JP5017233B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は筒内噴射型内燃機関の燃料噴射弁に高圧燃料を供給する高圧燃料供給ポンプに関する。

本発明が対象とする高圧燃料ポンプはシリンダに滑合するプランジャを備え、当該プランジャの先端が加圧室内で往復動することで、吸入弁機構から加圧室に導入された燃料を圧縮加圧して吐出弁機構から吐出させる。

この種高圧燃料供給ポンプはポンプボディに加圧室が形成され、当該加圧室にシリンダの先端部が突出するタイプ（例えば国際公開ＷＯ００／４７８８８号パンフレットや国際公開ＷＯ０２／０５５８８１号パンフレットに記載されるもの）や、シリンダ内に加圧室が形成されるタイプ（例えば特開２００３−４９７４３号公報や特開２００１−２９５７７０号公報等に記載されるもの）が知られている。

国際公開ＷＯ０２／０５５８８１号パンフレット 特開２００１−２９５７７０号公報 特開２００３−４９７４３号公報 国際公開ＷＯ００／４７８８８号パンフレット

この種高圧燃料供給ポンプでは、燃料の高圧，大容量化が進んで、例えば常時１００ヘルツ（Ｈｚ）程度の高速（現在ではエンジンが１分間に６０００回転する高速回転領域でのみ遭遇する条件）で往復運動させる場合、シリンダとプランジャの滑合面部の摺動による発熱によって両者の滑合面部に潤滑剤として供給される加圧燃料が欠乏し、その結果半径方向に作用するわずかな応力の発生によって両者の滑合面が焼きついたり、噛付いたりする問題が発生する可能性がある。

焼付きのメカニズムについては種々学説があるが、滑合面の温度を降下させることが、焼付きを防止する手段の一つであることは既に知られているが、シリンダおよびプランジャの滑合部の中で特に発熱が大きいシリンダの下部（低圧燃料室側端部）においては、特に流体が滞留した状態となるためにシリンダを冷却し難いという問題がある。

本発明の目的は、シリンダとプランジャの滑合面部の潤滑性が高く、堅牢なこの種高圧燃料供給ポンプを提供することにある。

本発明では上記目的を達成するために、シリンダとポンプボディとは別部材で形成し、プランジャには、加圧室とは反対側の外周部にシリンダと滑合する部分の直径よりも径の小さな段付き部を形成し、低圧燃料室内で往復動するプランジャのこの段付き部によって低圧燃料室の体積を増減させ、低圧燃料室内と低圧燃料通路との間で燃料の流動を発生させ、この燃料の流動がシリンダを直接若しくは間接的に冷却するように構成した。

このように構成した本発明によれば、ポンプ内の積極的な流体の流れを利用してシリンダを冷却することが可能となった。

流体の流れは、プランジャの動きに対応して生じるので、プランジャの動きが遅い、すなわち発熱量が小さい作動状態では、冷却流体の流れは少なく、プランジャの動きが速い、すなわち発熱量が大きい作動状態では冷却流体の流れが大きくなる。

その結果シリンダを効率良く冷却することが可能となり、堅牢な高圧燃料ポンプが得られた。

本発明が適用される実施例は以下の基本的構成を有する。

ポンプボディ１に組合されたシリンダ６と、シリンダ６に滑合して往復動するプランジャ２と、ポンプボディ１とシリンダ６とで画成されると共に、プランジャ２の一端部２ａが出入りする加圧室１１と、プランジャ２の他端部２ｂが出入りすると共に、低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）に連通する低圧燃料室１０ｇとを備え、プランジャ２は、低圧燃料室１０ｇに出入りする部分の外周部に、シリンダ６と滑合する部分よりも直径が小さい段付き部（２ａ，２ｂ）を有し、低圧燃料室１０ｇの体積がプランジャ２の段付き部（２ａ，２ｂ）の出入りによって増減することで低圧燃料室１０ｇに低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）から燃料が流入し、低圧燃料室１０ｇから低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）に燃料が流出するように構成されており、シリンダ６の低圧燃料室１０ｇ側端部が低圧燃料室１０ｇと低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）との間に形成される燃料の流動に晒されるように構成されている。

好適には、低圧燃料室１０ｇと低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）との間の燃料流動が、シリンダ６に設けた孔若しくは溝１０ｆを通る。

好適には、低圧燃料室１０ｇと低圧燃料通路（１０ｃ，１０ｄ）との間の燃料流動が、シリンダ６を取り囲む部材の何れか（ポンプボディ１あるいはシリンダホルダ７）に設けた孔若しくは溝（１０ｆ）を通る。

