(57)【要約】【課題】プランジャの移動で発生する音を低減化し、リターンスプリング力を大きくした場合であっても発生音を低く抑えることができ、簡単かつ低コストに製造できること。【解決手段】電磁コイル３には並列接続されたスナバー回路１０を並列接続する。電磁コイル３への通電停止後、電磁コイル３の保有エネルギーがスナバー回路１０と電磁コイル３との間の回生電流となり、抵抗体１２は、抵抗値Ｒｓを有して電磁コイル３の保有エネルギーを消費する。電磁コイル３は、励磁力を有したままの状態でこの励磁力が減衰され、プランジャ２の下降速度を次第に低速にさせ、プランジャ２が下死点に到達し、燃料液面に接触する際の衝突音を低減化させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁コイルの非通電時にプランジャを一方向に付勢するリターンスプリングを備えた電磁燃料ポンプの駆動回路において、
前記電磁コイルの駆動が停止されてから前記プランジャが前記一方向の端面に達するまでの期間における励磁力を減衰させるスナバー回路を備えたことを特徴とする電磁燃料ポンプの駆動回路。
【請求項２】
前記スナバー回路は、
前記電磁コイルの駆動が停止された後に該電磁コイルに回生電流を流すダイオードと、
前記電磁コイルの保有エネルギーを消費する所定の抵抗値を有する抵抗体と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電磁燃料ポンプの駆動回路。
【請求項３】
前記抵抗体の抵抗値は、
前記駆動回路による前記電磁コイルの励磁周期と、前記リターンスプリングのスプリング力と、前記電磁コイルの励磁力とに基づき設定することを特徴とする請求項２に記載の電磁燃料ポンプの駆動回路。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか一つに記載の電磁燃料ポンプが燃料タンクの内部に装着されたことを特徴とするインタンク式ポンプモジュール。
【請求項５】
前記請求項１〜３のいずれか一つに記載の電磁燃料ポンプが燃料タンクとインジェクタ間の燃料パイプラインに配置されたことを特徴とするインライン式燃料ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁コイルを有して燃料を吸入および吐出する電磁燃料ポンプにおいて、特に、電磁コイルの励磁を制御して動作音を低減化させることのできる電磁燃料ポンプの駆動回路、インタンク式ポンプモジュールおよびインライン式燃料ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両における燃料供給は、ＤＣモータ等を用いたウエスコ式ポンプと、電磁力により往復移動するプランジャを用いた電磁燃料ポンプがある。近年における燃料供給では、燃費向上など実際の走行状態に応じた燃料消費の最適化のために、電子制御で燃料噴射を行うＦＩ化（ＦＩ；Ｆｕｅｌ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）が進められている。この燃料噴射制御機構においては、必要な吐出圧および吐出量を確保しやすいウエスコ式のものが主に用いられている。
【０００３】
一方の電磁燃料ポンプは、構造が簡単で小型であるため小型エンジンの燃料供給用として用いることにより、エンジン全体の小型化と低消費電力が実現できる。この電磁燃料ポンプにおける吐出圧は３０ＫＰａ程度である。ここで、上記燃料噴射制御機構にこの電磁燃料ポンプを用いようとした場合には、吐出圧を３００ＫＰａ程度まで上げる必要がある。
【０００４】
このためには、電磁燃料ポンプ内部に設けられるリターンスプリングの力を従来に比して増大させなければならない。したがって、このようなスプリング力が大きなリターンスプリングを設けた電磁燃料ポンプでは、今まで無視できる程度に小さかった動作音が騒音程度にまで大きくなるという問題が生じる。
【０００５】
電磁コイルに通電して燃料を吸引するためのプランジャが作動した後、通電を止めるとリターンスプリングによりプランジャを復帰（一方向に付勢）させる。上記騒音の発生原因は、このときに、燃料とプランジャの間のベーパ（燃料気化ガス）を押しつぶして、プランジャが燃料液面を叩きつける音であると推定される。これを解決するものとしてプランジャの移動時の駆動量を制御する技術が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２９４３４３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術は、プランジャを駆動する電磁コイルに供給する電流値をプランジャの移動状態に合わせて制御する構成であるため、制御機構が複雑でコスト高となる問題があった。