JPWO2018003415A1 - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

高圧燃料供給ポンプの加圧室出口に設けられている吐出弁機構について、吐出弁からの燃料の逆流量の低減、及びキャビテーションエロージョンの防止を目的とする。
加圧室の吐出側に配置された吐出弁と、前記吐出弁が着座することで前記加圧室の吐出側流路を閉弁する吐出弁シートと、前記吐出弁を前記吐出弁シートに向かって付勢する吐出弁ばねと、を備え、
前記吐出弁が前記吐出弁シートに着座するシート部の最小シート径をＤとし、前記吐出弁ばねのセット時のばね力をＦとした場合に、前記ばね力Ｆを前記最小シート径Ｄで除した係数Ｋが０．２以上となるように構成されることを特徴とする。

Description

本発明は、エンジンに燃料を高圧で供給する高圧燃料供給ポンプの吐出弁機構に関する。

特開２０１１−８０３９１号公報の高圧燃料ポンプには、吐出弁部材と、弁シート部材と、吐出弁ばねと、シート面、吐出弁ばねとを包囲するようにして弁シート部材と結合され、内部に弁収納部を形成する弁保持部材とを備えた吐出弁機構が開示されている。

特開２０１１−８０３９１号公報 特許第５１８０３６５号公報

内部に弁を収納するように形成された弁保持部材を備えた吐出弁機構の構成では、特開２０１１−８０３９１号の８ｃに示される様に、吐出弁部材を弁シート部材のシート面に向かって付勢する目的で吐出弁ばねが説明されているが、吐出弁ばねのばね荷重について、詳細な言及はない。

燃料の吐出終了後（吐出弁閉弁時）、吐出口内部の燃圧はプランジャが下降することにより、低圧状態になる。その一方で燃料吐出弁側の燃料圧力は高くなるが、ばね荷重が十分でないと、吐出弁前後の圧力差が生じるため一度吐出した燃料が逆流し、結果的に吐出流量が減少してしまう。それと同時に、一度吐出した燃料が加圧室内へ逆流すると、キャビテーションが発生し、キャビテーションが崩壊する際に吐出部材や弁シート部材への損傷を起こす（以下、キャビテーションエロージョンと称す）という問題も生じる。

そこで本発明の目的は、吐出弁ばねのばね力をシート面の最小シート径Ｄとで求める係数Ｋで規定し、一度吐出した燃料が高圧燃料ポンプの加圧室内への逆流量を抑制することにより、高圧燃料ポンプの吐出流量を増加させ、結果的に効率の高い高圧燃料供給ポンプを供給することとする。

上記目的を達成するために本発明では加圧室の吐出側に配置された吐出弁と、前記吐出弁が着座することで前記加圧室の吐出側流路を閉弁する吐出弁シートと、前記吐出弁を前記吐出弁シートに向かって付勢する吐出弁ばねと、を備え、前記吐出弁が前記吐出弁シートに着座するシート部の最小シート径をＤとし、前記吐出弁ばねのセット時のばね力をＦとした場合に、前記ばね力Ｆを前記最小シート径Ｄで除した係数Ｋが０．２以上となるように構成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプを用いる。

本発明によれば、Ｋが０．２以上となるように設定することにより、一度吐出した燃料が高圧燃料ポンプの加圧室内へ逆流する量を抑制でき、高圧燃料ポンプの吐出流量を増加させることができる。その結果、燃料消費効率の高い高圧燃料供給ポンプを供給することが可能となる。加えて、一度吐出した燃料が加圧室内へ逆流する際に発生するキャビテーションを抑制できるため、吐出部材や弁シート部材の損傷を低減することも可能となる。

また高圧燃料供給ポンプの動力源は内燃機関の動力を用いているため、高圧燃料ポンプの稼働効率が向上することでＣＯ_２排出量を低減できる。

上記したように、本発明を用いることにより、環境負荷が低く、高品質な高圧燃料供給ポンプを供給することができる。

本発明が実施された実施例による高圧燃料供給ポンプを用いた燃料供給システムの一例である。 本発明が実施された実施例による吐出弁機構の吐出工程における縦断面図である。 本発明が実施された実施例による吐出弁機構の吸入工程における縦断面図である。 本発明が実施された実施例によるプランジャが上下往復運動を繰り返す高圧燃料供給ポンプの動作中におけるプランジャの一往復分の挙動である。 本発明が実施された実施例による係数Ｋの関係を示す。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の実施例による高圧燃料供給ポンプの構成及び動作について説明する。

