WO2015163246A1 - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Abstract

　高い燃料圧力においても油密性能を確保し、かつ、小型軽量な吐出弁構造を有する高圧燃料供給ポンプを提供する。吐出弁の弁体が高い背圧を受け、シート部の変形による油密性能低下を防ぐ。また、流路確保、小型化、軽量化と両立する。　吐出弁の弁体にガイド部と曲面接触部を有することにより、高い背圧がかかった場合にもヘルツ接触でシート部を形成し、高い油密性を発揮することができる。また、ガイド部を弁体に設けることにより、曲面接触部を限定し、弁体の小型軽量化を図る。

Description

高圧燃料供給ポンプ

　本発明は、自動車用内燃機関用の高圧燃料供給ポンプの吐出弁構造に関する。

　自動車等の内燃機関の内、燃焼室へ直接的に燃料を燃焼室内部へ噴射する直接噴射タイプにおいて、燃料を高圧化するためのプランジャ式高圧燃料供給ポンプが広く用いられている。

　特開２０１１－８０３９１号公報においては、弁体、シート、ばねを内部に収納形成する吐出弁ユニットがある。この吐出弁はシート面が平面であり、弁体およびシートの当接部を精度良く研磨することにより、油密性能を得ることができる（特許文献１参照）。

　特許３９４４１３号広報においては、弁体として、ボールを用いているものがある。ボールは背圧を受けてシート面に当接することにより、シート部とヘルツ接触を起こし、油密性能を得ることができる。

特開２０１１－８０３９１号 特許３９４４１３号

　しかしながら、特許文献１の技術においては、ポンプを特に高い圧力で運転する場合、弁体が高い背圧を受け、平坦なシート部が変形し、油密性能が低くなることがある。

　一方で、特許文献２の技術においては、弁体がボール形状であるため、高い背圧を受けても、シート部のヘルツ接触は促進され、高い油密性を得ることができる。しかしながら、ボール形状の弁体では、幾何学的にシート部はボールの直径よりも小さくならざるを得ず（例えばシート角９０度の場合、シート径は直径の１／√２倍）、流路の確保に限界がある。流路を大きくするために、ボール径を大きくした場合は、質量増加を招き、応答性悪化が避けられない。また、ボール保持部品等の大型化も伴い、全体的な大型化も伴う。

　本発明の目的は、高い燃料圧力においても油密性能を確保し、かつ、小型軽量な吐出弁構造を有する高圧燃料供給ポンプを提供するものである。

　前述の課題を解決するために、本発明ではポンプに設けられたシリンダと、シリンダ内に摺動可能に設けられカムの回転に従って往復運動するプランジャと、プランジャ及びシリンダで形成される流体の加圧室と、加圧室と流体の吸入通路の間に形成される空間に設けられた電磁弁と、加圧室と流体の吐出通路の間に形成される空間に設けられた吐出弁とを備える。吐出弁は加圧室に向かって径が小さくなる円錐状のシート面を有するシート部材と、シート部材に当接する弁部材と、弁部材を軸方向に摺動可能に拘束するガイド機構と、弁部材のシートとの当接面に形成されている曲面形状部と、弁部材をシートに向かって付勢するばねを備えることとする。

　更に望ましくは、ガイド機構は弁体と一体形勢されている支持部からなることとする。

　更に望ましくは、ガイド機構は弁体よりもシート側に形成されることとする。

　更に望ましくは、ばねの直径はシート径より小さいこととする。

　更に望ましくは、シート部材には、支持部をガイドするガイド穴が設けられている。

　更に望ましくは、シート部材には、加圧室と吐出通路を連通する連通路が設けられており、連通路はガイド穴の周りに複数個設けられていることとする。

　このように構成することにより、吐出弁の弁体は、曲面形状の当接部を有しているため、高い背圧がかかった場合にはヘルツ接触により、シート部が微小に変形してシール面を形成し、高い油密性を発揮することができる。更に、弁体は当接部のみが曲面形状を有すればよいため、シート部より外周側は省くことができ、単なるボールより小型軽量に形成することが可能となる。ここで、曲面形状部が確実にシートに当接するためには、弁体の傾きを抑制するガイド機構が必要であり、弁体を軸方向に摺動可能に拘束するガイド機構によって上記が実現できる。

