JP4753659B2

JP4753659B2 - 燃料ポンプ

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Publication number: JP4753659B2
Application number: JP2005232967A
Authority: JP
Inventors: 浩吉岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-08-11
Also published as: KR20070094938A; CN101228346A; WO2007017960A1; TW200706756A; JP2007046562A; US20070269320A1; TWI274811B; CN101228346B

Description

この発明は、回転体であるインペラを回転させて燃料タンクから燃料を吸い上げる燃料ポンプに関し、詳しくは燃料吸入性能を高めるとともに、ポンプ流路からベーパなどの気体を排出可能とした燃料ポンプに関するものである。

従来の燃料ポンプにおいては、ポンプ流路長の１／２よりも回転体の回転方向側に、径ｄが０．２ｍｍ≦ｄ≦０．９ｍｍである気体排出口を備え、ポンプ流路の燃料圧力が低い状態（すなわち、ポンプ低回転時）では、ベーパを速やかに気体排出口より排出させ、さらにこの気体排出口に、ポンプ流路の燃料圧力が所定圧以上になると、ポンプ流路内に発生するベーパを燃料とともにエンジン側に吐出するために気体排出口を閉塞する弁機構を具備する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２１８０５９号公報（第２頁右欄第２８行〜第３頁左欄第２０行）

従来の燃料ポンプでは、ポンプ流路の燃料圧力は所定圧以上になるまで、気体排出口は開いたままなので、この気体排出口から燃料の排出を抑えることができず、燃料吐出量が減少してしまうという課題があった。また、ポンプ流路の燃料圧力が所定圧以上で発生したベーパは、既に気体排出口が弁機構により閉塞させられているため、燃料とともにエンジン側に吐出されてしまい、インジェクタの燃料噴射量の誤差原因に成りかねないという課題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ポンプ低回転時の燃料吐出量の減少や、ベーパのエンジン側への吐出をなくし、かつ燃料吸い上げ高さが高くて燃料吸い上げ時間の短い燃料ポンプを得ることを目的とするものである。

この発明に係る燃料ポンプにおいては、回転体の回転により燃料吸入口から吸い上げた燃料を上記回転体の周囲に形成されているポンプ流路で加圧するとともに、上記ポンプ流路の終端近傍に空気排出口と、この空気排出口からの燃料の排出を防止する空気排出弁機構を備えた燃料ポンプにおいて、上記空気排出口よりも上記回転体の反回転側にベーパ排出口と、このベーパ排出口からの空気の吸入を防止するベーパ排出弁機構を備え、上記ポンプ流路の燃料が加圧されると直ちに、上記空気排出弁機構は閉弁させ、上記ベーパ排出弁機構は開弁させるようにしたものである。

この発明は以上説明したように、ポンプ流路の燃料が加圧されるまではベーパ排出口は閉塞されているので、空気排出口をポンプ流路の終端近傍に配設したことによる、燃料吸入口から空気排出口までの加圧流路が長いことと相俟って、燃料吸入口の負圧が大きくなり、燃料吸い上げ高さを高くすることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における燃料ポンプを示す断面図、図２はケーシングカバーを示す平面図であり、図１における線Ａ−Ａに沿う断面図に相当する。また、図３は空気排出口および空気排出弁機構を、図４はベーパ排出口およびベーパ排出弁機構を示しており、それぞれ図２において、線Ｂ−Ｂ、線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。なお、図５〜７は特性図であり、図５は、この実施の形態１の効果をより明確にするために、比較例とともに燃料吸入能力を測定した結果を、図６および７は、ノズル形ベンチュリ計での流量計算式を使用した試算結果を、それぞれ示しており、詳述すると、図６は空気排出口の穴径と空気通過時の圧力損失を、図７は空気排出口の穴径と燃料の排出流量を、それぞれ示している。

図１において、燃料ポンプ１０は、例えば車両などの燃料供給システムにおける、この車両の図示しない燃料タンク内に収容されており、この燃料タンクから吸入した燃料をやはり図示しないエンジン側に供給するものである。この燃料ポンプ１０は、ポンプ部２０とこのポンプ部２０を駆動する電磁駆動部としてのモータ部３０とから構成されている。モータ部３０はブラシ付きの直流モータであり、円筒状のハウジング１１内に図示しない永久磁石を環状に配置し、この永久磁石の内周側へ同心円上に電機子３２を配置した構成となっており、一方、ポンプ部２０は、ケーシング本体２１、ケーシングカバー２２および回転体であるインペラ２４などから構成されている。なお、このポンプ部２０がこの発明の要部であるため、以下に詳しく説明する。

