JP6451393B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、プランジャの往復動によってプランジャ室の流体を加圧して圧送するポンプに関するもので、特に、圧縮着火式内燃機関用の蓄圧式燃料噴射装置に用いられるポンプに好適である。

近年、蓄圧式燃料噴射装置においては、さらなる高圧化が要求されている。そして、装置の信頼性確保のため、圧力の異常上昇を確実に防止する必要性がより高まっている。

特許文献１に記載されたポンプは、プランジャをプランジャ主体部と主体保持部とに分割し、流体圧力が所定圧力以上になるとプランジャ主体部と主体保持部とを相対移動させて圧送ストロークを短くし、圧力の異常上昇を防止するようにしている。また、特許文献１では、プランジャ室のデッドボリュームを意図的に大きく設定することにより、圧力の異常上昇を防止する方法も提案されている。

特開２００７−１３２２５１号公報

しかしながら、プランジャをプランジャ主体部と主体保持部とに分割したポンプは、プランジャの構成が複雑である。また、プランジャの構成が複雑であることに起因して、プランジャ主体部と主体保持部との最大相対移動量を十分に確保することが困難である。さらに、必要な圧送ストロークの短縮量が最大相対移動量を超えるような、想定外の異常高圧が作用した時は対応できない。

一方、高圧化の要求に応えるためには、要求吐出量を確保するためにプランジャ室のデッドボリュームを限りなく低減する必要がある。したがって、プランジャ室のデッドボリュームを意図的に大きく設定する方法は、高圧が要求されるポンプには適用できない。

本発明は上記点に鑑みて、高圧化の要求に応えつつ、圧力の異常上昇を確実に防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、プランジャ（２０）の往復動によってプランジャ室（２２）の流体を加圧して圧送するポンプであって、プランジャは、プランジャ室に連通するプランジャ孔（２０３）を有し、プランジャ孔には、プランジャ室の流体の圧力が所定圧力以上になったときにプランジャ孔内で移動して、プランジャ孔におけるプランジャ室に連通する部位（２０７）の容積を増加させる容積増加手段（３０、４０、４１）が配置されており、プランジャ孔におけるプランジャ室に連通する部位（２０７）の容積を容積増加手段が増加させた状態で、プランジャ孔におけるプランジャ室に連通する部位は容積増加手段により閉塞されて低圧部位に連通しない構成となっていることを特徴とする。

これによると、通常時はデッドボリュームを低減した状態で高圧下においても要求吐出量を満足させることができる。一方、プランジャ室の流体の圧力が所定圧力以上になったときには、プランジャ室の実質的なデッドボリュームを増加させて吐出量を低下させ、圧力の異常上昇を防止することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るポンプの正面断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態に係るポンプにおける要部の正面図である。 第１実施形態に係るポンプにおける要部の他の作動状態を示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係るポンプにおける要部の正面図である。 第２実施形態に係るポンプにおける要部の他の作動状態を示す正面図である。 本発明の第３実施形態に係るポンプにおける要部の正面図である。 第３実施形態に係るポンプにおける要部の他の作動状態を示す正面図である。 本発明の第３実施形態に係るポンプの変形例を示す要部の正面図である。 第３実施形態に係るポンプの変形例の他の作動状態を示す要部の正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態のポンプは、圧縮着火式内燃機関用の蓄圧式燃料噴射装置に用いられ、高圧燃料を蓄えるコモンレールに燃料を加圧して供給するものである。

なお、コモンレール内の燃料の圧力が第１所定圧力以上になるとコモンレール内の燃料を燃料タンクに逃がして、コモンレール内の燃料の圧力の異常上昇を防止する安全弁が、コモンレールに装着されている。

また、蓄圧式燃料噴射装置は、コモンレール内の燃料の圧力を圧力センサにて検出し、コモンレール内の燃料の圧力を、運転状態に応じた制御目標圧に制御するようになっている。

図１および図２に示すように、ポンプのハウジングは、アルミニウム合金製のハウジング本体１１と鉄系金属製の一対のシリンダヘッド１２とからなる。ハウジング本体１１内には、後述するフィードポンプから燃料が供給される低圧部位としてのカム室１３が形成されており、このカム室１３の両端はシリンダヘッド１２によって閉塞されている。また、カム室１３は図示しない燃料タンクに接続されている。

