JP6233181B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁に供給するための燃料を燃料タンクから汲み上げて前記燃料噴射弁側に吐出する燃料ポンプと、該燃料ポンプの下流側に設けられる逆止弁とを備える内燃機関の燃料供給装置に関する。

たとえば、下記特許文献１には、燃料タンク内の燃料を汲み上げて燃料噴射弁に供給する燃料ポンプの下流側に逆止弁を備え、逆止弁の下流側に、下流側の燃料通路の燃圧が過度に高くなる場合に燃料を燃料タンクに戻すリリーフバルブを備えた燃料供給装置が記載されている。ここで逆止弁は、燃料噴射弁側から燃料ポンプ側への燃料の逆流を阻止するためのものである。

特開２０１３−２４５６３５号公報

上記燃料供給装置の場合、逆止弁よりも下流の燃料供給通路において圧力脈動が発生すると、逆止弁の下流側の圧力が上流側の圧力よりも高くなることで逆止弁が閉じてしまい、燃料ポンプから燃料噴射弁へと供給する燃料の供給精度が低下するおそれがあることが発明者らによって見出された。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料タンクから燃料を汲み上げて前記燃料噴射弁側に吐出する燃料ポンプと、該燃料ポンプの下流側に設けられる逆止弁とを備えるものにあって、圧力脈動による逆止弁の閉弁を好適に抑制することのできる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。なお、特許請求の範囲の請求項１にかかる発明は、下記技術的思想１において、「前記逆止弁よりも上流であって前記燃料ポンプよりも下流の燃料の圧力が所定圧以上で開弁して当該燃料を前記燃料タンクに戻す残圧保持バルブ」を備える点、燃料ポンプが「前記逆止弁の下流の燃圧の目標値であって可変設定される前記目標値に基づき操作され」る点、および、「前記下流側受圧面の面積に、前記目標値の最低値を乗算した値と、前記閉弁補助部材が前記逆止弁に及ぼす力との和が、前記上流側受圧面の面積に前記所定圧を乗算した値よりも大きい」点を補正したものに対応する。
技術的思想１：内燃機関の燃料噴射弁に供給するための燃料を燃料タンクから汲み上げて前記燃料噴射弁側に吐出する燃料ポンプと、該燃料ポンプの下流側に設けられる逆止弁とを備え、前記逆止弁は、前記燃料ポンプ側である上流側および前記燃料噴射弁側である下流側間を連通させる連通通路と、前記連通通路を開閉させる弁体と、前記連通通路を遮断する方向に変位させる力を前記弁体に及ぼす閉弁補助部材とを備え、前記燃料ポンプの停止時には閉弁するものであり、前記弁体は、前記逆止弁の上流側に位置する受圧面である上流側受圧面に加わる圧力によって開弁方向の力が及ぼされ、前記逆止弁の下流側に位置する受圧面である下流側受圧面に加わる圧力によって閉弁方向の力が及ぼされ、前記上流側受圧面の面積よりも前記下流側受圧面の面積の方が小さい値に設定されている内燃機関の燃料供給装置。

上記装置において、燃料ポンプから燃料が吐出されて且つ逆止弁が開弁しているときには、弁体には、逆止弁を閉弁させる方向の力として、閉弁補助部材による力と下流側受圧面に燃料が加える力が及ぼされる一方、逆止弁を開弁させる方向の力として、上流側受圧面に燃料が加える力が及ぼされる。ここで、上記装置では、下流側受圧面の面積が上流側受圧面の面積よりも小さいため、閉弁補助部材による力と下流側受圧面に燃料が加える力よりも、上流側受圧面に燃料が加える力を大きくすることができる。そして、この場合、下流側受圧面に圧力脈動による力が加わったとしても、逆止弁が閉弁する事態が生じることを好適に抑制することができる。

一実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる逆止弁の閉弁時の断面構成を示す断面図。 同実施形態にかかる逆止弁の開弁時の断面構成を示す断面図。