　更に、ガイド機構が弁体よりもシート側に形成することにより、吐出弁の全長を短くすることができる。

　更に、ばねの直径をシート径よりも小さくすることにより、吐出弁の外径を小さく抑えることができる。

　更に、シート部材側に弁体の支持部のガイド穴を設けることにより、ガイド機構を小型簡素にできる。

　更に、連通路をガイド穴周りに複数個設けることにより、弁体に作用する流体力の周方向の偏りを低減できる。

　上述の効果によって、高い燃料圧力においても、油密性能を確保し、かつ、小型軽量な吐出弁構造を有する高圧燃料供給ポンプを提供できる。

本本発明が実施された第一実施例の高圧燃料供給ポンプの全体縦断面図である。 第一実施例の高圧燃料供給ポンプの別の角度からの断面図である。 第一実施例の高圧燃料供給ポンプの横断面図である。 高圧燃料ポンプを含む、システム全体図である。 本本発明が実施された第一実施例の吐出弁機構の断面図である。 本発明が実施された吐出弁機構の分解図である。 吐出弁シート部材の投影図である。 吐出弁部材の断面図である。 第二実施例の吐出弁部材の断面図である。 第三実施例の吐出弁部材の断面図である。 他の実施形態

　以下、本発明に係る実施例を説明する。

　図４に示すシステムの全体構成図を用いてシステムの構成と動作を説明する。

　破線で囲まれた部分が高圧燃料供給ポンプ（以下高圧ポンプと呼ぶ）本体を示し、この破線の中に示されている機構，部品は高圧ポンプ本体１に一体に組み込まれていることを示す。燃料タンク２０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を通してポンプ本体１の吸入ジョイント１０ａに送られる。

　吸入ジョイント１０ａを通過した燃料は圧力脈動低減機構９，吸入通路１０ｂを介して容量可変機構を構成する電磁吸入弁３０の吸入ポート３０ａに至る。脈動防止機構９については後述する。

　電磁吸入弁３０は電磁コイル３０８を備え、電磁コイル３０８が通電されていない時は、アンカーばね３０３の付勢力と弁ばね３０４の付勢力の差により、吸入弁体３０１は開弁方向に付勢され吸入口３０ｄは開けられた状態となっている。尚、アンカーばね３０３の付勢力と弁ばね３０４の付勢力は、
　アンカーばね３０３の付勢力　＞　弁ばね３０４の付勢力　　
となるよう設定されている。

　この電磁コイル３０８が通電されている状態ではアンカー３０５が図４の左方に移動した状態で、アンカーばね３０３が圧縮された状態が維持される。電磁プランジャ３０５の先端が同軸で接触するように取り付けられた吸入弁体３０１は弁ばね３０４の付勢力により高圧ポンプの加圧室１１につながる吸入口３０ｄを閉じている。

　以下、高圧ポンプの動作について説明する。
後述するカムの回転により、プランジャ２が図４の下方に変位して吸入工程状態にある時は、加圧室１１の容積は増加し加圧室１１内の燃料圧力が低下する。この工程で加圧室１１内の燃料圧力が吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）の圧力よりも低くなると、燃料は、開口状態にある吸入口３０ｄを通り加圧室１１に流入する。プランジャ２が吸入工程を終了し圧縮工程へと移行した場合、プランジャ２が圧縮工程（図１の上方へ移動する状態）に移る。ここで電磁コイル３０８は無通電状態を維持したままであり磁気付勢力は作用しない。よって、吸入弁体３０１アンカーばね３０３の付勢力により開弁したままである。加圧室１１の容積は、プランジャ２の圧縮運動に伴い減少するが、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３０１を通して吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）へと戻されるので、加圧室の圧力が上昇することは無い。この工程を戻し工程と称する。

