JP7139974B2 - 燃料噴射ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射ポンプに関する。

従来、加圧室に吸入された燃料をプランジャの往復移動により加圧し、高圧燃料を吐出する燃料噴射ポンプが知られている。例えば特許文献１に開示された高圧燃料供給ポンプは、燃料吸入行程において吸入弁が開弁すると、ダンパ室を通った燃料が吸入ポートからシート部材の開口部を通り、「ポンプボディ１に横方向に形成された穴１ｆ」を介して加圧室に流入する。

特開２０１８－８７５４８号公報

特許文献１の高圧燃料供給ポンプにおいて吸入弁と加圧室とを連通する「ポンプボディ１に横方向に形成された穴１ｆ」を、本明細書では「吸入通路」という。特許文献１の図１、図２に示されるように、特許文献１の高圧燃料供給ポンプでは、プランジャの軸方向及び径方向の各断面において、吸入通路の軸がプランジャの軸と直交している。

この構成では、燃料吸入行程において吸入通路から加圧室内に吸入された燃料は、吸入通路と対向する内壁に衝突し、内壁に沿ってプランジャ側へ流れる。すると、加圧室上部の圧力回復に伴って燃料が引っ張られ、プランジャの周りを取り囲む燃料の流れが発生する。その結果、周方向における吸入通路とは反対側のプランジャ上端部付近に局所的負圧が発生するという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、燃料吸入行程における加圧室内の局所的負圧を抑制する燃料噴射ポンプを提供することにある。

本発明の燃料噴射ポンプは、燃料の通路が形成されたシリンダ（２０）と、プランジャ（４０）と、を備える。プランジャは、シリンダに形成された摺動穴（３０）の内壁に沿って最上点から最下点まで往復して摺動し、摺動穴の最上点側の端部に形成された加圧室（３３）内の燃料を加圧する。燃料吸入行程において、プランジャが下降しつつ、吸入通路（２１）から加圧室に燃料が吸入される。吸入通路は、プランジャの摺動方向の軸であるプランジャ軸（Ｚ）に対して側方から加圧室に連通している。

本発明の燃料噴射ポンプは、燃料吸入行程における燃料の流れがプランジャ軸に対して旋回流となるように燃料を導く「旋回流生成部」として、一つ以上の内壁凹部（２５）が形成されている。内壁凹部は、加圧室の内壁の周方向の一部であってプランジャ軸の方向から視たとき吸入通路の軸に対して非対称な位置に、径外方向に凹む。内壁凹部は、少なくとも一部が吸入通路と重なるように形成されている。これにより、加圧室上部の圧力回復時に、プランジャの周りを取り囲む燃料の流れの発生が防止される。したがって、プランジャ上端部付近における局所的負圧を抑制することができる。

参考態様では、吸入通路の軸（Ｘ）は、プランジャ軸を含む平面からずれた位置に配置されており、吸入通路が加圧室の内壁に非直角に交わる偏心入口（２３）が「旋回流生成部」として形成されている。

別の参考態様では、吸入通路の軸（Ｘ）は、加圧室の径方向外側からプランジャ軸に向かって、プランジャの最下点側に傾斜している。これにより、吸入通路から加圧室内に吸入された燃料は、吸入通路とは反対側のプランジャ上端部付近に直接流れ込む。したがって、上部から引っ張られる燃料と新たに補給される燃料とがバランスを保ち、局所的負圧が発生しにくくなる。

燃料噴射ポンプが適用されるコモンレールシステムの全体構成図。 燃料噴射ポンプの全体断面図。 比較例の燃料噴射ポンプの（ａ）プランジャ径方向の断面図（図３（ｂ）のＩＩＩａ－ＩＩＩａ線断面図）、（ｂ）プランジャ軸方向の断面図（図２のＩＩＩｂ部拡大図）。 比較例の燃料噴射ポンプにおける局所的負圧を説明する（ａ）プランジャ径方向の拡大断面図（図４（ｂ）のＩＶａ－ＩＶａ線断面図）、（ｂ）プランジャ軸方向の拡大断面図。 第１実施形態による燃料噴射ポンプの（ａ）プランジャ径方向の断面図（図５（ｂ）のＶａ－Ｖａ線断面図）、（ｂ）プランジャ軸方向の断面図。 （ａ）第１実施形態の他の配置例を示す図、（ｂ）同、（ｃ）同。 第２実施形態による燃料噴射ポンプの（ａ）プランジャ径方向の断面図（図７（ｂ）のＶＩＩａ－ＶＩＩａ線断面図）、（ｂ）プランジャ軸方向の断面図。 （ａ）第２実施形態の他の配置例を示す図、（ｂ）同、（ｃ）同。 第２実施形態から除外される内壁凹部の配置例を示す図。 第３実施形態による燃料噴射ポンプの（ａ）プランジャ径方向の断面図（図１０（ｂ）のＸａ－Ｘａ線断面図）、（ｂ）プランジャ軸方向の断面図。 その他の実施形態のプランジャ軸に沿った拡大断面図。 その他の実施形態のプランジャの（ａ）上面図（図１２（ｂ）のＸＩＩａ方向矢視図）、（ｂ）正面図。

