JP3808230B2

JP3808230B2 - 高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置

Info

Publication number: JP3808230B2
Application number: JP05166099A
Authority: JP
Inventors: 善彦大西; 繁信栃山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: FR2790287A1; DE19951517B4; US6079450A; DE19951517A1; JP2000249019A; FR2790287B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆる筒内噴射式エンジンあるいは直接噴射式エンジンと呼ばれている、燃料をエンジンのシリンダ内で噴射する方式のエンジンとしては、ディーゼルエンジンが広く知られているが、近年、火花点火エンジン（ガソリンエンジン）においても、筒内噴射式のものが提案されている。このような、筒内噴射式エンジンでは、十分に高い燃料噴射圧が得られるようにされているとともに、噴射の安定性のため、燃圧脈動が小さいことが要求される。このため、構造が簡単で、製造コストが安価で、コンパクトである単気筒式の高圧燃料ポンプが公知となっている。一方、単気筒ではプランジャが１本であるため、吐出される燃料の圧力にかなりの脈動幅があるため、この脈動を吸収する金属ベローズ式や金属ダイヤフラム式の脈動吸収装置が提案されている。
【０００３】
図７は従来の自動車の燃料供給系統を示す模式図である。図７において、１は燃料噴射機器であるディリバリパイプ、２はディリバリパイプ１のインジェクタであって、図示しないエンジンの気筒数と対応している。３はエンジンのハウジングに装着される高圧燃料ポンプ、４は高圧燃料ポンプ３の高圧ポンプである。この高圧ポンプ４は、エンジンの１／２の回転数で回転する図示しないカムにより駆動されるピストンと、このピストンを往復移動可能に収納するシリンダとにより燃料を高圧に加圧する要素である。５は高圧ポンプ４の吸入口に接続された低圧通路、６は低圧通路５に配置されたフィルタ、７は高圧ポンプ４とフィルタ６との間で低圧通路５に接続された金属ベローズ式の低圧ダンパ、９は高圧ポンプ４の吐出口に接続された高圧通路、１０は高圧通路９に分岐通路１１を介して接続されたダイヤフラム式の高圧ダンパ、１２は高圧ダンパ１０よりも吐出側で高圧通路９に配置された高圧チェックバルブ、１３は高圧チェックバルブ１２よりも吐出側で高圧通路９より分岐された高圧戻し通路、１４は高圧戻し通路１３に配置されたフィルタ、１５はフィルタ１４よりも下流側で高圧戻し通路１３に配置された高圧レギュレータ、１６は高圧ポンプ４のドレン通路、１７は高圧燃料ポンプ３の高圧通路９とディリバリパイプ１とを接続した高圧配管、１８は燃料タンク、１９は燃料タンク１８の内部に設けられた低圧ポンプ、２０は低圧ポンプ１９の吸入側のフィルタ、２１は低圧ポンプ１９の吐出側と高圧燃料ポンプ３の吸入側とを接続した低圧配管、２２は低圧配管２１に配置された低圧チェックバルブ、２３は低圧チェックバルブ２２よりも高圧燃料ポンプ３側で低圧配管２１に配置されたフィルタ、２４は低圧配管２１のフィルタ２３よりも高圧燃料ポンプ３側と燃料タンク１８とを接続した低圧戻し配管、２５は低圧戻し配管２４に配置された低圧レギュレータ、２６は高圧燃料ポンプ３のドレン通路１６と燃料タンク１８とを接続したドレン配管、２７は高圧燃料ポンプ３の高圧戻し通路１３と燃料タンク１８とを接続した高圧戻し配管、２８は燃料タンク１８の内部に入れられた燃料である。
【０００４】
次に前記燃料供給系統の動作について説明する。低圧ポンプ１９が燃料２８をフィルタ２０を経由して吸入し低圧に加圧して吐出する。この低圧の燃料２８は低圧チェックバルブ２２とフィルタ２３とを順に経由しつつ低圧配管２１により高圧燃料ポンプ３に送られる。低圧配管２１における燃料圧力が低圧レギュレータ２５による低圧設定値を越えた場合、低圧配管２１における燃料２８の一部が低圧レギュレータ２５を経由して低圧戻し配管２４により燃料タンク１８に戻されることにより、燃料タンク１８より高圧燃料ポンプ３側に送られる燃料２８の圧力が所定の低圧に調整される。高圧燃料ポンプ３に到達した燃料２８は低圧通路５においてフィルタ６と低圧ダンパ７とを順に経由して高圧ポンプ４に吸入される。高圧ポンプ４は吸入した燃料２８を高圧に加圧して高圧通路９に吐出するとともに高圧ポンプ４のピストンとシリンダとの間から漏れた燃料２８をドレン通路１６に流出する。