以下、内燃機関の燃料供給装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、燃料タンク１０には、ガソリン燃料が充填されている。燃料タンク１０には、燃料タンク１０に充填された燃料を内燃機関に供給する通路である低圧燃料通路１２が接続されている。低圧燃料通路１２には、低圧側デリバリパイプ１４が接続され、低圧側デリバリパイプ１４には、各気筒の吸気ポートに燃料を噴射するポート燃料噴射弁１５が設けられている。

低圧燃料通路１２には、分岐通路１３が接続されている。分岐通路１３には、分岐通路１３に流入する燃料を吸入して加圧し、吐出する高圧燃料ポンプ１６が設けられている。高圧燃料ポンプ１６は、機関駆動式のポンプである。詳しくは、高圧燃料ポンプ１６は、カムシャフト１８の回転に応じてシリンダ１９内で往復動作を繰り返すプランジャ２０を備える。シリンダ１９とプランジャ２０とによって区画される空間である加圧室２１は、電磁弁２２を介して分岐通路１３に接続されている。そして、電磁弁２２が開弁した状態において加圧室２１の容積が拡大することで、分岐通路１３の燃料が加圧室２１内に吸入される。そして、加圧室２１内の容積が縮小するに際し、電磁弁２２を閉弁することで、加圧室２１内の燃料が加圧され、高圧燃料通路２４に吐出される。ここで、燃料の吐出量は、電磁弁２２の閉弁タイミングによって調整される。すなわち、電磁弁２２の閉弁タイミングを遅くするほど、加圧室２１から分岐通路１３に戻される燃料量が増大し、吐出量が減少する。

高圧燃料通路２４は、高圧側デリバリパイプ２６に接続されている。高圧側デリバリパイプ２６には、各気筒の燃焼室に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射弁２７が設けられている。

上記燃料タンク１０には、燃料タンク１０内の燃料を汲み上げて吐出する電子制御式のフィードポンプ３０が設けられている。詳しくは、フィードポンプ３０は、燃料タンク１０内の吸入用容器３１内の燃料を汲み上げる。フィードポンプ３０の燃料吐出口には、逆止弁３２が設けられており、逆止弁３２の下流は、フィルタ３３を介して吐出通路３４に接続されている。そして、吐出通路３４は、逆止弁３６を介して低圧燃料通路１２に接続されている。ここで、逆止弁３６は、下流側（低圧燃料通路１２側）から上流側（吐出通路３４側）への燃料の流入を制限するためのものである。

上記低圧燃料通路１２には、リリーフバルブ３８が接続されている。リリーフバルブ３８は、低圧燃料通路１２の圧力が規定圧以上となることで開弁し、低圧燃料通路１２を燃料タンク１０と連通させるものである。

上記吐出通路３４には、分岐通路４０が設けられており、分岐通路４０は、残圧保持バルブ４２に接続されている。残圧保持バルブ４２は、上記規定圧よりも低い所定圧以上となることで開弁するものである。本実施形態では、特に、燃料を内燃機関に供給するためにフィードポンプ３０が燃料を吐出しているときには、残圧保持バルブ４２が開弁状態となるように、上記所定圧を設定している。

