JP7367548B2 - 燃料供給ポンプ - Google Patents

Description

本開示は、容積式のフィードポンプから圧送される燃料を高圧ポンプで加圧して圧送する技術に関する。

容積式のフィードポンプから圧送される燃料を、プランジャの往復移動により高圧ポンプの加圧室に吸入して加圧し、高圧ポンプから圧送する技術が知られている。
例えば、下記特許文献１には、容積式のフィードポンプとして、２個の歯車の外歯同士が噛み合って回転し、高圧ポンプに燃料を圧送する歯車ポンプが開示されている。

高圧ポンプから圧送される燃料の圧送量は、例えば、プランジャがリフトする高圧ポンプの圧送行程において、加圧室の燃料入口側に設置された調量弁が閉弁するタイミングを制御するプレストローク方式により調量される。

独国特許出願公開第１０２００９０２８１６４号明細書

特許文献１に開示されているように、容積式のフィードポンプの場合、フィードポンプから高圧ポンプに圧送される燃料の圧力は増減を繰り返して変化する。このように圧力が変化する燃料を圧力が低いタイミングでプランジャが下降する吸入行程において加圧室に吸入しようとすると、加圧室に吸入される燃料量が減少する吸入不良により加圧室が負圧になる。

特に、エンジンの高速回転域では吸入工程の時間が短くなるので、加圧室に吸入される燃料の減少量が大きくなる。その結果、加圧室がさらに負圧になる。
加圧室への燃料の吸入不良により加圧室が負圧になっている状態で調量弁が閉弁すると、水撃圧が発生して加圧室の燃料入口側に圧力脈動が発生する。本願の発明者の詳細な検討の結果、この圧力脈動により、フィードポンプから加圧室に燃料を供給する燃料供給系を構成する部品に大きな圧力変化が加わるという課題が見出された。さらに、加圧室への燃料の吸入不良により、高圧ポンプから圧送される燃料量が減少するという課題が見出された。

特許文献１に記載された技術では、加圧室の燃料入口側の燃料供給系において、フィードポンプに並行してダンパを設置することにより、加圧室の燃料入口側に発生する圧力脈動を低減しようとしている。

しかしながら、特許文献１に記載された技術のように、加圧室の燃料入口側に発生する圧力脈動を低減するためにダンパを設置すると、部品点数が増加する。さらに、加圧室の燃料入口側に発生する圧力脈動を低減するためにダンパを設置しても、加圧室への燃料の吸入不良により、高圧ポンプから圧送される燃料量が減少するという課題は解決できない。

本開示の１つの局面は、新たな部品を追加することなく、加圧室に吸入される燃料の吸入不良を抑制する技術を提供することが望ましい。

本開示の１つの態様による燃料供給ポンプ（１０）は、容積式のフィードポンプ（３０、５０）と、フィードポンプから圧送される燃料を加圧して圧送する高圧ポンプ（６０）と、を備える。

高圧ポンプは、カム（８）の回転によって往復移動することにより、フィードポンプから圧送される燃料を加圧室に吸入して加圧するプランジャ（６４）と、開弁することによりフィードポンプから圧送される燃料を吸入する加圧室の燃料入口を開き、閉弁することにより燃料入口を閉じ、プランジャがリフトする高圧ポンプの圧送行程において閉弁する閉弁タイミングを制御されることにより、加圧室から圧送される燃料の圧送量を調量する調量弁（６６）と、を備える。フィードポンプが燃料を圧送する圧送周期と高圧ポンプが加圧室に燃料を吸入する吸入周期との位相は同期されている。

この構成によれば、プランジャが下降して加圧室に燃料を吸入する高圧ポンプの吸入行程に合わせて、フィードポンプが燃料を圧送するように、フィードポンプの圧送周期と高圧ポンプの吸入周期とを同期させることにより、新たな部品を追加することなく、高圧ポンプの吸入行程において、加圧室への燃料の吸入不良を抑制できる。これにより、加圧室に負圧が発生することを抑制できる。

