KR100543129B1 - 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 의한 연료펌프는 LPG 연료와 같은 저점도의 연료를 보다 안정적으로 액상으로 공급할 수 있는 장치이며, 하우징, 원심식 펌프 유닛, 용적식 펌프 유닛, 및 액추에이터를 포함한다. 원심식 펌프 유닛은, 하우징 내에 배치되며 하우징 내로 흡입되는 연료를 압축한다. 용적식 펌프 유닛은, 원심식 펌프 유닛의 하류측에 위치하도록 하우징 내에 배치되며 원심식 펌프 유닛에 의해 압축된 연료를 흡입하여 이를 재차 압축한다. 액추에이터는, 원심식 펌프 유닛과 용적식 펌프 유닛을 구동한다.

LPG, 압축, 펌프, 원심식, 용적식, 롤러 베어링, 모터

Description

저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프{FUEL PUMP FOR SUPPLYING LOW VISCOSITY FUEL IN LIQUID PHASE}

도1은 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프를 보여주는 도면이다.

도2는 도1의 연료펌프의 원심식 펌프 유닛을 보여주는 도면이다.

도3은 도2의 원심식 펌프 유닛의 압축 블레이드의 형상을 보여주는 단면도이다.

도4는 도1의 연료펌프의 용적식 펌프 유닛의 분해사시도이다.

본 발명은 연료펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 연료와 같은 저점도 연료를 보다 안정적으로 액상으로 공급할 수 있는 연료펌프에 관한 것이다.

연료펌프는 내연기관이나 연료전지 등의 연료공급시스템의 구성요소의 하나로 사용되며, 연료를 압축하여 공급하는 장치이다.

LPG 연료와 같이 저점도의 연료를 사용하는 내연기관에 있어서는, 연료펌프의 안정적이 작동이 중요한 요소이다.

최근에 널리 사용되고 있는 액상 LPG 분사 (Liquid Phase LPG Injection; LPLI) 방식의 엔진에 있어서는 LPG 연료를 액상으로 공급할 수 있는 연료펌프가 필수적이다.

종래에는 연료탱크 내에 장착되는 내장형 펌프가 많이 사용되었는데, 내장형 펌프는 고장이 생기는 경우 연료탱크와 연료펌프를 동시에 교체하여야 하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 연료라인에 설치되는 외장형 연료펌프 (in-line fuel pump)가 개발되고 있다.

그러나, 현재 개발되어 있는 외장형 펌프는 점도가 상대적으로 높은 연료를 대상으로 개발되었기 때문에, LPG 연료와 같이 저점도이고 저포화증기압의 특성을 가지는 연료에 사용될 경우 연료펌프의 연료흡입구 근처에서 연료 압력의 저하에 의한 공동현상(cavitation)에 효과적으로 대응하지 못하는 문제가 있다. 즉, 연료펌프의 연료흡입구 근처에서 발생하는 압력저하로 인하여 연료의 포화증기압이 떨어져 액상과 기상으로 분리되는 공동현상이 발생하는데, 이와 같은 공동현상이 발생할 경우 차량의 주행 등에 의한 진동으로 연료펌프 내로 기상의 연료가 흡입될 수 있으며 이로 인해 연료펌프에서 소음의 발생, 유량의 변동, 그리고 내구성에 악영향을 주는 문제가 있다.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 외장형 연료펌프에서 발생하는 공동현상을 효과적으로 방지함으로써 저점도 연료를 안정적으로 액상으로 공급할 수 있는 연료펌프를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프는 하우징과, 하우징 내에 배치되고 하우징 내로 흡입되는 연료를 원심력에 의해 압축시켜 공급하는 원심식 펌프 유닛과, 제1펌프유닛의 하류측에 위치하도록 하우징 내에 배치되며 제1펌프유닛에 의해 공급된 연료를 흡입하여 회전 베인에 의한 내부 용적 변화에 의해 재차 압축하는 용적식 펌프 유닛, 그리고 원심식 펌프 유닛과 용적식 펌프 유닛을 구동하는 액추에이터를 포함한다.

원심식 펌프 유닛은, 액추에이터에 의해 회전될 수 있도록 상기 액추에이터에 연결되는 원형 플레이트; 및 원형 플레이트의 전면에 방사상으로 배치되는 복수의 압축 블레이드를 포함하는 것이 바람직하다.

