KR100739939B1

KR100739939B1 - 연료 공급 장치

Info

Publication number: KR100739939B1
Application number: KR1020067015866A
Authority: KR
Inventors: 가즈야 구보타; 노부오 아오키
Original assignee: 봇슈 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2007-07-16
Also published as: KR20070018004A

Abstract

연료 공급 장치(1)에 있어서, 저압 펌프(3)로부터의 공급 연료 압력을 소정의 압력으로 조정하기 위해서 저압 펌프(3)의 연료 출구측에 설치된 연료 압력 조정 밸브(11)가, 탄성 가압 기구(33)에 의해 피스톤(32)이 압력 수용 포트(11A)를 향해서 탄성 가압되도록 실린더(31) 내에 수용되고, 압력 수용 포트(11A)에 주어지는 연료 압력에 피스톤(32)이 대응하여 움직여서 실린더(31)의 측벽부에 설치된 오버플로우 포트(11B)를 개폐함으로써 연료 출구측의 연료의 압력이 조정되도록 구성되어 있으며, 실린더(31)의 측벽부에 있어서 오버플로우 포트(11B)보다도 압력 수용 포트(11A)에 가까운 위치에 윤활용 연료 배출용의 배출 포트(11C)가 설치되어 있어, 압력 조정 동작의 개시에 앞서 윤활용 연료의 배출이 실행된다.

Description

연료 공급 장치{FUEL SUPPLY DEVICE}

본 발명은 내연 기관에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치에 관한 것이다.

내연 기관에 연료를 공급하기 위한 연료 공급 장치로서, 커먼 레일(common rail) 방식의 연료 공급 장치가 최근에 실용화되어 있다. 커먼 레일 방식의 연료 공급 장치는 연료 탱크 내의 연료를 공급 펌프 등의 저압 연료 펌프에서 퍼올리고, 그 연료를 고압 연료 펌프에 의해 고압으로 해서 커먼 레일 내에 축적하며, 상기 커먼 레일 내의 고압 연료를 연료 분사 밸브를 이용하여 내연 기관의 실린더의 내로 분사/공급하도록 구성되어 있다.

이러한 목적으로 사용되는 고압의 연료 펌프의 구동 샤프트는 내연 기관의 큰 동력으로 구동됨으로써, 연료의 고압화가 되게 한다. 고압 연료 펌프의 원활한 동작을 확보하기 위해서, 일본 특허 공개 제 2002-322968 호 공보에는 고압계의 연료 펌프의 작동용 윤활유에 사용하기 위한 연료를 받아들이는 통로를 구비한 연료 챔버 압력 조정 밸브를 설치한 저압 연료 펌프가 개시되어 있다. 이러한 개시된 구성에 따르면, 연료 챔버 압력 조정 밸브가 연료 챔버의 압력을 적절한 값으로 유지하기 위한 압력 조정 밸브로서 작용하는 동시에, 시동시에 있어서 분사에 충분한 압력이 연료 챔버에 발생할 때까지는 윤활유 라인에 연료가 공급되지 않도록 하므로, 양호한 시동성을 확보할 수 있다.

그러나, 이러한 개시된 연료 공급 장치에 따르면, 어떠한 이유에 의해 윤활유 라인의 압력이 상승하면 연료 챔버 압력 조정 피스톤에 배압(back pressure)이 발생하고, 이로써 피스톤의 움직임이 저해되어서 연료의 압력을 조정하는 동작이 예정대로 실행되지 않고, 고압 연료 펌프로 공급되는 연료의 압력이 지나치게 증가하게 되는 문제점을 갖고 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 종래 기술의 상술된 문제점을 해결할 수 있는 연료 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 윤활유의 라인에 배압이 발생해도 연료 압력 조정 동작을 지장없이 실행할 수 있도록 한 연료 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징은 윤활유의 라인을 연료 압력 조정 밸브의 피스톤의 압력 수용측에 설치함으로써, 윤활유의 라인에 압력이 발생하더라도 피스톤의 연료 압력 조정 동작에 지장이 발생하지 않도록 한 점에 있다. 연료 압력 조정 밸브에서 필요한 피스톤의 높은 스트로크(stroke)와 압력 조정 특성을 만족하는 스프링 수단의 선택을 양립시키기 위해서, 2 종류의 스프링을 직렬로 설치하고, 2 단계의 피스톤 스트로크 특성을 가지게 함으로써 윤활유의 라인에 생기는 압력에 의해 피스톤의 연료 압력 조정을 위한 동작에 지장이 발생하지 않도록 할 수 있다.

