JP4246231B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は回転斜板型アキシャルピストンポンプをモーター駆動する燃料供給装置に関するものである。

環境問題から排ガス規制、燃費向上の観点から燃料供給装置がメカ式のキャブレターから燃料噴射弁を有する電子制御式システムに変更されており、近年の自動車はすべて後者のシステムを採用している。近年、環境問題の規制は自動車だけでなく、二輪車、船外機、その他特殊車両にまで拡大されつつあり、自動車で採用される燃料供給装置は、燃料タンク内に設置する遠心ポンプを採用したインタンク式燃料供給装置（図示せず）が主流となっているが、そのために比較的大きな燃料タンクが必要となり、燃料タンクが小さい小型排気量、搭載スペースの問題から燃料タンクにインタンク式燃料供給装置が配置できない車両は、環境問題への対応が困難となり、燃料タンク外に搭載可能となるインライン式燃料供給装置が必要となっている。

従来の燃料供給装置としては、例えば特許文献１に記載されている様に、自吸性に優れた容積形のポンプとＤＣブラシモーターで構成されたインライン式燃料供給装置について、ポンプは、吸入バルブ、吐出バルブ、ピストンと摺動可能に嵌合されたシリンダ、シリンダと共に燃料加圧室を構成するプレート、ピストンをアキシャル方向に移動させる斜板、ピストンと斜板との間でピストンと共動し、斜板に対して摺動するシュー、ピストンを斜板に押圧するスプリング、スプリングの座面となるスプリングホルダから構成され、モーターは、永久磁石、永久磁石を固定し、磁気回路となるヨーク、斜板と一体に固定された回転するシャフト、シャフトに圧入固定され、巻き線を有するステータ−、電気的接点となるブラシ、図示しないバッテリーとブラシを繋ぐリード線から構成され、ボディにより、ポンプとモーターが一体に固定され、燃料通路内に配置される事になる。

動作原理は、まずモーターが外部のバッテリ−により回転動作し、そのシャフトに固定してある斜板を回転させる。次に斜板が回転することで、斜板にスプリングによって押付けられたピストンがシリンダと摺動移動する。ピストンが下方に移動した際、ピストン、シリンダ、吸入バルブ、吐出バルブ、プレートで構成された燃料加圧室内の容積が増大する事で前記燃料加圧室内が減圧し、吸入バルブの開弁圧以下となった時点で、吸入バルブから燃料が吸引される。次にピストンが上方向に移動する事で、前記燃料加圧室内が加圧され、外部に設置された圧力調整装置で所定の圧力に調整されたデリバリーパイプ内圧以上まで加圧された段階で吐出バルブから燃料が吐出される。この動作が斜板の回転に合せて、同芯状に配置された複数のピストンで順に繰り返される。

また、例えば特許文献２乃至４に記載されているように、斜板とピストン間及び斜板とモーター間などの複数箇所にラジアル荷重およびスラスト荷重をそれぞれ別個に受け持つすべり部材、転がり軸受けを配置することで上述の問題の対策としているものもあるが、部品加工形状の複雑化と高精度化の問題があり、更に部品点数増大によりコストが増大するという重大な問題がある。

一方、ポンプ部に何らかの異常が発生した場合には、ポンプ駆動トルクが上昇してしまいポンプがロック状態になる可能性があるため、ポンプ駆動トルクの軽減も必要である。

特開２００１−６５４４７号公報 特開２００１−３８３９号公報 特開２００１−２２１１２９号公報 特開２００６−１１２３８０号公報

特許文献１記載のような従来の燃料供給装置においては、上述の動作において、燃圧×ピストン断面積及びスプリングから発生する力と斜板で発生する摩擦力と同一径に配置されたピストンのピッチ半径から駆動トルクが発生するが、ピストン（シュー）と斜板との間は滑りのみで摩擦係数が高いため、摩擦力も大きくなり、それに合せてモーターを大型化せざるを得ないという問題があった。また、この摩擦力はピストンとシリンダの摺動部にもサイドフォースとして発生するため、ピストンが磨耗するという問題もあった。