원형 플레이트는, 그 외주면이 하우징의 내면으로부터 설정된 거리 이격되도록 하는 크기를 가지는 것이 바람직하다.

각각의 압축 블레이드는, 원형 플레이트의 반경방향을 따라 연장되어 형성되며, 원형 플레이트의 반경방향의 외부로 갈수록 그 높이가 감소하도록 형성되는 것이 바람직하다.

용적식 펌프 유닛은, 원심식 펌프 유닛에 의해 압축된 연료를 흡입하는 연료흡입구가 형성되는 제1플레이트와, 제1플레이트에 대향되도록 배치되며 연료배출구가 형성되는 제2플레이트, 그리고 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 배치되며 연료흡입구를 통해 유입된 연료를 상기 회전 베인에 의한 내부 용적변화에 의해 압축한 후 압축된 연료를 제2플레이트를 통해서 배출하는 펌프바디를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1플레이트에는 상기 용적식 펌프 유닛의 내의 압력과 상기 용적식 펌프 유닛의 상류측의 압력의 차이가 설정된 압력 이상이 되는 경우 상기 용적식 펌프 유닛 내의 압축된 연료를 상기 용적식 펌프 유닛의 상류측으로 배출시키도록 구성되는 과압 해제 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 과압 해제 밸브는 체크 밸브인 것이 바람직하며, 상기 액추에이터는 전기 모터인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프(fuel pump, 11)는, 그 내부에 실린더 형상의 공간이 형성되는 하우징(housing, 13)을 포함한다.

본 발명의 실시예에 의한 연료펌프(11)는 내연기관이나 연료전지 등의 연료공급시스템에 적용가능하다.

본 발명의 실시예에 의한 연료펌프(11)가 내연기관의 연료시스템에 적용되는 경우, 하우징(13)의 입구(15)는 연료탱크(fuel tank, 도시하지 않음)로 연결되고 출구(17)는 엔진의 연료 인젝터(fuel injector, 도시하지 않음)로 연결될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프(11)는 연료탱크와 연료 인젝터를 연결하는 연료라인에 설치되는 외장형 연료펌프(in-line fuel pump)이다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프(11)는 LPG 연료와 같이 저점도의 연료를 압축하는데 사용될 수 있는 펌프이다.

하우징(13)의 내부 공간에는 원심식 펌프 유닛(19)과 용적식 펌프 유닛(21)이 각각 설치되며, 원심식 펌프 유닛(19)와 용적식 펌프 유닛(21)은 전기 모터(23)에 의해 구동된다.

전기 모터(23)는 하우징(13) 내부에 설치되는 내장형 모터로 하는 것이 바람 직하다. 외장형 모터를 사용하는 경우, 모터의 회전축(33)과 하우징(13) 사이의 밀봉문제가 발생하기 때문이다.

전기 모터(23)는, 영구자석(permanent magnet, 25)과 영구자석(23)에 의해 생기는 자기장 내에 회전가능하게 배치되는 로터(rotor, 27)를 포함한다. 이러한 전기 모터(23)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 자명하므로, 이에 대한 더욱 상세한 설명은 생략한다.

전기 모터(23) 대신에 원심식 펌프 유닛(19)와 용적식 펌프 유닛(21)을 구동할 수 있는 임의의 액추에이터가 사용될 수 있음은 물론이다.

도1에 도시된 바와 같이, 원심식 펌프 유닛(19)은 용적식 펌프 유닛(21)의 상류측에 배치되며, 하우징(13)의 입구(15)로 유입되는 연료를 1차적으로 압축하는 역할을 한다.

원심식 펌프 유닛(19)에 의해 1차적으로 압축된 연료는 용적식 펌프 유닛(21)으로 공급되어 2차 압축된다.

원심식 펌프 유닛(19)은 원심식 펌프(centrifugal pump)로 할 수 있고, 용적식 펌프 유닛(21)은 일 예로, 베인-롤러 펌프(vane-roller pump)를 들 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 원심식 펌프 유닛(19)은 그 전면에 복수의 압축 블레이드(29)가 형성되는 원형 플레이트(31)로 할 수 있다.

복수의 압축 블레이드(29)는 원형 플레이트(31)의 전면에 방사상으로 결합되며, 이 때, 원형 플레이트(31)의 전면 중앙부에는 빈 공간이 형성되도록 압축 블레 이드(29)는 원형 플레이트(31)의 중심부로부터 설정된 거리 이격하여 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 압축 블레이드(29)는 그 외단부로 갈수록 높이가 감소되도록 형성되는 것이 바람직하다.

