WO2014148125A1 - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

　本発明では、電磁弁の応答性を向上し、より正確な流量制御を実現する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。　燃料吸入通路と加圧室との間に供えられた弁体が開閉するための電磁力を発生する電磁コイルと、電磁力により動作する可動子と、可動子を収納するハウジングと、ハウジングと可動子との間に形成される背圧室と、を備える電磁弁を有する高圧燃料供給ポンプにおいて、背圧室を吸入通路に連通させる第１燃料通路が前記可動子の中心軸を通ることを特徴とする高圧燃料供給ポンプである。

Description

高圧燃料供給ポンプ

　本発明は、内燃機関に燃料を高圧で供給する高圧燃料供給ポンプに係わる。

　近年、内燃機関の吸気管に燃料を噴射するポート噴射方の内燃機関に対し、気筒内に直接燃料を噴射する直噴型内燃機関の開発が進んでいる。気筒内に噴射する燃料の圧力を高めることにより、燃料の微粒化と気化を促進し、環境負荷が低減されることが知られている。

　燃料の圧力を高めるためにプランジャ式のポンプを利用する。ポンプの吸入弁の開閉を電磁駆動にすることにより、ポンプの吐出量を調量する。

　電磁駆動で開閉を行う吸入弁（電磁弁）内の流体通路構造に関して各種提案がなされている。その中で、例えば特許文献１には、高圧燃料供給ポンプの流量制御を行う電磁弁に関して、可動子の吸引面に軸方向の貫通穴を設け、流体通路を確保する構造が開示されている。

特開２０１０－１５６２５８号公報

　昨今、内燃機関の小型・高出力・高効率化が精力的に進められている。これを受け、高圧燃料供給ポンプには内燃機関への搭載性を向上させるボディの小型化、および高出力・高効率化に対応する吐出燃料の高圧化、流量制御の高精度化が強く求められている。特に、流量制御の高精度化は、年々厳しくなる排気規制に対応するため必須の課題となっている。流量制御の高精度化には、流量を制御する電磁弁の高応答化が必要であり、電磁弁の可動部材が流体中で、より高速に動作する必要がある。

　本発明では、電磁弁の応答性を向上し、より正確な流量制御を実現する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することを目的とする。

　燃料吸入通路と加圧室との間に供えられた弁体が開閉するための電磁力を発生する電磁コイルと、電磁力により動作する可動子と、可動子を収納するハウジングと、ハウジングと可動子との間に形成される背圧室と、を備える電磁弁を有する高圧燃料供給ポンプにおいて、背圧室を吸入通路に連通させる第１燃料通路が前記可動子の中心軸を通ることを特徴とする高圧燃料供給ポンプである。

　このような構成とすることにより、可動子の表面積を保ったまま、弁体または可動子の動作の抵抗となる背圧室内の圧力を第１燃料通路を介して開放することができる。

　また可動子が、磁性材からなるアンカーと、非磁性材からなるロッドの２部材から構成され、第１流体通路がロッドに形成される構造とすると電磁力による吸引力の確保とロッドの摺動による耐摩耗性を両立させることができる。

　さらに、可動子を弁対の開弁方向に付勢するアンカーばねが備えられており、アンカーばねの受け面がロッドの端面に形成され、ばねの内径が軸方向の流体通路径よりも大きくなる構造る構造とすると、従来はデッドスペースとなっていた部分を流体通路として活用することができる。

　以上のように構成した本発明によれば、以下の効果を奏する。

　弁体の動作の抵抗となる背圧室の圧力を開放することができるので、電磁弁の応答性を向上させることができ、正確な流量制御を実現する電磁弁構造と、それを搭載した高圧燃料供給ポンプを提供することができる。

　本発明の電磁弁構造を搭載した高圧燃料供給ポンプを、小型かつ簡便な構造で実現することができる。

は、実施例１から実施例３を実施するシステムの全体構成を示す。 は、本発明の実施例１に係る電磁弁周辺部材の（開弁位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例２に係る電磁弁周辺部材の（開弁位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例３に係る電磁弁周辺部材の（開弁位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例３に係る電磁弁周辺部材の（閉弁位置での）断面図を示す。

　以下、図を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　図１は、本発明の実施例１から実施例３を実施するシステムの全体構成を示す。高圧燃料供給ポンプはボディ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が形成されている。吸入通路９及び吐出通路１２には、電磁弁５、吐出弁８が設けられており、吐出弁８は燃料の流通方向を制限する逆止弁となっている。

