JP6855343B2 - 高圧燃料ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に燃料を高圧にして供給する高圧燃料ポンプに関する。
本発明の従来技術として、特許文献1に記載の技術がある。この特許文献1では、加圧室に燃料を供給する供給通路を開閉する吸入弁を軽量にすることの可能な高圧ポンプを提供する。 このために吸入弁40は、弁座34に着座することで供給通路100を閉塞し、弁座34から離座することで供給通路100を開放する。吸入弁40の加圧室側にストッパ50が設けられ、吸入弁40の加圧室側への移動を制限する。吸入弁40と別体で構成されたニードル60は、吸入弁40の弁座34側の端面に当接可能である。ストッパ50に設けられた収容室52に第1スプリング21が収容され、吸入弁40を弁座34側に付勢する。吸入弁40のストッパ50側の端面から延びるガイド部41は、軸方向の長さBが吸入弁40の全閉時と全開時との移動距離Aより長く形成され、吸入弁40の径方向の移動を制限する。これにより、吸入弁40の外径を小さくし、かつ、その軸方向の肉厚を薄くすることが可能になる、と開示されている(要約参照)。
特開2012−154295号公報
上記特許文献1では、吸入弁の外径を小さくし、かつ、その軸方向の肉厚を薄くすることによって、吸入弁を軽量化することが記載されている。しかしながら、この構造では軽量化を目的に肉厚を薄くしすぎると弁体の強度信頼性が低下し、疲労破壊することが懸念される。反対に、強度信頼性を確保しようとすると、軸方向厚みが厚くなり、騒音低減効果が十分に得られない可能性がある。
本発明では、強度信頼性を保ちつつ騒音を低減する吸入弁を搭載した高圧燃料ポンプを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の高圧燃料ポンプは、
流路を開閉する吸入弁と、前記吸入弁が着座するシート部と、開弁時に前記吸入弁の前記シート部と反対側に向かう動きを規制するストッパ部と、前記吸入弁と別体に構成され前記吸入弁を前記ストッパ部に向かって付勢するロッドと、を備えた高圧燃料ポンプにおいて、
前記吸入弁は、中央部と、前記中央部の径方向外側において前記中央部の下流面から上流に向かって形成されるとともに前記中央部に対して軸方向厚みが薄くなる外周部とで形成され、前記中央部の下流面は、前記吸入弁の開弁方向への動きを規制するストッパ部に衝突するストッパ接触部を備え、前記外周部の全ては、前記中央部の下流面の全てに対して、上流側に位置するように構成され、前記外周部および前記シート部は、前記ストッパ接触部に対して径方向外側に配置され、前記外周部は、前記中央部と繋がって形成され、前記外周部の下流面が上流側に凹む曲面部を有し、前記曲面部は、前記吸入弁の径方向において、前記シート部と重複する部位に設けられている
本発明の構成によれば、強度信頼性を保ちつつ低騒音な吸入弁を搭載した高圧燃料ポンプを実現することができる。本発明のその他の構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。
本発明の実施例が適用される高圧燃料ポンプシステムの全体構成を示す図である。 本発明の実施例が適用される電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 本発明の実施例1に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 長さR−R、幅xθの片持ちはりの端部に集中荷重Fが作用した場合について説明する図である。 長さR−R、幅xθの片持ちはりの端部に燃料圧力pが作用した場合を考えるについて説明する図である。 本発明の実施例2に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 本発明の実施例3に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 本発明の実施例4に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 本発明の実施例5に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。 本発明の実施例6に係る電磁吸入弁機構50の断面を示す図である。
以下、図を参照して、本発明の実施形態について説明する。
実施例1について、図1、図2を用いて説明する。このうち図1は、本発明の実施例(実施例1から実施例6)が適用される高圧燃料ポンプシステムの全体構成を示している。このため、最初に図2を用いて全体構成の説明を行い、その後に吸入弁構造の各実施例について説明する。