好適には、シリンダ６に設けた孔若しくは溝１０ｆが複数本設けられている。

好適には、シリンダ６を取り囲む部材の何れか（ポンプボディ１あるいはシリンダホルダ７）に設けた孔若しくは溝（１０ｆ）が複数本設けられている。

好適には、シリンダ６に設けた複数本の孔若しくは溝１０ｆが、プランジャ２の中心軸に対して対称、もしくは周方向に等間隔に設けられている。

好適には、シリンダ６を取り囲む部材の何れか（ポンプボディ１あるいはシリンダホルダ７）に設けた複数本の孔若しくは溝（１０ｆ）が、前記プランジャの中心軸に対して対称、もしくは周方向に等間隔に設けられている。

以下図面基づき本発明のいくつかの実施例を詳細に説明する。

図１乃至図１５に基づき本発明の第１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縦断面図である。図１５は図１の高圧燃料ポンプを用いた燃料供給システムを示す図面である。

燃料タンク２０から低圧フィードポンプ２１によって吸い上げられた燃料は、吸入配管２８を通して高圧燃料ポンプ１００の燃料吸入口１０ａに導かれる。低圧フィードポンプ２１は低圧配管内２８の圧力が所望の圧力になるようエンジンコントロールユニット２７（以後ＥＣＵと略称する）の信号２７Ｄによって吐出量が制御される。

燃料吸入口１０ａに導かれた燃料は金属ダンパ９の設置されたダンパ室１４（後述する）、吸入通路１０ｃを通って低圧室１０ｄへ導かれる。

ポンプボディ１には加圧室１１が設けられ、加圧室１１と低圧室１０ｄとの間には、吸入弁３１および協働して燃料の吸入遮断を制御するシート３２が設けられている。

ばね３３でシート３２に着座する方向に付勢されている吸入弁３１は、電磁駆動機構３０Ａによってこのばねに抗してシート３２から離れる方向に向かって押し出される。この吸入弁３１，シート３２，ばね３３，電磁駆動機構３０Ａによって電磁駆動型吸入弁３０が構成される。

カム５の回転によるプランジャ２の下降に伴い、加圧室１１の圧力が下がるために吸入弁体３１は前後の圧力差によりばね３３の付勢力に打ち勝ち開弁し、燃料が加圧室１１内に流入する。この燃料の流入工程中に、電磁駆動型吸入弁３０に電流が与えられ開弁状態を強固にする。その後カム５が回転して、プランジャ２が上昇に転じた後の特定のタイミングで電磁駆動型吸入弁３０が吸入弁３１を閉じると、吸入された燃料は加圧室１１内で上昇するプランジャ２によって高圧に加圧され、燃料吐出口１２から高圧配管２９を通り、絞り２５を経てコモンレール２３に圧送される。

コモンレール２３には圧力センサ２６が装着されており、ＥＣＵ２７はこの圧力センサ２６の出力を監視することで、コモンレール内の圧力変化を検出する。コモンレール２３には内燃機関の各気筒に取り付けられたインジェクタ２４が接続されており、ＥＣＵ２７からの駆動信号によってインジェクタ２４は各シリンダが要求する量の燃料をシリンダ内に直接噴射する。

２７Ａは電磁駆動機構３０Ａに駆動電流を送る電力線、２７Ｂは圧力センサ２６の検出信号をＥＣＵに伝える信号線、２７Ｃは燃料噴射弁２４に駆動電流を送る電力線である。

図１に示す本実施例になる高圧燃料ポンプ１００は、図６の破線１００で囲まれた構成部品をすべて備えている。

ポンプボディ１には加圧室１１を形成する筒状凹所が形成されており、この筒状凹所に先端が突出するようにしてポンプボディ１に固定されるシリンダ６と共に加圧室１１を形成している。シリンダ６にはプランジャ２が摺動可能に収容され加圧機構を構成している。シリンダ６の外周部とポンプボディ１との金属接触部が内部の燃料に対して金属シール部として機能する結果、加圧室１１内で往復動するプランジャ２と上述した電磁駆動型吸入弁３０、およびシート８ａ，吐出弁８ｂ，付勢ばね８ｃからなる吐出弁機構８が協働して、加圧室内部の燃料を２０メガパスカル（ＭＰａ）程度あるいは必要ならばそれ以上まで加圧することができる。

金属ダンパ９は低圧側の燃料通路内に装着され、低圧側の燃料通路内に発生する燃料の脈動を低減する機能を有する。

低圧側の燃料通路内に発生する燃料の脈動は、燃料の吐出量を制御するために、吸入弁３１を開いたままでプランジャ２を上昇させることで、加圧室内に一端導入された燃料が低圧室１０ｄに逆流（溢流とも言う）する際に発生する。

電磁駆動型吸入弁３０は吐出燃料量の制御機能も備えている。具体的には、カム５が回転してプランジャ２がスプリング４の力で下降状態、つまりシリンダ６内に引き込まれる状態になると、ばね３３によってシート３２に引き付けられて閉弁状態の吸入弁３１の低圧室１０ｄ側の圧力（フィードポンプ２１のフィード圧で、１.５ないし２気圧：０.１５乃至０.２Ｍｐａ）と加圧室１１側の圧力との差圧が変化してやがて吸入弁３１を開く方向に作用する力の方が大きくなり、ばね３３の力に抗して、吸入弁３１はシート３２から離れ、開弁する。つまり、吸入弁３１は流体差圧による開弁力により、ばね３３の付勢力に打ち勝って、開弁できるように設定されている。吸入弁３２が開弁すると低圧燃料が加圧室１１内に導入される。この状態を吸入行程と呼ぶ。

