JP4861958B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射弁に高圧燃料を圧送する高圧燃料ポンプに関し、ことに電磁駆動機構によって駆動される吐出弁に関する。

特開平１０−３１８０６０号公報には、吐出通路に設けた弁を双方向弁とし、蓄圧装置（コモンレール）内の燃料圧力の異常高圧時にこの弁を開いて高圧燃料を圧送ポンプまで逆流させる安全弁として機能させる高圧燃料ポンプが記載されている。

特開平１０−３１８０６０号公報

しかしながら、上記従来例では、吐出容量を制御するために電磁駆動型の弁機構がもう一つ必要で、このため、実際の製品として自動車の装着したとき、電力消費が大きくて燃費が悪くなる原因になる。

本発明の目的はこの問題を解決するために、電磁駆動型の吐出弁機構を、吐出容量の制御にも使用できるようにすることにある。

本発明は上記目的を達成するために、制御装置からの信号に基づいて吐出弁の弁体の動きを制御する電磁ソレノイド機構を設けるも、ソレノイドの通電が遮断されている際、吐出弁の弁体がスプリングにより開弁位置にあり、吐出通路を開放しているように構成した。

このように構成した本発明では、通常時は、この電磁駆動型の吐出弁の閉弁時期を信号によって制御して吐出容量を制御し、蓄圧装置（コモンレール）内の燃料圧力の異常高圧時にはこの弁を開いたままにしておくことで、安全弁として機能させることができ、一つの電磁駆動機構で吐出容量制御と安全弁機能を達成することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明が実施される高圧燃料ポンプの第一の断面図を示す。

図２は、本発明が実施される高圧燃料ポンプの第二の断面図を示す。

図３は、本発明が実施される高圧燃料ポンプの吐出ジョイント位置別案を示す。

図４は、本発明が実施される燃料系システム図を示す。

図５は、従来の方式の燃圧挙動説明図を示す。

図６は、本発明が実施される高圧燃料ポンプの燃圧挙動説明図を示す。

図７は、本発明が実施された場合の効果を示す流量特性説明図を示す。

まず、高圧燃料ポンプの基本動作に就いて図１及び図２を用いて説明する。

低圧燃料ポンプにより燃料タンクから圧送された低圧燃料が、レギュレータにより調圧され、吸入ジョイント２に導入される。フィルタ２ｂを内部通路２ａに圧入保持した前記吸入ジョイント２は、ポンプボディ１に固定されており、前記内部通路２ａは、ポンプボディ１に設けられた吸入通路１ａと連通している。前記吸入通路１ａには、ダンパ室１ａａが形成され、低圧燃料の圧力脈動を吸収するダンパ３が格納される。ダンパ室１ａａを経由した低圧燃料は、吸入弁４に導入される。吸入弁４は弁体４ａがスプリング４ｂによりシート４ｃに押し付けられることで燃料の流通方向を制限する逆止弁として機能する。また前記ポンプボディ１には、エンジンのカムシャフトに形成された高圧燃料ポンプ駆動用カムにより往復運動するプランジャ５を円周隙間をもって往復動自在に係留するシリンダ６が固定されており、前記プランジャ５の往復運動により容積変化する加圧室１ｃが形成されている。前記吸入弁４を介して加圧室１ｃに導入された低圧燃料は、プランジャ５が上死点方向へ移動することで昇圧する。加圧室１ｃで昇圧した高圧燃料は吐出弁７を介して、吐出ジョイント８へ圧送される。吐出ジョイント８は、前記ポンプボディ１に結合され、またねじ部８ａを形成することで、高圧配管との結合を可能にしている。吐出ジョイント８から高圧配管Ｆへ吐出された高圧燃料は、コモンレールを介して燃料噴射弁Ｈからエンジンの燃焼室へ直接噴射される。前記吐出弁７はソレノイド７ｄにより閉弁タイミングを制御可能であり、ＥＣＵからの信号により前記閉弁タイミングは制御される。

