JP4650449B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料供給装置に関し、特にディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料供給装置する。

従来、ディーゼルエンジンに供給される高圧燃料を蓄えるコモンレールと、そのコモンレールに燃料を供給する高圧ポンプとを備えたコモンレール式の燃料供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。上記燃料供給装置の高圧ポンプは、ディーゼルエンジンの出力軸により駆動される駆動軸と、その駆動軸の回転に伴って往復移動するプランジャとを有し、プランジャの往復移動によって燃料の吸入及び圧送を繰り返している。こうした燃料供給装置では、コモンレール内の燃圧とその目標値（以下「目標燃圧」という）とが一致するように、高圧ポンプによる燃料の供給量が制御される。この制御の際、上記目標燃圧はドライバによる負荷要求（例えば、車載ディーゼルエンジンにおけるアクセル操作量）に基づいて設定される。

ところが、燃料供給装置の供給容量（単位時間当たりの燃料供給量）に対してディーゼルエンジンの排気量が大きくなると、目標燃圧の増大に対する実燃圧の応答性が低下したり、実燃圧を目標燃圧まで高めることができなかったりする。そこで、排気量の大きなディーゼルエンジンの燃料供給装置では、高圧ポンプを増設することにより、燃料供給装置の容量を大きくすることが考え得る。
特開２００３−３１４３３９号公報

しかしながら、この高圧ポンプの増設によって、ディーゼルエンジンの負荷変動が増大するおそれがある。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、ディーゼルエンジンの負荷変動を低減しつつ、燃料の供給容量を増大させる燃料供給装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

第１の構成は、ディーゼルエンジンに供給される高圧燃料を蓄えるコモンレールと、上記ディーゼルエンジンの出力軸により駆動される駆動軸を有し、その駆動軸の回転に伴ってプランジャが往復移動することによって燃料の吸入及び圧送を繰り返す複数の高圧ポンプとを備え、上記高圧ポンプからコモンレールに高圧燃料を供給する。このように複数の高圧ポンプを備えることで、１基の高圧ポンプを備える燃料供給装置よりも燃料の供給容量を増大させることができる。

また、一の高圧ポンプによる燃料の圧送タイミングを、ディーゼルエンジンの圧縮上死点近傍（圧縮上死点前後の所定角）に設定し、他の高圧ポンプによる燃料の圧送タイミングを、上記圧縮上死点近傍に設定した圧送タイミングの間に設定する。ここで、高圧ポンプにおいて燃料を圧送する行程では、燃料を吸入する行程よりも駆動軸がプランジャから受ける負荷が大きくなる。したがって、複数の高圧ポンプにおいて燃料を圧送する行程を重複させると、同駆動軸を駆動する出力軸の負荷変動は大きくなる。この点、上述の構成によれば、複数の高圧ポンプの燃料を圧送する行程の位相がずれるため、出力軸が高圧ポンプから受ける負荷は均される。これにより、ディーゼルエンジンの負荷変動を低減することができる。

第２の構成では、複数の高圧ポンプによる各圧送タイミングをそれぞれ等間隔に設定する。これにより、ディーゼルエンジンの負荷変動を効果的に低減することができる。

第３の構成では、高圧ポンプにおいて駆動軸の軸方向にプランジャを複数配設する。このように複数のプランジャを有する高圧ポンプを用いることにより、燃料の圧送回数を増やし、燃料の供給容量を増大させることができる。

ここで、高圧ポンプの増設にあたり、複数の高圧ポンプの駆動軸を共通化することが考え得る。しかしながら、このような構成によると駆動軸が長くなる。その結果、駆動軸の剛性が低くなるため、同駆動軸がプランジャから受ける負荷によって駆動軸にねじれが生じるおそれがある。