その結果、高圧ポンプから圧送される燃料量を調量するために圧送行程において調量弁を閉弁しても、フィードポンプから加圧室に燃料を供給する燃料供給系に発生する圧力脈動を低減できる。

さらに、加圧室への燃料の吸入不良が抑制されることにより、高圧ポンプから圧送される燃料量の減少を低減できる。

第１実施形態による燃料供給システムを示すブロック図。 フィードポンプの構成を示す模式図。 カムの構成を示す模式図。 フィードポンプの他の構成を示す模式図。 加圧室の燃料入口側の圧力とプランジャのリフト量とを示すタイムチャート。 加圧室への吸入開始とフィードポンプによる圧送完了との位相差と圧力脈動との関係を示す特性図。 第２実施形態による燃料供給システムを示すブロック図。 フィードポンプから圧送される燃料の圧力と加圧室の燃料入口側の圧力とプランジャのリフト量とを示すタイムチャート。

以下、図を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示すように、本発明の第１実施形態による燃料供給システム２は、例えば図示しないディーゼルエンジンのコモンレールに燃料を供給する。燃料供給システム２は、燃料タンク４と燃料供給ポンプ１０とを備えている。

燃料供給ポンプ１０は、ハウジング１２、１４と、リリーフ弁２２と、フィードポンプ３０と、２個の高圧ポンプ６０とを備えている。高圧ポンプ６０は、１個でもよいし、複数であってもよい。

リリーフ弁２２とフィードポンプ３０とは、ハウジング１２内に収容されている。リリーフ弁２２は、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が所定圧を超えると開弁する。

図２に示すように、フィードポンプ３０は、容積式、且つ歯車式のトロコイドポンプである。容積式のポンプとは、往復運動または回転運動によりポンプ室の容積を変化させて流体を圧送するポンプである。

フィードポンプ３０は、外歯歯車３２と内歯歯車３６とを備えている。外歯歯車３２は、径方向外側に突出して等角度間隔に設置されている６個の外歯３４を有している。カムシャフト６に対する外歯歯車３２の回転方向の角度位置は、カムシャフト６のキー６ａが外歯歯車３２の内周側に嵌合することにより決定されている。

内歯歯車３６は、径方向内側に突出して等角度間隔に設置されている７個の内歯３８を有している。内歯歯車３６は外歯歯車３２に対して偏心して組み付けられている。
カムシャフト６の回転により外歯歯車３２が回転すると、外歯歯車３２の回転に伴い内歯歯車３６も回転する。このとき、外歯歯車３２と内歯歯車３６との間に形成される容積が増減することにより、フィードポンプ３０の図示しない吸入口から吸入された燃料タンクの燃料が加圧され、高圧ポンプ６０側の燃料供給通路１００に供給される。

第１実施形態では、フィードポンプ３０から高圧ポンプ６０に燃料を供給する燃料供給通路１００は、ハウジング１２、１４内に形成されている。
図１に示すように、２個の高圧ポンプ６０はそれぞれ、タペット６２と、プランジャ６４と、調量弁６６と、吐出弁６８とを備えている。

２個の高圧ポンプ６０のそれぞれのタペット６２は、カムシャフト６に設置された２個のカム８のいずれかと接触している。図３に示すように、カム８は、等角度間隔に形成された３個のカム山を有しているので、２個のカム８のカム山の合計は６個である。２個のカム８は、カム山の回転方向の位置を６０°ずらしてカムシャフト６に設置されている。

各タペット６２は、カム８の回転により、カムシャフト６が１回転する間に３回、直線方向に往復移動する。
プランジャ６４の一方の端部はタペット６２に取り付けられている。プランジャ６４は、タペット６２とともに往復移動する。プランジャ６４の他方の端部には、フィードポンプ３０から圧送される燃料を吸入する加圧室１１０が形成されている。

調量弁６６は、高圧ポンプ６０のプランジャ６４が下降する吸入行程において全開し、プランジャ６４がリフトする圧送行程において閉弁時期が制御される電磁弁である。調量弁６６が開弁することにより加圧室１１０の燃料入口側が開き、調量弁６６が閉弁することにより加圧室１１０の燃料入口側が閉じる。

