KR100719646B1

KR100719646B1 - 연료 펌프를 구비한 차량의 내연 기관용 연료 펌프 및 연료공급 시스템

Info

Publication number: KR100719646B1
Application number: KR1020067002295A
Authority: KR
Inventors: 에버하르트 가이쎌
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-05-18
Also published as: DE502005004477D1; US20080080964A1; CN1780978A; WO2006045686A1; DE102004052439A1; CN100420845C; ES2308561T3; KR20060055531A; EP1805408B1; US7658180B2; JP4235665B2; JP2008518140A; EP1805408A1

Abstract

측로식 펌프의 형태인 차량용 연료 펌프에서, 서로를 동심으로 둘러싸는 2개의 부분 환형 덕트(21, 22)는 연결 덕트(29)를 통해 서로 연결된다. 연결 덕트(29)와 부분 환형 덕트(21, 22)를 연결시키는 연결부(33, 34)는, 연료 펌프의 정격 속도에서 그들 연결부들 각각의 압력이 동일하도록 배치된다. 만일 속도가 정격 속도 이하로 떨어지면, 연료는 반경 방향 외측 부분 환형 덕트(22)로부터 반경 방향 내측 부분 환형 덕트(21)로 유동된다. 따라서, 반경 방향 내측 부분 환형 덕트(21)를 통한 충분한 분배가 이루어지게 된다.

연료 펌프, 연료 공급 시스템, 내연 기관

Description

연료 펌프를 구비한 차량의 내연 기관용 연료 펌프 및 연료 공급 시스템{FUEL PUMP AND FUEL FEED SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF A MOTOR VEHICLE HAVING A FUEL PUMP}

본 발명은, 케이싱 부품과 대면하는 피동 임펠러를 구비하고, 임펠러에 배치되고 서로 동심으로 둘러싸며 블레이드 챔버를 형성하는 안내 베인(guide vane)의 링을 구비하며, 케이싱 부품에서 안내 베인의 링과 대면하는 부분 환형 연료 공급 덕트를 구비하고, 부분 환형 연료 공급 덕트에 연결되는 출구 덕트를 구비하며, 블레이드 챔버의 링과 부분 환형 연료 공급 덕트는 반경 방향 내측 분배 챔버와 반경 방향 외측 분배 챔버를 형성하는 연료 펌프에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이러한 연료 펌프를 구비하는 차량의 내연 기관용 연료 공급 시스템으로서, 연료를 연료 탱크로부터 흡입하고 그 연료를 내연 기관으로 분배하는 연료 공급 시스템에 관한 것이다.

이러한 연료 펌프는 현재 차량의 연료 공급 시스템에 일반적으로 사용되고 있으며, 실제로 공지되어 있다. 이때, 연료 펌프의 분배 챔버는 와류 포트(swirl pot)를 충진시키고 차량의 내연 기관에 연료를 공급하는 역할을 한다. 임펠러는 일반적으로 전기 모터의 샤프트에 고정되며, 정상 작동 상태에서 정격 속도로 구동된다. 하지만, 특히 내연 기관이 저온 상태에서 시동되는 경우에는, 전기 모터가 저 전압에서 구동되어 단지 저출력만을 발생시키기 때문에, 정격 속도가 종종 신뢰성 있게 달성되지 못한다. 이는 특히 반경 방향 내측 분배 챔버에서 연료 펌프의 분배 성능을 크게 저하시키게 된다. 최악의 경우에, 이는 와류 포트가 더 이상 충진되지 못하며 연료가 내연 기관으로 분배되지 못함을 의미한다.

공지된 연료 공급 시스템의 또 다른 단점은, 반경 방향 내측 분배 챔버의 분배 성능이 저하되지 않게 하기 위해서는, 정상 작동 상태에서 임펠러가 내연 기관의 연료 소요량과는 무관하게 정격 속도로 연속하여 동작되어야 한다는 점이다. 이는 연료 펌프가 임펠러의 구동을 위해 불필요하게 높은 에너지를 필요로 함을 의미한다.