공급 연료를 가압 공급하기 위한 펌프와, 상기 펌프로부터의 공급되는 연료의 압력을 소정의 압력으로 조정하기 위해서 상기 펌프의 연료 출구측에 설치된 연료 압력 조정 밸브를 구비해서 이루어지는 연료 공급 장치에 있어서, 상기 연료 압력 조정 밸브는 탄성 가압 구성에 의해 피스톤이 압력 수용 포트를 향해서 탄성 가압되도록 실린더 내에 수용하고, 상기 압력 수용 포트에 주어지는 상기 연료 출구측의 연료의 압력에 상기 피스톤이 대응하여 움직여서 상기 실린더의 측벽부에 설치된 오버플로우 포트를 개폐함으로써 상기 연료 출구측의 연료의 압력이 조정되도록 구성되어 있으며, 상기 실린더의 측벽부에 있어서 상기 오버플로우 포트보다 상기 압력 수용 포트에 가까운 위치에 윤활용 연료 배출용의 배출 포트를 설치하도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 펌프로부터 공급되는 연료의 압력 조정 동작에 지장을 발생시키는 일 없이 윤활용 연료를 배출할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 일 실시예를 도시한 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 연료 압력 조정 밸브의 확대 단면도,

도 3은 도 2의 연료 압력 조정 밸브에 있어서의 연료 압력과 피스톤의 상승량 사이의 관계를 도시한 그래프,

도 4는 도 2의 연료 압력 조정 밸브에 있어서의 연료 압력과 각각의 포트의 연료의 유량 사이의 관계를 도시한 그래프,

도 5는 도 2에 도시된 연료 압력 조정 밸브의 변형예를 도시한 단면도.

본 발명은 보다 상세하게 설명하기 위해서 첨부된 도면에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 공급 장치의 일 실시예를 도시한 구성도이다. 연료 공급 장치(1)는 커먼 레일(101)에 고압의 연료를 공급하는 고압 펌프(102)에 비교적 저압의 연료를 공급하기 위한 장치이며, 상기 연료 공급 장치(1)는 연료 탱크(2)와, 연료 탱크(2) 내의 연료(F)를 가압하는 저압 펌프(3)를 구비하고 있다.

저압 펌프(3)의 연료 입구측 포트(3A)와 연료 탱크(2)의 사이에는 필터(4)를 구비한 연료 공급로(5)가 설치되어 있어, 찌꺼기 등이 제거된 연료가 연료 공급로(5)를 통해 연료 탱크(2)로부터 저압 펌프(3)로 보내지도록 구성되어 있다. 참조부호 (6)으로 표시되는 것은 필터 교환 등에 의해 저압계 라인으로 공기가 들어갔을 경우 저압 펌프(3) 내에 수동적으로 연료를 공급하는데 사용되는 수동 펌프이다.