図1の高圧燃料ポンプシステムは、これを大別すると図示左側の燃料タンク101、図示中央の高圧燃料ポンプ300、図示右側の燃料噴射系200(コモンレール53、インジェクタ54など)、エンジンコントロールユニット(ECU)40、図示中央下側(高圧燃料ポンプ1の下側)の図示していない内燃機関400で構成されている。
高圧燃料ポンプ300は、ボディ1内に複数の部品や機構を一体に組み込んでおり、内燃機関400のシリンダヘッド20に取り付けられている。ボディ1には、吸入通路9、加圧室11、吐出通路12、リリーフ通路15が形成されている。吸入通路9には電磁吸入弁機構5、吐出通路12には吐出弁8、リリーフ通路15にはリリーフ弁機構30が設けられている。またボディ1内の加圧室11は、内燃機関のカム7の回転により上下動するプランジャ2により容積が変化してポンプ動作が可能となる。電磁吸入弁機構50は加圧する燃料量を決定する調整弁である。吐出弁8は燃料の流通方向を制限する逆止弁である。リリーフ弁機構30はコモンレール53内が所定の圧以上となった際に、それを開放する安全弁の機能を果たすものとなっている。
図1の高圧燃料ポンプシステムでは、燃料タンク101からの燃料は高圧燃料ポンプ300に導かれ、吸入通路9の電磁吸入弁機構50、加圧室11、吐出通路12の吐出弁8を経由することで高圧化され、燃料噴射系200に与えられる。高圧燃料ポンプは、燃料噴射系200のコモンレール53に接続されており、昇圧された燃料が圧送され、高圧の燃料はインジェクタ54から内燃機関の燃焼室へと噴射される。コモンレール53内の圧力は、圧力センサ56により計測され、その信号はエンジンコントロールユニット(ECU)40へ送られる。インジェクタ54は、エンジンの気筒数にあわせて装着されており、エンジンコントロールユニット(ECU)40の信号にて燃料を噴射する。またエンジンコントロールユニット(ECU)40は、高圧燃料ポンプ内の電磁吸入弁機構50を制御している。
本発明は図1の電磁吸入弁機構50の改良に関するものであるが、高圧燃料ポンプの各部機能についてそれぞれさらに詳しく説明する。
まず、加圧室11によりポンプを動作するための内燃機関との接続関係について説明する。加圧室11下部のプランジャ2は、シリンダ120に摺動可能に挿入されており、下端にはリテーナ3が取り付けられている。リテーナ3にはプランジャ戻しばね4の付勢力が図1の下方向に作用している。タペット6は、内燃機関のカム7の回転により、図1の上下方向に往復する。プランジャ2はタペット6に追従して変位するため、これにより加圧室11の容積が変化してポンプ動作が可能となる。
次に電磁吸入弁機構50の構成について説明する。電磁吸入弁機構50はボディ1に形成された孔部に圧入及び溶接にて保持されている。電磁吸入弁機構50は電磁コイル500、可動子503、アンカーばね502、弁体ばね504が配されている。図1では可動部503が1部材で形成されているが、可動部503は磁気コアに吸引される磁気吸引面を形成するアンカーと、アンカーにより閉弁方向(図1の左方向)に駆動されるロッドの2部材から形成してもよい。
図1はノーマルオープン方式の電磁吸入弁機構50を用いたエンジンシステムを示しているが、本発明はこれに限定されない。つまりノーマルクローズ方式の電磁吸入弁機構を備えた場合であっても適用可能である。
電磁コイル500がOFFの状態で開弁状態、ONの状態で閉弁状態となる電磁吸入弁機構をノーマルオープン方式の電磁吸入弁機構と称する。吸入弁501には、アンカーばね502の付勢力が可動部503を介して開弁方向に作用し、一方で弁体ばね504による付勢力が閉弁方向に作用している。ここで、アンカーばね502の付勢力は弁体ばね504の付勢力より大きい。そのため、電磁コイル500がOFF時、つまり無通電時においては、アンカーばね502によって付勢された可動子503により吸入弁501が弁体ばね504の付勢力に打ち勝つため、吸入弁501は開弁状態となっている。なお、これとは動作が逆転する、すなわち電磁コイル500がOFF(無通電)時、吸入弁501が閉弁状態となるノーマルクローズ方式と称する電磁弁方式を用いたシステムを前提にしても、同様に本発明を実施することが可能である。
次に、高圧燃料ポンプの動作および流量制御方法について説明する。まず内燃機関のカム7の回転により、プランジャ2が図1の下方向に変位すると加圧室11の容積は増加し、その中の燃料圧力は低下する。そして加圧室11内の燃料圧力が吸入通路9の燃料圧力よりも低くなり、差圧による付勢力が弁体ばね504の付勢力を上回ると、吸入弁501が開弁方向に移動し、燃料が加圧室11内に吸入される。なお、プランジャ2がTDC(Top Dead Center)に至る前に電磁コイル500をOFFとした場合には、差圧による付勢力に加え、アンカーばね502の付勢力が吸入弁501に対して、開弁方向にかかることになる。この工程を吸入行程と呼ぶ。