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、プランジャの移動で発生する音を低減化し、リターンスプリング力を大きくした場合であっても発生音を低く抑えることができ、簡単かつ低コストに製造できる電磁燃料ポンプの駆動回路、インタンク式ポンプモジュールおよびインライン式燃料ポンプを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる電磁燃料ポンプの駆動回路は、電磁コイルの駆動が停止されたときにプランジャを一方向に付勢するリターンスプリングを備えた電磁燃料ポンプの駆動回路において、前記電磁コイルの駆動が停止されてから前記プランジャが前記一方向の端面に達するまでの期間における励磁力を減衰させるスナバー回路を備えた構成を採用できる。前記スナバー回路は、前記電磁コイルを非励磁状態とした後に該電磁コイルに回生電流を流すダイオードと、前記電磁コイルの保有エネルギーを消費する所定の抵抗値を有する抵抗体によって構成できる。
【００１０】
この発明によれば、プランジャが一方向の端面に達するまでの期間で電磁コイルの励磁力が減衰されるため、プランジャがこの端面に達するときに移動速度を低くでき、端面に達した際に発生する音を低く抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電磁燃料ポンプの駆動回路、インタンク式ポンプモジュールおよびインライン式燃料ポンプの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、この発明が適用される電磁燃料ポンプの構造を示す図である。この電磁燃料ポンプ１は、図示のように図中上下方向に往復移動するプランジャ２と、プランジャ２の外周に設けられこのプランジャ２を上方向に移動させる電磁コイル３を備える。電磁燃料ポンプ１の内部には、プランジャ２の上部に通電停止後にプランジャ２をバネ力で下方向に付勢する送出スプリング４が設けられる。一方、プランジャ２の下部には、送出スプリング４と逆にプランジャ２を上方向へ付勢するキャンセルスプリング５を備える。
【００１３】
これら送出スプリング４とキャンセルスプリング５は、つり合い位置θで力がつり合う。これら送出スプリング４とキャンセルスプリング５によってプランジャ２をバネ力で下方向に付勢するリターンスプリングが構成されている。
【００１４】
電磁コイル３を通電させると、電磁コイル３の励磁作用によりプランジャ２が送出スプリング４の付勢力に抗して図中上方向に移動する。プランジャ２が移動することによって、内部圧力が減少し吸入弁８から燃料が吸入される。
【００１５】
一方、電磁コイル３への通電を停止させると、送出スプリング４の付勢力によりプランジャ２が下方に移動し、内部室の圧力が増加し、吐出弁９から図示しない燃料圧送路に燃料が吐出される。このように、電磁コイル３への通電および非通電を繰り返すことにより燃料の吸入および吐出が行われる。
【００１６】
次に、プランジャ２の運動方程式を式（１）に示す。ここで、送出スプリング４は、バネ定数＝ｋｓ，自由長＝ｌｓ，セット長＝ｌｓｏとし、プランジャ２の質量＝ｍ，電磁コイル３のインダクタンス＝Ｌ，抵抗値＝Ｒｌ，キャンセルスプリング５は、バネ定数＝ｋｃ，自由長＝ｌｃ，セット長＝ｌｃｏとする。
【００１７】
【数１】
2004162573.tif 000003
【００１８】
プランジャ２が上死点の場合を考える。プランジャ２が上死点にあるときは、下記式（２）
【００１９】
【数２】
2004162573.tif 000004
【００２０】
であるので、運動方程式は、下記式（３）となる。
【００２１】
【数３】
2004162573.tif 000005
【００２２】
また、任意の位置χにおける送出スプリング４のスプリング力は下記式（４）となり、キャンセルスプリング５のスプリング力は下記式（５）となる。
【数４】
2004162573.tif 000006
【００２３】
次に、電磁コイル３のコイル磁力（励磁力）による力Ｆｍ  は、下記式（６）で表される。
【００２４】
【数５】
2004162573.tif 000007
【００２５】
図２は、この発明にかかる電磁燃料ポンプの駆動回路に設けられるスナバー回路を示す回路図である。図示のスナバー回路１０は、電磁コイル３への通電停止後における電磁コイル３の放電時間を設定するもので、クランプダイオード１１と抵抗体１２の直列回路を電磁コイル３と並列接続してなる。クランプダイオード１１は、電磁コイル３への通電を停止させた後に、電磁コイル３に回生電流を流す。抵抗体１２は、電磁コイル３の保有エネルギーを消費する所定の抵抗値Ｒｓを有する。
【００２６】
このスナバー回路１０を用いた場合、電磁コイル３へ通電させ通電を停止させたときに電磁コイル３に流れるコイル電流ｉは、下記式（７）で表される。
【００２７】
【数６】
2004162573.tif 000008
【００２８】
式（７）に示したように、スナバー回路１０の抵抗値Ｒｓの選定によりプランジャ２の移動状態を規定することができるようになる。
