア３９と密着できるように第二ヨーク４２と第一ヨーク４１の間は挿入となっており、必要最少限度のエアギャップを設けている。

以上の構造により、電磁吸入弁３００の磁路中のエアギャップを最小限とし、磁気吸入弁の磁気効率を改善できる。なお、皿ばねの代わりに、ウェーブワッシャ、板ばね、コイルばね、ゴムなどを圧縮して使用してもよい。

前記したとおり、図４に示すいわゆるノーマルオープン式の電磁吸入弁３００は、無通電状態において、強力なロッド付勢ばね４０によって、弁体３０が開弁する方向へロッド３５を稼働させる。

ＥＣＵ２７からの制御信号が電磁吸入弁３００に印加されると、電磁コイル４３には端子４６を介して電流が流れる。電流が流れることにより、第二磁性コア３９は磁気吸引力を生じる。

アンカー３６の間には、アンカー３６を係止するフランジ部３５Ａを備えたロッド３５が配置される。ロッド３５はフランジ部３５Ａを有することにより、アンカー３６を係止することができるため、アンカー３６とともに移動することが可能となる。またロッド３５はアンカー３６の下部に閉弁付勢ばね４９及び、燃料通路３７Ａを備えたロッドガイド部３７の間に配置される。

図４に記載の磁気吸引面Ｓにおいて、電磁コイル４３に電流が流れることにより、第二磁性コア３９の磁気吸引力が発生する。アンカー３６は磁気吸引力により第二磁性コア３９側に引き寄せられる。それに伴い、アンカー３６とアンカー３６を係止しているロッド３５が閉弁方向に引き寄せられる。

第二磁性コア３９とアンカー３６が磁気吸引力によって接触している状態においては、ロッド３５とバルブ３０の間にはロッド―バルブ間隙間が存在する。ロッド―バルブ間隙間が存在しない場合、アンカー３６とロッド３５が第二磁性コア３９に磁気吸引されてもバルブ３０が弁座部材３１と接触できず、加圧室１１への流路を閉じることができなくなる。このロッド―バルブ間隙間については、後程詳述する。

なお、ロッド３５はフランジ部３５Ａの内周部で、アンカー３６と接触する位置において、内周側に凹んでいる凹み部３５Ｂが形成される。これによりアンカー３６が接触した際の逃げ部を形成できるため、ロッド３５あるいはアンカー３６の衝突による破損を防止できる。さらにロッド３５は弁体３０の側の先端部において、先端に向かう程、径が小さくなる傾斜部３５Ｃが形成される。

このような構成により、ロッド３５にアンカー３６を挿入する際に多少芯がずれていたとしても容易に組み込み可能であり、生産効率を上げることが可能である。なお、ロッド３５は旋盤加工により形成されるため、弁体３０の側の先端部において、弁体３０と反対側に凹む、凹み部が形成される。

ロッド３５の下部（吸入弁側）には、弁体３０と、吸入弁付勢ばね３３と、ストッパ３２と、を備える。弁体３０には加圧室１１側に突き出し、吸入弁付勢ばね３３によりガイドされるガイド部３０Ｂが形成される。

弁体３０は、ロッド３５の移動に伴って弁体ストローク３０Ｅの隙間の分だけ移動し、開弁閉弁を制御する。また開弁状態で低圧燃料吸入通路１０Ｄから供給された燃料は、加圧室１１に供給される。

ガイド部３０Ｂは、吸入弁機構のハウジング内部に圧入され、固定されたストッパ３２に衝突することにより動きを停止する。なお、ロッド３５と弁体３０は別体で独立した構造をとっている。弁体３０は吸入側に配置された弁座部材３１の弁座に接触することで加圧室１１への流路を閉じ、また弁座から離れることで加圧室１１への流路を開くように構成される。

磁気付勢力がロッド付勢ばね４０の付勢力に打ち勝ち、ロッド３５は弁体３０から離れる方向に移動する。よって、吸入弁付勢ばね３３による付勢力と燃料が低圧燃料吸入通路１０Ｄに流れ込むことによる流体力により弁体３０が閉弁する。閉弁後、加圧室１１の燃料圧力はプランジャ２の上昇運動と共に上昇し、燃料吐出口１２の圧力以上になると、吐出弁機構８を介して高圧燃料の吐出が行われ、コモンレール２３へと供給される。この行程を吐出行程と称する。

