列型インジェクションポンプ

ディーゼルエンジンの燃料装置

ディーゼルエンジンの燃料装置は、燃料(軽油)を高圧にして燃焼室内に噴射させるもので、図1のように燃料を蓄えておくフューエルタンク、タンク内の燃料をインジェクションポンプに供給するフューエルフィードポンプ、燃料中に含まれる不純物や異物などを取り除くフューエル・フィルタ、燃料を高圧にして、適正量を最適な時期に圧送するインジェクションポンプ、高圧の燃料を燃焼室に噴射するインジェクションノズル及びこれらを接続するパイプやホースなどで構成されている。

また、燃料中の水分を分離する目的で、フューエルセジメンタ(水分離器)が燃料タンクとフューエルフィードポンプとの間に設けられているものや、フューエルフィルタの下部に設けられているものがある。

フューエルタンク内の燃料は、図1の矢印のように流れ、余分な燃料はリターンパイプを経由して、フューエルタンクへと戻される。

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図1:燃料装置

インジェクションポンプには、エンジンのシリンダ数と同数のプランジャを有する図2のような列型インジェクションポンプと、1本のプランジャで各シリンダに燃料を供給する図3のような分配型インジェクションポンプとがある。

このほかにも、コントロールユニットを用いて噴射量、噴射時期を制御する電子制御式のインジェクションポンプがある。

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図2:列型インジェクションポンプ

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図3:分配型インジェクションポンプ

列型インジェクションポンプ

列型インジェクションポンプは、ポンプ本体、ガバナ、タイマ、フューエルフィードポンプなどで構成されていて、図4の(1)のようなP型インジェクションポンプと(以下、P型という)、(2)のようなA型インジェクションポンプとがある。(以下、A型という)

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図4:列型インジエクションポンプ

P型は、重量物を運搬する中・大型車の直接噴霧式燃焼室を備えた、噴射量の多いエンジン用として用いられるため、ポンプ本体は完全密閉型で、対高圧性及び完全密閉型で、耐高圧性及び耐油密性に優れた構造となっている。

A型は、重量物の運搬を必要としない小型車の渦流室式燃焼室を搭載した、噴霧量の比較的少ないエンジン用として用いられるため、ポンプ本体は開放的で、P型ほど堅牢な構造を必要としない。

今回は、一般的な中型車や大型車などに採用されているP型の列型インジェクションポンプについて説明する。

列型インジェクションポンプ本体

ポンプ本体は、図5(1)のようにポンプの骨格となるポンプハウジング、プランジャを駆動するためのカムシャフト及びタペット、燃料を計量して加圧するプランジャ、噴射の切れをよくするとともに、燃料の逆流を防ぐデリバリバルブ、燃料の増減を制御するコントロールユニットなどで構成されている。

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図5:ポンプ本体

カムシャフトは、エンジンのドライブシャフトまたはギヤにより駆動され、その回転速度はエンジン本体の2分の1になっている。

カムシャフトが回転すると、カムにより、タペットを介して中央のプランジャがプランジャバレル内を上下に摺動し、燃料を圧送する。(ピストン運動)

フューエルチャンバの燃料は、プランジャが下降したとき、バレル内に吸入され、上昇時にデリバリバルブを押し開いてインジェクションノズルへ圧送される。

コントロールロッドは、アクセルペダルまたはガバナに連動して動き、この動きは、ボールを介してコントロールスリーブに伝わってプランジャを回転させる。

プランジャの回転する位置により、インジェクションノズルへの燃料の送油量が変化するようになっているので、この機構により燃料の送油量を増減させている。

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図6:カム室へのオイル供給

一方で、カムシャフト及びタペットの潤滑は、図6のようにエンジンオイルの一部をオイル入口からカム室へ供給させて、このオイルをカムではね掛けて行っており、供給されたオイルは、オーバーフロー口(オイル出口)からエンジンのオイルパンに戻るように経路が作られていて、この経路を常時循環する仕組みになっている。

なお、プランジャ及びデリバルバルブの潤滑は、燃料(軽油)で行っている。

ポンプハウジング

ポンプハウジング(ポンプ全体を外側から覆うハウジング)には、フューエルフィードポンプから送られてきた燃料をためておくフューエルチャンバ、エンジンから送られてきた潤滑油をためておくカム室があり、プランジャブロック・アセンブリ、コントロールロッド、カムシャフトなどが組み込まれている。

プランジャブロック・アセンブリ

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図7:プランジャロック・アセンブリ

プランジャブロック・アセンブリは、図7のようにプランジャ・アセンブリ、デリバリバルブ・アセンブリ、フランジスリーブ、デフレクタなどで構成されており、ポンプハウジングに取り付けられている。