調量弁６６の開閉タイミングは、図示しない電子制御装置により制御される。調量弁６６が閉弁している状態でプランジャ６４がリフトすると、加圧室１１０の燃料が加圧される。
高圧ポンプ６０から圧送される燃料量は、圧送行程において調量弁６６が閉弁するタイミングによって調量される。圧送行程において調量弁６６が閉弁するタイミングが早いほど、加圧室１１０で加圧される燃料量が多くなるので、圧送量は増加する。

吐出弁６８は、加圧室１１０の圧力が所定圧を越えると開弁する。吐出弁６８が開弁すると、加圧室１１０で加圧された燃料が燃料供給通路１２０を通り、高圧ポンプ６０から図示しないコモンレールに圧送される。

図２に示すフィードポンプ３０の外歯歯車３２の外歯３４の歯数は、２個のカム８のカム山の合計と同じ６個である。フィードポンプの外歯歯車の外歯の歯数は、カム８のカム山の合計と同じ数に限るものではなく、カム８のカム山の数の合計に対して１以上の倍数であればよい。例えば、図４に示すフィードポンプ５０のように、外歯歯車５２の外歯５４の歯数が１２個であってもよい。この場合、２個のカム８のカム山の合計である６個に対し、外歯歯車５２の外歯５４の歯数は２倍になる。

［１－２．フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相の同期］
次に、フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相の同期について説明する。ここで、フィードポンプ３０の圧送周期とは、例えば、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングの周期を表す。

また、高圧ポンプ６０の吸入周期とは、例えば、２個の高圧ポンプ６０のそれぞれのプランジャ６４が上死点に達し、高圧ポンプ６０のそれぞれが吸入行程を開始するタイミングの周期を表す。したがって、高圧ポンプ６０の吸入周期は、高圧ポンプ６０がｎ個の場合、１個の高圧ポンプ６０が吸入行程を開始するタイミングの１／ｎになる。

そして、フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相が同期していることは、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングと、高圧ポンプ６０のそれぞれが吸入行程を開始するタイミングとが同期していることを表す。

第１実施形態では、フィードポンプ３０から高圧ポンプ６０に燃料を圧送する燃料供給通路１００はハウジング１２、１４内に形成されているので、フィードポンプ３０から高圧ポンプ６０に燃料を供給する燃料供給通路１００の長さを極力短くすることができる。

したがって、第１実施形態では、フィードポンプ３０から圧送される燃料が高圧ポンプ６０の加圧室１１０に到達するまでの時間遅れは、無視できる範囲内である。つまり、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力変化と、加圧室１１０に吸入される燃料の圧力変化とに、位相のずれはないと考えられる。

そこで、図５に示すように、第１実施形態では、フィードポンプ３０からの燃料圧送が完了し、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力２００が最大になるタイミングが、高圧ポンプ６０の各プランジャ６４のリフト量２１０、２１２が吸入行程を開始する上死点になるタイミングと一致するように、フィードポンプ３０が燃料を圧送する圧送周期と高圧ポンプ６０が加圧室１１０に燃料を吸入する吸入周期との位相は同期されている。

つまり、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングが、高圧ポンプ６０の各プランジャ６４のリフト量２１０、２１２が上死点になるタイミングと一致するように、カム８の回転方向の角度位置に対し、フィードポンプ３０の外歯歯車３２と内歯歯車３６との回転方向の角度位置が設定されている。

［１－３．効果］
以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１ａ）フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングを、高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングと一致させることにより、新たな部品を追加することなく、高圧ポンプ６０の吸入行程において、加圧室１１０への燃料の吸入不良を抑制できる。

これにより、加圧室１１０に負圧が発生することを抑制できるので、高圧ポンプ６０から圧送される燃料量を調量するために圧送行程において調量弁６６を閉弁しても、フィードポンプ３０から加圧室１１０に燃料を供給する燃料供給系に発生する圧力脈動を低減できる。