前述したケーシング本体２１およびケーシングカバー２２は、例えばアルミのダイカスト成形により形成されており、これらケーシング本体２１とケーシングカバー２２により一つのケーシング部材（付番せず）が構成され、このケーシング部材内部にインペラ２４が回転自在に収容されている。ケーシング本体２１はハウジング１１の一方の端部内側に圧入固定され、このケーシング本体２１を被せつつハウジング１１の一端にケーシングカバー２２がかしめなどにより固定されている。ケーシング本体２１の中心に軸受２５が嵌着、また、ケーシングカバー２２の中心にスラスト軸受２６が圧入固定されることで、電機子３２の回転シャフト３５の一方の端部は、軸受２５により回転自在に径方向に、また、スラスト軸受２６によりスラスト方向の荷重が、それぞれ支持されている。なお、回転シャフト３５の他方の端部は軸受２７により回転自在に径方向に支持されている。

ケーシングカバー２２に燃料吸入口４０が形成されており、周縁部に羽根片を形成したインペラ２４が回転することにより、燃料タンク内の燃料１００が吸入フィルタ１０１と吸入パイプ１０２を通って、燃料吸入口４０からポンプ流路４１に吸入されるのは周知の通りである。このポンプ流路４１は、インペラ２４の外周に沿い、ケーシング本体２１とケーシングカバー２２との間に略Ｃ字状に形成されている。なお、ポンプ流路４１に吸入された燃料（燃料タンク内の燃料１００と区別するため付番せず。以下同様）は、インペラ２４の回転により加圧され、モータ部３０の燃料室３１に圧送されるのも、やはり周知の通りである。

次にケーシングカバー２２の詳細について説明する。図２において、ケーシング本体２１（図１参照）との対向面にＣ字状の燃料溝２３が形成されている。この燃料溝２３により形成されポンプ流路４１の一部を構成する溝通路５０（前述した通り、ポンプ流路４１は、この溝通路５０と、ケーシング本体２１側に設けた図示していない溝通路５０相当で構成される）は、燃料吸入口４０と連通する入口部５１、この入口部５１から徐々に通路幅が狭くなり、かつ通路深さが浅くなる導入通路部５２、およびこの導入通路部５２から溝通路５０の終端５４に向かって形成された加圧通路部５３、とからなる。

溝通路５０には、このケーシングカバー２２を貫通し、ポンプ流路４１と燃料ポンプ１０（図１参照）外の燃料タンク内とを連通する空気排出口１１０、およびベーパ排出口１２０が形成されている。空気排出口１１０は溝通路５０の終端５４に、ベーパ排出口１２０は空気排出口１１０よりもインペラ２４（図１参照）の反回転側に、それぞれ設けられており、その機能としては、空気排出口１１０は、ポンプ始動時にポンプ流路４１と吸入パイプ１０２（図１参照）の内部に存在する空気を、ベーパ排出口１２０は、ポンプ流路４１に発生する燃料蒸気としてのベーパを含む気泡（以下、ベーパと称す）を、それぞれ燃料タンクに排出することである。

続いて、これら排出口１１０、１２０について説明する。図３において、空気排出口１１０の出口側（紙面上、下側）に、ケーシングカバー２２に固定された弁座部材１１２、弁部材１１３、およびスプリング１１４とで構成される空気排出弁機構１１１が配設されている。弁座部材１１２は例えば樹脂で成形されており、中央部に空気通路となる貫通孔１１５が形成されているが、この貫通孔１１５の径は空気排出口１１０の径よりも大きく設定されている。一方、弁部材１１３およびケーシングカバー２２には、それぞれスプリング座１１６ａ、１１６ｂが設けられており、弁部材１１３が弁座部材１１２に着座しない自由長に設定されたスプリング１１４が、両スプリング座１１６ａ、１１６ｂに嵌着されている。

図４において、ベーパ排出口１２０の出口側（紙面上、下側）に、ケーシングカバー２２に形成された弁座１２２、弁部材１２３、スプリング押さえ部材１２４、およびスプリング１２５とで構成されるベーパ排出弁機構１２１が配設されている。スプリング押さえ部材１２４は例えば樹脂で成形されており、中央部にベーパ通路となる貫通孔１２６が形成されているが、この貫通孔１２６の径はベーパ排出口１２０の径よりも大きく設定されている。一方、スプリング押さえ部材１２４および弁部材１２３には、それぞれスプリング座１２７ａ、１２７ｂが設けられており、弁部材１２３が弁座１２２に着座する方向に弁部材１２３を付勢するスプリング１２５が、両スプリング座１２７ａ、１２７ｂに嵌着されている。