ドレン通路１６に流出した燃料はドレン配管２６を経由して燃料タンク１８に戻る。高圧通路９に送られた燃料２８は高圧ダンパ１０と高圧チェックバルブ１２とを順に経由してディリバリパイプ１に送られる。高圧通路９における燃料圧力が高圧レギュレータ１５による高圧設定値を越えた場合、高圧通路９における燃料２８の一部がフィルタ１４と高圧レギュレータ１５とを順に経由して高圧戻し通路１３と高圧戻し配管２７とにより燃料タンク１８に戻されることにより、高圧燃料ポンプ３よりディリバリパイプ１側に送られる燃料２８の圧力が所定の高圧に調整される。この状態において、エンジンの各気筒における燃料噴射時期に対応するディリバリパイプ１のインジェクタ２が高圧の燃料を上記燃料噴射時期の気筒内に噴射する。
【０００５】
図８は前記高圧燃料ポンプ３の高圧ダンパ１０まわりを示す断面図である。図８において、高圧ダンパ１０は高圧燃料ポンプ３のボディ３０に形成された収納凹部３１に収容され、燃料の脈動吸収装置である高圧ダンパを構成する。１００は高圧容器の一方であるケース、１０１は高圧容器の他方であるプレートであって、ボディ３０の収納凹部３１の底部に収納される。１０２はケース１００と共働して第１高圧室１０３を形成するとともにプレート１０１と共働して第２高圧室１０４を形成する可撓性の薄い金属円板状のダイヤフラムである。ダイヤフラム１０２の周縁部はケース１００とプレート１０１との間に封止支持されている。１０５は環状の締結ねじであって、ボディ３０のねじ部３２に螺合してケース１００とダイヤフラム１０２とプレート１０１とを収容凹部３１の底部に押圧固着する。プレート１０１の外周面と収納凹部３１の内周面との嵌合面はオーリングのようなシール部材３３により燃料漏れ防止されている。ボディ３０には分岐通路１１を構成する第１・第２通路部３４，３５が収納凹部３１の底部に連通するように形成されている。そして、ケース１００は下面（ダイヤフラム１０２側面）にダイヤフラム１０２の移動を規制する上方に窪む皿形の第１高圧室側ストッパ１０６が形成されている。また、プレート１０１は、下面（第１・第２通路部３４，３５側面）に第１・第２通路部３４，３５のそれぞれに連なる連絡凹部１０７が形成され、上面（ダイヤフラム１０２側面）にダイヤフラム１０２の移動を規制する下方に窪む皿形の第２高圧室側ストッパ１０８が形成され、連絡凹部１０７と第２高圧室側ストッパ１０８との中間に連絡凹部１０７と第２高圧室側ストッパ１０８とに開口する複数の貫通孔１０９が形成されている。第１高圧室１０３には図示しないガスがケース１００に設けられたガス充填口部１１０を介して所定圧力に充填され止め栓１１１で封止されている。この所定圧力は第１通路部３４より連絡凹部１０７を経由して第２通路部３５を通過する高圧の燃料の脈動を吸収するために必要な圧力である。第２高圧室１０４には高圧の燃料の一部が連絡凹部１０７より貫通孔１０９を経由して満たされる。１０５ａは締結ねじ１０５を操作する工具用孔である。１１２はダイヤフラム１０２の周縁部をケース１００とプレート１０１とに封止支持した溶接である。
【０００６】
次に前記高圧ダンパ１０の動作について説明する。第１高圧室１０３にガスが満たされ、第２高圧室１０４に燃料が満たされた状態において、エンジン駆動により図７の燃料供給系統が動作を開始すると、矢印で示すように高圧ポンプ４より吐出された高圧の燃料が第１通路部３４より連絡凹部１０７を経由して第２通路部３５へと流れる。この燃料に脈動が発生すると、第１高圧室１０３の内部のガス圧とダイヤフラム１０２自身のばね力との総和により、ダイヤフラム１０２がケース１００側に撓んだり、ダイヤフラム１０２がプレート１０１側に撓むことにより、ダイヤフラム１０２が上記燃料の脈動を吸収する。そして、運転者が自動車のキースイッチをオフ操作することにより、エンジンが停止すると、上記矢印で示す燃料の流れが止まり、第２高圧室１０４内の燃料の圧力が低下する。それに伴い、第１高圧室１０３内部のガスの圧力が第２高圧室１０４の内部における燃料圧とダイヤフラム１０２自身のばね力との総和よりも増加することにより、ダイヤフラム１０２が撓み、最終的にはダイヤフラム１０２が第２高圧室側ストッパ１０８に接触する。また、第１高圧室１０３よりガスが抜けて、第１高圧室１０３のガス圧が低下したり、燃料の脈動圧が突発的に高くなり、ダイヤフラム１０２の撓みが大きくなると、最終的にはダイヤフラム１０２が第１高圧室側ストッパ１０６に接触する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の金属ダイヤフラム式脈動吸収装置である高圧ダンパ１０は以上のように構成されているので、作動時にはダイヤフラム１０２が第１・第２高圧室側ストッパ１０６，１０８とに隙間を有する位置に可動し、また、ダイヤフラム１０２は厚さが薄い程燃料の脈動を良好に低減する。