JP3945226B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンの燃料供給装置として好適な高圧燃料供給ポンプに係わり、その大流量化・高速化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料供給装置の制御方法としては、例えば国際公開番号ＷＯ００／４７８８８号公報に記載されているように、吐出行程時に係合部材で吸入弁を開弁方向に付勢し、アクチュエータを用いて任意のタイミングで吸入弁を閉弁させることによって吐出量を制御するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の高圧燃料ポンプでは、高速回転時のように流量が多い場合、吐出行程時に係合部材で吸入弁を開弁保持しようとしても、逆流する燃料の液圧力により吸入弁に閉弁方向の力が作用し、係合部材の付勢力で支えることが難しくなる。このため、高圧燃料ポンプはある回転数以上では流量制御が難しくなる。また、高速回転でなくとも、ポンプの押しのけ容積が大きい場合では吸入弁を通過する流量が多く、強い液圧力が発生するため吸入弁が自閉しやすくなるという課題を有する。このため、高圧燃料ポンプの燃料圧送量に上限ができる。実際の自動車においては、これらの問題はエンジンの回転数、燃料消費量（排気量）の制限となって現れる。
【０００４】
本発明の目的は、可変容量機構であるアクチュエータの駆動力を上げることなく、係合部材の付勢力を増幅する方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の高圧燃料ポンプは、燃料の吸入通路と吐出通路に連通する加圧室と、該加圧室内の燃料を前記吐出通路に圧送する加圧部材と、前記吸入通路内に設けた吸入弁と、前記吐出通路内に設けた吐出弁と、前記吸入弁が閉弁方向に移動した際に係合するように第一の付勢力を与えられた係合部材と、外部入力により前記第一の付勢力と逆方向の第二の付勢力を前記係合部材に作用させるアクチュエータとを設けた吐出量可変制御型高圧燃料ポンプであって、前記係合部材の変位によって容積が増減する制御室と、前記制御室と前記吸入通路を連通、または遮断をおこなう制御弁とを備え、吐出行程中に前記制御弁を前記係合部材が前記第二の付勢力によって動作するよりも先に開弁させるものである。
このとき、前記アクチュエータは電磁力により付勢力を発生することとし、かつ、前記係合部材と前記制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されるようにするとよい。
また、前記制御弁のストロークは前記係合部材のストロークよりも短くするとよい。
また、前記制御弁と前記係合部材を駆動するアクチュエータを各々に設け、前記制御弁は前記係合部材よりも応答が早くなるように構成するとよい。
上記目的を達成するために、本発明の高圧燃料ポンプは、燃料の吸入通路と吐出通路に連通する加圧室と、該加圧室内の燃料を前記吐出通路に圧送する加圧部材と、開弁方向にばねで付勢され電磁力によって前記ばねによる付勢方向と反対向きに吸引され前記吸入通路と前記加圧室とを連通・遮断する電磁弁と、前記吐出通路内に吐出弁を設けた吐出量可変制御型高圧燃料ポンプであって、前記電磁弁の弁変位によって容積が増減する制御室と、前記制御室と前記吸入通路を連通、または遮断をおこなう制御弁とを備え、吐出行程中に前記制御弁を前記電磁弁の弁が前記ばねによる付勢力に抗して電磁力によって閉弁方向に動作するよりも先に開弁させるものである。
このとき、前記電磁弁と前記制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されるようにするとよい。
また、前記制御弁のストロークは、前記電磁弁のストロークよりも小さくするとよい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る高圧燃料ポンプは、係合部材で吸入弁を開弁方向に付勢し、吐出行程毎に閉弁タイミングを制御して流量制御を行う燃料ポンプにおいて、係合部材が動作すると容積が増減する制御室と、制御室内の液体の流入出の制御を行う弁を備える。このような構成で、吐出行程時に制御室内に液体を密閉すると、係合部材に付勢力よりも強い外力がかけられた場合でも制御室内の圧力で係合部材を支え、吸入弁を開弁状態で保持することができる。また、制御弁を開き、制御室内の液体が逃げる通路を確保すると、アクチュエータ自身の力で係合部材を変位させることができ、任意のタイミングで係合部材を変位させ、吸入弁を閉じることができる。なお、この場合、制御弁は係合部材が押しのける液体を逃がすために、係合部材より先に動作して通路を開く。