以上、述べた構成を踏まえ、次に燃料ポンプ１０の動作について説明する。図１に示すように、図示しない電源から、コネクタ４５に埋設されたターミナル４６、図示しないブラシ、モータ部３０内に回転自在に収容された電機子３２の紙面上、上部に配設された整流子３４を介して、電機子３２のコア３２ａの外周に巻回されたコイル（付番せず）に電力が供給されることで、電機子３２が回転、すなわち回転シャフト３５が回転し、この回転シャフト３５の回転に伴いインペラ２４も回転する。

インペラ２４が回転すると、ポンプ流路４１の内部に存在する空気が、インペラ２４の各羽根片から運動エネルギーを受けて、このポンプ流路４１の内部で昇圧される。なお、このとき、空気排出弁機構１１１（図３参照）は開弁（換言すると、空気排出口１１０は燃料タンクに向けて貫通）、ベーパ排出弁機構１２１（図４参照）は閉弁（換言すると、ベーパ排出口１２０は燃料タンクに向けて非貫通）しているので、昇圧された空気は空気排出口１１０（図２参照）のみから排出されることになる。この排出により、燃料吸入口４０付近に負圧が発生し、燃料吸入口４０に接続された吸入パイプ１０２の内部の空気もポンプ流路４１に引き込まれ、その結果、吸入パイプ１０２を通して燃料タンク内の燃料１００が燃料吸入口４０からポンプ流路４１に吸引され、前述同様、インペラ２４の各羽根片から運動エネルギーを受けてポンプ流路４１の内部で昇圧される。

図３および４に示すように、ポンプ流路４１内部での燃料の昇圧が開始されるとすぐに、空気と燃料の比重差による荷重増加によって、空気排出弁機構１１１の弁部材１１３が、スプリング１１４の収縮力に抗して、弁座部材１１２に着座し貫通孔１１５を閉塞するとともに、ベーパ排出弁機構１２１の弁部材１２３が、スプリング１２５の付勢力に抗して、弁座１２２から離れてベーパ排出口１２０を開口する。すなわち、空気排出口１１０が閉塞されることで、この空気排出口１１０からのこれ以上の燃料の排出が抑えられ、また、ベーパ排出口１２０が開口されることで、燃料圧力が高い状態で発生したベーパが燃料タンクへ排出される。こうして、ポンプ流路４１内で昇圧された燃料は、図１に示すように、燃料室３１に圧送されたのち、電機子３２の周囲を通過し、燃料吐出口４３から図示しないエンジンに向けて吐出される。なお、燃料吐出口４３には逆止弁４４が収納されており、例えば、エンジン停止時に、逆止弁４４が図示しないエンジンに至るまでの配管内の圧力を保持することでエンジンの始動性を良好にしている。

このように、燃料の昇圧開始を境に、それまで開弁していた空気排出弁機構１１１を閉弁、および閉弁していたベーパ排出弁機構１２１を開弁させるように、スプリング１１４および１２５のバネ定数を設定することで、まず、ポンプ低回転時を含めた燃料加圧時には、常に空気排出口１１０を閉塞させ、燃料流出を防止しているので燃料吐出量が減少しない。次いで、燃料加圧状態では、常にベーパ排出口１２０を開口させ、発生したベーパのエンジン側への吐出を防止しているのでインジェクタの燃料噴射量を正確に保てる、といった効果に加え、前述した燃料の昇圧まではベーパ排出口１２０は閉塞されているので、燃料吸入口４０の負圧低下を防止できるとともに、ケーシングカバー２２（およびケーシング本体２１）内をほぼ一周する溝通路５０、すなわち、燃料吸入口４０から空気排出口１１０までが、比較的長い加圧流路として作用されるので、燃料吸入口の負圧を大きくすることができる。この負圧のアップにより、燃料ポンプ１０の性能向上の一つの目安となる、燃料吸い上げ高さ（図１に示す燃料液面から燃料吸入口４０までの寸法ｈ）を高くすることが可能となり、燃料タンクを含めた、特にレイアウト設計の自由度を高めることが期待できる。