以上に述べたとおり、プランジャ２の圧縮行程（下始点から上始点までの間の上昇行程）は、戻し行程と吐出行程からなる。そして、電磁吸入弁３００の電磁コイル４３への通電タイミングを制御することで、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４３へ通電するタイミングを早くすれば、圧縮行程中の、戻し行程の割合が小さく、吐出行程の割合が大きい。すなわち、吸入通路１０Ｄに戻される燃料が少なく、高圧吐出される燃料は多くなる。一方、通電するタイミングを遅くすれば圧縮行程中の、戻し行程の割合が大きく吐出行程の割合が小さい。すなわち、低圧燃料吸入通路１０Ｄに戻される燃料が多く、高圧吐出される燃料は少なくなる。電磁コイル４３への通電タイミングは、ＥＣＵ２７からの信号によって制御される。

以上のように電磁コイル４３への通電タイミングを制御することで、内燃機関が必要とする量を適切に吐出できるよう制御することが出来る。

１…ポンプボディ、１Ａ…連通穴、１Ｅ…フランジ、２…プランジャ、２Ａ…大径部、２Ｂ…小径部、４…ばね、６…シリンダ、６Ａ…溝、６Ｂ…連通孔、７…シールホルダ、７Ａ…副室、８…吐出弁機構、８Ａ…吐出弁シート、８Ｂ…吐出弁、８Ｃ…吐出弁ばね、８Ｄ…吐出弁ストッパ、８Ｅ…当接部、９…圧力脈動低減機構、９Ｂ…取り付け金具、１０ａ…低圧燃料吸入口、１０Ｂ…ダンパ上部、１０Ｃ…ダンパ下部、１０Ｄ…低圧燃料吸入通路、１０Ｅ…燃料通路、１１…加圧室、１２…燃料吐出口、１２Ａ…吐出弁室、１２Ｂ…燃料吐出通路、１２Ｃ…吐出ジョイント、１２Ｄ…吐出弁カバー、１３…プランジャシール、１５…リテーナ、２０…燃料タンク、２１…フィードポンプ、２３…コモンレール、２４…インジェクタ、２６…圧力センサ、２７…ＥＣＵ、３０…弁体、３０Ａ…平板部、３０Ｂ…ガイド部、３０Ｅ…弁体ストローク、３０Ｐ…燃料導入通路、３１…弁座部材、３１Ｂ…吸入ポート、３２…ストッパ、３３…吸入弁付勢ばね、３５…ロッド、３５Ａ…フランジ部、３５ｃ…傾斜部、３６…アンカー、３７…ロッドガイド部、３７Ａ…燃料通路、３８…第一磁性コア、３９…第二磁性コア、４０…ロッド付勢ばね、４１…第一ヨーク、４２…第二ヨーク、４３…電磁コイル、４５…トメワ、４６…端子、４９…閉弁付勢ばね、５１…吐出ジョイント、５２…吸入フィルタ、６１…Ｏリング、９０…シリンダヘッド、９２…タペット、９３…カム機構、１００…圧力脈動伝播防止機構、１０２…弁、２００…リリーフバルブ、２０２…ボール弁、２０３…リリーフバルブ押え、２０４…ばね、２０５…ばねホルダ、３００…電磁吸入弁

Claims (9)

1. 通電によって磁束を発生する電磁コイルと、
   前記電磁コイルにより閉弁や開弁が制御される吸入弁と、
   前記磁束の磁路となる複数の磁性部品と、
   前記磁性部品の少なくとも一つを別の何れかの前記磁性部品に対して弾性力により押し付ける弾性部品と、を備える高圧燃料供給ポンプ。
2. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、皿ばねである高圧燃料供給ポンプ。
3. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、板ばねである高圧燃料供給ポンプ。
4. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、ウェーブワッシャである高圧燃料供給ポンプ。
5. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、コイルばねである高圧燃料供給ポンプ。
6. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、樹脂部品である高圧燃料供給ポンプ。
7. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記弾性部品は、Ｏリングである高圧燃料供給ポンプ。
8. 請求項１に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記弾性部材は、前記磁性部品と固定部材との間に設置される高圧燃料ポンプ。
9. 請求項８に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記固定部材は、トメワであることを特徴とする高圧燃料ポンプ。

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