その後、プランジャ2がBDC(Bottom Dead Center)に至った後に再び上方向に移動を開始するが、この際、電磁コイル500がOFFの状態となっている。するとアンカーばね502の付勢力が可動部503を介して吸入弁501に作用しているため、プランジャ2が上方向に移動しても可動部503により吸入弁501の開弁状態が維持される。この場合、加圧室11の圧力は吸入通路9とほぼ同等の低圧状態となるため、吐出弁8を開弁することができず、加圧室11の容積減少分の燃料は、吸入弁501を通り、ダンパー室51側に戻される。この工程を戻し工程と呼ぶ。ダンパー室51には燃料圧力の脈動を低減する2枚張りの金属ダイアフラムで構成される金属ダンパーが配置される。
戻し工程において電磁コイル500へ通電すると、磁気吸引力により磁気コア5に可動子503が吸引され、この磁気吸引力がアンカーばね502の付勢力に打ち勝って、可動部503が閉弁方向に移動する。そして、弁体ばね504の付勢力および戻り燃料の流体差圧力により、弁体501は閉弁する。吸入弁501が閉弁した直後から加圧室11内の燃料圧力は、プランジャ2の上昇と共に上昇する。これにより吐出弁8が自動的に開弁し、燃料がコモンレール53に圧送される。
以上のように電磁吸入弁機構50の電磁コイル500をON状態にするタイミングを調節することで、ポンプが吐出する流量を制御することができる。すなわち、電磁コイル500をON状態とするタイミングを早くすると吐出流量を増やすことができ、逆に遅くすることで吐出流量を減らすことが可能である。なお、リリーフ弁機構30は、リリーフ弁シート150に着座するリリーフ弁151とリリーフ弁151を閉弁方向に付勢するリリーフばね155を備える。燃料噴射弁54の故障などにより、コモンレール53が異常に高圧となり、設定圧力を超えた場合に、リリーフ弁機構30が開弁し、異常高圧燃料がリリーフr通路15を通って、加圧室11に戻るように機能する。
図1下図の拡大図Aは図1上図に示す吸入弁501と形状は異なるが、吸入弁の拡大断面図を示す。図1下図の拡大図Aにおいて、電磁吸入弁機構50は、吸入弁501、吸入弁501を閉弁方向に付勢する弁体ばね504、吸入弁501が着座するシート部505、吸入弁501の開弁方向への動きを規制するストッパ部506、吸入弁501を開弁方向に付勢するロッド部507を備える。ストッパ部506を形成するストッパ部材はシート部505を形成するシート部材の内周面に圧入されている。
ここで図2を用いて本発明の実施例1について説明する。本実施例の高圧燃料ポンプは、流路を開閉する吸入弁501と、吸入弁501が着座するシート部505と、開弁時に吸入弁501のシート部501と反対側に向かう動きを規制するストッパ部506と、吸入弁501と別体に構成され吸入弁501をストッパ部506に向かって付勢するロッドと、を備えている。そして吸入弁501は、中央部509と、中央部509の径方向外側において中央部509の下流面から上流に向かって形成されるとともに中央部509に対して軸方向厚みが薄くなる外周部511とで形成される。
つまり、電磁吸入弁機構50は、弁体上流部508で流路を開閉する吸入弁501と、閉弁時に吸入弁501を保持するシート部505と、開弁時に吸入弁501を保持するストッパ部506と、吸入弁501と別体に構成され吸入弁501を付勢するロッド部507と、吸入弁501をロッド部507に向かって付勢する弁体ばね504とを備える。そして図2に示すように中央部509は軸方向厚みが径方向外側に向かうにつれて薄くなるように構成されることが望ましい。吸入弁501は板厚(軸方向厚み)が最外周部510に向かうにつれて薄くなるように構成され、かつ、上流側に凹む曲面部511が形成されている。弁体ばね504の一端は吸入弁501の中央部509の内径側のばね接触部512と接触することで吸入弁501を閉弁方向に付勢する。本実施例では、ばね接触部512は中央部509と同じ傾きで同一面上に形成されるように構成される。
また図2に示すように、外周部511は中央部509と繋がって形成され、外周部511の下流面は上流側に凹む曲面部を有するように構成されることが望ましい。また外周部511の全てが中央部509の下流面の全てに対して上流側に位置するように構成されることが望ましい。さらに中央部509の下流面が吸入弁501の開弁方向への動きを規制するストッパ部506に衝突するように構成されることが望ましい。さらに外周部511の下流面の曲面部は、吸入弁501の最外周部に形成されることが望ましい。
以上の通り、吸入弁501の軸方向厚みが最外周部510に向かうにつれて薄くなり、上流側に凹む曲面部511が形成されていれば、吸入弁501の質量が軽くなるため、高圧燃料ポンプの騒音を低減できる。
また、図3の電磁吸入弁機構50の断面図に示すように、吸入弁501の軸方向厚みtは最外周部510(半径R)から中央部509の根元部514(半径R)にかけて以下の(数1)と(数2)で示す軸方向厚み以上となるように形成する。なお、本実施例において吸入弁501は径方向中心に最も軸方向厚みが大きくなり、弁体ばね504の内周部にガイドされるガイド部を有する。つまり、中央部509はガイド部に対して径方向外側に形成される。
