JP6720895B2 - 燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、燃料を加圧して燃料噴射弁に供給する電動式の燃料ポンプに関する。

特許文献１には、内燃機関の燃料供給装置に適用することのできる電動式の燃料ポンプの一例が記載されている。こうした燃料ポンプは、燃料を加圧する加圧室を区画するプランジャと、電磁コイルと、加圧室の容積を狭くする方向にプランジャを付勢する付勢部材とを備えている。そして、電磁コイルが通電されているときには、当該通電によって発生した電磁力によって付勢部材からの付勢力に抗してプランジャが移動する。これにより、加圧室の容積が広くなり、加圧室内の燃料の量が多くなる。このような状態で電磁コイルへの通電を停止すると、プランジャに電磁力が付与されなくなるため、付勢部材からの付勢力によって加圧室の容積を狭くする方向にプランジャが移動する。すると、加圧室内の燃料が加圧され、当該加圧された燃料が燃料噴射弁に供給される。

特開２００９−４７０３５号公報

上記の燃料ポンプにあっては、電磁コイルとプランジャとの間に空隙が介在しているため、プランジャに付与する電磁力を大きくしにくい。そのため、加圧室に流入した燃料を十分に加圧するためには、電磁コイルに大きな電流を流す必要があり、消費電力の増大を招いてしまう。

上記課題を解決するための燃料ポンプは、規定方向における一方への移動によって加圧室の容積を拡大させる一方、同規定方向における他方への移動によって同加圧室の容積を縮小させるプランジャを備え、電磁石に流す電流の制御によってプランジャを規定方向に往復動させることで、同加圧室に流入した燃料を加圧して燃料噴射弁に供給する燃料ポンプを前提としている。この燃料ポンプは、規定方向においてプランジャを挟んだ加圧室の反対側に配置されており、且つ、電磁石の一端部に接触している基台と、規定方向におけるプランジャと基台との間に位置するとともに、電磁石の他端部及び同プランジャに接触しており、且つ、規定方向に移動可能な可動子と、規定方向とは交差する方向に延びる回転軸線を軸中心として回転自在な状態で基台に支持されているとともに、可動子に接触する接触面を有する中間回転部材と、中間回転部材の回転方向の一方である第１の方向への付勢力を同中間回転部材に付与する第１の付勢部材と、基台に接近する方向への付勢力を可動子に付与する第２の付勢部材と、を備えている。そして、中間回転部材は、可動子が基台に接近しているときには、同可動子に接触面が押されて第１の方向の反対方向である第２の方向に回転するようになっている。また、接触面のうち、規定方向で可動子が基台から最も離れているときに同可動子に接触する位置を第１の部位とし、同第１の部位よりも第１の方向側に位置する部位を第２の部位とした場合、接触面は、第１の部位から第２の部位に向かうにつれて回転軸線からの直線距離が次第に短くなるとともに、第２の部位から第１の方向側に向かうにつれて回転軸線からの直線距離が次第に長くなるように構成されている。

上記構成によれば、中間回転部材の接触面は、第１の部位から第２の部位に向かうにつれて回転軸線からの直線距離が次第に短くなるとともに、第２の部位から第１の方向側に向かうにつれて回転軸線からの直線距離が次第に長くなるような面形状となっている。電磁石が通電されると、可動子における接触面との対向面と接触面との間で互いに接近させる方向の磁力が発生する。すると、規定方向で可動子が基台から最も離れているときの可動子の位置を基準位置とした場合、可動子が基準位置から基台に接近しようとすると、可動子に接触面が押されるため、中間回転部材が上記第２の方向に回転する。このように中間回転部材が第２の方向に回転するため、電磁石が通電されているときには可動子を基台に接近させることができる。