　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。

　また、電磁弁５はボディ１に保持されており、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。以降では、可動子５０３が１部材で形成される場合を前提に説明を進めるが、可動子５０３が吸引面を形成するアンカー５０３ａと、摺動部を形成するロッド５０３ｂの２部材から形成された場合にも同様に実施例１から３を実施することが可能である。さらに、弁体５０１と可動子５０３に関しても、別体の場合を前提に説明を進めるが、実施例３では、両者が一体形成の場合を前提にしても、同様の効果を得ることが可能である。

　以降では、ノーマルオープン方式電磁弁を用いたシステムを前提に説明を進める。電磁コイル５００がＯＦＦの状態(通電されていない状態)で開弁状態、ＯＮの状態で閉弁状態となる電磁弁方式をノーマルオープン方式と称する。弁体５０１には、アンカーばね５０２の付勢力が可動子５０３を介して開弁方向に作用し、同様に弁体ばね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ため、電磁コイル５００がＯＦＦ（無通電）時、弁体５０１は開弁状態となっている。一方で、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、弁体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、同様に実施例１から実施例３を実施することが可能である。

　高圧燃料供給ポンプは、燃料タンク５０から低圧燃料ポンプ５２により吸い上げられた燃料が燃料供給通路５５を通って供給される。

　また、高圧燃料供給ポンプは、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る。その後、高圧の燃料はインジェクタ５４から内燃機関の筒内へと噴射される。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）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。

　以上の構成において、動作を説明する。

　内燃機関のカム７の回転により、プランジャ２が図１の下方向に変位している状態を吸入行程、上方向に変位している状態を圧縮行程と称する。吸入行程では、加圧室１１の容積は増加し、その中の燃料圧力は低下する。この行程において、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ると、弁体５０１は開弁し、燃料が加圧室１１内に吸入される。

　この際、アンカーばね５０２の付勢力は可動子５０３を介して弁体５０１に作用しているため、プランジャ２が吸入行程から圧縮行程へと移行しても、弁体５０１は依然として開弁した状態を維持する。従って、圧縮行程時においても、加圧室１１の圧力は吸入通路９とほぼ同等の低圧状態を保つため、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、電磁弁５を通り、ダンパー室５１側に戻される。なお、この行程を戻し行程と呼ぶ。

　戻し行程において電磁コイル５００へ通電すると、可動子５０３に磁気吸引力が作用し、アンカーばね５０２の付勢力に打ち勝って、可動子５０３は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。すると、この直後から加圧室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、燃料をコモンレール５３に圧送する。

　上記のような動作をする電磁弁５を用いれば、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。

　図２は、本発明の実施例１に係る電磁弁５周りの断面図を示す。図２において、５０２はアンカーばね、５０３ａはアンカー、５０３ｂはロッド、５０５は固定子、５０６はハウジング、５０７は背圧室、５０８は中間室を、それぞれ表している。なお、５０３ａと５０３ｂは一体であり、可動子５０３を形成している。

　図２はノーマルオープン方式の電磁弁であり、コイル５００に通電されていない、すなわち開弁状態を示している。ハウジング５０６に固定子５０５が固定されており、吸引面５１２を挟んで、可動子５０３が配置されている。固定子５０５と可動子５０３の間にはアンカーばね５０２が配置され、可動子５０３を吸引面５１２と反対方向に付勢している。アンカーばね５０２の内径側および吸引面５１２の間には、可動子５０３の動作により体積が増減する背圧室５０７が形成されている。具体的には、通電時、可動子５０３が固定子５０５側に移動すると、背圧室５０７の体積は減少し、その後、無通電時に移行した際には、その逆となる。この体積変動を補うため、背圧室５０７から、吸入通路９と連結している中間室５０８へ、燃料を出入りさせる燃料通路を設ける必要がある。このため、従来は可動子５０３の外周とハウジング５０６の内周の間に円環状の隙間を設け、これを燃料通路として利用していた。しかしながら、可動子の外周５０３は磁気回路も兼ねているため、隙間幅を拡大すると磁気抵抗が増加し、吸引力が低下するという課題がある。このため、確保できる隙間幅には制限があり、より可動子の応答性を改善するためには、さらなる流体通路の確保が必要となる。そこで、本実施例では、磁気回路を形成しない可動子５０３の中心軸を通る軸方向の貫通穴を設ける構造とした。無通電時には可動子５０３の開弁方向側の端面は弁体５０１に付勢されているが、通電時、可動子５０３が急速に吸引された場合、その付勢力は弱まり、弁体５０１との間に隙間が形成される。このため、背圧室５０７から中間室５０８へと燃料が流れることが可能になる。以降では、可動子の中心軸を通る燃料通路を第１燃料通路５０９、可動子５０３の外周に設けた燃料通路を第２燃料通路５１０と呼ぶ。

