JP6293994B2 - 高圧燃料供給ポンプ - Google Patents

Description

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関する。

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大流量・高圧化が強く求められている。特に吐出圧力の高圧化は、年々厳しくなる排気規制に対応する手法の一つとして注目されている。

高圧燃料供給ポンプの摺動部を形成する方法が各種提案されている。その中で、構造の簡素化と製作費用の低減は重要な課題のひとつである。高圧燃料供給ポンプではプランジャが往復運動を行なうことにより、加圧室内の燃料を加圧するため、プランジャの往復運動を案内するシリンダの内壁面とプランジャの外壁面とが摺動部となる。

特許文献1には、プランジャを案内する壁として、ボディとは別部材で形成したシリンダ設けている。このシリンダを固定するために、ボディにシリンダを圧入し、プランジャと摺動する摺動部の外周に低圧燃料部を形成して、摺動部を冷却する方法が開示されている。

特許文献2には、ボディとは別部材で形成したシリンダを固定するために、シリンダをボディとホルダ部材で挟持する方法が開示されている。

特開２０１１−２３１４５８号公報 特開２０１０−１０６７４１号公報

プランジャの往復運動を案内するシリンダをボディと別部材で形成した場合、このシリンダをボディに固定する必要がある。シリンダの外周側面に外側から外力が加わるとシリンダが変形し、シリンダの内周側面(内壁面)の一部又は全部が収縮する可能性がある。シリンダはプランジャの往復運動を案内するため、シリンダ内周側面とプランジャの外周面とは摺動部を形成し、所定の隙間(クリアランス)を確保する必要がある。この隙間は、大きすぎると加圧室内からの燃料漏れが大きくなり、十分な加圧ができないし、小さすぎると摺動部に過度な摩擦抵抗が生じてしまうため、摺動部における隙間は精密に管理されなければならない。

シリンダの内周側面の一部又は全部が収縮した場合、摺動部のクリアランスが減少し、摩擦抵抗が大きくなる。この状態でプランジャがシリンダ内で往復運動を繰り返すと摺動部が発熱し、ポンプとしての信頼性を損ねる可能性がある。

シリンダに外側から加わる外力は、例えばシリンダを固定する際にシリンダをボディに圧入した場合に発生する。また、加圧室で加圧された燃料による圧力がシリンダ外周に作用し、シリンダ内径の一部または全部を収縮させる外力として作用する。

本発明の目的は、摺動部の変形を抑制することができる構造を提案し、信頼性の高い高圧燃料ポンプを提供する。

加圧室の燃料を加圧するプランジャと、プランジャの往復運動を内周側面で案内するシリンダと、シリンダが配設されるボディと、を備える高圧燃料供給ポンプであって、前記シリンダを前記ボディに固定するシリンダホルダ部と、前記シリンダが前記ボディの下部から挿入されるとともに前記シリンダホルダ部により上側に付勢されることで前記シリンダの加圧室側上端面が前記ボディと圧接され、当該加圧室側上端面により加圧室と低圧燃料部との間をシールするシール部と、を備え、シリンダの全体が前記加圧室側上端面から前記加圧室と反対側に配置される。

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。

シリンダとボディとの圧接により形成されたシール部は加圧室内で加圧された燃料がシリンダの外周側面にもれ出ることを防ぐため、シリンダ外周側面に加圧された燃料の圧力がシリンダを締め付ける外力として作用しない。

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に係るシリンダ周辺部材の（上死点位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例２に係るシリンダ周辺部材の（上死点位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例２に係るシリンダ周辺部材の（上死点位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例３に係るシリンダ周辺部材の（上死点位置での）断面図を示す。 は、本発明の実施例３に係るシリンダ周辺部材の（上死点位置での）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、燃料吸入通路１０、加圧室１１、燃料吐出通路１２が形成されている。燃料吸入通路１０及び燃料吐出通路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、アンカー５０３、アンカーばね５０２、弁体ばね５０４が配されている。弁体５０１には、アンカーばね５０２の付勢力がアンカー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。この電磁弁方式を、電磁コイルがＯＦＦの状態で開弁状態、ＯＮの状態で閉弁状態となることからノーマルオープン方式と称する。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が、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。

さらに、以降では弁体５０１とアンカー５０３が別体の場合を前提に説明を進めるが、両者が一体形成の場合を前提にしても、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。