원형 플레이트(31)는 로터(27)의 회전축(33)과 함께 회전될 수 있도록 회전축(33)에 결합된다. 결국, 원심식 펌프 유닛(19)이 전기 모터(23)에 의해 회전되도록 구성된다.

도4에 도시된 바와 같이, 원형 플레이트(31)의 중심부에 형성되는 삽입홈(69)에 로터(27)의 회전축(33)의 돌기부(71)가 결합됨으로써, 원형 플레이트(31)가 로터(27)의 회전축(33)과 일체로 회전하게 된다.

이때, 원형 플레이트(31)와 회전축(33)을 일체로 형성하여도 무방하다.

원형 플레이트(31)의 외주면과 하우징(13)의 내면 사이가 설정된 거리 이격되도록 함으로써, 원형 플레이트(31)의 외주면과 하우징(13)의 내면 사이에 연료통로(35)가 형성되도록 한다. 이때, 도면에 도시된 바와 같이, 하우징(13)의 내면에 원주방향을 따라 홈(37)을 형성하여 연료통로(35)를 형성할 수도 있다.

전기 모터(23)가 작동하여 로터(27)의 회전축(33)이 회전하면, 회전축(33)과 함께 압축 블레이드(29)가 형성된 원형 플레이트(31)가 회전하게 된다.

압축 블레이드(29)의 회전에 의해 연료가 동시에 회전하게 되며, 회전하는 연료에 원심력이 작용하게 된다. 원심력을 받은 연료는 도1의 화살표 방향을 따라 이동하면서 압축된다.

즉, 원심력에 의해 연료가 원형 플레이트(31)의 바깥 부분으로 이동하면서 압축되고, 압축된 연료는 연료통로(35)를 통해서 원심식 펌프 유닛(19)과 용적식 펌프 유닛(21) 사이의 공간으로 이동하게 된다.

한편, 도4에 도시된 바와 같이, 용적식 펌프 유닛(21)은, 서로 대향으로 배치되는 제1플레이트(41)와 제2플레이트(43), 및 제1플레이트(41)와 제2플레이트(43) 사이에 배치되는 펌프바디(45)를 포함한다.

제1플레이트(41)는 원식식 펌프 유닛(19) 쪽으로 배치되며, 제1플레이트(41)에는 연료흡입구(47)가 형성된다.

제1플레이트(41)의 중심부에는 로터(27)의 회전축(33)이 회전가능하게 삽입되는 삽입홀(67)이 형성된다.

연료흡입구(47)는 호 형상을 가지는 것이 바람직하며, 제1플레이트(41)의 아랫부분에 형성되는 것이 바람직하다.

제2플레이트(43)에는 연료배출구(49)가 형성되며, 제2플레이트(43)는 볼트(61)를 통해서 펌프바디(45)와 제1플레이트(41)에 결합된다.

펌프바디(45)는 볼트(51)를 통해서 제1플레이트(41)에 결합되는 케이스(53)와, 케이스(53) 내의 공간에 편심으로 배치되는 회전 베인(55)을 포함한다.

회전 베인(55)에는 복수의 베어링 체임버(57)가 그 외주를 따라 등간격으로 형성되며, 베어링 체임버(57) 내에는 각각 롤러 베어링(59)이 배치된다.

회전 베인(55)은 로터(27)의 회전축(33)과 함께 회전될 수 있도록 회전축(33)에 결합된다. 따라서, 전기 모터(23)가 작동하면 회전 베인(55)이 회전 하게 된다.

회전 베인(55)의 중심부에 형성된 관통홀(65)에 로터(27)의 돌기부(71)가 결합됨으로써, 회전 베인(55)이 로터(27)의 회전축(33)과 일체로 회전하게 된다.

이때, 회전 베인(55)과 로터(27)의 회전축(33)을 일체로 형성하여도 무방하다.

회전 베인(55)이 회전하면, 롤러 베어링(59)이 원심력에 의해 외측으로 밀린 상태에서 회전 베인(55)과 함께 회전하게 된다. 이 과정에서 연료흡입구(47)를 통해서 흡입된 연료가 압축된 후 연료배출구(49)를 통해서 배출된다.