第１実施形態では、フィードポンプ３０による圧送完了タイミングと吸入行程の開始タイミングとが一致している。これに対し、図６に示すように、角度範囲が５°以内であれば、高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングがフィードポンプ３０による圧送完了タイミングより進角してもよい。この場合にも、加圧室１１０に燃料を供給する燃料供給系に発生する圧力脈動の最大圧力を極力低減することができる。

（１ｂ）加圧室１１０への燃料の吸入不良が抑制されることにより、高圧ポンプ６０から圧送される燃料量の減少を抑制できる。
［２．第２実施形態］
［２－１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、フィードポンプ３０から高圧ポンプ６０に燃料を供給する燃料供給通路１００は、ハウジング１２、１４内に形成されている。これに対し、第２実施形態の燃料供給システム７０では、フィードポンプ３０から高圧ポンプ６０に燃料を供給する燃料供給通路１００は、ハウジング１２内から一旦、ハウジング１２、１４の外部の燃料フィルタ７２と配管とを通り、ハウジング１４内を通って加圧室１１０に燃料を供給する点で、第１実施形態と相違する。

［２－２．フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相の同期］
第２実施形態では、燃料供給通路１００は、ハウジング１２内から一旦、ハウジング１２、１４の外部を通って加圧室１１０に燃料を供給するので、燃料供給通路１００の通路長が第１実施形態よりも長くなっている。したがって、フィードポンプ３０から圧送される燃料が高圧ポンプ６０の加圧室１１０に到達するまでの時間遅れは、無視できない大きさである。

したがって、フィードポンプ３０から圧送される燃料がＬｍの燃料供給通路１００を通って高圧ポンプ６０の加圧室１１０に到達するまでの時間遅れを考慮する必要がある。
つまり、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングが高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングと一致している状態から、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングを進角させることにより、フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相を同期させる必要がある。

そこで、フィードポンプ３０の圧送周期を高圧ポンプ６０の吸入周期よりも進角させる角度をθ°、燃料供給通路１００の通路長をＬｍ、フィードポンプ３０の定格回転数を３０００ｒｐｍ、燃料中の圧力伝播速度を１５００ｍ／ｓとすると、次式（１）が成立する。

Ｌ／１５００＝θ／｛（３０００／６０）×３６０｝・・・（１）
例えば、Ｌ＝１ｍとすると、θ＝１２°になる。
図８のタイムチャートは、燃料供給通路１００の通路長を１ｍとしたときに、フィードポンプ３０から圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングが高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングと一致している圧力２２０の状態から、フィードポンプ３０の圧送周期を１２°進角させたときの圧力２２２の状態を示している。

燃料供給通路１００の通路長を考慮して、フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相が一致している状態から、フィードポンプ３０の圧送周期を１２°進角させることにより、フィードポンプ３０から圧送される燃料が加圧室１１０に到達するときに燃料圧力が最大になるタイミングは、高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングと一致する。

［２－３．効果］
以上説明した第２実施形態によれば、フィードポンプ３０から供給される燃料が燃料供給通路１００を通って高圧ポンプ６０の加圧室１１０に到達するまでの時間遅れを考慮して、フィードポンプ３０の圧送周期のタイミングを１２°進角させることにより、第１実施形態の効果（１ａ）、（１ｂ）と同様の効果を得ることができる。

［３．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（３ａ）上記実施形態では、容積式のフィードポンプ３０として、内歯歯車３６の内周と外歯歯車３２の外周とが接触する内接型のトロコイド式のポンプを例示した。フィードポンプとして使用される容積式のポンプはこれに限るものではなく、２個の歯車同士の外周が接触する外接型の歯車ポンプ、ロータの外周に径方向に往復移動するベーンを設置したベーン式のポンプ等を使用してもよい。

（３ｂ）加圧室１１０への燃料の吸入不良を抑制するのであれば、フィードポンプ３０から圧送された燃料が高圧ポンプ６０の吸入行程の開始タイミングで加圧室１１０に到達するように、フィードポンプ３０の圧送周期と高圧ポンプ６０の吸入周期との位相を同期させてもよい。尚、フィードポンプ３０から圧送された燃料とは、フィードポンプ３０で加圧されて燃料圧力が上昇中または最大の燃料を表す。