次に吐出弁７の構造、及び基本動作について詳細に説明する。吐出弁７は弁体７ａと、
弁体７ａが着座するシート７ｂ、及び弁体７ａをシート７ｂから遠ざける方向（開弁方向）にばね力が働くよう構成されたリターンスプリング７ｃを内蔵している。また、前記弁体７ａの外周には弁体７ａを磁力により動作せしめるためのソレノイド７ｄが設けられている。前記ソレノイド７ｄへの通電がない場合、前記弁体７ａは、リターンスプリング７ｃによりシート７ｂから離れ、吐出弁７は開弁状態を維持する。通常、プランジャ５が下死点から上死点へ移動する間は前記ソレノイド７ｄへの通電はせず、開弁状態を維持している前記吐出弁７を介し、プランジャ５の工程容積のほとんどは吐出弁７から吐出ジョイント８ａ内の吐出通路８ａ２を通って高圧配管へと吐出される。インジェクタの噴射がない状態では、前記吐出弁７の下流側（以降高圧配管側と称す）は閉空間となるため吐出された容積分、燃料圧力は上昇する。一方、プランジャ５が上死点から下死点へ移動する間も、前記ソレノイド７ｄへの通電がない場合は、高圧配管側から加圧室１ｃへ高圧燃料が逆流する。この間、加圧室１ｃへ逆流した燃料容積分、高圧配管側圧力は低下する。プランジャ５が上死点から下死点へ移動する途中で前記ソレノイド７ｄへ通電すると、電磁力及び逆流する高圧燃料の流体力により前記弁体７ａはシート７ｂ方向へ移動する。弁体７ａがシート７ｂへ接触した時点で、発生する差圧により弁体７ａはシート７ｂへ押し付けられ前記高圧燃料の逆流は終了する。更にプランジャ５が下死点方向へ移動すると、加圧室１ｃ内の圧力は低下し吸入弁４が開弁する。吸入弁４が開弁した時点から、プランジャ５が下死点まで移動する間の工程容積分、吸入弁４から新たな低圧燃料が加圧室１ｃ内に流入する。よって、前記ソレノイド７ｄへの通電タイミングを必要に応じて変化させることで吐出容量を変化させることができる。また、一旦加圧室１ｃから高圧配管側へと吐出された高圧燃料は、再び加圧室１ｃへ流入しプランジャ５を押し下げるよう作用するため、上死点から吐出弁７が閉弁するまでの間、プランジャ５の上昇工程即ち加圧工程で要した仕事量の一部を回収できる。更に本容量制御方式によると、高回転時にフューエルカット制御された場合、即ち高圧燃料ポンプが全量吐出運転している際に、燃料噴射弁の噴射が停止された場合でも、前記ソレノイド７ｄへの通電を遮断することで吐出弁７を、必要な期間開弁保持することができる。この間プランジャ５が往復動しても、高圧燃料は前記吐出弁７を介して前記加圧室１ｃと高圧配管側を行き来するだけで、高圧配管側の圧力が上昇することはない。その上、前記プランジャ５外径とシリンダ６内径により形成された円周隙間ｅにより、加圧室１ｃと吸入通路１ａは常に連通しているため、高圧配管側燃料は吸入通路１ａへ移動、高圧配管側圧力は徐々に低下することになる。また、エンジン停止後、一定時間吐出弁７を開弁保持することも可能となるため、高圧配管側圧力を短時間で低下させることができる。よって、本実施例では必要なときに高圧配管側圧力を低下させること、即ち減圧制御が可能となる。即ち、低エミッションに寄与することができる。

吐出ジョイント８ａの内部には、吐出通路８ａ２が形成されており、この内部にプランジャロッド７ａ１が軸方向に往復動可能に保持されている。プランジャロッド７ａ１の先端には吐出弁７ａが一体に形成されている。プランジャロッド７ａ１後端は、軸受８ａ５で支承されている。軸受８ａ５は、吐出ジョイント８ａの内周に圧入固定されており、中心にプランジャロッド７ａ１の挿通孔を有し、そのまわりに複数個の燃料通路が穿孔されている。プランジャロッド７ａ１の中間位置には、磁性材製のコア８ａ３が固定されている。吐出ジョイント８ａ−コア８ａ３−プランジャロッド７ａ１−規制部材８ａ４（後述する）−吐出弁ハウジングによって形成される磁路を通って磁束が発生すると、コア８ａ３はリターンスプリング７ｃの力に抗して規制部材８ａ４の位置まで図面右方に移動し、この時吐出弁７ａはシート７ｂに当接して吐出口を閉塞する。規制部材８ａ４とコア８ａ３とは、実際は衝突しないように設計されており、吐出弁７ａの閉塞は妨げない。規制部材８ａ４は磁路形成部材として機能すると共に、プランジャロッド７ａ１の中間軸受として機能する。吐出弁ハウジングとポンプボディ１とは、接合部８１で溶接接合され、大気との間がシールされる。かくして、プランジャロッド７ａ１は吐出ジョイント８ａの中心に支承され、ソレノイドは吐出ジョイント８ａの外周に固定される。