저압 펌프(3)의 연료 출구인 출구 포트(3B)와 고압 펌프(102)의 흡입 포트(102A) 사이에는, 저압 펌프(3)로부터 공급되는 저압 연료를 고압 펌프(102)에 공급하기 위한 연료 송급로(7)가 배치되어 있다. 연료 송급로(7)에는 저압 펌프(3)로부터 보내진 연료 중의 찌꺼기 등을 제거하기 위한 필터(8) 및 고압 펌프(102)에 공급되는 저압 연료의 유량을 제어하기 위해 비례 전자기 밸브(proportional electromagnetic valve)를 이용하여 구성되어 있는 제어 밸브(9)가 설치된다. 제어 밸브(9)에 의해 유량 제어된 저압 연료는 체크 밸브(10)를 통해 고압 펌프(102)의 흡입 포트(102A)로부터 고압 펌프(102)의 실린더 챔버(102B) 내에 공급된다. 제어 밸브(9)는 도시되지 않은 전기적 제어 유닛에 의해 전기적으로 제어되어서 유량을 제어한다. 결과적으로, 커먼 레일(101) 내의 레일 압력이 소정의 목표 레일 압력이 되도록 제어된다.

제어 밸브(9)의 연료 입구측의 저압 연료의 압력을 소정의 값으로 유지하기 위한 목적으로 연료 송급로(7)에 연료 압력 조정 밸브(11)가 접속되어 있다. 도 1에 도시된 연료 공급 장치(1)에서는, 필터(8)와 제어 밸브(9) 사이의 연료 송급로(7)에 연료 압력 조정 밸브(11)의 압력 수용 포트(11A)가 배관(12)에 의해 접속되어 있다. 연료 압력 조정 밸브(11)는 압력 수용 포트(11A)의 저압 연료의 압력이 소정 레벨을 초과할 경우 그 오버플로우 포트(11B)로부터 저압 연료를 넘쳐 흐르도록 함으로써, 제어 밸브(9)의 입구측의 저압 연료의 압력을 대략 소정의 일정한 압력으로 유지하도록 동작하는 구성으로 되어 있다. 오버플로우 포트(11B)에서의 넘쳐 흐른 저압 연료는 드레인(drain) 배관(13)을 통해 연료 탱크(2) 내로 복귀된다.

또한 연료 압력 조정 밸브(11)는 저압 펌프(3)로부터 보내진 연료를 윤활유로서 배출하기 위한 배출 포트(11C)를 갖고 있다. 배출 포트(11C)로부터 배출된 연료는 오리피스(14)를 구비한 윤활유 라인(15)을 통해 고압 펌프(102)의 캠 챔버(102C) 내에 보내져서, 이 연료가 윤활유로서 작용하게 된다. 또한, 윤활유 라인(15)을 통해 고압 펌프(102)로 보내진 연료는 캠 챔버(102C) 내의 각 부재의 윤활유로서 사용되는 것에 한정되지 않는다. 이 연료가 다른 부위의 윤활유로서 적시에 공급되는 구성으로서 되는 것도 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 연료 공급 장치(1)에 의해 소정의 압력으로 조정되고 유량이 조정된 저압 연료가 고압 펌프(102)로 보내진다. 그 후에, 고압 펌프(102)의 실린더 챔버(102B) 내에서 저압 연료를 가압해서 발생된 고압 연료는 고압 펌프(102)의 토출 포트(102D)로부터 체크 밸브(19) 및 고압 배관(20)을 통해 커먼 레일(101)로 보내진다.

도 2는 도 1에 도시된 연료 압력 조정 밸브(11)의 확대된 단면도이다. 연료 압력 조정 밸브(11)는 실린더(31)를 갖고, 실린더(31) 내에는 피스톤(32)이 자유롭게 움직일 수 있도록 수용되어 있다. 실린더(31)의 일 단부의 개구부는 압력 수용 포트(11A)로 되어 있어, 압력 수용 포트(11A)는 배관(12)을 거쳐서 연료 송급로(7)에 접속되어 있다(도 1 참조). 피스톤(32)은 중실의 원주형상 부재이며, 피스톤(32)의 외주면(32A)과 실린더(31)의 내주면(31A) 사이의 공간은 연료가 밀봉된 상태로 되어 있다. 실린더(31)와 피스톤(32)에 의해 구획된 챔버(37)에는 피스톤(32)을 압력 수용 포트(11A) 쪽으로 탄성 가압하기 위한 탄성 가압 기구(33)가 설치된다.