最初に、図１を用いて、本実施形態による高圧燃料供給ポンプを用いる高圧燃料供給システムの構成について説明する。

図１は、本発明の実施形態による高圧燃料供給ポンプを用いる高圧燃料供給システムの全体構成図である。図１において、破線で囲まれた部分は、高圧燃料供給ポンプのポンプハウジング１を示し、この破線の中に示された機構と部品を、その中に一体に組み込んで、本実施形態の高圧燃料供給ポンプを構成している。また、図中において、点線は電気信号の流れを示している。

燃料タンク２０の中の燃料は、フィードポンプ２１によって汲み上げられ、吸入配管２８を通じてポンプハウジング１の燃料吸入口１０ａに送られる。燃料吸入口１０ａを通過した燃料は、圧力脈動低減機構９、吸入通路１０ｃを介して、容量可変機構を構成する電磁吸入弁機構３０の吸入ポート３０ａに至る。

電磁吸入弁機構３０は、電磁コイル３０ｂを備えている。電磁コイル３０ｂが通電されている状態で、電磁プランジャ３０ｃは、ばね３３を圧縮して図１における左方に移動した状態となり、その状態が維持される。このとき、電磁プランジャ３０ｃの先端に取付けられた吸入弁体３１は、高圧燃料供給ポンプの加圧室１１に通じる吸入口３２を開く。電磁コイル３０ｂが通電されていない状態であって、吸入通路１０ｃ（吸入ポート３０ａ）と加圧室１１との間に流体差圧がない時は、ばね３３の付勢力により、吸入弁体３１は、閉弁方向（図１における右方）に付勢されて吸入口３２は閉じられた状態となって、この状態が維持される。図１は、吸入口３２は閉じられた状態を示している。

加圧室１１には、プランジャ２が図１の上下方向に摺動可能に保持されている。内燃機関のカムの回転により、プランジャ２が図１の下方に変位して吸入工程状態にある時は、加圧室１１の容積は増加し、その中の燃料圧力は低下する。この工程において、加圧室１１内の燃料圧力が吸入通路１０ｃ（吸入ポート３０ａ）の圧力よりも低くなると、吸入弁体３１には燃料の流体差圧による開弁力（吸入弁体３１を図１の左方に変位させる力）が発生する。この開弁力により、吸入弁体３１は、ばね３３の付勢力に打ち勝って開弁し、吸入口３２を開く。この状態にて、ＥＣＵ２７からの制御信号が電磁吸入弁機構３０に印加されると、電磁吸入弁３０の電磁コイル３０ｂに電流が流れ、磁気付勢力により電磁プランジャ３０ｃが図１の左方に移動して、吸入口３２を開いた状態を維持する。

電磁吸入弁機構３０に入力電圧の印加状態を維持したまま、プランジャ２が吸入工程から圧縮工程（下始点から上始点までの間の上昇工程）へと移行すると、電磁コイル３０ｂへの通電状態が維持されているので、磁気付勢力は維持されて吸入弁体３１は依然として開弁した状態を維持する。加圧室１１の容積は、プランジャ２の圧縮運動に伴って減少するが、この状態では、一度加圧室１１に吸入された燃料が、再び開弁状態の吸入弁体３１と吸入口３２との間を通過して吸入通路１０ｃ（吸入ポート３０ａ）へと戻されるので、加圧室１１の圧力が上昇することはない。この工程を、戻し工程という。