この燃料吸い上げ高さ、すなわち燃料吸入能力が高まったことを確認するため、比較例とともに測定した結果を図５（ａ）に基づき説明する。なお、比較例の仕様は、空気排出口１１０を常時閉塞し、ベーパ排出口１２０を常時開放とした。つまり、本実施の形態１の加圧流路が前述したように、燃料吸入口４０から空気排出口１１０までなのに対し、この比較例の加圧流路は、燃料吸入口４０からベーパ排出口１２０までと短くなっている。これら両者の燃料吸い上げ時間における燃料吸い上げ高さを測定データとしてプロットすると、例えば、燃料吸い上げ時間が４秒ならば、本実施の形態１は比較例に対し、約２倍の燃料吸い上げ高さを有することになる。このように、横軸に燃料吸い上げ時間を、縦軸に燃料吸い上げ高さを示したこのグラフ上では、グラフの右下（すなわち、時間が長い割に高さが低い）から左上（すなわち、時間が短いのに高さが高い）に向かうほど、その燃料吸入能力がより高くなる。よって、本実施の形態１の方が比較例に対し、燃料吸入能力が高いことがわかる。これは、加圧流路と負圧の関係を模式的に表した図５（ｂ）からも明らかなように、加圧流路が長いほど、この加圧流路のスタート点（本実施の形態１の場合は燃料吸入口４０）の負圧が大きくなることにほかならない。

以上、説明したように、燃料吸入能力を高めるためには加圧流路を充分確保することが不可欠であり、そのためには、本実施の形態１では、空気排出弁機構１１１の閉弁とベーパ排出弁機構１２１の開弁がほぼ同時に行われるようにしており、さらには、ベーパのエンジン側への吐出がインジェクタの燃料噴射量に影響を与えない程度に、空気排出弁機構１１１が閉弁してから、ベーパ排出弁機構１２１が開弁するように、両スプリング１１４、１２５のバネ定数を設定すれば、なお好ましい。また、空気排出口１１０および空気排出弁機構１１１は、加圧流路よりも下流側であって、逆止弁４４よりも上流側であれば、どこに設置しても同様の作用を得ることができる。ただし、加圧流路終端から空気排出口までの間に空気が溜まる空間が広がることに伴って、排出する空気容積が増え、燃料吸い上げ時間は増加してしまう。この増加の是非は、該燃料ポンプの燃料タンク内の位置などに応じて、適宜、判断すればよい。

この空気排出口１１０をいずれかの箇所に配設するにしても、その径ｄは、該空気排出口１１０を空気が通過する際の圧力損失が問題にならない大きさである必要がある。図６によれば、穴径が０．３ｍｍ以上であれば、空気通過時の圧力損失がほぼ０ｋＰａとなることから、空気排出口の径ｄは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。この結果、ポンプ始動時に吸入した空気を燃料タンクへ排出する際の抵抗が小さくなり、空気排出の時間を短くできるので、燃料ポンプに給電を開始してから燃料昇圧を開始するまでの時間、すなわち燃料吸い上げ時間を短縮することができる。なお、空気排出口１１０の形状は円である必要はなく、径ｄを流路面積ｓに換算したｓ≧０．０７ｍｍ^２であれば、どのような形状であっても構わない。

ところで、空気排出口１１０の径ｄの上限については言及しなかったが、一般にはポンプ流路４１の断面積を径ｄに換算した値以下となるものの、万が一、空気排出弁機構１１１が故障して閉弁しなくなったことを考慮すれば、ポンプ流路４１で燃料加圧されているときに空気排出口１１０から燃料が排出されたとしても、エンジンへ向けての燃料吐出量を確保しておく必要がある。つまり、空気排出口１１０からの燃料排出流量が、燃料ポンプ本来の燃料吐出量を超えないように、空気排出口１１０の径ｄを設定しなければならない。図７によれば、例えば、燃料ポンプ本来の燃料吐出量が８０Ｌ／ｈの場合、径ｄが１．０ｍｍならば、エンジンに向けての燃料吐出量がほぼ０となるが、径ｄを０．８ｍｍ以下に設定しておけば、燃料排出流量は８０Ｌ／ｈ以下となり、エンジンへの必要最小限の燃料供給を維持することが可能となる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２における図３相当図である。この実施の形態２は吸気防止弁機構１３０を付加した以外は、実施の形態１（図３）と実質的に同一であるため、この吸気防止弁機構１３０を中心に説明する。