以下、燃料噴射ポンプの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態及び比較例において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、第１～第３実施形態を包括して「本実施形態」という。第２実施形態が特許請求の範囲に記載の発明を実施するための形態に相当し、第１実施形態及び第３実施形態は参考形態である。本実施形態の燃料噴射ポンプ１０は、例えばディーゼルエンジンのコモンレールシステムにおいて高圧燃料をコモンレールに圧送するサプライポンプとして適用される。

［コモンレールシステム］
最初に図１を参照し、コモンレールシステムの全体構成を説明する。コモンレールシステムは、燃料タンク１、燃料噴射ポンプ１０、コモンレール６、複数の燃料噴射弁８等がそれぞれパイプで接続されて構成されている。燃料タンク１と燃料噴射ポンプ１０とは低圧燃料パイプ２で接続されており、低圧燃料パイプ２の途中には、異物を除去するための燃料フィルタ３が設けられている。

燃料噴射ポンプ１０とコモンレール６との間はレール前高圧燃料パイプ５で接続されている。コモンレール６と複数の燃料噴射弁８との間は複数のレール後高圧燃料パイプ７で接続されている。燃料噴射ポンプ１０は、燃料タンク１から吸入した低圧燃料を加圧し、高圧燃料をコモンレール６に供給する。調量弁４は、ＥＣＵ９からの指示に従い、燃料噴射ポンプ１０に吸入される燃料を調量する。なお、コモンレールシステムにおいてＥＣＵ９が入出力する他の信号線の図示及び説明を省略する。

コモンレール６に供給された高圧燃料は、複数（図１の例では４つ）の燃料噴射弁８に分配される。燃料噴射弁８は、エンジンの気筒に燃料を噴射する。燃料噴射ポンプ１０、コモンレール６又は燃料噴射弁８において下流側に供給されず、又は噴射により消費されない燃料は、リターン配管を経由して燃料タンク１に戻される。

［燃料噴射ポンプ］
図２に燃料噴射ポンプ１０の全体構成を示す。以下、燃料噴射ポンプ１０の構成の説明において、便宜上、図２の上方を「上」とし、図２の下方を「下」とする。ただし、実際の搭載時の姿勢は、図の上下方向と鉛直方向とが必ずしも一致しなくてよい。

燃料噴射ポンプ１０のハウジング５０には、プランジャ４０の駆動機構として、カム５１、ローラ５２、シュー５３、タペット５４、リターンスプリング５５、シート５６等が設けられている。カム５１は図示しないカムシャフトと共に回転する。ローラ５２はシュー５３に回転自在に支持され、カム５１面に当接している。タペット５４は、カム５１の回転がローラ５２及びシュー５３を介して伝達され、摺動壁５７に沿って往復移動する。リターンスプリング５５は、プランジャ４０の下端に接続されたシート５６を介してタペット５４をカム５１側に付勢する。

ローラ５２との接点においてカム５１が短径側から長径側に回転すると、リターンスプリング５５の付勢力に抗してタペット５４が上昇し、それに伴ってプランジャ４０が上昇する。また、ローラ５２との接点においてカム５１が長径側から短径側に回転すると、リターンスプリング５５の付勢力によりタペット５４が下降し、それに伴ってプランジャ４０が下降する。

ハウジング５０の上部には、燃料の通路が形成されたシリンダ２０が設けられる。プランジャ４０は、上記の駆動機構により、シリンダ２０に形成された摺動穴３０の内壁に沿って最上点から最下点まで往復して摺動する。そして、プランジャ４０は、上昇時、摺動穴３０の最上点側の端部に形成された加圧室３３内の燃料を加圧する。

加圧室３３の上流側には、調量弁４により開閉が制御される吸入弁１８が設けられており、シリンダ２０には、吸入弁１８と加圧室３３とを連通する吸入通路２１が形成されている。また、加圧室３３の下流側には、図２の断面とは異なる断面において、加圧室３３で加圧された高圧燃料が吐出される吐出通路、及び、吐出通路を開閉する吐出弁が設けられている。