カム５がさらに回転してプランジャ２が上昇に転じるまでに、電磁駆動機構３０Ａに電流を供給すると電磁プランジャ３０Ｂが吸入弁３１の開弁を維持する方向に電磁力を受けてばね３３を一層圧縮する。

かくして、カム５がさらに回転してプランジャ２が上昇しても吸入弁３１は開いたままの状態となり、燃料は低圧室へ逆流、つまり戻される（溢流とも呼ぶ）。この行程を戻し行程（あるいは溢流行程）と称す。

この時、吸入通路１０ｃへ戻された燃料により低圧通路１０には圧力脈動が発生する。この圧力脈動は金属ダンパ９が膨張・収縮することで吸収低減される。

電磁駆動機構３０Ａに供給されている電流が遮断されるとその時点で電磁プランジャ３０Ｂがばね３３の付勢力と吸入弁３１に作用する流体の力によって吸入弁３１がすばやく閉弁する。そして、この時点から、プランジャ２による燃料の圧縮作用が始まり、吐出弁８ｂを閉弁方向に付勢するばね８ｃの力より燃料の圧力のほうが高くなった時点で燃料は吐出弁８ｂを開弁してポンプ１００の吐出口１２へ吐出される。この行程を吐出行程と称す。結果的に、プランジャの圧縮行程は、戻し行程と吐出行程とからなる。

そして、電磁駆動型吸入弁３０への通電を解除するタイミングを制御することで、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。通電を解除するタイミングを早くすれば、圧縮行程（上昇行程）中の、戻し行程の割合が小さくなり、吐出行程の割合が大きくなる。すなわち、低圧室１０ｄに戻される燃料の量が少なく、加圧されて吐出される燃料の量が多くなる。一方通電を解除するタイミングを遅くすれば、圧縮行程（上昇行程）中の、戻し行程の割合が大きくなり、吐出行程の割合が小さくなる。すなわち、低圧室１０ｄに戻される燃料の量が多く、加圧されて吐出される燃料の量が少なくなる。通電を解除するタイミング、すなわち燃料の吐出量は、機関の運転状態に応じてＥＣＵ２７によって決定され、制御される。

ポンプボディ１には、加圧室１１を形成する筒状凹所の外側に低圧通路１０の一部である円筒状の通路１０ｂが形成されており、この通路１０ｂは円形の開口を備えている。円形の開口は、内部ダンパカバー１４によって封止され、その内部には２つの金属ダンパ９は設けられている。

かくして、ポンプボディ１に形成された燃料導入開口１０ａ，金属ダンパ９が設けられた円筒状の通路１０ｂ，低圧室１０ｄと連通する吸入通路１０ｃを介して燃料は導入される。

電磁駆動型吸入弁３０はポンプボディ１と溶接により固定され、吸入弁３１は加圧室１１の入り口部に設置され、吸入弁シート部３２を基準に加圧室１１と反対側に吸入通路１０Ｃが連通する。

ポンプボディ１にはさらに、加圧室１１を形成する筒状凹所に連通する吐出弁機構８取り付け用の横型筒状凹所が形成されている。この凹所は、電磁駆動型吸入弁３０取り付け用の横型筒状凹所側から吐出弁機構８が挿入できるように、吐出弁機構８取り付け用の横型筒状凹所の直径より直径が小さく設計されている。

吐出弁機構８をこの直径の小さい横型筒状凹所に圧入固定した後、加圧室１１を形成する筒状凹所の内部上端に筒状の金属リングを圧入固定し、その外周の一部が先に固定した吐出弁機構８の加圧室側端部に対向するようにして、吐出弁機構８の抜け止めの機能と、加圧室の容積を少なくして、圧縮効率を高める機能とを持たせている。

次にシリンダ６をその先端が加圧室１１を形成する筒状凹所に突出するように、ポンプボディ１の筒状凹所に挿入し、シリンダ６の外周に形成した環状のシール面が筒状凹所の開口部周囲に形成されたシール面に当接するようにして取り付ける。

具体的にはシリンダホルダ７の外周にシールリング７Ａを取り付け、次にプランジャ２の表面に摺動接触する環状のガソリンシールとオイルシールが軸方向に所定の距離を隔てて装着されたシール機構１３をシリンダホルダ７の内部に装着し、プランジャ２の下端側をこのシール機構１３に挿通する。次にプランジャ２の先端をシリンダに挿通しながら当該シリンダホルダ７をシリンダ６の下端外周とその周囲に突出するポンプボディ１の筒状スリーブ１Ｓの内周との間に装着する。