【００２９】
但し、抵抗値Ｒｓが大きい場合には、電磁コイル３への通電停止後におけるコイル電流ｉが小さいため、上方への電磁コイル３の励磁力Ｆｍ  が発生せず、プランジャ２が急激に上方に移動することになる。一方、抵抗値Ｒｓが小さい場合には、電磁コイル３への通電停止後のプランジャ２の動作は緩やかなものとなり、上方への励磁力Ｆｍ  が大きく長い時間発生することになる。この場合、次のコイル電流の通電までプランジャ２が下方に移動できず、十分な吐出圧および流量を確保できなくなる。抵抗値Ｒｓの選定は、上記の点を考慮してプランジャ２の急激な動作を抑制しつつ、性能の確保に十分な振幅を確保することが望ましい。
【００３０】
したがって、電磁コイル３の通電停止後に電磁コイル３に必要な励磁力Ｆｍ  に相当するコイル電流ｉを流すよう抵抗値Ｒｓを選定する。これにより、プランジャ２の通電停止後に送出スプリング４の付勢力によって下降するプランジャ２の移動状態を制御できるようになる。
【００３１】
具体的には、電磁コイル３への通電停止後、電磁コイル３と並列接続されたスナバー回路１０により、電磁コイル３の保有エネルギーがこれらスナバー回路１０と電磁コイル３との間の回生電流として循環する。この際、クランプダイオード１１が回生電流の循環を規定する。同時に、抵抗体１２は、電磁コイル３の保有エネルギー（コイル電流ｉ）を上記式（７）に基づき所定時間で消費する。
【００３２】
これにより、電磁コイル３への通電停止後、電磁コイル３は励磁力を有したままの状態でこの励磁力が徐々に弱められ（減衰され）、プランジャ２の下降速度を次第に低速にさせる。これによって、プランジャ２が下死点に到達し、燃料液面に接触する際の衝突音を低減化させることができるようになる。
【００３３】
また、抵抗体１２の抵抗値Ｒｓは、電磁コイル３の励磁周期と、リターンスプリング（特に送出スプリング４）のスプリング力と、電磁コイル３の励磁力Ｆｍ  とに基づき設定する。電磁コイル３の励磁周期内で回生電流を消費させる必要があり、また、送出スプリング４のスプリング力と電磁コイル３の励磁力Ｆｍ  のバランスをとった状態で、コイル電流ｉを励磁周期内で消費させる抵抗値Ｒｓを選定する。
【００３４】
以上説明した本発明の実施の形態によれば、電磁コイル３と並列接続されたスナバー回路１０を設けることにより、電磁コイル３への通電停止後に電磁コイル３の保有エネルギーを回生電流として循環させ、スナバー回路１０の抵抗体１２により消費させることができる。これにより、送出スプリング４の付勢力でプランジャ２が下死点に到達するまでの期間でプランジャ２の移動速度を徐々に低速化（減衰）させ下死点で発生する衝突音を低減化できるようになる。そして、スナバー回路１０は、ダイオードと抵抗体からなる簡単な構成であり、低コストで組み立ても簡単に行える。
【００３５】
そして、上述した本実施の形態で説明した電磁燃料ポンプは、燃料タンクの内部に装着されるインタンク式ポンプモジュールに適用することができる。ＦＩ化した電磁燃料ポンプは、吐出圧が従来より格段に高いためリターンスプリング（送出スプリング４）のスプリング力が高められており、電磁燃料ポンプの発生音が高くなる。この電磁燃料ポンプをそのままインタンク式ポンプモジュールに適用すると、発生した音が燃料タンクに共鳴して騒音となる。しかしながら、上記のようなスナバー回路１０により電磁燃料ポンプを制御することにより、この電磁燃料ポンプをインタンク式ポンプモジュールに適用しても騒音の発生を防止でき発生音の低減化を図れるようになる。
【００３６】
【実施例】
以下に、スナバー回路１０の有無別の動作状態と各パラメータの設定を例示する。条件として電圧＝１２Ｖ，電磁コイル３のインダクタンスＬ＝１０ｍＨ，抵抗値Ｒｌ＝２Ωである。
【００３７】
図３は、この条件でスナバー回路１０を設けない場合（Ｒｓ＝∞）の各波形を示す図表である。上記説明したプランジャ式の電磁燃料ポンプ１は、スナバー回路１０を設けない条件下で駆動周期４０ｍｓ，ＯＮ時間１２ｍｓで最大の吐出圧，流量性能が確保できる。よって、ＯＦＦ時間２８ｍｓにて、下記の条件を満たす回生電流波形、すなわち、抵抗体１２の抵抗値Ｒｓの範囲を設定する必要がある。
【００３８】
（１）抵抗値Ｒｓが大きい場合
抵抗値Ｒｓが大きい場合、電磁コイル３の通電停止（ＯＦＦ）後におけるコイル電流ｉが小さいため、上方への電磁コイル３の励磁力Ｆｍ  が発生せず、プランジャ２が急激に上方に移動することになる。図示の例では、プランジャ２が下死点到達後に時期ｔ１（５ｍｓ程度）で急激に動作している。この図に基づき、プランジャ２の動作を緩やかにするためには、プランジャ２の動作が電流波形より時期ｔ０（２ｍｓ程度）分遅れているので、それ以上の時間、回生電流を流す必要があることが判る。
【００３９】
（２）抵抗値Ｒｓが小さい場合