한편, 제1플레이트(41)에는 펌프바디(45) 내의 연료 압력이 지나치게 증가하는 것을 방지하기 위한 과압 해제 밸브(over pressure release valve, 63)가 설치된다.

펌프바디(45) 내의 연료 압력과 제1플레이트(41) 상류측의 연료 압력의 차이가 설정된 압력 이상이 되는 경우, 펌프바디(45) 내의 압축된 연료가 과압 해제 밸브(63)를 통해 배출되도록 함으로써, 펌프바디(45) 내의 압력이 지나치게 상승하는 것을 방지한다.

예를 들어, 과압 해제 밸브(63)는 체크 밸브(check valve)로 할 수 있다.

결과적으로, 원심식 펌프 유닛(19)에 의해 1차적으로 압축(예를 들어, 3 bar 미만으로 압축)된 연료는 용적식 펌프 유닛(21)에 의해 재차 압축(예를 들어, 10 bar 미만으로 재압축)된 후 출구(17)를 통해서 배출된다.

즉, 베인형의 용적식 펌프 유닛(21)으로 연료가 공급되기 전에 원심식 펌프 유닛(19)이 연료를 미리 압축하여 소정의 압력으로 압축함으로써, 용적식 펌프 유닛(21)의 연료흡입구(47) 근처에서 발생하는 공동현상에 의한 기상연료의 발생을 근본적으로 차단할 수 있게 된다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프는, 용적식 펌프 유닛으로 공급되는 연료를 1차적으로 압축하는 원심식 펌프 유닛을 구비함으로써, 용적식 펌프유닛의 연료흡입구 근처에서 발생하는 공동현상을 차단하여 용적식 펌프 유닛 내로 기상연료가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 연료펌프는 LPG 연료와 같은 저점도 연료를 안정적으로 액상으로 공급할 수 있다.

Claims (8)

1. 하우징과,

   상기 하우징 내에 배치되고 상기 하우징 내로 흡입되는 연료를 원심력에 의해 압축시켜 공급하는 원심식 펌프 유닛과,

   상기 원심식 펌프 유닛의 하류측에 위치하도록 상기 하우징 내에 배치되며 상기 제1펌프유닛에 의해 공급된 연료를 흡입하여 회전 베인에 의한 내부 용적 변화에 의해 재차 압축하는 용적식 펌프 유닛, 그리고

   상기 원심식 펌프 유닛과 상기 용적식 펌프 유닛을 구동하는 액추에이터를 포함하는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
2. 제1항에서,

   상기 원심식 펌프 유닛은,

   상기 액추에이터에 의해 회전될 수 있도록 상기 액추에이터에 연결되는 원형 플레이트, 그리고

   상기 원형 플레이트의 전면에 방사상으로 배치되는 복수의 압축 블레이드를 포함하는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
3. 제2항에서,

   상기 원형 플레이트는, 그 외주면이 상기 하우징의 내면으로부터 설정된 거리 이격되도록 하는 크기를 가지는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
4. 제2항에서,

   상기 각각의 압축 블레이드는, 상기 원형 플레이트의 반경방향을 따라 연장되어 형성되며, 상기 원형 플레이트의 반경방향의 외부로 갈수록 그 높이가 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
5. 제2항에서,

   상기 용적식 펌프 유닛은,

   상기 원심식 펌프 유닛에 의해 압축된 연료를 흡입하는 연료흡입구가 형성되는 제1플레이트와,

   상기 제1플레이트에 대향되도록 배치되며 연료배출구가 형성되는 제2플레이트, 그리고

   상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트 사이에 배치되며 상기 연료흡입구를 통해 유입된 연료를 상기 회전 베인에 의한 내부 용적변화에 의해 압축한 후 압축된 연료를 상기 제2플레이트를 통해서 배출하는 펌프바디를 포함하는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
6. 제5항에서,

   상기 제1플레이트에는 상기 용적식 펌프 유닛의 내의 압력과 상기 상기 용적식 펌프 유닛의 상류측의 압력의 차이가 설정된 압력 이상이 되는 경우 상기 용적식 펌프 유닛 내의 압축된 연료를 상기 용적식 펌프 유닛의 상류측으로 배출시키도록 구성되는 과압 해제 밸브가 설치되는 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
7. 제6항에서,

   상기 과압 해제 밸브는 체크 밸브인 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.
8. 제1항에서,

   상기 액추에이터는 전기 모터인 저점도 연료의 액상 공급을 위한 연료펌프.

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