この点、第４の構成では、複数の高圧ポンプの各駆動軸をディーゼルエンジンの出力軸にそれぞれ連結している。この構成によれば、複数の高圧ポンプの駆動軸を共通化した場合と比較して、複数の高圧ポンプの各駆動軸の軸長を短くすることができる。これにより、各駆動軸の剛性を高めて駆動軸のねじれを抑制することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、多気筒の車載ディーゼルエンジンに燃料を供給する燃料供給装置として本発明を具体化しており、その構成を以下に説明する。

１．燃料供給装置の概要
図１に示す燃料供給装置は、燃料タンク１０を備えている。この燃料タンク１０内に貯留される燃料は、２基の高圧ポンプ１１，１２によって汲み上げられる。このうち一方の高圧ポンプ１１は、動力伝達部１３，１４を介してディーゼルエンジン１５の出力軸（クランク軸）１６に駆動される機関駆動式のポンプである。この高圧ポンプ１１は、２つの圧送部１１ａ，１１ｂを有している。なお、上記動力伝達部は、ギア、プーリ、ベルト、チェーンなどから構成される。他方の高圧ポンプ１２もまた、高圧ポンプ１１と同様に、動力伝達部１３，１７を介して出力軸１６に駆動される機関駆動式のポンプである。その構成は、高圧ポンプ１１と実質的に同一であり、一組の圧送部１２ａ，１２ｂを有している。

高圧ポンプ１１の２つの圧送部１１ａ，１１ｂ及び高圧ポンプ１２の２つの圧送部１２ａ，１２ｂは、コモンレール２０にそれぞれ接続されており、燃料タンク１０から汲み上げられた燃料を吸引し、コモンレール２０に燃料を圧送（加圧供給）する。コモンレール２０には、ディーゼルエンジン１５の各気筒の燃料噴射弁２１が接続されている。コモンレール２０内の高圧燃料は、各気筒の燃料噴射弁２１に供給される。

また、コモンレール２０には、コモンレール２０内の燃圧を検出する燃圧センサ２２が設けられ、ディーゼルエンジン１５には、出力軸１６の回転角度を検出する回転角度センサ２３が設けられ、車両のアクセルペダルの近傍には、その操作量（以下「アクセル操作量」という）を検出するアクセルセンサ２４が設けられている。これらのセンサは、ＥＣＵ２５に接続されている。

ＥＣＵ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた周知のマイクロプロセッサを主体と
する電子制御ユニットであり、各種センサの検出信号を逐次取り込む。そして、ＥＣＵ２５は、ＲＯＭに予め記憶されている各種の制御プログラムを実行することで、その都度のディーゼルエンジン１５の運転条件に応じてディーゼルエンジン１５及び燃料供給装置を含むエンジンシステムの制御を実施する。例えば、ＥＣＵ２５は、燃圧センサ２２、回転角度センサ２３及びアクセルセンサ２４の検出信号に基づき、燃料噴射弁２１などの各種アクチュエータを操作することで、ディーゼルエンジン１５の出力制御を実施する。この際、ディーゼルエンジン１５の出力制御を良好に行うべく、コモンレール２０内の燃圧を目標燃圧に制御する。

２．高圧ポンプの構成
次に、高圧ポンプ１１の構成を図２〜図４に基づいて説明する。

図２は、高圧ポンプの構成を示す断面図である。高圧ポンプ１１の駆動軸３０は、出力軸１６が２回転する間に１回転するようになっている。駆動軸３０には、第１カム３１ａ及び第２カム３１ｂが設けられており、第１カム３１ａ及び第２カム３１ｂには、それぞれ駆動軸３０の径方向外側に突出する複数のカム山が形成されている。詳しくは、第１カム３１ａ及び第２カム３１ｂには、それぞれ３つのカム山が形成されている（図３（ａ）参照）。これら３つのカム山は、駆動軸３０の周方向に１２０°ずらして形成されている。そして、第１カム３１ａ及び第２カム３１ｂは、それらの位相を駆動軸３０の周方向に６０°ずらして設けられている（図３（ａ）参照）。