次に、本実施例を適用した場合の燃圧挙動について説明する。吸入弁の開閉タイミングを制御することで、加圧室へ流入した低圧燃料の一部を吸入通路側へ逆流させ（スピルさせ）容量制御を行う従来の方式では、吸入通路側の圧力脈動（ΔＰｓ）は、吸入工程で発生する圧力低下（ΔＰ１）と、逆流時即ちスピル工程で発生する圧力上昇（ΔＰ２）の和（ΔＰｓ＝ΔＰ１＋ΔＰ２）となる。一方、本実施例の高圧燃料ポンプの場合は、吸入弁４を逆流するスピル工程は無く、必要な量の燃料（エンジンが要求する燃料流量＋高圧配管側の圧力維持に必要な燃料流量）のみ加圧室１ｃへ吸入すればよいので、発生する吸入通路側の圧力脈動は吸入工程で発生する圧力低下分（ΔＰ１′）のみとなる（ΔＰｓ＝ΔＰ１′）。また上記従来の方式では、吸入工程では上死点から下死点までプランジャが移動する際のフルストローク分の容積変化（＝工程容積Ｖth）が吸入通路に生じるが、本実施例の場合は必要な量のみ吸入すればよく、吸入通路１ａに生じる容積変化を最小限に止めることが可能となる。よって同じ理論吐出量（＝工程容積Ｖth）を有する高圧燃料ポンプでも吸入通路側に生じる圧力脈動は、従来の方式よりも本実施例の方が小さくなる（ΔＰ１′≦ΔＰ１）。即ち、本実施例の場合、スピル工程による圧力上昇分を排除できる点、吸入工程時必要な量の燃料のみ吸入すれば良い点、以上の２点により従来の方式よりも吸入通路１ａに生じる圧力脈動を小さくすることが可能となる。また、実施例のなかでも、図３に示すようプランジャ５を段付き形状とし前記プランジャ５が往復動する際に容積変化を生ずるバランス室１ｄを設ける構造のものは、プランジャ５が上死点から下死点まで移動する際、或いは下死点から上死点まで移動する際、バランス室１ｄの容積は前記プランジャ５のφＤと小径φｄの差により変化する。即ち、プランジャ５の上死点から下死点までのストロークをＬとすると、このときの容積変化量Ｖｂは、Ｖｂ＝π×Ｌ×（Ｄ²−ｄ²）／４となる。前記容積変化Ｖｂは、前記バランス室１ｄと連通している吸入通路１ａの容積変化を誘発することから、吸入工程においては、プランジャ５が上死点から下死点へ移動する際の工程容積Ｖthの一部を前記バランス室１ｄの容積変化Ｖｂが補填することとなる。よって、実質、吸入通路１ａに生じる容積変化ＶｓはＶｓ＝Ｖth−Ｖｂとなり、吸入通路１ａに生じる脈動の一部を低減することが可能となる。但し、プランジャ５が下死点から上死点に移動する際、即ち加圧工程においては、従来の方式のようなスピル工程は無くバランス室の容積変化Ｖｂが、そのまま吸入通路１ａの容積変化となって現れる。よって、バランス室１ｄの容積変化Ｖｂを設定する際、前記ダンパ３の脈動減衰特性が劣る回転数領域、或いは最も使用頻度の高い燃料噴射領域での吸入量を、前記バランス室１ｄの容積変化Ｖｂに設定するのが効果的である。