　この状態で、エンジンコントロールユニット２７（以下ＥＣＵと呼ぶ）からの制御信号が電磁吸入弁３０に印加されると電磁吸入弁３０の電磁コイル３０８には電流が流れ、磁気付勢力により電磁プランジャ３０５が図４の左方に移動し、アンカーばね３０３が圧縮された状態が維持される。その結果、吸入弁体３０１にはアンカーばね３０３の付勢力が作用しなくなり、　弁ばね３０４による付勢力と燃料が吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）に流れ込むことによる流体力が働く。そのため、吸入弁３０１は閉弁し吸入口３０ｄを閉じる。吸入口３０ｄが閉じるとこのときから加圧室１１の燃料圧力はプランジャ２の上昇運動と共に上昇する。そして、燃料吐出口１２の圧力以上になると、吐出弁機構８を介して加圧室１１に残っている燃料の高圧吐出が行われ、コモンレール２３へと供給される。この工程を吐出工程と称する。

　すなわち、プランジャ２の圧縮工程（下始点から上始点までの間の上昇工程）は、戻し工程と吐出工程からなる。そして、電磁吸入弁３０の電磁コイル３０８への通電タイミングを制御することで、吐出される高圧燃料の量を制御することができる。電磁コイル３０８へ通電するタイミングを早くすれば、圧縮工程中の、戻し工程の割合が小さく、吐出工程の割合が大きい。すなわち、吸入通路１０ｂ(吸入ポート３０ａ)に戻される燃料が少なく、高圧吐出される燃料は多くなる。一方、通電するタイミングを遅くすれば圧縮工程中の、戻し工程の割合が大きく吐出工程の割合が小さい。すなわち、吸入通路１０ｂに戻される燃料が多く、高圧吐出される燃料は少なくなる。電磁コイル３０８への通電タイミングは、ＥＣＵからの指令によって制御される。

　以上のように構成することで、電磁コイルへ３０８への通電タイミングを制御することで、高圧吐出される燃料の量を内燃機関が必要とする量に制御することが出来る。

　加圧室１１の出口には吐出弁機構８が設けられている。吐出弁機構８は吐出弁シート８ａ，吐出弁８ｂ，吐出弁ばね８ｃを備え、加圧室１１と燃料吐出口１２に燃料差圧が無い状態では、吐出弁８ｂは吐出弁ばね８ｃによる付勢力で吐出弁シート８ａに圧着され閉弁状態となっている。加圧室１１の燃料圧力が、燃料吐出口１２の燃料圧力よりも大きくなった時に始めて、吐出弁８ｂは吐出弁ばね８ｃに逆らって開弁し、加圧室１１内の燃料は燃料吐出口１２を経てコモンレール２３へと高圧吐出される。

　かくして、吸入ジョイント１０ａに導かれた燃料はポンプ本体１の加圧室１１にてプランジャ２の往復動によって必要な量が高圧に加圧され、燃料吐出口１２からコモンレール２３に圧送される。

　コモンレール２３には、直接噴射用インジェクタ２４（所謂直噴インジェクタ），圧力センサ２６が装着されている。直噴インジェクタ２４は、内燃機関の気筒数に合わせて装着されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２７の制御信号にてしたがって開閉弁して、燃料をシリンダ内に噴射する。

　以下に高圧燃料ポンプの構成，動作を図１乃至図３を用いてさらに詳しく説明する。

　一般的に高圧ポンプは内燃機関のシリンダヘッド４１に密着して固定される。シリンダヘッドとポンプ本体間の気密保持のためにＯリング６１がポンプ本体１に嵌め込まれている。

　ポンプ本体1にはプランジャ２の進退運動をガイドし、かつ内部に加圧室１１を形成するよう端部が有底筒型状に形成されたシリンダ６が取り付けられている。さらに加圧室１１は燃料を供給するための電磁吸入弁３０と加圧室１１から吐出通路に燃料を吐出するための吐出弁機構８に連通するよう複数個の連通穴１１ａが設けられている。