駆動軸３０には、フィードポンプ１１ｃが機械的に連結されている。フィードポンプ１１ｃは、駆動軸３０により駆動され、燃料タンク１０から燃料を汲み上げる。そして、汲み上げた燃料を圧送部１１ａ、１１ｂに供給する。詳しくは、フィードポンプ１１ｃには、図示しない流路を経由して加圧室３３ａが接続されている。この加圧室３３ａは、高圧ポンプ１１の内壁と第１プランジャ３４ａとによって区画形成されている。

第１プランジャ３４ａの加圧室３３ａと反対側の端部には、弁座３５ａが連結されている。弁座３５ａは、プランジャスプリング３６ａの付勢力によって、カムローラ３７ａに押し付けられている。カムローラ３７ａは、弁座３５ａと第１カム３１ａとの間に配設されている。このような構成によれば、第１プランジャ３４ａは駆動軸３０の回転に伴って往復移動し、その結果として加圧室３３ａの容積が拡大又は縮小される。

図４は、加圧室３３ａ近傍の構成を示す模式図である。図４に示すように、フィードポンプ１１ｃに連通している流路には、ギャラリ４０ａが接続されている。そして、ギャラリ４０ａには加圧室３３ａが接続されている。ギャラリ４０ａと加圧室３３ａとは、吐出量制御弁４１ａの弁体４２ａによって連通又は遮断されるようになっている。また、加圧室３３ａは、吐出通路４３ａ及び逆止弁４４ａを介して吐出口に連通可能となっている。

圧送部１１ｂの構成は、圧送部１１ａと実質的に同一である。そのため、図２及び図３において、圧送部１１ａの各構成要素に付した番号と「ｂ」とからなる符号を付して、説明を省略する。また、高圧ポンプ１２の構成は、上述したように高圧ポンプ１１の構成と実質的に同一である。そのため、高圧ポンプ１２の説明は省略する。

高圧ポンプ１１の駆動軸３０は、ディーゼルエンジン１５の各気筒のピストンが圧縮上死点近傍に位置する時に第１プランジャ３４ａ又は第２プランジャ３４ｂが上死点になるように、ディーゼルエンジン１５の出力軸１６に連結されている。一方、高圧ポンプ１２の駆動軸４５（図１参照）は、その周方向の位相が高圧ポンプ１１の駆動軸３０に対して３０°ずれるように（図３（ｂ）参照）、ディーゼルエンジン１５の出力軸１６に連結されている。

３．高圧ポンプの作動
次に、高圧ポンプの作動を図４及び図５に基づいて説明する。

図４に示す構成によれば、吐出量制御弁４１ａを制御することで、次のとおり燃料を圧送することができる。すなわち、出力軸１６の回転に伴って第１プランジャ３４ａが加圧室３３ａ側の上死点から駆動軸３０側の下死点へ向けて移動することにより加圧室３３ａの容積が拡大する行程（以下「吸入行程」という）では、吐出量制御弁４１ａの弁体４２ａを開弁させる（図５に示すｔ１〜ｔ２参照）。その結果、フィードポンプ１１ｃから供給される燃料がギャラリ４０ａ経由で加圧室３３ａに吸入される。一方、第１プランジャ３４ａが下死点から上死点へ向けて移動することにより加圧室３３ａの容積が縮小する行程では、所定時間の経過を待って弁体４２ａを閉弁させる。これにより、所定時間経過前（以下「プレストローク行程」という）には、加圧室３３ａ及びギャラリ４０ａが連通し、加圧室３３ａの燃料がギャラリ４０ａ経由でフィードポンプ１１ｃ側に戻される（図５に示すｔ２〜ｔ３参照）。一方、所定時間経過後（以下「加圧行程」という）には、加圧室３３ａ及びギャラリ４０ａが遮断され、加圧室３３ａの燃料が第１プランジャ３４ａの上昇に伴って加圧される（図５に示すｔ３〜ｔ４参照）。この加圧行程において、加圧室３３ａの燃圧とコモンレール２０内の燃圧との差が逆止弁４４ａの開弁圧に達すると、逆止弁４４ａが開弁することにより加圧室３３ａの燃料が吐出口から吐出される。