また、上記構成によれば、電磁石が通電されている場合、基台を基準とする可動子の相対距離が変わっても、基台と中間回転部材とが接触している状態、及び、可動子と中間回転部材とが接触している状態の双方を維持することができる。そのため、磁束が流れる経路上に、磁気抵抗の高い空隙が介在しなくなる、又は、空隙が介在しているとしてもその大きさは小さい。これにより、電磁石に大きな電流を流さなくても、第１の付勢部材からの付勢力に抗して可動子を基台に接近させることができる。したがって、燃料ポンプを駆動させる際における消費電力の増大を抑制することができる。

なお、上記構成によれば、電磁石への通電によって可動子が基台に接近すると、プランジャもまた可動子とともに基台に接近するため、加圧室の容積が拡大する。これにより、加圧室に燃料が流入する。この状態で電磁石への通電が停止されたり、通電量が減少されたりすると、第１の付勢部材からの付勢力によって、中間回転部材が第１の方向に回転する。すると、中間回転部材に押されるかたちで可動子及びプランジャが基台から離れる方向に移動する。その結果、加圧室の容積が狭くなるため、加圧室内の燃料が加圧されて燃料噴射弁に供給される。したがって、上記構成によれば、電磁石に流す電流を制御することで、加圧した燃料を燃料噴射弁に供給することができる。

燃料ポンプの一実施形態である高圧燃料ポンプを備える内燃機関の燃料供給装置の概略を示す構成図。 同高圧燃料ポンプの概略を示す構成図。 同高圧燃料ポンプの一部を模式的に示す断面図。 同高圧燃料ポンプの中間回転部材を示す平面図。 同高圧燃料ポンプのアクチュエータの作用図。 同高圧燃料ポンプのアクチュエータの作用図。 可動子に作用する磁力と可動子の移動量との関係を示すグラフ。

以下、燃料ポンプの実施形態を図１〜図７に従って説明する。
図１には、本実施形態の燃料ポンプの一例である高圧燃料ポンプ１４を備える内燃機関の燃料供給装置１０が図示されている。図１に示すように、燃料供給装置１０は、燃料タンク１１から燃料を汲み上げる低圧燃料ポンプ１２と、低圧燃料ポンプ１２から供給された燃料が流れる燃料供給通路１３とを備えている。そして、高圧燃料ポンプ１４は、燃料供給通路１３から燃料を汲み上げて加圧し、複数の燃料噴射弁１５が接続されているデリバリパイプ１６に当該燃料を供給するようになっている。なお、低圧燃料ポンプ１２及び高圧燃料ポンプ１４の双方は電動式のポンプであり、各燃料噴射弁１５は気筒内に燃料を直接噴射するものである。

燃料供給装置１０は、各燃料ポンプ１２，１４の駆動を制御する制御装置１００を備えている。この制御装置１００には、デリバリパイプ１６内の燃料圧力Ｐｒを検出する燃圧センサ１１１が電気的に接続されている。そして、制御装置１００は、燃圧センサ１１１によって検出されている燃料圧力Ｐｒを基に、各燃料ポンプ１２，１４の駆動を制御する。例えば、制御装置１００は、各燃料噴射弁１５が燃料を噴射している場合、低圧燃料ポンプ１２を駆動させつつ、燃料圧力Ｐｒが設定圧力に収束するように高圧燃料ポンプ１４を駆動させる。

次に、図２〜図４を参照し、高圧燃料ポンプ１４の構成について説明する。
図２に示すように、高圧燃料ポンプ１４は、燃料供給通路１３に接続されている吸入通路２１と、デリバリパイプ１６に接続されている吐出通路２２と、吸入通路２１及び吐出通路２２と連通する加圧室３１を有する加圧部３０と、電動式のアクチュエータ４０とを備えている。また、高圧燃料ポンプ１４には、開弁しているときには吸入通路２１を通じた燃料供給通路１３と加圧室３１との間での燃料の流通を許容する一方、閉弁しているときには吸入通路２１を通じた燃料供給通路１３と加圧室３１との間での燃料の流通を規制する電動式の吸入弁２３が設けられている。吸入弁２３の開閉動作は、制御装置１００によって制御されるようになっている。