カム軸１４は、鉄系金属製で、図示しない内燃機関に駆動されて回転する。カム軸１４は、２つのブッシュ１５を介してハウジング本体１１に回転可能に支持されている。ブッシュ１５は、円筒状であり、ハウジング本体１１に圧入して固定されている。カム軸１４とハウジング本体１１との間はオイルシール１６によりシールされている。カム軸１４における軸方向中間部には、断面円形状のカム１７がカム軸１４に対して偏心して一体に形成されている。

カム１７の外周には、カム軸１４の周りを公転するカムリング１８が嵌合されている。このカムリング１８は、カムリング本体１８１と、このカムリング本体１８１に一体化されたブッシュ１８２とからなる。より詳細には、カムリング本体１８１は、鉄系金属（例えば、クロム鋼）よりなり、外形が四角柱形状で、円形状の貫通穴が形成されている。また、ブッシュ１８２は、円筒状に形成され、カムリング本体１８１の貫通穴に圧入されており、カム１７と摺動自在になっている。なお、カム１７およびカムリング１８は、カム室１３に収容されている。

カムリング１８の両側には、カムリング１８の公転に追従して往復移動する鉄系金属（例えば、合金工具鋼）製のプランジャ２０が配置されている。このプランジャ２０は、シリンダヘッド１２内に往復移動自在に挿入された円柱状のプランジャ本体部２０１と、カム室１３に配置されてカムリング１８と対向配置された鍔状のタペット２０２とを備えている。そして、プランジャ２０は、カム室１３に配置されたスプリング２１によりカムリング１８側に付勢されている。

シリンダヘッド１２内には、プランジャ本体部２０１の一端側（反タペット２０２側）に、フィードポンプ２５から燃料が供給されるプランジャ室２２が形成されている。また、シリンダヘッド１２内には、フィードポンプ２５からプランジャ室２２への燃料の流れのみを許容する入口側逆止弁２３、および、プランジャ室２２からコモンレールへの燃料の流れのみを許容する出口側逆止弁２４が設けられている。

なお、高圧下（例えば、２００ＭＰａ）においても要求吐出量を満足させるために、プランジャ室２２のデッドボリュームは極力小さく設定されている。

カム軸１４の一端側には、インナギア式のフィードポンプ２５が結合されている。このフィードポンプ２５は、ポンプカバー２６内に回転自在に収納されている。フィードポンプ２５は、カム軸１４に回転駆動されることにより、燃料タンクから吸入した燃料を加圧して吐出する。

フィードポンプ２５から吐出された燃料は、図示しない燃料通路および入口側逆止弁２３を介してプランジャ室２２に供給されるようになっている。なお、その燃料通路の途中には、プランジャ室２２に供給される燃料量を内燃機関の運転状態に応じて調量する調量弁（図示せず）が設けられている。

図３に示すように、プランジャ本体部２０１には、プランジャ室２２に連通するプランジャ孔２０３が形成されている。より詳細には、プランジャ孔２０３は、プランジャ本体部２０１におけるプランジャ室２２側の端面からタペット２０２側に向かって延びる、円柱状の空間である。

プランジャ孔２０３には、容積増加手段としての円柱状のピストン３０が圧入されている。そして、プランジャ孔２０３の底部２０４とピストン３０における底部２０４に対向する端面３０１（すなわち、ピストン３０におけるタペット２０２側の端面）との間には、隙間空間２０５が存在している。

プランジャ本体部２０１には、プランジャ本体部２０１の外周側と隙間空間２０５とを連通させる吸気孔２０６が形成されている。

また、ピストン３０は、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になったときに、プランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動するようになっている。なお、ピストン３０とプランジャ本体部２０１との摩擦係数や、圧入代を管理することにより、ピストン３０を第２所定圧力で移動させるようにしている。また、ピストン３０の作動開始圧である第２所定圧力は、安全弁の作動開始圧である第１所定圧力よりも高く設定され、コモンレールやポンプ等の高圧系構成部品の耐圧よりも低く設定されている。

次に、ポンプの作動について説明する。カム軸１４が内燃機関に駆動されて回転すると、カム軸１４の回転動作によってフィードポンプ２５が駆動され、フィードポンプ２５は燃料タンクから燃料を吸入し加圧して吐出する。

また、カム軸１４の回転に伴いカム１７が回転し、カム１７の回転に伴いカムリング１８が自転することなく公転し、カムリング１８の公転に伴いプランジャ２０が往復移動する。

カムリング１８の公転に伴い上死点にあるプランジャ２０が下死点に向けて移動すると、フィードポンプ２５から吐出された燃料が入口側逆止弁２３を介してプランジャ室２２に流入する。