さらに、吐出量制御弁４１ａを次のとおり制御することにより、燃料の吐出量を調整することができる。すなわち、吐出量制御弁４１ａの弁体４２ａの開弁タイミング（図５に示すｔ３参照）を早くすることにより、すなわちプレストローク行程を短縮することにより、フィードポンプ１１ｃ側に戻る燃料を減らし、吐出量を増大させることができる（図５に一点鎖線で示す吐出量制御弁の制御参照）。一方、吐出量制御弁４１ａの弁体４２ａの開弁タイミングを遅らせることにより、すなわちプレストローク行程を延長することにより、フィードポンプ１１ｃ側に戻る燃料を増やし、吐出量を減少させることができる（図５に二点鎖線で示す吐出量制御弁の制御参照）。

４．燃料供給装置の作動
次に、本実施形態の燃料供給装置の作動を図６に基づいて説明する。図６は、出力軸１６の回転角度［°ＣＡ］に対する燃料供給装置の状態遷移を示している。図６（ａ）は燃料噴射弁２１による燃料噴射期間を示している。図６（ｂ）は高圧ポンプ１１の第１プランジャ３４ａのリフト量を示し、図６（ｃ）は高圧ポンプ１１の第２プランジャ３４ｂのリフト量を示している。図６（ｄ）は高圧ポンプ１２の第１プランジャのリフト量を示し、図６（ｅ）は高圧ポンプ１２の第２プランジャのリフト量を示している。図６（ｆ）は高圧ポンプ１１の駆動軸３０が高圧ポンプ１１の２つのプランジャ３４ａ，３４ｂから受ける負荷を示し、図６（ｇ）は高圧ポンプ１２の駆動軸４５が高圧ポンプ１２の２つのプランジャから受ける負荷を示している。また、図６（ｂ）〜（ｅ）の斜線部は、各プランジャによる燃料の加圧行程を示している。

本実施形態の燃料供給装置では、以下に示す（１）〜（４）の構成により、各高圧ポンプにおいて２つずつ、計４つのプランジャによる燃料の圧送タイミングが互いに異なる。
（１）駆動軸３０をディーゼルエンジン１５の出力軸１６が２回転する間に１回転するようにしたこと。
（２）第１カム及び第２カムに、それぞれ駆動軸３０の周方向に１２０°ずらして３つのカム山を形成したこと。
（３）第２カムの位相を第１カムに対して駆動軸３０の周方向に６０°ずらしたこと。
（４）高圧ポンプ１２の駆動軸４５の位相を高圧ポンプ１１の駆動軸３０に対して３０°ずらしたこと。

すなわち、上記（１），（２）の構成を採用したので、各プランジャによる燃料の圧送周期は２４０°ＣＡとなる（図６（ｂ）〜（ｅ）参照）。また、上記（１），（３）の構成を採用したので、第１プランジャ及び第２プランジャによる燃料の圧送タイミングの位相差は１２０°ＣＡとなる（図６（ｂ），（ｃ）又は図６（ｄ），（ｅ）参照）。また、（１），（４）の構成を採用したので、高圧ポンプ１１の第１プランジャ３４ａ及び高圧ポンプ１２の第１プランジャによる燃料の圧送タイミングの位相差は６０°ＣＡとなり（図６（ｂ），（ｄ）参照）、高圧ポンプ１１の第２プランジャ３４ｂ及び高圧ポンプ１２の第２プランジャによる燃料の圧送タイミングの位相差は６０°ＣＡとなる（図６（ｃ），（ｅ）参照）。このように、４つのプランジャによる燃料の圧送タイミングは互いに異なり、各圧送タイミングはそれぞれ等間隔になる。