残圧保持バルブ４２の下流には、フィードポンプ３０によって汲み上げられた燃料を吸入用容器３１に戻すためのリターン通路４４が接続されている。リターン通路４４には、ジェットポンプ４６，４８が接続されている。このため、内燃機関に燃料を供給するためにフィードポンプ３０が燃料を吐出する期間において、残圧保持バルブ４２が開弁し、分岐通路４０に流入した燃料がリターン通路４４を介して吸入用容器３１に戻される。これにより、燃料タンク１０内の燃料残量が少ないときには、ジェットポンプ４６付近に負圧が発生することから、ジェットポンプ４６付近の燃料は、吸引されて、吸入用容器３１側に吸入される。一方、ジェットポンプ４８付近には、連絡通路５０が接続されている。このため、燃料タンク１０内の燃料残量が少ないときには、上記リターン通路４４を介して燃料が吸入用容器３１に戻される際にジェットポンプ４８付近に負圧が発生する。連絡通路５０は、燃料タンク１０のうちフィードポンプ３０から離間した位置に配置されたフィルタ５２に接続されている。このため、ジェットポンプ４８付近に負圧が発生すると、フィードポンプ３０から離間した位置にある燃料がフィルタ５２を介して連絡通路５０に吸入され、ひいては、リターン通路４４を流動する燃料と合流して吸入用容器３１に流入する。

このように、残圧保持バルブ４２、リターン通路４４、ジェットポンプ４６，４８は燃料タンク１０内の燃料を吸入用容器３１に集める機能を有する。
ＥＣＵ５４は、電磁弁２２や、ポート燃料噴射弁１５、筒内燃料噴射弁２７、フィードポンプ３０を電子操作する電子制御装置である。ここで、ＥＣＵ５４は、フィードポンプ３０の回転速度を操作することで、その吐出量を可変制御する。特に、ＥＣＵ５４は、フィードポンプ３０の吐出量を、ポート燃料噴射弁１５や筒内燃料噴射弁２７によって消費される燃料に応じて可変制御する。詳しくは、フィードポンプ３０の吐出量を、ポート燃料噴射弁１５や筒内燃料噴射弁２７によって消費される燃料量と残圧保持バルブ４２を介して燃料タンク１０付近に戻される燃料量に近づける制御を行う。この際、ＥＣＵ５４は、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧を目標値に制御して且つ、この目標値を可変設定する制御を行う。

これは、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧を目標値に制御するための操作量と、高圧側デリバリパイプ２６内の燃圧を目標値に制御するための操作量とによって、フィードポンプ３０を操作することで行うことができる。ここで、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧を目標値に制御するための操作量は、開ループ操作量とフィードバック操作量とによって算出すればよい。ここで、フィードバック操作量は、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧を検出する低圧側燃圧センサ５６の検出値を目標値にフィードバック制御するための操作量となる。また、高圧側デリバリパイプ２６内の燃圧を目標値に制御するための操作量は、開ループ操作量とフィードバック操作量とによって算出すればよい。ここで、フィードバック操作量は、高圧側デリバリパイプ２６内の燃圧を検出する高圧側燃圧センサ５８の検出値を目標値にフィードバック制御するための操作量となる。

上記低圧燃料通路１２内の燃圧は、圧力脈動を除けば、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値となる。このため、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の制御性を高く維持するためには、リリーフバルブ３８が開弁する上記規定圧を、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値よりも高く設定する必要がある。

また、フィードポンプ３０によって燃料の吐出供給がなされているときに残圧保持バルブ４２を開弁状態とするためには、残圧保持バルブ４２を開弁させる上記所定圧を、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値よりも低くする必要がある。

ここで、本実施形態では、規定圧を、「５００ｋＰａ以上」、望ましくは「５００〜７００ｋＰａ」、より望ましくは「５５０〜７００ｋＰａ」に設定し、所定圧を、「５００ｋＰａ以上」、望ましくは「５００〜７００ｋＰａ」、より望ましくは「５５０〜７００ｋＰａ」に設定する。

上記逆止弁３６は、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値を可変設定することに伴って設けられたものである。すなわち、上記構成の場合、フィードポンプ３０が停止すると、残圧保持バルブ４２も閉弁する。ここで、逆止弁３６を設けない場合には、低圧燃料通路１２内の燃圧は、残圧保持バルブ４２を開弁させる上記所定圧程度まで低下する。この場合、上述したように、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値を可変設定することに起因して上記所定圧を高い値にできないために、燃料の蒸気圧が低下する。このため、デッドソーク中にベーパが発生することが懸念される。これに対し、逆止弁３６を備えることで、低圧燃料通路１２内の燃圧を上記所定圧よりも高い値に維持することができることから、ベーパの発生を抑制することができる。

