KR100691209B1 - 기어휠 펌프 - Google Patents

Abstract

하나의 하우징(18), 상기 하우징 내에 배치되어 서로 맞물린 두 개의 기어 휠(14,16), 및 상기 하우징 내에서 기어휠 펌프의 압력측에 형성된 적어도 하나의 홈을 포함하는 기어휠 펌프에 있어서, 높은 회전 수일 때의 캐비테이션 손상을 막아야 한다. 이러한 목적을 위해, 상기 홈은, 압력측에서부터 연장되며 홈(22) 바닥이 기어휠 톱니들(20)의 팁과의 작은 간격을 갖는 제 1 섹션, 및 상기 제 1 섹션에 연결되며 홈(22)의 바닥이 제 1 섹션에서의 간격보다 큰 톱니 팁과의 최대 간격을 갖는 제 2 섹션(26)을 포함하고, 상기 제 1 섹션이 제 2 섹션보다 더 작은 각도 범위(α)에 걸쳐 연장되고, 홈은 전체적으로 두 개의 톱니 사이의 각 간격보다 약간 큰 각도 범위(α,β)에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프이다.

캐비테이션 손상, 연료 펌프, 기어휠 펌프, 커먼 레일-분사 시스템, 스로틀

Description

기어휠 펌프{Gear-wheel pump, in particular for a high-pressure fuel pump}

본 발명은 하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 서로 맞물린 두 개의 기어 휠, 및 상기 하우징 내에서 기어휠 펌프의 압력측에 형성된 적어도 하나의 홈을 포함하는 기어휠 펌프에 관한 것이다.

상기 기어휠 펌프는 특히 고압-연료 펌프를 위한 예비 공급 펌프로서 사용될 수 있다. 연료는 상기 예비 공급 펌프에 의해 약 6바(bar)의 압력으로 상기 고압 연료 펌프에 공급된다. 고압 연료 펌프는 소위 커먼 레일-분사 시스템에서 사용되는 바와 같은 1800 바(bar)의 압력을 발생시킨다.

기어 휠 펌프는 고압 연료 펌프와 동일한 회전수로 구동되며 엔진 시동 회전수에서 이미 충분한 양의 연료를 공급해야 한다. 이러한 이유로, 기어휠이 하우징에 대해 가급적 작은 유격을 가지고 움직여야 하고, 2개의 기어휠의 랩(wrap) 길이, 즉 기어휠 펌프의 흡입측과 압력측 사이에서, 이송될 연료로 채워진 톱니 사이 공간이 하우징에 의해 밀봉되는 각도 범위가 가급적 커야 한다. 그러나 최대 엔진 회전수에서는 기어휠 펌프가 너무 많은 양의 연료를 공급해서는 안 된다. 양을 조절하기 위한 복잡한 밸브 제어부 대신에 흡입측에 일반적으로 상기 공급량을 제한하는 스로틀이 사용된다. 이것은, 일정한 공급량에 도달하면 톱니 사이 공간이 더 이상 완전히 연료로 채워지지 않도록 한다.

연료로 완전히 채워지지 않은 상기 톱니 사이 공간이 펌프의 압력측에서 하우징으로부터 압력챔버로 배출되면, 기어휠 톱니들의 톱니 측면이나 또는 하우징에 캐비테이션 손상(cabitation damage)이 생길 위험이 있다. 이러한 이유로, 연료로 완전히 채워지지 않은 톱니 사이 공간에서 가능한 연속적인 압력 상승을 가능하게 하는 홈이 제공된다. 이때 홈은 펌프의 압력측으로부터 홈 영역에 있는 톱니 사이 공간으로 연료의 조절된 역류를 가능하게 하는 스로틀처럼 작용한다.

지금까지 공지된 연료 펌프의 단점은, 높은 회전수에서도 캐비테이션 손상을 방지하기 위해 비교적 큰 각도 범위에 걸쳐 연장된 홈이 필요하다는 것이다. 하지만 홈의 큰 각도 길이는, 하우징과 기어휠 사이의 랩 각을 감소시키고, 그에 따라 낮은 회전수에서 적은 공급량을 초래한다.

본 발명의 목적은 전술한 방식의 기어휠 펌프를 낮은 회전수에서도 큰 공급량이 달성되는 한편, 동시에 높은 회전수에서 캐비테이션 손상이 방지되도록 개선하는 것이다. 청구범위 제 1 항의 특징을 가진 본 발명의 기어휠 펌프에서 홈은 일종의 예비 챔버를 형성하며, 상기 예비 챔버는 제 1 섹션에서 홈의 바닥과 기어휠 톱니의 팁 사이에 형성되어 있는 비교적 좁은 틈을 통해 압력측과 연결된다. 높은 회전수에서 상기 좁은 틈은, 홈의 제 2 섹션의 영역에 형성된 오버플로우(overflow) 횡단면과 함께 홈을 향해 개방된 톱니 사이 공간의 연속하는 압력 상승을 일으킨다. 홈은 비교적 작은 각도 범위에 걸친 전체 길이를 가지므로, 기어휠과 하우징 사이의 큰 랩 각이 주어지고, 이것은 낮은 회전수에서 공급량을 위해 바람직하다.