このとき、シリンダホルダ７内周の段付き部がシリンダの下端部に当接するようその直径が設定されている。

さらに、筒状スリーブ１Ｓの外周に刻設されたねじに螺合するねじを内周に備えた締付けホルダ４０の内周段付き部をシリンダホルダ７の外周段付き部に当接させて、締付けホルダ４０を筒状スリーブ１Ｓにねじ込むことでシリンダホルダ７をシリンダ６の下端に押付け、さらにはシリンダ６外周段付き部のシール面をポンプボディ１の下端シール面に押付けることで加圧室をシールする。

エンジンへポンプを固定するための取り付け金具４１を締付けホルダ４０とポンプボディ１の間に共締めしポンプを固定する。

高圧燃料ポンプ１００のエンジンへの装着は、シリンダホルダ７の下端に一端が当接するスプリング４の他端をプランジャの下端に取り付けたばね受け１５によって保持し、このばね受けにリフタ３を被せる。次にリフタ３の外周をガイドにして、エンジンヘッドの取り付け穴にプランジャ２の下端部分をリフタ３がカム５に接する位置まで挿入し、締付けホルダ４０の外周に設けたシールリングで締付けホルダ４０の外周と取り付け穴の内周面との間をシールする。最後に取り付け金具４１をねじ４２でエンジンにねじ止めして、締付けホルダ４０をエンジンの表面に押付けて固定する。

プランジャ２は、加圧室１１の内部で往復運動して、燃料を加圧室１１に吸入し、加圧室１１から低圧室１０ｄに溢流させ、燃料を加圧室内で加圧し、加圧した燃料を吐出する所謂ポンプ機能を果たす。

加圧室１１から、プランジャ２とシリンダ６との隙間を通って漏れる燃料（ブローバイ燃料と呼ぶ）は、シール機構１３とシリンダ６の下端との間に形成されたシール室１０ｇへ至る。シール室１０ｆは、シリンダ６の外周に刻設された縦溝１０ｆ，ポンプボディ１の内周面とシリンダ６の外周面とシリンダホルダ７およびシールリング７Ａとで囲まれたシリンダホルダ７の外周を一周する環状の空間１０ｅ，ポンプボディ１に貫通形成された戻し通路１０ｄを通して吸入通路１０ｃと連通している。これによって燃料溜り１０ｇの圧力が、ブローバイ燃料によって異常に上昇し、シール機構に悪影響を及ぼすのを防止することができる。

また、プランジャ２の下端部外周に設けたシール機構１３は、燃料が外部に漏れるのを防止すると同時にカム５とリフタ３、リフタ３とプランジャ２の接触部を潤滑する潤滑油が加圧室１１や低圧室１０ｄなどの燃料通路に流入するのを防止している。

また、コモンレール２３が異常な高圧になることを防ぐリリーフ機構２００がポンプボディ１に設けられている。リリーフ機構２００はリリーフ弁シート２０１，リリーフ弁２０２，リリーフ押さえ２０３，リリーフばね２０４から構成され、吐出弁機構８の下流と吐出口１２との間の高圧通路から分岐して吸入通路１０ｃに至るリリーフ通路内２１０，２１１の中に配置されている。コモンレール２３を含む高圧燃料通路の圧力が異常高圧になろうとするとリリーフ弁２０１にその圧力が伝わり、リリーフ弁２０１がリリーフばね２０４の力に抗してリリーフ弁シート２０１から離れ、異常高圧を吸入通路に逃がすことで、高圧配管２９やコモンレール２３の損傷を防ぐ。なお、絞り２１４を介して異常高圧が伝わるように構成しているので、吐出時に発生する極短期間の高圧状態ではリリーフ弁２０２は開かない。これによって誤動作が防止される。

ここで、プランジャ２が大径部と小径部とを有することについて説明する。プランジャ２はシリンダ６と摺動する大径部２ａと、プランジャシール１３と摺動する小径部２ｂからなる。小径部２ｂの直径は大径部２ａの直径より小さく設定されており、互いに同軸に設定されている。本実施例の場合、大径部２ａの直径は１０mm、小径部２ｂの直径は６mmに設定されている。このようにプランジャに大径部と小径部とを設けることにより、次のような幾つかの長所がある。一つは低圧側圧力の脈動低減である。プランジャの上下運動に伴って発生する脈動の内、電磁駆動型吸入弁３０より上流側に発生する圧力脈動を低減することが出来る。この電磁駆動型吸入弁３０より上流側に発生する圧力脈動は、ノイズの原因にもなり得ること、フィードポンプ２１の耐久性を悪化させること、低圧配管２８自体の耐久性を悪化させること等、各種性能への悪化要因である。二つ目の長所はプランジャシール１３を小型にできることである。小型化故の長所は、プランジャとの燃料シール長が短くなるため、シールからの漏れ量をより低減できること、プランジャとの摩擦熱を低減できること、軽量化，安価等の長所がある。