コモンレール５３には、インジェクタ５４、圧力センサ５６が装着されている。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(ＥＣＵ４０)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内の燃料圧力が低圧通路９の燃料圧力よりも低くなると、弁体５０１は開弁し、燃料が加圧室内に吸入される。

この際、アンカーばね５０４の付勢力はアンカー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の圧力は低圧通路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、アンカー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アンカー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に係るシリンダ１２０周辺部材の断面図を示す。また、図２ではプランジャ２が上死点に位置している場合を示している。図２において、１はボディ、２はプランジャ、１２０はシリンダ、１２１はホルダ部材、１２３はシール部材、４は戻しばね、３はリテーナをそれぞれ表している。ホルダ部材１２１はボディ１に結合部１２６を介して結合されている。結合部１２６はねじ締結や圧入、または溶接により形成される。シリンダ１２０の一部である保持部１３３はホルダ部材１２１によりボディ１方向に付勢されており、ボディ１とシリンダ１２０の接触部では高圧シール部１２４が形成されている。ここで、高圧シール部１２４を挟み、加圧室１１側を高圧側、その逆側を低圧側と定義する。シリンダ１２０には、高圧シール部１２４よりも低圧側に摺動部１２５が設けられており、プランジャ２はシリンダ１２０に挿入され、摺動部１２５にて支持されている。これにより、シリンダが加圧室内に存在しないため、高圧燃料の圧力がシリンダおよび摺動部に作用せず、それらの変形を抑制することができる。また、シリンダ１２０に対して軸方向の付勢力によりシリンダ１２０を固定し、高圧シール部１２４を形成しているため、固定時の外力による摺動部１２５の変形を抑制することができる。

また、プランジャ２には大径部１２８と小径部１２９が設けられており、その往復動により体積が増減する低圧燃料部１３２が外周に形成されている。低圧燃料部１３２はプランジャ２に接する主低圧燃料部１３０と、シリンダ１２０の外周に形成される従低圧燃料部１２７から構成されており、両者は燃料通路スリット１３１で接続されている。また、従低圧燃料部１２７は図示しないダンパー室通路でダンパー室５１と接続されている。このような構成とすることで、プランジャ２の往復動にともない、ダンパー室５１と低圧燃料部１３２の間に、両者を往復する燃料の流れが発生する。これにより、プランジャ２の往復動にともなうダンパー室５１の圧力脈動低減とともに、摺動部１２５で発生する摩擦熱を、流れ込んできた新規燃料に放熱するといった効果が期待できる。

シール部材１２３はホルダ部材１２１に固定されており、中央にプランジャ２が挿入されている。これにより、プランジャ２が往復動をした際にも、燃料が低圧燃料部１３２から外部に漏れない構造となっている。

以上をまとめると、本実施例により、シリンダ１２０の外周に吐出圧力および固定時の外力が作用しないため、吐出圧力を高圧化した際にも、シリンダ１２０およびその内部に形成された摺動部１２５の変形を抑制することができ、摺動部１２５の信頼性を高めることができる。

図３は、本発明の実施例２に係るシリンダ１２０周辺部材の断面図を示す。また、図３ではプランジャ２が上死点に位置している場合を示している。図３において、１はボディ、２はプランジャ、１２０はシリンダ、１２１はホルダ部材、１２３はシール部材、４は戻しばね、３はリテーナをそれぞれ表している。シリンダ１２０には大径部１３４と小径部１３５が設けられており、大径部１３４に保持部１３３が設けられている。図３には一例として、大径部１３４と小径部１３５の連結部が段付き状の段付き部１２２により形成される場合を示した。保持部１３３は、実施例１と同様に、ボディ１に結合部１２６で結合されたホルダ部材１２１により、ボディ１方向に付勢されており、ボディ１とシリンダ１２０の接触部では高圧シール部１２４が形成されている。シリンダ１２０には、高圧シール部１２４よりも低圧側に摺動部１２５が設けられている点も、実施例１と同様である。こうすることで、付勢力を受ける保持部１３３は厚肉として強度を確保し、摺動により摩擦熱が発生する摺動部１２５の外周は薄肉として放熱性を向上させることができる。さらに、プランジャ２に径方向の外力が作用した際、薄肉の摺動部１２５が径方向に変形し、発生する面圧を低減する効果も期待できる。