ところで、高圧燃料ポンプ１６を備える場合、高圧燃料ポンプ１６が、分岐通路１３からの燃料を吸入したり、吸入した燃料を分岐通路１３にはき出したりすることで、低圧燃料通路１２に圧力脈動が生じる。特に、筒内燃料噴射弁２７が燃料を噴射しない期間においては、加圧室２１に一旦吸入された燃料のほぼ全てが分岐通路１３にはき出されることで圧力脈動が顕著となる。

ここで、高圧燃料ポンプ１６において圧力脈動が発生すると、逆止弁３６の下流側の圧力が上流側の圧力よりも高くなることに起因して逆止弁３６が閉弁し、ひいては燃料供給の制御性が低下するおそれがある。すなわち、逆止弁３６が閉弁すると、フィードポンプ３０の回転速度と吐出量との関係が崩れるため、ＥＣＵ５４がフィードポンプ３０の吐出量を制御するために設定したフィードポンプ３０の回転速度によっては、狙いとする吐出量とならなくなる。

逆止弁３６が閉弁する現象は、可変設定される低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値よりもリリーフバルブ３８を開弁させる上記規定圧を高くする必要があることに起因して特に生じやすくなる。これは、圧力脈動のエネルギをリリーフバルブ３８を開弁することで燃料タンク１０側に解放することが困難となるためである。なお、逆止弁３６が閉弁する場合、逆止弁３６が圧力脈動の固定端となることで、共振現象が発生し、ひいては脈動に起因した音や振動の問題を引き起こすおそれもある。すなわち、高圧燃料ポンプ１６の燃料の吸入および吐き出しによって生じる圧力脈動と、この圧力脈動の逆止弁３６での反射波との位相が一致する場合に共振が生じる。そして、共振が生じる場合、そのときの圧力脈動が音や振動の問題を引き起こすおそれがある。

そこで本実施形態では、逆止弁３６の構造を以下のように設定する。
図２に、本実施形態にかかる逆止弁３６の断面構造を示す。特に、図２は、逆止弁３６の閉弁状態における断面図である。

図示されるように、逆止弁３６は、吐出通路３４と低圧燃料通路１２とに接続される連通通路６０を備えている。また、逆止弁３６は、弁体６２および弁座６４を備え、弁体６２が弁座６４に着座することで閉弁する。また、逆止弁３６は、弁体６２および固定部６８のそれぞれに端部を固定されたコイルスプリング６６を備えている。コイルスプリング６６は、弾性力によって、弁体６２を弁座６４に押し付ける。

こうした構成によれば、上記フィードポンプ３０から燃料が吐出されていないときには、吐出通路３４側の圧力が低下することから、弁体６２のうち上流側の受圧面である上流側受圧面６２ａに加わる力が、弁体６２のうち下流側の受圧面である下流側受圧面６２ｂに燃料およびコイルスプリング６６が及ぼす力よりも小さくなる。これにより、弁体６２が弁座６４に着座し、連通通路６０の上流側である吐出通路３４側が、弁体６２によって遮断される。

図３に、逆止弁３６の開弁時の断面図を示す。
図示されるように、弁体６２が弁座６４から離れることで、吐出通路３４と連通通路６０とが連通し、逆止弁３６が開弁状態となる。