周知の通り、この種の燃料噴射ポンプ１０は、プランジャ４０の往復移動、吸入弁１８及び吐出弁の動作等により、燃料吸入行程、加圧行程、及び、吐出行程を繰り返すことにより、吸引した燃料を加圧してコモンレール６に圧送する。その燃料吸入行程において、プランジャ４０が下降しつつ、吸入通路２１から加圧室３３に燃料が吸入される。以下、プランジャの摺動方向の軸を「プランジャ軸Ｚ」と記す。複数の実施形態及び比較例に共通する前提構成として、吸入通路２１は、プランジャ軸Ｚに対して側方から加圧室３３に連通している。

ここで図３、図４を参照し、比較例の燃料噴射ポンプ１０９における課題を説明する。比較例の燃料噴射ポンプ１０９は、特許文献１（特開２０１８－８７５４８号公報）の従来技術に相当するものである。図３（ａ）、（ｂ）には、吸入弁１８の開弁時におけるプランジャ径方向及び軸方向の吸入通路２１及び加圧室３３の断面を示す。

摺動穴３０は、上底部において吸入通路２１が連通する第１径部３１が、摺動部の大半を占める第２径部３２よりもやや小径となるように段差が形成されている。また、プランジャ４０は、第１径部３１に嵌合可能な小径の上端部４１と、第２径部３２と摺動する大径の本体部４２とが段状に形成されている。プランジャ４０の最上点では、上端部４１が第１径部３１に嵌まり込み、加圧室３３の容積を減少させる。プランジャ４０の最下点では、上端部４１が第１径部３１から脱離し、加圧室３３の容積を増大させる。

ここで、比較例の燃料噴射ポンプ１０９では、プランジャ４０の軸方向及び径方向の各断面において、吸入通路２１の軸Ｘがプランジャ軸Ｚと直交している。そのため、プランジャ軸Ｚの方向から視た図３（ａ）において、吸入通路２１の軸Ｘは、プランジャ軸Ｚと同一平面上に存在する。さらに、吸入弁１８の軸もプランジャ軸Ｚと同一平面上にあるものとし、その軸を「吸入弁基準軸Ｘｏ」と記す。つまり、比較例の燃料噴射ポンプ１０９では、吸入通路２１の軸Ｘは吸入弁基準軸Ｘｏに一致している。また、加圧室３３と連通する吐出通路２２がシリンダ２０に形成されている。図３（ａ）の吐出通路２２は、吸入通路２１と直交方向に配置されているが、これに限らず、吐出通路２２は、吸入通路２１と干渉しない周方向のどの方向に配置されてもよい。

この構成では、燃料吸入行程において吸入通路２１から加圧室３３内に吸入された燃料は、図３（ｂ）に矢印で示すように、吸入通路２１と対向する内壁に衝突し、内壁に沿ってプランジャ４０側へ流れる。すると、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、加圧室３３上部の圧力回復に伴って燃料が引っ張られ、プランジャ４０の周りを取り囲む燃料の流れＦｒｄが発生する。その結果、周方向における吸入通路２１とは反対側のプランジャ上端部４１付近（図中＊部）に局所的負圧が発生するという問題がある。

［吸入通路及び加圧室の構成］
そこで本実施形態では、燃料吸入行程における加圧室３３内の局所的負圧を抑制することを課題とする。そして本実施形態では、比較例に対し、吸入通路２１の配置、又は、加圧室３３の形状を変更する。以下、具体的な解決手段について実施形態毎に説明する。各実施形態の燃料噴射ポンプの符号は、「１０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。

（第１実施形態）
図５、図６を参照し、第１実施形態の燃料噴射ポンプ１０１について説明する。第１実施形態及び第２実施形態では、加圧室３３に吸入された燃料の旋回流を生成する「旋回流生成部」を有することで、局所的負圧の抑制を図る。そのうち第１実施形態では、比較例の燃料噴射ポンプ１０９に対し吸入通路２１の配置を変えることで旋回流を生成する。

代表例として図５に示すように、燃料噴射ポンプ１０１は、吸入通路２１の軸Ｘがプランジャ軸Ｚを含む平面からずれた位置に配置されている。言い換えれば、吸入通路２１の軸Ｘは、プランジャ軸Ｚと同一平面上に配置されていない。そして、加圧室３３における吸入通路２１の入口において、吸入通路２１は加圧室３３の内壁と直交しない。つまり、吸入通路２１が加圧室３３の内壁に非直角に交わる「偏心入口２３」が「旋回流生成部」として形成されている。