戻し工程において、電磁コイル３０ｂへの通電を断つと、電磁プランジャ３０ｃに働いていた磁気付勢力は一定時間後（磁気的、機械的遅れ時間後）に消去される。そうすると、吸入弁体３１に常時働いているばね３３の付勢力および吸入口３２の圧力損失により発生する流体力により、吸入弁体３１は、図１の右方に移動して吸入口３２を閉じる。吸入口３２が閉じると、この時から加圧室１１内の燃料圧力は、プランジャ２の上昇と共に上昇する。そして、加圧室１１内の燃料圧力が、吐出口１３の燃料圧力よりも所定の値だけ大きい圧力を超えた時に、加圧室１１に残っている燃料は、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８を介して、高圧吐出が行われてコモンレール２３へと供給される。この工程を吐出工程という。上記のとおり、プランジャ２の圧縮工程は、戻し工程と吐出工程からなる。

ＥＣＵ２７が電磁吸入弁機構３０の電磁コイル３０ｃへの通電解除のタイミングを制御することにより、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。

ポンプハウジング１内において、加圧室１１の出口側には吐出口（吐出側配管接続部）１３との間に吐出弁ユニット（吐出弁機構）８が設けられる。吐出弁ユニット（吐出弁機構）８は、弁シート部材８ａと、吐出弁部材８ｂと、吐出弁ばね８ｃと、弁保持部材８ｄとからなる。加圧室１１と吐出口１３との間に燃料の差圧がない状態では、吐出弁部材８ｂは、吐出弁ばね８ｃによる付勢力で弁シート部材８ａに圧着され閉弁状態となっている。加圧室１１内の燃料圧力が、吐出口１３の燃料圧力よりも所定の値だけ大きい圧力を超えた時に、吐出弁部材８ｂは吐出弁ばね８ｃに抗して開弁し、加圧室１１内の燃料は吐出弁ユニット（吐出弁機構）８を経て吐出口１３へと吐出される。

吐出弁部材８ｂは開弁した後、弁保持部材８ｄに形成されたストッパ８０５に接触すると動作を制限される。それゆえ、吐出弁部材８ｂのストロークは、弁保持部材８ｄによって適切に決定される。

また、吐出弁部材８ｂが開弁と閉弁運動を繰り返す時に、ストローク方向に円滑に運動するように、弁保持部材８ｄの内壁８０６によりガイドしている。以上のように構成することにより、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８は、燃料の流通方向を制限する逆止弁となる。なお、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８の詳細構成については、図２〜図５、図７、図１１を用いて後述する。

以上説明したようにして、燃料吸入口１０ａに導かれた燃料は、ポンプハウジング１の加圧室１１内にてプランジャ２の往復動によって高圧に加圧され、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８を通じて、吐出口１３から高圧配管であるコモンレール２３に圧送される。

ここまで無通電時に閉弁状態で、通電時に開弁状態となる、いわゆるノーマルクローズ型の電磁弁を用いた例について説明したが、これとは逆に無通電時に開弁状態であり、通電時に閉弁状態となる、いわゆるノーマルオープン型の電磁弁を用いてもよい。ただしこの場合、ＥＣＵ２７からの流量制御指令はＯＮとＯＦＦが逆転する。

コモンレール２３には、インジェクタ２４と圧力センサ２６が装着されている。インジェクタ２４は、内燃機関の気筒数に合わせて装着されており、ＥＣＵ２７の制御信号により、インジェクタ２４は開閉動作をして、所定量の燃料をシリンダ内に噴射する。

次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による高圧燃料供給ポンプに用いられる吐出弁ユニット（吐出弁機構）８の構成について説明する。図２に、吐出弁機構部（圧縮工程状態）の拡大図を、図３に、吐出弁機構部（吸入工程状態）の拡大図を示す。

加圧室１１の出口には吐出弁ユニット（吐出弁機構）８が設けられている。吐出弁ユニット（吐出弁機構）８は弁シート部材８ａ、吐出弁部材８ｂ、吐出弁ばね８ｃ、吐出弁ストッパとしての弁保持部材８ｄからなる。まずポンプハウジング１の外で、溶接部８ｅをレーザー溶接することにより吐出弁ユニット（吐出弁機構）８を組み立てた後、図中左側から組み立てた吐出弁ユニット（吐出弁機構）８をポンプハウジング１に圧入し、圧入部８ａ１にて固定する。圧入する際には溶接部８ｅよりも大きな径の段付き面部として形成された荷重受け部８ａ２に装着治具を当て、図面右側に押してポンプハウジング１に圧入固定する。