　シリンダ６はその外径において大径部と小径部を有し小径部がポンプ本体１に圧入され、かつ大径部と小径部の段差６ａがポンプ本体１に面圧着し加圧室１１で加圧された燃料が低圧側に漏れるのをシールする。

　プランジャ２の下端には、内燃機関のカムシャフトに取り付けられたカム５の回転運動を上下運動に変換し、プランジャ２に伝達するタペット３が設けられている。プランジャ２はリテーナ１５を介してばね４にてタペット３に圧着されている。これによりカム５の回転運動に伴い、プランジャ２を上下に進退（往復）運動させることができる。

　また、シールホルダ７の内周下端部に保持されたプランジャシール１３がシリンダ６の図中下端部においてプランジャ２の外周に摺動可能に接触する状態で設置されており、これによりプランジャ２とシリンダ６との間のブローバイ隙間がシールされ、燃料がポンプ外部に漏れることを防止する。同時に内燃機関内の摺動部を潤滑する潤滑油（エンジンオイルも含む）がブローバイ隙間を介してポンプ本体１の内部に流入するのを防止する。

　フィードポンプ２１によって汲み上げられた燃料は、吸入配管２８と結合された吸入ジョイント１０ａを介してポンプ本体１に送られる。

　ダンパカバー１４は、ポンプ本体１と結合することにより低圧燃料室１０を形成し、入ジョイント１０ａを通過した燃料が流入する。低圧燃料室１０の上流には、燃料中に含まれる金属粉等の異物を除去するために燃料フィルタ１０２が、たとえばポンプ本体１に圧入されるなどして取り付けられている。

　低圧燃料室１０には高圧ポンプ内で発生した圧力脈動が燃料配管２８へ波及するのを低減させる圧力脈動低減機構９が設置されている。一度加圧室１１に吸入された燃料が、容量制御状態のため再び開弁状態の吸入弁体３０１を通して吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）へと戻される場合、吸入通路１０ｂ（吸入ポート３０ａ）へ戻された燃料により低圧燃料室１０には圧力脈動が発生する。しかし、低圧燃料室１０に設けた圧力脈動低減機構９は、波板状の円盤型金属板２枚をその外周で張り合わせ、内部にアルゴンのような不活性ガスを注入した金属ダンパ９ａで形成されており、圧力脈動はこの金属ダンパ９ａが膨張・収縮することで吸収低減される。９ｂは金属ダンパ９ａをポンプ本体1の内周部に固定するための取り付け金具である。

　電磁吸入弁３０は電磁コイル３０８を備え、端子３０７を介しＥＣＵと接続され通電と無通電を繰り返すことにより吸入弁の開閉を制御することにより燃料の流量を制御する可変制御機構である。

　電磁コイル３０８が通電されていない時、吸入弁体３０１には、アンカー３０５及びアンカー３０５に一体となるよう形成されたアンカーロッド３０２を介しアンカーばね３０３の付勢力が伝達される。吸入弁体内側に設置された弁ばね３０４の付勢力は、
　アンカーばね３０３の付勢力　＞　弁ばね３０４の付勢力
となるよう設定されており、結果、吸入弁体３０１は開弁方向に付勢され吸入口３０ｄは開けられた状態となっている。この時アンカーロッド３０２と吸入弁体３０１は３０２ｂに示す部位で接触している（図１に示す状態）。

　コイル３０８の通電により発生する磁気付勢力は、アンカー３０５が固定子３０６側にアンカーばね３０３の付勢力に打ち勝って吸引可能な力を有するように設定される。通電時アンカー３０３は固定子３０６側に移動（図の左側）し、アンカーロッド３０２端部に形成されたストッパ３０２ａがアンカーロッド軸受３０９に当接して係止する。この時アンカー３０１の移動量と吸入弁体３０１の移動量は、
　アンカー３０１の移動量＞と吸入弁体３０１の移動量
となる様にクリアランスが設定されておりアンカーロッド３０２と吸入弁体３０１の接触部３０２ｂは開放され、結果吸入弁体３０１は、弁ばね３０４により付勢され吸入口３０ｄは閉じられた状態となる。