以下、一つ目の長所である、プランジャ２を大径部２ａと小径部２ｂにより構成することで低圧側の圧力脈動を低減するメカニズムについて、図３，図４，図５，図６を用いて説明する。

図３は、ポンプが一往復する時の工程と、電磁吸入弁であるソレノイドの動きとを簡単に説明する、横軸を時間としたダイアグラムである。

［吸入工程］
時刻ＴＴにおいて、プランジャ２は上死点、すなわち加圧室の容積が最も小さい状態、かつシール室の体積は最も大きい状態にある。カムの回転に伴い、スプリング４の圧縮半力によって、プランジャ２は下降を始める。プランジャ２が下降を始めると、加圧室１１の容積の増大により、加圧室１１の圧力は減少し、電磁駆動型吸入弁３０内の圧力との差によって、吸入弁体３１はスプリング３３の付勢力に打ち勝って開弁する。この吸入工程において、加圧室１１に流入する燃料は、吸入口１０ａからのものだけでなく、プランジャ２の動きによるシール室１０ｇの体積減少分による燃料も含まれる。プランジャ２の大径部の直径をφｄ₁、小径部の直径をφｄ₂、プランジャの移動速度をｖｐとすると、加圧室に流入する燃料＝φｄ₁ ²×ｖｐのうち、（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×ｖｐの燃料が、燃料通路１０ｄを通過して流入し、φｄ₂ ²／φｄ₁ ²×ｖｐの燃料が吸入口１０ａから流入する。本実施例では、大径部が１０mm、小径部が６mmのため、（１００−３６）／１００×ｖｐ＝６４／１００×ｖｐの流量がシール室１０ｇから、３６／１００×ｖｐの燃料が吸入口１０ａから流入することになる。

次の戻し工程，吐出工程に備え、時刻Ｔ１においてＥＣＵ側から、電磁駆動型吸入弁３０に電流が送られ、その電流がソレノイド３０ｂにより吸入弁３１を開弁する側に力を付勢し、開弁状態を強固にする。

［戻し工程］
時刻ＴＢにおいて、プランジャ２は下死点、すなわち加圧室１１の容積が最も大きい状態、かつシール室１０ｇの体積は最も小さい状態にある。カム５の回転に伴い、プランジャ２は上昇を始める。プランジャ２が上昇を始めると、加圧室１１の容積の減少に伴い、加圧室１１の燃料は吸入工程と全く逆の方向に移動をする。すなわち加圧室の燃料は、吸入口１０ａに戻されるだけでなく、プランジャの動きによるシール室１０ｇの体積減少分により、燃料通路１０ｄを通って、シール室１０ｇにも戻される。

吸入工程と同じ考えで、プランジャ２の大径部の直径をφｄ₁、小径部の直径をφｄ₂、とすると、加圧室１１から流出する燃料＝φｄ₁ ²×ｖｐのうち、（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×ｖｐの燃料が、燃料通路１０ｄを通過してシール室１１ｇに戻り、φｄ₂ ²／φｄ₁ ²×ｖｐの燃料が吸入口１０ａへ戻される。本実施例では大径部が１０mm、小径部が６mmのため、（１００−３６）／１００×ｖｐ＝６４／１００×ｖｐの割合の流量がシール室１０ｇへ、３６／１００×ｖｐの燃料が吸入口１０ａへ戻されることになる。

［吐出工程］
ＥＣＵ２７において、所望の吐出流量を得られるべく、時刻Ｔ２が計算され、時刻Ｔ２に電磁駆動型吸入弁３０に与えられる電流は遮断される。時刻Ｔ２まで電磁力によって付勢され開弁していた吸入弁体３１は、スプリング３３の圧縮反力と、吸入弁体３１とシート３２とを通過する流体の力とによって閉弁を開始する。完全に閉弁を終了した後、加圧室内はプランジャの上昇による加圧室内体積の減少により圧力が上昇し、吐出弁８ａを押し出し吐出工程となる。吐出工程は、プランジャ２が上死点となるまで継続する。

この吐出工程において、シール室１０ｇの体積は増大する。このシール室１０ｇの体積の増大に伴い、燃料が吐出口１０ａからシール室１０ｇに流入する。吐出流量は、φｄ₁ ²×ｖｐであり、一方このシール室１０ｇへ流入する流量は、（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×ｖｐの流量が流入する。本実施例では、大径部が１０mm、小径部が６mmのため、（１００−３６）／１００×ｖｐ＝６４／１００×ｖｐの流量が吐出口１０ａからシール室へ流入する。

ここで、注目すべきは、吸入工程，戻し工程，吐出工程の、いかなる工程においても、すなわち、ポンプが作動している全ての状態で、通路１０ｄには、（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×ｖｐの流量が流れていることである（図１３参照）。本実施例では、大径部が１０mm、小径部が６mmのため、（１００−３６）／１００×ｖｐ＝６４／１００×ｖｐの流量が、すべての工程でどちらかの方向に流れを持っている。