弁保持部材８ｄの吐出側先端に通路８ｄ２が設けられている。そのため、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８は加圧室１１と吐出口１２との間に燃料の差圧が無い状態では、吐出弁部材８ｂは吐出弁ばね８ｃによる付勢力で弁シート部材８ａのシート面部８ａ３に圧接され着座状態（閉弁状態）となっている。加圧室１１内の燃料圧力が、吐出口１２の燃料圧力よりも吐出弁ばね８ｃによる開弁圧以上に大きくなった時に初めて、図２のように吐出弁部材８ｂが吐出弁ばね８ｃに抗して開弁し、加圧室１１内の燃料は吐出口１２を経てコモンレール２３へと吐出される。このとき、燃料は弁保持部材８ｄに設けた単数個もしくは複数個の通路８ｄ１を通過して、加圧室１１から吐出口１２へ圧送される。その後、吐出口１２の燃料圧力と吐出弁ばね８ｃによる力の合計が、加圧室１１内の燃料圧力よりも大きくなった時に、吐出弁部材８ｂは元のように閉弁する。これにより、高圧燃料吐出後に吐出弁部材８ｂを閉弁することが可能になる。

吐出弁部材８ｂは開弁した際、弁保持部材８ｄの内周部に設けたストッパ８０５と接触し、動作が制限される。したがって、吐出弁部材８ｂのストロークは弁保持部材８ｄの内周部に設けたストッパ８０５によって構成される段差で適切に決定される。また、吐出弁部材８ｂが開弁および閉弁運動を繰り返す時に、吐出弁部材８ｂがストローク方向にのみ運動するように、弁保持部材８ｄの内周面８０６でガイドしている。

以上のように構成することで、吐出弁ユニット（吐出弁機構）８は燃料の流通方向を制限する逆止弁となる。

次に、本実施例の吐出弁ユニット（吐出弁機構）８の特徴的な構成について説明する。
図２に示すように吐出弁部材８ｂは吐出弁ばね８ｃに抗して開弁し、加圧室１１内の燃料は吐出口１２を経てコモンレール２３へと吐出される。また、図３に示すように加圧室１１で加圧した燃料を吐出した後、プランジャが下降し、一気に加圧室１１内の燃料圧力は低下する。その後、吐出口１２の燃料圧力と吐出弁ばね８ｃによる力の合計が、加圧室１１内の燃料圧力よりも大きくなった時に、吐出弁部材８ｂは閉弁する。ところが、吐出弁ばねのばね力Ｆが不足していると、吐出口から燃料を吐出した後、素早く閉弁することができない。その結果、燃料圧力の下がった加圧室１１に対して、コモンレール側に吐出された高圧燃料が逆流し、所望の燃料吐出量を吐出できないといった問題が生じる。

そこで本実施例では、加圧室１１の吐出側に配置された吐出弁８ｂと、前記吐出弁８ｂが着座することで前記加圧室１１の吐出側流路を閉弁する吐出弁シート８ａと、前記吐出弁を前記吐出弁シート８ａに向かって付勢する吐出弁ばね８ｃと、を備えた吐出弁において、吐出弁ばね８ｃのセット時のスプリング力Ｆを、吐出弁部材８ｂと弁シート部材８ａとで規定される最小シート径Ｄで除した係数Ｋ（＝吐出弁ばね８ｃのセット時のスプリング力Ｆ／最小シート径Ｄ）で定義する。本定数を定義することにより、ばね力Ｆの下限値を規定することができる。また、最小シート径Ｄが大きければ大きいほど、燃料の流速が緩やかになるためキャビテーションが発生しにくくなるが、その一方で逆流量低減のためには最小シート径Ｄを小さく設定することが望ましい。最小シート径Ｄは、Ｋが０．２以上となるようなバランスで設定することで、逆流量及びキャビテーションを低減することが可能となる。詳細に関しては図４、図５を用いて以下に説明する。