　電磁吸入弁３０は吸入弁体３０１が加圧室への吸入口３０ｄを塞ぐことができるよう吸入弁シート３１０が筒状ボス部１ｂに機密を保って挿入され、ポンプ本体１に固定される。電磁吸入弁３０がポンプ本体１に取り付けられた際、吸入ポート３０ａと吸入通路１０ｂとが接続される。

　図５乃至図６を用いて、本実施例における吐出弁機構８を説明する。吐出弁機構８は、中心に往復摺動を保持可能なように軸受８ｄを設けた吐出弁シート部材８ａと、吐出弁シート部材８ａの軸受けに対し摺動可能な中心軸８ｅを設けた吐出弁部材８ｂを有する。吐出弁部材８ｂは吐出弁シート部材８ａと接触することにより油密保持可能な環状接触面８ｆを形成する。吐出弁ばね８ｃは吐出弁部材８ｂを閉弁方向に付勢するように設けられている。吐出弁シート部材８ａには、軸受け８ｄを中心として複数の連通路８ｇが同心円状に穿設されている。吐出弁シート部材８ａは、たとえば圧入によりポンプ本体１に保持され，吐出弁部材８ｂ，吐出弁ばね８ｃが挿入され封止プラグ１７によりポンプ本体１に封止されることにより吐出弁機構８を構成している。吐出弁機構８は燃料の流通方向を制限する逆止弁として作用する。本実施例では、吐出弁シート部材８ａを通過した燃料は、吐出通路１１０を通り、燃料吐出口１２を通過して下流側へ流れる構成となっている。吐出通路の確保は設計裁量であり、例えば、封止プラグ１７に直接、吐出通路を設けても本発明の意図する吐出弁機構は構成できる。

　図７を用いて、吐出弁シート部材８ａの説明をする。先述の連通路８ｇが３つ、軸受け８ｄを中心に同心円状に配置されている。本実施例では連通路８ｇを３つ示したが、穴数と大きさは、必要な流量、圧力損失、バランス等を考慮して設計する。すなわち、本発明の意図する吐出弁を構成するための設計裁量と言える。吐出弁部材８ｂと接触するシート面８ｉは円錐形状に形成される。断面から見るとテーパー形状である。

　図８を用いて、吐出弁部材８ｂを説明する。吐出弁部材８ｂには曲面部８ｈが設けられており、この位置が吐出弁シート部材８ａと接触し、環状接触面８ｆを形成する。本実施例における曲面部８ｈは、曲率半径Ｒを有している。

　吐出弁部材８ｂの曲面部８ｈが、吐出弁シート部材８ａのシート面８ｉに押圧されると、曲面部８ｈは微小に変形し、油密保持可能な環状接触面８ｆを形成する。曲面部８ｈの当接部は全周で均一な曲率半径Ｒで形成されているため、環状接触面８ｆは全周で均一なシート面を形成することが可能となる。また、シート面は曲面部８ｈの押圧による変形によって形成されるため、弁体に作用する圧力（背圧）が高いほど、シート面が幅広く形成され、シート部の隙間が小さくなる。曲面部とシート部の微小変形の理屈としては、一般的に知られているヘルツ接触に伴う変形で説明できる。

　さらに、曲面部８ｈは環状接触面８ｆ部だけでなく、その前後（内周側と外周側）に同じ曲率半径Ｒの広がりを有している。こうすることにより、多少ガイド部が傾いても、吐出弁シート部材８ａに押し当てられる曲面部８ｉは、同一な曲率半径を有することになり、油密保持可能な環状接触面８ｆを形成することができる。また、曲率半径が一定の部位はシート部及びその前後だけであるため、純粋な球形状の弁体よりは小型軽量化を図ることができる。軽量化は吐出弁の応答性を上げるのに望ましいことである。また、吐出弁ばね８ｃを中心軸側へ設けることにより、吐出弁機構８全体の小径化を図ることが可能となる。本実施例では環状接触面８ｆよりも内側に吐出弁ばね８ｃを設ける例を示したが、環状接触面８ｆよりも外側に設けても、請求項１乃至２に記載の吐出弁機構は構成可能である。