保持部１３３を太径に摺動部を細径にすることで、変形の抑制と放熱性の向上を両立することができる。

また、図４のように大径部１３４と小径部１３５の連結部がテーパ状のテーパ部１３６により形成され、テーパ部１３６に保持部１３３を形成してもよい。図３の場合と同様に、保持部１３３はホルダ部材１２１によりボディ１方向に付勢される。その際、テーパ部１３６がホルダ部材１２１に接触することで、シリンダ１２０が自動的に調芯され、より精度の高い位置決めが実現でき、摺動部１２５の信頼性向上が期待される。

保持部をテーパ状にすれば、シリンダの位置が自動的に調芯される効果が期待でき、正確な位置決めを実現することで、摺動部に不要な外力が作用することがない。

図５は、本発明の実施例３に係るシリンダ１２０周辺部材の断面図を示す。また、図５ではプランジャ２が上死点に位置している場合を示している。図５において、１はボディ、２はプランジャ、１２０はシリンダ、１２３はシール部材、４は戻しばね、３はリテーナをそれぞれ表している。

本実施例においても、実施例１および２と同様に、高圧シール部１２４より加圧室１１側に摺動部１２５が形成されない構成とする。こうすることで、シリンダ１２０が加圧室１１に入り込むことがなく、加圧室１１を、その内径がプランジャ２の外径と略等しい円筒形状で構成することができる。なお、両者の間には幅Ａの微小隙間が形成されている。
加圧室１１の内径形状をプランジャ２に沿う形状とすることで、吐出圧力を高圧化した際、容積効率を低下させる要因となる予圧縮体積（プランジャ２が上死点位置のときの加圧室１１の体積）を低減することができる。

シリンダが加圧室内に入り込まないため、加圧室を、その内径がプランジャの外径と略等しい円筒形状で形成し、吸入通路および吐出通路を自由に配置することができる。これにより、吐出圧力を高圧化した際、容積効率を低下させる要因となる加圧室内の予圧縮体積（プランジャが上死点位置のときの加圧室体積）を低減することができる。

加えて、各部材の間に形成される隙間の大小関係を規定することで、シリンダ外径をボディに直接当てて高精度に位置決めし、加圧室内の隙間をより低減することができる。これにより、さらなる予圧縮体積の低減が可能となる。

また、吸入通路１０と吐出通路１２のプランジャ２に対する高さ（プランジャ２の軸方向）位置が、上死点におけるプランジャ２の頂点と等しくなるような位置関係としている。これにより、吸入通路１０および吐出通路１２がプランジャ２の往復動作により遮られることがなく、燃料の円滑な吸入および吐出が可能となる。

加えて、シリンダ１２０の外周とボディ１の内周の間には幅Ｂの微小隙間が形成されており、幅Ａと幅Ｂの大小関係はＡ＞Ｂとなっている。こうすることで、シリンダ１２０の組み付け時に、シリンダ１２０の外周とボディ１の内周が直接接触するため、ホルダ部材１２１を介して位置決めする場合に比べ、さらに高精度な位置決めを実現することができ、プランジャ２の外径と加圧室１１の内径を、より近付けることが可能となる。さらに、シリンダ１２０の外周とホルダ部材１２１の内周の間には幅Ｃの隙間が形成されており、幅Ｂと幅Ｃの大小関係はＣ＞Ｂとなっている。こうすることで、シリンダ１２０の外周とホルダ部材１２１の内周が接触することはなく、シリンダ１２０に不要な外力が働くことがない。

ホルダ部材１２１は付勢部材１２１ａとシールホルダ部材１２１ｂの二部材で形成されている。シールホルダ部材１２１ｂは、付勢部材１２１ａに嵌合されており、両者の間には幅Ｄの隙間が形成されている。この際、幅Ｂと幅Ｄの大小関係はＤ＞Ｂとなっていることが好ましい。こうすることで、シールホルダ部材１２１ｂの径方向位置は、シール部材１２３を介して、プランジャ２にならうため、両者の軸が一致し、プランジャ２に不要な外力が作用することがない。また、ホルダ部材１２１を二部材で形成する場合、スペース確保の観点から、主低圧燃料部１３０と、従低圧燃料部１２７を接続する燃料通路スリット１３１は、シリンダ１２０側に形成してもよい。