本実施例においては、図２および図３に示されるように吐出弁シート８ａを形成する吐出弁シート部材８ａは吐出弁に対して加圧室１１側に配置され、吐出弁ばね８ｃは吐出弁８ｂを加圧室１１側に向かって付勢する。また、吐出弁８ｂの外周側に配置される吐出弁ユニット（吐出弁ハウジング）８を備え、吐出弁ハウジング８は吐出弁８ｂに対して吐出弁シート８ａと反対側において吐出弁ばね８ｃを保持する構造の高圧燃料ポンプ１を用いて説明する。ただし、このような構造に限定するものではない。

図４は、内燃機関のカムによりプランジャ２が上下往復運動を繰り返す高圧燃料供給ポンプ１の動作過程におけるプランジャ２の一往復分の挙動を流体解析にて求めたグラフである。図４を用いて、吐出弁部材８ｂの開弁から閉弁までの一連の動作を説明する。

横軸には時間を示し、縦軸にはプランジャストローク、吐出弁部材のストローク、加圧室燃圧、吐出口燃圧及び流量を示す。Ｋの値による吐出弁の動きの変化を比較するため、図中の実線は定数Ｋが０．３０であるとき、点線は定数Ｋが０．１１であるときの波形を示す。

まず、プランジャ２の位置について説明する。図４で説明するのは、プランジャ２のストロークがプランジャ２の下死点で０ｍｍ、上死点において５．８ｍｍとなるような内燃機関のカムとの組み合わせのものについてであり、プランジャ２が下死点に位置するときをグラフ横軸の０秒とすると、３ｍｓｅｃの時点でプランジャ２は上死点に位置する。その後、６ｍｓｅｃになったとき、プランジャ２は再び下死点に戻る。またカムの形状に合わせてプランジャ２が動くため、プランジャ２の上下する速度は一定ではない。プランジャ２の位置に関しては、係数Ｋが異なったとしても影響しない。

次に吐出弁部材８ｂのストロークについて説明する。加圧室１１内の燃料圧力が、吐出口１２の燃料圧力と吐出弁ばね８ｃによる開弁圧以上に大きくなった時、吐出弁部材８ｂが開弁を開始する。吐出弁部材８ｂのストロークが増加を開始し、弁保持部材８ｄの内周部に設けたストッパ８０５と接触した時点で、吐出弁部材８ｂのストロークは最大値となる。なお、図４に示す高圧燃料供給ポンプ１において、吐出弁部材８ｂのストロークは０．３５ｍｍで設定している。

次に吐出弁部材８ｂがフルストローク状態から閉弁動作を開始する過程について説明する。吐出弁部材８ｂが開弁する条件を数１に、吐出弁部材８ｂの閉弁時の条件を数２に示す。
（数１）
加圧室燃圧＞吐出口燃圧＋吐出弁ばね力
（数２）
加圧室燃圧＜吐出口燃圧＋吐出弁ばね力

フルストローク状態の吐出弁部材８ｂは、数１の条件が成立した時点から閉弁動作へと移行する。図４より、閉弁動作を開始するのは、プランジャ２の上死点より少し手前であることが分かる。プランジャ２は上死点で上下往復運動の移動方向が変わるため、上死点に向けて上昇速度が低下し、加圧室１１内燃圧は最大値から除々に低下する。そうすると、加圧室１１内燃圧と吐出口燃圧との差が小さくなり、燃圧差よりも吐出弁ばね８ｃのばね力が上回った時点で閉弁動作を開始する。このことからも吐出弁部材８ｂがフルストロークでの開弁状態から閉弁へと移行するタイミングは、吐出弁ばね８ｃのばね力が支配的であることが分かる。

ここで、Ｋが０．１１と０．３０の場合で比較すると、Ｋが０．３０のときの方が早くストロークが終了していることがわかる。これは、吐出弁ばねのばね力が強く設定されており、閉弁位置へ素早く戻ることができたためであると考えられる。Ｋの値によって、開閉弁タイミングの正確な制御が可能となることが示された。

次に加圧室内燃圧、吐出口燃圧について説明する。加圧室内燃圧とは、加圧室１１内の燃料圧力のことを示す。プランジャ２が下死点から上死点へ移動することにより、加圧室１１内の燃料が圧縮され、燃料圧力は上昇する。プランジャ２は上死点付近において、吐出口圧力とほぼ同じ燃圧となり、プランジャ２の下降に伴って燃圧は低下する。