このときアクチュエータは電磁力により付勢力を発生することとし、かつ、係合部材と制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されるようにするとよい。電磁力を用いることにより複数の可動部を駆動することができ、部品点数の削減、ポンプの小型化が実現できる。さらに制御弁のストロークを係合部材のストロークよりも小さくするとよい。制御弁のストロークを係合部材のストロークより短くすることにより、制御弁は係合部材より早く応答できる。
また制御弁と係合部材を駆動するアクチュエータを各々に設け、制御弁は係合部材よりも応答が早くなるように構成するとよい。このようにして、制御弁のアクチュエータを係合部材のアクチュエータよりも応答性の早いものを用いれば確実に制御弁の方が早く駆動できる。あるいは、制御弁のアクチュエータ駆動信号を、係合部材のアクチュエータ駆動信号より先に送れば確実に制御弁の方を早く駆動できる。
また上記目的を達成するために、燃料の吸入通路と吐出通路に連通する加圧室と、加圧室内の燃料を吐出通路に圧送する加圧部材と、吸入通路と加圧室を連通・遮断する電磁弁と、吐出通路内に吐出弁とを設けた吐出量可変制御型高圧燃料ポンプであって、流量制御弁の弁変位によって容積が増減する制御室と、制御室と吸入通路を連通、または遮断をおこなう制御弁とを備え、吐出行程中に制御弁を電磁弁が動作するよりも先に開弁させる。
この吐出量可変制御型高圧燃料ポンプでは、吐出行程中に制御弁を閉じて制御室内の液体を密閉することによって、電磁弁に閉弁方向に強い液圧力がかかっても制御室内の圧力で保持し、電磁弁を開弁状態で保持することができる。また、制御弁を開くと、制御室内の液体が逃げる通路ができ、電磁弁は任意のタイミングで閉弁することができる。
このとき電磁弁と制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されるようにするとよい。そうすることにより部品点数の削減、ポンプの小型化が実現できる。さらに制御弁のストロークを電磁弁のストロークよりも小さくするとよい。そうすることにより制御弁は電磁弁より早く応答できる。
以下、本発明の実施例を説明する。
【０００７】
まず、図１を用いて本実施例の高圧燃料ポンプを用いた燃料供給システムの構成を説明する。
【０００８】
ポンプ本体１には、燃料吸入通路１０、吐出通路１１、加圧室１２が形成されている。加圧室１２には、加圧部材であるプランジャ２が摺動可能に保持されている。吸入通路１０及び吐出通路１１には、吸入弁５、吐出弁６が設けられており、それぞればねにて一方向に保持され、燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。また、詳細は図２に示すが、アクチュエータ８がポンプ本体１に保持されており、コントローラ５７からの駆動信号によりロッド３７を動作させ、吸入弁５に係合させたり、離したりする。アクチュエータ８に駆動信号が与えられていない時は、吸入弁５は図１のように開弁状態になっている。また、制御弁３４はばね３６にて一方向に保持され、アクチュエータ８へ駆動信号が与えられていない時は、制御室３２内への燃料の流入のみを許す逆止弁となる。
【０００９】
燃料はタンク５０から低圧ポンプ５１にてポンプ本体１の燃料導入口に、プレッシャレギュレータ５２によって一定の圧力に調圧されて導かれる。その後、ポンプ本体１にて加圧され、燃料吐出口からコモンレール５３に圧送される。コモンレール５３には、インジェクタ５４、圧力センサ５６が装着されている。インジェクタ５４は、エンジンの気筒数にあわせて装着されており、コントローラ５７の信号に従って燃料を噴射する。
【００１０】
プランジャ２は、エンジンカムシャフト等により回転されるカム１００により、往復運動して加圧室１２内の容積を変化させる。
【００１１】
プランジャ２の吐出行程中に吸入弁５が閉弁すると、加圧室１２内の圧力が上昇し、これにより吐出弁６が自動的に開弁し、燃料をコモンレール５３に圧送する。
【００１２】
吸入弁５は、加圧室１２の圧力が燃料導入口より低くなると自動的に開弁するが、閉弁に関してはアクチュエータ８の動作によって決定される。図２に詳細を示すアクチュエータ８は、駆動信号を与えるとロッド３７をソレノイド３１側に引き寄せ、ロッド３７と吸入弁５は分離する。この状態であれば、吸入弁５はプランジャ２の往復運動に同期して開閉する自動弁となる。従って、吐出行程中は、吸入弁５は閉塞し、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吐出弁６を押し開きコモンレール５３へ圧送される。よって、ポンプ吐出流量は最大になる。