　図９乃至図１０を用いて、別の形態の実施例を示す。

　吐出弁機構８’は吐出弁シート部材８ａ’、吐出弁部材８ｂ’、吐出弁ばね８ｃ’を有する。その下流には吐出弁機構８’を封止する封止プラグ１７’があり、封止プラグ１７’に吐出通路１１０’が設けられている。

　吐出弁部材８ｂ’は曲面部８ｈ‘を有しており、ガイド部８ｅ’は弁体の外周部に設けてある。吐出弁部材の最外径は、曲面部８ｈ‘の最外径とほぼ同じであり、純粋な球形状の弁体よりは最外径を小さく抑えられる。ばね８ｃはガイド部８ｅ’の内周壁面に納められる。この構成では、吐出弁部材のガイド部とばね収容部を並列に構成するため、吐出弁部材の全長を短くすることができる。また、上記理由により、比較的小型軽量も実現できる。

　図１１を用いて、別の形態の実施例を示す。この吐出弁部材はテーパー部８ｊを有しており、テーパー部８ｊの端に、微小な長さの曲面部８ｈ’’を設けている。この曲面部８’’が、吐出弁シート部材と当接し、油密保持可能な環状接触面を形成する部位である。ガイド機構の精度を高く設計し、吐出弁部材の傾き範囲を狭くすることにより、微小な長さの曲面部８’’が、確実にシート面と接触するように構成する。この実施形態でも、基本的に、曲面部をシートに当てて環状接触面を形成し、本発明の意図する吐出弁が構成可能である。この実施例では、曲率半径Ｒの自由度が高く、使用環境にあわせて、より適切な曲率半径を選定することができる。また、実施例２と同様に、小型軽量化も実現できる。

１　　　ポンプ本体
２　　　プランジャ
６　　　シリンダ
８　　　吐出弁機構
９　　　圧力脈動低減機構
３０　　電磁吸入弁
１００　リリーフ弁機構

Claims (6)

1. 　ポンプに設けられたシリンダと、前記シリンダ内に摺動可能に設けられカムの回転に従って往復運動するプランジャと、前記プランジャ及び前記シリンダで形成される流体の加圧室と、前記加圧室と流体の吸入通路の間に形成される空間に設けられた電磁弁と、前記加圧室と流体の吐出通路の間に形成される空間に設けられた吐出弁と、を備えるプランジャ式高圧燃料ポンプであって、
   　前記吐出弁は前記加圧室に向かって径が小さくなる円錐状のシート面を有するシート部材と、前記シート部材に当接する弁部材と、前記弁部材を軸方向に摺動可能に拘束するガイド機構と、前記弁部材の前記シートとの当接面に形成されている曲面形状部と、前記弁部材を前記シートに向かって付勢するばねを備えていることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
2. 　請求項１に記載の高圧燃料ポンプであって、前記ガイド機構は前記弁体と一体形勢されている支持部からなることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
3. 　請求項１乃至２に記載の高圧燃料ポンプであって、前記ガイド機構は前記弁体よりも前記シート側に形成されることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
4. 　請求項１乃至３に記載の高圧燃料ポンプであって、前記ばねの直径はシート径より小さいことを特徴とする高圧燃料ポンプ。
5. 　請求項２乃至４に記載の高圧燃料ポンプであって、前記シート部材には、前記支持部をガイドするガイド穴が設けられていることを特徴とする高圧燃料ポンプ。
6. 　請求項５に記載の高圧燃料ポンプであって、前記シート部材には、前記加圧室と前記吐出通路を連通する連通路が設けられており、前記連通路は前記ガイド穴の周りに複数個設けられていることを特徴とする高圧燃料ポンプ。

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