吐出口圧力は、内燃機関側のコモンレール２３の設定圧力を基本圧力（図４に記載の高圧ポンプの場合は２５ＭＰａ）とし、プランジャ２の上昇により加圧室内燃圧が吐出口圧力を上回った時点で、加圧された加圧室内１１の燃料が吐出口側へ吐出され、プランジャ２が上死点から下死点への移動することに伴って、加圧室１１内の圧縮された燃料の吐出が止まること、あるいはインジェクタ２４からの燃料噴射により、吐出口圧力はコモンレール２３の設定圧力２５ＭＰａへと低下する。

図４に示す通り、Ｋが０．１１の場合とＫが０．３０の場合とを比較すると、Ｋが０．３０のときの方は、若干燃圧が速く低下することがわかる。これは吐出弁ばね８ｃが強く、燃料の吐出が終了した後、速やかに吐出弁８ｂが閉弁することが要因として考えられる。

次に本高圧燃料供給ポンプの燃料吐出量及び逆流量について説明する。吐出弁８ｂの開弁と同時に、燃料吐出は開始され、数１に示す条件が成立している間は、吐出弁８ｂから燃料を吐出し続ける。燃料吐出が終了するタイミングは、加圧室内燃圧と吐出口燃圧が同じ燃圧となった時点である。

プランジャ２が上死点に位置した時点で、吐出弁部材８ｂのストロークは依然フルストロークに近い状態にある。プランジャ２が上死点を越えて下死点への下降動作中においては、吐出口燃圧が加圧室内燃圧よりも大きい状態が成立し続ける。吐出口１２へと吐出した燃料の圧力よりも加圧室内の燃料圧力が小さくなるにも関わらず、吐出弁部材８ｂは閉弁途中であるため、完全に閉弁するまでの間、吐出口１２側の燃料が、加圧室１１内へと逆流してしまう。

図４において、流量は第二Ｙ軸で表しており、０よりも小さい負の値の流量は、加圧室１１から吐出口１２方向への燃料の吐出を示し、０よりも大きい正の値の流量は、吐出口１２から加圧室１１方向への燃料の逆流を示している。

プランジャが上死点から下死点に移動する時点の流量の変化を、Ｋが０．１１のときと０．３０のときで比較すると、上死点以後に逆流する燃料の量（円で囲まれている部分）に違いが見られ、Ｋが０．３０のときの方はＫが０．１１のときと比べると逆流量が少ないことがわかる。Ｋが０．１１のときは、吐出弁のばね力８ｃが弱いため、吐出弁８ｂが閉まるのが遅くなり、逆流量が多くなっている。最小シート径Ｄが大きく設定されると、燃料の流路面積も同時に大きくなる。よって吐出弁の開弁時間が同じであっても最小シート径Ｄの大小によって吐出量及び逆流量は変化する。逆流量が多いことは、高圧燃料供給ポンプの効率を低下させてしまう主要因の一つとなっている。

一方でＫが０．３０のときは、適切なばね力が備えられているため逆流量が少なくなっている。また最小シート径Ｄが小さく設定されることにより、吐出弁に設けられる流路面積は狭くなる。そのため吐出弁の開弁時間が同じであっても最小シート径Ｄの大小によって吐出量及び逆流量は変化する。

この結果からも言えるように、本発明の高圧燃料供給ポンプは、前述の吐出弁部材８ｂがフルストロークでの開弁状態から閉弁へと移行するタイミングは吐出弁ばね力が支配的であるため、吐出弁ばね力Ｆを、前述の係数Ｋで定義し、且つ係数Ｋをより大きくすることにより、吐出弁部材８ｂがより早いタイミングで閉弁動作を開始する。

その結果、完全に閉弁するタイミングを早くでき、数３で示す条件が成立する。
（数３）加圧室内燃圧＜吐出口燃圧

吐出口１２側の燃料が加圧室１１内へと逆流し得る時間を短くすることにより、吐出口１２側の燃料が加圧室１１内へと逆流する燃料の量を低減することができる。以上、Ｋの値が、吐出に与える影響について説明した。