さらに、図６には図５の変形例を示した。図６ではプランジャ２が上死点に位置している場合を示している。加圧室１１は、内部をプランジャ２が往復する容積部１１ａと、容積部１１ａを吸入通路１０および吐出通路１２に接続する通路部１１ｂから形成されている。容積部１１ａの内径部は、その内径がプランジャ２の外径と略同じ円筒形状で形成されている。こうすることでも、図５と同等の効果を有することができる。

以上をまとめると、本実施例により、摺動部１２５に作用する不要な外力を低減して高圧化時の摺動部信頼性を向上し、さらには容積効率の低下も防止する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。

本発明の実施例にかかる構成を用いれば、高圧化時の摺動部信頼性を向上し、さらには容積効率の低下も防止する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。

本発明は、内燃機関の高圧燃料供給ポンプに限らず、各種の高圧ポンプに広く利用可能である。

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…低圧通路、１０…燃料吸入通路、１１…加圧室、１１ａ…容積部、１１ｂ…通路部、１２…燃料吐出通路、２０…シリンダヘッド、４０…ＥＣＵ、５０…燃料タンク、５１…ダンパー室、５３…コモンレール、５４…インジェクタ、５６…圧力センサ、１２０…シリンダ、１２１…ホルダ部材、１２１ａ…付勢部材、１２１ｂ…シールホルダ部材、１２４…高圧シール部、１２５…摺動部、１２６…結合部、１２７…従低圧燃料部、１２８…大径部、１２９…小径部、１３０…主低圧燃料部、１３１…燃料通路スリット１３２…低圧燃料部、１３３…保持部、５００…電磁コイル、５０１…弁体、５０２…アンカーばね、５０３…アンカー、５０４…弁体ばね、

Claims (10)

1. 加圧室の燃料を加圧するプランジャと、
   前記プランジャの往復運動を内周側面で案内するシリンダと、
   前記シリンダが配設されるボディと、
   を備える高圧燃料供給ポンプであって、
   前記シリンダを前記ボディに固定するシリンダホルダ部と、
   前記シリンダが前記ボディの下部から挿入されるとともに前記シリンダホルダ部により軸方向上側に付勢されることで前記シリンダの加圧室側上端面が前記ボディと圧接され、当該加圧室側上端面により前記加圧室と低圧燃料部との間をシールするシール部と、を備え、
   前記シリンダの全体が前記加圧室側上端面から前記加圧室と反対側に配置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に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記シリンダの外径側には大径部と小径部とを有し、
   前記大径部は前記小径部よりも前記加圧室の側に配置され、前記大径部の前記加圧室側上端面が前記ボディに接触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、
   前記プランジャの外径側には、大径部と小径部が設けられており、前記プランジャの往復運動にともない体積が増減する前記低圧燃料部が形成される構造であって、
   前記低圧燃料部が前記内周側面の径方向外側に位置することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
4. 請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記大径部と前記小径部の連結部が、段付き状の段付き部を形成したことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
5. 請求項２に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記大径部と前記小径部の連結部が、テーパ状のテーパ部を形成したことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
6. 請求項３に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記低圧燃料部を形成する壁面は、前記シリンダの一部分と前記プランジャの一部分の両方を含むことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
7. 請求項６に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記加圧室に燃料を吸入する吸入通路と、前記加圧室から燃料を吐出する吐出通路が形成されており、
   前記吸入通路ないし前記吐出通路の、前記プランジャに対する軸方向位置が、上死点における前記プランジャの頂点と等しい、ないし前記頂点よりも前記プランジャの上昇方向に位置することを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
8. 請求項７に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記シリンダの外周と前記ボディの間に径方向に形成される隙間が、前記加圧室の内径と前記プランジャの外径の間に径方向に形成される隙間よりも小さいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
9. 請求項８に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
   前記シリンダの外周と前記ボディの間に径方向に形成される隙間が、
   前記シリンダの外周と前記シリンダホルダ部の内周の間に径方向に形成される隙間よりも小さいことを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。
10. 請求項１に記載の高圧燃料供給ポンプにおいて、
    前記シリンダホルダ部は、前記低圧燃料部の低圧燃料をシールするシール部材を内蔵したシールホルダ部材と、前記シリンダを前記シールホルダ部材を介して前記ボディに付勢する付勢部材とを備え、
    前記シールホルダ部材と前記付勢部材との間には、径方向に隙間が形成されることを特徴とする高圧燃料供給ポンプ。