次に、本実施例を適用した場合の高圧配管側に生じる圧力脈動について説明する。吸入弁の開閉タイミングを制御することで、加圧室へ流入した低圧燃料の一部を吸入通路側へ逆流させ（スピルさせ）容量制御を行う従来の方式では、高圧配管側に生じる圧力脈動（ΔＰｄ）は、加圧工程で発生する圧力上昇（ΔＰｄ１）となる。即ち、燃料噴射弁が噴射する際の圧力降下（ΔＰinj）分を昇圧するのでΔＰｄ＝ΔＰｄ１＝ΔＰinjとなる。但し、前記圧力脈動（ΔＰｄ）は、高圧燃料ポンプのカム１山当りの吐出量と燃料噴射弁の噴射量が同じ場合、また高圧燃料ポンプの吐出タイミングと、燃料噴射弁の噴射量タイミングが同期している場合である。前記タイミングが同期しない場合、上記高圧配管側の燃料圧力はΔＰｄ１は増加する。本実施例の高圧燃料ポンプの場合は、前記プランジャ５が下死点から上死点へ移動（工程容積Ｖth）することで、高圧配管内圧力はΔＰｄ１上昇するが、一度高圧配管内へ吐出された燃料の内、不必要な燃料は、プランジャ５が上死点から下死点へ移動する際、前記リターンスプリング７ｃにより開弁保持された吐出弁７を介して加圧室１ｃへと逆流する。よって逆流する際に、逆流容積（Ｖｒ）分、高圧配管内圧力は降下（ΔＰdr）する。即ち、本実施例における高圧配管側圧力脈動（ΔＰｄ）は、加圧工程で発生する圧力上昇（ΔＰｄ１）と、高圧燃料が加圧室１ｃへと逆流する際の圧力降下（ΔＰｒ）と、燃料噴射弁が噴射する際の圧力降下（ΔＰinj）からΔＰｄ＝ΔＰｄ１＝ΔＰｒ＋ΔＰinjとなる。よって、本実施例における高圧配管側の圧力脈動は、ΔＰｒ分従来の方式よりも大きくなるポテンシャルを有しているため、高圧燃料ポンプの吐出タイミングと燃料噴射弁の噴射タイミングを合せる、エンジンの気筒数と高圧燃料ポンプを駆動するカムの山数を合せる等の脈動低減策を組み合わせることが望ましい。即ち、理想的には、加圧工程で吐出される燃料容積（Ｖｄ），加圧室１ｃへの逆流容積（Ｖｒ），燃料噴射弁の噴射量（Ｖｉ）の関係はＶｄ＝Ｖｒ＋Ｖｉであることが高圧配管側の圧力脈動を抑えるためには有効である。

次に、本実施例を適用した場合の製造上の利点を説明する。本実施例によれば、前記吸入弁４を電磁弁にする必要はなく簡便な構成要素、即ち、弁体４ａをスプリング４ｂによりシート４ｃに押し付けるだけで構成できる。従って、前記ポンプボディ１に形成される前記吐出弁７取り付け孔１ｅ、或いは前記シリンダ６取り付け孔（プランジャ５の同軸上）１ｆの同軸上に、前記吸入弁４の取り付け孔１ｇを形成することが可能となる。特に、前記ダンパ室１ａａと前記加圧室１ｃを連通する位置に前記吸入弁４の取り付け孔１ｇを形成することで加工時間を低減することが可能となるばかりではなく、小型化にも寄与する。この際、前記シリンダ６取り付け孔（プランジャ５の同軸上）１ｆの同軸上に、前記吸入弁４を配置する場合は、前記ダンパ室１ａａを形成する部材に直接吸入ジョイント２を取り付けることが、前記ポンプボディ１の加工時間を低減する上で有利となる。また本実施例の場合、図３に示すよう吐出ジョイントは吐出弁７と同軸に配置していなくても成立する。さらに、従来の方式のように高圧配管側の異常昇圧を防ぐ目的でリリーフ弁を設定した燃料システムでも適用可能である。合せて、吸入弁の開閉タイミングを変えて流量制御を行う方式の高圧燃料ポンプでも成立する。本実施例によれば、従来のリリーフ弁を高圧ポンプ内部或いは、コモンレールに配置した方式のものより、特に高回転側の流量低下、即ちリリーフ弁からの洩れはなく、高効率での吐出が可能となる。