プランジャ・アセンブリ
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図8:プランジャ・アセンブリ

プランジャ・アセンブリは、図8のようにプランジャ及びバレルで構成されており、このバレルの中をプランジャが上下にピストン運動することで、燃料を17~23Mpaに加圧する 。

プランジャとバレルとの摺動部は、油密を保つために精度の高いすりあわせ加工が施されている。すりあわせ加工とは、ラッピング剤(研磨材)を塗布し、プランジャを回転させながら上下運動させることですりあわせ仕上げを行ったもので、この加工を施した部品は、他の部品と組み合わせて使用してはならない。

したがって、交換の際には、プランジャとバレルをセットで行う。

  • プランジャの作動
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図9:プランジャの作動

図9はプランジャの作動を示したもので、プランジャは図9(1)のように下降して、その上端面がばれるのフューエルポート(吸入・排出口)を開くと、フューエルチャンバよりバレル内に燃料が吸入される。

次に、図9(2)のようにカムの回転によってプランジャが下死点から上昇し、その上端面がフューエルポートを閉じると、バレル内の加圧が始まり、ある一定の圧力に達すると、デリバリバルブは、燃料の圧力によって開き、インジェクションノズルへの燃料の圧送が始まる。

さらに、プランジャが上昇して、プランジャのリードが(切り欠き部)、フューエルポートに通じると、燃料は、図9(3)のようにリードよりフューエルポートを経て、フューエルチャンバへ余剰燃料として戻されて、燃料の圧送が終了する。

なお、プランジャは、燃料噴射終了後もカムによって上死点位置まで上昇するが、この間燃料の圧送は行われない。

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図10:プランジャの有効ストローク

プランジャの下死点から上死点までの上昇行程のうち、プランジャが燃料を圧送している期間をプランジャの有効ストロークと呼んでいる。

この有効ストロークは、図10に示すとおり、プランジャの噴射はじめから噴射終わりまでの期間に動く距離(a)で表される。

  • 噴射量の制御
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図11:噴射量の制御機構

噴射量の増減は、図11のようにプランジャのドライビングフェースが、(つばの部分)コントロールスリーブの切り欠き部にはめ込まれているため、コントロールロッドが移動することにより、ボールからコントロールスリーブを介してプランジャが回されることで、プランジャの有効ストロークが変化し、噴射量の増減が行われるようになっている。

また、コントロールロッドは、エンジン本体の各気筒分のプランジャを同時に同一量だけ回転させるので、全シリンダへの噴射量が同時に制御されるようになっている。

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図12:プランジャを回転させたときの状態

図12は、プランジャを回転させたときの有効ストロークと噴射量の関係を示したもので、図12(1)は、コントロールロッドを最大噴射量の位置まで動かしたときのプランジャの状態で、このときの有効ストロークは、図のaのように最大となる。

図12(2)は、(1)の状態からコントロールロッドを最大噴射量から2分の1だけ減少させる方向へ動かしたときの状態で、この移動量に応じた有効ストロークは、図のbのように最大噴射時の2分の1になる。

図12(3)は、コントロールロッドを噴射量減の方向へ最大に動かした状態で、このときプランジャが上昇しても、リード部がフューエルポートに常に面しているため、有効ストロークはゼロとなり、燃料は無噴射量状態となる。

以上の結果、プランジャの有効ストロークが長いほど噴射量が多くなることが理解できる。

  • プランジャの種類
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図13:プランジャの外径

プランジャは、図13のような形状で、リードは180°対称で同一の形状で加工されている。

プランジャの形状に対応して、バレルのフューエルポートも2つ設けられていて、噴射終了後のプランジャ上部にある燃料を速やかにフューエルチャンバへ戻している。

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図14:リードの向き

また、コントロールロッドは、ガバナの取り付け位置(ポンプのエンジン取り付け位置)により噴射量の増減の向きが逆になるので、プランジャのリードの向きもそれに対応させる必要があるため、図14のように左巻きリードと右巻きリードを設けている。

リードの向きは、プランジャを底面から見たとき、左巻きのものは左回転させたとき、右巻きのものは、右回転させたときにそれぞれ噴射量が増加するようになっている。

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図15:プランジャの外観形状と平面展開図

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図16:コントロール・ロッド位置と噴射量との関係

プランジャの有効ストロークを決めるリードを展開すると、図15のようになるため、コントロールロッドの位置に対するプランジャ1ストロークあたりの噴射量は、リードの切り欠きに沿った図16のような噴射量特性となる。

つまり、コントロールロッドの位置の変化に対応する噴射量の変化の割合は、常に一定となっている。

デリバリバルブ・アセンブリ
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図17:デリバリバルブ・アセンブリ