탄성 가압 기구(33)는 스프링 정수(K1)의 제 1 스프링(33A)과 스프링 정수(K2)[스프링 정수(K1)보다 작음]의 제 2 스프링(33B)이 직렬로 설치된 구성으로 되어 있다. 여기에서, 제 1 스프링(33A), 제 2 스프링(33B)으로서 함께 코일 스프링을 사용할 수 있고, 제 1 스프링(33A)과 제 2 스프링(33B) 사이에는 스프링 시트(33C)가 설치된다.

제 1 스프링(33A)은 피스톤(32)의 내측 단면(32B)과 스프링 시트(33C)의 일 단면(33Ca) 사이에 배치되어, 스프링 시트(33C)를 내측 단면(32B)으로부터 멀어지도록 탄성 가압한다. 한편, 제 2 스프링(33B)은 실린더(31)의 내측 단면(31B)과 스프링 시트(33C)의 다른 단면(33Cb) 사이에 배치되어, 스프링 시트(33C)를 실린더의 내측 단면(31B)으로부터 멀어지도록 탄성적 가압하고 있다.

결과적으로, 피스톤(32)은 제 1 스프링(33A)과 제 2 스프링(33B)에 의해 압력 수용 포트(11A) 쪽으로 탄성 가압되어 있다. 압력 수용 포트(11A)의 근방에는 스토퍼 링(stopper ring)(34)이 설치되어 있어, 압력 수용 포트(11A)에 주어지는 연료 압력이 소정 값 이하의 경우에 피스톤(32)의 압력 수용면(32C)이 스토퍼 링(34)에 접촉해서 피스톤(32)이 도 2에 도시된 위치에 위치 결정된다.

탄성 가압 기구(33)가 이상과 같이 구성되어 있으므로, 피스톤(32)은 압력 수용면(32C) 상에 작용하는 연료 압력과, 탄성 가압 기구(33)의 제 1 스프링(33A) 및 제 2 스프링(33B)에 의한 스프링 힘이 균형을 이루는 위치에 위치 결정된다. 스프링 정수(K2)가 스프링 정수(K1)보다 작기 때문에, 연료 압력이 증가함에 따라 우선 주로 제 2 스프링(33B)이 수축하고, 스프링 시트(33C)가 내측 단면(31B) 상에 배치된 스토퍼(35)에 접촉한 후, 제 1 스프링(33A)이 수축하게 된다.

따라서, 압력 수용 포트(11A)에 있어서의 연료 압력을 참조부호 (P), 피스톤(32)의 도 2에 도시된 위치부터의 상승량을 참조부호 (L)로 하면, 이들 사이의 관계는 도 3에 도시된다. 스프링 시트(33C)가 스토퍼(35)와 접촉할 때까지는 피스톤(32)은 합성 스프링 정수[(K1×K2)/(K1＋K2)]의 특성선(a)을 따르고, 스프링 시트(33C)가 스토퍼(35)와 접촉한 후에는 스프링 정수(K2)의 특성선(b)을 따라 피스톤(32)이 움직인다.

피스톤(32)이 압력 수용 포트(11A)에 주어지는 연료 압력에 따라 실린더(31) 내에서 위치 결정되는 것을 이용하여 제어 밸브(9)의 연료 입구측의 연료 압력의 조정 및 윤활유로서 사용되는 연료의 배출을 실행하기 위해서, 실린더(31)의 측벽부에 2개의 포트가 설치된다. 이러한 2개의 포트 중 하나는 연료 압력을 조정 때문에 연료를 넘쳐 흐르게 하기 위한 오버플로우 포트(제 1 포트)(11B)이고, 다른 하나는 연료 압력이 소정 레벨에 도달하면 소량의 연료를 윤활유 라인(15)으로 배출하기 위한 배출 포트(제 2 포트)(11C)이다.