【００１３】
これに対し、アクチュエータ８に駆動信号を与えないとロッド３７は吸入弁５に係合して、吸入弁５を開弁状態に保持する。従って、吐出行程時においても加圧室１２の圧力は燃料導入口部とほぼ同等の低圧状態を保つため、吐出弁６を開弁することができず、加圧室１２の容積減少分の燃料は、吸入弁５を通り燃料導入口側へ戻される。よって、ポンプ吐出流量を０とすることができる。
【００１４】
また、吐出行程の途中で、アクチュエータ８に駆動信号を与えると、アクチュエータ８は応答遅れの時間後、ロッド３７をソレノイド３１側に引き寄せる。そうすると吸入弁５が閉じ、燃料は加圧室で加圧されコモンレール５３へ圧送される。一度圧送が始まれば加圧室１２内の圧力は上昇するため、その後、アクチュエータ８の駆動信号を切っても吸入弁５は閉塞状態を維持し、吸入行程の始まりと同期して自動開弁する。よって、アクチュエータ８に駆動信号を与えるタイミングによってある吐出行程において、吐出量を０から最大吐出量の範囲で可変に調節することができる。
【００１５】
また、圧力センサ５６の信号に基づき、コントローラ５７にて適切な吐出タイミングを演算しロッド３７をコントロールすることにより、コモンレール５３の圧力を略一定値に保つことができる。
【００１６】
次にアクチュエータ８の構成と動作を図２(a)ないし(ｂ)を用いて説明する。
図２(a)はアクチュエータ８のを中心とした要部の拡大断面図である。アクチュエータ８はソレノイド３１、ロッド３７、ロッド３７を付勢するばね３５、制御弁３４、制御弁３４を付勢するばね３６、ソレノイド３１を覆うヨーク３３、ソレノイド３１の内部に固定したコア３８、ロッド３７の一部またはロッド３７と同期して動作する部品で壁面の一部を形成する制御室３２で構成される。制御室３２には制御弁３４を介して燃料吸入通路１０へ繋がる低圧流路９３がある。ここで、制御弁３４とコア３８の距離（エアギャップ）はロッド３７とコア３８の距離（エアギャップ）より短く、ストロークも短いこととする。また、ロッド３７が制御室３２の壁面の一部を形成するため、ロッド３７が変位すると制御室３２の容積は変化する。
【００１７】
アクチュエータ８に駆動信号を与えない場合は、図２(a)に示すようにロッド３７と制御弁３４はそれぞればね３５とばね３６の付勢力によりコア３８から遠ざかる方向に付勢される。このとき、制御弁３４は閉じているため制御室３２内部の燃料は密封され、制御室３２の容積は変化しない。このため、外部からロッド３７にばね３５の付勢力よりも強い逆向きの力が作用しても、ロッド３７は変位しない。このような状態は吐出行程時にロッド３７で吸入弁５を開弁保持するとき、すなわち燃料ポンプに少量吐出させたいときに有効である。燃料ポンプが高回転で運転している場合などでは、吸入弁５に強い液圧力がかかり、ばね３５の付勢力よりも強い力でロッド３７を押すことがあるが、このような構造にすれば吐出行程中にロッド３７が押し戻されることがなく、流量制御を行うことができる。
【００１８】
アクチュエータ８に駆動信号を与えた場合は、図２(b)に示すように、まず制御弁３４が電磁力によりコア３８に吸引される。そうすると制御室３２内部の燃料が流出する経路を確保でき、次にロッド３７に働く電磁力がばね３５の付勢力よりも大きくなったときにロッド３７がコア３８に吸引される。減少した制御室３２の容積分の燃料は開弁している制御弁３４を通過し、低圧流路９３に流出する。このような動作は、前述の吸入弁５を開弁保持している状態から、閉弁して燃料を吐出させることを可能にする。任意のタイミングでロッド３７を吸引して、吸入弁５を閉弁させ、吐出量を制御できる。ここで、確実に制御弁３４がロッド３７よりも先に吸引できるようにするためには、制御弁３４のエアギャップをロッド３７のエアギャップより短くして、作用する電磁力を大きくする方法がある。また、ばね３６の付勢力をばね３５の付勢力よりも小さくする方法もある。
【００１９】
続いて、アクチュエータ８の駆動信号を切った場合の挙動を説明する。まず電磁力が減少して制御弁３４とロッド３７は付勢しているばね力によりコア３８から離れようとする。ロッド３７はコア３８から遠ざかると制御室３２の容積は増えるので、増えた容積分の燃料が制御弁３４を通じて流入する。制御弁３４は電磁力が働いていない場合は逆止弁として作用し、制御室３２に流入する方向には自在に開弁する。
【００２０】