また特許文献２乃至４記載のような従来の燃料供給装置においては、部品加工形状の複雑化と高精度化、部品点数増大によりコストが上昇するという問題がある。

その他の問題として、ポンプ部に何か異常が生じた場合、ポンプ駆動トルクが上昇する。ピストンがロックした状態になると、モーターもロックした状態となり、モーターに最大電流が流れ、モーターの発熱により、最悪の場合、火災に至る場合がある。（モーターは電流とトルクが比例関係にあり、ロック時が最大電流となる。）

従ってこの発明の目的は、小型で製造コストの低い信頼性の高い燃料供給装置を提供することである。

この発明の燃料供給装置は、吸入口および吐出口を持つハウジングと、上記ハウジング内で上記吸入口および上記吐出口に連通したポンプ室を形成するシリンダと、上記シリンダ内に摺動可能に設けられて上記ポンプ室を可変容積とするプランジャと、上記ハウジングにより回転可能に支持された駆動軸と、上記ハウジング内で上記駆動軸に対して傾斜して上記駆動軸に取り付けられ、上記プランジャに作用して上記駆動軸の回転運動を上記プランジャの往復運動に変換する回転斜板とを備えた燃料供給装置において、上記回転斜板は、上記プランジャに作用する環状回転板と、上記駆動軸に取り付けられた内輪、上記内輪上に設けられた複数の軸受玉および上記軸受玉上に設けられて上記環状回転板に接続された外輪を持ち、軸心が上記駆動軸に対して傾斜した転がり軸受とを備え、上記回転斜板は、上記駆動軸の軸心が、上記転がり軸受の軸心と複数個の軸受玉の中心を含む平面との交点を通るような位置関係にあることを特徴とするものである。

この発明の燃料供給装置によれば、部品点数の減少が可能で、燃料供給装置の小型化が可能であるという効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の燃料供給装置の一実施形態を示す概略断面図であり、図示の燃料供給装置は、全体として中空円筒形で、円筒壁１と、両端に設けられてそれぞれ吸入口２および吐出口３を持つ第一および第２の端璧４および５とを備えたハウジング６を備えている。燃料供給装置はまた、ハウジング６内の吸入口２側に設けられて、軸受７および８により駆動軸９を支持されて固定子１０内で回転する回転子１１を持つ電動機である駆動装置１２と、ハウジング６内の吐出口３側に設けられて、駆動装置１２によって駆動されるポンプ装置１３とを備えている。駆動装置１２の軸心１４とポンプ装置１３の軸心１５とは一致している。

吸入口２からハウジング６内に入った燃料は、駆動装置１２が配置されたハウジング６内の駆動装置室１６を、即ち駆動装置１２内にある構成要素間の間隙を全体として軸方向に流れて、ハウジング６内のポンプ装置１３が配置されたポンプ装置空間１７に到達する。

ポンプ装置１３は、円筒壁１と第１の端壁５とに支持された比較的厚い円板状のシリンダブロック１８を備えている。シリンダブロック１８には軸心１５の回りに軸心１５に平行な複数のシリンダ（ボア）１９が設けられていて、一端がシリンダ１９内に挿入されて摺動可能なプランジャ（ピストン）２０により可変容積のポンプ室２１が形成されている。

シリンダブロック１８にはまた、吸入口２に連通したハウジング６内のポンプ装置空間１７をポンプ室２１の底部に連通させる吸入通路２２と、ポンプ室２１の底部を端壁５に設けられた吐出口３に連通させる吐出通路２３とが設けられている。この吸入通路２２内には吸入バルブ２４が設けられていて、ポンプ送りすべき燃料がシリンダ１９内のポンプ室２１に吸引されるようにしてあり、吐出通路２３内には吐出バルブ２５が設けられていて、ポンプ室２１内でプランジャ２０により圧縮された燃料が吐出口３から吐出されるようにしてある。

プランジャ２０のシリンダ１９から突出した突出端にはバネ止め２６が設けてあり、バネ止め２６とシリンダブロック１８との間に圧縮ばね２７が設けられていて、プランジャ２０が常時シリンダ１９から抜け出る方向に偏倚されている。プランジャ２０の先端部は滑らかな半球状に仕上げられていて、駆動装置１２の回転軸９に支持されて共に回転する回転斜板２８に摺動可能に接触している。