一方、抵抗値Ｒｓが小さい場合には、電磁コイル３への通電停止（ＯＦＦ）後のプランジャ２の動作は緩やかなものとなり、上方への励磁力Ｆｍ  が大きく長い時間発生することになる。この場合、次のコイル電流の通電までプランジャ２が下方に移動できず、十分な吐出圧および流量を確保できなくなる。したがって、回生電流が流れる時間はＯＦＦ時間（２８ｍｓ）以下でなくてはならない。回生電流の時定数は、
【００４０】
【数７】
2004162573.tif 000009
【００４１】
で表すことができるので、上記条件（１），（２）から抵抗値Ｒｓの上下限値は、
【００４２】
【表１】
2004162573.tif 000010
【００４３】
程度となる。図４は、時間−回生電流特性を示す図表である。抵抗値Ｒｓの上下限値に基づき、各抵抗値Ｒｓ（０．１，１，５，１０，２０〔Ω〕）での時間−回生電流特性は、上記式（７）により図４に示すようになる。図示のように、回生電流がプランジャ２の動作に作用する適性時間（プランジャ２の動作が急激となる５ｍｓの間程度）の抵抗値Ｒｓは５Ωであった。
【００４４】
図５は、スナバー回路１０を設けた（Ｒｓ＝５Ω）の各波形を示す図表である。図３と図５を比べて判るように、スナバー回路１０を設けることにより、通電停止後にプランジャ２が下死点に移動するときの移動量を示す波形が緩やかになり、騒音が抑えられ、プランジャ２の振幅も確保されている。以上より、抵抗体１２の抵抗値Ｒｓ＝５Ωにて実際のプランジャ式の電磁燃料ポンプの動作を確認したところ、プランジャ２の急激な動作を抑制しつつ、性能の確保に十分なプランジャの振幅を得ることができた。
【００４５】
また、図６は、発生音の周波数成分を示す図表である。（ａ）はスナバー回路１０を設けた場合、（ｂ）はスナバー回路１０を設けない場合である。図示のように、スナバー回路１０を設けることにより、測定した全周波数に渡り発生音のレベルを低減化できたことが判る。図示の結果では測定周波数の計測領域において−１０ｄＢ〜−３０ｄＢの騒音改善を図れた。
【００４６】
また、図７は、電磁コイル３の通電時間（ＯＮ時間）に対する燃料の流量特性を示す図表である。図示のように、スナバー回路１０を設けた場合（図中実線の特性線）には、比較的広範囲の通電時間ｔ１に渡り安定した流量（吐出量）を確保することができている。これに比してスナバー回路１０を設けない場合（図中点線）には、所望する流量を短い範囲の通電時間ｔ２でしか得ることができない。図７に示す特性は、図６に示したプランジャ２の移動特性と関連している。プランジャ２をゆっくりと移動させることにより、吸入弁８にある逆止弁からの漏れを少なくすることができ、これによって十分な流量特性（吐出量）が得られることが示されている。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、プランジャの移動で発生する音を低減化し、簡単かつ低コストに製造できるという効果を奏する。また、吐出量を大きくするためにリターンスプリング力を大きくした場合であっても発生音を低く抑えることができるという効果を奏する。また、このような電磁燃料ポンプをインタンク式モジュールのタンクに内蔵した場合でも電磁燃料ポンプの発生音が小さいため、タンクに共鳴せず騒音の発生を防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明が適用される電磁燃料ポンプの構造を示す図である。
【図２】この発明にかかる電磁燃料ポンプの駆動回路に設けられるスナバー回路を示す回路図である。
【図３】スナバー回路を設けない場合の各波形を示す図表である。
【図４】時間−回生電流特性を示す図表である。
【図５】この発明のスナバー回路を設けた場合の電流と、プランジャの移動状態と、発生音の各波形を示す図表である。
【図６】発生音の周波数成分を示す図表である。
【図７】電磁コイルの通電時間に対する燃料の流量特性を示す図表である。
【符号の説明】
１  電磁燃料ポンプ
２  プランジャ
３  電磁コイル
４  送出スプリング
５  キャンセルスプリング
８  吸入弁
９  吐出弁
１０  スナバー回路
１１  クランプダイオード
１２  抵抗体
【図１】
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【図２】
2004162573.tif 000012
【図３】
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【図４】
2004162573.tif 000014
【図５】
2004162573.tif 000015
【図６】
2004162573.tif 000016
【図７】
2004162573.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月16日(2002.12.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2004162573.tif 000018