図２に示すように、加圧部３０は、アクチュエータ４０の駆動によって図中上下方向である規定方向Ｘに往復動するプランジャ３２と、図中下方である規定方向Ｘにおける一方への付勢力をプランジャ３２に付与するプランジャ用スプリング３３とを有している。プランジャ用スプリング３３からの付勢力を利用してプランジャ３２が規定方向Ｘにおける一方に移動すると、加圧室３１の容積が広くなる。そのため、プランジャ３２が規定方向Ｘにおける一方に移動しているときに、吸入弁２３を開弁させることで、吸入通路２１を介して加圧室３１に燃料を流入させることができる。一方、プランジャ用スプリング３３からの付勢力に抗してプランジャ３２が図中上方である規定方向Ｘにおける他方に移動すると、加圧室３１の容積が狭くなる。そのため、プランジャ３２が規定方向Ｘにおける他方に移動しているときに、吸入弁２３を閉弁させることで加圧室３１内の燃料が加圧され、当該燃料が吐出通路２２を介してデリバリパイプ１６、すなわち各燃料噴射弁１５に供給される。

図２に示すように、アクチュエータ４０は、規定方向Ｘにおいてプランジャ３２を挟んだ加圧室３１の反対側、すなわち図２におけるプランジャ３２よりも下方に配置されている。このアクチュエータ４０は、制御装置１００によって制御される電磁石４１と、電磁石４１に流す電流を制御することによって規定方向Ｘに往復動する可動子４２と、車体に固定されている基台４３とを備えている。電磁石４１の一端部４１１が可動子４２に接触しているとともに、電磁石４１の他端部４１２が基台４３に接触している。なお、一端部４１１は、電磁石４１が通電されているときに第１の磁極となる部分である。また、他端部４１２は、電磁石４１が通電されているときに第２の磁極となる部分である。

可動子４２には、規定方向Ｘにおける他方側（図中上側）に突出する突出部４２１と、図中右方に延出している被付勢部４２２とが設けられている。突出部４２１は、プランジャ３２の規定方向Ｘにおける一方側の端（図中下端）に接触している。また、被付勢部４２２よりも規定方向Ｘの一方側には、規定方向Ｘにおける他方側への付勢力を被付勢部４２２に付与する第１の反力スプリング４４が配設されており、被付勢部４２２よりも規定方向Ｘの他方側には、規定方向Ｘにおける一方側への付勢力を被付勢部４２２に付与する第２の反力スプリング４５が配設されている。すなわち、本実施形態では、第２の反力スプリング４５が、基台４３に接近する方向への付勢力を可動子４２に付与する「第２の付勢部材」の一例として機能する。

基台４３は、鉄などの軟磁性材料で構成されているとともに、規定方向Ｘにおいて可動子４２を挟んだプランジャ３２の反対側に配置されている。すなわち、基台４３は、規定方向Ｘにおいてプランジャ３２を挟んだ加圧室３１の反対側に配置されている。

また、図２及び図３に示すように、基台４３は、規定方向Ｘとは直交する方向（図２では紙面直交方向）に延びる回転軸線Ｆを軸中心として回転自在な状態で中間回転部材４６を支持している。なお、回転軸線Ｆの延伸方向は、規定方向Ｘと交差しているのであれば、規定方向Ｘとは必ずしも直交していなくてもよい。

中間回転部材４６は、鉄などの軟磁性材料で構成されている。また、中間回転部材４６は、回転軸線Ｆの延伸方向側から見た場合の形状が略楕円形状をなしている本体４７と、回転軸線Ｆの延伸方向に延びる軸部材４８とを有している。図２及び図３に示すように、軸部材４８の両端部が基台４３に回転自在な状態で支持されている。なお、基台４３のうち、軸部材４８の両端部を支持する一対の支持部位４３２の間には本体４７の一部分を収容可能な凹部４３１が設けられており、中間回転部材４６が回転しても本体４７が基台４３に接触しないようになっている。