（３ｃ）上記実施形態では、フィードポンプ３０と高圧ポンプ６０とは、駆動軸として同じカムシャフト６により駆動されていると説明した。これに対し、図１、図７において、フィードポンプ３０と高圧ポンプ６０とは、異なる駆動軸で駆動されてもよい。

ただし、駆動軸が異なっていても、互いの駆動軸の回転が同期することにより、フィードポンプの圧送周期と高圧ポンプの吸入周期との位相は同期されている必要がある。例えば、フィードポンプ３０は、カムシャフト６とは異なる電動モータの駆動軸で駆動されてもよい。モータの回転は、カムシャフト６の回転に同期するように制御される。

（３ｄ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

（３ｅ）上述した燃料供給ポンプ１０の他、当該燃料供給ポンプ１０を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本開示を実現することもできる。

２、７０：燃料供給システム、６：カムシャフト、８：カム、１０：燃料供給ポンプ、３０：フィードポンプ、６０：高圧ポンプ、１００：燃料供給通路、１１０：加圧室

Claims (7)

1. 容積式のフィードポンプ（３０、５０）と、
   前記フィードポンプから圧送される燃料を加圧して圧送する高圧ポンプ（６０）と、
   を備える燃料供給ポンプ（１０）であって、
   前記高圧ポンプは、
   カム（８）の回転によって往復移動することにより、前記フィードポンプから圧送される燃料を加圧室（１１０）に吸入して加圧するプランジャ（６４）と、
   開弁することにより前記フィードポンプから圧送される燃料を吸入する前記加圧室の燃料入口側を開き、閉弁することにより前記燃料入口側を閉じ、前記プランジャが上昇する前記高圧ポンプの圧送行程において閉弁する閉弁タイミングを制御されることにより、前記加圧室から圧送される燃料の圧送量を調量する調量弁（６６）と、
   を備え、
   前記フィードポンプが燃料を圧送する圧送周期と前記高圧ポンプが前記加圧室に燃料を吸入する吸入周期との位相は、前記フィードポンプから圧送される燃料が前記加圧室に到達するときに燃料圧力が最大になるタイミングが前記加圧室に燃料を吸入する前記高圧ポンプの吸入行程の開始タイミングと一致するように同期されている、
   燃料供給ポンプ。
2. 請求項１に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記フィードポンプは歯車式の容積式ポンプであり、
   前記フィードポンプの歯車の歯数は、前記プランジャを往復移動させるカム山の数に対して１以上の倍数である、
   燃料供給ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記プランジャが下降して前記加圧室に燃料を吸入する前記高圧ポンプの吸入行程の開始時に、前記フィードポンプから圧送された燃料が到達するように、前記フィードポンプの圧送周期と前記高圧ポンプの吸入周期との位相は同期されている、
   燃料供給ポンプ。
4. 請求項３に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記高圧ポンプの吸入行程の開始タイミングは前記プランジャの上死点である、
   燃料供給ポンプ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記フィードポンプから前記加圧室に燃料を供給する燃料供給通路（１００）は前記燃料供給ポンプのハウジング内に形成されており、
   前記フィードポンプから圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングを０°とすると、前記高圧ポンプの吸入行程の開始タイミングが－５°～０°の間に設定されることにより、前記フィードポンプの圧送周期と前記高圧ポンプの吸入周期との位相は同期されている、
   燃料供給ポンプ。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記フィードポンプから前記加圧室の入口までの燃料供給通路の長さによる燃料供給の遅れに基づいて、前記フィードポンプから圧送される燃料の圧力が最大になるタイミングを前記高圧ポンプの吸入行程の開始タイミングよりも進角させる、
   燃料供給ポンプ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料供給ポンプであって、
   前記フィードポンプと前記高圧ポンプとが異なる駆動軸で駆動されている場合も、前記駆動軸同士の位相を同期させることにより、前記フィードポンプの圧送周期と前記高圧ポンプの吸入周期との位相は同期されている、
   燃料供給ポンプ。

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