デリバリバルブ・アセンブリは、プランジャ上部にデリバリバルブ・ホルダで取り付けられ、図17のようにデリバリバルブ、デリバリバルブガイド、デリバリバルブスプリングなどで構成されている。

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図18:デリバリバルブの作用

図18はデリバリバルブの作用を示したもので、プランジャで加圧された燃料の圧力が3〜5MPa程度に達すると、図18(1)のようにデリバリバルブスプリングを押し縮めて、デリバリバルブが開き、インジェクションパイプを経由して、インジェクションノズルへ圧送される。

次に、プランジャのリードがバレルのフューエルポートに通じ、送油圧力が下がると、図18(3)のようにデリバリバルブは、デリバリバルブのばね力により閉じられる。

このとき、デリバリバルブのシート部は、デリバリバルブガイド上端と密着して、プランジャが下降したときに燃料が逆流するのを防ぐと同時に、パイプ内の残圧を保持する働きをする。

しかし、この残圧が高すぎると、噴射終了後もインジェクションノズルから燃料が噴射されるので、エンジン性能や排気ガスに悪影響を与えることになる。

したがって、このインジェクションノズルの燃料の噴射切れをよくするために、ある程度の量の燃料を吸い戻す必要がある。この動作は、デリバリバルブのシート部が図18(2)の状態から(3)の状態のようにデリバリバルブガイドに密着するまでの間で行われることで、パイプ内の残圧を適正に保つことができる。

このときの図18のaの量を、ピストン部による吸い戻しストローク量と呼んでいる。

カムシャフト及びタペット

カムシャフト
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図19:カムシャフト

カムシャフトには、図19のようにタペットを介してプランジャを噴射順序に従って作動させるためのカムと、フューエルフィード・ポンプを駆動させるためのカム部が設けられており、その両端にはタイマとガバナが取り付けられている。

カムシャフトの両端は、テーパーローラーベアリングで支えられており、中央部はジャーナルによりプレーンベアリングで支えられている。

なお、シリンダ数の多いエンジンの場合には、カムシャフトを長くする必要があるため、ジャーナルを2カ所以上設けているものもある。

タペット・アセンブリ
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図20:タペット・アセンブリ

タペット・アセンブリは、図20のようにタペット本体、タペットローラ、タペットローラ・ブシュ、ロアースプリングシートなどで構成されている。

タペット・ローラーは、カムと接する部分がローラーとなっており、タペット本体にローラ・ピンで支えられている。

ガバナ(調速作用)

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図21:ミニマム・マキシマム・スピードガバナ

ガバナは、エンジンの負荷にわずかな変動が生じたときに、エンジンの回転数が大きく変化するのを防止するとともに、エンジンが最高回転速度を超えないように、調速作用によりエンジン負荷に応じて燃料噴射量を自動的に制御するものである。

ガバナをその機能の面から分類すると、すべての回転域を調速するオールスピード・ガバナと、アイドリングと最高回転速度のみを調速し、中間の範囲は調速作用を行わないミニマム・マキシマム・スピード・ガバナとがある。

図21は、ミニマム・マキシマム・スピードガバナの一例であるが、(1)はRQ型ガバナ、(2)はRFD型ガバナと呼ばれている。

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図22:ガバナの基本構造

ガバナは、図22のようにアクセルペダルと連動してフローティングレバーを介してプランジャのコントロールロッドを移動させるリンク機構と、インジェクションポンプのカムシャフトとともに回転するフライウェイト及びフライウェイトの遠心力による動きをフローティングレバーを介してコントロールロッドに伝えるリンク機構という2つのリンク機構から構成されている。

ガバナの調速作用の原理
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図23:ガバナの作動原理

図23はガバナの調速作用の作動原理を示したもので、エンジンがある回転速度で回転しているとき、道路などの状態により、エンジン負荷が減少して回転速度が上昇し始めると、同時にフライウエイトの回転速度が上昇し、遠心力が大きくなる。

このため、ガバナウエイトにつながっているガバナスプリングのばね力との釣り合いが失われ、回転による遠心力により、ガバナスプリングのばね力に打ち勝つ方向(ばねを縮めようとする方向)に力が作用して、ガバナウエイトは外側に広がり始める。

この動作により、フローティングレバーを介して、コントロールロッドは噴射量減少の方向へ引っ張るので、エンジンの回転速度は、負荷に見合った回転速度に保たれる。(図23)

逆の場合、エンジンの負荷が増大してエンジンの回転速度が低下し始めると、フライウエイトにかかる遠心力が小さくなり、その力が、ガバナスプリングのばね力より小さくなるので、フライウエイトは内側に戻される。