実際には、制御弁３４を閉じてもロッド３７や制御弁３４などの可動部のすきまからの燃料漏れがあり、制御室３２を完全に密閉することはむずかしい。吸入弁５を開弁保持している最中に制御室３２の燃料が漏れると、漏れた量に比例してロッド３７は閉弁方向に押し戻される。しかし、ロッド３７が吸入弁５を開弁保持する時間は最長でも吐出行程の時間だけであり、高速で吸入−吐出を繰り返す高圧燃料ポンプにおいて、燃料漏れは１／２サイクルの時間内に燃料が漏れきらない程度に抑えられれば機能上問題はない。
【００２１】
図３に燃料ポンプのアクチュエータの一例を示す。前述のアクチュエータとの違いは、ロッドと制御弁のソレノイドを別に設けたことである。
【００２２】
制御室３２ａはロッド３７ａの変位により容積が増減し、制御室３２ａへの燃料の流入・流出は制御弁３９ａで制御される。制御弁３９ａは弁体３４ａがばね３６ａにより閉じる方向に付勢されており、駆動信号を送らない状態では逆止弁として作用し、低圧流路９３ａから制御室３２ａへは流体を通し、逆の場合は通さない。駆動信号を送るとソレノイド３９ａが電磁力を発生し、弁体３４ａが開く。このような構成にすることにより、前述のアクチュエータと同じ効果を得ることができる。すなわち、吐出行程時に吸入弁５を開弁保持したい場合は、ロッド３７ａを保持するために両方のソレノイドに駆動信号を与えず、ロッド３７ａはばね３５ａの付勢力によりコア３８ａから離れる方向に付勢し、制御弁３９ａを逆止弁として働かせ、制御室３２ａ内部の燃料を密封する。そうすると、制御室３２ａの容積は変化しないため、外部からロッド３７ａにばね３５ａの付勢力よりも強い逆向きの力が作用しても、ロッド３７ａは変位しない。このようにして吐出行程中に吸入弁にばね３５ａの付勢力よりも強い外力がかけられても開弁保持する。また、吐出行程最中に吸入弁５を開弁状態から閉弁させる場合には両方のソレノイドに駆動信号を送り、まず制御弁３４aを開き、制御室３２ａ内の燃料の流出経路を確保し、次にロッド３７ａを変位させる。するとロッド３７ａにより押しのけられた燃料は開いている制御弁３４ａを通過して低圧流路９３ａへ流れ出る。このとき、制御弁３４ａの方が先に動作する必要があるが、その手段としては、最初の実施例で示したように、制御弁３４ａのエアギャップをロッド３７ａのエアギャップよりも短くする、あるいは、ばね３６ａの付勢力をばね３５ａの付勢力より弱くする、あるいは制御弁３４ａの駆動信号をロッド３７ａよりも先に送る、などの手段がある。最後に、もとの状態に戻る場合は、両方のソレノイドの駆動信号を止める。そうすると、付勢しているばね力により、ロッド３７ａはコア３８ａから離れようとし、制御弁３４ａは閉弁しようとする。制御室３２ａは広がるので増えた容積分の燃料が制御弁３４ａを通じて流入する。制御弁３４ａは電磁力が働いていない場合は逆止弁として作用するので、制御室３２ａの方向には自在に流入する。
【００２３】
図４に燃料ポンプのアクチュエータの一例を示す。本例では、ロッドに吸入弁が一体となっている。制御室３２ｂは弁体３７ｂの変位により容積が増減し、制御室３２ｂへの燃料の流入・流出は制御弁３４ｂで制御される。制御弁３４ｂはばね３６ｂにより閉じる方向に付勢されており、駆動信号を送らない状態では逆止弁として作用する。すなわち低圧流路９３ｂから制御室３２ｂへは流体を通し、逆の場合は通さない。吸入弁５ｂはばね
３５ｂの付勢力により開弁方向に付勢されている。吐出行程時に吸入弁５ｂを開弁保持したい場合は、ロッド３７ｂを保持するために駆動信号を与えず、制御弁３９ａを逆止弁として働かせ、制御室３２ａ内部の燃料を密封する。そうすることにより外部から吸入弁５ｂにばね３５ｂの付勢力よりも強い閉弁方向の力が作用しても、吸入弁５ｂは閉弁しない。また、吐出行程最中に吸入弁５ｂを開弁状態から閉弁させる場合にはアクチュエータ８ｂに駆動信号を送り、まず制御弁３４ｂを開き、制御室３２ｂ内の燃料の流出経路を確保し、次にロッド３７ｂを変位させる。制御弁３４ｂはロッド３７ｂより先に動作する必要があるが、確実にそうするための手段は前の実施例で述べた通りである。最後に、もとの状態に戻す場合は、駆動信号を止める。そうすると、付勢しているばね力により、ロッド３７ｂはコア３８ｂから離れようとし、制御弁３４ｂは閉弁しようとする。制御室32ｂの容積は増えるので増えた容積分の燃料が制御弁３４ｂを通じて流入する。制御弁３４ｂは電磁力が働いていない場合は逆止弁として作用するので、燃料は制御室３２ｂの方向には自在に流入する。
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、可変容量機構であるアクチュエータの駆動力を上げることなく、係合部材の付勢力を増幅することができ、高圧燃料ポンプを高速回転で制御可能にすることと、最大流量を増やすことが可能となる。
【００２５】