下死点に達したプランジャ２０が再び上死点に向けて移動すると、入口側逆止弁２３が閉じ、プランジャ室２２の燃料が加圧されて圧力が上昇する。プランジャ室２２の燃料圧力が上昇すると、出口側逆止弁２４が開弁して、高圧の燃料がコモンレールに供給される。

ここで、例えば安全弁の故障によりコモンレール内の燃料の圧力が上昇し、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になった場合、図４に示すように、ピストン３０はプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動する。これにより、プランジャ孔２０３におけるプランジャ室２２に連通する部位２０７の容積が増加し、プランジャ室２２の実質的なデッドボリュームが増加するため、吐出量が低下して圧力の異常上昇が防止される。

また、ピストン３０の移動により圧力の異常上昇を防止できるため、安全弁を廃止することも可能である。

なお、ピストン３０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動する際には、隙間空間２０５内の燃料は、吸気孔２０６、およびプランジャ２０とシリンダヘッド１２との摺動隙間を介して、低圧のカム室１３に逃がされる。

一方、ピストン３０が図３に示す初期位置にある時には、プランジャ室２２のデッドボリュームは小さいため、高圧下においても要求吐出量を満足させることができる。

なお、ピストン３０は、一端移動すると図３に示す初期位置には復帰しない。したがって、ピストン３０が一端移動してしまうと、その後コモンレール内の燃料圧力が制御目標圧まで上昇しない場合がある。その場合には、例えば車両の警告ランプを点灯させて、蓄圧式燃料噴射装置に何らかの異常が発生したことをドライバーに知らせるようにするのが望ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、プランジャ孔２０３には、円柱状のピストン４０が摺動自在に挿入されている。そして、プランジャ孔２０３の底部２０４とピストン４０における底部２０４に対向する端面４０１（すなわち、ピストン４０におけるタペット２０２側の端面）との間には、隙間空間２０５が存在している。

この隙間空間２０５には、ピストン４０をプランジャ室２２（図１参照）側に向かって付勢するスプリング４１が配置されている。なお、ピストン４０およびスプリング４１は、本発明の容積増加手段を構成している。

プランジャ孔２０３におけるプランジャ室２２側の端部には、通常時のピストン４０の位置を定めるストッパ４２が圧入されている。

また、ストッパ４２には、プランジャ孔２０３とプランジャ室２２とを連通させるオリフィス４２１が形成されており、プランジャ室２２の燃料圧力はオリフィス４２１を介してピストン４０に作用するようになっている。

そして、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になったときに、スプリング４１の付勢力に抗してピストン４０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動するようになっている。

通常時にはピストン４０はストッパ４２に当接しているため、ピストン４０におけるストッパ４２に当接している面には、プランジャ室２２の燃料圧力は作用しない。したがって、通常時のピストン４０の受圧面積は、オリフィス４２１の通路面積と等しく、ピストン４０の断面積よりも小さいため、スプリング４１のバネ定数を小さくすることができる。

上記構成において、例えば安全弁の故障によりコモンレール内の燃料の圧力が上昇し、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になった場合、図６に示すように、ピストン４０はプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動する。これにより、プランジャ孔２０３におけるプランジャ室２２に連通する部位２０７の容積が増加し、プランジャ室２２の実質的なデッドボリュームが増加するため、吐出量が低下して圧力の異常上昇が防止される。

なお、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力未満に低下すると、ピストン４０は図５に示す初期位置に復帰する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、プランジャ本体部２０１には、吸気孔２０６よりもプランジャ室２２（図１参照）側に、プランジャ孔２０３を低圧部位としてのカム室１３（図１参照）に接続するリリーフ孔２０８が形成されている。

プランジャ孔２０３には、リリーフ孔２０８を開閉する円柱状の弁体５０が摺動自在に挿入されている。そして、プランジャ孔２０３の底部２０４と弁体５０における底部２０４に対向する端面５０１（すなわち、弁体５０におけるタペット２０２側の端面）との間には、隙間空間２０５が存在している。

この隙間空間２０５には、弁体５０をプランジャ室２２側に向かって付勢するスプリング５１が配置されている。なお、弁体５０およびスプリング５１は、本発明のリリーフ弁を構成している。

プランジャ孔２０３におけるプランジャ室２２側の端部には、通常時の弁体５０の位置を定めるストッパ５２が圧入されている。

また、ストッパ５２には、プランジャ孔２０３とプランジャ室２２とを連通させるオリフィス５２１が形成されており、プランジャ室２２の燃料圧力はオリフィス５２１を介して弁体５０に作用するようになっている。