このとき本実施例では吸入弁501の軸方向厚みt(x)を以下の(数1)に満たす関係とする。なお、Rはストッパ接触部513までの半径、tは根元部514の軸方向厚みである。
Figure 0006855343
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図4に示す様に、長さR−R、幅xθの片持ちはりの端部に集中荷重Fが作用した場合を考える。はりの各断面に作用するモーメントM(x)は(数3)のように表せ、曲げ応力σ(x)は(数4)で表せる。(数4)を(数3)で整理すると、曲げ応力σ(x)は(数5)で表せる。図1の拡大図Aで示す通り、板厚tが一定の場合、応力σ(x)が最大となるのは根本部(x=R−R)となる。この根本部の応力σは(数6)で表せる。σ(x)とσの関係が常にσ(x)≦σを満たす板厚t(x)は(数1)に示す通りである。これにより、吸入弁501とストッパ部506の接触時に加わる吸入弁501の最外周部510から根元部514にかけての応力を根元部514に加わる応力以下とすることができる。
Figure 0006855343
Figure 0006855343
Figure 0006855343
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吸入弁501の軸方向厚みt(x)を上記した(数2)に満たす関係とすることが望ましい。図5に示す様に、長さR−R、幅xθの片持ちはりの端部に燃料圧力pが作用した場合を考える。はりの各断面に作用するモーメントM(x)は(数7)で表せ、曲げ応力σ(x)は(数3)で表せる。(数7)を(数3)で整理すると、曲げ応力σ(x)は(数8)で表せる。図1の拡大図Aで示す通り、板厚tが一定の場合、応力σ(x)が最大となるのは根本部(x=R−R)となる。この根本部の応力σssは(数9)で表せる。σ(x)とσssの関係が常にσ(x)≦σを満たす板厚t(x)は(数1)に示した通りである。これにより吸入弁下流側全面に燃圧が加わる時、吸入弁501の最外周部510から根元部514にかけての応力を根元部514に加わる応力以下とすることができる。したがって、吸入弁501の破損を防止することができる。
Figure 0006855343
Figure 0006855343
Figure 0006855343
図6を用いて本発明の実施例2を説明する。実施例1と基本的な構成は同様であるため、ここでは異なる点のみについて説明する。図6の電磁吸入弁機構50の断面図に示すように、吸入弁501は中央部509の内径側に弁体ばね504とのばね接触部512を有する。ここで本実施例では、中央部509の下流面は弁体ばね504とのばね接触部512を備え、ばね接触部512は弁体ばね504の軸方向(図6の左右方向)と直交する方向(図6の上下方向)に平坦に形成されている。
これにより、弁体ばね504とばね接触部512が均一に接触するため、弁体ばね504から吸入弁501が受ける付勢力を安定にすることができる。したがって、吸入弁501が暴れることを抑制でき、信頼性の高い電磁吸入弁機構50を提供することが可能である。
図7を用いて本発明の実施例3を説明する。実施例1と基本的な構成は同様であるため、ここでは異なる点のみについて説明する。図7の電磁吸入弁機構50の断面図に示すように、吸入弁501は、ストッパ部506とのストッパ接触部513が平坦部となるように構成される。つまり、中央部509の下流面は、ストッパ部506とのストッパ接触部513を備え、ストッパ接触部513は弁体ばね504と直交する方向に平坦に形成される。
吸入弁501は、ストッパ部506との接触部513が平坦であると、弁体501がストッパ部506に対し局所的に接触することがなく、吸入弁501の摩耗を防止することができる。
図8を用いて本発明の実施例4を説明する。実施例1、又は実施例4と基本的な構成は同様であるため、ここでは異なる点のみについて説明する。図8の電磁吸入弁機構50の断面図に示すように、吸入弁501の最外周部510は曲面、あるいは一定の厚みを有することが望ましい。
吸入弁501の最外周部510が尖った形をしていると、吸入弁501を旋盤加工により製作する際に最外周部510を固定できず、加工性が低下する。上記構成により、これを抑制し、吸入弁501の加工を容易化する。
図9を用いて本発明の実施例5を説明する。実施例1と基本的な構成は同様であるため、ここでは異なる点のみについて説明する。図9の断面図に示すように、電磁吸入弁機構50は吸入弁501、弁体ばね504、シート部505、ストッパ部506、ロッド部507、最外周部510、ストッパ接触部513、吸入弁501の中央部509、中央部509の根元部514を備える。