実際の自動車においては、エンジンの高回転領域おいても必要な量の燃料を制御して供給することが可能となる。また、燃料の最大供給量を増やすために、ポンプの押しのけ容積を増やすか、カムの葉数を増やしてプランジャの往復回数を増やした場合でも、アクチュエータの駆動力を上げることなく可変容量制御を実現することができる。これにより燃料の消費量の多い大排気量エンジンやターボ付きエンジンにも十分な燃料を供給できる。
【００２６】
また、アクチュエータの駆動力を上げないので、ソレノイドを小型にでき、騒音や消費電力の低減にも効果がある。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、可変容量機構であるアクチュエータの駆動力を上げることなく、係合部材の付勢力を増幅することができ、高圧燃料ポンプを高速回転で制御可能にすることと、最大流量を増やすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の高圧燃料ポンプの一実施例を示すシステム図。
【図２】 本発明の高圧燃料ポンプのアクチュエータを示す断面図。
【図３】 本発明の高圧燃料ポンプの一実施例を示す部分図。
【図４】 本発明の高圧燃料ポンプの一実施例を示す部分図。
【符号の説明】
１…ポンプ本体、２…プランジャ、５…吸入弁，６…吐出弁、８…アクチュエータ、１０…吸入流路、１１…吐出流路、３１…ソレノイド、３２…制御室、３４…制御弁、３７…ロッド。

Claims (7)

1. 燃料の吸入通路と吐出通路に連通する加圧室と、該加圧室内の燃料を前記吐出通路に圧送する加圧部材と、前記吸入通路内に設けた吸入弁と、前記吐出通路内に設けた吐出弁と、前記吸入弁が閉弁方向に移動した際に係合するように第一の付勢力を与えられた係合部材と、外部入力により前記第一の付勢力と逆方向の第二の付勢力を前記係合部材に作用させるアクチュエータとを設けた吐出量可変制御型高圧燃料ポンプであって、前記係合部材の変位によって容積が増減する制御室と、前記制御室と前記吸入通路を連通、または遮断をおこなう制御弁とを備え、吐出行程中に前記制御弁を前記係合部材が前記第二の付勢力によって動作するよりも先に開弁させ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において、前記アクチュエータは電磁力により付勢力を発生することとし、かつ、前記係合部材と前記制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
3. 請求項２に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記制御弁のストロークは前記係合部材のストロークよりも短いことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
4. 請求項１に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記制御弁と前記係合部材を駆動するアクチュエータを各々に設け、前記制御弁は前記係合部材よりも応答が早くなるように構成したことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
5. 燃料の吸入通路と吐出通路に連通する加圧室と、該加圧室内の燃料を前記吐出通路に圧送する加圧部材と、開弁方向にばねで付勢され電磁力によって前記ばねによる付勢方向と反対向きに吸引され前記吸入通路と前記加圧室とを連通・遮断する電磁弁と、前記吐出通路内に吐出弁を設けた吐出量可変制御型高圧燃料ポンプであって、前記電磁弁の弁変位によって容積が増減する制御室と、前記制御室と前記吸入通路を連通、または遮断をおこなう制御弁とを備え、吐出行程中に前記制御弁を前記電磁弁の弁が前記ばねによる付勢力に抗して電磁力によって閉弁方向に動作するよりも先に開弁させることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
6. 請求項５に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記電磁弁と前記制御弁は同一のアクチュエータにより駆動されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
7. 請求項６に記載の高圧燃料ポンプにおいて、前記制御弁のストロークは、前記電磁弁のストロークよりも小さいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。

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