바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명된다.

도 1은 고압 연료 펌프와 연결된 기어휠 펌프의 단면도.

도 2는 선행 기술에 따른 기어휠 펌프의 단면도.

도 3은 도 2의 단면도에 상응하는, 본 발명에 따른 기어휠 펌프의 단면도.

도 1에 고압 연료 펌프(5)가 도시된다. 상기 고압 연료 펌프(5)는 연료를 펌프 부재(7)를 통해서 1800 바(bar)의 높은 압력으로 압축할 수 있다. 연료는 기어휠 펌프(10)에 의해 상기 펌프 부재(7)에 공급되고, 상기 기어휠 펌프(10)는 펌프 부재(7)용 구동 샤프트(12)에 연결된다.

기어휠 펌프(10)는, 2개의 기어휠들(14, 16; 도 2 참조)을 포함하고, 상기 기어휠들은 서로 맞물리며 하우징(18)내에 배치된다. 화살표 방향으로 회전함으로써 기어휠들(14, 16)은, 흡입측 S에서 공급된 연료를 2 개의 인접한 기어휠 톱니(20)사이의 공간에 의해 압력측 D으로 이송한다.

도 2에서는 홈(22)이 도시된다. 상기 홈(22)은 하우징에서 압력측으로부터 배치된다. 하우징(18)로부터 나와 압력측으로 넘어갈 때 압력측에서 보다 더 낮은 압력이 톱니 사이 공간에 제공되고 상기 공간이 완전히 연료로 채워지지 않으면, 상기 홈(22)은 인접한 2개의 기어휠 톱니 사이의 사이 공간에서 가급적 균일하고 제어된 압력 상승을 가능하게 하는데 이용된다. 이러한 상태에서 만약 갑작스런 압력상승이 있게 된다면, 연료 내의 증기 기포는 톱니 사이 공간에서 내파(內破)될 것이며 하우징과 기어휠 톱니(20)의 측면에서 케비테이션 손상이 일어날 수 있다. 이것은 특히 캐비테이션 손상에 민감한 물질에 관련된다. 도 2에 도시된 홈(22)의 통상적인 실시예에서는 회전수가 높을 때 톱니 사이 공간의 압력 보상이 매우 빨리 이루어지므로, 한편으로는 강한 압력의 진동이 발생하고, 다른 한편으로는 톱니 사이 공간에서 캐비테이션 기포를 빠른 속도로 내파시키는 압력파가 발생한다.

도 3에서 홈(22)의 본 발명에 따른 실시예가 도시된다. 여기서 상기 홈은 각도 범위 α에 걸쳐 연장된 제 1 섹션(24)과 각도 범위 β에 걸쳐 연장된 제 2 섹션(26)으로 구성되어 있다. 여기서 각도 범위 α는 각도 범위 β보다 훨씬 작다. 각도 범위 α에서 기어휠 톱니들의 팁과 홈(22)의 바닥 사이의 간격 s은 비교적 작은, 예를 들면 0.2 mm인 한편, 제 2 섹션의 톱니 팁과 홈(22)의 바닥 사이의 최대 간격 t은 현저히 더 큰데, 예를 들면 0.7mm이다. 제 1 섹션에서 홈(22)의 바닥은 기어휠(14)의 회전 축과 대략 동심인 한편, 제 2 섹션의 홈(22)의 바닥은 제 1 섹션으로부터 대략 포물선형으로 연장된다. 제 2 섹션의 홈의 윤곽은, 제 1 섹션으로부터 먼 단부가 대략 방사 방향으로, 기어휠 팁에 밀접하게 접하는 하우징의 영역으로 이어지도록 선택된다. 도시된 실시예에서 각도 범위 α는 약 5°이고, 각도 범위 β는 약 36°이다. 상기 각도 범위들은 기어휠 톱니(20)의 간격에 서로 맞춰지므로 홈(22)은 전체적으로 두 기어휠 톱니 사이의 각도 간격보다 약간 더 큰 각도 범위에 걸쳐 연장된다. 따라서 랩 각 γ이 커지는데, 즉 흡입측과 압력측 사이에서 톱니 사이 공간이 하우징(18)에 의해 커버되는 각도 범위가 커진다. 이러한 큰 랩 각 γ은 낮은 회전수에서 낮은 오버플로우 손실과 관련하여, 즉 큰 공급량과 관련하여 바람직하다.