本発明の実施例の特徴は、この通路１０ｄに流れる、（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×ｖｐの流量を、ポンプの摺動部であるプランジャとシリンダとに発生する摩擦熱を奪うために利用することである。

摩擦熱を奪う冷却機能の説明の前に、この低圧通路１０ｄの、通路としての必要な面積について説明する。

本低圧通路１０ｄには、上に説明した如く、常に多量の燃料が流れることになる。そのため、通路面積が小さいと、シール室１０ｇの燃圧脈動が増大する問題が起こる。シール室１０ｇの燃圧脈動の増大は、次のような問題を起こす。

１つは燃料が気化してしまう問題である。通常低圧通路系は０.４ＭＰａ（ゲージ圧）程度の圧力に制御されているが、燃圧脈動として例えば±０.４ＭＰａ程度の燃圧変化がある場合、小さい側は０ＭＰａと大気圧レベルの圧力となってしまう。この時、５０℃程度の温度で燃料が気化してしまうことになる。燃料の気化は、シリンダ６とプランジャ２間の摺動に必要な燃料の油膜形勢を妨げ、潤滑不良の問題となる。

また、この気化した燃料が一部液化しながら電磁駆動型吸入弁３０まで到達する場合、急激な体積変化により吐出流量制御が不安定になる問題も起こる。

また、この気化した燃料が気化したまま加圧室１１に到達した場合、十分な加圧ができなくなり、ポンプの性能を出すことができない。

気化は、燃料通路を構成する部品にキャビテーションによって壊食を引き起こす可能性もあり有害である。

２つは、プランジャシール１３が磨耗する問題である。また、燃圧脈動によりプランジャシール１３に加わる力の変動が増大することになり、プランジャシール１３とプランジャ２との摺動面圧が増大し磨耗を促進させることになる。

このような問題が起きぬよう、低圧通路１０ｄの面積を確保することが必要条件となる。本実施例では、シール室の燃圧脈動が０.１ＭＰａ以下となるよう面積を確保している。

低圧通路１０ｄについて、必要な面積を確保するためには、通路が一つでは部品構成上、スペースが確保し難い場合がある。また確保しようとすると部品を大型化する必要がある場合がある。ここで、通路を複数にする長所について述べる。本実施例では、シール室１０ｇから吸入通路１０ｃへの連通路として、一部を通路１０ｄとして、一部を複数通路である１０ｆとして構成した。低圧通路１０ｆを複数にすることにより、下記の長所がある。

一つはスペースを小さくできることである。必要な通路面積が決まっている場合、本実施例のように、ポンプ中心にあるプランジャ２の周囲に通路を形成する場合、一本の場合と比較し、一本の場合より小さい径の通路を二本，三本と構成した方がスペース上有利であり、ポンプ外径を小さく構成することができる。しかし、通路面積あたりの通路壁面の面積は増加し圧力損失も増加することを加味し合計面積を増加させる必要がある。

２つめの長所はプランジャ２に作用するサイドフォースの低減である。本シール室に流出入する流量は、比較的大きいために、シール室からの通路が一箇所のみ場合、シール室の通路が連通する箇所近傍の圧力脈動が大きくなる。すなわち、プランジャ２ｂを基準に考慮すると、プランジャ２ｂが囲まれている燃料のうち、プランジャ２ｂの、ある片方の燃料のみ、圧力が上昇し、反対側の燃料の圧力は減少する場合がる。この場合、プランジャ２ｂは片方に押し寄せられることになり、すなわちプランジャ２ａにサイドフォースが発生し、シリンダ６との摺動を悪化させる要因となる。

前記サイドフォースを低減するために、本シール室１０ｇから２箇所の低圧通路１０ｆを対称に構成することにより、多少の燃圧脈動が発生しようとも、プランジャ２ｂの、軸を通るある断面を考慮した場合、プランジャ２ｂの周囲で１８０度対向する位置の片方の側面と反対の側面との圧力差は比較的小さいと考えられる。

３つめの長所はシリンダの冷却効果が良くなることである。詳しくは後述するが、シリンダとの流体が接触する面が増加することで、冷却効果が良くなる。

ところで、シール室１０ｆの体積について説明する。一般的に容積が大きい方が、脈動が小さくなるために大きい方が良いことは言うまでもない。しかしスペース上の制約もあるため、本実施例では、１プランジャ動作工程の流出入流量（φｄ₁ ²−φｄ₂ ²）／φｄ₁ ²×１動作工程の動作距離の５倍以上の体積としている。

以下、加圧機構の動作とその課題をさらに詳細に説明する。図８，図９は加圧機構部の拡大図、図７はプランジャ２とシリンダ６との隙間を解り易くするために、意図的に大きく示した図であり、力の作用も示したものである。

