JP6182997B2 - 燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、インペラの回転によって燃料を圧送する燃料ポンプに関する。

従来、モータ等の駆動力によってインペラを回転させ吸入口から吸入した燃料を吐出口へ圧送する燃料ポンプにおいて、特に高温時のベーパ発生を抑制することで高温時の流量低下を抑制するものが知られている。例えば特許文献１の燃料ポンプは、吸入口から加圧流路部へ向かう導入流路部の流路断面深さ及び最深部の位置の変化の仕方に特徴を有している。また、特許文献２の燃料ポンプは、燃料流路の上流端から、燃料流路途中に形成された気体排出孔の開口部より少し上流の位置までの間に、流路拡大部を設けている。

特許第２７５７６４６号公報 特開平０３−１６０１９２号公報

特許文献１、２のいずれも、インペラに対向する面に形成されたＣ字状の流路（導入流路部、燃料流路）の形状に着目したものである。しかし、燃料ポンプの流量クラスや態様によっては、この流路の形状を変更しても大きな効果が得られなかったり、或いは、既存製品からの改良が困難であったりする場合がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に吸入接続部の開口面積に着目することにより、ベーパの発生による流量低下を抑制する燃料ポンプを提供することにある。

本発明は、シャフト、インペラ、カバー及びケーシングを備えた燃料ポンプにおいて、カバーの吸入口と導入流路との流路空間が重なり合う吸入接続部の開口面積は、燃料中に発生するベーパによる流量低下率が２０％未満となるように設定されている。

伝熱等により燃料温度が上昇すると、燃料中の揮発成分が気化し、ベーパとして流路内に滞留する場合がある。それにより、インペラがベーパを噛み込みながら回転するため、流量が低下するという問題が生じる。そこで、吸入接続部の開口面積を拡大することで、ベーパの発生による流量低下の抑制を図る。
例えば導入流路の内縁径が約２４ｍｍ、外縁径が約３０ｍｍの燃料ポンプでの評価の結果、吸入接続部の開口面積は、２２ｍｍ²以上であることが好ましいと判明した。

さらに本発明では、カバーの中心軸と吸入口とを結ぶ径方向における凹部の外縁から導入流路の内縁までの長さであるシール長さは、インペラとカバーとの間に介在する異物によって生ずるカバーの端面の摩耗による流量低下率が２０％未満となるように所定の長さ以上に設定されている。

開口面積を大きくしようとして導入流路の幅を広くし過ぎると、シール長さが不足し、インペラに作用する圧力バランスが崩れると考えられる。そのため、インペラがカバーに押し付けられたとき、間に介在する異物によってカバー端面が摩耗し、その結果、吸入した燃料の一部が漏れ、圧送効率が低下するため、流量低下率が大きくなる。
例えばインペラの材質がＰＰＳ樹脂、カバーの材質がアルミニウム合金である燃料ポンプでの評価の結果、シール長さは、６．４ｍｍ以上であることが好ましいと判明した。

ここで、流量低下率に対する要求仕様を「２０％未満」とした理由は、一般に、燃料ポンプの初期流量は、通常使用時に想定される流量に対して２５％以上の余裕をみて設定されることが当該技術分野の技術常識であり、通常使用時において２０％までの流量低下は許容されると考えられるからである。

本発明の実施形態による燃料ポンプの軸方向断面図である。 カバーの平面図（ａ）及び軸方向断面図（ｂ）である。 ケーシングの底面図（ｂ）及び軸方向断面図（ａ）である。 インペラの底面図（ｂ）及び軸方向断面図（ａ）である。 燃料流によって発生する負圧の影響を説明する説明図である。 評価品Ｎｏ．１（比較例）の吸入接続部の流路空間を表す三次元図である。 評価品Ｎｏ．２（第１実施形態）の吸入接続部の流路空間を表す三次元図である。 評価品Ｎｏ．３（第２実施形態）の吸入接続部の流路空間を表す三次元図である。 吸入接続部の開口面積と流量低下率との関係を示すグラフである。 作動時間と流量低下率との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による燃料ポンプを図面に基づいて説明する。
図１に示す構成は、本発明の実施形態としての燃料ポンプ１２、１３、及び、実施形態と対比するための比較例としての燃料ポンプ１１に共通の基本構成を示したものである。実施形態の燃料ポンプ１２、１３、及び比較例の燃料ポンプ１１の違いは、カバー２０の吸入口２４と導入流路２６との吸入接続部２５の形状及び開口面積の違いのみであって、図１には顕著に現れない。その違いは、共通の基本構成を説明した後で説明する。