본 발명의 목적은, 임펠러의 속도가 정격 속도 이하인 경우에도 내측 분배 챔버의 분배 성능을 충분히 높게 유지시킬 수 있는 서두에 언급한 유형의 연료 펌프를 제공하는 것이다. 또한, 이러한 연료 펌프를 구비한 연료 공급 시스템으로서, 각기 다른 임펠러 속도에서도 연료를 신뢰성 있게 공급할 수 있는 연료 공급 시스템을 제공하는 것이다.

첫 번째로 언급한 목적은, 본 발명에 따르면, 반경 방향 외측 분배 챔버가 연결 덕트를 통해서 반경 방향 내측 분배 챔버에 연결됨으로써 달성된다.

이러한 구성에 의하면, 반경 방향 내측 분배 챔버 내의 압력이 떨어지는 경우에, 연료가 반경 방향 외측 분배 챔버로부터 반경 방향 내측 분배 챔버로 유동될 수 있게 된다. 이는, 임펠러 속도가 낮은 경우에 반경 방향 내측 분배 챔버에서의 분배 성능이 반경 방향 외측 분배 챔버에서의 분배 성능에 비해 상당히 크게 떨어지기 때문에, 연료가 두 분배 챔버에서 신뢰성 있게 분배될 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명에 따른 연료 펌프는, 내연 기관의 연료 소요량이 적은 경우에도 연료 분배가 차단될 위험없이 정격 속도 이하의 속도에서 작동될 수 있다.

본 발명에 따른 연료 펌프는, 연결 덕트가 케이싱 부품에 배치되고 부분 환형 연료 공급 덕트들을 연결시키는 경우에 특히 간단하게 구성된다.

본 발명에 따른 연료 펌프는, 연결 덕트가 케이싱 부품에 배치되는 홈의 형태로 형성되는 경우에 저비용으로 제조된다. 연료 펌프의 케이싱 부품은 일반적으로 소결법 혹은 사출 성형법에 의해 제조되기 때문에, 연결 덕트는 케이싱 부품의 몰드 형상을 아주 간단하게 변형시켜 제조될 수 있다.

반경 방향 외측 분배 챔버와 반경 방향 내측 분배 챔버 사이에 압력 구배가 형성되는 경우에, 연결 덕트가 임펠러의 회전 방향으로 볼 때 반경 방향 외측 분배 챔버로부터 반경 방향 내측 분배 챔버 쪽을 향하여 배치되면, 연료가 반경 방향 내측 분배 챔버로 신뢰성 있게 공급될 수 있게 된다. 반경 방향 외측 분배 챔버의 압력이 일반적으로 반경 방향 내측 분배 챔버의 압력에 비해 크고 길이를 따라 증가하기 때문에, 연결 덕트와 반경 방향 외측 분배 챔버를 연결시키는 연결부를 적절히 선정하게 되면, 간단한 방식으로 반경 방향 내측 분배 챔버의 압력을 최소로 설정할 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 연결 덕트와 반경 방향 내측 분배 챔버 및 반경 방향 외측 분배 챔버를 연결시키는 연결부가 임펠러의 정격 속도에서 두 연결부의 압력이 동일하도록 배치되는 경우에, 연결 덕트는 정격 속도에서 분배 챔버의 유동에 영향을 미치지 않게 된다. 이러한 구성에 의하면, 임펠러의 속도가 낮은 경우에 반경 방향 내측 분배 챔버의 압력이 급격히 떨어지기 때문에, 정격 속도 이하로 작동시 반경 방향 내측 분배 챔버의 압력을 단독으로 상승시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 반경 방향 외측 부분 환형 연료 공급 덕트에 연결되는 연결 덕트의 초기 영역이 임펠러의 회전축을 통하는 직선에 소정의 각도(α)만큼 경사지는 경우에, 연결 덕트와 외측 분배 챔버를 연결시키는 연결부를 특히 저비용으로 형성시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 반경 방향 내측 부분 환형 연료 공급 덕트와 연통되는 연결 덕트의 말단 영역이 임펠러의 회전축을 통하는 직선에 소정의 각도(β)만큼 경사지는 경우에, 연결 덕트와 내측 분배 챔버를 연결시키는 연결부를 특히 저비용으로 형성시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 위에서 언급한 소정의 각도(α) 및/또는 소정의 각도(β)가 약 45°인 경우에, 연료 유동시 분배 챔버에서의 와류 현상을 최소화시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 연결 덕트가 부분 환형 연료 공급 덕트들 사이에 동심으로 배치되는 중간 영역을 구비하는 경우에, 연결 덕트의 길이를 자유롭게 선정하여 내측 분배 챔버의 최소 압력을 쉽게 조절할 수 있게 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 임펠러가 연결 덕트와 대면하는 영역에서 평활면(smooth surface)을 구비하는 경우에, 임펠러와의 마찰에 의해 연결 덕트의 유동에 미치는 영향을 특히 최소화시킬 수 있게 된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 태양에 따르면, 홈 형태의 연결 덕트가 폭에 비해 깊이가 깊은 경우에, 임펠러와의 마찰에 의해 유동에 미치는 영향을 추가로 저감시킬 수 있게 된다. 이러한 구성은, 연결 덕트의 매체와 접촉하는 임펠러의 접촉 표면을 최소화시키는 데 특히 효과적이다.