一方、燃料が第１通路部３４より連絡凹部１０７を経由して第２通路部３５へと流れる過程において、燃料に混入された金属粉のような異物が貫通孔１０９より第２高圧室１０４に侵入することがある。第２高圧室１０４に異物が侵入した場合、上記ダイヤフラム１０２の可動による第２高圧室１０４内での燃料の動きにより、異物は第２高圧室１０４の周囲に堆積する。そして、高圧燃料ポンプ３の動作停止により、ダイヤフラム１０２が第２高圧室側ストッパ１０８に接触する際、ダイヤフラム１０２が上記第２高圧室１０４の周囲に堆積した異物を第２高圧室側ストッパ１０８との間に挟み込み、ダイヤフラム１０２が異物により変形される。その変形部に局部的に高い応力が発生し、ダイヤフラム１０２が亀裂を生じて破損する可能性があった。
【０００８】
この発明の目的は上記課題を解決するためになされたもので、ダイヤフラムの剛性を向上することができる高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置は、可撓性を有する金属円板状のダイヤフラムが高圧室を形成する高圧容器に設けられ、ダイヤフラムの周縁部が高圧容器に封止支持された高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置において、前記可撓性を有する金属円板状のダイヤフラムは厚さおよび大きさの同じな複数のダイヤフラムが重ね合せられるとともに、その重ね合せられた全体の厚さが前記ダイヤフラムの重ね合せ枚数倍に構成され、一方が析出硬化型ステンレス鋼により形成され、複数のダイヤフラムの他方がオーステナイト系ステンレス鋼により形成され、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されたダイヤフラムが高圧な燃料の脈動を受ける側に配置されたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
参考例
図１はこの発明の参考例に係る高圧燃料ポンプ３の高圧ダンパ１０まわりを示す断面図、図２は対比例を示す断面図、図３は高圧ダンパ１０の剛性比較を示す試験結果図、図４は高圧ダンパ１０の応力比較を示す試験結果図、図５は高圧ダンパ１０の判定結果を示す図表である。図１において、高圧ダンパ１０は複数のダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂを重ね合せて、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂによる剛性を向上する特徴がある。つまり、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂそれぞれは前述のダイヤフラム１０２と同一の厚さと大きさを有するものが２枚重ね合せられ、それらのダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの周縁部がケース１００とプレート１０１との間に封止支持されている。ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂ以外の要素は従来の図８と同じである。
【００１４】
図２において、対比例はダイヤフラム１０２Ｃが単一であるが、ダイヤフラム１０２Ｃは厚さが前述のダイヤフラム１０２の２倍であり、大きさが前述のダイヤフラム１０２と同一であり、ダイヤフラム１０２Ｃの周縁部がケース１００とプレート１０１との間に封止支持されている。
【００１５】
図３において、前記従来例と前記対比例と参考例との圧力と変化量とに依存する剛性比較を行った実験結果について説明する。図３は、横軸にダイヤフラム前後の圧力差を示し、縦軸に第１高圧室１０３の容積変化量を示し、それぞれのダイヤフラム１０２，１０２Ａ〜１０２Ｂ，１０２Ｃに第１高圧室１０３側から圧力を印加した状態においてそれぞれのダイヤフラム１０２，１０２Ａ〜１０２Ｂ，１０２Ｃが第２高圧室１０４側に撓むことにより、その撓み量を第１高圧室１０３の容積変化量として換算し、プロットしたものであって、曲線Ｌ１が従来例を表し、曲線Ｌ２が対比例を表し、曲線Ｌ３が参考例を表している。この図３を考察すると、従来例に対し対比例は容積変化量が小さく剛性が高くなっていることがわかる。それに対し参考例はダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂを２枚重ね、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂよりなる全体の厚みを対比例と同一にした場合、対比例とほぼ同等まで剛性が高くなっていることがわかる。また脈動吸収性能において剛性を高くした場合、性能の低下が懸念されるが、従来例に対し対比例、参考例の脈動吸収性能への影響が小さいことも確認した。