燃料ポンプ１１、１２、１３は、車両において燃料タンクの燃料をエンジンの燃料噴射装置に供給する燃料供給系統に適用される。燃料ポンプ１１、１２、１３は、モータ部５が一体に構成されたインペラ式ポンプであり、インペラ４０の回転によって、吸入口２４から吸入した燃料を昇圧して吐出口６５から外部に吐出する。

インペラ４０は、ケーシング３０に形成されたポンプ室３４に収容されており、図１の上側をケーシング３０に、図１の下側をカバー２０に挟まれた状態で中心軸Ｏを軸として回転する。これにより、カバー２０の吸入口２４から吸入された燃料は、インペラ４０の昇圧部４４で昇圧され、カバー２０の導入流路２６からケーシング３０の導出流路３６を経由して吐出流路３９から流出する。

「回転駆動源」としてのモータ部５０は、ブラシ付きＤＣモータで構成され、ハウジング５９、モータカバー６１、電機子５４、整流子５５及び永久磁石５６等を備えている。
ハウジング５９は筒状に形成されており、その外径が燃料ポンプ１１、１２、１３のサイズを代表的に示す。本実施形態では、ハウジング５９の外径は３８ｍｍである。図１においてハウジング５９の上側の端部では、モータカバー６１が嵌入した状態でハウジング５９が加締められることにより固定されている。ハウジング５９の下側の端部では、インペラ４０を収容したケーシング３０、及びカバー２０が嵌入した状態でハウジング５９が加締められることにより固定されている。

モータカバー６１は樹脂で形成され、図１におけるハウジング５９の上部を覆う。モータカバー６１は、中心軸Ｏの周囲に軸受部６２が形成されており、軸受部６２の周囲の空間は燃料室６３となっている。燃料室６３は、連通路６４を経由して吐出口６５と連通する。連通路６４と吐出口６５との間には、吐出圧を調圧しつつ下流からの燃料の逆流を防止する逆止弁部７０が設けられている。また、モータカバー６１には、ブラシ６６及びスプリング６７を収容するブラシ収容室６６０が形成されている。

電機子５４は、コアにコイルが巻回されて構成され、シャフト５１が中心軸Ｏに沿って一体に固定されている。シャフト５１は、図１における電機子５４の上方の端部が、モータカバー６１の軸受部６２に嵌入された軸受５２に回転可能に支持されている。また、電機子５４の下方の軸部がケーシング３０の軸受穴３１に嵌入された軸受５３に回転可能に支持されている。
シャフト５１の下方の端部は、側面の一方側がカットされたＤ字状に形成され、インペラ４０のシャフト穴４１に挿入されている。これにより、シャフト５１とインペラ４０とは回転方向に回り止めされ、一体に回転する。

電機子５４のモータカバー６１側の端部には整流子５５が設けられている。整流子５５は、周方向に分割された複数のセグメントからなり、電機子５４と共に回転する。
永久磁石５６は、中心軸Ｏに対して同心円状に配置され、ハウジング５９の内壁に沿って極性の異なる磁石が交互に固定されている。
モータカバー６１のブラシ収容室６６０に収容されたブラシ６６は、スプリング６７の力によって整流子５５の摺動面に押し付けられる。ブラシ６６は、チョークコイル６８を経由してターミナル６９と電気的に接続されている。ターミナル６９には外部から電力が供給される。

外部からターミナル６９に供給された直流電流は、ブラシ６６と接触する整流子５５を経由して電機子５４のコイルに供給され、磁力を発生させる。すると、電機子５４の磁力と永久磁石５６の磁界との吸引反発作用によって電機子５４及び整流子５５が回転する。このとき、整流子５５の各セグメントとブラシ６６との接触が繰り返されることにより、コイルへ供給される電流が整流されるため、電機子５４は同一方向への回転を継続する。