本実施例によれば以下のような従来の技術問題点をも解消することができる。

特開平１０−３３９２３１号公報のように、複数個のプランジャを有する多筒式高圧燃料ポンプに安全弁を組み込み、安全弁の出口を吸入流路に接続する方式においては、複数個のプランジャが代わる代わる燃料を高圧吐出するので、高圧燃料ポンプ内の吐出流路部で発生する圧力脈動は、比較的小さい。したがって、内燃機関が正常動作を行っている限りにおいては、吐出流路内の圧力脈動により、安全弁の入口・出口の圧力差が開弁圧力以上に上昇することは無く、安全弁が開くことはない。

しかし、多筒式高圧燃料ポンプは、プランジャ等の部品点数が多く構造も複雑となり、さらには組立て性を考えると、コスト上不利である。そこで、特開２００３−３４３３９５号公報のように１個のプランジャのみで高圧吐出を行う単筒式高圧燃料ポンプに、多筒式高圧燃料ポンプの場合と同じように安全弁を組み込み、安全弁の出口側を吸入流路に接続した。ところが、１個のプランジャのみで燃料の加圧室への吸入，吐出流路への吐出を行わなくてはならず、多筒式高圧燃料ポンプに比べて単筒式高圧燃料ポンプは高圧燃料ポンプ内の吐出流路で発生する圧力脈動が非常に大きくなる。結果として、吐出流路内の圧力上昇により、安全弁の入口・出口の圧力差が開弁圧以上になってしまい、安全弁は本来ならば開弁してはならない領域において開弁してしまう。この安全弁の誤動作は、高圧燃料ポンプとしての吐出量の低下，エネルギー効率の低下を招いてしまうという問題があった。

また、単筒式高圧燃料ポンプに安全弁を設ける構造のなかでも、吸入弁の開閉時期をソレノイドで制御し、ソレノイドの通電が遮断されている際にスプリングにより吸入弁が閉弁する方式のものでは、断線などによりソレノイドが作動しなくなると常に全量吐出状態となり、吐出側圧力は制御されないまま上昇することとなる。この際の圧力上昇を規定値内に抑えるためには、安全弁の流量増に伴う圧力上昇を抑える必要があるが、ばねによって弁体を座面に押し付ける方式のものでは、流量増に伴って弁体前後の差圧が上昇することは避けられず、上記圧力上昇を避けることは困難である。

さらに、従来の燃料系システムでは吐出側圧力は安全弁により上限を制限することは可能であったが、安全弁の開弁圧以下の圧力領域で圧力を低下させたいとき（噴射弁から燃焼室への燃料漏れを抑えたいとき等）は、意図的に開閉弁可能な電子制御式の安全弁を設ける必要があり、システムコストが高くなるという問題があった。

本実施例では、吐出弁部にソレノイドを設け、吐出弁の弁体挙動をソレノイドに送られる制御信号により制御し、且つソレノイドの通電が遮断された際には、スプリング力等により吐出弁を開弁する構造としている。このため吐出弁下流側の異常昇圧を防ぐ際、或いは吐出弁下流側の減圧が必要な際はソレノイドの電流を遮断、或いは部分的に遮断し吐出弁を開弁状態に維持することで達成する。

このように構成した実施例によれば、従来、燃料噴射弁の故障等により異常高圧が発生した場合、或いは断線等によりソレノイドが制御不能となった場合でも、吐出弁は開弁状態を維持することが出来るため、プランジャの上昇工程で吐出弁を介して高圧配管側へ吐出（昇圧）された燃料は、プランジャの下降工程で加圧室へ逆流する。即ち、加圧室内の圧力と、吸入弁上流側圧力の差圧が、吸入弁の開弁圧を上回るまでは、新たに吸入弁から加圧室へ導入される燃料はなく、高圧燃料ポンプが稼動し続けていても高圧配管側の圧力が上昇することはない。よって、高圧配管側の異常昇圧を防ぐことが可能となる。また、意図的にソレノイドでの通電を遮断、或いは通電時間を短くすることで、加圧室へ逆流した燃料はプランジャとシリンダの隙間を介して低圧側（吸入弁上流側）に開放される。即ち、吐出弁の開弁状態を維持することで、吐出弁を介して加圧室と連通した高圧配管側圧力の減圧制御も可能となる。本発明によれば、吐出弁に安全弁機能を持たせることが出来るため構造が簡単となり、ポンプの小型化，低コスト化に寄与し、且つ吐出側の減圧制御も可能なことから、低エミッションエンジンに好適な高圧燃料ポンプを得ることが出来る。