【００１６】
図４において、前記従来例と前記対比例と参考例との上記容積変化量と表面発生応力とに依存する応力比較を行った実験結果について説明する。図４は、横軸に第１高圧室１０３の容積変化量を示し、縦軸にダイヤフラムの表面発生応力を示し、それぞれのダイヤフラム１０２，１０２Ａ〜１０２Ｂ，１０２Ｃが図３の容積変化量を示した際におけるそれぞれのダイヤフラム１０２，１０２Ａ〜１０２Ｂ，１０２Ｃの表面発生応力をプロットしたものであって、曲線Ｌ４が従来例を表し、曲線Ｌ６が対比例を表し、曲線Ｌ５が参考例を表している。この図３を考察すると、参考例の表面発生応力は従来例に類似する直線性を有することがわかる。対比例は、容積変化量が小さい間は表面発生応力が参考例に類似する直線性を有するが、容積変化量が大きくなるにしたがい、表面発生応力が参考例よりも大きくなり、しかも非直線性となることがわかる。
【００１７】
図３と図４との実験結果を合わせて考察すると、異物に対する剛性を上げるには対比例のダイヤフラム１０２Ｃのように単一で厚さを従来例のダイヤフラム１０２の２倍にすれば良いが、対比例のダイヤフラム１０２Ｃのように単一で厚い場合には容積変化量が大きくなるにしたがい表面発生応力が急激に大きくなり、高圧ダンパ１０として通常作動した場合の表面発生応力が高くなり作動時の耐久性を低下させる可能性がある。これに対し、参考例のように従来例のダイヤフラム１０２と厚さと大きさとが同じダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂを重ね合せ、それらのダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの周縁部をケース１００とプレート１０１との間に封止支持した場合には、表面発生応力を従来例と同等に抑え、剛性をほぼ対比例と同等まで高くすることができることが明らかであろう。また、対比例の場合には、ダイヤフラム１０２Ｃの大きさを大きくすれば、表面発生応力を参考例や従来例に類似する直線性とすることは可能であるが、高圧ダンパ１０の大きさが大きくなることは否めない。よって、参考例の構造によれば、従来例よりも剛性が高くなるが、高圧ダンパ１０の大きさはそのままで、高圧ダンパ１０としての高圧な燃料の脈動吸収性能が良好であることが理解できるであろう。
【００１８】
図５において、図３の剛性比較実験結果と図４の表面発生応力比較結果とを判定すると、従来例では表面発生応力は「〇」であるが、剛性は「×」である。対比例では表面発生応力は「×」であるが、剛性は「〇」である。参考例では表面発生応力と剛性とがともに「〇」であると、判定できた。
【００１９】
参考例の構造によれば、厚さと大きさが従来と同じダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂを重ね合せ、それらのダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの周縁部をケース１００とプレート１０１との間に封止支持したことにより、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂに発生する応力を従来例と同レベルに抑えたまま、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの剛性が高くなり、金属粉のような異物に対するダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの変形や破損を防止することができる。また、第２高圧室１０４よりダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂに異常に高い圧力がかかったり、第１高圧室１０３のガス圧が異常に低下した場合、ダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂが第１高圧室側ストッパ１０６に当接し、さらに、圧力が同方向にかかった場合におけるダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの耐久性を向上することができる。