こうしてモータ部５０が回転することで、シャフト５１の回転に伴ってインペラ４０が回転し、吸入口２４から吸入した燃料を圧送するポンプ機能を実行する。次に、このポンプ機能を実行する主要部材であるカバー２０、ケーシング３０及びインペラ４０の詳細な構成について図２、３、４を参照して説明する。

カバー２０は、アルミニウム合金で形成され、表面処理が施されている。図２に示すように、カバー２０は、インペラ４０に接する側の端面２３の中央部分に凹部２１を有し、凹部２１の周囲に、インペラ４０の昇圧部４４に沿って溝状に形成された導入流路２６を有している。導入流路２６は、吸入口２４に連通する始端部２７から周方向の他端である終端部２８に向かってＣ字状に延びている。
ここで、カバー２０の中心軸Ｏと吸入口２４とを結ぶ径方向における凹部２１の外縁から導入流路２６の内縁までの長さを「シール長さＬｓ」とする。

カバー２０の寸法例は次のとおりである。
凹部２１の外縁径φＤｃ１ ≒ ９ｍｍ
導入流路２６の内縁径φＤｃ２≒２４ｍｍ
導入流路２６の外縁径φＤｃ３≒３０ｍｍ
カバー２０の外径φＤｃ５ ≒３７ｍｍ

図３に示すように、ケーシング３０は、周壁３２及び底面３３により、インペラ４０を収容するポンプ室３４を形成する。ケーシング３０は、ポンプ室３４の底面３３の中央部分に軸受５３を受容する軸受穴３１を有し、軸受穴３１の周囲に、カバー２０の導入流路２６と対向する導出流路３６を有している。また、ケーシング３０は、昇圧された燃料が吐出される吐出流路３９を有している。導出流路３６は、カバー２０の導入流路２６の始端部２７に対応する始端部３７から、導入流路２６の終端部２８に対応し吐出流路３９と連通する終端部３８に向かってＣ字状に延びている。

ケーシング３０の寸法例は次のとおりである。
導出流路３６の内縁径φＤｋ２≒２４ｍｍ（≒φＤｃ２）
導入流路２６の外縁径φＤｋ３≒３０ｍｍ（≒φＤｃ３）
ポンプ室３４の内径φＤｋ４ ≒３４ｍｍ
ケーシング３０の外径φＤｋ５≒３７ｍｍ（≒φＤｃ５）
ポンプ室３４の深さｄｋ ≒ ４ｍｍ

インペラ４０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂で円板状に形成されている。図４に示すように、インペラ４０の中心にはシャフト５１が挿入されるＤ字状のシャフト穴４１が形成されている。また、インペラ４０は、複数の羽根４２が周方向に配置された環状の昇圧部４４を有している。複数の羽根４２は、インペラ４０の端面４３２、４３３に対して傾斜して形成されており、羽根４２同士の空間に導入された燃料は、旋回流となって流れる過程で昇圧される。

インペラ４０は、一方の端面４３２がカバー２０の端面２３に対向し、他方の端面４３３がケーシング３０の底面３３に対向しつつ回転する。回転中、燃料の圧力バランスが崩れると、インペラ４０が軸に対して傾き、インペラ端面４３２とカバー端面２３、又はインペラ端面４３３とケーシング底面３３とが部分的に当接する可能性がある。

インペラ４０の寸法例は次のとおりである。
昇圧部４４の内側径φＤｉ２≒２４ｍｍ（≒φＤｃ２≒φＤｋ２）
昇圧部４４の外側径φＤｉ３≒３０ｍｍ（≒φＤｃ３≒φＤｋ３）
インペラ４０の外径φＤｉ４≒３４ｍｍ（≒φＤｋ４）
インペラ４０の厚さｔｉ ≒ ４ｍｍ（≒ｄｋ）