そして、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になったときに、スプリング５１の付勢力に抗して弁体５０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動するようになっている。ここで、弁体５０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって僅かに移動した時点で、すぐにリリーフ孔２０８が開かれるようになっている。

通常時には弁体５０はストッパ５２に当接しているため、弁体５０におけるストッパ５２に当接している面には、プランジャ室２２の燃料圧力は作用しない。したがって、通常時の弁体５０の受圧面積は、オリフィス５２１の通路面積と等しく、弁体５０の断面積よりも小さいため、スプリング５１のバネ定数を小さくすることができる。

上記構成において、例えば安全弁の故障によりコモンレール内の燃料の圧力が上昇し、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になった場合、図８に示すように、弁体５０はプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動して、リリーフ孔２０８が開かれる。

リリーフ孔２０８が開かれると、プランジャ室２２の燃料は、オリフィス５２１、プランジャ孔２０３、リリーフ孔２０８、およびプランジャ２０とシリンダヘッド１２（図１参照）との摺動隙間を介して、低圧のカム室１３に逃がされる。したがって、プランジャ室２２の燃料の圧力は概ね第２所定圧力以下に制御され、圧力の異常上昇が確実に防止される。

そして、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力未満に低下すると、弁体５０は図７に示す初期位置に復帰する。

なお、本実施形態では、弁体５０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって僅かに移動した時点で、すぐにリリーフ孔２０８が開かれるようにしたが、図９、図１０に示す変形例のように、弁体５０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって十分に移動した時点で、リリーフ孔２０８が開かれるようにしてもよい。

すなわち、この変形例では、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力未満のときには、弁体５０は図９に示す初期位置にある。

一方、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力以上になったときには、スプリング５１の付勢力に抗して弁体５０がプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動する。

そして、プランジャ室２２の燃料の圧力が第３所定圧力（ただし、第３所定圧力＝第２所定圧力＋α）未満の場合は、図１０に示すように、弁体５０は移動するもののリリーフ孔２０８は閉じられたままである。ただし、弁体５０の移動により、プランジャ孔２０３におけるプランジャ室２２に連通する部位２０７の容積が増加し、プランジャ室２２の実質的なデッドボリュームが増加するため、吐出量が低下して圧力の異常上昇が防止される。なお、第３所定圧力は、コモンレールやポンプ等の高圧系構成部品の耐圧よりも低く設定されている。

また、プランジャ室２２の燃料の圧力が第３所定圧力以上になった場合は、弁体５０は図１０に示す位置よりもさらにプランジャ孔２０３の底部２０４側に向かって移動して、リリーフ孔２０８が開かれる。リリーフ孔２０８が開かれると、プランジャ室２２の燃料は低圧のカム室１３に逃がされる。したがって、プランジャ室２２の燃料の圧力は、概ね第３所定圧力以下に制御され、圧力の異常上昇が確実に防止される。

そして、プランジャ室２２の燃料の圧力が第２所定圧力未満に低下すると、弁体５０は図９に示す初期位置に復帰する。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

２０ プランジャ
２２ プランジャ室
３０ ピストン（容積増加手段）
４０ ピストン（容積増加手段）
４１ スプリング（容積増加手段）
２０３ プランジャ孔

Claims (3)

1. プランジャ（２０）の往復動によってプランジャ室（２２）の流体を加圧して圧送するポンプであって、
   前記プランジャは、前記プランジャ室に連通するプランジャ孔（２０３）を有し、
   前記プランジャ孔には、前記プランジャ室の流体の圧力が所定圧力以上になったときに前記プランジャ孔内で移動して、前記プランジャ孔における前記プランジャ室に連通する部位（２０７）の容積を増加させる容積増加手段（３０、４０、４１）が配置されており、
   前記プランジャ孔における前記プランジャ室に連通する部位（２０７）の容積を前記容積増加手段が増加させた状態で、前記プランジャ孔における前記プランジャ室に連通する部位は前記容積増加手段により閉塞されて低圧部位に連通しない構成となっていることを特徴とするポンプ。
2. 前記容積増加手段は、前記プランジャ孔に圧入されたピストン（３０）であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記容積増加手段は、前記プランジャ孔に摺動自在に挿入されたピストン（４０）と、前記ピストンを前記プランジャ室側に向かって付勢するスプリング（４１）とを有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ。

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