図５（ａ）及び図６では、比較例の図３（ａ）に準じ、吸入弁基準軸Ｘｏがプランジャ軸Ｚと同一平面上にあるものとする。図５（ａ）の配置例では、吸入通路２１の軸Ｘは、吸入弁１８から加圧室３３に向かって吐出通路２２とは反対側に傾くように、吸入弁基準軸Ｘｏに交差している。そのため、吸入通路２１から偏心入口２３を通って加圧室３３に流入した燃料は、図５（ｂ）に示すように、旋回流Ｆｓｐとなってプランジャ４０側へ流れる。これにより、加圧室３３上部の圧力回復時に、プランジャ４０の周りを取り囲む燃料の流れの発生が防止される。したがって、プランジャ上端部４１付近における局所的負圧を抑制することができる。

図６に、偏心入口２３が形成される他の配置例を示す。図６（ａ）の配置例では、吸入通路２１の軸Ｘは、吸入弁１８から加圧室３３に向かって吐出通路２２側に傾くように、吸入弁基準軸Ｘｏに交差している。図６（ｂ）の配置例では、吸入通路２１の軸Ｘは、吸入弁基準軸Ｘｏに対し吐出通路２２とは反対側に平行にオフセットしている。図６（ｃ）の配置例では、吸入通路２１の軸Ｘは、吸入弁基準軸Ｘｏに対し吐出通路２２と同じ側に平行にオフセットしている。これらの配置例ではいずれも、吸入通路２１の軸Ｘがプランジャ軸Ｐを含む平面からずれた位置に配置されており、吸入通路２１が加圧室３３の内壁に非直角に交わる偏心入口２３が形成されている。したがって、旋回流Ｆｓｐの生成による局所的負圧の抑制効果が得られる。

なお、図５（ａ）、図６において、吸入弁１８の軸がプランジャ軸Ｚと同一平面上にない構成であってもよい。つまり、吸入弁１８の軸は、プランジャ軸Ｚを含む平面に対して傾いていても、オフセットしていてもよい。要するに、吸入弁１８の軸と吸入通路２１の軸Ｘとの位置関係は任意に変更可能である。故に、図５（ａ）と図６（ｂ）との配置例、及び、図６（ａ）と図６（ｃ）との配置例には本質的に違いはない。

（第２実施形態）
次に、図７～図９を参照し、第２実施形態の燃料噴射ポンプ１０２について説明する。第２実施形態は、「旋回流生成部」の構成が第１実施形態と異なる。代表例として図７に示すように、燃料噴射ポンプ１０２は、加圧室３３の内壁の周方向の一部に、径外方向に凹む一つ以上の「内壁凹部２５」が「旋回流生成部」として形成されている。また、内壁凹部２５は、プランジャ軸Ｚの方向から視たとき吸入通路２１の軸Ｘに対して非対称な位置に形成されている。例えば内壁凹部２５は、内壁が真円に加工された後、特定箇所がさらに掘り込み加工されることで形成される。

これにより、吸入通路２１から加圧室３３に流入した燃料が内壁凹部２５に導かれて流れるため、旋回流Ｆｓｐが生成される。したがって、第１実施形態と同様に局所的負圧の抑制効果が得られる。

特に、図７（ａ）に示す例では、内壁凹部２５は、吸入通路２１の軸Ｘに対し吐出通路２２側で、吐出通路２２及び吸入通路２１の両方と重なるように形成されている。内壁凹部２５の少なくとも一部が吸入通路２１と重なることで、加圧室３３に流入した直後の燃料に対し、流れを誘導する効果が及ぶ。したがって、特にプランジャ４０の最上点付近での吸入初期の旋回流Ｆｓｐの生成に有効である。

図８に、内壁凹部２５の他の配置例を示す。図８（ａ）の内壁凹部２５は、吸入通路２１の軸Ｘに対し吐出通路２２とは反対側で、吐出通路２２とは重ならず、吸入通路２１と重なるように形成されている。図８（ｂ）の内壁凹部２５は、吸入通路２１とは重ならず、吐出通路２２と重なるように形成されている。図８（ｃ）の内壁凹部２５は、吸入通路２１とも吐出通路２２とも重ならず、且つ、プランジャ軸Ｚの方向から視たとき吸入通路２１の軸Ｘに対して非対称な位置に形成されている。また、その他の例では、加圧室３３の内壁の二か所以上に内壁凹部２５が形成されてもよい。

これらの配置例では、いずれも旋回流Ｆｓｐの生成による局所的負圧の抑制効果が得られる。また、図８（ａ）の例では、図７（ａ）の例と同様に、内壁凹部２５の少なくとも一部が吸入通路２１と重なるため、プランジャ４０の最上点付近での吸入初期の旋回流Ｆｓｐの生成に有効である。