ここで、逆止弁３６を開弁状態に維持するためには、下流側受圧面６２ｂの面積Ｓ１と、上流側受圧面６２ａの面積Ｓ２とを用いて、以下の式（ｃ１）が成立することが要求される。なお、制御燃圧は、低圧側デリバリパイプ１４内の燃圧の目標値である。
Ｓ１×（制御燃圧＋脈動）＋（コイルスプリング６６の弾性力）＜Ｓ２×（制御燃圧）
…（ｃ１）
ここで、本実施形態では、その構造上、上流側受圧面６２ａの面積Ｓ２と下流側受圧面６２ｂの面積Ｓ１との間に、「Ｓ２＞Ｓ１」の関係がある。このため、上記式によって規定される条件を満たすことが容易となる。ちなみに、本実施形態では、フィードポンプ３０の停止時に逆止弁３６が閉弁し、低圧燃料通路１２から吐出通路３４側への燃料の流入を阻止するために、以下の式（ｃ２）が更に成立するようにする。
Ｓ１×（制御燃圧の最低値）＋（コイルスプリング６６の弾性力）＞Ｓ２×（上記所定圧） …（ｃ２）
次に、本実施形態の作用について説明する。

フィードポンプ３０から内燃機関に燃料が供給され内燃機関が駆動されると、高圧燃料ポンプ１６のプランジャ２０がシリンダ１９内を往復動作する。ここで、分岐通路１３から加圧室２１に燃料が吸入された後、分岐通路１３に戻されるなどすると、低圧燃料通路１２に圧力脈動が生じる。しかし、この脈動による力と、制御燃圧による力が弁体６２を閉弁させようとする力は、下流側受圧面６２ｂの面積Ｓ１が上流側受圧面６２ａの面積Ｓ２よりも小さいため、上流側受圧面６２ａに及ぼされる力と比較して大きくなりにくい。このため、逆止弁３６を開弁状態に維持することができ、ひいては燃料供給の制御性を高く維持することができる。

以上説明した本実施形態によれば、以下に記載する作用効果が得られる。
（１）上流側受圧面６２ａの面積Ｓ２を下流側受圧面６２ｂの面積Ｓ１よりも大きくすることで、圧力脈動が生じた場合であっても、逆止弁３６を開弁状態に維持することができる。

（２）上流側受圧面６２ａの面積Ｓ２と下流側受圧面６２ｂの面積Ｓ１とが、上記の式（ｃ２）を満たすように設定した。これにより、フィードポンプ３０の停止時に逆止弁３６を閉弁させることができ、ひいては、低圧燃料通路１２からベーパが発生することを抑制することができる。

＜技術的思想と実施形態との対応＞
以下、上記「課題を解決するための手段」に記載された技術的思想と、実施形態との代表的な対応関係を記載する。

燃料ポンプ…３０、逆止弁…３６、閉弁補助部材…６６
＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・フィードポンプ３０の燃料の吐出がない場合に弁体６２を閉弁位置に固定する弾性体としては、コイルスプリング６６に限らず、たとえば板バネやゴム等であってもよい。また、弾性体を、弁体６２の下流側受圧面６２ｂに接続させるものに限らない。たとえば、上流側受圧面６２ａ側に接続してもよい。この場合、たとえば、円筒形状の弁座６４に代えて、円筒形状の一部を削除し、削除したスペースに弾性体を配置すればよい。なお、弁体６２に、閉弁方向の力を及ぼす閉弁補助部材としては、弾性体に限らず、たとえば永久磁石であってもよい。この場合、たとえば、弁体６２と弁座６４とを永久磁石にて構成することで閉弁補助部材を構成することができる。

・連通通路６０は、１本に限らず、複数本であってもよい。また、たとえば、連通通路６０を、弁体６２の変位方向を軸とする円環状の部材としてもよい。この場合、連通通路６０が、弁体６２およびコイルスプリング６６の配置される領域の周囲を覆うこととなる。

・リリーフバルブ３８を逆止弁３６の下流に備えることは必須ではない。たとえば、連通通路６０に分岐通路を接続し、これにリリーフバルブ３８を接続してもよい。
・高圧燃料ポンプ１６としては、燃料の吐出量を調整する電子制御式の弁体を備えるものに限らず、吸入量を調整する電子制御式の弁体を備えるものであってもよい。この場合であっても、高圧燃料ポンプ１６の燃料の吸入によって圧力脈動が生じる場合には、これが逆止弁３６を閉弁させる要因となりうるため、上記実施形態やその変形例における逆止弁の設定が有効である。