プランジャ２の上昇行程において電磁駆動機構３０Ａの通電を断って、吸入弁３１を閉弁すると、加圧室１１内は、燃料の加圧行程に入る。加圧行程となると、加圧室１１内の燃料は急速に圧縮，加圧される。加圧室１１内が加圧され高圧になると、プランジャ２には、圧縮反力として、加圧室１１とリフタ３にはさまれる形で、プランジャ２の軸方向に力Ｆｐが作用する。外径φｄのプランジャ２は内径φＤのシリンダ６に対して、例えば１０μｍ程度の直径隙間（φＤ−φｄ）を有しているため、直径隙間分、プランジャ２はシリンダ６に対して傾かざるを得ない。プランジャ２の傾きは、前記圧縮反力の横力成分Ｆｐｓ１，Ｆｐｓ２を生じる。また、プランジャ２とリフタ３との接触点では、横力成分Ｆｐｓ３が作用する。プランジャ２の横力成分Ｆｐｓ１，Ｆｐｓ２はシリンダ６の内面およびプランジャ２の外面に負荷され、プランジャ２とシリンダ６との間の摺動面圧が上昇する。

燃料圧力がより高圧に設定されると、前記圧縮反力Ｆｐはより大きくなり、すなわち前記横力成分Ｆｐｓ１，Ｆｐｓ２も増加し、前記摺動面圧は増加する。前記摺動面圧の増加の問題点として、摺動部の油膜が確保できなくなり、摺動性が悪化するという問題がある。また、摺動面圧の増加により、プランジャ２とシリンダ６との相対運動による発生する摩擦熱が増加し、摺動部において、沸点が低く揮発性の高い燃料が気化し易くなり、燃料の気化は、油膜喪失の要因になり得るため、摺動性の悪化を加速させる。

プランジャに作用する横力成分Ｆｐｓ１，Ｆｐｓ２，Ｆｐｓ３は、力の釣り合いを考えた場合、
Ｆｐｓ２＝Ｆｐｓ１＋Ｆｐｓ３
であり、シリンダ上端部に作用する力Ｆｐｓ１よりも、シリンダ下端部に作用するＦｐｓ２の方が大きいことが分かる。すなわち、摩擦熱の最も発生する場所は、シリンダ下端部だと言える。

上記の摺動性悪化の問題を解決するために、本実施例では、最も摩擦熱の発生するシリンダ下端の部位に、積極的な流れ持つ流体を作用させ、摩擦熱の発生を低減する燃料通路を構成する。具体的には、摩擦熱の発生するシリンダの下端部外周部に溝１０ｆを設け、この溝１０ｆが通路１０ｄと連結するように通路を構成する。

プランジャ２とシリンダ６との摺動による摩擦熱は定量化することは困難である。しかし、プランジャ２とシリンダ６とが摺動することにより、ある条件で凝着するという事実があるということは、現に、凝着部近辺では、数百度の温度に達することは明らかである。一方、燃料の温度は通常の運転状態では、常に燃料タンク２０より外気温程度の温度の燃料がポンプへ送られてくるため、この数百度の温度よりは明らかに低い温度の燃料がポンプ内に存在することになる。また、本実施例での燃料はガソリンであり、シリンダ６下端部の燃料圧力０.４ＭＰａおける沸点、約１１０℃を考慮すると、高く想定してもポンプの性能が出ている点より、沸騰していないと考慮すると、１１０℃以下の燃料が存在している。

このように、燃料温度は明らかに、摩擦熱の発生しているプランジャ２とシリンダ６との温度より低いため、プランジャ２とシリンダ６との摺動による摩擦熱を奪うことができる。

図１２はシリンダ６に構成した溝６ａの拡大図と、発生した摩擦熱を奪う熱量Ｑの式である。

一般に、伝熱量Ｑは、シリンダ６の温度Ｔｂと燃料の温度Ｔａとの温度差に比例、流速の４／５乗に比例、溝幅に比例して増大する。

Ｑ＝ａ×ΣＢ×Ｖ^4/5×｜Ｔｂ−Ｔａ｜
ａ：定数、Ｂ：溝の幅（ΣＢ：各溝幅の合計）、Ｖ：流速、Ｔｂ：シリンダの温度、
Ｔａ：流体の温度
ここで重要なのは、摩擦熱の大きい、すなわちポンプの動作が速い条件下では、流体の速度が大きいために、流体の速度に比例（数式上厳密には４／５乗に比例）したエネルギを奪うことができることである（図１４参照）。本発明では、プランジャが、大径部小径部を持つことにより発生する積極的な流体の流れを冷却に利用するものである。このような一般的な伝熱式でも分かるように、流体の速度が熱量を奪うことが明らかである。

溝の幅Ｂについては、後述するが、伝熱上、幅が大きい方が望ましい。ところが、幅を大きくすると、通路面積が大きくなり、流速が減少するために伝熱の効果がほとんど見込まれなくなる。その場合は、通路面積自体は変化させることなく、溝幅を大きくすれば良い。すなわち、Ｂを大きくするが、高さＨを小さくすれば流速が減少することは無く、伝熱量を増大させることができる。