さらに、ディーゼルエンジン１５の各気筒のピストンが圧縮上死点近傍に位置する時に高圧ポンプ１１の第１プランジャ３４ａ又は第２プランジャ３４ｂが上死点になるように、高圧ポンプ１１の駆動軸３０を出力軸１６に連結した。したがって、高圧ポンプ１１による燃料の圧送タイミングは、ディーゼルエンジン１５の圧縮上死点近傍になる。一方、高圧ポンプ１２による燃料の圧送タイミングは、高圧ポンプ１２による燃料の圧送タイミングの間になる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

２基の高圧ポンプ１１，１２を備えることにより、燃料供給装置の燃料の供給容量を増大させることができる。

また、各高圧ポンプにおいて２つずつ、計４つのプランジャによる燃料の圧送タイミングを互いに異ならせた。その結果、図６（ｆ），（ｇ）に示すように、４つのプランジャの加圧行程が時間的にずれて、ディーゼルエンジン１５の出力軸１６が４つのプランジャから受ける負荷が均される（負荷のピーク値が小さくなる）。これにより、ディーゼルエンジン１５の負荷変動を低減することができる。

また、上述のように４つのプランジャによる燃料の圧送タイミングを互いに異ならせたことで、コモンレール２０内の燃圧の脈動が抑制される。

また、２基の高圧ポンプ１１，１２の駆動軸を共通化することなく、各駆動軸を出力軸１６にそれぞれ連結した。その結果、２基の高圧ポンプ１１，１２の駆動軸を共通化する場合よりも、各駆動軸の軸長が短くなる。これにより、駆動軸の剛性が高まり、駆動軸のねじれを抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

上記実施形態では、２基の高圧ポンプ１１，１２の各駆動軸３０，４５を出力軸１６にそれぞれ連結した。しかしながら、２基の高圧ポンプ１１，１２の駆動軸を共通化してもよい。

また、上記実施形態では、２基の高圧ポンプ１１，１２による燃料の圧送タイミングを等間隔にした。しかしながら、これらの圧送タイミングは、等間隔でなくてもよい。

また、上記実施形態では、２基の高圧ポンプ１１，１２を備えたが、３基以上の高圧ポンプを備えてもよい。また、２基の高圧ポンプ１１，１２おいて駆動軸の軸方向に２つのプランジャを配設したが、駆動軸の軸方向に１つのプランジャを配設してもよいし、３つ以上のプランジャを配設してもよい。

燃料供給装置の構成を示す図。 高圧ポンプの構成を示す図。 カムの構成を示す図。 高圧ポンプの加圧室近傍の拡大図。 高圧ポンプの作動を示すタイミングチャート。 燃料供給装置の作動を示すタイミングチャート。

符号の説明

１０…燃料タンク、１１，１２…高圧ポンプ、１３，１４，１７…動力伝達部、１５…ディーゼルエンジン、１６…出力軸、２０…コモンレール、３０，４５…駆動軸、３４ａ…第１プランジャ（プランジャ）、３４ｂ…第２プランジャ（プランジャ）。

Claims (3)

1. ディーゼルエンジンに供給される高圧燃料を蓄えるコモンレールと、前記ディーゼルエンジンの出力軸により駆動される駆動軸を有し前記駆動軸の回転に伴ってプランジャが往復移動することによって燃料の吸入及び圧送を繰り返す高圧ポンプとを備え、前記高圧ポンプから前記コモンレールに高圧燃料を供給する燃料供給装置において、
   前記高圧ポンプを２つ備え、それぞれの高圧ポンプにおいて前記駆動軸の軸方向に前記プランジャを２つ配設し、
   一の前記高圧ポンプによる燃料の圧送タイミングを、前記ディーゼルエンジンにおける圧縮上死点近傍に設定し、他の前記高圧ポンプによる燃料の圧送タイミングを、前記圧縮上死点近傍に設定した圧送タイミングの間に設定するとともに、４つのプランジャによる燃料の圧送タイミングを互いに異ならせたことを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記複数の高圧ポンプによる各圧送タイミングをそれぞれ等間隔に設定した請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記複数の高圧ポンプの各駆動軸を前記出力軸にそれぞれ連結した請求項１又は２に記載の燃料供給装置。

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