【００２０】
実施の形態
図６は、この発明の実施の形態に係る高圧ダンパ１０のダイヤフラム１０２Ｄ，１０２Ｅの周縁部まわりを示す断面図である。前記参考例ではダイヤフラム１０２Ａ，１０２Ｂの材質が同じとしたが、図６では、ダイヤフラム１０２Ｄ，１０２Ｅの材質を互いに異なる材質で構成した。ダイヤフラム１０２Ｄ，１０２Ｅは厚さと大きさが従来例のダイヤフラム１０２と同じものを２重にするが、ダイヤフラム１０２Ｄの材質はオーステナイト系ステンレス鋼とし、ダイヤフラム１０２Ｅの材質は析出硬化型ステンレス鋼である。これらのダイヤフラム１０２Ｄ，１０２Ｅを重ね合せ、ダイヤフラム１０２Ｄ，１０２Ｅの周縁部をケース１００とプレート１０１とに封止支持することにより、溶接部１１２にフェライトが析出し、溶接部１１２の延性が良くなり、溶接部１１２の破壊強度が向上する。しかも、材料強度的に有利な析出硬化型ステンレス鋼からなるダイヤフラム１０２Ｅが第１高圧室１０３側に配置され、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されたダイヤフラム１０２Ｄが高圧な燃料の脈動を受ける側である第２高圧室１０４側に配置されたので、異物に対する耐久性を維持したまま、溶接部１１２の耐圧強度を向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、厚さおよび大きさの同一な可撓性を有する金属円盤状の複数のダイヤフラムが重ね合せられるとともに、それらの重ね合せられた全体の厚さがダイヤフラムの重ね合せ枚数倍に構成され、それらの重ね合せられた複数のダイヤフラムの周縁部が高圧容器に封止支持されたことにより、ダイヤフラムに発生する応力を従来例と同レベルに抑えたまま、ダイヤフラムの剛性が高くなり、金属粉のような異物に対するダイヤフラムの変形や破損を防止することができ、複数のダイヤフラムの一方が析出硬化型ステンレス鋼により形成され、複数のダイヤフラムの他方がオーステナイト系ステンレス鋼により形成されたので、それらのダイヤフラム周縁部を高圧容器に溶接で封止支持することにより、溶接部にフェライトが析出し、溶接部の延性が良くなり、溶接部の破壊強度を向上することができ、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されたダイヤフラムが高圧な燃料の脈動を受ける側に配置されたので、異物に対する耐久性を維持したまま、溶接部の耐破壊度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高圧燃料ポンプの高圧ダンパまわりを示す断面図である。
【図２】対比例を示す断面図である。
【図３】従来例と対比例と実施の形態１とにおける剛性比較を示す試験結果図である。
【図４】従来例と対比例と実施の形態１とにおける応力比較を示す試験結果図である。
【図５】従来例と対比例と実施の形態１とにおける判定結果を示す図表である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る高圧燃料ポンプの高圧ダンパまわりを示す断面図である。
【図７】従来の自動車の燃料供給系統を示す模式図である。
【図８】同従来の高圧燃料ポンプの高圧ダンパまわりを示す断面図である。
【符号の説明】
１０高圧ダンパ、１００ケース、１０１プレート、
１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｄ，１０２Ｅダイヤフラム、
１０３第１高圧室、１０４第２高圧室、１０６第１高圧室側ストッパ、
１０８第２高圧室側ストッパ。

Claims

可撓性を有する金属円板状のダイヤフラムが高圧室を形成する高圧容器に設けられ、ダイヤフラムの周縁部が高圧容器に封止支持された高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置において、前記可撓性を有する金属円板状のダイヤフラムは厚さおよび大きさの同じな複数のダイヤフラムが重ね合せられるとともに、その重ね合せられた全体の厚さが前記ダイヤフラムの重ね合せ枚数倍に構成され、複数のダイヤフラムの一方が析出硬化型ステンレス鋼により形成され、複数のダイヤフラムの他方がオーステナイト系ステンレス鋼により形成され、オーステナイト系ステンレス鋼により形成されたダイヤフラムが高圧な燃料の脈動を受ける側に配置されたことを特徴とする高圧燃料ポンプの金属ダイヤフラム式脈動吸収装置。