図２及び図４に示すように、中間回転部材４６の本体４７の側面のうちの一部分は、可動子４２と接触する接触面４７１となっている。中間回転部材４６の回転方向のうち、図４における時計回り方向を第１の方向Ｃ１とし、図４における反時計回り方向を第２の方向Ｃ２とする。また、接触面４７１の第２の方向Ｃ２側の端部を第１の部位４７１ａといい、接触面４７１の第１の方向Ｃ１側の端部を第３の部位４７１ｃといい、接触面４７１のうちの第１の部位４７１ａと第３の部位４７１ｃとの中間の部位を第２の部位４７１ｂというものとする。この場合、回転軸線Ｆから接触面４７１までの直線距離Ｌのうち、回転軸線Ｆから第２の部位４７１ｂまでの直線距離Ｌｂが最も短い。そして、第２の部位４７１ｂから第１の部位４７１ａに向かうにつれて、回転軸線Ｆからの直線距離Ｌが次第に長くなる。同様に、第２の部位４７１ｂから第３の部位４７１ｃに向かうにつれて、回転軸線Ｆからの直線距離Ｌが次第に長くなる。すなわち、接触面４７１は、第１の部位４７１ａから第２の部位４７１ｂに向かうにつれて回転軸線Ｆからの直線距離Ｌが次第に短くなるとともに、第２の部位４７１ｂから第１の方向Ｃ１側に向かうにつれて回転軸線Ｆからの直線距離Ｌが次第に長くなるように構成されている。

なお、図４に二点鎖線で示すように、可動子４２のうち中間回転部材４６に対向する面である対向面４２３は、接触面４７１の形状に応じて凹状をなしている。すなわち、規定方向Ｘ及び回転軸線Ｆの延伸方向の双方に直交する方向を横方向Ｙとした場合、対向面４２３は、横方向Ｙの中心の部位から横方向Ｙの外側に向かうにつれて次第に規定方向Ｘにおける一方側（図中下側）に位置するように構成されている。そして、回転軸線Ｆと第２の部位４７１ｂとを通過する通過直線Ｄの延伸方向が規定方向Ｘと一致している場合、対向面４２３は接触面４７１と面接触可能である。

また、図２に示すように、可動子４２が基台４３から最も離れている場合、接触面４７１のうちの第１の部位４７１ａが、可動子４２の対向面４２３に接触している。このとき、回転軸線Ｆと第１の部位４７１ａとが並ぶ方向は、規定方向Ｘと一致していない。すなわち、第１の部位４７１ａは、可動子４２の対向面４２３のうち、横方向Ｙ（図中左右方向）における中心から、第２の方向Ｃ２側（図中左側）ずれた位置に接触している。そのため、可動子４２を基台４３に接近させると、中間回転部材４６は、可動子４２に押されて第２の方向Ｃ２に回転するようになっている。

図２に示すように、アクチュエータ４０には、第１の方向Ｃ１への付勢力を中間回転部材４６に付与する第１の付勢部材の一例であるトーションスプリング４９が設けられている。

次に、図５〜図７を参照し、本実施形態の高圧燃料ポンプ１４の作用を効果とともに説明する。
電磁石４１に通電が行われていない場合、図５に示すように回転軸線Ｆと第２の部位４７１ｂとを通過する通過直線Ｄの延伸方向が規定方向Ｘに対して第１の方向Ｃ１（図中時計回り方向）にずれている。そのため、中間回転部材４６の接触面４７１のうちの第１の部位４７１ａが可動子４２の対向面４２３に接触している。この状態で電磁石４１への通電が開始されると、図５に破線矢印で示すように磁束が流れる。すると、図５に白抜きの矢印で示すように、中間回転部材４６の接触面４７１と可動子４２の対向面４２３との間で互いに引き付け合う磁力が発生する。これにより、対向面４２３と接触面４７１との隙間Ｓを埋めるように可動子４２が規定方向Ｘで基台４３に接近しようとする。