以上のように構成された燃料ポンプ１１、１２、１３は、モータ部５０の電機子５４と共にシャフト５１が回転し、それに伴ってインペラ４０が回転すると、吸入口２４から吸入され導入流路２６に導かれた燃料は、インペラ４０の昇圧部４４で昇圧され、導出流路３６を経由して吐出流路３９から流出する。そして、電機子５４と永久磁石５６との隙間を通り、燃料室６３、連通路６４、逆止弁部７０を経由して吐出口６５から燃料ポンプ１１、１２、１３の外部へ吐出される。

このような燃料ポンプにおいて、吐出流量に対して障害となる種々の要因がある。そのうち吸入側における要因の一つである負圧の影響について図５を参照して説明する。
図５に示すように、吸入口２４からインペラ４０に向かって流入する燃料流Ｆの流速が急に速くなる部分では、ベンチュリー効果によって発生する負圧Ｖｃが燃料の流れを妨げる可能性が推定される。そこで、吸入口２４から導入流路２６に接続する部分の形状は、なるべく負圧が発生しにくいように形成されている。

また、エンジンや周辺装置等からの伝熱によって燃料温度が上昇すると、燃料中の揮発成分が気化し、ベーパとして流路内に滞留する場合がある。それにより、インペラ４０がベーパを噛み込みながら回転するため、流量が低下するという問題が生じる。そこで本発明では、吸入口２４と導入流路２６との流路空間が重なり合う吸入接続部２５の開口面積を拡大することで、ベーパの発生による流量低下を抑制することを特徴とする。

上述の基本構成を共通としつつ吸入接続部２５の形状のみを変更した３通りの燃料ポンプの評価品Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３を製作し、流量性能を比較した。評価品Ｎｏ．１、２、３は、それぞれ「燃料ポンプ１１」、「燃料ポンプ１２」、「燃料ポンプ１３」に対応する。評価品Ｎｏ．１、２、３の吸入接続部２５の「流路空間」を三次元モデルで表した模式図を、図６、７、８に示す。

図６、７、８の上下方向における吸入口２４の開口位置から導入流路２６の上端までの距離Ｈｃはカバー２０の高さに相当する。このカバー２０の高さＨｃ、吸入口２４の口元径φＤ０、及び、導入流路２６の中間部より下流の図示しない部分の幅や高さは、評価品Ｎｏ．１、２、３において同一とする。

図６に示す評価品Ｎｏ．１（燃料ポンプ１１）は、吸入口２４の高さの半分に達しない位置に勾配が変化する角部Ｅ１が形成されている。そのため、吸入口２４の角部Ｅ１より底側の部分で、流路断面積が急激に減少している。そして、流路断面積が減少する部分で吸入口２４と導入流路２６とが接続し、吸入接続部２５を形成している。この形態による吸入接続部２５の開口面積Ｓｏ１は約１８ｍｍ²である。

図７に示す評価品Ｎｏ．２（燃料ポンプ１２）は、吸入口２４の角部Ｅ２が底の近傍に形成され、口元から角部Ｅ２まで、内径勾配が比較的緩いほぼ一定の角度となっている。そのため、吸入口２４の深さ方向の流路断面積の減少は比較的小さい。そして、吸入口２４の底から約３分の１〜約２分の１の範囲で吸入接続部２５が形成されている。導入流路２６の始端部２７の幅Ｗ２は評価品Ｎｏ．１の始端部２７の幅Ｗ１と同等である。この形態による吸入接続部２５の開口面積Ｓｏ２は約２２ｍｍ²である。

図８に示す評価品Ｎｏ．３（燃料ポンプ１３）は、角部Ｅ３の位置を含む吸入口２４の形態は評価品Ｎｏ．２と同様である。また、導入流路２６の始端部２７の幅Ｗ３は、評価品Ｎｏ．２の幅Ｗ２よりも大きく形成されている。つまり、吸入口２４と導入流路２６とは、吸入口２４の径方向において、評価品Ｎｏ．１、Ｎｏ．２よりも広い範囲で接続している。この形態による吸入接続部２５の開口面積Ｓｏ３は約２７ｍｍ²である。