ここからは、図５を用いて係数Ｋについて説明する。図５は、横軸を係数Ｋとし、縦軸には、逆流量、吐出弁シート前後の圧力差（吐出弁部材８ｂの閉弁直前の吐出口１２燃圧と加圧室１１燃圧との差圧）、逆流の流速（吐出弁部材８ｂの閉弁直前の逆流の流速）、水撃後の圧力（逆流している燃料が閉弁されたことにより発生する水力学上の水撃後の圧力、加圧室１１内の弁シート部材８ａ近傍の水撃により、局所的に低下した圧力）、及び飽和蒸気圧を示す。

はじめに、逆流量について説明する。逆流とは、これまで説明してきた通り、加圧室より吐出弁を介して吐出した燃料が、加圧室側が低圧になることに伴って、加圧室側に戻る現象のことである。また逆流量とは、吐出側から加圧室側に逆流した燃料の量を指す。図５から、Ｋの値が大きくなるほど逆流量が少なくなっていることがわかる。図４の説明でも述べた通り、Ｋの値を大きくするということは、吐出弁のばね力Ｆを強く、最小シート径Ｄを小さくし、そのバランスを調整することである。それゆえ、吐出弁のばね力Ｆを強くすると吐出弁が速やかに閉弁し、逆流量が少なくなる。また、最小シート径Ｄを小さくすることにより、加圧室側に逆流する流路の面積を少なくすることができ、逆流量が少なくなったと言える。

次に、図５の逆流の流速について説明する。キャビテーションを抑制するためには、閉弁直前の燃料の逆流速度（ΔＶ）が速くなり過ぎないよう制御する必要がある。そのためには、プランジャ２の下降スピードと合わせて閉弁する必要があり、出来るだけ吐出が終わってから速やかに吐出弁８ｃを閉弁させることが望ましい。

ΔＶが大きければ大きいほど、液体中に小さいキャビテーション（気泡核）が生じやすくなる。キャビテーションが崩壊するときに、瞬間的に非常に高いエネルギーが発生し、これが堅い金属表面に衝突するとエロージョン（壊食）が発生する。よって、ΔＶを小さくすることが望ましい。

次に吐出弁シート前後の圧力差について説明する。吐出弁部材８ｂの閉弁直前の吐出弁部材８ｂと弁シート部材８ａの微小隙間に対し、吐出弁部材８ｂの閉弁直前の吐出口１２燃圧と加圧室１１燃圧との差圧であるシート前後の圧力差が大きいと、逆流の流速ΔＶが早くなるため、圧力低下ΔＰは大きくなる。ΔＰが大きくなると、キャビテーションが発生しやすくなるため、シート部にエロージョンが起こりやすくなるという問題が生じる。

次に水撃後の圧力について説明する。水撃後の圧力とは、加圧室１１内の弁シート部材８ａ近傍の水撃により低下した圧力のことである。水撃による圧力低下ΔＰは、数４のように計算できる。
（数４）ΔＰ＝（ａ／ｇ）×ΔＶ
数４において、圧力波伝播速度をａ、重力加速度をｇ、吐出弁部材８ｂの閉弁直前の逆流の流速をΔＶとして示す。圧力伝播速度ａや重力加速度ｇは一定値であり、水撃による圧力低下ΔＰは、ΔＶのみに依存し変化する。

図５に示す水撃後の圧力は、加圧室１１内の燃圧から圧力低下ΔＰを差し引いた値である。水撃後の圧力が燃料の飽和蒸気圧を下回ると、キャビテーションが発生し、キャビテーションが崩壊する際に、近傍の吐出弁部材８ｂと弁シート部材８ａを損傷させる、いわゆるキャビテーションエロージョンが起こる。吐出弁部材や弁シート部材の損傷が進むと吐出弁部材８ｂが閉弁しても、吐出弁部材８ｂと弁シート部材８ａの間に隙間が生じ、吐出弁部材８ｂが閉弁しても燃料がシール出来ないといった問題を発生する虞がある。ここで、計算の結果、Ｋの値が０．２以上となるように設定したとき、水撃後の圧力が飽和蒸気圧を上回ることがわかった。よって、定数Ｋを０．２以上となるよう、吐出弁ばねのばね力Ｆとシート部の最小シート径Ｄを調整することにより、水撃発生に伴う圧力低下によるキャビテーションの発生を抑制することが可能となる。また、Ｋを０．２以上に設定することにより高圧ポンプの燃料の逆流を抑えることができるため、所望量の燃料をコモンレール側へと吐出することが可能となる。