　なお、可動子５０３は吸引面５１２を形成し磁性材から成るアンカー５０３ａと、摺動部５１１を形成し非磁性材から成るロッド５０３ｂの２部材から形成してもよい。より小型の可動子５０３で吸引力を発生させるため、可動子５０３には磁性材を使用するのが一般的であるが、一般的な磁性材は硬度が低く、摺動部５１１を同材で形成すると、その信頼性を確保することは難しい。先に述べたように、それぞれを２部材で形成することで、吸引力の確保と摺動部の信頼性を両立することが、より小型、低コストな構造で実現可能となる。可動子５０３を２部材で形成する場合、第１流体通路５０９をロッド５０３ｂに設けることで、磁気抵抗を増やすことなく、流体通路を確保することができる。また、ロッド５０３ｂの吸引面５１２側端面には、アンカーばね５０２の座面を受ける受け面を形成し、第１燃料通路５０９の穴径をアンカーばね５０２の内径と同等、もしくは小さく設定する。こうすることで、座面が第１燃料通路５０９の開口部を塞ぐことがない。

　以上をまとめると、本実施例により、従来ではデッドスペースとなっていたばね内径側のスペースを燃料通路として活用することができるため、磁気吸引力を低下させることなく、省スペースで、十分な燃料通路を確保することができる。この結果、電磁弁を高応答化し、より正確な流量制御が実現可能となる。

　図３は、本発明の実施例２に係る電磁弁５周りの断面図を示す。図３において、５０２はアンカーばね、５０３ａはアンカー、５０３ｂはロッド、５０５は固定子、５０６はハウジング、５０７は背圧室、５０８は中間室をそれぞれ表している。なお、５０３ａと５０３ｂは一体であり可動子５０３を形成している。

　本実施例では、可動子５０３の開弁方向側の端面に、スリット５０９ａが設けられており、可動子５０３の端面と弁体５０１が当接時にも、確実に第１燃料通路５０９と中間室５０８が連通する構造となっている。図３では、スリット５０９ａが片側２か所に設けられているが、片側１か所または３か所以上設けても同様の効果が得られる。ただし、燃料が通路を通過する際の圧力損失は、断面積の二乗に反比例するため、スリット５０９ａの流れ方向に垂直な断面積は、少なくとも第１燃料通路５０９の断面積よりも大きくなることが望ましい。なお、スリット５０９ａを複数設ける場合は、断面積の合計が第１燃料通路５０９の断面積よりも大きくなることが望ましい。一方で、スリット５０９ａの個数や断面積を増やすと、加工コストが増加する、また弁体５０１への当接面積が減少する、といったデメリットがあるため、これらも考慮してスリット５０９ａの個数や寸法を決定する必要がある。

　さらに、可動子５０３をアンカー５０３ａとロッド５０３ｂの２部材で形成する場合、ロッド５０３ｂにスリット５０９ａを加工した後、ロッド５０３ｂをアンカー５０３ａに挿入する。この際、ロッド５０３ｂの片側にのみスリット５０９ａを加工すると、挿入する向きを判別する必要がある。このため、組み立てを自動化する際には、その判別方法が課題となる。これを解決する手段として、図３のようにロッド５０３ｂの両端にスリット５０９ａを設けるという方法が考えられる。こうすることで、組み立て時にロッド５０３ｂの向きを判別する必要がなく、組み立ての自動化が容易に可能となる。

　図４は、本発明の実施例３に係る電磁弁５周りの断面図を示す。図４において、５０２はアンカーばね、５０３ａはアンカー、５０３ｂはロッド、５０５は固定子、５０６はハウジング、５０７は背圧室、５０８は中間室をそれぞれ表している。なお、５０３ａと５０３ｂは一体であり可動子５０３を形成している。

　本実施例は、ロッド５０３ｂに径方向の横穴５０９ｂを設けることで、第１燃料通路５０９と中間室５０８が連通する構造となっている。こうすることで、第１燃料通路５０９がロッド５０３ｂを貫通する必要がなくなり、通路断面積を拡大しても、ロッド５０３ｂと弁体５０１の当接面積が減少しないため有利である。実施例２と同様に、横穴５０９ｂの個数は単数でも複数でもよいが、合計断面積は第１燃料通路５０９の断面積よりも大きいことが望ましい。なお、可動子５０３が移動した際に、横穴５０９ｂ部が摺動部５１１に重なると、摺動機能に悪影響を及ぼす可能性がある。このため、可動子５０３の可動範囲内では、横穴５０９ｂ部が摺動部５１１に重ならないよう、配置および寸法を決定する必要がある。なお、製造面では、径方向に貫通穴とすることで、１行程で２か所の通路を形成することができ、スリット５０９ａよりも加工効率が向上することが期待される。