本発明のポンプ装置１３の回転斜板２８は、電動機である駆動装置１２の駆動軸９のポンプ装置空間１７内に突入した先端部に設けられた小径軸部である取付軸２９に取り付けられている。図１に示す例では、駆動装置１２の駆動軸９はポンプ装置１３の回転斜板２８を支持すると共に駆動するものであるので、ポンプ装置１３の駆動軸でもある。取付軸２９は、例えば削り出しによって駆動軸９に一体に一部品として設けられたものである。

取付軸２９の軸心３０は駆動軸９の軸心１４に対して一定の角度だけ傾斜していて、図示の例では玉軸受である転がり軸受３１の内輪３２を圧力嵌めにより支持している。内輪３２の外周には軸受玉３３を介して外輪３４が嵌められていて、外輪３４はその外周でプランジャ２０に摺接する環状回転板２６を支持し、全体として回転斜板２８を構成している。取付軸２９の先端部にはナット３６の係合したネジ部３７が設けられ、ワッシャ３８を介して転がり軸受３１の内輪３２が駆動軸９に強固に取り付けられている。

図１の部分拡大図に良く示されているように、駆動軸９と回転斜板２８の軸心との位置関係は、駆動軸９の軸心１４が、転がり軸受３１の径方向および軸方向の中心Ｐ、即ち転がり軸受３１の軸心（即ち取付軸２９の軸心３０）と複数個の軸受玉３３の中心を含む平面３９との交点Ｐを通るような位置関係である。このような位置関係にすることにより、環状回転板３５が取付軸２９に対して確実に滑らかに回転できるようになり、一般的なラジアルおよびスラスト荷重を受けることのできる玉軸受を一つだけ用いて環状回転板３５を回転斜板２８として作用させることができるのである。

以上に説明したとおり、図１に示すこの発明の燃料供給装置は、吸入口２および吐出口３を持つハウジング６と、ハウジング６内に設けられ、吸入口２および吐出口３にそれぞれ連通したポンプ室２１を形成するシリンダ１９と、シリンダ１９内に摺動可能に設けられてポンプ室２１を可変容積とするプランジャ２０とを備えている。燃料供給装置はまた、ハウジング６により回転可能に支持された駆動軸９と、ハウジング６内で駆動軸９に対して傾斜して駆動軸９に取り付けられ、プランジャ２０に作用して駆動軸９の回転運動をプランジャ２０の往復運動に変換する回転斜板２８とを備えている。燃料供給装置は更に、駆動軸９に取付軸２９を介して取り付けられて共に回転する内輪３２と、回転斜板２８に接続された外輪３４と、駆動軸９に対して傾斜した軸心３０とを持つ転がり軸受３１を備えている。また回転斜板２８は、駆動軸９の軸心が、転がり軸受３１の軸心と複数個の軸受玉の中心を含む平面との交点Ｐを通るような位置関係にされている。

駆動軸９は、駆動軸９に対して傾斜した小径軸部である取付軸２９を持ち、転がり軸受３１がこの取付軸２９に嵌合して取り付けられている。

この発明によれば、部品点数を増加させずに小型で製造コストの低い信頼性の高い燃料供給装置を提供することができる。

図２には、本発明の燃料供給装置を駆動するために必要な駆動トルク（Ｎ・ｍ）を回転斜板の回転角度（度）に対する駆動トルク曲線Ａとして表したグラフを示す。このグラフには比較例として特許文献１（特平２００１−６５４４７号公報）に記載されているものと同様の回転斜板を備えた従来の燃料供給装置における駆動トルクの駆動トルク曲線Ｂも示してある。