오버플로우 포트(11B)는 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력이 소정의 압력 조정 목표값에 도달했을 때에, 배관(12)을 드레인 배관(13)과 연통시킬 수 있는 위치에 설치된다. 한편, 배출 포트(11C)는 오버플로우 포트(11B)보다 압력 수용 포트(11A)에 더 근접하게 설치되어 있고, 그 위치는 시동 후에 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력이 분사에 충분한 압력에 된 후, 배관(12)을 윤활유 라인(15)에 연통시킬 수 있는 위치이다.

연료 압력 조정 밸브(11)는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 시동 후에 압력 수용 포트(11A)에 있어서의 연료 압력이 상승함으로써, 피스톤(32)이 탄성 가압 기구(33)의 방향을 향해서 이동하고, 분사에 충분한 압력에 도달한 후에는 피스톤(32)의 외주면(32A)에 의해 막혀 있던 배출 포트(11C)가 개방되어서, 배관(12)으로부터 윤활유 라인(15)으로 연료가 흐르기 시작한다. 이것은 도 4에서 참조부호 (P)와 참조부호 (P1)이 동일해지는 시점이다. 배출 포트(11C)는 오리피스로서 형성되기 있으므로, 그 후에 연료 압력이 상승하더라도 배출 포트(11C)를 통과하는 연료의 유량(QA)은 도 4에 도시된 바와 같이 작은 경사로 증가할 뿐이다. 결과적으로, 연료 압력(P)이 연료 압력(P1)보다 클 때, 윤활유로서 연료 공급량은 비교적 작은 값으로 유지된다.

한편, 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력이 소정의 값을 초과함에 따라, 피스톤(32)의 외주면(32A)에 의해 막혀 있던 오버플로우 포트(11B)가 개방되어, 배관(12)으로부터의 연료를 드레인 배관(13)으로 배출하고, 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력을 저하시킨다. 이렇게 하여 연료 압력이 저하하면, 오버플로우 포트(11B)는 다시 피스톤(32)의 외주면(32A)에 다시 막히고, 연료 압력이 상승한다. 이렇게 피스톤(32)이 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력에 대응하여 움직여서 위치 결정되어 오버플로우 포트(11B)를 개폐함으로써, 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력이 소정 레벨이 되도록 압력 조정된다. 챔버(37) 내의 압력이 내주면(31A)과 외주면(32A) 사이의 간격을 통해 적시에 오버플로우 포트(11B)로부터 배출될 수 있도록 양자 사이의 연료 밀봉이 설정되어 있으므로, 피스톤(32)에 큰 배압이 발생하고 그 압력 조정 동작에 불량이 발생할 일은 없다.

연료 압력 조정 밸브(11)는 이상과 같이 동작하므로, 윤활유 라인(15)에 어떠한 이유로 압력 상승이 발생해도, 압력 수용 포트(11A)의 연료 압력을 조정하기 위한 피스톤(32)의 동작에는 전혀 영향이 없고, 저압 펌프(3)로부터 공급되는 연료의 압력 조정 동작에 지장을 발생시키는 일 없이 윤활용 연료를 배출할 수 있다. 이 결과, 연료 압력 조정 밸브(11)는 윤활유 라인(15)에 배압이 작용했을 경우에 있어서도 제어 밸브(9)의 연료 입구측의 연료 압력의 압력 조정 특성에 변화를 발생시키는 일이 없고, 제어 밸브(9)에 있어서 안정한 유량 제어가 실현된다.

상기 실시예에서, 연료 압력 조정 밸브(11)에 설치된 탄성 가압 기구(33)는 2개의 코일 스프링을 이용하여 구성되어 있다. 그러나, 탄성 가압 기구(33)는 이러한 구성에 한정되지 않고, 탄성 가압 기구(33)를 하나의 코일 스프링을 사용하여 구성해도 된다.