홈(22)의 특수한 실시예는, 톱니 사이 공간이 하우징의 랩 영역으로부터 압력측으로 넘어갈 때 톱니 사이 공간의 영역에서 연속하는 압력 상승을 일으킨다. 압력 상승 시작시, 즉 기어휠(14)이 도 3에서 도시된 위치, 즉 톱니 사이 공간(28) 앞에 놓인 기어휠 톱니(20)가 홈(22)의 제 2 섹션(26)으로 들어가는 위치에 놓이면, 하우징과 상응하는 기어휠 톱니 사이의 비교적 좁은 틈이 발생되고, 따라서 연료는 더 큰 압력을 가진 영역으로부터 나와 비교적 서서히 톱니 사이 공간(28)으로 유입될 것이다. 이때 상기 흐름이 방사 방향으로 연장되므로, 상기 흐름은 톱니 바닥의 방향으로 기어휠 측면을 따른다. 이것은 이 영역에서의 홈(22)의 윤곽의 진행을 통하여 보장된다. 채워질 톱니 사이 공간 내로의 연료의 오버플로우에 의해 선행 톱니 사이 공간의 압력이 감소되고, 이는 톱니 팁과 홈의 바닥 사이의 좁은 틈을 통한 연료의 재보충 흐름을 통해서 다시 보상된다. 기어휠이 화살표 방향으로 계속 회전되면, 홈(22)의 제 1 섹션(24)과 그 반대 편에 놓인 톱니 팁 사이의 유동 횡단면은 물론, 후속 기어휠 톱니와 홈(22)의 단부 사이의 유동 횡단면 역시 커지게 된다. 이것은 압력측을 향해 배출되기 전에 톱니 사이 공간(28)에서 완전한 압력보상을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 캐비테이션 손상이 기어휠 톱니들 및 기어휠 펌프의 하우징에서 방지된다.

물론, 상기 홈(22)은 캐비테이션 손상을 막기 위해 제 2 기어휠(16)을 위해서도 제공될 수 있다.

하기의 수학식이 홈(22)의 횡단면 설계를 위해 적용된다.

1/(N·Z)≥T_f

T_f=V_d/V_p

A_N=V_p/w

상기 식에서,

T_f = 홈을 통해 톱니 사이의 공간을 채우는 충전 시간

N = 기어휠 회전수

Z = 기어휠의 톱니 수

V_d = 톱니 사이 공간의 증기량

V_p = 홈을 통해 톱니 사이 공간으로 가는 연료의 유동량

w = 홈에서의 유동 속도

A_N = 홈에서 유효 유동 횡단면

Claims (9)

1. 하우징(18), 상기 하우징에 배치되어 서로 맞물리는 두 개의 기어 휠(14, 16), 및 상기 하우징 내에서 기어휠 펌프의 압력측에 형성된 적어도 하나의 홈을 포함하는 기어휠 펌프에 있어서,

   상기 홈은, 압력측에서부터 연장되며 홈(22) 바닥이 기어휠의 톱니들(20)의 팁과 작은 간격을 갖는 제 1 섹션(24), 및 상기 제 1 섹션에 연결되며 상기 홈(22)의 바닥이 상기 제 1 섹션에서의 간격보다 큰, 톱니 팁과 최대 간격을 갖는 제 2 섹션(26)을 포함하고, 상기 제 1 섹션이 상기 제 2 섹션보다 더 작은 각도 범위 α에 걸쳐 연장되고, 상기 홈은 전체적으로 상기 두 개의 톱니들(20) 사이의 각도 간격보다 약간 더 큰 각도 범위 α,β에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈(22)의 상기 제 1 섹션의 윤곽은 일정한 횡단면이 주어지는 곡선을 갖는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홈(22)의 상기 제 2 섹션의 윤곽은 감소되는 횡단면이 주어지는 곡선을 갖는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 홈(22)의 상기 제 2 섹션의 윤곽은 포물선 형태의 곡선을 갖는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 섹션(26)의 윤곽은 상기 제 1 섹션으로부터 먼 측면에서, 상응하는 기어휠의 회전축에 대해 대략 방사 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기어휠 펌프는 고압 연료 펌프(5)에 배치되며, 상기 제 2 섹션에서 톱니의 팁과 홈의 바닥 사이의 간격 t은 상기 홈 내의 유효 유동 횡단면을 기어휠 높이로 나눈 값과 대략 동일한 한편, 상기 제 1 섹션에서 상기 기어휠(14, 16)의 톱니 팁과 상기 홈(22)의 바닥 사이의 간격 s은 상기 제 1 섹션에서의 간격의 3분의 1과 대략 동일한 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 섹션에서 상기 톱니 팁과 상기 홈의 바닥 사이의 간격 t은 약 0.7mm 인 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 섹션에서 상기 기어휠(14, 16)의 톱니 팁과 상기 홈(22)의 바닥 사이의 간격 s은 약 0.2mm 인 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 홈(22)의 상기 제 1 섹션(24)은 약 5°의 각도 범위에 걸쳐 연장되며, 상기 제 2 섹션(26)은 약 36°의 각도 범위에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 기어휠 펌프.

Images