また、図２におけるカバー端面２３のシール長さＬｓは、評価品Ｎｏ．１、Ｎｏ．２で約６．４ｍｍであり、始端部２７の幅Ｗ３を大きくした評価品Ｎｏ．３では約５．０ｍｍである。

以上の評価品Ｎｏ．１、２、３について、第１の評価として「吸入燃料中にベーパが発生することによる流量低下率」を評価し、第２の評価として「カバー２０の端面２３が摩耗することによる流量低下率」を評価した。
この評価の結果、第１の評価及び第２の評価の要件をいずれも満足する燃料ポンプは、「請求項１に係る発明を実施するための形態」に該当する。

第１の評価では、想定される最高温時を反映した６０℃の恒温槽内で燃料ポンプ１１、１２、１３を所定の回転数で作動させた。燃料ポンプ１１、１２、１３内でベーパが発生するにつれ、流量は、初期に対してあるレベルまで低下した。このときの初期流量に対する、初期流量と最小流量との差（低下流量）の割合を流量低下率として求めた。
第１の評価の結果を表１及び図９に示す。

ここで、流量低下率に対する要求仕様を「２０％未満」とした。本実施形態では、燃料ポンプの初期流量は、車両の通常走行時に想定される流量に対して２５％以上の余裕をみて設定されている。また、初期流量の要求仕様の設定にあたり、この程度の余裕をみることは、当該技術分野の技術常識である。したがって、仮に初期流量から２０％以内で流量が低下したとしても、車両の通常走行に直ちに重大な影響を及ぼすことはないと考えられる。一方、初期流量から２０％以上流量が低下した場合には、エンジンへ供給される燃料が不足し、好適な走行ができなくなるおそれがある。なお、さらに信頼性を向上する見地から、流量低下率に対する要求仕様を「１５％未満」としてもよい。

このような前提の下、開口面積が１８ｍｍ²であるＮｏ．１では流量低下率が２２％であるため、要求仕様を満足しない。それに対し、開口面積が２２ｍｍ²であるＮｏ．２、２７ｍｍ²であるＮｏ．３は流量低下率が１３％であるため、２０％未満又は１５％未満のいずれの要求仕様も満足する。この結果から、開口面積が２２ｍｍ²以上であれば、高温時のベーパ発生に対して流量低下を抑制することができると考えられる。

次に第２の評価では、所定の異物を混入した燃料を用いて５００Ｈｒの作動耐久を行った。ＰＰＳ製のインペラ４０がアルミニウム製のカバー２０の端面２３にある押付力で押し付けられたとき、インペラ４０とカバー２０との間に介在する異物によってカバー端面２３が摩耗することが予測される。カバー端面２３が摩耗すると、吸入した燃料の一部が導入流路２６から漏れ、圧送効率が低下するため流量が低下するという仮説の下、流量の低下率を経時的に評価した。
第２の評価の結果を表２及び図１０に示す。

カバー端面２３の摩耗後の流量低下率に対する要求仕様は、第１の評価と同じ「２０％未満」を基準とした。なお、この場合も、さらに信頼性を向上する見地から、流量低下率に対する要求仕様を「１５％未満」としてもよい。

５００Ｈｒの作動耐久の結果、シール長さＬｓが６．４ｍｍであるＮｏ．１、Ｎｏ．２では流量低下率が約１０％であったのに対し、シール長さＬｓが５．０ｍｍであるＮｏ．３では流量低下率が約５０％に及んだ。これは、Ｎｏ．３のように吸入接続部２５の開口面積Ｓｏを大きくしようとして導入流路２６の幅Ｗを広くし過ぎると、シール長さＬｓが不足し、インペラ４０に作用する圧力バランスが崩れ、インペラ４０がカバー２０に押し付けられる力によってカバー端面２３の摩耗が大きくなるからであると考えられる。
この結果から、摩耗による流量低下を２０％未満又は１５％未満とするためには、シール長さＬｓを６．４ｍｍ以上確保する必要があると考えられる。