従来のプランジャが大径部，小径部を持たない構造のものでは、プランジャの作動によってシール室の体積変化が無いために、シリンダに本実施例のような通路を構成したところで流体の速度はほとんど無いために効果は少ない。

冷却効果を増加させるために、シリンダ６の溝１０ｆの数を増加させる方法がある（図１６，図１７）。前記（１）式のＢを増加させることで冷却熱量を増加させる。流速が落ちないよう、ｍ寸法を小さくすれば良い。このことで、冷却性能を向上させるばかりか、プランジャ周りの圧力分布が均一となり、プランジャに発生するサイドフォースが小さくなり、プランジャ２とシリンダ６との焼付きの防止を助ける。

図示しないが、シリンダ６自体に溝１０ｆを形成しなくとも良い。シリンダを包囲し支持するシリンダホルダ７に溝１０ｆを形成しても良い。摩擦熱を発生させる箇所から冷却面が遠ざかる場合もあるが、一般にシリンダ部材は剛性が高く、加工し難いため、シリンダを取り囲む部材に加工を施しても良い。加工が容易となるメリットがある。

本実施例では、シリンダに溝１０ｆを形成し、積極的に流体を発熱体であるシリンダに作用させ冷却降下を狙ったが、このような溝１０ｆを形成しなくとも、シリンダ下面に流体が流動するのであれば、シリンダ下面をフィン形状で構成し発熱体であるシリンダを冷却することも可能である。但し摩擦面近傍を通過させるよりは効果は小さい。

以上の実施例１乃至４に拠れば、シリンダに滑合するプランジャを高速で駆動しても滑合部が焼きついたり、噛付いたりしない高圧燃料ポンプを提供することができる。

流体を圧送するプランジャ式ポンプであれば、筒内噴射型内燃機関の高圧燃料ポンプばかりでなく、水ポンプ，油圧ポンプ，ディーゼル車用のポンプ等にも適用が可能である。

高圧燃料ポンプの実施方法を示した説明図である。 高圧燃料ポンプの実施方法を示した説明図である。 高圧燃料ポンプの作動工程を示したグラフである。 各工程の高圧燃料ポンプ内燃料の流れを示した図である。 各工程の高圧燃料ポンプ内燃料の流れを示した図である。 各工程の高圧燃料ポンプ内燃料の流れを示した図である。 加圧機構部を拡大した説明図である。 冷却部を拡大した説明図である。 冷却部を拡大した説明図である。 冷却のための伝熱の式を示したものである。 シリンダの溝の拡大図と、溝通路の面積を表す投影図である。 シリンダの溝の拡大図と、溝通路の面積を表す投影図である。 吐出工程率における、冷却のための流量を示したグラフである。 高圧ポンプ回転数と、摩擦・冷却エネルギを示したグラフである。 高圧燃料ポンプを使用する燃料システムを示す図である。 シリンダの溝を増加させた場合の実施例を示す図である。 シリンダの溝を増加させた場合の実施例を示す図である。

符号の説明

１ ポンプボディ
２ プランジャ
３ リフタ
４ スプリング
５ カム
６ シリンダ
７ シリンダホルダ
８ 吐出弁機構
９ 金属ダンパ
１０ 低圧通路
１１ 加圧室
３０ 電磁駆動型吸入弁

Claims (2)

1. ポンプボディに組合されたシリンダと、
   シリンダに滑合して往復動するプランジャと、
   前記ポンプボディと前記シリンダとで画成されると共に、前記プランジャの一端部が出
   入りする加圧室と、
   前記プランジャの他端部が出入りすると共に、低圧燃料通路に連通する低圧燃料室とを
   備え、
   前記プランジャは、前記低圧燃料室に出入りする部分の外周部に、前記シリンダと滑合
   する部分よりも直径が小さい段付き部を有し、
   前記低圧燃料室の体積が前記プランジャの段付き部の出入りによって増減することで前
   記低圧燃料室に前記低圧燃料通路から燃料が流入し、当該低圧燃料室から前記低圧燃料通
   路に燃料が流出するように構成されており、
   前記シリンダの前記低圧燃料室側端部が当該低圧燃料室と前記低圧燃料通路との間に形
   成される燃料の流動に晒されるように構成されており、
   前記低圧燃料室と低圧通路との間の燃料流動が、前記シリンダに設けた孔若しくは溝を
   通り、
   前記シリンダに設けた孔若しくは溝が複数本設けられており、
   前記シリンダに設けた複数本の孔若しくは溝が、前記プランジャの中心軸に対して対称
   、もしくは周方向に等間隔に設けられている
   高圧燃料供給ポンプ。
2. 請求項１に記載のものにおいて、
   前記孔若しくは溝が、前記シリンダの周囲に沿う方向の幅（Ｂ）よりも中心軸線から放射方向の寸法（Ｈあるいはｍ）の方が小さく形成されている
   高圧燃料供給ポンプ。

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