すると、規定方向Ｘで基台４３に接近しようとする可動子４２に押され、中間回転部材４６が第２の方向Ｃ２に回転する。その結果、図６に示すように、可動子４２が規定方向Ｘで基台４３に接近し、上記の隙間Ｓが徐々に狭くなる。このように中間回転部材４６が第２の方向Ｃ２に回転している場合、中間回転部材４６の第２の方向Ｃ２への回転量が増えるほど、トーションスプリング４９及び第１の反力スプリング４４の双方に蓄積される弾性エネルギが多くなる。なお、図６には、可動子４２が基台４３に最も接近している状態のアクチュエータ４０が図示されている。

本実施形態では、電磁石４１が可動子４２に接触し、可動子４２が中間回転部材４６に接触し、中間回転部材４６が基台４３に接触し、基台４３が電磁石４１に接触している。すなわち、図５及び図６に破線で示すような磁束の流れる経路上には、磁気抵抗の非常に高い空隙が介在していない。又は、仮に当該経路上に空隙が介在しているとしても、その空隙は極めて小さい。そのため、電磁石４１に流れる電流値をそれほど大きくしなくても、中間回転部材４６の接触面４７１と可動子４２の対向面４２３との間に大きな磁力を発生させることができる。すなわち、アクチュエータ４０での消費電力量を多くしなくても、可動子４２の基台４３側への移動量を多くすることができる。しかも、中間回転部材４６の第２の方向Ｃ２への回転量が増えるにつれて、上記隙間Ｓの間隔が狭くなるため、可動子４２を基台４３側により接近させやすくなる。

図７には、可動子４２に作用する磁力と基準位置からの可動子４２の基台４３側への移動量との関係が図示されている。ここでいう「基準位置」とは、電磁石４１への通電が停止されているときの可動子の規定方向Ｘにおける位置のことである。また、図７において、実線は本実施形態における上記関係を表しており、破線は、中間回転部材４６が設けられていない比較例のアクチュエータでの上記関係を表している。

比較例のアクチュエータでは、電磁石４１への通電前では可動子４２と基台４３との間に大きな空隙が介在しており、磁束が流れにくい。すなわち、図７に破線で示すように、可動子４２と基台４３との間に大きな磁力を発生させることができない。そのため、可動子４２を基台４３に接近させるべく大きな磁力を発生させる場合には、電磁石４１に流す電流を大きくする必要がある。

これに対し、本実施形態では、中間回転部材４６が設けられているため、図７に示すように、比較例の場合よりも磁力を大きくしやすい。そのため、比較例の場合よりも電磁石４１に流す電流を小さくしてもよくなる。特に図７における規定領域ＡＲのように、可動子４２を基台４３の比較的近くで往復動させる場合、アクチュエータ４０、すなわち高圧燃料ポンプ１４での消費電力の増大を抑制することができる。

なお、消費電力の増大を抑制する手法の一つとして、大型の電磁石を採用する方法も考えられる。しかし、この場合、装置全体としての大型化が懸念される。この点、本実施形態では、中間回転部材４６を設けることで、大型の電磁石を使用する必要性もなくなる。

そして、本実施形態では、電磁石４１への通電によって可動子４２が基台４３に接近すると、プランジャ３２もまた可動子４２とともに基台４３に接近するため、加圧室３１の容積が拡大する。このように加圧室３１の容積が拡大しているときに吸入弁２３が開弁されると、加圧室３１に燃料が流入する。

そして、加圧室３１に燃料が流入した状態で、吸入弁２３が閉弁され、且つ、電磁石４１への通電が停止されたり、通電量が減少されたりすると、トーションスプリング４９からの付勢力によって中間回転部材４６が第１の方向Ｃ１に回転する。これにより、規定方向Ｘにおける他方側に押す力が中間回転部材４６から可動子４２に伝達される。また、可動子４２には、第１の反力スプリング４４から規定方向Ｘにおける他方側への付勢力が付与されている。そのため、こうした力によって、可動子４２及びプランジャ３２が規定方向Ｘにおける他方側に移動する。すると、加圧室３１の容積が狭くなり、加圧室内の燃料が加圧される。そして、このように加圧された燃料がデリバリパイプ１６に供給される。