・上記実施形態では、高圧燃料ポンプ１６や筒内燃料噴射弁２７を備えたがこれに限らない。ポート燃料噴射弁１５の燃料噴射に伴う圧力脈動等、何らかの要因で生じる圧力脈動によって逆止弁３６が閉弁するおそれがある場合には、上記実施形態やその変形例における逆止弁の設定が有効である。

・残圧保持バルブ４２を備えることも必須でない。これを備えない場合であっても、上記特許文献１に記載されているように、フィードポンプ３０の下流側に逆止弁を備える場合、これが圧力脈動によって閉弁するなら、燃料の供給量の制御性が低下するため、上記実施形態やその変形例における逆止弁の設定が有効である。

・燃料としては、ガソリンに限らない。ガソリン以外の燃料であっても、フィードポンプ３０の下流側に逆止弁を備える場合、これが圧力脈動によって閉弁するなら、燃料の供給量の制御性が低下するため、上記実施形態やその変形例における逆止弁の設定が有効である。

１０…燃料タンク、１２…低圧燃料通路、１３…分岐通路、１４…低圧側デリバリパイプ、１５…ポート燃料噴射弁、１６…高圧燃料ポンプ、１８…カムシャフト、１９…シリンダ、２０…プランジャ、２１…加圧室、２２…電磁弁、２４…高圧通路、２６…高圧側デリバリパイプ、２７…筒内燃料噴射弁、３０…フィードポンプ、３１…吸入用容器、３２…逆止弁、３３…フィルタ、３４…吐出通路、３６…逆止弁、３８…リリーフバルブ、４０…分岐通路、４２…残圧保持バルブ、４４…リターン通路、４６，４８…ジェットポンプ、５０…連絡通路、５２…フィルタ、５４…ＥＣＵ、５６…低圧側燃圧センサ、５８…高圧側燃圧センサ、６０…連通通路、６２…弁体、６２ａ…上流側受圧面、６２ｂ…下流側受圧面、６４…弁座、６６…コイルスプリング、６８…固定部。

Claims (1)

1. 内燃機関の燃料噴射弁に供給するための燃料を燃料タンクから汲み上げて前記燃料噴射弁側に吐出する燃料ポンプと、
   該燃料ポンプの下流側に設けられる逆止弁と、
   前記逆止弁よりも上流であって前記燃料ポンプよりも下流の燃料の圧力が所定圧以上で開弁して当該燃料を前記燃料タンクに戻す残圧保持バルブと、を備え、
   前記燃料ポンプは、前記逆止弁の下流の燃圧の目標値であって可変設定される前記目標値に基づき操作され、
   前記逆止弁は、
   前記燃料ポンプ側である上流側および前記燃料噴射弁側である下流側間を連通させる連通通路と、
   前記連通通路を開閉させる弁体と、
   前記連通通路を遮断する方向に変位させる力を前記弁体に及ぼす閉弁補助部材とを備え、
   前記弁体は、前記逆止弁の上流側に位置する受圧面である上流側受圧面に加わる圧力によって開弁方向の力が及ぼされ、前記逆止弁の下流側に位置する受圧面である下流側受圧面に加わる圧力によって閉弁方向の力が及ぼされ、前記上流側受圧面の面積よりも前記下流側受圧面の面積の方が小さい値に設定されており、
   前記下流側受圧面の面積に、前記目標値の最低値を乗算した値と、前記閉弁補助部材が前記逆止弁に及ぼす力との和が、前記上流側受圧面の面積に前記所定圧を乗算した値よりも大きい内燃機関の燃料供給装置。