앞에서 언급한 두 번째 목적, 즉 위와 같은 연료 펌프를 구비한 연료 공급 시스템으로서 각기 다른 임펠러 속도에서도 연료를 신뢰성 있게 공급할 수 있는 연료 공급 시스템을 제공하는 목적은, 반경 방향 외측 분배 챔버가 내연 기관에 연결되고, 반경 방향 내측 분배 챔버가 연료 탱크 내부에 배치되는 제트 펌프에 연결됨으로써 달성된다.

이러한 구성에 의하면, 연료 펌프가 내연 기관의 연료 소요량에 맞추어 형성될 수 있으며, 연료 펌프의 연결 덕트가 연료를 반경 방향 내측 분배 챔버에 충분히 공급할 수 있게 된다. 연료가 내연 기관에 연결된 라인으로부터 분기관을 통해서 제트 펌프에 공급되는 연료 공급 시스템에 비해서, 연료 펌프의 분배 챔버가 연결 덕트에 의해 연결되는 본 발명에 따른 연료 공급 시스템은 특히 효율적인 비용으로 형성될 수 있다. 이는 본 발명에 따른 연료 공급 시스템이 연결 덕트에 의해 연결되는 두 단(stage)을 구비함을 의미하며, 그 중 한 단에서는 연료를 전용으로 내연 기관에 분배하고, 다른 한 단에서는 단지 연료를 연료 탱크 내부에 공급한다.

임펠러를 구동시키는 전기 모터의 출력을 내연 기관의 연료 소요량의 함수로서 조절하는 제어 장치에 의하면, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템의 에너지 소요량이 특히 낮아지게 된다.

본 발명에서는 여러 가지 실시예들이 가능하다. 본 발명의 기본 원리를 보다 명확하게 파악할 수 있게 하기 위해서, 이하에서는 도면들에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 펌프를 구비한 연료 공급 시스템의 개략도이다.

도 2는 도 1의 연료 펌프를 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

도 1은 연료 탱크(3)에 배치된 공급 유닛(4)을 구비한 차량의 내연 기관(2)용 연료 공급 시스템(1)의 개략도이다. 공급 유닛(4)은 와류 포트(swirl pot)(5) 내에 배치되는 연료 펌프(6)를 구비하며, 이러한 연료 펌프는 전기 모터(7)에 의해 구동되는 펌프단(pump stage)(8)을 구비한다. 전기 모터(7)에는 제어 장치(9)를 통해서 전류가 공급된다. 연료 펌프(6)에 의해 압송된 연료는 유동 라인(10)을 거쳐 내연 기관(2)으로 유동된다. 유동 라인(10)과 전기 모터(7)의 전선(11)은 플랜지(12)를 통해서 연료 탱크(3) 내로 연결된다.