その結果、フローティングレバーを介して、コントロールロッドは噴射量増大の方向へ押されるので、エンジンの回転速度は再び適正に保たれる仕組みになっている。

タイマ(進角装置)

タイマは、エンジンの回転速度が変化したとき。その変化量に応じて最適な燃焼状態が得られるように、燃料の噴射時期を自動的に制御するものである。

プランジャの上昇により発生した高圧の燃料は、インジェクションノズルから燃焼室へ噴射されるが、実際には、インジェクションノズルまでの圧力到達時間の遅れと燃料が着火・燃焼するまでの遅れとがある。

この遅れは、エンジンの回転速度が高くなるほど、クランク角に対して大きくなる。

このため、適正な着火時期を得るには、回転速度が上昇するにしたがって、プランジャの上昇時期、すなわち燃料の噴射はじめの時期を早める必要がある。

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図24:タイマ(進角装置)

図24はタイマの一例であるが、フライウエイトがハウジング・ピンを外側に開くことにより、直接進角作用を行う仕組みになっている。

タイマは、このようにエンジンの回転速度に応じて噴射時期を調整する働きをする。

また、タイマにはこのほかにも、フライウエイトが偏心カムを回転させて進角作用を行うものもある。

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図25:タイマの作動原理

図25は、タイマの作動原理を示している。エンジンが規定回転速度より低いときは、図25(1)のようにフライウエイトの遠心力よりもタイマスプリングのばね力が大きいため、フライウエイトは作動せず、エンジンからの回転力は、駆動アームからフライウエイトを介して被駆動アーム、カムシャフトに順次伝えられるが、被駆動アームは、駆動アームに対して固定された状態にあるので、出力側カムシャフトの進角は行われずに、噴射時期は基本噴射時期に保たれる。(進角していない状態になる。)

エンジンが規定回転速度を超えると、図25(2)のようにフライウエイトが回転による遠心力により、タイマスプリングのばね力に打ち勝って被駆動アームの曲面に沿って外周方向へ移動し、被駆動アームと駆動アームの間を広げるように作動する。その結果、図25(2)において被駆動アームは、駆動アームに対して矢印の回転方向へ動き、タイマスプリングのばね力とフライウエイトの遠心力がつり合った位置で止まる。

したがって、出力側カムシャフトには、被駆動アームの移動分、すなわち図25(2)のAの角度分の進角が付加され、エンジンの回転速度に応じた噴射時期に調整される。

フューエルフィード・ポンプ

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図26:フューエル・フィードポンプ

フューエルフィード・ポンプ(フィードポンプ)は、フューエルタンクから燃料をインジェクションポンプに供給するために設けられたもので、図26のようにインレットチェックバルブ、ピストン、ピストンスプリング、タペット、プッシュロッド、アウトレットチェックバルブ、プライミングポンプなどで構成され、インジェクションポンプのカムシャフトの駆動によって、ピストンが往復運動を行うことで、燃料を圧送する装置である。

プライミングポンプは、エア抜きを行う場合などに、手動で燃料を送るための装置である。

フィードポンプの作動
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図27:フューエル・フィードポンプの作動

フィードポンプの作動は、図27(1)のようにインジェクションポンプのカムによりピストンが押し上げられると、インレットチェックバルブは閉じて、内室の燃料は、アウトレットチェックバルブを押し開いて外室を満たすと同時に、その燃料の一部分は送出口からインジェクションポンプへと送られる。

カムの回転に伴って、ピストンがリターンスプリングのばね力により下降して、図27(2)の状態になると、外室にある燃料は、送出口からインジェクションポンプへ押し出される。

外室にある燃料が押し出されることにより、ピストンにかかる圧力が下がり、同時に内室の圧力が下がる。

内室の圧力が下がることで、アウトレット・チェックバルブが閉じられ、内室の圧力より吸入側の圧力が高くなるのでインレットチェックバルブが開いて、新しい燃料が吸入側より内室へと吸い込まれる。

この図27(1),(2)のポンプ作用を繰り返すことにより、燃料はフィルタを経由して、インジェクションポンプへと送られる。

また、外室の燃料の圧力が、規定圧力(送油圧力)を超えると、ピストンは図27(3)のように外室の燃料の圧力に押し上げられたままとなり、プッシュロッドから離れるので、燃料の供給が一時中断する。

このように、フィードポンプは、送油圧力が、規定値以上に上昇することを防ぐ機構になっている。

なお、フィードポンプには、インレット及びアウトレット・チェックバルブを2つずつ設けることにより、ピストンの往復の行程において、互い違いに燃料の吸入及び送出作用を行うものもある。

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