図８において、空気排出弁機構１１１の出口側（紙面上、下側）に、弁座部材１１２に固定された吸気防止弁座部材１３１、および傘形形状を有する吸気防止弁部材１３２とで構成される吸気防止弁機構１３０が配設されている。吸気防止弁座部材１３１は例えば樹脂で成形されており、中央部に吸気防止弁部材１３２を挿入固定する弁部材保持孔１３３、空気排出通路となる通路部１３４、および吸気防止弁部材１３２とのシール機能を持つシール部１３５とが形成されている。一方、吸気防止弁部材１３２はゴムなどの弾性体で成形されており、シール部１３５とのシール機能を持つ傘部１３６、弁部材保持孔１３３に挿入される軸部１３７、および弁部材保持孔１３３からの抜け止めとなる抜け止め部１３８を有している。すなわち、図に示すように、抜け止め部１３８が弁部材保持孔１３３に貫通固定されると、傘部１３６がシール部１３５に密着し、通路部１３４が閉塞されることになる。なお、吸気防止弁座部材１３１は、弁座部材１１２と一体に形成してもよい。

続いて動作について説明する。ポンプ始動時には、空気排出弁機構１１１は開弁しているため、ポンプ流路４１内の空気は、空気排出口１１０から吸気防止弁機構１３０に達する。この空気が排出される際の圧力は、傘部１３６を容易に押し開き、その結果、空気は、通路部１３４から、実施の形態１と同様、燃料タンクへ排出される。したがって、吸気防止弁機構１３０は空気排出弁機構１１１の持つ空気排出機能を阻害することはない。

一方、ポンプ停止時には、吸入パイプ１０２（図１参照）内部の燃料が自重により燃料タンク内の燃料液面高さまで落下しようとすることに伴って、ポンプ始動時とは逆に空気排出口１１０を経由してポンプ流路４１に向かって空気が流れようとする。そのため、吸気防止弁機構１３０を備えていない実施の形態１では、図３からも明らかなように、ポンプ停止に伴う空気排出弁機構１１１が開弁していることから、空気は、貫通孔１１５、空気排出口１１０を通って、ポンプ流路４１に向かって流れてしまい、それに伴って、吸入パイプ１０２内部の燃料が燃料液面まで落下する。このため、次にポンプが始動する際、燃料ポンプ１０は再度、燃料を燃料タンク内の燃料液面から燃料吸入口４０まで吸い上げることが必要となり、この燃料吸い上げ時間の分だけ燃料昇圧がどうしても遅れることになる。

そこで、本実施の形態２のように、吸気防止弁部材１３２がシール部１３５を閉塞しているため、ポンプ停止後も、空気が空気排出口１１０からポンプ流路４１へ向かって流れこめないので、ポンプ流路４１と吸入パイプ１０２の内部は燃料で満たされた状態を維持することができる。つまり、傘形の吸気防止弁部材１３２により、図８紙面上、上から下へは空気は流れる（前述した通り、傘部１３６を押し開く）が、下から上へは空気は流れない（シール部１３５と傘部１３６によりシールされている）ことで、実施の形態１で述べた効果を満足しつつ、さらに、ポンプが再始動した際に、即座に燃料昇圧を開始することが可能となり、エンジンの始動性向上が期待できる。

この発明の実施の形態１における燃料ポンプを示す断面図である。図１における線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２における線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。図２における線Ｃ−Ｃに沿う断面図である。この発明の実施の形態１と比較例の燃料吸入能力を測定した結果を示す特性図である。空気排出口の穴径と空気通過時の圧力損失を示す特性図である。空気排出口の穴径と燃料の排出流量を示す特性図である。この発明の実施の形態２における図３相当図である。

符号の説明

１０燃料ポンプ、２４インペラ、４０燃料吸入口、４１ポンプ流路、
５４終端、１００燃料、１１０空気排出口、１１１空気排出弁機構、
１２０ベーパ排出口、１２１ベーパ排出弁機構、１３０吸気防止弁機構。

Claims

回転体の回転により燃料吸入口から吸い上げた燃料を上記回転体の周囲に形成されているポンプ流路で加圧するとともに、上記ポンプ流路の終端近傍に空気排出口と、この空気排出口からの燃料の排出を防止する空気排出弁機構を備えた燃料ポンプにおいて、
上記空気排出口よりも上記回転体の反回転側にベーパ排出口と、このベーパ排出口からの空気の吸入を防止するベーパ排出弁機構を備え、上記ポンプ流路の燃料が加圧されると直ちに、上記空気排出弁機構は閉弁させ、上記ベーパ排出弁機構は開弁させるようにしたことを特徴とする燃料ポンプ。
空気排出弁機構の閉弁とベーパ排出弁機構の開弁がほぼ同時に行われるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ。
空気排出弁機構の閉弁より若干遅れてベーパ排出弁機構の開弁が行われるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ。
空気排出口の径ｄがｄ≧０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料ポンプ。
空気排出弁機構が開弁しているときに、空気排出口への空気の進入を防止する吸気防止弁機構を、上記空気排出弁機構に具備したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料ポンプ。