以上より、評価品Ｎｏ．２としての燃料ポンプ１２は、第１の評価及び第２の評価の要件を共に満足する。すなわち、燃料ポンプ１２は、請求項１に係る発明を実施するための形態であることから、本発明の第１実施形態と位置づける。
また、評価品Ｎｏ．３としての燃料ポンプ１３は、第１の評価の要件を満足し、第２の評価の要件を満足しない。燃料ポンプ１３は、参考形態としての第２実施形態と位置づける。
他方、第１の評価の要件を満足しない評価品Ｎｏ．１としての燃料ポンプ１１は、燃料ポンプ１２、１３と対比するための比較例に該当する。

（効果）
本発明の実施形態による燃料ポンプの効果は次のとおりである。
（１）第１実施形態の燃料ポンプ１２、及び、第２実施形態の燃料ポンプ１３は、吸入接続部２５の開口面積を２２ｍｍ²以上とすることで、高温時に発生するベーパの滞留を防ぐことができ、ベーパによる流量低下を抑制することができる。よって、燃料ポンプが適用されるシステムにおいて要求流量の増大に応えることができる。

（２）第１実施形態の燃料ポンプ１２は、さらに、カバー端面２３におけるシール長さＬｓを６．４ｍｍ以上とすることで、圧力バランスの崩れたインペラ４０がカバー２０に押し付けられたとき、インペラ４０とカバー２０との間に介在する異物によって生ずるカバー端面２３の摩耗を抑制し、この摩耗に起因する流量低下を抑制することができる。

上記の説明において例示した寸法や材質は実施形態としての一例に過ぎず、他の実施形態では、本発明の技術的思想に準じて、適当な寸法や材質を設定してよい。
本発明の燃料ポンプは、モータ部５０と一体に構成されるものに限らず、別体の回転駆動源からシャフトを介してインペラが回転駆動される独立した態様の燃料ポンプであってもよい。吐出口には逆止弁部が設けられなくてもよい。また、車両に適用されるものに限らず、他の用途に適用されるものであってもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１２、１３・・・燃料ポンプ、
２０・・・カバー、 ２１・・・中央凹部、 ２３・・・端面、
２４・・・吸入口 、 ２５・・・吸入接続部、
２６・・・導入流路、 ２７・・・始端部、 ２８・・・終端部、
３０・・・ケーシング、 ３９・・・吐出流路、
４０・・・インペラ、 ４２・・・羽根、 ４４・・・昇圧部、
５０・・・モータ部（回転駆動源）、 ５１・・・シャフト、
Ｓｏ・・・開口面積、
Ｌｓ・・・シール長さ。

Claims (3)

1. 回転駆動源（５０）の駆動力によって回転するシャフト（５１）と、
   前記シャフトに固定され、複数の羽根（４２）が周方向に配置された環状の昇圧部（４４）を有するインペラ（４０）と、
   前記インペラの軸方向の一方側に設けられ、燃料が吸入される吸入口（２４）、及び、前記吸入口に連通する始端部（２７）から周方向の他端である終端部（２８）に向かって前記インペラの前記昇圧部に沿って溝状に形成された導入流路（２６）を有するカバー（２０）と、
   前記インペラの軸方向の他方側に設けられ、昇圧された燃料が流出する吐出流路（３９）を有するケーシング（３０）と、
   を備え、前記インペラの回転によって、吸入した燃料を圧送する燃料ポンプ（１２、１３）であって、
   前記カバーの前記吸入口と前記導入流路との流路空間が重なり合う吸入接続部（２５）の開口面積（Ｓｏ）は、燃料中に発生するベーパによる流量低下率が２０％未満となるように所定の面積以上に設定されており、
   前記カバーの中心軸と前記吸入口とを結ぶ径方向における凹部（２１）の外縁から前記導入流路の内縁までの長さであるシール長さ（Ｌｓ）は、前記インペラと前記カバーとの間に介在する異物によって生ずる前記カバーの端面の摩耗による流量低下率が２０％未満となるように所定の長さ以上に設定されていることを特徴とする燃料ポンプ。
2. 前記吸入接続部の開口面積は、２２［ｍｍ²］以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ。
3. 前記シール長さは、６．４［ｍｍ］以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ。

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