　以上の説明は、ノーマルオープン方式で、可動子５０３と弁体５０１が別体の場合を前提に説明したが、ノーマルクローズ方式の場合、また両者が一体の場合にも同様の効果を得ることができる。

　一例として、図５にはノーマルクローズ方式で、可動子５０３と弁体５０１が一体の場合を前提にした構造を示す。

　図５では、ロッド５０３ｂを、アンカー５０３ａの両側２か所に設けた第１摺動部５１１ａと第２摺動部５１１ｂでガイドする構造のため、第１背圧室５０７ａと第２背圧室５０７ｂの２つの背圧室が存在する。ロッド５０３ｂの中心軸を通る第１燃料通路５０９が形成されており、径方向の横穴５０９ｂにより中間室５０８に連通する構造となっている。これにより、第１背圧室５０７ａと中間室５０８を連結することが可能となる。また、第２背圧室５０７ｂと第１燃料通路５０９を連結するために、径方向の横穴５０９ｃを新たに設けている。

　以上の構成とすることで、磁気回路に影響を与えることなく、２つの背圧室５０７ａ、５０７ｂと中間室５０８を連結することが可能となる。なお、製造上の課題として、ロッド５０３ｂは外径が小さいため、軸方向に深い穴を加工する場合、高精度な加工が必要となる。これを回避するために、ロッド５０３ｂをパイプ材で形成しても、同様の効果を得ることができる。

１…ボディ、２…プランジャ、３…リテーナ、４…戻しばね、５…電磁弁、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、２０…シリンダヘッド、４０…ＥＣＵ、５０…燃料タンク、５１…ダンパ室、５２…低圧燃料供給ポンプ、５３…コモンレール、５４…インジェクタ、５５…燃料供給通路、５６…圧力センサ、１２０…シリンダ、５００…電磁コイル、５０１…弁体、５０２…アンカーばね、５０３…可動子、５０３ａ…アンカー、５０３ｂ…ロッド、５０４…弁体ばね、５０５…固定子、５０６…ハウジング、５０７…背圧室、５０８…中間室、５０９…第１燃料通路、５０９ａ…スリット、５０９ｂ…横穴、５１０…第２燃料通路、５１１…摺動部、５１１a…第一摺動部、５１２b…第二摺動部、５１２…吸引面

Claims (10)

1. 　燃料吸入通路と加圧室との間に供えられた弁体が開閉するための電磁力を発生する電磁コイルと、
   　前記電磁力により動作する可動子と、
   　前記可動子を収納するハウジングと、
   　前記ハウジングと前記可動子との間に形成される背圧室と、
   　を備える電磁弁を有する高圧燃料供給ポンプにおいて、
   　前記背圧室を前記吸入通路に連通させる第１燃料通路が前記可動子の中心軸を通ることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
2. 　請求項１において、前記加圧室と前記燃料吸入通路との間に前記弁体を収納する中間室を有することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
3. 　請求項２において、前記背圧室と前記吸入通路が前記中間室を介して、前記第１流体通路と前記可動子の周縁部に設けられた第２流体通路とで連結されていることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
4. 　請求項３において、前記第１流体通路の断面積よりも、前記第２流体通路の断面積の方が大きいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
5. 　請求項１において、前記第１流体通路は、前記可動子の径方向に形成されたスリットまたは孔で前記燃料吸入通路と連通することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
6. 　請求項１において、前記可動子と前記弁体とが、別体となっていることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
7. 　請求項５において、前記第１流体通路の断面積をＡとし、前記スリットまたは前記横穴の流れ方向に垂直な断面積の合計値をＢとすると、ＡよりもＢの方が大きいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
8. 　請求項１から請求項７において、前記可動子が、磁性材からなるアンカーと、非磁性材からなるロッドの２部材から構成され、前記第１流体通路が前記ロッドに形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
9. 　請求項８において、前記可動子を前記弁体が開弁する方向に付勢するアンカーばねを有し、前記アンカーばねの受け面が前記ロッドの端面に形成されていることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
10. 　請求項９において、前記アンカーばねの内径が前記第１流体通路の内径よりも大きいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。

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