一般に回転斜板型の燃料供給装置の駆動トルク（Ｔ）は次の式によって計算できる。
Ｔ＝（（１＋μ）（Ｆｓ＋Ｆｐ）ｓｉｎθ）ｃｏｓθ・Ｌ
但し、μはプランジャと回転斜板との間の動摩擦係数、Ｆｓはプランジャに作用するスプリング力、Ｆｐはプランジャに作用する燃料圧力、θは回転斜板の回転軸に対して垂直な面に対する傾斜角度、Ｌはプランジャのピッチ円半径である。

図２において、本発明の燃料供給装置のプランジャと回転斜板との間の動摩擦係数μは０．０５であって駆動トルク曲線Ａとなり、従来の燃料供給装置のプランジャと回転斜板との間の動摩擦係数μは０．４であって駆動トルク曲線Ｂとなる。これらの駆動トルク曲線ＡおよびＢから、本発明の燃料供給装置に於ける駆動トルクが従来の燃料供給装置の駆動トルクに比較して顕著に減少していることがわかる。

実施の形態２．
図３に示す燃料供給装置においては、駆動軸９の取付軸４０が球状部分４１を持ち、回転斜板２８の転がり軸受３１の内輪３２が球状部分４１に嵌合し、転がり軸受３１がそれぞれ傾斜した支持面４２および４３を持つ第１および第２のブッシュ４４および４５により支持されている。

即ち、図３において、取付軸４０は、駆動軸９のポンプ装置空間１７側の端部から一体に同軸に延びた円筒形の軸であり、球状部分４１は取付軸４０の中間部に設けられた球状に膨出した部分である。球状部分４１の球面の中心は、転がり軸受３１の中心点Ｐに一致した位置に配置されている。転がり軸受３１は球状部分４１の球面にほぼ全周で線接触して内輪３２で支持されており、また同時に、第１のブッシュ４４と第２のブッシュ４５の間に挟持されて傾斜して保持されている。

第１のブッシュ４４は、円筒形の取付軸４０に嵌められた中空円筒体で、中心軸に対して垂直な端面４６で駆動軸９の端面４７に当接し、中心軸に対して回転斜板２８の傾斜角度だけ傾斜した支持面４２で転がり軸受３１の内輪３２に当接している。第２のブッシュ４５は、第１のブッシュ４４と同様の、円筒形の取付軸４０に嵌められた中空円筒体で、第１のブッシュ４４とともに回転斜板２８を挟持するように配置され、中心軸に対して回転斜板２８の傾斜角度だけ傾斜した支持面４３で転がり軸受３１の内輪３２に当接し、中心軸に垂直な端面４８はネジ部３７に嵌められたナット３６によりワッシャ３８を介して締め付けられている。

図３に示す燃料供給装置のその他の構成は、図１に関連して先に説明した構成と同じである。

このように回転斜板２８を、取付軸４０の球状部分４１と傾斜した支持面４２、４３を持つブッシュ４４、４５とを用いて支持することにより、取付軸４０を駆動軸９と同軸にしながら回転斜板２８に傾斜を与えることができる。この構造によれば、取付軸４０が同軸であるので製作が容易である。また、回転斜板２８の傾斜角度が加工容易なブッシュ４４、４５の傾斜角度によって規程されるため、組付け性が向上し、支持面４２、４３の傾斜角度の異なるブッシュ４４、４５を用いることにより斜板角度の変更への対応も簡単となる。

更に、ブッシュ４４、４５のねじりによる破壊強度を駆動軸に加えられるモーターのロックトルクと同等か、ロックトルクよりも小さくすることにより、万一ポンプがロックした際にブッシュ４４、４５が破壊するようにしてモーターのロックを回避することができる。

実施の形態３．
図４に示す燃料供給装置においては、転がり軸受３１を弾性部材５０を介在させて駆動軸９の取付軸４０に支持して衝撃吸収をさせるようにしてある。その他の構成は図３に関連して説明したものと同様である。