本実施例では、最外周部510からストッパ接触部513に向けて軸方向厚みが薄くなるように構成され、かつ上流側に凹む曲面部511が形成され、かつストッパ接触部513から中央部根元部514にかけて軸方向厚みが一定とする。
つまり本実施例では、吸入弁501の中央部509は軸方向厚みが一定の平板形状で構成される。具体的には吸入弁501は、ストッパ部506とのストッパ接触部513から最外周部510に向かうにつれて曲面形状の外周部511が形成され、かつストッパ接触部513から径方向内側に向かって軸方向厚みが一定の中央部509が形成される。そして、上記したように外周部511の下流面が上流側に凹む曲面部を有するように形成されるものである。
これにより、ストッパ部506と吸入弁501の接触による摩耗を防ぐことができる。ただし、吸入弁501の破損を防止するため、吸入弁501の軸方向厚みは実施例1に示す(数1)と(数2)に示す関係を満たすように構成されることが望ましい。
図10を用いて本発明の実施例6を説明する。実施例1、又は実施例5と基本的な構成は同様であるため、ここでは異なる点のみについて説明する。図10の電磁吸入弁機構50の断面図に示すように、吸入弁501の最外周部510は曲面、あるいは一定の厚みを有することが望ましい。
吸入弁501の最外周部510が尖った形をしていると、吸入弁501を旋盤加工により製作する際に固定できず、加工が困難となる。上記構成により、これを抑制し、吸入弁501の加工を容易化する。
本発明は、内燃機関の高圧燃料ポンプに限らず、各種の高圧ポンプに広く利用可能である。
1:ボディ
2:プランジャ
3:リテーナ
4:戻しばね
5:磁気コア
50:電磁吸入弁機構
501:吸入弁
502:アンカーばね
503:可動部
504:弁体ばね
505:シート部
506:ストッパ部
507:ロッド部
508:弁体上流部
509:中央部
510:最外周部
511:外周部(曲面部)
512:弁体ばね接触部
513:ストッパ接触部
514:根元部
6:タペット
7:カム
8:吐出弁
9:吸入通路
11:加圧室
12:吐出通路
15:リリーフ通路
53:コモンレール
54:インジェクタ
56:圧力センサ

Claims (7)

  1. 流路を開閉する吸入弁と、前記吸入弁が着座するシート部と、開弁時に前記吸入弁の前記シート部と反対側に向かう動きを規制するストッパ部と、前記吸入弁と別体に構成され前記吸入弁を前記ストッパ部に向かって付勢するロッドと、を備えた高圧燃料ポンプにおいて、
    前記吸入弁は、中央部と、前記中央部の径方向外側において前記中央部の下流面から上流に向かって形成されるとともに前記中央部に対して軸方向厚みが薄くなる外周部とで形成され
    前記中央部の下流面は、前記吸入弁の開弁方向への動きを規制するストッパ部に衝突するストッパ接触部を備え、
    前記外周部の全ては、前記中央部の下流面の全てに対して、上流側に位置するように構成され、
    前記外周部および前記シート部は、前記ストッパ接触部に対して径方向外側に配置され、
    前記外周部は、前記中央部と繋がって形成され、前記外周部の下流面が上流側に凹む曲面部を有し、
    前記曲面部は、前記吸入弁の径方向において、前記シート部と重複する部位に設けられている高圧燃料ポンプ。
  2. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記中央部は軸方向厚みが一定の平板形状で構成された高圧燃料ポンプ。
  3. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記中央部は軸方向厚みが径方向外側に向かうにつれて薄くなるように構成された高圧燃料ポンプ。
  4. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記吸入弁を閉弁方向に付勢する弁体ばねを備え、前記中央部の下流面は前記弁体ばねとのばね接触部を備え、前記ばね接触部は前記弁体ばねと直交する方向に平坦に形成された高圧燃料ポンプ。
  5. 請求項1に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記吸入弁を閉弁方向に付勢する弁体ばねを備え、前記ストッパ接触部は前記弁体ばねと直交する方向に平坦に形成された高圧燃料ポンプ。
  6. 請求項において記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    前記曲面部は、前記吸入弁の最外周部に形成された高圧燃料ポンプ。
  7. 請求項2に記載の高圧燃料ポンプにおいて、
    記ストッパ接触部から径方向内側に向かって軸方向厚みが一定の前記中央部が形成された高圧燃料ポンプ。
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