펌프단(8)은 측로식 펌프(side-channel pump) 형태로 형성되며, 두 케이싱 부품(13, 14) 사이에 회전가능하게 배치되는 임펠러(15)와 두 분배 챔버(16, 17)를 구비한다.

임펠러(15)는 전기 모터(7)의 샤프트(18)에 회전가능하게 고정되며, 서로 동심으로 둘러싸고 블레이드 챔버를 형성하는 안내 베인(guide vane)(19, 20)의 두 링을 구비한다. 블레이드 챔버는 케이싱 부품(13, 14) 내에 대향되어 배치된 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)와 함께 분배 챔버(16, 17)를 형성한다. 반경 방향 내측 분배 챔버(16)는 연료를 와류 포트(5)로부터 제트 펌프(23)로 분배하고, 반경 방향 외측 분배 챔버(17)는 연료를 와류 포트(5)로부터 전기 모터(7)를 통해 유동 라인(10)으로 분배한다. 제트 펌프(23)는 연료를 연료 탱크(3)로부터 선처리 필터(prefilter)(24)를 통해 흡입하여, 그 연료를 와류 펌프(5) 내로 분배시킨다. 분배 챔버(16, 17) 각각은 임펠러(15)를 관통하여, 케이싱 부품(13, 14) 각각에 배치된 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)를 구비한다. 보다 명확한 설명을 위해서, 케이싱 부품(13,14)의 분배 챔버(16, 17)의 입구(25, 26)와 출구(27, 28)를 도면의 도시면 방향으로 선회시켜 도 1에 도시하였다. 실제로, 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)는 340°의 각도 범위에 걸쳐서 연장된다.

도 2는 도 1에 도시된 연료 펌프(6)의 펌프단(8)의 한 케이싱 부품(14)을 도시하고 있다. 도면을 보면, 서로 동심으로 둘러싸는 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)가 명확하게 도시되어 있으며, 이러한 부분 환형 연료 공급 덕트는 도 1에 도시된 임펠러(15)의 안내 베인(19, 20)의 링과 대면하여 배치된다. 임펠러(15)의 회전 방향은 화살표로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바에 따르면, 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)는 연결 덕트(29)를 통해 서로 연결된다. 연결 덕트(29)는, 케이싱 부품(14)에 배치되며 폭에 비해 깊이가 깊은 홈의 형태로 형성된다. 연결 덕트(29)는, 외측 부분 환형 연료 공급 덕트(22)에 연결된 초기 영역(30)과, 내측 부분 환형 연료 공급 덕트(21)와 연통되는 말단 영역(31)을 구비한다. 초기 영역(30)과 말단 영역(31)은 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)와 평행하게 배치된 중간 영역(32)에 의해 서로 연결된다. 초기 영역(30)은 임펠러(15)의 회전축을 통하는 직선에 대해 각도(α)만큼 경사지며, 말단 영역(31)은 각도(β)만큼 경사진다. 각도(α, β)는 일례로 각각 45°이다.