弾性部材５０は全体として中空円筒形のスリーブ５１の一端にフランジ５２が設けられたものであり、スリーブ５１は取付軸４０に嵌められ、その上に第２のブッシュ４４とワッシャ３８とが嵌められ、フランジ５２はワッシャ３８とナット３６との間に設けられている。弾性部材５０は転がり軸受３１と駆動軸９との間には配置されていないが、取付軸４０の球状部分４１上に取り付けられた転がり軸受３１の支持は、第１および第２のブッシュ４４、４５と、ワッシャ３８と、弾性部材５０と、ナット３６とを介して達成されるものであるので、転がり軸受３１が弾性部材５０を介在させて取付軸４０に支持されていると言える。この意味で、弾性部材５０の形状および配置位置は、ロックトルクによる衝撃を吸収できる範囲内で様々に変更できるし、図１に示す駆動軸に対して傾斜した取付軸を持つものにも弾性部材５０を適用できる。

弾性部材５０の材質は、ポンプに異常が生じて大きなトルクが生じた場合に駆動軸９の取付軸４０と回転斜板２８との間に滑りを生じさせるような弾性と、燃料ポンプ内で使用できる耐性を持つものであればよいが、合成ゴムや合成樹脂を用いるのが一般である。

このような構造により、ポンプに異常が生じた際に、所定のトルクにてワッシャ３８と、弾性部材５０と、ブッシュ４４との間にすべりを生じさせる事が可能となる。これは、実施例−２ではブッシュの仕様がねじり破壊強度（モーターのロックトルク）と斜板傾斜角度の組み合せにより設定されるため、ブッシュの仕様が多くなるが、実施例−３では、ブッシュの仕様は斜板の傾斜角度により決定し、モーターのロック防止は弾性部材仕様にて決める事が可能となり、燃料供給装置の仕様変更への対応をより簡単にする事が可能となる。

この発明の燃料供給装置をその部分拡大図と共に示す断面図である。 この発明の燃料供給装置の駆動トルク曲線を従来のものと比較して示したグラフである。 この発明の別の燃料供給装置をその部分拡大図と共に示す断面図である。 この発明の更に別の燃料供給装置をその部分拡大図と共に示す断面図である。

符号の説明

２ 吸入口、３ 吐出口、６ ハウジング、２１ ポンプ室、１９ シリンダ、２０ プランジャ、９ 駆動軸、２８ 回転斜板、３５ 環状回転板、３２ 内輪、３４ 外輪、３０ 軸心、３１ 転がり軸受、３０ 軸心、３３ 軸受玉、３９ 平面、Ｐ 交点、２９ 取付軸、４１ 球状部分、４２、４３ 支持面、４４、４５ ブッシュ、５０ 弾性部材。

Claims (5)

1. 吸入口および吐出口を持つハウジングと、
   上記ハウジング内で上記吸入口および上記吐出口に連通したポンプ室を形成するシリンダと、
   上記シリンダ内に摺動可能に設けられて上記ポンプ室を可変容積とするプランジャと、
   上記ハウジングにより回転可能に支持された駆動軸と、
   上記ハウジング内で上記駆動軸に対して傾斜して上記駆動軸に取り付けられ、上記プランジャに作用して上記駆動軸の回転運動を上記プランジャの往復運動に変換する回転斜板とを備えた燃料供給装置において、
   上記回転斜板は、上記プランジャに作用する環状回転板と、上記駆動軸に取り付けられた内輪、上記内輪上に設けられた複数の軸受玉および上記軸受玉上に設けられて上記環状回転板に接続された外輪を持ち、軸心が上記駆動軸に対して傾斜した転がり軸受とを備え、
   上記回転斜板は、上記駆動軸の軸心が、上記転がり軸受の軸心と複数個の軸受玉の中心を含む平面との交点を通るような位置関係にあることを特徴とする燃料供給装置。
2. 上記駆動軸が、上記駆動軸に対して傾斜した取付軸を持ち、上記転がり軸受が上記取付軸に嵌合していることを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
3. 上記駆動軸が球状部分を持ち、上記転がり軸受が上記球状部分に嵌合し、上記転がり軸受が傾斜した支持面を持つブッシュにより支持されていることを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
4. 上記ブッシュは、そのねじりによる破壊強度が駆動軸に加えられるロックトルク以下であることを特徴とする請求項３記載の燃料供給装置。
5. 上記転がり軸受を弾性部材を介在させて上記駆動軸に支持したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の燃料供給装置。

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