したがって、本実施形態では、電磁石４１の制御によって可動子４２の往復動を繰り返させることで、加圧された燃料をデリバリパイプ１６に断続的に供給することができる。
ちなみに、この高圧燃料ポンプ１４は、電磁石４１への通電と通電停止とを繰り返すことで燃料を加圧してデリバリパイプ１６に供給することができる。また、高圧燃料ポンプ１４は、電磁石４１への通電量を第１の通電量から第２の通電量まで増大させる期間と、通電量を第２の通電量から第１の通電量まで減少させる期間とを交互に繰り返すことで、燃料を加圧してデリバリパイプ１６に供給することもできる。この場合、第１の通電量と、第２の通電量との少なくとも一方は、デリバリパイプ１６の上記設定圧力と燃料圧力Ｐｒとの関係に応じて設定することができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・中間回転部材４６の第２の方向Ｃ２への回転によってトーションスプリング４９が蓄積した弾性エネルギを開放させることにより、電磁石４１への通電の停止又は通電量の減少を契機に中間回転部材４６を第１の方向Ｃ１に回転させ、可動子４２及びプランジャ３２を規定方向Ｘにおける加圧室３１側に移動させることができるのであれば、第１の反力スプリング４４を省略してもよい。

・可動子４２の対向面４２３は、中間回転部材４６が何れの回転量であっても接触面４７１との接触を維持することができるのであれば、接触面４７１の面形状に応じた面形状でなくてもよい。例えば、対向面４２３は、規定方向Ｘに直交する平面であってもよい。

１４…高圧燃料ポンプ、１５…燃料噴射弁、３１…加圧室、３２…プランジャ、４１…電磁石、４１１…電磁石の一端部、４１２…電磁石の他端部、４２…可動子、４３…基台、４５…第２の付勢部材としての第２の反力スプリング、４６…中間回転部材、４７１…接触面、４７１ａ…第１の部位、４７１ｂ…第２の部位、４９…第１の付勢部材としてのトーションスプリング、Ｆ…回転軸線。

Claims (1)

1. 規定方向における一方への移動によって加圧室の容積を拡大させる一方、同規定方向における他方への移動によって同加圧室の容積を縮小させるプランジャを備え、
   電磁石に流す電流の制御によって前記プランジャを前記規定方向に往復動させることで、同加圧室に流入した燃料を加圧して燃料噴射弁に供給する燃料ポンプにおいて、
   前記規定方向において前記プランジャを挟んだ前記加圧室の反対側に配置されており、且つ、前記電磁石の一端部に接触している基台と、
   前記規定方向における前記プランジャと前記基台との間に位置するとともに、前記電磁石の他端部及び同プランジャに接触しており、且つ、前記規定方向に移動可能な可動子と、
   前記規定方向とは交差する方向に延びる回転軸線を軸中心として回転自在な状態で前記基台に支持されているとともに、前記可動子に接触する接触面を有する中間回転部材と、
   前記中間回転部材の回転方向の一方である第１の方向への付勢力を同中間回転部材に付与する第１の付勢部材と、
   前記基台に接近する方向への付勢力を前記可動子に付与する第２の付勢部材と、を備えており、
   前記中間回転部材は、前記可動子が前記基台に接近しているときには、同可動子に前記接触面が押されて前記第１の方向の反対方向である第２の方向に回転し、
   前記接触面のうち、前記規定方向で前記可動子が前記基台から最も離れているときに同可動子に接触する位置を第１の部位とし、同第１の部位よりも前記第１の方向側に位置する部位を第２の部位とした場合、
   前記接触面は、前記第１の部位から前記第２の部位に向かうにつれて前記回転軸線からの直線距離が次第に短くなるとともに、前記第２の部位から前記第１の方向側に向かうにつれて前記回転軸線からの直線距離が次第に長くなるように構成されている
   ことを特徴とする燃料ポンプ。

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