本発明が実施される高圧燃料ポンプの第一の断面図を示す。 本発明が実施される高圧燃料ポンプの第二の断面図を示す。 本発明が実施される高圧燃料ポンプの吐出ジョイント位置別案を示す。 本発明が実施される燃料系システム図を示す。 従来の方式の燃圧挙動説明図を示す。 本発明が実施される高圧燃料ポンプの燃圧挙動説明図を示す。 本発明が実施された場合の効果を示す流量特性説明図を示す。

符号の説明

１ ポンプボディ
１ｃ 加圧室
２ 吸入ジョイント
３ ダンパ
４ 吸入弁
５ プランジャ
６ シリンダ
７ 吐出弁
７ａ 弁体
７ａ１ プランジャーロッド
７ｂ シート
７ｃ リターンスプリング
７ｄ ソレノイド
８ 吐出ジョイント
８ａ１，８１ シール部
８ａ２ 吐出通路
８ａ３ 電磁可動コア
８ａ４ ストッパ

Claims (8)

1. 往復運動するプランジャ、
   当該プランジャを往復動自在に摺動保持するシリンダと、
   前記プランジャが往復動することで容積が変化する加圧室と、
   前記加圧室へ燃料を吸入する吸入流路、
   前記加圧室から前記燃料を吐出する吐出流路、
   前記吸入流路に設けた吸入弁、
   前記吐出流路に設けた吐出弁、
   制御装置からの信号に基づいて前記吐出弁の弁体の動きを制御する電磁ソレノイド機構を備えたものにおいて、
   前記ソレノイドの通電が遮断されている際、前記吐出弁の弁体はスプリングにより開弁位置にあり、吐出通路を開放しており、
   前記ソレノイドの通電が遮断されていて前記吐出弁が開弁している間に、前記プランジャが上死点から下死点に移動する状態においては、前記吐出流路から前記加圧室に高圧燃料の一部が逆流するよう構成されている高圧燃料ポンプ。
2. 請求項１の高圧燃料ポンプにおいて
   前記ソレノイドにより、前記吐出弁の閉弁時期を制御することで流量制御を行うことを特徴とする請求項１の高圧燃料ポンプ。
3. 請求項１または２の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記ソレノイドの通電が遮断されている際、前記吐出弁の弁体はスプリングにより開弁 しており、この状態で前記プランジャが前記加圧室の下死点に向かって移動するときは、前記吐出流路から前記加圧室に高圧燃料の逆流を許容し、前記ソレノイドが通電されて前記吐出弁が閉弁された後に前記プランジャが前記加圧室の下死点に向かって移動するときは、前記吸入流路から燃料を吸入するよう構成されている高圧燃料ポンプ。
4. 請求項１または２の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記ソレノイドが通電されて前記吐出弁が閉弁する際、前記スプリングの力に抗する前記電磁ソレノイド機構の電磁力と前記逆流する高圧燃料の流体力により前記弁体はシート方向へ移動し、前記吐出弁の弁体前後の差圧で前記弁体が前記シートに押し付けられるよう構成した高圧燃料ポンプ。
5. 請求項１または２の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記吐出流路を形成すると共に、高圧配管を結合するための吐出ジョイントを有し、
   前記吐出ジョイントの同軸円周上に、前記ソレノイドのコイルが配置されており、当該コイルの内側に高圧燃料通路が形成されている高圧燃料ポンプ。
6. 請求項１または２の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記吸入弁と、前記吐出弁が同軸上に配置されたことを特徴とする高圧燃料ポンプ。
7. 請求項１または２の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記吸入弁と、前記プランジャが同軸上に配置されたことを特徴とする高圧燃料ポンプ。
8. 請求項５に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
   前記ソレノイドによって操作されるプランジャロッドが前記コイルの中心軸上に配置されており、その先端に前記吐出弁が設けられている高圧燃料ポンプ。

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