なお、吐出弁ばね８ｃは、吐出弁保持部材８ｄと吐出弁８ｂに囲まれて配置されているため摩耗が起こりやすい。摩耗を防止するために、吐出弁ばねは表面に窒化層を持つよう、窒化処理を行うことが望ましい。この処理により、吐出弁ばねの表面が硬化し、摩耗を防ぐことができる。

また、吸入弁とロッドが別体のノーマルオープン型（無通電時において開弁状態となる）高圧燃料供給ポンプにおいて、フェールセーフの観点から、吐出弁ばねのばね力は、吸入弁を加圧室とは逆方向に付勢するばねのばね力よりも小さくなるよう設定される。これは、仮に高圧ポンプが動かなくなってしまったときにおいても、急停止しないよう燃焼室に燃料を送り続けるためである。

本発明を用いることにより、高圧燃料供給ポンプは内燃機関の動力を用いているため、燃焼効率の良い高圧ポンプを用いることにより、より燃費を向上させることができ、結果的にＣＯ_２排出量の削減も可能となる。

以上で説明を終えるが、本発明は実施例で記述した数値の高圧ポンプに限定するものではない。なお、本発明は、内燃機関の高圧燃料供給ポンプに限らず、各種高圧ポンプに広く利用可能である。

１ ポンプハウジング
２ プランジャ
８ 吐出弁ユニット（吐出弁機構）
８ａ 弁シート部材
８ｂ 吐出弁部材
８ｃ 吐出弁ばね
８ｄ 弁保持部材
８ｅ 溶接部
８ｈ 傾斜部
８ａ１ 圧入部
８ａ２ 荷重受け部
８ａ３ シート面部
８ａ４ 段差部
８ｄ１ 弁体保持部材に設けた通路
９ 圧力脈動低減機構
１０ｃ 吸入通路
１１ 加圧室
１３ 吐出口
２０ 燃料タンク
２３ コモンレール
２４ インジェクタ
２６ 圧力センサ
２７ ＥＣＵ
３０ 電磁吸入弁機構
８０５ ストッパ
８０６ 弁体保持部材の内壁

Claims (6)

1. 加圧室の吐出側に配置された吐出弁と、前記吐出弁が着座することで前記加圧室の吐出側流路を閉弁する吐出弁シートと、前記吐出弁を前記吐出弁シートに向かって付勢する吐出弁ばねと、を備え、
   前記吐出弁が前記吐出弁シートに着座するシート部の最小シート径をＤとし、前記吐出弁ばねのセット時のばね力をＦとした場合に、前記ばね力Ｆを前記最小シート径Ｄで除した係数Ｋが０．２以上となるように構成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
2. 請求項１に記載の燃料供給ポンプにおいて、
   前記吐出弁シートを形成する吐出弁シート部材は前記吐出弁に対して前記加圧室側に配置され、
   前記吐出弁ばねは前記吐出弁を加圧室側に向かって付勢することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
3. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記吐出弁の外周側に配置される吐出弁ハウジングを備え、
   前記吐出弁ハウジングは前記吐出弁に対して前記吐出弁シートと反対側において前記吐出弁ばねを保持することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
4. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記吐出弁が閉弁した後に、前記加圧室の吐出側に発生する燃料圧力が燃料の飽和蒸気圧以上の値になるよう、前記係数Ｋが決定されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
5. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記吐出弁ばねは、表面に窒化層を有することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
6. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記吐出弁ばねのばね力は、燃料を吸入する吸入弁を前記加圧室と逆方向に付勢する吸入弁付勢ばねのばね力よりも小さくなるよう構成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。

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