参考までに図９に、第２実施形態から除外される内壁凹部２５の配置例を示す。図９の内壁凹部２５は、吸入通路の軸Ｘ上で吸入通路２１と対向する位置、すなわち、吸入通路２１の軸Ｘに対して対称な位置に形成されている。この配置では、吸入通路２１から流入した左回りの燃料と右回りの燃料とが相殺し、旋回流Ｆｓｐが生成されないため、不適切な配置として除外される。また、二か所以上に内壁凹部２５が形成される場合も、吸入通路２１の軸Ｘに対して非対称な位置に形成される必要がある。

（第３実施形態）
次に、図１０を参照し、第３実施形態の燃料噴射ポンプ１０３について説明する。第３実施形態は、第１、第２実施形態の「旋回流生成部」とは別の手段で、燃料吸入行程における加圧室３３内の局所的負圧を抑制する。図１０（ｂ）に示すように、燃料噴射ポンプ１０３の吸入通路２１の軸Ｘは、加圧室３３の径方向外側からプランジャ軸Ｚに向かって、プランジャ４０の最下点側に傾斜している。一方、径方向断面における吸入通路２１の軸Ｘの位置は、図１０（ａ）に示すように、プランジャ軸Ｚと同一平面上に配置されてもよい。或いは第１実施形態の図５、図６と同様に、吸入通路２１の軸Ｘは、プランジャ軸Ｚを含む平面からずれた位置に配置されてもよい。

第３実施形態では、吸入通路２１から加圧室３３内に吸入された燃料は、吸入通路２１とは反対側のプランジャ上端部４１付近に直接流れ込む。したがって、上部から引っ張られる燃料と新たに補給される燃料とがバランスを保ち、局所的負圧が発生しにくくなる。また、第１実施形態と組み合わせた場合は、偏心入口２３による旋回流生成作用との相乗効果が得られる。

（その他の実施形態）
（ａ）第１実施形態の偏心入口２３、及び、第２実施形態の内壁凹部２５以外の「旋回流生成部」として、図１１に示すように、加圧室３３の内壁に螺旋状の凹溝２６が形成されてもよい。この螺旋状の凹溝２６は、第２実施形態の内壁凹部２５が連続的に形成されたものと解釈することもできる。そのため、吸入通路２１の軸は、プランジャ軸Ｚと同一平面上に配置されてもよいし、プランジャ軸Ｚを含む平面からずれた位置に配置されてもよい。加圧室３３に吸入された燃料は、螺旋状の凹溝２６に沿って旋回流となる。

（ｂ）第１、第２実施形態では、シリンダ２０側に旋回流生成部が形成されているが、プランジャ側に旋回流生成部が形成されてもよい。例えば図１２に示すように、プランジャ４５の上端部４１の軸Ｚａを本体部４２の軸Ｚに対して偏心させてもよい。

（ｃ）プランジャ４０の駆動機構は、図２に示したカム及びリターンスプリングによる機構に限らず、アクチュエータ等を用いた他の駆動機構が用いられてもよい。また、本発明の燃料噴射ポンプは、ディーゼルエンジン以外の用途に使用されてもよい。

以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０（１０１－１０３）・・・燃料噴射ポンプ、
２０・・・シリンダ、 ２１・・・吸入通路、
２３・・・偏心入口（旋回流生成部）、
２５・・・内壁凹部（旋回流生成部）、
３０・・・摺動穴、 ３３・・・加圧室、
４０・・・プランジャ Ｚ・・・プランジャ軸。

Claims (1)

1. 燃料の通路が形成されたシリンダ（２０）と、
   前記シリンダに形成された摺動穴（３０）の内壁に沿って最上点から最下点まで往復して摺動し、前記摺動穴の最上点側の端部に形成された加圧室（３３）内の燃料を加圧するプランジャ（４０）と、
   を備え、燃料吸入行程において、前記プランジャが下降しつつ、吸入通路（２１）から前記加圧室に燃料が吸入される燃料噴射ポンプであって、
   前記吸入通路は、前記プランジャの摺動方向の軸であるプランジャ軸（Ｚ）に対して側方から前記加圧室に連通しており、
   燃料吸入行程における燃料の流れが前記プランジャ軸に対して旋回流となるように燃料を導く旋回流生成部として、
   前記加圧室の内壁の周方向の一部であって前記プランジャ軸の方向から視たとき前記吸入通路の軸（Ｘ）に対して非対称な位置に、径外方向に凹む一つ以上の内壁凹部（２５）が形成されており、
   前記内壁凹部は、少なくとも一部が前記吸入通路と重なるように形成されている燃料噴射ポンプ。

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