도 5에는 한 개의 코일 스프링을 이용하여 탄성 가압 기구를 구성한 연료 압력 조정 밸브의 구성이 도시되고 있다. 이러한 연료 압력 조정 밸브(111)는 탄성 가압 기구(133)가 한 개의 코일 스프링(133A)을 이용하여 구성되어 있다는 점에서만 도 2에 도시된 연료 압력 조정 밸브(11)와 상이하고, 연료 압력 조정 밸브(111)의 그 밖의 구성은 연료 압력 조정 밸브(11)의 구성과 동일하다. 따라서, 연료 압력 조정 밸브(111)의 각 부분 중 연료 압력 조정 밸브(11)의 각 부분에 대응하는 부분에는 동일한 참조부호가 부여되고, 이들의 설명을 중복하는 것은 생략한다.

연료 압력 조정 밸브(111)에 있어서, 피스톤(132)은 중공형으로 되어 있어, 피스톤(132)의 외주벽으로 개방된 복수의 관통 구멍(132A)이 오버플로우 포트(11B)와 대향했을 때에 배관(12) 내의 연료 압력이 오버플로우 포트(11B)로부터 배출되어 압력 조정 동작이 실행된다. 또한, 실린더(31)의 챔버(37)에는 피스톤(132)의 외주 직경보다 큰 직경의 배출 구멍(11D)이 설치된 대직경부 챔버(37A)가 형성되어 있어, 대직경부 챔버(37A)의 내주벽과 피스톤(132)의 외주벽 사이에는 항상 공간이 형성되는 구성되어 있다. 이 때문에, 피스톤(132)의 외주벽이 그 동작중에 배출 구멍(11D)을 막는 일 없이, 챔버(37) 내의 압력을 배출 구멍(11D)을 통해 항상 연료 저압부로 배출할 수 있으며, 피스톤(132) 상에 그 동작을 방해하는 배압이 작용하는 일이 없다. 참조부호 (135)로 도시된 부분은 실린더(31)의 일 단부를 막기 위한 볼 부재이다.

본 발명에 따르면, 연료의 압력 조정 및 윤활 연료의 배출이 원활하게 실행할 수 있으며, 연료 공급 장치의 개선에 도움이 된다.

Claims

공급 연료를 가압 공급하기 위한 펌프와, 상기 펌프로부터 공급되는 연료의 압력을 소정의 압력으로 조정하기 위해서 상기 펌프의 연료 출구측에 설치된 연료 압력 조정 밸브를 구비하여 이루어지는 연료 공급 장치에 있어서,

상기 연료 압력 조정 밸브는,

피스톤과,

상기 피스톤을 수용하는 실린더로서, 일 단부에 형성된 압력 수용 포트와, 측벽부에 형성된 오버플로우 포트 및 윤활유 연료 배출용의 배출 포트를 구비하는, 상기 실린더를 포함하고,

상기 피스톤이 탄성 가압 기구에 의해 상기 실린더의 압력 수용 포트 쪽으로 탄성 가압되어 있고, 상기 피스톤이 상기 압력 수용 포트의 연료 압력에 대응하여 움직여서 상기 실린더의 측벽부에 설치된 상기 오버플로우 포트를 개폐함으로써 연료의 압력이 조정되도록 구성되어 있으며, 상기 배출 포트는 상기 실린더의 측벽부에 있어서 상기 오버플로우 포트보다 상기 압력 수용 포트 쪽에 더 가까운 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는

연료 공급 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 탄성 가압 기구는 단일의 탄성 가압 부재를 구비하여 이루어지는

연료 공급 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 탄성 가압 기구는 직렬로 배치된 상이한 스프링 정수를 갖는 복수의 탄성 가압 부재를 구비하여 이루어지고, 상이한 복수의 스프링 정수 특성선을 갖는 피스톤 스트로크 특성을 구비하는

연료 공급 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 실린더의 측벽부에, 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 구획된 챔버 내의 연료 압력에 의해 생기는 상기 피스톤의 배압을 연료 저압측으로 배출하기 위한 배출 구멍(11D)이 설치되는

연료 공급 장치.