연결 덕트(29)는, 임펠러(15)의 속도가 정격 속도인 경우에 연결 덕트(29)와 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)를 연결시키는 연결부(33, 34)에서 압력이 동일하도록 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)에 연결된다. 따라서, 연료의 유동을 방지할 수 있는 압력 평형 상태가 연결 덕트(29)에 형성되게 된다. 하지만, 임펠러(15)의 속도가 정격 속도 이하로 떨어지게 되면, 분배 챔버(16, 17)의 공급 압력, 즉 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)의 공급 압력이 또한 떨어지게 된다. 이때, 반경 방향 내측 부분 환형 연료 공급 덕트(21)에서의 압력 강하가 반경 방향 외측 부분 환형 연료 공급 덕트(22)에서의 압력 강하보다 훨씬 크다. 이러한 압력 강하가 의미하는 바는, 연료가 추진제로서 더 이상 제트 펌프(23)에 신뢰성 있게 공급되지 못함을 뜻한다. 이러한 현상은, 반경 방향 내측 분배 챔버(16)에서 압력 강하가 발생되는 경우에, 연결 덕트(29)가 연료를 반경 방향 외측 분배 챔버(17)로 우회시켜서 반경 방향 내측 분배 챔버(16)의 소정의 압력을 유지시킴으로써 해소된다. 따라서, 연료 공급 시스템(1)은 전기 모터(7)의 출력이 내연 기관(2)의 연료 소요량에 따라서 제어 장치(9)에 의해 제어될 수 있게 할 수 있다.

Claims

케이싱 부품과 대면하는 피동 임펠러를 구비하고, 상기 임펠러에 배치되고 서로 동심으로 둘러싸며 블레이드 챔버를 형성하는 안내 베인의 링을 구비하며, 상기 케이싱 부품에서 안내 베인의 링과 대면하는 부분 환형 연료 공급 덕트를 구비하고, 상기 부분 환형 연료 공급 덕트에 연결되는 출구 덕트를 구비하며, 상기 블레이드 챔버의 링과 부분 환형 연료 공급 덕트는 반경 방향 내측 분배 챔버와 반경 방향 외측 분배 챔버를 형성하는 연료 펌프에 있어서,

상기 반경 방향 외측 분배 챔버(17)는 연결 덕트(29)를 통해서 반경 방향 내측 분배 챔버(16)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)는 케이싱 부품(14)에 배치되며 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)를 연결시키는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)는 케이싱 부품(14)에 배치되는 홈의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)는 임펠러(15)의 회전 방향으로 볼 때 반경 방향 외측 분배 챔버(17)로부터 반경 방향 내측 분배 챔버(16) 쪽을 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)와 반경 방향 내측 분배 챔버(16) 및 반경 방향 외측 분배 챔버(17)를 연결시키는 연결부(33, 34)는, 임펠러(15)의 정격 속도에서 두 연결부(33, 34)에 동일한 압력이 형성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반경 방향 외측 부분 환형 연료 공급 덕트(22)에 연결되는 연결 덕트(29)의 초기 영역(30)은 임펠러(15)의 회전축을 통하는 직선에 소정의 각도(α)를 형성하며 경사지는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반경 방향 내측 부분 환형 연료 공급 덕트(21)와 연통되는 연결 덕트(29)의 말단 영역(31)은 임펠러(15)의 회전축을 통하는 직선에 소정의 각도(β)를 형성하며 경사지는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 소정의 각도(α) 및/또는 소정의 각도(β)는 약 45°인 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)는 부분 환형 연료 공급 덕트(21, 22)들 사이에 동심으로 배치되는 중간 영역(32)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 임펠러(15)는 연결 덕트(29)와 대면하는 영역에서 평활면을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 연결 덕트(29)는 홈의 형태로 형성되며 폭에 비해 깊이가 깊은 것을 특징으로 하는 연료 펌프.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 연료 펌프를 구비하는 차량의 내연 기관용 연료 공급 시스템으로서, 연료를 연료 탱크로부터 흡입하고, 상기 연료를 내연 기관으로 분배하는 연료 공급 시스템에 있어서,

상기 반경 방향 외측 분배 챔버(17)는 내연 기관(2)에 연결되고, 상기 반경 방향 내측 분배 챔버(16)는 연료 탱크(3) 내부에 배치되는 제트 펌프(23)에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.
제12항에 있어서,

상기 임펠러(15)를 구동시키는 전기 모터(7)의 출력을 내연 기관(2)의 연료 소요량의 함수로서 조절하는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 공급 시스템.